JP2016181549A - ヒートシンク付きパワーモジュール用基板 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートシンクとの接合後の初期反りのみならず、使用環境においてもセラミックス基板の反りを低減することができ、接合信頼性の高いヒートシンク付きパワーモジュール用基板を提供する。【解決手段】ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａは、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が接合されるとともに、セラミックス基板１１の他方の面に放熱層１３を介してヒートシンクが接合されてなり、ヒートシンクの天板部３０Ａには、放熱層１３の少なくとも一部が収容される収容凹部３１が形成され、その収容凹部３１の底面には、放熱層１３の表面の周縁部１３ａに沿って凹溝部３３Ａが形成されており、放熱層１３の表面の周縁部１３ａが凹溝部３３Ａの幅Ｗの途中位置まで突出して設けられ、その周縁部１３ａを除く内側部分と収容凹部３１の底面の凹溝部３３Ａで囲まれた台座部３４Ａの表面とが接合されている。【選択図】 図１

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ヒートシンク付きパワーモジュール用基板に関する。

パワーモジュールには、一般に、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板の一方の面に回路層を形成する金属板が接合されるとともに、他方の面に放熱層を形成する金属板を介して放熱板（ヒートシンク）が接合されたヒートシンク付きパワーモジュール用基板が用いられ、このヒートシンク付きパワーモジュール用基板の回路層上にはんだ材を介してパワー素子等の半導体チップが搭載され、パワーモジュールが製造される。

例えば特許文献１には、ヒートシンクの天板部に、放熱層（金属層）の少なくとも一部が収容される収容凹部が形成され、放熱層の表面と収容凹部の底面とが接合されており、放熱層が天板部よりも変形抵抗の小さい金属で構成されたヒートシンク付きパワーモジュール用基板が提案されている。この特許文献１に記載のヒートシンク付きパワーモジュール用基板においては、放熱層の表面と収容凹部の底面とが接合されているので、絶縁基板の他方側に配置される放熱層及びヒートシンクの天板部の厚みを薄くすることができ、熱サイクルによる熱応力を低減できることが記載されている。また、絶縁基板とヒートシンクの天板部との間に位置する放熱層が、天板部よりも変形抵抗の小さい金属で構成されているので、ヒートシンクの天板部と放熱層とを接合する２次接合において熱応力が作用する場合に変形抵抗の小さな放熱層が変形することによって天板部の変形を抑えされることが記載されている。さらに、天板部が変形抵抗の大きな金属で構成されるので、ヒートシンク自体の剛性を確保することができることが記載されている。

特開２００８‐２７７６５４号公報

ところが、特許文献１に記載のヒートシンク付きパワーモジュール用基板のように、ヒートシンクの天板部に収容凹部を形成した場合には、放熱層の直下、すなわちセラミックス基板の直下のヒートシンクが薄く形成されるが、収容凹部よりも外周側の周縁部は厚く形成されていることから、その周縁部の剛性によって変形抵抗が大きくなり、使用時にセラミックス基板に負荷がかかることでセラミックス基板に割れを生じさせるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、使用時においてもセラミックス基板にかかる負荷を低減させることができ、セラミックス基板に割れが生じない、接合信頼性の高いヒートシンク付きパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。

本発明のヒートシンク付きパワーモジュール用基板は、
セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、前記セラミックス基板の他方の面に放熱層を介してヒートシンクが接合されてなり、
前記ヒートシンクの天板部には、前記放熱層の少なくとも一部が収容される収容凹部が形成され、
該収容凹部の底面には、前記放熱層の表面の周縁部に沿って凹溝部が形成されており、
前記放熱層の表面の前記周縁部が前記凹溝部の幅の途中位置まで突出して設けられ、該周縁部を除く内側部分と前記収容凹部の底面の前記凹溝部で囲まれた台座部の表面とが接合されている。

収容凹部の底面に凹溝部を形成したので、加熱時等において、その凹溝部の外周側の剛性の高い部分（天板部の周縁部分）によって、内側の台座部が受ける影響を低減することができる。これにより、加熱時等における台座部の変形抵抗を小さくできるので、セラミックス基板にかかる熱応力を低減させることができ、セラミックス基板に割れが生じることを防ぐことができる。また、放熱層の周縁部を凹溝部の幅の途中位置まで突出させ、その突出させた周縁部を除く内側部分を台座部に接合することにより、確実にセラミックス基板にかかる熱応力を低減することができる。
したがって、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合後の初期反りのみならず、使用環境においてもセラミックス基板の反りを低減することができ、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の接合信頼性を高めることができる。

本発明のヒートシンク付きパワーモジュール用基板において、
前記回路層と前記放熱層とは、同一の材料により同一の平面サイズに形成される。

回路層と放熱層とを、セラミックス基板を中心として対称構造としているので、加熱時等にセラミックス基板の両面に作用する応力に偏りが生じにくく、反りが発生しにくくなる。したがって、加熱時等にセラミックス基板にかかる熱応力を一層低減させることができ、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合後の初期反りのみならず、使用環境においてもセラミックス基板の反りを低減することができ、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の接合信頼性を高めることができる。

本発明のヒートシンク付きパワーモジュール用基板において、
前記回路層は、前記セラミックス基板に接合された第一金属層と、該第一金属層よりも平面サイズが小さく形成され前記セラミックス基板とは反対の面の中央部に接合された第二金属層とを有し
前記放熱層は、前記第一金属層と同一の材料により同一の平面サイズに形成され、
前記天板部は、前記第二金属層と同一の材料により形成され、前記台座部の表面が前記第二金属層と同一の平面サイズに形成されている。

回路層を第一金属層と第二金属層との積層構造とし、放熱層と第一金属層及びヒートシンクの天板部と第二金属層によりセラミックス基板を中心として対称構造が形成されるので、加熱時等にセラミックス基板の両面に作用する応力に偏りが生じにくく、反りが発生しにくくなる。したがって、加熱時等にセラミックス基板にかかる熱応力を低減させることができ、割れが生じることを防ぐことができ、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合後の初期反りのみならず、使用環境においてもセラミックス基板の反りを低減することができ、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の接合信頼性を高めることができる。

本発明によれば、使用環境においてもセラミックス基板にかかる熱応力を低減させることができ、セラミックス基板に割れが生じないヒートシンク付きパワーモジュール用基板を提供することができる。さらに、セラミックス基板を中心として対称構造が形成されることによって、ヒートシンクとの接合後の初期反りのみならず、使用環境においてもセラミックス基板の反りを低減することができ、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の接合信頼性を高めることができる。

本発明のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の第１実施形態を示す断面図である。 図１に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの断面図である。 図１に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法を工程毎に示す断面図である。 本発明の第２実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板を示す断面図である。 ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の解析モデルを説明する図であり、（ａ）が実施例、（ｂ）が比較例、（ｃ）が従来例を示す。 ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の解析モデルを説明する図であり、（ａ）が実施例、（ｃ）が従来例を示す。 ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造に用いる加圧装置の正面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１に本発明の第１実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａを示す。また、図２に本発明の第１実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａを用いたパワーモジュール１００示す。このパワーモジュール１００は、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａと、このヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａに接合された半導体素子６０と、外部接続用リードフレーム７０とを備え、半導体素子６０とヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａとが樹脂モールド４０により樹脂封止されたものである。

そして、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａは、図１に示すように、ヒートシンクの天板部３０Ａに、パワーモジュール用基板１５が接合されたものである。また、パワーモジュール用基板１５は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面にろう付けにより接合された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面にろう付けにより接合された放熱層１３とを備える。

セラミックス基板１１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用いることができる。また、セラミックス基板１１の厚みは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定することができる。本実施形態においては、セラミックス基板１１はＳｉ_３Ｎ_４により形成され、その厚みは０．３２ｍｍとされる。

回路層１２は、例えば純アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、厚みが０．１ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内に設定される板材を、セラミックス基板１１に接合することにより形成される。本実施形態においては、回路層１２は、純度９９．９９質量％以上で、ＪＩＳ規格では１Ｎ９９（純度９９，９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）の厚み０．６ｍｍのアルミニウム板により形成され、セラミックス基板１１にろう付けされている。

放熱層１３は、回路層１２と同一材料により形成され、また回路層１２と同一（ほぼ同じの意味）の平面サイズ、厚みに形成される。本実施形態においては、放熱層１３は、回路層１２と同一の純度９９．９９質量％以上の厚み０．６ｍｍに形成されたアルミニウム板を、セラミックス基板１１にろう付けすることにより形成される。

また、このパワーモジュール用基板１５に接合されるヒートシンクは、Ａ３００３系等のアルミニウム合金からなる板材により形成される。そして、放熱層１３に接合されるヒートシンクの天板部３０Ａに、放熱層１３の少なくとも一部が収容される収容凹部３１が形成され、収容凹部３１の外周側に厚肉部分が残されることによりフランジ部３２が形成されている。また、収容凹部３１の底面には、放熱層１３の表面の周縁部１３ａに沿って凹溝部３３Ａが形成され、収容凹部３１の底面において凹溝部３３Ａで囲まれた台座部３４Ａが形成されている。そして、この台座部３４Ａの表面と、放熱層１３の表面の周縁部１３ａを除く内側部分とがろう付けされることにより、パワーモジュール用基板１５とヒートシンクの天板部３０Ａとが接合されている。

また、凹溝部３３Ａは、図１に示すように、放熱層１３の周縁部１３ａの直下に一定の幅Ｗを有して形成されており、放熱層１３の周縁部１３ａよりも内側にかかってその周縁部１３ａよりも外側まで、すなわち放熱層１３の周縁部１３ａに跨って形成されるように幅Ｗを有して形成されている。これにより、放熱層１３の周縁部１３ａが凹溝部３３Ａの幅Ｗの途中位置まで突出して配置され、その周縁部１３ａを除く内側部分と台座部３４Ａの表面とが接合される。

このように、天板部３０Ａは、収容凹部３１の底面部分の厚み（厚みｔ１）がフランジ部３２よりも薄く形成され、さらにその収容凹部３１の底面に凹溝部３３Ａを設けて、さらに板厚を薄くした部分（厚みｔ２）が設けられる。本実施形態においては、天板部３０ＡがＡ３００３系アルミニウム合金からなる総厚４．０ｍｍの板材により形成され、フランジ部３２が厚みｔ０が４．０ｍｍ、収容凹部３１の底面の厚みｔ１が１．２ｍｍ、凹溝部３３Ａの厚みｔ２が０．６ｍｍに形成されている。

そして、このヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａを構成するパワーモジュール用基板１５の回路層１２の表面に、図２に示すように半導体素子６０がはんだ付けされ、この半導体素子６０や回路層１２に外部接続用リードフレーム７０が接続される。そして、半導体素子６０とヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａとが樹脂封止されることにより一体化されており、外部接続用リードフレーム７０は、その一部が樹脂モールド４０の外部へと突出するように設けられる。

なお、半導体素子６０は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子が選択される。そして、半導体素子６０を接合するはんだ材は、例えばＳｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされる。
また、外部接続用リードフレーム７０は、例えば銅又は銅合金により形成され、超音波接合やはんだ付け等により接続される。
モールド樹脂４０は、例えばＳｉＯ_２フィラー入りのエポキシ系樹脂等を用いることができ、例えばトランスファーモールドにより成形される。

次に、このように構成されるヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａを製造する方法について一例を説明する。
まず、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２を積層し、他方の面に放熱層１３を積層して、これらを一体に接合する。これらの接合には、Ａｌ‐Ｓｉ系等の合金のろう材（図示略）が用いられ、例えばろう材箔２５を介してセラミックス基板１１と回路層１２及び放熱層１３とをそれぞれ積層し、この積層体を図７に示す加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧した状態とする。

この図７に示す加圧装置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、真空雰囲気下で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０．６８ＭＰａ（７ｋｇｆ／ｃｍ^２）、加熱温度としては例えば６４０℃とされる。

そして、図３（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２及び放熱層１３とが接合されたパワーモジュール用基板１５に、ヒートシンクの天板部３０Ａを接合する。まず、パワーモジュール用基板１５の放熱層１３にろう材２６を介してヒートシンクの天板部３０Ａを積層する。そして、これらの積層体を、図７と同様の加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧した状態で、加圧装置１１０ごと真空雰囲気下又は不活性雰囲気下で加熱して、放熱層１３及ヒートシンクの天板部３０Ａをろう付けする。この場合のろう材２６としては、例えば、Ａ３００３系アルミニウム合金からなる芯材の両面にＡｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系のろう材層が形成された両面ろうクラッド材を用いるとよく、この両面ろうクラッド材を用いたフラックスレスろう付け法により、パワーモジュール用基板１５の放熱層１３とヒートシンクの天板部３０Ａとを接合する。この場合、例えば０．００１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下に加圧し、窒素等の不活性雰囲気下で接合温度５５９℃以上６２５℃以下で加熱することにより、放熱層１３と天板部３０Ａとが接合され、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａが得られる。

そして、このようにして製造されたヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａの回路層１２に、半導体素子６０をはんだ付け（ダイボンド）する。また、この半導体素子６０及び回路層１２に外部接続用リードフレーム７０を超音波接合や、はんだ付け等の方法により接続した後、半導体素子６０と放熱板付パワーモジュール用基板１０Ａとを、樹脂モールド４０によるトランスファーモールド成形により樹脂封止する。

上記のようにして製造される第１実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａでは、ヒートシンクの天板部３０Ａに収容凹部３１を設けるとともに、その収容凹部３１の底面に凹溝部３３Ａを形成したので、加熱時等において、その凹溝部３３Ａの外周側の剛性の高いフランジ部３２によって、内側の台座部３４Ａが受ける影響を低減することができる。これにより、加熱時等における台座部３４Ａの変形抵抗を小さくできるので、セラミックス基板１１にかかる熱応力を低減させることができ、セラミックス基板１１に割れが生じることを防ぐことができる。また、放熱層１３の周縁部１３ａを凹溝部３３Ａの幅Ｗの途中位置まで突出させ、その突出させた周縁部１３ａを除く内側部分を天板部３０Ａの台座部３４Ａに接合することにより、確実にセラミックス基板１１にかかる熱応力を低減することができる。

図４は、本発明の第２実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０Ａを示している。
この図４に示す第２実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０Ａは、回路層１２が、セラミックス基板１１に接合された第一金属層１７と、この第一金属層１７に接合された第二金属層１８とを有する積層構造とされる。そして、第二金属層１８は、第一金属層１７よりも平面サイズが小さく形成され、第一金属層１７のセラミックス基板１１とは反対の面の中央部に接合される。

放熱層１３は、回路層１２の第一金属層１７と同一の材料により同一の平面サイズに形成される。また、ヒートシンクの天板部３０Ａは、第二金属層１８と同一の材料により形成され、台座部３４Ａの表面が第二金属層１８の表面と同一の平面サイズに形成される。
そして、回路層１２の第一金属層１７の厚みと放熱層１３との厚みとが同一の厚みに設定され、回路層１２の第二金属層１８の厚みと天板部３０Ａの台座部３４Ａの厚みとが同一の厚みに設定されており、セラミックス基板１１を中心とした対称構造を構成している。

具体的には、セラミックス基板１１はＳｉ_３Ｎ_４により形成され、その厚みは０．３２ｍｍとされる。回路層１２を構成する第一金属層１７と放熱層１３とは、いずれも純度９９．９９質量％以上で、ＪＩＳ規格では１Ｎ９９（純度９９，９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）の厚み０．６ｍｍのアルミニウム板により形成され、セラミックス基板１１にろう付けされている。また、第二金属層１８は、Ａ３００３系のアルミニウム合金からなる厚み１．２ｍｍの板材により形成される。そして、ヒートシンクの天板部３０Ａは、Ａ３００３系アルミニウム合金からなる総厚４．０ｍｍの板材により形成され、フランジ部３２が厚みｔ０が４．０ｍｍ、収容凹部３１の底面の厚みｔ１が１．２ｍｍ、凹溝部３３Ａの厚みｔ２が０．６ｍｍに形成されている。なお、図４に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０Ａにあっては、フランジ部３２の表面と、回路層１２の表面とがほぼ同じ高さに配置されている。

このように、第２実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０Ａでは、回路層１２を第一金属層１７と第二金属層１８との積層構造とし、放熱層１３と第一金属層１７、及びヒートシンクの天板部３０Ａと第二金属層１８により、セラミックス基板１１を中心として対称構造が形成されるので、加熱時等にセラミックス基板１１の両側に作用する応力に偏りが生じにくく、反り等の変形を発生しにくくすることができる。したがって、各層の積層時における初期反りのみならず、半導体素子の実装工程時や使用環境においても反りの発生を抑制することができ、良好な放熱性を発揮させることができる。

なお、第２実施形態では、回路層１２に使用する金属板の組合せを、第一金属層１７は純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）で、第二金属層１８はＡ３００３系アルミニウム合金とする組合せで使用され、これら第一金属層１７と第二金属層１８に対称となるように、放熱層１３とヒートシンクの天板部３０Ａを、それぞれ第一金属層１７と第二金属層１８と同一の材料により形成していたが、本発明の構成はこの組合せに限定するものではない。例えば、第一金属層１７と放熱層１３とを純度９９．９９質量％以上のアルミニウムにより形成し、第二金属層１８とヒートシンクの天板部３０Ａとを、Ａ６０６３系等の他のアルミニウム合金や、純度９９．９６質量％以上の銅（無酸素銅）、純度９９．９０質量％以上の銅（タフピッチ銅）、三菱伸銅株式会社製のＺＣ合金（Ｃｕ９９．９８質量％−Ｚｒ０．０２質量％）等の金属板により形成し、これらを組合せることとしてもよい。
なお、第二金属層１８とヒートシンクの天板部３０Ａとを、銅又は銅合金で形成した場合には、第一金属層１７と第二金属層１８、放熱層１３とヒートシンクの天板部３０Ａとの接合方法は、固相拡散接合により接合可能である。

以上のいずれの組合せにおいても、上記の第１実施形態及び第２実施形態で示したように、ヒートシンクの天板部３０Ａに収容凹部３１を形成するとともに、その収容凹部３１の底面に凹溝部３３Ａを形成することで、加熱時等において、その凹溝部３３Ａの外周側の剛性の高いフランジ部３２によって、内側の台座部３４Ａが受ける影響を低減することができる。このため、加熱時等における台座部３４Ａの変形抵抗を小さくでき、セラミックス基板１１にかかる熱応力を低減させることができ、セラミックス基板１１に割れが生じることを防ぐことができる。また、放熱層１３の周縁部１３ａを凹溝部３３Ａの幅Ｗの途中位置まで突出させ、その突出させた周縁部１３ａを除く内側部分を台座部３４Ａに接合することにより、確実にセラミックス基板１１にかかる熱応力を低減することができる。
なお、ヒートシンクとしては、平板状のもの、熱間鍛造等によって多数のピン状フィンを一体に形成したもの、押出し成形によって相互に平行な帯状フィンを一体に形成したもの等、適宜の形状のものを採用することができる。

次に、本発明の効果を確認するために行った解析結果について説明する。
図５（ｃ）及び図６（ｂ）に示すような、凹溝部を有しないヒートシンクの天板部３０Ｃにより形成された従来のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ｃ，２０Ｃにおいては、収容凹部３１を形成し、放熱層１３の直下の収容凹部３１部分の厚みｔ１をフランジ部３２の厚みｔ０よりも薄く形成した場合であっても、使用時においてフランジ部３２の剛性の影響を大きく受ける。このため、使用時における変形抵抗が大きくなり、セラミックス基板１１に負荷がかかる。

そこで、図５（ａ）〜（ｃ）に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａ〜１０Ｃの解析モデルと、図６（ａ），（ｂ）に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０Ａ，２０Ｃの解析モデルを用いて、収容凹部３１に凹溝部３３Ａ，３３Ｂを形成した場合と、凹溝部を形成しない場合とについて、使用時に生じる応力の違いを確認する解析を行った。

なお、図５（ａ）〜（ｃ）は、各ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａ〜１０Ｃを構成するパワーモジュール用基板１５の回路層１２を一層で形成した第１実施形態に対応する解析モデルである。また、図６（ａ），（ｂ）は、各ヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０Ａ，２０Ｃを構成するパワーモジュール用基板１６の回路層１２を第一金属層１７と第二金属層１８との積層構造により形成した第２実施形態に対応する解析モデルである。

図５（ａ）及び図６（ａ）は、放熱層１３の周縁部１３ａを跨いで、すなわち放熱層１３の直下に凹溝部３３Ａを形成し、周縁部１３ａを凹溝部３３Ａの幅の途中位置まで突出させた本発明の実施例のモデルである。図５（ｂ）は、放熱層１３の周縁部１３ａを突出させることなく、周縁部１３ａ位置からその外周側にかけて凹溝部３３Ｂを形成した比較例の解析モデルである。また、図５（ｃ）及び図６（ｂ）は、凹溝部を有しない従来例の解析モデルである。
各解析モデルの条件は、以下のように設定した。

〔解析モデル条件〕
１．回路層及び第一金属層、放熱層；純アルミニウム（純度９９．９９質量％）
平面サイズ；７０ｍｍ×７０ｍｍ
厚み；０．６ｍｍ
２．セラミックス基板；Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）
平面サイズ；７２ｍｍ×７２ｍｍ
厚み；０．３２ｍｍ
３．第二金属層；Ａ３００３系アルミニウム合金
平面サイズ；６６ｍｍ×６６ｍｍ
厚み；１．２ｍｍ
４．ヒートシンクの天板部；Ａ３００３系アルミニウム合金
平面サイズ；８０ｍｍ×１００ｍｍ
総厚（フランジ部の厚みｔ０）；４．０ｍｍ
収容凹部の厚みｔ１；１．２ｍｍ
凹溝部の厚みｔ２；０．６ｍｍ
５．放熱層と台座部との接合領域の大きさ
実施例（図５（ａ），図６（ａ））；６６ｍｍ×６６ｍｍ
比較例（図５（ｂ））；７０ｍｍ×７０ｍｍ
従来例（図５（ｂ），図６（ｃ））；７０ｍｍ×７０ｍｍ

これらの各解析モデルについて、半導体素子の実装工程での加熱温度に近い３００℃まで加熱した場合に、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板に生じる変形、及びセラミックス基板１１の一方の面（回路層側の表面）と多方の面（放熱層側の表面）に生じる応力を解析した。解析結果を表１に示す。なお、各解析モデルの解析は、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の平面視で図形中心を通る直交に直線で四等分した一つの領域について行った。

表１の結果からわかるように、天板部に凹溝部３３Ａ，３３Ｂを形成することにより、凹溝部を形成しない場合と比較して解析モデルに生じる最大主応力を低減することができる。また、図５（ｂ）に示す比較例の解析モデルのように、放熱層１３の直下にかからないように、放熱層１３の周縁部１３ａ位置からその外周側にかけて凹溝部３３Ｂを形成した場合と比べ、図５（ａ）に示す実施例の解析モデルのように、放熱層１３の周縁部１３ａの直下に凹溝部３３Ａを形成し、周縁部１３ａを凹溝部３３Ａの幅の途中位置まで突出させて、周縁部１３ａを除く内側部分と台座部３４Ａの表面とを接合した場合は、最大主応力を大幅に低減させることができた。
さらに、図６（ａ），（ｂ）に示す解析モデルのように、回路層１２を第一金属層１７と第二金属層１８との積層構造し、セラミックス基板１１を中心として対称構造を形成することにより、さらに最大主応力を低減させることができることが確認できた。
このように、ヒートシンクの天板部３０Ａに収容凹部３１を形成するとともに、その収容凹部３１の底面に凹溝部３３Ａを形成することで、セラミックス基板の反りを低減することができる。

１０Ａ〜１０Ｃ ヒートシンク付きパワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 放熱層
１５，１６ パワーモジュール用基板
１７ 第一金属層
１８ 第二金属層
２０Ａ，２０Ｂ ヒートシンク付きパワーモジュール用基板
３０Ａ〜３０Ｃ ヒートシンクの天板部
３１ 収容凹部
３２ フランジ部
３３Ａ，３３Ｂ 凹溝部
３４Ａ，３４Ｂ 台座部
４０ モールド樹脂
６０ 半導体素子
７０ 外部接続用リードフレーム

Claims (3)

1. セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、前記セラミックス基板の他方の面に放熱層を介してヒートシンクが接合されてなり、
   前記ヒートシンクの天板部には、前記放熱層の少なくとも一部が収容される収容凹部が形成され、
   該収容凹部の底面には、前記放熱層の表面の周縁部に沿って凹溝部が形成されており、
   前記放熱層の表面の前記周縁部が前記凹溝部の幅の途中位置まで突出して設けられ、該周縁部を除く内側部分と前記収容凹部の底面の前記凹溝部で囲まれた台座部の表面とが接合されているヒートシンク付きパワーモジュール用基板。
2. 前記回路層と前記放熱層とは、同一の材料により同一の平面サイズに形成される請求項１に記載のヒートシンク付きパワーモジュール用基板。
3. 前記回路層は、前記セラミックス基板に接合された第一金属層と、該第一金属層よりも平面サイズが小さく形成され前記セラミックス基板とは反対の面の中央部に接合された第二金属層とを有し
   前記放熱層は、前記第一金属層と同一の材料により同一の平面サイズに形成され、
   前記天板部は、前記第二金属層と同一の材料により形成され、前記台座部の表面が前記第二金属層と同一の平面サイズに形成されている請求項１に記載のヒートシンク付きパワーモジュール用基板。

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