(57)【要約】      （修正有）【課題】セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクから構成されるモジュール構造体の形状変化やそり変化を小さくし、長期に渡って高い信頼性を維持する。【解決手段】金属製ヒートシンクにセラミックス回路基板を、アルミニウムが主成分の金属板（Ａ）を介して接合してなるモジュール部材において、（１）前記金属板（Ａ）の厚みを４００μｍ以上１２００μｍ以下とする。（２）前記金属製ヒートシンクを６３０℃、４分の加熱処理後のビッカース硬さが３０ＨＶ以上であるアルミニウム合金とする。（３）前記セラミックス回路基板上の回路形成金属板（Ｂ）の所望の位置に搭載された発熱性電気部品を順次設け、かつ、前記金属板（Ｂ）及び／又は前記金属製ヒートシンクの表面に切欠部を設け、前記切欠部が前記発熱性電気部品の金属板（Ｂ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部以外の領域に設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製ヒートシンクにセラミックス回路基板を、アルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）を介して、接合してなるモジュール構造体であって、前記アルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）の厚みが４００μｍ以上１２００μｍ以下であることを特徴とするモジュール構造体。
【請求項２】
ヒートシンクが６３０℃、４分の加熱処理後のビッカース硬さが３０ＨＶ以上であるアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１記載のモジュール構造体。
【請求項３】
前記金属板（Ａ）が、セラミックス回路基板および金属製ヒートシンクに、ろう材を介して接合されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のモジュール構造体。
【請求項４】
ろう材が、Ａｌを主成分とし、Ｍｇと、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ及びＡｇからなる群から選ばれる１種以上とを含有することを特徴とする請求項３記載のモジュール構造体。
【請求項５】
請求項１、請求項２、請求項３、または請求項４記載のモジュール構造体を用い、セラミックス回路基板の金属板（Ａ）と反対側に設けられた回路形成されている金属板（Ｂ）上に、所望の位置に搭載された発熱性電気部品を設け、しかも前記金属板（Ａ）及び／又は前記金属製ヒートシンクの表面に切欠部を設けたモジュールであって、当該モジュールの断面を想定したときに、前記切欠部が前記発熱性電気部品の金属板（Ｂ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域に設けられていることを特徴とするモジュール。
【請求項６】
切欠部が、金属板（Ａ）の金属製ヒートシンクに接する側の表面に設けられていることを特徴とする請求項５記載のモジュール。
【請求項７】
切欠部が、当該モジュールの発熱性電気部品のある側から眺めたときに、セラミックス基板に覆われた金属製ヒートシンク表面に設けられていることを特徴とする請求項５又は請求項６記載のモジュール。
【請求項８】
切欠部が、当該モジュールの発熱性電気部品のある側から眺めたときに、セラミックス基板に覆われていない金属製ヒートシンク表面に設けられていることを特徴とする請求項５、請求項６または請求項７記載のモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー素子等の発熱電気部品を搭載したセラミックス回路基板と金属製ヒートシンクからなるモジュールに関し、こと電源用途に好適に用いられるモジュールと、それに用いられるモジュール構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーエレクトロニクスの進歩により、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴなどのパワーデバイスにより制御される機器が急速に増えつつある。中でも、電鉄、車両などの移動機器において、パワーデバイス化が急速に進んでいる。また、環境問題への関心の高まりと共に、電気自動車やガソリンエンジンと電気モーターを併用するハイブリッドカー等が市販され始めており、それらに搭載されるパワーモジュールの需要の伸びが期待されている。この様な用途には、その使用目的から、格別に高い信頼性が要求されている。
【０００３】
従来のパワーモジュールでは、半導体素子等で発生する熱を外に逃がして、半導体素子の温度が所定の温度以上に上がらないようにするため、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス回路基板上に半田付けにより半導体素子を搭載し、それを銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属からなるヒートシンクに半田付けしてなる構造が一般的であった。
【０００４】
しかし、この様な構造の場合、半導体素子の動作に伴う繰り返しの熱サイクルや動作環境における温度変化等を被ったときに、セラミックス回路基板とヒートシンクの間の半田層にクラックが発生する場合がある。半田層にクラックが発生するのは、セラミックス基板とヒートシンクとの熱膨張差により発生する熱応力のためである。そして、半田層のクラック（以下、単に「半田クラック」ともいう）の存在は、半導体素子で発生した熱の放散性を低下させ、半導体素子の温度が上昇し、その結果、半導体素子が劣化し、パワーモジュール全体の信頼性を低下させる。
【０００５】
また、半導体装置の高集積化、大電力化に伴って、より高い放熱性が求められているとともに、環境汚染の面から半田の鉛フリー化が望まれている。しかし、いわゆる鉛フリー半田は、現在多用されているＰｂ−Ｓｎ系半田に比べて熱伝導率は高いものの信頼性が劣っているという問題がある。
【０００６】
これらの問題を避けるために、熱膨張率がよりセラミックス基板に近いＡｌ−ＳｉＣ複合材あるいはＣｕ−Ｍｏ複合材をヒートシンクに用いることが検討されているが、従来の金属製ヒートシンクに比べて特殊な方法により製造せざるを得ない上に、加工工程や表面処理工程のコストが高く、金属製ヒートシンクより遙かに高価になるという問題がある。
【０００７】
一方、半田に代えてろう材を用いてヒートシンクとセラミックス回路基板とを直接に接合することにより、半田クラックの発生を避け、同時に熱放散性も改善する試みがなされている（特開平９−９７８６５号公報、特開平１０−２７０５９６号公報参照）。
【０００８】
しかし、この場合には、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクとの熱膨張差により発生した熱応力により、接合界面の剥離やセラミックス基板の割れが起こりやすくなり、かつ、セラミックス回路基板上の半導体素子の下の半田に加わる応力も大きくなるため、半導体素子の下の半田クラックが一層発生しやすくなるという問題がある。また、パワーモジュール組み立て工程や実使用条件下で受ける熱履歴によって、ヒートシンクの形状や反りが大きく変化し、パワーモジュールの組み立て時に不都合が生じたり、ヒートシンクと放熱ブロックとの密着性の低下による熱放散性の低下が起きる場合がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、パワーモジュール組み立て工程や実使用条件下で受ける熱履歴によっても、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクから構成されるモジュール構造体の形状変化が小さく、組み立てが容易であり、そして、接合界面での剥離、セラミックス基板の割れ、半田層にクラック等の異状が発生し難く、かつ熱放散性のよい、長期に渡って高い信頼性を維持することのできるモジュールを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的を達成するべく種々の実験的検討を重ね、セラミックス基板と金属製ヒートシンクとの間に応力緩衝層を設けた構造体において、金属製ヒートシンク及び応力緩衝層となる金属板に種々の対策を設けるとき、得られるモジュール構造体が、組み立て工程や実使用条件下における熱履歴を受けても、形状変化や反り変化が小さく、しかも熱放散性が損なわれないことを見いだし、本発明に至ったものである。
【００１１】
即ち、本発明は、金属製ヒートシンクにセラミックス回路基板を、アルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）を介して、接合してなるモジュール構造体であって、前記アルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）の厚みが４００μｍ以上１２００μｍ以下であることを特徴とするモジュール構造体である。
【００１２】
また、好ましくは上記金属製ヒートシンクが、６３０℃、４分の加熱処理後のビッカース硬さが３０ＨＶ以上であるアルミニウム合金からなることを特徴とするモジュール構造体である。
【００１３】
前記金属板（Ａ）が、セラミックス回路基板および金属製ヒートシンクに、ろう材を介して接合されているのが好ましい。このろう材に、Ａｌを主成分とし、Ｍｇと、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ及びＡｇからなる群から選ばれる１種以上とを含有するものを用いると、信頼性の高い接合が得られる。
【００１４】
更に好ましくは、上記モジュール構造体を用い、セラミックス回路基板の金属板（Ａ）と反対側に設けられた回路形成されている金属板（Ｂ）上に、所望の位置に搭載された発熱性電気部品を設け、しかも前記金属板（Ａ）及び／又は前記金属製ヒートシンクの表面に切欠部を設けたモジュールであって、当該モジュールの断面を想定したときに、前記切欠部が前記発熱性電気部品の金属板（Ｂ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域に設けられていることを特徴とするモジュールである。
【００１５】
上記切欠部は、金属板（Ａ）の金属製ヒートシンクに接する側の表面、または、当該モジュールの発熱性電気部品のある側から眺めたときに、セラミックス基板に覆われた金属製ヒートシンク表面、または、当該モジュールの発熱性電気部品のある側から眺めたときに、セラミックス基板に覆われていない金属製ヒートシンク表面に設けられているのが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について説明する。
本発明に用いられるセラミックス基板は、必要とされる電気絶縁性や熱伝導率や機械的強度などの特性を満たしていればどの様なものでも構わないが、高熱伝導率を有するセラミックスである窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、或いは高い強度と比較的高い熱伝導率を兼ね備えた窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）がより好適である。
【００１７】
本発明のモジュール構造体は、金属製ヒートシンクにセラミックス回路基板を接合してなる構造を有している。異材質の接合における熱応力の低減には、大きく２つの手法が知られている。その第１の手法においては、両材料の熱膨張差を低減するため、低熱膨張率のヒートシンクを使用する。しかし、この方法は前述の通りにコスト面の問題がある。第２の手法は、本発明が採用している方法であり、金属製ヒートシンクとセラミックス回路基板との間に応力緩衝層を挿入して、熱歪みを吸収するという考えに基づいており、低弾性率材料を中間層（応力緩和層）としてその塑性変形による熱応力緩和を行う手法である。
【００１８】
本発明においては、応力緩衝層として、厚みが４００μｍ以上１２００μｍ以下のアルミニウムを主成分とする金属板を用いることを特徴としている。応力緩和層としては、前述の通りに、その機械的特性として、弾性率及び降伏耐力が低いことが必須である。しかし、本発明においては、その用途への適用のために、熱放散の面から高熱伝導率であること、半導体素子の半田付け時に溶融しないこと、更にはセラミックス基板及び金属製ヒートシンクと十分な強度で接合が可能であること等の要求を満たす必要がある。
【００１９】
本発明者は、上記要求を満足する応力緩和層を見出すべく、種々の材質及び厚みについて鋭意検討を行った結果、本発明に至ったものである。本発明においては、応力緩和層にアルミニウムを主成分とする金属板を選択し、これを前記金属板（Ａ）として用いる。金属板（Ａ）として、例えばＪＩＳ呼称１０００番台のアルミニウム、中でも、純度９９質量％以上の高純度アルミニウム、更に好ましくは純度９９．９質量％以上の高純度アルミニウムを用いると良い。
【００２０】
また、本発明において、前記金属板（Ａ）の厚みは、４００μｍ以上１２００μｍ以下、好ましくは６００μｍ以上１０００μｍ以下である。前記厚みが１２００μｍを越えると、金属板（Ａ）とヒートシンクによって生じる応力が金属板（Ｂ）側に及び、シリコンチップ下の半田の耐久性に悪影響を与える場合がある。また、エッチングでパターンを形成するときにパターン精度の悪化やコストアップを招くので好ましくない。４００μｍよりも薄いと接合部からの元素拡散による硬化などのために緩衝層としての作用が不十分となったり、Ａｌ緩衝層が熱サイクルによる繰り返し応力に耐えられず破断を起こすことがある。
【００２１】
本発明は、金属製ヒートシンクとして、安価で熱伝導率が高い銅やアルミニウム、またはそれらを主成分とする合金などを用いても、パワーモジュールの信頼性を確保することが出来るという特徴を有する。Ａｌ合金は軽量かつ安価であるからヒートシンクとして好適であり、その場合、好ましくは、６３０℃、４分の加熱処理後のビッカース硬さが３０Ｈｖ以上、更に好ましくは６０Ｈｖ以上であるアルミニウム合金を用いると良い。
【００２２】
前記特徴を有するＡｌ合金をヒートシンクとして用いると、前記金属板（Ａ）の厚さが好適な範囲にあることと協同して、得られるモジュール構造体の反りを極めて小さくすることができる。また、パワーモジュール組み立て工程やその実使用条件下で熱履歴を受けても、モジュール構造体の形状変化や反り変化が小さく、また接合界面の剥離や緩衝層である金属板（Ａ）の破断を防止するので、半導体素子の破損や熱抵抗の上昇を防ぐことができ、パワーモジュールの各種信頼性に良い影響を与える。
【００２３】
ヒートシンクに用いるアルミニウム合金としては、前記特性を有するものであればどの様なものであっても構わない。この様な合金の例として、ＡｌにＳｉ或いはＭｇのいずれか１種以上を適当量添加したアルミニウム合金、例えば、ＪＩＳ呼称２０００番台、５０００番台、６０００番台、あるいは７０００番台が例示される。
【００２４】
ＳｉとＭｇの含有量は、物性、加工性の面から０．１〜４．０質量％程度が好ましいが、これを越えても、ビッカース硬度３０Ｈｖ以上、好ましくは６０Ｈｖ以上であれば、本発明のモジュール構造体の特徴である形状変化やそり変化が小さくなる点で優れている。また、本発明に用いるＡｌ合金は、前記特性を満たしている限り、他の成分や不純物を含有していても構わない。Ｍｇ、ＣｕやＺｎを２．０質量％以上含有するＡｌ合金はビッカース硬度や曲げ強度が高く、得られたモジュール構造体の形状変化や反り変化が小さくなる点で優れている。更に、前記アルミニウム合金がヒートシンク材の骨格を構成していれば良く、ヒートシンクの全てが前記アルミニウム合金である必要はない。
【００２５】
本発明に適するヒートシンク用Ａｌ合金のビッカース硬度を示したが、高温アニール後の曲げ強度を測定し、その時に荷重と変位で表すこともできる。厚さ５ｍｍ、幅５ｍｍの試験片を６００℃で１０分間加熱した後、スパン３０ｍｍで３点曲げ強度を測定したとき、変位が２００μｍになるときの荷重が２００Ｎ以上、好ましくは３００Ｎ以上の時、上記と同様の効果が得られる。
【００２６】
また、ヒートシンクの形状は、裏面が平らな板状のものを用いてもよいし、フィンが形成されているものを用いても良い。また内部を冷却媒体が通過出来るような構造を持っていても良い。この場合、パワーモジュールや冷却措置を含む電力制御装置全体の寸法を小さくできコストダウンに寄与できるので好ましい。
【００２７】
また、本発明のモジュール構造体においては、その材質、形状、作業性、接合強度から、前記の金属板（Ａ）が金属製ヒートシンクにろう材もしくは鉛フリー半田を介して接合していることが好ましい。
【００２８】
ヒートシンクとセラミックス回路基板の接合にＰｂ−Ｓｎ系半田を用いた場合は、前記したように熱サイクルに伴う半田クラックによる信頼性の低下、環境上の問題、アルミニウムの半田濡れ性が悪いため表面をメッキなどで処理しなければならない等の問題があり好ましくないが、ろう付けによれば前記問題が解消される。更に、本発明において、アルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）が、セラミックス回路基板に、ろう材を介して接合されていることが、一層好ましい。
【００２９】
本発明において、ヒートシンクと金属板（Ａ）、金属板（Ａ）とセラミックス基板を接合するろう材は、金属製ヒートシンクの種類等に応じて適宜選択すれば良い。特に、このろう材に、Ａｌを主成分とし、Ｍｇと、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ及びＡｇからなる群から選ばれる１種以上とを含有するものを用いると、信頼性の高い接合が得られる。前記ろう材に含まれるＭｇの量は０．１〜２．０質量％が適当であり、０．１質量％より少ないと十分な接合が得られず、２．０質量％より多いと接合部の耐熱衝撃性が低下したり接合炉の操業上好ましくないことが起きる場合がある。本発明のろう材に適するアルミニウム合金としては、例えば、ＪＩＳ呼称２０００番台、３０００番台、５０００番台、６０００番台、７０００番台の適当な組成のものを用いることが出来る。
【００３０】
尚、ろう材は、合金でも合金でなくともよく、また、箔、粉末、混合粉末、或いは接合温度以下で前記金属成分を残留する化合物を含む混合粉末のいずれの形態でも構わないし、それらを組み合わせて用いても良い。合金箔は、接合部分の耐熱サイクル性、微小ボイドが出来にくい、取り扱いやすさ等の点で優れている。とりわけ、金属板（Ａ）とセラミックス基板を接合するにはＪＩＳ呼称２０１７のアルミニウム合金箔を用いるとよい。
【００３１】
また、ヒートシンクと金属板（Ａ）を接合するには、接合温度をヒートシンクの融点以下にする必要があり、必要に応じて上記ろう材組成の融点を下げるためにＡｌ以外の成分の量を増すとよい。例えば、前記Ａｌ合金箔と銀箔や銀粉を併用すると最も好ましい結果が得られる。また、ろう材の厚みに関しては、１０〜６０μｍ、好ましくは１０〜４０μｍのときに再現性がよく、耐熱サイクル性がよい強固な接合が得られる。
【００３２】
Ａｌ合金ヒートシンクとアルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）を接合する場合、一般的には真空中で加熱して接合するが、この時、双方の接合面の凹凸や面粗さが大きいと、接合不良が多発したり接合部の耐ヒートサイクル性が劣る場合がある。また、窒素中で接合すると、接合する部材の表面形状の影響はより大きくなるし、金属板（Ａ）の外周部分で接合不良が起きすくなる。特にヒートシンクに押し出し材を用いると、その表面についた押し出し痕が接合不良や熱サイクル試験での剥離を引き起こす。
【００３３】
これらの問題は、Ｍｇを含むＡｌ合金箔や合金粉とＡｇ粉またはＡｇ箔を併用すると解決できる。このような合金とＡｇの併用は、特に窒素雰囲気中でも十分に耐久性を持った信頼性の高い接合が得られるという点で画期的である。また、ヒートシンクの加熱処理後のビッカース硬度が大きい場合や曲げ強度が大きい場合にも、剥離の起きにくい強固な接合部が得られるので好ましい。この方法によれば、窒素中で接合出来るので、通常の窒素雰囲気連続炉で接合でき、製造コストを大幅に低減できるという特徴を有する。
【００３４】
ろう付けを行うには、ろう材が合金箔であればヒートシンクと金属板（Ａ）、または金属板（Ａ）とセラミックス基板の間に挟み、真空中、窒素中、または不活性ガス中で加熱して接合する。ろう材として合金粉や金属粉の混合物を用いるとき、ヒートシンクと金属板（Ａ）又は金属板（Ａ）とセラミックス基板を接合する場合においても、いずれか一方の面に、ロールコ−ターやスクリーン印刷機により塗布すればよい。塗布量は、少なすぎると十分な接合が出来ないし、多すぎるとろう材が流れて接合部以外に流れ出し不都合であったり、界面に硬く脆弱な層ができて接合の信頼性を損なうことがある。塗布量として１〜５ｍｇ／ｃｍ２程度が好ましい。
【００３５】
Ａｌ合金ろう材箔とＡｇ粉を併用してヒートシンクと金属板（Ａ）を接合する場合は、銀粉をろう材箔、ヒートシンク、または金属板（Ａ）のいずれかの一つの面に塗布するだけで、銀を併用する効果が得られる。また、銀粉の塗布量は１〜３ｍｇ／ｃｍ２程度で十分である。
【００３６】
また、本発明に於いて、金属製ヒートシンクと金属板（Ａ）の接合に鉛フリー半田を用いても良い。鉛フリー半田は、Ｐｂ−Ｓｎ系半田に比べて硬く塑性変形しにくいため、通常は熱サイクルにより半田クラックが入りやすいと言われているが、本発明の場合、十分信頼性のあるモジュール構造体を得ることが出来る。鉛フリー半田として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田やＳｎ−Ｚｎ系半田を用いると信頼性を確保することがことでき、特に、Ｓｎ−Ａｇ（３質量％）−Ｃｕ（０．５質量％）を用いるとよい。
【００３７】
セラミックス基板の片面に設けられ、発熱性電気部品がその一部に搭載される回路となる金属板（Ｂ）としては、良導電性の金属であれば何でも構わないが、安価で熱伝導率が高い銅やアルミニウム、或いはそれらの合金が好ましく用いられる。また、前記銅やアルミニウムとしては、電気伝導率が高く、応力発生に対して塑性変形能が高い、高純度のものが好ましい。
【００３８】
本発明においては、セラミックス基板のヒートシンク側にヒートシンクと接するように設けられた金属板（Ａ）及び／又は金属製ヒートシンクの上面及び／又は下面の特定の位置に切欠部を設けている。これは、前記切欠部の存在しない状態での熱放散性を維持しながらも、半導体素子等の発熱性電気部品を搭載する時などの加熱処理によるセラミックス基板とヒートシンクの熱膨張率差により発生する熱応力により生じる金属板（Ａ）の歪みを切欠部が緩和し、温度履歴に伴うモジュール構造体の変形を低減することができるためである。
【００３９】
本発明における切欠部導入位置は、モジュールの断面を想定したときに、発熱性電気部品の金属板（Ｂ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域である。前記の位置に切欠部を特定することにより、モジュール中の半導体素子等の電気部品や回路から発生する熱の放散性を悪化させず、従って半導体素子の温度を上昇させることなく、半導体素子の誤動作を生じたりして寿命が短くなる等の現象が引き起こされるのを防止できるからである。
【００４０】
切欠部導入位置は、搭載される発熱性電気部品の大きさ、形状、搭載位置に制限される。放熱構造部変形の低減には、セラミックス基板のヒートシンク側にヒートシンクと接するように設けられた金属板（Ａ）にヒートシンク側から導入した切欠部が最も効果的である。切欠部の深さは、大きい程放モジュール構造体変形の低減に効果的であり、金属板を分割するのが好ましいが、必ずしも分割する必要はない。切欠部の幅、個数及び形状は、熱放散性を悪化させる領域に含まれなければ、どの様にしても構わない。
【００４１】
また、ヒートシンクの金属板（Ａ）に接した部分に切欠部を導入することにより、同様の効果が得られる。この場合は、ヒートシンク表面に簡単な溝加工を施すこと等により、切欠部を導入することが可能であり、生産性に優れる効果がある。この場合も切欠部の深さは、大きい程効果的であるが、深さは、ヒートシンクの厚みの１／２以下にするのが好ましい。これ以上深い切欠部を設けるとセラミックス回路基板とヒートシンクとを接合して得られたモジュール構造体が大きく変形してしまうことがあるからである。切欠部の幅、個数及び形状は、前記特定の範囲内に設けられているならば、どの様にしても構わない。
【００４２】
発熱性電気部品の大きさ、形状、搭載位置の制限により、金属板とヒートシンクの界面に切欠部を設けられない場合は、接合界面以外のヒートシンクの上面及び／又は下面に設けても変形の低減効果がある。この場合には、発熱性電気部品、回路、セラミックス基板等のモジュールの重要な機能を呈する部分から空間的に離れた場所を選択する自由度が大きくなり、生産性の面で優れ、結果的にモジュールを一層安価に提供できるという効果が得られる。
【００４３】
本発明に用いるセラミックス回路基板は、セラミックスを回路用の金属板（Ｂ）及びアルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）と接合したのち、エッチングや機械加工等の従来公知手法を用いて回路形成、或いは、金属板（Ａ）の切欠部を形成することで容易に製造できる。或いは、セラミックス基板にあらかじめ回路及び切欠部を形成した金属板（Ａ、Ｂ）を搭載し接合することによっても製造できる。
【００４４】
本発明のモジュール構造体、モジュールを得る方法としては、従来公知の方法を適用することで得ることもできるが、後述する方法が再現性が良く、また生産性高く本発明のモジュール構造体、モジュールを得ることができる。
【００４５】
即ち、予め表面に回路形成された金属板（Ｂ）を、裏面に応力緩和層となるアルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）をそれぞれろう付等により設けたセラミックス回路基板を準備し、その応力緩衝層側の面と金属製ヒートシンクとの間にろう材を配置し、加圧下で加熱してセラミックス回路基板と金属製ヒートシンクを接合する方法、或いは、回路用金属板（Ｂ）、セラミックス基板、応力緩衝層となるアルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）、金属製ヒートシンクを順次並べるとともに、それぞれの間にろう材を配置し、同時に接合する方法が好ましい。
【００４６】
また、切り欠き部を設けたモジュール構造体を形成するには、セラミックス回路基板の金属板（Ａ）或いは金属製ヒートシンクの表面にエッチングや機械加工等により予め切欠部を導入し、その後、セラミックス回路基板の金属板（Ａ）と金属製ヒートシンクの間にろう材を配置し、加圧下で加熱しセラミックス回路基板と金属製ヒートシンクを接合する方法、或いは、回路用金属板（Ｂ）、セラミックス基板、切欠部を導入したアルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）及び金属製ヒートシンクを順次並べるとともに、それぞれの間にろう材を配置し、同時に接合する方法が好ましい。更に、後者の方法において、回路用金属板（Ｂ）は予め回路形成されたものであっても良いし、接合後にエッチング等の方法を適用して回路形成しても良い。また、ヒートシンクの接合界面以外の領域に切欠部を導入する場合は接合後に設けても構わない。
【００４７】
次に、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクからなるモジュール構造体の回路上に半導体素子等の電子部品を半田付け等により搭載し、必要に応じてワイヤーボンディング等を施して回路を完成することで本発明のモジュールを得ることができる。
【００４８】
本発明のモジュール構造体を用いて組み立てた、高出力半導体素子等の高発熱性電気部品を搭載したパワーモジュールは、金属製ヒートシンクが中実板である場合は、高熱伝導性グリースを介して、放熱フィン等の放熱ユニットに取り付け、使用される。ヒートシンクがフィン付き形状であればそのまま用いられる。また、ヒートシンクが冷却媒体を通すパイプ状である場合は、冷却媒体を通すための配管がなされ、使用される。
【００４９】
【実施例】
以下、実施例と比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００５０】
〔実施例１、２、３、４、５、比較例１、２〕
セラミックス基板として、レーザーフラッシュ法による熱伝導率が７５Ｗ／ｍＫ、三点曲げ強さの平均値が６５０ＭＰａの窒化ケイ素基板で、大きさが３４×３４×０．６３５ｍｍのものを用意した。また、回路用の金属板として純度９９．９９％で、厚みが０．４ｍｍのＡｌ板（以下、Ａｌ回路板という）を、又、応力緩衝層用のＡｌ板（以下、緩衝用Ａｌ板という）として純度９９．９９％で表１に示すいろいろな厚みのものを用意した。
【００５１】
窒化ケイ素基板の表裏両面に、ＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔（２０μｍ厚さ）を介して、前記Ａｌ回路板と緩衝層用Ａｌ板を重ね、垂直方向に５ＭＰａで加圧した。そして、１０−３Ｐａ台の真空中、温度６３５℃で加熱しながら、窒化ケイ素基板に前記Ａｌ板の両者を接合した。
【００５２】
接合後、Ａｌ板表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理することにより回路パターンを形成し、セラミックス回路基板を作製した。
【００５３】
次に、ヒートシンクとして５０×５０×４ｍｍサイズのＪＩＳ呼称１０５０Ａｌ板を用意した。そして、前記セラミックス回路基板に接合されている緩衝用Ａｌ板とヒートシンクとの間に、厚さ２０μｍのＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔を挟み、黒鉛治具で全体を垂直方向に５ＭＰａで加圧しながら、１０−３Ｐａ台の真空中、６００℃、４分の条件で加熱処理を行い、ヒートシンクにセラミックス回路基板を接合した。この接合体のアルミニウム金属面に無電解Ｎｉメッキを行い、モジュール構造体を得た。この場合、それぞれの同じ構成のモジュール構造体を１０個作製した。
【００５４】
作製したモジュール構造体のＡｌ回路面に、裏がＡｕでメッキされた１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．３ｍｍのシリコンチップを、鉛と錫の質量割合がそれぞれ９０：１０である半田を用いて３５０℃で接合した。
得られたモジュールについて、−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとするヒートサイクルを３０００回実施した。その後、超音波深傷装置によってセラミックス基板とヒートシンク間、およびセラミックス基板とシリコンチップ間の接合界面の剥離やクラックの発生の有無などを観察した。この結果を表１に併せて示した。
【００５５】
尚、比較例１を除き、いずれのモジュールにおいてもヒートサイクルによる接合部の剥離や窒化ケイ素基板におけるクラックの発生は観察されなかった。比較例１では、接合部の一部が剥離すると共に緩衝用Ａｌ板の疲労破壊が顕著に起こり、実施例１では緩衝層用Ａｌ板のコーナー部に疲労破壊が認められた。比較例２では、シリコンチップと回路基板間の半田層に全面にわたるクラックが認められ、実施例５では、同様に半田層に若干のクラックが認められた。
【００５６】
【表１】
2004158659.tif 000003
【００５７】
〔実施例６、７、８、９、１０、１１、比較例３〕
表２に示す７種のヒートシンクを用い、以下の手順に従って、１０個の繰り返し数で、モジュールを作製し、評価することで、本発明の実施例並びに比較例とした。
【００５８】
セラミックス基板として、３４×３４×０．６３５ｍｍの大きさで、レーザーフラッシュ法による熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ、三点曲げ強さの平均値が４００ＭＰａのＡｌＮ（窒化アルミニウム）基板を用意した。また、回路となる金属板と前記ＡｌＮ基板のヒートシンクに対する面（以下、基板裏面という）に設けられる金属板として３０×３０×０．４ｍｍのＪＩＳ呼称１０８５のＡｌ（アルミニウム）板を２枚用意した。
【００５９】
前記ＡｌＮ基板の表裏両面に、ＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔（２０μｍ厚さ）を介して前記Ａｌ板を重ね、垂直方向に１０ＭＰａで加圧した。そして、１０−２Ｐａの真空中、温度６３０℃、２０分の条件下で加熱しながらＡｌ板とＡｌＮ基板とを接合した。接合後、Ａｌ板表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理することにより回路パターンを形成し、セラミックス回路基板を作製した。
【００６０】
次に、ヒートシンクとして、４６×４６×４ｍｍサイズの表２に示す組成のアルミニウム板を用意した。そして前記セラミックス回路基板のヒートシンクに接して配置される面に銀粉をスクリーン印刷で１．５ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布し、それと前記ヒートシンクとの間に、厚さ２０μｍのＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔を入れ、黒鉛治具で垂直方向に１０ＭＰａで加圧しながら窒素雰囲気中において５１０〜６００℃、４分の加熱処理を行いヒートシンクとセラミックス回路基板とを接合した。最後に基板と放熱板全面に無電解Ｎｉメッキを行い、モジュール構造体を得た。
【００６１】
作製したモジュール構造体のＡｌ回路面に、裏がＡｕでメッキされた１３ｍｍ×１３ｍｍ×０．４ｍｍのシリコンチップを、鉛と錫の質量割合がそれぞれ９０：１０である半田を用いて３５０℃で接合した。
【００６２】
前記操作で得たモジュールについて、シリコンチップの反り量を測定した。反り量は、シリコンチップの対角線上の両端部と中央部の高さの差として評価し、１０個の平均値を表３に示した。
【００６３】
【表２】
2004158659.tif 000004
【００６４】
【表３】
2004158659.tif 000005
【００６５】
〔実施例１２、比較例４〕
セラミックス基板として、レーザーフラッシュ法で測定した熱伝導率が７０Ｗ／ｍＫ、三点曲げ強度が７５０ＭＰａの窒化ケイ素基板（寸法３４×２６×０．６３５ｍｍ）を用意した。また、金属板（Ａ）及び金属板（Ｂ）用にはいずれも純度が９９．９９％で厚みが０．４ｍｍのアルミニウム板を用意した。
【００６６】
窒化ケイ素基板の表裏両面に、ＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔（２０μｍ厚さ）を介してアルミニウム板を重ね、垂直方向から５ＭＰａで加圧した。そして１０−３Ｐａ台の真空中、温度６３５℃で加熱しながら、窒化ケイ素基板に前記アルミニウム板の両者を接合した。
【００６７】
接合後、上下のアルミニウム板表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理を行うことにより金属板（Ｂ）に回路パターンを、実施例１２では金属板（Ａ）に歪み緩和のための切欠部を形成し、セラミックス回路基板を作製した。尚、切欠部は、後に搭載される発熱性電気部品の一つである半導体素子の金属板（Ｂ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域に設けた。また、比較例４では、金属板（Ａ）に切欠部を設けないで、同様の手法により、セラミックス回路基板を作製した。
【００６８】
次に、ヒートシンクとして、６０×１４０×４ｍｍで４つの取り付け用ネジ穴を有するＪＩＳ呼称１０５０アルミニウム板を用意した。そして、前記セラミックス回路基板２枚と前記アルミニウム板との間に、ＪＩＳ呼称２０１７アルミニウム合金箔を入れ、黒鉛治具で垂直方向に加圧しながら、１０−３Ｐａ台の真空中、５９０℃、１０分の条件で加熱を行い、ヒートシンクとセラミックス回路基板を接合し、モジュール構造体とした。
【００６９】
次に、半導体素子の半田付け前後での温度履歴を想定した、反り変化量の測定を行った。反り量の測定方法について述べると、まず接合後のモジュール構造体の底部における形状を触針式の輪郭形状機で長手方向の端から端まで（スパン１４０ｍｍ）測定し、両端補正を行い、数値化した。その後、このモジュール構造体を３６０℃で１０分の加熱処理を行ったのち、底部形状の測定を行い、加熱前後の差をとり、その最大値を反り変化量とした。結果を表４に示す。
【００７０】
次に、放熱性の評価のために、得られたモジュール構造体の全面に無電解ニッケルメッキを施した後、回路の所定の位置に１０ｍｍ角の半導体素子を高温半田を用い、還元雰囲気中、３６０℃で半田付けした。実施例１０、比較例４のモジュールの断面構造をそれぞれ図１、図２に示す。前記のモジュール部材の底面にアルミニウム製放熱ユニットをシリコーングリースを介して、四つのネジで締め付けた。熱抵抗は、放熱ユニットを水冷し、シリコン素子の厚さ方向に定電流を流しながら、シリコン素子の温度とアルミニウム製放熱ユニットの温度を測定することにより求めた。結果を表４に示す。
【００７１】
【表４】
2004158659.tif 000006
【００７２】
得られたモジュールについて−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとするヒートサイクルを３０００回実施した。その後、超音波深傷によるセラミックス基板とヒートシンクの接合界面の剥離の有無を観察した。いずれのモジュールにおいてもヒートサイクルによる回路板の剥離や窒化ケイ素基板におけるクラックの発生等の異状は観察されなかった。
【００７３】
〔比較例５〕
金属板（Ａ）に導入する切欠部をシリコン素子の鉛直下方に設けた以外は、実施例１０と同様にしてモジュールを作製した。実施例１０と同様に半導体素子の半田付け前後の反り変化量及び熱抵抗の評価を行った。モジュールの断面構造を図３に、評価結果を表４に示した。
【００７４】
〔実施例１３〕
アルミニウム製ヒートシンクのセラミックス回路基板に接する部分で、しかも、後工程で搭載される半導体素子の金属板（Ｂ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域に、ダイヤモンドカッターにより、幅１ｍｍ、深さ１．５ｍｍの溝加工を行った以外は、比較例４と同様にしてモジュールを作製し、比較例４と同様に評価した。モジュールの断面構造を図４に、評価結果を表４に示した。
【００７５】
〔実施例１４、１５〕
比較例４と同様の方法によりセラミックス回路基板をアルミニウム製ヒートシンクに接合したモジュールを作製した。実施例１４では、図５に示すヒートシンク上面の位置に、実施例１５では、図６に示すヒートシンク下面の位置に幅３ｍｍ、深さ２ｍｍの溝加工を行った。その後、比較例４と同様の方法により、モジュールの作製及び評価を行った。評価結果を表４に示した。
【００７６】
【発明の効果】
本発明のモジュール構造体とそれを用いたモジュールは、安価な金属をヒートシンクを用いながらも、半導体搭載時などの温度履歴を受けても変形量が小さく、組み立てが容易であり、しかも実使用条件下で繰り返しの温度履歴を受けても、接合界面での剥離、アルミニウム層の疲労破壊、セラミックス基板の割れ、半田層クラック等の異状が発生しがたく、しかも放熱性に優れるとう特徴があり、いろいろな用途のパワーモジュール、特に移動用機器向けのパワーモジュールに好適であり、産業上非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施例１２に係るモジュールの断面図。
【図２】比較例４に係る従来公知のモジュールの断面図。
【図３】比較例５に係る従来公知のモジュールの断面図。
【図４】本発明の実施例１３に係るモジュールの断面図。
【図５】本発明の実施例１４に係るモジュールの断面図。
【図６】本発明の実施例１５に係るモジュールの断面図。
【符号の説明】
１  セラミックス基板
２    発熱性電気部品（半導体素子）
３  金属板（Ｂ）
４  金属板（Ａ）
５  ヒートシンク
Ａ  発熱性電気部品の金属板（Ａ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域
Ｂ  切欠部
【図１】
2004158659.tif 000007
【図２】
2004158659.tif 000008
【図３】
2004158659.tif 000009
【図４】
2004158659.tif 000010
【図５】
2004158659.tif 000011
【図６】
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