(57)【要約】【課題】半導体素子を搭載するパワーモジュール用基板において、パワーモジュール用基板の製造時の反りの発生及び冷熱サイクル負荷時の反りの発生を抑制して半導体素子の破損を防止することができるとともに反りの低減によって半導体実装時の接合不良を減らすことができるパワーモジュール用基板、搭載される半導体素子を効率的に冷却することができる冷却器付パワーモジュール用基板及びこのパワーモジュール基板の製造方法を提供する。【解決手段】半導体素子３が搭載されるパワーモジュール用基板１０であって、筒状をなし、絶縁性を有するセラミックスからなる筒状絶縁体１１と、この筒状絶縁体１１の内周側に配置された金属板１２と、を備え、金属板１２の一方の面に半導体素子３が搭載される半導体素子搭載部が形成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が搭載されるパワーモジュール用基板であって、
筒状をなし、絶縁性を有するセラミックスからなる筒状絶縁体と、この筒状絶縁体の内周側に配設された金属板と、を備え、
前記金属板の一方の面に前記半導体素子が搭載される半導体素子搭載部が形成さ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】
前記筒状絶縁体が円筒状をなし、前記金属板が円板状をなしていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記金属板の厚さが、０．５ｍｍ以上５０ｍｍ以下とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の前記筒状絶縁体の外周側に配設された環状の冷却器と、を備えたことを特徴とする冷却器付パワーモジュール用基板。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記筒状絶縁体の内周側に前記金属板を配置する工程と、前記金属板を厚さ方向に押圧した状態で加熱する加熱工程と、を備えており、
前記加熱工程において、前記金属板を外周側に向けて膨張させて、前記筒状絶縁体の内周面と前記金属板の外周面とを接合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。
【請求項６】
前記筒状絶縁体の内周面と前記金属板の外周面との間にろう材を介在させ、前記筒状絶縁体の内周面と前記金属板の外周面とをろう付けすることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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、このパワーモジュール基板を用いた冷却器付パワーモジュール用基板、及び、このパワーモジュール基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、特許文献１、２に示すように、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）等からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
この金属板は回路層とされ、回路層の上には、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載される。なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して冷却器が接合されたものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３１７１２３４号公報
【特許文献２】特開平１０−０６５０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１、２に記載されたように、アルミニウム等の金属板からなる回路層がセラミックス基板上に接合されたパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の熱膨張係数と回路層を構成する金属板の熱膨張係数とが大きく異なることから、  セラミック基板両面に接合される金属板（回路層及び金属層）の厚さが異なる場合には、反りが発生してセラミックス基板に割れが生じるおそれがあった。
【０００５】
さらに、パワーモジュール用基板の下面側に冷却器を配設した冷却器付パワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の上面側及び下面側に配置された金属部分の厚さ（上面側：回路層／下面側：金属層＋冷却器）が異なることになり、冷却器接合時において反りが生じ、セラミックス基板が破壊されるおそれがあった。
また、冷却器付パワーモジュール用基板では、使用時に、雰囲気や素子のＯＮ／ＯＦＦ等によって引き起こされる高温と低温との繰り返しによっても反りが発生し、これによってセラミックス基板の破壊、セラミックス基板と金属板との剥離、半導体素子直下のはんだ部の剥離等を生じることがあった。
以上のセラミックス基板の割れや接合界面での剥離を抑制する目的で、パワーモジュール用基板と冷却器との間に、緩衝層を挿入することもあるが、この場合、熱抵抗の増加、工程数増加といった問題があった。
【０００６】
また、半導体素子を実装する際、パワーモジュール用基板の反り量が大きい場合に、実装不良を引き起こすことがあった。
さらに、近年においては、半導体素子が薄型化して剛性が低下する傾向にあり、冷却器付パワーモジュール用基板の反りによって半導体素子が破損することもあった。以上のことから、反りの低減が求められている。
【０００７】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、半導体素子を搭載するパワーモジュール用基板において、パワーモジュール用基板の製造時の反りの発生及び冷熱サイクル負荷時の反りの発生を抑制して半導体素子の破損を防止することができるとともに反りの低減によって半導体実装時の接合不良を減らすことができるパワーモジュール用基板、搭載される半導体素子を効率的に冷却することができる冷却器付パワーモジュール用基板及びこのパワーモジュール基板の製造方法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】
【０００８】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、半導体素子が搭載されるパワーモジュール用基板であって、筒状をなし、絶縁性を有するセラミックスからなる筒状絶縁体と、この筒状絶縁体の内周側に配設された金属板と、を備え、前記金属板の一方の面に、前記半導体素子が配設される半導体素子搭載部が形成されていることを特徴としている。
【０００９】
この構成のパワーモジュール用基板によれば、絶縁性を有するセラミックスからなる筒状絶縁体の内周側に金属板が配設された構成とされており、金属板とセラミックス体とが積層されていないため、接合時や冷熱サイクル負荷時において金属板とセラミックス体との熱膨張係数の差に起因する反りが発生するおそれがない。そして、この金属板の一方の面に、前記半導体素子が配設される半導体素子搭載部が形成されているので、冷熱サイクル負荷時の応力が、金属板上に搭載される半導体素子に作用することが抑制され、半導体素子自体の破損を防止することができる。
また、筒状絶縁体の内周側に金属板が配設された構成とされており、積層構造とされていないので、パワーモジュール用基板の厚さを薄くすることが可能となり、パワーモジュールの薄肉化を図ることができる。
【００１０】
ここで、前記筒状絶縁体が円筒状をなし、前記金属板が円板状をなしていることが好ましい。
この場合、筒状絶縁体を、例えば粉末焼結等によって比較的容易に作製することができ、このパワーモジュール用基板を簡単に、かつ、確実に製出することができる。
【００１１】
また、前記金属板の厚さが、０．５ｍｍ以上５０ｍｍ以下とされていることが好ましい。
この場合、金属板の厚さが０．５ｍｍ以上とされているので、金属板自体の剛性が確保され、金属板の変形等を防止できる。さらに、筒状絶縁体との接触面積が確保され、筒状絶縁体と金属板との接合強度の向上を図ることができる。また、金属板の厚さが５０ｍｍ以下とされているので、このパワーモジュール用基板の厚さを薄く形成することができ、パワーモジュールの薄肉化を図ることができる。
【００１２】
本発明の冷却器付パワーモジュール用基板は、前述のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の前記筒状絶縁体の外周側に配設された環状の冷却器と、を備えたことを特徴としている。
この場合、冷却器とセラミックス体である筒状絶縁体とが積層する構造とされていないので、冷却器の接合時や冷熱サイクル負荷時において、冷却器付パワーモジュール用基板に反りが発生するおそれがない。よって、筒状絶縁体と冷却器との間に緩衝層等を介在させる必要がなくなり、パワーモジュール用基板を効率良く冷却することが可能となる。しかも、金属板の面積が小さくなるように構成することによって、半導体素子と冷却器との距離を短くすることができ、半導体素子から発生する熱を冷却器へと効率的に放散させることが可能となる。
【００１３】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記筒状絶縁体の内周側に前記金属板を配置する工程と、前記金属板を厚さ方向に押圧した状態で加熱する加熱工程と、を備えており、前記加熱工程において、前記金属板を外周側に向けて膨張させて、前記筒状絶縁体の内周面と前記金属板の外周面とを接合することを特徴とする。
【００１４】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックスからなる筒状絶縁体と金属板との熱膨張係数の差を利用し、加熱工程において金属板を外周側に向けて膨張させ、金属板の外周面を筒状絶縁体の内周面に押圧させることができる。これにより、筒状絶縁体の内周面と金属板の外周面とを接合することが可能となり、前述のパワーモジュール用基板を製出することができる。
【００１５】
ここで、前記筒状絶縁体の内周面と前記金属板の外周面との間にろう材を介在させ、前記筒状絶縁体の内周面と前記金属板の外周面とをろう付けすることが好ましい。
この場合、前記筒状絶縁体の内周面と前記金属板の外周面とをろう材によって接合することができ、金属板と筒状絶縁体との接合強度を確保できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、半導体素子を搭載するパワーモジュール用基板において、パワーモジュール用基板の製造時の反りの発生及び冷熱サイクル負荷時の反りの発生を抑制して半導体素子の破損を防止することができるとともに、反りの低減によって半導体実装時の接合不良を減らすことができるパワーモジュール用基板、搭載される半導体素子を効率的に冷却することができる冷却器付パワーモジュール用基板及びこのパワーモジュール基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態である冷却器付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの上面図である。
【図２】図１におけるＸ−Ｘ断面図である。
【図３】図１のパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１及び図２に本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す。図３に、本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す。
このパワーモジュール１は、図１及び図２に示すように、金属板１２を備えたパワーモジュール用基板１０と、この金属板１２の一方の面１２Ａにはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、このパワーモジュール用基板１０を冷却する冷却器４０と、を備えている。
【００１９】
パワーモジュール用基板１０は、図１から図３に示すように、筒状をなし、絶縁性を有するセラミックス材からなる筒状絶縁体１１と、この筒状絶縁体１１の内周側に配設された金属板１２と、を備えている。
筒状絶縁体１１は、例えば絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されており、本実施形態では、図１から図３に示すように円筒状をなしている。この筒状絶縁体１１の厚さ（筒状絶縁体１１がなす円筒の軸線方向長さ）ｔｓは、０．５ｍｍ≦ｔｓ≦５０ｍｍの範囲内に設定されている。
そして、本実施形態では、図２に示すように、筒状絶縁体１１は断面等脚台形状をなしており、筒状絶縁体１１の内周孔は、下方側に向かうにしたがい漸次縮径するテーパ孔状に構成されている。また、筒状絶縁体１１の外周部は、上方側に向かうにしたがい漸次縮径するテーパ状に構成されている。そして、筒状絶縁体１１の一方の面側の径方向長さｒＳＡ及び他方の面側の径方向長さｒＳＢは、５ｍｍ≦ｒＳＡ  ＜ｒＳＢ≦５００ｍｍの範囲内に設定されている。
【００２０】
金属板１２は、例えば純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板で構成されており、本実施形態では、図１から図３に示すように円板状をなしている。この金属板１２の厚さｔｍは、０．５ｍｍ≦ｔｍ≦５０ｍｍの範囲内に設定されており、筒状絶縁体１１よりも薄肉に形成されている。そして、この金属板１２は、図２及び図３に示すように、筒状絶縁体１１の厚さ方向中央に位置させられており、金属板１２の外周面と筒状絶縁体１１の内周面とが、例えばＡｌ−Ｓｉ系のろう材によって接合されている。
そして、本実施形態では、図２に示すように、金属板１２の外周部は、テーパ孔状に構成された筒状絶縁体１１の内周孔に対応するように、下方側に向かうにしたがい漸次縮径するテーパ状に構成されている。
【００２１】
冷却器４０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、本実施形態では、図１及び図２に示すように、円環状をなしている。この冷却器４０には、冷却媒体（例えば冷却水）が流通される流路４１が形成されている。冷却器４０は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、例えばＡ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
また、この冷却器４０は、その内周面が、筒状絶縁体１１の外周面に密着するように構成されている。なお、本実施形態では、図２に示すように、冷却器４０の内周孔は、テーパ状に構成された筒状絶縁体１１の外周部に対応するように、上方側に向かうにしたがい漸次縮径するテーパ孔状に構成されている。
【００２２】
半導体チップ３は、金属板１２の一方の面１２Ａに設けられた半導体素子搭載部の上にはんだ層２を介して接合されている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材で構成されている。なお、本実施形態では、金属板１２の一方の面１２Ａのうち少なくとも半導体素子搭載部の表面には、前述のはんだ材と接合性の良いＮｉめっき層（図示なし）が設けられている。
【００２３】
以下に、前述したパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図３を参照して説明する。
まず、セラミックス（ＡｌＮ）からなる筒状絶縁体１１と、この筒状絶縁体１１の内径よりも僅かに外径が小さくされた金属板（アルミニウム板）１２とを、準備し、筒状絶縁体１１の内周側に金属板１２を配置する（金属板配置工程Ｓ１）。このとき、金属板１２の外周面と筒状絶縁体１１の内周面との間に、例えばＡｌ−７．５ｗｔ％Ｓｉからなるろう材箔２１を配設しておく。
【００２４】
次に、金属板１２の一方の面１２Ａ側及び他方の面１２Ｂ側に、それぞれ加圧板５１、５１を配置し、この加圧板５１、５１を介して金属板１２を厚さ方向に押圧する。そして、この状態で加熱炉内に装入して加熱する（加熱工程Ｓ２）。
ここで、加圧板５１、５１は黒鉛板とされており、加圧圧力Ｐは、１ｋｇｆ／ｃｍ２≦Ｐ≦１０ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲内に設定されている。また、加熱温度Ｔは、５８０℃≦Ｔ≦６５０℃とされている。
【００２５】
この加熱工程Ｓ２においては、熱膨張係数が小さい筒状絶縁体１２はほとんど変形せず、熱膨張係数が大きい金属板１２は膨張することになる。このとき、金属板１２は、加圧板５１、５１によって厚さ方向に押圧されていることから、径方向に伸びるように膨張変形することになる。このように、金属板１２が径方向外方に向けて膨張することにより、金属板１２の外周面が筒状絶縁体１１の内周面に強く密着することになる。そして、加熱により、ろう材箔２１が溶融することになり、このろう材によって金属板１２の外周面と筒状絶縁体１１の内周面とが接合されるのである。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製出されることになる。
【００２６】
このパワーモジュール用基板１０の外周側に円環状の冷却器４０を配設する際には、焼き嵌め等の方法を採用することができる。また、冷却器４０を周方向に分割し、冷却器４０の分割片をそれぞれ筒状絶縁体１１の外周面にろう付け等によって接合してもよい。
【００２７】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１においては、ＡｌＮからなる筒状絶縁体１１の内周側に、アルミニウムからなる金属板１２が配設されており、この金属板１２の一方の面１２Ａに半導体チップ３が搭載される構成とされているので、接合時や冷熱サイクル負荷時において金属板１２を構成するアルミニウムと筒状絶縁体１１を構成するＡｌＮとの熱膨張係数の差に起因する反りが発生するおそれがなく、金属板１２上に搭載される半導体チップ３に応力が作用することが防止され、半導体チップ３の破損を防止することができる。よって、薄型の半導体チップ３を搭載することができる。
【００２８】
また、筒状絶縁体１１の内周側に金属板１２が配設された構成とされているので、パワーモジュール用基板１０の厚さを薄くすることができ、パワーモジュール１の薄肉化を図ることができる。
しかも、本実施形態では、金属板１２の厚さｔｍが筒状絶縁体１１の厚さｔｓよりも薄く形成されるとともに、金属板１２が、図２及び図３に示すように、筒状絶縁体１１の厚さ方向中央に位置させられているので、筒状絶縁体１１の厚さｔｓが、そのままパワーモジュール用基板１０の厚さとなる。
【００２９】
また、本実施形態では、筒状絶縁体１１が円筒状をなし、金属板１２が円板状をなしているので、ＡｌＮからなる筒状絶縁体１１を比較的容易に作製することができる。また、冷熱サイクル負荷時において、金属板１２と筒状絶縁体１１との熱膨張係数の差に起因する応力が径方向に作用することになり、パワーモジュール用基板１０の反りの発生を確実に防止することができる。
【００３０】
さらに、金属板１２の厚さｔｍが、０．５ｍｍ≦ｔｍ≦５０ｍｍとされているので、金属板１２自体の剛性が確保され、金属板１２の変形等を防止できる。さらに、筒状絶縁体１１との接触面積が確保され、筒状絶縁体１１と金属板１２との接合強度の向上を図ることができる。また、このパワーモジュール用基板１０の厚さを薄く形成することができ、パワーモジュール１の薄肉化を図ることができる。
【００３１】
また、本実施形態においては、冷却器４０と筒状絶縁体１１とが積層する構造とされておらず、冷却器４０の接合時や冷熱サイクル負荷時において、冷却器付パワーモジュール用基板に反りが発生するおそれがないため、筒状絶縁体１１と冷却器４０との間に緩衝層等を介在させる必要がなくなり、パワーモジュール用基板１０を効率良く冷却することが可能となる。
【００３２】
さらに、金属板１２の面積が小さくなるように、つまり、金属板１２の外径を小さく構成することによって、金属板１２の一方の面１２Ａに配設された半導体チップ３と冷却器４０との距離を短くすることができ、半導体チップ３から発生する熱を冷却器４０へと効率的に放散させることができる。よって、発熱量の大きな半導体チップ３を搭載することが可能となる
【００３３】
また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法においては、筒状絶縁体１１の内周側に金属板１２を配置する金属板配置工程Ｓ１と、金属板１２の一方の面１２Ａ側及び他方の面１２Ｂ側に、それぞれ加圧板５１、５１を配置し、この加圧板５１、５１を介して金属板１２を厚さ方向に押圧し、この状態で加熱炉内に装入して加熱する加熱工程Ｓ２と、を備えているので、金属板１２が径方向外方に向けて膨張することになり、金属板１２の外周面が筒状絶縁体１１の内周面に強く密着させられることになる。
【００３４】
ここで、本実施形態では、筒状絶縁体１の内周面と金属板１２の外周面との間にろう材箔２１が配設されているので、このろう材箔２１が加熱工程Ｓ２において溶融することにより、筒状絶縁体１１の内周面と金属板１２の外周面とろう付けされることになる。このように、ろう付けによって筒状絶縁体１１と金属板１２とが接合されているので、金属板１２と筒状絶縁体１１との接合強度を確保でき、このパワーモジュール用基板１０の信頼性を向上させることができる。
【００３５】
また、本実施形態では、図２に示すように、筒状絶縁体１１の内周孔が、下方側に向かうにしたがい漸次縮径するテーパ孔状に構成されており、金属板１２の外周部が、テーパ孔状に構成された筒状絶縁体１１の内周孔に対応するように、下方側に向かうにしたがい漸次縮径するテーパ状に構成されているので、金属板１２と筒状絶縁体１１との接触面積が確保され、筒状絶縁体１１と金属板１２とのさらなる接合強度の向上を図ることができる。
さらに、筒状絶縁体１１の外周部が、上方側に向かうにしたがい漸次縮径するテーパ状に構成されており、冷却器４０の内周孔が、テーパ状に構成された筒状絶縁体１１の外周部に対応するように、上方側に向かうにしたがい漸次縮径するテーパ孔状に構成されているので、筒状絶縁体１１と冷却器４０との接触面積が確保され、パワーモジュール用基板１０を効率良く冷却することができる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、筒状絶縁体をＡｌＮ（窒化アルミ）で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４等の他のセラミックスで構成されていてもよい。
【００３７】
また、金属板を、純度９９．９９％以上の純アルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよいし、アルミニウム合金、銅または銅合金等の他の金属からなる金属板としてもよい。
【００３８】
さらに、筒状絶縁体１１を円筒状とし、金属板１２を円板状としたもので説明したが、これに限定されることはなく、他の形状であってもよい。
また、金属板の外周面と筒状絶縁体の内周面とを、ろう材によって接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の接合手段を用いて接合してもよい。また、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を使用したが、これに限定されることはなく、例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系等の他のろう材であってもよい。
【００３９】
さらに、冷却器をアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよいし、他の金属等で構成されたものであってもよい。
また、冷却器として、冷却媒体の流路を有するもので説明したが、冷却器の構造に特に限定はない。
【００４０】
また、本実施形態では、金属板１２を一様な厚さで構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば外周部分のみを厚肉に構成したものであってもよい。
さらに、本実施形態では、筒状絶縁体の内周孔がテーパ孔状に構成され、金属板の外周部がテーパ状に構成されたものとして説明したが、これに限定されることはない。
また、筒状絶縁体の外周部がテーパ状に構成され、冷却器の内周孔がテーパ孔状に構成されたものとして説明したが、これに限定されることはない。
【符号の説明】
【００４１】
１  パワーモジュール
３  半導体チップ（半導体素子）
１０  パワーモジュール用基板
１１  筒状絶縁体
１２  金属板
２１  ろう材箔（ろう材）
４０  冷却器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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