JPH06302721A - 高電力半導体モジュール用基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 製造の容易性、量産性、経済性などに優れて
いる高電力半導体モジュール用基板およびその製造方法
を提供する。 【構成】 ベース金属板の少なくとも一方の面に、セラ
ミックス層、流動開始温度が２００℃以上の耐熱性熱可
塑性樹脂層、セラミックス層、および回路形成用金属板
が順次積層形成されていることを特徴とする高電力半導
体モジュール用基板と、少なくとも一方の面に溶射によ
りセラミックス層を設けたベース金属板と、少なくとも
一方の面に溶射によりセラミックス層を設けた回路形成
用金属板とを、双方のセラミックス層間に流動開始温度
が２００℃以上の耐熱性熱可塑性樹脂製フイルムを介し
て積層し、これを減圧下で熱圧着させて一体化すること
を特徴とする製造方法。 【効果】 従来のダイレクトボンドカッパー基板と同等
の性能を有し、従来のダイレクトボンドカッパー基板の
製造において要求される厳密なファインコントロールを
必要とせず、製造が簡単で量産性に優れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子機器分野で使用さ
れる高電力半導体モジュール用基板に関し、製造の容易
性、量産性、経済性などに優れている高電力半導体モジ
ュール用基板およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、高電力半導体モジュール用基板に
は、搭載する素子の放熱性と耐電圧性に優れていること
が要求されるため、セラミックス板にモリブデンをメタ
ライズし、このモリブデン層にニッケルメッキを施した
基板が用いられている。この基板の場合、半導体素子の
シリコンチップとの熱膨張差を調整するモリブデンスペ
ーサと銅の熱拡散板を必要とし、構造、部品の実装工程
とも複雑であった。それらの問題点を解決する基板とし
て、最近、ダイレクトボンドカッパー基板が開発され、
高電力半導体モジュール用基板として普及しはじめてい
る。

【０００３】このダイレクトボンドカッパー基板とは、
図３に示す如くアルミナなどからなるセラミックス板１
０に銅板１１を直接接合した基板である。このダイレク
トボンドカッパー基板の製造は、まず、銅板を所定の形
状に打ち抜き、セラミックス板の両面に配置し、窒素雰
囲気中にて約１０６５〜１０８３℃の温度で熱処理する
ことにより製造される。上記製法では、その熱処理時
に、酸素を０. ００８〜０. ３９重量％にコントロール
することによって銅板面にＣｕ−Ｏ共晶液相を生成さ
せ、これがセラミックス板の表面を濡らして、銅板をセ
ラミックス板の表面に接合させるものである。このよう
にして得られたダイレクトボンドカッパー基板は、従来
のセラミックス板にモリブデンをメタライズし、このモ
リブデン層にニッケルメッキを施した基板と比較して、
熱伝導を阻害する層が存在しないため、高い放熱性を有
すると共に、部品の実装時の工程が簡略化できるという
特徴がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のダイレクトボン
ドカッパー基板の場合、従来のモリブテンメタライズ法
適用の基板と比較して、基板およびモジュール構造の単
純化に伴い部品の実装工程は簡略化された。しかし、ダ
イレクトボンドカッパー基板の製造工程は複雑であり、
かつ銅板とセラミックス板の接合界面に接合剤の役割を
果たすＣｕ−Ｏ共晶液相を生成させるため、酸素量、温
度等を窒素雰囲気下でファインコントロールする必要が
あり製造条件が厳しい。ダイレクトボンドカッパー基板
としては、均質な銅板の接合だけでなく、銅表面が優れ
た導電性、熱伝導性、ハンダ付け性、ワイヤボンディン
グ性など金属銅本来の特性を保持していることが要求さ
れる。

【０００５】即ち、銅板とセラミックス板の接合界面に
は接合剤の役割を果たすＣｕ−Ｏ共晶生成物が必要であ
るが、メッキや部品が実装される銅回路板の表面は金属
銅の状態を保持していなければならないものである。こ
のため銅板とセラミックス板の接合においては、理論的
なＣｕ−Ｏ共晶生成条件の範囲よりも更に狭い範囲の条
件下で接合させることが要求される。しかも僅かなプロ
セス条件の変動も、銅板の未接合または溶融を発生さ
せ、品質に大きな影響を与えるため生産性に問題があ
る。本発明は、上述の如き問題に鑑み、高電力半導体モ
ジュール用基板で求められる特性を損なうことなく、ダ
イレクトボンドカッパー基板に見られた製造の難しさを
解決する高電力半導体モジュール用基板の構造およびそ
の製造方法を探究した結果、本発明に至ったものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明の高電力半
導体モジュール用基板は、図１に示すようにベース金属
板１の少なくとも一方の面に、セラミックス層２、流動
開始温度が２００℃以上の耐熱性熱可塑性樹脂層３、セ
ラミックス層４、および回路形成用金属板５が順次積層
形成されていることを特徴とするものである。また、本
発明の高電力半導体モジュール用基板の製造方法は、少
なくとも一方の面に溶射によりセラミックス層２を設け
たベース金属板１と、少なくとも一方の面に溶射により
セラミックス層４を設けた回路形成用金属板５とを、双
方のセラミックス層２、４間に流動開始温度が２００℃
以上の耐熱性熱可塑性樹脂製フイルム３を配して積層
し、これを減圧下で熱圧着させて一体化することを特徴
とするものである。

【０００７】本発明の高電力半導体モジュール用基板の
製造方法において使用するベース金属板１としては、特
に限定されるものでなく、例えば銅板、鉄板、アルミニ
ウム板、インバー合金板またはこれらの金属板にニッケ
ルなどのメッキを施した金属板、銅クラッド板などが使
用できる。なお、必要に応じてベース金属板１にヒート
シンク用の銅板をハンダ付けしても良い。本発明の高電
力半導体モジュール用基板の製造方法において使用する
回路形成用金属板５としては、０. ２ｍｍ以上の厚さの
銅板、銅合金板、銅クラッド板、およびインバー合金板
などが用いられる。なお、０. ２ｍｍ未満の薄いもの
は、ハンドリング性が非常に悪く、僅かに曲げられただ
けでその片面に設けられたセラミッス層にクラックが入
り易く、絶縁性能が低下するようになり好ましくない。
なお、回路形成用金属板５のセラミッス層４が設けられ
る側と反対側の銅面には、部品のハンダ付け実装やアル
ミまたは金ワイヤボンデングを容易ならしめるために
銅、ニッケル、あるいは金などによるメッキを施すと良
い。

【０００８】本発明において、ベース金属板１および回
路形成用金属板５に溶射により設けるセラミックスの種
類は、特に限定されないが、アルミナやアルミナとシリ
カを混合したものは比較的に熱伝導性が高く、電気絶縁
性に優れ、低コストなので好ましいものである。また、
ベース金属板１にセラミックス層２を、また、回路形成
用金属板５にセラミックス層４を形成させる溶射方法と
しては、一般的なガス式のフレーム溶射法や電気式のプ
ラズマ溶射法などが適用できる。なお、セラミックスの
溶射に際しては、得られるセラミックス溶射皮膜の密着
力を強固にするために、予め、ベース金属板１および回
路形成用金属板５に脱脂やブラストなどの粗面化処理を
施したり、１００〜２００℃に予熱することは有効であ
る。また、ニッケル−アルミニウム、ニッケル−クロ
ム、モリブデンなどを薄く溶射した上に、セラミックス
を溶射するボンデングコート法も得られるセラミックス
溶射皮膜の密着力の向上に有効な方法である。溶射によ
るセラミックス層の厚さは、目的とするモジュールの定
格電圧や熱抵抗より変わるが、一般には０. １〜０. ５
ｍｍ程度が均一な皮膜形成と密着性の点で好ましい。

【０００９】本発明の高電力半導体モジュール用基板の
製造方法において、セラミックス層２付きのベース金属
板１と、セラミックス層４付きの回路形成用金属板５を
接合するために用いる耐熱性熱可塑性樹脂フイルム３
を、流動開始温度が２００℃以上の耐熱性熱可塑性樹脂
フイルムとしたのは、熱圧着時の製造容易性と部品実装
時のハンダ耐熱性の点からであり、ガラス転移点が１４
０℃以上のものを用いるのが望ましい。好ましいものを
挙げると、例えば、ポリエーテルエーテルケトン、ポリ
サルフォン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフ
ォン、ポリフェニレンサルファイドなどある。

【００１０】本発明の高電力半導体モジュール用基板の
製造方法は、少なくとも一方の面に溶射によりセラミッ
クス層２を設けたベース金属板１と、一方の面に溶射に
よりセラミックス層４を設けた回路形成用金属板５と
を、双方のセラミックス層２、４間に流動開始温度が２
００℃以上の耐熱性熱可塑性樹脂製フイルム３を配して
積層し、これを減圧下で前記耐熱性熱可塑性樹脂製フイ
ルム３の流動開始温度付近で熱圧着させて一体化するも
のである。ここで、減圧下で熱圧着させると規定したの
は、ベース金属板１および回路形成用金属板５上の溶射
により設けたセラミックス層２およびセラミックス層４
には気孔が多く存在するため、常圧下で熱圧着させると
セラミックス層中に気孔が残留し、耐電圧特性の低下
と、耐熱性熱可塑性樹脂製フイルム３との界面での剥離
を引き起こすが、減圧下で熱圧着させると流動化した耐
熱性熱可塑性樹脂製フイルムが前記セラミックス層中の
気孔を塞ぐと共に投錨効果により接着力を向上させるか
らである。

【００１１】

【作用】本発明の高電力半導体モジュール用基板は、ベ
ース金属板１と回路形成用金属板５に、一般的な溶射法
によりセラミックス層を形成し、両者のセラミックス層
２、４間に耐熱性熱可塑性樹脂製フイルム３を介在さ
せ、これを減圧下で熱圧着させて一体化する方法で作れ
るため、ダイレクトボンドカッパー基板の製造に見られ
たようなファインコントロールを必要とせず、製造が容
易で量産性に優れている。また、基板は前記耐熱性熱可
塑性樹脂製フイルム３がベース金属板１と回路形成用金
属板５上のセラミックス層中の気孔を塞ぐことにより高
い耐電圧特性と、投錨効果により高い接着力を保持して
いる。以下に本発明の実施例を挙げて説明する。

【００１２】

【実施例】

実施例１ ベース金属板として、２. ０ｍｍの銅板を用い、その表
面をサンドブラスト処理して粗化し、クロロセンで脱脂
し、酸洗い、湯洗した後、約１５０℃に予熱し、これに
９８％アルミナ粒子を３０ＫＷの条件で厚さ０. １ｍｍ
になるようにプラズマ溶射した。次に、回路形成用金属
板として、０. ２ｍｍの銅板を用い、溶射する方の面を
約６０℃の塩化第２銅水溶液でソフトエッチングした
後、約１５０℃に予熱し、これに９８％アルミナ粒子を
３０ＫＷの条件で厚さ０. １ｍｍになるようにプラズマ
溶射した。次に、前記アルミナを溶射したベース銅板と
前記アルミナを溶射した回路形成用銅板の双方のアルミ
ナ層間に耐熱性熱可塑性樹脂製フイルムとして、厚さ７
５μｍのポリエーテルイミドフイルムを挟み、これを真
空式ホットコールドプレスにて、真空度１４Ｔｏｒｒ、
圧力４. ９ＭＰａ、温度３００℃の条件で熱圧着した。
作製した基板について、放熱性の尺度となる熱抵抗と、
耐電圧性の尺度となる温度８５℃、相対湿度８５％環境
下で１２５０ＶＤＣ課電による１０００時間絶縁耐久性
と、接着性の尺度となる２６０℃のハンダ浴に２０秒間
浸漬して層間剥離の発生の有無を調べた。評価結果を表
１に示す。

【００１３】なお、それぞれの評価試験は下記の如く行
った。 〔熱抵抗〕４０ｍｍ×３０ｍｍサイズに切断した基板上
にパワートランジスタ２ＳＣ２２３３をハンダ付けし、
放熱ブロック上に放熱用グリースを介して取り付け、ト
ランジスタに通電し、その消費電力（Ｗ）に対するトラ
ンジスタ温度の上昇値（℃）を求める。（０. ６５ｍｍ
厚のアルミナセラミックスを使用したダイレクトボンド
カッパー基板の熱抵抗は０. ８℃／Ｗであり、これと同
等であれば高電力半導体モジュール用基板として使用可
能である。） 〔耐電圧性〕回路を直径１５ｍｍの円形パターンにエッ
チングし、これをプラス側とし、ベース金属板をマイナ
ス側にして１２５０ＶのＤＣ電圧を通電し、温度８５
℃、相対湿度８５％の環境下に１０００時間まで曝し、
絶縁破壊が発生するまでの時間を測定する。（１０００
時間まで絶縁破壊が発生しなければ高電力半導体モジュ
ール用基板として使用可能である。） 〔接着性〕５０ｍｍ×５０ｍｍサイズに切断した基板
を、２６０℃のハンダ浴に２０秒間浸漬して層間剥離の
発生の有無を調べる。（層間に剥離が発生しなければ高
電力半導体モジュール用基板として使用可能である。）

【００１４】実施例２ 回路形成用金属板として、１. ０ｍｍの銅クラッドイン
バー板を用い、その表面をサンドブラスト処理して粗化
し、クロロセンで脱脂し、酸洗い、湯洗した以外は、実
施例１と同様にして基板を作製した。作製した基板につ
いて実施例１と同様の評価試験を行った。評価結果を表
１に示す。 実施例３ ベース金属板として、２. ０ｍｍのアルミ板を用いた以
外は実施例１と同様にして基板を作製した。作製した基
板について実施例１と同様の評価試験を行った。評価結
果を表１に示す。 実施例４ 耐熱性熱可塑性樹脂製フイルムとして、ポリフェニレン
サルファイドフイルムを用い、熱圧着条件として、温度
を２８５℃にした以外は実施例１と同様にして基板を作
製した。作製した基板について実施例１と同様の評価試
験を行った。評価結果を表１に示す。 比較例１ 熱圧着を常圧下で行った以外は実施例１と同様にして基
板を作製した。作製した基板について実施例１と同様の
評価試験を行った。評価結果を表１に示す。

【００１５】

【表１】 ＊１ 絶縁破壊までの時間 ＊２ 層間剥離無しは○

【００１６】表１から明らかなように本発明方法で作っ
た高電力半導体モジュール用基板は、従来のダイレクト
ボンドカッパー基板と同等の性能を有しているものであ
り、しかも製造方法はダイレクトボンドカッパー基板の
製造方法に見られたようなファインコントロールを必要
とせず、極めて簡単なものである。

【００１７】実施例５ 回路形成用金属板として、厚さが０. １７５ｍｍ、０.
２ｍｍ、０. ３ｍｍ、０. ５ｍｍの４種類の銅板を用い
た以外は実施例１と同様にして４種類の基板を作製し、
回路形成用金属板の厚さと耐電圧性の関係を調べた。得
られた結果を図２に示す。図２から、本発明の高電力半
導体モジュール用基板においては、回路形成用金属板と
して、厚さが０. ２ｍｍ以上の金属板を用いることが、
優れた耐電圧性をもった基板が得られるので好ましいこ
とが判る。

【００１８】

【発明の効果】本発明の高電力半導体モジュール用基板
は、従来のダイレクトボンドカッパー基板と同等の性能
を有しているものであり、しかもその製造方法は、従来
のダイレクトボンドカッパー基板の製造において要求さ
れる厳密なファインコントロールを必要とせず、製造が
簡単で量産性に優れているものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高電力半導体モジュール用基板の断面
説明図である。

【図２】本発明の高電力半導体モジュール用基板におけ
る回路形成用金属板の厚さと耐電圧性の関係を表す図表
である。

【図３】従来のダイレクトボンドカッパー基板の断面説
明図である。

【符号の説明】

１・・・・ベース金属板 ２・・・・セラミックス層 ３・・・・耐熱性熱可塑性樹脂製フイルム層 ４・・・・セラミックス層 ５・・・・回路形成用金属板 １０・・・セラミックス製基板 １１・・・銅板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大澤 文葉 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ベース金属板の少なくとも一方の面に、
   セラミックス層、流動開始温度が２００℃以上の耐熱性
   熱可塑性樹脂層、セラミックス層、および回路形成用金
   属板が順次積層形成されていることを特徴とする高電力
   半導体モジュール用基板。
2. 【請求項２】 少なくとも一方の面に溶射によりセラミ
   ックス層を設けたベース金属板と、少なくとも一方の面
   に溶射によりセラミックス層を設けた回路形成用金属板
   とを、双方のセラミックス層間に流動開始温度が２００
   ℃以上の耐熱性熱可塑性樹脂製フイルムを配して積層
   し、これを減圧下で熱圧着させて一体化することを特徴
   とする高電力半導体モジュール用基板の製造方法。
3. 【請求項３】 流動開始温度が２００℃以上の耐熱性熱
   可塑性樹脂製フイルムとして流動開始温度が２００℃以
   上で、ガラス転移点が１４０℃以上の耐熱性熱可塑性樹
   脂製フイルムを用いることを特徴とする請求項２記載の
   高電力半導体モジュール用基板の製造方法。