特許 6601512 ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール

(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】6601512

(24)【登録日】2019年10月18日

(45)【発行日】2019年11月6日

(54)【発明の名称】ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20191028BHJP

   H01L 23/12 20060101ALI20191028BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/36 C

   H01L23/12 J

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2018-9313(P2018-9313)

(22)【出願日】2018年1月24日

(65)【公開番号】特開2019-129208(P2019-129208A)

(43)【公開日】2019年8月1日

【審査請求日】2019年7月1日

【早期審査対象出願】

(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】大開 智哉

(72)【発明者】

【氏名】大井 宗太郎

【審査官】 平林 雅行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−４６３５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−２７６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１８１５４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−７３４８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／１２−２３／１５

Ｈ０１Ｌ ２３／２９

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２３／３７３−２３／４２７

Ｈ０１Ｌ ２３／４４

Ｈ０１Ｌ ２３／４６７−２３／４７３

Ｈ０１Ｌ ２５／００−２５／１０

Ｈ０１Ｌ ２５／１０−２５／１１

Ｈ０１Ｌ ２５／１６−２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックス基板の一方に面に回路層が接合されるとともに、該セラミックス基板の他方の面に金属層が接合され、該金属層に放熱側接合材を介してヒートシンクが接合されており、
前記回路層が、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第１層と、該第１層の表面に接合された第２層と、を有する積層構造とされ、
前記第１層と前記金属層とが純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなり、
前記第２層と前記放熱側接合材とが純銅又は銅合金からなり、
前記ヒートシンクが前記第１層及び前記金属層よりも純度の低いアルミニウムからなるとともに、前記放熱側接合材が接合される前記ヒートシンクの天面部が、前記放熱側接合材との接合面よりも大きく形成され、かつ、前記天面部の周縁から前記回路層側に向けて立設された周壁部を有し、前記天面部と前記周壁部とで囲まれた収容凹部に、少なくとも前記放熱側接合材の一部が収容されており、
前記第２層と前記第１層との接合面積をＡ１（ｍｍ^２）、前記第２層の体積を前記接合面積Ａ１で除した相当板厚をｔ１（ｍｍ）、前記第２層の耐力をσ１（Ｎ／ｍｍ^２）、前記第２層の線膨張係数をα１（／Ｋ）とし、
前記放熱側接合材と前記金属層との接合面積をＡ２（ｍｍ^２）、前記放熱側接合材の体積を前記接合面積Ａ２で除した相当板厚をｔ２（ｍｍ）、前記放熱側接合材の耐力をσ２（Ｎ／ｍｍ^２）、前記放熱側接合材の線膨張係数をα２（／Ｋ）とし、
前記ヒートシンクと前記放熱側接合材との接合面積をＡ３（ｍｍ^２）、前記ヒートシンクの前記周壁部を含む体積を前記接合面積Ａ３で除した相当板厚をｔ３（ｍｍ）、前記ヒートシンクの耐力をσ３（Ｎ／ｍｍ^２）、前記ヒートシンクの線膨張係数をα３（／Ｋ）としたときに、
２５℃における比率（Ａ１×ｔ１×σ１×α１）／｛（Ａ２×ｔ２×σ２×α２）＋（Ａ３×ｔ３×σ３×α３）｝が０．７０以上１．３０以下であることを特徴とするヒートシンク付きパワーモジュール用基板。

【請求項2】

前記ヒートシンクの前記放熱側接合材とは反対側の面には、複数のピンフィンが設けられており、
前記ｔ３（ｍｍ）は、前記ヒートシンクの前記周壁部及び前記複数のピンフィンを含む体積を前記接合面積Ａ３で除した値であることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付きパワーモジュール用基板。

【請求項3】

前記ヒートシンクの前記周壁部には、複数の取付穴が形成されており、
前記ヒートシンクの体積には、前記取付穴の空間体積は含まないことを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール用基板。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載の前記ヒートシンク付きパワーモジュール用基板と、前記回路層の表面上に搭載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。

【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ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

パワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板として、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）等のセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に接合されたアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の導電性に優れた金属からなる回路層と、を備えた構成のものが知られている。また、この種のパワーモジュール用基板には、セラミックス基板の他方の面に熱伝導性に優れた金属からなる金属層を形成することや、金属層を介してヒートシンク（放熱層）を接合することも行われており、ヒートシンクが接合されたヒートシンク付きパワーモジュール用基板が用いられている。そして、パワーモジュールは、このように構成されるヒートシンク付きパワーモジュール用基板の回路層の表面（上面）に、パワー素子等の半導体素子が搭載（実装）されることにより、製造される。また、半導体素子が実装されたパワーモジュールは、絶縁性確保や配線保護等の観点から、ポッティング樹脂やモールディング樹脂で封止することも行われる。

【0003】

一般的なヒートシンク付きパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面に接合された回路層と他方の面に接合された金属層の厚みが同程度に形成され、高剛性のヒートシンクを接合することにより製造される。このため、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板はセラミックス基板を介した上下の剛性の差を有しており、半導体素子の実装工程で加熱された際、あるいは使用環境における温度変化等において、反りが生じるおそれがある。実装工程で反りが生じた場合、半導体素子の位置ずれが生じたり、半導体素子の接合部に歪みやクラック等が生じることにより、接合信頼性が損なわれる。また、使用環境において反りが生じた場合、ヒートシンクと冷却器との間に介在する熱伝導性グリースがポンプアウト現象によりヒートシンクと冷却器との間から流れ出すことにより、ヒートシンクと冷却器との密着性が損なわれ、熱抵抗の増加を招くことで、放熱性が阻害される。このため、反りの少ないヒートシンク付きパワーモジュール用基板が求められており、従来から、ヒートシンク付きパワーモジュールの反りを低減する技術が提案されている。

【0004】

例えば、特許文献１には、剛性の高いアルミニウムからなるヒートシンクに対して、回路層を第１層と第２層との積層構造としてセラミックス基板の反対側に剛性の高いアルミニウムからなる第２層を配置することにより、セラミックス基板を中心とした対称構造を構成することが記載されている。また、特許文献１には、回路層の第２層とヒートシンクとについて、これらの厚さｔ１，ｔ２（ｍｍ）、接合面積Ａ１，Ａ２（ｍｍ^２）及び耐力σ１，σ２（Ｎ／ｍｍ^２）の関係を例えば比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８５以上１．４０以下の範囲に設定することにより、セラミックス基板を中心とする対称性を向上させ、反りの発生を防止できることが記載されている。

【0005】

また、特許文献２には、複数の小回路層により構成された回路層の各小回路層を第１層と第２層との積層構造とし、ヒートシンク（放熱板）を第２層と主成分が同一の材料（銅又はアルミニウム）により形成することで、セラミックス基板を中心とした対称構造を構成することが記載されている。また、特許文献２には、小回路層どうしの間の非接合領域において金属層にもセラミックス基板との非接合部を設けることで、回路層と金属層との対称性をさらに高めることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１５‐２１６３７０号公報

【特許文献2】特開２０１７‐７３４８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

このように、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の加熱時に生じる反りを低減するために、セラミックス基板を中心とした対称構造を構成することが行われている。しかし、特許文献１又は特許文献２では、ヒートシンク（放熱板）と回路層の第２層とを主成分が同一の材料（銅又はアルミニウム）で形成することにより、セラミックス基板を中心とした対称構造を構成しており、回路層（第２層）とヒートシンクとを異なる材料で形成する場合には、適用できなかった。

【0008】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、回路層とヒートシンクとを異なる材料で形成でき、加熱時の反りを低減できるヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール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】

本発明のヒートシンク付きパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方に面に回路層が接合されるとともに、該セラミックス基板の他方の面に金属層が接合され、該金属層に放熱側接合材を介してヒートシンクが接合されており、前記回路層が、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第１層と、該第１層の表面に接合された第２層と、を有する積層構造とされ、前記第１層と前記金属層とが純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなり、前記第２層と前記放熱側接合材とが純銅又は銅合金からなり、前記ヒートシンクが前記第１層及び前記金属層よりも純度の低いアルミニウムからなるとともに、前記放熱側接合材が接合される前記ヒートシンクの天面部が、前記放熱側接合材との接合面よりも大きく形成され、かつ、前記天面部の周縁から前記回路層側に向けて立設された周壁部を有し、前記天面部と前記周壁部とで囲まれた収容凹部に、少なくとも前記放熱側接合材の一部が収容されており、前記第２層と前記第１層との接合面積をＡ１（ｍｍ^２）、前記第２層の体積を前記接合面積Ａ１で除した相当板厚をｔ１（ｍｍ）、前記第２層の耐力をσ１（Ｎ／ｍｍ^２）、前記第２層の線膨張係数をα１（／Ｋ）とし、前記放熱側接合材と前記金属層との接合面積をＡ２（ｍｍ^２）、前記放熱側接合材の体積を前記接合面積Ａ２で除した相当板厚をｔ２（ｍｍ）、前記放熱側接合材の耐力をσ２（Ｎ／ｍｍ^２）、前記放熱側接合材の線膨張係数をα２（／Ｋ）とし、前記ヒートシンクと前記放熱側接合材との接合面積をＡ３（ｍｍ^２）、前記ヒートシンクの前記周壁部を含む体積を前記接合面積Ａ３で除した相当板厚をｔ３（ｍｍ）、前記ヒートシンクの耐力をσ３（Ｎ／ｍｍ^２）、前記ヒートシンクの線膨張係数をα３（／Ｋ）としたときに、２５℃における比率（Ａ１×ｔ１×σ１×α１）／｛（Ａ２×ｔ２×σ２×α２）＋（Ａ３×ｔ３×σ３×α３）｝が０．７０以上１．３０以下である。

【0010】

このヒートシンク付きパワーモジュール用基板は、回路層を第１層と第２層との積層構造として、回路層の第２層に銅材を用い、ヒートシンクにアルミニウム材を用い、第２層をアルミニウムよりも導電性に優れた銅により構成している。そして、ヒートシンクにアルミニウムの純度が低く、剛性の高い、すなわち耐力の高いアルミニウム材を用いるとともに、金属層とヒートシンクとの間の放熱側接合材に銅材を用い、これらの組み合わせにおいて、２５℃における上記比率を上記範囲に調整することにより、セラミックス基板を中心とした対称構造を構成している。なお、上記接合面積Ａ１，Ａ２，Ａ３、相当板厚ｔ１，ｔ２，ｔ３、耐力σ１，σ２，σ３、線膨張係数α１，α２，α３は、いずれも２５℃（常温）における値である。

【0011】

また、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板は、複数の小回路層を並べて配設して回路層をパターン化した場合や、ヒートシンクにフィンを配設した場合等には、回路層やヒートシンクの形状が種々のバリエーションで構成されることになるが、各部材の剛性を耐力だけではなく、各部材の体積を接合面積で除した相当板厚と各部材の線膨張係数を加えた関係式で評価することにより、第２層とヒートシンク及び放熱側接合材との剛性や熱応力の対称性を種々の形態を有するヒートシンク付きパワーモジュール用基板において安定して対称構造を構成でき、反りの発生を確実に防止できる。
さらに、セラミックス基板と接合される第１層と金属層には、純度９９．９９質量％以上の比較的軟らかい、すなわち耐力の低いアルミニウム板を配置しているので、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の加熱時等にセラミックス基板にかかる熱応力を低減させて割れが生じることを防止できる。
したがって、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の加熱時等にセラミックス基板の両面に作用する応力に偏りが生じにくく、半導体素子の実装工程持や使用環境において反りの発生を抑制できる。このため、パワーモジュールの接合信頼性を向上でき、良好な放熱性を発揮できる。

【0012】

放熱側接合材との接合面よりも大面積の天面部を形成しておくことで、半導体素子が実装されたパワーモジュールをモールディング樹脂等で封止する際に、モールディング樹脂との接着面積を広く設けることができる。したがって、半導体素子とヒートシンク付きパワーモジュール用基板との接合信頼性を向上できる。

【0013】

ヒートシンクに周壁部で囲まれた収容凹部を形成しておくことで、半導体素子が実装されたパワーモジュールをモールディング樹脂等で封止する際に、モールディング樹脂との接着面積をさらに広く設けることができ、半導体素子とヒートシンク付きパワーモジュール用基板との接合信頼性を向上できる。

【0014】

本発明のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の好適な実施態様として、前記ヒートシンクの前記放熱側接合材とは反対側の面には、複数のピンフィンが設けられており、前記ｔ３（ｍｍ）は、前記ヒートシンクの前記周壁部及び前記複数のピンフィンを含む体積を前記接合面積Ａ３で除した値であるとよい。

【0015】

本発明のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の好適な実施態様として、前記ヒートシンクの前記周壁部には、複数の取付穴が形成されており、前記ヒートシンクの体積には、前記取付穴の空間体積は含まないとよい。

【0016】

本発明のパワーモジュールは、前記ヒートシンク付きパワーモジュール用基板と、前記回路層の表面上に搭載された半導体素子と、を備える。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、回路層とヒートシンクとを異なる材料で形成したヒートシンク付きパワーモジュール用基板において、加熱時の反りを低減できるので、半導体素子の実装工程での不具合を解消できるとともに、温度サイクル（冷熱サイクル）時の反りを抑制でき、接合信頼性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の第１実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の斜視図である。

【図2】図１に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板の正面図である。

【図3】図１に示す第１実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造工程を示す斜視図である。

【図4】各部材の接合面積を説明する模式図である。

【図5】本発明の第２実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の斜視図である。

【図6】図５に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板の正面図である。

【図7】本発明の第３実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の斜視図である。

【図8】図７に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板の正面図である。

【図9】本発明の第４実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の斜視図である。

【図10】図９に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板の正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１及び図２は、第１実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１を示す。ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１は、パワーモジュール用基板１０Ａと、このパワーモジュール用基板１０Ａに放熱側接合材１４を介して接合されたヒートシンク１５Ａとを備える。そして、パワーモジュール２０１は、図２に示すように、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１の表面に半導体素子等の素子９１が搭載されることにより製造される。また、パワーモジュール２０１は、素子９１とヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１とがエポキシ樹脂等からなるモールディング樹脂９３により樹脂封止されており、パワーモジュール２０１の露出面（ヒートシンク１５Ａの露出面）を冷却器等の他の部品の表面に押し付けて固定された状態で使用される。

【0020】

パワーモジュール用基板１０Ａは、図１及び図２に示すように、一枚のセラミックス基板１１と、このセラミックス基板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一枚の金属層１３と、を備える。
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）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等のセラミックス材料からなる。

【0021】

回路層１２は、図１及び図２に示すように複数の小回路層２１〜２３からなり、各小回路層２１〜２３はセラミックス基板１１の一方の面に相互に間隔をあけて接合される。また、回路層１２を構成する各小回路層２１〜２３は、セラミックス基板１１の表面（一方の面）に接合された第１層１２１と、第１層１２１の表面（セラミックス基板１１とは反対側の面）に接合された第２層１２２と、を有する積層構造とされる。このうち第１層１２１は純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなり、このアルミニウムからなるアルミニウム材をセラミックス基板１１の一方の面にろう材を用いて接合することにより形成される。また、第２層１２２は、純銅又は銅合金からなり、この銅からなる銅材をアルミニウムからなる第１層１２１に固相拡散接合により接合することで形成される。

【0022】

金属層１３は、回路層１２の第１層１２１と同様に、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなる。また、金属層１３は、上述したアルミニウムからなるアルミニウム材をセラミックス基板１１の他方の面（回路層１２とは反対側）にろう材を用いて接合することにより形成される。そして、金属層１３の表面（セラミックス基板１１とは反対側の面）に放熱側接合材１４を介してヒートシンク１５Ａが接合されている。放熱側接合材１４は、回路層１２の第２層１２２と同様に銅又は銅合金からなり、この銅からなる銅材をアルミニウムからなる金属層１３と、後述するヒートシンク１５Ａとに固相拡散接合により接合することで形成される。

【0023】

また、ヒートシンク１５Ａは、回路層１２の第１層１２１及び金属層１３よりも純度の低いアルミニウムからなり、例えば、純度が９９．９０質量％以下のアルミニウムで、ＪＩＳ規格では純度９９．９０質量％以上のいわゆる３Ｎアルミニウムや、純度９９．０質量％以上のいわゆる２Ｎアルミニウム（例えばＡ１０５０等）のアルミニウム、Ａ３００３、Ａ６０６３、Ａ５０５２等のアルミニウム合金により形成される。
図１及び図２では、ヒートシンク１５Ａは、矩形平板状の天面部５１を有しており、この天面部５１上に放熱側接合材１４が接合され、放熱側接合材１４を介してパワーモジュール用基板１０Ａの金属層１３が接合される。天面部５１の上面は、放熱側接合材１４との接合面よりも大きく形成されている。また、天面部５１の面方向の四隅には、厚み方向に貫通する取付孔５２が設けられており、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１は、ヒートシンク１５Ａの取付孔５２を用いて他の部品にねじ止め等により組み込み可能とされる。

【0024】

なお、ヒートシンク１５Ａの形状としては、特に限定されるものではなく、図１及び図２に示すように平板状のものの他、多数のピン状フィンを一体に形成したもの、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することができる。

【0025】

このように構成されるヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１の諸寸法について一例を挙げると、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）からなるセラミックス基板１１の板厚が０．２ｍｍ〜１．５ｍｍ、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる第１層１２１の板厚が０．１ｍｍ〜２．５ｍｍ、金属層１３の板厚が０．１ｍｍ〜２．５ｍｍとされる。無酸素銅（Ｃ１０２０）からなる第２層１２２の板厚が０．１ｍｍ〜４．０ｍｍ、放熱側接合材１４の板厚が０．０５ｍｍ〜２．０ｍｍとされる。また、Ａ６０６３アルミニウム合金からなるヒートシンク１５Ａの天面部５１の板厚が０．５ｍｍ〜３．０ｍｍとされる。ただし、これらの寸法は、上記数値範囲に限られるものではない。

【0026】

そして、このように構成されるヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１において、回路層１２の第２層１２２と第１層１２１との接合面積をＡ１（ｍｍ^２）、第２層１２２の体積を接合面積Ａ１で除した相当板厚をｔ１（ｍｍ）、第２層１２２の耐力をσ１（Ｎ／ｍｍ^２）、第２層１２２の線膨張係数をα１（／Ｋ）とし、放熱側接合材１４と金属層１３との接合面積をＡ２（ｍｍ^２）、放熱側接合材１４の体積を接合面積Ａ２で除した相当板厚をｔ２（ｍｍ）、放熱側接合材１４の耐力をσ２（Ｎ／ｍｍ^２）、放熱側接合材１４の線膨張係数をα２（／Ｋ）とし、ヒートシンク１５Ａと放熱側接合材１４との接合面積をＡ３（ｍｍ^２）、ヒートシンク１５Ａの体積を接合面積Ａ３で除した相当板厚をｔ３（ｍｍ）、ヒートシンク１５Ａの耐力をσ３（Ｎ／ｍｍ^２）、ヒートシンク１５Ａの線膨張係数をα３（／Ｋ）としたときに、２５℃（室温）における比率（Ａ１×ｔ１×σ１×α１）／｛（Ａ２×ｔ２×σ２×α２）＋（Ａ３×ｔ３×σ３×α３）｝が０．７０以上１．３０以下となる関係に調整される。なお、上記接合面積Ａ１，Ａ２，Ａ３、相当板厚ｔ１，ｔ２，ｔ３、耐力σ１，σ２，σ３、線膨張係数α１，α２，α３は、いずれも２５℃（常温）における値である。

【0027】

本実施形態では、回路層１２は複数の小回路層２１〜２３からなるため、上記比率の関係式において第１層１２１と第２層１２２との接合面積Ａ１は、図４に示すように、回路層１２を構成する各小回路層２１〜２３における３つの第１層１２１と第２層１２２との接合面積ａ１１〜ａ１３の総和（ａ１１＋ａ１２＋ａ１３）となる。また、第２層１２２の相当板厚ｔ１は、各小回路層２１〜２３における３つの第２層１２２の総体積Ｖ１を接合面積Ａ１で除した値とされる。例えば、図４に示すように、各小回路層２１〜２３の第２層１２２の体積をそれぞれｖ１１，ｖ１２，ｖ１３としたときに、第２層１２２の総体積Ｖ１＝（ｖ１１＋ｖ１２＋ｖ１３）であり、第２層１２２の相当板厚ｔ１は、（Ｖ１／Ａ１）＝｛（ｖ１１＋ｖ１２＋ｖ１３）／（ａ１１＋ａ１２＋ａ１３）｝となる。

【0028】

一方、本実施形態では、放熱側接合材１４が一枚で構成されることから、図４に示すように、放熱側接合材１４と金属層１３との接合面積Ａ２は単独の面積となり、放熱側接合材１４の体積Ｖ２も単独の体積となる。したがって、放熱側接合材１４の相当板厚ｔ２は（Ｖ２／Ａ２）となる。
また、ヒートシンク１５Ａは、一枚の矩形平板状の天面部５１で構成されており、天面部５１の上面は、図４に示すように放熱側接合材１４との接合面（接合面積Ａ３で表される部分）よりも大きな面積を有している。このため、ヒートシンク１５Ａの体積Ｖ３を接合面積Ａ３で除した相当板厚ｔ３＝（Ｖ３／Ａ３）は、ヒートシンク１５Ａの実際の板厚よりも大きくなる。なお、天面部５１には取付孔５２が設けられているので、ヒートシンク１５Ａの体積Ｖ３に取付孔５２の空間体積は含まない。

【0029】

例えば、各小回路層２１〜２３の各第２層１２２がＣ１０２０（無酸素銅、２５℃における耐力σ１＝１９５Ｎ／ｍｍ^２、線膨張係数α１＝１６．８／Ｋ）からなる同形状の矩形板状（１１ｍｍ×３６ｍｍ×１．０ｍｍ）に形成される場合、面積ａ１１〜ａ１３がそれぞれ（１１ｍｍ×３６ｍｍ）、体積ｖ１１〜ｖ１３がそれぞれ（１１ｍｍ×３６ｍｍ×１．０ｍｍ）となり、総面積Ａ１＝３×（１１ｍｍ×３６ｍｍ）、総体積Ｖ１＝３×（１１ｍｍ×３６ｍｍ×１．０ｍｍ）、相当板厚ｔ１＝１．０ｍｍとなる。
また、放熱側接合材１４が第２層１２２と同材料（Ｃ１０２０）からなる矩形板状（３６ｍｍ×３６ｍｍ×０．１ｍｍ）に形成される場合、耐力σ２＝１９５Ｎ／ｍｍ^２、線膨張係数α２＝１６．８／Ｋ、接合面積Ａ２＝（３６ｍｍ×３６ｍｍ）、体積Ｖ２＝（３６ｍｍ×３６ｍｍ×０．１ｍｍ）、相当板厚ｔ２＝０．１ｍｍとなる。

【0030】

ヒートシンク１５ＡがＡ６０６３アルミニウム合金では、２５℃における耐力σ３＝５０Ｎ／ｍｍ^２、線膨張係数α３＝２３．４／Ｋである。ヒートシンク１５Ａの天面部５１が矩形平板状（５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．０ｍｍ）に形成され、天面部５１の四隅に取付孔５２（直径４．０ｍｍ×深さ１．０ｍｍ）が形成される場合、体積Ｖ３＝｛（５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．０ｍｍ）−４×（π）×（２．０ｍｍ）^２×１．０ｍｍ｝となる。また、ヒートシンク１５Ａと放熱側接合材１４との接合面積Ａ３は、放熱側接合材１４と金属層１３との接合面積Ａ２と同じ大きさ（３６ｍｍ×３６ｍｍ）の場合、相当板厚ｔ３＝１．９ｍｍとなる。
そして、これらの組み合わせの場合、２５℃における比率（Ａ１×ｔ１×σ１×α１）／｛（Ａ２×ｔ２×σ２×α２）＋（Ａ３×ｔ３×σ３×α３）｝＝１．１８となる。

【0031】

このように構成されるヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１には、必要とされる機能に応じた素子９１が搭載され、パワーモジュール２０１が製造される。
素子９１は、半導体を備えた電子部品であり、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子が選択される。この場合、素子９１は、図示を省略するが、上部に上部電極部が設けられ、下部に下部電極部が設けられており、下部電極部が回路層１２の上面にはんだ等により接合されることで、素子９１が回路層１２の上面（第２層１２２）に搭載されている。また、素子９１の上部電極部は、はんだ等で接合されたリードフレーム９２等を介して回路層１２の回路電極部等に接続される。

【0032】

また、素子９１が搭載されたパワーモジュール２０１は、素子９１とヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１とが、金属層１３の裏面側を除いてモールディング樹脂９３により樹脂封止されることにより一体化されている。モールディング樹脂９３としては、例えばＳｉＯ_２フィラー入りのエポキシ系樹脂等を用いることができ、例えばトランスファーモールドにより成形される。

【0033】

次に、このように構成されるヒートシンク付き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。ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１は、セラミックス基板１１と回路層１２のうちの第１層１２１及び金属層１３とを接合した後（第１接合工程）、第１層１２１の表面に第２層１２２、金属層１３の表面に放熱側接合材１４、さらに放熱側接合材１４の表面にヒートシンク１５Ａをそれぞれ接合すること（第２接合工程）により製造される。

【0034】

［第１接合工程］
図３（ａ）に示すように、セラミックス基板１１の一方の面にろう材４１を介して回路層１２のうちの第１層１２１となる第１層アルミニウム板１２１ａを積層し、他方の面にもろう材４１を介して金属層１３となる金属層アルミニウム板１３ａを積層する。そして、これらの積層体を積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で接合温度に加熱することにより、各層がろう材４１を介して接合され、一体に形成される。
これらの接合には、Ａｌ−Ｓｉ系等の合金のろう材を箔の形態で用いるとよい。なお、Ｍｇを含有するろう材を用いる場合には、真空雰囲気中ではなく、非酸化性雰囲気中でろう付けできる。ろう付け接合時の条件としては、例えば、加圧力が０．１ＭＰａ〜１．０ＭＰａ、加熱温度が６３０℃〜６５０℃とされ、この加圧及び加熱状態を１０分〜５０分保持する。

【0035】

［第２接合工程］
図３（ｂ）に示すように、第１接合工程により得られた接合体３０の第１層１２１に、第２層１２２となる第２層銅板１２２ａを積層し、金属層１３に放熱側接合材１４となる接合板１４ａを介してヒートシンク１５Ａを積層する。そして、これらの積層体を積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で接合温度に加熱することにより、第１層１２１と第２層１２２、金属層１３と放熱側接合材１４、放熱側接合材１４とヒートシンク１５Ａを、それぞれ固相拡散接合する。この場合の加圧力としては例えば０．５ＭＰａ〜２．０ＭＰａ、加熱温度としては５００℃〜５４０℃とされ、この加圧及び加熱状態を３０分〜１２０分保持する。これにより、第１層１２１と第２層１２２、金属層１３と放熱側接合材１４、放熱側接合材１４とヒートシンク１５Ａが同時に接合され、図１に示すように、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１が得られる。

【0036】

なお、本実施形態においては、第１層１２１と第２層１２２、金属層１３と放熱側接合材１４、放熱側接合材１４とヒートシンク１５Ａ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、アルミニウムと銅の共晶温度−５℃以上、共晶温度未満の範囲とされる。

【0037】

このように構成されるヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１は、上述したように、回路層１２の第２層１２２に銅材を用い、ヒートシンク１５Ａにアルミニウム材を用い、第２層１２２をアルミニウムよりも導電性に優れた銅により構成している。そして、ヒートシンク１５Ａにアルミニウムの純度が低く、剛性の高い、すなわち耐力の高いアルミニウム材を用いるとともに、金属層１３とヒートシンク１５Ａとの間の放熱側接合材１４に銅材を用い、これらの組み合わせにおいて、２５℃（室温）における比率（Ａ１×ｔ１×σ１×α１）／｛（Ａ２×ｔ２×σ２×α２）＋（Ａ３×ｔ３×σ３×α３）｝を０．７０以上１．３０以下の範囲に調整することにより、セラミックス基板１１を中心とした対称構造を構成している。

【0038】

このように、本実施形態では、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１を構成する各部材の剛性を耐力だけではなく、各部材の体積を接合面積で除した相当板厚と各部材の線膨張係数を加えた関係式（比率）で評価している。このため、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１のように、複数の小回路層２１〜２３を並べて回路層１２をパターン化した構成においても、セラミックス基板１１を中心とした対称構造を容易に構成でき、加熱時における反りの発生を防止できる。

【0039】

また、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１において、セラミックス基板１１と接合される第１層１２１と金属層１３には、純度９９．９９質量％以上の比較的軟らかい、すなわち耐力の低いアルミニウム板を配置しているので、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１の加熱時等にセラミックス基板１１にかかる熱応力を低減させて割れが生じることを防止できる。したがって、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１の加熱時等にセラミックス基板１１の両面に作用する応力に偏りが生じにくく、素子９１の実装工程持や使用環境において反りの発生を抑制できる。このため、パワーモジュール２０１の接合信頼性を向上でき、良好な放熱性を発揮できる。

【0040】

さらに、本実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１は、ヒートシンク１５Ａに放熱側接合材１４との接合面よりも大面積の天面部５１を形成しているので、素子９１が実装されたパワーモジュール２０１をモールディング樹脂９３等で封止する際に、モールディング樹脂９３との接着面積を広く設けることができる。したがって、素子９１とヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０１との接合信頼性を向上できる。

【0041】

（第２実施形態）
前述した第１実施形態においては、ヒートシンク１５Ａが平板状の天面部５１からなる構成とされていたが、図５及び図６に示す第２実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０２（パワーモジュール２０２）のように、複数のピンフィン５３を配設したヒートシンク１５Ｂを備える構成も、本発明に含まれる。この第２実施形態において第１実施形態との共通要素には同一符号を付して説明を簡略化する。
第２実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０２及びパワーモジュール２０２において、パワーモジュール用基板１０Ａ及び放熱側接合材１４の構成は第１実施形態と同様であるが、図５及び図６に示すように、ヒートシンク１５Ｂが天面部５１の下面に複数のピンフィン５３を立設した形状とされる。ヒートシンク１５Ｂは、複数のピンフィン５３を有していることから、全体の体積Ｖ３は天面部５１とピンフィン５３とを含めた値となり、この体積Ｖ３からヒートシンク１５Ｂの相当板厚ｔ３が求められる。

【0042】

そして、このように構成されるヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０２において、２５℃（室温）における比率（Ａ１×ｔ１×σ１×α１）／｛（Ａ２×ｔ２×σ２×α２）＋（Ａ３×ｔ３×σ３×α３）｝が０．７０以上１．３０以下となる関係に調整される。

【0043】

このヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０２においても、２５℃における比率（Ａ１×ｔ１×σ１×α１）／｛（Ａ２×ｔ２×σ２×α２）＋（Ａ３×ｔ３×σ３×α３）｝を上記範囲内に調整することにより、セラミックス基板１１を中心とした対称構造を構成でき、加熱時における反りの発生を防止できる。

【0044】

（第３実施形態）
図７及び図８は、第３実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０３（パワーモジュール２０３）を示している。この第３実施形態においても、第１実施形態及び第２実施形態と共通要素には同一符号を付して説明を簡略化する。
第３実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０３及びパワーモジュール２０３において、パワーモジュール用基板１０Ａ及び放熱側接合材１４の構成は第１実施形態と同様であるが、図８に示すように、ヒートシンク１５Ｃが天面部５１の周縁から回路層１２側に向けて立設された周壁部５４を有しており、ヒートシンク１５Ｃの上面には天面部５１と周壁部５４とで囲まれた収容凹部５５が設けられている。そして、この収容凹部５５の底面と放熱側接合材１４とが固相拡散接合されることにより、放熱側接合材１４を介してパワーモジュール用基板１０Ａとヒートシンク１５Ｃとが接合され、ヒートシンク１５Ｃの収容凹部５５に少なくとも放熱側接合材１４の一部が収容されている。

【0045】

このように、ヒートシンク１５Ｃは周壁部５４を有していることから、全体の体積Ｖ３が天面部５１とピンフィン５３とに加えて周壁部５４を含めた値となり、この体積Ｖ３からヒートシンク１５Ｃの相当板厚ｔ３が求められる。そして、このように構成されるヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０３において、２５℃（室温）における比率（Ａ１×ｔ１×σ１×α１）／｛（Ａ２×ｔ２×σ２×α２）＋（Ａ３×ｔ３×σ３×α３）｝が０．７０以上１．３０以下となる関係に調整される。

【0046】

ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０３においても、２５℃における比率（Ａ１×ｔ１×σ１×α１）／｛（Ａ２×ｔ２×σ２×α２）＋（Ａ３×ｔ３×σ３×α３）｝を上記範囲内に調整することにより、セラミックス基板１１を中心とした対称構造を構成でき、加熱時における反りの発生を防止できる。
また、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０３では、ヒートシンク１５Ｃに周壁部５４で囲まれた収容凹部５５を形成しているので、素子９１が実装されたパワーモジュール２０３をモールディング樹脂９３等で封止する際に、モールディング樹脂９３との接着面積をさらに広く設けることができる。したがって、素子９１とヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０３との接合信頼性を向上できる。

【0047】

（第４実施形態）
図９及び図１０は、第４実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０４（パワーモジュール２０４）を示している。この第４実施形態においても、上記の第１〜第３実施形態と共通要素には同一符号を付して説明を簡略化する。
第４実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０４及びパワーモジュール２０４において、放熱側接合材１４及びヒートシンク１５Ａの構成は第１実施形態と同様であるが、図９及び図１０に示すように、回路層１２の第２層１２２に、第１層１２１よりも外方に突出する端子部１２３が一体に形成されている。そして、この端子部１２３に外部接続用のリードフレーム９４がはんだ等により接続されている。

【0048】

このように、第２層１２２は端子部１２３を有していることから、全体の体積Ｖ１が端子部１２３を含めた値となり、この体積Ｖ１から第２層１２２の相当板厚ｔ１が求められる。そして、このように構成されるヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０４において、２５℃（室温）における比率（Ａ１×ｔ１×σ１×α１）／｛（Ａ２×ｔ２×σ２×α２）＋（Ａ３×ｔ３×σ３×α３）｝が０．７０以上１．３０以下となる関係に調整される。

【0049】

ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０４においても、２５℃における比率（Ａ１×ｔ１×σ１×α１）／｛（Ａ２×ｔ２×σ２×α２）＋（Ａ３×ｔ３×σ３×α３）｝を上記範囲内に調整することにより、セラミックス基板１１を中心とした対称構造を構成でき、加熱時における反りの発生を防止できる。このように、回路層１２やヒートシンク１５Ａの形状が種々のバリエーションで構成されるヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０４においても、各部材の剛性だけではなく、各部材の体積を接合面積で除した相当板厚と各部材の線膨張係数とを加えた関係式で評価することにより、セラミックス基板１１を中心とした対称構造を構成でき、加熱時における反りの発生を防止できる。

【0050】

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。

【実施例】

【0051】

次に、本発明の効果を実施例を用いて詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

【0052】

発明例１〜１０及び比較例１〜３の試料を構成する部材には、板厚０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板と、板厚０．６ｍｍの４Ｎ‐Ａｌからなる第１層及び金属層とを用意するとともに、回路層の第２層、放熱側接合材及びヒートシンクについて表１に示す材質、相当板厚、接合面積、線膨張係数（ＣＴＥ）、耐力のものを用意した。

【0053】

表１の「実施形態」は、各試料の第２層及びヒートシンクが、どの実施形態の形態（形状）で形成されたかを示している。なお、表１における「２５℃における比率」は、（Ａ１×ｔ１×σ１×α１）／｛（Ａ２×ｔ２×σ２×α２）＋（Ａ３×ｔ３×σ３×α３）｝を示す。また、「２５℃における耐力」は、ＪＩＳ規格Ｇ０５６７：２０１２に基づく方法により計測した。

【0054】

これらを第１実施形態で述べた製造方法により接合して、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の試料を作製した。そして、得られた各試料につき、接合後の常温（２５℃）時における反り量（初期反り）、２８０℃加熱時の反り量（加熱時反り）をそれぞれ測定した。反り量は、ヒートシンクの背面の中心部分（４０ｍｍ×４０ｍｍの範囲）における平面度の変化をモアレ式三次元形状測定機で測定した。そして、初期反りと加熱時反りとの差分が１５０μｍ以下の場合を反り量が少なく良「○」、差分が１５０μｍを超えた場合を反り量が大きく否「×」と評価した。表１に結果を示す。

【0055】

【表1】

【0056】

表１からわかるように、「２５℃における比率」が０．７０以上１．３０以下の範囲内になる発明例１〜１０では、初期反りと加熱時反りとの差分が小さくなり、加熱時における反り量が小さいヒートシンク付きパワーモジュール用基板が得られることが確認できた。

【符号の説明】

【0057】

１０Ａ，１０Ｂ 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 金属層
１３ａ 金属層アルミニウム板
１４ 放熱側接合材
１４ａ 接合板
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ ヒートシンク
２１，２２，２３ 小回路層
３０ 接合体
５１ 天面部
５２ 取付孔
５３ ピンフィン
５４ 周壁部
５５ 収容凹部
９１ 素子（半導体素子）
９２，９４ リードフレーム
９３ モールディング樹脂
１０１，１０２，１０３，１０４ ヒートシンク付きパワーモジュール用基板
１２１ 第１層
１２１ａ 第１層アルミニウム板
１２２ 第２層
１２２ａ 第２層銅板
１２３ 端子部
２０１，２０２，２０３，２０４ パワーモジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】