特許 7170501 パワーモジュール用基板およ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】

(24)【登録日】2022-11-04

(45)【発行日】2022-11-14

(54)【発明の名称】パワーモジュール用基板およびパワーモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/14 20060101AFI20221107BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20221107BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20221107BHJP

   H01L 23/15 20060101ALI20221107BHJP

   H05K 1/02 20060101ALI20221107BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20221107BHJP

【ＦＩ】

H01L23/14 M

H01L25/04 C

H01L23/14 C

H05K1/02 L

H01L23/36 C

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018201990

(22)【出願日】2018-10-26

(65)【公開番号】P2020068360

(43)【公開日】2020-04-30

【審査請求日】2021-02-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】八山 俊一

【審査官】多賀 和宏

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／１８０９６５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－０５６９３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１０１３５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０７２４５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－０９５３７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０４１１０８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／１２－２３／２９、２３／３４－２３／４７３

Ｈ０１Ｌ ２５／００－２５／１８

Ｈ０５Ｋ １／００－ １／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミック基板と、
該セラミック基板の表面に接合された、凹部が設けられた金属板と、
該金属板の前記凹部の底面に設けられた金属皮膜と、を備えており、
前記金属板は、前記凹部の底面において結晶粒界部に凹みを有しており、
前記金属皮膜の少なくとも一部の厚みは、前記結晶粒界部の凹みの深さより小さいパワーモジュール用基板。

【請求項2】

前記結晶粒界部の凹みは、平面視において前記結晶粒界部に沿った網状になっている請求項１に記載のパワーモジュール用基板。

【請求項3】

前記金属皮膜が前記結晶粒界部の凹みの内面を覆って密着している請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板。

【請求項4】

前記金属皮膜の表面が銀層からなる請求項３に記載のパワーモジュール用基板。

【請求項5】

請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のパワーモジュール用基板と、
該パワーモジュール用基板の前記金属板上に搭載された電子部品と、を備え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、セラミック基板に接合された金属板を有するパワーモジュール用基板およびパワーモジュールに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の電子部品が搭載されたパ
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、セラミック基板の表面に銅等の金属材料からなる金属板が回路導体として接合されたパワーモジュール用基板が用いられている。

【0003】

パワーモジュール用基板の金属板に電子部品が搭載されてパワーモジュールが作製される。最近では、電子部品の金属板等への接合に、銀粒子の焼結体を用いる技術が提案されている。また、金属板表面に酸化膜が形成されてこの接合が阻害されることを抑制するために、電子部品が搭載される金属板の表面に銀などの金属皮膜を設ける技術も提案されている（例えば特許文献１を参照）。そして、電子部品が搭載される部分に金属皮膜を設け、ボンディングワイヤが接続される部分には金属皮膜を設けないことで、ボンディングワイヤの接続信頼性を高めることが行なわれている（例えば特許文献２を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００６－２０２９３８号公報

【文献】国際公開第２０１５／１１４９８７号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年、パワーモジュールは小型、高出力化が要求されており、これに伴って電子部品が高発熱化するため、電子部品とパワーモジュール用基板の金属板との接続に関してもより高い信頼性が要求されている。そのため、電子部品を固定するための接合材、接合材と金属板との間の金属皮膜、あるいはボンディングワイヤ等の接続部材の金属板の表面への接着強度を高める必要があった。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の１つの態様のパワーモジュール用基板は、セラミック基板と、該セラミック基板の表面に接合された、凹部が設けられた金属板と、該金属板の前記凹部の底面に設けられた金属皮膜と、を備えており、前記金属板は、前記凹部の底面において結晶粒界部に凹みを有しており、前記金属皮膜の少なくとも一部の厚みは、前記結晶粒界部の凹みの深さより小さい。

【0007】

本発明の１つの態様のパワーモジュールは、上記構成のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板の前記金属板上に搭載された電子部品とを備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明の実施形態のパワーモジュール用基板によれば、金属板の表面において結晶粒界部に凹みを有していることから、接合材、接続部材あるいは金属皮膜の金属板への接着強度が高いものとなるので、電子部品の接続信頼性向上に有効なパワーモジュール用基板となる。

【0009】

本発明の実施形態のパワーモジュールによれば、上記構成であることから、電子部品の接続信頼性が向上したものとなる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】（ａ）はパワーモジュールの実施形態の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ－Ｂ線における断面図である。

【図2】（ａ）は図１のＡ部の一例を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるパワーモジュール用基板の一例を示す平面図である。

【図3】（ａ）は図１のＡ部の他の例を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるパワーモジュール用基板の一例を示す平面図である。

【図4】（ａ）はパワーモジュールの実施形態の他の例の要部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるパワーモジュール用基板の一例を示す平面図である。

【図5】（ａ）はパワーモジュールの実施形態の他の例の要部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるパワーモジュール用基板の一例を示す平面図である。

【図6】（ａ）はパワーモジュールの実施形態の他の例の要部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるパワーモジュール用基板の一例を示す平面図である。

【図7】（ａ）および（ｂ）はいずれもパワーモジュールの実施形態の他の例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の実施形態のパワーモジュール用基板およびパワーモジュールについて図面を参照して説明する。なお、以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際にパワーモジュール用基板およびパワーモジュール等が使用される際の上下を限定するものではない。

【0012】

図１（ａ）はパワーモジュール１００の実施形態の一例を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ－Ｂ線における断面図である。また、図２（ａ）は図１のＡ部の一例を拡大して示す断面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）におけるパワーモジュール用基板１０の一例を示す平面図であり、電子部品１１、接合材１１ａおよびボンディングワイヤ１２を取り除いた状態を示している。なお、図２（ｂ）においては、区別しやすいように結晶粒界部２ｃにドット状の網掛けを施しており、結晶粒界部２ｃの凹み２ａには網掛けを施していない。

【0013】

パワーモジュール用基板１０は、セラミック基板１と、セラミック基板１の表面（主面）に接合された金属板２とを備えている。図２に示す例のように、金属板２は多数の金属結晶粒２ｂからなり、隣接する金属結晶粒２ｂの境界である結晶粒界部２ｃが存在している。この結晶粒界部２ｃは金属板２の表面に露出している。そして、金属板２はその表面において結晶粒界部２ｃに凹み２ａを有している。

【0014】

このようなパワーモジュール用基板１０によれば、パワー半導体素子等の電子部品１１を接合材１１ａで金属板２（２１）の表面に固定する際に、図２（ｂ）に示す例のように、接合材１１ａの一部が金属板２（２１）の表面に露出した結晶粒界部２ｃの凹み２ａに入り込むことになる。そのため、接合材１１ａと金属板２（２１）の表面との接合強度が向上し、電子部品１１のパワーモジュール用基板１０の金属板２（２１）への接着強度が高いものとなる。また、図示はしていないが、電子部品１１と金属板２（２２）とを接続する接続部材であるボンディングワイヤ１２の一部もまた金属板２（２２）の表面に露出した結晶粒界部２ｃの凹み２ａに入り込む。そのため、ボンディングワイヤ１２と金属板２（２２）の表面との接合強度が向上する。よって、電子部品の接続信頼性向上に有効なパワーモジュール用基板１０となる。

【0015】

また、凹み２ａは結晶粒界部２ｃの表面に設けられているため、凹み２ａは、金属結晶粒２ｂを取り囲むように配置され、金属板２の表面に均等に配置されている。そのため、
接合材１１ａと金属板２（２１）との接合界面において、接合材１１ａが金属板２（２１）の表面に入り込む部分が均等に配置され、接合材１１ａと金属板２（２１）との接合強度にむらが生じ難い。

【0016】

さらには、金属結晶粒２ｂと結晶粒界部２ｃとで化学的、機械的特性等が異なることを利用して、例えばエッチング加工によって容易に結晶粒界部２ｃのみに凹み２ａを形成することができる。

【0017】

図３（ａ）は図１のＡ部の他の例を拡大して示す断面図である。図３（ｂ）は図３（ａ）におけるパワーモジュール用基板１０の一例を示す平面図であり、電子部品１１、接合材１１ａおよびボンディングワイヤ１２を取り除いた状態を示している。なお、図３（ｂ）においては、区別しやすいように結晶粒界部２ｃにドット状の網掛けを施しており、結晶粒界部２ｃの凹み２ａの底部を破線で示している。

【0018】

図２に示す例では、金属板２（２１）の表面において結晶粒界部２ｃの凹み２ａが金属結晶粒２ｂの周囲に点在しているに対して、図３に示す例では、金属板２（２１）の表面において結晶粒界部２ｃの表面の全体が凹んでいる。そのため、結晶粒界部２ｃの凹み２ａは、結晶粒界部２ｃの形状と同形状であり、金属結晶粒２ｂを取り囲む形状である。このように、結晶粒界部２ｃの凹み２ａは、平面視において結晶粒界部２ｃに沿った網状とすることができる。結晶粒界部２ｃの凹み２ａが網状であると、接合材１１ａはこの結晶粒界部の凹み２ａ内に入り込んでハチの巣状になる。そのため、金属板２（２１）と接合材１１ａとの間に熱応力等が加わったときに、接合材１１ａの結晶粒界部の凹み２ａ内に入り込んだ部分が、金属板２（２１）の表面方向（平面方向）のいずれの方向の応力に対してもより強固なアンカーとして機能するものとなる。よって、接合材１１ａが金属板２（２１）からより剥がれ難くなるので、接合材１１ａの金属板２（２１）に対する接合強度をさらに向上させることができる。

【0019】

図４（ａ）は図１のＡ部の他の例を拡大して示す断面図である。図４（ｂ）は図４（ａ）におけるパワーモジュール用基板１０の一例を示す平面図であり、電子部品１１、接合材１１ａおよびボンディングワイヤ１２を取り除いた状態を示している。なお、図４（ｂ）においては、金属皮膜３の下に隠れている金属結晶粒２ｂを破線で示している。

【0020】

図４に示す例のように、金属板２の表面に金属皮膜３を備えるパワーモジュール用基板１０とすることができる。このとき、金属皮膜３は結晶粒界部２ｃの凹み２ａの内面を覆って金属板２に密着している。

【0021】

このような場合には、金属皮膜３が間に介在することによって、接合材１１ａの金属板２への接合強度を高めることができる。また、その他の部位では金属板２の酸化を防止することができる。金属皮膜３は結晶粒界部２ｃの凹み２ａの内面を覆って金属板２に密着していることから、金属板２の表面が平たんである場合に比較して金属皮膜３と金属板２との接合面積が大きくなるので、金属皮膜３は金属板２から剥がれ難いものとなっている。金属皮膜３が結晶粒界部２ｃの凹み２ａの内面全体に（底まで）密着していなくても接合面積は大きくなる。しかしながら、金属皮膜３と凹み２ａの底との間に空間があると、空間内の気体が熱によって膨張して金属皮膜３が膨れて剥がれやすくなる可能性がある。そのため、凹み２ａの内面の全面を覆って密着する金属皮膜３とすることができる。また、結晶粒界部の凹み２ａが上述したような網状である場合には、金属皮膜３が金属板２からより剥がれ難くなるので、金属皮膜３の金属板２に対する接合強度をさらに向上させることができる。

【0022】

図５および図６はパワーモジュール１００の他の例の要部を拡大して示しており、それ
ぞれの（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるパワーモジュール用基板１０の一例を示す平面図であって、電子部品１１、接合材１１ａおよびボンディングワイヤ１２を取り除いた状態を示している。なお、（ｂ）においては、金属皮膜３の下に隠れている金属結晶粒２ｂを破線で示している。

【0023】

図４に示す例では、接合材１１ａが接合されていない部分まで、例えば金属板２の表面の全体に金属皮膜３が形成されている例である。これに対して、図５および図６に示す例のように金属板２の表面の一部に金属皮膜３を設けることができる。例えば、パワーモジュール１００において、パワー半導体素子等の電子部品１１が搭載される部分、すなわち回路導体として機能する金属板２の表面の一部に金属皮膜３が設けられている。銀層または金層を最表層とする金属皮膜３設けることで、金属板２（２１）の上面の電子部品１１が搭載される部分の酸化等を抑制することができる。これ以外の、例えばボンディングワイヤ１２が接続される部分には金属皮膜３を設けないことで、ボンディングワイヤ１２の接続信頼性を高めることができる。

【0024】

また、図５および図６に示す例では、金属皮膜３は、金属板２の表面に設けられた凹部２ｄの底面に設けられている。そのため、金属皮膜３と金属板２との界面、すなわち金属皮膜３と金属板２の凹部２ｄの底面との界面に、パワーモジュール用基板１０を作製する際の、例えば金属皮膜３をめっき法で形成する際の処理液等が浸入し難い構造となっている。そのため、処理液等が金属皮膜３と金属板２との界面の周縁部に浸入することによって、例えばこの界面の周縁部に腐食等が生じるなどして金属皮膜３と金属板２との接合強度が低下してしまう可能性が低減されている。

【0025】

図５および図６に示す例のように、金属皮膜３の厚みが、凹部２ｄの深さより小さいものとすることができる。このような場合には、接合材１１ａの金属皮膜３から金属板２表面への濡れ広がりを抑えることができる。そのため、図１に示す例のように、１つの金属板２に２つの電子部品１１が搭載される場合などは、２つの電子部品１１間が近くても短絡しないのでパワーモジュール用基板１０を小型化できる。

【0026】

図６に示す例では、金属皮膜３は結晶粒界部２ｃの凹み２ａを完全に埋めて、その表面はほぼ平坦である。これに対して図５に示す例の金属皮膜３の厚みは、図６に示す例の金属皮膜３の厚みより小さく、結晶粒界部２ｃの凹み２ａの深さより小さく、また開口幅の１／２より小さい。そのため、図５に示す例の金属皮膜３の表面は、金属板２の凹部２ｄの底面の形状に沿った形状であり、結晶粒界部の凹み２ａの上部において凹み２ａに沿って凹んでいる。これは、図４に示す例でも同様である。このように、金属皮膜３の表面は結晶粒界部の凹み２ａの上部において凹んでいるものとすることができる。言い換えれば、金属皮膜３はその表面に、金属粒界部の凹み２ａに対応する凹み３ａを有している。このような場合には、接合材１１ａが金属皮膜３の凹み３ａに入り込んで接合されることから、接合材１１ａと金属皮膜３との接合強度が向上するので、電子部品１１とパワーモジュール用基板１０とをさらに強固に接合させることができる。

【0027】

パワーモジュール１００は、図１に示す例のように、上記のような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の金属板２（２１）に搭載された電子部品１１とで基本的に構成されている。このようなパワーモジュール１００によれば、上記構成のパワーモジュール用基板１０を備えていることから、電子部品１１の接合信頼性が向上したものとなる。

【0028】

セラミック基板１は、セラミックス焼結体からなり、金属板２を固定して支持するための基体部分である。また、セラミック基板１は、セラミック基板１の表面に接合された複数の金属板２の間を互いに電気的に絶縁させるための絶縁部材としても機能する。また、
セラミック基板１の上下面間で熱を伝導する伝熱部材としても機能する。

【0029】

セラミック基板１のセラミックス焼結体としては、公知の材料を用いることができ、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体および窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）焼結体などを用いることができる。セラミック基板１は、公知の製造方法によって製造することができ、例えば、アルミナなどの原料粉末に焼結助剤を添加し、基板状に成形したのち、焼成することで製造することができる。

【0030】

金属板２は、例えば銅または銅合金等の金属材料によって形成されている。電気伝導および熱伝導の点では９９％以上の純銅を用いるとよく、さらに、金属板２における酸素の含有量が少ない方が、ボンディングワイヤ１２と金属板２との接合強度の向上に関して有利である。

【0031】

図１に示す例のパワーモジュール用基板１０においては、セラミック基板１の表面（上面）の中央部に接合された金属板２（２１）、金属板２（２１）を挟むように配置されて接合された２対の計４つの金属板２（２２）およびセラミック基板１の下面に接合された金属板２（２３）を備えている。この例では、セラミック基板１の上面に接合された金属板２は主として電気回路の配線として機能し、セラミック基板１の下面に接合された金属板２は放熱板として機能する。金属板２の数、形状、配置等はこの例に限られるものではない。

【0032】

金属板２は、例えばチタン、ハフニウムおよびジルコニウムのうち少なくとも１種の活性金属材料を含む、例えばＡｇ－Ｃｕ系のろう材（不図示）によってセラミック基板１に接合、つまりろう付けされている。ろう材は、活性金属材料を含まないものでもよい。この場合には、セラミック基板１の上面の所定部位にろう付け用の下地金属層（図示せず）を設けておけばよい。下地金属層は、例えば銀、銅、インジウム、亜鉛、錫、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、モリブデン、オスミウム、レニウムおよびタングステン等から選択される金属を含む金属材料のメタライズ層としてセラミック基板１の表面の所定位置に形成することができる。

【0033】

金属板２は、打ち抜き加工等であらかじめ所定形状に加工したものをろう付けしてもよいし、セラミック基板１と同程度の大きさの金属素板をセラミック基板１にろう付けした後にエッチング等で所定形状の金属板２に加工してもよい。セラミック基板に上記ろう材を含むろう材ペーストを塗布し、その上に金属板２（金属素板）を載置して加熱することによってろう付けされる。このときのろう材ペーストはスクリーン印刷等で塗布することができるが、セラミック基板１の全面にろう材ペーストを塗布してもよいし、所定形状に塗布してもよい。セラミック基板１の全面に塗布する場合は、金属板２（金属素板）をろう付けした後に、エッチング等によって金属板２間の不要な部分を除去すればよい。

【0034】

金属皮膜３を部分的に設ける場合の金属板２（２１）の表面の凹部２ｄは、平面視の寸法が搭載される電子部品１１の寸法より一回り大きい大きさである。凹部２ｄの深さは、例えば２μｍ～２０μｍである。凹部２ｄは、金属板２の表面に、ブラスト加工等の機械的加工あるいは化学エッチング等の化学的加工を施すことによって形成することができる。いずれの場合でも、例えば、金属皮膜３を形成する位置に開口を設けた被覆材（レジスト膜）を金属板２の上に設けて、開口から露出した部分のみを加工することで凹部２ｄを形成することができる。エッチングによって凹部２ｄを形成する場合には、同じ被覆材を用いて、続けて金属皮膜３の形成をすることができる。

【0035】

具体的には、例えば以下のようにして金属板２に凹部２ｄを形成することができる。まず、セラミック基板１に接合された金属板２の表面に、開口を有する被覆膜を形成する。
被覆膜の形成は、金属板２の表面上に、液状のレジスト材を塗布して乾燥して形成してもよいし、ドライフィルムレジストを貼り付けて形成してもよい。レジスト膜の開口は、露光・現像によって行なうことができる。あるいは、液状の被覆材をスクリーン印刷によって、開口を有する形状に印刷して被覆膜を形成してもよい。次に、めっき前処理も兼ねて、硫酸、塩酸、塩化ヒドロキシルアンモニウムなどの酸性水溶液でレジスト膜の開口内に露出している金属板２の表面の酸化膜を除去して、アルカリにて脱脂処理をする。そして、過硫酸ナトリウムや過硫酸アンモニウムなどのエッチング液にて金属板２の表面をエッチングして凹部２ｄを形成する。凹部２ｄの深さは、エッチング液濃度やエッチング時間などによって調節することができる。

【0036】

金属板２の表面の結晶粒界部２ｃの凹み２ａは、上記した凹部２ｄを形成するためのエッチングと同様のエッチング液を用いて形成することができる。金属皮膜３を部分的に設け、凹部２ｄを形成する場合には、例えば、上述の凹部２ｄの形成と同時に形成することができる。エッチング液の種類や濃度、エッチング時間等のエッチング条件を調整することにより、金属結晶粒２ｂより結晶粒界部２ｃを深くエッチングすることができる。あるいは、金属板２の表面に凹部２ｄを形成した後、過硫酸ナトリウムや過硫酸アンモニウムなどの比較的弱いエッチング液で結晶粒界部をエッチングすることで結晶粒界部２ｃの凹み２ａを形成することができる。

【0037】

切削加工で金属板２の凹部２ｄの底面に細かい網状の凹みを形成することは、凹部２ｄが小さいことなどから困難である。研磨加工やブラスト加工等でも凹部２ｄの底面に点状の凹みを有する凹凸面を形成することができるが、小さい凹部２ｄの底面に細かい網状の凹みを形成することは困難である。

【0038】

結晶粒界部２ｃの凹み２ａが網状であることで、金属皮膜３が結晶粒界部の凹み２ａに入り込む部分の形状が壁状となり、接合材１１ａの金属皮膜３の凹み３ａに入り込む部分の形状も壁状となる。結晶粒界部の凹み２ａまたは金属皮膜３の凹み３ａに入り込んでアンカーとして機能する部分が壁状であるので、アンカーとして機能する部分が点状である場合に比較してより効果的に機能して接合強度が向上する。比較的小さい凹部２ｄの底面の網状の凹み２ａは、上述したようなエッチングにより、容易かつ低コストで形成することができる。なお、結晶粒界部２ｃの凹み２ａおよび金属皮膜３の凹み３ａは、全体として網状であればよく、途中で分断された部分を有していてもよい。

【0039】

金属板２の表面の結晶粒界部の凹み２ａは、例えば開口幅が３μｍ～１０μｍ程度で、凹部２ｄの底面からの深さが２μｍ～２０μｍである。結晶粒界部の凹み２ａの網目の形状および大きさは、金属板２の凹部２ｄの底面に露出する金属結晶粒２ｂの形状および大きさによるものであり、形状は多角形状で最大長さは例えば１００μｍ～６００μｍである。最大長さとは、多角形の外寸のうち最長となる長さであり、例えば矩形状の場合は対角長さである。また、このときの金属皮膜３の凹み３ａは、例えば開口幅が１μｍ～１０μｍ程度で、凹部２ｄの底面からの深さが１μｍ～２０μｍである。

【0040】

金属皮膜３は、例えばめっき法によってセラミック基板１に接合された金属板２の表面に形成することができる。金属皮膜３を金属板２の表面の一部に設ける場合には、めっき工程において、金属板２の上面における金属皮膜３を形成する領域以外を樹脂材料等からなる被覆材（レジスト膜）でカバーしておけば、金属皮膜３を金属板２の上面の一部にのみ設けることができる。この場合、被覆材は、めっき工程後に機械的または化学的な手段で除去する。機械的な除去は、ジグ等で樹脂材料を引き剥がす方法であり、化学的な除去は有機溶剤または有機酸等の除去剤で除去する方法である。あるいは、金属板２の上面の全面に金属皮膜３を形成し、電子部品１１を搭載する領域を被覆材で被覆して、それ以外の領域の金属皮膜３をエッチングで除去することでも、金属板２の上面に金属皮膜３を部
分的に設けることができる。上述した被覆材を用いた凹部２ｄの形成の後に金属皮膜3の
形成を行なうことで、効率よく凹部２ｄと金属皮膜３の形成ができる。

【0041】

セラミック基板１と同程度の大きな金属素板をセラミック基板１に接合して、電解めっき法によって所定位置に金属皮膜３を形成した後に、エッチングで所定形状の金属板２を形成することもできる。

【0042】

金属皮膜３は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）のような金属の皮膜であり、上述したようにめっき皮膜である。

【0043】

金属皮膜３の表面は、銀層または金層からなるものとすることができる。金属板２の上面の電子部品１１が搭載される部分に銀層または金層を最表層とする金属皮膜３が配置されていると、金属板２の上面の電子部品１１が搭載される部分の酸化等を抑制することができる。そのため、接合材１１ａを介して電子部品１１を金属板２（２１）の表面（上面）に接合して搭載することが容易であり、電気的な接続信頼性の向上についても有利である。金属皮膜３は表面が銀または金であればよいので、銀層または金層の単層であってもよいし、最表層を銀層または金層とする複数層で構成されていてもよい。

【0044】

金属皮膜３が銀層または金層である場合、すなわち金属皮膜３が銀層または金層のみからなる場合には、金属皮膜３の形成工程において、めっき、エッチング、熱処理工程数を減らすことができる。そのため、被覆材除去の際の除去剤によるセラミック基板１および金属皮膜３の機械的強度の低下を抑制し、また工程数削減によりパワーモジュール用基板１０のコストを低減することができる。

【0045】

金属皮膜３を複数層で構成する場合には、金属板２と接合性のよい下地層を設けることができるので、金属皮膜３の金属板２への接合強度を向上させることができる。金属皮膜３を複数層で構成する場合の例としては、例えば、金属板２側から、ニッケル／パラジウム／銀（Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｇ）、ニッケル／パラジウム／金（Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ）等があげられる。ニッケル層は、金属皮膜３の金属板２に対する接合強度を向上させる機能を有している。ニッケル層は、銅等の被めっき材（金属板２）に対する密着強度が高い性質を有している。そのため、ニッケル層によって金属皮膜３が金属板２の上面に強固に被着されている。パラジウム層は、ニッケル層のニッケル成分が銀層または金層に拡散することを抑制する機能を有している。また、パラジウム層は、例えば接合材１１ａとしてはんだを用いる場合には、はんだを介して金属皮膜３上に電子部品１１を搭載するときのはんだ濡れ性を向上させる機能も有している。この場合、例えば銀層または金層の一部がはんだ中に溶解したとしても、パラジウム層にはんだが容易に濡れる。そのため、はんだの濡れ性を向上させることができる。

【0046】

また、金属皮膜３が銀層または金層およびそのすぐ下側に配置されたニッケル層を含む場合、すなわち金属皮膜３が、セラミック基板１の上面に順次被着されたニッケル層および銀層または金層のみからなる場合には、金属板２から金属皮膜３への銅等の金属の拡散を抑制することができる。これにより、金属皮膜３の銀層または金層の厚みを抑制することができ、パワーモジュール用基板１０のコストを低減することができる。

【0047】

接合材１１ａとして銀ナノペーストを用いる場合には、金属皮膜３の表面を銀層とすることができる。このようにすることで、銀ナノ粒子と金属皮膜３とが結合しやすくなるので、銀ナノペーストによる電子部品１１の金属板２への接合性が高いものとなる。

【0048】

金属皮膜３が上記のようなＮｉ／Ｐｄ／Ａｇの３層構成である場合は、各層は以下のようにして形成することができる。銀層は、例えばシアン化銀を主成分とするシアン系の電
気銀めっき液中で、ニッケル層およびパラジウム層を被着させた金属板２に所定の電流密度および時間で電気めっきを施すことによって形成することができる。形成された銀層は、例えば銀を９９．９９質量％以上含有する、いわゆる純銀層である。銀層は、前述した例のように金属板２の上面に直接に被着させるようにしてもよい。ニッケル層は、例えば硫酸ニッケル等を主成分とするワット浴等のニッケルめっき液中で、金属板２に所定の電流密度および時間で電気めっきを施すことによって形成することができる。形成されたニッケル層は、例えばニッケルを主成分とし、コバルト等の金属成分を含む金属層となっている。パラジウム層は、例えばパラジウムのアンミン錯体等を主成分とするパラジウムめっき液中で、ニッケル層を被着させた金属板２に所定の電流密度および時間で電気めっきを施すことによって形成することができる。形成されたパラジウム層は、例えばパラジウムを９９．９９質量％以上含有する、いわゆる純パラジウム層である。

【0049】

金属皮膜３を形成する方法は、例えば上述した電気めっき（電解めっき法）以外に無電解めっき法が挙げられるが、金属板２の凹部２ｄの底面に結晶粒界部の凹み２ａが形成されており、金属皮膜３を結晶粒界部の凹み２ａの内面を覆って密着させる場合には、電解めっき法の方がより効果的である。それは、無電解めっき法の場合には、結晶粒界部の凹み２ａの開口幅や深さによっては、電解めっき法と比較して、結晶粒界部の凹み２ａの開口が金属皮膜３で塞がれ、この金属皮膜３と結晶粒界部の凹み２ａの底との間に空間が形成されやすいためである。このような空間は金属皮膜３と金属板２とが接合されていない部分であって接合強度が低い部分であり、また加熱により空間内の気体が膨張して金属皮膜３が膨れてしまい、より接合強度が低下してしまうおそれがある。

【0050】

また、セラミック基板１の下面に接合された金属板２（２３）の表面にもニッケルなどのめっき層を設けてもよい。これにより、金属板２（２３）の表面の酸化を抑制することができる。また、金属板２（２３）をはんだ等の伝熱性接合材で放熱体に接合する場合には、はんだ濡れ性を向上させることができ、放熱体への熱伝導性を向上させることができる。

【0051】

上記のようなパワーモジュール用基板１０に電子部品１１を搭載することで、図１に示す例のようなパワーモジュール１００となる。パワーモジュール１００は、例えば、自動車などに用いられ、ＥＣＵ（engine control unit）およびパワーアシストハンドル、モ
ータドライブなどの各種制御ユニットに使用される。パワーモジュール１００は、このような車載の制御ユニットに限られるものではなく、例えば、その他の各種インバータ制御回路、電力制御回路、パワーコンディショナー等に用いられる。

【0052】

図１に示す例のパワーモジュール１００においては、セラミック基板１の表面（上面）の中央部に接合された金属板２（２１）の上に、間隔をあけて２つの金属皮膜３が設けられ、２つの金属皮膜３のそれぞれの上に電子部品１１が１つずつ搭載されている。電子部品１１が搭載された金属板２（２１）を挟むように配置されて接合された金属板２（２２）と電子部品１１とはボンディングワイヤ１２によって電気的に接続されている。この外側の金属板２（２２）は、外部の電気回路と接続するための端子として機能する。また、電子部品１１で発生した熱は、セラミック基板１の上面に接合された金属板２（２１）およびセラミック基板１を介してセラミック基板１の下面に接合された金属板２（２３）に伝わり、さらに外部へ放熱することができる。つまり、セラミック基板１の下面に接合された金属板２（２３）は放熱板として機能する。電子部品１１の数、大きさおよび搭載位置等については、図１に示す例に限られるものではない。

【0053】

電子部品１１は、例えばパワー半導体であり、上記のような各種制御ユニットにおいて、電力制御のために用いられる。例えばＳｉを用いたＭＯＳ－ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor－Field Effect Transistor）やＩＧＢＴといったトランジスタ、あるいはＳｉ
ＣやＧａＮを用いたパワー素子があげられる。

【0054】

電子部品１１は、接合材１１ａによってパワーモジュール用基板１０の金属板２に設けられた金属皮膜３上に接合されて固定される。接合材１１ａは、例えば、はんだまたは銀ナノペーストを用いることができる。接合材１１ａの平面視での大きさが電子部品１１の大きさより大きいと、電子部品１１の側面から金属板２（金属皮膜３）の上面にかけて接合材１１ａのフィレットが形成されるので、電子部品１１の金属板２（金属皮膜３）への接合強度を高めることができる。金属皮膜３を設ける場合は金属皮膜３の平面視の大きさを電子部品１１の大きさより大きくする。このとき、金属皮膜３の表面は接合材１１ａによって覆われて露出しないので、後述する封止樹脂１３の接合性が向上する。

【0055】

ボンディングワイヤ１２は、電子部品１１の端子電極（不図示）と金属板２（２２）とを電気的に接続する、接続部材である。ボンディングワイヤ１２としては、例えば、銅もしくはアルミニウム製のものを用いることができる。

【0056】

図７（ａ）および図７（ｂ）は、いずれもパワーモジュールの実施形態の他の例を示す断面図である。図１に示す例のパワーモジュール１００に対して、パワーモジュール用基板１０の金属板２（２１）の表面のうち、電子部品１１を搭載する領域のみに金属皮膜３が形成されており、封止樹脂等を備えている例である。

【0057】

図７（ａ）に示す例のパワーモジュール１０１は、図１に示す例のような、パワーモジュール用基板１０に電子部品１１が搭載されたパワーモジュール１００が、上面から下面の外周部にかけて封止樹脂１３で覆われて、電子部品１１が封止されているものである。封止樹脂１３は、不活性な銀層または金層である金属皮膜３が形成されていない金属板２の上面等に接合されるので、封止樹脂１３による電子部品１１の封止の信頼性を効果的に向上させることができる。また、封止樹脂１３は、セラミック基板１の下面に接合された金属板２（２３）の主面（下面）は覆っていない。そのため、放熱板として機能する金属板２（２３）を外部の放熱体等に直接に熱的に接続することができるので、放熱性に優れたパワーモジュール１０１とすることができる。また、端子として機能する金属板２（２２）は、セラミック基板１からはみ出す長さであり、封止樹脂１３からもはみ出している。これによって、端子として機能する金属板２（２２）と外部の電気回路との電気的に接続が容易に可能となっている。

【0058】

封止樹脂１３には、熱伝導性、絶縁性、耐環境性および封止性の点から、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することができる。

【0059】

図７（ｂ）に示す例のパワーモジュール１０２は、図１に示す例のパワーモジュール１００が、内側空間を有する筐体１４の内部空間に配置され、内部空間に封止樹脂１３が充填されて電子部品１１およびパワーモジュール用基板１０が封止されている例である。

【0060】

筐体１４は、枠体１５と、この枠体１５の一方の開口を塞ぐ放熱板１６とで構成されており、枠体１５と放熱板１６とで囲まれた空間が内側空間となる。また、内側空間から筐体１４の枠体１５を貫通して外部へ導出されたリード端子１７を備えている。そして、リード端子１７の内部空間内の端部とパワーモジュール用基板１０の金属板２（２２）とがボンディングワイヤ１２で接続されている。これにより、電子部品１１と外部の電気回路とが電気的に接続可能となっている。

【0061】

枠体１５は、樹脂材料、金属材料またはこれらの混合材料からなり、放熱板１６により一方の開口が塞がれてパワーモジュール用基板１０を収納する内側空間を形成している。枠体１５に用いられる材料としては、放熱性、耐熱性、耐環境性および軽量性の点から、
銅、アルミニウムなどの金属材料またはポリブチルテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイト（ＰＰＳ）などの樹脂材料を使用することができる。これらの中でも、入手しやすさの点から、ＰＢＴ樹脂を用いることが望ましい。また、ＰＢＴ樹脂には、ガラス繊維を添加して繊維強化樹脂とすることが、機械的強度が増大するので好ましい。

【0062】

リード端子１７は、内側空間から枠体１５を貫通して外部へ導出するように取り付けられている、導電性の端子である。このリード端子１７の内側空間側の端部はパワーモジュール用基板１０の金属板２（２２）と電気的に接続され、外部側の端部は外部の電気回路（図示せず）または電源装置（図示せず）などと電気的に接続される。このリード端子１７は、導電性端子に用いられる各種の金属材料は、例えばＣｕおよびＣｕ合金、ＡｌおよびＡｌ合金、ＦｅおよびＦｅ合金、ステンレススチール（ＳＵＳ）等を用いることができる。

【0063】

放熱板１６は、動作時に電子部品１１で生じた熱を、パワーモジュール１０２の外部に放熱するためのものである。この放熱板１６には、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｕ－Ｗなどの高熱伝導性材料を使用することができる。特に、ＡｌはＦｅなどの一般的な構造材料としての金属材料と比べて熱伝導性が高く、電子部品１１で生じた熱をより効率的にパワーモジュール１０２の外部に放熱できるので、電子部品１１を安定して正常に動作させることが可能となる。また、ＡｌはＣｕあるいはＣｕ－Ｗなどの他の高熱伝導性材料と比較して、入手しやすく安価であることから、パワーモジュール１０２の低コスト化にも有利になる点で優れている。

【0064】

放熱板１６とパワーモジュール用基板１０の金属板２（２３）とは、不図示の伝熱性接合材で熱的に接続されている。伝熱性接合材としては、ろう材を用いて熱的に接続するとともに機械的に強固に接合してもよく、グリスなどで熱的に接続し、機械的には比較的弱く接合してもよく、さらに後述のように封止樹脂１３によって接合してもよい。

【0065】

封止樹脂１３は、内側空間に充填され、パワーモジュール用基板１０に搭載された電子部品１１を封止して保護するものである。パワーモジュール用基板１０と放熱板１６との機械的な接合と内側空間の封止とを同じ封止樹脂１３で行なってもよい。この場合、パワーモジュール用基板１０と放熱板１６との機械的な強固な接合と樹脂封止とを同一工程で行うことができる。

【0066】

パワーモジュール１０２は、さらに放熱特性を向上させるために、放熱板１６の、パワーモジュール用基板１０が接合されている側とは反対側の露出した面に、伝熱性接合材１９を介して冷却器１８を接合してもよい。この伝熱性接合材１９は上記した、放熱板１６とパワーモジュール用基板１０の金属板２（２３）とを接続する伝熱性接合材と同様のものを用いることができる。図７（ｂ）に示す例では、冷却器１８は金属等のブロック体に水等の冷媒を通過させる流路を設けたものを示しているが、これ以外の、例えば冷却フィンであってもよい。このような冷却器１８は、図１または図７（ｂ）に示す例のパワーモジュール１００，１０１にも適用することができ、パワーモジュール用基板１０の金属板２（２３）に接続すればよい。この場合は、平板状のもの、すなわち図７（ｂ）に示す放熱板１６だけを冷却器１８として適用することもできる。

【0067】

パワーモジュール用基板１０は、多数個取りパワーモジュール用基板を作製し、これを分割して作製することもできる。多数個取りパワーモジュール用基板は、多数個取りの各々のパワーモジュール用基板１０（領域）の配置の位置精度が高いために、分割せずに多数個取りパワーモジュール用基板で電子部品１１を実装することも容易にできる。これによって、実装工程の生産性を高めることもでき、パワーモジュール１００の生産性を効果的に高めることもできる。

【符号の説明】

【0068】

１・・・セラミック基板
２（２１，２２，２３）・・・金属板
２ａ・・・結晶粒界部の凹み
２ｂ・・・金属結晶粒
２ｃ・・・結晶粒界部
２ｄ・・・凹部
３・・・金属皮膜
３ａ・・・金属皮膜の凹み
１０・・・パワーモジュール用基板
１１・・・電子部品
１１ａ・・・接合材
１２・・・ボンディングワイヤ
１３・・・封止樹脂
１４・・・筐体
１５・・・枠体
１６・・・放熱板
１７・・・リード端子
１８・・・冷却器
１９・・・伝熱性接合材
１００，１０１，１０２・・・・パワーモジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】