JP2000082774A - パワ―モジュ―ル用基板およびその基板を用いたパワ―モジュ―ル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パワーモジュール用基板として、ＩＧＢＴチ
ップなどを固定したセラミック基板を、はんだを用いず
に機械的に固定する際に発生する割れを解消し、セラミ
ック基板から放熱板への放熱性を改善する。 【解決手段】 パワーモジュール用基板としての窒化ア
ルミニウムセラミックスなどを用いたセラミックス基材
１の放熱板５への固定部において、セラミックス基材１
の表面に金属層２が設けられており、また、裏面全面に
金属膜１１が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はパワーモジュール用
基板およびその基板を用いたパワーモジュールに関し、
より特定的には、モーターを駆動する電子制御装置を伴
う工作機械、電気自動車、電車、その他大電力を半導体
素子で制御するパワーモジュール（電力変換装置）の放
熱基板として用いられるパワーモジュール用基板および
その基板を用いたパワーモジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械、電気自動車、電車などのモー
ターを駆動するために、直流−交流変換、直流−直流変
換を行うパワーモジュールが採用されている。パワーモ
ジュールは、直流−交流変換を行うＩＧＢＴ（Insulate
d Gate Bipolar Transistor ）部、逆流防止コンデンサ
ーおよび制御回路部等から構成される。

【０００３】ＩＧＢＴチップは（ここでのチップには、
半導体素子を含むものとする。）、その表面および裏面
から大電流を取り出す。そのため、ＩＧＢＴチップを固
定する基板には高い電気的絶縁性が求められる。また、
裏面から電流を取り出すための電極を電気的絶縁性の基
板上に形成するため、この電気的絶縁性の基板には導体
層を形成する必要がある。

【０００４】一般には導体層としては、通常銅を主成分
とする薄い層（たとえば、銅箔で形成された層）が用い
られ、この薄い層がＩＧＢＴチップとセラミックス基材
との間に介在層を介して設けられる。

【０００５】更にＩＧＢＴチップは、実装時に発生する
接合加熱や、大電流を制御するために、実動時の半導体
素子の発熱により、チップの温度が上昇する。このた
め、このＩＧＢＴチップを固定している基材およびその
周辺材を含む基板全体には、高い放熱性が要求される。
基板からの放熱が不十分であると、半導体素子の温度が
上昇し電流制御が不可能になり、著しい場合には半導体
素子が破壊することもある。

【０００６】従来のパワーモジュールの断面構造を図２
２に示す。従来のパワーモジュールでは、ＩＧＢＴチッ
プ６が絶縁性基材としてのセラミックス基材１上の銅層
８に半田で固定され、更にこのセラミックス基材１が半
田で金属ベース１２に固定される。なお、図２２におい
ては、制御回路の図示は省略している。

【０００７】同図を参照して、銅、アルミニウム等の高
熱伝導性金属よりなる放熱板５の上にベース１２が配置
される。このベース１２は、ボルト４によって、放熱板
５に固定される。なお、図示していないが、放熱板５と
ベース１２との界面には、界面での熱抵抗を小さくする
ためのシリコンオイルコンパウンド等の薄い層が形成さ
れている。

【０００８】ベース１２の上には、電流制御部を密閉す
る樹脂製のケース１０が接着材等で固定されている。ケ
ース１０内のベース１２上には、制御回路部品を搭載し
たセラミックス基材１が半田付けにより固定されてい
る。具体的には、セラミックス基材１上には、介在層お
よび銅を主成分とする導体層８を積層した制御回路が形
成されており、その一端が電極９を介して外部に設けら
れた回路に接続されている。

【０００９】半導体素子６、ダイオード７等の回路部品
は、この導体層８上に半田付けされている。密封された
ケース１０内の空間は、シリコンゲル等が充填されてい
る。なお、半導体素子や、ダイオード間等のワイヤボン
ディングについては図示を省略している。

【００１０】ベース１２は、銅、アルミニウム等の金属
や、銅−タングステン、アルミニウム−炭化珪素等の金
属を多く含んだ複合材料で作られている。なお、セラミ
ックス基材１は、電気絶縁性と高い熱伝導性とを必要と
するため、窒化アルミニウムセラミックスが用いられ
る。

【００１１】また、ＩＧＢＴチップの容量が大きく、発
熱量の大きいパワーモジュールでは、放熱板５の内部ま
たは放熱板５の下方に、水冷式のラジエータや空冷ファ
ン等の放熱を高める構造部材が配置される。

【００１２】上記導体層８の構造については、特開平９
−２７５１６６号公報に開示されるように、熱膨張係数
差の大きい窒化アルミニウムセラミックス等のセラミッ
クス基材と銅導体層との間の熱応力を緩和するために、
介在層には種々の構成が提案されている。

【００１３】なお、モジュールによっては、このような
セラミックス基材−介在層−導体層の組合わせ単位を１
単位のみでなく、この配列順に２単位以上積層して形成
されることもある。

【００１４】すなわち、図２２に示す導体層８の部分
に、例えばセラミックス基材の上に、介在層−導体層−
介在層−セラミックス層−介在層−導体層−介在層−…
のように、２単位以上積層されることもある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来のパ
ワーモジュールではベース１２の上にセラミックス基材
１を介して半導体素子としてのＩＧＢＴチップ６を固定
している。この構造を簡略化して低コスト化を計るため
には、ベース１２を用いずに窒化アルミニウムセラミッ
クス等の高熱伝導性かつ電気絶縁性のセラミックス基材
を直接筺体等に固定することが考えられる。

【００１６】この場合、セラミックス基材１を一体のも
のとして用い、これに複数のＩＧＢＴチップ６を固定す
る、例えば図２３（ａ）のような構成と、セラミックス
基材1 を分割して用いる、例えば図２３（ｂ）（この場
合は２分割）のような構成とがある。

【００１７】しかし、図２３（ａ），（ｂ）のいずれの
場合でもセラミックス基材１をボルト４等で、直接固定
するか、または、図２３（ａ），（ｂ）のようにワッシ
ャ１６を介挿して固定すると、ベース１２（図２２参
照）を用いて固定する場合と比較して、セラミックス基
材１の機械的強度が低いため、固定部の応力が集中した
部分で割れが発生する。

【００１８】さらに、半導体素子としてのＩＧＢＴチッ
プ６が動作し温度が上昇すると、導体層８とセラミック
ス基材１との熱膨張係数の差および放熱板５とセラミッ
クス基材１との熱膨張係数の差により固定部に、より大
きな応力が加わるため割れが発生するという問題があ
る。

【００１９】さらに、半田を用いずに放熱板５に固定す
るため、放熱を効率良く行う必要がある。そこで、ベー
ス１２と放熱板５の熱伝導性を改善するために放熱板５
とセラミックス基材１との間にシリコンオイルコンパウ
ンドを塗布し、両者の界面での熱抵抗を小さくすること
も考えられる。しかし、セラミックス基材１の材質とし
て用いられる窒化アルミニウムセラミックスや窒化珪素
セラミックスは、シリコンオイルコンパウンドと濡れ性
が悪いという問題がある。

【００２０】また、セラミックス基材１を放熱板５に固
定する固定部において、熱抵抗を小さくする必要があ
る。その場合、従来のようにワッシャを用いると、固定
部における熱抵抗が高くなる問題が生じる。さらに、従
来のように金属を含むベースの場合、放熱板５の表面に
微少な凹凸が存在しても、ベース１２が変形することで
両者の界面の空気層を少なくし、これにより熱抵抗の上
昇を抑えることができた。しかし、ベースとしてセラミ
ックス基材を用いる場合には、微少な凹凸から割れが発
生するという問題がある。

【００２１】したがって、本発明はＩＧＢＴチップを固
定した窒化アルミニウムセラミックス基板を、半田を用
いずに機械的に固定する際に発生する割れの解消と窒化
アルミニウムセラミックス基板から放熱板等への放熱性
を改善することを目的とする。

【００２２】また、図２３（ａ）の構造と（ｂ）の構造
とを比べると、（ｂ）の構造は（ａ）の構造に比べて、
高価なセラミックス基材１の面積が相対的に小さくなる
ため、材料コストが下がる。また、実装時には熱応力が
分散緩和される。セラミックス基材１の分割数が多くな
ればこの効果は助長される。さらに、今後、セラミック
ス基材１の厚さが薄くなり、またＩＧＢＴチップ６の集
積度が増して発熱量が増すことが考えられるため、特に
大型のものでは、（ｂ）の構造の方が有利になると考え
られる。しかし、（ｂ）の構造は（ａ）の構造に比べて
分割される単位数が増えるにつれて固定に要するコスト
は高くなる。したがって、本発明は、この場合の安価な
固定手段の提供をも目的とする。

【００２３】さらに、セラミックス基材１の面積を小さ
くするためには、直接ボルト４で固定するのではなく、
図２４に示すように固定治具３を用いた方がボルト孔形
成に必要な基材を省くことができるため、材料コストを
下げることができる。しかし、図２４のようにセラミッ
クス基材１の１組の辺を固定しただけでは、その辺に平
行な力が加わった場合、セラミックス基材１が容易に抜
け落ちる可能性が高い。これは、車両や自動車において
は衝突時における衝撃に対する安全性の観点から大きな
問題となる。したがって、本発明は、この場合の安全な
固定手段の提供をも目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では固定治具とセラミックス基材が、実装時
およびモジュールの実動時の機械的、熱的な変形によっ
て、直接接触して応力が集中することを防ぎ、かつ固定
治具からの放熱を高めるため、セラミックス基材と固定
治具との接触部にヤング率が低くかつ熱伝導率が高い金
属層を挿入すること、または、固定治具の芯材にヤング
率が低くかつ熱伝導率が高い金属を用いることを特徴と
する。

【００２５】また、放熱板上部の微少な突起によりセラ
ミックス基材に割れが発生することを防止し、かつ、セ
ラミックス基材に塗布するシリコンオイルコンパウンド
の濡れ性を改善して基板からの放熱性を向上させるた
め、セラミックス基材の裏面に金属層を形成することを
特徴とする。

【００２６】すなわち、本発明のパワーモジュール用基
板は、セラミックス基材を用いたパワーモジュール用基
板であって、このパワーモジュール用基板は、半導体素
子を搭載し密封された電流制御部と、上記セラミックス
基材を放熱板に固定する固定部とを有し、上記電流制御
部は、上記セラミックス基材上に介在層を介して設けら
れる導体層を配した積層構造単位を１単位以上含み、上
記積層構造の最上層に上記半導体素子が搭載されてお
り、上記固定部は、上記セラミックス基材の上に介在層
を介して設けられる金属層を含む固定座領域を有してい
る。

【００２７】また、好ましくは、上記セラミックス基材
の材質は、窒化アルミニウムセラミックスである。

【００２８】また、好ましくは、上記セラミックス基材
の材質は、窒化珪素セラミックスである。

【００２９】また、好ましくは、上記電流制御部の上記
導体層は、銅、アルミニウム、ニッケルのいずれかを主
成分とする金属材料である。

【００３０】また、好ましくは、上記固定部の上記金属
層は、銅、アルミニウム、ニッケルのいずれかを主成分
とする金属材料である。

【００３１】また、好ましくは、上記セラミックス基材
の裏面側に、金属膜が設けられる。

【００３２】さらに好ましくは、上記セラミックス基材
の裏面側の上記金属膜は、銅、アルミニウム、ニッケル
のいずれかを主成分とする金属材料である。

【００３３】また、本発明には、上記パワーモジュール
用基板を具備したパワーモジュールも含まれる。

【００３４】また、本発明においてセラミックス基材の
材質として窒化珪素セラミックスを用いる利点は、窒化
珪素セラミックスは窒化アルミニウムセラミックスに比
べ、３〜４倍の曲げ強度のものが得られるため、放熱板
への実装固定の際、機械的な応力や、実動時の熱応力に
よる集中負荷に対し、基材の厚みをより薄いものにする
ことができる点である。窒化珪素セラミックスは、窒化
アルミニウムセラミックスよりも熱伝導性に劣るが、厚
みをより薄くすることによって熱抵抗を小さくすること
ができるからである。

【００３５】

【発明の実施の形態】本発明に基づく実施の形態におけ
るパワーモジュールの断面構造を図１に模式的に示す。
図２２で説明した従来の技術に示したパワーモジュール
の構造とは異なり、金属や金属を多く含む複合材料から
なるベース１２を用いずに、導体層８を上面に形成した
電気絶縁性かつ高熱伝導性のセラミックス基材１を大型
化し、従来から用いられている樹脂製のケース１０と一
体化してパワーモジュールを構成する。

【００３６】なお、セラミックス材料によって成形され
る板それ自体をセラミックス基材１といい、セラミック
ス基材１の表面に、所定の金属層２、導体層８を形成
し、裏面に、所定の金属膜１１を形成したものをパワー
モジュール用基板というものとする。パワーモジュール
用基板に所定の電極９、ケース１０を結合したものをパ
ワーモジュールというものとする。また、以下に示す各
図中において、同一又は相当部分には同一の参照番号を
付すものとする。

【００３７】このパワーモジュールの放熱板５への固定
は、たとえば図１の右側に示すように金属層２を介して
ボルト４で固定する方法、同図の左側に示すように金属
層２を介して固定治具３で固定する方法、その他公知の
種々の固定方法を採用することにより、実現される。

【００３８】なお、本実施の形態における構造によれ
ば、ケース１０内の電流制御回路用の導体層８と固定部
の締付け応力の緩衝層である金属層２とを同時に形成す
ることもできる。

【００３９】ケース１０内の導体層８は上述のようにセ
ラミックス基材１上に導体層８がセラミックス基材１と
の間に熱的・機械的に十分な接合状態で接合されるよう
に、まず、セラミックス基材１側から順に高融点金属や
活性金属を含む層を形成し、さらに、これらの層の上
に、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇなどの金属を主成分としためっき
などの薄い第２層を形成する。これらの層は、導体層８
を付与するための介在層となる。

【００４０】一方、本発明に基づく実施の形態における
の固定部の金属層２の基本的なパターン形状およびその
配置は、セラミックス基材１が一体ものの場合を例にと
ると図２（ａ）〜（ｆ）に示すように種々のデザインが
考えられるが、これら金属層２についても同様に介在層
を形成し、その上に固定部を部分的に、または固定部全
体を、カバーするように金属層２を形成する。図１〜図
２０のいずれの図においても、金属層２にはセラミック
ス基材１側の介在層が明記されていないが、介在層を含
めて金属層２として表示した。なお、この金属層２のパ
ターン形状についての説明は後述する。

【００４１】一つのパワーモジュールに配置されるＩＧ
ＢＴチップ６が複数個、例えば６個以上になる場合に
は、全てのチップを一体もののセラミックス基材１上に
配置することもできる。しかし、前述のように熱的・機
械的ストレスに対してより優れた耐久性を持たせ、セラ
ミックス基材１の材料費を低減するためには、セラミッ
クス基材１の体積を全体として減らし、分割配置する方
が有利である。

【００４２】さらに、分割することで、ＩＧＢＴチップ
６の通電時に発生する熱によるセラミックス基材１の反
りが小さくなるため、セラミックス基材１を薄くしても
反りによる熱抵抗の増大に起因するＩＧＢＴチップ６の
温度の上昇を抑えることができる。

【００４３】例えば２分割の場合にはセラミックス基材
１の厚さを２ｍｍから１ｍｍに変更することで、窒化ア
ルミニウムセラミックス基材１の体積は分割しない場合
にくらべて約３６％まで減少することができ、減少分の
原料コストを低減することができる。さらに、大型のセ
ラミックス基材１を製造することは技術的に困難である
ため、分割・小型化することで歩留まりが向上する。そ
の結果、最終製品のコストを低減することが可能にな
る。

【００４４】しかし、この分割配置方式では、一体もの
のように個々のセラミックス基材１を別々に固定するた
め、その手間がかかり過ぎる。このため、例えばＩＧＢ
Ｔチップ６が６個の場合、先の図２３（ｂ）の構造のよ
うにセラミックス基材１を２分割して４ヶ所でボルト固
定してもよい。

【００４５】また、図１２〜図１５に示すセラミックス
基材１の固定方法を採用することも可能である。ここ
で、図１２および図１４は、セラミックス基材１の固定
方法を説明するための斜視図であり、図１３および図１
５において、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−
Ａ’線矢視断面図、（ｃ）は（ａ）中のＢ−Ｂ’線矢視
断面図である。

【００４６】図１２〜図１５に示すいずれの固定方法に
おいても、固定治具３が用いられ、個々のセラミックス
基材１の両端が固定される。

【００４７】また、他の固定方法として、固定治具３を
一体化した例を図１６に示す。なお、図１６において、
（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ’線矢視断
面図、（ｃ）は（ａ）中のＢ−Ｂ’線矢視断面図であ
る。

【００４８】この図１６に示す構造においては、それぞ
れ３個のＩＧＢＴチップ６が配置されたセラミックス基
板１が２枚分割配置され、固定治具３は、６個のＩＧＢ
Ｔチップ６を露出する開口部を有している。

【００４９】この図１６に示す固定治具３の構造は、図
１７に示すように、それぞれ１個のＩＧＢＴチップ６が
設けられた６枚のセラミックス基材１を固定する場合に
も有利な構造である。なお、図１７において、（ａ）は
平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ’線矢視断面図、
（ｃ）は（ａ）中のＢ−Ｂ’線矢視断面図である。

【００５０】また他の固定方法として、図１９に示す固
定方法があり、６枚のセラミックス基材１のそれぞれ
に、３個のＩＧＢＴチップ６を配置したものである。し
たがって、ＩＧＢＴチップ６は１８個準備されている。

【００５１】このように分割配置された６枚のセラミッ
クス基材１の両端部を、２個の固定治具３を用いて固定
している。また、このように配置されたセラミックス基
材１の場合は、図１６に示すような開口部を有する一体
型の固定治具３を用いることも可能である。

【００５２】以上述べたセラミックス基材１を分割配置
する構造では、金属層２のパターン形状およびその配置
は、基本的にはセラミックス基材１の固定治具３との接
触部分となる。それは部分的であってもよく、同部分の
全面をカバーできるものでもよい。これらの構造も含
め、金属層２のパターン例を図２０に示す。

【００５３】図２０はそれぞれ、セラミックス基材１に
設けられる金属層２の平面パターンを示すもので、
（ａ）は、セラミックス基材１の両端の全面に金属層２
が設けられるものであり、例えば図１１、図１３〜図１
５、図２４に示すセラミックス基材１の配置構造に適用
することができる。

【００５４】図２０（ｂ）、（ｃ）は、それぞれパター
ン形状は異なるものの、セラミックス基材１の両端にお
いて部分的に金属層２が設けられるものであり、例えば
図１１、図１３〜図１５、図２４に示すセラミックス基
材１の配置構造に適用することができる。

【００５５】また、図２０（ｄ）、（ｆ）は、それぞれ
パターン形状は異なるものの、セラミックス基材１の両
端の固定部周辺に金属層２が設けられるものであり、例
えば従来の技術で説明した図２３（ｂ）に示すセラミッ
クス基材１の配置構造に適用することができる。

【００５６】また、図２０（ｅ）は、セラミックス基材
１の全周に金属層２が設けられるものであり、例えばク
ランプ型、または、図１１、図１３〜図１５、図２４の
固定治具３によって、セラミックス基材１のフレーム部
全周を押さえる場合に適用することができる。

【００５７】なお、直かにボルト４で固定する図２３の
固定方法よりも両端を固定治具３で押さえる図１０、図
１２または図１４の固定方法の方が、必要なセラミック
ス基材１の面積が小さくなるのでコストの面から望まし
い。

【００５８】さらに、図１０および図１２の固定方法の
場合にはセラミックス基材１の四隅を固定しているた
め、図１４のようにセラミックス基材１の辺を固定して
いる場合より、衝撃に対して強固である。図１４の固定
方法の場合にはセラミックス基材１の長辺に平行な方向
の力に対しては、固定治具３で支えることができるが、
セラミックス基材１の長辺に垂直な方向の力に対しては
固定治具３が有効に働かず、セラミックス基材１が脱離
する可能性があり、特に車両および自動車では安全性の
観点から問題となる。したがって、セラミックス基材１
の四隅を固定した図１０および図１２の固定方法の方が
安全性の面からは有利である。

【００５９】さらに、図１５〜図１７に示すフレームタ
イプの固定治具３で全体を均等に押さえる固定方法が望
ましく、図２１に示すネット状の固定治具３を用いて、
さらにバランス良く押さえることがより望ましい。これ
は、セラミックス基材１に負荷される応力の分散がより
よく図られるからである。

【００６０】したがって、本発明の実施の形態に基づく
セラミックス基材１の固定方法によれば、同じ構成の介
在層をセラミックス基材１上に形成する場合、ケース１
０内の電流制御部に用いられる導体層８と、固定部の金
属層２とをセラミックス基材１上に同時に形成すること
ができる。

【００６１】また、介在層の第１層が高融点金属層であ
れば、セラミックス基材１の成形の時点で、高融点金属
を含むペーストによって両者のパターンを同時に印刷
し、セラミックス基材１の焼結と同時にこれらのパター
ンを焼付けてもよい（コファイアメタライズ法）。

【００６２】また、活性金属を含むロウ材層が介在層の
第１層であれば、焼結したセラミックス基材１上に、こ
れらの金属を含むペーストによって両者のパターンを同
時に印刷し、焼付けてもよい。この方法は介在層の第１
層が高融点金属を含む層であっても適用できる（ポスト
ファイアメタライズ法）。

【００６３】この場合、固定部の表面の金属層２とケー
ス１０内の導体層８が同じ材質、たとえば銅であれば電
流制御部の導体層８形成と同時に固定部の金属層２も形
成することができる。

【００６４】また、電流制御部の導体層８が銅であり、
固定部の金属層２をニッケル層とする場合には、両層と
も介在層の第２層にニッケルめっきを行なった後、導体
層の部分にのみ銅層を形成すればよい。

【００６５】以上述べた電流制御部の導体層８と固定部
の金属層２の形成手順は、電流制御部の導体層に、銅、
アルミニウムまたはニッケルのいずれかが選ばれ、一
方、固定部の金属層に、銅、アルミニウムまたはニッケ
ルのいずれかが選ばれたとしても、セラミックス基材１
と導体層８との間に設けられる介在層、および、固定部
のセラミックス基材１と金属層２との間に設けられる介
在層の形成については、基本的に両層同時に行なうこと
ができ、工程の簡素化を図ることができる。

【００６６】さらに、本実施の形態におけるパワーモジ
ュール用基板のセラミックス基材の裏面すなわち放熱板
５との対向面にも、同じように銅、アルミニウムまたは
ニッケルを主成分とする金属膜が形成される場合があ
る。この場合、同金属膜の形成も上記各層と同時に形成
することが可能である。

【００６７】さらに、固定部の金属層２のパターンをた
とえば図２（ａ）〜（ｆ）のように形成することによっ
て、同層とセラミックス基材１とが熱的・機械的に十分
な接続状態で接続されるため、固定部を単に金属ワッシ
ャ１６などを介挿して固定する場合よりも、特に熱的に
十分な接続がなされる。なお、この金属層２のパターン
形状についての説明は後述する。

【００６８】また、同時に固定具（ボルト、クランプヘ
ッドまたは固定治具など）に対し物理的に同金属層がな
じみ、密着性を良くすることが可能になる。

【００６９】以上のことから、セラミックス基材１から
の固定具への熱伝達効率を大幅に改善することができ
る。

【００７０】ここで、この金属層２の材質としては、
銅、アルミニウムまたはニッケルを主成分とするものを
用いることができる。また、セラミックス基材１の材質
としては、窒化アルミニウムセラミックス、窒化珪素セ
ラミックス等の電気絶縁性があり高熱伝導性を有するセ
ラミックスであれば、いずれのセラミックスでも用いる
ことができる。

【００７１】放熱板５の材質としては銅、アルミニウム
を主成分とするものを用いることができる。また、放熱
板５とセラミックス基材１との間には、図１に示すよう
に薄い金属膜１１を形成するとよい。

【００７２】たとえば、セラミックス基材１の材質とし
て窒化アルミニウムセラミックスや窒化珪素セラミック
スを用いた場合には、活性金属を含むロウ材層や高融点
金属を含むメタライズ層を形成した後、これらの層の上
にニッケルめっき層を形成する。このようにすることに
よってこの金属膜１１と放熱板５との界面の密着度や、
仮にシリコンオイルコンパウンドを介在させた場合のセ
ラミックス基材１との濡れ性が改善され、界面での熱抵
抗を小さくすることができる。

【００７３】次に、図３を参照して、固定治具３を用い
てセラミックス基材１を固定する場合を示す。固定治具
３をボルト４で締付けた状態において、セラミックス基
材１に反りがある場合、銅層がないとセラミックス基材
１の角もしくは固定治具３の角に応力が集中し、セラミ
ックス基材１に割れが発生する。

【００７４】しかし、たとえば金属層２として銅を用い
た場合、銅が変形することで応力集中が緩和され、セラ
ミックス基材１の割れが発生しなくなる。また、ＩＧＢ
Ｔチップ６動作中に接合部からの発熱による温度上昇に
よって熱膨張係数差によりセラミックス基材１に反りが
発生した場合も、銅層が形成してあると銅が変形するこ
とで応力集中が緩和され、セラミックス基材１に割れが
発生しなくなる。また、車両搭載時の振動が吸収され、
セラミックス基材１の損傷や劣化が防げる。

【００７５】また、上記のように本実施の形態における
銅層による固定部構造とすることによって、セラミック
ス基材１から固定治具３への熱抵抗が減少し、セラミッ
クス基材１から放熱板５への放熱性が改善される。固定
治具３からの放熱を改善するためには、固定治具３の芯
材として銅、アルミニウム等を用い、外周を鋼製とした
複合材を使用してもよい。

【００７６】上記のように、ボルト４で固定する場合や
ＩＧＢＴチップ６の発熱時の熱膨張係数差によってセラ
ミックス基材１に反りが発生した場合、セラミックス基
材１の角が放熱板５や固定治具３に接触すると、セラミ
ックス基材１は脆いため、損傷が起こる。また、組立時
のハンドリングでも角を当てることで損傷が起こりう
る。そのため、図５に示すように、セラミックス基材１
の角を面取りし、Ｒ１を０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの範
囲にするか、もしくはＣ１を０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ
の範囲にすることが望ましい。また、固定治具３が金属
層２と接する角も面取りし、Ｒ２もしくはＣ２を０．０
５ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲にすることが望ましい。

【００７７】また、衝撃、振動または組立時のハンドリ
ングなどによりセラミックス基材１側面と固定治具３が
接触して損傷が起こらないように、セラミックス基材１
の側面と固定治具３との間にギャップを設けることが望
ましい。また、ギャップ量ｔ１は、セラミックス基材１
の長さをＬとした場合、０．００２５Ｌ〜０．０１Ｌの
範囲が望ましい。

【００７８】また、衝撃、振動または組立時のハンドリ
ングなどによりセラミックス基材１側面と固定治具３が
接触して損傷が起こらないように、セラミックス基材１
の端面の面粗度Ｒａは、５０μｍ以下で５０μｍ以上の
突起がないことが望ましい。また、ボルト４または固定
治具３との十分な接触を得て熱抵抗を下げるためには、
金属層２が形成される領域のセラミックス基材１の表面
および裏面の面粗度Ｒａは２μｍ以下であることが望ま
しい。

【００７９】また、熱応力によるセラミックス基材１の
反りによる応力を緩和し、衝撃、振動を吸収し、かつ熱
を伝えるためには、金属層２の厚さＴ１は、０．１５〜
１．０ｍｍの範囲が望ましい。さらに、図６に示すよう
に厚さＴ２が０．５ｍｍ〜３．０ｍｍの放熱シート１４
を挟むことにより、さらに応力の緩和および放熱性の改
善が可能になる。

【００８０】次に、図４を参照して、ボルト４を用いて
セラミックス基材１を固定する場合について述べる。こ
の場合は、セラミックス基材１に反りがある場合、およ
び温度上昇により反りが発生する場合は、図３と同様に
金属層２により割れが防止できる。

【００８１】さらに、この場合にはセラミックス基材１
に反りがなくともボルト４を過剰な力で締付けるとボル
ト４の角に当たる部分のセラミックス基材１に応力が集
中し割れが発生する。この場合も、図４に示すように金
属層２を形成することで応力集中が緩和されたり、衝
撃、振動が吸収されセラミックス基材１の損傷や割れを
防止することが可能となる。

【００８２】また、この金属層２によりセラミックス基
材１からボルト４への熱抵抗が減少することにより、ボ
ルト４を介在したセラミックス基材１から放熱板５への
放熱性が改善される。ボルト４からの放熱を改善するた
めに、図３の固定治具３でも述べたように、ボルト４の
芯材として銅、アルミニウム等を用いた複合材を使用し
てもよい。

【００８３】この場合、ボルトを締め過ぎた場合や、Ｉ
ＧＢＴチップ６の発熱時の熱膨張係数差によってセラミ
ックス基材１に反りが発生した場合に、セラミックス基
材１の角が放熱板５やボルト４に接触すると、セラミッ
クス基材１は脆いため、損傷が起こる。また、組立時の
ハンドリングでも角を当てることで損傷が起こりうる。
そのため、図７に示すようにセラミックス基材１の角を
面取りし、Ｒ１を０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲にす
るか、またはＣ１を０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲に
することが望ましい。また、図７に示すようにボルト４
が金属層２と接する角も面取りし、Ｒ２またはＣ２を
０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲にすることが望まし
い。

【００８４】また、衝撃、振動または組立時のハンドリ
ングによってセラミックス基材１とボルト４が接触し
て、損傷や割れが発生するのを防止するために、セラミ
ックス基材１の側面とボルト４との間に隙間を設けるこ
とが望ましく、ギャップ量ｔ１はボルト４の直径をＤと
した場合、０．０５Ｄ〜０．２５Ｄの範囲が望ましい。
また、ボルト孔１Ａの内面の面粗度Ｒａは、５０μｍ以
下で５０μｍ以上の突起がないことが望ましい。金属層
２の厚さＴ１は０．１５ｍｍ〜１ｍｍの範囲が望まし
い。

【００８５】さらに、ボルト４で固定する場合には、図
８に示すように金属層２の面積を大きくし、ボルト４と
金属層２との間に逆Ｔ字形の金属治具１３を挿入するこ
とにより、金属層２にかかる圧力を均等により広く分散
することが可能になる。その結果、熱応力や機械的応力
・振動の吸収がより容易になる。

【００８６】この際、衝撃、振動または組立時のハンド
リングによって金属治具１３と金属層２が接触して、金
属層２またはセラミックス基材１の損傷や割れが発生す
るのを防止するために、金属層２と接触する金属治具１
３の角を面取りし、ＲまたはＣを０．０５ｍｍ〜０．２
ｍｍの範囲にすることが望ましい。

【００８７】さらに、クランプ（図示省略）によって固
定することにより、パワーモジュールの交換を容易にす
る構造をとることも可能である。この場合は、クランプ
の当たる場所に金属層を形成する。

【００８８】いずれの場合も、セラミックス基材１に反
りがあると、ボルト４、固体治具３、クランプ等で締付
ける場合に、セラミックス基材１に損傷や割れが発生す
るおそれがある。これを防止するために、セラミックス
基材１の反りは、長さをＬｍｍとした場合、３Ｌμｍ以
下であることが望ましい。また、衝撃、振動または組立
時のハンドリングによって角が当たることによる損傷や
割れを防止するために、上から見た面取りとして（図２
参照）、Ｒ３もしくはＣ３を０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲
にすることが望ましい。

【００８９】ここで、上記金属層２のパターンの例を図
２（ａ）〜（ｆ）および図２０（ａ）〜（ｆ）に示す。
便宜上、金属層２を斜線で示す。図２（ａ）〜（ｃ）お
よび図２０（ａ）〜（ｃ）、（ｅ）は、図３に示したタ
イプの固定治具３を用いる場合のパターンである。図２
（ｄ）および図１６（ｄ）は、図４に示したボルト４を
用いて固定する場合のパターンである。図２（ｅ）およ
び図２０（ｅ）は、クランプを用いる場合のパターンで
ある。なお、図２０（ｅ）では、場合によっては図２１
に示すようなネット状の固定治具３で止める場合もあ
る。

【００９０】なお、図２や図２０において、ボルト４に
よってセラミックス基材１を直接、放熱板５に固定する
場合には、金属層２のパターンの適当な位置に、図２
（ｄ）や図２０（ｄ）に示すような余白部を配して予め
その部分に孔を開けておいてもよい。

【００９１】また、図２（ｆ）や図２０（ｆ）のように
セラミックス基材１の一部をＵ字形にえぐった形状にし
て、クランプ式またはボルト締め式で固定することもで
きる。その他種々の公知の固定手段が考えられる。

【００９２】なお、本実施の形態で紹介される代表的な
材料の熱伝導率と熱膨張係数を、図９に示す。

【００９３】（実施例１）主成分粉末として、平均粒径
１．０μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末、窒化珪
素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）粉末と、平均粒径０．６μｍのＹ₂ Ｏ
₃ 粉および平均粒径０．３μｍのＣａＯ粉末を、それぞ
れ９７重量％、１．５重量％、および１．５重量％とな
るよう定量し、エタノール溶液中ボールミルにて２４時
間均一に混合し、焼結助剤がＹ₂ Ｏ₃ −ＣａＯからなる
ＡｌＮ系およびＳｉ₃ Ｎ₄ 系の２種の混合粉末を得た。

【００９４】さらに、これらの混合粉末１００重量部に
対しバインダとしてＰＶＢを１０重量部加え、スラリー
化した。このスラリーの一部を噴霧乾燥し、粉末成形プ
レスにて成形し、機械加工によって四隅に貫通孔を設け
た。

【００９５】これらの成形体の一方の主面上に、最終的
に電流制御用の導体層を配置する１５ｍｍ角の部分と、
最終的に固定部の金属層を配置する直径９ｍｍの孔の周
辺に３ｍｍの幅で、高融点金属ペーストとして、平均粒
径１μｍの高融点金属Ｗを、ボールミルで溶剤１０ｗｔ
％、ＳｉＯ₂ −ＣａＯ−Ｂ₂ Ｏ₃ 系ガラス５ｗｔ％、有
機バインダ５ｗｔ％を混合した混合物中へ少量ずつ添加
し、２００ｐｓになるよう粘度調整したものを作製し、
２００メッシュのスクリーンで上記高融点金属ペースト
を印刷塗布し、さらに裏面全体にも上記高融点金属ペー
ストを塗布し、窒素雰囲気中１７００℃で５時間焼成し
て、各々の成形体本体を焼結するとともに、上記高融点
金属ペーストを焼付けした（コファイアメタライズ
法）。

【００９６】以上の工程で得たＷ高融点金属化層（以
下、「Ｗ層」と称する。）を形成したメタライズＡｌＮ
およびＳｉ₃ Ｎ₄ セラミックス基材のサイズはすべて幅
５０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚み３ｍｍで、焼結体の相対
密度（理論密度を１００％としたとき水中法で測定した
ときの実測密度の比率）はいずれも９９％であり、表面
には実用上問題となるような空孔等の欠陥はなかった。

【００９７】なお、得られた窒化アルミニウムセラミッ
クスおよび窒化珪素セラミックスの熱伝導率はそれぞれ
１６０Ｗ／ｍ・Ｋ、１００Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度は
それぞれ４０ｋｇ／ｍｍ² 、１５５ｋｇ／ｍｍ² 、熱膨
張係数はそれぞれ４．３×１０^-6／℃、３．２×１０^-6
／℃であった。

【００９８】次に、各々の試料の中から１０枚ずつを選
び、高融点金属化面上にニッケル−リンめっきを行な
い、窒素雰囲気中において６００℃で３０分間保持して
同めっき層を焼成した。得られた金属介在層には膨れ、
剥がれ等の異常は見られなかった。また、いずれの試料
のめっき厚も６±２μｍの範囲に入っていた。なお、こ
の場合、セラミックス基材１の固定部となる四隅の貫通
孔の周囲に図２（ｄ）の斜線部に示すような円形の金属
層を形成するようにした。

【００９９】これらの基板表面のＷ層上に１１ｍｍ角、
厚みが０．３ｍｍの導体層としてＪＩＳ Ｃ１０２０の
電気銅素材を乗せて、黒鉛製のセッター上に並べ、窒素
気流中において９７０℃×３０分間の無負荷での炉中で
接合を行なった。

【０１００】このようにして、接合体表面のいずれの箇
所にも、銅板がＷ層よりはみ出した部分のない銅層が、
主面中央部と四隅周辺部に形成された、セラミックス基
材を得た。（窒化アルミニウムセラミックスの試料をＡ
１、窒化珪素セラミックスの試料をＡ２とする。） なお、これを含めて、以下、セラミックス基材の表面に
銅層を形成したものを「銅回路接合基板」と称する。

【０１０１】この銅回路接合基板の銅上に、銅の酸化防
止用にニッケルめっきを２μｍ形成した。

【０１０２】同工程で裏面のＷ層上にもニッケルめっき
を２μｍ施した。接合時の各試料に超音波探傷面分析を
した結果、異常な欠陥は認められなかった。

【０１０３】さらに、接合後の断面を１０００倍のＳＥ
Ｍ（走査型電子顕微鏡）で観察したところ、界面には特
にクラック、ピンホールなどは見られなかった。

【０１０４】比較のため、四隅の孔の周囲に銅層を形成
せず、裏面にもニッケル層を形成しない窒化アルミニウ
ムセラミックスおよび窒化珪素セラミックスのセラミッ
クス基材も作製した。（窒化アルミニウムセラミックス
の試料をＢ１、窒化珪素セラミックスの試料をＢ２とす
る。） 作製した２種類の銅回路接合基板および２種類のセラミ
ックス基材を鋼製のＭ６ボルトでアルミブロックに締付
けて割れが発生するトルクを測定した。ボルト孔周囲に
銅層を形成しないセラミックス基材（従来品に相当）で
は、トルク１３０ｋｇｆ・ｃｍ以上で割れが発生した。
一方、ボルト孔周囲に銅層を形成した本発明の構造（銅
回路接合基板）の場合には、２００ｋｇｆ・ｃｍまで割
れが発生しなかった。

【０１０５】（実施例２）実施例１と同じ製造条件で、
ボルト孔がなく、５０ｍｍ角の基板の各辺に９．５ｍｍ
角の銅層を有し、中央に１９．５ｍｍ角の銅導電層を有
する窒化アルミニウムセラミックス基材を作製した。

【０１０６】裏面には、実施例１と同じく２μｍのＮｉ
めっき層を形成してある。比較のため、中央に１９．５
ｍｍ角の銅導電層のみを形成した従来例も作製した。

【０１０７】図３に示すタイプの固定方法であって、セ
ラミックス基材１との接合部が８ｍｍ角の固定治具によ
り締付けテストを行なった。ボルトは実施例１と同じも
のを使用した。固定治具との接触部に銅層を持たない従
来品では、締付けトルク１５０ｋｇ・ｃｍ以上で割れが
発生した。一方、接触部に銅層を持つ本発明の構造の場
合には、２２０ｋｇ・ｃｍまで割れが発生しなかった。

【０１０８】（実施例３）実施例１で用いたボルト締め
のサンプルを用いて熱サイクル試験を実施した。銅層の
ある本発明の実施例の窒化アルミニウムセラミックスと
窒化珪素セラミックスのサンプルＡ１、Ａ２と、銅層の
ない従来例のサンプルＢ１、Ｂ２とに、−５０℃で１５
分、１５０℃で１５分を１サイクルとする熱サイクルを
１０００回実施したところ、サンプルＡ１、Ａ２におい
ては、割れは発生しなかったが、サンプルＢ１、Ｂ２に
おいてはボルトの角が当たる部分から割れが発生してい
た。実施例２の固定治具を用いたものでも本実施例と従
来技術例では、同様の結果が得られた。

【０１０９】（実施例４）実施例１と同じ条件で作製し
た窒化アルミニウムセラミックス基材および窒化珪素セ
ラミックス基材の銅導電層上にＩＧＢＴチップとダイオ
ードを半田で固定し、それぞれの基材上に樹脂モールド
でケースを作製し、その上部に制御基板を固定し、樹脂
製の上蓋を取付けパワーモジュールを作製した。作製し
たパワーモジュールをアルミニウム製の放熱板にボルト
で固定し、−５０℃で１５分、１５０℃で１５分を１サ
イクルとする熱サイクルを１０００回実施したが、どち
らの基材でも割れは発生しなかった。

【０１１０】（実施例５）図１０および図２４に示す構
成のセラミックス基板を有する銅回路接合基板を作製し
た。セラミックス基材１は実施例１と同様の方法でＡｌ
Ｎ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ のスラリーからセラミックス基材の成形
体をそれぞれ作製した。

【０１１１】これらの成形体の一方の主面上の６ヶ所、
最終的に電流制御用の導体層を配置する１５ｍｍ×３０
ｍｍの部分と、最終的に固定部の金属層を配置する成形
体の対向する両短辺の９．５ｍｍの幅の領域（図２０
（ａ）参照）とに、実施例１と同じ高融点金属ペースト
を印刷塗布し、さらに裏面全体にも上記高融点金属ペー
ストを塗布した。これを窒素雰囲気中１７００℃で５時
間焼成して、成形体本体を焼結するとともに、高融点金
属ペーストを焼き付けした（コファイアメタライズ
法）。

【０１１２】以上の工程で得たＷ高融点金属化層を形成
したメタライズＡｌＮおよびＳｉ₃Ｎ₄ セラミックス基
材のサイズはすべて巾７５ｍｍ長さ１５０ｍｍ厚み２ｍ
ｍで、焼結体の相対密度（理論密度を１００％としたと
き水中法で測定したときの実測密度の比率）はいずれも
９９％であり、表面には実用上問題となるような空孔等
の欠陥は無かった。得られた窒化アルミニウムセラミッ
クス基材および窒化珪素セラミックス基材の熱伝導率、
３点曲げ強度および熱膨張係数は実施例１とほぼ同じで
あった。

【０１１３】次に、各々の試料の中から１０枚ずつ選
び、高融点金属化面上にニッケル−リンめっきの後、窒
素雰囲気中において６００℃で３０分間熱処理を行い、
めっき層を焼成した。得られた金属介在層には膨れ、剥
がれ等の異常は見られなかった。また、いずれの試料の
メッキ厚も６±２μｍの範囲に入っていた。

【０１１４】これらの基材の表面のＷ層上に導体層とし
て長さ１４ｍｍ、幅２８ｍｍ、厚さが０．３ｍｍの６枚
のＪＩＳ Ｃ１０２０の電気銅素材を載せ、また、固定
部の金属層として長さ９ｍｍ、幅７５ｍｍ、厚さ０．３
ｍｍの銅素材を対向する短辺の２辺に載せた。さらに裏
面には、表面と同じ７５ｍｍ×１５０ｍｍの電気銅素材
を敷き、黒鉛製のセッター上に並べ、窒素気流中におい
て９７０℃×３０分間の無負荷での炉中接合を行った。

【０１１５】このようにして接合体表面のいずれの箇所
にも銅板がＷ層よりはみ出した部分の無い、ニッケルを
介在層とした銅層が主面６カ所、両短辺部および裏面に
形成された銅回路接合基板を得た。この銅回路接合基板
の銅層上に銅の酸化防止用にニッケルメッキを２μｍ形
成した。

【０１１６】接合時の各試料に、超音波探傷面分析をし
た結果、異常な欠陥は認められなかった。さらに接合後
の断面を１０００倍のＳＥＭ（走査型電子顕微鎖）で観
察をしたところ、界面には特にクラック、ピンホール等
は見られなかった。

【０１１７】固定治具として、図２４に示すように、銅
回路接合基板の対向する両短辺を８ｍｍ×１５ｍｍ角の
接触部で固定する形式の固定治具（タイプ１）と、図１
０に示すように８ｍｍ幅の接触部を有し、銅回路接合基
板の四隅を固定する形式の固定治具（タイプ２）をそれ
ぞれ１０個ずつアルミニウムで作製した。

【０１１８】アルミニウム製ベース（１００ｍｍ×２０
０ｍｍ×ｔ２０ｍｍ）に固定用のボルト孔４個を形成
し、窒化アルミニウムセラミックスおよび窒化珪素セラ
ミックスの銅回路接合基板５枚ずつをタイプ１、タイプ
２の固定治具で固定した。それぞれの銅回路接合基板と
ベースとの間にはシリコンオイルコンパウンドを塗布し
た。

【０１１９】上記のように作製したサンプルに対し、長
辺に垂直な方向に衝撃を与える衝撃試験を実施した。そ
の結果、窒化アルミニウムセラミックスおよび窒化珪素
セラミックスの銅回路接合基板のタイプ１の固定治具で
はそれぞれ４枚が固定治具からはずれて脱離した。一
方、タイプ２の固定治具では、窒化アルミニウムセラミ
ックスおよび窒化珪素セラミックスのいずれの銅回路接
合基板も脱離は起こらなかった。

【０１２０】（実施例６）図１２および図１４に示す構
成のセラミックス基材分割タイプの銅回路接合基板を作
製した。セラミックス基材１は、実施例１と同様の方法
でＡｌＮおよびＳｉ₃ Ｎ₄ のスラリーから作製した。実
施例１と同じ製造条件で主面上に３ヶ所の長さ１４ｍ
ｍ、幅２９ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの銅導電層８を有する
巾２０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ２ｍｍの窒化アルミ
ニウムセラミックスによる銅回路接合基板の両短辺部に
８ｍｍ幅の銅層を形成したものを作製した。裏面にはＷ
層の上に０．２μｍのニッケル層を形成してある。

【０１２１】ＩＧＢＴチップ６の代わりとして導電層８
の上に１０ｍｍ角のセラミックヒータ（以下、「ヒー
タ」と称する。）を半田で固定し、ヒータの上面に熱電
対 (図示省略）を設置した。

【０１２２】固定治具として、図１２に示す２枚のセラ
ミックス基材１（２０ｍｍ×１００ｍｍ×ｔ２ｍｍ）の
四隅を同時に固定する形式の固定治具３（タイプ３）を
作製した。アルミニウム製の放熱板５（１００ｍｍ×２
００ｍｍ×ｔ２ｍｍ）に固定用のボルト孔４個を形成
し、２枚の銅回路接合基板をタイプ２の固定治具３で固
定した。

【０１２３】比較のため、実施例５の図１０に示す銅回
路接合基板（７５ｍｍ×１５０ｍｍ×ｔ２ｍｍ）上の導
電層にも同様にヒータを半田で固定し、ヒータ上面に熱
電対を設置し、タイプ２の固定治具３で固定した。

【０１２４】両者のヒータに１００Ｗの電力を投入し、
ヒータ表面に設置した熱電対で温度を測定した。その結
果、いずれの場合も表面温度は１２５℃と同じであっ
た。本実施例のセラミックス基材体積は実施例５のセラ
ミックス基材に較べて３５％と大幅な減少が可能であ
る。従って、セラミックス基材原料削減によるコストの
低減が可能になる。

【０１２５】一般にヒートスプレッダの面積を小さくす
ると熱の横方向への拡散が減少し、発熱源の温度が上昇
する。この場合、セラミックス基材の面積を減少させて
も温度が上昇しなかった原因としては、セラミックス基
材を分割したことで、隣り合うＩＧＢＴチップ６（本実
施例ではヒータ）の影響を除去したこと、および、セラ
ミックス基材の長さが短くなったことによりＩＧＢＴチ
ップ６（本実施例ではヒータ）の発熱によるセラミック
ス基材の反りが減少し、熱抵抗が減少したことによると
考えられる。

【０１２６】さらに本実施例のセラミックス基材１の主
面に銅導電層を接合する際に、裏面全体に０．３ｍｍの
銅板を接合した銅回路接合基板を作製した。この銅回路
接合基板を用いて上記と同じ測定をしたところ、ヒータ
の表面温度は１２３℃となり、温度が２℃低下した。こ
れは、セラミックス基材の表裏に銅板を接合したため、
ヒータ（ＩＧＢＴチップ６に相当）が発熱した際に、セ
ラミックス基材１と銅板の熱膨張係数差に基づく応力が
相殺されて反りが減少したことにより、熱抵抗が減少し
たためである。

【０１２７】さらに本実施例のセラミックス基材１の厚
さを２ｍｍから１ｍｍに薄くしたセラミックス基材を作
製し、上記と同様な測定をしたところ、ヒータの表面温
度は１２６℃となり、１℃しか上昇しなかった。このセ
ラミックス基材の薄肉化により、さらに、セラミックス
基材材料コストを低減することができる。

【０１２８】さらに、２つの固定治具（タイプ３）を一
体化した固定治具３（タイプ３’）を用いて２枚の銅回
路接合基板を固定した例を図１６に示す。本実施例では
ヒータの表面温度（ＩＧＢＴチップ６の温度に相当）に
変化はないが、組立が容易になるという利点がある。

【０１２９】なお、ここでは、窒化アルミニウムセラミ
ックスによる銅回路接合基板の例を示したが、窒化珪素
セラミックスによる銅回路接合基板についても同様の結
果が得られた。

【０１３０】（実施例７）図１５に示す構成のセラミッ
クス基材分割タイプの銅回路接合基板を作製した。実施
例１と同様の方法でＡｌＮ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ のスラリーから
セラミックス基材を作製した。実施例１と同じ製造条件
で主面上に２ヶ所の長さ１４ｍｍ、幅２９ｍｍ、厚さ
０．３ｍｍの銅導電層を有する長さ２０ｍｍ、巾７０ｍ
ｍ、厚さ２ｍｍの窒化アルミニウムセラミックスによる
銅回路接合基板の両短辺部に８ｍｍ幅の銅層を形成した
ものを作製した。裏面には実施例６と同じく銅層を形成
してある。

【０１３１】ＩＧＢＴチップ６の代わりとして導電層８
の上に１０ｍｍ角のセラミックヒータ（以下、「ヒー
タ」と称する。）を半田で固定し、ヒータの上面に熱電
対を設置した。

【０１３２】固定治具として、図１５に示す３枚のセラ
ミックス基材１（７０ｍｍ×２０ｍｍ×ｔ２ｍｍ）の四
隅を同時に固定する形式の固定治具３（タイプ4 ）を作
成した。放熱板５としてアルミニウム製の板（１００ｍ
ｍ×２００ｍｍ×ｔ２ｍｍ）に固定用のボルト孔４個を
形成し、上記の３枚の銅回路接合基板をタイプ４の固定
治具３で固定した。

【０１３３】比較のため実施例５の図１０に示す銅回路
接合基板（７５ｍｍ×１５０ｍｍ×ｔ２ｍｍ）上の導電
層８にも同様にヒータを半田で固定し、ヒータ上面に熱
電対を設置し、タイプ２の固定治具３で固定した。

【０１３４】両者のヒータに１００Ｗの電力を投入し、
ヒータ表面に設置した熱電対で温度を測定した。その結
果、いずれの場合もヒータの表面温度（ＩＧＢＴチップ
６の温度に相当）は１２５℃と同じであった。本実施例
のセラミックス基材体積は実施例５のセラミックス基材
に較べて３７％と大幅な減少が可能である。実施例６と
較べると、原料コスト低減の効果はほとんど同じである
が、セラミックス基材形状が小さくなるため、セラミッ
クス基材作製時の歩留が向上し、全体としてコストの低
減を図ることができる。

【０１３５】なお、ここでは、窒化アルミニウムセラミ
ックスによる銅回路接合基板の例を示したが、窒化珪素
セラミックスによる銅回路接合基板についても同様の結
果が得られた。

【０１３６】（実施例８）図１７に示す構成のセラミッ
クス基材分割タイプの銅回路接合基板を作製した。実施
例１と同様の方法でＡｌＮ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ のスラリーから
セラミックス基材を作製した。実施例１と同じ製造条件
で主面上に１ヶ所の長さ１４ｍｍ、幅２９ｍｍ、厚さ
０．３ｍｍの銅導電層を有する長さ３２ｍｍ、幅２１ｍ
ｍ、厚さ２ｍｍの窒化アルミニウムセラミックスによる
銅回路接合基板の両短辺部に８ｍｍ幅の銅層を形成した
ものを作製した。裏面には実施例６と同じく銅層を形成
してある。

【０１３７】ＩＧＢＴチップ６の代わりとして導電層８
の上に１０ｍｍ角のセラミックヒータ（以下、「ヒー
タ」と称する。）を半田で固定し、ヒータの上面に熱電
対を設置した。

【０１３８】固定治具として、図１７に示す６枚のセラ
ミックス基材１（２１ｍｍ×３２ｍｍ×ｔ２ｍｍ）の四
隅を同時に固定する形式の固定治具３（タイプ５）を作
製した。放熱板５としてアルミニウム製の板（１００ｍ
ｍ×２００ｍｍ×ｔ１０ｍｍ）に固定用のボルト孔４個
を形成し、６枚の銅回路接合基板をタイプ５の固定治具
３で固定した。

【０１３９】比較のため実施例５の図１０に示す銅回路
接合基板（７５ｍｍ×１５０ｍｍ×ｔ２ｍｍ）上の導電
層８にも同様にヒータを半田で固定し、ヒータ上面に熱
電対を設置し、タイプ２の固定治具３で固定した。

【０１４０】両者のヒータに１００Ｗの電力を投入し、
セラミックヒータ表面に設置した熱電対で温度を測定し
た。その結果、いずれの場合もヒータの表面温度（ＩＧ
ＢＴチップ６の温度に相当）は１２５℃と同じであっ
た。本実施例のセラミックス基材体積は実施例５のセラ
ミックス基材に較べて５４％の減少が可能である。実施
例６、７と較べると、原料コスト低減の効果は若干少な
いが、セラミックス基材の形状がさらに小さくなるた
め、セラミックス基材作製時の歩留が向上し、全体とし
てコストの低減を図ることができる。

【０１４１】また、本実施例では、図１８に示すよう
に、幅２２ｍｍ、長さ３３ｍｍ、深さ０．５ｍｍの凹部
を６箇所形成し、ボルト孔４個を形成した幅７５ｍｍ、
長さ１５０ｍｍ×厚さ１ｍｍ程度の銅板１５の上に６枚
の銅回路接合基板を半田で固定してから固定治具３（タ
イプ５）でベースに固定してもよい。この場合、ヒータ
の表面温度（ＩＧＢＴチップ６の温度に相当）は１℃程
度上昇するが、モジュールの組立が簡単になるというメ
リットがある。

【０１４２】なお、ここでは、窒化アルミニウムセラミ
ックスによる銅回路接合基板の例を示したが、窒化珪素
セラミックスによる銅回路接合基板についても同様の結
果が得られた。

【０１４３】（実施例９）図１９に示す構成のセラミッ
クス基材分割タイプの銅回路接合基板を作製した。実施
例７で用いた主面上に３ヶ所の長さ１４ｍｍ、幅２９ｍ
ｍ、厚さ０．３ｍｍの銅導電層８を有する長さ１００ｍ
ｍ、幅２０ｍｍ、厚さ２ｍｍの銅回路接合基板を６枚同
時に固定する固定治具３（タイプ６）で放熱板５として
のアルミニウム製ベース（３００ｍｍ×２００ｍｍ×１
０ｍｍ）に固定した。

【０１４４】ＩＧＢＴチップ６の代わりとして導電層の
上に１０ｍｍ角のセラミックヒータを半田で固定し、ヒ
ータの上面に熱電対を設置した。

【０１４５】基板間隔を１５ｍｍとして６枚の銅回路接
合基板を固定した場合には、ヒータの表面温度が１２５
℃となり、実施例５の図１０に示す基板の場合と同じに
なった。この場合の、パワーモジュール全体の大きさ
（面積）は実施例５（７５ｍｍ×１５０ｍｍが３枚分）
に対し、約６０％の大きさとなり、パワーモジュールの
小型化が可能になる。

【０１４６】なお、ここでは、窒化アルミニウムセラミ
ックスによる銅回路接合基板の例を示したが、窒化珪素
セラミックスによる銅回路接合基板についても同様の結
果が得られた。

【０１４７】なお、今回開示した上記実施の形態はすべ
ての点で例示であって制限的なものではない。本発明の
範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって
示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での
すべての変更を含むものである。

【０１４８】

【発明の効果】本発明によれば、セラミックス基材から
なる基板を機械的に固定する際に、応力集中による割れ
を防止することができ、さらにデバイスで発生した熱を
効果的に放熱できるため、パワーモジュールの低コスト
化、高信頼性を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく実施の形態におけるパワーモジ
ュールの概略を説明するための断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｆ）は、金属層２のパターンを説明
するための平面図である。

【図３】本発明に基づく実施の形態における固定治具で
セラミックス基材を固定する場合の固定部の構造を説明
するための断面図である。

【図４】本発明に基づく実施の形態におけるボルトでセ
ラミックス基材を固定する場合のボルト孔部分の構造を
説明するための断面図である。

【図５】本発明に基づく実施の形態における固定治具で
セラミックス基材を固定する場合の固定部の詳細な構造
を説明するための第１断面図である。

【図６】本発明に基づく実施の形態における固定治具で
セラミックス基材を固定する場合の固定部の詳細な構造
を説明するための第２断面図である。

【図７】本発明に基づく実施の形態におけるボルトでセ
ラミックス基材を固定する場合のボルト孔部分の詳細な
構造を説明するための第１断面図である。

【図８】本発明に基づく実施の形態におけるボルトでセ
ラミックス基材を固定する場合のボルト孔部分の詳細な
構造を説明するための第２断面図である。

【図９】実施の形態において紹介される代表的な材料の
熱伝導率と膨張係数を示す図である。

【図１０】本発明に基づく実施の形態における、固定治
具でセラミックス基材を固定する場合の固定方法を説明
するための斜視図である。

【図１１】本発明に基づく実施の形態における、固定治
具でセラミックス基材を固定する場合の詳細な構造を説
明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）中Ａ−Ａ’線矢視断面図、（ｃ）は（ａ）中Ｂ−
Ｂ’線矢視断面図である。

【図１２】本発明に基づく実施の形態における、固定治
具でセラミックス基材を固定する場合の固定方法を説明
するための斜視図である。

【図１３】本発明に基づく実施の形態における、固定治
具でセラミックス基材を固定する場合の詳細な構造を説
明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）中Ａ−Ａ’線矢視断面図、（ｃ）は（ａ）中Ｂ−
Ｂ’線矢視断面図である。

【図１４】本発明に基づく実施の形態における、固定治
具で分割したセラミックス基材を固定する場合の固定方
法を説明するための斜視図である。

【図１５】本発明に基づく実施の形態における、固定治
具で３分割したセラミックス基材を固定する場合の詳細
な構造を説明するための図であり、（ａ）は平面図、
（ｂ）は（ａ）中Ａ−Ａ’線矢視断面図、（ｃ）は
（ａ）中Ｂ−Ｂ’線矢視断面図である。

【図１６】本発明に基づく実施の形態における、固定治
具で分割したセラミックス基材を固定する場合の詳細な
構造を説明するための図であり、（ａ）は平面図、
（ｂ）は（ａ）中Ａ−Ａ’線矢視断面図、（ｃ）は
（ａ）中Ｂ−Ｂ’線矢視断面図である。

【図１７】本発明に基づく実施の形態における、固定治
具で６分割したセラミックス基材を固定する場合の詳細
な構造を説明するための図であり、（ａ）は平面図、
（ｂ）は（ａ）中Ａ−Ａ’線矢視断面図、（ｃ）は
（ａ）中Ｂ−Ｂ’線矢視断面図である。

【図１８】本発明に基づく実施の形態における、固定治
具で６分割したセラミックス基材を固定する際に銅板を
使用した場合の詳細な構造を説明するための図であり、
（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中Ａ−Ａ’線矢視断面
図、（ｃ）は（ａ）中Ｂ−Ｂ’線矢視断面図である。

【図１９】本発明に基づく実施の形態における、固定治
具で分割したセラミックス基材６枚を同時に固定する場
合の詳細な構造を説明するための平面図である。

【図２０】本発明に基づく実施の形態における、セラミ
ックス基材に形成する金属層２のパターンを説明するた
めの平面図である。

【図２１】ネット状の固定治具の平面図である。

【図２２】従来技術におけるパワーモジュールの概略を
説明するための断面図である。

【図２３】（ａ）は、従来技術における、ボルトでセラ
ミックス基材を固定する場合の固定方法を説明するため
の斜視図である。（ｂ）は、従来技術における、ボルト
で分割したセラミックス基材を固定する場合の固定方法
を説明するための斜視図である。

【図２４】従来技術における、固定治具でセラミックス
基材を固定する場合の固定方法を説明するための斜視図
である。

【符号の説明】

１ セラミックス基材 ２ 金属層 ３ 固定治具 ４ ボルト ５ 放熱板 ６ ＩＧＢＴチップ ７ ダイオード ８ 導体層 ９ 電極 １０ ケース １１ 金属膜 １２ ベース １３ 金属治具 １４ 放熱シート １５ 銅板 １６ ワッシャ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 嶋津 充 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 仲田 博彦 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス基材を用いたパワーモジュ
   ール用基板であって、前記パワーモジュール用基板は、
   半導体素子を搭載し密封された電流制御部と、前記セラ
   ミックス基材を放熱板に固定する固定部とを有し、 前記電流制御部は、前記セラミックス基材上に介在層を
   介して設けられる導体層を有する積層構造単位を１単位
   以上含み、前記積層構造の最上層に前記半導体素子が搭
   載されており、 前記固定部は、前記セラミックス基材の上に介在層を介
   して設けられる金属層を含む固定座領域を有する、パワ
   ーモジュール用基板。
2. 【請求項２】 前記セラミックス基材の材質は、窒化ア
   ルミニウムセラミックスである、請求項１に記載のパワ
   ーモジュール用基板。
3. 【請求項３】 前記セラミックス基材の材質は、窒化珪
   素セラミックスである、請求項１に記載のパワーモジュ
   ール用基板。
4. 【請求項４】 前記電流制御部の前記導体層は、銅、ア
   ルミニウム、ニッケルのいずれかを主成分とする金属材
   料である、請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
5. 【請求項５】 前記固定部の前記金属層は、銅、アルミ
   ニウム、ニッケルのいずれかを主成分とする金属材料で
   ある、請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
6. 【請求項６】 前記セラミックス基材の裏面側に、金属
   膜が設けられる、請求項１に記載のパワーモジュール用
   基板。
7. 【請求項７】 前記セラミックス基材の裏面側の前記金
   属膜は、銅、アルミニウム、ニッケルのいずれかを主成
   分とする金属材料である、請求項６に記載のパワーモジ
   ュール用基板。
8. 【請求項８】 芯材が銅またはアルミニウムであり、外
   周が鋼である、前記固定部において請求項１〜請求項７
   のいずれかに記載のパワーモジュール用基板を前記放熱
   板に固定する固定治具。
9. 【請求項９】 請求項１〜請求項７のいずれかに記載の
   パワーモジュール用基板が用いられる、パワーモジュー
   ル。