JP2020053580A - パワーモジュール用基板およびパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 信頼性に優れたパワーモジュール用基板等を提供すること。【解決手段】 セラミック基板１と、該セラミック基板１の表面に前記セラミック基板１の前記表面と対向する対向面２ａがろう材３を介して接合された金属板２と、を備えており、前記ろう材３における、前記金属板２と接合している第１接合部３ａの外周は前記対向面２ａの外周より内側に位置し、前記セラミック基板１と接合している第２接合部３ｂの外周は前記第１接合部３ａの外周より外側に位置しているパワーモジュール用基板１０および該パワーモジュール用基板１０と前記金属板２上に搭載された電子部品１１とを備えるパワーモジュール１００。【選択図】 図１

Description

本開示は、セラミック基板に接合された金属板を有する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。

従来、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の電子部品が搭載されたパ
ワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板として、例えば、セラミック基板の表面に銅等の金属材料からなる金属板が回路導体として接合されたパワーモジュール用基板が用いられている。

パワーモジュール用基板の金属板に電子部品が搭載されてパワーモジュールが作製される。ヒートサイクルの耐久性向上のために、金属板とセラミック基板とを接合する接合層の外周端部を、金属板の下端部より外側あるいは内側に位置させたものがある（例えば特許文献１を参照。）。

特開平１０−３２６９４９号公報

近年では搭載されるパワー半導体素子等の電子部品の発熱量がより大きくなっており、また、電子部品で発生した熱の放熱のため、また回路導体の導通抵抗の低減のために、金属板の厚みを厚くする傾向がある。そのため、セラミック基板と金属板を接合した際の熱応力が大きくなり、この熱応力によってセラミック基板にクラックが発生するなどして金属板がセラミック基板から剥がれる可能性が高まっている。

本開示の１つの態様のパワーモジュール用基板は、セラミック基板と、該セラミック基板の表面に前記セラミック基板の前記表面と対向する対向面がろう材を介して接合された金属板と、を備えており、前記ろう材における、前記金属板と接合している第１接合部の外周は前記対向面の外周より内側に位置し、前記セラミック基板と接合している第２接合部の外周は前記第１接合部の外周より外側に位置している。

本開示の１つの態様のパワーモジュールは、上記構成のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板の前記金属板上に搭載された電子部品とを備える。

本開示の実施形態のパワーモジュール用基板によれば、金属板の外縁部において、ろう材における、金属板と接合している第１接合部の外周は金側板の対向面の外周より内側に位置し、セラミック基板と接合している第２接合部の外周は第１接合部の外周より外側に位置していることから、熱応力によってセラミック基板にクラックが発生して金属板がセラミック基板から剥がれる可能性を低減することができる。

本開示の実施形態のパワーモジュールによれば、上記構成であることから、接合信頼性が向上したものとなる。

（ａ）はパワーモジュール用基板およびパワーモジュールの実施形態の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 図１のＡ部の一例を拡大して示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）はパワーモジュールの実施形態の他の例を示す断面図である。 パワーモジュール用基板の要部の一例を拡大して示す断面図である。 パワーモジュール用基板の要部の他の例を拡大して示す断面図である。 パワーモジュール用基板の要部の他の例を拡大して示す断面図である。 パワーモジュール用基板の要部の他の例を拡大して示す断面図である。 パワーモジュール用基板の要部の他の例を拡大して示す断面図である。 パワーモジュール用基板の要部の他の例を拡大して示す断面図である。 パワーモジュール用基板の要部の他の例を拡大して示す断面図である。 パワーモジュール用基板の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。 パワーモジュール用基板の製造方法の他の一例を工程順に示す断面図である。 パワーモジュール用基板の製造方法の他の一例を工程順に示す断面図である。

本開示の実施形態のパワーモジュール用基板およびパワーモジュールについて図面を参照して説明する。なお、以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際にパワーモジュール用基板およびパワーモジュール等が使用される際の上下を限定するものではない。

図１（ａ）はパワーモジュールの実施形態の一例を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。また、図２は図１のＡ部の一例を拡大して示す断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）はパワーモジュールの実施形態の他の例を示す断面図である。図４〜図１０は、図２と同様の、パワーモジュール用基板１０の要部を拡大して示す断面図である。図１１はパワーモジュール用基板の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。図１２および図１３はそれぞれパワーモジュール用基板の製造方法の他の一例を工程順に示す断面図である。

パワーモジュール用基板１０は、セラミック基板１と、セラミック基板１の表面にセラミック基板１の表面と対向する対向面２ａがろう材３を介して接合された金属板２とを備えており、ろう材３における、金属板２と接合している第１接合部３ａの外周は対向面２ａの外周より内側に位置し、セラミック基板１と接合している第２接合部３ｂの外周は第１接合部３ａの外周より外側に位置している。言い換えれば、金属板２の外縁部において、ろう材３は金属板２とは接合していないが、セラミック基板１とは接合している。そのため金属板２の外縁部においては、金属板２とセラミック基板１との間には、セラミック基板１に接合されたろう材３、およびろう材３と金属板２との間の空間がある。

上記構成のパワーモジュール用基板１０においては、金属板２はその外周までセラミック基板１に接合されていないので、外周まで接合されている場合に比較して熱応力が小さくなる。そして、セラミック基板１と金属板２とを接合するろう材３は、金属板２との接合面からセラミック基板１との接合面にかけてフィレットを有しているので、金属板２とセラミック基板１との接合端部に集中する熱応力が分散される。言い換えれば、ろう材３とセラミック基板１との接合端部である第２接合部３ｂの外周が、ろう材３と金属板２との接合端部である第１接合部３ａの外周より外側に位置しているので、セラミック基板１上において、ろう材３とセラミック基板１との間に発生する熱応力が集中する位置（第２
接合部３ｂの外周）と、ろう材３と金属板２との間に発生する熱応力が集中する位置（第１接合部３ａの外周）とが一致せずに離れている。これによって、金属板２がセラミック基板１から剥がれるような挙動が抑えられる。すなわち、ヒートサイクル等の熱応力負荷によって金属板２がセラミック基板１から剥がれる可能性が低減される。

図２に示す例では、金属板２の下面全体がセラミック基板１の表面と対向する対向面２ａである。ろう材３における金属板２との接合部である第１接合部３ａの外周は対向面２ａの外周より内側に位置している。また、ろう材３のセラミック基板１との接合部である第２接合部３ｂの外周は第１接合部３ａの外周より外側に位置している。そして、この第２接合部３ｂの外周は金属板２の外周より外側に位置している。第１接合部３ａが小さいほど金属板２による熱応力は小さくなるが、金属板２とセラミック基板１との接合強度も小さくなってしまう。そのため、金属板２の大きさにもよるが、例えば、金属板２の対向面２ａの外周から第１接合部３ａの外周までの幅Ｗ１は０．０２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の範囲とすることができる。また、第１接合部３ａの外周と第２接合部３ｂの外周とが離れているほど熱応力を分散させることができる。図２に示す例では、第１接合部３ａの外周から第２接合部３ｂの外周までの幅Ｗ２、言い換えれば、ろう材３のセラミック基板１とは接合され金属板２とは接合されていない部分の幅Ｗ２が、対向面２ａの外周から第１接合部３ａの外周までの幅Ｗ１より大きい。そのため、第２接合部３ｂの外周は金属板２の外周より外側に位置している。

図４〜図１０に示す例は、金属板２の側面が図２に示す例とは異なっている。図２に示す例のパワーモジュール用基板１０の金属板２の側面は、セラミック基板１の表面（上面）に対してほぼ垂直で平坦である。これに対して、図４〜図１０に示す例の金属板２の側面は、例えば傾斜した面や凹面である。

図５に示す例では、図２に示す例と同様に、金属板２の下面全体がセラミック基板１の表面と対向する対向面２ａであり、金属板２の上面と下面（対向面２ａ）とは同じ大きさである。これに対して、図４および図６〜図１０に示す例の金属板２の下面（対向面２ａ）は、側面の形状が異なるために上面より小さい。金属板２の対向面２ａは、側面のセラミック基板１の方を向いた面は含まない。

対向面２ａは、金属板２のセラミック基板１と対向する面であって、セラミック基板１の表面とほぼ平行な平面である。この金属板２の対向面２ａがろう材３を介してセラミック基板１に接合されており、対向面２ａの外縁から内側へＷ１の距離の部分はろう材３と接合されていない。

また、図４〜図９に示す例では、第２接合部３ｂの外周は金属板２の外周と同じ位置にある。また、図１０に示す例では、第２接合部３ｂの外周は金属板２の外周より内側にある。このように、ろう材３の第２接合部３ｂの外周が、金属板２の外周と同じ位置か金属板２の外周より内側に位置しているパワーモジュール用基板１０とすることができる。パワーモジュール用基板１０がこのような構成であると、隣り合う金属板２を接合するろう材３の外周端部の間の距離が大きくなるので、これらの間で絶縁リークが発生し難くなり、より絶縁信頼性の高いパワーモジュール用基板１０となる。また、隣り合う金属板２間の距離を小さくすることができるので、より小型のパワーモジュール用基板１０およびパワーモジュール１００，１０１，１０２とすることができる。

上述したように、第１接合部３ａの外周と第２接合部３ｂの外周とが離れているほど熱応力を分散させることができる。言い換えれば、第１接合部３ａの外周から第２接合部３ｂの外周までの幅Ｗ２が大きいほど熱応力を分散させることができるので接合信頼性の高いものとなる。隣接する金属板２間の絶縁信頼性および接合信頼性を共に高くするには、
ろう材３の外周、すなわち第２接合部３ｂの外周が金属板２の外周と同程度の位置にあるのがよい。

図２および図６〜図１０に示す例では、ろう材３の第１接合部３ａより外側の外縁部の厚みは、中央部の厚みの半分程度である。これに対して、図４および図５に示す例においては、第１接合部３ａの外周から第２接合部３ｂの外周にかけて徐々にろう材３の厚みが薄くなっている。パワーモジュール用基板１０の作製工程におけるろう材ペーストおよびろう材ペーストの塗布状態、加熱条件等によってこのような形態の違いとなる。ろう材３の厚みが第１接合部３ａの外周から第２接合部３ｂの外周にかけて徐々に薄くなる形態であると、この部分において熱応力を緩和することができる。

図５に示す例では、ろう材３は金属板２の外縁部の下面に薄く濡れ広がっている。図５においては、濡れ広がり部分の厚みが小さいので分かり難いが、第１接合部３ａの外周と第２接合部３ｂの外周との中間程度まで濡れ広がっている。ろう材３の厚みが例えば５μｍ以下程度に薄く濡れ拡がっている部分は熱応力の大きさに対する影響が小さいので、ろう材３と金属板２とが接合している部分ではあるが、本開示においては第１接合部３ａとみなさないものとする。後述するパワーモジュール用基板１０の製造方法において、金属素板２２をセラミック基板１の上面に接合する際の加熱処理時に、ろう材３（ろう材ペースト２３）が流れ防止材２４の開口内縁から外側に向かって金属素板２２の下面を伝って濡れ広がったものである。流れ防止材２４の開口内縁の位置で第１接合部３ａの外周部（外縁）を設定するので、これより外側に濡れ広がった部分は第１接合部３ａとはみなさない。

パワーモジュール１００は、図１に示す例のように、上記のようなパワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０に搭載された電子部品１１とで基本的に構成されている。電子部品１１は、パワーモジュール用基板１０の金属板２の上に搭載され、接合材１１ａで固定されている。このようなパワーモジュール１００によれば、上記構成のパワーモジュール用基板１０を備えていることから、ヒートサイクル等に対する信頼性が向上したものとなる。

図３は、図１に示す例のパワーモジュール１００に対して、電子部品１１、金属板２およびセラミック基板１を覆う封止樹脂１３等を備えている例である。図３（ａ）に示す例のパワーモジュール１０１は、図１に示す例のパワーモジュール１００が、上面から下面の外周部にかけて封止樹脂１３で覆われて、電子部品１１が封止されているものである。図３（ｂ）に示す例のパワーモジュール１０２は、図１に示す例のパワーモジュール１００が、内側空間を有する筐体１４の内部空間に配置され、内部空間に封止樹脂１３が充填されて電子部品１１およびパワーモジュール用基板１０が封止されている例である。

このような封止樹脂１３もまた、一般的にセラミック基板１よりも大きい熱膨張率を有している。そのため、ヒートサイクル等によって封止樹脂１３もまたセラミック基板１から剥がれる可能性がある。上記構成のパワーモジュール用基板１０を備えるパワーモジュール１０１，１０２では、金属板２の外縁部においてろう材３と金属板２との間の空間に封止樹脂１３が入り込むことで封止樹脂１３の剥がれが抑えられるので、さらに封止信頼性が向上したものとなる。

図４〜図１０における二点鎖線は、金属板２の最外端部に接する、セラミック基板１の表面（上面）に対する垂線を示している。図２に示す例のパワーモジュール用基板１０の金属板２の側面は、セラミック基板１の表面（上面）に対してほぼ垂直で平坦である。これに対して、図４〜図１０に示す例の金属板２の側面は、金属板２のセラミック基板１とは反対側の面（図４〜図１０においては上面）の外周端部（図４〜図１０においては側面
の上端部）より内側に位置する部分を有している。図４および図９に示す例では、金属板２の側面は、下端部が金属板２の上面の外周端部（側面の上端部）より内側に位置する、傾斜した平坦な傾斜面である。上端部に対して下端部は図に示す長さＬだけ内側に位置している。図５および図６に示す例では、側面は凹面（凹曲面）である。図５に示す例では、金属板２の上端部と下端部の平面方向における位置は同じであり、最外端部は上端および下端である。これに対して、図６に示す例では、金属板２の下端は上端より内側に位置しており、凹面の最も内側の底部は、下端よりも内側に位置している。図７，図８および図１０に示す例では、側面の金属板２の上端より少し下が凹面となっている。なお、セラミック基板１の下面に接合されている金属板２においては、セラミック基板１とは反対側の面は下面であるので、側面は下面の外周端部（側面の下端部）より内側に位置する部分を有している。

このように、金属板２の側面が、金属板２のセラミック基板１とは反対側の面の外周端部より内側に位置する部分を有しているパワーモジュール用基板１０とすることができる。このような構成であると、金属板２の側面のセラミック基板１側に封止樹脂１３が入り込むこととなり、金属板２の側面で封止樹脂１３が押さえられ、また金属板２と封止樹脂１３との接合面積が増えるので、封止樹脂１３がセラミック基板１から剥がれ難くなり、より封止信頼性の高いパワーモジュール１０１，１０２となる。また、金属板２の外縁部の金属板２とろう材３との間の空間に封止樹脂１３が入り込まなくてもこのような効果を奏することができる。

図５に示す例のように、金属板２の側面全体が凹面である場合には、金属板２の上面（セラミック基板１とは反対側の面）と側面との間の角（側面の上端の角）および金属板２の下面（対向面２ａ）と側面との間の角（側面の下端の角）が鋭角になる。隣り合う金属板２同士の間隔が小さいと金属板に大きな電流が印可された場合に、隣り合う金属板２の上端の角の間および下端の角の間で放電が発生して絶縁不良となる可能性がある。これに対して、図６に示す例では、側面の全体が凹面であるが、金属板２の下端は上端より内側に位置しており、下端の角は角度が大きくなって直角に近くなっているので、下端で上記放電が発生する可能性は低減される。図７に示す例では、図６に示す例に対して金属板２の上端よりセラミック基板１側が凹面となっているので、上端の角は鋭角ではない。この場合は、上端の角への電流の集中も抑えられて上端で上記放電が発生する可能性も低減される。さらには、図８に示す例では、図６に示す例に対して上端の角が丸められているので、同様に上端で上記放電が発生する可能性が低減される。また、図１０に示す例では、側面の上端部および下端部の角は直角および鈍角である。この場合も上記放電が発生する可能性が低減される。放電が発生する可能性が低減されることから、隣り合う金属板２間の距離を小さくすることができるので、配線導体である金属板２をセラミック基板１上に高密度に配置することができ、より小型のパワーモジュール用基板１０とすることができる。これは、図４に示す例のような金属板２の側面が傾斜面である場合にも適用でき、金属板２の側面において上端よりセラミック基板１側を傾斜面としたり、図９に示す例のように上端の角を丸めたりすることができる。

なお、図４〜図１０における金属板２の側面は凹面（凹部）や傾斜面を有しているが、図４〜図１０における長さＬは０．００５ｍｍ〜０．１ｍｍ程度と小さいものであり、金属素板２２から金属板２を形成する際に形成されるものである。すなわち、金属素板２２の上面からのエッチング加工や打ち抜き加工で形成される程度の小さい傾斜および凹部である。

セラミック基板１は、セラミックス焼結体からなり、金属板２を固定して支持するための基体部分である。また、セラミック基板１は、セラミック基板１の表面に接合された複数の金属板２の間を互いに電気的に絶縁させるための絶縁部材としても機能する。また、
セラミック基板１の上下面間で熱を伝導する伝熱部材としても機能する。セラミック基板１の大きさはパワーモジュール１００の用途等に応じて適宜設定されるものであるが、例えば、厚みは０．２５ｍｍ〜１．０ｍｍで、平面視の大きさは１辺の長さが１０ｍｍ〜２００ｍｍの矩形状とすることができる。

セラミック基板１のセラミックス焼結体としては、公知の材料を用いることができ、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体および窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）焼結体などを用いることができる。セラミック基板１は、公知の製造方法によって製造することができ、例えば、アルミナなどの原料粉末に焼結助剤を添加し、基板状に成形したのち、焼成することで製造することができる。

金属板２は、例えば銅または銅合金等の金属材料によって形成されている。電気伝導および熱伝導の点では９９％以上の純銅を用いるとよく、さらに、金属板２における酸素の含有量が少ない方が、ボンディングワイヤ１２と金属板２との接合強度の向上に関して有利である。金属板２の大きさおよび形状もまた、パワーモジュール１００の用途等に応じて適宜設定されるものであるが、例えば。厚みは０．１ｍｍ〜４．０ｍｍとすることができる。

図１に示す例のパワーモジュール用基板１０においては、セラミック基板１の上面の中央部に接合された金属板２、この金属板２を挟むように配置されて接合された一対の金属板２およびセラミック基板１の下面に接合された金属板２を備えている。この例では、セラミック基板１の上面に接合された金属板２は主として電気回路の配線として機能し、セラミック基板１の下面に接合された金属板２は放熱板として機能する。金属板２の数、形状、配置等はこの例に限られるものではない。

ろう材３は、例えばチタン、ハフニウムおよびジルコニウムのうち少なくとも１種の活性金属材料を含む、銀−銅（Ａｇ−Ｃｕ）系の活性ろう材である。Ａｇ−Ｃｕ系ろう材としては、例えばＢ−Ａｇ８（ＪＩＳ Ｚ ３２６１−１９８５）を用いることができる。

ろう材３が、金属板２とは金属板２の外周より内側で接合され、セラミック基板１とは金属板２の外周より内側で接合されたパワーモジュール用基板１０は、例えば以下のようにして作製することができる。図１１は、パワーモジュール用基板１０の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。この例では、簡易的に、セラミック基板１の上面に金属板２が１つだけ接合されている構成のパワーモジュール用基板１０を作製する例を示している。

まず、図１１（ａ）に示すように、セラミック基板１上にろう材ペースト２３を塗布する。図１１はセラミック基板１の上面だけに１つの金属板２が接合されている簡易的なパワーモジュール用基板１０を作製する例を示しているが、パワーモジュール用基板１０における金属板２の数および配置に対応するようにろう材ペースト２３を塗布する。ろう材ペースト２３の平面視の形状、大きさおよび配置は、金属板２の形状、大きさおよび配置と同じである。これにより、ろう材３の第２接合部３ｂの外周の位置を各金属板２の外周の位置と同じにすることができる。ろう材ペースト２３は、上記ろう材３（活性ろう材）となる粉末に溶剤やバインダー等を加えて混錬することで作製することができる。

次に、図１１（ｂ）に示すように、ろう材ペースト２３の外縁部と重なるように流れ防止材２４の膜を形成する。流れ防止材２４の形状は、パワーモジュール用基板１０におけるろう材３の金属板２に接合する部分（第１接合部３ａ）の形状の開口を有する枠状である。流れ防止材２４は、後述する接合工程において消失せず、金属板２のセラミック基板１への接合後には容易に除去できるものである。例えば、接合工程における加熱で焼結し
ないセラミック粉末（例えば、ＴｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３等）のペーストである。セラミック基板１の上面に、流れ防止材２４のペーストをスクリーン印刷等で所定形状に塗布して乾燥させることで流れ防止材２４の膜を形成することができる。

次に、図１１（ｃ）に示すように、ろう材ペースト２３の上にセラミック基板１と同程度の大きさの金属素板２２を載置する。このとき金属素板２２を押さえて流れ防止材２４の開口内においてろう材ペースト２３と金属素板２２とが接するようにする。このとき、流れ防止材２４の一部はろう材ペースト２３に埋め込まれて、ろう材ペースト２３の外縁部の厚みが薄くなる。流れ防止材２４の開口内にろう材ペースト２３を塗布して、ろう材ペースト２３と流れ防止材２４との間に段差をなくして、ろう材ペースト２３と金属素板２２とが接するようにしてもよい。

次に、例えば、真空状態で８３０℃程度の加熱処理をすることによって金属素板２２をセラミック基板１の上面に接合する。このとき、流れ防止材２４とろう材ペースト２３とが重なっている部分では、ろう材３はセラミック基板１だけに接合され、金属素板２２の下面には接合されない。

次に、図１１（ｄ）に示すように、金属素板２２の上面にエッチングマスク２５を形成する。エッチングマスク２５は、金属板２の形状、大きさおよび配置に対応する位置に設ける。また、エッチングマスク２５は、フィルム状のレジスト材を金属素板２２の上面に貼り付ける、あるいは液状のレジスト材を金属素板２２の上面に塗布するなどして、フォトリソ法によって金属板２に対応する部分以外を除去して形成することができる。液状の樹脂を金属板２の形状に印刷してエッチングマスク２５を形成することもできる。

次に、図１１（ｅ）に示すように、金属素板２２のエッチングマスク２５で覆われていない部分をエッチングによって除去し、所定形状の金属板２を形成する。このとき、エッチング条件によって、金属板２の側面の形状を設定することができる。オーバーエッチングによって、金属板２の側面を凹面等にすることができる。

そして、図１１（ｆ）に示すように、エッチングマスク２５および流れ防止材２４を除去することでパワーモジュール用基板１０となる。流れ防止材２４が除去されると、金属板２の外縁部では、ろう材３はセラミック基板１とは接合され、金属板２の下面とは接合されず、ろう材３と金属板２の下面との間に空間が形成される。そして、ろう材３のセラミック基板１との接合部である第２接合部３ｂの外周は、ろう材３と金属板２との接合部である第１接合部３ａの外周より外側に位置するものとなる。流れ防止材２４はセラミック粉末の凝集体のようなものであるので、ブラスト等で容易に除去することが可能である。例えば、エッチングマスク２５を除去した後にこのブラスト処理を行なうことで、金属板２の上面と側面の間の角（上端の角）を丸めることもできる。

図１１に示す例では、ろう材ペースト２３は、金属板２の形状、大きさおよび配置に対応するように塗布している例である。これに対して、図１２に示す例は、図１２（ａ）のように金属板２よりも大きくろう材ペースト２３を塗布して、図１２（ｆ）のように金属素板２２を接合した後にろう材３の不要部分を除去する例である。図１２はセラミック基板１上に２つの金属板２が接合されているパワーモジュール用基板１０を作製する例を示している。

まず、図１２（ａ）に示すように、セラミック基板１上にろう材ペースト２３を塗布する。図１２（ａ）では、ろう材ペースト２３は、セラミック基板１の上面の全面に塗布しているが、セラミック基板１上に接合される金属板２の全てと重なる位置に塗布すればよいので、セラミック基板の表面の外縁部には塗布しなくてもよい。

次に、図１２（ｂ）に示すように、金属板２の外縁部と重なる位置に、流れ防止材２４の膜を形成する。流れ防止材２４の形状は、パワーモジュール用基板１０におけるろう材３の金属板２に接合する部分（第１接合部３ａ）の形状の開口を有する枠状である。図１２（ｂ）では、ろう材ペースト２３の全面を覆い、金属板２（と接合する第１接合部３ａ）に対応する開口を複数有する流れ防止材２４の膜を形成している。複数の金属板２の数および配置に対応するように複数の位置に流れ防止材２４の膜をそれぞれ形成してもよい。

次に、図１２（ｃ）に示すように、ろう材ペースト２３の上にセラミック基板１と同程度の大きさの金属素板２２を載置する。このとき金属素板２２を押さえて流れ防止材２４の開口内においてろう材ペースト２３と金属素板２２とが接するようにする。このとき、流れ防止材２４の一部はろう材ペースト２３に埋め込まれて、ろう材ペースト２３の外縁部の厚みが薄くなる。上述したように、流れ防止材２４の開口内にろう材ペースト２３を塗布してもよい。

次に、例えば、真空状態で８３０℃程度の加熱処理をすることによって金属素板２２をセラミック基板１の上面に接合する。このとき、流れ防止材２４とろう材ペースト２３とが重なっている部分では、ろう材３はセラミック基板１だけに接合され、金属素板２２の下面には接合されない。

次に、図１２（ｄ）に示すように、金属素板２２の上面にエッチングマスク２５を形成する。エッチングマスク２５は、金属板２の形状、大きさおよび配置に対応する位置に設ける。また、エッチングマスク２５は、フィルム状のレジスト材を金属素板２２の上面に貼り付ける、あるいは液状のレジスト材を金属素板２２の上面に塗布するなどして、フォトリソ法によって金属板２に対応する部分以外を除去して形成することができる。液状の樹脂を金属板２の形状に印刷してエッチングマスク２５を形成することもできる。

次に、図１２（ｅ）に示すように、金属素板２２のエッチングマスク２５で覆われていない部分をエッチングによって除去し、所定形状の金属板２を形成する。このとき、エッチング条件によって、金属板２の側面の形状を設定することができる。オーバーエッチングによって、金属板２の側面を凹面等にすることができる。

ついで、流れ防止材２４を除去して、ろう材３の不要な部分を除去する。流れ防止材２４はセラミック粉末の凝集体のようなものであるので、ブラスト等で容易に除去することが可能である。流れ防止材２４が除去されると、金属板２の外縁部では、ろう材３はセラミック基板１とは接合され、金属板２の下面とは接合されず、ろう材３と金属板２の下面との間に空間が形成される。ろう材３は、隣接する金属板２間では接続された状態で、また金属板２から大きく外側へはみ出した状態である。ろう材３の、金属板２間の部分および金属板２からはみ出した部分をエッチングやブラストで除去することで第２接合部３ｂの外周縁が形成される。金属板２がエッチングマスクとしてエッチング等を行なうと、図１２（ｆ）に示す例のように、金属板２の外周と第２接合部３ｂの外周とがほぼ同じ位置となる。エッチング条件によってろう材３の第２接合部３ｂの外周の位置を調整することができる。また、金属板２の外周に沿ってろう材３の上にエッチングマスクを形成することで、金属板２から外側へはみ出し、第２接合部３ｂの外周が金属板２の外周より外側に位置するろう材３を精度よく形成することができる。

そして、図１２（ｆ）に示すように、エッチングマスク２５を除去することでパワーモジュール用基板１０となる。エッチングマスク２５を除去した後にさらにブラスト処理を行なうことで、金属板２の上面と側面の間の角（上端の角）を丸めることもできる。

図１１および図１２に示す例では、セラミック基板１と同程度の大きさの金属素板２２を接合した後にエッチングによって金属板２の大きさに加工している。これに対して、図１３に示す例では、図１３（ｂ）のように金属素板２２にプレス加工を施してあらかじめ所定形状の金属板２としたものを、セラミック基板１に接合することもできる。

まず、図１３（ａ）に示すように、セラミック基板１を準備するとともに、図１３（ｂ）に示すように、プレス加工によって金属素板２２から金属板２を作製する。プレス加工以外に、切削加工等の機械加工やエッチング加工等の化学加工によって金属板２を作製することもできる。このときの加工によって、金属板２の側面を所定形状に加工することができる。

次に、図１３（ｃ）に示すように、セラミック基板１上にろう材ペースト２３を塗布する。金属板２の数および配置に対応するようにろう材ペースト２３を塗布する。ろう材ペースト２３の平面視の形状、大きさおよび配置は、金属板２の形状、大きさおよび配置と同じである。これにより、ろう材３の第２接合部３ｂの外周の位置を各金属板２の外周の位置と同じにすることができる。ろう材ペースト２３は、上記ろう材３（活性ろう材）となる粉末に溶剤やバインダー等を加えて混錬することで作製することができる。

次に、図１３（ｄ）に示すように、ろう材ペースト２３の外縁部と重なるように流れ防止材２４の膜を形成する。流れ防止材２４の形状は、パワーモジュール用基板１０におけるろう材３の金属板２に接合する部分（第１接合部３ａ）の形状の開口を有する枠状である。図１３（ｄ）では、ろう材ペースト２３の全面を覆い、金属板２（と接合する第１接合部３ａ）に対応する開口を複数有する流れ防止材２４の膜を形成している。複数の金属板２の数および配置に対応するように複数の位置に流れ防止材２４の膜をそれぞれ形成してもよい。

次に、図１３（ｅ）に示すように、ろう材ペースト２３の上に金属板２を載置する。このとき金属板２を押さえて流れ防止材２４の開口内においてろう材ペースト２３と金属素板２２とが接するようにする。このとき、流れ防止材２４の一部はろう材ペースト２３に埋め込まれて、ろう材ペースト２３の外縁部の厚みが薄くなる。流れ防止材２４の開口内にろう材ペースト２３を塗布して、ろう材ペースト２３と流れ防止材２４との間に段差をなくして、ろう材ペースト２３と金属素板２２とが接するようにしてもよい。

次に、例えば、真空状態で８３０℃程度の加熱処理をすることによって金属板２をセラミック基板１の上面に接合する。このとき、流れ防止材２４とろう材ペースト２３とが重なっている部分では、ろう材３はセラミック基板１だけに接合され、金属板２の下面には接合されない。

そして、図１３（ｆ）に示すように、流れ防止材２４を除去することでパワーモジュール用基板１０となる。流れ防止材２４が除去されると、金属板２の外縁部では、ろう材３はセラミック基板１とは接合され、金属板２の下面とは接合されず、ろう材３と金属板２の下面との間に空間が形成される。そして、ろう材３のセラミック基板１との接合部である第２接合部３ｂの外周は、ろう材３と金属板２との接合部である第１接合部３ａの外周より外側に位置するものとなる。流れ防止材２４はセラミック粉末の凝集体のようなものであるので、ブラスト等で容易に除去することが可能である。例えば、金属板２をセラミック基板１の上面に接合した後にこのブラスト処理を行なうことで、金属板２の上面と側面の間の角（上端の角）を丸めることもできる。

また、セラミック基板１の代わりにより大型のセラミック基板の上に大型の金属素板２
２を接合してエッチング加工し、複数のパワーモジュール用基板１０が一体となった多数個取りパワーモジュール用基板を作製し、これを分割することで複数のパワーモジュール用基板１０を作製することもできる。多数個取りパワーモジュール基板は、多数個取りの各々のパワーモジュール用基板１０（領域）の配置の位置精度が高いために、分割せずに多数個取りパワーモジュール用基板で電子部品１１を実装することも容易にできる。これによって、実装工程の生産性を高めることもでき、パワーモジュール１００の生産性を効果的に高めることもできる。

また、ろう材３は活性金属材料を含まないものでもよい。この場合には、セラミック基板１の上面の所定部位にろう付け用の下地金属層（図示せず）を設けておけばよい。下地金属層は、例えば銀、銅、インジウム、亜鉛、錫、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、モリブデン、オスミウム、レニウムおよびタングステン等から選択される金属を含む金属材料のメタライズ層としてセラミック基板１の表面の所定位置に形成することができる。上記製造方法において、金属板２の平面視の大きさおよび形状と同程度の大きさおよび形状の下地金属層を設けたセラミック基板１を準備し、活性金属を含まないろう材ペースト２３を塗布することで下地金属層を有する同様のパワーモジュール用基板１０を作製することができる。

金属板２およびろう材３の露出面には、金属皮膜（図示せず）を設けることができる。この金属皮膜は、電子部品１１の接合材１１ａによる金属板２への接合性を高めるための皮膜である。そのため、パワーモジュール１００，１０１，１０２において電子部品１１が搭載される領域に部分的に設けることもできる。この場合は、金属板２の搭載領域に凹部を設け、金属皮膜を凹部の底面に設けることができる。

金属皮膜は、例えばめっき法によってセラミック基板１に接合された金属板２の上面に形成することができる。金属皮膜を部分的に設ける場合は、めっき工程において、金属板２の上面における金属皮膜を形成する領域以外を樹脂材料等からなる被覆材（レジスト膜）でカバーしておけば、金属皮膜を金属板２の上面の一部にのみ設けることができる。

金属皮膜の表面は、例えば、銀層または金層からなるものとすることができる。このような金属皮膜が配置されていると、金属板２の上面の電子部品１１が搭載される部分の酸化等を抑制することができる。そのため、接合材１１ａを介して電子部品１１を金属板２の表面（上面）に接合して搭載することが容易であり、電気的な接続信頼性の向上についても有利である。金属皮膜は表面が銀または金であればよいので、銀層または金層の単層であってもよいし、最表層を銀層または金層とする複数層で構成されていてもよい。

金属皮膜を複数層で構成する場合には、金属板２と接合性のよい下地層を設けることができるので、金属皮膜の金属板２への接合強度を向上させることができる。金属皮膜を複数層で構成する場合の例としては、例えば、金属板２側から、ニッケル／パラジウム／銀（Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｇ）、ニッケル／パラジウム／金（Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ）等があげられる。ニッケル層は、金属皮膜の金属板２に対する接合強度を向上させる機能を有している。ニッケル層は、銅等の被めっき材（金属板２）に対する密着強度が高い性質を有している。そのため、ニッケル層によって金属皮膜が金属板２の上面に強固に被着されている。パラジウム層は、ニッケル層のニッケル成分が銀層または金層に拡散することを抑制する機能を有している。また、パラジウム層は、例えば接合材１１ａとしてはんだを用いる場合には、はんだを介して金属皮膜上に電子部品１１を搭載するときのはんだ濡れ性を向上させる機能も有している。この場合、例えば銀層または金層の一部がはんだ中に溶解したとしても、パラジウム層にはんだが容易に濡れる。そのため、はんだの濡れ性を向上させることができる。

また、金属皮膜が銀層または金層およびそのすぐ下側に配置されたニッケル層を含む場合、すなわち金属皮膜が、セラミック基板１の上面に順次被着されたニッケル層および銀層または金層のみからなる場合には、金属板２から金属皮膜への銅等の金属の拡散を抑制することができることから、金属皮膜の銀層または金層の厚みを抑制することができ、パワーモジュール用基板１０のコストを低減することができる。

接合材１１ａとして銀ナノペーストを用いる場合には、金属皮膜の表面を銀層とすることができる。このようにすることで、銀ナノ粒子と金属皮膜とが結合しやすくなるので、銀ナノペーストによる電子部品１１の金属板２への接合性が高いものとなる。

金属皮膜が部分的に設けられる場合の金属板２の表面の凹部は、平面視の寸法が搭載される電子部品１１の寸法より一回り大きく、金属皮膜と同程度の大きさである。凹部の深さは、例えば２μｍ〜２０μｍである。凹部は、金属板２の表面に、ブラスト加工等の機械的加工あるいは化学エッチング等の化学的加工を施すことによって形成することができる。いずれの場合でも、例えば、金属皮膜を形成する位置に開口を設けた被覆材（マスク）を金属板２の上に設けて、開口から露出した部分のみを加工することで凹部を形成することができる。そのため、上述した被覆材を用いためっき法による金属皮膜の形成の前に凹部の形成を行なうことで、効率よく凹部と金属皮膜の形成ができる。

また、セラミック基板１の下面に接合された金属板２の表面にもニッケルなどのめっき層を設けてもよい。これにより、金属板２の表面の酸化を抑制することができる。また、金属板２をはんだ等の伝熱性接合材で放熱体に接合する場合には、はんだ濡れ性を向上させることができ、放熱体への熱伝導性を向上させることができる。

上記のようなパワーモジュール用基板１０に電子部品１１を搭載することで、図１に示す例のようなパワーモジュール１００となる。パワーモジュール１００は、例えば、自動車などに用いられ、ＥＣＵ（engine control unit）およびパワーアシストハンドル、モ
ータドライブなどの各種制御ユニットに使用される。パワーモジュール１００は、このような車載の制御ユニットに限られるものではなく、例えば、その他の各種インバータ制御回路、電力制御回路、パワーコンディショナー等に用いられる。

図１に示す例のパワーモジュール１００においては、セラミック基板１の表面（上面）の中央部に接合された金属板２の上に、１つの電子部品１１が搭載されている。電子部品１１が搭載された金属板２を挟むように配置されて接合された金属板２と電子部品１１とはボンディングワイヤ１２によって電気的に接続されている。この外側の金属板２は、外部の電気回路と接続するための端子として機能する。また、電子部品１１で発生した熱は、セラミック基板１の上面に接合された金属板２およびセラミック基板１を介してセラミック基板１の下面に接合された金属板２に伝わり、さらに外部へ放熱することができる。つまり、セラミック基板１の下面に接合された金属板２は放熱板として機能する。電子部品１１の数、大きさおよび搭載位置等については、図１に示す例に限られるものではない。

電子部品１１は、例えばパワー半導体であり、上記のような各種制御ユニットにおいて、電力制御のために用いられる。例えばＳｉを用いたＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor−Field Effect Transistor）やＩＧＢＴといったトランジスタ、あるいはＳｉＣやＧａＮを用いたパワー素子があげられる。

電子部品１１は、接合材１１ａによってパワーモジュール用基板１０の金属板２に接合されて固定される。接合材１１ａは、例えば、はんだまたは銀ナノペーストを用いることができる。金属板２の表面に部分的に金属皮膜を設ける場合は、平面視での電子部品１１
の大きさが金属皮膜の大きさより小さいと、電子部品１１の側面から金属皮膜の上面にかけて接合材１１ａのフィレットが形成されるので、電子部品１１の金属板２（金属皮膜）への接合強度を高めることができる。また、金属皮膜の表面は接合材１１aによって覆わ
れて露出しないので、後述する封止樹脂１３の接合性が向上する。

ボンディングワイヤ１２は、電子部品１１の端子電極（不図示）と金属板２とを電気的に接続する、接続部材である。ボンディングワイヤ１２としては、例えば、銅もしくはアルミニウム製のものを用いることができる。

図３（ａ）に示す例のパワーモジュール１０１は、図１に示す例のパワーモジュール１００が、上面から下面の外周部にかけて封止樹脂１３で覆われて、電子部品１１が封止されているものである。金属板２の表面に部分的に金属皮膜を設ける場合は、封止樹脂１３は、不活性な銀層または金層である金属皮膜が形成されていない金属板２の上面等に接合されるので、封止樹脂１３による電子部品１１の封止の信頼性を効果的に向上させることができる。また、封止樹脂１３は、セラミック基板１の下面に接合された金属板２の主面（下面）は覆っていない。そのため、放熱板として機能する金属板２を外部の放熱体等に直接に熱的に接続することができるので、放熱性に優れたパワーモジュール１０１とすることができる。また、端子として機能する金属板２は、セラミック基板１からはみ出す長さであり、封止樹脂１３からもはみ出している。これによって、端子として機能する金属板２と外部の電気回路との電気的に接続が容易に可能となっている。

封止樹脂１３には、熱伝導性、絶縁性、耐環境性および封止性の点から、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することができる。

図３（ｂ）に示す例のパワーモジュール１０２は、図１に示す例のパワーモジュール１００が、内側空間を有する筐体１４の内部空間に配置され、内部空間に封止樹脂１３が充填されて電子部品１１およびパワーモジュール用基板１０が封止されている例である。

筐体１４は、枠体１５と、この枠体１５の一方の開口を塞ぐ放熱板１６とで構成されており、枠体１５と放熱板１６とで囲まれた空間が内側空間となる。また、内側空間から筐体１４の枠体１５を貫通して外部へ導出されたリード端子１７を備えている。そして、リード端子１７の内部空間内の端部とパワーモジュール用基板１０の金属板２とがボンディングワイヤ１２で接続されている。これにより、電子部品１１と外部の電気回路とが電気的に接続可能となっている。

枠体１５は、樹脂材料、金属材料またはこれらの混合材料からなり、放熱板１６により一方の開口が塞がれてパワーモジュール用基板１０を収納する内側空間を形成している。枠体１５に用いられる材料としては、放熱性、耐熱性、耐環境性および軽量性の点から、銅、アルミニウムなどの金属材料またはポリブチルテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイト（ＰＰＳ）などの樹脂材料を使用することができる。これらの中でも、入手しやすさの点から、ＰＢＴ樹脂を用いることが望ましい。また、ＰＢＴ樹脂には、ガラス繊維を添加して繊維強化樹脂とすることが、機械的強度が増大するので好ましい。

リード端子１７は、内側空間から枠体１５を貫通して外部へ導出するように取り付けられている、導電性の端子である。このリード端子１７の内側空間側の端部はパワーモジュール用基板１０の金属板２と電気的に接続され、外部側の端部は外部の電気回路（図示せず）または電源装置（図示せず）などと電気的に接続される。このリード端子１７は、導電性端子に用いられる各種の金属材料は、例えばＣｕおよびＣｕ合金、ＡｌおよびＡｌ合金、ＦｅおよびＦｅ合金、ステンレススチール（ＳＵＳ）等を用いることができる。

放熱板１６は、動作時に電子部品１１で生じた熱を、パワーモジュール１０２の外部に放熱するためのものである。この放熱板１６には、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗなどの高熱伝導性材料を使用することができる。特に、ＡｌはＦｅなどの一般的な構造材料としての金属材料と比べて熱伝導性が高く、電子部品１１で生じた熱をより効率的にパワーモジュール１０２の外部に放熱できるので、電子部品１１を安定して正常に動作させることが可能となる。また、ＡｌはＣｕあるいはＣｕ−Ｗなどの他の高熱伝導性材料と比較して、入手しやすく安価であることから、パワーモジュール１０２の低コスト化にも有利になる点で優れている。

放熱板１６とパワーモジュール用基板１０の金属板２とは、不図示の伝熱性接合材で熱的に接続されている。伝熱性接合材としては、ろう材を用いて熱的に接続するとともに機械的に強固に接合してもよく、グリスなどで熱的に接続し、機械的には比較的弱く接合してもよく、さらに後述のように封止樹脂１３によって接合してもよい。

封止樹脂１３は、内側空間に充填され、パワーモジュール用基板１０に搭載された電子部品１１を封止して保護するものである。パワーモジュール用基板１０と放熱板１６との機械的な接合と内側空間の封止とを同じ封止樹脂１３で行なってもよい。この場合、パワーモジュール用基板１０と放熱板１６との機械的な強固な接合と樹脂封止とを同一工程で行うことができる。

パワーモジュール１０２は、さらに放熱特性を向上させるために、放熱板１６の、パワーモジュール用基板１０が接合されている側とは反対側の露出した面に、伝熱性接合材１９を介して冷却器１８を接合してもよい。この伝熱性接合材１９は上記した、放熱板１６とパワーモジュール用基板１０の金属板２とを接続する伝熱性接合材と同様のものを用いることができる。図３（ｂ）に示す例では、冷却器１８は金属等のブロック体に水等の冷媒を通過させる流路を設けたものを示しているが、これ以外の、例えば冷却フィンであってもよい。このような冷却器１８は、図１または図３（ａ）に示す例のパワーモジュール１００，１０１にも適用することができ、パワーモジュール用基板１０の金属板２に接続すればよい。この場合は、平板状のもの、すなわち図３（ｂ）に示す放熱板１６だけを冷却器１８として適用することもできる。

１・・・セラミック基板
２・・・金属板
２ａ・・・対向面
３・・・ろう材
３ａ・・・第１接合部
３ｂ・・・第２接合部
１０・・・パワーモジュール用基板
１１・・・電子部品
１１ａ・・・接合材
１２・・・ボンディングワイヤ
１３・・・封止樹脂
１４・・・筐体
１５・・・枠体
１６・・・放熱板
１７・・・リード端子
１８・・・冷却器
１９・・・伝熱性接合材
２２・・・金属素板
２３・・・ろう材ペースト
２４・・・流れ防止材
２５・・・エッチングマスク
１００，１０１，１０２・・・・パワーモジュール

Claims (5)

1. セラミック基板と、
   該セラミック基板の表面に前記セラミック基板の前記表面と対向する対向面がろう材を介して接合された金属板と、を備えており、
   前記ろう材における、前記金属板と接合している第１接合部の外周は前記対向面の外周より内側に位置し、前記セラミック基板と接合している第２接合部の外周は前記第１接合部の外周より外側に位置しているパワーモジュール用基板。
2. 前記ろう材の前記第２接合部の外周は、前記金属板の外周と同じ位置か前記金属板の外周より内側に位置している請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
3. 前記金属板の側面は、金属板の前記セラミック基板とは反対側の面の外周端部より内側に位置する部分を有する請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパワーモジュール用基板と、
   該パワーモジュール用基板の前記金属板上に搭載された電子部品と、を備えるパワーモジュール。
5. 前記電子部品、前記金属板および前記セラミック基板を覆う封止樹脂を備える請求項４に記載のパワーモジュール。
   

Images