JP2009224571A - Power module substrate with heat sink, and power module with the heat sink - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール基板と、前記金属層側に接合されて前記パワーモジュール基板を冷却するヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールに関する。 The present invention provides a power module substrate having a circuit layer formed on one surface of an insulating substrate and a metal layer formed on the other surface, and a heat sink bonded to the metal layer side to cool the power module substrate. The present invention relates to a power module substrate with a heat sink and a power module with a heat sink.
一般に、半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは、その発熱量が比較的高いことが知られている。パワーモジュールに搭載されるパワーモジュール基板としては、例えば、AlN(窒化アルミニウム)からなるセラミック絶縁基板(絶縁基板)の一面に回路層を接合し、他面に金属層を接合して形成されたものがある。また、回路層の一面には、はんだ材を介して半導体チップ等のパワーデバイス(電子部品)が搭載される。また、金属層はこの電子部品から発せられる熱を効率良く放熱させるための熱伝達層として設けられており、この金属層を介してヒートシンクにパワーモジュール基板が接合されるようになっている。 In general, it is known that a power module for supplying power among semiconductor elements has a relatively high calorific value. As the power module substrate mounted on the power module, for example, a circuit layer is bonded to one surface of a ceramic insulating substrate (insulating substrate) made of AlN (aluminum nitride) and a metal layer is bonded to the other surface. There is. A power device (electronic component) such as a semiconductor chip is mounted on one surface of the circuit layer via a solder material. The metal layer is provided as a heat transfer layer for efficiently dissipating heat generated from the electronic component, and the power module substrate is joined to the heat sink via the metal layer.
このようなパワーモジュール基板を備えたパワーモジュールとしては、例えば、特許文献1に記載されるものが知られている。この特許文献1のパワーモジュールは、パワーモジュール基板の金属層とヒートシンクとの間に、該金属層と略同一の外形を有し複数の貫通穴を形成したアルミニウム材からなる応力緩和部材(緩衝層)を設け、セラミック絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の差に起因して生じる熱応力や温度サイクル時に発生するセラミック絶縁基板と金属層の界面に生じるせん断応力を緩和して、界面の破断(剥離)を抑制し、熱サイクル時における接合信頼性を向上させている。
しかしながら、特許文献1に記載のパワーモジュールでは、緩衝層に複数の貫通穴が設けられているため、該緩衝層内を熱が伝わる際に、これら貫通穴が伝熱を妨げ、熱抵抗が高くなるという課題を有している。すなわち、緩衝層の熱の拡がり(ヒートスプレッド)が貫通穴の空洞で妨げられ、発熱した電子部品及びパワーモジュール基板を効率よく冷却することができない。また、このような緩衝層では、熱抵抗が高いため熱サイクル時における接合信頼性が充分に確保されているとは言い難い。 However, in the power module described in Patent Document 1, since a plurality of through holes are provided in the buffer layer, when the heat is transmitted through the buffer layer, the through holes prevent heat transfer and have high thermal resistance. It has a problem of becoming. That is, the heat spread (heat spread) of the buffer layer is hindered by the cavity of the through hole, and the heated electronic component and the power module substrate cannot be efficiently cooled. In addition, since such a buffer layer has a high thermal resistance, it is difficult to say that the bonding reliability during thermal cycling is sufficiently ensured.
また、パワーモジュール基板とヒートシンクとが矩形平板状の緩衝層を介して接合される場合、角部のセラミック絶縁基板と金属層界面に、熱膨張係数の差による熱応力や温度サイクル時に発生するせん断応力の集中が起こり、これら角部から界面の破断(剥離)が発生する。 In addition, when the power module substrate and the heat sink are joined via a rectangular flat buffer layer, the thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient or the shear generated at the temperature cycle at the corner ceramic insulating substrate and metal layer interface Stress concentration occurs, and interface breakage (peeling) occurs from these corners.
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、緩衝層の角部の応力集中を抑え、また熱抵抗を低減して、熱サイクル時における接合信頼性を高めることができるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and a power module with a heat sink that can suppress the stress concentration at the corners of the buffer layer and reduce the thermal resistance to increase the bonding reliability during the thermal cycle. It is an object to provide a power module with a heat sink substrate and a heat sink.
前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
すなわち本発明は、絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール基板と、前記金属層側に接合されて前記パワーモジュール基板を冷却するヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に、中実の金属板からなる緩衝層が配設され、前記緩衝層は、4つの角部が切り欠かれた矩形平板状をなしていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention proposes the following means.
That is, the present invention includes a power module substrate having a circuit layer formed on one surface of an insulating substrate and a metal layer formed on the other surface, and a heat sink bonded to the metal layer side to cool the power module substrate. A power module substrate with a heat sink comprising a buffer layer made of a solid metal plate between the metal layer and the heat sink, the buffer layer being cut at four corners. It is characterized by a rectangular flat plate shape lacking.
本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、矩形平板状の緩衝層の4つの角部が切り欠かれており、金属層の4つの角部の直下は接合されていない状態となるため、絶縁基板と金属層界面における熱膨張差による熱応力や温度サイクル時に発生するせん断応力の集中が緩和され角部からの界面破断(剥離)が防止される。よって、熱サイクル時における接合信頼性が向上する。 According to the power module substrate with a heat sink according to the present invention, the four corners of the rectangular flat buffer layer are notched, and the portions immediately below the four corners of the metal layer are not joined. The concentration of thermal stress due to the difference in thermal expansion at the interface between the insulating substrate and the metal layer and the shear stress generated during the temperature cycle are alleviated, and interface fracture (peeling) from the corners is prevented. Therefore, the bonding reliability during the heat cycle is improved.
また、本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記緩衝層は、前記絶縁基板よりも外形が幅広に形成されていることとしてもよい。 In the power module substrate with a heat sink according to the present invention, the buffer layer may have a wider outer shape than the insulating substrate.
本発明によれば、緩衝層は中実となっており、緩衝層にて熱を十分に拡散させることができる。さらに外形が絶縁基板よりも大きく幅広に形成されているため、たとえ回路層の端部に電子部品が実装された場合でも、該端部を基点として周囲に十分に熱を拡散させることができる。したがってヒートシンクにおける放熱面積が十分に確保され、その結果、熱抵抗を下げることができる。 According to the present invention, the buffer layer is solid, and heat can be sufficiently diffused in the buffer layer. Furthermore, since the outer shape is larger and wider than the insulating substrate, even when an electronic component is mounted on the end portion of the circuit layer, heat can be sufficiently diffused around the end portion. Therefore, a sufficient heat radiation area is ensured in the heat sink, and as a result, the thermal resistance can be lowered.
すなわち、電子部品の配置される位置の如何に係わらず、該電子部品から緩衝層に伝わる熱が周囲に良好に拡がり、冷却効率が高められていて、かつ、熱サイクル時における接合信頼性が向上している。 That is, regardless of the position of the electronic component, the heat transmitted from the electronic component to the buffer layer spreads well to the surroundings, the cooling efficiency is improved, and the bonding reliability during the thermal cycle is improved. is doing.
また、本発明に係るヒートシンク付パワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、該ヒートシンク付パワーモジュール用基板の前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴とする。
本発明のヒートシンク付パワーモジュールによれば、冷却効率が高く、熱サイクル時における接合信頼性が向上する。
In addition, a power module with a heat sink according to the present invention includes the above-mentioned power module substrate with a heat sink and an electronic component mounted on the circuit layer of the power module substrate with a heat sink.
According to the power module with a heat sink of the present invention, the cooling efficiency is high, and the bonding reliability during the heat cycle is improved.
本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールによれば、絶縁基板と金属層界面の角部における応力集中を抑え、また熱抵抗を低減して、熱サイクル時における接合信頼性を高めることができる。 According to the substrate for a power module with a heat sink and the power module with a heat sink according to the present invention, the stress concentration at the corner of the interface between the insulating substrate and the metal layer is suppressed, and the thermal resistance is reduced, thereby improving the bonding reliability during the thermal cycle. Can be increased.
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
図1は本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの概略構成を示す断面図、図2は本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの緩衝層の形状を示す概略平面図、図3は図2におけるA−A矢視を示す断面図、図4は図2におけるB−B矢視を示す断面図、図5は本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの緩衝層の第1変形例を示す概略平面図、図6は本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの緩衝層の第2変形例を示す概略平面図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a power module with a heat sink according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic plan view showing the shape of a buffer layer of the power module with a heat sink according to an embodiment of the present invention. 3 is a cross-sectional view showing an arrow AA in FIG. 2, FIG. 4 is a cross-sectional view showing an arrow BB in FIG. 2, and FIG. 5 is a buffer layer of a power module with a heat sink according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic plan view showing a second modification of the buffer layer of the power module with a heat sink according to one embodiment of the present invention.
図1に示すように、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール10は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板20の上面に、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのパワーデバイスからなる電子部品11がはんだ付けにより接合されて形成されている。
As shown in FIG. 1, the
また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板20は、パワーモジュール基板30と、ヒートシンク12とを備え、これらパワーモジュール基板30とヒートシンク12との間に後述する緩衝層13を介在させ、互いにろう付け又ははんだ付けにより一体に接合されている。ヒートシンク12は、内部に冷媒である冷却水を流通させるための複数の流路12aを備えている。そして、電子部品11で生じた熱がヒートシンク12に伝達され熱交換されて、装置が冷却される。
The
パワーモジュール基板30は、例えばAlN(窒化アルミニウム)やSi3N4(窒化珪素)からなる矩形平板状のセラミック絶縁基板(絶縁基板)2と、このセラミック絶縁基板2の上面に配置され該セラミック絶縁基板2よりも外形の小さな矩形平板状の回路層3と、セラミック絶縁基板2の下面に配置され該セラミック絶縁基板2よりも外形の小さな矩形平板状の金属層4と、を備えており、これらセラミック絶縁基板2、回路層3及び金属層4が互いにろう材により接合されている。また、回路層3と金属層4とは、セラミック絶縁基板2を挟んで互いに面対称に対向配置されて、略同一形状とされている。
The
回路層3は、例えばAlなどの高熱伝導率を有する金属により形成されており、また、金属層4も、Alなどの高熱伝導率を有する金属により形成されている。
また、この金属層4の下面を覆うようにして、該金属層4よりも外形が幅広の緩衝層13が接合されている。
The circuit layer 3 is made of a metal having a high thermal conductivity such as Al, and the
Further, a
緩衝層13は、Al(アルミニウム)又はCu(銅)からなるバルク板材等の中実の金属板から形成されており、その厚みt1はセラミック絶縁基板2下面からヒートシンク12の冷却面(冷媒と接する面)までの厚み(距離)t2が2mmから5mmになるように設定され、より好ましくは厚みt2が3mmから4mmの範囲に設定される。尚、セラミック絶縁基板2下面からヒートシンク12の冷却面までの厚み(距離)t2が2mmよりも小さく設定した場合には、電子部品11から発生する熱を拡散するヒートスプレッド効果が充分に得られずヒートシンク12の冷却面積が狭くなって熱抵抗が高くなり、また、セラミック絶縁基板2下面からヒートシンク12の冷却面までの厚み(距離)t2を5mmよりも大きく設定した場合には、その距離が大きくなることによる熱抵抗上昇分がヒートスプレットによる熱抵抗低減効果を上回り、全体の熱抵抗は大きくなるため、上述の範囲とされるのが好ましい。
The
また本発明者は、3次元の熱計算を行い、熱抵抗が低減される最適なセラミック絶縁基板2下面からヒートシンク12の冷却面までの厚みt2を求めた。その結果、ヒートシンク12での熱伝達係数が〜10000W/K・m2の場合において、前記厚みt2が2mm〜5mmの範囲に設定されるのが好ましいことがわかった。
In addition, the present inventor performed a three-dimensional heat calculation and obtained an optimum thickness t2 from the lower surface of the
また、緩衝層13の面方向(厚みt1,t2に直交する方向)の外形は、セラミック絶縁基板2よりも大きく幅広に形成されている。詳しくは、図2、図3に示すように、これらセラミック絶縁基板2と緩衝層13とを、互いの重心位置を重ねるようにして厚みt1,t2方向に積層した状態で、緩衝層13の端部13aが、セラミック絶縁基板2の端部2aよりも外方に寸法Dだけ突出して配置される。ここで、寸法Dは0.5mm以上とされ、より好ましくは2mm以上に設定される。また、緩衝層13の端部13aは、回路層3の端部3a及び金属層4の端部4aから面方向外方に前記寸法Dを超えて突出されていて、距離が充分に設けられている。
Further, the outer shape of the
また、緩衝層13は、4つの角部13bが切り欠かれた矩形平板状をなしており、これら角部13bは、略同一半径の円弧状に夫々形成されている。また、図2の平面視において、夫々の角部13bの径方向外方の位置には、回路層3の4つの角部3b、金属層4の4つの角部4b及びセラミック絶縁基板2の4つの角部2bが夫々配置されている。すなわち、図4に示すように、回路層3の角部3b、金属層4の角部4b及びセラミック絶縁基板2の角部2bが、夫々緩衝層13の角部13bより外方に突出した状態とされていて、金属層4の角部4b近傍の下面は、該緩衝層13の上面に接合されてはいない。
The
以上説明したように、本実施形態におけるヒートシンク付パワーモジュール10によれば、矩形平板状の緩衝層13の4つの角部13bが切り欠かれており、金属層4の4つの角部4bの直下は接合されていない状態となるため、従来のようにセラミック絶縁基板2と金属層4界面の角部4bに熱膨張係数差に起因する温度サイクル時のせん断応力が集中し、角部4bからの界面破断(剥離)が発生するようなことが防止されている。よって、熱サイクル時における接合信頼性が向上する。
As described above, according to the power module with
緩衝層13は中実となっているため、緩衝層13及びヒートシンク12のそれぞれの接合面積が充分に確保され、緩衝層13にて熱を十分に拡散させることができる。さらに外形がセラミック絶縁基板2よりも大きく幅広に形成されているため、たとえ回路層3の端部3a近傍に電子部品11が実装された場合でも、該端部3aを基点として周囲に十分に熱を拡散させることができる。したがってヒートシンク12において放熱面積が十分に確保され、その結果、熱抵抗を下げることができる。
Since the
このような構成によれば、回路層3上において電子部品11の配置される位置の如何に係わらず、該電子部品11から緩衝層13に伝わる熱が周囲に良好に拡がり、冷却効率が高められていて、かつ、熱サイクル時における接合信頼性が向上している。
According to such a configuration, regardless of the position where the
尚、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本実施形態では、緩衝層13の4つの角部13bは、略同一半径の円弧状に夫々切り欠かれて形成されているとして説明したが、これに限定されるものではない。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the present embodiment, the four
図5に示すものは、本実施形態の第1変形例であり、緩衝層23の面方向の外形は、セラミック絶縁基板2よりも大きく幅広に形成されており、緩衝層23の端部23aが、セラミック絶縁基板2の端部2aよりも外方に寸法Dだけ突出して配置されている。また、緩衝層23の4つの角部23bは、夫々内方に向け窪む略凹円弧状に切り欠かれている。そして、図5の平面視において、金属層4の角部4bが緩衝層23の角部23bより外方に突出した状態とされ配置されており、該金属層4の角部4b近傍の下面は、緩衝層23の上面に接合されていない。このような第1変形例においても、前述の実施形態と同様の効果を奏功する。
FIG. 5 shows a first modification of the present embodiment, and the outer shape of the
また、図6に示すものは、本実施形態の第2変形例であり、緩衝層33の面方向の外形は、セラミック絶縁基板2よりも大きく幅広に形成されており、緩衝層33の端部33aが、セラミック絶縁基板2の端部2aよりも外方に寸法Dだけ突出して配置されている。また、緩衝層33の4つの角部33bは、角を斜めに落としたようにして形成された面取り断面形状とされている。詳しくは、これら角部33bは、夫々の角部33bに隣り合う二辺の端部33aに傾斜して交わる一辺を備えた切り欠き形状とされている。また角部33bの前記一辺の両端に配置される頂点の形成する角度は、例えば夫々135°とされている。そして、図6の平面視において、金属層4の角部4bが、緩衝層33の角部33bより外方に突出した状態とされ配置されており、該金属層4の角部4b近傍の下面は、緩衝層33の上面に接合されていない。このような第2変形例においても、前述の実施形態と同様の効果を奏功する。
FIG. 6 shows a second modification of the present embodiment, in which the outer shape of the
また本実施形態では、セラミック絶縁基板2と回路層3又は金属層4とは、ろう材により接合されていることとして説明したが、それ以外の方法により接合されていても構わない。
また本実施形態では、セラミック絶縁基板2は、AlNやSi3N4からなるとして説明したが、これらに限定されるものではない。
また、回路層3及び金属層4も、Alに限定されるものではない。
また、ヒートシンク12は、本実施形態の水冷式に限らずに、空冷式や他の液冷式のものであっても構わない。
In the present embodiment, the ceramic insulating
In the present embodiment, the ceramic insulating
Further, the circuit layer 3 and the
The
2 セラミック絶縁基板(絶縁基板)
3 回路層
4 金属層
10 ヒートシンク付パワーモジュール
11 電子部品
12 ヒートシンク
13,23,33 緩衝層
13b,23b,33b 緩衝層の角部
20 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
30 パワーモジュール基板
2 Ceramic insulation substrate (insulation substrate)
3
Claims (3)
前記金属層と前記ヒートシンクとの間に、中実の金属板からなる緩衝層が配設され、
前記緩衝層は、4つの角部が切り欠かれた矩形平板状をなしていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。 A heat sink comprising: a power module substrate having a circuit layer formed on one surface of the insulating substrate and a metal layer formed on the other surface; and a heat sink bonded to the metal layer side to cool the power module substrate. A power module substrate with
A buffer layer made of a solid metal plate is disposed between the metal layer and the heat sink,
The power buffer substrate with a heat sink, wherein the buffer layer has a rectangular flat plate shape with four corners cut out.
前記緩衝層は、前記絶縁基板よりも外形が幅広に形成されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。 A power module substrate with a heat sink according to claim 1,
The power module substrate with a heat sink, wherein the buffer layer has a wider outer shape than the insulating substrate.
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