ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法、並びに、ヒートシンク付パワーモジュール、パワーモジュール用基板
【課題】反りの発生を抑制することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法、並びに、ヒートシンク付パワーモジュール、パワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】絶縁基板１２の一方の面に回路層１３が形成されるとともに他方の面に金属層１４が形成されたパワーモジュール用基板１１と、金属層１４側に接合されてパワーモジュール用基板１１を冷却するヒートシンク１７とを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板１０であって、金属層１４とヒートシンク１７とが直接接合されており、回路層１３の厚さＡと金属層１４の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されていることを特徴とする。
【解決手段】絶縁基板１２の一方の面に回路層１３が形成されるとともに他方の面に金属層１４が形成されたパワーモジュール用基板１１と、金属層１４側に接合されてパワーモジュール用基板１１を冷却するヒートシンク１７とを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板１０であって、金属層１４とヒートシンク１７とが直接接合されており、回路層１３の厚さＡと金属層１４の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法、並びに、ヒートシンク付パワーモジュール、パワーモジュール用基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のヒートシンク付パワーモジュール用基板として、例えば特許文献１及び特許文献２に示されるように、絶縁基板の一方の面にアルミニウムからなる回路層が形成されるとともに絶縁基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が形成され、この金属層の表面にヒートシンクの天板部が接合されたものが広く提案されている。
このようなヒートシンク付パワーモジュールは、絶縁基板と回路層、金属層をそれぞれ接合してパワーモジュール用基板を形成した後に、このパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合することで製造される。
【０００３】
このヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前記回路層に半導体チップ等の電子部品がはんだ接合されることでヒートシンク付パワーモジュールとして使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３１７１２３４号公報
【特許文献２】特開平１０−０６５０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、絶縁基板の他方の面側に位置する金属層及びヒートシンクの天板部の合計厚さが薄い場合、曲げ剛性が低くなって反りが生じることがあった。
最近では、ヒートシンク付パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、電子部品の発熱量も上昇する傾向にあり、ヒートシンクの冷却能向上のために、天板部の厚さが薄いヒートシンクも使用されている。このため、絶縁基板の他方の面側に位置する金属層及びヒートシンクの天板部の合計厚さが薄くなる傾向にあり、前述の反りの発生が問題となっている。
【０００６】
また、特許文献１に記載されたヒートシンク付パワーモジュールにおいては、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材からなる融点降下層が両面に形成されたアルミニウム箔を介して、金属層とヒートシンクとが接合されている。このため、アルミニウム箔と金属層との接合界面及びアルミニウム箔とヒートシンクとの接合界面に、Ｓｉを多く含んだ硬度の高い部分が形成されることになる。このように絶縁基板の他方の面側に位置する金属層及びヒートシンクに硬度の高い部分が形成されていると、硬度の高い部分で金属層やヒートシンクの天板部が拘束されることになる。このため、例えばパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際に、これらの積層方向に加圧しても金属層が硬度の高い部分に拘束されて十分に変形せず、反りを抑制できないことがあった。
【０００７】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、反りの発生を抑制することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール、並びに、パワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されて前記パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層と前記ヒートシンクとが直接接合されており、前記回路層の厚さＡと前記金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されていることを特徴としている。
【０００９】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、前記回路層の厚さＡと前記金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されており、ヒートシンクに接合される金属層の厚さが回路層の厚さよりも厚く設定されているので、天板部の厚さが薄いヒートシンクを使用する場合でも絶縁基板の他方の面側に位置する金属層及びヒートシンクの天板部の合計厚さを比較的厚くすることが可能となり、反りの発生を抑制することができる。また、厚い金属層がヒートシンクに直接接合されているので、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際にパワーモジュール用基板とヒートシンクとをその積層方向に加圧することによって金属層を十分に変形させることが可能となり、反りを抑制することができる。
【００１０】
ここで、回路層の厚さＡと金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが２．１６７よりも小さいと前述の効果を十分に奏功せしめることができない。一方、回路層の厚さＡと金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが２０を超えると、金属層が熱抵抗となり、ヒートシンクによる冷却が不十分となる。このため、回路層の厚さＡと金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａは２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定することが好ましい。
【００１１】
また、この金属層が、接合する前の状態において、純度９９．９９％以上のアルミニウムで構成されていることが好ましい。
この場合、金属層の変形抵抗が小さく、ヒートシンクとの接合時に加圧することによって金属層を十分に変形させることが可能となり、反りの発生を確実に抑制することができる。
【００１２】
さらに、前記回路層及び前記金属層がアルミニウムで構成されており、前記ヒートシンク及び前記絶縁基板に接合する前の状態における前記金属層のアルミニウムの純度が、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記回路層のアルミニウムの純度よりも高くされていることが好ましい。
絶縁基板の一方の面に回路層を、絶縁基板の他方の面に金属層を接合する際において、回路層の厚さと金属層の厚さとが異なっていると、反りが発生しやすくなる。ここで、厚く成形される金属層を、薄く成形される回路層よりも変形抵抗の小さい材料で構成することによって、接合時の反りの発生を抑制することが可能となる。
【００１３】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、絶縁基板の一方の面に回路層を接合するとともに絶縁基板の他方の面に金属層を接合してパワーモジュール用基板を形成する１次接合工程と、前記パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを接合する２次接合工程と、を有し、前記２次接合工程においては、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを積層させ、積層方向に０．１５〜３ＭＰａで加圧することを特徴としている。
【００１４】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法では、前述のパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する２次接合工程において、その積層方向に０．１５〜３ＭＰａで加圧しているので、金属層を十分に変形させることによって反りの発生を抑制することができる。
【００１５】
本発明のヒートシンク付パワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、該ヒートシンク付パワーモジュール用基板の前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
【００１６】
この構成のヒートシンク付パワーモジュールによれば、反り変形が抑制され、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【００１７】
本発明のパワーモジュール用基板は、絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板であって、前記回路層の厚さＡと前記金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されていることを特徴とする。
この構成のパワーモジュール用基板においては、金属層の表面にヒートシンクを接合した場合に、天板部の厚さが薄いヒートシンクを使用しても絶縁基板の他方の面側に位置する金属層及びヒートシンクの天板部の合計厚さを比較的厚くすることが可能となり、反りの発生を抑制することができる。
【００１８】
ここで、前記回路層及び前記金属層がアルミニウムで構成されており、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記金属層のアルミニウムの純度が、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記回路層のアルミニウムの純度よりも高くされていることが好ましい。
この場合、厚く形成される金属層が、薄く形成される回路層よりも変形抵抗の小さい材料で構成されているので、絶縁基板に金属層及び回路層を接合する際に生じる反りを抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、反りの発生を抑制することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法、並びに、ヒートシンク付パワーモジュール、パワーモジュール用基板を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。
【図２】本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及び天板部のビッカース硬度の分布を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図４】本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。
【図５】本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１から図３に本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールを示す。
このヒートシンク付パワーモジュール１は、回路層１３が配設されたパワーモジュール用基板１１と、回路層１３の表面にはんだ層３を介して接合された半導体チップ２と、ヒートシンク１７とを備えている。ここで、はんだ層３は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１３とはんだ層３との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００２２】
パワーモジュール用基板１１は、絶縁基板１２と、この絶縁基板１２の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１３と、絶縁基板１２の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１４とを備えている。
絶縁基板１２は、回路層１３と金属層１４との間の電気的接続を防止するものであって、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、ＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、絶縁基板１２の厚さＣは、０．２ｍｍ≦Ｃ≦１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｃ＝０．６３５ｍｍに設定されている。
【００２３】
回路層１３は、絶縁基板１２の一方の面に導電性を有する金属板２３がろう付けされることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１３は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる金属板２３が絶縁基板１２にろう付けされることにより形成されている。ここで、本実施形態においてはＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を用いてろう付けしており、ろう材のＳｉが金属板２３に拡散することで回路層１３にはＳｉの濃度分布が生じている。
【００２４】
金属層１４は、絶縁基板１２の他方の面に金属板２４がろう付けされることにより形成されている。本実施形態においては、金属層２４は、回路層１３と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる金属板２４が絶縁基板１２にろう付けされることで形成されている。本実施形態においてはＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２７を用いてろう付けしており、ろう材のＳｉが金属板２４に拡散することで金属層１４にはＳｉの濃度分布が生じている。
【００２５】
ここで、回路層１３の厚さＡは、０．２５ｍｍ≦Ａ≦０．９ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、Ａ＝０．６ｍｍに設定されている。
また、金属層１４の厚さＢは、０．４ｍｍ≦Ｂ≦５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｂ＝１．３ｍｍに設定されている。
そして、回路層１３の厚さＡと金属層１４の厚さＢとの比Ｂ／Ａは、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｂ／Ａ＝１．３／０．６＝２．１６７に設定されている。
【００２６】
ヒートシンク１７は、前述のパワーモジュール用基板１１を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１１と接合される天板部１８と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１９とを備えている。ヒートシンク１７のうち少なくとも天板部１８は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３で構成されている。また、天板部１８の厚さＤは、１ｍｍ≦Ｄ≦１０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｄ＝１．７ｍｍに設定されている。
【００２７】
そして、パワーモジュール用基板１１の金属層１４とヒートシンク１７の天板部１８とが、ろう付けによって直接接合されている。本実施形態においてはＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２８を用いてろう付けしており、ろう材のＳｉが金属板２４に拡散することで金属層１４にはＳｉの濃度分布が生じている。
前述のように、金属層１４は、絶縁基板１２とろう材箔２７を用いてろう付けされ、ヒートシンク１７の天板部１８とろう材箔２８を用いてろう付けされているので、金属層１４においては、図２に示すように、Ｓｉの濃度分布によってビッカース硬度が厚さ方向で変化している。
【００２８】
このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板１０は、以下のようにして製造される。図３に示すように、ＡｌＮからなる絶縁基板１２の一方の面に回路層１３となる金属板２３（４Ｎアルミニウム）が厚さ０．０２ｍｍのろう材箔２６を介して積層され、絶縁基板１２の他方の面に金属層１４となる金属板２４（４Ｎアルミニウム）が厚さ０．０２ｍｍのろう材箔２７を介して積層される。このようにして形成された積層体をその積層方向に加圧した状態で真空炉内に装入してろう付けを行い、パワーモジュール用基板１１を製出する（１次接合工程Ｓ１）。
【００２９】
次に、パワーモジュール用基板１１の金属層１４の表面に、厚さ０．０５ｍｍのろう材箔２８を介してヒートシンク１７の天板部１８が積層される。このように積層した状態で積層方向に加圧するとともに真空炉内に装入してろう付けを行うことで、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０が製造される（２次接合工程Ｓ２）。ここで、２次接合工程Ｓ２においては、積層方向に０．１５〜３ＭＰａで加圧するように構成されている。
【００３０】
このような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０及びヒートシンク付パワーモジュール１においては、ヒートシンク１７の天板部１８に接合される金属層１４の厚さが回路層１３の厚さよりも厚く設定されているので、天板部１８の厚さが薄いヒートシンク１７を使用しても、絶縁基板１２の他方の面側に位置する金属層１４及びヒートシンク１７の天板部１８の合計厚さを確保することが可能となり、反りの発生を抑制することができる。また、天板部１８が薄いヒートシンク１７を使用することで冷却効率を向上させることができ、発熱量の高い電子部品を実装したパワーモジュールに適用することが可能となる。
【００３１】
また、比較的厚い金属層１４がヒートシンク１７の天板部１８にろう材箔２８を用いてろう付けにより直接接合されているので、パワーモジュール用基板１１とヒートシンク１７の天板部１８とを接合する２次接合工程Ｓ２において、パワーモジュール用基板１１とヒートシンク１７とを積層方向に加圧した際に、金属層１４を十分に変形させることが可能となり、反りを確実に抑制することができる。
【００３２】
さらに、回路層１３の厚さＡと金属層１４の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定され、本実施形態では、Ｂ／Ａ＝１．３／０．６＝２．１６７に設定されているので、金属層１４の厚さを確保して前述の反りの抑制効果を確実に奏功せしめることができるとともに、金属層１４が大きな熱抵抗とならず、ヒートシンク１７によってパワーモジュールを十分に冷却することができる。なお、回路層１３の厚さＡと金属層１４の厚さＢとの比率Ｂ／Ａは、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦５．６２５の範囲内に設定することがより好ましい。
【００３３】
また、金属層１４が、接合する前の状態において純度９９．９９％以上のアルミニウム、いわゆる４Ｎアルミニウムで構成されているので、金属層１４の変形抵抗が小さく、金属層１４とヒートシンク１７の天板部１８とを接合する２次接合工程Ｓ２において、積層方向に加圧した際に金属層１４を十分に変形させることが可能となり、反りの発生を確実に抑制することができる。
【００３４】
さらに、金属層１４とヒートシンク１７の天板部１８とを接合する２次接合工程Ｓ２においては、これらの積層方向に０．１５〜３ＭＰａで加圧するように構成されているので、金属層１４を確実に変形させて、反りを抑制することができる。
【００３５】
また、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０の回路層１３に半導体チップ２がはんだ接合されたヒートシンク付パワーモジュール１においては、反り変形がないので、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、絶縁基板をＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成したものとして説明したが、絶縁性を有する材料であればよく、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等であってもよい。
【００３７】
また、平板状に形成された天板部１８にパワーモジュール用基板１１が接合されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば図４に示すように、天板部１１８に凹部１２０が形成され、この凹部１２０内にパワーモジュール用基板１１１が収容されていてもよい。この場合、天板部１１８の厚さＤは凹部１２０の底面の厚さとなる。
【００３８】
さらに、金属層１４を、回路層１３と同一幅で絶縁基板１２よりも幅狭のものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば図５に示すように金属層２１４を、回路層２１３や絶縁基板２１２よりも幅広に構成してもよい。この場合、金属層２１４と絶縁基板２１２とを接合する際の位置決めを高精度に行う必要がなく、比較的簡単に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２１０を製造することができる。
【００３９】
また、回路層及び金属層を、純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）やアルミニウム合金であってもよい。ただし、金属層の変形抵抗が小さくなって反りを抑制する効果を確実に奏功せしめることができるので、純度９９．９９％以上のアルミニウムを用いることが好ましい。
さらに、ヒートシンクをＡ６０６３で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、純アルミニウムで構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はなく、例えば空冷方式のヒートシンクであってもよい。
【００４０】
さらに、金属層と回路層とを同一の材料（４Ｎアルミニウム）で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、金属層と回路層とが異なった材料で構成されていてもよい。
特に、厚く形成される金属層を、薄く形成される回路層よりも変形抵抗の小さな材料で構成した場合には、絶縁基板に金属層及び回路層を接合する際の反りの発生を抑制することが可能となる。具体的には、回路層を純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成し、金属層を純度９９．９９９％以上のアルミニウム（５Ｎアルミニウム）や純度９９．９９９９％以上のアルミニウム（６Ｎアルミニウム）で構成することが好ましい。さらに、回路層を純度９９％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）で構成し、金属層を純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）や純度９９．９９９％以上のアルミニウム（５Ｎアルミニウム）で構成してもよい。
【実施例１】
【００４１】
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
比較例１−３、実施例２−５においては、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなる絶縁基板と、４Ｎアルミニウムからなる回路層及び金属層と、厚さ１．７ｍｍのＡ６０６３からなる天板部を備えたヒートシンクと、を共通に有しており、金属層とヒートシンクの天板部とがろう付けによって直接接合されている。
そして、回路層、金属層の厚さをそれぞれ変更し、比較例１−３、実施例２−５のヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
【００４２】
評価としては、製作されたヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの発生状況、ヒートシンクと絶縁基板との間の熱抵抗を比較した。評価結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
比較例１、２では、金属層が比較的薄いため、熱抵抗は小さいものの反り変形が認められた。
一方、金属層が回路層に比べて著しく厚い場合には、熱抵抗が大きく、ヒートシンクによる冷却が不十分になることが確認された。
これに対して、実施例２−５においては、反り変形が抑制されるとともに、熱抵抗も小さく抑えられていることがわかる。
この比較実験の結果、本発明によれば、反り変形がなく、かつ、ヒートシンクによって電子部品等を効率的に冷却可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができることが確認された。
【実施例２】
【００４５】
実施例６−１０においては、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなる絶縁基板に、厚さ０．６ｍｍの回路層及び厚さ２．３ｍｍの金属層を接合してパワーモジュール用基板を作製した。さらに、このパワーモジュール用基板の金属層側に厚さ５ｍｍのＡ６０６３からなる天板部を備えたヒートシンクをろう付けした。ここで、回路層及び金属層を構成する材料を変更した。
比較例５としては、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなる絶縁基板に、４Ｎアルミニウムからなる厚さ０．６ｍｍの回路層及び４Ｎアルミニウムからなる厚さ０．６ｍｍの金属層を接合してパワーモジュール用基板を作製した。さらに、このパワーモジュール用基板の金属層側に、４Ｎアルミニウムからなる厚さ０．９ｍｍの緩衝材を介して、厚さ５ｍｍのＡ６０６３からなる天板部を備えたヒートシンクをろう付けした。
【００４６】
そして、絶縁基板に回路層及び金属層を接合してパワーモジュール用基板を作製する際に発生する反り量を評価した。また、ヒートシンクをろう付けしたヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの発生状況を確認した。さらに、冷熱サイクル（−４０℃―１２５℃）を２０００回負荷した際の絶縁基板の割れの有無について評価した。評価結果を表２に示す。
【００４７】
なお、表２において、パワーモジュール用基板製作時の反り量については、幅３０ｍｍ当りの反り量が２０μｍ未満のものを◎、２０μｍ以上４０μｍ未満のものを○、４０μｍ以上のものを△とした。
また、ヒートシンク接合時の反り量については、幅３０ｍｍ当りの反り量が８０μm未満のものを◎、８０μｍ以上１００μｍ未満のものを○、１００μｍ以上のものを△とした。
さらに、絶縁基板の割れについては、３ヶの試験片に割れが認められないものを○、３ヶの試験片のうち１ヶに割れが確認されたものを△とした。
【００４８】
【表２】
【００４９】
比較例５では、冷熱サイクルを２０００回負荷した際に、絶縁基板に割れが生じることがあった。これに対して、実施例６−１０では、絶縁基板の割れは観察されなかった。
また、回路層と金属層とを同一の材料で構成した実施例６においては、絶縁基板に回路層及び金属層を接合してパワーモジュール用基板を作製する際に反りの発生が認められた。一方、金属層を、回路層よりも変形抵抗の小さな材料で構成した場合には、パワーモジュール用基板を作製する際に発生する反りが抑制されることが確認された。
【符号の説明】
【００５０】
１、１０１、２０１ ヒートシンク付パワーモジュール
２、１０２、２０２ 半導体チップ（電子部品）
１０、１１０、２１０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１ パワーモジュール用基板
１２、１１２、２１２ 絶縁基板
１３、１１３、２１３ 回路層
１４、１１４、２１４ 金属層
１５、１１５、２１５ 緩衝層
１７、１１７、２１７ ヒートシンク
１８、１１８、２１８ 天板部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法、並びに、ヒートシンク付パワーモジュール、パワーモジュール用基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のヒートシンク付パワーモジュール用基板として、例えば特許文献１及び特許文献２に示されるように、絶縁基板の一方の面にアルミニウムからなる回路層が形成されるとともに絶縁基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が形成され、この金属層の表面にヒートシンクの天板部が接合されたものが広く提案されている。
このようなヒートシンク付パワーモジュールは、絶縁基板と回路層、金属層をそれぞれ接合してパワーモジュール用基板を形成した後に、このパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合することで製造される。
【０００３】
このヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前記回路層に半導体チップ等の電子部品がはんだ接合されることでヒートシンク付パワーモジュールとして使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３１７１２３４号公報
【特許文献２】特開平１０−０６５０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、絶縁基板の他方の面側に位置する金属層及びヒートシンクの天板部の合計厚さが薄い場合、曲げ剛性が低くなって反りが生じることがあった。
最近では、ヒートシンク付パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、電子部品の発熱量も上昇する傾向にあり、ヒートシンクの冷却能向上のために、天板部の厚さが薄いヒートシンクも使用されている。このため、絶縁基板の他方の面側に位置する金属層及びヒートシンクの天板部の合計厚さが薄くなる傾向にあり、前述の反りの発生が問題となっている。
【０００６】
また、特許文献１に記載されたヒートシンク付パワーモジュールにおいては、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材からなる融点降下層が両面に形成されたアルミニウム箔を介して、金属層とヒートシンクとが接合されている。このため、アルミニウム箔と金属層との接合界面及びアルミニウム箔とヒートシンクとの接合界面に、Ｓｉを多く含んだ硬度の高い部分が形成されることになる。このように絶縁基板の他方の面側に位置する金属層及びヒートシンクに硬度の高い部分が形成されていると、硬度の高い部分で金属層やヒートシンクの天板部が拘束されることになる。このため、例えばパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際に、これらの積層方向に加圧しても金属層が硬度の高い部分に拘束されて十分に変形せず、反りを抑制できないことがあった。
【０００７】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、反りの発生を抑制することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール、並びに、パワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されて前記パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層と前記ヒートシンクとが直接接合されており、前記回路層の厚さＡと前記金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されていることを特徴としている。
【０００９】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、前記回路層の厚さＡと前記金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されており、ヒートシンクに接合される金属層の厚さが回路層の厚さよりも厚く設定されているので、天板部の厚さが薄いヒートシンクを使用する場合でも絶縁基板の他方の面側に位置する金属層及びヒートシンクの天板部の合計厚さを比較的厚くすることが可能となり、反りの発生を抑制することができる。また、厚い金属層がヒートシンクに直接接合されているので、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際にパワーモジュール用基板とヒートシンクとをその積層方向に加圧することによって金属層を十分に変形させることが可能となり、反りを抑制することができる。
【００１０】
ここで、回路層の厚さＡと金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが２．１６７よりも小さいと前述の効果を十分に奏功せしめることができない。一方、回路層の厚さＡと金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが２０を超えると、金属層が熱抵抗となり、ヒートシンクによる冷却が不十分となる。このため、回路層の厚さＡと金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａは２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定することが好ましい。
【００１１】
また、この金属層が、接合する前の状態において、純度９９．９９％以上のアルミニウムで構成されていることが好ましい。
この場合、金属層の変形抵抗が小さく、ヒートシンクとの接合時に加圧することによって金属層を十分に変形させることが可能となり、反りの発生を確実に抑制することができる。
【００１２】
さらに、前記回路層及び前記金属層がアルミニウムで構成されており、前記ヒートシンク及び前記絶縁基板に接合する前の状態における前記金属層のアルミニウムの純度が、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記回路層のアルミニウムの純度よりも高くされていることが好ましい。
絶縁基板の一方の面に回路層を、絶縁基板の他方の面に金属層を接合する際において、回路層の厚さと金属層の厚さとが異なっていると、反りが発生しやすくなる。ここで、厚く成形される金属層を、薄く成形される回路層よりも変形抵抗の小さい材料で構成することによって、接合時の反りの発生を抑制することが可能となる。
【００１３】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、絶縁基板の一方の面に回路層を接合するとともに絶縁基板の他方の面に金属層を接合してパワーモジュール用基板を形成する１次接合工程と、前記パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを接合する２次接合工程と、を有し、前記２次接合工程においては、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを積層させ、積層方向に０．１５〜３ＭＰａで加圧することを特徴としている。
【００１４】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法では、前述のパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する２次接合工程において、その積層方向に０．１５〜３ＭＰａで加圧しているので、金属層を十分に変形させることによって反りの発生を抑制することができる。
【００１５】
本発明のヒートシンク付パワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、該ヒートシンク付パワーモジュール用基板の前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
【００１６】
この構成のヒートシンク付パワーモジュールによれば、反り変形が抑制され、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【００１７】
本発明のパワーモジュール用基板は、絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板であって、前記回路層の厚さＡと前記金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されていることを特徴とする。
この構成のパワーモジュール用基板においては、金属層の表面にヒートシンクを接合した場合に、天板部の厚さが薄いヒートシンクを使用しても絶縁基板の他方の面側に位置する金属層及びヒートシンクの天板部の合計厚さを比較的厚くすることが可能となり、反りの発生を抑制することができる。
【００１８】
ここで、前記回路層及び前記金属層がアルミニウムで構成されており、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記金属層のアルミニウムの純度が、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記回路層のアルミニウムの純度よりも高くされていることが好ましい。
この場合、厚く形成される金属層が、薄く形成される回路層よりも変形抵抗の小さい材料で構成されているので、絶縁基板に金属層及び回路層を接合する際に生じる反りを抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、反りの発生を抑制することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法、並びに、ヒートシンク付パワーモジュール、パワーモジュール用基板を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。
【図２】本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及び天板部のビッカース硬度の分布を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図４】本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。
【図５】本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１から図３に本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールを示す。
このヒートシンク付パワーモジュール１は、回路層１３が配設されたパワーモジュール用基板１１と、回路層１３の表面にはんだ層３を介して接合された半導体チップ２と、ヒートシンク１７とを備えている。ここで、はんだ層３は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１３とはんだ層３との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００２２】
パワーモジュール用基板１１は、絶縁基板１２と、この絶縁基板１２の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１３と、絶縁基板１２の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１４とを備えている。
絶縁基板１２は、回路層１３と金属層１４との間の電気的接続を防止するものであって、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、ＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、絶縁基板１２の厚さＣは、０．２ｍｍ≦Ｃ≦１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｃ＝０．６３５ｍｍに設定されている。
【００２３】
回路層１３は、絶縁基板１２の一方の面に導電性を有する金属板２３がろう付けされることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１３は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる金属板２３が絶縁基板１２にろう付けされることにより形成されている。ここで、本実施形態においてはＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を用いてろう付けしており、ろう材のＳｉが金属板２３に拡散することで回路層１３にはＳｉの濃度分布が生じている。
【００２４】
金属層１４は、絶縁基板１２の他方の面に金属板２４がろう付けされることにより形成されている。本実施形態においては、金属層２４は、回路層１３と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる金属板２４が絶縁基板１２にろう付けされることで形成されている。本実施形態においてはＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２７を用いてろう付けしており、ろう材のＳｉが金属板２４に拡散することで金属層１４にはＳｉの濃度分布が生じている。
【００２５】
ここで、回路層１３の厚さＡは、０．２５ｍｍ≦Ａ≦０．９ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、Ａ＝０．６ｍｍに設定されている。
また、金属層１４の厚さＢは、０．４ｍｍ≦Ｂ≦５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｂ＝１．３ｍｍに設定されている。
そして、回路層１３の厚さＡと金属層１４の厚さＢとの比Ｂ／Ａは、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｂ／Ａ＝１．３／０．６＝２．１６７に設定されている。
【００２６】
ヒートシンク１７は、前述のパワーモジュール用基板１１を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１１と接合される天板部１８と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１９とを備えている。ヒートシンク１７のうち少なくとも天板部１８は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３で構成されている。また、天板部１８の厚さＤは、１ｍｍ≦Ｄ≦１０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｄ＝１．７ｍｍに設定されている。
【００２７】
そして、パワーモジュール用基板１１の金属層１４とヒートシンク１７の天板部１８とが、ろう付けによって直接接合されている。本実施形態においてはＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２８を用いてろう付けしており、ろう材のＳｉが金属板２４に拡散することで金属層１４にはＳｉの濃度分布が生じている。
前述のように、金属層１４は、絶縁基板１２とろう材箔２７を用いてろう付けされ、ヒートシンク１７の天板部１８とろう材箔２８を用いてろう付けされているので、金属層１４においては、図２に示すように、Ｓｉの濃度分布によってビッカース硬度が厚さ方向で変化している。
【００２８】
このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板１０は、以下のようにして製造される。図３に示すように、ＡｌＮからなる絶縁基板１２の一方の面に回路層１３となる金属板２３（４Ｎアルミニウム）が厚さ０．０２ｍｍのろう材箔２６を介して積層され、絶縁基板１２の他方の面に金属層１４となる金属板２４（４Ｎアルミニウム）が厚さ０．０２ｍｍのろう材箔２７を介して積層される。このようにして形成された積層体をその積層方向に加圧した状態で真空炉内に装入してろう付けを行い、パワーモジュール用基板１１を製出する（１次接合工程Ｓ１）。
【００２９】
次に、パワーモジュール用基板１１の金属層１４の表面に、厚さ０．０５ｍｍのろう材箔２８を介してヒートシンク１７の天板部１８が積層される。このように積層した状態で積層方向に加圧するとともに真空炉内に装入してろう付けを行うことで、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０が製造される（２次接合工程Ｓ２）。ここで、２次接合工程Ｓ２においては、積層方向に０．１５〜３ＭＰａで加圧するように構成されている。
【００３０】
このような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０及びヒートシンク付パワーモジュール１においては、ヒートシンク１７の天板部１８に接合される金属層１４の厚さが回路層１３の厚さよりも厚く設定されているので、天板部１８の厚さが薄いヒートシンク１７を使用しても、絶縁基板１２の他方の面側に位置する金属層１４及びヒートシンク１７の天板部１８の合計厚さを確保することが可能となり、反りの発生を抑制することができる。また、天板部１８が薄いヒートシンク１７を使用することで冷却効率を向上させることができ、発熱量の高い電子部品を実装したパワーモジュールに適用することが可能となる。
【００３１】
また、比較的厚い金属層１４がヒートシンク１７の天板部１８にろう材箔２８を用いてろう付けにより直接接合されているので、パワーモジュール用基板１１とヒートシンク１７の天板部１８とを接合する２次接合工程Ｓ２において、パワーモジュール用基板１１とヒートシンク１７とを積層方向に加圧した際に、金属層１４を十分に変形させることが可能となり、反りを確実に抑制することができる。
【００３２】
さらに、回路層１３の厚さＡと金属層１４の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定され、本実施形態では、Ｂ／Ａ＝１．３／０．６＝２．１６７に設定されているので、金属層１４の厚さを確保して前述の反りの抑制効果を確実に奏功せしめることができるとともに、金属層１４が大きな熱抵抗とならず、ヒートシンク１７によってパワーモジュールを十分に冷却することができる。なお、回路層１３の厚さＡと金属層１４の厚さＢとの比率Ｂ／Ａは、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦５．６２５の範囲内に設定することがより好ましい。
【００３３】
また、金属層１４が、接合する前の状態において純度９９．９９％以上のアルミニウム、いわゆる４Ｎアルミニウムで構成されているので、金属層１４の変形抵抗が小さく、金属層１４とヒートシンク１７の天板部１８とを接合する２次接合工程Ｓ２において、積層方向に加圧した際に金属層１４を十分に変形させることが可能となり、反りの発生を確実に抑制することができる。
【００３４】
さらに、金属層１４とヒートシンク１７の天板部１８とを接合する２次接合工程Ｓ２においては、これらの積層方向に０．１５〜３ＭＰａで加圧するように構成されているので、金属層１４を確実に変形させて、反りを抑制することができる。
【００３５】
また、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０の回路層１３に半導体チップ２がはんだ接合されたヒートシンク付パワーモジュール１においては、反り変形がないので、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、絶縁基板をＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成したものとして説明したが、絶縁性を有する材料であればよく、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等であってもよい。
【００３７】
また、平板状に形成された天板部１８にパワーモジュール用基板１１が接合されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば図４に示すように、天板部１１８に凹部１２０が形成され、この凹部１２０内にパワーモジュール用基板１１１が収容されていてもよい。この場合、天板部１１８の厚さＤは凹部１２０の底面の厚さとなる。
【００３８】
さらに、金属層１４を、回路層１３と同一幅で絶縁基板１２よりも幅狭のものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば図５に示すように金属層２１４を、回路層２１３や絶縁基板２１２よりも幅広に構成してもよい。この場合、金属層２１４と絶縁基板２１２とを接合する際の位置決めを高精度に行う必要がなく、比較的簡単に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２１０を製造することができる。
【００３９】
また、回路層及び金属層を、純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）やアルミニウム合金であってもよい。ただし、金属層の変形抵抗が小さくなって反りを抑制する効果を確実に奏功せしめることができるので、純度９９．９９％以上のアルミニウムを用いることが好ましい。
さらに、ヒートシンクをＡ６０６３で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、純アルミニウムで構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はなく、例えば空冷方式のヒートシンクであってもよい。
【００４０】
さらに、金属層と回路層とを同一の材料（４Ｎアルミニウム）で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、金属層と回路層とが異なった材料で構成されていてもよい。
特に、厚く形成される金属層を、薄く形成される回路層よりも変形抵抗の小さな材料で構成した場合には、絶縁基板に金属層及び回路層を接合する際の反りの発生を抑制することが可能となる。具体的には、回路層を純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成し、金属層を純度９９．９９９％以上のアルミニウム（５Ｎアルミニウム）や純度９９．９９９９％以上のアルミニウム（６Ｎアルミニウム）で構成することが好ましい。さらに、回路層を純度９９％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）で構成し、金属層を純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）や純度９９．９９９％以上のアルミニウム（５Ｎアルミニウム）で構成してもよい。
【実施例１】
【００４１】
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
比較例１−３、実施例２−５においては、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなる絶縁基板と、４Ｎアルミニウムからなる回路層及び金属層と、厚さ１．７ｍｍのＡ６０６３からなる天板部を備えたヒートシンクと、を共通に有しており、金属層とヒートシンクの天板部とがろう付けによって直接接合されている。
そして、回路層、金属層の厚さをそれぞれ変更し、比較例１−３、実施例２−５のヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
【００４２】
評価としては、製作されたヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの発生状況、ヒートシンクと絶縁基板との間の熱抵抗を比較した。評価結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
比較例１、２では、金属層が比較的薄いため、熱抵抗は小さいものの反り変形が認められた。
一方、金属層が回路層に比べて著しく厚い場合には、熱抵抗が大きく、ヒートシンクによる冷却が不十分になることが確認された。
これに対して、実施例２−５においては、反り変形が抑制されるとともに、熱抵抗も小さく抑えられていることがわかる。
この比較実験の結果、本発明によれば、反り変形がなく、かつ、ヒートシンクによって電子部品等を効率的に冷却可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができることが確認された。
【実施例２】
【００４５】
実施例６−１０においては、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなる絶縁基板に、厚さ０．６ｍｍの回路層及び厚さ２．３ｍｍの金属層を接合してパワーモジュール用基板を作製した。さらに、このパワーモジュール用基板の金属層側に厚さ５ｍｍのＡ６０６３からなる天板部を備えたヒートシンクをろう付けした。ここで、回路層及び金属層を構成する材料を変更した。
比較例５としては、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなる絶縁基板に、４Ｎアルミニウムからなる厚さ０．６ｍｍの回路層及び４Ｎアルミニウムからなる厚さ０．６ｍｍの金属層を接合してパワーモジュール用基板を作製した。さらに、このパワーモジュール用基板の金属層側に、４Ｎアルミニウムからなる厚さ０．９ｍｍの緩衝材を介して、厚さ５ｍｍのＡ６０６３からなる天板部を備えたヒートシンクをろう付けした。
【００４６】
そして、絶縁基板に回路層及び金属層を接合してパワーモジュール用基板を作製する際に発生する反り量を評価した。また、ヒートシンクをろう付けしたヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの発生状況を確認した。さらに、冷熱サイクル（−４０℃―１２５℃）を２０００回負荷した際の絶縁基板の割れの有無について評価した。評価結果を表２に示す。
【００４７】
なお、表２において、パワーモジュール用基板製作時の反り量については、幅３０ｍｍ当りの反り量が２０μｍ未満のものを◎、２０μｍ以上４０μｍ未満のものを○、４０μｍ以上のものを△とした。
また、ヒートシンク接合時の反り量については、幅３０ｍｍ当りの反り量が８０μm未満のものを◎、８０μｍ以上１００μｍ未満のものを○、１００μｍ以上のものを△とした。
さらに、絶縁基板の割れについては、３ヶの試験片に割れが認められないものを○、３ヶの試験片のうち１ヶに割れが確認されたものを△とした。
【００４８】
【表２】
【００４９】
比較例５では、冷熱サイクルを２０００回負荷した際に、絶縁基板に割れが生じることがあった。これに対して、実施例６−１０では、絶縁基板の割れは観察されなかった。
また、回路層と金属層とを同一の材料で構成した実施例６においては、絶縁基板に回路層及び金属層を接合してパワーモジュール用基板を作製する際に反りの発生が認められた。一方、金属層を、回路層よりも変形抵抗の小さな材料で構成した場合には、パワーモジュール用基板を作製する際に発生する反りが抑制されることが確認された。
【符号の説明】
【００５０】
１、１０１、２０１ ヒートシンク付パワーモジュール
２、１０２、２０２ 半導体チップ（電子部品）
１０、１１０、２１０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１ パワーモジュール用基板
１２、１１２、２１２ 絶縁基板
１３、１１３、２１３ 回路層
１４、１１４、２１４ 金属層
１５、１１５、２１５ 緩衝層
１７、１１７、２１７ ヒートシンク
１８、１１８、２１８ 天板部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されて前記パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記金属層と前記ヒートシンクとが直接接合されており、
前記回路層の厚さＡと前記金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記金属層が、前記ヒートシンク及び前記絶縁基板に接合する前の状態において、純度９９．９９％以上のアルミニウムで構成されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記回路層及び前記金属層がアルミニウムで構成されており、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記金属層のアルミニウムの純度が、前記ヒートシンク及び前記絶縁基板に接合する前の状態における前記回路層のアルミニウムの純度よりも高くされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
絶縁基板の一方の面に回路層を接合するとともに絶縁基板の他方の面に金属層を接合してパワーモジュール用基板を形成する１次接合工程と、
前記パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを接合する２次接合工程と、を有し、
前記２次接合工程においては、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを積層させ、積層方向に０．１５〜３ＭＰａで加圧することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、該ヒートシンク付パワーモジュール用基板の前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール。
【請求項６】
絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板であって、
前記回路層の厚さＡと前記金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項７】
請求項６に記載のパワーモジュール用基板であって、
前記回路層及び前記金属層がアルミニウムで構成されており、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記金属層のアルミニウムの純度が、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記回路層のアルミニウムの純度よりも高くされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項１】
絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されて前記パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記金属層と前記ヒートシンクとが直接接合されており、
前記回路層の厚さＡと前記金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記金属層が、前記ヒートシンク及び前記絶縁基板に接合する前の状態において、純度９９．９９％以上のアルミニウムで構成されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記回路層及び前記金属層がアルミニウムで構成されており、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記金属層のアルミニウムの純度が、前記ヒートシンク及び前記絶縁基板に接合する前の状態における前記回路層のアルミニウムの純度よりも高くされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
絶縁基板の一方の面に回路層を接合するとともに絶縁基板の他方の面に金属層を接合してパワーモジュール用基板を形成する１次接合工程と、
前記パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを接合する２次接合工程と、を有し、
前記２次接合工程においては、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを積層させ、積層方向に０．１５〜３ＭＰａで加圧することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、該ヒートシンク付パワーモジュール用基板の前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール。
【請求項６】
絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板であって、
前記回路層の厚さＡと前記金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項７】
請求項６に記載のパワーモジュール用基板であって、
前記回路層及び前記金属層がアルミニウムで構成されており、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記金属層のアルミニウムの純度が、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記回路層のアルミニウムの純度よりも高くされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−６５９１８（Ｐ２０１３−６５９１８Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−７８６４（Ｐ２０１３−７８６４）
【出願日】平成２５年１月１８日（２０１３．１．１８）
【分割の表示】特願２０１０−５３６２０（Ｐ２０１０−５３６２０）の分割
【原出願日】平成２１年３月１６日（２００９．３．１６）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年１月１８日（２０１３．１．１８）
【分割の表示】特願２０１０−５３６２０（Ｐ２０１０−５３６２０）の分割
【原出願日】平成２１年３月１６日（２００９．３．１６）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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