パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール
【課題】比較的面積の大きくても、セラミック基板の反り、割れの発生を抑制することが可能なパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法及び、このパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供する。
【解決手段】アルミニウム又はアルミニウム合金の板材からなる金属層１３と、この金属層１３の一方の面に配設されたセラミックス基板と、このセラミックス基板の上に配設され、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層と、を備え、金属層１３は、セラミックス基板よりも面積が大きく設定されており、金属層１３には、前記一方の面側部分において、アルミニウムの母相中に第２相が分散した硬化層３１と、アルミニウムの単一相からなる軟質層３２と、が設けられていることを特徴とする。
【解決手段】アルミニウム又はアルミニウム合金の板材からなる金属層１３と、この金属層１３の一方の面に配設されたセラミックス基板と、このセラミックス基板の上に配設され、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層と、を備え、金属層１３は、セラミックス基板よりも面積が大きく設定されており、金属層１３には、前記一方の面側部分において、アルミニウムの母相中に第２相が分散した硬化層３１と、アルミニウムの単一相からなる軟質層３２と、が設けられていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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、このパワーモジュール用基板の製造方法及びこのパワーモジュール基板を備えたパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。
【０００３】
また、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して冷却器が接合された冷却器付パワーモジュール用基板が提案されている。このような冷却器付パワーモジュール用基板においては、電子部品から発生した熱を効率的に放散することが可能となる。
ここで、セラミックス基板は、回路層と金属層との間の絶縁性を確保するとともに、パワーモジュール用基板全体の剛性を確保する役割を有している。
【０００４】
さらに、近年では、パワーモジュールユニットにおいて、電子部品の高集積化、高密度化が進められており、例えば特許文献２、３に記載されているように、ひとつのセラミックス基板に複数の回路層を形成したパワーモジュール用基板が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１４８４５１号公報
【特許文献２】特開平１０−６５０７５号公報
【特許文献３】特開２００７−１９４２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、複数の回路層を形成するために、比較的サイズの大きなセラミックス基板を用いた場合には、回路層や金属層の接合時や熱サイクル負荷時において、セラミックス基板に比較的大きな反りが発生し、割れが生じるおそれがあった。つまり、面積の大きなパワーモジュール用基板を構成する際には、その剛性を確保するために大きな面積のセラミックス基板を用いる必要があるが、大きなセラミックス基板を用いると割れや反りが発生してしまうことになるのである。
【０００７】
特に、例えば特許文献１の図４に示すように、パワーモジュール用基板を冷却器の天板部に直接接合した冷却器付パワーモジュール用基板では、パワーモジュール用基板の熱膨張係数はセラミックス基板に依存して比較的小さく、冷却器の天板部はアルミニウム等で構成されていて熱膨張係数が比較的大きいため、冷却器付パワーモジュールに熱サイクルが負荷された際に、熱膨張率の差によって熱応力が生じ、セラミックス基板に割れや反りが発生してしまう危険性がさらに高くなる。
【０００８】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、比較的面積の大きくても、セラミック基板の反り、割れの発生を抑制することが可能なパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法及び、このパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、アルミニウム又はアルミニウム合金の板材からなる金属層と、この金属層の一方の面に配設されたセラミックス基板と、このセラミックス基板の上に配設され、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層と、を備え、前記金属層は、前記セラミックス基板よりも面積が大きく設定されており、前記金属層には、前記一方の面側部分において、アルミニウムの母相中に第２相が分散されてなる硬化層と、アルミニウムの単一相からなる軟質層と、が設けられていることを特徴としている。
【００１０】
この構成のパワーモジュール用基板においては、金属層の一方の面側部分に、アルミニウムの母相中に第２相が分散した硬化層が設けられているので、金属層の剛性が向上することになり、パワーモジュール用基板自体の剛性を確保することが可能となる。よって、比較的面積の大きなパワーモジュール用基板を形成したとしても、セラミックス基板を分割して比較的面積を小さくすることが可能となり、セラミックス基板の反りや割れを抑制することができる。
また、アルミニウムの単一相からなる軟質層を有しているので、熱サイクル負荷時や接合時において発生する熱応力をこの軟質層によって吸収することができる。
【００１１】
ここで、前記セラミックス基板が、前記金属層の一方の面に複数配設され、これら複数のセラミックス基板に回路層がそれぞれ形成されている構成とすることが好ましい。
この場合、金属層の上に、複数のセラミックス基板が配設され、このセラミックス基板の上に回路層が形成されていることから、セラミックス基板自体が分割されて比較的面積が小さくすることができ、セラミックス基板の反りや割れを抑えることが可能となる。よって、複数の回路層が形成された大型のパワーモジュール用基板を構成することが可能となる。
【００１２】
また、前記金属層が純度９９．９％以上のアルミニウム（いわゆる３Ｎアルミ）の板材からなることが好ましい。
この場合、金属層が純度９９．９％以上のアルミニウムで構成されていることから、金属層の変形抵抗が小さく、アルミニウムとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力（ひずみ）を金属層で効率的に吸収することが可能となり、セラミックス基板の反りや割れを確実に抑えることができる。
なお、純度９９．９％以上のアルミニウムによって金属層を構成した場合には剛性が低くなるが、金属層の一方の面側に硬化層を形成することによって、金属層全体の剛性を確保することができる。
【００１３】
また、前記金属層の面積が、４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下とされていることが好ましい。
この場合、前記金属層の面積が、４０００ｍｍ２以上とされているので、例えば複数のセラミックス基板を金属層上に配設することが可能となる。また、前記金属層の面積が、１００００ｍｍ２以下とされているので、硬化層によって金属層の剛性を確保することができる。
【００１４】
さらに、前記セラミックス基板の面積が、１００ｍｍ２以上２０００ｍｍ２以下とされていることが好ましい。
この場合、前記セラミックス基板の面積が、１００ｍｍ２以上とされているので、セラミックス基板の上に回路層を形成することができる。また、前記セラミックス基板の面積が、２０００ｍｍ２以下とされているので、セラミックス基板の反りや割れを確実に抑制することができる。
【００１５】
さらに、前記金属層が、冷却器の天板部とされることが好ましい。
この場合、金属層が冷却器の天板部としても役割を有することから、金属層の一方の面に配設されたセラミックス基板及び回路層を効率的に冷却することが可能となる。よって、回路層上に配設される電子部品から発生する熱を冷却器によって効率的に冷却することができ、電子部品が高集積、高密度に配設されたパワーモジュールユニットに適用することができる。
【００１６】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層となるアルミニウム板の一方の面の全面に、前記第２相を構成する元素を含有したアルミ合金からなるろう材を配設し、このろう材の上に前記セラミックス基板を積層し、このセラミックス基板上に回路層となる金属板を積層して、積層体を形成する積層工程と、前記積層体を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板の一方の面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、前記溶融工程及び前記凝固工程により、前記金属層の一方の面側部分に、アルミニウムの母相中に第２相が分散されてなる硬化層を形成することを特徴としている。
【００１７】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属層となるアルミニウム板の一方の面の全面に、前記第２相を構成する元素を含有したアルミ合金からなるろう材を配設し、このろう材を溶融・凝固させていることから、金属層の一方の面側に、第２相を構成する元素の濃度が高い部分を生じさせて、アルミニウムの母相中に第２相が分散されてなる硬化層を形成することが可能となる。なお、硬化層における第２相の分散状態は、ろう材に含まれる前記第２相を構成する元素量、溶融工程の温度及び時間、前記凝固工程の凝固速度等によって調整されることになる。
【００１８】
本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、高集積、高密度のパワーモジュールユニットを構成することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、比較的面積の大きくても、セラミック基板の反り、割れの発生を抑制することが可能なパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法及び、このパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールの上面図である。
【図２】図１におけるＸ−Ｘ断面図である。
【図３】図１に示すパワーモジュール用基板の金属層の拡大説明図である。
【図４】図３に示す金属層に形成された硬化層の説明写真である。
【図５】本発明の第１の実施形態である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６】図５に示すパワーモジュール用基板の製造方法において、アルミニウム板（金属層）の一方の面近傍の拡大説明図である。。
【図７】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の概略説明図である。
【図８】図７に示すパワーモジュール用基板の金属層に形成された硬化層の説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態である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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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、図２に本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ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。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００２２】
パワーモジュール用基板１０は、金属層１３と、この金属層１３の一方の面（図２において上面）に複数配設されたセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の上にそれぞれ配設された回路層１２と、を備えている。本実施形態においては、ひとつの金属層１３の上に、２つのセラミックス基板１１及び回路層１２が配設されている。
【００２３】
ここで、金属層１３の面積（一方の面の面積）は、４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下とされており、本実施形態では、１４０ｍｍ×６０ｍｍの矩形平板状をなしている。
また、セラミックス基板１１の面積（一方の面の面積）は、１００ｍｍ２以上２０００ｍｍ２以下とされている。
【００２４】
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、本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下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。
【００２５】
回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２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１２は、純度が９９．９％以上のアルミニウムの圧延板からなる金属板２２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。ここで、セラミックス基板１１と金属板２２の接合には、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２４を用いている。ここで、回路層１２の厚さは０．２ｍｍ以上２．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．０ｍｍに設定されている。
【００２６】
金属層１３は、図５に示すように、純度９９．９％以上のアルミニウム板２３からなり、この金属層１３の一方の面にセラミックス基板１１が接合されている。ここで、金属層１３をなすアルミニウム板２３とセラミックス基板１１との接合には、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２５を用いている。ここで、金属層１３の厚さは０．２ｍｍ以上２．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．０ｍｍに設定されている。
【００２７】
そして、金属層１３には、図３に示すように、アルミニウムの母相中に第２相が分散されてなる硬化層３１と、アルミニウムの単一相からなる軟質層３２と、が設けられている。硬化層３１は、金属層１３の一方の面側に形成されており、その厚さｔｐが５μｍ以上１２００μｍ以下とされている。
硬化層３１においては、図４に示すように、アルミニウムの母相３５中に第２相３６が分散されている。本実施形態では、ろう材箔２５に含有されたＳｉが濃縮してなる第２相３６が分散されている。
【００２８】
以下に、前述した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。
図５に示すように、純度９９．９％以上のアルミニウム板２３の一方の面の上に、厚さ１０μｍ以上１００μｍ以下（本実施形態では５０μｍ）のＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２５を、アルミニウム板２３の一方の面の全面を覆うように配置する。ここで、本実施形態では、Ａｌ―７．５ｗｔ％Ｓｉ合金からなるろう材箔２５を用いている。
そして、このろう材箔２５が配置されたアルミニウム板２３の上に、２つのセラミックス基板１１が積層され、このセラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２となる金属板２２が、５μｍ以上５０μｍ以下（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔２４を介して積層され、積層体２０が形成される（積層工程）。
【００２９】
このようにして形成された積層体２０を、一対のカーボン板５１、５１によって積層方向に挟み込む。このとき、セラミックス基板１１及び金属板２２が積層されていないアルミニウム板２３の周縁部に、スペーサ５２を介装させる。
そして、カーボン板５１、５１を互いに近接する方向に押圧することにより、積層体２０をその積層方向に加圧（圧力０．５〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）する。
【００３０】
このように積層体２０を加圧した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔２４、２５を溶融する（溶融工程）。ここで真空炉内の真空度は、１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａとされている。また、加熱条件は、６３０〜６５０℃×０．１〜０．５時間とされている。
この溶融工程によって、ろう材箔２４、２５が溶融し、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との界面、セラミックス基板１１と金属板２２との界面に、それぞれ溶融アルミニウム層が形成されることになる。また、図６に示すように、アルミニウム板２３の一方の面全体に溶融アルミニウム層２８が形成される。
【００３１】
次に、積層体２０を冷却することによって溶融アルミニウム層を凝固させる（凝固工程）。このときの冷却速度は、０．５〜２℃／ｍｉｎとされている。
ここで、金属層１３の一方の面上に配設されたろう材箔２５が溶融・凝固することにより、金属層１３の一方の面近傍には、ろう材箔２５に含まれたＳｉの濃度が高い部分が生じることになり、このＳｉ濃度が高い部分において、Ｓｉ元素が濃縮した第２相３６が晶出し、硬化層３１が形成されることになる。なお、硬化層３１における第２相３６のサイズ、分布は、ろう材箔２５におけるＳｉの含有量、溶融工程における加熱温度、凝固工程における冷却速度によって調整されることになる。
【００３２】
このようにして、ひとつの金属層１３（面積４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下）の上に、複数（２つ）のセラミックス基板１１が配設され、このセラミックス基板１１のそれぞれに回路層１２が形成されたパワーモジュール用基板１０が製造される。
【００３３】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１においては、純度９９．９％以上のアルミニウム板２３からなる金属層１３に、アルミニウムの母相３５中に第２相３６が分散されてなる硬化層３１が形成されているので、金属層１３自体の剛性が向上することになり、セラミックス基板１１を分割しても、パワーモジュール用基板１０全体の剛性を確保することができる。また、金属層１３がアルミニウムの単一相からなる軟質層３２を備えているので、金属層１３によって熱応力を吸収することができ、セラミックス基板１１の反り、割れを確実に抑制することができる。
【００３４】
また、面積４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下とされた金属層１３の上に、複数のセラミックス基板１１が配設され、このセラミックス基板１１の上にそれぞれ回路層１２が形成されているので、セラミックス基板１１の面積が１００ｍｍ２以上２０００ｍｍ２以下と比較的小さくなり、セラミックス基板１１の反り及び割れの発生を抑えることができる。
【００３５】
さらに、金属層１３の面積が、４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下とされているので、金属層１３の上に複数のセラミックス基板１１及び回路層１２を形成することが可能となるとともに、硬化層３１によって金属層１３の剛性を確実に確保することができる。
さらに、セラミックス基板１１の面積が、１００ｍｍ２以上２０００ｍｍ２以下とされているので、セラミックス基板１１の上に回路層１２を確実に形成することができるとともに、セラミックス基板１１に負荷される熱応力を抑制でき、反りや割れを確実に抑制することができる。
【００３６】
また、金属層１３が純度９９．９％以上のアルミニウム板２３で構成されているので、金属層１３の変形抵抗が小さく、熱応力（ひずみ）を金属層１３で効率的に吸収することが可能となり、セラミックス基板１１の反りや割れを確実に抑えることができる。また、純度９９．９％以上のアルミニウム板２３は比較的剛性が低いが、硬化層３１によって金属層１３全体の剛性を確保することができる。
【００３７】
また、前述のパワーモジュール用基板１０の製造方法によれば、第２相３６を構成する元素（本実施形態ではＳｉ）を含むろう材箔２５を用いることにより、金属層１３に、硬化層３１と軟質層３２とを比較的容易に、かつ、確実に形成することができる。なお、硬化層３１における第２相３６の分散状態は、ろう材箔２５に含まれるＳｉ量、溶融工程の温度及び時間、凝固工程の凝固速度等によって調整することが可能である。
【００３８】
さらに、本実施形態では、金属層１３を構成するアルミニウム板２３の一方の面に配設されたろう材箔２５の厚さが５μｍ以上５０μｍ以下とされている。このろう材箔２５の厚さが５μｍ未満である場合には、硬化層３１を確実に形成することができなくなり、金属層１３の剛性向上を図ることができなくなるおそれがある。また、ろう材箔２５の厚さが５０μｍを超えると、セラミックス基板１１との接合信頼性を確保することができなくなる。このため、本実施形態のように、ろう材箔２５の厚さを５μｍ以上５０μｍ以下とすることが好ましい。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施形態について図７〜図９を参照して説明する。
この第２の実施形態であるパワーモジュール用基板１１０においては、図７に示すように、金属層１１３の他方の面側に、冷却器用部材である放熱フィン１６２が設けられており、金属層１１３が冷却器１６０の天板部１６１として利用されているのである。
また、図８に示すように、硬化層１３１においては、アルミニウムの母相１３５中に、第２相としてＭｇ２Ｓｉからなる析出物粒子１３６が分散されている。
【００４０】
以下に、このパワーモジュール用基板１１０の製造方法について説明する。
図９に示すように、純度９９．９％以上のアルミニウム板１２３の一方の面の上に、厚さ５μｍ以上５０μｍ以下（本実施形態では２５μｍ）のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のろう材箔１２５を、アルミニウム板１２３の一方の面の全面を覆うように配置する。
【００４１】
そして、このろう材箔１２５が配置されたアルミニウム板１２３の上に、２つのセラミックス基板１１１を積層し、このセラミックス基板１１１の一方の面に、回路層１１２となる金属板１２２を、５μｍ以上５０μｍ以下（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔１２４を介して積層する。
さらに、セラミックス基板１１１が積層されない部分に、ろう材箔１２５の上にさらにろう材箔１２６を重ねて配置する。このろう材箔１２５とろう材箔１２６との合計厚さは１００μｍ以下に設定されており、本実施形態では、５０μｍとされている。このようにして積層体１２０が形成される（積層工程）。
【００４２】
このようにして形成された積層体１２０を、一対のカーボン板５１、５１によって積層方向に挟み込む。このとき、セラミックス基板１１１及び金属板１２２が積層されていないアルミニウム板１２３の周縁部に、スペーサ５２を介装させる。
そして、カーボン板５１、５１を互いに近接する方向に押圧することにより、積層体１２０をその積層方向に加圧（圧力０．５〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）する。
【００４３】
このように積層体１２０を加圧した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔１２４、１２５を溶融する（溶融工程）。ここで真空炉内の真空度は、１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａとされている。また、加熱条件は、６３０〜６５０℃×０．１〜０．５時間とされる。
この溶融工程によって、ろう材箔１２４、１２５が溶融し、アルミニウム板１２３とセラミックス基板１１１との界面、セラミックス基板１１１と金属板１２２との界面に、それぞれ溶融アルミニウム層が形成されることになる。また、アルミニウム板１２３の一方の面においても溶融アルミニウム層が形成される。
【００４４】
次に、積層体１２０を冷却することによって溶融アルミニウム層を凝固させる（凝固工程）。このときの冷却速度は、０．５〜２℃／ｍｉｎとされている。
ここで、金属層１１３の一方の面上に配設されたろう材箔１２５が溶融・凝固することにより、金属層１１３の一方の面近傍には、ろう材箔１２５に含まれたＳｉ、Ｍｇの濃度が高い部分が生じることになる。
ここで、ＭｇとＳｉとが反応し、第２相として金属間化合物Ｍｇ２Ｓｉを形成することになる。このＭｇ２Ｓｉは、アルミニウムの母相１３５中に固溶することなく、析出物粒子１３６として分散され、硬化層１３１が形成されることになる。なお、硬化層１３１における析出物粒子１３６（第２相）のサイズ、分布は、ろう材箔１２５におけるＳｉ、Ｍｇの含有量、溶融工程における加熱温度、凝固工程における冷却速度によって調整されることになる。
【００４５】
そして、金属層１１３の他方の面に複数の放熱フィン１６２を接合し、金属層１１３を冷却器１６０の天板部１６１として利用する。
このようにして、ひとつの金属層１１３（面積４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下）の上に、複数（２つ）のセラミックス基板１１１が配設され、このセラミックス基板１１１のそれぞれに回路層１１２が形成されたパワーモジュール用基板１１０が製造される。
【００４６】
以上のような構成とされた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、金属層１１３の他方の面に、放熱フィン１６２が配設され、金属層１１３が冷却器１６０の天板部１６１として利用されているので、金属層１１３の一方の面に配設されたセラミックス基板１１１及び回路層１１２を効率的に冷却することが可能となる。よって、回路層１１２上に配設される電子部品から発生する熱を冷却器１６０によって効率的に冷却することができ、電子部品が高集積、高密度に配設されたパワーモジュールユニットに適用することができる。
【００４７】
また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１１が配設されていない部分に、ろう材箔１２６をさらに配置しているので、セラミックス基板１１１が配設されない部分に形成される硬化層１３１において、析出物粒子１３６（第２相）を数多く分散させて高強度化を図ることが可能となり、金属層１１３の剛性をさらに向上させることができる。また、ろう材箔１２５、１２６の合計厚さが１００μｍ以下とされているので、金属層１１３自体が変形してしまうことを防止することができる。
【００４８】
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、硬化層を構成する第２相を、Ｓｉ濃縮相又はＭｇ２Ｓｉからなる析出物粒子として説明したが、これに限定されることはない。
【００４９】
また、金属層の一方の面に配設するろう材箔をＡｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｍｇ系のものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系等の他のろう材であってもよい。
【００５０】
また、金属層の一方の面に、２つのセラミックス基板を配設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、金属層の大きさ、セラミックス基板の大きさ等を考慮して適宜設計変更してもよい。
さらに、セラミックス基板の厚さ、材質、回路層の厚さ、材質については、本実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。
【００５１】
また、第２の実施形態において、冷却器として天板部にフィンを立設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、冷却媒体の流路を有するものであってもよく、冷却器の構造に特に限定はない。
【符号の説明】
【００５２】
１ パワーモジュール
２ 半導体チップ（電子部品）
１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１ セラミックス基板
１２、１１２ 回路層
１３、１１３ 金属層
２３、１２３ アルミニウム板
２５、１２５ ろう材箔
１２６ ろう材箔
３１、１３１ 硬化層
３２ 軟質層
３５、１３５ 母相
３６ 第２相
１３６ 析出物粒子（第２相）
１６０ 冷却器
１６１ 天板部
１６２ 放熱フィン
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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、このパワーモジュール用基板の製造方法及びこのパワーモジュール基板を備えたパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。
【０００３】
また、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して冷却器が接合された冷却器付パワーモジュール用基板が提案されている。このような冷却器付パワーモジュール用基板においては、電子部品から発生した熱を効率的に放散することが可能となる。
ここで、セラミックス基板は、回路層と金属層との間の絶縁性を確保するとともに、パワーモジュール用基板全体の剛性を確保する役割を有している。
【０００４】
さらに、近年では、パワーモジュールユニットにおいて、電子部品の高集積化、高密度化が進められており、例えば特許文献２、３に記載されているように、ひとつのセラミックス基板に複数の回路層を形成したパワーモジュール用基板が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１４８４５１号公報
【特許文献２】特開平１０−６５０７５号公報
【特許文献３】特開２００７−１９４２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、複数の回路層を形成するために、比較的サイズの大きなセラミックス基板を用いた場合には、回路層や金属層の接合時や熱サイクル負荷時において、セラミックス基板に比較的大きな反りが発生し、割れが生じるおそれがあった。つまり、面積の大きなパワーモジュール用基板を構成する際には、その剛性を確保するために大きな面積のセラミックス基板を用いる必要があるが、大きなセラミックス基板を用いると割れや反りが発生してしまうことになるのである。
【０００７】
特に、例えば特許文献１の図４に示すように、パワーモジュール用基板を冷却器の天板部に直接接合した冷却器付パワーモジュール用基板では、パワーモジュール用基板の熱膨張係数はセラミックス基板に依存して比較的小さく、冷却器の天板部はアルミニウム等で構成されていて熱膨張係数が比較的大きいため、冷却器付パワーモジュールに熱サイクルが負荷された際に、熱膨張率の差によって熱応力が生じ、セラミックス基板に割れや反りが発生してしまう危険性がさらに高くなる。
【０００８】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、比較的面積の大きくても、セラミック基板の反り、割れの発生を抑制することが可能なパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法及び、このパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、アルミニウム又はアルミニウム合金の板材からなる金属層と、この金属層の一方の面に配設されたセラミックス基板と、このセラミックス基板の上に配設され、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層と、を備え、前記金属層は、前記セラミックス基板よりも面積が大きく設定されており、前記金属層には、前記一方の面側部分において、アルミニウムの母相中に第２相が分散されてなる硬化層と、アルミニウムの単一相からなる軟質層と、が設けられていることを特徴としている。
【００１０】
この構成のパワーモジュール用基板においては、金属層の一方の面側部分に、アルミニウムの母相中に第２相が分散した硬化層が設けられているので、金属層の剛性が向上することになり、パワーモジュール用基板自体の剛性を確保することが可能となる。よって、比較的面積の大きなパワーモジュール用基板を形成したとしても、セラミックス基板を分割して比較的面積を小さくすることが可能となり、セラミックス基板の反りや割れを抑制することができる。
また、アルミニウムの単一相からなる軟質層を有しているので、熱サイクル負荷時や接合時において発生する熱応力をこの軟質層によって吸収することができる。
【００１１】
ここで、前記セラミックス基板が、前記金属層の一方の面に複数配設され、これら複数のセラミックス基板に回路層がそれぞれ形成されている構成とすることが好ましい。
この場合、金属層の上に、複数のセラミックス基板が配設され、このセラミックス基板の上に回路層が形成されていることから、セラミックス基板自体が分割されて比較的面積が小さくすることができ、セラミックス基板の反りや割れを抑えることが可能となる。よって、複数の回路層が形成された大型のパワーモジュール用基板を構成することが可能となる。
【００１２】
また、前記金属層が純度９９．９％以上のアルミニウム（いわゆる３Ｎアルミ）の板材からなることが好ましい。
この場合、金属層が純度９９．９％以上のアルミニウムで構成されていることから、金属層の変形抵抗が小さく、アルミニウムとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力（ひずみ）を金属層で効率的に吸収することが可能となり、セラミックス基板の反りや割れを確実に抑えることができる。
なお、純度９９．９％以上のアルミニウムによって金属層を構成した場合には剛性が低くなるが、金属層の一方の面側に硬化層を形成することによって、金属層全体の剛性を確保することができる。
【００１３】
また、前記金属層の面積が、４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下とされていることが好ましい。
この場合、前記金属層の面積が、４０００ｍｍ２以上とされているので、例えば複数のセラミックス基板を金属層上に配設することが可能となる。また、前記金属層の面積が、１００００ｍｍ２以下とされているので、硬化層によって金属層の剛性を確保することができる。
【００１４】
さらに、前記セラミックス基板の面積が、１００ｍｍ２以上２０００ｍｍ２以下とされていることが好ましい。
この場合、前記セラミックス基板の面積が、１００ｍｍ２以上とされているので、セラミックス基板の上に回路層を形成することができる。また、前記セラミックス基板の面積が、２０００ｍｍ２以下とされているので、セラミックス基板の反りや割れを確実に抑制することができる。
【００１５】
さらに、前記金属層が、冷却器の天板部とされることが好ましい。
この場合、金属層が冷却器の天板部としても役割を有することから、金属層の一方の面に配設されたセラミックス基板及び回路層を効率的に冷却することが可能となる。よって、回路層上に配設される電子部品から発生する熱を冷却器によって効率的に冷却することができ、電子部品が高集積、高密度に配設されたパワーモジュールユニットに適用することができる。
【００１６】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層となるアルミニウム板の一方の面の全面に、前記第２相を構成する元素を含有したアルミ合金からなるろう材を配設し、このろう材の上に前記セラミックス基板を積層し、このセラミックス基板上に回路層となる金属板を積層して、積層体を形成する積層工程と、前記積層体を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板の一方の面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、前記溶融工程及び前記凝固工程により、前記金属層の一方の面側部分に、アルミニウムの母相中に第２相が分散されてなる硬化層を形成することを特徴としている。
【００１７】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属層となるアルミニウム板の一方の面の全面に、前記第２相を構成する元素を含有したアルミ合金からなるろう材を配設し、このろう材を溶融・凝固させていることから、金属層の一方の面側に、第２相を構成する元素の濃度が高い部分を生じさせて、アルミニウムの母相中に第２相が分散されてなる硬化層を形成することが可能となる。なお、硬化層における第２相の分散状態は、ろう材に含まれる前記第２相を構成する元素量、溶融工程の温度及び時間、前記凝固工程の凝固速度等によって調整されることになる。
【００１８】
本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、高集積、高密度のパワーモジュールユニットを構成することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、比較的面積の大きくても、セラミック基板の反り、割れの発生を抑制することが可能なパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法及び、このパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールの上面図である。
【図２】図１におけるＸ−Ｘ断面図である。
【図３】図１に示すパワーモジュール用基板の金属層の拡大説明図である。
【図４】図３に示す金属層に形成された硬化層の説明写真である。
【図５】本発明の第１の実施形態である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６】図５に示すパワーモジュール用基板の製造方法において、アルミニウム板（金属層）の一方の面近傍の拡大説明図である。。
【図７】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の概略説明図である。
【図８】図７に示すパワーモジュール用基板の金属層に形成された硬化層の説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態である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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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、図２に本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ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。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００２２】
パワーモジュール用基板１０は、金属層１３と、この金属層１３の一方の面（図２において上面）に複数配設されたセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の上にそれぞれ配設された回路層１２と、を備えている。本実施形態においては、ひとつの金属層１３の上に、２つのセラミックス基板１１及び回路層１２が配設されている。
【００２３】
ここで、金属層１３の面積（一方の面の面積）は、４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下とされており、本実施形態では、１４０ｍｍ×６０ｍｍの矩形平板状をなしている。
また、セラミックス基板１１の面積（一方の面の面積）は、１００ｍｍ２以上２０００ｍｍ２以下とされている。
【００２４】
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、本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下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。
【００２５】
回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２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１２は、純度が９９．９％以上のアルミニウムの圧延板からなる金属板２２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。ここで、セラミックス基板１１と金属板２２の接合には、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２４を用いている。ここで、回路層１２の厚さは０．２ｍｍ以上２．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．０ｍｍに設定されている。
【００２６】
金属層１３は、図５に示すように、純度９９．９％以上のアルミニウム板２３からなり、この金属層１３の一方の面にセラミックス基板１１が接合されている。ここで、金属層１３をなすアルミニウム板２３とセラミックス基板１１との接合には、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２５を用いている。ここで、金属層１３の厚さは０．２ｍｍ以上２．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．０ｍｍに設定されている。
【００２７】
そして、金属層１３には、図３に示すように、アルミニウムの母相中に第２相が分散されてなる硬化層３１と、アルミニウムの単一相からなる軟質層３２と、が設けられている。硬化層３１は、金属層１３の一方の面側に形成されており、その厚さｔｐが５μｍ以上１２００μｍ以下とされている。
硬化層３１においては、図４に示すように、アルミニウムの母相３５中に第２相３６が分散されている。本実施形態では、ろう材箔２５に含有されたＳｉが濃縮してなる第２相３６が分散されている。
【００２８】
以下に、前述した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。
図５に示すように、純度９９．９％以上のアルミニウム板２３の一方の面の上に、厚さ１０μｍ以上１００μｍ以下（本実施形態では５０μｍ）のＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２５を、アルミニウム板２３の一方の面の全面を覆うように配置する。ここで、本実施形態では、Ａｌ―７．５ｗｔ％Ｓｉ合金からなるろう材箔２５を用いている。
そして、このろう材箔２５が配置されたアルミニウム板２３の上に、２つのセラミックス基板１１が積層され、このセラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２となる金属板２２が、５μｍ以上５０μｍ以下（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔２４を介して積層され、積層体２０が形成される（積層工程）。
【００２９】
このようにして形成された積層体２０を、一対のカーボン板５１、５１によって積層方向に挟み込む。このとき、セラミックス基板１１及び金属板２２が積層されていないアルミニウム板２３の周縁部に、スペーサ５２を介装させる。
そして、カーボン板５１、５１を互いに近接する方向に押圧することにより、積層体２０をその積層方向に加圧（圧力０．５〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）する。
【００３０】
このように積層体２０を加圧した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔２４、２５を溶融する（溶融工程）。ここで真空炉内の真空度は、１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａとされている。また、加熱条件は、６３０〜６５０℃×０．１〜０．５時間とされている。
この溶融工程によって、ろう材箔２４、２５が溶融し、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との界面、セラミックス基板１１と金属板２２との界面に、それぞれ溶融アルミニウム層が形成されることになる。また、図６に示すように、アルミニウム板２３の一方の面全体に溶融アルミニウム層２８が形成される。
【００３１】
次に、積層体２０を冷却することによって溶融アルミニウム層を凝固させる（凝固工程）。このときの冷却速度は、０．５〜２℃／ｍｉｎとされている。
ここで、金属層１３の一方の面上に配設されたろう材箔２５が溶融・凝固することにより、金属層１３の一方の面近傍には、ろう材箔２５に含まれたＳｉの濃度が高い部分が生じることになり、このＳｉ濃度が高い部分において、Ｓｉ元素が濃縮した第２相３６が晶出し、硬化層３１が形成されることになる。なお、硬化層３１における第２相３６のサイズ、分布は、ろう材箔２５におけるＳｉの含有量、溶融工程における加熱温度、凝固工程における冷却速度によって調整されることになる。
【００３２】
このようにして、ひとつの金属層１３（面積４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下）の上に、複数（２つ）のセラミックス基板１１が配設され、このセラミックス基板１１のそれぞれに回路層１２が形成されたパワーモジュール用基板１０が製造される。
【００３３】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１においては、純度９９．９％以上のアルミニウム板２３からなる金属層１３に、アルミニウムの母相３５中に第２相３６が分散されてなる硬化層３１が形成されているので、金属層１３自体の剛性が向上することになり、セラミックス基板１１を分割しても、パワーモジュール用基板１０全体の剛性を確保することができる。また、金属層１３がアルミニウムの単一相からなる軟質層３２を備えているので、金属層１３によって熱応力を吸収することができ、セラミックス基板１１の反り、割れを確実に抑制することができる。
【００３４】
また、面積４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下とされた金属層１３の上に、複数のセラミックス基板１１が配設され、このセラミックス基板１１の上にそれぞれ回路層１２が形成されているので、セラミックス基板１１の面積が１００ｍｍ２以上２０００ｍｍ２以下と比較的小さくなり、セラミックス基板１１の反り及び割れの発生を抑えることができる。
【００３５】
さらに、金属層１３の面積が、４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下とされているので、金属層１３の上に複数のセラミックス基板１１及び回路層１２を形成することが可能となるとともに、硬化層３１によって金属層１３の剛性を確実に確保することができる。
さらに、セラミックス基板１１の面積が、１００ｍｍ２以上２０００ｍｍ２以下とされているので、セラミックス基板１１の上に回路層１２を確実に形成することができるとともに、セラミックス基板１１に負荷される熱応力を抑制でき、反りや割れを確実に抑制することができる。
【００３６】
また、金属層１３が純度９９．９％以上のアルミニウム板２３で構成されているので、金属層１３の変形抵抗が小さく、熱応力（ひずみ）を金属層１３で効率的に吸収することが可能となり、セラミックス基板１１の反りや割れを確実に抑えることができる。また、純度９９．９％以上のアルミニウム板２３は比較的剛性が低いが、硬化層３１によって金属層１３全体の剛性を確保することができる。
【００３７】
また、前述のパワーモジュール用基板１０の製造方法によれば、第２相３６を構成する元素（本実施形態ではＳｉ）を含むろう材箔２５を用いることにより、金属層１３に、硬化層３１と軟質層３２とを比較的容易に、かつ、確実に形成することができる。なお、硬化層３１における第２相３６の分散状態は、ろう材箔２５に含まれるＳｉ量、溶融工程の温度及び時間、凝固工程の凝固速度等によって調整することが可能である。
【００３８】
さらに、本実施形態では、金属層１３を構成するアルミニウム板２３の一方の面に配設されたろう材箔２５の厚さが５μｍ以上５０μｍ以下とされている。このろう材箔２５の厚さが５μｍ未満である場合には、硬化層３１を確実に形成することができなくなり、金属層１３の剛性向上を図ることができなくなるおそれがある。また、ろう材箔２５の厚さが５０μｍを超えると、セラミックス基板１１との接合信頼性を確保することができなくなる。このため、本実施形態のように、ろう材箔２５の厚さを５μｍ以上５０μｍ以下とすることが好ましい。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施形態について図７〜図９を参照して説明する。
この第２の実施形態であるパワーモジュール用基板１１０においては、図７に示すように、金属層１１３の他方の面側に、冷却器用部材である放熱フィン１６２が設けられており、金属層１１３が冷却器１６０の天板部１６１として利用されているのである。
また、図８に示すように、硬化層１３１においては、アルミニウムの母相１３５中に、第２相としてＭｇ２Ｓｉからなる析出物粒子１３６が分散されている。
【００４０】
以下に、このパワーモジュール用基板１１０の製造方法について説明する。
図９に示すように、純度９９．９％以上のアルミニウム板１２３の一方の面の上に、厚さ５μｍ以上５０μｍ以下（本実施形態では２５μｍ）のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のろう材箔１２５を、アルミニウム板１２３の一方の面の全面を覆うように配置する。
【００４１】
そして、このろう材箔１２５が配置されたアルミニウム板１２３の上に、２つのセラミックス基板１１１を積層し、このセラミックス基板１１１の一方の面に、回路層１１２となる金属板１２２を、５μｍ以上５０μｍ以下（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔１２４を介して積層する。
さらに、セラミックス基板１１１が積層されない部分に、ろう材箔１２５の上にさらにろう材箔１２６を重ねて配置する。このろう材箔１２５とろう材箔１２６との合計厚さは１００μｍ以下に設定されており、本実施形態では、５０μｍとされている。このようにして積層体１２０が形成される（積層工程）。
【００４２】
このようにして形成された積層体１２０を、一対のカーボン板５１、５１によって積層方向に挟み込む。このとき、セラミックス基板１１１及び金属板１２２が積層されていないアルミニウム板１２３の周縁部に、スペーサ５２を介装させる。
そして、カーボン板５１、５１を互いに近接する方向に押圧することにより、積層体１２０をその積層方向に加圧（圧力０．５〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）する。
【００４３】
このように積層体１２０を加圧した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔１２４、１２５を溶融する（溶融工程）。ここで真空炉内の真空度は、１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａとされている。また、加熱条件は、６３０〜６５０℃×０．１〜０．５時間とされる。
この溶融工程によって、ろう材箔１２４、１２５が溶融し、アルミニウム板１２３とセラミックス基板１１１との界面、セラミックス基板１１１と金属板１２２との界面に、それぞれ溶融アルミニウム層が形成されることになる。また、アルミニウム板１２３の一方の面においても溶融アルミニウム層が形成される。
【００４４】
次に、積層体１２０を冷却することによって溶融アルミニウム層を凝固させる（凝固工程）。このときの冷却速度は、０．５〜２℃／ｍｉｎとされている。
ここで、金属層１１３の一方の面上に配設されたろう材箔１２５が溶融・凝固することにより、金属層１１３の一方の面近傍には、ろう材箔１２５に含まれたＳｉ、Ｍｇの濃度が高い部分が生じることになる。
ここで、ＭｇとＳｉとが反応し、第２相として金属間化合物Ｍｇ２Ｓｉを形成することになる。このＭｇ２Ｓｉは、アルミニウムの母相１３５中に固溶することなく、析出物粒子１３６として分散され、硬化層１３１が形成されることになる。なお、硬化層１３１における析出物粒子１３６（第２相）のサイズ、分布は、ろう材箔１２５におけるＳｉ、Ｍｇの含有量、溶融工程における加熱温度、凝固工程における冷却速度によって調整されることになる。
【００４５】
そして、金属層１１３の他方の面に複数の放熱フィン１６２を接合し、金属層１１３を冷却器１６０の天板部１６１として利用する。
このようにして、ひとつの金属層１１３（面積４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下）の上に、複数（２つ）のセラミックス基板１１１が配設され、このセラミックス基板１１１のそれぞれに回路層１１２が形成されたパワーモジュール用基板１１０が製造される。
【００４６】
以上のような構成とされた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、金属層１１３の他方の面に、放熱フィン１６２が配設され、金属層１１３が冷却器１６０の天板部１６１として利用されているので、金属層１１３の一方の面に配設されたセラミックス基板１１１及び回路層１１２を効率的に冷却することが可能となる。よって、回路層１１２上に配設される電子部品から発生する熱を冷却器１６０によって効率的に冷却することができ、電子部品が高集積、高密度に配設されたパワーモジュールユニットに適用することができる。
【００４７】
また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１１が配設されていない部分に、ろう材箔１２６をさらに配置しているので、セラミックス基板１１１が配設されない部分に形成される硬化層１３１において、析出物粒子１３６（第２相）を数多く分散させて高強度化を図ることが可能となり、金属層１１３の剛性をさらに向上させることができる。また、ろう材箔１２５、１２６の合計厚さが１００μｍ以下とされているので、金属層１１３自体が変形してしまうことを防止することができる。
【００４８】
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、硬化層を構成する第２相を、Ｓｉ濃縮相又はＭｇ２Ｓｉからなる析出物粒子として説明したが、これに限定されることはない。
【００４９】
また、金属層の一方の面に配設するろう材箔をＡｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｍｇ系のものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系等の他のろう材であってもよい。
【００５０】
また、金属層の一方の面に、２つのセラミックス基板を配設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、金属層の大きさ、セラミックス基板の大きさ等を考慮して適宜設計変更してもよい。
さらに、セラミックス基板の厚さ、材質、回路層の厚さ、材質については、本実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。
【００５１】
また、第２の実施形態において、冷却器として天板部にフィンを立設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、冷却媒体の流路を有するものであってもよく、冷却器の構造に特に限定はない。
【符号の説明】
【００５２】
１ パワーモジュール
２ 半導体チップ（電子部品）
１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１ セラミックス基板
１２、１１２ 回路層
１３、１１３ 金属層
２３、１２３ アルミニウム板
２５、１２５ ろう材箔
１２６ ろう材箔
３１、１３１ 硬化層
３２ 軟質層
３５、１３５ 母相
３６ 第２相
１３６ 析出物粒子（第２相）
１６０ 冷却器
１６１ 天板部
１６２ 放熱フィン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム又はアルミニウム合金の板材からなる金属層と、この金属層の一方の面に配設されたセラミックス基板と、このセラミックス基板の上に配設され、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層と、を備え、
前記金属層は、前記セラミックス基板よりも面積が大きく設定されており、
前記金属層には、前記一方の面側部分において、アルミニウムの母相中に第２相が分散されてなる硬化層と、アルミニウムの単一相からなる軟質層と、が設けら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】
前記セラミックス基板が、前記金属層の一方の面に複数配設され、これら複数のセラミックス基板に回路層がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記金属層は、前記セラミックス基板に純度９９．９％以上のアルミニウムの板材を接合することで構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記金属層の面積が、４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記セラミックス基板の面積が、１００ｍｍ２以上２０００ｍｍ２以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項６】
前記金属層が、冷却器の天板部とされることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記金属層となるアルミニウム板の一方の面の全面に、前記第２相を構成する元素を含有したアルミ合金からなるろう材を配設し、このろう材の上に前記セラミックス基板を積層し、このセラミックス基板上に回路層となる金属板を積層して、積層体を形成する積層工程と、
前記積層体を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板の一方の面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、
冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、
前記溶融工程及び前記凝固工程により、前記金属層の一方の面側部分に前記第２相が分散した硬化層を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項８】
請求項１から請求項６のいずれか一項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る電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項１】
アルミニウム又はアルミニウム合金の板材からなる金属層と、この金属層の一方の面に配設されたセラミックス基板と、このセラミックス基板の上に配設され、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層と、を備え、
前記金属層は、前記セラミックス基板よりも面積が大きく設定されており、
前記金属層には、前記一方の面側部分において、アルミニウムの母相中に第２相が分散されてなる硬化層と、アルミニウムの単一相からなる軟質層と、が設けら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】
前記セラミックス基板が、前記金属層の一方の面に複数配設され、これら複数のセラミックス基板に回路層がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記金属層は、前記セラミックス基板に純度９９．９％以上のアルミニウムの板材を接合することで構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記金属層の面積が、４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記セラミックス基板の面積が、１００ｍｍ２以上２０００ｍｍ２以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項６】
前記金属層が、冷却器の天板部とされることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記金属層となるアルミニウム板の一方の面の全面に、前記第２相を構成する元素を含有したアルミ合金からなるろう材を配設し、このろう材の上に前記セラミックス基板を積層し、このセラミックス基板上に回路層となる金属板を積層して、積層体を形成する積層工程と、
前記積層体を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板の一方の面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、
冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、
前記溶融工程及び前記凝固工程により、前記金属層の一方の面側部分に前記第２相が分散した硬化層を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項８】
請求項１から請求項６のいずれか一項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る電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２３８９６４（Ｐ２０１０−２３８９６４Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８６０６９（Ｐ２００９−８６０６９）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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