(57)【要約】【課題】  高い耐熱性を有するパワーモジュール用基板を実現することを目的とする。【解決手段】  本発明は、絶縁基板４０の少なくとも一方の面に金属層２０、３０が形成されたパワーモジュール用基板１０である。本発明のパワーモジュール用基板１０の特徴は、金属層２０、３０が絶縁基板側からCu２６、３２、Mo２４、３４、Cu２２、３６の順で積層された金属層２０、３０で形成されていることである。また、パワーモジュール用基板１０に半導体素子が固定されているパワーモジュールは、金属層２０、３０と絶縁基板４０のあいだの相対的変位が生じにくく、高い耐久性を確保することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の少なくとも一方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板であり、
前記金属層は絶縁基板側からCu、Mo、Cuの順で積層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】
絶縁基板がAlN又はSi3N4で形成されていることを特徴とする請求項１のパワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記金属層において、Mo層を挟むCu層は略同一の層厚を有しており、Mo層の層厚がCu層の層厚の５〜１２倍の層厚であることを特徴とする請求項１又は２のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかのパワーモジュール用基板に半導体素子が固定されているパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール用基板と、パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールで制御する電力は大電力化しており、パワーモジュールの発熱量が増大している。あるいはパワーモジュールの使用環境が過酷なものになっており、例えばハイブリッド自動車の電力制御用インバータは、内燃機関からの熱にさらされる高温環境下で用いられる。層を積み重ねて形成するパワーモジュールは、層と層の間に加わる熱応力を軽減する必要がある。パワーモジュールは、動作時に高温状態まで上昇する。パワーモジュールを停止すると、周囲の環境温度まで冷却される。パワーモジュールには、加熱と冷却の過酷な冷熱サイクルが加えられる。
【０００３】
パワーモジュールは、放熱板とパワーモジュール用基板と半導体素子を積層した状態で形成される。パワーモジュール用基板は、絶縁基板と絶縁基板の表面に形成された金属層から構成されている。パワーモジュール用基板の絶縁基板を構成する材料は、パワーモジュールを構成する半導体素子の主材料（例えば、Si、GaN、SiC）の熱膨張係数に近いセラミックス材料が用いられる。その一方において、パワーモジュール用基板の絶縁基板の表面に形成された金属層は、絶縁基板と比較して熱膨張係数が大きい。パワーモジュールには、前記したように過酷な冷熱サイクルが加わる。絶縁基板と金属層の間では熱膨張係数が大きく異なるので、層間に熱応力が加わる。このような熱応力が繰り返されると、金属層と絶縁基板の間に、空隙が形成される不具合が生じるおそれがある。あるいは、絶縁基板が、金属層の熱膨張に追随できずに亀裂が入る不具合が生じるおそれがある。
【０００４】
パワーモジュールの上記の不具合に対する対策として、特許文献１の技術が開示されている。特許文献１の技術では、パワーモジュール用基板の金属層に高純度の銅を採用している。高純度の銅は、膨張と収縮を伴う冷熱サイクルによる硬化現象が生じにくい。特許文献１の技術は、金属層の冷熱サイクルにともなう硬化現象を抑制し、絶縁基板から金属層が剥がれたり、絶縁基板が損傷したりすることを防止している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３１１６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の技術では、硬化しづらい高純度の銅を利用することによって、冷熱サイクルを繰り返しても絶縁基板と銅、あるいは銅と半導体素子の接合構造に不具合が生じないようにしている。しかしながら、高純度の銅を使用するためには多大のコストがかかる。また、銅とセラミックスは、熱膨張係数が大きく異なる。特許文献１の技術を採用しても、熱膨張係数の違いから生じる金属層の剥がれに抜本的に対策するには至っていない。
本発明者らは、セラミックスの熱膨張係数に近い、熱膨張係数を有する金属を採用することを検討した。その結果、Moに注目した。Moは、低い熱膨張係数を有する。しかしながら金属層は、半導体素子の通電層としての機能も必要とされる。金属層を構成する材料は、電気抵抗が低い金属でなければならない。Moは、その点で不適当である。そこで、研究を続けた結果、CuとMoとCuの積層構造を採用することで、熱膨張係数の条件と電気抵抗の条件をともに満たすことを見出した。
本発明は、CuとMoとCuの積層構造で構成された金属層を利用して高い耐熱性を有するパワーモジュール用基板を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、絶縁基板の少なくとも一方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板に関する。本発明のパワーモジュール用基板の特徴は、前記の金属層が絶縁基板側からCu、Mo、Cuの順で積層された金属層で形成されていることである。
【０００８】
絶縁基板の表面に設けられている金属層が、Cu、Mo、Cuの順で積層された構造を有すると、高温（例えば２００℃〜２５０℃）に曝されても降伏応力を維持し、半導体素子等のモジュールの構成部品を安定的に接合し続ける。これは、Cu層とCu層に挟まれるMo層が固いことから、絶縁基板を構成する無機化合物（典型的にはセラミックス）の硬さとよく追随するためである。Ｍｏの熱膨張係数が、半導体素子の熱膨張係数あるいは絶縁基板の熱膨張係数に近いことから、半導体素子と金属層の相対的熱変形、あるいは金属層と絶縁基板の相対的熱変形を小さく抑えることができる。そのためにパワーモジュールに冷熱サイクルが繰り返されても、半導体素子や金属層や絶縁基板に大きな熱応力が作用することがなく、熱応力によって絶縁基板が割れたり、絶縁層と金属層に空隙が発生することが抑制される。
また、Cu、Mo、Cuの順で金属積層を形成することで、高い電気伝導性を確保することができる。本発明の金属積層を設けることで、電気特性を損なうことなく、過酷な冷熱サイクルに対しても信頼性の高いパワーモジュールを得ることができる。
【０００９】
本発明のパワーモジュールは、絶縁基板がAlN又はSi3N4で形成されていると好ましい。
本発明にかかる金属層は、熱膨張係数が金属と大幅に異なるAlN又はSi3N4に適用しても、AlN又はSi3N4が割れたり、金属層と絶縁基板の間に空隙が発生することを抑制することができる。
【００１０】
本発明のパワーモジュールに用いる金属層では、Mo層を挟むCu層は略同一の層厚を有しており、Mo層の層厚はCu層の層厚の５〜１２倍の層厚であると好ましい。
上記構成の金属層を有すると、絶縁基板に用いられるセラミックスとの間に生じる熱応力が好適に抑制される。また、上記構成の金属層は低抵抗であり、従来の金属層と同様に低抵抗のパワーモジュールを実現することができる。
【００１１】
本発明は、上記構成のパワーモジュール用基板に半導体素子が固定されているパワーモジュールも提供する。
パワーモジュール（例えば、電気自動車のパワーモジュール）は、加熱と冷却のサイクルがより過酷になり、パワーモジュール用基板の絶縁基板と金属層の間に繰返し作用する相対的変位が大きくなる。また、半導体装置が高温になることから、基板の裏面と放熱板の間に繰返し作用する相対的変位も大きくなる。このような半導体モジュールの場合であってもCu−Mo−Cu系の金属積層からなる金属層を利用すると絶縁基板のあいだの相対的変位が生じにくく、高い耐久性を確保する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に示す実施例の特徴を最初に列記する。
（形態１）金属層は、絶縁性基板の両面に備えられている。
（形態２）パワーモジュール用基板の片面には冷却器が固定されている。冷却器とパワーモジュール用基板の金属層の間には、熱応力緩和層が備えられている。
典型的な冷却器はアルミから構成されている。アルミとパワーモジュール用基板の間に熱応力緩和層を備えることで、パワーモジュール用基板（絶縁基板）と冷却器との熱膨張係数の違いによる熱応力が緩和される。
（形態３）半導体素子とパワーモジュール用基板の間は、半田付けされている。
（形態４）パワーモジュール用基板は、金属層の厚さが０．０５mm以上５mm以下の範囲で形成されている。
金属層の厚みが上記の範囲であると、パワーモジュール用基板と半導体素子の間に生じる熱応力が少ない。金属層の厚みが上記の範囲であると、パワーモジュール用基板と冷却器の間に生じる熱応力が少ない。結果、熱応力の違いによる、パワーモジュール用基板の絶縁基板の損傷が抑制される。また、パワーモジュール用基板と冷却器の間に空隙が形成されたり、パワーモジュール用基板と半導体素子の間に空隙が発生することが抑制される。
（形態５）パワーモジュール用基板は、GaNやSiCからなる半導体素子が備えられた半導体パワーモジュールに適用される。GaNやSiCを半導体素子に用いた半導体パワーモジュールは、作動温度が特に高温になる。本発明のパワーモジュール用基板は、GaNやSiCからなる半導体素子を用いたパワーモジュールに適用すると効果的である。
（形態６）絶縁基板と金属層はロウ付けされている。
【実施例】
【００１３】
（第１実施例）
本実施例のパワーモジュール６０の要部断面図を図１に模式的に示す。
パワーモジュール６０は、GaNを主体とした半導体素子５０と、パワーモジュール用基板１０と、Alを主体とした冷却器５８等から構成されている。半導体素子５０の上面には、電極層４８が形成されている。なお、パワーモジュール６０の上下方向は、冷却器５８側を下部とし、電極層４８側を上部とする。
パワーモジュール６０は、パワーモジュール用基板１０を有している。パワーモジュール用基板１０は、両面に金属層２０、３０を有している。パワーモジュール用基板１０の金属層２０は、接合層５２を介して半導体素子５０と接合している。金属層２０は、パワーモジュール６０の導電体としての機能を有している。パワーモジュール用基板１０の金属層３０は、接合層５４と熱応力緩和層５６を介して冷却器５８と接合している。
【００１４】
パワーモジュール６０のパワーモジュール用基板１０について説明する。
図２にパワーモジュ−ル用基板１０の要部断面図を示す。パワーモジュール用基板１０は、窒化アルミニウム（AlN）からなるセラミックス製の絶縁基板４０と、その絶縁基板４０の上面に形成された金属層２０と絶縁基板４０の下面に形成された金属層３０を有する。金属層２０は、下からCu層２６、Mo層２４、Cu層２２の順に積層された積層構造を有している。金属層３０は、上からCu層３２、Mo層３４、Cu層３６の順で積層された積層構造を有している。
【００１５】
金属層２０、３０は、Cu層２２、３６の層厚と、Mo層２４、３４の層厚と、Cu層２６、３２の層厚が、１：８：１になるように構成されている。この金属層２０、３０の全体熱膨張係数は、４ppm/K前後である。半導体素子５０の熱膨張係数も、4ppm/Kである。絶縁基板４０の熱膨張係数は、半導体素子５０の熱膨張係数と略等しい。したがって、半導体素子５０と金属層２０、３０と絶縁基板４０の熱膨張係数は、ほぼ一致している。金属層２０、３０の厚みは、０．０５〜５mmの範囲内で形成されると好ましい。特に金属層２０は、厚みが０．０５〜５mmの範囲内で形成されると好ましい。金属層２０、３０の厚みが厚すぎると、半導体素子５０から冷却器５８に熱が伝わりにくく、半導体素子５０が過熱する事象が起きる可能性が生じる。
また、金属層２０の厚みが薄くなりすぎると、金属層２０の電気抵抗が上がり、金属層２０における電気的損失が増大してしまう問題が生じてしまう。そのため、金属層２０、３０の厚みは、０．０５〜５mmの範囲内で形成されると好ましい。
金属層２０、３０は、Cu層２２、３６と、Mo層２４、３４と、Cu層２６、３２の層厚比が、１：５：１〜１：１２：１の範囲内で設定されると好ましい。Cu層２２、３６とCu層２６、３２に挟まれるMo層２４、３４の厚みが薄くなると、金属層２０、３０全体の熱膨張係数が高くなり、熱応力が増加する傾向がある。また、Mo層２４、３４の厚みが厚くなると、金属層２０、３０全体の抵抗が高くなり、電気特性が悪くなる傾向がある。
【００１６】
パワーモジュール６０の耐熱性を向上させるパワーモジュール用基板１０の製造方法について説明する。
はじめに、絶縁基板４０となるAlNセラミックス板材と、金属層２０、３０のCu層２２、２６、３２、３６となるCu板4枚と、金属層２０、３０のMo層２４、３４となるMo板2枚を用意する。AlNセラミックス板材の板厚は、０．６mmである。Cu板の板厚は、いずれも０．０５mmである。Mo板の板厚は、いずれも０．４mmである。
金属層２０、３０は、２枚のCu 板の間にMo板を挟んで作製した。Cu板とMo板は、ロウ材によって接合した。ここで用いるロウ材は、従来から金属同士の接合に用いる一般的なロウ材を用いることができる。仕上がった金属層２０、３０の厚みは、０．５mmである。
ついで、絶縁基板４０であるAlN板の上面と下面に、上記の金属層２０、３０をロウ材を用いて接合する。このようにして、パワーモジュール用基板が製造１０される。
【００１７】
パワーモジュール６０は、パワーモジュール用基板１０の金属層３０の下部に冷却器５８が備えられている。冷却器５８とパワーモジュール用基板１０の間には熱応力緩和層が設けられている。パワーモジュール１０が運転しているとき、パワーモジュール用基板１０の金属層３０と冷却器５８の温度差は大きい。運転時、パワーモジュール用基板１０の金属層３０は、冷却器５８側の温度が低く、絶縁基板４０側の温度が高い状態になる。パワーモジュール用基板１０と冷却器５８の間に熱応力緩和層が設けられることで、上記の温度差に起因する変形を軽減することができる。上記の変形を軽減できれば、金属層３０に加わる熱応力が軽減される。熱応力緩和層は、金属層３０との間に接合層を形成して強固に接合されている。
【００１８】
本実施例の構成を有するパワーモジュールは、耐熱性に優れる。また、パワーモジュール用基板１０の電極層２０は、従来のパワーモジュール用基板の金属層と同等の電気特性を有する。本実施例のパワーモジュールは、従来の構成と同等の電気特性を有しており、かつ、耐熱性に優れる。
【００１９】
（比較例）
上記実施例の比較サンプルとして、パワーモジュール用基板の構成が異なるパワーモジュールを作成した。他の構成については、上記実施例と同じ構成であり、また、比較例のパワーモジュールは、上記実施例と略同様の製造方法によって作製される。
本比較例に係るパワーモジュール用基板は、AlNで構成された絶縁基板の両面にAlもしくはCuからなる金属層が形成されている。絶縁基板の厚みは、上記実施例と同様に０．６mmである。絶縁基板の上下面に形成された金属層の厚みは、上記実施例と同様に、いずれも０．５mmである。
本比較例のパワーモジュールは、上記パワーモジュール用基板を用いて製造した。
【００２０】
（試験）
上記実施例と上記比較例のパワーモジュールを用いて冷熱サイクル試験を行った。冷熱サイクル試験は、−４０℃から２５０℃まで加熱しその後−４０℃まで冷却するサイクルを１サイクルとし、１０００サイクル繰り返して実施した。そして、冷熱サイクル試験を行った後、パワーモジュールの断面を観察した。
【００２１】
上記サイクル試験の結果、本実施例のパワーモジュール６０は、パワーモジュール用基板１０の金属層３０と冷却器５８の間及び金属層２０と半導体素子５０との間に空隙は生じなかった。また、パワーモジュール用基板の絶縁基板には、亀裂が形成されなかった。
一方、比較例のパワーモジュールは、パワーモジュール用基板の金属層と冷却器の間及び金属層と半導体素子との間に空隙が生じていた。また、パワーモジュール用基板の絶縁基板には、亀裂が形成されていた。
【００２２】
上記試験の結果から、上記実施例のパワーモジュール用基板１０の金属層２０、３０は熱応力に耐性を有することが確認された。上記実施例のパワーモジュール用基板１０を有するパワーモジュール６０は、耐熱性に優れることが確認された。したがって、本発明のパワーモジュール用基板を有するパワーモジュールは、冷熱サイクルに強く、高い信頼性を有することがわかった。
【００２３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、主材料がAl2O3やSi3N4からなる絶縁基板を用いたパワーモジュール用基板に本発明の技術を適用しても、効果的である。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施例のパワーモジュールの構成を示す断面図である。
【図２】実施例に係るパワーモジュール用基板の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０：パワーモジュール用基板
２０、３０：金属層
２２、２６、３２、３６：Cu層
２４、３４：Mo層
４０：絶縁基板
４８：電極層
５０：半導体素子
５２、５４：接合層
５６：熱応力緩和層
５８：冷却器
６０：パワーモジュール
【図１】
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【図２】
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