JP2016048774A - パワーモジュール用基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーモジュール用基板において剥離の発生を防止する。
【解決手段】セラミックス基板に積層された回路層と金属層とを備え、回路層は、セラミックス基板の一方の面に接合された第一アルミニウム層と、第一アルミニウム層に固相拡散接合された第一銅層とを有し、金属層は、セラミックス基板の他方の面に接合された第二アルミニウム層と、第二アルミニウム層に固相拡散接合された第二銅層とを有し、第一銅層又は前記第二銅層の少なくとも一方の銅層には、該銅層を有する回路層又は金属層とセラミックス基板との接合面の長手方向の両端部に対応する銅層の両端部に、該銅層の表面部をその厚みの５０％以上９５％以下の深さで除去してなる切欠部がそれぞれ設けられ、該銅層を有する回路層又は金属層における接合面の長手方向の長さの半分をＬとし、該接合面の長手方向に沿う切欠部の幅をＷとしたときに、比率（Ｗ／Ｌ）が０．０２以上０．２７以下である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板及びその製造方法に関する。

従来のパワーモジュール用基板として、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、他方の面に放熱のための金属層が接合された構成のものが知られている。また、このパワーモジュール用基板の金属層に、熱伝導性に優れたヒートシンクが接合され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板とされる。そして、回路層上にはんだ材を介してパワー素子等の半導体素子が搭載され、パワーモジュールが製造される。

この種のパワーモジュール用基板において、回路層にはアルミニウム又は銅が用いられる。このうち銅は、熱的特性、電気的特性がアルミニウムより優れるが、変形抵抗が高いため、冷熱サイクルが負荷されると、セラミックス基板との間に大きな熱応力が生じ、セラミックス基板の割れを生じ易い。

このため、特許文献１では、回路層をセラミックス基板に接合されたアルミニウム層と、そのアルミニウム層に接合された銅層との二層構造とし、銅に比べて変形抵抗の小さいアルミニウム層をセラミックス基板との間に介在させて熱応力を緩和している。この場合、セラミックス基板の回路層とは反対側に設けられるアルミニウムからなる金属層にも、銅層を介してアルミニウム合金からなるヒートシンクが接合されている。
このように、回路層を銅で形成することにより、アルミニウムを用いる場合と比べて半導体素子で発生する熱を速やかに放熱することができる。

特開２０１３‐２２９５７９号公報

ところで、この種のパワーモジュール用基板において、セラミックス基板の両側の積層構造の厚さや剛性が不均衡であると、熱的環境の変化によって反りが生じ易い。このため、反り防止には、セラミックス基板の両側の積層構造を均衡させるとよいが、特許文献１記載のパワーモジュール用基板のように、セラミックス基板の両面にアルミニウム層を介して変形抵抗の大きい銅層が設けられる構造であると、接合面の剥離を生じ易い。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セラミックス基板の両面に銅層を有するパワーモジュール用基板において剥離の発生を防止することを目的とする。

セラミックス基板の両面にアルミニウム層を介して銅層を接合したパワーモジュール用基板において、冷熱サイクルが負荷されると、アルミニウムに比べて銅の変形抵抗が大きいため、セラミックス基板は銅層の熱伸縮による影響を大きく受ける。この際、セラミックス基板に生じる応力は、セラミックス基板の接合面の長手方向の両端部に大きく集中する。そして、冷熱サイクルが繰り返されることにより、その接合面の端部にひずみが蓄積し、疲労により剥離に至ると考えられる。

本発明は、セラミックス基板の一方の面に積層された回路層と、他方の面に積層された金属層とを備えたパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第一アルミニウム層と、該第一アルミニウム層に固相拡散接合された第一銅層とを有し、前記金属層は、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第二アルミニウム層と、前記第二アルミニウム層に固相拡散接合された第二銅層とを有し、前記第一銅層又は前記第二銅層の少なくとも一方の銅層には、該銅層を有する前記回路層又は前記金属層と前記セラミックス基板との接合面の長手方向の両端部に対応する該銅層の両端部に、該銅層の表面部をその厚みの５０％以上９５％以下の深さで除去してなる切欠部がそれぞれ設けられ、前記銅層を有する前記回路層又は前記金属層における前記接合面の前記長手方向の長さの半分をＬとし、該接合面の前記長手方向に沿う前記銅層の前記切欠部の幅をＷとしたときに、比率（Ｗ／Ｌ）が０．０２以上０．２７以下である。

このように構成されるパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の接合面において応力が最も集中する端部位置に対応する少なくとも一方の銅層の表面部に切欠部を設けて、その部分のセラミックス基板との接合面に生じる応力を緩和している。
この場合、比率（Ｗ／Ｌ）が０．０２未満では、応力緩和の効果に乏しく、一方、０．２７を超えても、それ以上の応力緩和効果が増大することはなく、効果は飽和するとともに、熱抵抗も大きくなる。

本発明のパワーモジュール用基板において、前記第一銅層又は前記第二銅層のうちの厚みが薄い方の銅層に、前記切欠部が設けられているとよい。
パワーモジュール用基板には、冷却時にセラミックス基板に比べて回路層や金属層が大きく収縮するため、セラミックス基板と接合されるアルミニウム層（第一アルミニウム層、第二アルミニウム層）の両端部に引張力が働き、冷却時のひずみが大きくなる。このひずみの発生が最大となる位置は、銅層を切欠いた面とは逆の面のアルミニウム層の両端部であるが、第一銅層又は第二銅層のうちの銅層の厚みが厚い方に切欠部を設けた場合には、熱収縮による引張力に加え、反りによる引張力が加わる。このため、応力は増大し、ひずみも増加する傾向がある。一方、銅層の厚みが薄い方に切欠部を設けた場合には、反りの方向が逆になるので、すなわち厚みの薄い銅層に向けて凸状に反るので、応力を低減させ、ひずみを低減させることができる。したがって、少なくとも厚みが薄い方の銅層に切欠部を設けることで、厚みが厚い方の銅層に切欠部を設ける場合と比較して、高い応力緩和効果とひずみ緩和効果とが得られる。

本発明のパワーモジュール用基板において、前記第一銅層と前記第二銅層とに、ぞれぞれ前記切欠部が設けられているとよい。
第一銅層と第二銅層とに、それぞれ切欠部が設けられていると、片側に切欠部を設けた場合よりも、セラミックス基板との接合面に生じる応力を緩和させ、ひずみを緩和させることができる。

本発明のパワーモジュールは、前記パワーモジュール用基板と、前記第一銅層の表面上に搭載された半導体素子とを備える。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、上記のパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記切欠部は、前記第一銅層及び前記第二銅層が前記第一アルミニウム層又は第二アルミニウム層を介して前記セラミックス基板に接合される前に形成される。
セラミックス基板に接合する前に銅層に切欠部を形成しておくことで、セラミックス基板に接合する際にセラミックス基板が受ける銅層の熱伸縮の影響をも低減することができる。

本発明によれば、銅層により良好な放熱特性及び電気特性を確保することができるとともに、セラミックス基板に生じる応力を緩和することができるので、剥離の発生を防止することができる。

本発明の第１実施形態のパワーモジュール用基板の全体構成を示す縦断面図である。 図１に示すパワーモジュール用基板の上面図である。 図１に示すパワーモジュール用基板を製造工程順に示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態のパワーモジュール用基板の縦断面図である。 本発明の第３実施形態のパワーモジュール用基板の縦断面図である。 本発明の第４実施形態のパワーモジュール用基板の縦断面図である。 本発明の第５実施形態のパワーモジュール用基板の縦断面図である。 本発明の第６実施形態のパワーモジュール用基板の上面図である。 基準モデルに対して切欠部の大きさを変量した試料の熱抵抗割合を解析した結果を示すグラフである。 基準モデルに対して切欠部の大きさを変量した試料のひずみ割合を解析した結果を示すグラフである。 切欠部の下限値付近のひずみ変化率を示すグラフである。

以下、本発明に係るパワーモジュール用基板及びその製造方法の実施形態について説明する。
図１に示すパワーモジュール用基板１０Ａは、セラミックス基板１１と、そのセラミックス基板１１の一方の面１１ｆに積層された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面１１ｂに積層された金属層１３とを有している。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、ＡｌＮ，Ｓｉ_３Ｎ_４，Ａｌ_２Ｏ_３等で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚みは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定されている。本実施形態では、ＡｌＮを用い、厚さ０．６３５ｍｍに設定されている。

回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面１１ｆに接合された第一アルミニウム層１２Ａと、この第一アルミニウム層１２Ａの一方側（図１において上側）に積層された第一銅層１２Ｂとを有している。
第一アルミニウム層１２Ａは、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板がセラミックス基板１１の一方の面１１ｆに接合されることにより形成されており、本実施形態においては、第一アルミニウム層１２Ａは、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板をセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
また、第一銅層１２Ｂは、第一アルミニウム層１２Ａの一方側（図１において上側）に純銅や銅合金からなる板が接合されることにより形成されており、本実施形態においては、第一銅層１２Ｂは、無酸素銅の圧延板からなる銅板が第一アルミニウム層１２Ａに固相拡散接合されることにより形成されている。

金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面１１ｂに接合された第二アルミニウム層１３Ａと、この第二アルミニウム層１３Ａの他方側（図１において下側）に積層された第二銅層１３Ｂとを有している。
第二アルミニウム層１３Ａは、アルミニウム板がセラミックス基板１１の他方の面１１ｂに接合されることにより形成されており、回路層１２の第一アルミニウム層１２Ａと同一材料により形成される。本実施形態においては、上述したように第一アルミニウム層１２Ａは、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されており、第二アルミニウム層１３Ａも、第一アルミニウム層１２Ａと同一の純度が９９．９９％質量以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
また、第二銅層１３Ｂは、第二アルミニウム層１３Ａの他方側（図１において下側）に接合されることにより形成されており、回路層１２の第一銅層１２Ｂと同一材料により形成される。したがって、本実施形態においては、第二銅層１３Ｂは、第一銅層１２Ｂと同じ無酸素銅の圧延板からなる銅板が第二アルミニウム層１３Ａに固相拡散接合されることにより形成されている。

また、このように構成されるパワーモジュール用基板１０Ａの回路層１２の第一銅層１２Ｂの厚みｔ１及び金属層１３の第二銅層１３Ｂの厚みｔ２は、ほぼ等しく、１.７ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲とされる。
また、パワーモジュール用基板１０Ａの回路層１２の第一アルミニウム層１２Ａの厚み及び金属層１３の第二アルミニウム層１３Ａの厚みは、ほぼ等しく、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲とされる。
そして、これら第一銅層１２Ｂ及び第二銅層１３Ｂのうち、回路層１２を構成する第一銅層１２Ｂの周縁部には、その表面部（セラミックス基板１１とは反対側の表面部）を除去してなる切欠部１５が周方向に沿って形成されている。この切欠部１５は、第１銅層１２Ｂの周縁部の厚みを薄くするように形成されている。この場合、セラミックス基板１１と回路層１２（第一アルミニウム層１２Ａ）との接合面の長手方向の長さの半分をＬ、セラミックス基板１１と回路層１２との接合面の長手方向に沿う第一銅層１２Ｂの切欠部１５の幅をＷとしたときに、比率（Ｗ／Ｌ）が、０．０２以上０．２７以下とされる。

なお、本実施形態において、回路層１２及び金属層１３の平面サイズは、一辺が３０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下とされる矩形状のセラミックス基板１１の平面サイズよりも小さく形成される。また、図２に示すように、セラミックス基板１１の両面の接合面は同じ大きさの正方形に形成され、回路層１２及び金属層１３とも同じ大きさの正方形に形成されている。そして、これら図１及び図２に示すように、回路層１２及び金属層１３、セラミックス基板１１は平面視で左右対称とされ、図中の一点鎖線はその中心線を示す。
また、第一銅層１２Ｂの切欠部１５の深さｄ１は、第一銅層１２Ｂの厚みｔ１の５０％以上９５％以下とされる。

以上のように構成されるパワーモジュール用基板１０Ａには、図１の二点鎖線で示すように、回路層１２の第一銅層１２Ｂに半導体素子６０が例えばＳｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系等のはんだ材により接合され、放熱層１３の第二銅層１３Ｂにアルミニウム合金等からなるヒートシンク３１がはんだ付け等により接合される。ヒートシンク３１は、パワーモジュール用基板１０Ａからの熱を放散するためのものであり、冷却媒体（例えば、冷却水）を流通するための流路に臨ませられる。

次に、このように構成されるパワーモジュール用基板１０Ａの製造方法について説明する（図３参照）。
（アルミニウム層形成工程）
セラミックス基板１１の一方の面１１ｆにＡｌ−Ｓｉ系ろう材４０を介してアルミニウム板１２ａを積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面１１ｂに同様にＡｌ−Ｓｉ系ろう材４０を介してアルミニウム板１３ａを積層する。そして、この積層体を加圧・加熱後に冷却することにより、セラミックス基板１１に両アルミニウム板１２ａ，１３ａを接合して第一アルミニウム層１２Ａ及び第二アルミニウム層１３Ａを形成する。なお、このろう付け温度は、６１０℃〜６５０℃に設定される。

（銅層形成工程）
次に、周縁部の表面部を機械加工により切除して切欠部１５を形成した第一銅層１２Ｂとなる銅板１２ｂを用意するとともに、第二銅層１３Ｂとなる銅板１３ｂを用意しておき、第一アルミニウム層１２Ａの一方側（上側）に銅板１２ｂを配置し、第二アルミニウム層１３Ａの他方側（下側）に銅板１３ｂを配置する。そして、これらの積層体をその積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入して、加熱処理を行う。本実施形態においては、第一アルミニウム層１２Ａ及び銅板１２ｂ、第二アルミニウム層１３Ａ及び銅板１３ｂ、の接触面に負荷される荷重は、０．２９ＭＰａ以上３．４３ＭＰａ以下とされ、加熱温度を４００℃以上５４８℃未満とし、５分以上２４０分以下保持して固相拡散接合を行う。これにより、第一アルミニウム層１２Ａに銅板１２ｂを接合して第一銅層１２Ｂを形成すると同時に、第二アルミニウム層１３Ａに銅板１３ｂを接合して第二銅層１３Ｂを形成することにより、回路層１２と金属層１３が形成され、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０Ａが得られる。

なお、予め用意しておく銅板１２ｂについては、エッチングが可能であれば、切欠部１５をエッチングによって形成しておいてもよい。
また、本実施形態においては、第一アルミニウム層１２Ａと銅板１２ｂ、第二アルミニウム層１３Ａと銅板１３ｂの、それぞれの接合面は、予め傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合される。また、固相拡散接合における真空加熱の好ましい加熱温度は、ＡｌとＣｕの共晶温度−５℃以上、共晶温度未満の範囲とされている。

このように製造されるパワーモジュール用基板１０Ａは、その後、第二銅層１３Ｂにヒートシンク３１が接合され、第一銅層１２Ｂに半導体素子６０が接合されることにより、パワーモジュール１００として供される。
この一連の製造工程において、パワーモジュール用基板１０Ａは繰り返し加熱されるため、変形抵抗の大きい銅層１２Ｂ，１３Ｂの熱伸縮に応じてセラミックス基板１１の接合面（アルミニウム層１２Ａ，１３Ａとの接合面）に応力が発生するが、第一銅層１２Ｂの周縁部においては、切欠部１５により第一銅層１２Ｂの厚さが小さく形成されているので、この切欠部１５に対応するセラミックス基板１１の接合面の周縁部に生じる応力が緩和される。また、このパワーモジュール基板１０Ａにより構成したパワーモジュール１００の使用環境において、冷熱サイクルが負荷される場合も同様、第一銅層１２Ｂの切欠部１５に対応するセラミックス基板１１の接合面の周縁部に生じる応力が緩和される。
したがって、このパワーモジュール用基板１０Ａは、セラミックス基板１１の接合面の周縁部に応力が集中することが防止され、この周縁部におけるひずみの蓄積が小さく、剥離の発生を低減することができる。

また、上述の第１実施形態のパワーモジュール用基板１０Ａでは、セラミックス基板１１を中心として対称に配置された回路層１２を構成する第一銅層１２Ｂと金属層１３を構成する第二銅層１３Ｂとのうち、第一銅層１２Ｂにのみ切欠部１５を設けることにより、セラミックス基板１１の接合面の周縁部に生じる応力集中を防止し、この周縁部のひずみの蓄積を減少させることとしていたが、第一銅層１２Ｂに切欠部１５を設ける構成ではなく、第二銅層１３Ｂに切欠部１５を設けることにより、応力集中やひずみの緩和を図ることとしてもよい。すなわち、第一銅層１２Ｂ又は第二銅層１３Ｂの少なくとも一方の銅層に、切欠部１５を設ける構成においても、セラミックス基板１１の接合面の周縁部に生じる応力集中やひずみの蓄積を緩和させることができる。この場合においても、切欠部１５の深さｄ１は、第一銅層１２Ｂの厚みｔ１の５０％以上９５％以下とされ、長さＬと幅Ｗとの比率（Ｗ／Ｌ）が、０．０２以上０．２７以下とされる。

また、第１実施形態のパワーモジュール用基板１０Ａにおいては、回路層１２を構成する第一銅層１２Ｂの厚みｔ１と、金属層１３を構成する第二銅層１３Ｂの厚みｔ２とを同じ厚さ（板厚）で形成していたが、各銅層１２Ｂ，１３Ｂの厚さが異なる場合には、例えば図４に示すように、これら銅層１２Ｂ，１３Ｂのうちの厚さの薄い方の銅層１２Ｂ（第一銅層）に切欠部１５を設ける構成とすることで、図５に示すように厚い方の銅層１３Ｂ（第二銅層）に切欠部１５を設ける場合と比較して、高い応力緩和効果とひずみ緩和効果とが得られる。

具体的には、図４及び図５に示すように、セラミックス基板１１に回路層１２と金属層１３とを接合したパワーモジュール用基板１０Ｂ，１０Ｃには、冷却時にセラミックス基板１１に比べて回路層１２や金属層１３が大きく収縮するため、セラミックス基板１１と接合される第一アルミニウム層１２Ａ及び第二アルミニウム層１３Ａの両端部（接合面の周縁部）に引張力が働くことで、ひずみが大きくなる。このひずみが最大となる位置は、銅層を切欠いた面とは逆の面のアルミニウム層の周縁部である。このため、例えば第一銅層１２Ｂ又は第二銅層１３Ｂのうちの厚みが厚い方、図５に示すパワーモジュール用基板１０Ｃのように、第二銅層１３Ｂに切欠部を設けた場合には、熱収縮による引張力に加え、反りによる引張力が加えられる。したがって、応力が増大し、ひずみが増加する傾向となる。一方、図４に示すパワーモジュール用基板１０Ｂのように、銅層１２Ｂ，１３Ｂのうちの厚みが薄い方、すなわち第一銅層１２Ｂに切欠部１５を設けた場合には、反りの方向が逆になり、厚みの薄い第一銅層１２Ｂに向けて凸状に反るので、応力を低減させ、ひずみを低減させることができる。

また、第１実施形態から第３実施形態のパワーモジュール用基板１０Ａ〜１０Ｃでは、セラミックス基板１１を中心として対称に配置された回路層１２を構成する第一銅層１２Ｂと金属層１３を構成する第二銅層１３Ｂとのうち、いずれか一方の銅層にのみ切欠部１５を設けることにより、セラミックス基板１１の接合面の周縁部に生じる応力集中を防止し、この周縁部のひずみの蓄積を減少させることとしていたが、図６に示すパワーモジュール用基板１０Ｄや図７に示すパワーモジュール用基板１０Ｅのように、第一銅層１２Ｂと第二銅層１３Ｂの双方にそれぞれ切欠部１５Ａ，１５Ｂを設ける構成としてもよい。

この場合、第一銅層１２Ｂに設けられる切欠部１５Ａの深さｄ１は、第一銅層１２Ｂの厚みｔ１の５０％以上９５％以下とされ、第二銅層１３Ｂに設けられる切欠部１５Ｂの深さｄ２は、第二銅層１３Ｂの厚みｔ２の５０％以上９５％以下とされる。そして、セラミックス基板１１と回路層１２（第一アルミニウム層１２Ａ）との接合面の長手方向の長さの半分をＬ１とし、その接合面の長手方向に沿う第一銅層１２Ｂの切欠部１５Ａの幅をＷ１としたときに、比率（Ｗ１／Ｌ１）が０．０２以上０．２７以下とされる。また、セラミックス基板１１と金属層１３（第二アルミニウム層１３Ａ）との接合面の長手方向の長さの半分をＬ２とし、その接合面の長手方向に沿う第二銅層１３Ｂの切欠部１５Ｂの幅をＷ２としたときに、比率（Ｗ２／Ｌ２）が０．０２以上０．２７以下とされる。

このように、セラミックス基板１１の両側に配設される第一銅層１２Ｂと第二銅層１３Ｂとの双方に切欠部１５Ａ，１５Ｂを設けた場合には、変形抵抗の大きい銅層１２Ｂ，１３Ｂの熱伸縮に応じてセラミックス基板１１の接合面（アルミニウム層１２Ａ，１３Ａとの接合面）に応力が発生するが、第一銅層１２Ｂの周縁部においては切欠部１５Ａにより第一銅層１２Ｂの厚さが薄く（小さく）形成されており、第二銅層１３Ｂの周縁部においては切欠部１５Ｂにより第二銅層１３Ｂの厚さが薄く（小さく）形成されていることから、これらの切欠部１５Ａ，１５Ｂに対応するセラミックス基板１１の接合面の周縁部に生じる応力が緩和される。また、このパワーモジュール基板１０Ｄ，１０Ｅにより構成したパワーモジュールの使用環境において、冷熱サイクルが負荷される場合も同様、第一銅層１２Ｂの切欠部１５Ａと第二銅層１３Ｂの切欠部１５Ｂとに対応するセラミックス基板１１の接合面の周縁部に生じる応力が緩和される。したがって、図６及び図７に示すパワーモジュール用基板１０Ｄ，１０Ｅのように、セラミックス基板１１の両側に配設される第一銅層１２Ｂと第二銅層１３Ｂの双方に切欠部１５Ａ，１５Ｂを設けることにより、片側の銅層のみに切欠部を設けた場合よりも、さらにセラミックス基板１１との接合面に生じる応力を緩和させ、ひずみを低減させることができる。

図８は本発明の第６実施形態を示している。この実施形態では、パワーモジュール用基板１０Ｆは、セラミックス基板１１に回路層１２が複数に分離して接合されている。このような場合も、回路層１２の全体とセラミックス基板１１との接合面における長手方向の長さの半分Ｌに対して、その長手方向に沿う銅層１２Ｂの切欠部１５の幅Ｗの比率（Ｗ／Ｌ）が０．０２以上０．２７以下とされる。また、図示は省略するが、この第一銅層１２Ｂに設けられる切欠部１５の深さｄ１は、第一銅層１２Ｂの厚みｔ１の５０％以上９５％以下とされる。
そして、この図８に示すように、銅層の切欠部１５は、必ずしも周縁部の全長にわたって形成しなくてもよく、セラミックス基板との接合面が長手方向を有する場合、その長手方向の両端部に対応する両端部に形成すればよい。

次に、本発明の効果確認のために行った解析結果について説明する。
セラミックス基板として厚さ０．６３５ｍｍで、平面が３２ｍｍ×３２ｍｍの矩形の窒化アルミニウム、第一及び第二アルミニウム層として厚さ０．６ｍｍで、平面が３０ｍｍ×３０ｍｍの矩形の純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウム、第一及び第二銅層として厚さ２．０ｍｍで、平面が３０ｍｍ×３０ｍｍ矩形の無酸素銅を用いた基準モデルを設定し、その基準モデル（切欠部のないモデル）に対して、第一及び第二銅層の端部の切欠部の大きさを変量した各試料を想定し、熱抵抗と、切欠部に対応するセラミックス基板とアルミニウム層との接合面の端部に生じる累積ひずみとを解析した。これらの解析においては、セラミックス基板とアルミニウム層との接合面の長手方向の半分（Ｌ＝１５ｍｍ）の部分について解析した。解析結果を表１及び図９〜図１１に示す。

図９は、基準モデルの熱抵抗を１としたときの試料１〜１０の熱抵抗の割合をグラフにしたものである。この図９において、実線は切欠部の深さｄ（ｄ１，ｄ２）が１．９ｍｍ、一点鎖線は１．５ｍｍ、破線は１ｍｍを示す（以下、図９〜図１１においても同じ）。
この図９からわかるように、切欠部の幅Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）が大きくなるほど、また切欠部の深さｄ（ｄ１，ｄ２）が大きくなるほど、熱抵抗が大きくなる。熱抵抗の増加は切欠部の大きさにほぼ比例すると言える。

図１０は、基準モデルの累積ひずみを１としたときの各試料の累積ひずみの割合をグラフにしたものである。
一般に、冷熱サイクルによるアルミニウム層の破断及び接合面の剥離に対する寿命は、以下の式（１）で表されるマンソン・コフィン則に従う。
Δεｐ×Ｎｆｂ＝Ｃ ・・・（１）
但し、Δεｐは塑性ひずみ振幅、Ｎｆは疲労寿命、Ｃは材質に基づく定数である。
この式（１）によれば、アルミニウム層の破断及び接合面の剥離に対する寿命を延ばすためには、塑性ひずみ振幅を小さくする必要があることが分かる。
このような理由により、冷熱サイクル試験において、アルミニウム層の塑性ひずみ振幅を算出して、算出した塑性ひずみ振幅に基づき、寿命がどの程度改善されたのかを知ることができる。その塑性ひずみ振幅（Δεｐ）を累積ひずみとしている。
この図１０からわかるように、切欠部の深さｄ（ｄ１，ｄ２）が大きくなるほど、累積ひずみは小さくなる。これに対して、切欠部の幅Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）は、ある程度の大きさまでは累積ひずみが小さくなるが、それ以上はひずみの増加は認められず、ひずみ低減の効果が飽和している。

次に、この図１０の結果から、多項式フィッティング、微分により、ひずみ割合の変化率を算出した。その結果の切欠部の幅Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）の下限値付近を図１１に示す。
図１１に示すように、すべてのケースで切欠部の幅Ｗ＝０．３ｍｍ以上で変化率がマイナスに転じている。このことから、切欠部の幅Ｗの下限は接合面の長さＬに対して比率（Ｗ／Ｌ）が（０．３／１５）＝０．０２となる大きさとした。
一方、比率（Ｗ／Ｌ）が（６／１５）＝０．４の場合、ひずみは小さくなるものの熱抵抗が基準モデルに対して５％以上上昇することが分かった。そのため、切欠部の幅Ｗの上限は接合面の長さＬに対して比率（Ｗ／Ｌ）が（４／１５）＝０．２７となる大きさとした。

この表１において、ひずみは基準モデルに対して１０％以上減少し、かつ、熱抵抗は基準モデルより５％以上上昇していないことを要件とすると、Ｎｏ．２，３，５，６，８〜１７が合格となる。
この結果より、第一銅層と第二銅層とのうち少なくとも一方に切欠部を設け、その切欠部の幅Ｗと接合面の長さの半分Ｌとの比率（Ｗ／Ｌ）が０．０２以上０．２７以下であれば、切欠部を有しない場合に比べて、接合面に生じるひずみが減少し、かつ熱抵抗の上昇も少ないことがわかる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、銅層の切欠部を接合前に形成しておいたが、パワーモジュール用基板として接合した後に銅層の切欠部を形成してもよい。この場合でも、仕様環境において冷熱サイクルが負荷される場合に有効であり、セラミックス基板の接合面の端部の応力を緩和して剥離防止することができる。
さらに、セラミックス基板の両面の銅層が同じ材料として説明したが、必ずしも同じ材料でなくてもよい。その場合、セラミックス基板の両側で熱膨張及び変形抵抗が異なるために反りが生じるおそれがあるが、本発明は、そのような反りが生じるものにおいても有効であり、セラミックス基板の接合面の端部の応力を緩和して剥離防止することができる。

１０Ａ〜１０Ｆ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１１ｆ 一方の面
１１ｂ 他方の面
１２ 回路層
１２ａ アルミニウム板
１２Ａ 第一アルミニウム層
１２ｂ 銅板
１２Ｂ 第一銅層
１３ 金属層
１３ａ アルミニウム板
１３Ａ 第二アルミニウム層
１３ｂ 銅板
１３Ｂ 第二銅層
１５，１５Ａ，１５Ｂ 切欠部
３１ ヒートシンク
４０ ろう材
６０ 半導体素子
１００ パワーモジュール

Claims (5)

1. セラミックス基板の一方の面に積層された回路層と、他方の面に積層された金属層とを備えたパワーモジュール用基板であって、
   前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第一アルミニウム層と、該第一アルミニウム層に固相拡散接合された第一銅層とを有し、
   前記金属層は、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第二アルミニウム層と、前記第二アルミニウム層に固相拡散接合された第二銅層とを有し、
   前記第一銅層又は前記第二銅層の少なくとも一方の銅層には、該銅層を有する前記回路層又は前記金属層と前記セラミックス基板との接合面の長手方向の両端部に対応する前記銅層の両端部に、該銅層の表面部をその厚みの５０％以上９５％以下の深さで除去してなる切欠部がそれぞれ設けられ、
   前記銅層を有する前記回路層又は前記金属層における前記接合面の前記長手方向の長さの半分をＬとし、該接合面の前記長手方向に沿う前記銅層の前記切欠部の幅をＷとしたときに、比率（Ｗ／Ｌ）が０．０２以上０．２７以下
   であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
2. 前記第一銅層又は前記第二銅層のうちの厚さが薄い方の銅層に、前記切欠部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
3. 前記第一銅層と前記第二銅層とに、それぞれ前記切欠部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記第一銅層の表面上に搭載された半導体素子とを備えるパワーモジュール。
5. 請求項１から３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記切欠部は、前記第一銅層及び前記第二銅層が前記第一アルミニウム層又は第二アルミニウム層を介して前記セラミックス基板に接合される前に形成しておくことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。

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