(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接合されるとともに、前記セラミックス基板の他方の面に金属層を介して一枚の放熱板が接合された放熱板付パワーモジュール用基板であって、
前記回路層は複数の小回路層により構成され、前記セラミックス基板が少なくとも一枚で構成され、前記金属層が少なくとも一枚で構成されており、
前記小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アルミニウム層と、該第１アルミニウム層に固相拡散接合された第１銅層とを有する積層構造とされ、
前記金属層が前記第１アルミニウム層と同一材料により形成され、
前記放熱板が銅又は銅合金により形成され、前記金属層と前記放熱板とが固相拡散接合されており、
前記第１銅層の厚さをｔ１（ｍｍ）、前記第１銅層の接合面積をＡ１（ｍｍ２）、耐力をσ１（Ｎ／ｍｍ２）とし、前記金属層との接合位置における前記放熱板の厚さをｔ２（ｍｍ）、前記放熱板の接合面積をＡ２（ｍｍ２）、耐力をσ２（Ｎ／ｍｍ２）としたときに、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８０以上１．００未満又は１．００を超えて１．２０以下とされる放熱板付パワーモジュール用基板。
【請求項２】
前記セラミックス基板が前記小回路層と同数の小セラミックス基板により構成され、
前記金属層が前記小回路層と同数の小金属層により構成されており、
前記小セラミックス基板を介して前記小回路層と前記小金属層とが接合されたパワーモジュール用基板が前記放熱板上に間隔をあけて接合された請求項１に記載の放熱板付パワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記セラミックス基板が前記小回路層と同数の小セラミックス基板により構成され、
前記金属層が一枚で構成されており、
前記小回路層と前記小セラミックス基板とを接合した積層基板が前記金属層上に間隔をあけて接合されたパワーモジュール用基板が、前記放熱板上に前記金属層を介して接合された請求項１に記載の放熱板付パワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記セラミックス基板が一枚で構成され、
前記金属層が前記小回路層と同数の小金属層により構成されており、
前記小回路層と前記小金属層とを前記セラミックス基板を介して該セラミックス基板の面方向に間隔をあけて接合されたパワーモジュール用基板が、前記放熱板上に前記金属層を介して接合された請求項１に記載の放熱板付パワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記セラミックス基板が一枚で構成されるとともに、
前記金属層が一枚で構成されており、
前記小回路層が前記セラミックス基板の一方の面に間隔をあけて接合され、該セラミックス基板の他方の面に前記金属層が接合されたパワーモジュール用基板が、前記放熱板上に前記金属層を介して接合された請求項１に記載の放熱板付パワーモジュール用基板。
【請求項６】
前記第１アルミニウム層と前記第１銅層とがチタン層を介して固相拡散接合されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の放熱板付パワーモジュール用基板。
【請求項７】
前記金属層と前記放熱板とがチタン層を介して固相拡散接合されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の放熱板付パワーモジュール用基板。
【請求項８】
前記第１アルミニウム層と前記第１銅層、及び、前記金属層と前記放熱板とがチタン層を介して固相拡散接合されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の放熱板付パワーモジュール用基板。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の前記放熱板付パワーモジュール用基板の前記小回路層の少なくとも一つに接合された半導体素子及び外部接続用リードフレームを備え、前記半導体素子と前記放熱板付パワーモジュール用基板とが、前記放熱板の表面を除いて樹脂モールドにより樹脂封止されてい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放熱板付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は、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板の一方の面に、回路層を形成する金属板が接合されるとともに、他方の面に放熱板が接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。そして、このパワーモジュール用基板の回路層の上にはんだ材を介してパワー素子等の半導体素子が搭載される。
【０００３】
ところで、半導体素子の高出力密度化に伴う小型化が進んでおり、モジュールの集積化の要望が高まっている。一般的なパワーモジュールの集積化として、絶縁基板に複数の回路層を並べて付加する手法が知られているが、絶縁基板に複数の回路層を設けると、製造工程中又は使用時の温度変化により反りを生じるという課題がある。パワーモジュール用基板に反りが生じると半導体素子の実装工程において実装不良が発生し、パワーモジュールの歩留りが低下したり、実使用時には放熱性能が阻害されるために、反りの少ない基板とする必要がある。
【０００４】
この点、特許文献１には、絶縁基板（セラミックス基板に配線層が形成されてなる配線セラミックス基板）を複数設け、これら複数の絶縁基板を接合部材（リードフレーム）で接合した状態とし、絶縁基板及びパワー半導体素子を封止樹脂でモールドしたパワーモジュールが開示されている。また、この特許文献１には、絶縁基板を複数個用いる構成により、セラミックス基板のクラックや封止樹脂の剥離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、特許文献１に記載のパワーモジュールのように、リードフレームを用いずに、位置決め部材により直接支持することによって、複数の絶縁基板（回路基板）を位置決めしたパワーモジュールが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７‐２７２６１号公報
【特許文献２】特開２０１３‐１５７５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の方法では、セラミックス基板のクラックや封止樹脂の剥離を防止することで、良好な放熱性を維持することができるとしても、剛性の高くない配線部材（リードフレーム）に位置決め機能を担わせることとなるため、各絶縁基板の位置精度が出し難く、更なる高集積化が難しい。
また、特許文献２に記載されるように、絶縁基板を直接支持する方法では、モールド金型の制約などから、複数の絶縁基板を正確に位置決めすることが容易ではない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、温度変化による形状変化が少なく放熱性に優れ、回路の集積化を図ることができる放熱板付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】
本発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、前記セラミックス基板の他方の面に金属層を介して一枚の放熱板が接合された放熱板付パワーモジュール用基板であって、前記回路層は複数の小回路層により構成され、前記セラミックス基板が少なくとも一枚で構成され、前記金属層が少なくとも一枚で構成されており、前記小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アルミニウム層と、該第１アルミニウム層に固相拡散接合された第１銅層とを有する積層構造とされ、前記金属層が前記第１アルミニウム層と同一材料により形成され、前記放熱板が銅又は銅合金により形成され、前記金属層と前記放熱板とが固相拡散接合されており、前記第１銅層の厚さをｔ１（ｍｍ）、前記第１銅層の接合面積をＡ１（ｍｍ２）、耐力をσ１（Ｎ／ｍｍ２）とし、前記金属層との接合位置における前記放熱板の厚さをｔ２（ｍｍ）、前記放熱板の接合面積をＡ２（ｍｍ２）、耐力をσ２（Ｎ／ｍｍ２）としたときに、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８０以上１．００未満又は１．００を超えて１．２０以下とされる。
【００１０】
回路層（小回路層）を、第１アルミニウム層と第１銅層との積層構造とし、その回路層に対してセラミックス基板の反対側には、第１アルミニウム層と同一材料により形成された金属層を介して銅又は銅合金により形成される放熱板を配置し、回路層の第１銅層と放熱板とについて、これらの厚さ、接合面積及び耐力の関係を上記の範囲に設定することで、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できる。すなわち、放熱板上に複数の小回路層を並べて配設する等によって回路層をパターン化した場合においては、回路層の接合部分と、金属層が接合される放熱板の接合部分とは、形状が異なるが、これらの接合部分における第１銅層と放熱板との対称性を考慮することにより、セラミックス基板を中心とする対称性を向上させることができる。これにより、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難く、反りを発生しにくくすることができる。したがって、各層の積層時における初期反りのみならず、半導体素子の実装工程時や使用環境においても反りの発生を抑制することができ、絶縁基板としても信頼性を向上でき、良好な放熱性を発揮させることができる。また、一枚の放熱板に複数の小回路層を接合することにより、複数の小回路層を正確に位置決めすることができ、高集積化を図ることができる。
【００１１】
本発明の放熱板付パワーモジュール用基板において、前記セラミックス基板が前記小回路層と同数の小セラミックス基板により構成され、前記金属層が前記小回路層と同数の小金属層により構成されており、前記小セラミックス基板を介して前記小回路層と前記小金属層とが接合されたパワーモジュール用基板が前記放熱板上に間隔をあけて接合された構成とされる。
【００１２】
本発明の放熱板付パワーモジュール用基板において、前記セラミックス基板が前記小回路層と同数の小セラミックス基板により構成され、前記金属層が一枚で構成されており、前記小回路層と前記小セラミックス基板とを接合した積層基板が前記金属層上に間隔をあけて接合されたパワーモジュール用基板が、前記放熱板上に前記金属層を介して接合された構成とされる。
【００１３】
本発明の放熱板付パワーモジュール用基板において、前記セラミックス基板が一枚で構成され、前記金属層が前記小回路層と同数の小金属層により構成されており、前記小回路層と前記小金属層とを前記セラミックス基板を介して該セラミックス基板の面方向に間隔をあけて接合されたパワーモジュール用基板が、前記放熱板上に前記金属層を介して接合された構成とされる。
【００１４】
本発明の放熱板付パワーモジュール用基板において、前記セラミックス基板が一枚で構成されるとともに、前記金属層が一枚で構成されており、前記小回路層が前記セラミックス基板の一方の面に間隔をあけて接合され、該セラミックス基板の他方の面に前記金属層が接合されたパワーモジュール用基板が、前記放熱板上に前記金属層を介して接合された構成とされる。
【００１５】
上記の構成においても、第１銅層と放熱板との関係を、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８０以上１．２０以下となるように設定することで、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でき、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難く、反りを発生しにくくすることができる。
また、熱膨張係数の比較的小さく、剛性の高いセラミックス基板を一枚で構成した場合にあっては、より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難くすることができるので、より反りの発生を防止する効果を高めることができる。
【００１６】
本発明の放熱板付パワーモジュール用基板において、前記第１アルミニウム層と前記第１銅層とがチタン層を介して固相拡散接合されている構成としても良い。
【００１７】
本発明の放熱板付パワーモジュール用基板において、前記金属層と前記放熱板とがチタン層を介して固相拡散接合されている構成としても良い。
【００１８】
本発明の放熱板付パワーモジュール用基板において、前記第１アルミニウム層と前記第１銅層、及び、前記金属層と前記放熱板とがチタン層を介して固相拡散接合されている構成としても良い。
【００１９】
この場合、前記第１アルミニウム層と前記第１銅層、及び、前記金属層と前記放熱板のいずれか、又は、両方がチタン層を介して固相拡散接合されているので、放熱板付パワーモジュール用基板が高温になった際に、ＡｌとＣｕの金属間化合物の成長を抑制することが可能となり、接合信頼性や寿命を向上させることができる。
【００２０】
本発明のパワーモジュールは、前記放熱板付パワーモジュール用基板の前記小回路層の少なくとも一つに接合された半導体素子及び外部接続用リードフレームを備え、前記半導体素子と前記放熱板付パワーモジュール用基板とが、前記放熱板の表面を除いて樹脂モールドにより樹脂封止されていることを特徴とする。
【００２１】
一枚の放熱板に複数の小回路層を接合した放熱板付パワーモジュール用基板を用いることにより、集積化されたパワーモジュールを容易に製造することができる。また、この放熱板付パワーモジュール用基板は、一枚の放熱板により一体化されているので、樹脂圧が作用しても位置ずれや変形が生じ難い。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、半導体素子の実装工程時や使用環境における温度変化による形状変化を抑制することができ、絶縁基板としての信頼性や半導体素子の接続信頼性を向上でき、良好な放熱性を発揮させることができる。また、複数の小回路層の位置決めを正確に行うことができるので、高集積化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態のパワーモジュールを示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板の製造工程を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板の製造に用いる加圧装置の例を示す正面図である。
【図４】図１に示す第１実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板の斜視図である。
【図５】第１銅層と放熱板との厚みの関係を説明する第２実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板の断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板を示す断面図である。
【図７】本発明の第４実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板を示す断面図である。
【図８】本発明の第５実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板を示す断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態である放熱板付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】
【００２４】
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に示す本実施形態のパワーモジュール１００は、放熱板付パワーモジュール用基板５１と、この放熱板付パワーモジュール用基板５１に接合された半導体素子６０と、外部接続用リードフレーム７０とを備え、半導体素子６０と放熱板付パワーモジュール用基板５１とが、放熱板３０の表面（露出面３０ａ）を除いて樹脂モールド４０により樹脂封止されたものである。そして、このパワーモジュール１００は、例えば、放熱板３０の露出面３０ａをヒートシンク８０の表面に押し付けた状態で固定される。
【００２５】
放熱板付パワーモジュール用基板５１は、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が接合されるとともに、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３を介して一枚の放熱板３０が接合されたものであり、回路層１２は複数の小回路層１２Ｓにより構成され、セラミックス基板１１が少なくとも一枚で構成され、金属層１３が少なくとも一枚で構成される。また、図１及び図２（ｃ）に示す本実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板５１においては、セラミックス基板１１が小回路層１２Ｓと同数の小セラミックス基板１１Ｓにより構成され、金属層１３が小回路層１２Ｓと同数の小金属層１３Ｓにより構成されており、小セラミックス基板１１Ｓを介して小回路層１２Ｓと小金属層１３Ｓとが接合されたパワーモジュール用基板２１が、一枚の放熱板３０上に間隔をあけて接合されている。これらのパワーモジュール用基板２１は、小セラミックス基板１１Ｓの一方の面に小回路層１２Ｓがろう付けにより接合され、小セラミックス基板１１Ｓの他方の面に小金属層１３Ｓがろう付けにより接合されることにより、形成される。
【００２６】
セラミックス基板１１を構成する小セラミックス基板１１Ｓは、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用いることができる。また、小セラミックス基板１１Ｓの厚さは０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定することができる。
【００２７】
回路層１２を構成する小回路層１２Ｓは、セラミックス基板１１（小セラミックス基板１１Ｓ）の表面に接合される第１アルミニウム層１５と、その第１アルミニウム層１５に接合された第１銅層１６とを有する積層構造とされる。
この第１アルミニウム層１５は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板材を、セラミックス基板１１（小セラミックス基板１１Ｓ）に接合することにより形成される。本実施形態においては、第１アルミニウム層１５は、純度９９．９９質量％以上で、ＪＩＳ規格では１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）のアルミニウム板が小セラミックス基板１１Ｓにろう付けされている。また、第１銅層１６は、純銅又は銅合金からなる板材を、第１アルミニウム層１５に接合することにより形成される。本実施形態においては、第１銅層１６は、無酸素銅の銅板が第１アルミニウム層１５に固相拡散接合されている。そして、これら第１アルミニウム層１５及び第１銅層１６の厚みは、第１アルミニウム層１５が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、第１銅層１６が０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とされる。
【００２８】
金属層１３を構成する小金属層１３Ｓは、回路層１２（小回路層１２Ｓ）の第１アルミニウム層１５と同一材料により形成される。本実施形態においては、小金属層１３Ｓは、第１アルミニウム層１５と同一の純度９９．９９質量％以上の厚み０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ未満に形成されたアルミニウム板が、小セラミックス基板１１Ｓにろう付けされることにより形成されている。
なお、小回路層１２Ｓと小金属層１３Ｓとは、ほぼ同じ大きさの平面形状に形成される。
【００２９】
また、このパワーモジュール用基板２１に接合される放熱板３０は、純銅又は銅合金ならなる板材により形成され、各パワーモジュール用基板２１の小金属層１３Ｓとこの放熱板３０とが固相拡散接合されている。本実施形態においては、放熱板３０は、ジルコニウム添加耐熱銅合金（三菱伸銅株式会社製のＺＣ合金：Ｃｕ９９．９８ｗｔ％‐Ｚｒ０．０２ｗｔ％）により、厚み１．５ｍｍの平板状に形成され、図１及び図２（ｃ）に示すように、小回路層１２Ｓからなる回路層１２と小金属層１３Ｓからなる金属層１３よりも大きい平面形状であって、回路層１２とセラミックス基板１１との接合面よりも大きい平面形状に形成される。
【００３０】
そして、この放熱板３０と各小回路層１２Ｓの第１銅層１６とは、第１銅層１６の厚さをｔ１（ｍｍ）、第１銅層１６の第１アルミニウム層１５に対する接合面積をＡ１（ｍｍ２）、第１銅層１６の耐力をσ１（Ｎ／ｍｍ２）とし、金属層１３（小金属層１３Ｓ）との接合位置における放熱板３０の厚さをｔ２（ｍｍ）、放熱板３０に対する金属層１３の接合面積をＡ２（ｍｍ２）、放熱板３０の耐力をσ２（Ｎ／ｍｍ２）としたときに、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８０以上１．２０以下となる関係に設定される。例えば、第１銅層１６が厚さｔ１＝２．０ｍｍのＣ１０２０（耐力σ１＝１９５Ｎ／ｍｍ２）で、第１銅層１６と第１アルミニウム層１５との接合面積Ａ１が８００ｍｍ２とされ、放熱板３０が厚さｔ２＝１．４ｍｍの三菱伸銅株式会社製耐熱合金ＺＣ（耐力σ２＝２８０Ｎ／ｍｍ２）で、金属層１３と放熱板３０との接合面積Ａ２が９００ｍｍ２とされる組み合わせの場合、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）＝０．８８となる。なお、本発明における耐力の値は室温（２５℃）時の値である。また、接合面積Ａ１は、各パワーモジュール用基板２１における第１銅層１６の第１アルミニウム層１５に対する接合面積の総和である。同様に、接合面積Ａ２も、各パワーモジュール用基板２１における小金属層１３Ｓの放熱板３０に対する接合面積の総和である。
【００３１】
そして、この放熱板付パワーモジュール用基板５１を構成する各パワーモジュール用基板２１の小回路層１２Ｓの表面に、半導体素子６０がはんだ付けされており、この半導体素子６０や小回路層１２Ｓに外部接続用リードフレーム７０が接続される。そして、半導体素子６０と放熱板付パワーモジュール用基板５１とが、放熱板３０の表面（露出面３０ａ）を除いて樹脂モールド４０により樹脂封止されることにより一体化されており、外部接続用リードフレーム７０は、その一部が樹脂モールド４０の外部へと突出するように設けられる。
【００３２】
なお、半導体素子６０は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて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。そして、半導体素子６０を接合するはんだ材は、例えばＳｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされる。
また、外部接続用リードフレーム７０は、例えば銅又は銅合金により形成され、超音波接合やはんだ付け等により接続される。
樹脂モールド４０は、例えばＳｉＯ２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】
また、このように構成されるパワーモジュール１００は、図１に示すように、ヒートシンク８０に固定された状態で使用される。ヒートシンク８０は、パワーモジュール１００の熱を放散するためのものであり、本実施形態では、ヒートシンク８０は、パワーモジュール１００の放熱板３０が固定される天板部８１と、冷却媒体（例えば、冷却水）を流通するための流路８３が設けられた冷却部８２とからなる。そして、パワーモジュール１００の放熱板３０とヒートシンク８０の天板部８１との間に、例えばグリース（図示略）を介在させ、これらパワーモジュール１００とヒートシンク８０とをバネ等により押し付けて固定する。
【００３４】
なお、ヒートシンク８０は、熱伝導性が良好な材料で構成されることが望ましく、本実施形態においては、アルミニウム合金（Ａ６０６３合金）により形成されている。また、パワーモジュール１００が固定されるヒートシンク８０としては、平板状のもの、熱間鍛造等によって多数のピン状フィンを一体に形成したもの、押出成形によって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。なお、アルミニウム又は銅で形成されたヒートシンクについては、パワーモジュールをはんだ付けして固定することも可能である。
【００３５】
次に、このように構成される放熱板付パワーモジュール用基板５１及びパワーモジュール１００を製造する方法について一例を説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、小セラミックス基板１１Ｓの一方の面に小回路層１２Ｓのうち第１アルミニウム層１５となる第１層アルミニウム板１５ａを積層し、他方の面に小金属層１３Ｓとなる金属層アルミニウム板１３ａを積層して、これらを一体に接合する。これらの接合には、Ａｌ‐Ｓｉ系等の合金のろう材が用いられ、例えば前記合金のろう材箔１８を介して小セラミックス基板１１Ｓと第１層アルミニウム板１５ａ及び金属層アルミニウム板１３ａとをそれぞれ積層し、この積層体Ｓを図３に示す加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧した状態とする。
【００３６】
この図３に示す加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備えている。
固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されており、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体Ｓが配置される。積層体Ｓの両面には加圧を均一にするためにカーボンシート１１６が配設される。
この加圧装置１１０により加圧した状態で、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設置し、真空雰囲気下でろう付け温度に加熱してろう付けする。この場合の加圧力としては例えば０．６８ＭＰａ（７ｋｇｆ／ｃｍ２）、加熱温度としては例えば６４０℃とされる。
【００３７】
そして、図２（ｂ）に示すように、小セラミックス基板１１Ｓと第１アルミニウム層１５及び小金属層１３Ｓとが接合された接合体１９に、第１銅層１６となる第１層銅板１６ａ及び放熱板３０を接合する。まず、接合体１９の第１アルミニウム層１５に第１層銅板１６ａを積層し、小金属層１３Ｓに放熱板３０を積層する。そして、これらの積層体を、図３と同様の加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧した状態で、加圧装置１１０ごと真空雰囲気下で加熱して、第１アルミニウム層１５及び第１銅層１６、小金属層１３Ｓ及び放熱板３０を固相拡散接合する。この場合の加圧力としては、例えば０．２９ＭＰａ以上３．４３ＭＰａ以下とされ、加熱温度としては４００℃以上５４８℃未満とされ、この加圧及び加熱状態を５分以上２４０分以下保持することにより、第１アルミニウム層１５及び第１銅層１６、小金属層１３Ｓ及び放熱板３０が同時に固相拡散接合され、放熱板付パワーモジュール用基板５１が得られる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、第１アルミニウム層１５と第１銅層１６、小金属層１３Ｓと放熱板３０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。
【００３９】
なお、第１アルミニウム層１５及び第１銅層１６、小金属層１３Ｓ及び放熱板３０の固相拡散接合は、同時に行う場合に限定されるものではなく、第１アルミニウム層１５と第１銅層１６とを先に接合して、パワーモジュール用基板２１を形成した後で、小金属層１３Ｓと放熱板３０とを接合する等、工程は上記実施形態に限られるものではない。
【００４０】
そして、このようにして製造された放熱板付パワーモジュール用基板５１の小回路層１２Ｓに、半導体素子６０をはんだ付け（ダイボンド）する。また、この半導体素子６０及び小回路層１２Ｓに外部接続用リードフレーム７０を超音波接合や、はんだ付け等の方法により接続した後、半導体素子６０と放熱板付パワーモジュール用基板５１とを、放熱板３０の露出面３０ａを除いて樹脂モールド４０によるトランスファーモールド成形により樹脂封止する。
【００４１】
このようにして製造される放熱板付パワーモジュール用基板５１では、第１銅層１６の厚さをｔ１（ｍｍ）、第１アルミニウム層１５と第１銅層１６との接合面積をＡ１（ｍｍ２）、第１銅層１６の耐力をσ１（Ｎ／ｍｍ２）とし、金属層１３との接合位置、すなわち各小金属層１３Ｓとの接合位置における放熱板３０の厚さをｔ２（ｍｍ）、金属層１３と放熱板３０との接合面積をＡ２（ｍｍ２）、放熱板３０の耐力をσ２（Ｎ／ｍｍ２）としたときに、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）を０．８０以上１．２０以下の範囲に設定されているので、セラミックス基板１１を中心とした対称構造となる。すなわち、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が１．００の場合、０．８０以上１．００未満の場合、１．００を超えて１．２０以下の場合において、良好にセラミックス基板１１を中心とした対称構造を構成することができる。
【００４２】
本実施形態のように、回路層１２の接合部分と、金属層１３が接合される放熱板３０の接合部分とにおける上記比率を考慮することにより、セラミックス基板１１を中心とする対称性を向上させることができる。これにより、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難く、反りを発生しにくくすることができる。したがって、各層の積層時における初期反りのみならず、半導体素子６０の実装工程時や使用環境においても反りの発生を抑制することができ、絶縁基板としても信頼性を向上でき、良好な放熱性を発揮させることができる。また、一枚の放熱板３０に複数のパワーモジュール用基板２１（小回路層１２Ｓ）を接合することにより、複数のパワーモジュール用基板２１（小回路層１２Ｓ）を正確に位置決めすることができ、高集積化を図ることができる。
【００４３】
さらに、一枚の放熱板３０に複数のパワーモジュール用基板２１を接合した放熱板付パワーモジュール用基板５１を用いることにより、本実施形態のパワーモジュール１００のように、集積化されたパワーモジュールを容易に製造することができる。また、放熱板付パワーモジュール用基板５１は、一枚の放熱板３０により一体化されているので、樹脂圧が作用しても位置ずれや変形が生じ難く、位置精度を出しやすいことから、高集積化を図ることができる。
【００４４】
なお、上記実施形態では、平板状の放熱板を用いた放熱板付パワーモジュール用基板を構成したが、放熱板にピンフィン等の温度変化による形状変化の小さいフィンを設けることや、その他の放熱板の厚みが一様とされない形状を有する放熱板を用いることも可能である。この場合、平板部の厚さを放熱板の厚さｔ２とする。そして、このように複雑な形状を有する放熱板を用いた放熱板付パワーモジュール用基板においても、第１銅層に対する放熱板の関係、すなわち比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ１×σ２）が０．８０以上１．２０以下とする第１銅層と放熱板との関係を成立させることで、セラミックス基板１１を中心とした対称構造を構成することができる。
【００４５】
例えば、図５に示す第２実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板５２のように、放熱板３２が一様な平板状ではなく、厚みの異なる形状部分を有している場合においても、第１アルミニウム層１５と第１銅層１６との接合位置と、金属層１３と放熱板３２との接合位置とにおいて、第１銅層１６と放熱板３２との関係を比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８０以上１．２０以下となるように設定することで、セラミックス基板１１を中心とした対称構造を構成することができる。この場合、第１アルミニウム層１５と第１銅層１６との接合面積をＡ１（ｍｍ２）とし、金属層１３と放熱板３２との接合面積をＡ２（ｍｍ２）とする。このように、放熱板付パワーモジュール用基板５２では、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が１．００の場合、０．８０以上１．００未満の場合、１．００を超えて１．２０以下の場合において、第１実施形態と同様に良好にセラミックス基板１１を中心とした対称構造が構成される。したがって、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難く、反りを発生しにくくすることができ、良好な放熱性を発揮させることができる。
なお、接合面積Ａ１は、各パワーモジュール用基板２１における第１銅層１６の第１アルミニウム層１５に対する接合面積の総和である。同様に、接合面積Ａ２も、各パワーモジュール用基板２１における小金属層１３Ｓの放熱板３０に対する接合面積の総和である。
【００４６】
また、図６は、第３実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板５３を示している。この放熱板付パワーモジュール用基板５３においては、セラミックス基板１１は小回路層１２Ｓと同数の小セラミックス基板１１Ｓにより構成され、金属層１３が一枚で構成されている。そして、小回路層１２Ｓと小セラミックス基板１１Ｓとが接合された積層基板１４が、金属層１３上に間隔をあけて接合されることにより形成されたパワーモジュール用基板２３が、放熱板３０上に金属層１３を介して接合されることにより、放熱板付パワーモジュール用基板５３が形成されている。
【００４７】
この場合においても、第１アルミニウム層１５と第１銅層１６との接合位置と、金属層１３と放熱板３０との接合位置とにおいて、第１銅層１６と放熱板３０との関係を、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８０以上１．２０以下となるように設定することで、セラミックス基板１１を中心とした対称構造を構成することができる。この場合、第１アルミニウム層１５と第１銅層１６との接合面積をＡ１（ｍｍ２）とし、金属層１３と放熱板３０との接合面積をＡ２（ｍｍ２）とする。本実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板５３のように、接合面積Ａ１と接合面積Ａ２との面積が異なる場合でも、これらの接合部分における第１銅層１６と放熱板３０との関係を、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８０以上１．２０以下となるように設定することで、第１実施形態と同様に良好にセラミックス基板１１を中心とした対称構造が構成される。すなわち、放熱板付パワーモジュール用基板５３では、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が１．００の場合、０．８０以上１．００未満の場合、１．００を超えて１．２０以下の場合において、第１実施形態と同様に良好にセラミックス基板１１を中心とした対称構造が構成される。なお、接合面積Ａ１は、各積層基板１４における第１銅層１６の第１アルミニウム層１５に対する接合面積の総和である。
【００４８】
図７は、第４実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板５４を示している。この放熱板付パワーモジュール用基板５４においては、セラミックス基板１１が一枚で構成され、金属層１３が小回路層１２Ｓと同数の小金属層１３Ｓにより構成されている。そして、小回路層１２Ｓと小金属層１３Ｓとがセラミックス基板１１を介してそのセラミックス基板１１の面方向に間隔をあけて接合されたパワーモジュール用基板２４が、放熱板３０上に金属層１３を介して接合されることにより、放熱板付パワーモジュール用基板５４が形成されている。
【００４９】
このように、セラミックス基板１１が一枚で構成される場合においても第１アルミニウム層１５と第１銅層１６との接合位置と、小金属層１３Ｓと放熱板３０との接合位置とにおいて、第１銅層１６と放熱板３０との関係を、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８０以上１．２０以下となるように設定することで、セラミックス基板１１を中心とした対称構造を構成することができる。この場合、第１アルミニウム層１５と第１銅層１６との接合面積をＡ１（ｍｍ２）とし、金属層１３と放熱板３０との接合面積をＡ２（ｍｍ２）とする。このように、放熱板付パワーモジュール用基板５４では、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が１．００の場合、０．８０以上１．００未満の場合、１．００を超えて１．２０以下の場合において、第１実施形態と同様に良好にセラミックス基板１１を中心とした対称構造が構成される。そして、この第４実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板５４のように、線膨張係数が小さく、剛性が高いセラミックス基板１１を一枚で構成することにより、一層、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難くすることができるので、より反りの発生を防止する効果を高めることができる。なお、接合面積Ａ１は、各パワーモジュール用基板２４における第１銅層１６の第１アルミニウム層１５に対する接合面積の総和である。同様に、接合面積Ａ２も、各パワーモジュール用基板２４における小金属層１３Ｓの放熱板３０に対する接合面積の総和である。
【００５０】
図８は、第５実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板５５を示している。この放熱板付パワーモジュール用基板５５においては、セラミックス基板１１が一枚で構成されるとともに、金属層１３も一枚で構成される。そして、小回路層１２Ｓがセラミックス基板１１の一方の面に間隔をあけて接合され、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３が接合されたパワーモジュール用基板２５が、放熱板３０上に金属層１３を介して接合されることにより、放熱板付パワーモジュール用基板５５が形成されている。
【００５１】
このように、セラミックス基板１１が一枚で構成されるとともに、金属層１３が一枚で構成される場合においても、第１アルミニウム層１５と第１銅層１６との接合位置と、金属層１３と放熱板３０との接合位置とにおいて、第１銅層１６と放熱板３０との関係を、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８０以上１．２０以下となるように設定することで、セラミックス基板１１を中心とした対称構造を構成することができる。この場合、第１アルミニウム層１５と第１銅層１６との接合面積をＡ１（ｍｍ２）とし、金属層１３と放熱板３０との接合面積をＡ２（ｍｍ２）とする。このように、放熱板付パワーモジュール用基板５５では、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が１．００の場合、０．８０以上１．００未満の場合、１．００を超えて１．２０以下の場合において、第１実施形態と同様に良好にセラミックス基板１１を中心とした対称構造が構成される。そして、この場合においても、線膨張係数が小さく、剛性が高いセラミックス基板１１を一枚で構成することにより、一層、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難くすることができるので、より反りの発生を防止する効果を高めることができる。なお、接合面積Ａ１は、各小回路層１２Ｓにおける第１銅層１６の第１アルミニウム層１５に対する接合面積の総和である。
【００５２】
また、上記実施形態では、放熱板３０に２つの回路（小回路層１２Ｓ）を搭載した、いわゆる２ｉｎ１構造のパワーモジュールについて説明を行ったが、本発明の放熱板付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールの構造を用いれば、３つの回路を搭載した３ｉｎ１構造や、図９に示す放熱板付パワーモジュール用基板５６のように、放熱板３０に６つの回路（小回路層１２Ｓ）を搭載した６ｉｎ１構造への展開を容易に行うことが可能である。なお、図９においては、小回路層１２Ｓと放熱板３０とを除くセラミックス基板１１、金属層１３の図示を省略している。
さらに、半導体素子の両面に放熱板付パワーモジュール用基板をそれぞれ配置する構成とすることで、両面冷却構造とすることも可能である。
【００５３】
上記実施形態では、第１アルミニウム層１５と第１銅層１６とが直接固相拡散接合されており、金属層１３と放熱板３０，３２とが直接固相拡散接合されていたが、これに限定されず、第１アルミニウム層１５と第１銅層１６、及び、金属層１３と放熱板３０，３２のいずれか、又は、両方がチタン層を介して固相拡散接合された構成としても良い。
この場合、放熱板付パワーモジュール用基板が高温になった際に、ＡｌとＣｕの金属間化合物の成長を抑制することが可能となり、接合信頼性や寿命を向上させることができる。
チタン層の厚さは５μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。チタン層の厚さが５μｍ未満の場合、固相拡散接合時にチタン層が破れやすいため、ＡｌとＣｕの金属間化合物の成長を抑制する効果が低くなる。チタン層の厚さが５０μｍを超える場合、熱伝導が悪いチタン層が厚くなるため、放熱板付パワーモジュール用基板の熱抵抗の上昇が顕著になる。
【００５４】
なお、チタン層の存在が、反りに与える影響は、無視できる。また、チタン層を含む放熱板付パワーモジュール用基板を製造する方法としては、上記実施形態に記載された製造方法で製造する際に、第１アルミニウム層１５と第１銅板１６ａの間、又は、金属層１３と放熱板３０，３２の間にチタン箔を介在させて固相拡散接合を行えばよい。チタン箔の厚さは、５μｍ以上５０μｍ以下とするとよい。
【実施例】
【００５５】
次に、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明する。
放熱板付パワーモジュール用基板の試料として、厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板と、厚み０．６ｍｍの純度９９．９９質量％以上（４Ｎ）のアルミニウムからなる第１アルミニウム層及び金属層とを用意するとともに、第１銅層及び放熱板について、Ｃ１０２０（耐力＝１９５Ｎ／ｍｍ２）、又は三菱伸銅株式会社製耐熱合金ＺＣ（耐力＝２８０Ｎ／ｍｍ２）により、表１に示す厚さのものを用意した。なお、耐力の値は、室温（２５℃）時の値である。また、各部材の平面サイズは、表１に示すとおりに形成した。
そして、これらを上記実施形態で述べた接合方法により接合して、放熱板付パワーモジュール用基板の試料を作製した。表１の実施形態は、各試料がどの実施形態の製造方法で作成されたかを示している。また、従来例として、第１実施形態で述べた接合方法において回路層の第１銅層を接合せず、第１銅層が形成されていない放熱板付パワーモジュール用基板を作製した（表１の従来例１）。
【００５６】
表１において、「回路数」は、回路層を構成する小回路層の数を示す。また、セラミックス基板の「構成数」は、セラミックス基板が複数の小セラミックス基板で構成されている場合の小セラミックス基板の数であり、金属層の「構成数」は、金属層が複数の小金属層で構成されている場合の小金属層の数を示す。このため、例えばセラミックス基板が一枚で構成されている場合は、「構成数」は「１」と記載されている。なお、回路層、セラミックス基板及び金属層の平面サイズは、表１に示すとおりに形成した。また、放熱板は平板状であり、全体の平面サイズは１００ｍｍ×１００ｍｍとした。なお、表１の「比率」は、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）を示す。
【００５７】
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）、実装工程を想定した２８５℃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、放熱板の背面の平面度の変化を、モアレ式三次元形状測定機を使用して測定して評価した。なお、反り量は、回路層側に凸状に反った場合を正の反り量（＋）、回路層側に凹状に反った場合を負の反り量（−）とした。
また、半導体素子の実装工程における歩留まりを評価した。各試料１００個に対し、半導体素子を第１銅層上に実装し、実装位置から１００μｍ以上水平方向に位置ずれが発生したものを不良とし、不良となった個数が２個以下の場合を最も良好であるとして「◎」と、３個以上１０個未満の場合は良好であるとして「○」と、１０個以上の場合は不良であるとして「×」と評価した。
表１に結果を示す。
【００５８】
【表１】
0006488917.tif 000002
【００５９】
表１からわかるように、第１銅層を設けなかった従来例１では常温時及び加熱時における反り量が大きく、半導体素子を実装した際も不良が多くなることが確認された。これに対し、第１銅層を有し、比率（ｔ１×Ａ１×σ１）／（ｔ２×Ａ２×σ２）が０．８０以上１．２０以下とされた発明例１〜１４では、常温時の反り量及び加熱時の反り量が小さい放熱板付パワーモジュール基板が得られることが確認された。また、このような放熱板付パワーモジュール基板を用いることで、高い歩留りで半導体素子を実装することができることがわかる。
【００６０】
さらに、特に常温時の反り量が±１２０μｍ以下かつ常温時と加熱時の反り量の差分が１２０μｍ未満であった発明例１〜４，７〜１０，１２〜１４では、より高い歩留りで半導体素子を実装することが可能な放熱板付パワーモジュール用基板が得られることが分かった。
【００６１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、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】
【００６２】
１１  セラミックス基板
１２  回路層
１２Ｓ  小回路層
１３  金属層
１３ａ  金属層アルミニウム板
１３Ｓ  小金属層
１４  積層基板
１５  第１アルミニウム層
１５ａ  第１層アルミニウム板
１６  第１銅層
１６ａ  第１層銅板
１８  ろう材箔
１９  接合体
２１〜２５  パワーモジュール用基板
３０，３２  放熱板
３０ａ  露出面
４０  樹脂モールド
５１〜５６  放熱板付パワーモジュール用基板
６０  半導体素子
７０  外部接続用リードフレーム
８０  ヒートシンク
８１  天板部
８２  冷却部
８３  流路
１００  パワーモジュール
１１０  加圧装置
１１１  ベース板
１１２  ガイドポスト
１１３  固定板
１１４  押圧板
１１５  付勢手段
１１６  カーボンシート
【図１】
0006488917.tif 000003
【図２】
0006488917.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0006488917.tif 000008
【図７】
0006488917.tif 000009
【図８】
0006488917.tif 000010
【図９】
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