(57)【要約】【課題】絶縁回路基板の放熱体表面への保持を長期に渡って良好に維持できるパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板並びにパワーモジュールを提供すること。【解決手段】絶縁基板１１を有する絶縁回路基板１２と，絶縁回路基板１２の一方の表面側に設けられた放熱体１３とを備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、一方の表面が凹曲面状をなすように反った絶縁回路基板１２を形成する絶縁回路基板形成工程と、絶縁回路基板１２を前記一方の表面が放熱体１３の当接面１３ａと向き合うように載置して、前記他方の表面における最突出部１２ａを押圧し、放熱体１３の当接面１３ａと絶縁回路基板１２の前記一方の表面とを圧接、保持する組付け工程とを有する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板を有する絶縁回路基板と，該絶縁回路基板の一方の表面側に設けられた放熱体とを備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
一方の表面が凹曲面状をなすように反った前記絶縁回路基板を形成する絶縁回路基板形成工程と、
前記絶縁回路基板を前記一方の表面が前記放熱体表面と向き合うように載置して、前記他方の表面における最突出部分を押圧し、前記放熱体表面と前記絶縁回路基板の前記一方の表面とを圧接、保持する組付け工程とを有することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、
前記絶縁回路基板形成工程は、前記絶縁回路基板の前記他方の表面における最突出部分を、当該他方の表面の略中央部に形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、
前記絶縁回路基板形成工程は、前記絶縁基板の他方の表面に純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金からなる回路層を、一方の表面に前記回路層の厚さより厚い純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金からなる金属層をそれぞれ、はんだ接合またはろう付けにより接合することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、
前記絶縁回路基板形成工程は、前記絶縁回路基板表面の前記最突出部分にこれを貫通する孔を形成し、
前記組付け工程は、前記孔に締結部材を貫装するとともに、この締結部材を前記放熱体と締結することにより、前記絶縁回路基板の前記最突出部分を押圧し、前記放熱体表面と前記絶縁回路基板の前記一方の表面とを圧接、保持することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項５】
絶縁基板を有する絶縁回路基板と，該絶縁回路基板の一方の表面側に設けられた放熱体とを備えたパワーモジュール用基板であって、
前記絶縁回路基板は、前記一方の表面側の表層部に引張応力が残留し、他方の表面側の表層部に圧縮応力が残留した状態で前記放熱体に組付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６】
請求項５記載のパワーモジュール用基板における前記絶縁回路基板の前記他方の表面に半導体チップが接合されたことを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、
この発明は、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の製造方法及びパワーモジュール用基板並びにパワーモジュール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にあっては、セラミックス材料からなる絶縁基板の一方の表面に金属層が、他方の表面に回路層が各々積層接合された絶縁回路基板を備え、この絶縁回路基板が金属層を介して放熱体表面に保持された構成となっている。従来、絶縁回路基板の放熱体表面への保持は、絶縁回路基板の周縁部を覆うようにして配設されたケースと、放熱体とをネジ止めすることにより行い、絶縁回路基板の周縁部を上下面及び端面の３面から拘束していた（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、前記従来のパワーモジュール基板においては、絶縁回路基板の回路層表面に接合される半導体チップの発熱により、絶縁回路基板に熱膨張係数の差に起因して反りが発生するが、この変形を前記ケースが上下面及び端面の３面から拘束するため、絶縁回路基板と放熱体との間に間隙が生じ、良好な放熱効果を奏することができない等の問題があった。
また、絶縁回路基板の前記反り発生に起因して、前記ケースと，このケース及び放熱体をネジ止めするネジとに多大な負荷が作用し、前記ケース及びネジが破損する場合があり、絶縁回路基板を放熱体表面に保持できない場合もあった。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１２７２３８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、絶縁回路基板の放熱体表面への保持を長期に渡って良好に維持できるパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板並びにパワーモジュール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】
前記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、絶縁基板を有する絶縁回路基板と，該絶縁回路基板の一方の表面側に設けられた放熱体とを備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、一方の表面が凹曲面状をなすように反った前記絶縁回路基板を形成する絶縁回路基板形成工程と、前記絶縁回路基板を前記一方の表面が前記放熱体表面と向き合うように載置して、前記他方の表面における最突出部分を押圧し、前記放熱体表面と前記絶縁回路基板の前記一方の表面とを圧接、保持する組付け工程とを有することを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記絶縁回路基板形成工程は、前記絶縁回路基板の前記他方の表面における最突出部分を、当該他方の表面の略中央部に形成することを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記絶縁回路基板形成工程は、前記絶縁基板の他方の表面に純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金からなる回路層を、一方の表面に前記回路層の厚さより厚い純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金からなる金属層をそれぞれ、はんだ接合またはろう付けにより接合することを特徴とする。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記絶縁回路基板形成工程は、前記絶縁回路基板表面の前記最突出部分にこれを貫通する孔を形成し、前記組付け工程は、前記孔に締結部材を貫装するとともに、この締結部材を前記放熱体と締結することにより、前記絶縁回路基板の前記最突出部分を押圧し、前記放熱体表面と前記絶縁回路基板の前記一方の表面とを圧接、保持することを特徴とする。
【００１０】
請求項５に係る発明は、絶縁基板を有する絶縁回路基板と，該絶縁回路基板の一方の表面側に設けられた放熱体とを備えたパワーモジュール用基板であって、前記絶縁回路基板は、前記一方の表面側の表層部に引張応力が残留し、他方の表面側の表層部に圧縮応力が残留した状態で前記放熱体に組付けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に係る発明は、請求項５記載のパワーモジュール用基板における前記絶縁回路基板の前記他方の表面に半導体チップが接合されたことを特徴とする。
【００１２】
これらの発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板並びにパワーモジュールによれば、絶縁回路基板を前記のように反らせて形成し、その後、この絶縁回路基板の前記一方の表面を放熱体表面と向き合うように載置した後に、この絶縁回路基板の前記他方の表面における最突出部を押圧して、放熱体表面と絶縁回路基板の前記一方の表面とを圧接させることにより、放熱体表面に絶縁回路基板を保持するので、絶縁回路基板を反った状態から平坦にするのに要する力が、絶縁回路基板から放熱体表面に付与されることになる。従って、この絶縁回路基板と放熱体表面との間に高い面圧が実現されるので、絶縁回路基板の周縁部を上下面及び端面の３面から拘束しなくても、絶縁回路基板の放熱体表面に沿った位置ずれ発生や放熱効果の低下発生を確実に抑制することができる。
【００１３】
さらに、絶縁回路基板の周縁部の端面を拘束する必要がないことから、絶縁回路基板の前記他方の表面に接合された半導体チップが、使用時に発熱することにより、パワーモジュール用基板全体が高温となり、絶縁回路基板に熱膨張係数の差に起因して反りが発生しようとした場合においても、この変形は、絶縁回路基板が放熱体の表面に沿った方向に伸縮することに費やされることになる。従って、使用時における半導体チップの発熱に起因して高負荷を受ける部位を、このパワーモジュール用基板が有さない構成を実現することができ、絶縁回路基板の放熱体表面への良好な保持状態を長期に渡って維持することができる。
【００１４】
特に、請求項２のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記最突出部が絶縁回路基板表面における略中央部に形成されているので、絶縁回路基板を反った状態から平坦にするのに要する力が、この絶縁回路基板の前記一方の表面全体から放熱体表面に付与されることになる。従って、絶縁回路基板の前記一方の表面と放熱体表面との間に、高い面圧が全域に渡って実現されることになる。
【００１５】
また、特に、請求項３のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記金属層の厚さを前記回路層の厚さより厚くしているので、これらを絶縁基板の両面に各別にはんだまたはろう付けにより接合し、その後これらが室温まで冷却されると、この冷却過程において、前記金属層の収縮量が前記回路層の収縮量より大きくなる。従って、形成された絶縁回路基板は、前記一方の表面側が凹曲面状に、前記他方の表面側が凸曲面状に各々反った状態で確実に形成されることになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
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，図２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の製造方法を適用して形成したパワーモジュールを示す全体図である。
本実施形態のパワーモジュールＰにおいて、パワーモジュール用基板１０は、大別すると図１に示すように、絶縁基板１１を有する絶縁回路基板１２と，この絶縁回路基板１２の一方の表面側に設けられた放熱体１３とを備えている。
【００１７】
絶縁回路基板１２は、例えばＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＣにより所望の大きさに形成された絶縁基板１１を備え、この絶縁基板１１の一方の表面１１ａに金属層１４が、他方の表面１１ｂに回路層１５がそれぞれ、はんだまたはろう付けにより積層接合された構成となっている。金属層１４及び回路層１５は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成され、金属層１４は例えば厚さ０．６ｍｍで、回路層１５は例えば厚さ０．４ｍｍでそれぞれ形成されている。また、絶縁回路基板１２表面の略中央部には、これを貫通する孔３１が１個形成されている。
【００１８】
放熱体１３は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成され、好ましくは、純度９９．５％以上のＡｌ合金または純度９９．９％以上の高純度Ｃｕにより形成され、絶縁回路基板１２との当接面１３ａの略中央部に、雌ネジ部３２が１個形成されている。
以上のように構成された放熱体１３の当接面１３ａに、絶縁回路基板１２は、この基板１２の孔３１に貫装されたネジ３３が放熱体１３の雌ネジ部３２と締結されることにより、放熱体１３の当接面１３ａと金属層１４表面とが圧接した状態で保持され、パワーモジュール用基板１０が構成されている。
また、このように構成されたパワーモジュール用基板１０において、絶縁回路基板１２の回路層１５表面にはんだ１６を介して半導体チップ３０が接合されることにより、パワーモジュールＰが構成されている。
【００１９】
以上のように構成されたパワーモジュール１０を形成するパワーモジュールの製造方法について説明する。
まず、絶縁基板１１の一方の表面１１ａに金属層１４を，他方の表面１１ｂに回路層１５を各々、はんだまたはろう付けにより積層接合する。ここで、金属層１４は例えば厚さ０．６ｍｍで、回路層１５は例えば厚さ０．４ｍｍで各々形成されているので、これらを絶縁基板１１の両面に各別に接合し、その後これらが室温まで冷却されると、この冷却過程において、金属層１４の収縮量が回路層１５の収縮量より大きくなる。従って、形成される絶縁回路基板１２は、図２に示すように、前記一方の表面１１ａ側が凹曲面状に、前記他方の表面１１ｂ側が凸曲面状に各々反った状態で形成されることになる。
【００２０】
この際、絶縁回路基板１２の前記他方の表面１１ｂ側の表面（以下、「絶縁回路基板１２の他方の表面」という）における略中央部が、前記凸曲面状の頂部，すなわち最突出部１２ａとなる。
次に、この最突出部１２ａに絶縁回路基板１２を貫通する孔３１を穿設した後、絶縁回路基板１２の回路層１５表面にはんだ１６を介して半導体チップ３０を接合する。ここで、本実施形態においては、半導体チップ３０は、孔３１を回避するように、孔３１から略等間隔で２個接合する。
【００２１】
次に、絶縁回路基板１２の金属層１４表面にグリースを塗布した後、この絶縁回路基板１２を放熱体１３の当接面１３ａ上に、金属層１４表面が放熱体１３の当接面１３ａと向き合うように載置する。そして、絶縁回路基板１２の孔３１にネジ３３を貫装するとともに、このネジ３３を放熱体１３の雌ネジ部３２と締結することにより、絶縁回路基板１２の最突出部１２ａを押圧し、放熱体１３の当接面１３ａと，絶縁回路基板１２の金属層１４とを圧接させ、放熱体１３に絶縁回路基板１２を保持する。これにより、図１に示すパワーモジュールＰが形成される。
【００２２】
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Ｐによれば、絶縁回路基板１２を前記のように反らせて形成し、その後、この絶縁回路基板１２の前記一方の表面側１１ａを放熱体１３の当接面１３ａと向き合うように載置した後に、この絶縁回路基板１２の最突出部１２ａを押圧して、放熱体１３の当接面１３ａと絶縁回路基板１２の金属層１４表面とを圧接させることにより、放熱体１３に絶縁回路基板１２を保持するので、絶縁回路基板１２を反った状態から平坦にするのに要する力が、絶縁回路基板１２から放熱体１３の当接面１３ａに付与されることになる。従って、この絶縁回路基板１２と前記当接面１３ａとの間に高い面圧を実現することができるので、絶縁回路基板１２の周縁部を上下面及び端面の３面から拘束しなくても、絶縁回路基板１２の放熱体１３の当接面１３ａ表面に沿った位置ずれ発生や放熱効果の低下発生を確実に抑制することができる。
【００２３】
さらに、絶縁回路基板１２の周縁部の端面を拘束する必要がないことから、絶縁回路基板１２の回路層１５表面に接合された半導体チップ３０が、使用時に発熱することにより、パワーモジュールＰ全体が高温となり、絶縁回路基板１２に熱膨張係数の差に起因して反りが発生しようとした場合においても、この変形は、絶縁回路基板１２が放熱体１３の当接面１３ａに沿った方向に伸縮することに費やされることになる。従って、使用時における半導体チップ３０の発熱に起因して高負荷を受ける部位を、このパワーモジュールＰが有さない構成を実現することができ、絶縁回路基板１２の放熱体１３への良好な保持状態を長期に渡って維持することができる。
【００２４】
また、最突出部１２ａが絶縁回路基板１２表面における略中央部に形成されているので、絶縁回路基板１２を反った状態から平坦にするのに要する力が、この絶縁回路基板１２の金属層１４表面全体から放熱体１３の当接面１３ａに付与されることになる。従って、絶縁回路基板１２の金属層１４表面と放熱体１３の当接面１３ａとの間に、高い面圧が全域に渡って実現されることになり、前記作用効果をより確実に実現することができる。
【００２５】
さらに、金属層１４を例えば厚さ０．６ｍｍで、回路層１５を例えば厚さ０．４ｍｍで各々形成し、金属層１４の厚さを回路層１５の厚さより厚くしているので、これらを絶縁基板１１の両面に各別に接合し、その後これらが室温まで冷却されると、この冷却過程において、金属層１４の収縮量が回路層１５の収縮量より大きくなるので、絶縁回路基板１２を、前記一方の表面１１ａ側を凹曲面状に、前記他方の表面１１ｂ側を凸曲面状に各々反った状態で容易かつ確実に形成することができる。
【００２６】
また、絶縁回路基板１２の放熱体１３への保持を１個のネジ３３により行っているので、絶縁回路基板１２表面における締結部材としてのネジ３３の占有面積の狭小化を図ることができ、パワーモジュールＰの小型化，軽量化を図ることもできる。さらに、絶縁回路基板１２の放熱体１３への取付け工数の低下を図ることもできる。
【００２７】
なお、本発明は前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。例えば、本実施形態においては、絶縁回路基板１２の最突出部１２ａを、前記他方の表面１１ｂ側の表面の略中央部に形成したが、これに限らない。また、この最突出部１２ａを押圧する手段として、ネジ３３を放熱体１３の雌ネジ部３２と締結することにより行ったが、ネジ３３をピンとし雌ネジ部３２を孔として、ピンを孔に嵌合した構成としてもよい。さらに、絶縁回路基板１２の放熱体１３への保持を１個のネジ３３により行ったが、これ以上の個数でもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板並びにパワーモジュールによれば、絶縁回路基板と放熱体表面との間に高い面圧を実現することができるので、絶縁回路基板の周縁部を上下面及び端面の３面から拘束しなくても、絶縁回路基板の放熱体表面に沿った位置ずれ発生や放熱効果の低下発生を確実に抑制することができる。さらに、使用時における半導体チップの発熱に起因して高負荷を受ける部位を、このパワーモジュール用基板が有さない構成を実現することができ、絶縁回路基板の良好な保持状態を長期に渡って維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【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の製造方法を適用して形成したパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】図１に示すパワーモジュールを形成する方法を示した示した説明図である。
【符号の説明】
１０  パワーモジュール用基板
１１  絶縁基板
１１ａ  絶縁基板の一方の表面
１１ｂ  絶縁基板の他方の表面
１２  絶縁回路基板
１２ａ  最突出部
１３  放熱体
１３ａ  当接面（放熱体表面）
１４  金属層
１５  回路層
３０  半導体チップ
３１  孔
３３  ネジ（締結部材）
Ｐ  パワーモジュール
【図１】
2004288828.tif 000003
【図２】
2004288828.tif 000004