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JP6384112B2 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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JP6384112B2
JP6384112B2 JP2014091814A JP2014091814A JP6384112B2 JP 6384112 B2 JP6384112 B2 JP 6384112B2 JP 2014091814 A JP2014091814 A JP 2014091814A JP 2014091814 A JP2014091814 A JP 2014091814A JP 6384112 B2 JP6384112 B2 JP 6384112B2
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Description

本発明は、大電流、高電圧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及びヒートシンク付パワーモジュール用基板に関する。
従来のパワーモジュール用基板として、絶縁層となるセラミックス基板の一方側に回路層となる金属板が接合されるとともに、他方側に金属層となる金属板が接合された構成のものが知られている。また、このパワーモジュール用基板の片側に設けられた金属層に、熱伝導性に優れたヒートシンクが接合され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板とされる。そして、回路層上にはんだ材を介してパワー素子等の半導体素子が搭載され、ヒートシンク付パワーモジュールが製造される。
この種のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、特許文献１に記載されるように、回路層となる金属板に電気的特性に優れる銅を用い、金属層となる金属板には、セラミックス基板とヒートシンクとの間の熱応力を緩和する目的で、アルミニウムを用いる場合がある。
特開２０１３‐２２９５７９号公報
このように、回路層を銅で形成することにより、アルミニウムを用いる場合と比べて半導体素子で発生する熱を速やかに放熱することができる。半導体素子の発熱分を放熱し易くするためには回路層の厚みを厚くすることが有効であるが、回路層の厚みをあまり厚くしすぎると、セラミックス基板との熱膨張差により熱伸縮による反りが大きくなり、半導体素子との接合を阻害して実装上の問題が生じることや、セラミックス基板に割れが発生することが懸念される。
一方、金属層に用いられるアルミニウムは、はんだ付け性が悪いため、アルミニウムで構成された金属層とヒートシンクとをはんだ接合する際には、表面にＮｉめっきを形成する必要があり、生産性が低下することが問題である。また、アルミニウムは変形抵抗が比較的低いため、パワーモジュールに冷熱サイクルが負荷された際に、金属層が変形することによって、はんだにクラックが生じ、接合信頼性が低下したり、熱抵抗が上昇したりすることが問題となっている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、冷熱サイクル負荷時において、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇が生じることを抑制し、かつセラミックス基板に割れが生じることを防止でき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を提供することを目的とする。
冷熱サイクル負荷時に生じる反りを低減するには、セラミックス基板を境に両側に接合される回路層及び金属層を、材質や厚み等を同一に設けて対称構造とすることが考えられる。ところが、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境が厳しく、半導体素子からの発熱量が大きくなっているため、パワーサイクルの条件が厳しくなっている。半導体素子の発熱分を放熱し易くするためには回路層の厚みを厚くすることが有効であるのに対し、パワーモジュール全体の小型化を考慮した場合には、金属層の厚みは薄くすることが望ましい。
そこで、本発明のパワーモジュール用基板は、以下の解決手段とした。
本発明は、セラミックス基板の一方の面に積層された回路層と、他方の面に積層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、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第一アルミニウム層と、該第一アルミニウム層に固相拡散接合された第一銅層とを有し、前記金属層は、前記第一アルミニウム層と同一材料により形成され前記セラミックス基板の他方の面に接合された第二アルミニウム層と、前記第一銅層と同一材料により形成されて前記第二アルミニウム層に固相拡散接合された第二銅層とを有し、前記第一アルミニウム層と前記第一銅層との間、及び前記第二アルミニウム層と前記第二銅層との間には、アルミニウムと銅との金属間化合物層が形成されており、前記第一銅層の厚みｔ１が１．７ｍｍ以上５ｍｍ以下とされ、前記第一銅層の厚みｔ１と前記第二銅層の厚みｔ２の合計が７ｍｍ以下とされ、前記第一銅層の厚みｔ１と前記第二銅層の厚みｔ２との比率ｔ２／ｔ１が０．８を超えて１．２以下の範囲に設定されていることを特徴とする。
この場合、前記金属間化合物層の厚みが１μｍ以上８０μｍ以下であるとよい。
このように構成されるパワーモジュール用基板は、回路層が、セラミックス基板の一方の面に接合される第一アルミニウム層と、この第一アルミニウム層に接合される第一銅層とにより形成され、この第一銅層の上に半導体素子が搭載されているので、半導体素子から発生する熱を第一銅層で面方向に拡げて効率的に放散することができる。また、比較的変形抵抗の小さい第一アルミニウム層がセラミックス基板と接合されているので、冷熱サイクルが負荷された場合にセラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力を第一アルミニウム層が吸収し、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。さらに、この第一アルミニウム層に接合された比較的変形抵抗の大きい第一銅層によって、パワーサイクルが負荷された場合の回路層の変形を抑制することができるので、回路層と半導体素子とを接合するはんだにクラックが生じることを抑制できる。
また、第一アルミニウム層と第一銅層とが、固相拡散接合によって接合されているので、冷熱サイクルが負荷された場合に、第一アルミニウム層と第一銅層との間に剥離が生じることが抑制され、回路層の熱伝導性及び導電性を良好に維持することができる。
この場合、第一銅層の厚みｔ１は１．７ｍｍ以上５ｍｍ以下とされるが、厚みｔ１が１．７ｍｍ未満では、半導体素子からの熱を面方向に拡げにくくなるので、パワーサイクル負荷時の熱抵抗を十分に低減することができずに、パワーサイクルに対する信頼性を確保することが難しくなる。また、厚みｔ１が５ｍｍを超える範囲では、放熱性能に大きな差が生じなくなることから、パワーモジュール全体の小型化の観点から、厚みｔ１は５ｍｍ以下とされる。
さらに、第一銅層の厚みｔ１と第二銅層の厚みｔ２の合計が７ｍｍ以下とされているが、これらの合計が７ｍｍを超える場合、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板に過剰な熱応力が掛かり、セラミックス基板に割れが生じるおそれがある。
一方、金属層は、セラミックス基板の他方の面に接合される第二アルミニウム層と、この第二アルミニウム層に接合される第二銅層とにより形成されているので、金属層にＮｉめっきを形成することなく金属層とヒートシンクとを良好に接合できる。また、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを、はんだによって接合した場合に、比較的変形抵抗が高い第二銅層とヒートシンクとを接合することになるので、冷熱サイクルが負荷された際に、金属層の変形によって生じるはんだ内のクラックを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑えることができる。さらに、比較的変形抵抗が小さい第二アルミニウム層が第二銅層に接合されているので、冷熱サイクルが負荷されてもセラミックス基板と第二銅層との間に生じる熱応力を第二アルミニウム層で吸収してセラミックス基板に割れが生じることを抑制できる。
また、第二アルミニウム層と第二銅層とが固相拡散接合によって接合されているので、冷熱サイクルが負荷された場合に、第二アルミニウム層と第二銅層との間に剥離が生じることが抑制され、金属層の熱伝導性を良好に維持することができる。
また、第一銅層の厚みｔ１と第二銅層の厚みｔ２の比率ｔ２／ｔ１は０を超えて１．２以下の範囲のうち０．６以上０．８以下を除く範囲とされるが、これは、比率ｔ２／ｔ１が０．６以上０．８以下の範囲では、第一銅層の厚みｔ１と第二銅層の厚みｔ２とは比較的厚みが近くなるのでパワーモジュール用基板全体の反りは小さくなるが、第二銅層の厚みｔ２が第一銅層の厚みに近づいて厚く設けられることとなるので、第二銅層の剛性が高くなり、これにより冷熱サイクル時に第一銅層による反りと第二銅層による反りとが相反する方向に負荷されることとなり、パワーモジュール用基板全体に生じる反り量が小さいにも関わらず、セラミックス基板に加わる負荷が大きくなってセラミックス基板に割れが生じるおそれがあるからである。
一方、比率ｔ２／ｔ１が０．６未満では、第一銅層の厚みｔ１と比べて第二銅層の厚みｔ２が小さいので、第一銅層と第二銅層との熱伸縮差によって冷熱サイクル時に生じるパワーモジュール用基板の反りは大きくなるが、第二銅層の剛性が低いので、第二銅層が第一銅層に追従してセラミックス基板に割れが生じることを回避できる。
また、比率ｔ２／ｔ１が０．８を超える範囲では、第一銅層の厚みｔ１と第二銅層の厚みｔ２とがほぼ同じ厚みになるので、冷熱サイクル時における第一銅層に生じる反りと第二銅層に生じる反りとのバランスが保たれた状態となり、パワーモジュール用基板に生じる反りを低減でき、セラミックス基板の割れを抑制することができる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、上述のパワーモジュール用基板と、ヒートシンクとを有し、前記第二銅層と前記ヒートシンクと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の第二銅層がヒートシンクに接合されるので、金属層にＮｉめっきを形成することなく金属層とヒートシンクとをはんだによって接合することができる。また、比較的変形抵抗が高い第二銅層とヒートシンクとを接合することになるので、冷熱サイクル負荷時において、はんだにクラックが発生することを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑えることができる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いて、その回路層上に接合された半導体素子を備えるヒートシンク付パワーモジュールにおいては、冷熱サイクルが負荷されても、金属層とヒートシンクを接合するはんだにクラックが生じることを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑えることができる。
本発明によれば、冷熱サイクル負荷時において、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇が生じることを抑制し、かつセラミックス基板に割れが生じることを防止できる。
本発明の一実施形態のパワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。 回路層における第一アルミニウム層と第一銅層との接合界面の要部説明図である。 本発明の実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの製造方法の概略説明図である。 本発明の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。 冷熱サイクル試験後の回路層（第一アルミニウム層）とセラミックス基板との接合界面の超音波画像である。 ＣｕとＡｌの２元状態図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すヒートシンク付パワーモジュール１００は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板２０に接合された半導体素子３０とを備えている。また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２０は、パワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０に接合されたヒートシンク４０とを備えている。
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、そのセラミックス基板１１の一方の面１１ｆに積層された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面１１ｂに積層された金属層１３とを有している。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、ＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３等で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚みは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では０．６３５ｍｍに設定されている。
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面１１ｆに接合された第一アルミニウム層１２Ａと、この第一アルミニウム層１２Ａの一方側（図１において上側）に積層された第一銅層１２Ｂとを有している。
第一アルミニウム層１２Ａは、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板がセラミックス基板１１の一方の面１１ｆに接合されることにより形成されており、本実施形態においては、第一アルミニウム層１２Ａは、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板をセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
また、第一銅層１２Ｂは、第一アルミニウム層１２Ａの一方側（図１において上側）に純銅や銅合金からなる板が接合されることにより形成されており、本実施形態においては、第一銅層１２Ｂは、無酸素銅の圧延板からなる銅板が第一アルミニウム層１２Ａに固相拡散接合されることにより形成されている。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面１１ｂに接合された第二アルミニウム層１３Ａと、この第二アルミニウム層１３Ａの他方側（図１において下側）に積層された第二銅層１３Ｂとを有している。
第二アルミニウム層１３Ａは、アルミニウム板がセラミックス基板１１の他方の面１１ｂに接合されることにより形成されており、回路層１２の第一アルミニウム層１２Ａと同一材料により形成される。本実施形態においては、上述したように第一アルミニウム層１２Ａは、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されており、第二アルミニウム層１３Ａも、第一アルミニウム層１２Ａと同一の純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
また、第二銅層１３Ｂは、第二アルミニウム層１３Ａの他方側（図１において下側）に接合されることにより形成されており、回路層１２の第一銅層１２Ｂと同一材料により形成される。したがって、本実施形態においては、第二銅層１３Ｂは、第一銅層１２Ｂと同じ無酸素銅の圧延板からなる銅板が第二アルミニウム層１３Ａに固相拡散接合されることにより形成されている。
そして、このように構成されるパワーモジュール用基板１０の回路層１２の第一銅層１２Ｂの厚みｔ１は、１．７ｍｍ以上５ｍｍ以下とされる。また、第一銅層１２Ｂの厚みｔ１と第二銅層１３Ｂの厚みｔ２の合計が７ｍｍ以下とされるとともに、第一銅層１２Ｂの厚みｔ１と第二銅層１３Ｂの厚みｔ２との比率ｔ２／ｔ１が０を超えて１．２以下の範囲のうち０．６以上０．８以下を除く範囲に設定されている。
また、本実施形態において、回路層１２及び金属層１３の平面サイズは、一辺が３０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下とされる矩形状のセラミックス基板１１の平面サイズよりも小さく設けられている。
なお、これら回路層１２と金属層１３とを構成する、第一アルミニウム層１２Ａと第一銅層１２Ｂ、及び第二アルミニウム層１３Ａと第二銅層１３Ｂは、前述したように固相拡散接合により接合されており、これらの界面には、図２に示すように、金属間化合物層１４がそれぞれ形成されている。金属間化合物層１４は、第一アルミニウム層１２Ａ又は第二アルミニウム層１３ＡのＡｌ原子と、第一銅層１２Ｂ又は第二銅層１３ＢのＣｕ原子とが相互拡散することにより形成されるものである。例えば第一アルミニウム層１２Ａと第一銅層１２Ｂとの界面に形成された金属間化合物層１４について説明すると、第一アルミニウム層１２Ａから第一銅層１２Ｂに向かうにしたがい、漸次Ａｌ原子の濃度が低くなり、かつＣｕ原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。
このように、金属間化合物層１４は、ＣｕとＡｌとからなる金属間化合物により構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされ、金属間化合物層１４の厚みは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。なお、本実施形態では、図２に示すように、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、第一アルミニウム層１２Ａ（第二アルミニウム層１３Ａ）側から第一銅層１２Ｂ（第二銅層１３Ｂ）側に向けて順に、第一アルミニウム層１２Ａ（第二アルミニウム層１３Ａ）と第一銅層１２Ｂ（第二銅層１３Ｂ）との接合界面に沿って、θ相１６、η２相１７が積層し、さらにζ２相１８Ａ，δ相１８Ｂ及びγ２相１８Ｃのうち少なくとも一相が積層した構造とされている（図７）。
また、金属間化合物層１４と第一銅層１２Ｂ（第二銅層１３Ｂ）との接合界面に沿って、酸化物１９が、ζ２相１８Ａ、δ相１８Ｂ、又はγ２相１８Ｃの内部に層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物１９は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物とされる。また、酸化物１９は、分断された状態で分散している場合もある。
ヒートシンク４０は、パワーモジュール用基板１０側の熱を放散するためのものであり、本実施形態では、ヒートシンク４０が、パワーモジュール用基板１０が接合される放熱板４１と冷却媒体（例えば、冷却水）を流通するための流路４２ａが設けられた冷却部４２とからなり、これら放熱板４１と冷却部４２とはグリース（図示略）を介してネジ４３によって固定されている。ヒートシンク４０は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、放熱板４１は無酸素銅により形成され、冷却部４２はアルミニウム合金により形成されている。
そして、ヒートシンク４０の放熱板４１と金属層１３の第二銅層１３Ｂとが、はんだ層４５によって接合されており、はんだ層４５は、例えばＳｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされる。
なお、半導体素子３０は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。そして、半導体素子３０は、はんだ層３１を介して回路層１２の第一銅層１２Ｂに接合される。なお、はんだ層３１は、例えばＳｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系等のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされる。
次に、このように構成され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２０、及びヒートシンク付パワーモジュール１００の製造方法について図３から図５を用いて説明する。
まず、図３に示すように、セラミックス基板１１の両面（本発明でいう、一方の面１１ｆと他方の面１１ｂ）に、Ａｌ‐Ｓｉ系のろう材（図示略）を介してアルミニウム板１２ａ，１３ａを積層する。そして、加圧・加熱後に冷却することにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板１２ａ，１３ａとを接合し、セラミックス基板１１に第一アルミニウム層１２Ａ及び第二アルミニウム層１３Ａを接合する（アルミニウム層形成工程Ｓ１１）。なお、このろう付け温度は、６１０℃〜６５０℃に設定される。
次に、第一アルミニウム層１２Ａの一方側（上側）に銅板１２ｂを配置し、第二アルミニウム層１３Ａの他方側（下側）に銅板１３ｂを配置する。そして、これらの積層体をその積層方向に加圧した状態で真空加熱炉５０に装入して、加熱処理を行う。本実施形態においては、第一アルミニウム層１２Ａ及び銅板１２ｂ、第二アルミニウム層１３Ａ及び銅板１３ｂ、の接触面に負荷される荷重は、０．２９ＭＰａ以上３．４３ＭＰａ以下とされ、加熱温度を４００℃以上５４８℃未満とし、５分以上２４０分以下保持して固相拡散接合を行う。これにより、第一アルミニウム層１２Ａに銅板１２ｂを接合して第一銅層１２Ｂを形成すると同時に、第二アルミニウム層１３Ａに銅板１３ｂを接合して第二銅層１３Ｂを形成する（銅層形成工程Ｓ１２）ことにより、回路層１２と金属層１３が形成され、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０が得られる。
なお、本実施形態においては、第一アルミニウム層１２Ａと銅板１２ｂ、第二アルミニウム層１３Ａと銅板１３ｂの、それぞれの接合面は、予め傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合される。また、固相拡散接合における真空加熱の好ましい加熱温度は、ＡｌとＣｕの共晶温度−５℃以上、共晶温度未満の範囲とされている。
次に、図４に示すように、パワーモジュール用基板１０の他方側（下側）に、ヒートシンク４０を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１３）。このヒートシンク接合工程Ｓ１３においては、パワーモジュール用基板１０の他方側に放熱板４１をはんだ付けした後に、グリースを介して冷却部４２を配設することにより、ヒートシンク４０をパワーモジュール用基板１０に接合する。こうして、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２０が得られる。
最後に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２０の回路層１２の一方の面（図４において上面）に、はんだによって半導体素子３０を接合する（半導体素子接合工程Ｓ１４）ことにより、本実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール１００が得られる。
以上のような構成とされる本実施形態の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２０、及びヒートシンク付パワーモジュール１００によれば、回路層１２が、セラミックス基板１１の一方の面１１ｆに接合される第一アルミニウム層１２Ａと、この第一アルミニウム層１２Ａに接合される第一銅層１２Ｂとにより形成され、この第一銅層１２Ｂの上に半導体素子３０が搭載されているので、半導体素子３０から発生する熱を第一銅層１２Ｂで面方向に拡げて効率的に放散することができる。
また、比較的変形抵抗の小さい第一アルミニウム層１２Ａがセラミックス基板１１と接合されているので、冷熱サイクルが負荷された場合にセラミックス基板１１と回路層１２との熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力を第一アルミニウム層１２Ａが吸収し、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。さらに、この第一アルミニウム層１２Ａに接合された比較的変形抵抗の大きい第一銅層１２Ｂによって、パワーサイクルが負荷された場合の回路層１２の変形を抑制することができるので、回路層１２と半導体素子３０とを接合するはんだにクラックが生じることを抑制できる。
また、第一アルミニウム層１２Ａと第一銅層１２Ｂとが、固相拡散接合によって接合されているので、冷熱サイクルが負荷された場合に、第一アルミニウム層１２Ａと第一銅層１２Ｂとの間に剥離が生じることが抑制され、回路層１２の熱伝導性及び導電性を良好に維持することができる。
さらに、第一銅層１２Ｂの厚みｔ１は１．７ｍｍ以上５ｍｍ以下とされるが、厚みｔ１が１．７ｍｍ未満では、半導体素子３０からの熱を面方向に拡げにくくなるので、パワーサイクル負荷時の熱抵抗を十分に低減することができずに、パワーサイクルに対する信頼性を確保することが難しくなるためである。また、厚みｔ１が５ｍｍを超える範囲では、放熱性能に大きな差が生じなくなることから、パワーモジュール全体の小型化の観点から、厚みｔ１は５ｍｍ以下とされる。
さらに、第一銅層１２Ｂの厚みｔ１と第二銅層１３Ｂの厚みｔ２の合計が７ｍｍ以下とされるが、これらの合計が７ｍｍを超える場合、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板に過剰な熱応力が掛かり、セラミックス基板に割れが生じるおそれがある。
一方、金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面１１ｂに接合される第二アルミニウム層１３Ａと、この第二アルミニウム層１３Ａに接合される第二銅層１３Ｂとにより形成されているので、金属層１３にＮｉめっきを形成することなく金属層１３とヒートシンク４０とを良好に接合できる。また、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４０とを、はんだによって接合した場合に、比較的変形抵抗が高い第二銅層１３Ｂとヒートシンク４０とを接合することになるので、冷熱サイクルが負荷された際に、金属層の変形によって生じるはんだ内のクラックを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑えることができる。さらに、比較的変形抵抗が小さい第二アルミニウム層１３Ａが第二銅層１３Ｂに接合されているので、冷熱サイクルが負荷されてもセラミックス基板１１と第二銅層１３Ｂとの間に生じる熱応力を第二アルミニウム層１３Ａで吸収してセラミックス基板１１に割れが生じることを抑制できる。
また、第二アルミニウム層１３Ａと第二銅層１３Ｂとが固相拡散接合によって接合されているので、冷熱サイクルが負荷された場合に、第二アルミニウム層１３Ａと第二銅層１３Ｂとの間に剥離が生じることが抑制され、金属層１３の熱伝導性を良好に維持することができる。
また、第一銅層１２Ｂの厚みｔ１と第二銅層１３Ｂの厚みｔ２の比率ｔ２／ｔ１は０を超えて１．２以下の範囲のうち０．６以上０．８以下を除く範囲とされるが、これは、比率ｔ２／ｔ１が０．６以上０．８以下の範囲では、第一銅層１２Ｂの厚みｔ１と第二銅層１３Ｂの厚みｔ２とは比較的厚みが近くなるのでパワーモジュール用基板１０全体の反りは小さくなるが、第二銅層１３Ｂの厚みｔ２が第一銅層１２Ｂの厚みに近づいて厚く設けられることに関係する。すなわち、第二銅層１３Ｂが厚く設けられることにより剛性が高くなり、これにより冷熱サイクル時に第一銅層１２Ｂによる反りと第二銅層１３Ｂによる反りとが相反する方向に負荷されることとなる。その結果、パワーモジュール用基板１０全体に生じる反り量が小さいにも関わらず、セラミックス基板１１に加わる負荷が大きくなってセラミックス基板１１に割れが生じるおそれがあるためである。
一方、比率ｔ２／ｔ１が０．６未満では、第一銅層１２Ｂの厚みｔ１と比べて第二銅層１３Ｂの厚みｔ２が小さいので、第一銅層１２Ｂと第二銅層１３Ｂとの熱伸縮差によって冷熱サイクル時に生じるパワーモジュール用基板１０の反りは大きくなるが、第二銅層１３Ｂの剛性が低いので、第二銅層１３Ｂが第一銅層１２Ｂに追従してセラミックス基板１１に割れが生じることを回避できる。
また、比率ｔ２／ｔ１が０．８を超える範囲では、第一銅層１２Ｂの厚みｔ１と第二銅層１３Ｂの厚みｔ２とがほぼ同じ厚みになるので、冷熱サイクル時における第一銅層１２Ｂに生じる反りと第二銅層１３Ｂに生じる反りとのバランスが保たれた状態となり、パワーモジュール用基板１０に生じる反りを低減でき、セラミックス基板１１の割れを抑制することができる。
なお、本発明は、上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、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、上記実施形態では、ヒートシンク４０が無酸素銅で構成されている場合について説明したが、タフピッチ銅等の純銅や銅合金で構成することもできる。また、アルミニウムやアルミニウム合金で構成することもでき、この場合には、ヒートシンクにＮｉめっきを施した後に、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをはんだによって接合することで良好に接合することができる。さらに、ヒートシンク４０の放熱板４１と冷却部４２との接合方法はネジで固定する場合に限定されるものではなく、例えば固相拡散接合により接合することもできる。また、ヒートシンク４０は、放熱板４１を用いることなく構成することもでき、パワーモジュール用基板１０と冷却部４２とを直接接合する構成とすることもできるし、ヒートシンク４０にはヒートパイプ熱等を放散させる種々の構成をとることができる。
また、上記実施形態においては、第一アルミニウム層１２Ａと第一銅層１２Ｂ、第二アルミニウム層１３Ａと第二銅層１３Ｂを、同時に固相拡散接合する場合について説明したが、これらを別々に固相拡散接合する構成としても良い。
また第一アルミニウム層１２Ａと第二アルミニウム層１３Ａは、純度９９．９９％の純アルミニウムに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）やアルミニウム合金等であっても良い。
次に、本発明の効果を確認するために行った確認実験について説明する。
（本発明例１〜１２、比較例１〜４）
前述したパワーモジュールの製造工程において、本発明例１〜１２、比較例１〜４となるパワーモジュールの試料を複数製造した。
各パワーモジュール用基板としては、４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍで表１に記載の材料からなるセラミックス基板に、回路層及び金属層を積層したものを用いた。回路層の第一アルミニウム層と金属層の第二アルミニウム層は、それぞれ３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚み０．６ｍｍで表１に記載のアルミニウム板をセラミックス基板にＡｌ‐Ｓｉ系ろう材により接合して形成した。また、回路層の第一銅層と金属層の第二銅層は、それぞれ３７ｍｍ×３７ｍｍ、表１に記載の銅板を第一アルミニウム層及び第二アルミニウム層と固相拡散接合することにより形成して、各試料のパワーモジュール用基板を製造した。なお、固相拡散接合は、真空加熱炉内の圧力を１．０×１０−６Ｐａ以上１．０×１０−３Ｐａ以下として行った。
そして、得られたパワーモジュール用基板に対して、冷熱サイクル試験を実施し、冷熱サイクル試験後のパワーモジュール用基板に対し、セラミックス基板の割れの評価を行った。
冷熱サイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ‐５１を使用し、ヒートシンク付パワーモジュールに対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１２５℃×５分の３０００サイクル実施した。
（セラミックス基板の割れの評価）
超音波探傷装置を用いて評価し、セラミックス基板に割れが確認されなかったものを良「○」とし、割れが生じているものを否「×」と評価した。
評価結果を表１に示す。
（本発明例１３〜１６）
上述のパワーモジュール用基板とヒートシンクをＳｎ‐Ｓｂはんだによって接合し、表２に示す本発明例１３〜１６のヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
本発明例１３は、本発明例５で得られたパワーモジュール用基板を用いて作製し、本発明例１４は本発明例７で、本発明例１５は本発明例１０で、本発明例１６は本発明例１２で得られたパワーモジュール用基板をそれぞれ用いて作製した。また、本発明例１３及び本発明例１６は、Ｎｉめっきを施したＡｌ合金（Ａ６０６３）からなるヒートシンクを用い、本発明例１４及び本発明例１５は無酸素銅からなるヒートシンクを用いて作製した。
そして、得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板に対し、冷熱サイクル試験前後の第二銅層とはんだ層界面の接合率及び冷熱サイクル試験後のセラミックス割れについて評価した。
冷熱サイクル試験前後の第二銅層とはんだ層界面の接合率について超音波探傷装置を用いて評価した。また、接合率は以下の式から算出した。
接合率（％） ＝ ｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち本実施例では第二銅層の面積とした。超音波探傷像において、はんだ層のクラックは接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
冷熱サイクル試験及びセラミックス基板の割れの評価は、本発明例１〜１２と同様に行った。
表１からわかるように、第一銅層の厚みｔ１が１．７ｍｍ以上５ｍｍ以下とされ、比率ｔ２／ｔ１が０を超えて１．２以下の範囲のうち０．６以上０．８以下を除く範囲に設定され、第一銅層の厚みｔ１と第二銅層の厚みｔ２の合計が７ｍｍ以下とされた本発明例１〜１２においては、冷熱サイクル試験後のセラミックス基板に割れが生じることがない、パワーモジュール用基板を得ることができた。
さらに、表２からわかるように、ヒートシンクがはんだ付けされたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、冷熱サイクル試験後のセラミックス基板に割れが生じることがなく、接合率が良好なヒートシンク付パワーモジュール用基板が得られることがわかった。
一方、比率ｔ２／ｔ１が０．６以上０．８以下とされる比較例１〜２や、第一銅層の厚みｔ１と第二銅層の厚みｔ２の合計が７ｍｍを超えた比較例３や、比率ｔ２／ｔ１が１．２を超えた比較例４においては、図６の超音波画像にみられるように、冷熱サイクル試験後のセラミックス基板に割れが発生する結果となった。図６の超音波画像からわかるように、比較例１〜４では、放射状の筋が確認されており、セラミックス基板の厚み方向にクラックが生じていた。また、放射状の筋に加えて局所的に白く点在する領域が見られ、セラミックス基板の水平方向にもクラックが生じていることがわかった。
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１１ｆ 一方の面
１１ｂ 他方の面
１２ 回路層
１２ａ アルミニウム板
１２Ａ 第一アルミニウム層
１２ｂ 銅板
１２Ｂ 第一銅層
１３ 金属層
１３ａ アルミニウム板
１３Ａ 第二アルミニウム層
１３ｂ 銅板
１３Ｂ 第二銅層
１４ 金属間化合物層
１６ θ相
１７ η２相
１８Ａ ζ２相
１８Ｂ δ相
１８Ｃ γ２相
１９ 酸化物
２０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
３０ 半導体素子
３１ はんだ層
４０ ヒートシンク
４１ 放熱板
４２ 冷却部
４２ａ 流路
４３ ネジ
４５ はんだ層
５０ 真空加熱炉
１００ ヒートシンク付パワーモジュール

Claims (3)

  1. セラミックス基板の一方の面に積層された回路層と、他方の面に積層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、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第一アルミニウム層と、該第一アルミニウム層に固相拡散接合された第一銅層とを有し、前記金属層は、前記第一アルミニウム層と同一材料により形成され前記セラミックス基板の他方の面に接合された第二アルミニウム層と、前記第一銅層と同一材料により形成されて前記第二アルミニウム層に固相拡散接合された第二銅層とを有し、前記第一アルミニウム層と前記第一銅層との間、及び前記第二アルミニウム層と前記第二銅層との間には、アルミニウムと銅との金属間化合物層が形成されており、前記第一銅層の厚みｔ１が１．７ｍｍ以上５ｍｍ以下とされ、前記第一銅層の厚みｔ１と前記第二銅層の厚みｔ２の合計が７ｍｍ以下とされ、前記第一銅層の厚みｔ１と前記第二銅層の厚みｔ２との比率ｔ２／ｔ１が０．８を超えて１．２以下の範囲に設定されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
  2. 前記金属間化合物層の厚みが１μｍ以上８０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板。
  3. 請求項１又は２に記載のパワーモジュール用基板と、ヒートシンクとを有し、前記第二銅層と前記ヒートシンクとが接合され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。
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