特許 6264150 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用基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6264150

(24)【登録日】2018年1月5日

(45)【発行日】2018年1月24日

(54)【発明の名称】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用基板

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/13 20060101AFI20180115BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20180115BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/12 C

   H01L23/36 C

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-70471(P2014-70471)

(22)【出願日】2014年3月28日

(65)【公開番号】特開2015-192122(P2015-192122A)

(43)【公開日】2015年11月2日

【審査請求日】2016年9月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101465

【弁理士】

【氏名又は名称】青山 正和

(72)【発明者】

【氏名】加藤 浩和

【審査官】 秋山 直人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−００４３５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３８７５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０３０６０９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／１３

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、他方の面に金属層がろう付け接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属層の側面から延出するつば部が該金属層の側面の全周にわたって形成されており、前記つば部は、前記金属層の側面と接続された基端部から先端部までの延出長さが、前記金属層の側面と前記基端部との接続位置から前記金属層の前記セラミックス基板への接合面とは反対面までの距離よりも大きく設けられ、前記つば部の先端部が前記金属層の前記反対面の周縁を覆うように設けら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2】

請求項１記載のパワーモジュール用基板の前記金属層にヒートシンクがろう付け接合され、前記つば部の先端部が前記ヒートシンクに接触して設けら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】

前記つば部と前記金属層の側面と前記ヒートシンクとに囲まれる空間部を埋めるようにしてろう材が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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ヒートシンク付パワーモジュール用基板に関する。

【背景技術】

【0002】

従来のパワーモジュール基板として、セラミックス基板の一方の面に回路層が積層されるとともに、他方の面に金属層が積層されたものが知られており、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされ、金属層にヒートシンクが接合されることにより、パワーモジュールとして用いられる。

【0003】

この種のパワーモジュール用基板の製造方法では、セラミックス基板の一方の面にろう材を介して回路層を積層するとともに、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して金属層を積層し、これらを積層方向に加圧した状態で加熱することにより、セラミックス基板と回路層及び金属層とを接合する。そして、金属層のセラミックス基板が接合されている面とは反対側の面に、ろう材を介してヒートシンクを積層し、積層方向に加圧するとともに加熱して、金属層とヒートシンクとを接合することにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。

【0004】

また、金属層とヒートシンクとの接合方法としては、例えば特許文献１又は特許文献２に記載されるように、高価な設備が不要であり、比較的容易に安定したろう付けが可能なフッ化物系のフラックスを用いたフラックスろう付け法が適用されている。
このフラックスろう付け法では、フッ化物系のフラックスをろう材面に塗布してろう材面の酸化物を除去することにより、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを非酸化性雰囲気中で加熱して接合することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２‐２８４７２号公報

【特許文献2】特開２０１２‐４９４３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところが、金属層とヒートシンクとの接合にフラックスを用いたろう付け法を用いると、フラックスの余剰分が放熱層の側面を伝って、もしくはフラックスが蒸発して、セラミックス基板と金属層との接合部を浸食し、接合部に剥離を生じさせるそれがある。

【0007】

そこで、特許文献１では、金属層の側面に多孔質部を設けておき、フラックスの余剰分を金属層の側面を伝わる際に多孔質部に吸収させることで、接合部へのフラックスの到達を防止することが提案されている。また、特許文献２では、金属層の側面に設けた高酸素濃度部とフラックスとを反応させることにより、セラミックス基板と金属層との接合へのフラックスの到達を防止することが提案されている。
しかし、金属層の側面を伝うフラックスの到達を防止することができるとしても、加熱炉内などの閉じられた空間においては、蒸発したフラックスがセラミックス基板と金属層との接合部へ接触することを完全に防ぐことは難しく、接合部の剥離を確実に防止することは困難である。

【0008】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく金属層とヒートシンクとを接合して、接合信頼性を高めることができる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】

【0009】

本発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、他方の面に金属層がろう付け接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属層の側面から延出するつば部が該金属層の側面の全周にわたって形成されており、前記つば部は、前記金属層の側面と接続された基端部から先端部までの延出長さが、前記金属層の側面と前記基端部との接続位置から前記金属層の前記セラミックス基板への接合面とは反対面までの距離よりも大きく設けられ、前記つば部の先端部が前記金属層の前記反対面の周縁を覆うように設けられていることを特徴とする。

【0010】

金属層の側面に設けられたつば部は、金属層とヒートシンクとの接合時において、金属層とヒートシンクとの接合部の周縁を覆うようにして被せられた状態で配置される。これにより、金属層とヒートシンクとの接合部から流れ出たフラックスだけではなく、蒸発したフラックスを、金属層の側面及びつば部とヒートシンクとにより囲まれた空間部内に閉じ込めることができ、フラックスがセラミックス基板と金属層との接合部に侵入することを防止することができる。
したがって、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく、金属層とヒートシンクとを接合することができ、パワーモジュール用基板の接合信頼性を高めることができる。
なお、金属層のつば部は、金属層とヒートシンクとの接合時において、その金属層とヒートシンクとの接合部の周縁を覆うようにして被せられた状態に配置することが可能であればよい。例えば、金属層をセラミックス基板と接合する前の状態では、つば部を金属層の側面に対して垂直に延出された状態に形成しておく。そして、セラミックス基板と金属層との接合時の加熱により、つば部は自重によって先端部側が垂れ下がった状態になることにより、金属層とヒートシンクとの接合部の周縁を覆うスカート状に設けることもできる。また、予めプレス加工により、つば部をヒートシンクとの接合面側に折り曲げた状態に変形させておくこともできる。

【0011】

そして、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、上記のパワーモジュール用基板の前記金属層にヒートシンクがろう付け接合され、前記つば部の先端部が前記ヒートシンクに接触していることを特徴とする。

【0012】

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記つば部と前記金属層の側面と前記ヒートシンクとに囲まれる空間部を埋めるようにしてろう材が設けられているとよい。
金属層とヒートシンクとの接合時において、金属層の側面及びつば部とヒートシンクとで囲まれた空間部内にろう材を留めることができるので、このろう材が充填された状態で金属層とヒートシンクとを接合することができる。したがって、金属層とヒートシンクとの接触面積を増加させることができ、放熱性を向上させることができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、セラミックス基板と金属層との接合部にフラックスが侵入することを防止することができるので、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく金属層とヒートシンクとを接合することができ、パワーモジュール用基板の接合信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明に係る実施形態のパワーモジュール用基板を用いて製造されたパワーモジュールを示す断面図である。

【図2】ヒートシンク付パワーモジュール用基板の要部断面図である。

【図3】パワーモジュール用基板の製造方法を説明する断面図であって、（ａ）各部材の接合前、（ｂ）が接合後の状態を示す。

【図4】ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を説明する断面図であって、（ａ）がパワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合前、（ｂ）が接合後の状態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態のパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１を示している。この図１のパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板１０の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品２０と、裏面に取り付けられたヒートシンク３０とを備えている。

【0016】

また、パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に積層された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に積層された金属層１３とを備え、これらセラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３とは、ろう付け接合されている。そして、このパワーモジュール用基板１０の金属層１３の表面にヒートシンク３０が接合されることにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板５０が構成される。なお、ヒートシンク付パワーモジュール用基板５０の回路層１２の表面に、電子部品２０がはんだ付けされ、パワーモジュール１が構成される。

【0017】

セラミックス基板１１は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等のセラミックス材料により形成され、例えば０．２ｍｍ〜１ｍｍの厚みとされる。
回路層１２は、純度９９．００質量％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金もしくはＡ３００３等の純度９５質量％以上のアルミニウム合金、もしくは無酸素銅やタフピッチ銅等の純銅又は純合金により形成され、例えば０．１ｍｍ〜３ｍｍの厚みとされる。

【0018】

金属層１３は、純度９９．００質量％以上の純アルミニウム、アルミニウム合金又は純度９５質量％以上のアルミニウム合金により形成されており、例えば０．４ｍｍ〜１．６ｍｍの厚みとされる。また、金属層１３の側面１３ａの厚み方向の中央部には、その側面１３ａから延出して設けられるつば部１５が、金属層１３の側面１３ａの全周にわたって形成されている。つば部１５は、金属層１３の両面から離れて形成されており、金属層１３の厚みよりも薄く設けられ、例えば０．２ｍｍ〜０．４ｍｍの厚みに形成される。また、つば部１５は、図２に示すように、金属層１３の側面１３ａと接続された基端部から先端部までの延出長さ１５Ｌが、金属層１３の側面１３ａと基端部との接続位置から金属層１３のセラミックス基板１１への接合面とは反対面までの距離１３Ｍよりも大きく設けられている。なお、金属層１３の側面１３ａとつば部１５の基端部との接続位置は、つば部１５の厚み方向の中心位置を基準とする。すなわち、距離１３Ｍは、金属層１３のセラミックス基板１１への接合面とは反対面から、つば部１５の基端部の厚み方向における中心位置までの距離である。

【0019】

そして、本実施形態のパワーモジュール用基板１０における各部材の好ましい組み合わせ例としては、セラミックス基板１１が厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ、回路層１２が厚み１ｍｍの純アルミニウム板（純度９９．９９質量％以上の４Ｎ‐Ａｌ）、金属層１３が厚み１．６ｍｍのアルミニウム板で構成される。なお、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３とは、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金のろう材により、ろう付け接合される。

【0020】

また、ヒートシンク３０は、アルミニウム合金により形成され、例えば６０００番系のアルミニウム合金により厚み０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下の平板状に形成される。そして、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク３０とは、例えばＡｌ‐Ｓｉ系合金のろう材により、ろう付け接合される。
なお、ヒートシンク３０の形状は特に限定されるものではなく、平板状の放熱板、フィンが形成された平板状の放熱板等の適宜の形状のものが含まれる。

【0021】

次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板５０の製造方法を説明する。
まず、図３（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１に回路層１２及び金属層１３をろう付け接合する。具体的には、図３（ａ）に示すように、セラミックス基板１１の両面に、それぞれろう材箔１４を介在させて回路層１２及び金属層１３を積層し、これらの積層体を、図３（ｂ）に示すように加圧した状態のまま真空中で加熱することにより、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３とをろう付けして、パワーモジュール用基板１０を製造する。なお、このろう付け温度は、アルミニウム及びアルミニウム合金の場合は６２０℃〜融点未満、純銅又は銅合金の場合には、６２０℃〜８５０℃に設定される。

【0022】

そして、このセラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３とを接合する際に、金属層１３のつば部１５が、図３（ａ）に示す垂直に延出した状態から、図３（ｂ）に示すように先端部側が垂れ下がった状態に形成される。具体的には、セラミックス基板１１と金属層１３とを接合する前の状態では、図３（ａ）に示すように、つば部１５は金属層１３の側面１３ａに対して垂直に延出された状態に形成されている。ところが、セラミックス基板１１と金属層１３との接合の際に加熱されることで、図３（ｂ）に示すように、つば部１５の先端部側が自重により垂れ下がる。この際、つば部１５の延出長さ１５Ｌが、金属層１３の側面１３ａと基端部との接続位置から金属層１３のセラミックス基板１１への接合面とは反対面までの距離１３Ｍよりも大きく設けられていることから、つば部１５の先端部が加圧治具８０の表面と接触して、つば部１５の内側に空間部１７を形成しつつ、つば部１５は金属層１３の下面（反対面）の周縁を覆うようにスカート状に設けられる。

【0023】

次に、このように構成されたパワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とをフラックスを用いてろう付け接合する。具体的には、フッ化物系（ＫＡｌＦ_４、Ｋ_２ＡｌＦ_５、Ｋ_３ＡｌＦ_６等）のフラックスをろう材面に塗布してろう材面の酸化物を除去し、非酸化性雰囲気（例えばＮ_２雰囲気）で５８０℃〜６２０℃に加熱して接合する。このときフラックスを塗布する領域は、つば部１５の外周より内側となるようにする。なお、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク３０とを接合するろう材は、ヒートシンク３０の表面に予めクラッドされているか、図４（ａ）に示すように、ろう材箔１６の形態でヒートシンク３０に重ねられることにより供給される。

【0024】

そして、このパワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０との接合の際に、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とを積層すると、金属層１３のつば部１５の先端部がヒートシンク３０と接触することにより、つば部１５が金属層１３とヒートシンク３０との接合部の周縁を覆うようにして被せられた状態で配置される。これにより、図４（ｂ）に示すように、金属層１３の側面１３ａ及びつば部１５とヒートシンク３０とにより、金属層１３とヒートシンク３０との接合部の周縁を囲む空間部１７が形成される。したがって、金属層１３とヒートシンク３０との接合時において、余剰分のフラックスが流れ出した際に、フラックスが金属層１３の側面１３ａを伝って這い上がろうとしても、つば部１５で塞き止めることができ、フラックスを空間部１７内に閉じ込めることができる。また、空間部１７では、流れ出たフラックスだけではなく、蒸発したフラックスも閉じ込めることができるので、フラックスがセラミックス基板１１と金属層１３との接合部に侵入することを防止することができる。

【0025】

このように、本実施形態の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用基板５０では、セラミックス基板１１と金属層１３との接合部にフラックスが侵入することを防止することができるので、セラミックス基板１１と金属層１３との接合部に剥離を生じさせることなく、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とを接合することができ、パワーモジュール用基板１０の接合信頼性を高めることができる。

【0026】

なお、金属層１３の側面１３ａ及びつば部１５とヒートシンク３０とで囲まれた空間部１７は、余剰分のフラックスが空間部１７の外部へ流出するのを防ぐために、接合面から流れ出すフラックスの量に対して十分な空間を確保できる大きさに形成されている。このため、フラックスが空間部１７の外部に流出して、セラミックス基板１１と金属層１３との接合部に侵入することはない。
また、金属層１３とヒートシンク３０との接合時において、空間部１７内にろう材を留めることができるので、このろう材が充填された状態で金属層１３とヒートシンク３０とが接合されることで、つば部１５とヒートシンク３０ともろう付けされた状態となる。したがって、金属層１３とヒートシンク５０との接触面積を増加させることができ、放熱性を向上させることができる。

【0027】

また、上記実施形態では、金属層１３のつば部１５を、パワーモジュール用基板１０の製造時における加熱により、スカート状に設けることとしたが、金属層１３のつば部１５は、金属層１３（パワーモジュール用基板１０）とヒートシンク３０との接合時において、その先端部をヒートシンク３０に接触させることにより、金属層１３とヒートシンク３０との接合部の周縁を覆うようにして被せられた状態に配置することが可能であればよい。
例えば、プレス加工により、予め金属層１３のつば部１５をヒートシンク３０との接合面側に折り曲げた状態に変形させておくことで、セラミックス基板１１との接合前にスカート状に形成しておくこともできる。

【0028】

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。

【符号の説明】

【0029】

１ パワーモジュール
１０ パワーモジュール用基板
１２ 回路層
１３ 金属層
１３ａ 側面
１４ ろう材箔
１５ つば部
１６ ろう材箔
１７ 空間部
２０ 電子部品
３０ ヒートシンク
５０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
８０ 加圧治具

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】