JP6907546B2

JP6907546B2 - パワーモジュール

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Publication number: JP6907546B2
Application number: JP2017005684A
Authority: JP
Inventors: 智哉大開; 宗太郎大井
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2037-01-17
Also published as: JP2018116994A

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に関する。

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では、大電流容量への対応、配線抵抗の低減を可能とするため、例えば特許文献１に示されるように、半導体素子に接続される配線が、銅からなるリードフレームによって形成され、また、エポキシ樹脂等によって半導体素子及びリードフレームの接合部分を樹脂封止する構造が採用されている。

また、この種のパワーモジュールには、例えば特許文献２に示されるように、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、アルミニウム板等からなる回路層が接合されるとともに、他方の面にアルミニウム板等からなる放熱層が接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。また、このパワーモジュール用基板の放熱層に、銅等からなるヒートシンクが接合されることにより、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板が製造される。

このパワーモジュール用基板に半導体素子及びリードフレームを接合してパワーモジュールを構成する場合、例えば、セラミックス基板の両面に回路層及び放熱層を接合したパワーモジュール用基板の回路層上に、半導体素子を銀焼結接合あるいははんだ付けなどの方法により接合した後、その半導体素子の上に銅からなるリードフレームをはんだ付けなどによって接合している。

特開２００１‐２９１８２３号公報特開２００５‐３２８０８７号公報

上述したパワーモジュールにおいて、回路層やリードフレームに用いられるアルミニウム又はアルミニウム合金、あるいは銅又は銅合金は、半導体素子に比べて線膨張係数が大きく、このため、半導体素子やリードフレームをはんだ付けによって接合する場合、使用環境の変化や素子の抵抗発熱等により繰り返し熱応力を受けるとはんだ接合層にクラックが生じるおそれがある。このはんだ付けに代えて銀焼結接合とする場合、銀焼結接合層ははんだ接合層に比べて高温環境下での接合信頼性に高く、熱伝導性にも優れるが、はんだ接合層に比べて薄くて硬いので、半導体素子自体に大きな熱応力が作用し、半導体素子に損傷を生じさせるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、銀焼結接合層により接合信頼性を高めつつ半導体素子への損傷も防止することができるパワーモジュール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は、パワーモジュール用基板に搭載された半導体素子は、その一方の面が第１銅系低線膨張材に銀焼結接合層を介して接合され、他方の面が銅又は銅合金と低線膨張率材とを含む第２銅系低線膨張材からなるリードフレームに銀焼結接合層を介して接合されており、これら第１銅系低線膨張材と第２銅系低線膨張材とは、線膨張係数の差が５ｐｐｍ／℃以下であり、前記パワーモジュール用基板はセラミックス基板の表面に積層状態に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層と、該回路層の表面に積層状態に接合され、銅又は銅合金と低線膨張率材とを含むスペーサとを有しており、該スペーサが前記第１銅系低線膨張材であり、前記スペーサと前記リードフレームとの厚さの比率が０．２以上５．０以下であり、記回路層の表面に下地金属層が形成され、該下地金属層に銀焼結接合層を介して前記スペーサが接合されてなり、前記下地金属層は、前記回路層表面に形成されたガラス層と、該ガラス層の上に形成された銀層との二層構造を有している。

このパワーモジュールは、半導体素子の両面を銀焼結接合層によってリードフレーム等に接合したので、高温環境下でも高い接合信頼性を有するとともに、銀焼結接合層が熱伝導性に優れるので半導体素子で発生する熱を速やかに放散することができる。しかも、半導体素子の両面に銅系低線膨張材を接合して、半導体素子のとの線膨張差を小さくしたことにより、半導体素子に作用する熱応力を低減して、その損傷を防止することができる。
この場合、両銅系低線膨張材の線膨張係数の差が５ｐｐｍ／℃を超えると、その線膨張差により半導体素子に作用する熱応力が大きくなって好ましくない。
また、スペーサによってリードフレームの高さ位置（積層方向の位置）を調整することができ、適切な位置でリードフレームを引き出すことができる。この場合も、スペーサとリードフレームとの厚さの比率は半導体の破損を招かないように、０．２以上５．０以下に設定される。

本発明のパワーモジュールにおいて、前記パワーモジュール用基板はセラミックス基板の表面に積層状態に接合された銅又は銅合金からなる回路層を有し、該パワーモジュール用基板が前記第１銅系低線膨張材であり、前記回路層と前記リードフレームとの厚さの比率が０．２以上５．０以下であるものとしてもよい。

このパワーモジュールは、銅又は銅合金からなる回路層が積層されているパワーモジュール用基板が銅系低線膨張材である。銅又は銅合金自体は半導体素子に比べると線膨張係数が大きいが、その回路層がセラミックス基板に積層状態に接合されていることから、その線膨張がセラミックス基板の線膨張に支配されるため、パワーモジュール用基板としては低線膨張材となる。この場合、回路層とリードフレームとの厚さの比率が０．２未満、あるいは５．０を超えると、低線膨張材を両面に配置して均衡させた効果が損なわれ、厚い方の線膨張が支配的になって半導体素子の破損を招くおそれがある。

本発明のパワーモジュールによれば、半導体素子の両面に銅系低線膨張材を銀焼結接合層により接合したことにより、接合信頼性、熱伝導性に優れるとともに、両銅系低線膨張材の線膨張差を小さくしたことにより、半導体素子に作用する熱応力を低減して、その損傷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の断面図である。図１のパワーモジュールの製造方法を示すフローチャートである。図２の製造方法により製造される経緯を工程順に示す断面図である。下地金属層を説明する拡大断面図である。本発明の第２実施形態のパワーモジュールの断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

１．第１実施形態
＜全体構造＞
第１実施形態のパワーモジュール１００は、図１に示すように、セラミックス基板１１、及びその一方の面に形成された回路層１２、他方の面に形成された放熱層１３を備えるパワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０の回路層１２の表面にスペーサ２０を介して搭載された半導体素子３０と、半導体素子３０に接合されたリードフレーム４０と、半導体素子３０、パワーモジュール用基板１０及びリードフレーム４０を封止するエポキシ樹脂等からなるモールド樹脂５０とにより構成される。

パワーモジュール用基板１０を構成するセラミックス基板１１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（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、厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。

回路層１２及び放熱層１３は、純度９９．００質量％以上の純アルミニウム（（いわゆる２Ｎアルミニウム））や純度９９．９９質量％以上の純アルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）又はアルミニウム合金により形成され、例えば０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの厚みとされ、通常はセラミックス基板１１よりも小さい平面形状の矩形状に形成されている。そして、回路層１２と放熱層１３とは、セラミックス基板１１にＡｌ‐Ｓｉ系、Ａｌ‐Ｇｅ系、Ａｌ‐Ｃｕ系、Ａｌ‐Ｍｇ系、又はＡｌ‐Ｍｎ系等の合金のろう材により接合されている。なお、回路層１２と放熱層１３は、それぞれプレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板１１に接合するか、あるいは平板状のものをセラミックス基板１１に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれかの方法により、所望の形状に形成されている。

スペーサ２０は、熱伝導性の高い銅（Ｃｕ）に、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）等の低線膨張率材料を組み合わせたコンポジット材の両面に純銅板を接合したクラッド板からなる銅系低線膨張材（本発明の第１銅系低線膨張材）である。スペーサ２０の厚さは０．５ｍｍ〜６．０ｍｍの範囲内とするとよい。このスペーサ２０として、例えば、厚さ０．３ｍｍ〜５．０ｍｍのコンポジット材の両面に厚さ０．１ｍｍ〜２．０ｍｍの純銅板を接合したクラッド板とすることができる。コンポジット材として好適に用いられるのは、Ｃｕ−Ｍｏのコンポジット材であり、この場合、Ｍｏは５５質量％〜７５質量％の範囲内で含有されていると良い。
なお、銅系低線膨張材は、低線膨張材料の含有比率及びクラッドされる純銅板との厚みの比率を変えることにより線膨張係数及び熱伝導率を調整することができる。線膨張係数については後述する。熱伝導率は例えば１８０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋである。
図示例では、回路層１２の上に面方向に並んで２個のスペーサ２０が接合されている。

半導体素子３０は半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（ＦｒｅｅＷｈｅｅｌｉｎｇＤｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子が選択される。
このような半導体素子３０には、上面及び下面に電極が設けられており、回路層１２とリードフレーム４０との間で電気的接続状態とされる。この場合、２個のスペーサ２０のそれぞれに半導体素子３０が接合され、これら半導体素子３０相互を接続した状態でリードフレーム４０が設けられている。

リードフレーム４０は、スペーサ２０と同様の銅系低線膨張材（本発明の第２銅系低線膨張材）により帯板状に形成されている。この場合、前述したように銅系低線膨張材は、コンポジット材における銅と低線膨張率材料との含有比率やクラッドされる純銅板との厚みの比率によって線膨張係数等を調整することができるが、線膨張係数は、スペーサ２０とリードフレーム４０との差が５ｐｐｍ／℃以内に設定される。半導体素子３０の線膨張係数は例えば２０ｐｐｍ／℃〜３０ｐｐｍ／℃である。リードフレーム４０の厚さは０．０５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内とするとよい。また、スペーサ２０とリードフレーム４０との厚さの比率は、これらの線膨張係数の差を小さくした効果を有効に発揮させるために０．２以上５．０以下に設定される。

そして、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の上に、スペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０がそれぞれ銀焼結接合層７１を介して接合されている。この銀焼結接合層７１により接合するために、回路層１２の接合面には、金、銀、ニッケル等からなる下地金属層６０が形成される。なお、スペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０のそれぞれの接合面にも、金、銀、ニッケル等からなる下地金属層をめっきやスパッタリング等によって形成してもよい。モールド樹脂５０は、エポキシ系樹脂等からなり、パワーモジュール用基板１０の放熱層１３の裏面を除き、その側面、セラミックス基板１１、回路層１２、スペーサ２０、半導体素子３０及びリードフレーム４０の半導体素子３０への接続部分の周辺を一体に封止している。リードフレーム４０の端部は、モールド樹脂５０から外部に引き出されている。

＜第１実施形態の製造方法＞
次に、このように構成されたパワーモジュール１００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製造方法は、図２に示すように、パワーモジュール用基板１０を形成し［パワーモジュール用基板形成工程］、そのパワーモジュール用基板１０の回路層１２の接合予定面に下地金属層６０を形成［下地金属層形成工程］した後、回路層１２にスペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０を順に積層し、これらを一括して接合［一括接合工程］した後、モールド樹脂５０によって樹脂封止する［樹脂封止工程］ことにより形成される。以下、工程順に説明する。

［パワーモジュール用基板形成工程］
図３（ａ）に示すように、セラミックス基板１１の各面にろう材１５を介して回路層１２となるアルミニウム板１２´と放熱層１３となるアルミニウム板１３´とを積層し、これらの積層構造体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材１５を溶融させることによってそれぞれのアルミニウム板１２´，１３´とセラミックス基板１１とを接合し、回路層１２と放熱層１３とを有するパワーモジュール用基板１０を形成する（図３（ｂ）参照）。具体的には、積層構造体を加圧したまま炉に入れて、真空雰囲気中で６１０℃以上６５０℃以下の温度で１分〜６０分加熱する。

［下地金属層形成工程］
一括接合の前に、回路層１２の接合予定面に金、銀、ニッケル等からなる下地金属層６０を形成する。
この下地金属層１５は、金、銀、ニッケル等をめっきやスパッタリングによって薄膜状に形成することにより得ることができる。また、回路層１２の表面の下地金属層６０は、ガラス含有銀ペーストを塗布して焼成することによっても形成することができる。

（ガラス含有銀ペーストによる下地金属層形成方法）
回路層１２の表面にガラス含有銀ペーストによって下地金属層６０を形成する方法を説明しておくと、ガラス含有銀ペーストは、銀粉末と、ガラス（無鉛ガラス）粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤とを含有しており、銀粉末とガラス粉末とからなる粉末成分の含有量が、ガラス含有銀ペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされ、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。銀粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされており、例えば平均粒径０．８μｍのものが好適である。ガラス粉末は、主成分として酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）、酸化鉛（ＰｂＯ_２）、酸化リン（Ｐ_２Ｏ_５）のいずれか１種または２種以上を含むものとされており、そのガラス転移温度が３００℃以上４５０℃以下、軟化温度が６００℃以下、結晶化温度が４５０℃以上とされている。例えば、酸化鉛と酸化亜鉛と酸化ホウ素とを含有し、平均粒径０．５μｍのガラス粉末が好適である。
また、銀粉末の重量Ａと、ガラス粉末の重量Ｇとの重量比Ａ／Ｇは、８０／２０から９９／１の範囲内、例えばＡ／Ｇ＝８０／５に調整される。
溶剤は、沸点が２００℃以上のものが適しており、例えば、ジエチレングリコールジブチルエーテルが用いられる。
樹脂は、ガラス含有銀ペーストの粘度を調整するものであり、３５０℃以上で分解されるものが適している。例えば、エチルセルロースが用いられる。
また、ジカルボン酸系の分散剤が適宜添加される。分散剤を添加することなくガラス含有銀ペーストを構成してもよい。

このガラス含有銀ペーストは、銀粉末とガラス粉末とを混合した混合粉末と、溶剤と樹脂とを混合した有機混合物とを、分散剤とともにミキサーによって予備混合し、得られた予備混合物をロールミル機によって練り込みながら混合した後、得られた混練物をぺ-ストろ過機によってろ過することによって製出される。このガラス含有銀ペーストは、その粘度が１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下に調整される。

このガラス含有銀ペーストをスクリーン印刷法等によって回路層１２の接合予定面に塗布し、乾燥後に３５０℃以上６４５℃以下の温度で１分以上６０分以下の時間をかけて焼成すると、図４に示すように、接合予定面側に形成されたガラス層６１と、このガラス層６１上に形成された銀層６２との二層構造の下地金属層６０が形成される。このとき、ガラス層６１が形成される際に、回路層１２の表面に自然発生していたアルミニウム酸化被膜１２ａが溶融除去されることになり、回路層１２に直接ガラス層６１が形成され、このガラス層６１の上に銀層６２が形成される。このガラス層６１が回路層１２に強固に固着されることにより、回路層１２の上に銀層６２が確実に保持固定される。
ガラス層６１には銀又はアルミニウムの少なくとも一方を含有する導電性粒子（結晶性粒子）６３が分散されるが、焼成の際にガラス層６１内部に析出したものと推測されている。また、銀層６２の内部にも微細なガラス粒子６４が分散される。このガラス粒子６４は、銀粒子の焼成が進行していく過程で、残存したガラス成分が凝集したものと推測される。

このようにして形成される下地金属層６０における銀層６２の平均結晶粒径が０．５μｍ以上３．０μｍ以下の範囲内に調整される。
ここで、加熱温度が３５０℃未満及び加熱温度での保持時間が１分未満の場合には、焼成が不十分となり、下地金属層６０を十分に形成することができないおそれがある。一方、加熱温度が６４５℃を超える場合及び加熱温度での保持時間が６０分を超える場合には、焼成が進行し過ぎて、熱処理後に形成される下地金属層６０における銀層６２の平均結晶粒径が０．５μｍ以上３．０μｍ以下の範囲内とならないおそれがある。
なお、下地金属層６０を確実に形成するためには、熱処理時の加熱温度の下限を４００℃以上とすることが好ましく、４５０℃以上とすることがより好ましい。また、加熱温度での保持時間は５分以上とすることが好ましく、１０分以上とすることがより好ましい。
一方、焼成の進行を確実に抑制するためには、熱処理時の加熱温度を６００℃以下とすることが好ましく、５７５℃以下とすることがより好ましい。また、加熱温度での保持時間を４５分以下とすることが好ましく、３０分以下とすることがより好ましい。

（銀ペースト層）
下地金属層６０を形成した回路層１２、スペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０の間に銀ペースト層７０を介在させた状態で、これらを積層する。
銀ペースト層７０は、粒径０．０５μｍ〜１００μｍの銀粉末と、樹脂と、溶剤と、を含有してなるペーストを塗布して形成した層である。
銀ペーストに用いられる樹脂としては、エチルセルロース等を用いることができる。銀ペーストに用いられる溶剤としては、α―テルピネオール等を用いることができる。
銀ペーストの組成としては、銀粉末の含有量が銀ペースト全体の６０質量％以上９２質量％以下とし、樹脂の含有量が銀ペースト全体の１質量％以上１０質量％以下とし、残部が溶剤とするとよい。
また、銀ペーストに、蟻酸銀、酢酸銀、プロピオン酸銀、安息香酸銀、シュウ酸銀などのカルボン酸系金属塩等の有機金属化合物粉末を銀ペースト全体の０質量％以上１０質量％以下含有させることもできる。また、必要に応じて、アルコールや有機酸等の還元剤を銀ペースト全体に対して、０質量％以上１０質量％以下含有させることもできる。
なお、この銀ペーストは、その粘度が１０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは３０Ｐａ・ｓ以上８０Ｐａ・ｓ以下に調整されている。
この銀ペーストを回路層１２の下地金属層６０の上、スペーサ２０の表面、リードフレーム４０の表面にそれぞれ、例えばスクリーン印刷法等によって塗布して、乾燥することにより、銀ペースト層７０となる。この銀ペースト層７０は、接合時に対向する接合予定面のいずれかの表面に形成されていればよい。図３（ｃ）に示す例では、回路層１２の表面、スペーサ２０の半導体素子３０に対向する側の表面、リードフレーム４０の半導体素子３０に対向する側の表面にそれぞれ銀ペースト層７０が形成されている。

なお、銀ペースト層７０として、銀粉末を酸化銀粉末に代えた酸化銀ペーストを用いることもできる。酸化銀ペーストは、酸化銀粉末と、還元剤と、樹脂と、溶剤と、を含有しており、これらに加えて有機金属化合物粉末を含有している。酸化銀粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の６０質量％以上９２質量％以下とされ、還元剤の含有量が酸化銀ペースト全体の５質量％以上１５質量％以下とされ、有機金属化合物粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の０質量％以上１０質量％以下とされており、残部が溶剤とされている。

［一括接合工程］
図３（ｃ）に示すように、回路層１２の銀ペースト層７０の上にスペーサ２０を重ね、そのスペーサ２０の銀ペースト層７０の上に半導体素子３０を重ね、その半導体素子３０の上にリードフレーム４０の銀ペースト層７０を重ねるようにして、これらを積層状態とする。
そして、積層方向に１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の加圧力を作用させた状態で、１８０℃以上３５０℃以下の温度に加熱する。その温度の保持時間は１分以上６０分以下の範囲内であればよい。この熱処理によって、銀ペースト層７０が焼結して、回路層１２、スペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０の相互間で銀焼結接合層７１を形成し、この銀焼結接合層７１によって回路層１２、スペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０が一体に接合される。

なお、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストからなる銀ペースト層７０を用いた場合、接合（焼成）時に、酸化銀が還元することにより析出する還元銀粒子が、例えば粒径１０ｎｍ〜１μｍと非常に微細であることから、緻密な銀焼結接合層７１を形成して、より強固に接合することができる。

［樹脂封止工程］
以上のようにして、パワーモジュール用基板１０にスペーサ２０、半導体素子３０及びリードフレーム４０を接合した後、パワーモジュール基板１０の放熱層１３の下面を除き、パワーモジュール用基板１０、スペーサ２０、半導体素子３０及びリードフレーム４０の接続部付近を一体にモールド樹脂５０によって封止する。
具体的には、例えばエポキシ樹脂等からなる封止材を用いてトランスファーモールディング方法によってモールド樹脂５０を形成し封止する。リードフレーム４０の外側端部はモールド樹脂５０から露出させておく。

このようにして製造されるパワーモジュール１００は、半導体素子３０が、剛性の高いパワーモジュール用基板１０とリードフレーム４０との間に挟まれた状態で接合され、かつ加圧されることから、反りの発生が抑制され、このため、半導体素子３０等を破損させることなく良好な接合状態を得ることができる。また、パワーモジュール用基板１０にスペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０を一度に接合することができ、製造も容易になる。

そして、このパワーモジュール１００においては、半導体素子３０の両面を銀焼結接合層７１によってスペーサ２０及びリードフレーム４０に接合したので、高温環境下でも高い接合信頼性を有するとともに、銀焼結接合層７１が熱伝導性に優れるので半導体素子３０で発生する熱を速やかに放散することができる。しかも、半導体素子３０の両面に配置されるスペーサ２０及びリードフレーム４０が銅系低線膨張材からなり、これらスペーサ２０及びリードフレーム４０と半導体素子３０との線膨張差を小さくしたことにより、半導体素子３０に作用する熱応力を低減して、その損傷を防止することができる。

２．第２実施形態
図５は第２実施形態のパワーモジュール１０１を示しており、この第２実施形態では、第１実施形態で設けられていたスペーサ２０がなく、パワーモジュール用基板１６の回路層１７に半導体素子３０が接合され、その半導体素子３０にリードフレーム４０が接合されている。
この場合、パワーモジュール用基板１６のセラミックス基板１には、回路層１７として図示例では２個の小回路部１７ａ，１７ｂが面方向に並んだ状態で積層状態に接合され、各小回路部１７ａ，１７ｂの上にそれぞれ半導体素子３０が接合されている。

このパワーモジュール用基板１６の回路層１７及び放熱層１８は、銅又は銅合金によって構成されている。この銅又は銅合金は、それ自体は線膨張係数が比較的大きいが、第１実施形態のアルミニウム又はその合金に比べて変形しにくいため、回路層１７表面の線膨張がセラミックス基板１１の線膨張に支配される。したがって、パワーモジュール用基板１６全体としては低線膨張材（本発明の第１銅系低線膨張材）となる。本実施形態では、回路層１７及び放熱層１８として、無酸素銅を用いている。
なお、リードフレーム４０は第１実施形態と同様、銅（Ｃｕ）に、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）等の低線膨張率材料を組み合わせた銅系低線膨張材（第２銅系低線膨張材）からなる。
そして、このパワーモジュール用基板１６とリードフレーム４０との線膨張係数差が５ｐｐｍ／℃以下に設定され、パワーモジュール用基板１５の回路層１６とリードフレーム４０との厚さの比率が０．２以上５．０以下に設定されている。

このパワーモジュール１０１において、セラミックス基板１１の両面に回路層１７及び放熱層１８を銀チタン（Ａｇ−Ｔｉ）系ろう材や銀銅チタン（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）系ろう材等の活性金属ろう材を介して積層し、積層方向に例えば０．０５ＭＰａ以上１．０ＭＰａ以下の加圧力を作用させた状態で８００℃以上９３０℃以下に加熱することにより、これらを接合したパワーモジュール用基板１６が作製される。その後、回路層１７、半導体素子３０、リードフレーム４０の各接合予定面に銀ペースト層を介在させた状態で積層して、第１実施形態と同様に一括で加圧、加熱することにより、銀焼結接合層７１によって接合した後、最後にモールド樹脂５０によって封止する。この実施形態のパワーモジュール用基板１６の回路層１７は銅又は銅合金からなるので、第１実施形態のアルミニウム又はその合金からなる回路層１２に形成した下地金属層６０は設ける必要はないが、同様の下地金属層を形成してもよい。また、半導体素子３０、リードフレームの４０各接合予定面に金、銀、ニッケル等の下地金属層をめっきやスパッタリング等によって形成してもよい。
このようにして製造されたパワーモジュール１０１は、半導体素子３０の両面に配置されるリードフレーム４０及びパワーモジュール用基板１５が銅系低線膨張材により構成されており、半導体素子３０に作用する熱応力を低減させて、その破損を有効に防止することができる。

その他、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。

パワーモジュール用基板の回路層、スペーサ、リードフレームについて表１に示す材質、厚みのものを用意し、これらの対向する接合予定面のいずれかに銀ペーストを塗布した後、積層して一括接合した。この場合、発明例１〜４、比較例１，２については、アルミニウムからなる回路層の表面に、上述したガラス含有銀ペーストを用いて下地金属層を形成した。発明例５，６及び比較例２は、スペーサを用いずに、回路層に半導体素子を接合した。いずれの場合も接合時の温度は３００℃、荷重は１０ＭＰａとした。この半導体素子を接合したパワーモジュールを、エスペック社液槽式冷熱衝撃試験装置において、低温側―４０℃、高温側１５０℃、１０００サイクルの冷熱衝撃試験を実施し、半導体素子の破損の有無を評価した。
半導体素子の破損の有無は、インサイト株式会社製超音波画像測定機を用い、半導体素子にクラックが認められる確率が１０％以下の場合を○、半導体素子にクラックが認められる確率が１０％を超える場合を×とした。
これらの結果を表１に示す。表１中、「４Ｎ−Ａｌ」は純度９９．９９質量％以上のアルミニウム、「Ｃ１０２０」は無酸素銅、「Ｃｕ−Ｍｏ」は純銅／銅モリブデンコンポジット材／純銅のクラッド材、「Ｃｕ−Ｗ」は純銅／銅タングステンコンポジット材／純銅のクラッド材を示す。

この表１からわかるように、半導体素子の両面の素材の線膨張係数差が５ｐｐｍ／℃以内、厚みの比率が０．２以上５．０以下のパワーモジュールは、半導体素子の破損は確認できなかった。

１０パワーモジュール用基板
１１セラミックス基板
１２回路層
１３放熱層
１５ろう材
１６パワーモジュール用基板（第１銅系低線膨張材）
１７回路層
１７ａ，１７ｂ小回路部
１８放熱層
２０スペーサ（第１銅系低線膨張材）
３０半導体素子
４０リードフレーム（第２銅系低線膨張材）
５０モールド樹脂
６０下地金属層
６１ガラス層
６２銀層
７０銀ペースト層
７１銀焼結接合層
１００，１０１パワーモジュール

Claims

パワーモジュール用基板に搭載された半導体素子は、その一方の面が第１銅系低線膨張材に銀焼結接合層を介して接合され、他方の面が銅又は銅合金と低線膨張率材とを含む第２銅系低線膨張材からなるリードフレームに銀焼結接合層を介して接合されており、これら第１銅系低線膨張材と第２銅系低線膨張材とは、線膨張係数の差が５ｐｐｍ／℃以下であり、
前記パワーモジュール用基板はセラミックス基板の表面に積層状態に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層と、該回路層の表面に積層状態に接合され、銅又は銅合金と低線膨張率材とを含むスペーサとを有しており、該スペーサが前記第１銅系低線膨張材であり、前記スペーサと前記リードフレームとの厚さの比率が０．２以上５．０以下であり、
前記回路層の表面に下地金属層が形成され、該下地金属層に銀焼結接合層を介して前記スペーサが接合されてなり、
前記下地金属層は、前記回路層表面に形成されたガラス層と、該ガラス層の上に形成された銀層との二層構造を有していることを特徴とするパワーモジュール。