(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の一方の面に第１の金属層を形成するとともに他方の面に第２の金属層を形成してなる両面基板であって、
前記第１の金属層は、純度の異なる複数の金属層を積層してなり、かつ積層した金属層は、前記セラミック基板寄りの金属層ほど純度が低いことを特徴とする両面基板。
【請求項２】
前記第１の金属層は、純度が高い金属層ほど積層方向に厚いことを特徴とする請求項１に記載の両面基板。
【請求項３】
前記第１の金属層を構成する金属層のうち、最も純度の低い金属層は純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満のアルミニウム層であり、純度の最も高い金属層は純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウム層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の両面基板。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の両面基板と、
前記両面基板の第２の金属層に接合された半導体素子と、
前記両面基板の第１の金属層に接合されたヒートシンクと、
を備えた半導体装置。
【請求項５】
前記ヒートシンクは前記第１の金属層を構成する各金属層と同一の金属から形成されることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の両面基板を構成するセラミック基板と、第１の金属層を構成する各金属層と、第２の金属層と、ヒートシンクとを一括でロウ付けする第１の工程と、
第１の工程後において、第２の金属層に半導体素子を半田付けする第２の工程とを有する半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセラミック基板の両面に金属層を形成してなる両面基板、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子が実装された両面基板をヒートシンクに接合し、半導体素子の発する熱を両面基板を介してヒートシンクに逃がす構成が知られている。この両面基板は、セラミック基板の表面に配線層となる金属層を形成するとともに裏面に接合層となる金属層を形成することによって構成されている。そして、両面基板に形成された配線層には半導体素子を接合する一方で、接合層にはヒートシンクを接合することにより、半導体装置が構成されている。
【０００３】
このように構成された半導体装置において、熱サイクル時におけるセラミック基板と金属層との良好な接合強度を得るために、例えば、特許文献１では、接合層として純度の異なる複数のアルミニウム層を積層している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−６５１４４号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のアルミニウム層は、セラミック基板と接合される側のアルミニウム層は純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）であるとともに、ヒートシンクと接合される側のアルミニウム層は、純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満のアルミニウム（２Ｎ−Ａｌ）である。４Ｎ−Ａｌは、２Ｎ−Ａｌと比して低硬度（低強度）である。そのため、熱サイクル時に生じる熱応力により、セラミック基板と接合されるアルミニウム層に歪が生じやすく、セラミック基板からアルミニウム層が剥離してしまう可能性がある。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱サイクル時におけるセラミック基板と金属層との接合強度を向上した両面基板、半導体装置、半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、セラミック基板の一方の面に第１の金属層を形成するとともに他方の面に第２の金属層を形成してなる両面基板であって、前記第１の金属層は、純度の異なる複数の金属層を積層してなり、かつ積層した金属層は、前記セラミック基板寄りの金属層ほど純度が低いことを要旨とする。
【０００８】
本発明によれば、セラミック基板の一方の面に形成された第１の金属層は、純度の異なる複数の金属層を積層することにより形成されている。そして、複数の金属層のうち、セラミック基板と接合される金属層の純度が最も低くなっている。すなわち、セラミック基板と接合される金属層の硬度（強度）が最も高くなっている。一方、複数の金属層は、セラミック基板から離間するにつれ純度が高くなる（硬度が低くなる）。硬度（強度）の低い金属層は、熱応力を緩和する緩衝材として機能し、セラミック基板への熱応力を緩和する。
【０００９】
この結果、セラミック基板に接合される金属層の強度が高くなるとともに、セラミック基板への熱応力が軽減され、第１の金属層に被接合部材を接合したときの、熱サイクル時におけるセラミック基板と金属層との接合強度の向上を図ることができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の両面基板において、前記第１の金属層は、純度が高い金属層ほど積層方向に厚いことを要旨とする。
本発明によれば、緩衝材として機能する金属層（セラミック基板と接合しない金属層）が積層方向に厚く形成される。
【００１１】
この結果、セラミック基板への熱応力がさらに緩和され、セラミック基板と金属層との接合強度がさらに向上する。
請求項３に記載のように、請求項１又は２に記載の両面基板において、前記第１の金属層を構成する金属層のうち、最も純度の低い金属層は純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満のアルミニウム層であり、純度の最も高い金属層は純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウム層であると好ましい。
【００１２】
請求項４に記載の半導体装置は、請求項１〜３のいずれか1項に記載の両面基板と、前記両面基板の第２の金属層に接合された半導体素子と、前記両面基板の第１の金属層に接合されたヒートシンクと、を備えたことを要旨とする。
【００１３】
本発明によれば、半導体素子の駆動に伴い発生する熱が、両面基板を介してヒートシンクに逃げる。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の半導体装置において、前記ヒートシンクは前記第１の金属層を構成する各金属層と同一の金属から形成されることを要旨とする。
【００１４】
本発明によれば、接合されるヒートシンクと、第１の金属層を構成する各金属層が同一金属で形成される。接合する金属が同一金属であると、異種金属同士を接合したときに比べ、ヒートシンクと金属層との接合強度が向上する。
【００１５】
請求項６に記載の半導体装置の製造方法は、請求項１〜３のいずれか1項に記載の両面基板を構成するセラミック基板と、第１の金属層を構成する各金属層と、第２の金属層と、ヒートシンクとを一括でロウ付けする第１の工程と、第１の工程後において、第２の金属層に半導体素子を半田付けする第２の工程とを有することを要旨とする。
【００１６】
本発明によれば、請求項４又は５に記載の半導体装置を製造することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、セラミック基板と金属層との接合強度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態におけるパワーモジュールの正面図。
【図２】実施形態におけるパワーモジュールの製造方法を説明するための分解図。
【図３】実施形態におけるパワーモジュールの製造方法を説明するための正面図。
【図４】実施形態におけるパワーモジュールの別例の正面図。
【図５】（ａ）は、従来構造の半導体装置の正面図、（ｂ）は本実施形態の半導体装置の正面図。
【図６】実施形態におけるパワーモジュールの別例の正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を具体化した一実施形態について図１〜図５に従って説明を行う。
図１に示すように、半導体装置としてのパワーモジュール１０において、板状のアルミニウム製ヒートシンク２０の上面には、セラミック基板３１の両面に金属層としてのアルミニウム層３２，３３を形成してなる両面基板３０が接合されている。詳しくは、セラミック基板３１の一方の面（上面）である半導体素子搭載面に第２の金属層としての第２のアルミニウム層（配線層）３３が形成されているとともに、セラミック基板３１の他方の面（下面）に第１の金属層としての第１のアルミニウム層３２が形成されている。セラミック基板３１は、例えば窒化アルミ（ＡｌＮ）などが用いられる。
【００２０】
第１のアルミニウム層３２は、ヒートシンク側アルミニウム層３２ａと基板側アルミニウム層３２ｂを積層することにより形成されている。ヒートシンク側アルミニウム層３２ａと基板側アルミニウム層３２ｂは、純度が異なる。具体的には、ヒートシンク側アルミニウム層３２ａは純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）であるとともに、基板側アルミニウム層３２ｂは、純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満のアルミニウム（２N−Ａｌ）である。セラミック基板３１と接合される基板側アルミニウム層３２ｂは、ヒートシンク側アルミニウム層３２ａと比して高硬度（高強度）である。
【００２１】
また、ヒートシンク側アルミニウム層３２ａの積層方向への厚みｔ１は、基板側アルミニウム層３２ｂの厚みｔ２よりも厚く形成される。例えば、ヒートシンク側アルミニウム層３２ａは０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ、基板側アルミニウム層３２ｂは０．２ｍｍ〜０．６ｍｍの厚みでそれぞれ形成される。
【００２２】
そして、第１のアルミニウム層３２は、ヒートシンク側アルミニウム層３２ａを下層、基板側アルミニウム層３２ｂを上層として、セラミック基板３１の下面に接合されている。第１のアルミニウム層３２は、セラミック基板３１とヒートシンク２０とを接合する接合層として機能する。
【００２３】
第２のアルミニウム層３３の上面には、半導体素子としてのパワー素子４０が半田付けされ、パワーモジュール１０を構成している。
パワーモジュール１０をこのように構成することにより、ヒートシンク２０は両面基板３０を介してパワー素子４０と熱的に結合されている。ヒートシンク２０はその内部に複数の冷却水通路２１が並列状に設けられており、各通路２１に冷却水が流れている。そして、パワー素子４０が駆動し、発熱すると、熱は両面基板３０を介してヒートシンク２０に逃がされるようになっている。
【００２４】
次に、上記のように構成されたパワーモジュール１０の製造方法について、図２および図３にしたがって説明する。
ヒートシンク２０、セラミック基板３１、第１のアルミニウム層３２を構成するヒートシンク側アルミニウム層３２ａ及び基板側アルミニウム層３２ｂ、第２のアルミニウム層３３は一括ロウ付けされる。
【００２５】
詳しくは、図３に示すように、ヒートシンク２０の上面に、アルミロウ材５１を介してヒートシンク側アルミニウム層３２ａが配置されるとともに、ヒートシンク側アルミニウム層３２ａの上面に、アルミロウ材５２を介して基板側アルミニウム層３２ｂが配置される。さらに、基板側アルミニウム層３２ｂの上面に、アルミロウ材５３を介してセラミック基板３１が配置されるとともに、セラミック基板３１の上面に、アルミロウ材５４を介して第２のアルミニウム層３３が配置される。そして、この状態で炉内において高温とすることによりアルミロウ材５１〜５４を溶融し、その後に室温に戻すことによりアルミロウ付けされる。
【００２６】
その後、第２のアルミニウム層３３の上面に半田５５（図２参照）を介してパワー素子４０を半田付けする。その結果、パワーモジュール１０が製造される。
次に、構造解析を用いて、従来構造と本実施形態の構造の違いを検証したので、図５（ａ），（ｂ）に従って説明を行う。
【００２７】
図５（ａ）に示すように、セラミック基板６１とヒートシンク６０の間のアルミ構造（第１のアルミニウム層）６２として、従来構造では、上層側のアルミニウム層６２ｂ（４Ｎ−Ａｌ）の厚さは０．６ｍｍであり、下層側のアルミニウム層６２ａ（２Ｎ−Ａｌ）の厚さは１．０ｍｍである。
【００２８】
一方、図５（ｂ）に示すように、セラミック基板３１とヒートシンク２０の間のアルミ構造（第１のアルミニウム層）３２として本実施形態の構造では、上層側のアルミニウム層３２ｂ（２Ｎ−Ａｌ）の厚さは、０．６ｍｍであり、下層側のアルミニウム層３２ａ（４Ｎ−Ａｌ）の厚さは１．０ｍｍである。
【００２９】
他は同一構成となっている。そして、構造解析を行った。この際、図５（ａ）の従来構造を「１」として規格化している。
歪解析の結果、図５（ａ）の従来構造の歪が「１」であるのに対し、図５（ｂ）の本実施形態の構造では、歪が「０．２２」となった。つまり、本実施形態の構造は従来構造に対し、歪解析結果が７８％低減した。
【００３０】
このように、本実施形態の構造は、従来構造に対し熱サイクル時の接合信頼性が向上している。
上記のごとく実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
【００３１】
（１）第１のアルミニウム層３２を構成する基板側アルミニウム層３２ｂを最も純度の低いアルミニウム層であるとともに、ヒートシンク側アルミニウム層３２ａを最も純度の高いアルミニウム層である。すなわち、セラミック基板３１とアルミロウ付けされる基板側アルミニウム層３２ｂは、高硬度（高強度）のアルミニウム（２Ｎ−Ａｌ）であるとともに、ヒートシンク側アルミニウム層３２ａは、基板側アルミニウム層３２ｂと比して硬度が低い。このため、基板側アルミニウム層３２ｂは、熱サイクル時においても歪が生じにくく、剥離しにくい。また、ヒートシンク側アルミニウム層３２ａが緩衝材として機能し、熱応力を緩和するため、セラミック基板３１への熱応力が軽減される。このため、熱サイクル時におけるセラミック基板３１と基板側アルミニウム層３２ｂとの接合強度が向上する。
【００３２】
（２）ヒートシンク２０はアルミニウム製としている。これによれば、ヒートシンク側アルミニウム層３２ａとヒートシンク２０は同一金属により形成されることになり、ヒートシンク側アルミニウム層３２ａとヒートシンク２０との接合強度が向上する。
【００３３】
（３）両面基板３０とヒートシンク２０を一括ロウ付けすることができる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図１に代わり、図４に示すようにヒートシンク側アルミニウム層３２ａに貫通孔３２ｃ（又は凹部）を形成してもよい。これによれば、セラミック基板３１への熱応力が緩和されることにより、さらなる接合強度の向上が図れる。また、基板側アルミニウム層３２ｂにも貫通孔（又は凹部）を形成してもよい。
【００３４】
・第１のアルミニウム層３２は、図６に示すように３層以上のアルミニウム層を積層することにより形成してもよい。この際、セラミック基板３１寄りのアルミニウム層ほど純度が低くなるとともに純度が高いアルミニウム層ほど積層方向に厚くする必要がある。例えば、３層で構成する場合、セラミック基板３１側から２Ｎ−Ａｌのアルミニウム層７１ａ、３Ｎ−Ａｌのアルミニウム層７１ｂ、４Ｎ−Ａｌのアルミニウム層７１ｃの順に積層する。４Ｎ−Ａｌのアルミニウム層７１ｃの厚みｔ５は３Ｎ−Ａｌのアルミニウム層７１ｂの厚みｔ４に比べて厚く形成されているとともに、３Ｎ−Ａｌのアルミニウム層７１ｂの厚みｔ４は、２Ｎ−Ａｌのアルミニウム層７１ａの厚みｔ３より厚く形成されている。これにより、セラミック基板３１と第１のアルミニウム層３２との接合信頼性が向上するとともに４Ｎ−Ａｌのアルミニウム層７１ｃにより応力が緩和される。
【００３５】
・ヒートシンク２０の通路２１には、アルコールなどの他の冷却液体が流れるように構成してもよい。また、大気に熱を逃がす空冷式であってもよい。
・第１の金属層を構成する純度の異なる複数の金属層として、アルミニウム層を用いたが、銅層を用いてもよい。
【００３６】
・ヒートシンク２０は銅製としてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０…パワーモジュール、２０…ヒートシンク、３０…両面基板、３１…セラミック基板、３２…第１のアルミニウム層、３２ａ…ヒートシンク側アルミニウム層、３２ｂ…基板側アルミニウム層、３３…第２のアルミニウム層、４０…パワー素子、７１ａ…２Ｎ−Ａｌのアルミニウム層、７１ｂ…３Ｎ−Ａｌのアルミニウム層、７１ｃ…４Ｎ−Ａｌのアルミニウム層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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