JP2005328087A - Power module substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気自動車や電気車両等、大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板に関する。更に詳しくは半導体チップ等の発熱体から発生する熱を放散させるヒートシンクを有するパワーモジュール用基板に関するものである。 The present invention relates to a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large voltage and a large current, such as an electric vehicle and an electric vehicle. More specifically, the present invention relates to a power module substrate having a heat sink that dissipates heat generated from a heating element such as a semiconductor chip.
従来、この種のパワーモジュール用基板として、図5に示すように、絶縁基板2がアルミナ等により形成され、この絶縁基板2の上面及び下面に回路層6及び金属層7がはんだ(図示せず)を介して積層接着され、金属層7がヒートシンク3の放熱板8に第1はんだ層5aを介して接着されたものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。この基板では、回路層6に第2はんだ層5bを介して半導体チップ4が接着され、放熱板8に雄ねじ部材9c(なべ小ねじ等)を介して水冷シンク部9が取付けられる。水冷シンク部9の内部には冷却水9aが通過する冷却水通路9bが形成される。
このように構成されたパワーモジュール用基板では、半導体チップ4の発熱量が比較的多いため、半導体チップ4が発生した熱は第2はんだ層5b,回路層6,絶縁基板2,金属層7,第1はんだ層5a及び放熱板8を通って水冷シンク部9に伝わり、冷却水通路9bを通過する冷却水9aが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板1外に持ち去るので、パワーモジュール用基板1が過熱しないようになっている。
Conventionally, as this type of power module substrate, as shown in FIG. 5, an
In the power module substrate configured as described above, the heat generated by the
しかし、上記従来のパワーモジュール用基板1では、大型の放熱板8が比較的高価なAlSiCにより形成されているため、製造コストが増大する問題点があった。
また、上記従来のパワーモジュール用基板1では、絶縁基板2及び放熱板8の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板2及び放熱板8の変形の相違により第1はんだ層5aの熱サイクル寿命が短くなる問題点もあった。
更に、上記従来のパワーモジュール用基板1では、回路層6及び金属層7の絶縁基板2への積層接着とは別の工程で金属層7を第1はんだ層5aを介して放熱板8に接着しなければならず、組立工数が増大する問題点もあった。
これらの点を解消するために、図6に示すように、絶縁基板2の上面及び下面に回路層6及び金属層7をそれぞれ積層接着したろう付け用箔(図示せず)と同一のろう付け用箔を用いて金属層7及び放熱板8を接着したパワーモジュール用基板1が開示されている。
このように構成されたパワーモジュール用基板1では、絶縁基板2及び放熱板8の接着に第1はんだ層を用いていないため、第1はんだ層の熱サイクル寿命が短くなるという問題点を解消でき、また回路層6及び金属層7の絶縁基板2への積層接着と同時に金属層7を放熱板8に接着することができる。
Further, in the conventional
Further, in the conventional
In order to eliminate these points, as shown in FIG. 6, the same brazing as a brazing foil (not shown) in which the
In the
しかし、上記改善されたパワーモジュール用基板では、大型の放熱板が比較的高価なAlSiCにより形成されているため、未だ製造コストが増大する不具合があった。
本発明の目的は、絶縁基板の熱応力による負荷を抑制することができ、製造コストを低減することができ、更に生産性を向上することができる、パワーモジュール用基板を提供することにある。
本発明の別の目的は、ヒートシンクによる冷却効率を向上することができ、半導体チップを回路層に取付けるためのはんだ層の劣化を抑制することができる、パワーモジュール用基板を提供することにある。
However, in the improved power module substrate described above, the large heat sink is formed of relatively expensive AlSiC, so that there is still a problem that the manufacturing cost increases.
The objective of this invention is providing the board | substrate for power modules which can suppress the load by the thermal stress of an insulated substrate, can reduce manufacturing cost, and can improve productivity further.
Another object of the present invention is to provide a power module substrate capable of improving the cooling efficiency by the heat sink and suppressing the deterioration of the solder layer for attaching the semiconductor chip to the circuit layer.
請求項1に係る発明は、図1に示すように、放熱板18と緩衝層14と金属層17と絶縁基板12と回路層16がこの順序で積層接着されたパワーモジュール用基板であって、放熱板18と金属層17と回路層16がそれぞれAlから構成され、回路層16にはんだ層22を介して半導体チップ23が搭載される所定のパターンが形成され、緩衝層14が絶縁基板12の熱膨張係数と放熱板18の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する材料により形成されたことを特徴とする。
この請求項1に記載されたパワーモジュール用基板では、絶縁基板12及び放熱板18の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板12及び放熱板18の変形の相違が緩衝層14により吸収されるので、絶縁基板12に発生する内部応力が小さくなり、絶縁基板12の熱応力による負荷を抑制することができる。
また、放熱板18がAlにより形成されるので、放熱板が高価なAlSiCにより形成される従来のパワーモジュール用基板より製造コストを低減することができる。
The invention according to
In the power module substrate described in
Moreover, since the
請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明であって、放熱板18と緩衝層14と金属層17と絶縁基板12と回路層16がそれぞれAl−Si系箔を介してロー付けされたことを特徴とする。
この請求項2に記載されたパワーモジュール用基板では、放熱板18と緩衝層14と金属層17と絶縁基板12と回路層16の積層接着を1回の熱処理で行うことができ、その製造コストを低減してその生産性を向上することができる。
The invention according to
In the power module substrate according to the second aspect, the
請求項3に係る発明は、請求項1又は2に係る発明であって、絶縁基板12がAlN,Si3N4又はAl2O3により形成され、緩衝層14がAlSiC、カーボン板又はAlC複合材により形成されたことを特徴とする。
この請求項3に記載されたパワーモジュール用基板では、絶縁基板12及び緩衝層14を具体的に特定することにより製造コストを更に低減してその生産性を向上することができる。
The invention according to
In the power module substrate according to the third aspect, by specifically specifying the
請求項4に係る発明は、請求項1ないし3いずれか1項2に係る発明であって、緩衝層14の表面積が絶縁基板12の表面積の1〜3倍であり、緩衝層14の厚さが絶縁基板12の厚さの1.5〜50倍であることを特徴とする。
この請求項4に記載されたパワーモジュール用基板では、絶縁基板12及び放熱板18の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板12及び放熱板18の変形の相違が緩衝層14により確実に吸収されるので、絶縁基板12の熱応力による負荷を確実に抑制することができる。
The invention according to
In the power module substrate according to the fourth aspect, the
請求項5に係る発明は、請求項1ないし4いずれか1項に係る発明であって、図2に示すように、放熱板48に取付けられ内部に冷却水19aが通過する冷却水通路19bが形成された水冷シンク部19を更に備え、放熱板48の表面に緩衝層14を嵌入可能な溝48a又は凹部が形成され、緩衝層14が溝48a又は凹部に嵌入された状態で放熱板48に接着されたことを特徴とする。
この請求項5記載されたパワーモジュール用基板では、緩衝層14を水冷シンク部19に近付けることができるので、熱が緩衝層14から放熱板48を通って速やかに水冷シンク部19に伝わる。この結果、水冷シンク部19の冷却水通路19bを通過する冷却水19aが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板41外に持ち去るので、その冷却効率を向上することができ、パワーモジュール用基板41が過熱することはない。
The invention according to claim 5 is the invention according to any one of
In the power module substrate according to the fifth aspect, since the
請求項6に係る発明は、請求項1ないし4いずれかに係る発明であって、図4に示すように、放熱板は内部に冷却水73aが通過する冷却水通路73bが形成された水冷式ヒートシンク73であることを特徴とする。
この請求項6記載されたパワーモジュール用基板71では、緩衝層14を水冷式ヒートシンク73に直接積層接着するので、熱が緩衝層14から水冷式ヒートシンク73に速やかに伝わる。この結果、水冷式ヒートシンク73を通過する冷却水73aが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板71外に持ち去るので、冷却効率を更に向上することができ、パワーモジュール用基板71が過熱することはない。
The invention according to
In the
本発明のパワーモジュール用基板では、放熱板と緩衝層と金属層と絶縁基板と回路層がこの順序で積層接着され、放熱板と金属層と回路層がそれぞれAlから構成されるので、放熱板が高価なAlSiCにより形成される従来のパワーモジュール用基板より製造コストを低減することができる。また、回路層にはんだ層を介して半導体チップが搭載される所定のパターンが形成され、緩衝層が絶縁基板の熱膨張係数と放熱板の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する材料により形成されるので、絶縁基板及び放熱板の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板及び放熱板の変形の相違が緩衝層により吸収されるので、絶縁基板に発生する内部応力が小さくなり、絶縁基板の熱応力による負荷を抑制することができる。
この場合、放熱板と緩衝層と金属層と絶縁基板と回路層がそれぞれAl−Si系箔を介してロー付けされたものであれば、それらの積層接着を1回の熱処理で行うことができ、その製造コストを低減してその生産性を向上することができる。また、絶縁基板がAlN,Si3N4又はAl2O3により形成され、緩衝層がAlSiC、カーボン板又はAlC複合材により形成されたものであれば、その製造コストを更に低減してその生産性を向上することができる。
In the power module substrate of the present invention, the heat sink, the buffer layer, the metal layer, the insulating substrate, and the circuit layer are laminated and bonded in this order, and the heat sink, the metal layer, and the circuit layer are each made of Al. However, the manufacturing cost can be reduced as compared with the conventional power module substrate formed of expensive AlSiC. In addition, a predetermined pattern for mounting the semiconductor chip is formed on the circuit layer via the solder layer, and the buffer layer is formed of a material having a thermal expansion coefficient between the thermal expansion coefficient of the insulating substrate and the thermal expansion coefficient of the heat sink. Therefore, since the difference in deformation of the insulating substrate and the heat sink due to the difference in thermal expansion coefficient between the insulating substrate and the heat sink is absorbed by the buffer layer, the internal stress generated in the insulating substrate is reduced and the heat of the insulating substrate is reduced. Load due to stress can be suppressed.
In this case, if the heat sink, the buffer layer, the metal layer, the insulating substrate, and the circuit layer are each brazed via an Al-Si-based foil, the lamination adhesion can be performed by a single heat treatment. The production cost can be reduced and the productivity can be improved. Further, if the insulating substrate is made of AlN, Si 3 N 4 or Al 2 O 3 and the buffer layer is made of AlSiC, a carbon plate or an AlC composite material, the production cost can be further reduced. Can be improved.
また、緩衝層の表面積が絶縁基板の表面積の1〜3倍であり、緩衝層の厚さが絶縁基板の厚さの1.5〜50倍であれば、絶縁基板及び放熱板の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板及び放熱板の変形の相違が緩衝層により確実に吸収されるので、絶縁基板の熱応力による負荷を確実に抑制することができる。
また、放熱板に取付けられ内部に冷却水が通過する冷却水通路が形成された水冷シンク部を更に備え、放熱板の表面に緩衝層を嵌入可能な溝又は凹部が形成され、緩衝層が溝又は凹部に嵌入された状態で放熱板に接着されたものであれば、緩衝層を水冷シンク部に近付けることができるので、熱が緩衝層から放熱板を通って速やかに水冷シンク部に伝わり、水冷シンク部の冷却水通路を通過する冷却水が上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板外に持ち去るので、その冷却効率を向上することができ、パワーモジュール用基板が過熱することはない。
一方、放熱板は内部に冷却水が通過する冷却水通路が形成された水冷式ヒートシンクであれば、緩衝層を水冷式ヒートシンクに直接積層接着するので、熱が緩衝層から水冷式ヒートシンクに速やかに伝わる。この結果、水冷式ヒートシンクを通過する冷却水が上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板外に持ち去るので、冷却効率を更に向上することができ、パワーモジュール用基板が過熱することはない。
Further, if the surface area of the buffer layer is 1 to 3 times the surface area of the insulating substrate and the thickness of the buffer layer is 1.5 to 50 times the thickness of the insulating substrate, the thermal expansion coefficient of the insulating substrate and the heat sink Since the difference in deformation of the insulating substrate and the heat radiating plate based on the difference is reliably absorbed by the buffer layer, the load due to the thermal stress of the insulating substrate can be reliably suppressed.
In addition, it further includes a water-cooled sink portion that is attached to the heat radiating plate and has a cooling water passage through which cooling water passes. A groove or a recess into which the buffer layer can be fitted is formed on the surface of the heat radiating plate. Or, if it is attached to the heat sink in a state of being fitted in the recess, the buffer layer can be brought close to the water-cooled sink part, so that heat is quickly transferred from the buffer layer through the heat sink to the water-cooled sink part, Since the cooling water passing through the cooling water passage of the water cooling sink part receives the heat and takes it out of the power module substrate, the cooling efficiency can be improved and the power module substrate does not overheat.
On the other hand, if the heat sink is a water-cooled heat sink with a cooling water passage through which cooling water passes, the buffer layer is directly laminated and bonded to the water-cooled heat sink, so heat is quickly transferred from the buffer layer to the water-cooled heat sink. It is transmitted. As a result, the cooling water passing through the water-cooled heat sink receives the heat and takes it out of the power module substrate, so that the cooling efficiency can be further improved and the power module substrate is not overheated.
次に本発明の第1の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1に示すように、本発明のパワーモジュール用基板11は絶縁基板12と、ヒートシンク13と、絶縁基板12とヒートシンク13との間に積層接着された緩衝層14とを備える。絶縁基板12はAlN,Si3N4又はAl2O3により形成され、絶縁基板12の上面及び下面には回路層16及び金属層17がそれぞれ積層接着される。回路層16及び金属層17はAlにより厚さ0.1〜0.5mmに形成される。またヒートシンク13は放熱板18と、この放熱板18に雄ねじ部材21(例えば、なべ小ねじ等)により取付けられた水冷シンク部19とを有する。放熱板18はAlにより形成され、絶縁基板12の表面積の1〜3倍の表面積を有し、かつ絶縁基板12の厚さの1.5〜50倍の厚さを有する。水冷シンク部19はAl,Cu等により形成され、内部に冷却水19aが通過する冷却水通路19bが形成され、放熱板18と略同一の表面積を有する。
Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the power module substrate 11 of the present invention includes an
緩衝層14は絶縁基板12の熱膨張係数とヒートシンク13の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する材料、即ちAlSiC、カーボン板又はAlC複合材により形成されることが好ましい。AlN,Si3N4及びAl2O3の熱膨張係数はそれぞれ約4.3×10-6/℃,約2.8×10-6/℃及び約7.3×10-6/℃であり、Al及びCuの熱膨張係数はそれぞれ約25.0×10-6/℃及び約16.5×10-6/℃であり、AlSiCの熱膨張係数は約7.5×10-6/℃である。
The
また緩衝層14は絶縁基板12の表面積の1〜3倍、好ましくは1〜2倍の表面積を有する。即ち、緩衝層14は放熱板18より表面積が小さく形成される。緩衝層14の表面積を絶縁基板12の表面積の1〜3倍に限定したのは、1倍未満では後述する半導体チップ23からの熱を速やかに放熱板18に伝えることができず、3倍を超えると製造コストが増大するからである。また緩衝層14の厚さは絶縁基板12の厚さの1.5〜50倍、更に2〜10倍であることが好ましい。緩衝層14の厚さを1.5〜50倍の範囲に限定したのは、1.5倍未満では絶縁基板12及びヒートシンク13の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板12及びヒートシンク13の変形の相違を十分に吸収することができず、50倍を超えるとパワーモジュール用基板11が大型化しかつ製造コストが増大するからである。
The
また絶縁基板12と緩衝層14とヒートシンク13とはろう付け用箔(図示せず)を介して積層接着される。金属層17と放熱板18がAlにより形成されるので、ろう付け用箔としては87.0〜96.0重量%のAlと4.0〜13.0重量%のSiとの合金であるAl−Si系箔を用いることが好ましい。更に絶縁基板12上面の回路層16にははんだ層22を介して半導体チップ23が取付けられる。
The insulating
このように構成されたパワーモジュール用基板の製造方法を説明する。
回路層16,金属層17及び放熱板18がAlにより形成されるので、先ず放熱板18の上にAl−Si系箔(図示せず),緩衝層14,Al−Si系箔,金属層17,Al−Si系箔,絶縁基板12,Al−Si系箔及び回路層16を重ねた状態で、これらに荷重0.5〜5kgf/cm2を加え、真空中で600〜650℃に加熱することにより積層体を作製する。このように放熱板18,緩衝層14,金属層17,絶縁基板12及び回路層16を一体として1回の熱処理で積層体を作製することができるので、パワーモジュール用基板11の生産性を向上することができる。次にこの積層体の回路層16をエッチング法により所定のパターンの回路に形成した後に、上記積層体の回路層16にはんだ層22を介して半導体チップ23を搭載する。更にこの積層体を水冷シンク部19に載せて放熱板18を雄ねじ部材21により水冷シンク部19に取付ける。
A method for manufacturing the power module substrate thus configured will be described.
Since the
このように製造されたパワーモジュール用基板では、回路層16,金属層17及び放熱板18がAlにより形成されるので、600〜650℃という高温で絶縁基板12,緩衝層14,放熱板18等が接着された後に、室温まで冷却されても、絶縁基板12及び放熱板18の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板12及び放熱板18の変形の相違がこれらの間の熱膨張係数を有する緩衝層14により吸収される。この結果、絶縁基板12に発生する内部応力が小さくなるので、絶縁基板12の熱応力による負荷を抑制することができる。また絶縁基板12及びヒートシンク13の熱膨張又は熱収縮時の変形の相違が緩衝層14により吸収されるので、半導体チップ23を回路層16に取付けるはんだ層22の劣化を抑制することができる。
In the power module substrate thus manufactured, since the
図2は本発明の第2の実施の形態を示す。図2において図1と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、ヒートシンク43の放熱板48表面に緩衝層14を嵌入可能な溝48aが形成され、緩衝層14がこの溝48aに嵌入された状態で放熱板48に接着されるように構成される。上記以外は第1の実施の形態と同一に構成される。
このように構成されたパワーモジュール用基板41では、緩衝層14を水冷シンク部19に近付けることができるので、半導体チップ23が発生した熱が緩衝層14から放熱板48を通って速やかに水冷シンク部19に伝わる。この結果、水冷シンク部19を通過する冷却水19aが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板41外に持ち去るので、ヒートシンク43による冷却効率を向上することができる。従って、パワーモジュール用基板41が過熱することはない。上記以外の動作は第1の実施の形態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. 2, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components.
In this embodiment, a
In the
図3は本発明の第3の実施の形態を示す。図3において図2と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、ヒートシンク63の放熱板68表面に緩衝層64を嵌入可能な溝68aが形成され、この溝68aの底面に凹凸68bが形成され、更にこの溝68aに嵌入される緩衝層64の底面に上記溝68a底面の凹凸68bに相応する凹凸64aが形成される。上記以外は第2の実施の形態と同一に構成される。
このように構成されたパワーモジュール用基板61では、緩衝層64と放熱板68との接触面積が増大するので、半導体チップ23にて発生した熱が緩衝層64から放熱板68に速やかに伝わる。上記以外の動作は第2の実施の形態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。
なお、上記第2及び第3の実施の形態では、ヒートシンクの表面に緩衝層を嵌入可能な溝を形成し、緩衝層を溝に嵌入した状態でヒートシンクに接着したが、ヒートシンクの表面に緩衝層を嵌入可能な凹部を形成し、緩衝層を凹部に嵌入した状態でヒートシンクに接着してもよい。
FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention. 3, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same components.
In this embodiment, a
In the
In the second and third embodiments, a groove in which a buffer layer can be fitted is formed on the surface of the heat sink, and the buffer layer is adhered to the heat sink in a state in which the buffer layer is fitted in the groove. May be bonded to the heat sink in a state where the buffer layer is inserted into the recess.
図4は本発明の第4の実施の形態を示す。図4において図1と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、放熱板として、内部に冷却水73aが通過する冷却水通路73bが形成された水冷式ヒートシンク73が使用される。この水冷式ヒートシンク73はAlにより形成され、絶縁基板12の表面積の1〜3倍の表面積を有し、かつ絶縁基板12の厚さの1.5〜50倍の厚さを有する。緩衝層14はこの水冷式ヒートシンク73にろう付け用箔(図示せず)を介して直接積層接着される。ろう付け用箔としては87.0〜96.0重量%のAlと4.0〜13.0重量%のSiとの合金であるAl−Si系箔を用いることが好ましい。上記以外は第1の実施の形態と同一に構成される。
このように構成されたパワーモジュール用基板71では、緩衝層14が水冷式ヒートシンク73に直接積層接着されるので、半導体チップ23が発生した熱が緩衝層14から速やかに水冷式ヒートシンク73に伝わる。この結果、水冷式ヒートシンク73を通過する冷却水73aが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板71外に持ち去るので、ヒートシンク73による冷却効率を更に向上することができる。上記以外の動作は第1の実施の形態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。
FIG. 4 shows a fourth embodiment of the present invention. 4, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components.
In this embodiment, a water-cooled
In the
11,41,61,71 パワーモジュール用基板
12 絶縁基板
14,64 緩衝層
16 回路層
17 金属層
18,48,68 放熱板
19 水冷シンク部
19a 冷却水
19b 冷却水通路
22 はんだ層
23 半導体チップ
48a,68a 溝
73 水冷式ヒートシンク(ヒートシンク)
73a 冷却水
73b 冷却水通路
11, 41, 61, 71
Claims (6)
前記放熱板(18)と前記金属層(17)と前記回路層(16)がそれぞれAlから構成され、
前記回路層(16)にはんだ層(22)を介して半導体チップ(23)が搭載される所定のパターンが形成され、
前記緩衝層(14,64)が前記絶縁基板(12)の熱膨張係数と前記放熱板(18)の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する材料により形成された
ことを特徴とするパワーモジュール用基板。 A power module substrate in which a heat sink (18), a buffer layer (14, 64), a metal layer (17), an insulating substrate (12), and a circuit layer (16) are laminated and bonded in this order,
The heat sink (18), the metal layer (17) and the circuit layer (16) are each composed of Al,
A predetermined pattern on which the semiconductor chip (23) is mounted on the circuit layer (16) through the solder layer (22) is formed,
The power module, wherein the buffer layer (14, 64) is formed of a material having a thermal expansion coefficient between a thermal expansion coefficient of the insulating substrate (12) and a thermal expansion coefficient of the heat sink (18). Substrate.
The power module substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein the radiator plate is a water-cooled heat sink (73) in which a cooling water passage (73b) through which the cooling water (73a) passes is formed.
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