(57)【要約】【課題】放熱板の反り発生に起因した絶縁基板の割れ、絶縁不良及び回路層の破断発生を抑制することができるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供することにある。【解決手段】放熱板２と、放熱板２表面に設けられた基板８とを備え、この基板８は、絶縁基板３の表面側及び裏面側に、回路層４及び金属層５をそれぞれ備えてなるパワーモジュール用基板１であって、絶縁基板３は複数に分割され、これら分割された各絶縁基板３同士の間に第１の間隙Ｂが設けられ、この第１の間隙Ｂの配設位置と対応して、放熱板２の表面に溝部１１が形成されている。【選択図】　　　　図１
2004095622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱板と、該放熱板表面に設けられた基板とを備え、
前記基板は、絶縁基板の表面側及び裏面側に、回路層及び金属層をそれぞれ備えてなるパワーモジュール用基板であって、
前記絶縁基板は複数に分割され、該分割された各絶縁基板同士の間に第１の間隙が設けら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】
請求項１記載のパワーモジュール用基板において、
前記放熱板の表面には、前記第１の間隙の配設位置に対応して、溝部が形成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３】
請求項１記載のパワーモジュール用基板において、
前記絶縁基板はＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４で形成され、前記金属層はＡｌ又はＡｌ合金で形成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４】
放熱板と、該放熱板表面に設けられた基板とを備え、
前記基板は、絶縁基板の表面側及び裏面側に、回路層及び金属層をそれぞれ備えてなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記基板を、前記絶縁基板が複数に分割され、該分割された各絶縁基板同士の間に第１の間隙が設けられるように形成しておき、
前記放熱板表面側に前記基板を載置し、これらを加熱接合するに際し、前記第１の間隙の幅、前記各絶縁基板の幅、及び前記加熱接合する際の接合温度が次式、
ｔ≧ｗ・（α１＋α２）・Ｔ
但し、
ｔ：第１の間隙の幅
ｗ：絶縁基板の幅（但し、抗折強度が５００ＭＰａ以下の場合は３０ｍｍ以下、
５００ＭＰａを超える場合は５０ｍｍ以下）
α１：放熱板の熱膨張係数
α２：絶縁基板の熱膨張係数
Ｔ：接合温度
を満たすことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車や電気車両等、大電圧、大電流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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この種のパワーモジュール用基板は、基板と、放熱板とを備え、前記基板は、絶縁基板表面側及び裏面側に、回路層及び金属層をそれぞれ備えた構成となっている。ここで、放熱板は一般に、Ａｌ合金等により形成され、絶縁基板はＡｌＮ等により形成される。これら放熱板と基板とを積層し接合するには、放熱板と絶縁基板との間にはんだ層を形成し、リフロー工程を経て、このはんだ層を溶融硬化させることが一般的である。この際、放熱板と絶縁基板との熱膨張係数の差分及び、放熱板と絶縁基板との間に介装されたはんだ層が硬化する際の収縮挙動に起因して、放熱板に反りが発生し、これにより、絶縁基板が割れ、絶縁不良が発生する、更には、絶縁基板に形成された回路層が破断する問題があった。
【０００３】
この問題を解決する手段として、特開平５−１４４９６９号公報に、絶縁基板表裏面にスリットを入れ、前記絶縁基板の表面のうちスリット非形成部に限定的に回路層を形成した半導体装置が開示されている。この場合、前述した放熱板に反りが発生して絶縁基板に割れが発生しても、この個所を前記スリットに限定して発生させることができるため、絶縁不良の発生及び回路層の破断発生を抑制することができるというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記解決手段によるパワーモジュール用基板では、回路層が前記スリット非形成部に限定的に形成される構成となるため、絶縁基板表面に形成される回路層の大きさ、すなわち回路設計上の制約を受けることになる。この回路設計上の制約を回避するため、前記スリット付きの絶縁基板表面全体に回路層を形成した場合には、放熱板に反りが発生した際、絶縁基板の前記スリットに割れが発生することになるが、この割れ発生個所の直上面には、回路層を備えた構成となっているため、絶縁不良が発生する場合がある問題があった。さらに、放熱板の反り発生により絶縁基板と回路層との接触界面において剥離が発生する場合や、絶縁基板に割れが発生し、この割れが絶縁基板の水平方向に伸展する場合がある問題があった。
【０００５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、放熱板の反り発生に起因した絶縁基板の割れ、絶縁不良及び回路層の破断発生を抑制することができるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明のパワーモジュール用基板は、放熱板と、該放熱板表面に設けられた基板とを備え、前記基板は、絶縁基板の表面側及び裏面側に、回路層及び金属層をそれぞれ備えてなるパワーモジュール用基板であって、前記絶縁基板は複数に分割され、該分割された各絶縁基板同士の間に第１の間隙が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
このパワーモジュール用基板では、絶縁基板が複数に分割され、これら分割された各絶縁基板同士の間に、第１の間隙が設けられた構成となっているため、放熱板と基板とを積層接合するに際し、これらの間に介装されたはんだ層又はろう付け用箔が硬化する際の収縮挙動と、放熱板と絶縁基板との熱膨張係数の差分とにより発生する放熱板の反りに起因した回路層の破断発生を抑制することができる。すなわち、前述した要因により放熱板に反りが発生しても、これに伴う各絶縁基板の変形量を最小限に抑制し、絶縁基板の割れ発生を抑制することができるため、回路層の破断発生を抑制することができる。
【０００８】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、前記放熱板の表面には、前記第１の間隙の配設位置に対応して、溝部が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
このパワーモジュール用基板では、放熱板の表面に、前記第１の間隙の配設位置に対応して、溝部が形成されているため、回路層と放熱板との絶縁不良の発生を抑制することができる。すなわち、分割された各絶縁基板同士の間に、間隙が設けられ、これら絶縁基板の表面に回路層が一体に設けられた構成において、前記間隙上に配設された回路層と、放熱板との間には空間が配設されるのみで、絶縁材は配設されていない構成となっている。しかし、前記空間と相対する放熱板表面には、前記第１の間隙の配設位置と対応して溝部が形成されているため、回路層表面と放熱板表面との距離を、回路層と放熱板との絶縁性を確保できるに足りる構成にすることができる。これにより、前記絶縁性を確保できる回路層への許容付加電圧値の低下を最小限に抑え、前述した回路層破断発生抑制効果を奏することができる。
【００１０】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、前記絶縁基板はＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４アルミナで形成され、前記金属層はＡｌ又はＡｌ合金で形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、放熱板と、該放熱板表面に設けられた基板とを備え、前記基板は、絶縁基板の表面側及び裏面側に、回路層及び金属層をそれぞれ備えてなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記基板を、前記絶縁基板が複数に分割され、該分割された各絶縁基板同士の間に第１の間隙が設けられるように形成しておき、前記放熱板表面側に前記基板を載置し、これらを加熱接合するに際し、前記第１の間隙の幅、前記各絶縁基板の幅、及び前記加熱接合する際の接合温度が次式、
ｔ≧ｗ・（α１＋α２）・Ｔ
但し、
ｔ：第１の間隙の幅
ｗ：絶縁基板の幅（但し、抗折強度が５００ＭＰａ以下の場合は３０ｍｍ以下、
５００ＭＰａを超える場合は５０ｍｍ以下）
α１：放熱板の熱膨張係数
α２：絶縁基板の熱膨張係数
Ｔ：接合温度
を満たすことを特徴とする。
【００１２】
このパワーモジュール用基板の製造方法では、前記加熱接合するに際し、前記第１の間隙の幅、すなわち各絶縁基板同士の間隙の幅、これら各絶縁基板の幅、及び接合温度が、前記関係を満たすことになり、この場合、絶縁基板が加熱され、分割された各絶縁基板同士が伸張しても互いに干渉することを防止することができ、製造上の不具合発生を抑制することができる。更に、絶縁基板の幅ｗを前述のように設定しているので、絶縁基板と金属層との接触界面における剥離発生及び絶縁基板の割れ発生を確実に抑制することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るパワーモジュール用基板及びその製造方法の一実施形態を、図１を参照しながら説明する。
【００１４】
図１に示すように、パワーモジュール用基板１は、放熱板２と、放熱板２の表面に設けられた基板８とを備え、基板８は、絶縁基板３の表面に回路層４を、絶縁基板３の裏面に金属層５をそれぞれ、図示しないろう付け用箔、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系箔等を介して積層接着された構成となっている。この構成において、基板８は、金属層５を介して放熱板２表面に設けられている。ここで、放熱板２はＡｌ等で形成され、熱膨張係数は約１０．５×１０−６／℃以上約２５．０×１０−６／℃以下であり、絶縁基板３はＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４で形成され、熱膨張係数は約２．８×１０−６／℃以上約７．３×１０−６／℃以下であり、回路層４及び金属層５はＡｌ又はＡｌ合金で形成されている。
【００１５】
基板８が設けられる放熱板２表面には、２つの溝部１１が並列して形成され、これら溝部１１は、図２に示すように、幅方向に延在して形成されている。ここで、基板８を構成する金属層５は、図１に示すように、複数に分割され、これら分割された金属層５同士の間には第２の間隙Ａが設けられている。これら各金属層５は、放熱板２の前記表面のうち溝部１１非形成部に各別に、図示しないはんだ層を介して設けられた構成となっている。
【００１６】
また、絶縁基板３は複数に分割され、これら分割された絶縁基板３同士の間に第１の間隙Ｂが設けられ、これら各絶縁基板３は金属層５の各表面に、図示しないろう付け用箔を介して各別に設けられた構成となっている。さらに、これら各絶縁基板３表面に連続して回路層４が図示しないろう付け用箔を介して設けられ、この回路層４の表面に、はんだ層６を介して半導体チップ７が設けられている。以上の構成において、放熱板２の溝部１１、金属層５の第２の間隙Ａ及び絶縁基板３の第１の間隙Ｂの、パワーモジュール１表面に沿った配設位置は、略一致した構成となっている。
【００１７】
以上のように構成された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、複数に分割され各別に第１の間隙Ｂが設けられた絶縁基板３の表面及び裏面に、回路層４及び金属層５をそれぞれ、図示しないろう付け用箔を介して積層し、これらを加熱して前記ろう付け用箔を溶融硬化させ、絶縁基板３の表面側及び裏面側に、回路層４及び金属層５がそれぞれ貼着された基板８を形成する。この際、回路層４は各絶縁基板３表面側に連続して配し、金属層５は各絶縁基板３同士の間に設けられた第１の間隙Ｂに対応するように、各絶縁基板３裏面側に第２の間隙Ａを配して設ける。
【００１８】
ここで、放熱板２の一方の表面に溝部１１を形成しておき、この放熱板２の前記一方の表面において、溝部１１の非形成部にはんだ層を形成し、この各はんだ層表面に、基板８を構成する金属層５がそれぞれ配設されるように、放熱板２の前記一方の表面に基板８を載置する。そして、これらを加熱しはんだ層を溶融硬化させ、放熱板２と基板８とを積層接着し、積層基板９を形成する。
【００１９】
ここで、放熱板２と基板８とを積層接着し積層基板９を形成するに際し、第１の間隙（各絶縁基板３同士の間隙）Ｂの幅ｔ、各絶縁基板の幅ｗ、及び前記加熱接合する際の接合温度Ｔを次式を満たすように設定する　［製法の説明なのでこの表現の方が適切だと思います］　。
ｔ≧ｗ・（α１＋α２）・Ｔ
例えば、第１の間隙Ｂの幅ｔを０．５ｍｍ、各絶縁基板の幅ｗを２０ｍｍ、放熱板２の熱膨張係数α１を２３．５×１０−６／℃、絶縁基板３の熱膨張係数α２を４．６×１０−６／℃、接合温度Ｔを６００℃とする。ここで、絶縁基板の幅ｗは、抗折強度が５００ＭＰａ以下の場合は３０ｍｍ以下、５００ＭＰａを超える場合は５０ｍｍ以下に設定する。
【００２０】
そして、この積層基板９の回路層４にエッチング法により所定のパターンの回路に形成した後、積層基板９の回路層４にはんだ層６を介して半導体チップ７を貼着し、パワーモジュール用基板１を形成する。
【００２１】
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、絶縁基板３が、複数に分割され、これら分割された各絶縁基板３同士の間に、第１の間隙Ｂが設けられた構成となっているため、放熱板２と基板８とを積層し接合するに際し、これらの間に介装されたはんだ層が硬化する際の収縮挙動と、放熱板２と絶縁基板３との熱膨張係数の差分とにより発生する放熱板２の反りに起因した回路層４の破断発生を抑制することができる。すなわち、前述した要因により放熱板２に反りが発生しても、絶縁基板３が分割して配設されているため、放熱板２の反りに伴う各絶縁基板３の変形量を最小限に抑制し、これにより、絶縁基板３の割れ発生を抑制することができ、回路層４の破断発生を抑制することができる。
【００２２】
また、放熱板２の表面には、絶縁基板３に設けられた第１の間隙Ｂの配設位置に対応して、溝部１１が形成され、金属層５はこれら溝部１１の配設位置に対応して、複数に分割されるとともにこれら分割された金属層５同士の間に第２の間隙Ａが設けられた構成となっているため、回路層４と放熱板２との絶縁不良の発生を抑制することができる。すなわち、分割された各絶縁基板３同士の間には、第１の間隙Ｂが設けられ、これら絶縁基板３の表面側に一体に設けられた回路層５のうち、第１の間隙Ｂ上に配設された部分は、空間が配設されるのみで、絶縁材は配設されていない構成となっている。しかし、前記空間と相対する放熱板２表面には、絶縁基板３に設けられた第１の間隙Ｂの配設位置と対応して溝部１１が形成されているため、回路層４表面と放熱板２表面との距離を、回路層４と放熱板２の絶縁性を確保できるに足りる構成にすることができる。これにより、前記絶縁性を確保できる回路層４への許容付加電圧値の低下を最小限に抑え、前述の回路層４破断発生抑制効果を奏することができる。
【００２３】
また、放熱板２と基板８とを積層接着し積層基板９を形成するに際し、第１の間隙（各絶縁基板３同士の間隙）Ｂの幅ｔ、各絶縁基板の幅ｗ、及び接合温度Ｔを前式を満たすように設定しているため、絶縁基板３が加熱され、分割された各絶縁基板３同士が伸張しても互いに干渉することを防止することができ、製造上の不具合発生を抑制することができる。更に、絶縁基板３の幅ｗを前述のように設定しているので、絶縁基板３と金属層５との接触界面における剥離発生及び絶縁基板３の割れ発生を確実に抑制することができる。
【００２４】
なお、本発明の技術的範囲は上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、本実施の形態においては、基板８を形成した後、この基板８と放熱板２とをはんだ層を介して積層接着し、積層基板９を形成したが、放熱板２、ろう付け用箔、金属層５、ろう付け用箔、絶縁基板３、ろう付け用箔、回路層４を順次載置した状態で加熱して、これらを積層接着し積層基板９を形成してもよい。この際、前述した式を満たせば、前記効果が同様に得られることになる。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るパワーモジュール用基板及びその製造方法によれば、放熱板と基板とを積層し接合するに際し、これらの間に介装されたはんだ層が硬化する際の収縮挙動と、放熱板と絶縁基板との熱膨張係数の差分とにより、放熱板に反りが発生しても、絶縁基板が分割して配設されているため、放熱板の反りに伴う各絶縁基板の変形量を最小限に抑制することができる。これにより、絶縁基板の割れ発生を抑制することができ、回路層の破断発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態として示したパワーモジュール用基板を示す側面断面図である。
【図２】図１に示すパワーモジュール用基板のＸ１−Ｘ１線矢視断面図である。
【符号の説明】
１　パワーモジュール用基板
２　放熱板
３　絶縁基板
４　回路層
５　金属層
８　基板
１１　溝部
Ａ　第２の間隙
Ｂ　第１の間隙
ｔ　絶縁基板同士の間隙の幅（第１の間隙の幅）
ｗ　絶縁基板の幅
Ｔ　接合温度
α１　放熱板の熱膨張係数
α２　絶縁基板の熱膨張係数
【図１】
2004095622.tif 000003
【図２】
2004095622.tif 000004