JP7424145B2

JP7424145B2 - 絶縁回路基板

Info

Publication number: JP7424145B2
Application number: JP2020050652A
Authority: JP
Inventors: 友真森田; 丈嗣北原
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2024-01-30
Anticipated expiration: 2040-03-23
Also published as: JP2021150558A

Description

本発明は、半導体素子等が搭載されることによりパワーモジュール等として用いることができる絶縁回路基板に関する。

現在、自動車、鉄道車両、エレベータ、産業機器等に用いられるトランジスタ、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子を搭載した絶縁回路基板が用いられている。このような絶縁回路基板として、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面に回路層が形成されるとともに、他方の面に放熱のための放熱層が形成された構成のものが知られている。
例えば、特許文献１に記載の絶縁回路基板は、窒化アルミニウムや窒化ケイ素等からなるセラミックス基板の一方の面に銅からなる回路層が形成され、他方の面に銅からなる放熱層が形成されている。

また、近年、絶縁回路基板に半導体素子が装着されたパワーモジュールの小型化・薄肉化が進められているとともに、半導体素子自体の発熱量も増加している。このため、従来よりも高い放熱層が絶縁回路基板に求められている。このような放熱性を確保するため、銅からなる回路層及び放熱層の厚さを大きくすることも考えられるが、これらの厚さを大きくすると、セラミックス基板の熱膨張係数と回路層及び放熱層となる銅板の熱膨張係数とが大きく異なることから、これらの接合により生じる熱応力によりセラミックス基板が割れたり、回路層の表面に固定された半導体素子のはんだ部にクラックが生じたりすることがある。この場合、熱抵抗の増加による熱暴走により、半導体素子が破損する。

このように半導体素子が搭載される銅板全体を厚くすると、上述した問題が生じることから、半導体素子が搭載される搭載領域のみを他の領域よりも厚くした絶縁回路基板として、特許文献２～４に記載の絶縁回路基板が知られている。
特許文献２に記載の絶縁回路基板は、セラミックス基板の両面にアルミニウムからなる金属板が接合され、半導体素子が搭載される側の金属板において、半導体素子が搭載される部分を他の部分より厚くしている。
また、特許文献３に記載の絶縁回路基板は、セラミックス基板の両面にアルミニウムからなる金属板が接合され、半導体素子が搭載される側の金属板は複数の回路パターンが形成され、複数の回路パターンにおいて、半導体素子が搭載される部分が他の部分より厚く形成されている。
さらに、特許文献４に記載の絶縁回路基板は、セラミックス基板の両面に銅からなる金属板が接合され、半導体素子が搭載される回路層では、複数の回路パターンに分割されたマウント用銅板上の１つの回路パターン上に、この回路パターンより外形が小さい追加重ね銅板が接合されている。これら特許文献２～４に記載の絶縁回路基板は、金属板における半導体素子が搭載される搭載領域を他の領域よりも厚くすることにより、放熱性を高めている。

一方、セラミックス基板の割れを抑制可能な絶縁回路基板として、例えば、特許文献５に記載の絶縁回路基板が知られている。この特許文献５に記載の絶縁回路基板は、回路層がアルミニウムと銅との二層構造からなり、セラミックス基板と銅層との間にアルミニウム層が配置され、固定されている。このアルミニウム層は、純度９９．９９％以上の純アルミニウムからなり、変形抵抗が小さいことから、これらの接合時に生じる熱応力を緩和して、セラミックス基板に割れが生じることを抑制している。

特開平１－２５１７８１号公報特開昭５９－１２１８９０号公報特開平９－２８９２６６号公報特開２００８－１０５２０号公報特開平１０－２７０５９６号公報

ところで、特許文献２～４に記載の絶縁回路基板のように、半導体素子が搭載される領域のみが他の面より突出すると、フィンや冷却器への接着又は接合時にこれらを加圧する際に、突出した半導体素子が搭載される領域以外の領域に十分に圧力を加えることができない。つまり、回路層全面に均等に圧力を加えることができず、フィンや冷却器への接着性及び接合性が低下する。また、半導体素子が搭載される領域と、搭載されない領域との間に段差が生じることから、ワイヤーボンディング等の実装にあたり、各種工程が増加することから、製造コストが増加する。特に、特許文献５に記載の絶縁回路基板のように、回路層が二層構造の場合、絶縁回路基板全体の高さがさらに拡大するため、パワーモジュールを小型化できない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、回路層が二層構造からなる絶縁回路基板の放熱性を高め、かつ、絶縁回路基板の高さの拡大を抑制できる絶縁回路基板を提供することを目的とする。

本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板の一方の面に二層構造の回路層が形成された絶縁回路基板であって、前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に形成され、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１回路層と、前記第１回路層の前記セラミックス基板とは反対側の面に形成され、銅又は銅合金からなる第２回路層と、を備え、前記第２回路層は、半導体素子が搭載される搭載予定領域側の面が平坦面からなるとともに、前記搭載予定領域の少なくとも一部を含む部分を前記搭載予定領域とは反対側の面から突出させてなる厚肉部と、前記厚肉部より薄い薄肉部と、を有し、前記第１回路層の前記第２回路層との接合面には、前記厚肉部が収容される凹部が形成されている。

本発明では、第２回路層における高温となる搭載予定領域直下の領域が他の領域よりも厚く形成されているので、搭載予定領域の放熱性を高めることができる。また、第２回路層の搭載予定領域側の面が平坦面であることから、搭載予定領域の温度が上昇した場合に、搭載予定領域に隣接する領域にその熱が伝わりやすくなるので、第２回路層の厚肉部が搭載予定領域側の面から突出している場合に比べて、第２回路層内での半導体素子からの熱をより早く拡散でき、第２回路層全体の放熱性を高めることができる。さらに、第１回路層と第２回路層との接合時に第２回路層の搭載予定領域側の面を均等に押圧できるので、第１回路層と第２回路層との接合性を向上できる。また、第１回路層に第２回路層の厚肉部を収容する凹部が形成されていることから、第２回路層の厚肉部が搭載予定領域側の面から突出している場合に比べて、回路層の高さを小さくすることが可能であり、絶縁回路基板を小型化できる。
また、搭載予定領域が設けられる面が平坦面とされているので、この絶縁回路基板に半導体素子を実装してパワーモジュールとして利用する場合に、ワイヤーボンディング等の実装工程を容易にでき、パワーモジュールの製造コストを低減できる。

本発明の絶縁回路基板の好ましい態様としては、平面視における前記厚肉部の平面サイズは、前記搭載予定領域の平面サイズ以上であるとよい。
上記態様では、第２回路層における搭載予定領域直下の全領域が厚肉に形成されているので、絶縁回路基板の放熱性をより高めることができる。

本発明の絶縁回路基板の好ましい態様としては、前記厚肉部の厚さは、０．３ｍｍ以上６．９ｍｍ以下、前記薄肉部の厚さは、０．２ｍｍ以上４．０ｍｍ以下であるとよい。

本発明の絶縁回路基板の好ましい態様としては、前記厚肉部及び前記凹部は、平面視矩形状に形成されているとよい。
上記態様では、絶縁回路基板の製造時に第１回路層の凹部に第２回路層の厚肉部を嵌め込むことで位置決めできるので、第１回路層及び第２回路層を適切に接合できる。

本発明は、回路層が二層構造からなる絶縁回路基板の放熱性を高め、かつ、絶縁回路基板の高さの拡大を抑制できる。

本発明の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。図１に示すパワーモジュールの上面図である。ある。図１に示す絶縁回路基板の製造工程における凹凸形成工程を示す断面図である。図１に示す絶縁回路基板の製造工程における第１接合工程を示す断面図である。図１に示す絶縁回路基板の製造工程における第２接合工程を示す断面図である。上記実施形態の変形例に係る絶縁回路基板を示す上面図である。

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。

本発明に係る絶縁回路基板１０は、いわゆるパワーモジュール用基板であり、絶縁回路基板１０の表面に半導体素子３０が搭載されることにより、図１に示すパワーモジュールとなる。この半導体素子３０としては、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の種々の半導体素子が選択される。この場合、半導体素子３０は、図示を省略するが、上部に上部電極部が設けられ、下部に下部電極部が設けられており、下部電極部が回路層１２の上面にＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系、Ｚｎ－Ａｌ系若しくはＰｂ－Ｓｎ系等のはんだ材等により接合されることで、半導体素子３０が回路層１２の上面に搭載される。また、半導体素子３０の上部電極部が、はんだ等で接合されたリードフレーム等を介して回路層１２の回路電極部等に接続されて、パワーモジュールとなる。このようなパワーモジュールは、冷却器４０等に固定されて使用される。

［絶縁回路基板の構成］
絶縁回路基板１０は、図１に示すように、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面に接合された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に接合された放熱層１３とを備える。
セラミックス基板１１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用いることができる。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とされる。

回路層１２は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１回路層１４と、銅又は銅合金からなる第２回路層１５との二層構造とされており、セラミックス基板１１の一方の面に第１回路層１４が形成され、その上に第２回路層１５が形成されている。
同様に、放熱層１３は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１放熱層１６と、銅又は銅合金からなる第２放熱層１７との二層構造とされており、セラミックス基板１１の他方の面に第１放熱層１６が形成され、その上に第２放熱層１７が形成されている。

第１回路層１４及び第１放熱層１６は、純度９９質量％以上の純アルミニウム（例えば、ＪＩＳ規格では１０００番台の純アルミニウム、特に１Ｎ９０（純度９９．９質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は、１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）や、Ａ６０６３系等のアルミニウム合金等を用いることができる。第２回路層１５及び第２放熱層１７とセラミックス基板１１との熱伸縮差を緩衝するためには、第１回路層１４及び第１放熱層１６として純アルミニウムを用いるのが好ましい。
第２回路層１５及び第２放熱層１７は、例えば純度９９．９６質量％以上の銅（無酸素銅）や純度９９．９０質量％以上の銅（タフピッチ銅）が好適である。

これらのうち、第２回路層１５は、図１及び図２に示すように、半導体素子３０が搭載される搭載予定領域Ａｒ１（図１及び２においては搭載領域）の少なくとも一部を含む部分を搭載予定領域Ａｒ１とは反対側の面から突出させてなる厚肉部１５１と、厚肉部１５１より薄い薄肉部１５２と、を有している。搭載予定領域Ａｒ１及び厚肉部１５１のそれぞれは、図２に示すように、平面視矩形状に形成されている。この厚肉部１５１の平面サイズは、搭載予定領域Ａｒ１の平面サイズより若干大きく形成されている。つまり、本実施形態においては、搭載予定領域Ａｒ１直下の全領域が厚肉に形成されている。

一方、第２回路層１５の搭載予定領域Ａｒ１側の面（以下、第１面１５０ａという）は、平坦面とされている。このため、厚肉部１５１は、搭載予定領域Ａｒ１とは反対側の面（以下、第２面１５０ｂという）から突出し、その突出部位は角柱状とされている。
また、第１回路層１４の第２回路層１５との接合面には、厚肉部１５１が収容される凹部１４１が形成されている。この凹部１４１は、厚肉部１５１の突出部位を収容可能な形状とされ、例えば、厚肉部１５１の角柱状の突出部位と略同形状に形成されている。

また、第２回路層１５の厚肉部１５１の厚さは、０．３ｍｍ以上６．９ｍｍ以下、薄肉部の厚さは、０．２ｍｍ以上４．０ｍｍ以下とされ、凹部１４１の深さは、０．１ｍｍ以上２．９ｍｍ未満とされている。なお、厚肉部１５１の突出部の高さは、０．１ｍｍ以上凹部１４１の深さ以下とされている。
これら第１回路層１４及び第２回路層１５と、第１放熱層１６及び第２放熱層１７とのそれぞれは、固相拡散接合されている。

［絶縁回路基板の製造方法］
絶縁回路基板１０の製造方法について説明する。
まず、図３に示すように、第１回路層１４となる第１回路層用金属板１４ａに凹部１４１ａを形成するとともに、第２回路層１５となる第２回路層用金属板１５ａを加工して厚肉部１５１ａ及び薄肉部１５２ａを形成する。第１回路層用金属板１４ａ及び第２回路層用金属板１５ａの加工は、フライス盤やボール盤等により板材を削り出すことにより実行される。
なお、上記加工は、削り出しに限らず、プレス成型により第１回路層用金属板１４ａに凹部１４１ａを形成するとともに、第２回路層用金属板１５ａに厚肉部１５１ａ及び薄肉部１５２ａを形成してもよい。また、第１回路層用金属板１４ａ及び第１放熱層用金属板１６ａの厚さは、０．２ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とされ、第２回路層用金属板１５ａの薄肉部１５２ａの厚さは０．２ｍｍ以上４．０ｍｍ以下とされ、厚肉部１５１ａの厚さは、０．３ｍｍ以上６．９ｍｍ以下とされている。

次に、図３に示すように、セラミックス基板１１の両面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１回路層用金属板１４ａ及び第１放熱層用金属板１６ａをＡｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｍｎ系、又はＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系等のろう材箔５０を介して積層し、その積層体を加圧しながら加熱することにより、セラミックス基板１１と第１回路層用金属板１４ａ及び第１放熱層用金属板１６ａとを接合して、セラミックス基板１１に第１回路層１４及び第１放熱層１６を形成する（第一接合工程）。この第一接合工程では、第１回路層用金属板１４ａの凹部１４１ａが形成された面とは反対側の面をセラミックス基板１１と接合する。これにより、第１回路層１４の凹部１４１がセラミックス基板１１とは反対側に開口した状態となる。なお、第１放熱層用金属板１６ａは、いずれの面がセラミックス基板１１と接合されてもよい。

第一接合工程の接合条件は、必ずしも限定されるものではないが、真空雰囲気中で、積層方向の加圧力が０．１９６ＭＰａ～０．９８ＭＰａで、６４０℃以上６５０℃以下の加熱温度に２０分以上１２０分以下保持するのが好適である。
なお、本実施形態では、ろう材箔５０を用いることとしたが、これに限らず、ろう材ペーストを用いてもよい。この場合、ろう材ペーストは、セラミックス基板１１に塗布してもよいし、第１回路層用金属板１４ａ及び第１放熱層用金属板１６ａに塗布してもよい。

次いで、図５に示すように、その第１回路層１４及び第１放熱層１６のそれぞれの上に銅又は銅合金からなる第２回路層用金属板１５ａ及び第２放熱層用金属板１７ａを積層するとともに、その積層体を加圧しながら加熱する。第２回路層用金属板１５ａを第１回路層１４上に配置する際には、第２回路層用金属板１５ａの厚肉部１５１ａの突出部位を凹部１４１に嵌め込む。この場合、凹部１４１は、厚肉部１５１ａの突出部位と同形状（角柱状）であるため、凹部１４１に上記突出部位を嵌め込むことで、第２回路層用金属板１５ａを第１回路層１４に対して位置決めする。そして、アルミニウムと銅とを固相拡散接合して、第１回路層１４の上に第２回路層１５を形成するとともに第１放熱層１６の上に第２放熱層１７を形成する（第二接合工程）。

なお、凹部１４１は、厚肉部１５１ａの突出部位と同形状で、平面視でやや小さいサイズ（例えば、突出部位が矩形状である場合は、突出部位と凹部１４１との各辺の長さの差が０．０５ｍｍ程度）としてもよい。その場合、凹部１４１に上記突出部位を嵌め込む際に第１回路層１４のアルミニウムが若干変形することで、凹部１４１と厚肉部１５１ａの突出部位との隙間を減少させることができる。

第二接合工程の接合条件は、必ずしも限定されるものではないが、真空雰囲気中で、積層方向の加圧力が０．２９４Ｍｐａ～３．４３ＭＰａで、アルミニウムと銅との共晶温度である５４８℃より低い５２８℃以上５４３℃以下の加熱温度に３０分～１２０分保持するのが好適である。
これにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が形成され、他方の面に放熱層１３が形成された絶縁回路基板１０が製造される。

本実施形態では、第２回路層１５における高温となる搭載予定領域Ａｒ１直下の領域が他の領域よりも厚く形成された厚肉部１５１からなり、厚肉部１５１では、半導体素子３０からの熱が厚さ方向に速やかに熱伝導するので、搭載予定領域Ａｒ１の放熱性を高めることができる。また、第２回路層１５の搭載予定領域Ａｒ１側の第１面１５０ａが平坦面であることから、薄肉部１５２では、半導体素子３０からの熱が面方向に拡散する。このため、搭載予定領域Ａｒ１の温度が上昇した場合に、図１に矢印で示したように、搭載予定領域Ａｒ１に隣接する領域にその熱が伝わりやすくなる。これにより、図１に矢印で示したように、第２回路層１５の全体に広がった熱が、第２回路層１５の全面で第１回路層１４に伝達され、セラミックス基板１１を介して放熱層１３へと伝達される。したがって、第２回路層１５の厚肉部１５１が搭載予定領域Ａｒ１側の第１面１５０ａから突出している場合に比べて、第２回路層１５内での半導体素子３０からの熱をより早く拡散でき、第２回路層１５全体の放熱性を高めることができる。

さらに、第１回路層１４と第２回路層１５との接合時に第２回路層１５の搭載予定領域Ａｒ１側の第１面１５０ａを均等に押圧できるので、第１回路層１４と第２回路層１５との接合性を向上できる。また、第１回路層１４に第２回路層１５の厚肉部１５１を収容する凹部１４１が形成されていることから、第２回路層１５の厚肉部１５１が搭載予定領域Ａｒ１側の第１面１５０ａから突出している場合に比べて、回路層１２の高さを小さくすることが可能であり、絶縁回路基板１０を小型化できる。
また、搭載予定領域Ａｒ１が設けられる第１面１５０ａが平坦面とされているので、この絶縁回路基板１０に半導体素子３０を実装してパワーモジュール等として利用する場合に、ワイヤーボンディング等の実装工程を容易にでき、パワーモジュール等の製造コストを低減できる。

また、第２回路層１５における搭載予定領域Ａｒ１直下の全領域が厚肉に形成されているので、絶縁回路基板１０の放熱性をより高めることができる。さらに、厚肉部１５１の厚さが１．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下と厚いので、放熱性を確実に高めることができる。
また、絶縁回路基板１０の製造時に第１回路層１４の凹部１４１に第２回路層用金属板１５ａの厚肉部１５１ａを嵌め込むことで位置決めできるので、第１回路層１４及び第２回路層用金属板１５ａを適切に接合できる。

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、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、本発明の製造方法は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層と銅層との二層構造からなる回路層を形成する場合に適用することができ、セラミックス基板の他方の面に形成される放熱層は、実施形態のように二層構造でなくてもよい。また、放熱層は、設けられなくてもよい。

上記実施形態では、厚肉部１５１の突出部位の形状は、平面視矩形状（角柱状）であることとしたが、厚肉部の突出部位の形状は上記実施形態の形状に限らず、適宜変更可能であり、例えば、図６に示す形状であってもよい。
本変形例の絶縁回路基板１０Ｂでは、回路層１２を構成する第２回路層１５Ｂの厚肉部１５１Ｂ（厚肉部１５１Ｂの突出部位）の形状は、図６に示すように、平面視円形状（円柱状）に形成されている。この場合、第２回路層の凹部は、上記突出部位の形状に応じて平面視円形状（突出部位と同形状）に形成されるとよい。

上記実施形態では、搭載予定領域Ａｒ１の全領域の直下が厚肉に形成されている、つまり、厚肉部１５１が搭載予定領域Ａｒ１の全領域を含むこととしたが、これに限らず、厚肉部は搭載予定領域Ａｒ１の必ずしも全領域を含まなくてもよく、その大部分が含まれているものも本発明の権利範囲である。

上記実施形態では、第１回路層１４と第２回路層用金属板１５ａとを固相拡散接合することとしたが、これに限らず、ろう材を用いてこれらを接合してもよい。

１０，１０Ｂ絶縁回路基板
１１セラミックス基板
１２回路層
１３放熱層
１４第１回路層
１４ａ第１回路層用金属板
１４１，１４１ａ凹部
１５，１５Ｂ第２回路層
１５ａ第２回路層用金属板
１５０ａ第１面
１５０ｂ第２面
１５１，１５１ａ，１５１Ｂ厚肉部
１５２，１５２ａ薄肉部
１６第１放熱層
１６ａ第１放熱層用金属板
１７第２放熱層
１７ａ第２放熱層用金属板
３０半導体素子
４０冷却器
５０ろう材箔
Ａｒ１搭載予定領域（搭載領域）

Claims

セラミックス基板の一方の面に二層構造の回路層が形成された絶縁回路基板であって、
前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に形成され、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１回路層と、前記第１回路層の前記セラミックス基板とは反対側の面に形成され、銅又は銅合金からなる第２回路層と、を備え、
前記第２回路層は、半導体素子が搭載される搭載予定領域側の面が平坦面からなるとともに、前記搭載予定領域の少なくとも一部を含む部分を前記搭載予定領域とは反対側の面から突出させてなる厚肉部と、前記厚肉部より薄い薄肉部と、を有し、前記第１回路層の前記第２回路層との接合面には、前記厚肉部が収容される凹部が形成されていることを特徴とする絶縁回路基板。
平面視における前記厚肉部の平面サイズは、前記搭載予定領域の平面サイズ以上であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板。
前記厚肉部の厚さは、０．３ｍｍ以上６．９ｍｍ以下、前記薄肉部の厚さは、０．２ｍｍ以上４．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の絶縁回路基板。
前記厚肉部及び前記凹部は、平面視矩形状に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の絶縁回路基板。