絶縁基板および絶縁基板の製造方法並びにパワーモジュール用基板およびパワーモジュール
【課題】パワーモジュールの大電流、高電圧化を実現するのに好適な絶縁基板および絶縁基板の製造方法並びにパワーモジュール用基板およびパワーモジュールを提供する。
【解決手段】セラミックス基板１２の表面側に導体パターン１３が配設された絶縁基板であって、導体パターン１３を構成する導体１７の外表面のうち、セラミックス基板１２の表面側から立上がる立上がり面１７ａは、セラミックス基板１２の表面に沿った方向に対して略垂直に立上がる構成とされ、導体パターン１３はセラミックス基板１２の表面にろう材２１により接合され、導体１７の立上がり面１７ａは、略全面がろう材２１により被覆されている。
【解決手段】セラミックス基板１２の表面側に導体パターン１３が配設された絶縁基板であって、導体パターン１３を構成する導体１７の外表面のうち、セラミックス基板１２の表面側から立上がる立上がり面１７ａは、セラミックス基板１２の表面に沿った方向に対して略垂直に立上がる構成とされ、導体パターン１３はセラミックス基板１２の表面にろう材２１により接合され、導体１７の立上がり面１７ａは、略全面がろう材２１により被覆されている。
【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に好適な絶縁基板および絶縁基板の製造方法並びにパワーモジュール用基板およびパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のパワーモジュールは一般に、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等により形成されたセラミックス基板の一方の表面側に、純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成された導体パターンが配設された絶縁基板と、前記セラミックス基板の他方の表面側に配設された放熱体と、前記導体パターンの、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された発熱体と、前記放熱体の、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された冷却シンク部とを備え、前記発熱体からの熱を前記放熱体および冷却シンク部を介して外部へ放散させる構成となっている。
【０００３】
このように構成されたパワーモジュールの前記絶縁基板は、次のようにして形成される。すなわち、セラミックス基板の表面に、純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成された板状の回路層をはんだ付け若しくはろう付けにより接合した後に、この回路層にエッチング処理を施して導体パターンを形成することにより形成されている。ここで、エッチング処理によって形成された導体パターンは、この上面（発熱体側）から下面（セラミックス基板側）に向うに漸次幅が広くなっている。
【０００４】
ところで近年、パワーモジュールは、さらなる大電流、高電圧化、さらにはコンパクト化、すなわち導体パターンを構成する導体の幅を狭くし、かつ該導体同士の間隔を狭くすることが要求されている。
まず、前者の要求に応えるためには、導体パターンの導通面積を大きくする必要がある。しかしながら、この導通面積の大形化を図るには、このパワーモジュールを組み込む装置自体の設計上の制約等があるため、セラミックス基板の外形寸法を大きくすることができず、したがって、導体の幅は大きくできず、この厚さを大きくせざるを得ないことになる。この場合に、前述のようにエッチング処理を施して導体パターンを形成すると、導体の下面側の幅が、厚さを大きくした分大きくなり、このため、前記後者の要求仕様としてのコンパクト化を図ることができず、前記各要求仕様を両者ともに満たすことが困難であるという問題があった。
また、導体の厚さを厚くしたことにより、エッチング処理の工数の増大を招来し、パワーモジュールの製造コストの増大を生じさせるといった問題があった。
【０００５】
ここで、本願発明の属する技術分野と異なる技術分野ではあるが、前述した問題と近似する問題を解決し得る発明が下記特許文献１に開示されている。すなわち、ベース絶縁層と接着用絶縁層と導体パターンとをこの順に備えた絶縁基板の製造方法であって、Ｂステージ状態にある接着用絶縁層の表面に、板材にプレス打抜き等を施して得られた導体パターン部材（導体）を整列状態で載置した後に、これらを加圧することにより接着用絶縁層と導体パターン部材とを接合し、接着用絶縁層の表面に導体パターンを配設するものである。このようにして形成された絶縁基板にあっては、導体パターンを構成する導体の側面（接着用絶縁層の表面から立上がる表面）は、略全面が露出した状態となる。
【特許文献１】特開平１１−１８６６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１記載の発明のように、導体パターン部材（導体）をプレス打抜きにより形成すると、この切断面は、切断方向後方側、つまり１次せん断面（厚さの約３分の２）は表面粗さが小さくなるが、切断方向前方側、つまり２次せん断面（厚さの約３分の１）は表面粗さが大きくなる。この場合、前記特許文献１記載の発明を適用して絶縁基板を形成し、この絶縁基板を用いてパワーモジュールを形成してこれを使用すると、前記２次せん断面の起伏が特異点となりこの部分を起点としてスパークが発生し、この導体の隣に位置する導体と通電する等、パワーモジュールの適正な使用を阻害する場合があった。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、パワーモジュールの大電流、高電圧化を実現することができるとともに、このような構成においても、絶縁基板の大形化を抑制することができ、さらに、低コスト生産を実現することができる絶縁基板および絶縁基板の製造方法並びにパワーモジュール用基板および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】
【０００８】
前記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、セラミックス基板の表面側に導体パターンが配設された絶縁基板であって、前記導体パターンを構成する導体の外表面のうち、前記セラミックス基板の表面側から立上がる立上がり面は、前記セラミックス基板の表面に沿った方向に対して略垂直に立上がる構成とされ、前記導体パターンは、前記セラミックス基板の表面にろう材により接合され、前記導体の前記立上がり面は少なくとも、この立上がり面が前記セラミックス基板の表面側から立上がる立上がり方向の下側が前記ろう材により被覆されていることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、導体パターンを構成する導体が前記立上がり面を備えているので、この導体の厚さを厚くして、導体パターンの大電流、高電圧化を図った構成においても、導体の幅がこの厚さの増加分だけ広くなることが抑制される。したがって、導体パターンの細線化、および大電流、高電圧化の双方を実現することができる。
また、導体パターンはセラミックス基板の表面側にろう材により接合され、かつ導体パターンを構成する導体の前記立上がり面は少なくとも、前記下側がこのろう材により被覆されているので、導体パターンとセラミックス基板の表面側との接合強度の向上を図ることができる。さらに、立上がり面の前記下側の表面粗さが大きくされた場合においても、この表面がろう材により被覆されることになるので、この絶縁基板を有するパワーモジュールを使用するに際して、前記下側における表面の起伏が特異点となりこの部分を起点としてスパークが発生し、この導体の隣に位置する導体と通電する等、パワーモジュールの適正な使用を阻害する事態の発生を抑制することができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の絶縁基板において、請求項１記載の絶縁基板において、前記導体の前記立上がり面は、この立上がり面が前記セラミックス基板の表面側から立上がる立上がり方向の下側の表面粗さが上側の表面粗さより大きくされていることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、導体の前記立上がり面が、前記立上がり方向の下側（導体の、セラミックス基板と対向する表面、すなわち下面側）の表面粗さが上側（導体の、セラミックス基板と対向する表面の反対側の表面、すなわち上面側）の表面粗さより大きくされているので、この導体の前記下側におけるろう材の接合力が高くなり、導体パターンとセラミックス基板の表面側との接合強度がさらに向上される。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の絶縁基板において、前記立上がり面を被覆した前記ろう材の表面は、算術平均粗さＲａが５μｍより小さく、または最大高さＲｙが４０μｍより小さく、または十点平均粗さＲｚが３０μｍより小さくされていることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、立上がり面を被覆した前記ろう材の表面粗さが前記範囲とされているので、このろう材の表面に異物が付着することを抑制することが可能になり、この絶縁基板の外観不良の発生を低減することができるとともに、隣合う導体同士が通電することを抑制する、つまり耐圧の向上を図ることができる。
【００１４】
請求項４に係る発明は、セラミックス基板の表面に導体パターンが配設された絶縁基板の製造方法であって、板材を厚さ方向にせん断加工によって切断し、切断面を有する導体パターン部材を形成する導体パターン部材形成工程と、前記導体パターン部材を、前記切断面が、切断方向前方側から後方側に向って、前記セラミックス基板の表面側から立上がるように、前記セラミックス基板の表面にろう材を介して載置し積層体とする載置工程と、前記積層体を積層方向に加熱した状態で加圧し、前記ろう材により前記セラミックス基板と前記導体パターン部材とを接合する接合工程とを有することを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、前記導体パターン部材形成工程では、形成される導体パターン部材が切断面を有し、この切断面の切断方向後方側は表面粗さが小さく、前方側は表面粗さが大きくなり、また、この次工程としての前記載置工程では、導体パターン部材を、切断面が、表面粗さの大きい切断方向前方側から表面粗さの小さい切断方向後方側に向って、セラミックス基板の表面側から立上がるように、このセラミックス基板の表面にろう材を介して載置して積層体とし、その後、次工程としての前記接合工程で、積層体を積層方向に加圧して加熱することによって、ろう材により導体パターン部材とセラミックス基板の表面側とを接合する。
【００１６】
この接合工程において、導体パターン部材の切断面における切断方向前端と、ろう材とを密接させた状態で加熱し、ろう材を溶融させるので、導体パターン部材の前記前端の周辺部に位置するろう材を含めて、溶融状態にあるろう材が、表面粗さの大きい切断面の切断方向前方側において、表面張力によって凝集され、さらに、このろう材が切断面を切断方向の後方側に向って徐々に昇ることになる。したがって、この立上がり面の略全域がろう材により被覆された絶縁基板が得られる。
【００１７】
また、導体パターン部材の切断面の切断方向前端部で硬化したろう材は、この切断面の略全域を被覆するろう材のうち、最も厚さが厚くなり、またこの外表面は側面視で曲面形状になる。したがって、この絶縁基板を有するパワーモジュールを温度サイクル下で使用した場合でも、応力集中が軽減され、導体パターンとセラミックス基板の表面側との接合界面に亀裂等が発生することを抑制することができ、このパワーモジュールの長寿命化を図ることができる。
【００１８】
さらに、この製造方法では、エッチング処理によって導体パターンを形成しないので、パワーモジュールの大電流、高電圧化を図るために、導体パターン部材の厚さを厚くしたことによる、エッチング処理の工数の増大を招来したり、導体パターンを構成する導体の広幅化を併発するといった弊害の発生はない。したがって、大電流、高電圧化が図られたパワーモジュールをコンパクトに、かつ低コストで提供することが可能になる。
【００１９】
請求項５に係る発明は、セラミックス基板の一方の表面側に導体パターンが配設された絶縁基板と、前記セラミックス基板の他方の表面側に配設された放熱体と、前記導体パターンの、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された発熱体とを備え、前記放熱体は、前記発熱体からの熱を外部へ放散させる構成とされたパワーモジュール用基板であって、前記絶縁基板は、請求項１から３のいずれかに記載の絶縁基板からなることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に係る発明は、セラミックス基板の一方の表面側に導体パターンが配設された絶縁基板と、前記セラミックス基板の他方の表面側に配設された放熱体と、前記導体パターンの、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された発熱体と、前記放熱体の、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された冷却シンク部とを備え、前記発熱体からの熱を前記放熱体および前記冷却シンク部を介して外部へ放散させる構成とされたパワーモジュールであって、前記絶縁基板は、請求項１から３のいずれかに記載の絶縁基板からなることを特徴とする。
【００２１】
これらの発明によれば、導体パターンの細線化、および大電流、高電圧化の双方を実現することができるとともに、導体パターンとセラミックス基板の表面側との接合強度の向上を図ることができる。さらに、導体の前記立上がり面が略全面、ろう材により被覆されているので、この絶縁基板を有するパワーモジュールを使用するに際して、前記立上がり面の表面の起伏が特異点となりこの部分を起点としてスパークが発生し、この導体の隣に位置する導体と通電する等、パワーモジュールの適正な使用を阻害する事態の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２２】
この発明に係る絶縁基板並びにパワーモジュール用基板およびパワーモジュールによれば、導体パターンの細線化、および大電流、高電圧化の双方を実現することができるとともに、導体パターンとセラミックス基板の表面側との接合強度の向上を図ることができる。さらに、導体の前記立上がり面にバリが発生していた場合においても、パワーモジュールの適正な使用を阻害する事態の発生を抑制することができる。
【００２３】
また、この発明に係る絶縁基板の製造方法によれば、導体パターンを構成する導体の立上がり面が略全域、ろう材により被覆された絶縁基板を形成することができる。さらに、この絶縁基板を有するパワーモジュールを温度サイクル下で使用した場合でも、応力集中が軽減され、導体パターンとセラミックス基板の表面側との接合界面に亀裂等が発生することを抑制できる絶縁基板を形成することができる。また、このようなパワーモジュールを低コストで提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施形態に係る絶縁基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
このパワーモジュール４０は、大別すると図１に示すように、パワーモジュール用基板１１と冷却シンク部３０とを備えている。
【００２５】
パワーモジュール用基板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等により形成されたセラミックス基板１２の一方の表面（以下、単に「上面」という）側に導体パターン１３が配設された絶縁基板１０と、セラミックス基板１２の他方の表面（以下、単に「下面」という）側に配設された放熱体１４と、導体パターン１３の、セラミックス基板１２と対向する表面と反対側の表面（以下、単に「上面」という）に配設された半導体チップ（発熱体）１５とを備えている。
そして、放熱体１４の、セラミックス基板１２と対向する表面（以下、単に「上面」という）と反対側の表面（以下、単に「下面」という）に、冷却シンク部３０が密接した状態で配設されている。
【００２６】
なお、本実施形態では、セラミックス基板１２の下面側には、放熱体１４との間に金属層１６が配設されており、絶縁基板１０は、セラミックス基板１２と導体パターン１３と金属層１６とを備える構成となっている。
【００２７】
導体パターン１３および金属層１６は純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成されている。そして、これらの導体パターン１３および金属層１６は、Ａｌ−Ｓｉ系若しくはＡｌ−Ｇｅ系のろう材２１によりセラミックス基板１２の上下面に各別に接合されている。
また、半導体チップ１５は、はんだ２２により導体パターン１３の上面に接合され、金属層１６の下面（放熱体１４と対向する表面）もはんだ２２、若しくはろう付けや拡散接合により放熱体１４の上面に接合されている。
【００２８】
以上により、パワーモジュール４０が構成され、半導体チップ１５からの熱を放熱体１４および冷却シンク部３０を介して外部へ放散できるようになっている。
ここで、冷却シンク部３０の内部には、冷却液や冷却空気などの冷媒３１を供給および回収する図示しない冷媒循環手段と連結された流通孔３２が形成されており、この流通孔３２内に供給された冷媒３１により、半導体チップ１５から放熱体１４に伝導された熱を回収し、この熱を回収した冷媒３１を前記冷媒循環手段が回収するとともに、新たな冷媒３１を供給し、以上を繰返すことにより、半導体チップ１５からの熱をパワーモジュール４０から放散させるようになっている。
【００２９】
ここで、セラミックス基板１２の厚さは０．２５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とされ、導体パターン１３の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とされ、金属層１６の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とされ、セラミックス基板１２の上下面にそれぞれ、導体パターン１３および金属層１６を接合するろう材２１の厚さは０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下とされている。
【００３０】
本実施形態では、導体パターン１３は板状の２つの導体１７を備え、これらの導体１７がセラミックス基板１２の上面側に整列された状態でろう材２１により接合された構成となっている。なお、導体１７同士の間隔は０．１ｍｍ以上とされている。そして、図２に示すように、これらの導体１７の外表面のうち、セラミックス基板１２の上面側から立上がる立上がり面１７ａは、セラミックス基板１２の上面に沿った方向に対して略垂直に立上がる構成となっており、この立上がり面１７ａの略全面がろう材２１により被覆されている。
ここで、立上がり面１７ａを被覆したろう材２１の表面は、図３に示すように、算術平均粗さＲａが５μｍより小さく、最大高さＲｙが４０μｍより小さく、十点平均粗さＲｚが３０μｍより小さくされている。この図３は、ろう材２１により被覆された複数の立上がり面１７ａのうち、６個所で前記Ｒａ、Ｒｙ、およびＲｚを測定した結果を示すものである。なお、Ｒａ、ＲｙおよびＲｚは、測定器として株式会社ミツトヨ製サーフテスト５０１を用いるとともに、測定子として株式会社ミツトヨ製１７８−３８２（軟物質用）を用いて測定した。このうち、Ｒａの測定条件は、測定レンジを８０μｍ、カットオフ値を０．８ｍｍ、区間数を５とし、ＪＩＳ Ｂ０６５１に準拠した。また、ＲｙおよびＲｚの測定条件はＤＩＮ規格に準拠した。
【００３１】
また、導体１７は、後述するように、純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成された板材を厚さ方向に切断することにより形成され、このときに得られた切断面が立上がり面１７ａとなっている。そして、この立上がり面１７ａは、導体１７を前記切断により形成する際の切断方向の前方から後方に向って、セラミックス基板１２の上面側から立上がった構成となっている。
【００３２】
ここで、立上がり面１７ａにおいては、切断加工時に、切断方向前方側１７ｂの表面粗さが、切断方向後方側１７ｃの表面粗さより大きくなる。この立上がり面１７ａにおける切断方向前方側１７ｂとは、立上がり面１７ａの切断方向前方端から、後方側１７ｃに向って、導体１７の全体の厚さの約３分の１までの領域、いわゆる２次せん断面をいい、また、切断方向後方１７ｃとは、切断方向前方１７ｂの切断方向後端から、立上がり面１７ａの切断方向後端までの領域、いわゆる１次せん断面をいう。なお、切断方向前方１７ｂの表面粗さは、Ｒｚ３０μｍ以上とされ、切断方向後方１７ｃの表面粗さは、Ｒｚ３０μｍ以下となっている。
【００３３】
したがって、導体１７の立上がり面１７ａは、この立上がり面１７ａがセラミックス基板１２の上面側から立上がる立上がり方向の下側１７ｂ（導体１７の、セラミックス基板１２と対向する表面側、すなわち下面側）の表面粗さが、上側１７ｃ（導体１７の上面側）の表面粗さより大きくなっている。
そして、この立上がり面１７ａの下側１７ｂの下端部に位置するろう材２１は、この立上がり面１７ａの略全域を被覆するろう材２１のうち、最も厚さが厚くなり、またこの外表面は、図２に示すように、凹曲面状になっている。
【００３４】
次に、以上のように構成されたパワーモジュール４０の絶縁基板１０の製造方法について説明する。
まず、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる板材を所定の大きさとなるように、厚さ方向にせん断加工によって切断し、導体１７（導体パターン部材）を形成する（導体パターン部材形成工程）。この際に得られた切断面が立上がり面１７ａとなる。
次に、この導体１７を、立上がり面１７ａが切断方向前方１７ｂから後方１７ｃに向って、セラミックス基板１２の上面側から立上がるように、セラミックス基板１２の上面にろう材２１を介して所望の整列状態で載置する。この一方、セラミックス基板１２の下面にろう材２１を介して金属層１６を配置し、以上により、金属層１６と、ろう材２１と、セラミックス基板１２と、ろう材２１と、整列とされた導体１７とがこの順で載置された積層体とする（載置工程）。
そして、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、導体１７の立上がり面１７ａにおける切断方向前方１７ｂの前端と、ろう材２１とを密接させた状態で、ろう材２１を溶融後硬化させることによって、セラミックス基板１２の上面側と導体１７とを接合するとともに、セラミックス基板１２の下面側と金属層１６とを接合し（接合工程）、絶縁基板１２を形成する。
その後、絶縁基板１０の外表面を洗浄するために必要に応じてエッチング処理を施してもよい。
【００３５】
ここで、前記接合工程における具体的な実施例について説明する。
まず、材質については、金属層１６を純Ａｌ、ろう材２１をＡｌ−Ｓｉ系、セラミックス基板１２をＡｌＮ、導体１７を純Ａｌにより形成した。次に、厚さについては、金属層１６を約０．６ｍｍ、ろう材２１を約０．０１ｍｍ、セラミックス基板１２を約０．６３５ｍｍ、導体１７を約０．６ｍｍとした。また、導体１７同士の間隔を約１．０ｍｍとした。
そして、前記積層体を６３０℃の真空中に置いた状態で、１時間、積層方向に０．３ＭＰａ加圧した。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態による絶縁基板並びにパワーモジュール用基板およびパワーモジュールによれば、導体パターン１３を構成する導体１７が立上がり面１７ａを備えているので、この導体１７の厚さを厚くして、導体パターン１３の大電流、高電圧化を図った構成においても、導体１７の幅がこの厚さの増加分だけ広くなることが抑制される。したがって、導体パターン１３の細線化、および大電流、高電圧化の双方を実現することができる。
【００３７】
また、導体パターン１７はセラミックス基板１２の上面側にろう材２１により接合され、かつ導体１７の立上がり面１７ａは、略全面がこのろう材２１により被覆されているので、導体パターン１７とセラミックス基板１２の上面側との接合強度の向上を図ることができる。さらに、導体１７の立上がり面１７ａの表面粗さが大きくされた場合においても、この表面がろう材２１により被覆されることになるので、この絶縁基板１２を有するパワーモジュール４０を使用するに際して、立上がり面１７ａの起伏が特異点となりこの部分を起点としてスパークが発生し、この導体１７の隣に位置する導体１７と通電する等、パワーモジュール４０の適正な使用を阻害する事態の発生を抑制することができる。
【００３８】
さらに、導体１７の立上がり面１７ａが、立上がり方向の下側１７ｂの表面粗さが上側１７ｃの表面粗さより大きくなっているので、この導体１７の下側１７ｂにおけるろう材２１の接合力が高くなり、導体パターン１３とセラミックス基板１２の上面側との接合強度をさらに向上することができる。
さらにまた、立上がり面１７ａを被覆したろう材２１の表面粗さが前記範囲とされているので、このろう材２１の表面に異物が付着することを抑制することが可能になり、この絶縁基板１０の外観不良の発生を低減することができるとともに、隣合う導体１７同士が通電することを抑制する、つまり耐圧の向上を図ることができる。
【００３９】
また、前記接合工程において、導体１７の立上がり面１７ａにおける切断方向前方１７ｂの前端と、ろう材２１とを密接させた状態で加熱して、ろう材を溶融させるので、導体１７の前記前端の周辺部に位置するろう材２１を含めて、溶融状態にあるろう材２１が、表面粗さの大きい切断方向前方１７ｂにおいて、表面張力により凝集され、さらに、このろう材２１が立上がり面１７ａの切断方向後方１７ｃに向って徐々に昇ることになる。したがって、この立上がり面１７ａの略全域がろう材２１により被覆された絶縁基板１０を形成することができる。
【００４０】
さらに、前述のように、溶融したろう材２１が導体１７の立上がり面１７ａの略全面に至ることになるので、切断方向前方１７ｂの前端部で硬化したろう材２１は、この立上がり面１７ａの略全域を被覆するろう材２１のうち、最も厚さが厚くなり、またこの外表面は側面視で凹曲面状になる（フィレットが形成される）。したがって、この絶縁基板１０を有するパワーモジュール４０を温度サイクル下で使用した場合でも、導体パターン１３とセラミックス基板１２の上面側との接合界面に応力集中による亀裂等が発生することを抑制することができ、このパワーモジュール４０の長寿命化を図ることができる。
【００４１】
さらにまた、本実施形態による絶縁基板１０の製造方法では、エッチング処理によって導体パターン１３を形成しないので、パワーモジュール４０の大電流、高電圧化を図るために、導体１７の厚さを厚くしたことによる、エッチング処理の工数の増大を招来したり、導体パターンを構成する導体の広幅化を併発するといった弊害の発生はない。したがって、大電流、高電圧化が図られたパワーモジュール４０をコンパクトに、かつ低コストで提供することが可能になる。
【００４２】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態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、前記実施形態では立上がり面１７ａを切断面としたが、必ずしも切断面に限られるものではない。
また、立上がり面１７ａを切断面とすることにより、前記実施形態の作用効果を全て有することになるが、この場合、全ての立上がり面１７ａを切断面とする必要はなく、少なくとも一面が切断面であれば前記実施形態と同様の作用効果を有することになる。
さらに、前記接合工程において、溶融状態にあるろう材２１を導体１７の下面側から上面側に向けて立上がり面１７ａ上を昇らせたが、この際に、導体１７の上面に至らせるようにしてもよい。
また、立上がり面１７ａの略全面がろう材２１に被覆された構成を示したが、立上がり面１７ａのうち少なくとも切断方向前方側１７ｂが被覆されていればよい。
さらに、前記実施形態では、算術平均粗さＲａが５μｍより小さく、最大高さＲｙが４０μｍより小さく、十点平均粗さＲｚが３０μｍより小さくされた構成を示したが、Ｒａ、Ｒｙ、およびＲｚのうち、少なくとも一つが前記範囲とされていればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
パワーモジュールの大電流、高電圧化を実現することができるとともに、このような構成においても、絶縁基板の大形化を抑制することができ、さらに、低コスト生産を実現することができる絶縁基板および絶縁基板の製造方法並びにパワーモジュール用基板およびパワーモジュールを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】この発明の一実施形態に係る絶縁基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】図１に示すＡ部拡大図である。
【図３】図１に示す立上がり面を被覆するろう材のＲａ、Ｒｙ、およびＲｚを測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０ 絶縁基板
１１ パワーモジュール用基板
１２ セラミックス基板
１３ 導体パターン
１４ 放熱体
１５ 発熱体
１７ 導体（導体パターン部材）
１７ａ 立上がり面
１７ｂ 立上がり方向の下側、切断方向前方
１７ｃ 立上がり方向の上側、切断方向後方
２１ ろう材
３０ 冷却シンク部
４０ パワーモジュール
【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に好適な絶縁基板および絶縁基板の製造方法並びにパワーモジュール用基板およびパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のパワーモジュールは一般に、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等により形成されたセラミックス基板の一方の表面側に、純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成された導体パターンが配設された絶縁基板と、前記セラミックス基板の他方の表面側に配設された放熱体と、前記導体パターンの、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された発熱体と、前記放熱体の、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された冷却シンク部とを備え、前記発熱体からの熱を前記放熱体および冷却シンク部を介して外部へ放散させる構成となっている。
【０００３】
このように構成されたパワーモジュールの前記絶縁基板は、次のようにして形成される。すなわち、セラミックス基板の表面に、純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成された板状の回路層をはんだ付け若しくはろう付けにより接合した後に、この回路層にエッチング処理を施して導体パターンを形成することにより形成されている。ここで、エッチング処理によって形成された導体パターンは、この上面（発熱体側）から下面（セラミックス基板側）に向うに漸次幅が広くなっている。
【０００４】
ところで近年、パワーモジュールは、さらなる大電流、高電圧化、さらにはコンパクト化、すなわち導体パターンを構成する導体の幅を狭くし、かつ該導体同士の間隔を狭くすることが要求されている。
まず、前者の要求に応えるためには、導体パターンの導通面積を大きくする必要がある。しかしながら、この導通面積の大形化を図るには、このパワーモジュールを組み込む装置自体の設計上の制約等があるため、セラミックス基板の外形寸法を大きくすることができず、したがって、導体の幅は大きくできず、この厚さを大きくせざるを得ないことになる。この場合に、前述のようにエッチング処理を施して導体パターンを形成すると、導体の下面側の幅が、厚さを大きくした分大きくなり、このため、前記後者の要求仕様としてのコンパクト化を図ることができず、前記各要求仕様を両者ともに満たすことが困難であるという問題があった。
また、導体の厚さを厚くしたことにより、エッチング処理の工数の増大を招来し、パワーモジュールの製造コストの増大を生じさせるといった問題があった。
【０００５】
ここで、本願発明の属する技術分野と異なる技術分野ではあるが、前述した問題と近似する問題を解決し得る発明が下記特許文献１に開示されている。すなわち、ベース絶縁層と接着用絶縁層と導体パターンとをこの順に備えた絶縁基板の製造方法であって、Ｂステージ状態にある接着用絶縁層の表面に、板材にプレス打抜き等を施して得られた導体パターン部材（導体）を整列状態で載置した後に、これらを加圧することにより接着用絶縁層と導体パターン部材とを接合し、接着用絶縁層の表面に導体パターンを配設するものである。このようにして形成された絶縁基板にあっては、導体パターンを構成する導体の側面（接着用絶縁層の表面から立上がる表面）は、略全面が露出した状態となる。
【特許文献１】特開平１１−１８６６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１記載の発明のように、導体パターン部材（導体）をプレス打抜きにより形成すると、この切断面は、切断方向後方側、つまり１次せん断面（厚さの約３分の２）は表面粗さが小さくなるが、切断方向前方側、つまり２次せん断面（厚さの約３分の１）は表面粗さが大きくなる。この場合、前記特許文献１記載の発明を適用して絶縁基板を形成し、この絶縁基板を用いてパワーモジュールを形成してこれを使用すると、前記２次せん断面の起伏が特異点となりこの部分を起点としてスパークが発生し、この導体の隣に位置する導体と通電する等、パワーモジュールの適正な使用を阻害する場合があった。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、パワーモジュールの大電流、高電圧化を実現することができるとともに、このような構成においても、絶縁基板の大形化を抑制することができ、さらに、低コスト生産を実現することができる絶縁基板および絶縁基板の製造方法並びにパワーモジュール用基板および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】
【０００８】
前記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、セラミックス基板の表面側に導体パターンが配設された絶縁基板であって、前記導体パターンを構成する導体の外表面のうち、前記セラミックス基板の表面側から立上がる立上がり面は、前記セラミックス基板の表面に沿った方向に対して略垂直に立上がる構成とされ、前記導体パターンは、前記セラミックス基板の表面にろう材により接合され、前記導体の前記立上がり面は少なくとも、この立上がり面が前記セラミックス基板の表面側から立上がる立上がり方向の下側が前記ろう材により被覆されていることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、導体パターンを構成する導体が前記立上がり面を備えているので、この導体の厚さを厚くして、導体パターンの大電流、高電圧化を図った構成においても、導体の幅がこの厚さの増加分だけ広くなることが抑制される。したがって、導体パターンの細線化、および大電流、高電圧化の双方を実現することができる。
また、導体パターンはセラミックス基板の表面側にろう材により接合され、かつ導体パターンを構成する導体の前記立上がり面は少なくとも、前記下側がこのろう材により被覆されているので、導体パターンとセラミックス基板の表面側との接合強度の向上を図ることができる。さらに、立上がり面の前記下側の表面粗さが大きくされた場合においても、この表面がろう材により被覆されることになるので、この絶縁基板を有するパワーモジュールを使用するに際して、前記下側における表面の起伏が特異点となりこの部分を起点としてスパークが発生し、この導体の隣に位置する導体と通電する等、パワーモジュールの適正な使用を阻害する事態の発生を抑制することができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の絶縁基板において、請求項１記載の絶縁基板において、前記導体の前記立上がり面は、この立上がり面が前記セラミックス基板の表面側から立上がる立上がり方向の下側の表面粗さが上側の表面粗さより大きくされていることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、導体の前記立上がり面が、前記立上がり方向の下側（導体の、セラミックス基板と対向する表面、すなわち下面側）の表面粗さが上側（導体の、セラミックス基板と対向する表面の反対側の表面、すなわち上面側）の表面粗さより大きくされているので、この導体の前記下側におけるろう材の接合力が高くなり、導体パターンとセラミックス基板の表面側との接合強度がさらに向上される。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の絶縁基板において、前記立上がり面を被覆した前記ろう材の表面は、算術平均粗さＲａが５μｍより小さく、または最大高さＲｙが４０μｍより小さく、または十点平均粗さＲｚが３０μｍより小さくされていることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、立上がり面を被覆した前記ろう材の表面粗さが前記範囲とされているので、このろう材の表面に異物が付着することを抑制することが可能になり、この絶縁基板の外観不良の発生を低減することができるとともに、隣合う導体同士が通電することを抑制する、つまり耐圧の向上を図ることができる。
【００１４】
請求項４に係る発明は、セラミックス基板の表面に導体パターンが配設された絶縁基板の製造方法であって、板材を厚さ方向にせん断加工によって切断し、切断面を有する導体パターン部材を形成する導体パターン部材形成工程と、前記導体パターン部材を、前記切断面が、切断方向前方側から後方側に向って、前記セラミックス基板の表面側から立上がるように、前記セラミックス基板の表面にろう材を介して載置し積層体とする載置工程と、前記積層体を積層方向に加熱した状態で加圧し、前記ろう材により前記セラミックス基板と前記導体パターン部材とを接合する接合工程とを有することを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、前記導体パターン部材形成工程では、形成される導体パターン部材が切断面を有し、この切断面の切断方向後方側は表面粗さが小さく、前方側は表面粗さが大きくなり、また、この次工程としての前記載置工程では、導体パターン部材を、切断面が、表面粗さの大きい切断方向前方側から表面粗さの小さい切断方向後方側に向って、セラミックス基板の表面側から立上がるように、このセラミックス基板の表面にろう材を介して載置して積層体とし、その後、次工程としての前記接合工程で、積層体を積層方向に加圧して加熱することによって、ろう材により導体パターン部材とセラミックス基板の表面側とを接合する。
【００１６】
この接合工程において、導体パターン部材の切断面における切断方向前端と、ろう材とを密接させた状態で加熱し、ろう材を溶融させるので、導体パターン部材の前記前端の周辺部に位置するろう材を含めて、溶融状態にあるろう材が、表面粗さの大きい切断面の切断方向前方側において、表面張力によって凝集され、さらに、このろう材が切断面を切断方向の後方側に向って徐々に昇ることになる。したがって、この立上がり面の略全域がろう材により被覆された絶縁基板が得られる。
【００１７】
また、導体パターン部材の切断面の切断方向前端部で硬化したろう材は、この切断面の略全域を被覆するろう材のうち、最も厚さが厚くなり、またこの外表面は側面視で曲面形状になる。したがって、この絶縁基板を有するパワーモジュールを温度サイクル下で使用した場合でも、応力集中が軽減され、導体パターンとセラミックス基板の表面側との接合界面に亀裂等が発生することを抑制することができ、このパワーモジュールの長寿命化を図ることができる。
【００１８】
さらに、この製造方法では、エッチング処理によって導体パターンを形成しないので、パワーモジュールの大電流、高電圧化を図るために、導体パターン部材の厚さを厚くしたことによる、エッチング処理の工数の増大を招来したり、導体パターンを構成する導体の広幅化を併発するといった弊害の発生はない。したがって、大電流、高電圧化が図られたパワーモジュールをコンパクトに、かつ低コストで提供することが可能になる。
【００１９】
請求項５に係る発明は、セラミックス基板の一方の表面側に導体パターンが配設された絶縁基板と、前記セラミックス基板の他方の表面側に配設された放熱体と、前記導体パターンの、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された発熱体とを備え、前記放熱体は、前記発熱体からの熱を外部へ放散させる構成とされたパワーモジュール用基板であって、前記絶縁基板は、請求項１から３のいずれかに記載の絶縁基板からなることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に係る発明は、セラミックス基板の一方の表面側に導体パターンが配設された絶縁基板と、前記セラミックス基板の他方の表面側に配設された放熱体と、前記導体パターンの、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された発熱体と、前記放熱体の、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された冷却シンク部とを備え、前記発熱体からの熱を前記放熱体および前記冷却シンク部を介して外部へ放散させる構成とされたパワーモジュールであって、前記絶縁基板は、請求項１から３のいずれかに記載の絶縁基板からなることを特徴とする。
【００２１】
これらの発明によれば、導体パターンの細線化、および大電流、高電圧化の双方を実現することができるとともに、導体パターンとセラミックス基板の表面側との接合強度の向上を図ることができる。さらに、導体の前記立上がり面が略全面、ろう材により被覆されているので、この絶縁基板を有するパワーモジュールを使用するに際して、前記立上がり面の表面の起伏が特異点となりこの部分を起点としてスパークが発生し、この導体の隣に位置する導体と通電する等、パワーモジュールの適正な使用を阻害する事態の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２２】
この発明に係る絶縁基板並びにパワーモジュール用基板およびパワーモジュールによれば、導体パターンの細線化、および大電流、高電圧化の双方を実現することができるとともに、導体パターンとセラミックス基板の表面側との接合強度の向上を図ることができる。さらに、導体の前記立上がり面にバリが発生していた場合においても、パワーモジュールの適正な使用を阻害する事態の発生を抑制することができる。
【００２３】
また、この発明に係る絶縁基板の製造方法によれば、導体パターンを構成する導体の立上がり面が略全域、ろう材により被覆された絶縁基板を形成することができる。さらに、この絶縁基板を有するパワーモジュールを温度サイクル下で使用した場合でも、応力集中が軽減され、導体パターンとセラミックス基板の表面側との接合界面に亀裂等が発生することを抑制できる絶縁基板を形成することができる。また、このようなパワーモジュールを低コストで提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施形態に係る絶縁基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
このパワーモジュール４０は、大別すると図１に示すように、パワーモジュール用基板１１と冷却シンク部３０とを備えている。
【００２５】
パワーモジュール用基板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等により形成されたセラミックス基板１２の一方の表面（以下、単に「上面」という）側に導体パターン１３が配設された絶縁基板１０と、セラミックス基板１２の他方の表面（以下、単に「下面」という）側に配設された放熱体１４と、導体パターン１３の、セラミックス基板１２と対向する表面と反対側の表面（以下、単に「上面」という）に配設された半導体チップ（発熱体）１５とを備えている。
そして、放熱体１４の、セラミックス基板１２と対向する表面（以下、単に「上面」という）と反対側の表面（以下、単に「下面」という）に、冷却シンク部３０が密接した状態で配設されている。
【００２６】
なお、本実施形態では、セラミックス基板１２の下面側には、放熱体１４との間に金属層１６が配設されており、絶縁基板１０は、セラミックス基板１２と導体パターン１３と金属層１６とを備える構成となっている。
【００２７】
導体パターン１３および金属層１６は純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成されている。そして、これらの導体パターン１３および金属層１６は、Ａｌ−Ｓｉ系若しくはＡｌ−Ｇｅ系のろう材２１によりセラミックス基板１２の上下面に各別に接合されている。
また、半導体チップ１５は、はんだ２２により導体パターン１３の上面に接合され、金属層１６の下面（放熱体１４と対向する表面）もはんだ２２、若しくはろう付けや拡散接合により放熱体１４の上面に接合されている。
【００２８】
以上により、パワーモジュール４０が構成され、半導体チップ１５からの熱を放熱体１４および冷却シンク部３０を介して外部へ放散できるようになっている。
ここで、冷却シンク部３０の内部には、冷却液や冷却空気などの冷媒３１を供給および回収する図示しない冷媒循環手段と連結された流通孔３２が形成されており、この流通孔３２内に供給された冷媒３１により、半導体チップ１５から放熱体１４に伝導された熱を回収し、この熱を回収した冷媒３１を前記冷媒循環手段が回収するとともに、新たな冷媒３１を供給し、以上を繰返すことにより、半導体チップ１５からの熱をパワーモジュール４０から放散させるようになっている。
【００２９】
ここで、セラミックス基板１２の厚さは０．２５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とされ、導体パターン１３の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とされ、金属層１６の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とされ、セラミックス基板１２の上下面にそれぞれ、導体パターン１３および金属層１６を接合するろう材２１の厚さは０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下とされている。
【００３０】
本実施形態では、導体パターン１３は板状の２つの導体１７を備え、これらの導体１７がセラミックス基板１２の上面側に整列された状態でろう材２１により接合された構成となっている。なお、導体１７同士の間隔は０．１ｍｍ以上とされている。そして、図２に示すように、これらの導体１７の外表面のうち、セラミックス基板１２の上面側から立上がる立上がり面１７ａは、セラミックス基板１２の上面に沿った方向に対して略垂直に立上がる構成となっており、この立上がり面１７ａの略全面がろう材２１により被覆されている。
ここで、立上がり面１７ａを被覆したろう材２１の表面は、図３に示すように、算術平均粗さＲａが５μｍより小さく、最大高さＲｙが４０μｍより小さく、十点平均粗さＲｚが３０μｍより小さくされている。この図３は、ろう材２１により被覆された複数の立上がり面１７ａのうち、６個所で前記Ｒａ、Ｒｙ、およびＲｚを測定した結果を示すものである。なお、Ｒａ、ＲｙおよびＲｚは、測定器として株式会社ミツトヨ製サーフテスト５０１を用いるとともに、測定子として株式会社ミツトヨ製１７８−３８２（軟物質用）を用いて測定した。このうち、Ｒａの測定条件は、測定レンジを８０μｍ、カットオフ値を０．８ｍｍ、区間数を５とし、ＪＩＳ Ｂ０６５１に準拠した。また、ＲｙおよびＲｚの測定条件はＤＩＮ規格に準拠した。
【００３１】
また、導体１７は、後述するように、純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成された板材を厚さ方向に切断することにより形成され、このときに得られた切断面が立上がり面１７ａとなっている。そして、この立上がり面１７ａは、導体１７を前記切断により形成する際の切断方向の前方から後方に向って、セラミックス基板１２の上面側から立上がった構成となっている。
【００３２】
ここで、立上がり面１７ａにおいては、切断加工時に、切断方向前方側１７ｂの表面粗さが、切断方向後方側１７ｃの表面粗さより大きくなる。この立上がり面１７ａにおける切断方向前方側１７ｂとは、立上がり面１７ａの切断方向前方端から、後方側１７ｃに向って、導体１７の全体の厚さの約３分の１までの領域、いわゆる２次せん断面をいい、また、切断方向後方１７ｃとは、切断方向前方１７ｂの切断方向後端から、立上がり面１７ａの切断方向後端までの領域、いわゆる１次せん断面をいう。なお、切断方向前方１７ｂの表面粗さは、Ｒｚ３０μｍ以上とされ、切断方向後方１７ｃの表面粗さは、Ｒｚ３０μｍ以下となっている。
【００３３】
したがって、導体１７の立上がり面１７ａは、この立上がり面１７ａがセラミックス基板１２の上面側から立上がる立上がり方向の下側１７ｂ（導体１７の、セラミックス基板１２と対向する表面側、すなわち下面側）の表面粗さが、上側１７ｃ（導体１７の上面側）の表面粗さより大きくなっている。
そして、この立上がり面１７ａの下側１７ｂの下端部に位置するろう材２１は、この立上がり面１７ａの略全域を被覆するろう材２１のうち、最も厚さが厚くなり、またこの外表面は、図２に示すように、凹曲面状になっている。
【００３４】
次に、以上のように構成されたパワーモジュール４０の絶縁基板１０の製造方法について説明する。
まず、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる板材を所定の大きさとなるように、厚さ方向にせん断加工によって切断し、導体１７（導体パターン部材）を形成する（導体パターン部材形成工程）。この際に得られた切断面が立上がり面１７ａとなる。
次に、この導体１７を、立上がり面１７ａが切断方向前方１７ｂから後方１７ｃに向って、セラミックス基板１２の上面側から立上がるように、セラミックス基板１２の上面にろう材２１を介して所望の整列状態で載置する。この一方、セラミックス基板１２の下面にろう材２１を介して金属層１６を配置し、以上により、金属層１６と、ろう材２１と、セラミックス基板１２と、ろう材２１と、整列とされた導体１７とがこの順で載置された積層体とする（載置工程）。
そして、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、導体１７の立上がり面１７ａにおける切断方向前方１７ｂの前端と、ろう材２１とを密接させた状態で、ろう材２１を溶融後硬化させることによって、セラミックス基板１２の上面側と導体１７とを接合するとともに、セラミックス基板１２の下面側と金属層１６とを接合し（接合工程）、絶縁基板１２を形成する。
その後、絶縁基板１０の外表面を洗浄するために必要に応じてエッチング処理を施してもよい。
【００３５】
ここで、前記接合工程における具体的な実施例について説明する。
まず、材質については、金属層１６を純Ａｌ、ろう材２１をＡｌ−Ｓｉ系、セラミックス基板１２をＡｌＮ、導体１７を純Ａｌにより形成した。次に、厚さについては、金属層１６を約０．６ｍｍ、ろう材２１を約０．０１ｍｍ、セラミックス基板１２を約０．６３５ｍｍ、導体１７を約０．６ｍｍとした。また、導体１７同士の間隔を約１．０ｍｍとした。
そして、前記積層体を６３０℃の真空中に置いた状態で、１時間、積層方向に０．３ＭＰａ加圧した。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態による絶縁基板並びにパワーモジュール用基板およびパワーモジュールによれば、導体パターン１３を構成する導体１７が立上がり面１７ａを備えているので、この導体１７の厚さを厚くして、導体パターン１３の大電流、高電圧化を図った構成においても、導体１７の幅がこの厚さの増加分だけ広くなることが抑制される。したがって、導体パターン１３の細線化、および大電流、高電圧化の双方を実現することができる。
【００３７】
また、導体パターン１７はセラミックス基板１２の上面側にろう材２１により接合され、かつ導体１７の立上がり面１７ａは、略全面がこのろう材２１により被覆されているので、導体パターン１７とセラミックス基板１２の上面側との接合強度の向上を図ることができる。さらに、導体１７の立上がり面１７ａの表面粗さが大きくされた場合においても、この表面がろう材２１により被覆されることになるので、この絶縁基板１２を有するパワーモジュール４０を使用するに際して、立上がり面１７ａの起伏が特異点となりこの部分を起点としてスパークが発生し、この導体１７の隣に位置する導体１７と通電する等、パワーモジュール４０の適正な使用を阻害する事態の発生を抑制することができる。
【００３８】
さらに、導体１７の立上がり面１７ａが、立上がり方向の下側１７ｂの表面粗さが上側１７ｃの表面粗さより大きくなっているので、この導体１７の下側１７ｂにおけるろう材２１の接合力が高くなり、導体パターン１３とセラミックス基板１２の上面側との接合強度をさらに向上することができる。
さらにまた、立上がり面１７ａを被覆したろう材２１の表面粗さが前記範囲とされているので、このろう材２１の表面に異物が付着することを抑制することが可能になり、この絶縁基板１０の外観不良の発生を低減することができるとともに、隣合う導体１７同士が通電することを抑制する、つまり耐圧の向上を図ることができる。
【００３９】
また、前記接合工程において、導体１７の立上がり面１７ａにおける切断方向前方１７ｂの前端と、ろう材２１とを密接させた状態で加熱して、ろう材を溶融させるので、導体１７の前記前端の周辺部に位置するろう材２１を含めて、溶融状態にあるろう材２１が、表面粗さの大きい切断方向前方１７ｂにおいて、表面張力により凝集され、さらに、このろう材２１が立上がり面１７ａの切断方向後方１７ｃに向って徐々に昇ることになる。したがって、この立上がり面１７ａの略全域がろう材２１により被覆された絶縁基板１０を形成することができる。
【００４０】
さらに、前述のように、溶融したろう材２１が導体１７の立上がり面１７ａの略全面に至ることになるので、切断方向前方１７ｂの前端部で硬化したろう材２１は、この立上がり面１７ａの略全域を被覆するろう材２１のうち、最も厚さが厚くなり、またこの外表面は側面視で凹曲面状になる（フィレットが形成される）。したがって、この絶縁基板１０を有するパワーモジュール４０を温度サイクル下で使用した場合でも、導体パターン１３とセラミックス基板１２の上面側との接合界面に応力集中による亀裂等が発生することを抑制することができ、このパワーモジュール４０の長寿命化を図ることができる。
【００４１】
さらにまた、本実施形態による絶縁基板１０の製造方法では、エッチング処理によって導体パターン１３を形成しないので、パワーモジュール４０の大電流、高電圧化を図るために、導体１７の厚さを厚くしたことによる、エッチング処理の工数の増大を招来したり、導体パターンを構成する導体の広幅化を併発するといった弊害の発生はない。したがって、大電流、高電圧化が図られたパワーモジュール４０をコンパクトに、かつ低コストで提供することが可能になる。
【００４２】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態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、前記実施形態では立上がり面１７ａを切断面としたが、必ずしも切断面に限られるものではない。
また、立上がり面１７ａを切断面とすることにより、前記実施形態の作用効果を全て有することになるが、この場合、全ての立上がり面１７ａを切断面とする必要はなく、少なくとも一面が切断面であれば前記実施形態と同様の作用効果を有することになる。
さらに、前記接合工程において、溶融状態にあるろう材２１を導体１７の下面側から上面側に向けて立上がり面１７ａ上を昇らせたが、この際に、導体１７の上面に至らせるようにしてもよい。
また、立上がり面１７ａの略全面がろう材２１に被覆された構成を示したが、立上がり面１７ａのうち少なくとも切断方向前方側１７ｂが被覆されていればよい。
さらに、前記実施形態では、算術平均粗さＲａが５μｍより小さく、最大高さＲｙが４０μｍより小さく、十点平均粗さＲｚが３０μｍより小さくされた構成を示したが、Ｒａ、Ｒｙ、およびＲｚのうち、少なくとも一つが前記範囲とされていればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
パワーモジュールの大電流、高電圧化を実現することができるとともに、このような構成においても、絶縁基板の大形化を抑制することができ、さらに、低コスト生産を実現することができる絶縁基板および絶縁基板の製造方法並びにパワーモジュール用基板およびパワーモジュールを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】この発明の一実施形態に係る絶縁基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】図１に示すＡ部拡大図である。
【図３】図１に示す立上がり面を被覆するろう材のＲａ、Ｒｙ、およびＲｚを測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０ 絶縁基板
１１ パワーモジュール用基板
１２ セラミックス基板
１３ 導体パターン
１４ 放熱体
１５ 発熱体
１７ 導体（導体パターン部材）
１７ａ 立上がり面
１７ｂ 立上がり方向の下側、切断方向前方
１７ｃ 立上がり方向の上側、切断方向後方
２１ ろう材
３０ 冷却シンク部
４０ パワーモジュール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の表面側に導体パターンが配設された絶縁基板であって、
前記導体パターンを構成する導体の外表面のうち、前記セラミックス基板の表面側から立上がる立上がり面は、前記セラミックス基板の表面に沿った方向に対して略垂直に立上がる構成とされ、
前記導体パターンは、前記セラミックス基板の表面にろう材により接合され、
前記導体の前記立上がり面は少なくとも、この立上がり面が前記セラミックス基板の表面側から立上がる立上がり方向の下側が前記ろう材により被覆されていることを特徴とする絶縁基板。
【請求項２】
請求項１記載の絶縁基板において、
前記導体の前記立上がり面は、この立上がり面が前記セラミックス基板の表面側から立上がる立上がり方向の下側の表面粗さが上側の表面粗さより大きくされていることを特徴とする絶縁基板。
【請求項３】
請求項１または２に記載の絶縁基板において、
前記立上がり面を被覆した前記ろう材の表面は、算術平均粗さＲａが５μｍより小さく、または最大高さＲｙが４０μｍより小さく、または十点平均粗さＲｚが３０μｍより小さくされていることを特徴とする絶縁基板。
【請求項４】
セラミックス基板の表面に導体パターンが配設された絶縁基板の製造方法であって、
板材を厚さ方向にせん断加工によって切断し、切断面を有する導体パターン部材を形成する導体パターン部材形成工程と、
前記導体パターン部材を、前記切断面が、切断方向前方側から後方側に向って、前記セラミックス基板の表面側から立上がるように、前記セラミックス基板の表面にろう材を介して載置し積層体とする載置工程と、
前記積層体を積層方向に加熱した状態で加圧し、前記ろう材により前記セラミックス基板と前記導体パターン部材とを接合する接合工程とを有することを特徴とする絶縁基板の製造方法。
【請求項５】
セラミックス基板の一方の表面側に導体パターンが配設された絶縁基板と、前記セラミックス基板の他方の表面側に配設された放熱体と、前記導体パターンの、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された発熱体とを備え、前記放熱体は、前記発熱体からの熱を外部へ放散させる構成とされたパワーモジュール用基板であって、
前記絶縁基板は、請求項１から３のいずれかに記載の絶縁基板からなることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項６】
セラミックス基板の一方の表面側に導体パターンが配設された絶縁基板と、前記セラミックス基板の他方の表面側に配設された放熱体と、前記導体パターンの、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された発熱体と、前記放熱体の、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された冷却シンク部とを備え、前記発熱体からの熱を前記放熱体および前記冷却シンク部を介して外部へ放散させる構成とされたパワーモジュールであって、
前記絶縁基板は、請求項１から３のいずれかに記載の絶縁基板からなることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項１】
セラミックス基板の表面側に導体パターンが配設された絶縁基板であって、
前記導体パターンを構成する導体の外表面のうち、前記セラミックス基板の表面側から立上がる立上がり面は、前記セラミックス基板の表面に沿った方向に対して略垂直に立上がる構成とされ、
前記導体パターンは、前記セラミックス基板の表面にろう材により接合され、
前記導体の前記立上がり面は少なくとも、この立上がり面が前記セラミックス基板の表面側から立上がる立上がり方向の下側が前記ろう材により被覆されていることを特徴とする絶縁基板。
【請求項２】
請求項１記載の絶縁基板において、
前記導体の前記立上がり面は、この立上がり面が前記セラミックス基板の表面側から立上がる立上がり方向の下側の表面粗さが上側の表面粗さより大きくされていることを特徴とする絶縁基板。
【請求項３】
請求項１または２に記載の絶縁基板において、
前記立上がり面を被覆した前記ろう材の表面は、算術平均粗さＲａが５μｍより小さく、または最大高さＲｙが４０μｍより小さく、または十点平均粗さＲｚが３０μｍより小さくされていることを特徴とする絶縁基板。
【請求項４】
セラミックス基板の表面に導体パターンが配設された絶縁基板の製造方法であって、
板材を厚さ方向にせん断加工によって切断し、切断面を有する導体パターン部材を形成する導体パターン部材形成工程と、
前記導体パターン部材を、前記切断面が、切断方向前方側から後方側に向って、前記セラミックス基板の表面側から立上がるように、前記セラミックス基板の表面にろう材を介して載置し積層体とする載置工程と、
前記積層体を積層方向に加熱した状態で加圧し、前記ろう材により前記セラミックス基板と前記導体パターン部材とを接合する接合工程とを有することを特徴とする絶縁基板の製造方法。
【請求項５】
セラミックス基板の一方の表面側に導体パターンが配設された絶縁基板と、前記セラミックス基板の他方の表面側に配設された放熱体と、前記導体パターンの、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された発熱体とを備え、前記放熱体は、前記発熱体からの熱を外部へ放散させる構成とされたパワーモジュール用基板であって、
前記絶縁基板は、請求項１から３のいずれかに記載の絶縁基板からなることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項６】
セラミックス基板の一方の表面側に導体パターンが配設された絶縁基板と、前記セラミックス基板の他方の表面側に配設された放熱体と、前記導体パターンの、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された発熱体と、前記放熱体の、前記セラミックス基板と対向する表面と反対側の表面に配設された冷却シンク部とを備え、前記発熱体からの熱を前記放熱体および前記冷却シンク部を介して外部へ放散させる構成とされたパワーモジュールであって、
前記絶縁基板は、請求項１から３のいずれかに記載の絶縁基板からなることを特徴とするパワーモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−５３３４９（Ｐ２００７−５３３４９Ａ）
【公開日】平成１９年３月１日（２００７．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１９７０３８（Ｐ２００６−１９７０３８）
【出願日】平成１８年７月１９日（２００６．７．１９）
【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１９年３月１日（２００７．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１９日（２００６．７．１９）
【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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