JPH0951151A - パワーモジュール用回路基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】熱変形を吸収してセラミック基板の反りや割れ
を防止し、小型にでき、比較的軽くする。 【解決手段】Ａｌ₂Ｏ₃又はＡｌＮにより形成されたセラ
ミック基板１３に可塑性多孔質金属１７からなる回路が
形成される。セラミック基板には必要に応じて回路を構
成するＡｌ又はＣｕからなる金属薄板１４が接着され、
その上に可塑性多孔質金属が積層される。製造方法は金
属粉含有スラリーをセラミック基板上に所定の回路パタ
ーンとなるように塗布し乾燥して発泡させる工程と、回
路パターンと同一のパターンにより発泡層上にスラリー
を塗布し乾燥して発泡させる工程と、積層した発泡層を
焼成して可塑性多孔質金属からなる回路をセラミック基
板上に形成することが好ましい。可塑性多孔質金属には
シリコーングリース等が充填又は含浸される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電力を供給するパワ
ーモジュール用回路基板及びその製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のパワーモジュール用回路
基板として、Ｃｕ又はＡｌにより形成された回路基板を
セラミック基板に接着するものが知られている。この接
着方法ではセラミック基板と回路基板を直接積層接着す
る方法が提案されている。この直接積層接着する方法と
して、セラミック基板及び回路基板をＡｌ₂Ｏ₃及びＣｕ
によりそれぞれ形成した場合、セラミック基板と回路基
板とを重ねた状態でこれらに荷重０．５〜２ｋｇｆ／ｃ
ｍ²を加え、Ｎ₂雰囲気中で１０６５℃に加熱するいわゆ
るＤＢＣ法（Direct Bonding Copper 法）、又はセラミ
ック基板と回路基板との間にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材の
箔を挟んだ状態でこれらに荷重０．５〜２ｋｇｆ／ｃｍ
²を加え、真空中で８００〜９００℃に加熱するいわゆ
る活性金属法がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記直接積層
接着する方法では、回路基板をセラミック基板に接着で
きるが、セラミック基板と回路基板との熱膨張係数が異
なるため、パワーモジュール基板に反りを生じたり、熱
サイクルによりセラミック基板に割れを生じたりする問
題点があった。特に電流密度を高めるために回路基板の
断面積を向上させようとすると、比較的薄いセラミック
基板の場合に回路基板の熱による変形力がセラミック基
板の強度を上回ってセラミック基板が破損する恐れがあ
った。これらの点を解消するためにセラミック基板の厚
さを増加させると、質量の増加と形状の大型化を招き、
また熱抵抗値の増大から放熱特性が劣る問題点がある。
本発明の目的は、熱変形を吸収してセラミック基板の反
りや割れを防止できるパワーモジュール用回路基板及び
その製造方法を提供することにある。本発明の別の目的
は、セラミック基板を薄くして小型にできかつ比較的軽
くすることのできるパワーモジュール用回路基板及びそ
の製造方法を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１に示すように、Ａｌ₂Ｏ₃又はＡｌＮ焼結体からなる
セラミック基板１３上に可塑性多孔質金属１７からなる
回路が形成されたパワーモジュール用回路基板である。
請求項２に係る発明は、図２に示すように、Ａｌ₂Ｏ₃又
はＡｌＮ焼結体からなるセラミック基板１３上に回路を
構成するＡｌ又はＣｕからなる金属薄板１４が接着さ
れ、金属薄板１４上に可塑性多孔質金属１７が積層され
たパワーモジュール用回路基板である。金属薄板はＣｕ
板若しくはＡｌ板のプレス成形又はエッチング加工によ
り回路を構成するように形成される。金属薄板は厚さ
０．０５〜０．２０ｍｍであり、セラミック基板と金属
薄板１４との間にろう材であるＡｌ−Ｓｉろう材の箔を
挟んだ状態でこれらに荷重０．５〜２ｋｇｆ／ｃｍ²を
加え、真空中で６００〜６５０℃に加熱することによ
り、金属薄板１４がセラミック基板１３に接着される。

【０００５】請求項３に係る発明は、図３に示すよう
に、可塑性多孔質金属１７からなる回路がシリコーンゲ
ル１８で包囲されたパワーモジュール用回路基板であ
る。請求項４に係る発明は、可塑性多孔質金属１７から
なる回路にシリコーングリース、シリコーンオイル又は
エポキシ樹脂が充填又は含浸されたパワーモジュール用
回路基板である。

【０００６】請求項５に係る発明は、(a)平均粒径が５
〜１００μｍのＣｕ，Ａｌ又はＡｇからなる金属粉と、
水溶性樹脂バインダと、非水溶性炭化水素系有機溶剤
と、界面活性剤と、可塑剤と、水とを含む金属粉含有ス
ラリーをＡｌ₂Ｏ₃又はＡｌＮ焼結体からなるセラミック
基板１３上に所定の回路パターンとなるように塗布し乾
燥して発泡させる工程と、(b)回路パターンと同一のパ
ターンにより発泡層上にスラリーを塗布し乾燥して発泡
させる工程と、(c)積層した発泡層を焼成して可塑性多
孔質金属１７からなる回路をセラミック基板１３上に形
成する工程とを含むパワーモジュール用回路基板の製造
方法である。

【０００７】Ｃｕの可塑性多孔質金属では金属粉として
平均粒径５〜１００μｍのＣｕ粉が用いられ、Ａｌの可
塑性多孔質金属では金属粉として平均粒径５〜１００μ
ｍのＡｌ粉と平均粒径５〜１００μｍのＣｕ粉の混合物
が用いられ、Ａｇの可塑性多孔質金属では金属粉として
平均粒径５〜１００μｍのＡｇ粉が用いられる。水溶性
樹脂バインダとしてはメチルセルロース、ヒドロキシプ
ロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセル
ロース、カルボキシメチルセルロースアンモニウム、エ
チルセルロース等が用いられ、非水溶性炭化水素系有機
溶剤としてはネオペンタン、ヘキサン、イソヘキサン、
ヘプタン等が用いられる。また界面活性剤としては市販
の台所用中性合成洗剤（例えばアルキルグルコシドとポ
リオキシエチレンアルキルエーテルの２８％混合水溶
液）が用いられ、可塑剤としてはエチレングリコール、
ポリエチレングリコール、グリセリン等の多価アルコー
ルや、イワシ油、菜種油、オリーブ油等の油脂や、石油
エーテル等のエーテルや、フタル酸ジエチル、フタル酸
ジＮブチル、フタル酸ジエチルヘキシル、フタル酸ジＮ
オクチル等のエステルが用いられる。

【０００８】金属粉含有スラリーを乾燥して発泡させる
工程は、金属粉含有スラリーを塗布した状態で、５〜１
００℃で０．２５〜４時間保持して上記スラリー中の可
塑剤を揮発させて発泡させ、５０〜２００℃で３０〜６
０分間保持し乾燥して上記スラリーを薄板状多孔質成形
体にする。発泡層を焼成する工程はこの多孔質成形体を
セラミック基板とともに所定の雰囲気中で５００〜１０
６０℃で０．５〜４時間加熱して保持し、多孔質成形体
をスケルトン構造を有する気孔率９０〜９３％、厚さ
０．５〜５ｍｍの薄板状多孔質焼結体にする。

【０００９】請求項６に係る発明は、上記(a)工程のセ
ラミック基板１３上に回路パターンと同一のパターンを
有するＡｌ又はＣｕからなる金属薄板１４がろう材を介
して予め接着されたパワーモジュール用回路基板の製造
方法である。予め金属薄板を接着することにより金属粉
含有スラリーの塗布を容易にする。請求項７に係る発明
は、上記(b)工程が複数回繰返されるパワーモジュール
用回路基板の製造方法である。複数回スラリーを塗布し
乾燥させることにより可塑性多孔質金属の厚さを増加さ
せ、電流密度を増加させることができる。

【００１０】請求項８に係る発明は、上記(c)工程の後
に更に可塑性多孔質金属１７からなる回路をシリコーン
ゲルで包囲するパワーモジュール用回路基板の製造方法
である。請求項９に係る発明は、上記(c)工程の後に更
に可塑性多孔質金属１７からなる回路にシリコーングリ
ース、シリコーンオイル又はエポキシ樹脂を充填又は含
浸する工程を含むパワーモジュール用回路基板の製造方
法である。シリコーンゲル１８で可塑性多孔質金属１７
からなる回路を包囲すること、又はシリコーングリー
ス、シリコーンオイル若しくはエポキシ樹脂を充填又は
含浸することにより放熱特性を向上することができる。

【００１１】

【作用】図１に示されるパワーモジュール用回路基板１
０では、セラミック基板１３と可塑性多孔質金属１７か
らなる回路との熱膨張係数が異なっても、回路である可
塑性多孔質金属１７がその熱変形を吸収するので、セラ
ミック基板１３に反りや割れが発生するのを防止でき
る。また可塑性多孔質金属１７にシリコーングリース、
シリコーンオイル又はエポキシ樹脂を充填又は含浸、若
しくは使用の際にこれら含浸することにより、可塑性多
孔質金属１７での熱伝導率が向上するので、放熱特性を
損わない。

【００１２】

【実施例】次に本発明の実施例を図面に基づいて詳しく
説明する。 ＜実施例１＞図１に示すように、パワーモジュール用回
路基板１０はセラミック基板１３の表面に可塑性多孔質
金属１７からなりかつセラミック基板１３と異なる熱膨
張係数を有する回路を備える。セラミック基板１３をＡ
ｌ₂Ｏ₃含有量が９６％のセラミック材料により縦、横及
び厚さがそれぞれ３０ｍｍ、７０ｍｍ及び０．６３５ｍ
ｍの長方形の薄板状に形成した。可塑性多孔質金属１７
となる金属粉含有スラリーを平均粒径４０μｍのＣｕ粉
８０ｇと、水溶性メチルセルロース樹脂バインダ２．５
ｇと、グリセリン５ｇと、界面活性剤０．５ｇと、水２
０ｇとを３０分間混練した後、ヘキサンを１ｇ添加して
更に３分間混練することにより調製した。

【００１３】セラミック基板１３の表面に金属粉含有ス
ラリーを所定の厚さで所定の回路パターンとなるように
塗布した。この状態で、温度４０℃に３０分間保持して
上記スラリー中のヘキサンを揮発させて発泡させた後、
温度９０℃に４０分間保持し乾燥して上記スラリーを薄
板状多孔質成形体からなる発泡層を形成した。この発泡
層の表面に更に金属粉含有スラリーを所定の厚さで同一
の回路パターンとなるように塗布し、再び同一条件で乾
燥させて薄板状多孔質成形体からなる発泡層を形成し
た。このような操作を３回繰返して３層に積層した発泡
層を得た。次にこの積層した発泡層をセラミック基板と
ともに空気中で５００℃に０．５時間加熱して保持した
後、水素中で１０３０℃に１時間加熱して保持し、積層
した発泡層をスケルトン構造を有する気孔率９２〜９５
％、厚さ４．５ｍｍの板状の多孔質焼結体にした。更に
この多孔質焼結体をセラミック基板とともに圧延して多
孔質焼結体の厚さを１．５ｍｍにすることにより、金属
粉含有スラリーから気孔率３０％の可塑性多孔質金属１
７からなる回路を形成した。またこの可塑性多孔質金属
１７の気孔に金属１７の側面からシリコーングリースを
充填した。このようにしてパワーモジュール用回路基板
１０を得た。

【００１４】＜実施例２＞図示しないが、可塑性多孔質
金属となる金属粉含有スラリーを平均粒径４０μｍのＡ
ｇ粉１００ｇと、水溶性メチルセルロース樹脂バインダ
２．５ｇと、グリセリン５ｇと、界面活性剤０．５ｇ
と、水２０ｇとを３０分間混練した後、ヘキサンを１ｇ
添加して更に３分間混練することにより調製した。この
金属粉含有スラリーを実施例１と同一のセラミック基板
に所定の厚さで所定の回路パターンとなるように塗布
し、温度４０℃に３０分間保持して上記スラリー中のヘ
キサンを揮発させて発泡させた後、温度９０℃に４０分
間保持し乾燥して上記スラリーを薄板状多孔質成形体か
らなる発泡層を形成した。この発泡層の表面に更に金属
粉含有スラリーを所定の厚さで同一の回路パターンとな
るように塗布し、再び同一条件で乾燥させて薄板状多孔
質成形体からなる発泡層を形成した。このような操作を
３回繰返して３層に積層した発泡層を得た。次にこの積
層した発泡層をセラミック基板とともに空気中で９００
℃に３時間加熱して保持し、積層した発泡層をスケルト
ン構造を有する気孔率９０〜９３％、厚さ４．５ｍｍの
薄板状多孔質焼結体にした。更にこの多孔質焼結体をセ
ラミック基板及とともに圧延して多孔質焼結体の厚さを
１．５ｍｍにすることにより、金属粉含有スラリーから
気孔率３０％の可塑性多孔質金属からなる回路を形成し
た。

【００１５】＜実施例３＞図示しないが、可塑性多孔質
金属となる金属粉含有スラリーを平均粒径２５μｍのＡ
ｌ粉５０ｇと、平均粒径９μｍのＣｕ粉１．２ｇと、水
溶性メチルセルロース樹脂バインダ２．５ｇと、グリセ
リン５ｇと、界面活性剤０．５ｇと、水２０ｇとを３０
分間混練した後、ヘキサンを１ｇ添加して更に３分間混
練することにより調製した。この金属粉含有スラリーを
実施例１と同一のセラミック基板に所定の回路パターン
となるように塗布し、温度４０℃に３０分間保持して上
記スラリー中のヘキサンを揮発させて発泡させた後、温
度９０℃に４０分間保持し乾燥して上記スラリーを薄板
状多孔質成形体からなる発泡層を形成した。この発泡層
の表面に更に金属粉含有スラリーを所定の厚さで同一の
回路パターンとなるように塗布し、再び同一条件で乾燥
させて薄板状多孔質成形体からなる発泡層を形成した。
このような操作を３回繰返して３層に積層した発泡層を
得た。次にこの積層した発泡層をセラミック基板ととも
に真空中で６００℃に１時間加熱して保持し、積層した
発泡層をスケルトン構造を有する気孔率９３〜９６％、
厚さ４．５ｍｍの薄板状多孔質焼結体にした。更にこの
多孔質焼結体をセラミック基板とともに圧延して多孔質
焼結体の厚さを１．５ｍｍにすることにより、金属粉含
有スラリーから気孔率３０％の可塑性多孔質金属からな
る回路を形成した。

【００１６】＜実施例４＞図２に示すように、この例の
パワーモジュール用回路基板４０では、セラミック基板
１３の表面に回路パターンと同一のパターンを有する厚
さ０．１ｍｍのＡｌからなる金属薄板１４がＡｌ−Ｓｉ
ろう材により予め接着され、その金属薄板上に実施例３
と同一である３層の薄板状多孔質成形体からなる可塑性
多孔質金属１７を成形した。即ち、セラミック基板１３
の表面に実施例３で説明した可塑性多孔質金属からなる
回路をＡｌからなる金属薄板１４を介してそれぞれ形成
した。 ＜実施例５〜７＞図示しないが、実施例５〜７では、セ
ラミック基板の表面に回路パターンと同一のパターンを
有する厚さ０．１ｍｍのＣｕからなる金属薄板がＤＢＣ
法により予め接着され、その金属薄板上に実施例１〜３
とそれぞれ同一である３層の薄板状多孔質成形体からな
る可塑性多孔質金属を成形した。即ち、セラミック基板
の表面に回路パターンと同一のパターンを有しかつＣｕ
からなる金属薄板を重ねた状態でこれに荷重２．０ｋｇ
ｆ／ｃｍ²を加え、Ｎ₂雰囲気中で１０６５℃に加熱する
ことにより接着し、更にその表面に実施例１〜３でそれ
ぞれ説明した可塑性多孔質金属からなる回路をそれぞれ
形成した。 ＜実施例８〜１４＞図示しないが、実施例８〜１４で
は、セラミック基板をＡｌＮにより形成したことを除い
て、構成は実施例１〜７とそれぞれ同一である。但し、
予めセラミック基板を１３００℃で酸化処理してその表
面にＡｌ₂Ｏ₃層を最適な厚さで形成しておいた。

【００１７】＜比較例１＞図示しないが、実施例１の可
塑性多孔質金属と同一の電流密度を有する厚さ０．５ｍ
ｍのＣｕからなる回路基板をＡｌ₂Ｏ₃焼結体からなるセ
ラミック基板上に接着した構成のパワーモジュール用回
路基板を比較例１とした。即ちパワーモジュール用回路
基板はセラミック基板の上面にＤＢＣ法によりそれぞれ
直接接着された回路基板を備える。 ＜比較例２＞図示しないが、実施例１の可塑性多孔質金
属と同一の電流密度を有する厚さ０．７ｍｍのＡｌから
なる回路基板をＡｌ₂Ｏ₃焼結体からなるセラミック基板
上に接着した構成のパワーモジュール用回路基板を比較
例２とした。即ちパワーモジュール用回路基板はセラミ
ック基板とＡｌからなる回路基板との間にろう材である
Ａｌ−Ｓｉろう材の箔を挟んだ状態でこれらに荷重０．
５〜２ｋｇｆ／ｃｍ²を加え、真空中で６００〜６５０
℃に加熱することにより、回路基板がセラミック基板に
積層接着される。上記実施例１〜１６及び比較例１及び
２の内容を表１に示す。

【００１８】

【表１】

【００１９】＜比較試験と評価＞実施例１〜１４及び比
較例１及び２のパワーモジュール用回路基板に−４０℃
〜１２５℃の温度サイクル条件で０サイクル（温度サイ
クルを全く与えない）、１０サイクル及び５０サイクル
の温度サイクルを与えた後の熱抵抗及びセラミック基板
の割れについてそれぞれ調べた。熱抵抗Ｒ_th（℃）は、
図示しないが、回路基板の裏に７０×３０ｍｍフィン高
さ３５ｍｍの放熱フィンをグリースにより取付け、更に
回路上に縦及び横とも１５ｍｍの矩形の発熱体を２個Ｐ
ｂ−Ｓｎはんだを介して接着し、この発熱体を１０Ｗで
発熱させたときの周囲空気温度Ｔ_a（℃）と発熱体の温
度Ｔ_j（℃）とを測定して式より求めた。 Ｒ_th＝（Ｔ_j−Ｔ_a）／１０ …… またセラミック基板の割れ率Ｃ_r（％）はセラミック基
板から可塑性多孔質金属からなる回路をエッチングして
全て剥がし、顕微鏡で積層接着された回路周囲の割れの
長さＬ_c（ｍｍ）とエッチング前の回路の全周長さＬ
_a（ｍｍ）を測定して式より求めた。 Ｃ_r＝（Ｌ_c／Ｌ_a）×１００ …… これらの結果を表２に示す。

【００２０】

【表２】

【００２１】表２から明らかなように、割れ率は実施例
の方が従来例より著しく低くなっていることが判った。
また熱抵抗は５０サイクルでは実施例の方が比較例より
良くなっていることが判った。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、セ
ラミック基板に可塑性多孔質金属からなる回路を形成し
たので、可塑性多孔質金属が熱変形を吸収してセラミッ
ク基板の反りや割れを防止できる。また、可塑性多孔質
金属が熱変形を吸収する結果セラミック基板を薄くする
ことが可能になり、パワーモジュール用回路基板を小型
にかつ比較的軽くすることができる。更に、可塑性多孔
質金属が気孔率２０〜５０％のＣｕ，Ａｌ又はＡｇの多
孔質焼結体であり、この可塑性多孔質金属にシリコーン
グリース、シリコーンオイル又はエポキシ樹脂を充填又
は含浸、若しくは使用の際にこれら含浸することによ
り、可塑性多孔質金属からなる回路からセラミック基板
への放熱特性を損うことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例１のパワーモジュール用回路基板
の断面図。

【図２】本発明の実施例４を示す図１に対応する断面
図。

【図３】その使用状態を示す図１に対応する断面図。

【符号の説明】

１０，４０ パワーモジュール用回路基板 １３ セラミック基板 １４ 金属薄板 １７ 可塑性多孔質金属

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 初鹿 昌文 埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地 三菱 マテリアル株式会社総合研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ａｌ₂Ｏ₃又はＡｌＮ焼結体からなるセラ
   ミック基板(13)上に可塑性多孔質金属(17)からなる回路
   が形成されたパワーモジュール用回路基板。
2. 【請求項２】 Ａｌ₂Ｏ₃又はＡｌＮ焼結体からなるセラ
   ミック基板(13)上に回路を構成するＡｌ又はＣｕからな
   る金属薄板(14)が接着され、前記金属薄板(14)上に可塑
   性多孔質金属(17)が積層されたパワーモジュール用回路
   基板。
3. 【請求項３】 可塑性多孔質金属(17)からなる回路がシ
   リコーンゲル(18)で包囲された請求項１又は２記載のパ
   ワーモジュール用回路基板。
4. 【請求項４】 可塑性多孔質金属(17)からなる回路にシ
   リコーングリース、シリコーンオイル又はエポキシ樹脂
   が充填又は含浸された請求項１又は２記載のパワーモジ
   ュール用回路基板。
5. 【請求項５】 (a) 平均粒径が５〜１００μｍのＣｕ，
   Ａｌ又はＡｇからなる金属粉と、水溶性樹脂バインダ
   と、非水溶性炭化水素系有機溶剤と、界面活性剤と、可
   塑剤と、水とを含む金属粉含有スラリーをＡｌ₂Ｏ₃又は
   ＡｌＮ焼結体からなるセラミック基板(13)上に所定の回
   路パターンとなるように塗布し乾燥して発泡させる工程
   と、 (b) 前記回路パターンと同一のパターンにより前記発泡
   層上に前記スラリーを塗布し乾燥して発泡させる工程
   と、 (c) 前記積層した発泡層を焼成して可塑性多孔質金属か
   らなる回路を前記セラミック基板(13)上に形成する工程
   とを含むパワーモジュール用回路基板の製造方法。
6. 【請求項６】 (a)工程のセラミック基板(13)上に回路
   パターンと同一のパターンを有するＡｌ又はＣｕからな
   る金属薄板(14)がろう材を介して予め接着された請求項
   ５記載のパワーモジュール用回路基板の製造方法。
7. 【請求項７】 (b)工程が複数回繰返される請求項５又
   は６記載のパワーモジュール用回路基板の製造方法。
8. 【請求項８】 (c)工程の後に更に可塑性多孔質金属(1
   7)からなる回路をシリコーンゲルで包囲する請求項５な
   いし７いずれか記載のパワーモジュール用回路基板の製
   造方法。
9. 【請求項９】 (c)工程の後に更に可塑性多孔質金属(1
   7)からなる回路にシリコーングリース、シリコーンオイ
   ル又はエポキシ樹脂を充填又は含浸する工程を含む請求
   項５ないし７いずれか記載のパワーモジュール用回路基
   板の製造方法。