(57)【要約】【課題】温度サイクルに対する耐久性を向上させるとともに、放熱性を向上させる。【解決手段】絶縁基板２の一方の面に金属層３が積層されるとともに、絶縁基板２の他方の面に放熱体６が接合され、金属層３に半導体チップ５が搭載されるパワーモジュール用基板１において、放熱体６を、６Ｎ−Ｃｕ以上（純度が９９．９９９９％以上の銅）で構成する。温度サイクルが繰り返し作用する条件下で使用しても、内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができるので、絶縁基板２と放熱体６との間の剥離、及び絶縁基板２の損傷を防止でき、温度サイクルに対する耐久性を著しく高めることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の少なくとも一方の面に金属層が積層されるとともに、該絶縁基板の他方の面に放熱体が積層されるパワーモジュール用基板において、前記放熱体を、純度９９．９９９９％以上の銅で構成した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に記載のパワーモジュール用基板であって、前記絶縁基板の他方の面に前記放熱体がはんだ、ろう材等の接合材を介して直接接合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に記載のパワーモジュール用基板であって、前記絶縁基板の他方の面には金属層が積層され、該金属層にはんだ、ろう材等の接合材を介して前記放熱体が接合されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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に関し、特に、半導体チップから発生する熱を放散させる放熱体を備えた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】
従来、この種のパワーモジュール用基板として、図３に示すように、ＡｌＮからなる絶縁基板１２の一方の面にＡｌ又はＣｕからなる回路層１３を積層し、この回路層１３にはんだを介して半導体チップ１５を搭載するとともに、絶縁基板１２の他方の面にはんだ又はろう材を介して放熱体１６を直接接合したパワーモジュール用基板１１が知られている。
【０００３】
また、図４に示すように、ＡｌＮからなる絶縁基板２２の一方の面にＡｌからなる回路層２３を積層し、他方の面にＡｌからなる金属層２４を積層し、回路層２３にはんだを介して半導体チップ２５を搭載し、金属層２４にはんだ又はろう材を介して放熱体２６を接合したパワーモジュール用基板２１も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特公平４−１２５５４号公報（第１〜３頁、第１図、第２図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような構成のパワーモジュール用基板１１、２１のうち、図３に示すものは、回路層１３と放熱体１６との間の距離が短いので、放熱性に優れ、半導体チップ１５からの熱を効率良く放熱体１６側に伝達させて放出させることができるものである。しかし、放熱体１６は、例えば３Ｎ−Ｃｕの銅（純度が９９．９％の銅）から形成されているので、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返すことにより常温で加工硬化が生じてしまい、絶縁基板１２と放熱体１６との間のはんだ又はろう材にクラックが生じ、絶縁基板１２と放熱体１６との間に剥離が生じたり、絶縁基板１２が損傷を受ける等の問題がある。
【０００６】
一方、図４に示すものは、絶縁基板２２と放熱体２６との間に緩衝材である金属層２４が介装されているので、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても、絶縁基板２２と放熱体２６との熱膨張率の差を吸収でき、両者間に剥離が生じるようなことはなく、絶縁基板２２が損傷を受けるようなことはないものである。しかし、回路層２３と放熱体２６との間の距離が長いので放熱性が悪く、半導体チップ２５からの熱を効率良く放熱体２６側に伝達させて放出させることができない。
【０００７】
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても、加工硬化が生じて絶縁基板と放熱体との間に剥離が生じたり、絶縁基板が損傷を受けたりするようなことがなく、温度サイクルに対する耐久性を著しく高めることができるとともに、放熱性に優れて半導体チップからの熱を効率良く放熱体側に伝達させて放出させることができるパワーモジュール用基板を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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ている。すなわち、請求項１に係る発明は、絶縁基板の少なくとも一方の面に金属層が積層されるとともに、該絶縁基板の他方の面に放熱体が積層されるパワーモジュール用基板において、前記放熱体を、純度９９．９９９９％以上の銅で構成したことを特徴とする。
この発明によるパワーモジュール用基板によれば、放熱体は、６Ｎ−Ｃｕ以上の銅（純度が９９．９９９９％以上の銅）で構成されることになるので、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても、加工硬化が生じるようなことはなく常温で再結晶して内部応力が消滅することになる。従って、内部応力が蓄積することがないので、温度サイクルに対する耐久性を高めることができることになる。また、金属層に搭載される半導体チップと放熱体との間の距離が短いので、放熱性を高めることができ、半導体チップの熱を効率良く放熱体側に伝達させて放出させることができることになる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のパワーモジュール用基板であって、前記絶縁基板の他方の面に前記放熱体がはんだ、ろう材等の接合材を介して直接接合されていることを特徴とする。
この発明によるパワーモジュール用基板によれば、絶縁基板の一方の面の金属層に搭載される半導体チップの熱は、金属層、絶縁基板、及び絶縁基板の他方の面のはんだ（又はろう材）を介して放熱体に伝達され、放熱体を介して放出されることになる。また、放熱体は、６Ｎ−Ｃｕ以上の銅（純度が９９．９９９９％以上の銅）で構成されているので、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても加工硬化が生じるようなことはなく、常温で再結晶することにより内部応力が消滅することになる。従って、内部応力が蓄積することがないので、温度サイクルに対する耐久性を高めることができる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載のパワーモジュール用基板であって、前記絶縁基板の他方の面には金属層が積層され、該金属層にはんだ、ろう材等の接合材を介して前記放熱体が接合されていることを特徴とする。
この発明によるパワーモジュール用基板によれば、絶縁基板の一方の面の金属層に搭載される半導体チップの熱は、金属層、絶縁基板、及び絶縁基板の他方の面の金属層、及びはんだ、ろう材等の接合材を介して放熱体に伝達され、放熱体を介して放出されることになる。また、放熱体は、６Ｎ−Ｃｕ以上の銅（純度が９９．９９９９％以上の銅）で構成されているので、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても加工硬化が生じるようなことはなく、常温で再結晶することにより内部応力が消滅することになる。従って、内部応力が蓄積することがないので、温度サイクルに対する耐久性を高めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１には、本発明によるパワーモジュール用基板の第１の実施の形態が示されていて、このパワーモジュール用基板１は、絶縁基板２と、絶縁基板２の一方の面に積層される金属層である回路層３と、回路層３に搭載される半導体チップ５と、絶縁基板２の他方の面に接合される放熱体６とを備えている。
【００１２】
絶縁基板２は、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等により所望の大きさに形成されるものであって、その上面側に回路層３が積層接着され、下面側に放熱体６が接合されるようになっている。
【００１３】
回路層３を絶縁基板２に積層接着する方法としては、絶縁基板２と回路層３とを重ねた状態で、これらに荷重０．５〜２ｋｇｆ／ｃｍ２（４．９×１０４〜１９．６×１０４Ｐａ）を加え、Ｎ２雰囲気中で１０６５℃に加熱するいわゆるＤＢＣ法（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  Ｃｏｐｐｅｒ法）、絶縁基板３と回路層３との間にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材の箔を挟んだ状態で、これらに荷重０．５〜２ｋｇｆ／ｃｍ２（４．９×１０４〜１９．６×１０４Ｐａ）を加え、真空中で８００〜９００℃に加熱するいわゆる活性金属法等があり、用途に応じて適宜の方法を選択して使用すれば良い。
【００１４】
回路層３は、Ａｌ又は６Ｎ−Ｃｕ以上の銅（純度９９．９９９９％以上のＣｕ）から構成される。６Ｎ−Ｃｕ以上の銅（純度９９．９９９９％以上のＣｕ）は、再結晶温度がＲＴ（室温）〜１００℃の特性を有する。従って、−４０〜１２５℃の温度サイクルで繰り返し使用しても、内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができ、回路層３をＡｌで構成したものと同様に、３０００サイクル以上の温度サイクル寿命が得られる。回路層３には、半導体チップ５を搭載するための回路パターンが形成され、この回路層３の上部にはんだを介して半導体チップ５が搭載されている。
【００１５】
絶縁基板２の下面には、はんだ、ろう材等の接合材による接合、拡散接合等によって放熱体６が一体に接合されている。放熱体６は、回路層３と同様に、６Ｎ−Ｃｕ以上の銅（純度９９．９９９９％以上のＣｕ）から構成される。従って、−４０〜１２５℃の温度サイクルで繰り返し使用しても、内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができ、放熱体６をＡｌで構成したものと同様に、３０００サイクル以上の温度サイクル寿命が得られる。
【００１６】
上記のように構成したこの実施の形態によるパワーモジュール用基板１にあっては、放熱体６を６Ｎ−Ｃｕ以上の銅（純度９９．９９９９％以上のＣｕ）で構成しているので、−４０〜１２５℃の温度サイクルが繰り返し作用する条件下で使用しても、放熱体６に内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができる。従って、放熱体６と絶縁基板２との間の剥離、及び絶縁基板２の損傷を防止できるので、温度サイクルに対する耐久性を著しく高めることができる。
【００１７】
また、回路層３を６Ｎ−Ｃｕ以上の銅（純度９９．９９９９％以上のＣｕ）で構成した場合には、−４０〜１２５℃の温度サイクルが繰り返し作用する条件下で使用しても、回路層３に内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができる。従って、回路層３と絶縁基板２との間の剥離、及び絶縁基板２の損傷を防止できるので、温度サイクルに対する耐久性を著しく高めることができる。
【００１８】
さらに、回路層３に搭載される半導体チップ５から放熱体６までの距離を短くすることができるので、放熱性を向上させることができ、半導体チップ５の熱を効率良く放熱体６側に伝達させて放出させることができる。
【００１９】
図２には、本発明によるパワーモジュール用基板の第２の実施の形態が示されていて、このパワーモジュール用基板１は、絶縁基板２と、絶縁基板２の一方の面に積層される金属層である回路層３と、回路層３に搭載される半導体チップ５と、絶縁基板２の他方の面に積層される金属層４と、金属層４に接合される放熱体６とを備えている。
【００２０】
すなわち、この実施の形態に示すパワーモジュール用基板１は、絶縁基板２の他方の面に金属層４を設け、この金属層４をはんだ、ろう材等の接合材を介して放熱体６に接合したものであって、その他の構成は前記第１の実施の形態に示すものと同様であるので、前記第１の実施の形態に示すものと同様の部分には同一の番号を付してその詳細な説明は省略するものとする。
【００２１】
金属層４は、回路層３と同様に、Ａｌ又は６Ｎ−Ｃｕ以上の銅（純度９９．９９９９％以上のＣｕ）から構成される。従って、金属層４を６Ｎ−Ｃｕ以上の銅（純度が９９．９９９９％以上のＣｕ）で構成した場合には、−４０〜１２５℃の温度サイクルで繰り返し使用しても、内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができ、金属層４をＡｌで構成したものと同様に、３０００サイクル以上の温度サイクル寿命が得られる。
【００２２】
そして、この実施の形態に示すパワーモジュール用基板１にあっても、前記第１の実施の形態に示すものと同様に、放熱体６を６Ｎ−Ｃｕ以上の銅（純度９９．９９９９％以上のＣｕ）で構成しているので、−４０〜１２５℃の温度サイクルが繰り返し作用する条件下で使用しても、内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができる。従って、絶縁基板２と金属層４との間の剥離、金属層４と放熱体６との間の剥離、及び絶縁基板２の損傷を防止できるので、温度サイクルに対する耐久性を著しく高めることができる。
【００２３】
また、回路層３及び金属層４を６Ｎ−Ｃｕ以上の銅（純度９９．９９９９％以上のＣｕ）で構成した場合には、−４０〜１２５℃の温度サイクルが繰り返し作用する条件下で使用しても、回路層３及び金属層４に内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができる。従って、回路層３と絶縁基板４との間の剥離、絶縁基板３と金属層４との間の剥離、金属層４と放熱体６との間に剥離、及び絶縁基板２の損傷を防止できるので、温度サイクルに対する耐久性を著しく高めることができる。
【００２４】
表１に、従来のパワーモジュール用基板と本発明のパワーモジュール用基板との試験を比較した結果を示す。ここでの試験は、図１、図２に示す本発明品と従来品との温度サイクル試験を行い、接合部の温度（ジャンクション温度）を測定したものである。この表１から、本発明によるパワーモジュール用基板が従来のパワーモジュール用基板よりも接合部の温度変化が少ない（又は温度変化がない）ことが分かる。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明のパワーモジュール用基板によれば、絶縁基板の他方の面に積層される放熱体が６Ｎ−Ｃｕ以上（純度が９９．９９９９％以上の銅）で構成されることになるので、温度サイクルが繰り返し作用する条件下で使用しても、内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができる。従って、絶縁基と放熱体との間の剥離、及び絶縁基板の損傷を防止できるので、温度サイクルに対する耐久性を著しく高めることができることになる。また、絶縁基板の一方の面に積層される金属層に搭載される半導体チップから放熱体までの距離を短くすることができるので、放熱性を向上させることができることになり、半導体チップからの熱を効率良く放熱体側に伝達させて放出させることができることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるパワーモジュール用基板の第１の実施の形態を示した概略断面図である。
【図２】本発明によるパワーモジュール用基板の第２の実施の形態を示した概略断面図である。
【図３】従来のパワーモジュール用基板の一例を示した概略断面図である。
【図４】従来のパワーモジュール用基板の他の例を示した概略断面図である。
【符号の説明】
１  パワーモジュール用基板
２  絶縁基板
３  回路層（金属層）
４  金属層
５  半導体チップ
６  放熱体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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