WO2007142261A1

WO2007142261A1 - パワー素子搭載用基板、その製造方法、パワー素子搭載用ユニット、その製造方法、およびパワーモジュール

Info

Publication number: WO2007142261A1
Application number: PCT/JP2007/061446
Authority: WO
Inventors: Yoshirou Kuromitsu; Hiroya Ishizuka; Hiroshi Miyata; Takeshi Kitahara; Hiroshi Tonomura
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2008-12-06
Also published as: US20090145642A1; US8198540B2

Abstract

　セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、この回路層の表面にパワー素子がはんだ接合されるパワー素子搭載用基板であって、前記回路層は、全体の平均純度が９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下のＡｌ合金により形成されるとともに、前記セラミックス板とのろう付け面側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされ、かつこのろう付け面と反対の表面側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされていることを特徴とするパワー素子搭載用基板。

Description

明細書

パワー素子搭載用基板、その製造方法、パワー素子搭載用ユニット、その製造方法、およびパワーモジュール

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素子搭載用基板、その製造方法、パワー素子搭載用ユニット、その製造方法、およびパワーモジユーノレに関するものである。

本願は、 2006年 6月 6日に出願された日本国特許出願第 2006— 157124号、 20 06年 6月 6曰〖こ出願された曰本国特許出願第 2006— 157125号、 2006年 6月 20 日に出願された日本国特許出願第 2006— 169838号、 2006年 7月 12日に出願された曰本国特許出願第 2006— 191468号、 2006年 8月 21曰に出願された曰本国特許出願第 2006— 224112号、 2007年 3月 12日に出願された日本国特許出願第 2007— 61640号に対し優先権を主張し、その内容をここに援用する。

背景技術

[0002] この種のパワーモジュールは一般に、例えば下記特許文献 1に示されるように、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされたパワー素子搭載用基板と、回路層の表面にはんだ接合されたパワー素子とを備えている。従来では、回路層とパワー素子は PbSn系のはんだ材ではんだ接合されて、たが、近年では環境問題の観点力も P bを含有しな、、わゆる無鉛系のはんだ材が広く採用されて、る。

[0003] また、この種のパワーモジュールには、近年では、積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させるために、例えば下記特許文献 2および 3に示されるように、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされ、裏面に内部に冷却水路が形成された冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットが備えられている。すなわち、セラミックス板の裏面に、他の部材を介在させずに直接、冷却器をろう付けすることによって、パヮ一モジュールのトータル熱抵抗を低減させて、る。

[0004] また、この種のパワーモジュールには、近年では、積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させるために、例えば下記特許文献 2に示されるように、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に冷却器がろう付けされたパヮー素子搭載用ユニットが備えられているものもある。すなわち、セラミックス板の裏面に、他の部材を介在させずに直接、冷却器をろう付けすることによって、パワーモ

、る。

なお、この場合の冷却器は A1合金で形成されるとともに、セラミックス板とのろう付け面を有する天板部と、この天板部において前記ろう付け面と反対の表面に垂設された垂下部とを備えている。そして、このような冷却器としては、例えば、天板部および垂下部の他に、天板部と平行に配置された状態で垂下部に連結された底板部が備えられ、これらの天板部、垂下部および底板部で囲まれた冷媒供給路を内部に備える構成や、底板部を有さず天板部と垂下部とを備え、天板部においてろう付け面と反対の表面にピン若しくはフィンとしての垂下部が複数垂設された構成が知られているまた、この種のパワーモジュールとして、例えば下記特許文献 4に示されるような、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされるとともに、この回路層の表面に純 Cu 若しくは Cu合金カゝらなるヒートブロックがはんだ接合されたパワー素子搭載用基板と、前記ヒートブロックの表面にはんだ接合されたパワー素子とを備えた構成が知られている。このように、前記ヒートブロックを設けることにより、パワー素子からはんだ層を介してヒートブロックに伝導した熱を即座にその沿面方向に分散させて、パワー素子の温度上昇を抑制して、る。

特許文献 1：再表 03Z090277号公報

特許文献 2：特開平 4— 363052号公報

特許文献 3：特開 2004— 115337号公報

特許文献 4：特許第 3044952号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

前記無鉛系のはんだ材は、 PbSn系のはんだ材と比べて降伏応力やヤング率が高いので、このパワーモジュールを熱サイクル下で使用する過程において、回路層とパヮー素子との間のはんだ層でクラックが進展し易くなるおそれがある。 [0006] 本発明の一つの目的は、回路層とパワー素子とをはんだ接合するのに無鉛系のはんだ材を採用しても、熱サイクル時にこのはんだ層でクラックが進展し易くなるのを抑えることができるパワー素子搭載用基板およびパワー素子搭載用基板の製造方法並びにパワーモジュールを提供することである。

[0007] また、前記従来のパワー素子搭載用ユニットでは、回路層と冷却器との曲げ剛性差が大きいので、セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けすると、このろう付け時に反りが生じ易くなり、このパワーモジュールを熱サイクル下で使用する過程において、セラミックス板にクラックが生じ易くなる等熱サイクル信頼性が低下するおそれがある。

[0008] 本発明の他の目的は、セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けしても、このろう付け時の反りの発生を抑え、熱サイクル信頼性の低下を抑制することができるパヮ一素子搭載用ユニットおよびパワー素子搭載用ユニットの製造方法並びにパワーモジュールを提供することである。

[0009] また、近年では、前記のパワーモジュールを熱サイクル下で使用する過程にお！、て、冷却器とセラミックス板との接合界面を剥離させ難くするなど熱サイクル信頼性を向上させることに対する要望がある。このような要望に応えるために、例えば、冷却器の全体を高純度の A1合金若しくは純 A1で形成することによって、熱サイクル使用時に、セラミックス板および冷却器の各熱膨張係数の差に起因して、これらの接合界面に応力が生じようとしたときに、前記天板部のろう付け面側を塑性変形させて前記接合界面に生ずる応力を吸収させることによりこの接合界面が剥離するのを抑制することが考えられる。

し力しながら、高純度の A1合金若しくは純 A1は、この材質よりも純度の低い A1合金と比べて曲げ剛性が低くなるので、セラミックス板と冷却器とをろう付けするのに、セラミックス板の裏面にろう材箔と冷却器とをこの順に配置して積層体とした後、この積層体を積層方向に加圧したときに、冷却器の前記垂下部が座屈するおそれがある。特に近年では、パワーモジュールの軽量ィ匕に対する要望もあり冷却器は薄肉化の傾向がある力このような薄肉の冷却器においては前記座屈がより一層生じ易くなる。

[0010] 本発明の他の目的は、冷却器の垂下部の座屈強度を低下させることなぐパワーモジュールの熱サイクル信頼性を向上させることができるパワー素子搭載用ユニットおよびパワー素子搭載用ユニットの製造方法並びにパワーモジュールを提供することである。

[0011] また、前記従来のパワー素子搭載用ユニットでは、回路層と冷却器との曲げ剛性差が大きいので、セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けすると、このろう付け時に反りが生じ易くなり、パワーモジュールを熱サイクル下で使用する過程において、回路層とパワー素子とを接合するはんだ層にクラックが生じ易くなる等、熱サイクル信頼性が低下するおそれがある。

[0012] 本発明の他の目的は、セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けしても、このろう付け時の反りの発生を抑え、熱サイクル信頼性の低下を抑制することができるパヮ一素子搭載用ユニットおよびパワーモジュールを提供することである。

[0013] また、近年では、前記パワーモジュールの熱サイクル使用時に、セラミックス板と回路層との接合界面が剥離したり、あるいは回路層とヒートブロックとを接合するはんだ層に生じたクラックが進展したりするのを抑制する、すなわちパワーモジュールの熱サイクル使用時における接合信頼性を向上させることに対する要望がある。

[0014] 本発明の他の目的は、パワーモジュールの熱サイクル使用時における接合信頼性を向上させることができるパワー素子搭載用基板およびパワー素子搭載用基板の製造方法並びにパワーモジュールを提供することである。

課題を解決するための手段

[0015] 本発明の一態様であるパワー素子搭載用基板は、セラミックス板の表面に回路層力 Sろう付けされてなり、この回路層の表面にパワー素子がはんだ接合されるパワー素子搭載用基板であって、前記回路層は、全体の平均純度が 98. Owt%以上 99. 9w t%以下の Al合金により形成されるとともに、前記セラミックス板とのろう付け面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされ、かっこのろう付け面と反対の表面側に含まれる Feの濃度が 0. ^％以上とされている。

このパワー素子搭載用基板によれば、回路層において、前記反対の表面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%以上とされているので、熱サイクル時に回路層が繰り返し熱変形するのに伴い、徐々にこの反対の表面側を硬化させることが可能になり、この部分に発生する塑性変形量を抑えることができる。これにより、熱サイクル時の回路層の塑性変形に起因して、この回路層の前記反対の表面とパワー素子とを接合するはんだ層に作用する負荷を低減することが可能になり、熱サイクル時に、このはんだ層にクラックが発生してもその進展が抑えられ、回路層とパワー素子とをはんだ接合するのに無鉛系のはんだ材を採用しても、熱サイクル時にこのはんだ層でクラックが進展し易くなるのを抑えることができる。

一方、回路層において、ろう付け面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされているので、熱サイクル時に、セラミックス板および回路層の各熱膨張係数の差に起因して、これらの接合界面に応力が生じようとした場合においても、回路層のろう付け面側を塑性変形させることによりこの応力を吸収させることが可能になる。これにより、前記接合界面に作用する応力を抑えることが可能になり、セラミックス板と回路層との接合信頼性を向上させることもできる。

[0016] 前記ろう付け面側は、回路層においてこのろう付け面力前記反対の表面に向けて回路層の厚さの 10%以上 50%以下までに位置する部分とされ、残部が前記反対の表面側とされてもよい。

この場合、前記の作用効果が確実に奏効されることになる。

[0017] また、本発明の他の態様であるパワー素子搭載用基板の製造方法は、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、この回路層の表面にパワー素子がはんだ接合されるパワー素子搭載用基板の製造方法であって、セラミックス板の表面に、 A1 系のろう材箔と、 Feを 0. 05wt%以上 1. Owt%以下含有する純度が 98. 5wt%以上 99. 95wt%以下の A1合金力もなる回路層部材とをこの順に配置して積層体とした後に、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させて、セラミックス板の表面に回路層部材をろう付けすることにより、本発明の前記の態様のパヮー素子搭載用基板を形成する。

本発明のこの態様では、前記積層体を積層方向に加圧してろう付けするので、セラミックス板の表面と回路層部材とを良好にろう付けすることが可能になり、回路層部材にお、てセラミックス板とのろう付け面側に含まれる Feを、前記接合界面で溶融しているろう材中に良好に溶解させることができる。したがって、回路層のろう付け面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされ、かっこのろう付け面と反対の表面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt% 上とされたパワー素子搭載用基板を確実に形成することができる。

[0018] さらに、本発明の他の態様であるパワーモジュールは、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされたパワー素子搭載用基板と、回路層の表面にはんだ接合されたパヮー素子とを備えたパワーモジュールであって、前記パワー素子搭載用基板が本発明の上記態様のパワー素子搭載用基板である。

[0019] 更に、本発明の他の態様であるパワー素子搭載用ユニットは、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路が形成された冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットであって、前記回路層は、全体の平均純度が 98. Owt%以上 99. 9wt%以下の A1合金により形成されるとともに、前記セラミックス板とのろう付け面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされ、かつこのろう付け面と反対の表面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%以上とされている。本発明のこの態様のパワー素子搭載用ユニットによれば、回路層において、前記反対の表面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%以上とされているので、この回路層全体の曲げ剛性を高めて冷却器の曲げ剛性との差を縮めることが可能になり、このノ^ー素子搭載用ユニットを形成する際のろう付け時に生ずる反り量を低減することができ、セラミックス板にクラックが生じ易くなる等熱サイクル信頼性が低下するのを抑 ff¾することができる。

なお、前記ろう付け面側に含まれる Feの濃度は、セラミックス板と回路層との界面の剥離進展率の観点力 0. 05wt%以下であることが好ましい。

[0020] 前記ろう付け面側は、回路層においてこのろう付け面力前記反対の表面に向けて回路層の厚さの 10%以上 50%以下までに位置する部分とされ、残部が前記反対の表面側とされてもよい。

[0021] また、本発明の他の態様であるパワー素子搭載用ユニットの製造方法は、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路が形成された冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットの製造方法であって、セラミックス板の表面に、 A1系のろう材箔と、 Feを 0. 05wt%以上 1. Owt%以下含有する純度が 98. 5wt%以上 99. 95wt%以下の A1合金力もなる回路層部材とをこの順に配置して積層体とした後に、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させて、セラミックス板の表面に回路層部材をろう付けすることにより、本発明の上記態様のパワー素子搭載用ユニットを形成する。

このパワー素子搭載用ユニットの製造方法では、前記積層体を積層方向に加圧してろう付けするので、セラミックス板の表面と回路層部材とを良好にろう付けすることが可能になり、回路層部材においてセラミックス板とのろう付け面側に含まれる Feを、前記接合界面で溶融しているろう材中に良好に溶解させることができる。したがって、回路層のろう付け面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされ、かっこのろう付け面と反対の表面側に含まれる Feの濃度が 0.

用ユニットを確実に形成することができる。

[0022] さらに、本発明の他の態様であるパワーモジュールは、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路が形成された冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットと、回路層の表面にはんだ接合されたパワー素子とを備えたパワーモジュールであって、前記パワー素子搭載用ユニットが本発明の上記の態様のパワー素子搭載用ユニットである。

[0023] また、本発明の他の態様であるパワー素子搭載用ユニットは、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に冷却器がろう付けされたパヮ一素子搭載用ユニットであって、前記冷却器は、前記セラミックス板とのろう付け面を有する天板部と、この天板部において前記ろう付け面と反対の表面に垂設された垂下部とを備えるとともに、全体の平均純度が 98. Owt%以上 99. 9wt%以下の A1合金で形成され、前記天板部にぉ、てろう付け面側の表層部に含まれる Feの濃度が 0 . lwt%未満とされ、かっこの冷却器において前記表層部を除いた部分に含まれる Feの濃度が 0. 1 ％以上とされている。

このパワー素子搭載用ユニットによれば、天板部においてろう付け面側の表層部に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされているので、熱サイクル使用時に、セラミツタス板および冷却器の各熱膨張係数の差に起因して、これらの接合界面に応力が生じょうとした場合においても、前記表層部を塑性変形させることによりこの応力を吸収させることが可能になる。これにより、前記接合界面に発生する応力を抑えることが可能になり、セラミックス板と冷却器との接合信頼性を向上させることができる。

一方、冷却器において前記表層部を除いた部分に含まれる Feの濃度が 0. lwt% 以上とされて、この表層部を除いた部分の曲げ剛性は現行同等に維持することが可能になり、セラミックス板と冷却器とをろう付けするのに、セラミックス板の裏面にろう材箔と冷却器とをこの順に配置して積層体とした後、この積層体を積層方向に加圧したときに、この冷却器が薄肉に形成されていたとしても、冷却器の前記垂下部が座屈するのを抑 ff¾することができる。

以上より、冷却器の垂下部の座屈強度を低下させることなぐパワーモジュールの熱サイクル信頼性を向上させることができる。

[0024] なお、前記表層部に含まれる Feの濃度は、セラミックス板と冷却器との接合界面の剥離進展率の観点力 0. 05wt%以下であることが好ましい。

また、前記冷却器としては、例えば、天板部および垂下部の他に、天板部と平行に配置された状態で垂下部に連結された底板部が備えられ、これらの天板部、垂下部および底板部で囲まれた冷媒供給路を内部に備える構成や、底板部を有さず天板部と垂下部とを備え、天板部においてろう付け面と反対の表面にピン若しくはフィンとしての垂下部が複数垂設された構成を採用することができる。

[0025] また、本発明の他の態様であるパワー素子搭載用ユニットの製造方法は、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットの製造方法であって、セラミックス板の裏面にろう材箔と冷却器とをこの順に配置して積層体とした後に、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させて、セラミックス板の裏面に冷却器をろう付けすることにより、本発明の上記の態様のパワー素子搭載用ユニットを形成する。

[0026] さらに、本発明の他の態様であるパワーモジュールは、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットと、回路層の表面にはんだ接合されたパワー素子とを備えたパワーモジュールであって、前記パワー素子搭載用ユニットが本発明の前記態様のパワー素子搭載用ユニットであることを特徴とする。

[0027] また、本発明の他の態様のパワー素子搭載用ユニットは、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に前記回路層の材質と同一の材質力もなる冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットであって、前記回路層の厚さを A3、セラミックス板の厚さを B3、前記冷却器において前記セラミックス板とのろう付け面を有する天板部の厚さを C3としたときに、 0. 75 -B3< C3< l. 5 ·Α3< 3 · Β3を満たす。

このパワー素子搭載用ユニットによれば、回路層の厚さを A3、セラミックス板の厚さを Β3、冷却器の天板部の厚さを C3としたときに、 C3く 1. 5 ·Α3を満たしているので、冷却器の曲げ剛性と、回路層の曲げ剛性との差を縮めて、パワー素子搭載用ュ- ットを形成する際のろう付け時に生ずる反り量を低減することが可能になり、パワーモジュールにおいて回路層の表面にパワー素子を接合するはんだ層にクラックが生ずるのを抑えることが可能になる。また、 1. 5 ·Α3く 3 ·Β3を満たしているので、パワーモジュールの熱サイクル使用時における回路層表面の面方向に沿った伸縮変形を、セラミックス板によって拘束することが可能になり、前記はんだ層にクラックが生じたとしてもその進展を抑えることができる。さらに、 0. 75 'B3< C3を満たしているので、冷却器の曲げ剛性と回路層の曲げ剛性との差を縮めたことに起因して冷却器の天板部が変形し易くなるのを抑えることが可能になり、このパワー素子搭載用ユニットの使用が妨げられるのを防ぐことができる。

[0028] また、本発明の他の態様であるパワーモジュールは、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に前記回路層の材質と同一の材質力なる冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットと、回路層の表面にはんだ接合されたパワー素子とを備えたパワーモジュールであって、前記パワー素子搭載用ュニットが本発明の上記態様のパワー素子搭載用ユニットである。

また、本発明の他の態様であるパワー素子搭載用基板は、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされるとともに、この回路層の表面に純 Cu若しくは Cu合金力なるヒートブロックがはんだ接合されてなり、このヒートブロックの表面にパワー素子がはんだ接合されるパワー素子搭載用基板であって、前記回路層は、全体の平均純度が 9 8. Owt%以上 99. 9wt%以下の A1合金で形成されるとともに、前記ヒートブロックがはんだ接合された表面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%以上とされ、かつ前記セラミックス板がろう付けされた裏面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされてヽる。

このパワー素子搭載用基板によれば、回路層の前記裏面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満となっているので、熱サイクル使用時に、セラミックス板および回路層の各熱膨張係数の差に起因して、これらの接合界面に応力が生じようとした場合においても、回路層の裏面側を塑性変形させることによりこの応力を吸収させることが可能になる。これにより、前記接合界面に作用する応力を抑えることが可能になり、熱サイクル使用時におけるセラミックス板と回路層との接合信頼性を向上させることができる。

一方、回路層の前記表面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%以上となっているので、熱サイクル使用時に回路層が繰り返し熱変形するのに伴い、徐々にこの表面側を硬化させることが可能になり、この部分に発生する塑性変形量を抑えることができる。これにより、回路層の表面とヒートブロックとを接合するはんだ層に作用する、熱サイクル使用時の回路層の塑性変形に起因した負荷を低減することが可能になり、熱サイタル使用時に、このはんだ層にクラックが発生してもその進展を抑えることができるまた、回路層とパワー素子との間にヒートブロックが介在しているので、パワー素子からはんだ層を介してヒートブロックに伝導した熱を即座にその沿面方向に分散させることが可能になり、熱サイクル使用時に、このパワー素子の温度が上昇するのを抑えることができる。 [0030] 前記回路層の厚さは 0. 4mm以上とされるとともに、前記回路層の裏面側は、回路層において、この裏面から前記表面に向けて 0. 04mm以上かつ回路層の厚さの半分以下までに位置する部分とされ、残部が前記回路層の表面側となってもよい。この場合、前記の作用効果が確実に奏効されることになる。

[0031] また、本発明の他の態様であるパワー素子搭載用基板の製造方法は、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされるとともに、この回路層の表面に純 Cu若しくは Cu 合金からなるヒートブロックがはんだ接合されてなり、このヒートブロックの表面にパヮ一素子がはんだ接合されるパワー素子搭載用基板の製造方法であって、セラミックス板の表面に、 A1系のろう材箔と、 Feを 0. 05wt%以上 1. Owt%以下含有する純度力 5wt%以上 99. 95wt%以下の A1合金力なる回路層部材とをこの順に配置して積層体とした後に、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させて、セラミックス板の表面に回路層部材をろう付けして前記回路層を形成し、その後、前記回路層の表面に前記ヒートブロックをはんだ接合することにより、本発明の上記態様のパワー素子搭載用基板を形成する。

このパワー素子搭載用基板の製造方法では、前記積層体を積層方向に加圧してろう付けするので、セラミックス板の表面と回路層部材とを良好にろう付けすることが可能になり、回路層部材においてセラミックス板とのろう付け面側に含まれる Feを、前記接合界面で溶融しているろう材中に良好に溶解させることができる。したがって、回路層の前記表面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%以上とされ、かつ回路層の前記裏面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされたパワー素子搭載用基板を確実に形成することができる。

[0032] さらに、本発明の他の態様であるパワーモジュールは、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされるとともに、この回路層の表面に純 Cu若しくは Cu合金力もなるヒートブロックがはんだ接合されたパワー素子搭載用基板と、前記ヒートブロックの表面にはんだ接合されたパワー素子とを備えたパワーモジュールであって、前記パワー素子搭載用基板が本発明の前記態様のパワー素子搭載用基板である。

発明の効果

[0033] この発明のパワー素子搭載用基板によれば、回路層とパワー素子とをはんだ接合するのに無鉛系のはんだ材を採用しても、熱サイクル時にこのはんだ層でクラックが進展し易くなるのを抑えることができる。

[0034] この発明の、裏面に内部に冷却水路が形成された冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットによれば、セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けしても、ノヮ一素子搭載用ユニットを形成した際の反りの発生を抑え、熱サイクル信頼性の低下を抑制することができる。

[0035] この発明の、前記冷却器が天板部と垂下部とを備えるパワー素子搭載用ユニットによれば、冷却器の垂下部の座屈強度を低下させることなぐパワーモジュールの熱サイタル信頼性を向上させることができる。

[0036] この発明の、回路層と、これと同一の材質力なる冷却器がろう付けされた、パワー素子搭載用ユニットによれば、セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けしても、ノヮ一素子搭載用ユニットを形成した際の反りの発生を抑え、熱サイクル信頼性の低下を抑制することができる。

[0037] この発明の、ヒートブロックを備えるパワー素子搭載用基板によれば、パワーモジュ一ルの熱サイクル使用時における接合信頼性を向上させることができる。

図面の簡単な説明

[0038] [図 1]この発明の一実施形態に係るパワー素子搭載用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に示す回路層の厚さ方向における Feの濃度分布の一例を示す図である。

[図 3]この発明の他の実施形態に係るパワー素子搭載用基板を適用したパワーモジユールを示す全体図である。

[図 4]この発明の他の実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。

[図 5]この発明の他の実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。

[図 6]図 4に示す回路層の厚さ方向における Feの濃度分布の一例を示す図である。

[図 7]この発明の他の実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。

[図 8]この発明の他の実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。

[図 9]図 7に示す冷却器において天板部の厚さ方向における Feの濃度分布の一例を示す図である。 [図 10]この発明の他の実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。

[図 11]この発明の他の実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。

[図 12]この発明の他の実施形態に係るパワー素子搭載用基板を適用したパワーモジユールを示す全体図である。

[図 13]図 12に示す回路層の厚さ方向における Feの濃度分布の一例を示す図である符号の説明

[0039] 10···ノヮーモジユーノレ、 11···セラミックス板、 12···回路層、 12a…ろう付け面、 12 b…反対表面、 13···金属層、 14…パワー素子搭載用基板、 15···はんだ層、 16···半導体チップ (パワー素子）

110···ノヮーモジユーノレ、 111···セラミックス板、 112···回路層、 112a…ろう付け面、 112b…反対の表面、 113…冷却器、 114…パワー素子搭載用ユニット、 115··· はんだ層、 116…パワー素子

210···ノヮ一モジュール、 211···セラミックス板、 212···回路層、 213···冷却器、 2 14···ノヮ一素子搭載用ユニット、 216···ノヮ一素子、 218···ろう付け面、 219···天板部、 219a…表層部、 220…反対の表面、 221…垂下部

310···ノヮ一モジュール、 311···セラミックス板、 312···回路層、 313···冷却器、 3 14…パワー素子搭載用ユニット、 315···はんだ層、 316…パワー素子、 318…ろう付け面、 319…天板部

410···ノヮ一モジュール、 411···セラミックス板、 412···回路層、 412a…裏面、 41 2b…表面、 413···ヒートブロック、 415…パワー素子搭載用基板、 416…半導体チップ (パワー素子）

発明を実施するための最良の形態

[0040] 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パワー素子搭載用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 10は、セラミックス板 11にお!/、てその表面に回路層 12がろう付けされるとともに、裏面に金属層 13がろう付けされたパワー素子搭載用基板 14と、回路層 12の表面にはんだ層 15を介してはんだ接合された半導体チップ (パワー素子） 16と、金属層 13の表面にろう付けまたははんだ付けされたヒートシンク 17とを備えている。

[0041] これらの各部材を形成する材質としては、例えば、セラミックス板 11では A1N、 A1

2

O、 Si N、 SiC等が挙げられ、ヒートシンク 17では純 Al、純 Cu、 A1合金若しくは Cu

3 3 4

合金等が挙げられ、はんだ層 15では例えば Sn— Ag— Cu系等の無鉛系のはんだ材が挙げられる。また、セラミックス板 11と回路層 12および金属層 13とをろう付けするろう材では、例えば A1— Si系等の A1系のろう材が挙げられる。本実施形態では、 S iを、 11. 6wt%以下で、かつ回路層 12を形成する後述の回路層部材に含まれる Si の濃度より高、濃度含有する Al— Si系のろう材とされて、る。

[0042] そして、本実施形態では、回路層 12は、全体の平均純度が 98. Owt%以上 99. 9 wt%以下の A1合金により形成されるとともに、セラミックス板 11とのろう付け面 12a側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満で、かっこのろう付け面 12aと反対の表面 12b 側に含まれる Feの濃度が 0. ^％以上とされている。また、ろう付け面 12a側は、回路層 12にお!/、てこのろう付け面 12aから前記反対の表面 12bに向けて回路層 12の厚さの 10%以上 50%以下までに位置する部分とされ、残部が前記反対の表面 12b 側とされている。なお、ろう付け面 12a側に含まれる Feの濃度は、セラミックス板 11と回路層 12との界面の剥離進展率の観点力も 0. 05wt%以下であることが好ましい。

[0043] 回路層 12に含まれる Feの濃度は、電子線マイクロアナライザ (EPMA)装置において加速電圧を 15kVとし、かつ電流値を 5 X 10^_8Aとして、スポットサイズを 30 μ m に設定し、回路層 12においてろう付け面 12a側および前記反対の表面 12b側についてそれぞれ、任意の 10箇所で測定し、得られた測定値の平均値を算出した。また、回路層 12全体の平均純度は、まず、回路層 12を、水、フッ化水素酸および硝酸がそれぞれ同量ずつ混入された水浴中（約 100°C)に浸して分解し、その後、この分解した試料を、 ICP—AES法 (誘導結合プラズマ一発光分析法)を用いることにより測定した。

[0044] 次に、以上のように構成されたパワー素子搭載用基板 14の製造方法について説明する。まず、回路層 12と同形同大の回路層部材を形成する。回路層部材は、その全体の平均で、 Feを 0. 05wt%以上 1. Owt%以下含有する純度が 98. 5wt%以上 99. 9 5wt%以下の A1合金力もなつている。その後、セラミックス板 11の表面にろう材箔と回路層部材とをこの順に配置する。また、セラミックス板 11の裏面にろう材箔を介して金属層 13と同形同大の金属層部材を配置する。

以上より、セラミックス板 11において、その表面にろう材箔と回路層部材とがこの順に配置され、裏面に前記ろう材箔と金属層部材とがこの順に配置された積層体を形成する。

[0045] そして、この積層体を、不活性雰囲気、還元雰囲気、または真空中（真空度 1 X 10 "⁵Torr (l . 33 X 10^_3Pa)以下）【こ置! /、て、積層方向【こ 0. 098MPa〜0. 294MPa で加圧した状態で、 577°C以上 660°C以下で加熱し、ろう材箔を溶融させることによつて、セラミックス板 11の表面に回路層部材をろう付けにより接合して回路層 12を形成し、セラミックス板 11の裏面と金属層部材とをろう付けにより接合して金属層 13を形成してパワー素子搭載用基板 14を形成する。

[0046] 以上説明したように、本実施形態によるパワー素子搭載用基板によれば、回路層 1 2において、前記反対の表面 12b側に含まれる Feの濃度が 0. ^％以上とされているので、熱サイクル時に回路層 12が繰り返し熱変形するのに伴い、徐々にこの反対の表面 12b側を硬化させることが可能になり、この部分に発生する塑性変形量を抑えることができる。これにより、熱サイクル時の回路層 12の塑性変形に起因してはんだ層 15に作用する負荷を低減することが可能になり、熱サイクル時に、このはんだ層 1 5にクラックが発生してもその進展が抑えられ、回路層 12と半導体チップ 16とをはんだ接合するのに無鉛系のはんだ材を採用しても、熱サイクル時にこのはんだ層 15でクラックが進展し易くなるのを抑免ることがでさる。

[0047] 一方、回路層 12において、ろう付け面 12a側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされているので、熱サイクル時に、セラミックス板 11および回路層 12の各熱膨張係数の差に起因して、これらの接合界面に応力が生じようとした場合においても、回路層 12のろう付け面 12a側を塑性変形させることによりこの応力を吸収させることが可能になる。これにより、前記接合界面に作用する応力を抑えることが可能になり、セラミックス板 11と回路層 12との接合信頼性を向上させることもできる。なお、ろう付け面 12a側に含まれる Feの濃度が 0. 05wt%以下であれば、このような作用効果が確実に奏効されることになる。

[0048] また、回路層部材とセラミックス板 11とをろう付けする際、前記積層体を積層方向に加圧するので、セラミックス板 11の表面と回路層部材との接合界面に酸ィ匕膜が形成されるのを防ぐことが可能になり、回路層部材においてセラミックス板 11とのろう付け面側に含まれる Feを、前記接合界面で溶融しているろう材中に良好に溶解させることができる。したがって、回路層 12のろう付け面 12a側に含まれる Feの濃度が 0. lw t%未満とされ、かっこのろう付け面 12aと反対の表面 12b側に含まれる Feの濃度が 0. 1 ％以上とされたパワー素子搭載用基板 14を確実に形成することができる。

[0049] さらに、回路層部材とセラミックス板 11とを接合するろう材箔に含まれる Siの濃度が、回路層部材に含まれる Siの濃度よりも高くなつているので、ろう付け時の加熱により回路層部材における Siの限界固溶量が増大することと相俟って、溶融したろう材に含まれる Siを、回路層部材の内部に向けてろう付け面側力拡散させることが可能になり、回路層部材において、ろう付け面側に含まれる Siの濃度を、前記反対の表面側よりも高めることができる。これにより、ろう付け面側における Feの限界固溶量が、前記反対の表面側よりも小さくなるので、ろう付け面側に含まれる Feの濃度を前記反対の表面側よりも低くすることが可能になる。したがって、前述のように、回路層部材にお、てセラミックス板 11とのろう付け面側に含まれる Feを、前記接合界面で溶融しているろう材中に良好に溶解させることが可能になることと相俟って、前記のパワー素子搭載用基板 14をより一層確実に形成することができる。

[0050] 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ぐ本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更をカ卩えることが可能である。

例えば、金属層部材ゃ回路層部材は、母材を打ち抜いて形成したり、あるいはいわゆるエッチング法により形成してもよい。また、前記実施形態では、はんだ層 15のはんだ材として、例えば Sn—Ag— Cu系等の無鉛系のはんだ材を示した力これに限らず、 Pbを含むはんだ材、例えば PbSn系のはんだ材を採用してもよい。この場合においても、前記実施形態と同様の作用効果が奏される。 [0051] また、前記実施形態では、パワー素子搭載用基板 14として、回路層 12、セラミックス板 11および金属層 13を備え、金属層 13とヒートシンク 17とがろう付けまたははんだ付けされた構成を示した力これに代えて、例えば、図 3に示すように、金属層 13 は設けずに、セラミックス板 11の裏面とヒートシンク 17とが直接ろう付けされたパワー素子搭載用基板 14を採用してもよい。このような構成においても、熱サイクル時にはんだ層 15でクラックが進展し易くなるのを抑えることができる。

さらに、ヒートシンク 17の構造については、図 1に例示した放熱フィンを備えたものに限定されることはなぐ図 3に示すように、多穴管タイプのものやその他の構造のものを適用してもよい。

[0052] 次に、この製造方法についての具体的な実施例について説明する。

まず、材質については、金属層部材および回路層部材を、 Feを約 0. 3wt%含有する純度が 99. 5wt%の A1合金、金属層 13および回路層 12とセラミックス板 11とを接合するろう材を Al— Si系（A1が 92. 5wt%、Siが 7. 5wt%)、セラミックス板 11を A INによりそれぞれ形成した。厚さについては、金属層 13および回路層 12をそれぞれ約 0. 6mm、ろう材箔を約 30 /z m セラミックス板 11を約 0. 635mmとした。なお、金属層 13は平面視四角形とされ、縦および横の寸法はそれぞれ、約 30mmとした。そして、前記積層体を 600°C〜650°Cの真空中（真空度 1 X 10"⁵Torr (l. 33 X 1 0^_3Pa)以下）に置いて、約 1時間、積層方向に 0. 098MPa〜0. 294MPaで加圧して、パワー素子搭載用基板 14を形成した。

[0053] 以上により形成された回路層 12において、電子マイクロアナライザ (EPMA)を用い、ろう付け面 12a側の領域と前記反対の表面 12b側の領域とを判定した。具体的には、回路層 12を切断し、その断面のろう付け面 12aから反対の表面 12bに向かつて、加速電圧 15kV、電流値 5 X 10^_8A、スポットサイズ 1 μ m、 1点測定時間 5秒、移動間隔 1 μ mの条件で EPMAの線分析を行った。その結果を図 2に示す。

この図により、ろう付け面 12aから反対の表面 12bに向かって 0. 15mmまでの領域 (回路層 12の厚さの約 25%に相当）では Feの濃度が低くなつており、それより反対の表面 12b側では Feの濃度が高い領域になっていることが確認される。

そして、回路層 12のろう付け面 12a側、および反対の表面 12b側の各 Fe濃度は、加速電圧 15kV、電流値 5 X 10^_8A、スポットサイズ 30 μ mの条件で ΕΡΜΑを用いて、ろう付け面 12a側、および反対の表面 12b側のそれぞれについて、任意の 10箇所で測定し、その平均値を算出することによって求めた。

[0054] 次に、以上説明した作用効果についての検証試験を実施した。

回路層を形成する回路層部材において、 A1の純度、厚さおよび Feの濃度の少なくとも 1つを異ならせて 8種類のパワー素子搭載用基板を形成し、各パワー素子搭載用基板の回路層において、ろう付け面側に含まれる Feの濃度、前記反対の表面側に含まれる Feの濃度、ろう付け面側の厚さ、および前記反対の表面側の厚さの少なくとも 1つを異ならせた。そして、これらのパワー素子搭載用基板それぞれの回路層の表面に、同一の性能を有する Siチップを Sn—Ag— Cu系の無鉛はんだではんだ接合したものを、 40°Cから 105°Cに約 3分間で昇温した後、 105°C力 40°Cに 10分間で降温する温度履歴を 1サイクルとした熱サイクルを 2000サイクル付与した。

[0055] その後、各パワー素子搭載用基板を 5箇所、積層方向に切断し、それぞれの切断面を研磨した後、この切断面を光学顕微鏡を用いて撮像し、この切断面において、セラミックス板および回路層の接合界面の全長および剥離進展長さをそれぞれ測定した。そして、前記接合界面の全長に対する剥離進展長さの比率、つまり剥離進展率の平均値を算出した。また、同様にして、前記切断面において、回路層と Siチップとをはんだ接合するはんだ層の全長、およびこのはんだ層で発生したクラック進展長さをそれぞれ測定した。そして、はんだ層の全長に対するクラック進展長さの比率、つまりクラック進展率の平均値を算出した。

剥離進展率力を超えものを Xとし、 2%以上 4%以下のものを〇とし、さらに 2% 未満のものを◎として評価した。また、クラック進展率が 3%を超えたものを Xとし、 3 %以下ものを〇として評価した。

結果を表 1に示す。

[0056] [表 1]

[0057] この結果、回路層 12が、その全体の平均純度が 98. Owt%以上 99. 9wt%以下の A1合金により形成されるとともに、セラミックス板 11とのろう付け面 12a側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされ、かっこのろう付け面 12aと反対の表面 12b側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%以上とされていれば、前記の温度サイクルを 2000サイクル付与しても、剥離進展率およびクラック進展率の双方が抑えられ、前記の作用効果が奏効されることが確認された。

[0058] 次に、上記のパワー素子搭載用基板 14においてセラミックス板 11を Al Oとしたも

2 3 のを形成して検証試験を実施した。評価結果を表 2に示す。 [0059] [表 2]

[0060] この結果、セラミックス板 11を Al Oとした場合であっても、回路層 12が、その全体の

2 3

平均純度が 98. 0wt%以上 99. 9wt%以下の A1合金により形成されるとともに、セラミックス板 11とのろう付け面 12a側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされ、かつこのろう付け面 12aと反対の表面 12b側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%以上とされていれば、前記の温度サイクルを 2000サイクル付与しても、剥離進展率およびクラック進展率の双方が抑えられることが確認された。 [0061] さらに、上記のパワー素子搭載用基板 14においてセラミックス板 11を Si Nとしたも

3 4 のを形成して検証試験を実施した。評価結果を表 3に示す。

[0062] [表 3]

[0063] この結果、セラミックス板 11を Si Nとした場合であっても、回路層 12が、その全体の

3 4

平均純度が 98. Owt%以上 99. 9wt%以下の A1合金により形成されるとともに、セラミックス板 11とのろう付け面 12a側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされ、かつこのろう付け面 12aと反対の表面 12b側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%以上とされていれば、前記の温度サイクルを 2000サイクル付与しても、剥離進展率およびクラック進展率の双方が抑えられることが確認された。

[0064] 図 4はこの発明の一実施形態に係るパワー素子搭載用ユニット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 110は、セラミックス板 111にお!/、てその表面に回路層 112 力 Sろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路 113aが形成された冷却器 113がろう付けされたパワー素子搭載用ユニット 114と、回路層 112の表面にはんだ層 115 を介してはんだ接合されたパワー素子 116とを備えている。

[0065] これらの各部材を形成する材質としては、例えば、セラミックス板 111では A1N、 Al

2

O、 Si N、 SiC等が挙げられ、冷却器 113では純 Al若しくは Al合金等が挙げられ、

3 3 4

はんだ層 115では例えば Sn— Ag— Cu系等の無鉛系のはんだ材が挙げられる。また、セラミックス板 111と回路層 112および冷却器 113とをろう付けするろう材では、例えば Al— Si系等の A1系のろう材が挙げられる。本実施形態では、 Siを、 11. 6wt %以下で、かつ回路層 112を形成する後述の回路層部材に含まれる Siの濃度より高い濃度含有する Al— Si系のろう材とされている。なお、冷却器 113は、その全体が純 A1若しくは A1合金等により一体的に形成されており、例えば铸造若しくは押出し成形により形成することができる。

[0066] そして、本実施形態では、回路層 112は、全体の平均純度が 98. Owt%以上 99.

9wt%以下の A1合金により形成されるとともに、セラミックス板 111とのろう付け面 112 a側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満で、かっこのろう付け面 112aと反対の表面 112b側に含まれる Feの濃度が 0. ^％以上とされている。また、ろう付け面 112 a側は、回路層 112においてこのろう付け面 112aから前記反対の表面 112bに向けて回路層 112の厚さの 10%以上 50%以下までに位置する部分とされ、残部が前記反対の表面 112b側とされて、る。

[0067] 回路層 112に含まれる Feの濃度は、電子線マイクロアナライザ (EPMA)装置において加速電圧を 15kVとし、かつ電流値を 5 X 10^_8Aとして、スポットサイズを 30 μ m に設定し、回路層 112にお、てろう付け面 112a側および前記反対の表面 112b側についてそれぞれ、任意の 10箇所で測定し、得られた測定値の平均値を算出した。また、回路層 112全体の平均純度は、まず、回路層 112を、水、フッ化水素酸および硝酸がそれぞれ同量ずつ混入された水浴中（約 100°C)に浸して分解し、その後、この分解した試料を、 ICP— AES法 (誘導結合プラズマ—発光分析法)を用いることにより測定した。

[0068] 次に、以上のように構成されたパワー素子搭載用ユニット 114の製造方法にっ、て説明する。

まず、回路層 112と同形同大の回路層部材を形成する。回路層部材は、その全体の平均で、 Feを 0. 05wt%以上 1. Owt%以下含有する純度が 98. 5wt%以上 99. 95wt%以下の A1合金力もなつている。その後、セラミックス板 111の表面にろう材箔と回路層部材とをこの順に配置する。また、セラミックス板 111の裏面にろう材箔を介して冷却器 113を配置する。

以上より、セラミックス板 111において、その表面にろう材箔と回路層部材とがこの順に配置され、裏面に前記ろう材箔と冷却器 113とがこの順に配置された積層体を形成する。

[0069] そして、この積層体を、不活性雰囲気、還元雰囲気、または真空中（真空度 1 X 10 "⁵Torr (l. 33 X 10^_3Pa)以下）【こ置! /、て、積層方向【こ 0. 098MPa〜0. 294MPa で加圧した状態で、 577°C以上 660°C以下で加熱し、ろう材箔を溶融させることによつて、セラミックス板 111の表面に回路層部材をろう付けにより接合して回路層 112を形成し、セラミックス板 111の裏面と冷却器 113とをろう付けにより接合してパワー素子搭載用ユニット 114を形成する。

[0070] 以上説明したように、本実施形態によるパワー素子搭載用ユニット 114によれば、回路層 112において、前記反対の表面 112b側に含まれる Feの濃度が 0.：^^%以上とされて、るので、この回路層 112全体の曲げ剛性を高めて冷却器 113の曲げ剛性との差を縮めることが可能になり、このパワー素子搭載用ユニット 114を形成する際のろう付け時に生ずる反り量を低減することができ、セラミックス板 111にクラックが生じ易くなる等熱サイクル信頼性が低下するのを抑制することができる。

[0071] 一方、回路層 112において、ろう付け面 112a側に含まれる Feの濃度が 0. lwt% 未満とされているので、熱サイクル時に、セラミックス板 111および回路層 112の各熱膨張係数の差に起因して、これらの接合界面に応力が生じようとした場合においても

、回路層 112のろう付け面 112a側を塑性変形させることによりこの応力を吸収させることが可能になる。これにより、前記接合界面に作用する応力を抑えることが可能になり、セラミックス板 111と回路層 112との接合信頼性を向上させることもできる。なお、ろう付け面 112a側に含まれる Feの濃度が 0. 05wt%以下であれば、このような作用効果が確実に奏効されることになる。

[0072] また、回路層部材とセラミックス板 111とをろう付けする際、前記積層体を積層方向に加圧するので、セラミックス板 111の表面と回路層部材との接合界面に酸ィ匕膜が形成されるのを防ぐことが可能になり、回路層部材においてセラミックス板 111とのろう付け面側に含まれる Feを、前記接合界面で溶融しているろう材中に良好に溶解させることができる。したがって、回路層 112のろう付け面 112a側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされ、かっこのろう付け面 112aと反対の表面 112b側に含まれる F eの濃度が 0. 1 ％以上とされたパワー素子搭載用ユニット 114を確実に形成することができる。

[0073] さらに、回路層部材とセラミックス板 111とを接合するろう材箔に含まれる Siの濃度力回路層部材に含まれる Siの濃度よりも高くなつているので、ろう付け時の加熱により回路層部材における Siの限界固溶量が増大することと相俟って、溶融したろう材に含まれる Siを、回路層部材の内部に向けてろう付け面側力拡散させることが可能になり、回路層部材において、ろう付け面側に含まれる Siの濃度を、前記反対の表面側よりも高めることができる。これにより、ろう付け面側における Feの限界固溶量が、前記反対の表面側よりも小さくなるので、ろう付け面側に含まれる Feの濃度を前記反対の表面側よりも低くすることが可能になる。したがって、前述のように、回路層部材にお、てセラミックス板 111とのろう付け面側に含まれる Feを、前記接合界面で溶融しているろう材中に良好に溶解させることが可能になることと相俟って、前記のパワー素子搭載用ユニット 114をより一層確実に形成することができる。

[0074] また、本実施形態では、冷却器 113の全体が純 A1若しくは A1合金等により一体的に形成されているので、この冷却器 113の構造を複雑にすることなぐパワー素子搭載用ユニット 114を形成することが可能になり、その製造コストの増大を抑えることができるとともに、このパワー素子搭載用ユニット 114を備えるパワーモジュール 110の積層方向におけるトータル熱抵抗を確実に低減することができる。

[0075] 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ぐ本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更をカ卩えることが可能である。

例えば、回路層部材は、母材を打ち抜いて形成したり、あるいはいわゆるエツチング法により形成してもよい。また、前記実施形態では、はんだ層 115のはんだ材として、例えば Sn—Ag— Cu系等の無鉛系のはんだ材を示した力これに限らず、 Pbを含むはんだ材、例えば PbSn系のはんだ材を採用してもよ、。

[0076] また、前記実施形態では、パワーモジュール 110として、回路層 112の表面にはんだ層 115を介してパワー素子 116が接合された構成を示した力これに代えて、例えば、図 5に示されるように、回路層 112とパワー素子 116との間に、純 Cu、 Cu合金、 Cu— Mo系合金、若しくは Cu—C等の複合材料力もなるヒートスプレッダ 117を設けてもよい。この場合、パワー素子 116で発生した熱を、積層方向に直交する面方向に沿って拡散させつつ積層方向に伝導させることが可能になる。

[0077] 次に、この製造方法についての具体的な実施例について説明する。

まず、材質については、回路層部材および冷却器 113を、 Feを約 0. 3wt%含有する純度が 99. 5wt%の A1合金、回路層 112とセラミックス板 111とを接合するろう材を Al— Si系（A1が 92. 5wt%、Siが 7. 5wt%)、セラミックス板 111を A1Nによりそれぞれ形成した。厚さについては、回路層 112を約 0. 8mm、ろう材箔を約 30 /ζ πι、セラミックス板 111を約 0. 635mmとした。なお、回路層 112は平面視四角形とされ、縦および横の寸法をそれぞれ、約 17mmとした。また、セラミックス板 111も平面視四角形とされ、縦および横の寸法をそれぞれ、約 20mmとした。

[0078] さらに、冷却器 113は、全体の高さ、すなわちセラミックス板 111の裏面がろう付けされる表面と、この表面と反対側の裏面との距離 A1が約 2. 5mmとされるとともに、全体の幅 B1が約 21. 25mmとされ、さらに、全体の長さ、すなわち冷却水路 113aが延在する方向（図 4の紙面の奥行き方向）の大きさを約 60mmとした。また、平面視四角形の各冷却水路 113aでは、冷却器 113の高さ方向の大きさ C1を約 1. 5mmにし、冷却器 113の幅方向の大きさ D1を約 1. 25mmにした。そして、これらの各冷却水路 113aを、冷却器 113の表裏面力それぞれ約 0. 5mm離した前記高さ方向中央部に形成し、また、冷却器 113の幅方向で隣合う冷却水路 113a同士の距離 E1を約 1 mmとし 7こ。

そして、前記積層体を 600°C〜650°Cの真空中（真空度 1 X 10"⁵Torr (l. 33 X 1 0^_3Pa)以下）に置いて、約 1時間、積層方向に 0. 098MPa〜0. 294MPaで加圧して、パワー素子搭載用ユニット 114を形成した。

[0079] 以上により形成された回路層 112において、電子マイクロアナライザ (EPMA)を用い、ろう付け面 112a側の領域と前記反対の表面 112b側の領域とを判定した。具体的には、回路層 112を切断し、その断面のろう付け面 112aから反対の表面 112bに向かって、加速電圧 15kV、電流値 5 X 10^_8A、スポットサイズ 1 μ m、 1点測定時間 5秒、移動間隔 1 μ mの条件で EPMAの線分析を行った。その結果を図 6に示す。この図により、ろう付け面 112a力ら反対の表面 112bに向力つて 0. 15mmまでの領域（回路層 112の厚さの約 25%に相当）では Feの濃度が低くなつており、それより反対の表面 112b側では Feの濃度が高、領域になって、ることが確認される。

そして、回路層 112のろう付け面 112a側、および反対の表面 112b側の各 Fe濃度は、加速電圧 15kV、電流値 5 X 10^_8A、スポットサイズ 30 μ mの条件で EPMAを用いて、ろう付け面 112a側、および反対の表面 112b側のそれぞれについて、任意の 10箇所で測定し、その平均値を算出することによって求めた。

[0080] 次に、以上説明した作用効果についての検証試験を実施した。

回路層を形成する回路層部材において、 A1の純度、厚さおよび Feの濃度の少なくとも 1つを異ならせて 8種類のパワー素子搭載用ユニットを形成し、各パワー素子搭載用ユニットの回路層において、ろう付け面側に含まれる Feの濃度、前記反対の表面側に含まれる Feの濃度、ろう付け面側の厚さ、および前記反対の表面側の厚さの少なくとも 1つを異ならせた。そして、これらのパワー素子搭載用ユニットそれぞれの回路層の表面に、同一の性能を有する Siチップを Sn— Ag— Cu系の無鉛はんだではんだ接合したものを、— 40°Cから 105°Cに約 3分間で昇温した後、 105°Cから— 4 0°Cに 10分間で降温する温度履歴を 1サイクルとした熱サイクルを 2000サイクル付与した。 [0081] その後、各パワー素子搭載用ユニットを 5箇所、積層方向に切断し、それぞれの切断面を研磨した後、この切断面を超音波映像装置（140MHzプローブ)を用いて撮像し、この切断面において、セラミックス板および回路層の接合界面の全長および剥離進展長さをそれぞれ測定した。そして、前記接合界面の全長に対する剥離進展長さの比率、つまり剥離進展率の平均値を算出した。また、同様にして、前記切断面にお、て、セラミックス板および冷却器の接合界面の全長と剥離進展長さとをそれぞれ測定し、この接合界面における剥離進展率の平均値を算出した。

剥離進展率が 5%を超えたものを Xとし、 2%以上 5%以下のものを〇とし、さらに 2 %未満のものを◎として評価した。

なお、前記 8種類のパワー素子搭載用ユニットにそれぞれ Siチップをはんだ接合する前に、予め、各パワー素子搭載用ユニットに生じている反り量を測定し、反り量が 1 00 μ m以上のものを X、 100 μ m未満のものを〇として評価した。

結果を表 4に示す。

[0082] [表 4]

この結果、回路層 112が、その全体の平均純度が 98. Owt%以上 99. 9wt%以下の A1合金により形成されるとともに、セラミックス板 111とのろう付け面 112a側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされ、かっこのろう付け面 112aと反対の表面 112b 側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%以上とされていれば、パワー素子搭載用ユニット 114を形成する際のろう付け時に発生する反り量が抑えられ、し力も前記の温度サイクルを 2000サイクル付与しても、前記各剥離進展率が抑えられ、前記の作用効果が奏効されることが確認された。なお、表 4に記載はしていないが、実施例のパワーモジュール 110では、前記温度サイクルを付与してもセラミックス板 111にクラックが発生しなカゝつたことも確認された。

[0084] 図 7はこの発明の一実施形態に係るパワー素子搭載用ユニット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 210は、セラミックス板 211にお!/、てその表面に回路層 212 力 Sろう付けされるとともに、裏面に冷却器 213がろう付けされたパワー素子搭載用ュニット 214と、回路層 212の表面にはんだ層 215を介してはんだ接合されたパワー素子 216とを備えている。

[0085] これらの各部材を形成する材質としては、例えば、セラミックス板 211では A1N、 A1

2

O、 Si N若しくは SiC等が挙げられ、はんだ層 215では例えば Sn— Ag— Cu系等

3 3 4

の無鉛系のはんだ材、若しくは例えば PbSn系等の Pbを含むはんだ材が挙げられ、回路層 212では純 A1若しくは A1合金が挙げられる。また、セラミックス板 211と回路層 212および冷却器 213とをろう付けするろう材では、例えば Al— Si系等の A1系のろう材が挙げられる。

[0086] そして、本実施形態では、冷却器 213は、セラミックス板 211とのろう付け面 218を有する天板部 219と、この天板部 219においてろう付け面 218と反対の表面 220に垂設された垂下部 221とを備えている。図示の例では、冷却器 213は、これらの天板部 219および垂下部 221にカ卩えてさらに、前記反対の表面 220と対向する位置に天板部 219と平行に配置された底板部 222を備えるとともに、垂下部 221は天板部 21 9と底板部 222とを連結し、かつ一定の方向に所定の間隔をあけて複数備えられ、この一定の方向と直交する方向に延在した壁部とされている。以上より、天板部 219の反対の表面 220と底板部 222と複数の垂下部 221とで冷媒供給路 213aが複数画成されて、冷却器 213は、その内部に複数の冷媒供給路 213aを有する、いわゆる多穴管とされている。

[0087] さらに、これらの天板部 219、底板部 222および垂下部 221は、全体の平均純度が 98. Owt%以上 99. 9wt%以下の A1合金で一体的に形成されている。なお、冷却器 213は例えば铸造若しくは押出し成形で形成される。そして、天板部 219においてろう付け面 218側の表層部 219aに含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされ、かつこの冷却器 213において表層部 219aを除いた部分に含まれる Feの濃度が 0. lwt %以上とされている。

図示の例では、ろう付け面 218はセラミックス板 211の裏面よりも大きぐセラミックス板 211は、ろう付け面 218においてその外周縁よりも内方に位置する部分にろう付けされている。そして、前記表層部 219aは、ろう付け面 218においてセラミックス板 211 の裏面がろう付けされた部分に限定して形成されている。

[0088] ここで、冷却器 213に含まれる Feの濃度は、電子線マイクロアナライザ (EPMA)装置において加速電圧を 15kVとし、かつ電流値を 5 X 10^_8Aとして、スポットサイズを 30 μ mに設定し、冷却器 213において、表層部 219aおよび表層部 219aを除いた部分についてそれぞれ、任意の 10箇所で測定し、得られた測定値の平均値を算出して求めた。

また、冷却器 213全体の A1の平均純度は、まず、冷却器 213を、水、フッ化水素酸および硝酸がそれぞれ同量ずつ混入された水浴中（約 100°C)に浸して分解し、その後、この分解した試料を、 ICP— AES法 (誘導結合プラズマ—発光分析法)を用いること〖こより柳』定した。

[0089] 次に、以上のように構成されたパワー素子搭載用ユニット 214の製造方法について説明する。

まず、セラミックス板 211の表面にろう材箔と回路層 212とをこの順に配置するとともに、セラミックス板 211の裏面にろう材箔と冷却器 213とをこの順に配置する。これにより、セラミックス板 211において、その表面にろう材箔と回路層 212とがこの順に配置され、裏面にろう材箔と冷却器 213とがこの順に配置された積層体を形成する。セラミックス板 211と回路層 212との間に配置されたろう材箔の平面視形状は、回路層 212の平面視形状と略同形同大とされ、セラミックス板 211と冷却器 213との間に配置されたろう材箔の平面視形状は、セラミックス板 211の平面視形状と略同形同大とされている。

[0090] そして、この積層体を、不活性雰囲気、還元雰囲気、または真空中（真空度 1 X 10 "⁵Torr (l. 33 X 10^_3Pa)以下）【こ置! /、て、積層方向【こ 0. 098MPa〜0. 294MPa で加圧した状態で、 577°C以上 660°C以下で加熱し、ろう材箔を溶融させることによつて、セラミックス板 11の表面に回路層 12をろう付けにより接合し、セラミックス板 211 の裏面に冷却器 213をろう付けにより接合してパワー素子搭載用ユニット 214を形成する。

[0091] 以上説明したように、本実施形態によるパワー素子搭載用ユニット 214によれば、天板部 219においてろう付け面 218側の表層部 219aに含まれる Feの濃度が 0. lw t%未満とされているので、熱サイクル時使用に、セラミックス板 211および冷却器 21 3の各熱膨張係数の差に起因して、これらの接合界面に応力が生じようとした場合においても、表層部 219aを塑性変形させることによりこの応力を吸収させることが可能になる。これにより、前記接合界面に発生する応力を抑えることが可能になり、セラミックス板 211と冷却器 213との接合信頼性を向上させることができる。

[0092] 一方、冷却器 213において表層部 219aを除いた部分に含まれる Feの濃度が 0. 1 wt%以上とされて、この表層部 219aを除いた部分の曲げ剛性は現行同等に維持することが可能になり、セラミックス板 211と冷却器 213とをろう付けするのに前記積層体を積層方向に加圧したときに、この冷却器 213が薄肉に形成されて、たとしても、冷却器 213の垂下部 221が座屈するのを抑制することができる。

以上より、冷却器 213の垂下部 221の座屈強度を低下させることなぐパワーモジュール 210の熱サイクル信頼性を向上させることができる。なお、冷却器 213の表層部 219aに含まれる Feの濃度が 0. 05wt%以下であれば、このような作用効果が確実に奏効されること〖こなる。

[0093] また、本実施形態では、冷却器 213の全体が前記 A1合金で一体的に形成されているので、この冷却器 213の構造を複雑にすることなぐパワー素子搭載用ユニット 2 14を形成することが可能になり、その製造コストの増大を抑えることができるとともに、このパワー素子搭載用ユニット 214を備えるパワーモジュール 210の積層方向におけるトータル熱抵抗を確実に低減することができる。

[0094] 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ぐ本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更をカ卩えることが可能である。

前記実施形態では、純 A1若しくは A1合金で形成された回路層 212を示した力これに代えて、例えば純 Cu若しくは Cu合金で形成した回路層 212を採用してもょ、。また、前記実施形態では、冷却器 213として内部に複数の冷媒供給路 213aが形成されたいわゆる多穴管を示した力これに代えて、例えば、幅広の冷媒供給路が 1つ形成された冷却器を採用してもよぐさらにこの幅広の冷媒供給路内において天板部 219の前記反対の表面 220にフィンをろう付けした冷却器を採用してもよい。また、これらに代えて、例えば、冷却器 213が、底板部 222を有さず天板部 219と垂下部 22 1とを備えて、天板部 219の前記反対の表面 220に、ピン若しくはフィンとしての垂下部 221が複数垂設された冷却器を採用してもよい。

[0095] さらに、前記実施形態では、パワーモジュール 210として、回路層 212の表面にはんだ層 215を介してパワー素子 216が接合された構成を示したが、これに代えて、例えば、図 8に示されるように、回路層 212とパワー素子 216との間に、純 Cu、 Cu合金、 Cu— Mo系合金、若しくは Cu—C等の複合材料力もなるヒートスプレッダ 217を設けてもよい。この場合、パワー素子 216で発生した熱を、積層方向に直交する面方向に沿って拡散させつつ積層方向に伝導させることが可能になる。

さらにまた、前記実施形態に代えて、セラミックス板 211の裏面とろう付け面 218とを同形同大にして各々の外周縁を一致させた状態で、これら 211、 218をろう付けしてもよい。この場合、表層部 219aはろう付け面 218の全域に形成されることになる。

[0096] 次に、この製造方法についての具体的な実施例について説明する。

まず、材質については、回路層 212および冷却器 213を、 Feを約 0. 3wt%含有する純度が 99. 5wt%の A1合金、回路層 212とセラミックス板 211とを接合するろう材を Al— Si系（A1が 92. 5wt%、Siが 7. 5wt%)、セラミックス板 211を A1Nによりそれぞれ形成した。厚さについては、回路層 212を約 0. 8mm、ろう材箔を約 30 /ζ πι、セラミックス板 211を約 0. 635mmとした。なお、回路層 212は平面視四角形とされ、縦および横の寸法をそれぞれ、約 17mmとした。また、セラミックス板 211も平面視四角形とされ、縦および横の寸法をそれぞれ、約 20mmとした。

[0097] さらに、冷却器 213は、全体の高さ、すなわちろう付け面 218と底板部 222の下面との距離 A2が約 2. 5mmとされるとともに、全体の幅 B2が約 21. 25mmとされ、さらに、全体の長さ、すなわち冷媒供給路 213aが延在する方向（図 7および図 8の紙面の奥行き方向）の大きさを約 60mmとした。また、平面視四角形の各冷媒供給路 213a では、冷却器 213の高さ方向の大きさ C2を約 1. 5mmにし、冷却器 213の幅方向の大きさ D2を約 1. 25mmにした。そして、これらの各冷媒供給路 213aを、ろう付け面 218および底板部 222の下面力もそれぞれ約 0. 5mmずつ離した前記高さ方向中央部に形成し、また、冷却器 213の幅方向で隣合う冷媒供給路 213a同士の距離 E2 を約 lmmとした。すなわち、天板部 219および底板部 222の各厚さを約 0. 5mmとし、また、垂下部 221の厚さを約 lmmとした。

そして、前記積層体を 600°C〜650°Cの真空中（真空度 1 X 10"⁵Torr (l. 33 X 1 0^_3Pa)以下）に置いて、約 1時間、積層方向に 0. 098MPa〜0. 294MPaで加圧して、パワー素子搭載用ユニット 214を形成した。

[0098] 以上により形成された冷却器 213において、電子マイクロアナライザ (EPMA)を用い、前記表層部 219aとそれ以外の部分とを判定した。本実施例では、冷却器 213を切断し、その断面のろう付け面 218から冷媒供給路 213aの上面を構成する天板部 2 19の前記反対の表面 220まで、つまり天板部 219の厚さ方向全域 (約 0. 50mm)について、加速電圧 15kV、電流値 5 X 10^_8A、スポットサイズ 1 μ m、 1点測定時間 5 秒、移動間隔: mの条件で EPMAの線分析を行った。その結果を図 9に示す。この図により、ろう付け面 218から前記反対の表面 220に向かって約 0. 10mmまでの領域では Feの濃度が低くなつており、天板部 219のうちこの領域より前記反対の表面 220側の部分では Feの濃度が高くなつていることが確認される。

そして、冷却器 213において、表層部 219aおよびこの表層部 219a以外の部分の各 Fe濃度は、加速電圧 15kV、電流値 5 X 10^_8A、スポットサイズ 30 mの条件で E PMAを用いて、表層部 219aおよびこの表層部 219a以外の部分のそれぞれについて、任意の 10箇所で測定し、その平均値を算出することによって求めた。

[0099] 次に、以上説明した作用効果についての検証試験を実施した。

冷却器を形成する A1合金の A1純度を異ならせた 6種類のパワー素子搭載用ュ-ットを形成し、これらのパワー素子搭載用ユニットの各冷却器において、前記表層部の厚さ、表層部に含まれる Feの濃度、および冷却器において表層部以外の部分に含まれる Feの濃度のうち少なくとも 1つを異ならせた。なお、実施例では、 A1純度を 98 . Owt%以上 99. 9wt%以下の範囲内で異ならせた 4種類の A1合金を用いて冷却器を形成し、比較例では、 A1純度を 98. Owt%よりも小さい範囲で異ならせた 2種類の A1合金を用いて冷却器を形成し、さらに、実施例および比較例の回路層は、 A1純度が 99. 5wt%の A1合金を用いて形成した。また、前記各パワー素子搭載用ュ-ットを構成する各部材の寸法、セラミックス板の材質およびろう材の材質は前述した具体的な実施例で示したものと同様にした。

そして、これらのパワー素子搭載用ユニットそれぞれの回路層の表面に、同一の性能を有する Siチップを Sn—Ag— Cu系の無鉛はんだではんだ接合したものを、 -40 °Cから 125°Cに約 3分間で昇温した後、 125°Cから— 40°Cに 10分間で降温する温度履歴を 1サイクルとした熱サイクルを 2000サイクル付与した。

[0100] その後、各パワー素子搭載用ユニットを 5箇所、積層方向に切断し、それぞれの切断面を研磨した後、この切断面において、セラミックス板および冷却器の接合界面の全長および剥離進展長さをそれぞれ測定した。そして、前記接合界面の全長に対する剥離進展長さの比率、つまり剥離進展率の平均値を算出した。

結果を表 5に示す。

[0101] [表 5]

[0102] この結果、冷却器 213が、その全体の平均純度が 98. Owt%以上 99. 9wt%以下の A1合金により形成されるとともに、表層部 219aに含まれる Feの濃度が 0. ^％未満とされ、かっこの冷却器 213において表層部 219aを除いた部分に含まれる Feの濃度が 0. ^％以上とされていれば、前記の温度サイクルを 2000サイクル付与しても、前記剥離進展率が抑えられ、前記の作用効果が奏効されることが確認された。なお、全体の平均純度が 99. 9wt%より大きい A1合金若しくは純 A1で形成した冷却器をセラミックス板にろう付けしてパワー素子搭載用ユニットを形成しょうとしても前記垂下部が座屈して形成することができないことも確認された。

[0103] 図 10はこの発明の一実施形態に係るパワー素子搭載用ユニット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 310は、セラミックス板 311においてその表面に回路層 312 がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路 313aが形成された冷却器 313がろう付けされたパワー素子搭載用ユニット 314と、回路層 312の表面にはんだ層 315 を介してはんだ接合されたパワー素子 316とを備えている。なお、冷却器 313は、回路層 312の材質と同一の材質で形成されて、る

[0104] これらの各部材を形成する材質としては、例えば、セラミックス板 311では A1N、 A1

2

O、 Si N、 SiC等が挙げられ、回路層 312および冷却器 313では純 A1若しくは A1

3 3 4

合金等が挙げられ、はんだ層 315では例えば Sn— Ag— Cu系等の無鉛系のはんだ材が挙げられる。また、セラミックス板 311と回路層 312および冷却器 313とをろう付けするろう材では、例えば Al— Si系等の A1系のろう材が挙げられる。

なお、冷却器 313は、その全体が純 A1若しくは A1合金等により一体的に形成されており、例えば铸造若しくは押出し成形により形成することができる。

[0105] そして、本実施形態では、回路層 312の厚さを A3、セラミックス板 311の厚さを B3 、冷却器 313にお、てセラミックス板 311とのろう付け面 318を有する天板部 319の厚さを C3としたときに、 0. 75 -B3< C3< l. 5 ·Α3く 3 ·Β3を満たしている。本実施形態では、天板部 319の厚さ C3は、ろう付け面 318と冷却水路 313aの上面との距離となっている。

[0106] 次に、以上のように構成されたパワー素子搭載用ユニット 314の製造方法について説明する。

まず、セラミックス板 311の表面にろう材箔と回路層 312とをこの順に配置するとともに、セラミックス板 311の裏面にろう材箔を介して冷却器 313を配置する。

以上より、セラミックス板 311において、その表面にろう材箔と回路層 312とがこの順に配置され、裏面に前記ろう材箔と冷却器 313とがこの順に配置された積層体を形成する。 [0107] そして、この積層体を、不活性雰囲気、還元雰囲気、または真空中（真空度 1 X 10 "⁵Torr (l. 33 X 10^_3Pa)以下）【こ置! /、て、積層方向【こ 0. 098MPa〜0. 294MPa で加圧した状態で、 577°C以上 660°C以下で加熱し、ろう材箔を溶融させることによつて、セラミックス板 311の表面に回路層 312をろう付けにより接合し、セラミックス板 3 11の裏面に冷却器 313をろう付けにより接合してパワー素子搭載用ユニット 314を形成する。

[0108] 以上説明したように、本実施形態によるパワー素子搭載用ユニット 314によれば、回路層 312の厚さを A3、セラミックス板 311の厚さを B3、冷却器 313の天板部 319 の厚さを C3としたときに、 C3く 1. 5 · A3を満たしているので、冷却器 313の曲げ剛性と、回路層 312の曲げ剛性との差を縮めて、パワー素子搭載用ユニット 314を形成する際のろう付け時に生ずる反り量を低減することが可能になり、パワーモジュール 3 10にお、て回路層 312の表面にパワー素子 316を接合するはんだ層 315にクラックが生ずるのを抑えることが可能になる。

[0109] また、 1. 5 ·Α3く 3 ·Β3を満たしているので、パワーモジュール 310の熱サイクル使用時における回路層 312表面の面方向に沿った伸縮変形を、セラミックス板 311によつて拘束することが可能になり、はんだ層 315にクラックが生じたとしてもその進展を抑えることができる。さらに、 0. 75 'B3< C3を満たしているので、冷却器 313の曲げ剛性と回路層 312の曲げ剛性との差を縮めたことに起因して冷却器 313の天板部 3 19が変形し易くなるのを抑えることが可能になり、このパワー素子搭載用ユニット 314 の使用が妨げられるのを防ぐことができる。

[0110] また、本実施形態では、冷却器 313の全体が純 A1若しくは A1合金等により一体的に形成されているので、この冷却器 313の構造を複雑にすることなぐパワー素子搭載用ユニット 314を形成することが可能になり、その製造コストの増大を抑えることができる。

[0111] 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ぐ本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更をカ卩えることが可能である。

例えば、前記実施形態では、パワーモジュール 310として、回路層 312の表面にはんだ層 315を介してパワー素子 316が接合された構成を示した力これに代えて、例えば、図 11に示されるように、回路層 312とパワー素子 316との間に、純 Cu、 Cu合金、 Cu— Mo系合金、若しくは Cu—C等の複合材料力もなるヒートスプレッダ 317を設けてもよい。この場合、パワー素子 316で発生した熱を、積層方向に直交する面方向に沿って拡散させつつ積層方向に伝導させることが可能になる。

[0112] 次に、この製造方法についての具体的な実施例について説明する。

まず、材質については、回路層 312および冷却器 313を、純度が 99. 5wt%の A1 合金、回路層 312および冷却器 313とセラミックス板 311とを接合するろう材を A1 - S i系（A1が 92. 5wt%、Siが 7. 5wt%)、セラミックス板 311を A1Nによりそれぞれ形成した。厚さについては、回路層 312の厚さ A3を約 400 m、 600 mまたは 800 m 、ろう材箱を約 30 μ m、セラミックス板 311の厚さ B3を約 500 μ mまたは約 635 μ m とした。なお、回路層 312は平面視四角形とされ、縦および横の寸法をそれぞれ、約 17mmとした。また、セラミックス板 311も平面視四角形とされ、縦および横の寸法をそれぞれ、約 20mmとした。

[0113] さらに、冷却器 313は、全体の高さ、すなわち天板部 319のろう付け面 318と、このろう付け面 318と反対側の裏面との距離 D3を約 2. 5mmとするととも〖こ、全体の幅 E 3を約 21. 25mmとし、さらに、全体の長さ、すなわち冷却水路 313aが延在する方向 (図 10の紙面の奥行き方向）の大きさを約 60mmとした。

また、平面視四角形の各冷却水路 313aは、冷却器 313においてろう付け面 318および前記裏面力それぞれ同等の距離ずつ離した前記高さ方向中央部に形成して天板部 319の厚さ C3を約 500 mとし、また、冷却器 313の幅方向で隣合う冷却水路 313a同士の距離 F3を約 lmmとした。

そして、前記積層体を 600°C〜650°Cの真空中（真空度 1 X 10"⁵Torr (l. 33 X 1 0^_3Pa)以下）に置いて、約 1時間、積層方向に 0. 098MPa〜0. 294MPaで加圧して、パワー素子搭載用ユニット 314を形成した。

[0114] 次に、以上説明した作用効果についての検証試験を実施した。

回路層、セラミックス板、および冷却器の天板部それぞれの厚さのうち、少なくとも 1 つを異ならせ、他の部分は前述した具体的な実施例と同様にして 6種類のパワー素子搭載用ユニットを形成した。そして、これらのパワー素子搭載用ユニットそれぞれの回路層の表面に、同一の性能を有する Siチップを Sn— Ag— Cu系の無鉛はんだではんだ接合したものを、— 40°Cから 105°Cに約 3分間で昇温した後、 105°Cから— 4 0°Cに 10分間で降温する温度履歴を 1サイクルとした熱サイクルを 2000サイクル付与した。

[0115] その後、各パワー素子搭載用ユニットを 5箇所、積層方向に切断し、それぞれの切断面を研磨した後、この切断面を光学顕微鏡を用いて撮像し、この切断面において、回路層と Siチップとをはんだ接合するはんだ層の全長、およびこのはんだ層で発生したクラック進展長さをそれぞれ測定した。そして、はんだ層の全長に対するクラック進展長さの比率、つまりクラック進展率の平均値を算出した。

なお、前記 6種類のパワー素子搭載用ユニットにそれぞれ Siチップをはんだ接合する前に、予め、各パワー素子搭載用ユニットに生じている反り量を測定した。

結果を表 6に示す。

[0116] [表 6]

[0117] この結果、回路層 12の厚さ A3、セラミックス板 11の厚さ B3、および冷却器 13の天板部 19の厚さ C3の関係が、 0. 75 -B3< C3< l. 5 ·Α3く 3 ·Β3を満たしていれば、ノ^ー素子搭載用ユニット 14を形成する際のろう付け時に発生する反り量が抑えられ、し力も前記の温度サイクルを 2000サイクル付与しても、前記クラック進展率が抑えられ、前記の作用効果が奏効されることが確認された。なお、表 6に記載はしていないが、実施例のパワーモジュール 310では、前記温度サイクルを付与してもセラミックス板 311にクラックが発生しなカゝつたことも確認された。

[0118] 図 12はこの発明の一実施形態に係るパワー素子搭載用基板を適用したパワーモジユールを示す全体図である。このパワーモジュール 410は、セラミックス板 411の表面に回路層 412がろう付けされるとともに、この回路層 412の表面 412bに純 Cu若しくは Cu合金からなるヒートブロック 413が第 1はんだ層 414を介してはんだ接合されたパワー素子搭載用基板 41 5と、ヒートブロック 413の表面に第 2はんだ層 416を介してはんだ接合された半導体チップ (パワー素子) 417とを備えて、る。

[0119] 本実施形態では、パワー素子搭載用基板 415は、さらにセラミックス板 411の裏面にろう付けされた冷却器 418を備えている。なお、図示の例では、冷却器 418は、その内部に複数の冷媒供給路 418aを有する、いわゆる多穴管とされている。また、ヒートブロック 413は、純度が 50wt%以上の Cu合金若しくは純 Cuで形成されている。

[0120] これらの各部材を形成する材質としては、例えば、セラミックス板 411では A1N、 A1

2

O、 Si N若しくは SiC等が挙げられ、第 1、第 2はんだ層 414、 416では例えば Sn

3 3 4

Ag— Cu系等の無鉛系のはんだ材、若しくは例えば PbSn系等の Pbを含むはんだ材が挙げられ、冷却器 418では純 A1若しくは A1合金が挙げられる。また、セラミックス板 411と回路層 412および冷却器 418とをろう付けするろう材では、例えば Al— Si系等の A1系のろう材が挙げられる。本実施形態では、このろう材は、 Siを、 11. 6wt% 以下で、かつ回路層 412を形成する後述の回路層部材に含まれる Siの濃度より高い濃度含有している。

[0121] そして、本実施形態では、回路層 412は、全体の平均純度が 98. Owt%以上 99.

9wt%以下の A1合金で形成されるとともに、ヒートブロック 413がはんだ接合された表面 412b側に含まれる Feの濃度が 0. ^％以上とされ、かつセラミックス板 411がろう付けされた裏面 412a側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満となっている。

[0122] また、回路層 412の厚さは 0. 4mm以上とされるとともに、回路層 412の裏面 412a 側は、回路層 412において、この裏面 412aから前記表面 412bに向けて 0. 04mm 以上かつ回路層 412の厚さの半分以下までに位置する部分とされ、残部が回路層 4 12の表面 412b側となっている。なお、前記裏面 412a側に含まれる Feの濃度は、セラミックス板 411と回路層 412の裏面 412aとの接合界面における剥離進展率低減の観点から 0. 05wt%以下であることが好まし、。

[0123] 回路層 412において前記裏面 412a側、および表面 412b側の特定は、回路層 41 2を切断して得られた断面にぉヽて、電子マイクロアナライザ (EPMA)装置を用い、裏面 412a力ら表面 412bに向力つて、加速電圧 15kV、電流値 5 X 10^_8A、スポットサイズ 1 μ m、 1点測定時間 5秒、移動間隔 1 μ mの条件で EPMAの線分析を行い、得られたデータから、 Feの濃度が 0. lwt%以上である領域と、 0. lwt%未満である領域との境界を特定することにより行った。

そして、このようにして特定された前記裏面 412a側および前記表面 412b側それぞれについて、 EPMA装置において加速電圧を 15kVとし、かつ電流値を 5 X 10^_8A として、スポットサイズを 30 mに設定し、前記断面における任意の 10箇所で測定し、得られた測定値の平均値を算出することにより、前記裏面 412a側および前記表面 412b側それぞれに含まれる Feの濃度を求めた。

また、回路層 412全体の平均純度は、まず、回路層 412を、水、フッ化水素酸および硝酸がそれぞれ同量ずつ混入された水浴中（約 100°C)に浸して分解し、その後、この分解した試料を、 ICP— AES法 (誘導結合プラズマ—発光分析法)を用いることにより測定した。

[0124] 次に、以上のように構成されたパワー素子搭載用基板 415の製造方法について説明する。

まず、回路層 412と同形同大の回路層部材を形成する。回路層部材は、その全体の平均で、 Feを 0. 05wt%以上 1. Owt%以下含有する純度が 98. 5wt%以上 99. 95wt%以下の A1合金からなっている。その後、セラミックス板 411の表面にろう材箔と回路層部材とをこの順に配置する。また、セラミックス板 411の裏面にろう材箔を介して冷却器 418を配置する。

以上より、セラミックス板 411において、その表面にろう材箔と回路層部材とがこの順に配置され、裏面に前記ろう材箔と冷却器 418とがこの順に配置された積層体を形成する。

[0125] そして、この積層体を、不活性雰囲気、還元雰囲気、または真空中（真空度 1 X 10 "⁵Torr (l. 33 X 10^_3Pa)以下）【こ置! /、て、積層方向【こ 0. 098MPa〜0. 294MPa で加圧した状態で、 577°C以上 660°C以下で加熱し、ろう材箔を溶融させることによつて、セラミックス板 411の表面に回路層部材をろう付けして回路層 412を形成するとともに、セラミックス板 411の裏面に冷却器 418をろう付けする。

その後、回路層 412の表面 412bにヒートブロック 413を第 1はんだ層 414を介してはんだ接合することにより、パワー素子搭載用基板 415を形成する。

[0126] 以上説明したように、本実施形態によるパワー素子搭載用基板 415によれば、回路層 412の裏面 412a側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満となっているので、熱サイタル使用時に、セラミックス板 411および回路層 412の各熱膨張係数の差に起因して、これらの接合界面に応力が生じようとした場合においても、回路層 412の裏面 41 2a側を塑性変形させることによりこの応力を吸収させることが可能になる。これにより、前記接合界面に作用する応力を抑えることが可能になり、熱サイクル使用時におけるセラミックス板 411と回路層 412との接合信頼性を向上させることができる。

[0127] 一方、回路層 412の表面 412b側に含まれる Feの濃度が 0. 1 ％以上となっているので、熱サイクル使用時に回路層 412が繰り返し熱変形するのに伴い、徐々にこの表面 412b側を硬化させることが可能になり、この部分に発生する塑性変形量を抑えることができる。これにより、回路層 412の表面 412bとヒートブロック 413とを接合する第 1はんだ層 414に作用する、熱サイクル使用時の回路層 412の塑性変形に起因した負荷を低減することが可能になり、熱サイクル使用時に、この第 1はんだ層 414にクラックが発生してもその進展を抑えることができる。

[0128] また、回路層 412と半導体チップ 417との間にヒートブロック 413が介在しているので、半導体チップ 417から第 2はんだ層 416を介してヒートブロック 413に伝導した熱を即座にその沿面方向に分散させることが可能になり、熱サイクル使用時に、この半導体チップ 417の温度が上昇するのを抑えることができる。

[0129] さらに、本実施形態では、回路層 412の厚さは 0. 4mm以上とされるとともに、回路層 412の裏面 412a側は、回路層 412において、この裏面 412aから前記表面 412b に向けて 0. 04mm以上かつ回路層 412の厚さの半分以下までに位置する部分とされ、残部が回路層 412の表面 412b側となっているので、前記の作用効果が確実に奏効されることになる。また、回路層 412の厚さが 0. 4mm以上となっているので、パヮーモジュール 410の一般的な要求仕様を確実に満たすことができる。

[0130] また、本実施形態によるパワー素子搭載用基板の製造方法によれば、回路層部材とセラミックス板 411とをろう付けする際、前記積層体を積層方向に加圧するので、セラミックス板 411の表面と回路層部材との接合界面に酸ィ匕膜が形成されるのを防ぐことが可能になり、回路層部材においてセラミックス板 411とのろう付け面側に含まれる Feを、前記接合界面で溶融しているろう材中に良好に溶解させることができる。したがって、回路層 412の表面 412b側に含まれる Feの濃度が 0. ^％以上とされ、力つ回路層 412の裏面 412a側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされたパワー素子搭載用基板 415を確実に形成することができる。

[0131] さらに、回路層部材とセラミックス板 411とを接合するろう材箔に含まれる Siの濃度力回路層部材に含まれる Siの濃度よりも高くなつているので、ろう付け時の加熱により回路層部材における Siの限界固溶量が増大することと相俟って、溶融したろう材に含まれる Siを、回路層部材の内部に向けて前記ろう付け面側力拡散させることが可能になり、回路層部材において、前記ろう付け面側に含まれる Siの濃度を、このろう付け面と反対の表面側よりも高めることができる。これにより、前記ろう付け面側における Feの限界固溶量が、前記表面側よりも小さくなるので、このろう付け面側に含まれる Feの濃度を前記表面側よりも低くすることが可能になる。したがって、前述のように、回路層部材においてセラミックス板 411とのろう付け面側に含まれる Feを、前記接合界面で溶融しているろう材中に良好に溶解させることが可能になることと相俟って、前記のパワー素子搭載用基板 415をより一層確実に形成することができる。

[0132] 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ぐ本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更をカ卩えることが可能である。

例えば、回路層部材は、母材を打ち抜いて形成したり、あるいはいわゆるエツチング法により形成してもよい。

また、前記実施形態では、パワー素子搭載用基板 415の冷却器 418として、その内部に複数の冷媒供給路 418aを有する、いわゆる多穴管を示した力これに代えて、例えば、冷媒供給路 418aを形成しなくてもよいし、あるいは冷媒供給路 418aを 1 つだけ形成してもよいし、さらには冷媒供給路 418aの内面に冷却フィンを設けてもよい。さらにまた、パワー素子搭載用基板に冷却器 418を設けなくてもよい。

[0133] 次に、この製造方法についての具体的な実施例について説明する。まず、材質については、回路層部材および冷却器 418を、 Feを約 0. 3wt%含有する純度が 99. 5wt%の A1合金、ヒートブロック 413を純度が 99. 99wt%の OFC (無酸素銅）、回路層部材および冷却器 418とセラミックス板 411とを接合するろう材を A1 — Si系（A1が 92. 5wt%、 Siが 7. 5wt%)、第 1はんだ層 414を Sn—Ag— Cu系、セラミックス板 411を A1Nでそれぞれ形成した。

厚さについては、回路層部材（回路層 412)を 0. 6mm,ろう材箔を約 30 m、セラミックス板 411を 0. 635mm,ヒートブロック 413を 1. 5mmとした。なお、回路層部材 (回路層 412)は平面視四角形とされ、縦および横の寸法をそれぞれ、 17mmおよび 36mmとした。また、セラミックス板 411も平面視四角形とされ、縦および横の寸法をそれぞれ、 20mmおよび 40mmとした。さらに、ヒートブロック 413も平面視四角形とされ、縦および横の寸法をそれぞれ、 15mmおよび 30mmとした。

[0134] さらに、冷却器 418は、全体の高さが 2. 5mmとされるとともに、全体の幅が 22mm とされ、さらに、全体の長さ、すなわち冷媒供給路 418aが延在する方向（図 12の紙面の奥行き方向）の大きさを 50mmとした。また、正面視四角形の各冷媒供給路 418 aでは、冷却器 418の高さ方向の大きさを 1. 5mmにし、冷却器 418の幅方向の大きさを 1. 25mmにした。

そして、前記積層体を 600°C〜650°Cの真空中（真空度 1 X 10"⁵Torr (l. 33 X 1 0^_3Pa)以下）に置いて、約 1時間、積層方向に 0. 098MPa〜0. 294MPaで加圧し、セラミックス板 411の表面に回路層部材をろう付けして回路層 412を形成するとともに、セラミックス板 411の裏面に冷却器 418をろう付けした。

その後、回路層 412の表面 412bに第 1はんだ層 414を介してヒートブロック 413を接合してパワー素子搭載用基板 415を形成した。

[0135] このパワー素子搭載用基板 415の回路層 412に対して、電子マイクロアナライザ (E PMA)を用い、その裏面 412a側の領域と前記表面 412b側の領域とを判定した。具体的には、回路層 412を切断して得られた断面において、裏面 412aから表面 412b に向かって、加速電圧 15kV、電流値 5 X 10^_8A、スポットサイズ 1 μ m、 1点測定時間 5秒、移動間隔 1 μ mの条件で ΕΡΜΑの線分析を行った。その結果を図 13に示す。この図より、回路層 412においてその裏面 412aから表面 412bに向かって 0. 15m mまでの領域（回路層 412の厚さの約 25%に相当）では Feの濃度が 0. lwt%未満で低くなつており、それより表面 412b側では Feの濃度が 0. ^％以上で高くなつていることが確認される。

[0136] 次に、以上説明した作用効果についての検証試験を実施した。

回路層を形成する回路層部材において、 A1の純度、厚さおよび Feの濃度のうち少なくとも 1つを異ならせて 7種類のパワー素子搭載用基板を形成し、各パワー素子搭載用基板の回路層にお、て、セラミックス板がろう付けされた裏面側に含まれる Feの濃度、ヒートブロックがはんだ接合された表面側に含まれる Feの濃度、前記裏面側の厚さ、および前記表面側の厚さのうち少なくとも 1つを異ならせた。そして、これらのパヮー素子搭載用基板それぞれのヒートブロックの表面に、同一の性能を有する半導体チップを Sn— Ag - Cu系の無鉛はんだではんだ接合したものを、— 40°Cから 105 °Cに約 3分間で昇温した後、 105°Cから— 40°Cに約 10分間で降温する温度履歴を 1サイクルとした熱サイクルを 2000サイクル付与した。

[0137] その後、各パワー素子搭載用基板を超音波映像装置（140MHzプローブ)で撮像し、得られた撮像データに基づいて、セラミックス板と回路層の裏面との接合界面の面積に対する剥離進展面積の比率、つまり剥離進展率を算出した。

また、前記撮像データに基づいて、回路層の表面とヒートブロックとを接合する第 1 はんだ層の横断面積に対するクラック進展面積の比率、つまりクラック進展率を算出した。

さらに、前記撮像データに基づいて、ヒートブロックと半導体チップとを接合する第 2 はんだ層の横断面積に対するクラック進展面積の比率、つまりクラック進展率を算出した。

結果を表 7に示す。

[0138] [表 7]

この結果、回路層 412が、その全体の平均純度が 98. Owt%以上 99. 9wt%以下の A1合金で形成されるとともに、ヒートブロック 413がはんだ接合された表面 412b側に含まれる Feの濃度が 0. 1 ％以上とされ、かつセラミックス板 411がろう付けされた裏面 412a側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満となっていれば、前記の温度サイタルを 2000サイクル付与しても、前述した剥離進展率およびクラック進展率の双方が抑えられ、前記の作用効果が奏効されることが確認された。

産業上の利用可能性 [0140] 回路層とパワー素子とをはんだ接合するのに無鉛系のはんだ材を採用しても、熱サイクル時にこのはんだ層でクラックが進展し易くなるのを抑えることができる。

[0141] また、セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けしても、パワー素子搭載用ュ- ットを形成した際の反りの発生を抑え、熱サイクル信頼性の低下を抑制することができる。

[0142] また、冷却器の垂下部の座屈強度を低下させることなぐパワーモジュールの熱サイタル信頼性を向上させることができる。

[0143] また、パワーモジュールの熱サイクル使用時における接合信頼性を向上させることができる。

Claims

請求の範囲

[1] セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、この回路層の表面にパワー素子がはんだ接合されるパワー素子搭載用基板であって、

前記回路層は、全体の平均純度が 98. Owt%以上 99. 9wt%以下の A1合金により形成されるとともに、前記セラミックス板とのろう付け面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされ、かっこのろう付け面と反対の表面側に含まれる Feの濃度が 0. 1 wt%以上とされていることを特徴とするパワー素子搭載用基板。

[2] 請求項 1記載のパワー素子搭載用基板において、

前記ろう付け面側は、回路層においてこのろう付け面力前記反対の表面に向けて回路層の厚さの 10%以上 50%以下までに位置する部分とされ、残部が前記反対の表面側とされていることを特徴とするパワー素子搭載用基板。

[3] セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、この回路層の表面にパワー素子がはんだ接合されるパワー素子搭載用基板の製造方法であって、

セラミックス板の表面に、 A1系のろう材箔と、 Feを 0. 05wt%以上 1. Owt%以下含有する純度が 98. 5wt%以上 99. 95wt%以下の A1合金力もなる回路層部材とをこの順に配置して積層体とした後に、

この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させて、セラミックス板の表面に回路層部材をろう付けすることにより、請求項 1または 2に記載のパワー素子搭載用基板を形成することを特徴とするパワー素子搭載用基板の製造方法。

[4] セラミックス板の表面に回路層がろう付けされたパワー素子搭載用基板と、回路層の表面にはんだ接合されたパワー素子とを備えたパワーモジュールであって、前記パワー素子搭載用基板が請求項 1または 2に記載のパワー素子搭載用基板であることを特徴とするパワーモジュール。

[5] セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路が形成された冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットであって、前記回路層は、全体の平均純度が 98. Owt%以上 99. 9wt%以下の A1合金により形成されるとともに、前記セラミックス板とのろう付け面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされ、かっこのろう付け面と反対の表面側に含まれる Feの濃度が 0. 1 wt%以上とされていることを特徴とするパワー素子搭載用ユニット。

[6] 請求項 5記載のパワー素子搭載用ユニットにおいて、

前記ろう付け面側は、回路層においてこのろう付け面力前記反対の表面に向けて回路層の厚さの 10%以上 50%以下までに位置する部分とされ、残部が前記反対の表面側とされていることを特徴とするパワー素子搭載用ユニット。

[7] セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路が形成された冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットの製造方法であって、

この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させて、セラミックス板の表面に回路層部材をろう付けすることにより、請求項 5または 6に記載のパワー素子搭載用ユニットを形成することを特徴とするパワー素子搭載用ユニットの製造方法。

[8] セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路が形成された冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットと、回路層の表面にはんだ接合されたパワー素子とを備えたパワーモジュールであって、前記パワー素子搭載用ユニットが請求項 5または 6に記載のパワー素子搭載用ュニットであることを特徴とするパワーモジュール。

[9] セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に冷却器力 Sろう付けされたパワー素子搭載用ユニットであって、

前記冷却器は、前記セラミックス板とのろう付け面を有する天板部と、この天板部において前記ろう付け面と反対の表面に垂設された垂下部とを備えるとともに、全体の平均純度が 98. Owt%以上 99. 9wt%以下の A1合金で形成され、

前記天板部にぉ、てろう付け面側の表層部に含まれる Feの濃度が 0. lwt%未満とされ、かっこの冷却器にお!、て前記表層部を除、た部分に含まれる Feの濃度が 0 . lwt%以上とされていることを特徴とするパワー素子搭載用ユニット。

[10] セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に冷却器力 Sろう付けされたパワー素子搭載用ユニットの製造方法であって、

セラミックス板の裏面にろう材箔と冷却器とをこの順に配置して積層体とした後に、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させて、セラミックス板の裏面に冷却器をろう付けすることにより、請求項 9記載のパワー素子搭載用ュニットを形成することを特徴とするパワー素子搭載用ユニットの製造方法。

[11] セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に冷却器力 Sろう付けされたパワー素子搭載用ユニットと、回路層の表面にはんだ接合されたパヮー素子とを備えたパワーモジュールであって、

前記パワー素子搭載用ユニットが請求項 9記載のパワー素子搭載用ユニットであることを特徴とするパワーモジュール。

[12] セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に前記回路層の材質と同一の材質力もなる冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットであって、

前記回路層の厚さを A3、セラミックス板の厚さを B3、前記冷却器において前記セラミックス板とのろう付け面を有する天板部の厚さを C3としたときに、 0. 75 -B3< C3 < 1. 5 ·Α3く 3 ·Β3を満たすことを特徴とするパワー素子搭載用ユニット。

[13] セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に前記回路層の材質と同一の材質力もなる冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットと、回路層の表面にはんだ接合されたパワー素子とを備えたパワーモジュールであつて、

前記パワー素子搭載用ユニットが請求項 12記載のパワー素子搭載用ユニットであることを特徴とするパワーモジュール。

[14] セラミックス板の表面に回路層がろう付けされるとともに、この回路層の表面に純 Cu 若しくは Cu合金力もなるヒートブロックがはんだ接合されてなり、このヒートブロックの表面にパワー素子がはんだ接合されるパワー素子搭載用基板であって、

前記回路層は、全体の平均純度が 98. Owt%以上 99. 9wt%以下の A1合金で形成されるとともに、前記ヒートブロックがはんだ接合された表面側に含まれる Feの濃度が 0. lwt%以上とされ、かつ前記セラミックス板がろう付けされた裏面側に含まれる F eの濃度が 0. lwt%未満とされていることを特徴とするパワー素子搭載用基板。

[15] 請求項 14記載のパワー素子搭載用基板において、

前記回路層の厚さは 0. 4mm以上とされるとともに、前記回路層の裏面側は、回路層において、この裏面から前記表面に向けて 0. 04mm以上かつ回路層の厚さの半分以下までに位置する部分とされ、残部が前記回路層の表面側となっていることを特徴とするパワー素子搭載用基板。

[16] セラミックス板の表面に回路層がろう付けされるとともに、この回路層の表面に純 Cu 若しくは Cu合金力もなるヒートブロックがはんだ接合されてなり、このヒートブロックの表面にパワー素子がはんだ接合されるパワー素子搭載用基板の製造方法であってセラミックス板の表面に、 A1系のろう材箔と、 Feを 0. 05wt%以上 1. Owt%以下含有する純度が 98. 5wt%以上 99. 95wt%以下の A1合金力もなる回路層部材とをこの順に配置して積層体とした後に、

この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させて、セラミックス板の表面に回路層部材をろう付けして前記回路層を形成し、

その後、前記回路層の表面に前記ヒートブロックをはんだ接合することにより、請求項 14または 15に記載のパワー素子搭載用基板を形成することを特徴とするパワー素子搭載用基板の製造方法。

[17] セラミックス板の表面に回路層がろう付けされるとともに、この回路層の表面に純 Cu 若しくは Cu合金カゝらなるヒートブロックがはんだ接合されたパワー素子搭載用基板と、前記ヒートブロックの表面にはんだ接合されたパワー素子とを備えたパワーモジュ一ノレであって、

前記パワー素子搭載用基板が請求項 14または 15に記載のパワー素子搭載用基板であることを特徴とするパワーモジュール。