絶縁回路基板、ならびにパワーモジュール用ベースおよびその製造方法
【課題】熱サイクル寿命の低下を抑制しうる絶縁回路基板、ならびにパワーモジュール用ベースおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】絶縁回路基板４は、セラミック製絶縁板５と、絶縁板５の一面にＳｉを含むろう材によりろう付された純アルミニウム製回路板６とを備えている。絶縁板５と回路板６との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層12が存在している。残存ろう材層12の厚さは３μｍ以下であり、残存ろう材層12に含まれるＳｉ粒子の面積率は２０％以下である。
【解決手段】絶縁回路基板４は、セラミック製絶縁板５と、絶縁板５の一面にＳｉを含むろう材によりろう付された純アルミニウム製回路板６とを備えている。絶縁板５と回路板６との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層12が存在している。残存ろう材層12の厚さは３μｍ以下であり、残存ろう材層12に含まれるＳｉ粒子の面積率は２０％以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁回路基板、ならびにパワーモジュール用ベースおよびその製造方法に関し、さらに詳しくは、たとえば絶縁回路基板、ならびに当該絶縁回路基板を備えているとともに、絶縁回路基板に搭載されるパワーデバイスなどの電子素子を冷却するのに用いられるパワーモジュール用ベースおよびその製造方法に関する。
【０００２】
この明細書および特許請求の範囲において、「アルミニウム」という用語には、「純アルミニウム」と表現する場合を除いて、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。また、この明細書および特許請求の範囲において、「純アルミニウム」という用語は、純度９９．００質量％以上の純アルミニウムを意味するものとする。
【背景技術】
【０００３】
たとえばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子（電子素子）からなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールにおいては、半導体素子から発せられる熱を効率良く放熱して、半導体素子の温度を所定温度以下に保つ必要がある。そこで、従来、パワーデバイスを実装するパワーモジュール用ベースとして、アルミニウム製冷却器および冷却器にろう付された絶縁回路基板からなり、絶縁回路基板が、セラミック製絶縁板と、絶縁板の一面にろう付された純アルミニウム製回路板と、絶縁板の他面にろう付された純アルミニウム製伝熱板とよりなり、伝熱板における絶縁板にろう付された面と反対側の面が冷却器にろう付され、回路板における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が電子素子搭載部を有する配線面となされているパワーモジュール用ベースが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１記載のパワーモジュール用ベースは、絶縁回路基板の回路板の配線面における電子素子搭載部にパワーデバイスが実装されてパワーモジュールとして用いられる。そして、パワーデバイスから発せられた熱は、回路板、絶縁板および伝熱板を経て冷却器に伝えられ、放熱されるようになっている。
【０００５】
ところで、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースは、絶縁板、回路板、伝熱板および冷却器を、隣り合うものどうしの間にＡｌ−Ｓｉ合金系のろう材を配置した状態で積層し、絶縁板、回路板、伝熱板および冷却器を、加圧しつつ加熱して絶縁板と回路板、絶縁板と伝熱板および伝熱板と冷却器とを一括してろう付することにより製造されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースの製造方法では、回路板および伝熱板と絶縁板との間に、それぞれＳｉ濃度が高くかつ回路板および伝熱板よりも硬いＳｉ粒子を含む比較的厚肉の残存ろう材層が形成されることになる。したがって、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースにパワーデバイスを実装してパワーモジュールとして用いた場合、絶縁板と回路板および伝熱板との線膨張係数の差に起因して生じる大きな応力によって、絶縁板の割れや、絶縁板と回路板および伝熱板との間の広範囲にわたる剥離が比較的短時間で発生し、熱サイクル寿命が低下するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１９２７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明の目的は、上記問題を解決し、熱サイクル寿命の低下を抑制しうる絶縁回路基板、ならびにパワーモジュール用ベースおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
【００１０】
1)セラミック製絶縁板と、絶縁板の一面にＳｉを含むろう材によりろう付された純アルミニウム製回路板とを備えた絶縁回路基板であって、
絶縁板と回路板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下である絶縁回路基板。
【００１１】
2)回路板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴が形成されている上記1)記載の絶縁回路基板。
【００１２】
3)絶縁板における回路板がろう付された面とは反対側の面に、Ｓｉを含むろう材により純アルミニウム製伝熱板がろう付され、絶縁板と伝熱板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、当該残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、当該残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下である上記1)または2)記載の絶縁回路基板。
【００１３】
4)伝熱板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴が形成されている上記3)記載の絶縁回路基板。
【００１４】
5)上記1)または2)記載の絶縁回路基板の絶縁板における回路板がろう付された面とは反対側の面が、Ｓｉを含むろう材によって純アルミニウム製応力緩和部材にろう付され、応力緩和部材における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が冷却器にろう付され、応力緩和部材と絶縁板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、当該残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、当該残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下であるパワーモジュール用ベース。
【００１５】
6)上記1)または2)記載の絶縁回路基板の絶縁板における回路板がろう付された面とは反対側の面が、Ｓｉを含むろう材によって純アルミニウム製冷却器にろう付され、冷却器と絶縁板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、当該残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、当該残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下であるパワーモジュール用ベース。
【００１６】
7)上記3)または4)記載の絶縁回路基板の伝熱板における絶縁板にろう付された面とは反対側の面がアルミニウム製応力緩和部材にろう付され、応力緩和部材における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が冷却器にろう付されているパワーモジュール用ベース。
【００１７】
8)上記5)〜7)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板の回路板における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が、電子素子搭載部を有する配線面となされており、当該電子素子搭載部にパワーデバイスがはんだ付されているパワーモジュール。
【００１８】
9)上記5)記載のパワーモジュール用ベースを製造する方法であって、
セラミックス製絶縁板、純アルミニウム製回路板、純アルミニウム製応力緩和部材および冷却器を用意し、絶縁板、回路板、応力緩和部材および冷却器を加圧しつつ加熱してろう付すること含み、絶縁板と回路板、および絶縁板と応力緩和部材とのろう付に、それぞれＳｉ７〜１３質量％およびＳｒ０．００３〜０．１質量％を含むＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材を使用することを特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００１９】
10)絶縁板、回路板、応力緩和部材および冷却器に対する加圧力を、０．４〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とする上記9)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２０】
11)上記6)記載のパワーモジュール用ベースを製造する方法であって、
セラミックス製絶縁板、純アルミニウム製回路板および純アルミニウム製冷却器を用意し、絶縁板、回路板および冷却器を加圧しつつ加熱してろう付すること含み、絶縁板と回路板、および絶縁板と冷却器とのろう付に、それぞれＳｉ７〜１３質量％およびＳｒ０．００３〜０．１質量％を含むＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材を使用することを特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２１】
12)絶縁板、回路板および冷却器に対する加圧力を、０．４〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とする上記11)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２２】
13)回路板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴を複数形成しておく上記9)〜12)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２３】
14)回路板の全ろう材溜穴の内容積の合計をＸ、用いるろう材の体積をＹとした場合、０．１≦Ｘ／Ｙという関係を満たす上記13)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２４】
15)上記7)記載のパワーモジュール用ベースを製造する方法であって、
セラミックス製絶縁板、純アルミニウム製回路板、純アルミニウム製伝熱板、応力緩和部材および冷却器を用意し、絶縁板、回路板、伝熱板、応力緩和部材および冷却器を加圧しつつ加熱してろう付すること含み、絶縁板と回路板、および絶縁板と伝熱板とのろう付に、それぞれＳｉ７〜１３質量％およびＳｒ０．００３〜０．１質量％を含むＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材を使用することを特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２５】
16)絶縁板、回路板、伝熱板、応力緩和部材および冷却器に対する加圧力を、０．４〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とする上記15)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２６】
17)回路板および伝熱板に、それぞれ絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴を複数形成しておく上記15)または16)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２７】
18)回路板の全ろう材溜穴の内容積の合計をＸ、用いるろう材の体積をＹとした場合、０．１≦Ｘ／Ｙという関係を満たす上記17)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２８】
19)Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材が、さらにＢｉ０．０３〜０．２質量％を含む上記9)〜18)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
20)ろう付温度まで加熱してろう材を溶融させた後冷却する際に、５８０℃から５６０℃までの冷却を、冷却速度５℃／ｍｉｎ以下で行う上記9)〜19)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【発明の効果】
【００２９】
上記1)〜4)の絶縁回路基板によれば、絶縁板と回路板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下であるから、絶縁板と回路板との線膨張係数の差に起因して生じる応力を低減することできる。したがって、上記応力が大きくなることによる絶縁板の割れや、回路板と絶縁板との間の広範囲の剥離が長時間にわたって抑制され、熱サイクル寿命の低下を抑制することができる。
【００３０】
上記2)の絶縁回路基板によれば、回路板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴が形成されているので、Ｓｉ濃度の高いろう材がろう材溜穴内に溜まることになり、残存ろう材層の厚さを３μｍ以下にするとともに、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率を２０％以下とすることを、効果的に行うことができる。
【００３１】
上記3)の絶縁回路基板によれば、絶縁板と伝熱板との線膨張係数の差に起因して生じる応力を低減することできる。したがって、上記応力が大きくなることによる絶縁板の割れや、伝熱板と絶縁板との間の広範囲の剥離が長時間にわたって抑制され、熱サイクル寿命の低下を抑制することができる。
【００３２】
上記4)の絶縁回路基板によれば、伝熱板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴が形成されているので、Ｓｉ濃度の高いろう材がろう材溜穴内に溜まることになり、残存ろう材層の厚さを３μｍ以下にするとともに、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率を２０％以下とすることを、効果的に行うことができる。
【００３３】
上記5)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁板と回路板との線膨張係数の差に起因して生じる応力による絶縁板の割れや、回路板と絶縁板との間の広範囲にわたる剥離が長時間にわたって抑制されるとともに、絶縁板と応力緩和部材との線膨張係数の差に起因して生じる応力による絶縁板の割れや、応力緩和部材と絶縁板との間の広範囲にわたる剥離が長時間にわたって抑制され、熱サイクル寿命の低下を抑制することができる。
【００３４】
上記6)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁板と回路板との線膨張係数の差に起因して生じる応力による絶縁板の割れや、回路板と絶縁板との間の広範囲にわたる剥離が長時間にわたって抑制されるとともに、絶縁板と冷却器との線膨張係数の差に起因して生じる応力による絶縁板の割れや、冷却器と絶縁板との間の広範囲にわたる剥離が長時間にわたって抑制され、熱サイクル寿命の低下を抑制することができる。
【００３５】
上記9)〜20)のパワーモジュール用ベースの製造方法によれば、絶縁板と純アルミニウム部品とのろう付に用いるろう材中のＳｒの働きによって当該ろう材中に含まれるＳｉを微細化することができるので、絶縁板と純アルミニウム部品のろう付に用いるろう材の各部の融点が均一になって、ろう材の各部での溶融開始温度と溶融完了温度とが均一になるとともに、溶融ろう材が流動しやすくなる。したがって、Ｓｉ濃度の高い溶融ろう材が、絶縁板と純アルミニウム部品との間から効果的に排出され、その結果製造されたパワーモジュール用ベースにおいて、絶縁板と純アルミニウム部品との間に残存するＳｉ粒子を含む残存ろう材層の厚さを３μｍ以下にすることができるとともに、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率を２０％以下にすることができる。
【００３６】
上記10)、12)および16)のパワーモジュール用ベースの製造方法によれば、Ｓｉ濃度の高い溶融ろう材を、絶縁板と純アルミニウム部品との間から効果的に排出することができる。
【００３７】
上記13)、14)、17)および18)のパワーモジュール用ベースの製造方法によれば、Ｓｉ濃度の高いろう材がろう材溜穴内に溜まることになり、製造されたパワーモジュール用ベースにおいて、絶縁板と純アルミニウム部品との間に残存する残存ろう材層の厚さを３μｍ以下にすること、ならびに残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率を２０％以下にすることを、効果的に行うことができる。
【００３８】
上記19)のパワーモジュール用ベースの製造方法によれば、Ｂｉの働きによって絶縁板と純アルミニウム部品とをろう付する際の溶融ろう材の流動性を向上させることができるので、Ｓｉ濃度の高い溶融ろう材が、絶縁板と純アルミニウム部品との間から効果的に排出される。
【００３９】
上記20)のパワーモジュール用ベースの製造方法によれば、共晶ろう材が、絶縁板と純アルミニウム部品との間から効果的に排出されるので、パワーモジュール用ベースの絶縁板と純アルミニウム部品との線膨張係数の差に起因して生じる応力を効果的に低減することできる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の実施形態１のパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されることにより構成されたパワーモジュールを示す垂直断面図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】図１のパワーモジュールのパワーモジュール用ベースに用いられる絶縁回路基板の変形例を示す図２相当の図である。
【図４】図３の絶縁回路基板を備えたパワーモジュール用ベースを製造する方法を示す要部拡大断面図である。
【図５】この発明の実施形態２のパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されることにより構成されたパワーモジュールを示す垂直断面図である。
【図６】この発明の実施形態３のパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されることにより構成されたパワーモジュールを示す垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、図１の上下、左右を上下、左右というものとする。
【００４２】
図１はこの発明による実施形態１のパワーモジュール用ベースにおける回路板の電子素子搭載部にパワーデバイスが実装されたパワーモジュールを示す。
【００４３】
図１において、パワーモジュール(1)は、パワーモジュール用ベース(2)と、パワーモジュール用ベース(2)に実装されたパワーデバイス(3)（電子素子）とよりなる。
【００４４】
パワーモジュール用ベース(2)は、方形のセラミックス製絶縁板(5)、および絶縁板(5)の上面にろう付された方形の純アルミニウム製回路板(6)からなる絶縁回路基板(4)と、絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)の下面がろう付された板状の純アルミニウム製応力緩和部材(7)と、応力緩和部材(7)の下面がろう付されたアルミニウム製冷却器(8)（ヒートシンク）とからなる。なお、図１においては１つの絶縁回路基板(4)だけが図示されているが、パワーモジュール用ベース(2)は、複数の絶縁回路基板(4)を備えているのが一般的である。
【００４５】
絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)は、必要とされる絶縁特性、熱伝導率および機械的強度を満たしていれば、どのようなセラミックから形成されていてもよいが、たとえばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４などにより形成される。
【００４６】
回路板(6)は、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかも半導体素子とのはんだ付け性に優れた純度の高い純アルミニウム、たとえば純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。そして、回路板(6)の上面、すなわち回路板(6)における絶縁板(5)にろう付された面とは反対側の面が、電子素子搭載部を有する配線面となされている。
【００４７】
応力緩和部材(7)は、熱伝導率が高く、しかも変形能が高い純アルミニウム、たとえば純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。応力緩和部材(7)には複数の円形貫通穴(9)が形成されており、貫通穴(9)の働きにより応力緩和部材(7)が変形して絶縁板(5)と冷却器(8)との線熱膨張係数の差により生じる熱応力が緩和される。したがって、絶縁板(5)に割れが生じたり、絶縁板(5)と応力緩和部材(7)とのろう付部にクラックが生じたりすることが防止される。
【００４８】
冷却器(8)は、複数の冷却流体通路(11)が並列状に設けられた扁平中空状であり、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成されていることが好ましい。冷却流体としては、液体および気体のいずれを用いてもよい。なお、冷却器(8)としては、ケース内にインナーフィンが配置されたものが用いられてもよい。
【００４９】
絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)と回路板(6)、および絶縁板(5)と応力緩和部材(7)とは、それぞれＳｉを含むろう材によりろう付されている。そして、図２に示すように、絶縁板(5)と回路板(6)との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層(12)が存在している。残存ろう材層(12)の厚さＴは３μｍ以下（但し、０μｍは含まない。）であり、残存ろう材層(12)に含まれるＳｉ粒子（図示略）の残存ろう材層(12)中での面積率は２０％以下（但し、０％を含む。）である。残存ろう材層(12)は、主としてＡｌおよびＳｉ粒子からなるが、残存ろう材層(12)を構成するＡｌおよびＳｉ粒子は、主としてろう付に用いられたろう材中に含まれていたＡｌおよびＳｉからなる。
【００５０】
ここで、この明細書および特許請求の範囲で用いられている「Ｓｉ粒子」という用語には、Ｓｉ単体の粒子、共晶Ｓｉ粒子、Ｓｉを含む金属間化合物の粒子が含まれるものとする。Ｓｉを含む金属間化合物としては、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物、Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物、ＳｉおよびＳｒを含む金属間化合物、Ｓｉ、ＳｒおよびＢｉを含む金属間化合物などが挙げられる。また、Ｓｉ粒子の面積率は、図１において、回路板(6)の左右両端部近傍、および回路板(6)の左右方向の中央部で切断した３つの垂直断面におけるＳｉ粒子の投影面積百分率である。
【００５１】
残存ろう材層(12)の厚さＴを３μｍ以下に限定し、残存ろう材層(12)に含まれるＳｉ粒子の面積率を２０％以下に限定する理由は、当該厚さＴが厚くなりすぎるとともに、当該面積率が高くなりすぎると、絶縁板(5)と回路板(6)との線膨張係数の差に起因して生じる応力を低減することができないからである。残存ろう材層(12)の厚さＴは２μｍ以下であることが好ましく、残存ろう材層(12)に含まれるＳｉ粒子の面積率は１０％以下であることが好ましい。
【００５２】
図示は省略したが、絶縁板(5)と応力緩和部材(7)との間にも残存ろう材層が存在している。この場合も、図２に示す残存ろう材層(12)と同様の理由により、残存ろう材層の厚さＴは３μｍ以下であり、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率は２０％以下である。さらに、応力緩和部材(7)の貫通穴(9)内には、絶縁板(5)と応力緩和部材(7)とのろう付の際に溶融したろう材が流れ込み、その後硬化した共晶Ｓｉを含む硬化ろう材（図示略）が溜まっている。
【００５３】
なお、図示は省略したが、回路板(6)および応力緩和部材(7)における絶縁板(5)とのろう付界面近傍には、ろう付時にＳｉ拡散層が形成されているが、当該Ｓｉ拡散層の厚さは２５０μｍ以下であることが好ましい。Ｓｉ拡散層の厚さが２５０μｍを超えるということは、Ｓｉの拡散に必要な入熱量が多いということであり、ろう付時間を長くしたり、ろう付温度を高くしたりする必要があって、不経済である。
【００５４】
絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)と回路板(6)、および絶縁板(5)と応力緩和部材(7)とをろう付するＳｉを含むろう材としては、Ｓｉ７〜１３質量％およびＳｒ０．００３〜０．１質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｓｉ系合金よりなるものが使用される。
【００５５】
上記ろう材において、Ｓｉ含有量を７〜１３質量％に限定したのは、ろう材の融点を回路板(6)および応力緩和部材(7)の融点よりも効果的に低くするためである。Ｓｉ含有量は８〜１２質量％であることが好ましい。
【００５６】
上記ろう材中のＳｒは、ろう材中に含まれるＳｉを微細化することによって、絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)のろう付に用いるろう材の各部の融点を均一化し、ろう材の各部での溶融開始温度と溶融完了温度とを均一にして絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)との間からＳｉ濃度の高い溶融ろう材を効果的に排出させる性質を有するとともに、溶融後に硬化したろう材中でのＳｉ粒子を微細化させる性質を有する。しかしながら、Ｓｒ含有量が少ないと上記効果は少なく、多くなるとコストが高くなるので、Ｓｒ含有量は０．００３〜０．１質量％にすべきであるが、０．００５〜０．０３質量％であることが好ましい。
【００５７】
上記ろう材中には、さらにＢｉを０．０３〜０．２質量％含有させておくことが好ましい。Ｂｉは溶融したろう材の流動性を高め、Ｓｉ濃度の高い溶融ろう材を、絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)との間から効果的に排出させる性質を有する。しかしながら、Ｂｉ含有量が少ないと上記効果は少なく、多くなると絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)とのろう付界面にＢｉが残存し、界面に生じる応力が大きくなるので、Ｂｉ含有量は０．０３〜０．２質量％であることが好ましく、０．０５〜０．１３質量％であることが望ましい。
【００５８】
また、上記ろう材は、Ｆｅを不可避的に含有していることがあるが、含有量が多くなると絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)とのろう付界面にＦｅ系の金属間化合物が残存し、界面に生じる応力が大きくなるので、Ｆｅの含有量は０．５質量％以下（但し、０質量％を含む。）であることが好ましい。
【００５９】
さらに、絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)とのろう付が真空ろう付法により行われることがあるが、この場合、上記ろう材にはＭｇを０．１〜２質量％含有させておくことが好ましい。Ｍｇは真空ろう付時に酸化皮膜を破る性質を有するが、Ｍｇ含有量が少ないと上記効果は少なく、多くなると蒸発量が多くなってろう付炉のメンテナンス周期が早くなるので、Ｍｇ含有量は０．１〜２質量％であることが好ましく、０．４〜１．５質量％であることが望ましい。
【００６０】
パワーデバイス(3)は、絶縁回路基板(4)の回路板(6)の配線面における電子素子搭載部上にはんだ付けされており、これによりパワーモジュール用ベース(2)に実装されている。パワーデバイス(3)から発せられる熱は、回路板(6)、絶縁板(5)および応力緩和部材(7)を経て冷却器(8)に伝えられ、冷却流体通路(11)内を流れる冷却流体に放熱されるようになっている。
【００６１】
以下、パワーモジュール用ベース(2)の製造方法について説明する。
【００６２】
まず、冷却器(8)上にろう材箔を介して応力緩和部材(7)を配置し、応力緩和部材(7)上にろう材箔を介して絶縁板(5)を配置し、絶縁板(5)上にろう材箔を介して回路板(6)を配置する。ろう材箔としては、上述したようなＳｉ７〜１３質量％、Ｓｒ０．００３〜０．１質量％およびＭｇ０．１〜２質量％を含み、必要に応じてＢｉ０．０３〜０．２質量％を含み、さらにＦｅ０．５質量％以下を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｓｉ系合金箔が用いられる。また、ろう材箔を用いる代わりに、回路板(6)の下面および応力緩和部材(7)の上面に上述したＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材層を予めクラッドしておいてもよい。
【００６３】
ついで、図示しない治具により回路板(6)、絶縁板(5)、応力緩和部材(7)および冷却器(8)を上下から加圧した状態にして仮止めする。回路板(6)、絶縁板(5)、応力緩和部材(7)および冷却器(8)に対する加圧力は、０．４〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とすることが好ましく、６〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とすることが望ましい。当該加圧力が小さいと、ろう材が溶融した際に、Ｓｉ濃度の高い溶融ろう材を、絶縁板(5)と回路板(6)との間および絶縁板(5)と応力緩和部材(7)との間から効果的に排出することができず、当該加圧力が大きいと、冷却器(8)が変形することがある。
【００６４】
ついで、回路板(6)、絶縁板(5)、応力緩和部材(7)および冷却器(8)を仮止めしたものを真空雰囲気とされた加熱炉中に入れ、適当な温度に適当な時間加熱する。すると、ろう材が溶融し、絶縁板(5)と回路板(6)との間に介在させられていたろう材箔から生じるＳｉ濃度の高い溶融ろう材が、絶縁板(5)と回路板(6)との間から回路板(6)の周縁よりも外側に効果的に排出される。また、絶縁板(5)と応力緩和部材(7)との間に介在させられていたろう材箔から生じるＳｉ濃度の高い溶融ろう材が、絶縁板(5)と応力緩和部材(7)との間から応力緩和部材(7)の周縁よりも外側に効果的に排出されるとともに、応力緩和部材(7)の貫通穴(9)内に流入する。
【００６５】
その後、加熱を停止して冷却する。この冷却の際に、５８０℃から５６０℃までの冷却を、冷却速度を５℃／ｍｉｎ以下（但し、０℃／ｍｉｎは含まない。）で行うことが好ましい。この場合、冷却速度が遅くなるので、共晶ろう材が、絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)との間から効果的に排出される。
【００６６】
そして、冷却された溶融したろう材が硬化することによって、絶縁板(5)と回路板(6)とがろう付されて絶縁回路基板(4)が製造されると同時に、絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)と応力緩和部材(7)、および応力緩和部材(7)と冷却器(8)とがろう付されてパワーモジュール用ベース(2)が製造される。
【００６７】
図３は絶縁回路基板の変形例を示す。
【００６８】
図３に示す絶縁回路基板(20)の場合、回路板(6)に、絶縁板(5)へのろう付面（下面）に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜める有底状のろう材溜穴(21)が形成されている。ろう材溜穴(21)内には、絶縁板(5)と回路板(6)とのろう付の際に溶融したろう材が流れ込んでおり、その後硬化した共晶Ｓｉを含む硬化ろう材(22)が溜まっている。硬化ろう材(22)は、ろう材溜穴(21)の周面から底面に掛けてろう材溜穴(21)内の底側部分に溜まっており、ろう材溜穴(21)内の全体を満たしてはいない。
【００６９】
ここで、回路板(6)における硬化ろう材(22)が溜まる前の全ろう材溜穴(21)の内容積の合計をＸ、絶縁板(5)と回路板(6)とのろう付に用いるろう材の体積をＹとした場合、０．１≦Ｘ／Ｙという関係を満たしていることが好ましく、０．３≦Ｘ／Ｙ≦０．５という関係を満たしていることが望ましい。Ｘ／Ｙが小さくなると、ろう材溜穴(21)内が硬化ろう材(22)で満たされることになり、この硬化ろう材(22)の存在に起因して、絶縁板(5)と回路板(6)との界面に生じる応力が大きくなるからである。また、回路板(6)の隣り合うろう材溜穴(21)間の距離は、ろう材溜穴(21)内への溶融ろう材の流入を考慮すると、１５ｍｍ以下であることが好ましく、０．５〜１０ｍｍであることが望ましい。
【００７０】
また、絶縁板(5)と、回路板(6)の下面におけるろう材溜穴(21)を除いた部分との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層(12)が存在している。ここでも、残存ろう材層(12)の厚さＴは３μｍ以下であり、残存ろう材層(12)に含まれるＳｉ粒子の面積率は２０％以下であることが好ましい。
【００７１】
その他の構成は、図２に示す絶縁回路基板(4)と同じであり、絶縁回路基板(20)を備えたパワーモジュール用ベースの構成は、図１に示すパワーモジュール用ベース(2)と同様である。
【００７２】
図３に示す絶縁回路基板(20)を備えたパワーモジュール用ベースを製造する際には、図４に示すように、上述した図１に示すパワーモジュール用ベース(2)を製造する際に絶縁板(5)と回路板(6)との間に配置するろう材箔(23)に、ろう材溜穴(21)と対応するように貫通穴(24)を形成しておく。その他は、絶縁回路基板(4)およびパワーモジュール用ベース(2)と同様にして製造される。
【００７３】
図５はこの発明の実施形態２のパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されることにより構成されたパワーモジュールを示す
図５に示すパワーモジュール(30)におけるパワーデバイス(3)が実装されたパワーモジュール用ベース(31)は、図１に示すパワーモジュール(1)のパワーモジュール用ベース(2)から応力緩和部材(7)を除いた構成であり、絶縁板(5)が直接冷却器(8)の上面にろう付されている。冷却器(8)は、回路板(6)と同様な純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。絶縁板(5)と冷却器(8)とのろう付は、図１に示すパワーモジュール用ベース(2)の絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)のろう付に用いられるろう材と同様のろう材を用いて行われている。
【００７４】
そして、図示は省略したが、絶縁板(5)と冷却器(8)との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在している。ここでも、残存ろう材層の厚さＴは３μｍ以下であり、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率は２０％以下であることが好ましい。
【００７５】
図６はこの発明の実施形態３のパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されることにより構成されたパワーモジュールを示す
図６に示すパワーモジュール(40)におけるパワーデバイス(3)が実装されたパワーモジュール用ベース(41)の絶縁回路基板(42)は、絶縁板(5)および回路板(6)の他に、絶縁板(5)の下面にろう付された方形の純アルミニウム製伝熱板(43)を備えており、伝熱板(43)の下面が応力緩和部材(7)にろう付されている。伝熱板(43)は回路板(6)と同様な純アルミニウムからなる。絶縁板(5)と伝熱板(43)とのろう付は、図１に示すパワーモジュール用ベース(2)の絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)のろう付に用いられるろう材と同様のろう材を用いて行われている。
【００７６】
そして、図示は省略したが、絶縁板(5)と伝熱板(43)との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在している。ここでも、残存ろう材層の厚さＴは３μｍ以下であり、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率は２０％以下であることが好ましい。
【００７７】
なお、伝熱板(43)には、図３に示す絶縁回路基板(20)の回路板(6)と同様に、絶縁板(5)へのろう付面（下面）に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜める有底状のろう材溜穴が形成されていてもよい。この場合、伝熱板(43)における硬化ろう材が溜まる前の全ろう材溜穴の内容積の合計をＸ、絶縁板(5)と伝熱板(43)とのろう付に用いるろう材の体積をＹとした場合、０．１≦Ｘ／Ｙという関係を満たしていることが好ましく、１≦Ｘ／Ｙ≦１０という関係を満たしていることが望ましい。１≦Ｘ／Ｙ≦１０という関係を満たしている場合、ろう材溜穴の働きにより、伝熱板(43)が、応力緩和部材(7)と同様に、絶縁板(5)と冷却器(8)との線熱膨張係数の差により生じる熱応力を緩和する。
【００７８】
次に、この発明の具体的実施例を比較例とともに述べる。
【００７９】
実施例１〜４
この実施例は、図６に示すパワーモジュール用ベースを製造したものである。
【００８０】
厚み：０．６ｍｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍのＡｌＮ製絶縁板(5)と、純度９９．９９wt％の純アルミニウムからなりかつ厚み：０．６ｍｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍの回路板(6)および伝熱板(43)と、両面にろう材層が形成されたアルミニウムブレージングシートからなりかつ厚み：１ｍｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍであるとともに、直径３ｍｍの円形貫通穴(9)が複数形成された応力緩和部材(7)と、JIS Ａ３００３からなる冷却器(8)とを用意した。また、表１に示す４種類のＡｌ−Ｓｉ合金ろう材で形成され、かつ厚み：３０μｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍのろう材箔を用意した。
【００８１】
ついで、冷却器(8)、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を、伝熱板(43)と絶縁板(5)との間および絶縁板(5)と回路板(6)との間にろう材箔を配置した状態で積層し、治具により冷却器(8)、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を表１に示す加圧力で加圧した状態にして仮止めした。
【００８２】
その後、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を加圧状態で仮止めしたものを真空雰囲気とされた加熱炉中に入れ、６００℃で２０分間加熱した後、冷却した。冷却の際の５８０〜５６０℃の範囲の冷却速度は表１に示す通りとした。こうして、絶縁板(5)と回路板(6)および伝熱板(43)とをろう付することにより絶縁回路基板(42)を製造すると同時に、絶縁回路基板(42)の伝熱板(43)と応力緩和部材(7)、および応力緩和部材(7)とと冷却器(8)とをろう付することによりパワーモジュール用ベース(41)を製造した。
【００８３】
実施例５〜８
実施例１〜４と同様な絶縁板(5)、回路板(6)、伝熱板(43)、応力緩和部材(7)および冷却器(8)を用意した。また、表１に示す４種類のＡｌ−Ｓｉ合金ろう材で形成され、かつ厚み：３０μｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍのろう材箔を用意した。回路板(6)の一面には複数のろう材溜穴を形成しておいた。各ろう材溜穴の直径は３ｍｍ、深さは０．４ｍｍであり、隣接するろう材溜穴間の距離は３ｍｍである。また、全ろう材溜穴の内容積の合計Ｘと、絶縁板(5)と回路板(6)とのろう付に用いるろう材の体積をＹとの比Ｘ／Ｙは、表１に示す通りである。ろう材箔におけるろう材溜穴と対応する部分には貫通穴を形成しておいた。
【００８４】
ついで、冷却器(8)、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を、伝熱板(43)と絶縁板(5)との間および絶縁板(5)と回路板(6)との間にろう材箔を配置した状態で積層し、治具により冷却器(8)、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を表１に示す加圧力で加圧した状態にして仮止めした。
【００８５】
その後、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を加圧状態で仮止めしたものを真空雰囲気とされた加熱炉中に入れ、６００℃で２０分間加熱した後、冷却した。冷却の際の５８０〜５６０℃の範囲の冷却速度は表１に示す通りとした。こうして、絶縁板(5)と回路板(6)および伝熱板(43)とをろう付することにより絶縁回路基板(42)を製造すると同時に、絶縁回路基板(42)の伝熱板(43)と応力緩和部材(7)、および応力緩和部材(7)と冷却器(8)とをろう付することによりパワーモジュール用ベース(41)を製造した。
【００８６】
実施例９〜１０
この実施例は、図１に示すパワーモジュール用ベースを製造したものである。
【００８７】
厚み：０．６ｍｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍのＡｌＮ製絶縁板(5)と、純度９９．９９wt％の純アルミニウムからなりかつ厚み：０．６ｍｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍの回路板(6)と、純度９９．９９wt％の純アルミニウムからなりかつ厚み：１ｍｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍであるとともに、直径３ｍｍの円形貫通穴(9)が複数形成された応力緩和部材(7)と、JIS Ａ３００３からなる冷却器(8)を用意した。また、表１に示す２種類のＡｌ−Ｓｉ合金ろう材で形成され、かつ厚み：３０μｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍのろう材箔を用意した。ろう材箔におけるろう材溜穴と対応する部分には貫通穴を形成しておいた。
【００８８】
回路板(6)の一面には複数のろう材溜穴を形成しておいた。各ろう材溜穴の直径は３ｍｍ、深さは０．４ｍｍであり、隣接するろう材溜穴間の距離は３ｍｍである。また、全ろう材溜穴の内容積の合計Ｘと、絶縁板(5)と回路板(6)とのろう付に用いるろう材の体積をＹとの比Ｘ／Ｙは、表１に示す通りである。
【００８９】
ついで、冷却器(8)、応力緩和部材(7)、絶縁板(5)および回路板(6)を、冷却器(8)と応力緩和部材(7)との間、応力緩和部材(7)と絶縁板(5)との間および絶縁板(5)と回路板(6)との間にろう材箔を配置した状態で積層し、治具により冷却器(8)、応力緩和部材(7)、絶縁板(5)および回路板(6)を表１に示す加圧力で加圧した状態にして仮止めした。
【００９０】
その後、冷却器(8)、応力緩和部材(7)、絶縁板(5)および回路板(6)を加圧状態で仮止めしたものを真空雰囲気とされた加熱炉中に入れ、６００℃で２０分間加熱した後、冷却した。冷却の際の５８０〜５６０℃の範囲の冷却速度は表１に示す通りとした。こうして、絶縁板(5)と回路板(6)とをろう付することにより絶縁回路基板(4)を製造すると同時に、絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)と応力緩和部材(7)、および応力緩和部材(7)と冷却器(8)とをろう付することによりパワーモジュール用ベース(2)を製造した。
【００９１】
比較例
実施例１〜４と同様な絶縁板(5)、回路板(6)、伝熱板(43)、応力緩和部材(7)および冷却器(8)を用意した。また、表１に示すＡｌ−Ｓｉ合金ろう材で形成され、かつ厚み：３０μｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍのろう材箔を用意した。
【００９２】
ついで、冷却器(8)、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を、伝熱板(43)と絶縁板(5)との間および絶縁板(5)と回路板(6)との間にろう材箔を配置した状態で積層し、治具により冷却器(8)、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を表１に示す加圧力で加圧した状態にして仮止めした。
【００９３】
その後、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を加圧状態で仮止めしたものを真空雰囲気とされた加熱炉中に入れ、６００℃で２０分間加熱した後、冷却した。冷却の際の５８０〜５６０℃の範囲の冷却速度は表１に示す通りとした。こうして、絶縁板(5)と回路板(6)および伝熱板(43)とをろう付することにより絶縁回路基板(42)を製造すると同時に、絶縁回路基板(42)の伝熱板(43)と応力緩和部材(7)、および応力緩和部材(7)とと冷却器(8)とをろう付することによりパワーモジュール用ベース(41)を製造した。
【表１】
【００９４】
評価試験
実施例１〜１０および比較例で製造されたパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板(4)における絶縁板(5)と回路板(6)との間に形成された残存ろう材層の厚さを、の左右両端から３ｍｍ内側の部分、および左右方向中央部において断面観察することにより測定し、その平均値を残存ろう材層の厚さとした。また、絶縁回路基板(4)における絶縁板(5)と回路板(6)との間に形成された残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率を、左右両端から３ｍｍ内側の部分、および左右方向中央部において画像解析ソフトを用いて測定し、その平均値を残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率とした。さらに、残存ろう材層中のＳｉ含有量を調べた。
【００９５】
さらに、パワーモジュール用ベースに、冷熱サイクル試験（１２５℃に加熱した後−４０℃に冷却）を２０００サイクル行った。そして、試験後の絶縁板と回路板とのろう付界面のろう付面積を超音波探傷機により測定し、絶縁板と回路板とのろう付界面全体に対するろう付面積の割合を求めた。
【００９６】
これらの結果を表２に示す。
【表２】
【００９７】
表２の判定の欄において、○は、絶縁板と回路板とのろう付界面全体に対するろう付面積の割合が９０％以上であることを示し、×は、絶縁板と回路板とのろう付界面全体に対するろう付面積の割合が８０％以下であることを示す。
【００９８】
その結果、実施例１〜１０で製造されたパワーモジュール用ベースでは、冷熱サイクル試験後にも絶縁板と回路板との間には広範囲にわたる剥離は発生していなかった。これに対し、比較例で製造されたパワーモジュール用ベースでは、冷熱サイクル試験後には絶縁板と回路板との間に広範囲にわたる剥離が発生していた。
【符号の説明】
【００９９】
(1)(30)(40)：パワーモジュール
(2)(31)(41)：パワーモジュール用ベース
(3)：パワーデバイス
(4)(20)(42)：絶縁回路基板
(5)：絶縁板
(6)：回路板
(7)：応力緩和部材
(8)：冷却器
(9)：貫通穴
(12)：残存ろう材層
(13)：Ｓｉ拡散層
(21)：ろう材溜穴
(22)：硬化ろう材
(43)：伝熱板
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁回路基板、ならびにパワーモジュール用ベースおよびその製造方法に関し、さらに詳しくは、たとえば絶縁回路基板、ならびに当該絶縁回路基板を備えているとともに、絶縁回路基板に搭載されるパワーデバイスなどの電子素子を冷却するのに用いられるパワーモジュール用ベースおよびその製造方法に関する。
【０００２】
この明細書および特許請求の範囲において、「アルミニウム」という用語には、「純アルミニウム」と表現する場合を除いて、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。また、この明細書および特許請求の範囲において、「純アルミニウム」という用語は、純度９９．００質量％以上の純アルミニウムを意味するものとする。
【背景技術】
【０００３】
たとえばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子（電子素子）からなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールにおいては、半導体素子から発せられる熱を効率良く放熱して、半導体素子の温度を所定温度以下に保つ必要がある。そこで、従来、パワーデバイスを実装するパワーモジュール用ベースとして、アルミニウム製冷却器および冷却器にろう付された絶縁回路基板からなり、絶縁回路基板が、セラミック製絶縁板と、絶縁板の一面にろう付された純アルミニウム製回路板と、絶縁板の他面にろう付された純アルミニウム製伝熱板とよりなり、伝熱板における絶縁板にろう付された面と反対側の面が冷却器にろう付され、回路板における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が電子素子搭載部を有する配線面となされているパワーモジュール用ベースが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１記載のパワーモジュール用ベースは、絶縁回路基板の回路板の配線面における電子素子搭載部にパワーデバイスが実装されてパワーモジュールとして用いられる。そして、パワーデバイスから発せられた熱は、回路板、絶縁板および伝熱板を経て冷却器に伝えられ、放熱されるようになっている。
【０００５】
ところで、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースは、絶縁板、回路板、伝熱板および冷却器を、隣り合うものどうしの間にＡｌ−Ｓｉ合金系のろう材を配置した状態で積層し、絶縁板、回路板、伝熱板および冷却器を、加圧しつつ加熱して絶縁板と回路板、絶縁板と伝熱板および伝熱板と冷却器とを一括してろう付することにより製造されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースの製造方法では、回路板および伝熱板と絶縁板との間に、それぞれＳｉ濃度が高くかつ回路板および伝熱板よりも硬いＳｉ粒子を含む比較的厚肉の残存ろう材層が形成されることになる。したがって、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースにパワーデバイスを実装してパワーモジュールとして用いた場合、絶縁板と回路板および伝熱板との線膨張係数の差に起因して生じる大きな応力によって、絶縁板の割れや、絶縁板と回路板および伝熱板との間の広範囲にわたる剥離が比較的短時間で発生し、熱サイクル寿命が低下するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１９２７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明の目的は、上記問題を解決し、熱サイクル寿命の低下を抑制しうる絶縁回路基板、ならびにパワーモジュール用ベースおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
【００１０】
1)セラミック製絶縁板と、絶縁板の一面にＳｉを含むろう材によりろう付された純アルミニウム製回路板とを備えた絶縁回路基板であって、
絶縁板と回路板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下である絶縁回路基板。
【００１１】
2)回路板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴が形成されている上記1)記載の絶縁回路基板。
【００１２】
3)絶縁板における回路板がろう付された面とは反対側の面に、Ｓｉを含むろう材により純アルミニウム製伝熱板がろう付され、絶縁板と伝熱板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、当該残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、当該残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下である上記1)または2)記載の絶縁回路基板。
【００１３】
4)伝熱板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴が形成されている上記3)記載の絶縁回路基板。
【００１４】
5)上記1)または2)記載の絶縁回路基板の絶縁板における回路板がろう付された面とは反対側の面が、Ｓｉを含むろう材によって純アルミニウム製応力緩和部材にろう付され、応力緩和部材における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が冷却器にろう付され、応力緩和部材と絶縁板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、当該残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、当該残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下であるパワーモジュール用ベース。
【００１５】
6)上記1)または2)記載の絶縁回路基板の絶縁板における回路板がろう付された面とは反対側の面が、Ｓｉを含むろう材によって純アルミニウム製冷却器にろう付され、冷却器と絶縁板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、当該残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、当該残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下であるパワーモジュール用ベース。
【００１６】
7)上記3)または4)記載の絶縁回路基板の伝熱板における絶縁板にろう付された面とは反対側の面がアルミニウム製応力緩和部材にろう付され、応力緩和部材における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が冷却器にろう付されているパワーモジュール用ベース。
【００１７】
8)上記5)〜7)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板の回路板における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が、電子素子搭載部を有する配線面となされており、当該電子素子搭載部にパワーデバイスがはんだ付されているパワーモジュール。
【００１８】
9)上記5)記載のパワーモジュール用ベースを製造する方法であって、
セラミックス製絶縁板、純アルミニウム製回路板、純アルミニウム製応力緩和部材および冷却器を用意し、絶縁板、回路板、応力緩和部材および冷却器を加圧しつつ加熱してろう付すること含み、絶縁板と回路板、および絶縁板と応力緩和部材とのろう付に、それぞれＳｉ７〜１３質量％およびＳｒ０．００３〜０．１質量％を含むＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材を使用することを特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００１９】
10)絶縁板、回路板、応力緩和部材および冷却器に対する加圧力を、０．４〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とする上記9)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２０】
11)上記6)記載のパワーモジュール用ベースを製造する方法であって、
セラミックス製絶縁板、純アルミニウム製回路板および純アルミニウム製冷却器を用意し、絶縁板、回路板および冷却器を加圧しつつ加熱してろう付すること含み、絶縁板と回路板、および絶縁板と冷却器とのろう付に、それぞれＳｉ７〜１３質量％およびＳｒ０．００３〜０．１質量％を含むＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材を使用することを特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２１】
12)絶縁板、回路板および冷却器に対する加圧力を、０．４〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とする上記11)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２２】
13)回路板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴を複数形成しておく上記9)〜12)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２３】
14)回路板の全ろう材溜穴の内容積の合計をＸ、用いるろう材の体積をＹとした場合、０．１≦Ｘ／Ｙという関係を満たす上記13)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２４】
15)上記7)記載のパワーモジュール用ベースを製造する方法であって、
セラミックス製絶縁板、純アルミニウム製回路板、純アルミニウム製伝熱板、応力緩和部材および冷却器を用意し、絶縁板、回路板、伝熱板、応力緩和部材および冷却器を加圧しつつ加熱してろう付すること含み、絶縁板と回路板、および絶縁板と伝熱板とのろう付に、それぞれＳｉ７〜１３質量％およびＳｒ０．００３〜０．１質量％を含むＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材を使用することを特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２５】
16)絶縁板、回路板、伝熱板、応力緩和部材および冷却器に対する加圧力を、０．４〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とする上記15)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２６】
17)回路板および伝熱板に、それぞれ絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴を複数形成しておく上記15)または16)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２７】
18)回路板の全ろう材溜穴の内容積の合計をＸ、用いるろう材の体積をＹとした場合、０．１≦Ｘ／Ｙという関係を満たす上記17)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【００２８】
19)Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材が、さらにＢｉ０．０３〜０．２質量％を含む上記9)〜18)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
20)ろう付温度まで加熱してろう材を溶融させた後冷却する際に、５８０℃から５６０℃までの冷却を、冷却速度５℃／ｍｉｎ以下で行う上記9)〜19)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【発明の効果】
【００２９】
上記1)〜4)の絶縁回路基板によれば、絶縁板と回路板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下であるから、絶縁板と回路板との線膨張係数の差に起因して生じる応力を低減することできる。したがって、上記応力が大きくなることによる絶縁板の割れや、回路板と絶縁板との間の広範囲の剥離が長時間にわたって抑制され、熱サイクル寿命の低下を抑制することができる。
【００３０】
上記2)の絶縁回路基板によれば、回路板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴が形成されているので、Ｓｉ濃度の高いろう材がろう材溜穴内に溜まることになり、残存ろう材層の厚さを３μｍ以下にするとともに、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率を２０％以下とすることを、効果的に行うことができる。
【００３１】
上記3)の絶縁回路基板によれば、絶縁板と伝熱板との線膨張係数の差に起因して生じる応力を低減することできる。したがって、上記応力が大きくなることによる絶縁板の割れや、伝熱板と絶縁板との間の広範囲の剥離が長時間にわたって抑制され、熱サイクル寿命の低下を抑制することができる。
【００３２】
上記4)の絶縁回路基板によれば、伝熱板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴が形成されているので、Ｓｉ濃度の高いろう材がろう材溜穴内に溜まることになり、残存ろう材層の厚さを３μｍ以下にするとともに、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率を２０％以下とすることを、効果的に行うことができる。
【００３３】
上記5)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁板と回路板との線膨張係数の差に起因して生じる応力による絶縁板の割れや、回路板と絶縁板との間の広範囲にわたる剥離が長時間にわたって抑制されるとともに、絶縁板と応力緩和部材との線膨張係数の差に起因して生じる応力による絶縁板の割れや、応力緩和部材と絶縁板との間の広範囲にわたる剥離が長時間にわたって抑制され、熱サイクル寿命の低下を抑制することができる。
【００３４】
上記6)のパワーモジュール用ベースによれば、絶縁板と回路板との線膨張係数の差に起因して生じる応力による絶縁板の割れや、回路板と絶縁板との間の広範囲にわたる剥離が長時間にわたって抑制されるとともに、絶縁板と冷却器との線膨張係数の差に起因して生じる応力による絶縁板の割れや、冷却器と絶縁板との間の広範囲にわたる剥離が長時間にわたって抑制され、熱サイクル寿命の低下を抑制することができる。
【００３５】
上記9)〜20)のパワーモジュール用ベースの製造方法によれば、絶縁板と純アルミニウム部品とのろう付に用いるろう材中のＳｒの働きによって当該ろう材中に含まれるＳｉを微細化することができるので、絶縁板と純アルミニウム部品のろう付に用いるろう材の各部の融点が均一になって、ろう材の各部での溶融開始温度と溶融完了温度とが均一になるとともに、溶融ろう材が流動しやすくなる。したがって、Ｓｉ濃度の高い溶融ろう材が、絶縁板と純アルミニウム部品との間から効果的に排出され、その結果製造されたパワーモジュール用ベースにおいて、絶縁板と純アルミニウム部品との間に残存するＳｉ粒子を含む残存ろう材層の厚さを３μｍ以下にすることができるとともに、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率を２０％以下にすることができる。
【００３６】
上記10)、12)および16)のパワーモジュール用ベースの製造方法によれば、Ｓｉ濃度の高い溶融ろう材を、絶縁板と純アルミニウム部品との間から効果的に排出することができる。
【００３７】
上記13)、14)、17)および18)のパワーモジュール用ベースの製造方法によれば、Ｓｉ濃度の高いろう材がろう材溜穴内に溜まることになり、製造されたパワーモジュール用ベースにおいて、絶縁板と純アルミニウム部品との間に残存する残存ろう材層の厚さを３μｍ以下にすること、ならびに残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率を２０％以下にすることを、効果的に行うことができる。
【００３８】
上記19)のパワーモジュール用ベースの製造方法によれば、Ｂｉの働きによって絶縁板と純アルミニウム部品とをろう付する際の溶融ろう材の流動性を向上させることができるので、Ｓｉ濃度の高い溶融ろう材が、絶縁板と純アルミニウム部品との間から効果的に排出される。
【００３９】
上記20)のパワーモジュール用ベースの製造方法によれば、共晶ろう材が、絶縁板と純アルミニウム部品との間から効果的に排出されるので、パワーモジュール用ベースの絶縁板と純アルミニウム部品との線膨張係数の差に起因して生じる応力を効果的に低減することできる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の実施形態１のパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されることにより構成されたパワーモジュールを示す垂直断面図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】図１のパワーモジュールのパワーモジュール用ベースに用いられる絶縁回路基板の変形例を示す図２相当の図である。
【図４】図３の絶縁回路基板を備えたパワーモジュール用ベースを製造する方法を示す要部拡大断面図である。
【図５】この発明の実施形態２のパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されることにより構成されたパワーモジュールを示す垂直断面図である。
【図６】この発明の実施形態３のパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されることにより構成されたパワーモジュールを示す垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、図１の上下、左右を上下、左右というものとする。
【００４２】
図１はこの発明による実施形態１のパワーモジュール用ベースにおける回路板の電子素子搭載部にパワーデバイスが実装されたパワーモジュールを示す。
【００４３】
図１において、パワーモジュール(1)は、パワーモジュール用ベース(2)と、パワーモジュール用ベース(2)に実装されたパワーデバイス(3)（電子素子）とよりなる。
【００４４】
パワーモジュール用ベース(2)は、方形のセラミックス製絶縁板(5)、および絶縁板(5)の上面にろう付された方形の純アルミニウム製回路板(6)からなる絶縁回路基板(4)と、絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)の下面がろう付された板状の純アルミニウム製応力緩和部材(7)と、応力緩和部材(7)の下面がろう付されたアルミニウム製冷却器(8)（ヒートシンク）とからなる。なお、図１においては１つの絶縁回路基板(4)だけが図示されているが、パワーモジュール用ベース(2)は、複数の絶縁回路基板(4)を備えているのが一般的である。
【００４５】
絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)は、必要とされる絶縁特性、熱伝導率および機械的強度を満たしていれば、どのようなセラミックから形成されていてもよいが、たとえばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４などにより形成される。
【００４６】
回路板(6)は、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかも半導体素子とのはんだ付け性に優れた純度の高い純アルミニウム、たとえば純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。そして、回路板(6)の上面、すなわち回路板(6)における絶縁板(5)にろう付された面とは反対側の面が、電子素子搭載部を有する配線面となされている。
【００４７】
応力緩和部材(7)は、熱伝導率が高く、しかも変形能が高い純アルミニウム、たとえば純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。応力緩和部材(7)には複数の円形貫通穴(9)が形成されており、貫通穴(9)の働きにより応力緩和部材(7)が変形して絶縁板(5)と冷却器(8)との線熱膨張係数の差により生じる熱応力が緩和される。したがって、絶縁板(5)に割れが生じたり、絶縁板(5)と応力緩和部材(7)とのろう付部にクラックが生じたりすることが防止される。
【００４８】
冷却器(8)は、複数の冷却流体通路(11)が並列状に設けられた扁平中空状であり、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成されていることが好ましい。冷却流体としては、液体および気体のいずれを用いてもよい。なお、冷却器(8)としては、ケース内にインナーフィンが配置されたものが用いられてもよい。
【００４９】
絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)と回路板(6)、および絶縁板(5)と応力緩和部材(7)とは、それぞれＳｉを含むろう材によりろう付されている。そして、図２に示すように、絶縁板(5)と回路板(6)との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層(12)が存在している。残存ろう材層(12)の厚さＴは３μｍ以下（但し、０μｍは含まない。）であり、残存ろう材層(12)に含まれるＳｉ粒子（図示略）の残存ろう材層(12)中での面積率は２０％以下（但し、０％を含む。）である。残存ろう材層(12)は、主としてＡｌおよびＳｉ粒子からなるが、残存ろう材層(12)を構成するＡｌおよびＳｉ粒子は、主としてろう付に用いられたろう材中に含まれていたＡｌおよびＳｉからなる。
【００５０】
ここで、この明細書および特許請求の範囲で用いられている「Ｓｉ粒子」という用語には、Ｓｉ単体の粒子、共晶Ｓｉ粒子、Ｓｉを含む金属間化合物の粒子が含まれるものとする。Ｓｉを含む金属間化合物としては、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物、Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物、ＳｉおよびＳｒを含む金属間化合物、Ｓｉ、ＳｒおよびＢｉを含む金属間化合物などが挙げられる。また、Ｓｉ粒子の面積率は、図１において、回路板(6)の左右両端部近傍、および回路板(6)の左右方向の中央部で切断した３つの垂直断面におけるＳｉ粒子の投影面積百分率である。
【００５１】
残存ろう材層(12)の厚さＴを３μｍ以下に限定し、残存ろう材層(12)に含まれるＳｉ粒子の面積率を２０％以下に限定する理由は、当該厚さＴが厚くなりすぎるとともに、当該面積率が高くなりすぎると、絶縁板(5)と回路板(6)との線膨張係数の差に起因して生じる応力を低減することができないからである。残存ろう材層(12)の厚さＴは２μｍ以下であることが好ましく、残存ろう材層(12)に含まれるＳｉ粒子の面積率は１０％以下であることが好ましい。
【００５２】
図示は省略したが、絶縁板(5)と応力緩和部材(7)との間にも残存ろう材層が存在している。この場合も、図２に示す残存ろう材層(12)と同様の理由により、残存ろう材層の厚さＴは３μｍ以下であり、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率は２０％以下である。さらに、応力緩和部材(7)の貫通穴(9)内には、絶縁板(5)と応力緩和部材(7)とのろう付の際に溶融したろう材が流れ込み、その後硬化した共晶Ｓｉを含む硬化ろう材（図示略）が溜まっている。
【００５３】
なお、図示は省略したが、回路板(6)および応力緩和部材(7)における絶縁板(5)とのろう付界面近傍には、ろう付時にＳｉ拡散層が形成されているが、当該Ｓｉ拡散層の厚さは２５０μｍ以下であることが好ましい。Ｓｉ拡散層の厚さが２５０μｍを超えるということは、Ｓｉの拡散に必要な入熱量が多いということであり、ろう付時間を長くしたり、ろう付温度を高くしたりする必要があって、不経済である。
【００５４】
絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)と回路板(6)、および絶縁板(5)と応力緩和部材(7)とをろう付するＳｉを含むろう材としては、Ｓｉ７〜１３質量％およびＳｒ０．００３〜０．１質量％を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｓｉ系合金よりなるものが使用される。
【００５５】
上記ろう材において、Ｓｉ含有量を７〜１３質量％に限定したのは、ろう材の融点を回路板(6)および応力緩和部材(7)の融点よりも効果的に低くするためである。Ｓｉ含有量は８〜１２質量％であることが好ましい。
【００５６】
上記ろう材中のＳｒは、ろう材中に含まれるＳｉを微細化することによって、絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)のろう付に用いるろう材の各部の融点を均一化し、ろう材の各部での溶融開始温度と溶融完了温度とを均一にして絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)との間からＳｉ濃度の高い溶融ろう材を効果的に排出させる性質を有するとともに、溶融後に硬化したろう材中でのＳｉ粒子を微細化させる性質を有する。しかしながら、Ｓｒ含有量が少ないと上記効果は少なく、多くなるとコストが高くなるので、Ｓｒ含有量は０．００３〜０．１質量％にすべきであるが、０．００５〜０．０３質量％であることが好ましい。
【００５７】
上記ろう材中には、さらにＢｉを０．０３〜０．２質量％含有させておくことが好ましい。Ｂｉは溶融したろう材の流動性を高め、Ｓｉ濃度の高い溶融ろう材を、絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)との間から効果的に排出させる性質を有する。しかしながら、Ｂｉ含有量が少ないと上記効果は少なく、多くなると絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)とのろう付界面にＢｉが残存し、界面に生じる応力が大きくなるので、Ｂｉ含有量は０．０３〜０．２質量％であることが好ましく、０．０５〜０．１３質量％であることが望ましい。
【００５８】
また、上記ろう材は、Ｆｅを不可避的に含有していることがあるが、含有量が多くなると絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)とのろう付界面にＦｅ系の金属間化合物が残存し、界面に生じる応力が大きくなるので、Ｆｅの含有量は０．５質量％以下（但し、０質量％を含む。）であることが好ましい。
【００５９】
さらに、絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)とのろう付が真空ろう付法により行われることがあるが、この場合、上記ろう材にはＭｇを０．１〜２質量％含有させておくことが好ましい。Ｍｇは真空ろう付時に酸化皮膜を破る性質を有するが、Ｍｇ含有量が少ないと上記効果は少なく、多くなると蒸発量が多くなってろう付炉のメンテナンス周期が早くなるので、Ｍｇ含有量は０．１〜２質量％であることが好ましく、０．４〜１．５質量％であることが望ましい。
【００６０】
パワーデバイス(3)は、絶縁回路基板(4)の回路板(6)の配線面における電子素子搭載部上にはんだ付けされており、これによりパワーモジュール用ベース(2)に実装されている。パワーデバイス(3)から発せられる熱は、回路板(6)、絶縁板(5)および応力緩和部材(7)を経て冷却器(8)に伝えられ、冷却流体通路(11)内を流れる冷却流体に放熱されるようになっている。
【００６１】
以下、パワーモジュール用ベース(2)の製造方法について説明する。
【００６２】
まず、冷却器(8)上にろう材箔を介して応力緩和部材(7)を配置し、応力緩和部材(7)上にろう材箔を介して絶縁板(5)を配置し、絶縁板(5)上にろう材箔を介して回路板(6)を配置する。ろう材箔としては、上述したようなＳｉ７〜１３質量％、Ｓｒ０．００３〜０．１質量％およびＭｇ０．１〜２質量％を含み、必要に応じてＢｉ０．０３〜０．２質量％を含み、さらにＦｅ０．５質量％以下を含み、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｓｉ系合金箔が用いられる。また、ろう材箔を用いる代わりに、回路板(6)の下面および応力緩和部材(7)の上面に上述したＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材層を予めクラッドしておいてもよい。
【００６３】
ついで、図示しない治具により回路板(6)、絶縁板(5)、応力緩和部材(7)および冷却器(8)を上下から加圧した状態にして仮止めする。回路板(6)、絶縁板(5)、応力緩和部材(7)および冷却器(8)に対する加圧力は、０．４〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とすることが好ましく、６〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とすることが望ましい。当該加圧力が小さいと、ろう材が溶融した際に、Ｓｉ濃度の高い溶融ろう材を、絶縁板(5)と回路板(6)との間および絶縁板(5)と応力緩和部材(7)との間から効果的に排出することができず、当該加圧力が大きいと、冷却器(8)が変形することがある。
【００６４】
ついで、回路板(6)、絶縁板(5)、応力緩和部材(7)および冷却器(8)を仮止めしたものを真空雰囲気とされた加熱炉中に入れ、適当な温度に適当な時間加熱する。すると、ろう材が溶融し、絶縁板(5)と回路板(6)との間に介在させられていたろう材箔から生じるＳｉ濃度の高い溶融ろう材が、絶縁板(5)と回路板(6)との間から回路板(6)の周縁よりも外側に効果的に排出される。また、絶縁板(5)と応力緩和部材(7)との間に介在させられていたろう材箔から生じるＳｉ濃度の高い溶融ろう材が、絶縁板(5)と応力緩和部材(7)との間から応力緩和部材(7)の周縁よりも外側に効果的に排出されるとともに、応力緩和部材(7)の貫通穴(9)内に流入する。
【００６５】
その後、加熱を停止して冷却する。この冷却の際に、５８０℃から５６０℃までの冷却を、冷却速度を５℃／ｍｉｎ以下（但し、０℃／ｍｉｎは含まない。）で行うことが好ましい。この場合、冷却速度が遅くなるので、共晶ろう材が、絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)との間から効果的に排出される。
【００６６】
そして、冷却された溶融したろう材が硬化することによって、絶縁板(5)と回路板(6)とがろう付されて絶縁回路基板(4)が製造されると同時に、絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)と応力緩和部材(7)、および応力緩和部材(7)と冷却器(8)とがろう付されてパワーモジュール用ベース(2)が製造される。
【００６７】
図３は絶縁回路基板の変形例を示す。
【００６８】
図３に示す絶縁回路基板(20)の場合、回路板(6)に、絶縁板(5)へのろう付面（下面）に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜める有底状のろう材溜穴(21)が形成されている。ろう材溜穴(21)内には、絶縁板(5)と回路板(6)とのろう付の際に溶融したろう材が流れ込んでおり、その後硬化した共晶Ｓｉを含む硬化ろう材(22)が溜まっている。硬化ろう材(22)は、ろう材溜穴(21)の周面から底面に掛けてろう材溜穴(21)内の底側部分に溜まっており、ろう材溜穴(21)内の全体を満たしてはいない。
【００６９】
ここで、回路板(6)における硬化ろう材(22)が溜まる前の全ろう材溜穴(21)の内容積の合計をＸ、絶縁板(5)と回路板(6)とのろう付に用いるろう材の体積をＹとした場合、０．１≦Ｘ／Ｙという関係を満たしていることが好ましく、０．３≦Ｘ／Ｙ≦０．５という関係を満たしていることが望ましい。Ｘ／Ｙが小さくなると、ろう材溜穴(21)内が硬化ろう材(22)で満たされることになり、この硬化ろう材(22)の存在に起因して、絶縁板(5)と回路板(6)との界面に生じる応力が大きくなるからである。また、回路板(6)の隣り合うろう材溜穴(21)間の距離は、ろう材溜穴(21)内への溶融ろう材の流入を考慮すると、１５ｍｍ以下であることが好ましく、０．５〜１０ｍｍであることが望ましい。
【００７０】
また、絶縁板(5)と、回路板(6)の下面におけるろう材溜穴(21)を除いた部分との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層(12)が存在している。ここでも、残存ろう材層(12)の厚さＴは３μｍ以下であり、残存ろう材層(12)に含まれるＳｉ粒子の面積率は２０％以下であることが好ましい。
【００７１】
その他の構成は、図２に示す絶縁回路基板(4)と同じであり、絶縁回路基板(20)を備えたパワーモジュール用ベースの構成は、図１に示すパワーモジュール用ベース(2)と同様である。
【００７２】
図３に示す絶縁回路基板(20)を備えたパワーモジュール用ベースを製造する際には、図４に示すように、上述した図１に示すパワーモジュール用ベース(2)を製造する際に絶縁板(5)と回路板(6)との間に配置するろう材箔(23)に、ろう材溜穴(21)と対応するように貫通穴(24)を形成しておく。その他は、絶縁回路基板(4)およびパワーモジュール用ベース(2)と同様にして製造される。
【００７３】
図５はこの発明の実施形態２のパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されることにより構成されたパワーモジュールを示す
図５に示すパワーモジュール(30)におけるパワーデバイス(3)が実装されたパワーモジュール用ベース(31)は、図１に示すパワーモジュール(1)のパワーモジュール用ベース(2)から応力緩和部材(7)を除いた構成であり、絶縁板(5)が直接冷却器(8)の上面にろう付されている。冷却器(8)は、回路板(6)と同様な純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。絶縁板(5)と冷却器(8)とのろう付は、図１に示すパワーモジュール用ベース(2)の絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)のろう付に用いられるろう材と同様のろう材を用いて行われている。
【００７４】
そして、図示は省略したが、絶縁板(5)と冷却器(8)との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在している。ここでも、残存ろう材層の厚さＴは３μｍ以下であり、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率は２０％以下であることが好ましい。
【００７５】
図６はこの発明の実施形態３のパワーモジュール用ベースにパワーデバイスが実装されることにより構成されたパワーモジュールを示す
図６に示すパワーモジュール(40)におけるパワーデバイス(3)が実装されたパワーモジュール用ベース(41)の絶縁回路基板(42)は、絶縁板(5)および回路板(6)の他に、絶縁板(5)の下面にろう付された方形の純アルミニウム製伝熱板(43)を備えており、伝熱板(43)の下面が応力緩和部材(7)にろう付されている。伝熱板(43)は回路板(6)と同様な純アルミニウムからなる。絶縁板(5)と伝熱板(43)とのろう付は、図１に示すパワーモジュール用ベース(2)の絶縁板(5)と回路板(6)および応力緩和部材(7)のろう付に用いられるろう材と同様のろう材を用いて行われている。
【００７６】
そして、図示は省略したが、絶縁板(5)と伝熱板(43)との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在している。ここでも、残存ろう材層の厚さＴは３μｍ以下であり、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率は２０％以下であることが好ましい。
【００７７】
なお、伝熱板(43)には、図３に示す絶縁回路基板(20)の回路板(6)と同様に、絶縁板(5)へのろう付面（下面）に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜める有底状のろう材溜穴が形成されていてもよい。この場合、伝熱板(43)における硬化ろう材が溜まる前の全ろう材溜穴の内容積の合計をＸ、絶縁板(5)と伝熱板(43)とのろう付に用いるろう材の体積をＹとした場合、０．１≦Ｘ／Ｙという関係を満たしていることが好ましく、１≦Ｘ／Ｙ≦１０という関係を満たしていることが望ましい。１≦Ｘ／Ｙ≦１０という関係を満たしている場合、ろう材溜穴の働きにより、伝熱板(43)が、応力緩和部材(7)と同様に、絶縁板(5)と冷却器(8)との線熱膨張係数の差により生じる熱応力を緩和する。
【００７８】
次に、この発明の具体的実施例を比較例とともに述べる。
【００７９】
実施例１〜４
この実施例は、図６に示すパワーモジュール用ベースを製造したものである。
【００８０】
厚み：０．６ｍｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍのＡｌＮ製絶縁板(5)と、純度９９．９９wt％の純アルミニウムからなりかつ厚み：０．６ｍｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍの回路板(6)および伝熱板(43)と、両面にろう材層が形成されたアルミニウムブレージングシートからなりかつ厚み：１ｍｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍであるとともに、直径３ｍｍの円形貫通穴(9)が複数形成された応力緩和部材(7)と、JIS Ａ３００３からなる冷却器(8)とを用意した。また、表１に示す４種類のＡｌ−Ｓｉ合金ろう材で形成され、かつ厚み：３０μｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍのろう材箔を用意した。
【００８１】
ついで、冷却器(8)、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を、伝熱板(43)と絶縁板(5)との間および絶縁板(5)と回路板(6)との間にろう材箔を配置した状態で積層し、治具により冷却器(8)、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を表１に示す加圧力で加圧した状態にして仮止めした。
【００８２】
その後、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を加圧状態で仮止めしたものを真空雰囲気とされた加熱炉中に入れ、６００℃で２０分間加熱した後、冷却した。冷却の際の５８０〜５６０℃の範囲の冷却速度は表１に示す通りとした。こうして、絶縁板(5)と回路板(6)および伝熱板(43)とをろう付することにより絶縁回路基板(42)を製造すると同時に、絶縁回路基板(42)の伝熱板(43)と応力緩和部材(7)、および応力緩和部材(7)とと冷却器(8)とをろう付することによりパワーモジュール用ベース(41)を製造した。
【００８３】
実施例５〜８
実施例１〜４と同様な絶縁板(5)、回路板(6)、伝熱板(43)、応力緩和部材(7)および冷却器(8)を用意した。また、表１に示す４種類のＡｌ−Ｓｉ合金ろう材で形成され、かつ厚み：３０μｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍのろう材箔を用意した。回路板(6)の一面には複数のろう材溜穴を形成しておいた。各ろう材溜穴の直径は３ｍｍ、深さは０．４ｍｍであり、隣接するろう材溜穴間の距離は３ｍｍである。また、全ろう材溜穴の内容積の合計Ｘと、絶縁板(5)と回路板(6)とのろう付に用いるろう材の体積をＹとの比Ｘ／Ｙは、表１に示す通りである。ろう材箔におけるろう材溜穴と対応する部分には貫通穴を形成しておいた。
【００８４】
ついで、冷却器(8)、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を、伝熱板(43)と絶縁板(5)との間および絶縁板(5)と回路板(6)との間にろう材箔を配置した状態で積層し、治具により冷却器(8)、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を表１に示す加圧力で加圧した状態にして仮止めした。
【００８５】
その後、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を加圧状態で仮止めしたものを真空雰囲気とされた加熱炉中に入れ、６００℃で２０分間加熱した後、冷却した。冷却の際の５８０〜５６０℃の範囲の冷却速度は表１に示す通りとした。こうして、絶縁板(5)と回路板(6)および伝熱板(43)とをろう付することにより絶縁回路基板(42)を製造すると同時に、絶縁回路基板(42)の伝熱板(43)と応力緩和部材(7)、および応力緩和部材(7)と冷却器(8)とをろう付することによりパワーモジュール用ベース(41)を製造した。
【００８６】
実施例９〜１０
この実施例は、図１に示すパワーモジュール用ベースを製造したものである。
【００８７】
厚み：０．６ｍｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍのＡｌＮ製絶縁板(5)と、純度９９．９９wt％の純アルミニウムからなりかつ厚み：０．６ｍｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍの回路板(6)と、純度９９．９９wt％の純アルミニウムからなりかつ厚み：１ｍｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍであるとともに、直径３ｍｍの円形貫通穴(9)が複数形成された応力緩和部材(7)と、JIS Ａ３００３からなる冷却器(8)を用意した。また、表１に示す２種類のＡｌ−Ｓｉ合金ろう材で形成され、かつ厚み：３０μｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍのろう材箔を用意した。ろう材箔におけるろう材溜穴と対応する部分には貫通穴を形成しておいた。
【００８８】
回路板(6)の一面には複数のろう材溜穴を形成しておいた。各ろう材溜穴の直径は３ｍｍ、深さは０．４ｍｍであり、隣接するろう材溜穴間の距離は３ｍｍである。また、全ろう材溜穴の内容積の合計Ｘと、絶縁板(5)と回路板(6)とのろう付に用いるろう材の体積をＹとの比Ｘ／Ｙは、表１に示す通りである。
【００８９】
ついで、冷却器(8)、応力緩和部材(7)、絶縁板(5)および回路板(6)を、冷却器(8)と応力緩和部材(7)との間、応力緩和部材(7)と絶縁板(5)との間および絶縁板(5)と回路板(6)との間にろう材箔を配置した状態で積層し、治具により冷却器(8)、応力緩和部材(7)、絶縁板(5)および回路板(6)を表１に示す加圧力で加圧した状態にして仮止めした。
【００９０】
その後、冷却器(8)、応力緩和部材(7)、絶縁板(5)および回路板(6)を加圧状態で仮止めしたものを真空雰囲気とされた加熱炉中に入れ、６００℃で２０分間加熱した後、冷却した。冷却の際の５８０〜５６０℃の範囲の冷却速度は表１に示す通りとした。こうして、絶縁板(5)と回路板(6)とをろう付することにより絶縁回路基板(4)を製造すると同時に、絶縁回路基板(4)の絶縁板(5)と応力緩和部材(7)、および応力緩和部材(7)と冷却器(8)とをろう付することによりパワーモジュール用ベース(2)を製造した。
【００９１】
比較例
実施例１〜４と同様な絶縁板(5)、回路板(6)、伝熱板(43)、応力緩和部材(7)および冷却器(8)を用意した。また、表１に示すＡｌ−Ｓｉ合金ろう材で形成され、かつ厚み：３０μｍ、縦：２９ｍｍ、横：３４ｍｍのろう材箔を用意した。
【００９２】
ついで、冷却器(8)、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を、伝熱板(43)と絶縁板(5)との間および絶縁板(5)と回路板(6)との間にろう材箔を配置した状態で積層し、治具により冷却器(8)、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を表１に示す加圧力で加圧した状態にして仮止めした。
【００９３】
その後、応力緩和部材(7)、伝熱板(43)、絶縁板(5)および回路板(6)を加圧状態で仮止めしたものを真空雰囲気とされた加熱炉中に入れ、６００℃で２０分間加熱した後、冷却した。冷却の際の５８０〜５６０℃の範囲の冷却速度は表１に示す通りとした。こうして、絶縁板(5)と回路板(6)および伝熱板(43)とをろう付することにより絶縁回路基板(42)を製造すると同時に、絶縁回路基板(42)の伝熱板(43)と応力緩和部材(7)、および応力緩和部材(7)とと冷却器(8)とをろう付することによりパワーモジュール用ベース(41)を製造した。
【表１】
【００９４】
評価試験
実施例１〜１０および比較例で製造されたパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板(4)における絶縁板(5)と回路板(6)との間に形成された残存ろう材層の厚さを、の左右両端から３ｍｍ内側の部分、および左右方向中央部において断面観察することにより測定し、その平均値を残存ろう材層の厚さとした。また、絶縁回路基板(4)における絶縁板(5)と回路板(6)との間に形成された残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率を、左右両端から３ｍｍ内側の部分、および左右方向中央部において画像解析ソフトを用いて測定し、その平均値を残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率とした。さらに、残存ろう材層中のＳｉ含有量を調べた。
【００９５】
さらに、パワーモジュール用ベースに、冷熱サイクル試験（１２５℃に加熱した後−４０℃に冷却）を２０００サイクル行った。そして、試験後の絶縁板と回路板とのろう付界面のろう付面積を超音波探傷機により測定し、絶縁板と回路板とのろう付界面全体に対するろう付面積の割合を求めた。
【００９６】
これらの結果を表２に示す。
【表２】
【００９７】
表２の判定の欄において、○は、絶縁板と回路板とのろう付界面全体に対するろう付面積の割合が９０％以上であることを示し、×は、絶縁板と回路板とのろう付界面全体に対するろう付面積の割合が８０％以下であることを示す。
【００９８】
その結果、実施例１〜１０で製造されたパワーモジュール用ベースでは、冷熱サイクル試験後にも絶縁板と回路板との間には広範囲にわたる剥離は発生していなかった。これに対し、比較例で製造されたパワーモジュール用ベースでは、冷熱サイクル試験後には絶縁板と回路板との間に広範囲にわたる剥離が発生していた。
【符号の説明】
【００９９】
(1)(30)(40)：パワーモジュール
(2)(31)(41)：パワーモジュール用ベース
(3)：パワーデバイス
(4)(20)(42)：絶縁回路基板
(5)：絶縁板
(6)：回路板
(7)：応力緩和部材
(8)：冷却器
(9)：貫通穴
(12)：残存ろう材層
(13)：Ｓｉ拡散層
(21)：ろう材溜穴
(22)：硬化ろう材
(43)：伝熱板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック製絶縁板と、絶縁板の一面にＳｉを含むろう材によりろう付された純アルミニウム製回路板とを備えた絶縁回路基板であって、
絶縁板と回路板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下である絶縁回路基板。
【請求項２】
回路板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴が形成されている請求項１記載の絶縁回路基板。
【請求項３】
絶縁板における回路板がろう付された面とは反対側の面に、Ｓｉを含むろう材により純アルミニウム製伝熱板がろう付され、絶縁板と伝熱板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、当該残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、当該残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下である請求項１または２記載の絶縁回路基板。
【請求項４】
伝熱板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴が形成されている請求項３記載の絶縁回路基板。
【請求項５】
請求項１または２記載の絶縁回路基板の絶縁板における回路板がろう付された面とは反対側の面が、Ｓｉを含むろう材によって純アルミニウム製応力緩和部材にろう付され、応力緩和部材における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が冷却器にろう付され、応力緩和部材と絶縁板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、当該残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、当該残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下であるパワーモジュール用ベース。
【請求項６】
請求項１または２記載の絶縁回路基板の絶縁板における回路板がろう付された面とは反対側の面が、Ｓｉを含むろう材によって純アルミニウム製冷却器にろう付され、冷却器と絶縁板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、当該残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、当該残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下であるパワーモジュール用ベース。
【請求項７】
請求項３または４記載の絶縁回路基板の伝熱板における絶縁板にろう付された面とは反対側の面がアルミニウム製応力緩和部材にろう付され、応力緩和部材における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が冷却器にろう付されているパワーモジュール用ベース。
【請求項８】
請求項５〜７のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板の回路板における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が、電子素子搭載部を有する配線面となされており、当該電子素子搭載部にパワーデバイスがはんだ付されているパワーモジュール。
【請求項９】
請求項５記載のパワーモジュール用ベースを製造する方法であって、
セラミックス製絶縁板、純アルミニウム製回路板、純アルミニウム製応力緩和部材および冷却器を用意し、絶縁板、回路板、応力緩和部材および冷却器を加圧しつつ加熱してろう付すること含み、絶縁板と回路板、および絶縁板と応力緩和部材とのろう付に、それぞれＳｉ７〜１３質量％およびＳｒ０．００３〜０．１質量％を含むＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材を使用することを特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１０】
絶縁板、回路板、応力緩和部材および冷却器に対する加圧力を、０．４〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とする請求項９記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１１】
請求項６記載のパワーモジュール用ベースを製造する方法であって、
セラミックス製絶縁板、純アルミニウム製回路板および純アルミニウム製冷却器を用意し、絶縁板、回路板および冷却器を加圧しつつ加熱してろう付すること含み、絶縁板と回路板、および絶縁板と冷却器とのろう付に、それぞれＳｉ７〜１３質量％およびＳｒ０．００３〜０．１質量％を含むＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材を使用することを特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１２】
絶縁板、回路板および冷却器に対する加圧力を、０．４〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とする請求項１１記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１３】
回路板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴を複数形成しておく請求項９〜１２のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１４】
回路板の全ろう材溜穴の内容積の合計をＸ、用いるろう材の体積をＹとした場合、０．１≦Ｘ／Ｙという関係を満たす請求項１３記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１５】
請求項７記載のパワーモジュール用ベースを製造する方法であって、
セラミックス製絶縁板、純アルミニウム製回路板、純アルミニウム製伝熱板、応力緩和部材および冷却器を用意し、絶縁板、回路板、伝熱板、応力緩和部材および冷却器を加圧しつつ加熱してろう付すること含み、絶縁板と回路板、および絶縁板と伝熱板とのろう付に、それぞれＳｉ７〜１３質量％およびＳｒ０．００３〜０．１質量％を含むＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材を使用することを特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１６】
絶縁板、回路板、伝熱板、応力緩和部材および冷却器に対する加圧力を、０．４〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とする請求項１５記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１７】
回路板および伝熱板に、それぞれ絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴を複数形成しておく請求項１５または１６記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１８】
回路板の全ろう材溜穴の内容積の合計をＸ、用いるろう材の体積をＹとした場合、０．１≦Ｘ／Ｙという関係を満たす請求項１７記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１９】
Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材が、さらにＢｉ０．０３〜０．２質量％を含む請求項９〜１８のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項２０】
ろう付温度まで加熱してろう材を溶融させた後冷却する際に、５８０℃から５６０℃までの冷却を、冷却速度５℃／ｍｉｎ以下で行う請求項９〜１９のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１】
セラミック製絶縁板と、絶縁板の一面にＳｉを含むろう材によりろう付された純アルミニウム製回路板とを備えた絶縁回路基板であって、
絶縁板と回路板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下である絶縁回路基板。
【請求項２】
回路板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴が形成されている請求項１記載の絶縁回路基板。
【請求項３】
絶縁板における回路板がろう付された面とは反対側の面に、Ｓｉを含むろう材により純アルミニウム製伝熱板がろう付され、絶縁板と伝熱板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、当該残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、当該残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下である請求項１または２記載の絶縁回路基板。
【請求項４】
伝熱板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴が形成されている請求項３記載の絶縁回路基板。
【請求項５】
請求項１または２記載の絶縁回路基板の絶縁板における回路板がろう付された面とは反対側の面が、Ｓｉを含むろう材によって純アルミニウム製応力緩和部材にろう付され、応力緩和部材における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が冷却器にろう付され、応力緩和部材と絶縁板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、当該残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、当該残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下であるパワーモジュール用ベース。
【請求項６】
請求項１または２記載の絶縁回路基板の絶縁板における回路板がろう付された面とは反対側の面が、Ｓｉを含むろう材によって純アルミニウム製冷却器にろう付され、冷却器と絶縁板との間にＳｉ粒子を含む残存ろう材層が存在しており、当該残存ろう材層の厚さが３μｍ以下であるとともに、当該残存ろう材層に含まれるＳｉ粒子の面積率が２０％以下であるパワーモジュール用ベース。
【請求項７】
請求項３または４記載の絶縁回路基板の伝熱板における絶縁板にろう付された面とは反対側の面がアルミニウム製応力緩和部材にろう付され、応力緩和部材における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が冷却器にろう付されているパワーモジュール用ベース。
【請求項８】
請求項５〜７のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの絶縁回路基板の回路板における絶縁板にろう付された面とは反対側の面が、電子素子搭載部を有する配線面となされており、当該電子素子搭載部にパワーデバイスがはんだ付されているパワーモジュール。
【請求項９】
請求項５記載のパワーモジュール用ベースを製造する方法であって、
セラミックス製絶縁板、純アルミニウム製回路板、純アルミニウム製応力緩和部材および冷却器を用意し、絶縁板、回路板、応力緩和部材および冷却器を加圧しつつ加熱してろう付すること含み、絶縁板と回路板、および絶縁板と応力緩和部材とのろう付に、それぞれＳｉ７〜１３質量％およびＳｒ０．００３〜０．１質量％を含むＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材を使用することを特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１０】
絶縁板、回路板、応力緩和部材および冷却器に対する加圧力を、０．４〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とする請求項９記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１１】
請求項６記載のパワーモジュール用ベースを製造する方法であって、
セラミックス製絶縁板、純アルミニウム製回路板および純アルミニウム製冷却器を用意し、絶縁板、回路板および冷却器を加圧しつつ加熱してろう付すること含み、絶縁板と回路板、および絶縁板と冷却器とのろう付に、それぞれＳｉ７〜１３質量％およびＳｒ０．００３〜０．１質量％を含むＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材を使用することを特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１２】
絶縁板、回路板および冷却器に対する加圧力を、０．４〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とする請求項１１記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１３】
回路板に、絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴を複数形成しておく請求項９〜１２のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１４】
回路板の全ろう材溜穴の内容積の合計をＸ、用いるろう材の体積をＹとした場合、０．１≦Ｘ／Ｙという関係を満たす請求項１３記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１５】
請求項７記載のパワーモジュール用ベースを製造する方法であって、
セラミックス製絶縁板、純アルミニウム製回路板、純アルミニウム製伝熱板、応力緩和部材および冷却器を用意し、絶縁板、回路板、伝熱板、応力緩和部材および冷却器を加圧しつつ加熱してろう付すること含み、絶縁板と回路板、および絶縁板と伝熱板とのろう付に、それぞれＳｉ７〜１３質量％およびＳｒ０．００３〜０．１質量％を含むＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材を使用することを特徴とするパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１６】
絶縁板、回路板、伝熱板、応力緩和部材および冷却器に対する加圧力を、０．４〜３ｋｇｆ／ｃｍ２とする請求項１５記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１７】
回路板および伝熱板に、それぞれ絶縁板へのろう付面に開口しかつ溶融した後硬化したろう材を溜めるろう材溜穴を複数形成しておく請求項１５または１６記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１８】
回路板の全ろう材溜穴の内容積の合計をＸ、用いるろう材の体積をＹとした場合、０．１≦Ｘ／Ｙという関係を満たす請求項１７記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項１９】
Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材が、さらにＢｉ０．０３〜０．２質量％を含む請求項９〜１８のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【請求項２０】
ろう付温度まで加熱してろう材を溶融させた後冷却する際に、５８０℃から５６０℃までの冷却を、冷却速度５℃／ｍｉｎ以下で行う請求項９〜１９のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１６９３１８（Ｐ２０１２−１６９３１８Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６７４１（Ｐ２０１１−２６７４１）
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
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