(57)【要約】【課題】ロウ材の回り込みの発生を抑制したパワーモジュール用基板を提供すること。【解決手段】セラミックス基板１１が、金属層１２や回路層１３それぞれの配置領域の外周縁を含む外側及び内側に該外周縁に沿って形成された粗面部１４ａ、１５ａと、前記配置領域において粗面部１４ａ、１５ａによって囲まれて粗面部１４ａ、１５ａよりも平滑な平滑部１４ｂ、１５ｂとを有しており、粗面部１４ａ、１５ａの算術平均粗さが、０．４μｍ以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の表面に板状の金属部材がロウ付け接合された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、前記金属部材の配置領域の外周縁を含む外側及び内側に該外周縁に沿って形成された粗面部と、前記配置領域において該粗面部によって囲まれて該粗面部よりも平滑な平滑部とを有しており、
前記粗面部の算術平均粗さが、０．４μｍ以上であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項２】
前記粗面部の算術平均粗さが、２．０μｍ未満であ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】
前記粗面部における前記外周縁の内側の幅が、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記平滑部の算術平均粗さが、０．４μｍ未満であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の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、前記粗面部の外周に連続して形成されて該粗面部よりも平滑な他の平滑部を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項６】
前記他の平滑部の算術平均粗さが、０．４μｍ未満であ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体チップなどの電子部品が実装されるパワーモジュール用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のパワーモジュールは、一般にＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＡｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化シリコン）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）などで形成されたセラミックス基板の上面に配置された回路層と下面に配置された金属層とを有するパワーモジュール用基板と、回路層上に搭載された発熱体である半導体チップと、金属層の下面に配設されたヒートシンクとを備えている（例えば、特許文献１参照）。そして、半導体チップで発生した熱を、金属層を介してヒートシンク中の冷却水へ放散させる構成となっている。
ここで、金属層や回路層は、純アルミニウムやアルミニウム合金などで形成された板状部材であり、セラミックス基板の表面にロウ付けまたはハンダ付けして接合されている。
【特許文献１】特開平１０−２４２３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来のパワーモジュール用基板には、以下の課題が残されている。すなわち、回路層や金属層をセラミックス基板にロウ付け接合する際、ロウ材が回路層や金属層の外面に回り込んでしまう。そのため、外面に回り込んだロウ材によりワイヤボンディング時のワイヤの接着性が低下するという問題がある。
【０００４】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ロウ材の回り込みの発生を抑制したパワーモジュール用基板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】
【０００５】
本発明は、上記のような課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の表面に板状の金属部材がロウ付け接合された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、前記金属部材の配置領域の外周縁を含む外側及び内側に該外周縁に沿って形成された粗面部と、前記配置領域において該粗面部によって囲まれて該粗面部よりも平滑な平滑部とを有しており、前記粗面部の算術平均粗さが、０．４μｍ以上であることを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、粗面部によりロウ材がヌレ広がりにくくなるので、金属部材の外面にロウ材が回り込むことを抑制できる。すなわち、表面の算術平均粗さが０．４μｍ以上である粗面部を少なくとも配置領域の外周縁を含む内側及び外側の領域に形成することで、金属部材とセラミックス基板との間にロウ材を配置した状態でロウ材を加熱溶融しても、ロウ材が配置領域の外側にヌレ広がりにくくなる。このため、溶融したロウ材が金属部材の側面を介して外面にヌレ広がることを抑制できる。したがって、金属部材の外面にロウ材が回り込みにくくなり、ワイヤボンディング時のワイヤの接着性を向上させることができる。また、粗面部の内側に表面の算術平均粗さが粗面部よりも小さい平滑部を形成することにより、金属部材とセラミックス基板との接合性が確保される。
【０００７】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、前記粗面部の算術平均粗さが、２．０μｍ未満であることが好ましい。
この発明によれば、粗面部の算術平均粗さを０．４μｍ以上２．０μｍ未満にすることで、粗面部に溶解したロウ材が溜まることを防止し、粗面部における金属部材とセラミックス基板との十分な接合性を確保できる。
【０００８】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、前記粗面部における前記外周縁の内側の幅が、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることが好ましい。
この発明によれば、粗面部における配置領域の外周縁よりも内側の幅を０．５ｍｍ以上にすることでよりロウ材を回り込みにくくすることができると共に、１．５ｍｍ以下にすることで、金属部材とセラミックス基板との接合性を維持できる。
【０００９】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、前記平滑部の算術平均粗さが、０．４μｍ未満であることが好ましい。
この発明によれば、平滑部において金属部材とセラミックス基板とを十分な強度で接合することで、粗面部における接合強度によらず金属部材とセラミックス基板とを接合できる。
【００１０】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、前記セラミックス基板が、前記粗面部の外周に連続して形成されて該粗面部よりも平滑な他の平滑部を有していることが好ましい。
この発明によれば、粗面部の端部までヌレ広がったロウ材を他の平滑部にヌレ広がらせることにより、ロウ材が金属部材の側面にヌレ広がりにくくすることができる。
【００１１】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、前記他の平滑部の算術平均粗さが、０．４μｍ未満であることが好ましい。
この発明によれば、側面部の端部までヌレ広がったロウ材をより確実に他の平滑部にヌレ広がらせることができる。これにより、ロウ材が金属部材の外面にヌレ広がることをより抑制できる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明にかかるパワーモジュール用基板によれば、ロウ材が金属部材におけるセラミックス基板から離間する側の面にロウ材が回り込みにくくなるので、ワイヤの接着性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明によるパワーモジュール用基板の一実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００１４】
本実施形態におけるパワーモジュール用基板１は、図１に示すように、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の下面に配置された金属層（金属部材）１２と、セラミックス基板１１の上面に配置された複数の回路層（金属部材）１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、例えばＡｌＮやＡｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣなどの板状のセラミックス材料によって構成されている。ここで、セラミックス基板１１は、その厚さが例えば０．６３５ｍｍとなっている。
【００１５】
そして、セラミックス基板１１の下面には、金属層１２の配置領域の外周縁を含む外側及び内側に粗面部１４ａが枠状に形成されている。また、セラミックス基板１１の下面には、粗面部１４ａで囲まれた平滑部１４ｂが粗面部１４ａと連続して形成されていると共に、粗面部１４ａの外側を囲む平滑部（他の平滑部）１４ｃが粗面部１４ａと連続して形成されている。
同様に、セラミックス基板１１の上面には、回路層１３の配置領域の外周縁を含む外側及び内側に粗面部１５ａが枠状に形成されている。また、セラミックス基板１１の上面には、粗面部１５ａで囲まれた平滑部１５ｂが粗面部１５ａと連続して形成されていると共に、粗面部１５ａの外側を囲む平滑部（他の平滑部）１５ｃが粗面部１５ａと連続して形成されている。
【００１６】
粗面部１４ａ、１５ａそれぞれの算術平均粗さＲａは、０．４μｍ以上２．０μｍ未満（ＪＩＳ  Ｂ０６０１）となっている。そして、粗面部１４ａは、金属層１２の配置領域の外周縁よりも外側の幅が０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であると共に、金属層１２の配置領域の外周縁よりも内側の幅が０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下となっている。同様に、粗面部１５ａは、回路層１３の配置領域の外周縁よりも外側の幅が０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であると共に、回路層１３の配置領域の外周縁よりも内側の幅が０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下となっている。
平滑部１４ｂ、１４ｃ、１５ｂ、１５ｃそれぞれは、粗面部１４ａ、１５ａよりも平滑であって、その算術平均粗さＲａが０．４μｍ未満となっている。
【００１７】
金属層１２は、例えばＡｌ（アルミニウム）のような高熱伝導率を有する金属により形成されており、ロウ材層１６によってセラミックス基板１１に接合固定されている。ここで、金属層１２の厚さは、例えば０．６ｍｍとなっている。また、ロウ材層１６は、例えばＡｌ−Ｓｉ（珪素）系（例えばＡｌ：９３重量％、Ｓｉ：７重量％、厚さ１０μｍ以上１５μｍ）またはＡｌ−Ｇｅ（ゲルマニウム）系のロウ材により形成されている。
【００１８】
回路層１３は、金属層１２と同様に、例えばＡｌのような高熱伝導率を有する金属により形成されており、間隔を適宜あけて配置されることで回路を構成する。そして、回路層１３は、ロウ材層１７によってセラミックス基板１１に接合固定されている。ここで、回路層１３の厚さは、例えば０．６ｍｍとなっている。また、ロウ材層１７は、例えばＡｌ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｇｅ系のロウ材により形成されている。
また、回路層１３の上面には、電子部品１８がハンダ層１９によって固着される。ここで、電子部品１８としては、例えば半導体チップが適用可能であり、半導体チップとしてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワーデバイスが挙げられる。
【００１９】
次に、以上のような構成のパワーモジュール用基板１の製造方法について説明する。
まず、表面の算術平均粗さＲａが０．４μｍ未満であるセラミックス基板１１の上下両面に所定の開口領域を有するマスク（図示略）を形成した後、この開口領域から露出した部分に対してサンドブラスト加工を施す。これにより、表面の算術平均粗さＲａが０．４μｍ以上２．０μｍ未満である粗面部１４ａ、１５ａを形成する。
【００２０】
次に、金属層１２及び回路層１３をそれぞれセラミックス基板１１の上下両面に配置する。すなわち、金属層１２、セラミックス基板１１及び回路層１３を積層する。ここで、金属層１２とセラミックス基板１１との間には、ロウ材箔（図示略）が配置されている。また、回路層１３とセラミックス基板１１との間にも、ロウ材箔（図示略）が配置されている。
ロウ材箔の厚さは、例えば１０μｍ以上２０μｍ以下となっている。そして、ロウ材箔は、揮発性有機溶剤によりセラミックス基板１１に貼り付けられている。ここで、この揮発性有機溶剤の粘度は、１×１０−３Ｐａ・ｓ以上であることが好ましく、２０×１０−３Ｐａ・ｓ以上１５００×１０−３Ｐａ・ｓ以下であることがより好ましい。また、揮発性有機溶剤の表面張力は、８０×１０−３Ｎ／ｍ以下であることが好ましく、２０×１０−３Ｎ／ｍ以上６０×１０−３Ｎ／ｍ以下であることがより好ましい。また、揮発性有機溶剤の揮発温度は、ロウ材箔の融点温度以下であって、具体的には４００℃以下であることが好ましく、３００℃以下であることがより好ましい。なお、揮発性有機溶剤としては、例えば２〜３価の多価アルコールやオクタンジオールなどが挙げられる。
【００２１】
そして、金属層１２、セラミックス基板１１及び回路層１３からなる積層体をカーボンヒータ（図示略）で挟持し、この積層体を加圧しながら加熱する。これにより、上述したロウ材箔が加熱溶融してロウ材層１６、１７となり、金属層１２がセラミックス基板１１の下面にロウ付けされると共に、回路層１３がセラミックス基板１１の上面にロウ付けされる。
【００２２】
このとき、加熱溶融したロウ材箔は、金属層１２の配置領域の外周縁を含む外側及び内側に粗面部１４ａが形成されているため、溶融したロウ材が粗面部１４ａにおいてヌレ広がりにくくなる。これにより、金属層１２の側面にヌレ広がるロウ材量が抑制される。また、粗面部１４ａの端部までロウ材がヌレ広がっても、粗面部１４ａの外側に平滑部１４ｃが形成されているため、セラミックス基板１１の表面でロウ材がヌレ広がりやすくなる。これによっても、金属層１２の側面にヌレ広がるロウ材量が抑制される。また、粗面部１４ａ、１５ａの算術平均粗さＲａが２．０μｍ未満であるため、溶融したロウ材が粗面部１４ａ、１５ａに溜まることを抑制する。
そして、粗面部１４ａの内側に平滑部１４ｂが形成されているため、平滑部１４ｂにおいて金属層１２とセラミックス基板１１とが十分な強度で接合される。
また、回路層１３とセラミックス基板１１とにおいても、上述と同様に回路層１３の側面にヌレ広がるロウ材量を抑制すると共に、平滑部１５ｂにおいて回路層１３とセラミックス基板１１とを十分な強度で接合する。
なお、揮発性有機溶剤は、ロウ材箔の溶融温度以下の温度で揮発するため、積層体の加熱時に揮発して除去される。
以上のようにして、図１に示すようなパワーモジュール用基板１を製造する。
【００２３】
ここで、セラミックス基板１１に粗面部１４ａ、１５ａを形成した場合と形成しない場合とにおける金属層１２や回路層１３の外面へのロウ材のヌレ広がりを評価した。ここでは、金属層１２や回路層１３の側面にヌレ広がったロウ材の面取り形状やセラミックス基板１１や金属層１２、回路層１３へのロウ材の侵食状態などに基づいてロウ材のヌレ広がりを評価している。この結果、セラミックス基板１１に粗面部１４ａ、１５ａを形成することにより、ロウ材が金属層１２や回路層１３の外面に回り込むことを抑制できることを確認した。
【００２４】
以上のような構成のパワーモジュール用基板１は、例えば図２に示すようなパワーモジュール３０に用いられる。このパワーモジュール３０は、上述のパワーモジュール用基板１と、電子部品１８と、冷却器３１と、放熱板３２とを備えている。
冷却器３１は、水冷式のヒートシンクであって、内部に冷媒である冷却水が流通する流路が形成されている。
放熱板３２は、平面視でほぼ矩形状の平板形状を有しており、例えばＡｌやＣｕ、ＡｌＳｉＣ（アルミシリコンカーバイド）、Ｃｕ−Ｍｏ（モリブデン）などで形成されている。そして、放熱板３２は、熱伝導グリースなどを介して冷却器３１に対してネジ３３により固定されている。また、放熱板３２とパワーモジュール用基板１の金属層１２とは、ハンダ層３４により接合されている。なお、放熱板３２と金属層１２とは、ロウ付けにより接合されてもよい。このとき、パワーモジュール用基板１の製造時において、金属層１２、セラミックス基板１１及び回路層１３の積層体に放熱板３２をさらに積層した状態で各部材を一括してロウ付けしてもよい。また、パワーモジュール３０は、放熱板３２を設けずに冷却器３１の上面にパワーモジュール用基板１を設ける構成としてもよい。
【００２５】
このようなパワーモジュール用基板１によれば、粗面部１４ａ、１５ａにより金属層１２や回路層１３の配置領域の外側にロウ材がヌレ広がりにくくなるため、金属層１２及び回路層１３の外面にロウ材が回り込むことを抑制できる。これにより、ワイヤボンディング時のワイヤの接着性が向上する。
ここで、粗面部１４ａ、１５ａの算術平均粗さＲａを０．４μｍ以上２．０μｍ未満とすることで、粗面部１４ａ、１５ａにおけるセラミックス基板１１と金属層１２または回路層１３との十分な接合性を確保できる。また、粗面部１４ａ、１５ａにおいて金属層１２または回路層１３の配置領域の外周縁よりも内側の幅を０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下にすることで、金属層１２または回路層１３とセラミックス基板１１との接合性が維持される。
そして、粗面部１４ａ、１５ａそれぞれの内側に算術平均粗さＲａが０．４μｍ未満である平滑部１４ｂ、１５ｂを形成することで、金属層１２または回路層１３とセラミックス基板１１との十分な接合性を確保できる。
さらに、粗面部１４ａ、１５ａの外側に算術平均粗さＲａが０．４μｍ以下である平滑部１４ｃ、１５ｃを形成することで、粗面部１４ａ、１５ａの端部にヌレ広がったロウ材を平滑部１４ｃ、１５ｃにヌレ広がらせることができる。これにより、金属層１２または回路層１３の外面にロウ材が回り込むことをより確実に抑制できる。
【００２６】
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できる。
例えば、表面が平滑なセラミックス基板にサンドブラスト加工を施すことにより粗面部を形成しているが、例えばホーニング処理など、他の方法により粗面部を形成してもよい。また、表面が粗いセラミックス基板を部分的に平滑にすることで平滑部を形成してもよい。
また、粗面部の算術平均粗さＲａは、金属層または回路層とセラミックス基板との十分な接合強度が得られれば、２．０μｍ以上であってもよい。
そして、平滑部の算術平均粗さＲａは、粗面部の算術平均粗さＲａよりも小さいと共に金属層または回路層とセラミックス基板との十分な接合強度が得られれば、０．４μｍより大きくてもよい。
さらに、粗面部の外側に平滑部を連続して形成しているが、金属層または回路層の外面へのロウ材の回り込みを抑制できれば、粗面部の外側に平滑部を形成しなくてもよい。ここで、他の平滑部の算術平均粗さＲａは、粗面部の算術平均粗さＲａよりも小さいと共に金属層または回路層とセラミックス基板との十分な接合強度が得られれば、０．４μｍより大きくてもよい。
また、粗面部における金属層または回路層の配置領域の外周縁よりも内側における幅を０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下としているが、金属層または回路層の外面へのロウ材の回り込みを抑制すると共に金属層または回路層とセラミックス基板との十分な接合強度が得られれば、この範囲に限られない。
【００２７】
また、金属層または回路層とセラミックス基板とがロウ材箔を用いて接合されているが、ペースト状のロウ材を用いて接合してもよい。
そして、複数の回路層を適宜間隔をあけて配置することにより回路を形成しているが、接合工程の後に回路層をエッチングして適宜分断することによって回路を形成してもよい。
【００２８】
また、パワーモジュール用基板は、セラミックス基板の下面に金属層を接合しているが、金属層を設けずにセラミックス基板の下面に放熱板や冷却器を直接接合する構成としてもよい。
そして、水冷式の冷却器としているが、空冷式の冷却器であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
この発明によれば、ロウ材の回り込みの発生を抑制したパワーモジュール用基板に関して、産業上の利用可能性が認められる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態におけるパワーモジュール用基板を示すもので、（ａ）が構成図、（ｂ）が分解斜視図である。
【図２】図１のパワーモジュール用基板を備えるパワーモジュールを示す構成図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板
１２  金属層（金属部材）
１３  回路層（金属部材）
１４ａ，１５ａ  粗面部
１４ｂ，１５ｂ  平滑部
１４ｃ，１５ｃ  平滑部（他の平滑部）
【図１】
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【図２】
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