JP6565735B2 - パワーモジュール用基板及びパワーモジュール並びにパワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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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パワーモジュール並びにパワーモジュール用基板の製造方法に関する。
パワーモジュールには、絶縁基板である窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板の一方の面に回路層を形成する金属板が接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。なお、この種のパワーモジュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面にも、熱伝導性に優れた金属板を接合することで金属層を設け、その金属層を介して放熱板（ヒートシンク）を接合することも行われる。そして、パワーモジュール用基板の回路層の上面に、パワー素子等の半導体素子がはんだ材を介して搭載されることにより、パワーモジュールが製造される。
このようなパワーモジュールでは、半導体素子の高出力化、高密度化に伴う小型化が進められており、高集積化の要望が高まっている。これに伴い、従来のパワーモジュールでは、半導体素子の上部電極とパッケージとの間はアルミニウムワイヤによる配線がなされていたが、アルミニウムワイヤを設置できる物理的な本数の限界もあることから、大面積の銅又は銅合金製のリードフレームを超音波接合等により直接半導体素子に接合することが行われている。このように大面積のリードフレームを用いることで、半導体素子表面の温度を均一化できるとともに、配線スペースの簡略化や配線抵抗を低減でき、より高性能のパワーモジュールが得られることが期待されている。
ところで、リードフレームを用いたパワーモジュールでは、半導体素子の上部電極だけでなく、回路層上への接合信頼性を確保することが重要とされる。ところが、回路層には、セラミックス基板への応力軽減と放熱性能を向上する観点から高純度（剛性の比較的低い）のアルミニウムが用いられており、リードフレームを回路層上に超音波接合する際に、回路層との接合部に変形（歪み）が生じたり、回路層の変形に起因してセラミックス基板にクラックが生じたりするおそれがある。この場合、パワーモジュール用基板の接合信頼性や放熱性能が損なわれることやセラミックス基板の破壊が課題となっている。
この点、特許文献１には、回路層を第１層と第２層との積層構造として、回路層の上面に剛性の高いアルミニウム板からなる第２層を配置したパワーモジュール用基板が開示されている。この特許文献１に記載のパワーモジュール用基板のように、回路層の上面に剛性の高い第２層を設けることで、リードフレームを超音波接合する際に生じる回路層の変形を低減できると考えられる。しかし、回路層の上面全体を剛性の高い、すなわち純度の低いアルミニウム板により構成した場合には熱抵抗が大きくなり、放熱性能が損なわれるおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、接合信頼性と放熱性能とを良好に維持でき、高集積化されたパワーモジュール用基板及びパワーモジュール並びにパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。
本発明のパワーモジュール用基板は、窒化物系セラミックス、もしくは酸化物系セラミックスからなる厚さ０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の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、前記回路層の上面に銅又は銅合金からなるリードフレームが直接接合されており、前記回路層が、前記セラミックス基板に接合される第１層と、該第１層の前記セラミックス基板とは反対側の面に部分的に設けられて前記リードフレームが接合される第２層とにより構成され、前記第１層は、純度９９．９０質量％以上のアルミニウム材からなり、前記第２層は、ビッカース硬度が１９以上のアルミニウム材からなる。
なお、本発明におけるビッカース硬度は２５℃における値である。
なお、本発明におけるビッカース硬度は２５℃における値である。
回路層の上面のリードフレームとの接合部分に、ビッカース硬度が１９以上の剛性の高いアルミニウム材からなる第２層を部分的に設けることで、リードフレームと回路層との超音波接合時に、セラミックス基板にクラック等が生じることを防止できるとともに、リードフレームと回路層とを強固に接合でき、接合信頼性を良好に維持できる。また、回路層の上面の半導体素子との実装部分は、熱抵抗が低く比較的剛性の低い高純度のアルミニウム材からなる第１層により設けられているので、半導体素子の熱を円滑に放熱でき、良好な放熱性能を維持できるとともに、セラミックス基板への応力が低減し、セラミックス基板の破壊を防止することができる。
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１層に実装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、窒化物系セラミックス、もしくは酸化物系セラミックスからなる厚さ０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下のセラミックス基板の一方の面に純度９９．９０質量％以上のアルミニウム材を接合して第１層を形成するとともに、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム材を接合して金属層を形成することにより、第１積層基板を形成する第１接合工程と、前記第１層の前記セラミックス基板とは反対側の面に部分的にビッカース硬度が１９以上のアルミニウム材をろう付けして第２層を形成するとともに、前記金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面にアルミニウム材をろう付けして放熱板を形成することにより、第２積層基板を形成する第２接合工程と、前記第２積層基板の前記第２層に銅又は銅合金からなるリードフレームを超音波接合により直接接合する第３接合工程とを有する。
この方法によれば、放熱板と回路層を構成する第２層とを第１積層基板に一度に接合することができ、第２層を設けることによって接合工程が増加することがない。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法の前記第２接合工程において、前記第２層となるアルミニウム材の前記第１層との接合面にろう材層が積層されたクラッド材を用いるとよい。
第２層は、回路層の第１層の上面に部分的に積層されるが、予めろう材層が積層されたクラッド材を用いることで、ろう材（ここではろう材層）の取り回しが容易となり、第２接合工程を容易に進めることができる。また、第１層と第２層となるアルミニウム材との間に、ろう材を確実に介在させてろう付けを行うことができ、第１層と第２層とを強固に接合できる。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、少なくとも前記第２接合工程前に、前記第１層の上面に凹部を形成しておき、前記第２接合工程において、前記凹部内に前記第２層を収容した状態とすることにより、前記凹部の周囲の前記第１層の上面と前記第２層の上面とを面一に設けるとよい。
第１層に凹部を設けておき、凹部内に第２層を収容した状態で設けているので、第１層と第２層との位置決めを容易に行うことができる。また、凹部の周囲の第１層の上面と第２層の上面とを面一に設けることにより、第２接合工程において、第２層と放熱板とを第１積層基板に接合する際に、回路層の上面全体を積層方向に押圧できるので、第２層と放熱板とを第１積層基板に強固に接合でき、パワーモジュール用基板の接合信頼性を良好に維持できる。
本発明によれば、パワーモジュール用基板の接合信頼性と放熱性能とを良好に維持でき、セラミックス基板の破壊を防止したパワーモジュール用基板を提供することができ、リードフレームを用いて回路の高集積化を図ることができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示す第１実施形態のパワーモジュール１００は、パワーモジュール用基板１０１と、パワーモジュール用基板１０１の回路層１２に実装された半導体チップ等の半導体素子６１とを備えたものである。
また、パワーモジュール用基板１０１は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に接合された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に接合された金属層１３と、回路層１２のセラミックス基板１１とは反対側の上面に接合されたリードフレーム５１と、金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の面に接合された放熱板４１とを備えている。
図１に示す第１実施形態のパワーモジュール１００は、パワーモジュール用基板１０１と、パワーモジュール用基板１０１の回路層１２に実装された半導体チップ等の半導体素子６１とを備えたものである。
また、パワーモジュール用基板１０１は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に接合された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に接合された金属層１３と、回路層１２のセラミックス基板１１とは反対側の上面に接合されたリードフレーム５１と、金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の面に接合された放熱板４１とを備えている。
セラミックス基板１１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用いることができる。また、セラミックス基板１１の厚さは０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とされる。
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に接合される第１層２１と、この第１層２１のセラミックス基板１１とは反対側の面に部分的に接合される第２層２２との積層構造とされている。第２層２２は、リードフレーム５１の接合部に設けられており、半導体素子６１の実装領域には、第１層２１が露出して設けられる。
第１層２１は、純度９９．９０質量％以上のアルミニウム材からなり、例えばＪＩＳ規格では純度９９．９９質量％以上の純アルミニウム板（いわゆる４Ｎアルミニウム）や、純度９９．９０質量％以上の純アルミニウム板（いわゆる３Ｎアルミニウム：例えば１Ｎ９９）をセラミックス基板１１に接合することにより形成される。また、第２層２２は、ビッカース硬度が１９以上のアルミニウム材からなり、例えばＡ１０５０、Ａ３００３、Ａ６０６３、Ａ５０５２等のアルミニウム合金板を第１層２１に接合することにより形成される。第１層２１の厚さは０．１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下、第２層２２の厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とされる。
金属層１３は、アルミニウム又はアルミニウム合金、若しくは銅又は銅合金からなる金属材からなり、これらの金属材からなる金属板をセラミックス基板１１の他方の面（回路層１２とは反対側の面）に接合することにより形成される。金属層１３の厚さは０．１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とされる。本実施形態では、金属層１３は、回路層１２の第１層２１と同様に、純度９９．９０質量％以上の純アルミニウム板により設けられる。
放熱板４１は、熱伝導性が良好な材料で構成されるが、具体的には純度９９．００質量％以上の純アルミニウム板（２Ｎアルミニウム）、Ａ３００３、Ａ６０６３、Ａ５０５２等のアルミニウム合金板、ＡｌＳｉＣやＭｇＳｉＣ等の低熱膨張材を用いることができる。なお、放熱板４１の形状としては、平板状のもの、熱間鍛造等によって多数のピン状フィンを一体に形成したもの、押出成形によって相互に平行な帯状フィンを一体に形成したもの等、適宜の形状のものを採用でき、内部に冷媒が流通する冷却器の部品として他の部品にねじ止め等によって組み込まれて使用される。本実施形態では、放熱板４１は図１に示すように平板状に設けられ、Ａ６０６３アルミニウム合金より形成される。
リードフレーム５１は、銅又は銅合金からなり、本実施形態では無酸素銅（ＯＦＣ）により形成され、アルミニウム材により設けられた回路層１２の第２層２２に、超音波接合により接合されている。
なお、半導体素子６１は半導体を備えた電子部品であり、回路層１２の第１層２１の上面に、例えばＳｎ‐Ｃｕ系等のはんだ材によりはんだ付けされ、パワーモジュール１００が製造される。
なお、半導体素子６１は半導体を備えた電子部品であり、回路層１２の第１層２１の上面に、例えばＳｎ‐Ｃｕ系等のはんだ材によりはんだ付けされ、パワーモジュール１００が製造される。
次に、このように構成されたパワーモジュール用基板１０１を製造する方法について説明する。このパワーモジュール用基板１０１は、セラミックス基板１１に回路層１２の第１層２１と金属層１３とを接合して第１積層基板１５を形成（第１接合工程）した後、第１層２１に第２層２２、金属層１３に放熱板４１をそれぞれ接合して第２積層基板１６を形成（第２接合工程）し、最後に第２層２２にリードフレーム５１を接合（第３接合工程）することにより製造される。以下、パワーモジュール用基板１０１の製造方法を、この工程順に説明する。
（第１接合工程）
図２（ａ）に示すようにセラミックス基板１１の一方の面に回路層１２のうちの第１層２１となる第１層アルミニウム板２１Ｓをろう材３１を介して積層し、他方の面に金属層１３となる金属層アルミニウム板１３Ｓをろう材３１を介して積層する。ろう材３１は、Ａｌ‐Ｓｉ系合金等のろう材を箔の形態で用いるとよい。そして、これらの積層体を積層方向に加圧した状態で加熱することにより、セラミック基板１１の一方の面に第１層２１を形成するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３を形成して、図２（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１と第１層２１と金属層１３とが一体に接合された第１積層基板１５を形成する。
なお、この場合の加圧力としては例えば０．５ＭＰａ、加熱温度としては例えば６４０℃とされる。
図２（ａ）に示すようにセラミックス基板１１の一方の面に回路層１２のうちの第１層２１となる第１層アルミニウム板２１Ｓをろう材３１を介して積層し、他方の面に金属層１３となる金属層アルミニウム板１３Ｓをろう材３１を介して積層する。ろう材３１は、Ａｌ‐Ｓｉ系合金等のろう材を箔の形態で用いるとよい。そして、これらの積層体を積層方向に加圧した状態で加熱することにより、セラミック基板１１の一方の面に第１層２１を形成するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３を形成して、図２（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１と第１層２１と金属層１３とが一体に接合された第１積層基板１５を形成する。
なお、この場合の加圧力としては例えば０．５ＭＰａ、加熱温度としては例えば６４０℃とされる。
（第２接合工程）
次に、第１接合工程により得られた第１積層基板１５の第１層２１のセラミックス基板１１とは反対側の面に、図２（ｂ）に示すように、ろう材（ろう材層３２）を介して第２層２２となる第２層アルミニウム板２２Ｓを積層するとともに、金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の面にろう材３５を介して放熱板アルミニウム板４１Ｓを積層する。この際、予め、第２層２２となる第２層アルミニウム板２２Ｓの第１層２１との接合面にろう材層３２が積層されたクラッド材２５を用意しておき、このクラッド材２５を用いることで、第１層２１の上面に部分的に第２層２２を接合する際にも、ろう材の取り回しを容易に進めることができる。
次に、第１接合工程により得られた第１積層基板１５の第１層２１のセラミックス基板１１とは反対側の面に、図２（ｂ）に示すように、ろう材（ろう材層３２）を介して第２層２２となる第２層アルミニウム板２２Ｓを積層するとともに、金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の面にろう材３５を介して放熱板アルミニウム板４１Ｓを積層する。この際、予め、第２層２２となる第２層アルミニウム板２２Ｓの第１層２１との接合面にろう材層３２が積層されたクラッド材２５を用意しておき、このクラッド材２５を用いることで、第１層２１の上面に部分的に第２層２２を接合する際にも、ろう材の取り回しを容易に進めることができる。
クラッド材２５を構成するろう材層３２のろう材は、Ａｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系合金の箔とされる。また、金属層１３と放熱板４１との間を接合するろう材３５は、接合芯材３３の両面にろう材層３４を形成した両面ろうクラッド材とされる。ろう材３５は、接合芯材３３が厚さ０．０５ｍｍ以上０．６ｍｍ以下のＡ３００３アルミニウム合金とされ、両面のろう材層３４がＡｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系合金とされる。
そして、これらの積層体を積層方向に加圧した状態で加熱することによりろう付けして、第１層２１の上面に部分的に第２層２２を形成するとともに、金属層１３に放熱板４１を形成して、図２（ｃ）に示すように、第１層２１と第２層２２、金属層１３と放熱板４１とが一体に接合された第２積層基板１６を形成する。
なお、この場合の加圧力としては例えば０．０５〜０．５ＭＰａ、加熱温度としては例えば５８０〜６２０℃とされる。
なお、この場合の加圧力としては例えば０．０５〜０．５ＭＰａ、加熱温度としては例えば５８０〜６２０℃とされる。
（第３接合工程）
図２（ｄ）に示すように、第２接合工程により得られた第２積層基板１６の第２層２２に、リードフレーム５１を超音波接合により接合して、パワーモジュール用基板１０１を製造する。
図２（ｄ）に示すように、第２接合工程により得られた第２積層基板１６の第２層２２に、リードフレーム５１を超音波接合により接合して、パワーモジュール用基板１０１を製造する。
そして、このようにして製造されたパワーモジュール用基板１０１に、図１に示すように、回路層１２の第１層２１の上面に半導体素子６１がはんだ付けによって接合され、パワーモジュール１００が製造される。
このようにして製造されるパワーモジュール用基板１０１では、回路層１２の上面に露出するリードフレーム５１との接合部分に、ビッカース硬度が１９以上の剛性の高いアルミニウム材からなる第２層２２を部分的に設けることで、リードフレーム５１と回路層１２との超音波接合時に、セラミックス基板１１にクラック等が生じることが防止できるとともに、リードフレーム５１と回路層１２とを強固に接合でき、接合信頼性を良好に維持できる。また、回路層１２の上面の半導体素子６１との実装部分は、熱抵抗が低く比較的剛性の低い高純度のアルミニウム材からなる第１層２１により設けられているので、半導体素子６１の熱を円滑に放熱でき、良好な放熱性能を維持できるとともに、セラミックス基板１１への応力が低減し、セラミックス基板１１の破壊を防止することができる。
また、本実施形態のパワーモジュール用基板１０１の製造方法によれば、放熱板４１と回路層１２を構成する第２層２２とを第１積層基板１５に一度に接合することができ（第２接合工程）、第２層２２を設けることによって接合工程が増加することがない。また、第２接合工程において第１層２１の上面に部分的に設けられる第２層２２を接合するにあたって、予めろう材層３２が積層されたクラッド材２５を用いることで、ろう材（ろう材層３２）の取り回しが容易となり、第２接合工程を容易に進めることができる。また、第１層２１と第２層２２との間に、ろう材を確実に介在させてろう付けを行うことができ、第１層２１と第２層２２とを強固に接合できる。
また、第１実施形態のパワーモジュール用基板１０１では、第１層２１の上面から突出するようにして第２層２２を設けていたが、図３に示す第２実施形態のパワーモジュール用基板１０２のように、第１層２１の上面に凹部２３を形成しておき、第１層２１の凹部２３内に第２層２２を収容した状態とすることにより、凹部２３の周囲の第１層２１の上面と第２層２２の上面とを面一に設けることもできる。この第２実施形態において、図１及び図２に示す第１実施形態と共通要素には同一符号を付している。以下の各実施形態においても同様である。
この第２実施形態のパワーモジュール用基板１０２は、第１実施形態と同様に、セラミックス基板１１に回路層１２の第１層２１と金属層１３とを接合して第１積層基板１５を形成（第１接合工程）した後、第１層２１に第２層２２、金属層１３に放熱板４１をそれぞれ接合して第２積層基板１６を形成（第２接合工程）し、最後に第２層２２にリードフレーム５１を接合（第３接合工程）することにより製造されるが、図４（ａ）に示すように、少なくとも第２接合工程前に、第１層２１の上面に凹部２３を形成しておき、図４（ｂ）に示すように、第２接合工程において、凹部２３内に第２層２２を収容した状態とすることにより、凹部２３の周囲の第１層２１の上面と第２層２２の上面とを面一に設ける。
第１層２１の凹部２３は、例えばエッチング処理により形成できる。具体的には、第１接合工程後に、第１積層基板１５の第１層２１の上面に、凹部２３を形成する部分を残してエッチングレジストインキを塗布し、紫外線を照射してエッチングレジストを形成することにより、パターニングを行う。なお、ドライフィルムレジストを貼り付けることにより、パターニングを行うこともできる。そして、塩化第二銅や塩化第二鉄等の水溶液を用いてエッチング処理を行い、凹部２３を形成する。エッチングレジストは、凹部２３の形成後に水酸化ナトリウムで剥離する。
なお、凹部２３は、次のような方法により形成することもできる。
第１接合工程前に、第１層アルミニウム板２１Ｓにプレス加工等によって凹部２３を形成し、凹部２３が形成された第１層アルミニウム板２１Ｓの凹部２３が形成された面側とは反対側の面にセラミックス基板１１を接合することで、第１積層基板１５に凹部２３を形成することができる。
第１接合工程前に、第１層アルミニウム板２１Ｓにプレス加工等によって凹部２３を形成し、凹部２３が形成された第１層アルミニウム板２１Ｓの凹部２３が形成された面側とは反対側の面にセラミックス基板１１を接合することで、第１積層基板１５に凹部２３を形成することができる。
そして、このようにして第１積層基板１５に凹部２３を形成した後、第２接合工程において、図４（ｂ）に示すように、凹部２３の底面に第２層２２となる第２層アルミニウム板２２Ｓをろう材（ろう材層３２）を介して積層するとともに、金属層１３にろう材３５を介して放熱板アルミニウム板４１Ｓを積層する。この際、凹部２３の深さとクラッド材２５の厚みとを同程度に設けることで、複雑な治具を用いることなく、回路層１２の上面全体を積層方向に均一に押圧できる。
このように構成される第２実施形態のパワーモジュール用基板１０２の製造方法では、第１層２１に凹部２３を設けて、その凹部２３内に第２層２２を収容した状態で設けているので、第１層２１と第２層２２との位置決めを容易に行うことができる。また、凹部２３の周囲の第１層２１の上面と第２層２２の上面とを面一に設けることにより、第２接合工程において、第２層２２と放熱板４１とを第１積層基板１５に接合する際に、回路層１２の上面全体を積層方向に確実に押圧できるので、第２層２２と放熱板４１とを第１積層基板１５に強固に接合でき、パワーモジュール用基板１０２の接合信頼性を良好に維持できる。
なお、パワーモジュール用基板１０２の接合信頼性と放熱性能とを良好に維持する観点では、少なくとも第１層２１の凹部２３の底面と第２層２２の下面とが接合されていればよく、凹部２３の側面と第２層２２の側面との間に隙間が設けられていてもよい。
なお、パワーモジュール用基板１０２の接合信頼性と放熱性能とを良好に維持する観点では、少なくとも第１層２１の凹部２３の底面と第２層２２の下面とが接合されていればよく、凹部２３の側面と第２層２２の側面との間に隙間が設けられていてもよい。
また、第２実施形態のパワーモジュール用基板１０２では、第１層２１の上面と第２層２２の上面とを面一に設けていたが、図５に示す第３実施形態のパワーモジュール用基板１０３のように、第１層２１の上面よりも第２層２２の上面を低く設けてもよい。また、図６に示す第４実施形態のパワーモジュール用基板１０４のように、第１層２１の上面よりも第２層２２の上面を突出させて高く設けてもよい。
次に、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明する。
厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎ‐Ａｌからなる第１層及び厚さ１．６ｍｍの４Ｎ‐Ａｌからなる金属層と、厚さ０．４ｍｍの表１記載のアルミニウム合金からなる第２層と、厚さ５ｍｍのＡ６０６３アルミニウム合金からなる放熱板と、純銅からなる厚さ１ｍｍのリードフレームとを用意し、発明例１〜８と比較例１〜３のパワーモジュール用基板を作製した。なお、各部材の平面サイズは、セラミックス基板が４０ｍｍ×４０ｍｍ、回路層及び金属層が３７ｍｍ×３７ｍｍ、第２層が１０ｍｍ×１０ｍｍ、放熱板が５０ｍｍ×６０ｍｍとした。
厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎ‐Ａｌからなる第１層及び厚さ１．６ｍｍの４Ｎ‐Ａｌからなる金属層と、厚さ０．４ｍｍの表１記載のアルミニウム合金からなる第２層と、厚さ５ｍｍのＡ６０６３アルミニウム合金からなる放熱板と、純銅からなる厚さ１ｍｍのリードフレームとを用意し、発明例１〜８と比較例１〜３のパワーモジュール用基板を作製した。なお、各部材の平面サイズは、セラミックス基板が４０ｍｍ×４０ｍｍ、回路層及び金属層が３７ｍｍ×３７ｍｍ、第２層が１０ｍｍ×１０ｍｍ、放熱板が５０ｍｍ×６０ｍｍとした。
発明例１〜８は、第１実施形態から第４実施形態で述べたパワーモジュール用基板であり、表１の実施形態は、各パワーモジュール用基板がその実施形態に該当するかを示している。
また、比較例１は、図７に示すように第２層が形成されていないパワーモジュール用基板である。比較例２は、図８に示すように第２層２２を第１層２１の上面全体、すなわち３７ｍｍ×３７ｍｍのサイズで設けたパワーモジュール用基板である。比較例３は、回路層を積層構造とせず、Ａ３００３アルミニウム合金からなる第１層２１をセラミックス基板に接合したパワーモジュール用基板である。なお、比較例１，３では、第２層が形成されていないので、第１層２１の一部にリードフレーム５１を接合した。
また、比較例１は、図７に示すように第２層が形成されていないパワーモジュール用基板である。比較例２は、図８に示すように第２層２２を第１層２１の上面全体、すなわち３７ｍｍ×３７ｍｍのサイズで設けたパワーモジュール用基板である。比較例３は、回路層を積層構造とせず、Ａ３００３アルミニウム合金からなる第１層２１をセラミックス基板に接合したパワーモジュール用基板である。なお、比較例１，３では、第２層が形成されていないので、第１層２１の一部にリードフレーム５１を接合した。
そして、得られた各パワーモジュール用基板に対して、「回路層とリードフレームとの接合強度」、「熱抵抗」、「接合信頼性」を評価した。
（回路層とリードフレームとの接合強度）
プッシュプルゲージ（アイコーエンジニアリング社製、デジタルプッシュプルゲージＲＸシリーズ）を用い、リードフレームが回路層から剥離するまでの最大強度を測定した。測定は１５回行い、その平均値を接合強度とした。そして、比較例１の接合強度を基準とし、接合強度が比較例１の１．２倍以上の場合を「◎」、１．０倍以上１．２倍未満の場合を「○」、１．０倍未満を「×」と評価した。
（回路層とリードフレームとの接合強度）
プッシュプルゲージ（アイコーエンジニアリング社製、デジタルプッシュプルゲージＲＸシリーズ）を用い、リードフレームが回路層から剥離するまでの最大強度を測定した。測定は１５回行い、その平均値を接合強度とした。そして、比較例１の接合強度を基準とし、接合強度が比較例１の１．２倍以上の場合を「◎」、１．０倍以上１．２倍未満の場合を「○」、１．０倍未満を「×」と評価した。
（熱抵抗）
各パワーモジュール用基板の回路層の上面に半導体素子を実装し、熱抵抗を熱抵抗評価装置（メンターグラフィックス社製、過渡熱測定装置）にて確認した。熱抵抗の評価は３回行い、その平均値を熱抵抗とした。比較例１の熱抵抗を基準とし、熱抵抗が比較例１の１．２倍未満の場合を「◎」、１．２倍以上の場合を「×」と評価した。
各パワーモジュール用基板の回路層の上面に半導体素子を実装し、熱抵抗を熱抵抗評価装置（メンターグラフィックス社製、過渡熱測定装置）にて確認した。熱抵抗の評価は３回行い、その平均値を熱抵抗とした。比較例１の熱抵抗を基準とし、熱抵抗が比較例１の１．２倍未満の場合を「◎」、１．２倍以上の場合を「×」と評価した。
（接合信頼性）
液槽式して低温側−４０℃×５分、高温側１５０℃×５分の冷熱サイクル試験を実施した。２０００サイクル後のセラミックス基板の破壊の有無を超音波探傷装置（Ｉｎｓｉｇｈｔ社製、超音波探傷装置）で調査した。それぞれ６個のパワーモジュール用基板に対し試験を実施し、破壊確率が０％の場合を「◎」、０％より大きく５０％未満の場合を「○」、５０％以上の場合を「×」と評価した。
表１に結果を示す。
液槽式して低温側−４０℃×５分、高温側１５０℃×５分の冷熱サイクル試験を実施した。２０００サイクル後のセラミックス基板の破壊の有無を超音波探傷装置（Ｉｎｓｉｇｈｔ社製、超音波探傷装置）で調査した。それぞれ６個のパワーモジュール用基板に対し試験を実施し、破壊確率が０％の場合を「◎」、０％より大きく５０％未満の場合を「○」、５０％以上の場合を「×」と評価した。
表１に結果を示す。
表１からわかるように、リードフレーム接合部（第２層）にビッカース硬度が１９以上のアルミニウム合金を用いた発明例１〜８では、接合強度が比較例１に比べ高くなることがわかった。
また、第２層を形成しなかった比較例１では、回路層とリードフレームとの接合強度が低かった。第２層を第１層の全面に設けた比較例２では、半導体素子が熱伝導率の低いアルミニウム合金に接合されているため、熱抵抗が大きくなった。さらに、第１層に純度の低い（剛性の高い）アルミニウム合金を用いた比較例３では、接合信頼性が低下した。
また、第２層を形成しなかった比較例１では、回路層とリードフレームとの接合強度が低かった。第２層を第１層の全面に設けた比較例２では、半導体素子が熱伝導率の低いアルミニウム合金に接合されているため、熱抵抗が大きくなった。さらに、第１層に純度の低い（剛性の高い）アルミニウム合金を用いた比較例３では、接合信頼性が低下した。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、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。
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
１５ 第１積層基板
１６ 第２積層基板
２１ 第１層
２２ 第２層
２３ 凹部
２５ クラッド材
３１ ろう材
３２，３４ ろう材層（ろう材）
３３ 接合芯材
３５ ろう材（両面ろうクラッド材）
４１ 放熱板
５１ リードフレーム
６１ 半導体素子
１００ パワーモジュール
１０１〜１０４ パワーモジュール用基板
１２ 回路層
１３ 金属層
１５ 第１積層基板
１６ 第２積層基板
２１ 第１層
２２ 第２層
２３ 凹部
２５ クラッド材
３１ ろう材
３２，３４ ろう材層（ろう材）
３３ 接合芯材
３５ ろう材（両面ろうクラッド材）
４１ 放熱板
５１ リードフレーム
６１ 半導体素子
１００ パワーモジュール
１０１〜１０４ パワーモジュール用基板
Claims (5)
- 窒化物系セラミックス、もしくは酸化物系セラミックスからなる厚さ０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の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、前記回路層の上面に銅又は銅合金からなるリードフレームが直接接合されており、
前記回路層が、前記セラミックス基板に接合される第１層と、該第１層の前記セラミックス基板とは反対側の面に部分的に設けられて前記リードフレームが接合される第２層とにより構成され、
前記第１層は、純度９９．９０質量％以上のアルミニウム材からなり、
前記第２層は、ビッカース硬度が１９以上のアルミニウム材からなることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 請求項１に記載の前記パワーモジュール用基板と、前記第１層に実装された半導体素子とを備えることを特徴とするパワーモジュール。
- 窒化物系セラミックス、もしくは酸化物系セラミックスからなる厚さ０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下のセラミックス基板の一方の面に純度９９．９０質量％以上のアルミニウム材を接合して第１層を形成するとともに、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム材を接合して金属層を形成することにより、第１積層基板を形成する第１接合工程と、
前記第１層の前記セラミックス基板とは反対側の面に部分的にビッカース硬度が１９以上のアルミニウム材をろう付けして第２層を形成するとともに、前記金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面にアルミニウム材をろう付けして放熱板を形成することにより、第２積層基板を形成する第２接合工程と、
前記第２積層基板の前記第２層に銅又は銅合金からなるリードフレームを超音波接合により直接接合する第３接合工程とを有することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 - 前記第２接合工程において、
前記第２層となるアルミニウム材の前記第１層との接合面にろう材層が積層されたクラッド材を用いることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。 - 少なくとも前記第２接合工程前に、前記第１層の上面に凹部を形成しておき、
前記第２接合工程において、前記凹部内に前記第２層を収容した状態とすることにより、前記凹部の周囲の前記第１層の上面と前記第２層の上面とを面一に設けることを特徴とする請求項３又は４に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
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