(57)【要約】【課題】セラミックス板が割れるのを抑制する。【解決手段】セラミックス母材の表面にレーザ加工が施されて形成されたスクライブラインに沿って、このセラミックス母材が分割されたセラミックス板１１において、その一方の表面１１ａに回路層１２がろう付けされるとともに、他方の表面１１ｂに金属層１３がろう付けされてなり、回路層１２に半導体チップ１６がはんだ接合されるとともに、金属層１３にヒートシンク１７が接合されるパワーモジュール用基板１４であって、セラミックス板１１の側面１１ｄにおいて前記レーザ加工が施されて形成されたレーザ加工部１１ｃが、金属層１３側に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス母材の表面にレーザ加工が施されて形成されたスクライブラインに沿って、このセラミックス母材が分割されたセラミックス板において、その一方の表面に回路層がろう付けされるとともに、他方の表面に金属層がろう付けされてなり、回路層に半導体チップがはんだ接合されるとともに、金属層にヒートシンクが接合されるパワーモジュール用基板であって、
セラミックス板の側面において前記レーザ加工が施されて形成されたレーザ加工部が、金属層側に配置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】
セラミックス板において、その一方の表面に回路層がろう付けされるとともに、他方の表面に金属層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層の表面にはんだ接合された半導体チップと、金属層の表面に接合されたヒートシンクとを備えたパワーモジュールであって、
前記パワーモジュール用基板が請求項１記載のパワーモジュール用基板であ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】
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およびパワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のパワーモジュール用基板は、例えば下記特許文献１に示されるように、セラミックス母材の表面にレーザ加工が施されて形成されたスクライブラインに沿って、このセラミックス母材が分割されたセラミックス板において、その一方の表面に回路層がろう付けされるとともに、他方の表面に金属層がろう付けされている。そして、回路層に半導体チップがはんだ接合されるとともに、金属層にヒートシンクが接合されてパワーモジュールが構成されている。
そして、従来から、パワーモジュールを形成した後これを冷却する際、あるいはこのパワーモジュールを熱サイクル下で使用する過程において温度が低下した際、パワーモジュールが半導体チップ側が凸となるように反ってセラミックス板が割れるおそれがあった。
【特許文献１】特開２００３−０８６７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、本願発明者等は、鋭意研究した結果、セラミックス母材の表面にレーザ加工を施した際、溝状のスクライブラインを画成する側壁が熱によりガラス化（アモルファス化）し、さらにこの部分にその後の冷却により微小なクラックが発生し、セラミックス板の側面におけるこのようなレーザ加工部を回路層側に配置するようにしてパワーモジュールを形成すると、このパワーモジュールを形成した後これを冷却する際、あるいはこのパワーモジュールを熱サイクル下で使用する際に、前記クラックが拡がって進展することにより、セラミックス板の反り量が大きくなりさらには割れが生じ易くなることを見出した。
【０００４】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、セラミックス板が割れるのを抑制することができるパワーモジュール用基板およびパワーモジュール用基板の製造方法並びに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】
【０００５】
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、セラミックス母材の表面にレーザ加工が施されて形成されたスクライブラインに沿って、このセラミックス母材が分割されたセラミックス板において、その一方の表面に回路層がろう付けされるとともに、他方の表面に金属層がろう付けされてなり、回路層に半導体チップがはんだ接合されるとともに、金属層にヒートシンクが接合されるパワーモジュール用基板であって、セラミックス板の側面において前記レーザ加工が施されて形成されたレーザ加工部が、金属層側に配置されていることを特徴とする。
この発明によれば、セラミックス板の側面において前記レーザ加工が施されて形成されたレーザ加工部が、金属層側に配置されているので、パワーモジュールを形成した後これを冷却する際、あるいはこのパワーモジュールを熱サイクル下で使用する過程において温度が低下した際、パワーモジュールに半導体チップ側が凸となるように反りが生ずると、セラミックス板はレーザ加工部を構成する微小なクラックが閉じるように反ることになり、このクラックが起点となって亀裂が進展しセラミックス板が割れ易くなるのを防ぐことができる。
【０００６】
また、本発明のパワーモジュールは、セラミックス板において、その一方の表面に回路層がろう付けされるとともに、他方の表面に金属層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層の表面にはんだ接合された半導体チップと、金属層の表面に接合されたヒートシンクとを備えたパワーモジュールであって、前記パワーモジュール用基板が請求項１記載のパワーモジュール用基板であることを特徴とする。
この場合、セラミックス板の割れの発生が抑制されたパワーモジュールを形成することができる。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、セラミックス板が割れるのを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
このパワーモジュール１０は、セラミックス板１１においてその一方の表面１１ａに回路層１２がろう付けされるとともに、他方の表面１１ｂに金属層１３がろう付けされたパワーモジュール用基板１４と、回路層１２の表面にはんだ層１５を介してはんだ接合された半導体チップ１６と、金属層１３の表面にろう付けされたヒートシンク１７とを備えている。
【０００９】
ここで、これらの各部材を形成する材質としては、例えば、セラミックス板１１ではＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等が挙げられ、回路層１２、金属層１３およびヒートシンク１７では純Ａｌ、純Ｃｕ、Ａｌ合金若しくはＣｕ合金等が挙げられる。また、セラミックス板１１と回路層１２および金属層１３とをそれぞれろう付けするろう材、および金属層１３とヒートシンク１７とをろう付けするろう材では、例えばＡｌ−Ｓｉ系等のＡｌ系のろう材が挙げられる。なお、回路層１２および金属層１３は、純度が９９．９８ｗｔ％以上の純Ａｌ若しくはＡｌ合金、または純度が９９．９９９ｗｔ％の純Ｃｕにより形成されるのが望ましい。
【００１０】
また、セラミックス板１１は例えば一辺が３０ｍｍ以上６０ｍｍ以下の平面視正方形とされ、回路層１２の厚さは例えば０．４ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とされ、金属層１３は例えば０．４ｍｍ以上３．６ｍｍ以下とされている。
【００１１】
そして、本実施形態では、セラミックス板１１は、セラミックス母材の表面にレーザ加工が施されて形成された溝状のスクライブラインに沿って、このセラミックス母材が分割されて形成され、金属層１３が接合されたセラミックス板１１の他方の表面１１ｂは、セラミックス母材の前記表面、つまり前記レーザ加工が施されたレーザ加工面とされている。すなわち、セラミックス板１１の側面１１ｄにおいて前記レーザ加工が施されて形成されたレーザ加工部１１ｃ、つまり前記セラミックス母材において溝状のスクライブラインを画成する側壁が、金属層１３側に配置されている。レーザ加工部１１ｃは、セラミックス板１１の側面１１ｄにおける前記他方の表面１１ｂ側の部分に形成され、前記レーザ加工により、ガラス質（アモルファス化）とされるとともに、多数の微小なクラックが生成されている。一方、セラミックス板１１の側面１１ｄにおいて前記一方の表面１１ａ側、および前記一方の表面１１ａおよび前記他方の表面１１ｂは、ガラス質ではなく、しかも前記のような微小なクラックも生成されておらず略平滑面とされている。
【００１２】
次に、以上のように構成されたパワーモジュール用基板１４の製造方法について説明する。
まず、セラミックス母材の表面にレーザ加工（例えば、ＣＯ２レーザ若しくはＹＡＧレーザ（単波長）等）を施して溝状のスクライブラインを格子状に形成した後に、この表面において各格子の内側に金属層１３をそれぞれろう付けするとともに、セラミックス母材の裏面において前記各格子の内側と対応する部分に回路層１２をそれぞれろう付けし、その後、前記スクライブラインに沿ってセラミックス母材を分割することにより、パワーモジュール用基板１４を形成する。
【００１３】
以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール用基板によれば、セラミックス板１１の側面１１ｄにおいて前記レーザ加工が施されて形成されたレーザ加工部１１ｃが、金属層１３側に配置されているので、パワーモジュール１０を形成した後これを冷却する際、あるいはこのパワーモジュール１０を熱サイクル下で使用する過程において温度が低下した際、パワーモジュール１０に半導体チップ１６側が凸となるように反りが生ずると、セラミックス板１１はレーザ加工部１１ｃを構成する微小なクラックが閉じるように反ることになり、このクラックが起点となって亀裂が進展しセラミックス板１１が割れ易くなるのを防ぐことができる。
【００１４】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の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。
例えば、パワーモジュール１０を構成する各部材の材質や寸法は前記実施形態に限られるものではない。
また、パワーモジュール用基板１４を形成する方法として、前記実施形態に代えて、例えば、セラミックス母材の表面に前記スクライブラインを格子状に形成した後に、このスクライブラインに沿ってセラミックス母材を分割してセラミックス板１１を形成し、その後、このセラミックス板１１の他方の表面１１ｂ（セラミックス母材の表面）に金属層１３をろう付けするとともに、セラミックス板１１の一方の表面１１ａ（セラミックス母材の裏面）に回路層１２をろう付けすることによって、パワーモジュール用基板１４を形成してもよい。
【００１５】
あるいは、これに代えて、例えば、セラミックス母材の表面に金属層１３をろう付けするとともに、セラミックス母材の裏面において、この母材の表面に金属層１３をろう付けする位置と対応する位置に回路層１２をろう付けし、その後、セラミックス母材の表面において金属層１３がろう付けされた周辺部分に、この金属層１３の外周縁に沿って延びるスクライブラインを形成した後に、このスクライブラインに沿ってセラミックス母材を分割することにより、パワーモジュール用基板１４を形成してもよい。
【００１６】
次に、以上説明した作用効果についての検証試験を実施した。
平面視正方形とされたセラミックス板の一辺の長さ、回路層および金属層の各厚さのうち少なくとも１つを異ならせた複数種のパワーモジュール用基板を有するパワーモジュールを形成し、これらのパワーモジュールを、−４０℃から１０５℃に約１０分間で昇温した後、１０５℃から−４０℃に１０分間で降温する温度履歴を１サイクルとした熱サイクルを１０００サイクル付与した。その後、各パワーモジュールのセラミックス板に割れが生じたか否かを目視により確認した。なお、実施例では、セラミックス板の前記レーザ加工面に金属層をろう付けした構成を採用し、比較例では、セラミックス板の前記レーザ加工面に回路層をろう付けした構成を採用した。
その結果、セラミックス板、回路層および金属層の各寸法の相違によらず、前記比較例では、１０００サイクル後にセラミックス板に割れが生じていることが目視により確認される一方、前記実施例ではこの割れが生じていないことが確認された。
【００１７】
次に、セラミックス板を３点曲げ試験にかけて抗折強度を測定した。
まず、セラミックス板の前記レーザ加工面を押圧する３点曲げ試験では、抗折強度が約５００ＭＰａであったのに対し、前記レーザ加工面と反対側の表面を押圧する３点曲げ試験では、抗折強度が約３２０ＭＰａであることが確認された。これにより、前記レーザ加工面が圧縮変形するようにセラミックス板が反れば、すなわち、セラミックス板１１のレーザ加工面としての前記他方の表面１１ｂに金属層１３がろう付けされたパワーモジュール１０が、半導体チップ１６側が凸となるように反れば、セラミックス板に割れが生じ難くなることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
セラミックス板が割れるのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０  パワーモジュール
１１  セラミックス板
１１ａ  一方の表面
１１ｂ  他方の表面
１１ｃ  レーザ加工部
１１ｄ  側面
１２  回路層
１３  金属層
１４  パワーモジュール用基板
１６  半導体チップ
１７  ヒートシンク
【図１】
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