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JP2006100640A - セラミックス回路基板及びこれを用いたパワー半導体モジュール - Google Patents

セラミックス回路基板及びこれを用いたパワー半導体モジュール Download PDF

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JP2006100640A JP2004285873A JP2004285873A JP2006100640A JP 2006100640 A JP2006100640 A JP 2006100640A JP 2004285873 A JP2004285873 A JP 2004285873A JP 2004285873 A JP2004285873 A JP 2004285873A JP 2006100640 A JP2006100640 A JP 2006100640A
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Abstract

【課題】 熱応力、熱ひずみを軽減し、実装信頼性が高いセラミックス回路基板及びこれを用いたパワー半導体モジュールを提供する。
【解決手段】 セラミックス基板の一方の主面に、Ｃｕ／Ｍｏ／ＣｕあるいはＣｕ／Ｗ／Ｃｕの３層構造のクラッド材からなる放熱板と、他方の主面に対してはＣｕまたはＣｕ合金からなる回路回路板が設けられている。ここで、回路回路板の厚さが、0.1〜2ｍｍ、放熱板の総厚さが2.0〜8ｍｍとする。ＭｏあるいはＷの厚さが0.2〜4ｍｍとする。また、回路板、セラミック基板、放熱板を貫通するボルト締め用穴部を備えて半導体パワーモジュールの取付けを容易にすることができる。また、放熱板の裏面部に冷却フィンを備えてセラミックス回路基板の熱抵抗を低減させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特にパワー半導体モジュールに使用されるセラミックス回路基板に係わり、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材層を介して回路パターンを形成する金属回路回路板を接合し、回路面と他方の面に放熱金属板を接合したセラミックス回路基板およびこれを用いたパワー半導体モジュールに関するものである。
近年、電機自動車やハイブリッド車および燃料電池車に搭載される駆動モーター用のインバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（ＭＯＳ−ＦＥＴあるいはＩＧＢＴモジュール）が用いられている。パワー半導体モジュールに使用される基板としては、窒化アルミニウムや窒化ケイ素からなるセラミックス基板上に銅板やアルミニウム板等の金属板を接合したセラミックス回路基板が広く使用されている。例えばセラミックス基板の一方の面に半導体チップ等を搭載して回路となす金属板を接合し、他方の面には放熱用の金属板を接合して形成されている。前記回路用金属板側には回路部となる回路パターンに沿ってエッチング処理する等して、複数の金属板からなる金属回路パターンを形成し、セラミックス回路基板が構成される。
セラミックス回路基板の回路板に半導体素子を搭載した構造を有する半導体モジュールにおいて、半導体素子を安全かつ安定に動作させるためには、モジュールの動作時に半導体素子から発生する熱をパッケージの外へ効率良く放散させる必要がある。この熱放散は、発熱源である半導体素子からこれと接着された各部材を通じて気中へ熱伝達させることにより行われる。パワー半導体モジュールでは、この熱伝達経路中に、絶縁体、半導体素子を接着する部分等に用いられる接着材層、金属放熱ベース板等が含まれている。
また、パワー半導体モジュールを含む回路の扱う電力が高くなり、要求される信頼性(経時的安定性、耐湿性、耐熱性等)が高くなればなるほど、高い絶縁性が要求される。尚、ここで言う耐熱性には、パワー半導体モジュールの周囲温度が外因により上昇した場合の他、パワー半導体モジュールの扱う電力が大きく、半導体素子で発生する熱が大きくなった場合における耐熱性も含まれえる。
一方、パワー半導体モジュールでは、一般に半導体素子を含む、あるまとまった電気回路が組み込まれるため、その回路の少なくとも一部と放熱ベース板とを電気的に絶縁する必要がある。例えば、Siチップを両面に銅板が接合されたAlNセラミックス基板(以下、銅張りAlN基板と称する。)に搭載したアッセンブリを、銅放熱ベース板にはんだ付け一体化したパワーモジュール装置が存在する（例えば特許文献１参照）。
この非特許文献１において、銅張りAlN基板は、AlNの持つ高熱伝導性(190W/m・K)、低熱膨張係数(4.3ppm/℃)、高絶縁性(105Ω・cm)等の特長と、銅の持つ高熱伝導性(403W/m・K)、高電気伝導性(1.7×10-6Ω・cm)等の特長とを併せ持ち、電流密度が高く、発熱の著しい電力用半導体素子(Si: 3.5ppm/℃)を直接はんだ付けにより搭載し、優れた放熱性と信頼性とを備えたモジュール装置を得るのに有効である。
一般に、銅張りAlN基板においては、これに対してはんだ付け搭載された半導体素子又はこれに対して形成された電気回路を、銅製の放熱べース板から電気的に絶縁するとともに、半導体素子から冷却フィンに至る熱流路を形成してその放熱効果を高める役割を担う。また、銅張りAlN基板を用いると、熱膨張係数の小さい半導体素子を特別な熱膨張緩和材(例えば、MoやW)を用いずに直接搭載できるため、パワーモジュール装置の部品点数や組込み工数を削減できる。
また、サイリスタチップをアルミナ基板に搭載したアッセンブリを、Al又はAl合金にSiCセラミックス粉末を分散させた複合材(以下、「Al/SiC複合材」と称する。)からなる放熱ベース板に搭載した半導体モジュール装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
上記特許文献１において、アルミナ基板(7.5ppm/℃)はこれと熱膨張係数が略近似したAl/SiC複合材放熱ベース板(6.7〜14ppm/℃)に搭載されているため、これら部材間の接続部構造の信頼性は優れており、放熱性劣化の防止に関して有効に作用する。
また、セラミックス基板の両面にAl-Si系ろう材を介して回路配線用Al板と熱拡散用Al板をそれぞれ接着した回路基板と、Al/SiC複合材により形成されたヒートシンクとを、Al合金を介して接合したヒートシンク付セラミック回路基板の構成が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
特許文献２によれば、両面に変形抵抗の小さいAl板が接合されているためセラミックス基板のクラック破壊が防止され、ヒートシンクは熱拡散用Al板にヒートシンク中のAl合金を介してあらかじめ接合されているのでパワーモジュールの製作工数を削減できる。
さらに、セラミックス基板とSiC粉末により形成された多孔質プリフォームとを隣接させ、多孔質プリフォームに溶融Alを含浸することによりAl/SiC複合材を作製するとともに、Al/SiC複合材とセラミックス基板とを溶融Alにより一体化接合し、セラミックス基板の表面にAl回路部を形成した回路基板も開示されている（例えば、特許文献３参照）。これにより、低コストの回路基板を得ることが可能である。
また、金属、好ましくは銅または銅合金よりなる回路板、セラミックス基板および金属、好ましくは銅または銅合金よりなる放熱板が順次ろう材で接合された絶縁回路基板において、前記放熱板は、その外周部を除き複数の平板状フィンまたは棒状フィンを有することを特徴とする絶縁回路基板および冷却構造について特許文献４で開示されている。
また、２枚の窒化ケイ素の間にCuまたはCu合金板を接合し、一方の面に金属回路板、他方面に金属板を接合した回路基板であり、CuまたはCu合金の厚さが0.2mm〜2mm、かつ全体に占める金属板の厚さ（回路板、中間板、放熱板の合計が50〜90％であることを特徴とする回路基板が特許文献５で開示されている。
"半導体・通信用DBC基板":電子材料(Vol.44、No.5)、 65〜69 頁(1989年) 特公平７−２６１７４号公報 特開平１０−６５０７５号公報 特開２０００−２７７９５３号公報 特開２００２−１７７８３３号公報 特開２００３−１２４５８４号公報
ところで、一般に、パワー半導体モジュールでは特許文献１に記載されているように、半導体素子をはんだ付け搭載した銅張りAlN基板を、同様のはんだ付けにより銅放熱べース板と一体化している。ここで、熱伝導率の高い銅板を放熱べース板として用いる理由は、銅張りAlN基板から伝達される熱流を広げて放熱効果を高めるためである。この場合、銅放熱べース板と銅張りAlN基板との間の熱膨張係数差が大きいことに起因して、はんだ層の破壊、熱流路の遮断、回路基板の破壊などに基づく信頼性の低下が生じやすい。具体的には以下の（１）〜（４）の問題がある。
（１）熱応力、ひずみ、絶縁基板（回路基板）の破損
銅張りAlN基板と銅放熱べース板との熱膨張係数が異なるため、これらのはんだ層等を介して実装した形態においては、残留熱応力ないし熱ひずみが発生する。銅張りAlN基板や銅放熱べース板は、実装の際に、はんだ材の融点以上に加熱した後、室温まで冷却する熱処理工程を経る。この場合に、各部材は、はんだ材の凝固点で互いに固定されたまま各部材固有の熱膨張係数に従って収縮し、接着部に熱応力ないし熱ひずみが残留するとともに変形を生ずる。
一般に、電力用の半導体素子はサイズが大きく、また、パワー半導体モジュールでは複数の半導体素子や他の素子も搭載されるため、回路基板やろう付け部の面積も大きくなる。このため、残留熱応力や熱ひずみが大きく、各部材の変形も促進されやすい。パワー半導体モジュールに稼働時の熱ストレスが繰返し与えられ、残留熱応力ないし熱ひずみが継続的に付加されると、はんだ層(特に図６の#2はんだ層51)の疲労破壊による熱流路の遮断と靱性に乏しい性質であるセラミックス絶縁板の破損を生ずる。このようなことはパワー半導体モジュールの正常動作を阻害するだけでなく、特に回路基板の破損で代表されるような安全上の問題にもつながる。
（２）そりによる熱付加時の形状変化や回路基板の破損
銅張りAlN基板とCu放熱べース板との熱膨張係数が異なるため、これらの一体化物にはそりを発生する。パワー半導体モジュールにそりを生ずると、これを冷却フィンに取り付ける際に、熱伝導グリースの装填を均一にすることがむずかしい。その結果、銅放熱べース板と冷却フィン間との熱的係合が良好になされず、この経路の放熱性が損なわれ、パワー半導体モジュールを正常に動作させることが困難になる。また、パワー半導体モジュールを冷却フィン上にネジ締め搭載した場合には、新たな外力がかかることにより、回路基板の破損が生じやすくなる。
（３）組み立て工数の問題及び鉛フリーはんだ化の困難性
半導体素子と銅張りAlN基板とをはんだ付けする工程(図６の#1はんだ層50の形成)と、同様のはんだ付けによる銅張りAlN基板と銅放熱べース板との一体化工程(図６の#2はんだ層51の形成)が必要であるため、パワー半導体モジュールの組み立て工数が多くなる。また、一般には#1はんだ層と#2はんだ層とを形成する工程では、温度階層性(異なる融点を持つはんだ材)が必要になるが、既存の鉛フリーはんだ材の組み合わせでは十分な温度階層性を得ることは困難である。
（４）モジュール低熱抵抗化及び高温環境下への適用困難性
半導体素子と銅張りAlN基板ならびに銅放熱べース板とを一体化したモジュール構成では#1はんだ層と#2はんだ層の熱伝達が低い層による実装形態であり、半導体素子動作時に発生する熱を速やかに系外に放散することが困難であり、モジュール自身の熱抵抗は高くなる。また、近年では、インバーター自身をエンジンルーム内の高温環境下に搭載する傾向にあること、さらにパワーモジュール用の専用冷却系をエンジン冷却用の冷却系とを統合するシステムが考案されており、ここに搭載されるパワーモジュールはより高い動作信頼性が要求されるが、低温はんだが用いられている#2はんだ層の劣化が激しくなりモジュールの実装信頼性が著しく低下する。
上記特許文献２に記載の放熱べース板は複合材であって、SiCセラミックス粉末からなる多孔質プリフォームにAlを主成分とする溶融金属を含浸させることにより、Alマトリックス金属中にSiC粉末を分散させたものである(以下「Al/SiC」と称する。)。この部材の熱膨張係数は、SiC粉末の添加量によって制御可能であるため、上記（１）や（２）および（４）の問題を解消することが可能である。しかしながら、パワー半導体モジュールの組み立てには、#1及び#2はんだ層形成の両工程を通す必要があり上記（３）の問題が残る。また、アルミナ絶縁部材とAl/SiC放熱ベース板とは別工程により作製されるためコストが高くなるという問題が残る。
上記特許文献３に基づくヒートシンク付き回路基板を用いたパワー半導体モジュールは、回路基板と放熱べース板とが予め一体化されているため、後続のパワー半導体モジュールの組み立て工程が簡素化される。しかしながら、ヒートシンク付き回路基板は、それぞれ別工程で作製されたAl張りAlN板とAl/SiCヒートシンクとを積層し、これらを加圧しながら真空中で加熱する工程を経て得られるものである。これらのプロセスにおいては多大のコストを要し、最終的にはパワー半導体モジュールの価格を低くするのに対して障害になる。
また、予め製作されたAl張りAlN板とAl/SiCヒートシンクの表面に形成された酸化物質とが接合後の界面に残留し、この界面の接続性及び信頼性を損ないやすい。
上記特許文献４に記載の技術に基づくセラミックス回路基板は、Al/SiCベース板とセラミックス回路基板とが予め直接一体化されているため、後続のパワーモジュール組み立て工程は簡素化される。しかも、Al合金溶湯を所定の型に注入することにより、一体化と同一工程でAl/SiCの製作とセラミックス回路基板への配線とが施される。
このため、セラミックス回路基板を比較的低コストで製作できる可能性があり、最終的にはパワー半導体モジュール価格廉価にすることができる点で期待されている。しかしながら、本構造の場合は、Al/SiCベース板とセラミックス回路基板とが比較的高温のもとで直接一体化されるため、一体化物に応力やひずみ、そり変形などが生じやすく、上述の（１）及び（２）に関連する問題が残る。これらに対する解決策、特にパワー半導体モジュールの製作及び稼働段階での不具合を回避するための最適構造について開示されていない。
上記特許文献５に記載の技術に基づく絶縁回路基板および冷却構造は高放熱性を有するものである。しかしながら、当該絶縁回路基板をろう付けにより順次接合して得るには、最終の基板構造において反り量ならびにセラミックス基板に付与される残留応力を低減してセラミックス基板の割れを防止することが必須であるが、その絶縁回路基板を構成する回路板、セラミックス基板および放熱板について、それらの素材種ならびに熱膨張係数、弾性率および厚みについての具体的な規定範囲について言及されていない。
上記特許文献６に記載の技術に基づく絶縁回路基板は、２枚の窒化ケイ素基板の間にCuまたはCu合金板を接合することで、接合体の剛性を向上させ、さらに横方向への熱拡散を向上させることで絶縁回路基板の熱抵抗を低減させることができるものである。
しかしながら、この絶縁回路基板には２枚の窒化ケイ素基板から構成されているため、基板と金属板の接合界面が増大し、冷熱繰り返しに対する実装信頼性を劣化させること、また、接合に介するろう材量が増大することにより高コストを招来する。
以上のことより、本発明の目的は、金属回路板、セラミックス基板および金属放熱板の構成を規定することで製造時又は稼働時に生ずる熱応力又は熱ひずみを軽減し、各部材の変形、変性、破壊の恐れを少なくし、実装信頼性が高く、かつ、低コストのセラミックス回路基板を提供することにある。
本発明は、半導体素子がセラミックス基板の一方の面に設けられた銅または銅合金製回路板上に固着され、前記セラミックス基板の他方の面が接合金属層を介して放熱板（放熱回路板）に固着され、この放熱板（放熱回路板）が銅または銅合金およびMoおよびWなどの低熱膨張金属からなる金属板の接合板（クラッド材）から構成したことを特徴とする回路基板にある。
即ち、本発明は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に回路パターンを形成する回路回路板を、他方の面に放熱板を接合してなり、前記放熱板は、前記回路回路板に用いる金属板よりも低熱膨張であり、その構成がＣｕ又はＣｕ合金とＭｏ、Ｗ等の低熱膨張材を組み合わせて積層構造にしたクラッド金属板であることを特徴とするセラミックス回路基板である。
本発明において、前記回路回路板は、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成されることは望ましい。
本発明において、前記放熱板は、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層構造からなるクラッド材から構成されることは望ましい。
本発明において、前記放熱板は、Ｃｕ／Ｗ／Ｃｕの３層構造からなるクラッド材から構成されることは望ましい。
本発明において、前記回路回路板がＣｕ又はＣｕ合金で構成され、回路回路板の厚さが、０．１〜２ｍｍ、望ましくは０．１〜１．２ｍｍ、さらに望ましくは０．１〜０．８ｍｍであり、前記放熱板のクラッド材の総厚さが２．０〜８ｍｍ、望ましくは２．０〜５ｍｍであることが良い。
本発明において、前記放熱板であるクラッドを構成するMoあるいはWの厚さが、０．２〜４ｍｍであることが望ましい。
本発明においてクラッドを構成するＣｕの厚さと、ＭｏあるいはＷの厚さの比である、Ｍｏ／Ｃｕ比あるいはＷ／Ｃｕ比が1以上４未満であることは望ましい。
本発明において、前記セラミックス基板は、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナの群から選択された少なくとも１種を含むセラミックス板により形成されていることは望ましい。
本発明において、前記セラミックス回路基板は、直接ボルト締め可能な締結穴を有することは望ましい。
本発明において、前記セラミックス回路基板は、放熱板がＣｕ／Ｍｏ／ＣｕあるいはＣｕ／Ｗ／Ｃｕの３層構造であり、最下部のＣｕ部がフィン形状であることは望ましい。
本発明は、上記したセラミック回路基板の何れかを用いたパワー半導体モジュールである。
以上のように、本発明では、回路金属板を銅または銅合金とし、放熱側金属板を回路配線金属板よりも熱膨張係数の小さい銅系のクラッド材とすることにより、熱抵抗は電気的安定動作を実現するため0.25℃/W以下が達成でき、かつ反りの少ない優れた平坦性が確保できる。ここで、放熱側金属板を銅系のクラッド材とする理由は、接合プロセスにおける昇温過程で銅成分は軟化され変形能が増大し、続いて接合後の冷却過程において、この銅成分が塑性変形してくれるため、接合時にセラミックス板が受ける残留応力を低減する効果があるためである。また、クラッドの構成としては、クラッド材の表裏面には、必ず、銅または銅合金であることが望ましい。熱膨張を制御するMoあるいはWが、表裏面に位置する場合には、セラミックス基板と、例えば、ろう材を介して接合体を得ることが可能であるが、MoおよびWは、剛性が大きく（塑性変形しないため）界面での応力集中が起り、長期信頼性に欠如した回路基板となる。
また、クラッド材の層数は、３層、５層など、多層構造でも可能であるが、MoおよびWが高価であること、また、クラッド材内での接合界面が増大するため、製造安定性の低下を招く。したがって、クラッド材は３層構造であることが望ましい。
また、クラッド材の熱膨張係数を制御するMoおよびWの代りに、CuをマトリックスとしてMoあるいはを分散させたCu-MoあるいはCu-W複合材を用いてもよい。
また、はんだ接合部の少数化の実現により、長期信頼性の確保が容易になり、かつ製造プロセスの簡略化も実現できる。これらのことから大幅なコストダウンを図ることができる。セラミックス回路基板に搭載されるセラミックス板は窒化ケイ素以外に、窒化アルミニウム、アルミナを適用することも可能である。セラミックス板は必要に応じて複数枚搭載されていてもよく、この際窒化ケイ素基板、窒化アルミニウム板、アルミナ板を必要に応じて組み合わせてもよい。
特に、回路基板の熱抵抗を低減する場合には、金属回路板ならびに放熱板部を厚くすることで対応できるが、この場合、セラミックス基板が受ける残留応力が大きくなる。したがってこの際に用いるセラミックス基板には窒化ケイ素材であることが望ましい。
本発明は、製造時あるいは運転時に生ずる熱応力ないし熱ひずみを軽減し、各部材の変形、変質、破壊の恐れが少なく、放熱性が優れるとともに信頼性が高く、低コストのセラミックス回路基板を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態によるセラミックス回路基板について説明する。まず、本発明の第１の実施の形態によるセラミックス回路基板について説明を行う。
図１は本実施の形態によるセラミックス回路基板の基本構造例を示す図であり、図１（ａ）はセラミックス回路基板の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるA-A'線に沿う断面図である。
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、本実施の形態によるセラミックス回路基板１００は、セラミックス基板である窒化ケイ素基板３０と、窒化ケイ素基板３０に設けられた銅製の回路回路板２０と、Cu／Mo／Cuの３層のクラッド構造よりなる放熱板４０とからなり、放熱板４０と回路回路板２０はAg系の接合金属層６０により接合されている。
窒化ケイ素基板３０に設けられた銅製の回路回路板（以下、回路板と言う。）２０上には、この例では３個の半導体素子（MOSEFT）１０が、はんだ層５０により接合されており、はんだ層５０には、フラックス含有のペーストはんだ材が用いられる。また、回路板２０には、例えば温度検出用サーミスタ素子がはんだ(いずれも図示を省略)により接合されており、回路板２０はAl細線により補助端子へ接続されている。続いて、これらを樹脂パッケージに挿入して、半導体素子１０表面部を絶縁ゲルにより機密性を高め、製品形態のパワー半導体モジュール（パワーモジュール）となる。
本発明では、セラミックス回路基板１００は、Cu／Ｍｏ／Cuの３層構造のクラッド板よりなる放熱板(:熱膨張係数：8.9ppm/℃、熱伝導率：240W/m・K、厚さ：3ｍｍ、Cu厚さ：1.0ｍｍ、Mo厚さ：1.0ｍｍ、サイズ：42.4×85ｍｍ)４０と、この放熱板４０の一方の主面に対して、窒化ケイ素基板(熱膨張係数：3.0ppm/℃、熱伝導率：90W/m・K、厚さ：0.3mm、サイズ：42.4×85ｍｍ)30がAg系接合金属層60により接合されており、窒化ケイ素基板30の他方の主面に対して、CuまたはCu合金からなる回路板20が設けられている。例えば、接合金属層50は厚さが50μmに調整されており、回路回路板20は厚さ0.6mmに調整されている。
セラミックス回路基板１００における回路板20と放熱板40とに関しては、(a)熱伝導率の高い点、(b)セラミックス板（窒化ケイ素基板など）30との接合性に優れている点、(c)Ni、Sn、Ag、Au、Pt、Pd、Zn等のめっき層を湿式法で容易に形成できる点等が要求される。(a)は、半導体素子から放出された熱流がクラッド部材を垂直に伝達されるが、これに効率良く外部へ放出するために重要な意味を有する。
上述の回路板、放熱板一体化基板には、回路板20と放熱板40との表面金属層に、無電解湿式めっき工程によってNiめっき層が形成される。回路板20にNiめっき層を設ける理由は、半導体素子10をろう付けにより搭載する際の、はんだのぬれ性を確保するためと、回路板20のワイヤボンディング性を高めるためである。また、Niめっき層は、外気雰囲気から遮断して内部の変質を防ぐのに有効である。
本発明のセラミックス回路基板１００を製造することで、後続のパワー半導体モジュールの製作工程を簡略化することができる。すなわち、上記セラミックス回路基板１００においては、クラッド材から構成される放熱板40と絶縁基板を兼ねるセラミックス基板30とが接合金属層60により一体化されており、かつ、セラミックス基板30の半導体素子搭載面に回路板20が形成されている。従って、パワー半導体モジュールを製作する段階では、もう１つの主要部材である半導体素子10をはんだ付け搭載するだけでよい。
これにより、パワー半導体モジュールの組み立て段階で従来法より工数と部品点数とを削減することができ、パワー半導体モジュールの製造コストの低減に寄与する。尚、パワー半導体モジュールを完成させるためには、ワイヤボンディング工程、樹脂ケース取り付け工程、樹脂モールド工程などの工程を経る必要があるが、これらの工程に関しては従来の工程の場合と共通する。
ところで、本実施の形態によるセラミックス回路基板の利点は、回路板・放熱板・放熱ベース板70と、セラミックス基板30とを一体化した点のみでは留まらない。
本実施の形態によるセラミックス回路基板において重要な点の１つは、セラミックス基板(厚さ0.1〜0.9ｍｍ)30とともに回路板20の厚さが0.1〜1.0ｍｍに、接合金属層60の厚さが5μm以上に調整される点である。上限としては、好ましくは100μｍ程度である。回路板20はパワー半導体モジュールの主要な導電路としての役割を有する。仮に所定の電流を通電した場合に、配線金属板自体が自己発熱すると、半導体素子には配線による熱が半導体素子自体の発熱分に重畳され、パワー半導体モジュールにおける安全動作可能な電流領域が狭められる。従って、広い安全動作領域を確保するためには、回路板20は、抵抗を減らすために可能な限り厚く形成する必要がある。また、セラミックス基板30の放熱性を高めるためにも回路板20の厚さを可能な限り厚く形成する必要がある。
回路板20の厚さが薄い領域では、半導体素子10において発生した熱が横方向へ拡がりにくいため熱抵抗は高い値を示す。回路板20の厚さが厚くなるにつれて横方向拡がりの影響が増すため、熱抵抗は緩やかに低下する。回路板20の厚さがさらに厚くなると、回路板20自体の熱抵抗の縦方向成分が影響してくるため、熱抵抗は再び増加に転ずる。ここで、パワー半導体モジュールは電流容量400Aのものであり、その目標熱抵抗は、電気的安定動作を実現するため0.4℃/W以下に設定されている。これを満足する回路板20の厚さは0.1〜1.0mmの範囲である。
図２は、セラミックス回路基板についての反り量に関する放熱板（クラッド材）厚さ依存性を示すグラフである。放熱板（クラッド板）の総厚さと反り量との関係を示しており、縦軸にセラミックス回路基板の反り量を、横軸に放熱板（クラッド板）の総厚さを示している。
ここで、放熱板を構成するＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕの比について（□）、(◇)、（○）、（△）および（×）はそれぞれ、１：４：１、１：３：１、１：２：１、１：１：１および１：０：１の構成のセラミックス回路基板について、それぞれの反り量を測定した。ここで、回路配線板の厚さは0.6ｍｍ、セラミックス基板（窒化ケイ素基板）の厚さは0.3ｍｍ、セラミックス回路基板の寸法は50ｍｍ×50ｍｍである。
以上の測定の結果、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの比について、(◇)の１：３：１、（○）の１：２：１および（△）の１：１：１の構成において、総厚さが2mm以上におけるクラッド材の構成の場合の回路基板の反り量は±0.25ｍｍ（プラスの場合には上に凸、マイナスの場合は下に凸）に収まるものであった。
放熱板（クラッド板）厚さを2ｍｍ以上とした場合の反り量には変化がなく±250μｍの範囲を維持している。但し、厚さが8mm超となると、この構成によるセラミックス回路基板を用いた半導体モジュールを構成した場合には、モジュールの熱抵抗値が0.30W/℃を超となり、半導体素子の動作安定性に支障をきたす。したがって、放熱板（クラッド板）の総厚さは２．０〜８ｍｍから選定すると良い。
図２に示す反り量は、図１に示したセラミックス回路基板１００における反り量を示したもので、パワー半導体モジュールの実装上、長手方向に対して、±250μｍ以内であることが望ましい。これを満足する放熱板（クラッド板）の厚さは、2.0mm〜8.0mmであることが望ましい。クラッド板の厚さが、2.0ｍｍ未満では、セラミックス回路基板の反り量が大きくなり、また、8.0ｍｍ超では、クラッド材の剛性が増大するため、回路基板の反り量は、より低減されるものの、パワー半導体モジュール自身の熱抵抗が0.30W/℃を超となり、半導体素子の動作安定性に支障をきたす。このため、放熱板（クラッド板）の総厚さは、上記範囲に規定される。尚、このときの配線板の厚みは、0.1〜2ｍｍが用いられ、通常の0.1〜0.8ｍｍであれば上記の条件を満たすと考える。
図３に、セラミックス回路基板についての反り量に関するクラッド材を構成するCuおよびMoの厚さとの依存性を示すグラフである。
このグラフにおいて、（1）、（2）、（3）および（4）は、回路配線板の厚さ、窒化ケイ素基板の厚さ及び回路基板寸法を変えた場合を示し、ここで（1）は配線板厚さ：0.5ｍｍ、窒化ケイ素基板厚さ：0.6ｍｍ、基板寸法：50×50ｍｍである。以下同様に、（2）は1.0ｍｍ、0.6ｍｍおよび50×50ｍｍ、（3）は1.0ｍｍ、0.3ｍｍおよび50×50ｍｍ、（4）は0.5ｍｍ、0.3ｍｍおよび100×100ｍｍである。そして、放熱板の総厚みは（1）〜（4）共に３ｍｍとし、Ｍｏの厚みを0ｍｍ、1ｍｍ、2ｍｍと変化させ、Ｃｕの厚みは残り厚みを均等割したときのセラミックス回路基板の反り量を測定したものである。よって、縦軸にセラミックス回路基板の反り量を、横軸に放熱板（クラッド板）の中央部を構成するMo材の厚さを示している。
図３より、条件（1）の場合には、回路基板の反り量を±250μm以内に制御するためには、Mo厚さが1.2ｍｍ厚以上であることが望ましいことが分かる。以下、条件（2）の場合には、Mo厚みが1.0ｍｍ〜2.0ｍｍであること、条件（3）の場合には、Mo厚みが0.3ｍｍ〜1.2ｍｍであること、条件（4）の場合には、Ｍｏ厚みが1.2ｍｍ〜1.6ｍｍであることが良いことが分かった。Ｍｏ板材の厚さは構造上、また経験的に0.2〜4ｍｍの範囲で用いることができるが、以上のことより中でも１〜２ｍｍの範囲から選定することが望ましく、尚且つＣｕ板厚さ（1枚当り）よりも厚いことが必要である。例えば、Ｍｏ／Ｃｕの比は１以上４未満の範囲となすことが良いと考える。尚、上記はＭｏ材の代わりにＷ材を用いても同様のことが言える。
本実施の形態によるセラミックス回路基板１００を用いたパワー半導体モジュールの温度サイクル試験を行った場合の熱抵抗の推移を実際にパワー半導体モジュールを試作し評価した。パワー半導体モジュールは、上記の結果を反映させて、厚さ３ｍｍの放熱板（クラッド板）においてＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕの構成：０．６ｍｍ／１．８ｍｍ／０．６ｍｍ（Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ比：１：３：１）と、厚さ0.3 ｍｍの窒化ケイ素基板30と、厚さ0.5ｍｍの回路板20と、厚さ20μmの接合金属層60と、寸法が84.2×42.0により構成されたセラミックス回路基板１００上にMOSFET素子10を搭載したものである。本実施の形態によるパワーモジュールは、5000サイクルの温度サイクルを与えても初期値(0.2℃/W)と同等の熱抵抗値が維持されており、電機自動車およびハイブリッド車に搭載されるインバーター用のパワー半導体モジュールとしての適用信頼性を堅持していることが判明した。
一方、比較用のセラミックス回路基板を、図６に示す。この場合、セラミックス基板（窒化ケイ素基板）に金属回路板20および金属放熱板21を直接接合（DBC基板）あるいはろう付けにより接合し、これをエッチング等の工程を経て回路形成してセラミックス回路基板100を得て、金属回路板20に半導体素子１０を高融点のはんだにより予め接合し、続いて、金属放熱板21に対して放熱ベース板70を前者よりも低融点のはんだにて接合する工程を経て図６の構造を得た。尚、この場合、２回のはんだ接合処理が必要であり、プロセスが煩雑となる不具合がある。
図６に示すセラミックス回路基板を用いたパワー半導体モジュールの場合には、1000サイクルの温度サイクルにおいて熱抵抗（初期熱抵抗値：0.30W/℃）の増大が生じ始めた。比較用のパワーモジュールは、放熱ベース板７０が３ｍｍ、窒化ケイ素基板が0.3ｍｍ、回路板が0.6ｍｍの厚さおよび放熱板が0.5ｍｍの厚さにそれぞれ調整されている。ここで、放熱性に関する寿命を「初期熱抵抗の1.5倍に到達したときの温度サイクル数」と定義すると、比較試料の寿命は約2000サイクルであり、本実施の形態による試料の寿命は5000サイクル以上である。比較試料が早期に寿命に到達した原因は、セラミックス回路基板と放熱ベース板を固着する半田接合層が、冷熱繰り返しによる歪が発生し、疲労破壊することにより主要な放熱路が遮断されることに起因する。また、比較試料では、低熱膨張材である放熱ベース、回路回路板、窒化ケイ素基板、放熱金属板、接合金属層の厚さが適正に調整してあるが、特に、セラミックス回路基板と放熱ベース間のはんだ接合層には応力集中およびひずみが発生し、パワー半導体モジュールの低寿命化を招来する結果となった。
セラミックス回路基板１００に搭載されるセラミックス板30は、窒化ケイ素の他に窒化アルミニウム(AlN、熱伝導率: 170W/m・K、熱膨張係数: 4.3 ppm/℃)、アルミナ(Al2O3、熱伝導率: 20 W/m・K、 熱膨張係数: 7.2ppm/℃)を用いることも可能である。特に、金属回路厚さの増大による低熱抵抗化を期待する構造では、強度、靱性の機械特性に優れる窒化ケイ素を用いた場合が有効である。
次に、本発明の第２の実施の形態について説明を行う。図４は、本実施の形態によるセラミックス回路基板１０１についての模式的な平面図および断面図である。図４に示すように、本実施の形態によるセラミックス回路基板１０１は、セラミックス板30としての窒化ケイ素基板(84.2mm×40ｍｍ×0.3ｍｍ)と、放熱板としてのCu／Ｍｏ／Cuの３層構造のクラッド板よりなる放熱板(:熱膨張係数: 8.9ppm/℃、熱伝導率: 240W/m・K、厚さ：3ｍｍ、Cu／Ｍｏ／Cu構成は、０．６ｍｍ／１．８ｍｍ／０．６ｍｍ（Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ比：１：３：１）、サイズ: 42.4×85ｍｍ)４０と、窒化ケイ素基板30の他方の主面に対して、CuまたはCu合金からなる回路板20が接合金属層60を介して設けられている。例えば、接合金属層60は厚さが25μmに調整されており、金属回路板20は厚さ0.5mmに調整されている。
このクラッド材からなる放熱板を一体化したセラミックス回路基板１０１に、半導体素子10をはんだ付けにより搭載し、更に、このセラミックス回路基板の寸法は、例えば42.4ｍｍ×85ｍｍ×3ｍｍを有しているが、その周縁部に取り付け穴３５(例えば、直径:5.6ｍｍ)が設けられ、ここに締結部材（ボルトなど）を挿通して上記部材をねじ止めで直接冷却用のアルミ筐体等に固定することができる。
また、本実施の形態によるパワー半導体モジュールに関して、ネジの締め付けトルク50ｋｇのもとで締め付け試験を施した。この締め付け試験によるセラミックス回路基板１０１の機械的破損やパワー半導体モジュールの電気的機能に関する劣化は、実際に試験を行った試料(１０サンプル)のいずれにも認められなかった。
本発明のセラミックス回路基板を用いた、パワー半導体モジュールは、最終的に、例えば、電動機の回転数制御用インバータ装置に組み込まれる。インバータ装置及び電動機は、電気自動車の動力源として電気自動車に組み込むことができる。電気自動車においては、動力源から車輪に至る駆動機構を簡素化できるため、ギヤの噛込み比率の違いにより変速していた従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽減され、スムーズな走行が可能であり、振動や騒音も軽減することができる。
さらに、本発明のパワー半導体モジュールを組み込んだインバータ装置は、冷暖房機に組み込むこともできる。この際、従来の交流電動機を用いた場合に比べて高い効率を得ることができる。この点は、冷暖房機使用時の電力消費を低減するのに役立つ。また、室内の温度が運転開始から設定温度に到達するまでの時間を、従来の交流電動機を用いた場合より短縮することができる。
これらの装置に対し、パワー半導体モジュールを締結部材によって冷却用のアルミ筐体に直接固定することができるので小型且つ簡易な構造となる。
次に、本発明の第３の実施の形態によるセラミックス回路基板について説明を行う。図５に示すように、セラミックス板30としての窒化ケイ素基板(84×42×0.3ｍｍ)とCu/Mo/Cuの３層構造からなるクラッド材による放熱板40とを一体化したセラミックス回路基板１０２のその周縁部に取り付け穴３５ (直径:5.6mm)が設けられて、さらに、クラッド材の最下部にCu製あるいはMo製の棒状あるいは角状のフィンを取り付けた構造である。半導体素子10もはんだ付けで搭載した状態を示す。
冷却フィンの形成には、最下部の素材がCuである場合には、棒材あるいは板材からの切り出し加工、押出成形およびプレス加工がある。この内、押出加工およびプレス加工が連続成形が可能であり低コストの点から望ましい。また、接合法を採用する場合、すなわち、放熱板のクラッド材とCu製あるいはMo製の棒状あるいは角状のフィンの接合は、回路板、クラッド材およびセラミックス基板を接合する処理温度よりも150℃以上高くする必要がある。この場合、放熱板のクラッド材とCu製あるいはMo製の棒状あるいは角状のフィンの接合には、Ag-Cu系のろう材を使用し、接合温度を850℃〜900℃の範囲となる組成を選定することが望ましい。一方、回路板、クラッド材およびセラミックス基板の接合には、例えば、Ag-Cu-Ti系に活性金属にInを添加して、溶融温度を低下させたろう材を用いる。本発明では、前者の接合には、88wt%Ag-12wt%Cu組成を、後者の接合には、59.0wt%Ag-28wt%Cu-12wt%In-1.0wt%Ti組成のろう材を用いた。それぞれの接合条件は、880℃×20minおよび760℃×20minを採用した。
以上、図１〜図３に示す構成により、窒化ケイ素基板30と回路板２０間の接合界面および放熱板（クラッド板）40との接合界面における剥離耐量が向上する。本実施の形態によるセラミックス回路基板１０２に対して温度サイクル試験(−55〜150℃、5000サイクル、投人試料数:20個)を施したところ、放熱板40や金属回路板20の剥離は全く観察されていなかった。
以上に説明した構成を有するセラミックス回路基板を用いてパワー半導体モジュールを作製した。その結果、パワー半導体モジュールの性能は、第１の実施の形態によるパワー半導体モジュールと同等であることが確認された。また、前述した第１の実施の形態における温度サイクル試験と同様の温度サイクル試験を5000サイクルまで与えた場合においても、パワー半導体モジュールの熱抵抗は、初期値とほぼ同等の値を維持していることが確認された。このように本実施の形態によるパワー半導体モジュールによれば、信頼性に優れたパワー半導体モジュールを実現することができる。
また、本実施の形態によるパワー半導体モジュールに関して、ネジの締め付けトルク50ｋｇのもとで締め付け試験を施した。締め付け試験によるセラミックス回路基板１０２の機械的破損やパワー半導体モジュールの電気的機能に関する劣化は、図２に示した第２の形態の本発明と同様に、実際に試験を行った試料(１０サンプル)のいずれにも認められなかった。
本実施の形態によるパワー半導体モジュールは、実施例１および２と同様の各種の装置に組み込むことが可能であり、その際に、優れた性能と信頼が確認された。さらに、本実施例パワー半導体モジュールのセラミックス回路基板のそり量についても、±200μｍ(＋は回路板側が凸の場合、−は放熱板側が凸の場合である。)以内に制御することが可能で、極めて優れた平坦性を示すことがわかった。
更に、本実施の形態によるパワー半導体モジュールは、セラミックス回路基板１０２がＡｌ筐体に直接ネジ締めされ、なおかつ放熱板（クラッド板）の裏面に冷却フィンを直接設置した形態であり、これらの効果により、熱抵抗を従来構造の０．３℃／Wにから、０．１５℃／Wと５０％に低減することができ、半導体素子１０の動作安定性が充分に保証されたものとなる。
更に、本発明の半導体モジュールとAl筐体からなる冷却システム構造をより簡素化することができ、低コストのインバーター構造を構築することが可能となる。
以上、第１、第２および第３の発明の形態で、説明したように本実施の形態に示すセラミックス回路基板からなるパワー半導体モジュールを用いると、製造時又は運転時（動作時）に生ずる熱応力ないし熱ひずみが軽減し、各部材の変形、変質、破壊の可能性が減る。さらに、放熱性が優れるとともに冷熱繰り返しサイクルに対する信頼性が高く、低コストのパワー半導体モジュールを提供することができる。より具体的には、回路板の材質を銅又は銅合金とし、放熱板を回路板よりも熱膨張係数の小さいCuおよびMoあるいはWからなる３層構造のクラッド材を用いることにより、熱抵抗は電気的安定動作を実現するため0.4℃/W以下が達成でき、かつ反りの少ない優れた平坦性が確保できる。また、はんだによる接合部分の少数化の実現により、長期信頼性の確保が容易になり、かつ製造プロセスの簡略化も実現できる。これらのことから大幅なコストダウンを図ることができる。
特に冷熱の繰り返しサイクルが問題となる、ハイブリッド車、電機自動車および電車などに用いられるパワー半導体モジュール（パワーモジュール）用のセラミックス回路基板として有用である。
本発明の実施の形態によるパワー半導体モジュールの基本構造を示す平面及び断面模式図である。 本発明における放熱板（クラッド板）の厚さとセラミックス回路基板の反り量の関係を示すグラフである。 本発明における放熱板（クラッド板）を構成するCuおよびMoあるいはWの厚さとセラミックス回路基板の反り量の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態による取り付け穴部を有するセラミックス回路基板の基本構造を示す平面及び断面模式図である。 本発明の実施の形態による取り付け穴部およびクラッド部材底部に冷却フィンを設けたセラミックス回路基板の基本構造を示す平面及び断面模式図である。 従来のセラミックス回路基板の基本構造を示す平面及び断面模式図である。
符号の説明
１００：第１の発明によるセラミックス回路基板
１０１：第２の発明によるセラミックス回路基板
１０２：第２の発明によるセラミックス回路基板
１１０：比較例によるセラミックス回路基板
２００：パワー半導体モジュール
１０：半導体素子、MOS FET素子、IGBT素子
２０：金属回路板
２１：金属放熱板
３０：セラミックス基板（窒化ケイ素基板、窒化アルミニウム板、アルミナ板）
３５：ボルト取り付け穴
４０：放熱板（クラッド材）
５０：はんだ層（#1）
５１：はんだ層（#2）
６０：接合金属層
７０：放熱ベース板
８０：冷却フィン
９０：はんだレジスト

Claims (11)

  1. セラミックス基板の少なくとも一方の面に回路パターンを形成する回路回路板を、他方の面に放熱板を接合してなり、前記放熱板は、前記回路回路板に用いる金属板よりも低熱膨張であり、その構成がＣｕ又はＣｕ合金とＭｏ、Ｗ等の低熱膨張材を組み合わせて積層構造にしたクラッド金属板であることを特徴とするセラミックス回路基板。
  2. 前記回路回路板は、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成されることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス回路基板。
  3. 前記放熱板は、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層構造からなるクラッド材から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス回路基板。
  4. 前記放熱板は、Ｃｕ／Ｗ／Ｃｕの３層構造からなるクラッド材から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス回路基板。
  5. 前記回路回路板がＣｕ又はＣｕ合金で構成され、回路回路板の厚さが、０．１〜２ｍｍであり、前記放熱板のクラッド材の総厚さが２．０〜８ｍｍであることを特徴とする請求項３又は４に記載のセラミックス回路基板。
  6. 前記放熱板であるクラッド材を構成するＭｏあるいはＷの厚さが０．２〜４ｍｍであることを特徴とする請求項５に記載のセラミックス回路基板。
  7. 前記放熱板であるクラッド材を構成するＣｕの厚さと、ＭｏあるいはＷの厚さの比であるＭｏ／Ｃｕ比あるいはＷ／Ｃｕ比が1以上４未満であることを特徴とする請求項６に記載のセラミックス回路基板。
  8. 前記セラミックス基板は、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナの群から選択された少なくとも１種を含むセラミックス板により形成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のセラミックス回路基板。
  9. 前記セラミックス回路基板は、直接ボルト締め可能な締結穴を有することを特徴とする請求項１〜８に記載のセラミックス回路基板
  10. 前記セラミックス回路基板は、放熱板がＣｕ／Ｍｏ／ＣｕあるいはＣｕ／Ｗ／Ｃｕの３層構造であり、最下部のＣｕ部がフィン形状であることを特徴とする請求項１〜９に記載のセラミックス回路基板。
  11. 請求項１〜１０のいずれかに記載のセラミック回路基板を用いたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
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