【手続補正書】
【提出日】平成25年10月28日(2013.10.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、
前記回路層は、無酸素銅又は６Ｎ−Ｃｕで構成され、この回路層の一方の面が、電子部品が搭載される搭載面とされており、
前記金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が接合されて構成されており、
前記回路層の厚さｔ１が、０．１ｍｍ≦ｔ１≦０．６ｍｍの範囲内とされ、
前記金属層の厚さｔ２が、０．５ｍｍ≦ｔ２≦６ｍｍの範囲内とされ、
前記回路層の厚さｔ１と前記金属層の厚さｔ２との関係が、ｔ２／ｔ１≧４．０と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】
請求項１に記載のパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されたヒートシンクと、を備えていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記ヒートシンクと前記金属層とがはんだ層を介して接合されていることを特徴とする請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項４】
請求項１に記載のパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、無酸素銅又は６Ｎ−Ｃｕで構成され、この回路層の一方の面が、電子部品が搭載される搭載面とされており、前記金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が接合されて構成されており、前記回路層の厚さｔ１が、０．１ｍｍ≦ｔ１≦０．６ｍｍの範囲内とされ、前記金属層の厚さｔ２が、０．５ｍｍ≦ｔ２≦６ｍｍの範囲内とされ、前記回路層の厚さｔ１と前記金属層の厚さｔ２との関係が、ｔ２／ｔ１≧４．０とされていることを特徴としている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
この構成のパワーモジュール用基板においては、比較的変形抵抗の大きい無酸素銅又は６Ｎ−Ｃｕで構成された回路層の厚さｔ１が０．１ｍｍ以上とされているので、大電流を流すことができ、パワー素子を搭載することができる。また、回路層の厚さｔ１が０．６ｍｍ以下とされているので、回路層によって絶縁基板が必要以上に拘束されず、絶縁基板の割れを抑制することが可能となる。
また、比較的変形抵抗の小さいアルミニウム及びアルミニウム合金で構成された金属層の厚さｔ２が０．５ｍｍ以上とされているので、金属層が変形することによってパワーモジュール用基板に負荷される応力が緩和されることになり、絶縁基板の割れを抑制することが可能となる。また、金属層の厚さｔ２が６ｍｍ以下とされているので、金属層における熱抵抗を低く抑えることができる。なお、上記観点から金属層の厚さｔ２は３ｍｍ以下とすることが望ましい。
さらに、前記回路層の厚さｔ１と前記金属層の厚さｔ２との関係が、ｔ２／ｔ１≧４．０とされているので、パワーモジュール用基板における反りの発生を抑制することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
例えば、このパワーモジュール用基板の金属層側にヒートシンクを接合した場合であっても、絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、十分に厚く形成された金属層が変形することによって緩和することができるとともに、絶縁基板自体を回路層が強く拘束しないことから、絶縁基板の割れを抑制することができるのである。
また、上述のパワーモジュール用基板においては、電子部品が搭載される搭載面を有する回路層が無酸素銅又は６Ｎ−Ｃｕで構成されているので、電子部品から発生する熱を十分に拡げることができ、熱の放散を促進することが可能となる。よって、パワーサイクルを負荷した際の耐久性を向上させることができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
ここで、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、前記ヒートシンクと前記金属層とがはんだ層を介して接合されている構成としてもよい。
この場合、パワーモジュール用基板が、無酸素銅又は６Ｎ−Ｃｕで構成された回路層と、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された金属層と、を有し、前記回路層の厚さｔ１及び前記金属層の厚さｔ２が、上述のように規定されているので、パワーモジュール用基板の剛性が確保されることになり、熱サイクル負荷時にパワーモジュール用基板が変形しにくく、はんだ層におけるクラックの発生を抑制できる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
【図１】本発明の参考実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】本発明の参考実施形態であるパワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図３】本発明の参考実施形態であるパワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図５】本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図６】本発明の他の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図７】本発明の他の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層と絶縁基板との拡大説明図である。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図１に本発明の参考実施形態であるパワーモジュール用基板１０、ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０及びこのパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板４０の一方側（図１において上側）の面にはんだ層２を介して接合された半導体素子（電子部品）３と、を備えている。
ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
次に、本発明の実施形態について、図４を参照して説明する。
図４に示すパワーモジュール１０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０の一方側（図４において上側）の面に第１はんだ層１０２を介して接合された半導体素子（電子部品）３と、を備えている。ここで、第１はんだ層１０２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
回路層１１２は、絶縁基板１１１の一方の面に無酸素銅又は６Ｎ−Ｃｕからなる銅板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１１２を構成する銅板として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図４において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
そして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０においては、回路層１１２の厚さｔ１が、０．１ｍｍ≦ｔ１≦０．６ｍｍの範囲内に設定され、金属層１１３の厚さｔ２が、０．５ｍｍ≦ｔ２≦６ｍｍの範囲内に設定されており、さらに、回路層１１２の厚さｔ１と金属層１１３の厚さｔ２との関係が、ｔ２／ｔ１≧４．０とされている。
本実施形態では、回路層１１２の厚さｔ１がｔ１＝０．３ｍｍ、金属層１１３の厚さｔ２がｔ２＝２．０ｍｍに設定され、ｔ２／ｔ１＝６．６７とされている。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０においては、参考実施形態と同様に、絶縁基板１１１の割れやパワーモジュール用基板１１０の反り等を抑制することができる。
さらに、本実施形態においては、回路層１１２が銅板で構成され、この回路層１１２の厚さｔ１が０．１ｍｍ≦ｔ１≦０．６ｍｍの範囲内に設定され、さらに具体的には０．３ｍｍとされているので、パワーモジュール用基板１１０全体の剛性が確保されることになり、熱サイクル負荷時にパワーモジュール用基板１１０が変形しにくく、第２はんだ層１０８におけるクラックの発生を抑制することができる。
特に、本実施形態では、金属層１１３が、アルミニウムの含有量が９９．０質量％以上９９．８５質量％以下のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）の圧延板で構成されているので、熱サイクル負荷時に金属層１１３が容易に変形せず、第２はんだ層１０８におけるクラックの発生を確実に抑制することができる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、金属層となるアルミニウム板を、純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムの圧延板、または、純度９９．０質量％以上９９．８５質量％以下のアルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。
同様に、回路層となる銅板を、無酸素銅の圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、６Ｎ−Ｃｕで構成されたものであってもよい。
また、ヒートシンクとして、放熱板のものを例示して説明したが、これに限定されることはなく、放熱フィンを備えた放熱板であってもよいし、内部に冷却媒体が流通される流路を備えた冷却器としてもよい。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７２】
また、参考実施形態において、セラミックス基板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層、及び、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層とアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクを過渡液相接合法によって接合したもので説明したが、これに限定されることはなく、Ａｌ−Ｓｉ系合金等のろう材を用いてもよい。
さらに、参考実施形態において、ヒートシンクとして、天板部と冷却部材とを備えた構造のものを例示して説明したが、これに限定されることはなく、放熱フィンを備えた放熱板であってもよいし、内部に冷却媒体が流通される流路を備えた冷却器としてもよい。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
【表１】
2013229579.tif 000001
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８０】
【表２】
2013229579.tif 000002
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８３】
これに対して、本発明例１−４においては、冷熱サイクル試験において４０００サイクル以上でも絶縁基板に割れが認められなかった。また、パワーサイクル試験においても、熱抵抗の上昇が抑えられていることが確認される。
以上の結果から、本発明例によれば、回路層の上に搭載された電子部品等の発熱体からの熱の放散を促進でき、優れたパワーサイクル特性を有するとともに、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制できる信頼性の高いパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュールを提供することが可能であることが確認された。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８４】
（実施例２）
次に、上述の本発明の実施形態に示すように、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを第２はんだ層を介して接合し、この第２はんだ層における接合率について評価した。
表３に示すように、絶縁基板、回路層となる銅板、金属層となるアルミニウム板、を、接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
回路層のサイズは３７ｍｍ×３７ｍｍ、絶縁基板のサイズは４０ｍｍ×４０ｍｍ、金属層のサイズは３７ｍｍ×３７ｍｍとした。
なお、表４に示す「活性金属ロウ」、「ＤＢＣ」、「ＴＬＰ」、「Ａｌ−Ｓｉロウ」は、上述の実施例１及び表２と同様の接合方法とした。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８７】
【表３】
2013229579.tif 000003
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８８】
【表４】
2013229579.tif 000004
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
回路層及び金属層をアルミニウム板で構成した比較例１１においては、冷熱サイクル後の接合率が大きく低下していた。第２はんだ層にクラックが生じたためと推測される。
これに対して、本発明例１４においては、冷熱サイクル後においても接合率が大きく低下しなかった。本発明例１４によれば、第２はんだ層におけるクラックの発生を抑制できることが確認された。