JP6040803B2

JP6040803B2 - パワーモジュール

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Publication number: JP6040803B2
Application number: JP2013033019A
Authority: JP
Inventors: 宗太郎大井
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2033-02-22
Also published as: JP2014165240A

Description

本発明は、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関する。

従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に、導体パターン層を形成する金属板が積層され、この導体パターン層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となる金属板が形成され、この放熱層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。
このような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においては、セラミックス基板の表面に回路層等をろう付けにより接合しているが、その際の熱伸縮により反りが生じるという問題がある。

そこで、特許文献１では、パワーモジュール用基板の反り量を緩和するため、回路層と放熱層との間に、両面にセラミックス板を設けた肉厚の熱拡散板を積層することにより、放熱層を肉厚に形成した場合と同様の緩衝機能を持たせて、反り量を緩和することが提案されている。

また、パワーモジュールには、搭載された電子部品の固定、絶縁等の目的で、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂による樹脂封止が施されることがある。

特開２００３‐８６７４７号公報特許第４５６５２４９号公報特許第４６４６４１７号公報

ところで、パワーモジュール用基板は、搭載される電子部品の発熱、周辺環境の温度変化等により、種々の熱的ストレスが発生する。したがって、金属板とセラミックス基板とのろう付けにより生じる反りを緩和するだけでは不十分であり、使用時において断続的に発生する電子部品の発熱を速やかに放散するために、より高いパワーサイクル性が求められ、さらに外部環境温度の変化に伴うヒートサイクルにより、金属層の剥離やセラミックス基板の割れ等の発生を確実に防止することが求められている。
さらに、パワーモジュールをエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂によって樹脂封止する場合、封止するモールド樹脂とアルミニウムとの密着性が悪いことから、樹脂モールドとアルミニウムとの界面に破断が生じ、電子部品の接合性を確保することが難しいという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、反りの発生を抑制でき、パワーサイクル性、ヒートサイクル性を向上させることができるとともに、電子部品の接合性を良好に確保することができるパワーモジュールを提供することを目的とする。

電子部品の発熱を速やかに吸収するには、回路層を肉厚に形成することが効果的である。この場合、回路層にアルミニウムを用いると、熱応力が緩和されセラミックス基板との接合性を良好に確保することができるが、エッチング加工による回路層の形成が困難になるという問題がある。

これを解決するために、例えば特許文献２及び特許文献３に開示されるように、回路層をセラミックス基板で隔てた多層構造にすることにより、電子部品が搭載される上層とは別に下層部分において熱容量を確保することができると考えられる。
ところが、セラミックス基板の両側に接合される金属層の厚みが異なると、各層の熱伸縮差により反りが生じる。
さらに、樹脂封止が施される前にパワーモジュールに反りが発生していた場合、電子部品の搭載された回路層側の樹脂の厚みが不均一となり、パワーサイクルが負荷された際に、電子部品と回路層とを接合しているはんだ層の接合信頼性が低下するという問題がある。

そこで、本発明のパワーモジュールは、第１セラミックス基板と第２セラミックス基板との間に積層状態に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる一層の中間層と、前記第１セラミックス基板の前記中間層とは反対側の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層と、前記第２セラミックス基板の前記中間層とは反対側の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱層とを備え、前記放熱層の厚みｂに対する前記回路層の厚みａの比率ａ／ｂが０．５以上１．５以下に設定されるパワーモジュール用基板を有し、前記中間層の端部に開口する穴が設けられ、前記回路層に接合された電子部品と前記パワーモジュール用基板とが、前記放熱層の表面を除いて樹脂モールドにより樹脂封止されるとともに、該樹脂モールドが前記穴に入り込んだ状態で設けられる構成とした。

第１セラミックス基板を介して積層状態とされた中間層を有していることにより、電子部品が接合される回路層の厚みを増すことなく、パワーモジュール用基板全体の熱容量を大きくすることができる。また、中間層のヒートスプレッダ効果により、電子部品の発熱を放熱層に速やかに伝達して放散することができ、電子部品を固着するはんだ層に歪みやクラック等を生じさせることがなく、はんだ層を長期的に健全に維持することができる。
また、回路層、中間層及び金属層を引張り強度や耐力が小さいアルミニウム又はアルミニウム合金で形成することによりセラミックス基板との熱膨張差に伴う応力発生を緩和して、セラミックス基板の割れやクラックの発生を防止することができる。
また、パワーモジュール用基板は、放熱層の厚みｂに対する回路層の厚みａの比率ａ／ｂが０．５以上１．５以下に設定され、一層の中間層を介してほぼ対称形状に形成されていることから、パワーモジュール用基板に生じる反りを抑制することができる。

さらに、電子部品とパワーモジュール用基板とを樹脂モールドにより封止することで、電子部品と放熱層との間に積層された複数の基板及び金属板及び電子部品の周囲や隙間に樹脂が流し込まれるとともに、中間層の端部に開口する穴にも樹脂が入り込み、パワーモジュール用基板に樹脂モールドを強固に保持することができる。また一方で、パワーモジュール全体を樹脂モールドによって強固に保持することができるので、電子部品の接合性を良好に確保することができる。また、電子部品と反りの抑制されたパワーモジュール用基板とを樹脂モールドにより封止することで、電子部品の搭載された回路層側の樹脂の厚みが均一となり、パワーサイクルが負荷された際に、前記はんだ層の接合信頼性を維持することができる。

本発明のパワーモジュールにおいて、前記中間層の厚みｃと前記回路層の厚みａとを合わせた厚みａ＋ｃが、０．３ｍｍ以上２．５ｍｍ以下に設定されているとよい。
この場合、中間層の厚みｃと回路層の厚みａとを合わせた厚みａ＋ｃを０．３ｍｍ以上２．５ｍｍ以下に設定することにより、良好なヒートスプレッダ効果を得ることができる。
なお、厚みａ＋ｃが０．３ｍｍ未満では、熱伝達性能が低下して十分なヒートスプレッダ効果を得られない。また、厚みａ＋ｃが２．５ｍｍを超える場合は、パワーモジュール全体の熱抵抗が上昇して十分なヒートスプレッダ効果を得られない。

本発明によれば、構造的に反りの発生を抑制してパワーサイクル性、ヒートサイクル性を向上させることができるとともに、電子部品の接合性を良好に確保することができ、長期的に信頼性の高い多層パワーモジュールを得ることができる。

本発明のパワーモジュールの実施形態を示す縦断面図であり、図２のＡ‐Ａ線に沿う矢視図に相当する。図１のパワーモジュールの平面図である。図１のＢ−Ｂ線に沿う矢視図である。図１の接合部付近を示す拡大断面図である。接合前の状態を示す分解断面図である。接合前のセラミックス基板の貫通孔と回路層用金属板の凸部との寸法関係を示す図４同様の拡大断面図である。本発明の製造方法で用いられる加圧装置の例を示す正面図である。本発明のパワーモジュールの他の実施形態である中間層の構成を説明する平面図である。接合部付近の他の例を示す図４同様の拡大断面図である。接合部のさらに他の例を示す図４同様の拡大断面図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１〜図５は、第１実施形態のパワーモジュールを示している。このパワーモジュール１は、図１及び図２に示すように、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品７と、パワーモジュール用基板１０の裏面に接合されたヒートシンク８とから構成され、パワーモジュール用基板１０と電子部品７とが樹脂モールド９によって樹脂封止されている。

パワーモジュール用基板１０は、第１セラミックス基板２と第２セラミックス基板３との間に積層状態に接合された中間層５Ａ，５Ｂと、第１セラミックス基板２の中間層５Ａ，５Ｂとは反対側の面に接合された回路層４Ａ〜４Ｅと、第２セラミックス基板３の中間層５Ａ，５Ｂとは反対側の面に接合される放熱層６とを備え、これらセラミックス基板２，３と回路層４Ａ〜４Ｅ、中間層５Ａ，５Ｂ及び放熱層６とが、相互にろう付け等により接合されている。そして、最上段に配置される回路層４Ａ〜４Ｅの一部（図示例では４Ｄ，４Ｅ）に電子部品７が搭載され、最下段に配置される放熱層６にヒートシンク８が接合される。

セラミックス基板２，３は、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４等により、例えば０．３２ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さに形成される。また、回路層４Ａ〜４Ｂ、中間層５Ａ，５Ｂ、放熱層６は、純度９９．９０％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金により形成されている。回路層、中間層及び放熱層の厚さは、例えば０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍとされる。
そして、両セラミックス基板２，３と回路層４Ａ〜４Ｅ、中間層５Ａ，５Ｂ及び放熱層６との接合には、例えばＡｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材が用いられる。

また、図２及び図３に示すように、最上段に配置される回路層４Ａ〜４Ｅは５つ、両セラミックス基板の間の中段に配置される中間層は２つ設けられ、最下段の放熱層６は１つ設けられている。最上段の５つの回路層４Ａ〜４Ｅは、中間の位置に１つ（４Ｃ）、その両側にそれぞれ２つずつ（４Ａ，４Ｂと４Ｄ，４Ｅ）配置されている。両セラミックス基板２，３の間の中間層５Ａ，５Ｂは、最上段の両側位置に配置されている回路層４Ａ，４Ｄ及び４Ｂ，４Ｅをそれぞれ連結し得る長さで細長い帯板状に形成され、２つが面方向に相互間隔をあけて平行に並んで配置されており、図３に示すように、これら中間層５Ａ，５Ｂの端部に開口する穴５１が形成されている。なお、符号５１ａは、穴５１の開口部を示している。
そして、最上段における両側の回路層４Ａ，４Ｄ及び４Ｂ，４Ｅが組になって、中間位置の回路層４Ｃの下方で連結するように、中間層５Ａ，５Ｂを介して相互に電気的接続状態とされている。

その接続形態としては、第１セラミックス基板２に４個の貫通孔１１が形成され、前述の５つの最上段の回路層４Ａ〜４Ｅのうちの中間位置の回路層４Ｃを除く４つの回路層４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅの片面にそれぞれ凸部（本発明の金属部材に相当）１２が円柱状に一体に形成され、これら凸部１２がそれぞれ貫通孔１１内に挿入し、両セラミックス基板２，３の間の中間層５Ａ，５Ｂに接合された構造とされている。この場合、図４に示すように、凸部１２は、中間層５Ａ，５Ｂに接合され、中間層５Ａ，５Ｂへの接合部Ｐと回路層４Ａ，４Ｂ，４Ｄ及び４Ｅの下面との中間付近が塑性変形してわずかに拡径した状態とされているが、貫通孔１１の内周面との間には隙間Ｇが形成されている。
また、貫通孔１１及び凸部１２の大きさ等は、第２セラミックス基板３と中間層５Ａ，５Ｂとの接合面積Ａ２に対する第１セラミックス基板２と中間層５Ａ，５Ｂとの接合面積Ａ１の比率Ａ１／Ａ２が０．７５以上となるように設定される。

また、回路層４Ａ〜４Ｅ、中間層５Ａ，５Ｂ及び放熱層６は、図１に示すように、放熱層６の厚みｂに対する回路層４Ａ〜４Ｅの厚みａの比率ａ／ｂが、０．５以上１．５以下に設定されるとともに、中間層５Ａ，５Ｂの厚みｃと回路層４Ａ〜４Ｅの厚みａとを合わせた厚みａ＋ｃが、０．３ｍｍ以上２．５ｍｍ以下に設定されるように構成されている。

また、パワーモジュール１は、放熱層６の表面を除いて、パワーモジュール用基板１０と電子部品７とがエポキシ樹脂等の樹脂モールド９によって樹脂封止されている。そして、樹脂モールド９は、中間層５Ａ，５Ｂの端部に開口する穴５１にも入り込んだ状態で設けられている。なお、樹脂モールド９による樹脂封止は、電子部品７の固定、絶縁等の目的で、パワーモジュール１に施される。

次に、このように構成したパワーモジュール１を製造する方法について説明する。
セラミックス基板２，３のうち、貫通孔１１を有する第１セラミックス基板２は、セラミックスの焼成前のグリーンシートにプレス加工により貫通孔を形成した後に焼成することにより得ることができる。その外形は焼成後に加工される。貫通孔を有しない第２セラミックス基板３は、グリーンシートを焼成した後に外形加工される。

図５に示すように、回路層用金属板４４Ｃ、中間層用金属板４５Ａ，４５Ｂ及び放熱層用金属板４６は、ろう材１３，１４をオクタンジオール等の揮発性有機媒体等により表面に仮固定しておき、プレス加工によって一体に打ち抜くことにより、ろう材箔を貼り付けた金属板としておく。この場合、最上段の回路層用金属板４４Ｃの片面及び中段の中間層用金属板４５Ａ，４５Ｂの両面に、例えばＡｌ‐Ｓｉ系又はＡｌ‐Ｇｅ系のろう材１３が貼り付けられ、最下段の放熱層用金属板４６には、その片面にＡｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材１４が貼り付けられる。
また、回路層用金属板４４Ａ〜４４Ｅのうち、凸部１２を有する金属板４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｄ，４４Ｅは、予めプレス加工により片面に凸部１２を成形しておき、その凸部１２を除くように穴をあけたろう材箔を凸部１２の周囲の平面に貼り付けることにより形成される。

凸部１２は、貫通孔１１を有するセラミックス基板２の厚さよりも大きく、図６に示すように、貫通孔１１に挿入したときにセラミックス基板２からわずかに突出する長さに設定される。セラミックス基板２の厚さの寸法ばらつきを考慮して、その公差の最大値よりも０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍ大きい長さ、例えば０．０５ｍｍ大きい長さに設定される。また、凸部１２の外径Ｄ１とセラミックス基板２の貫通孔１１の内径Ｄ２とは、後述する加圧時に凸部１２が拡径するので、その拡径状態でも隙間Ｇが形成されるように凸部１２の外径Ｄ１は１．０ｍｍ〜２０ｍｍ、セラミックス基板２の貫通孔１１の内径Ｄ２は１．１ｍｍ〜２８ｍｍに形成される。例えば、凸部１２の外径Ｄ１が１０ｍｍ、貫通孔１１の内径Ｄ２は１３ｍｍとされる。

このようにして形成した２枚のセラミックス基板２，３及び金属板４４Ａ〜４４Ｅ，４５Ａ，４５Ｂ，４６は、次のように接合される。まず、セラミックス基板２，３と回路層用金属板４４Ａ〜４４Ｅ及び中間層用金属板４５Ａ，４５Ｂと放熱層用金属板４６とを交互に重ね合わせ、回路層用金属板４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｄ，４４Ｅの凸部１２を対応する第１セラミックス基板２の貫通孔１１に挿入した状態とし、その積層体Ｓを図７に示す加圧装置に設置する。
この加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備えている。
固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されており、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体Ｓが配置される。積層体Ｓの両面には加圧を均一にするためにカーボンシート１１６が配設される。

この加圧装置１１０により加圧した状態で、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設置し、例えば６３０℃のろう付け温度に加熱してろう付けする。この場合の加圧力としては、例えば０．５ＭＰａ（５ｋｇｆ／ｃｍ^２）とされる。

このように加圧することにより、ろう付け時に凸部１２が塑性変形して押しつぶされながら、中間層用金属板４５Ａ，４５Ｂに接合するとともに、この凸部１２の周囲の回路層用金属板４４Ａ〜４４Ｅの平面が第１セラミックス基板２の表面に密接し、面方向に均一な接合状態を得ることができる。
また、接合した後の状態においても、凸部１２は部分的に拡径するが、前述したように拡径した状態で凸部１２と貫通孔１１の内周面との間に隙間Ｇが形成される設定であるので、凸部１２が貫通孔１１の内周面に圧迫されることはない。

また、セラミックス基板２，３と中間層用金属板４５Ａ，４５Ｂが接合されることによって、中間層５Ａ，５Ｂの端部に開口する穴５１が形成されることとなる。

そして、このようにして製造されたパワーモジュール用基板１０は、図１及び図２に示すように、最上段の回路層４Ａ〜４Ｅの一部に電子部品７を搭載した後、樹脂モールド９によって、パワーモジュール用基板１０と電子部品７とが樹脂封止され、パワーモジュール１が構成される。
例えば硬化前の柔らかい状態のエポキシ樹脂材を、パワーモジュール用基板１０と電子部品７の上方から流し込み、個片化された各回路層４Ａ〜４Ｅ及び中間層５Ａ，５Ｂの各基板間の隙間にまでエポキシ系樹脂材を充填させた状態で、エポキシ系樹脂材の硬化温度まで加熱する。これにより、パワーモジュール用基板１０及び電子部品７の周囲や隙間を樹脂モールド９によって樹脂封止することができる。この際、パワーモジュール用基板１０を構成する両セラミックス基板２，３や各回路層４Ａ〜４Ｅ、中間層５Ａ，５Ｂ、電子部品７の周囲や隙間にエポキシ系樹脂材が流し込まれるとともに、中間層５Ａ，５Ｂの端部に開口する穴５１にも入り込んで硬化されることで、パワーモジュール用基板１０に樹脂モールド９を強固に保持することができるとともに、パワーモジュール用基板１０に接合された電子部品７の接合状態を良好に確保することができる。また、電子部品７と反りの抑制されたパワーモジュール用基板１０とを樹脂モールド９により封止することで、電子部品の搭載された回路層４Ａ〜４Ｅ側の樹脂の厚みが均一となり、パワーサイクルが負荷された際に、はんだ層の接合信頼性を維持することができる。
なお、パワーモジュール１にヒートシンク８を接続する際に、樹脂モールド９がヒートシンク８との取り付けを阻害しないように、樹脂モールド９は、放熱層６とヒートシンク８との接続面から逃げた位置に形成される。

最後に、最下段の放熱層６にヒートシンク８が接触するように、伝熱グリスなどを介して取り付けられる。
なお、ヒートシンク８は、例えばＡ６０６３アルミニウム合金の押出成形により形成される。図示例では、紙面に直交する方向に押し出され、その押出方向に沿って帯板状にストレートのフィン２１が形成される。寸法的に限定されるものではないが、例えば５０ｍｍ角で厚さ５ｍｍの板状部２２の片面に、押出方向に沿う厚さ４ｍｍ、高さ１５ｍｍのストレート状のフィン２１が複数形成されている。パワーモジュール１は、ヒートシンク８に板バネなどを挟んで、取付金具（図示せず）を用いてネジ止め等により固定される。

このパワーモジュール１は、第１セラミックス基板２を介して積層状態とされた回路層４Ａ〜４Ｅの一部と中間層５Ａ，５Ｂとが金属部材により接続状態とされることにより、多層の回路層が形成されており、回路層４Ａ〜４Ｅの厚みを増すことなく、回路層全体の熱容量を大きくすることができる。また、電子部品７で発生する熱は、その回路層４Ｄ，４Ｅから凸部１２を経由して中間層５Ａ，５Ｂに熱伝達され、中間層５Ａ，５Ｂのヒートスプレッダ効果により、その熱を放熱層６に速やかに伝達して放散することができる。したがって、電子部品７を固着するはんだ層に歪みやクラック等を生じさせることがなく、はんだ層を長期的に健全に維持することができる。

また、パワーモジュール１は、放熱層６の厚みｂに対する回路層４Ａ〜４Ｅの厚みａの比率ａ／ｂが０．５以上１．５以下に設定されており、一層の中間層５Ａ，５Ｂを介してほぼ対称形状に形成されていることから、パワーモジュール１に生じる反りを抑制することができる。

さらに、パワーモジュール１は、回路層４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅの片面に形成される凸部（金属部材）１２が、貫通孔１１を有する第１セラミックス基板２の厚さよりも大きく設けられ、その凸部１２を塑性変形させて接合することにより、第１セラミックス基板２の厚さ寸法のばらつきを凸部１２の塑性変形量によって調整する構成としている。したがって、第１セラミックス基板２の両側に配置される回路層４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅ及び中間層５Ａ，５Ｂの安定した接合性を得ることができ、熱応力の発生が軽減され、剥離や割れ等の発生を防止することができる。
さらに、凸部１２と貫通孔１１の内周面との間に隙間Ｇが形成されているので、使用時の温度サイクルにより熱伸縮が繰り返されても、貫通孔１１の部分での熱応力が軽減され、接合部の剥離やセラミックス基板２，３の割れ等が防止され、パワーモジュールとして高い信頼性を維持することができる。

また、中間層の厚みｃと回路層ａの厚みとを合わせた厚みａ＋ｃを０．３ｍｍ以上２．５ｍｍ以下に設定することにより、良好なヒートスプレッダ効果を得ることができる。
なお、厚みａ＋ｃが０．３ｍｍ未満では、熱伝達性能が低下して十分なヒートスプレッダ効果を得られない。また、厚みａ＋ｃが２．５ｍｍを超える場合は、パワーモジュール全体の熱抵抗が上昇して十分なヒートスプレッダ効果を得られない。

また、貫通孔１１及び凸部１２の大きさ等は、第２セラミックス基板３と中間層５Ａ，５Ｂとの接合面積Ａ２に対する第１セラミックス基板２と中間層５Ａ，５Ｂとの接合面積Ａ１の比率Ａ１／Ａ２が０．７５以上となるように設定されることが好ましい。比率Ａ１／Ａ２が０．７５未満では、第２セラミックス基板３に応力が集中して、割れが生じ易くなるためである。
なお、放熱性を高めるためには凸部１２の外径Ｄ１は大きい方がよく、例えば電子部品７の投影面積よりも大きい横断面積であると、凸部１２の延長上に電子部品７を搭載すれば優れた放熱性を発揮する。また、パワーモジュールとしても大電流が流れるので、大きい断面積の凸部１２の方が電流密度が小さくなるので好ましい。

また、本実施形態では、回路層４Ａ〜４Ｅ、中間層５Ａ，５Ｂを引張り強度や耐力が小さいアルミニウム又はアルミニウム合金で形成しており、セラミックス基板２，３との熱膨張差に伴う応力発生を緩和して、セラミックス基板２，３の割れやクラックの発生を防止することができる。
さらに、本実施形態では、中間層５Ａ，５Ｂを図３に示すように細長い帯板状に形成したが、図８（ａ）に示すように平面視Ｌ字状に屈曲成形することもでき、その屈曲部分を対峙させるようにして並べることで、屈曲する穴５１を形成することもできる。また、中間層の端部に開口する穴５１は、中間層の一方の端部から他方の端部に貫通する構成に限られるものではなく、図８（ｂ）に示すように中間層５の端部に掘られた穴５１を形成することもできる。この場合も、樹脂材が穴５１に入り込んで硬化されることで、パワーモジュール用基板１０に樹脂モールド９を強固に保持することができる。

上記において説明した本発明に係るパワーモジュールにおいて、その効果を確認するために実験を行った。
パワーモジュールを構成する各金属板を表１に示す条件に設定した試料１〜５のパワーモジュールを作製し、これらの「ヒートサイクル性」、「パワーサイクル性」及び「反り量」を評価した。
各試料１〜５の回路層用金属板及び中間層用金属板はそれぞれ純度９９．９９％以上の純アルミニウム板（４Ｎ‐Ａｌ）により２６ｍｍ×２６ｍｍ（２６ｍｍ角）に形成した。また、放熱層用金属板は純度９９．９９％以上の純アルミニウム板により２８ｍｍ×２８ｍｍ（２８ｍｍ角）の板材で形成した。なお、回路層の厚みａ及び放熱層の厚みｂは表１に記載の通りとした。また、中間層の厚みｃは１．２ｍｍとした。そして、これら金属板の間に配置される第１セラミックス基板及び第２セラミックス基板は、それぞれ厚み０．６３５ｍｍで３０ｍｍ×３０ｍｍ（３０ｍｍ角）のＡｌＮを用いて、これらセラミックス基板と金属板とをろう付けすることによりパワーモジュール用基板を製造した。試料１〜４については端部に開口する穴を設け、試料５については中間層に端部に開口する穴を設けなかった。
そして、各パワーモジュール用基板の表面にＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系はんだを用いてＩＧＢＴ半導体チップ（電子部品）をはんだ付けするとともに、アルミニウム合金からなる接続配線をボンディングし、エポキシ樹脂材で樹脂封止してモジュール化した試料１〜５を製作した。

なお、回路層と中間層とは、回路層に突設した凸部により第１セラミックス基板に形成した貫通孔を介して接続された構成とされ、これら貫通孔及び凸部の大きさ等は、第２セラミックス基板と中間層との接合面積Ａ２に対する第１セラミックス基板と中間層との接合面積Ａ１の比率Ａ１／Ａ２が０．７５以上となるように設定した。

（ヒートサイクル性の評価）
各試料１〜５を、−４０℃から１０５℃に１０分間で上昇させ、１０５℃に１５分保持した後、１０５℃から−４０℃に１０分間で下降させ、−４０℃に１５分保持する温度履歴を１サイクルとしたヒートサイクルを３０００サイクル付与した。そして、超音波検査装置により、ヒートサイクル付与前及び３０００サイクル付与後のはんだ層の剥離率を以下の式（１）より算出した。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
剥離率＝（剥離面積／はんだ層面積）×１００（％） … （１）
なお、評価は、ヒートサイクル付与前後の剥離率の差が５％以下の場合を「○」、５％を超える場合を「×」とした。

（パワーサイクル性の評価）
各試料１〜５をヒートシンクにネジ止めし、ヒートシンクを水冷容器に固定し、冷却水温度、流量を一定とした状態で、半導体チップへの通電を、通電（ＯＮ）で１４０℃、非通電（ＯＦＦ）で６０℃となる１サイクルを１０秒毎に繰り返すようにして調整し、これを１０万回繰り返すパワーサイクル試験を実施した。そして、パワーサイクル試験の前後で半導体チップ表面とヒートシンク内表面（ヒートシンク底面）との間の熱抵抗を半導体チップ表面温度からそれぞれ測定し、パワーサイクル試験実施による熱抵抗の上昇率を求めた。熱抵抗の上昇率が１０％以下の場合を「○」、１０％を超える場合を「×」として評価した。

（反り量の測定）
反り量は、非接触３次元測定機によって測定した。なお、測定は樹脂封止前に行い、回路層表面の反り量を測定した。

表１からわかるように、比率ａ／ｂが０．５以上１．５以下に設定された実施例の試料２，３については、ヒートサイクルの耐久性（ヒートサイクル性）に優れ、パワーサイクル後の熱抵抗上昇率も低く抑えることができた。また、反り量についても比較例の試料１よりも小さくすることができた。一方、比率ａ／ｂが０．５未満に設定された比較例の試料１は、ヒートサイクル性が低下し、パワーサイクル後の熱抵抗が上昇する結果となった。比率ａ／ｂが１．５を超えて設定された比較例の試料４は、パワーサイクル後の熱抵抗が上昇する結果となった。さらに、中間層の穴を設けなかった比較例の試料５は、ヒートサイクル性が低下する結果となった。

なお、本発明は上記実施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、アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板を接合する場合、金属板の片面に蒸着等により厚さ０．４μｍ程度の銅層を形成しておき、その上にセラミックス基板を積層して、これらを過渡液相接合法（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＤｉｆｆｕｓｉｏｎＢｏｎｄｉｎｇ）により接合してもよい。
この過渡液相接合法においては、金属板の表面に蒸着させた銅層が金属板とセラミックス基板との界面に介在しており、加熱により、その銅がまず金属板のアルミニウム中に拡散し、その金属板の銅層近傍の銅濃度が上昇して融点が低下し、これにより、アルミニウムと銅との共晶域にて接合界面に金属液相が形成される。この金属液相が形成された状態で温度を一定に保持しておくと、金属液相がセラミックス基板と一定温度で一定時間接触し反応するとともに、銅がさらにアルミニウム中に拡散することに伴い、金属液相中の銅濃度が徐々に低下して融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより金属板とセラミックス基板との強固な接合が得られ、凝固が進行した後に、常温にまで冷却する。その際の加圧力としては９８ｋＰａ（１ｋｇ／ｃｍ^２）〜３．４ＭＰａ（３５ｋｇ／ｃｍ^２）とされ、１０^−３〜１０^−６Ｐａの真空中で、６００℃で０．５時間加熱される。

さらに、金属板に凸部を一体に形成した実施形態として説明したが、図９に示すように、柱状の金属部材３１を金属板４，５とは別に形成しておき、セラミックス基板２の貫通孔１１内に金属部材３１を配置して、その両端面を両金属板４，５に接合させるものとしてもよい。この場合は、金属部材３１の両端面に接合部Ｐが形成される。
さらに、図１０に示すように、両金属板４，５にそれぞれ凸部（金属部材）１２Ａ，１２Ｂを形成しておき、セラミックス基板２の貫通孔１１の長さの途中位置で接合される構成としてもよい。この場合は、貫通孔１１の途中位置に接合部Ｐが形成される。
また、この金属部材は円柱状でなく、横断面多角形の柱状に形成し、貫通孔も同様の多角形とすることにより、貫通孔内で金属部材を回り止めすることが可能になり、多層構造とする場合の金属板の位置決めを容易にすることができる。
さらに、ヒートシンクも実施形態のような押出加工によるストレートフィン付きの形状以外に、鍛造等により形成したピン状フィンを有するもの、放熱板と呼ばれる板状のものとしてもよく、本発明では、これら種々のタイプのものを合わせてヒートシンクと定義する。
また、本実施形態では、パワーモジュールを樹脂封止した後にヒートシンクを取り付けたが、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合した後に電子部品を搭載し、樹脂封止することもできる。

１パワーモジュール
２第１セラミックス基板
３第２セラミックス基板
４Ａ〜４Ｅ回路層
５，５Ａ，５Ｂ中間層
６放熱層
７電子部品
８ヒートシンク
１０パワーモジュール用基板
１１貫通孔
１２，１２Ａ，１２Ｂ凸部（金属部材）
１３，１４ろう材
２１フィン
２２板状部
３１金属部材
１１０加圧装置
１１１ベース板
１１２ガイドポスト
１１３固定板
１１４押圧板
１１５付勢手段
１１６カーボンシート

Claims

第１セラミックス基板と第２セラミックス基板との間に積層状態に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる一層の中間層と、前記第１セラミックス基板の前記中間層とは反対側の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層と、前記第２セラミックス基板の前記中間層とは反対側の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱層とを備え、前記放熱層の厚みｂに対する前記回路層の厚みａの比率ａ／ｂが０．５以上１．５以下に設定されるパワーモジュール用基板を有し、前記中間層の端部に開口する穴が設けられ、前記回路層に接合された電子部品と前記パワーモジュール用基板とが、前記放熱層の表面を除いて樹脂モールドにより封止されるとともに、該樹脂モールドが前記穴の内部に入り込んだ状態で設けられていることを特徴とするパワーモジュール。
前記中間層の厚みｃと前記回路層の厚みａとを合わせた厚みａ＋ｃが、０．３ｍｍ以上２．５ｍｍ以下に設定されることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。