JP2007081200A - 冷却シンク部付き絶縁回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなく、積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させる。
【解決手段】 絶縁板１１と、絶縁板１１の一方の表面に接合された回路板１２と、絶縁板１１の他方の表面に接合された金属板１３とを備える絶縁回路基板２０と、金属板１３の、絶縁板１１に接合された表面と反対側の下面に設けられた冷却シンク部３１とを備える冷却シンク部付き絶縁回路基板１０ａであって、回路板１２の表面に第１はんだ層１４を介して半導体チップ３０が接合される構成とされ、金属板１３と冷却シンク部３１とは、ヤング率が３５ＧＰａ以上、０．２％耐力が３０ＭＰａ以上、引張強度が４０ＭＰａ以上のＳｎを主成分とする第２はんだ層１５により接合されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられる冷却シンク部付き絶縁回路基板に関するものである。

この種の冷却シンク部付き絶縁回路基板としては、例えば下記特許文献１に示されるような、セラミックス等により形成された絶縁板と、該絶縁板の一方の表面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の表面に接合された金属板とを備える絶縁回路基板と、前記金属板の、前記絶縁板に接合された表面と反対側の下面に設けられた冷却部とを備える概略構成とされ、前記回路板の表面にはんだ層を介して半導体チップが接合されるようになっている。

前記冷却部は、放熱板と内部に冷媒が供給される冷却シンク部とを備え、これらの放熱板と冷却シンク部とが、これらの間に熱伝導性グリース（例えばＳｉグリース）を介してねじにより締結されて接続された構成とされている。そして、前記冷却部の放熱板が、前記金属板にはんだ層を介して接合されている。
特開平８−２６４６８０公報

ところで、近年では、前記冷却シンク部付き絶縁回路基板の回路板の表面に半導体チップが接合されてなるパワーモジュールの高出力化に伴い、当該パワーモジュールを構成する前記各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなく、このパワーモジュールの積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることに対する要求が高まっている。しかし、前記熱伝導性グリースは前記トータル熱抵抗を低減させることに対して大きな阻害要因となっていた。

この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなく、積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることができる冷却シンク部付き絶縁回路基板を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の冷却シンク部付き絶縁回路基板は、絶縁板と、該絶縁板の一方の表面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の表面に接合された金属板とを備える絶縁回路基板と、前記金属板の、前記絶縁板に接合された表面と反対側の下面に設けられた冷却シンク部とを備える冷却シンク部付き絶縁回路基板であって、前記回路板の表面に第１はんだ層を介して半導体チップが接合される構成とされ、前記金属板と前記冷却シンク部とは、ヤング率が３５ＧＰａ以上、０．２％耐力が３０ＭＰａ以上、引張強度が４０ＭＰａ以上のＳｎを主成分とする第２はんだ層により接合されていることを特徴とする。

この発明では、金属板と冷却シンク部とが第２はんだ層を介して直接接合されて、熱伝導性グリースを介在させず、しかも冷却シンク部付き絶縁回路基板が有する接合界面数が低減されているので、前記回路板に半導体チップが接合されてなるパワーモジュールの積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることが可能になる。
ところでこの場合、前記絶縁板と冷却シンク部との熱膨張係数差が大きいので、前記金属板と冷却シンク部との間に大きな応力が発生して、接合信頼性が低減するおそれが考えられる。

しかしながら、この発明では、前記金属板と冷却シンク部とが、ヤング率、０．２％耐力、および引張強度がそれぞれ前記大きさとされた第２はんだ層により接合されているので、冷却シンク部および絶縁板の熱膨張係数が異なることによって、接合界面に応力が生じようとした場合においても、この応力を前記第２はんだ層により吸収させることが可能になる。さらに、前記第２はんだ層のヤング率等が前記大きさとされると、冷却シンク部付き絶縁回路基板に熱サイクルが作用したときに、塑性ひずみを前記金属板に多く蓄積させて、この第２はんだ層に蓄積される塑性ひずみの量を低減させることが可能になり、この第２はんだ層に亀裂が生ずること等を抑制することができる。
以上により、前記パワーモジュールを構成する前記各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなく、このパワーモジュールの積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることが可能になる。
ここで、前記第２はんだ層は、Ｓｎ８５ｗｔ％以上、Ａｇ０．５ｗｔ％以上、Ｃｕ０．１ｗｔ％以上である３元以上の多元系合金からなるはんだにより形成されてもよい。

この発明によれば、各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなく、積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることができる冷却シンク部付き絶縁回路基板を提供することができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
本実施形態のパワーモジュール１０は、絶縁回路基板２０と、該絶縁回路基板２０の一方の表面側に設けられた半導体チップ（発熱体）３０と、絶縁回路基板２０の他方の表面側に設けられた冷却シンク部３１とを備えている。言い換えると、パワーモジュール１０は、絶縁回路基板２０および冷却シンク部３１からなる冷却シンク部付き絶縁回路基板１０ａと半導体チップ３０とを備えている。

絶縁回路基板２０は、絶縁板１１と、該絶縁板１１の一方の表面に接合された回路板１２と、絶縁板１１の他方の表面に接合された金属板１３とを備えている。そして、回路板１２の表面に第１はんだ層１４を介して半導体チップ３０が接合され、金属板１３の、絶縁板１１に接合された表面と反対側の下面に冷却シンク部３１が設けられている。

ここで、回路板１２および金属板１３の表面にはそれぞれ、図示されない厚さ約２μｍのＮｉメッキ層が形成されており、このＮｉメッキ層の形成された回路板１２の表面に、第１はんだ層１４を介して半導体チップ３０が接合され、また、Ｎｉメッキ層の形成された回路板１２および金属板１３の各表面と絶縁板１１とがろう付けにより接合されている。

なお、絶縁板１１が、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物系セラミックスにより形成され、回路板１２および金属板１３が、純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成された構成において、絶縁板１１と回路板１２および金属板１３とを接合するろう材は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系のろう材から選ばれる１または２以上のろう材とされる。ここで、回路板１２および金属板１３は、熱伝達等の観点から、純Ａｌ若しくは純度９８％以上のＡｌ合金により形成されるのが望ましい。

冷却シンク部３１は、純Ａｌ、Ａｌ合金、純Ｃｕ若しくはＣｕ合金等の金属若しくはＡｌＳｉＣ等の金属セラミック複合材により形成されるとともに、表面に金属板１３が設けられる本体部３１ａと、表面に内部空間３１ｂと連通する開口部が形成された箱体３１ｃとを備えている。ここで、本体部３１ａは、製造上、純Ａｌ、Ａｌ合金、純Ｃｕ若しくはＣｕ合金等の金属若しくはＡｌＳｉＣ等の金属セラミック複合材のいずれか１つの材料から構成されるのが望ましいが、複数の材料を積層した複合体とすることもできる。例えば、本体部３１ａの内部空間３１ｂ側の部分を純Ａｌとし、金属板１３側の部分に純Ｃｕ板を設けた複合体とすることができる。この場合、純Ｃｕ板は、前記純Ａｌの熱膨張係数とＡｌＮ（絶縁板１１）の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有することから、応力緩衝部材として機能する。本体部３１ａの、前記表面と反対側の下面には、下方に向けて延在し、かつこの本体部３１ａの幅方向（図１の紙面に奥行き方向）に延在する冷却フィン３１ｄがその長さ方向（図１の紙面の左右方向）に複数所定の間隔をあけて形成されている。なお、本体部３１ａは、熱伝達および加工性等の観点から、純Ａｌ若しくはＡｌ合金が望ましく、Ａｌ合金では特に純度９８％以上が良い。

この冷却シンク部３１は、本体部３１ａの冷却フィン３１ｄが、箱体３１ｃの内部空間３１ｂに突出した状態で、本体部３１ａの前記下面が、箱体３１ｃの前記開口部を閉塞する構成とされている。さらに、本体部３１ａの前記下面と、箱体３１ｃの表面における前記開口部の周縁部との間には、熱伝導グリースが介在されておらず、本体部３１ａの前記下面と、箱体３１ｃの表面における前記開口部の周縁部とは、直接接触した構成とされている。

そして、この閉塞された前記内部空間３１ｂに冷却液や冷却空気などの冷媒を供給および回収する図示されない冷媒循環手段が設けられ、該手段により前記冷媒が、本体部３１ａの前記下面および冷却フィン３１ｄの全域に接触するようになっている。
すなわち、前記内部空間３１ｂに供給された冷媒により、半導体チップ３０から冷却シンク部３１に伝導された熱を回収することによって、半導体チップ３０からの熱をパワーモジュール１０から放散させるようになっている。なお、冷却シンク部３１の本体部３１ａの熱伝達係数は約６０００Ｗ／℃・ｍ^２〜約１５０００Ｗ／℃・ｍ^２とされている。

さらに本実施形態では、金属板１３と本体部３１ａとは、ヤング率が３５ＧＰａ以上、０．２％耐力が３０ＭＰａ以上、引張強度が４０ＭＰａ以上のＳｎを主成分とする第２はんだ層１５により接合されている。金属板１３、および本体部３１ａの互いに対向する表面には、図示されないＮｉメッキ層（金属板１３では厚さ約２μｍ、本体部３１ａでは厚さ約５μｍ）が形成されており、これらの各Ｎｉメッキ層と第２はんだ層１５とが接合されている。図示の例では、金属板１３の下面の略全域が、第２はんだ層１５により接合されている。また、第２はんだ層１５は、Ｓｎ８５ｗｔ％以上、Ａｇ０．５ｗｔ％以上、Ｃｕ０．１ｗｔ％以上である３元以上の多元系合金からなるはんだにより形成されている。
なお、第１はんだ層１４の材質は特に限定されるものではないが、Ｓｎを主成分とするはんだにより形成されるのが望ましい。

また、絶縁板１１の縦、横および厚さがそれぞれ１０ｍｍ〜１００ｍｍ、１０ｍｍ〜１００ｍｍおよび０．２ｍｍ〜１．０ｍｍとされ、回路板１２の縦、横および厚さがそれぞれ１０ｍｍ〜１００ｍｍ、１０ｍｍ〜１００ｍｍおよび０．１ｍｍ〜３．０ｍｍとされ、金属板１３の縦、横および厚さがそれぞれ１０ｍｍ〜１００ｍｍ、１０ｍｍ〜１００ｍｍおよび０．１ｍｍ〜３．０ｍｍとされたパワーモジュール１０が、−４０℃〜１０５℃の温度範囲で使用される場合において、第２はんだ層１５の厚さは０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍとされている。

以上説明したように、本実施形態に係る冷却シンク部付き絶縁回路基板１０ａによれば、金属板１３と冷却シンク部３１とが第２はんだ層１５を介して直接接合されて、熱伝導性グリースを介在させず、しかも、回路板１２に半導体チップ３０が接合されてなるパワーモジュール１０が有する接合界面数が低減されているので、パワーモジュール１０の積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることが可能になる。
ところでこの場合、絶縁板１１と冷却シンク部３１との熱膨張係数差が大きいので、金属板１３と冷却シンク部３１との間に大きな応力が発生して、接合信頼性が低減するおそれが考えられる。

しかしながら、冷却シンク部付き絶縁回路基板１０ａでは、金属板１３と冷却シンク部３１の本体部３１ａとが、ヤング率、０．２％耐力、および引張強度がそれぞれ前記大きさとされた第２はんだ層１５により接合されているので、前記本体部３１ａおよび絶縁板１１の熱膨張係数が異なることによって、接合界面に応力が生じようとした場合においても、この応力を第２はんだ層１５により吸収させることが可能になる。さらに、第２はんだ層１５のヤング率等が前記大きさとされると、冷却シンク部付き絶縁回路基板１０ａに熱サイクルが作用したときに、塑性ひずみを金属板１３に多く蓄積させて、この第２はんだ層１５に蓄積される塑性ひずみの量を低減させることが可能になり、この第２はんだ層１５に亀裂が生ずること等を抑制することができる。
以上により、パワーモジュール１０を構成する前記各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなく、このパワーモジュール１０の積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることが可能になる。

ここで、以上の作用効果についての検証試験を実施した。実施例および比較例として、ＡｌＮを主成分とする材質により形成された絶縁板１１の縦、横および厚さがそれぞれ５０ｍｍ、５０ｍｍおよび０．６３５ｍｍとされ、純度が９９．９９％のＡｌ合金により形成された回路板１２の縦、横および厚さがそれぞれ４８ｍｍ、４８ｍｍおよび０．４ｍｍとされ、純度が９９．５％のＡｌ合金により形成された金属板１３の縦、横および厚さがそれぞれ４８ｍｍ、４８ｍｍおよび０．６ｍｍとされ、ＡＡ（Ａｌｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）６０６３系のＡｌ合金により形成された冷却シンク部３１は、その本体部３１ａの縦、横および厚さがそれぞれ１００ｍｍ、１００ｍｍおよび３ｍｍとされるとともに、冷却フィン３１ｄの厚さ（図１の紙面の左右方向の大きさ）、長さ（図１の紙面の上下方向の大きさ）およびピッチがそれぞれ１ｍｍ、８ｍｍおよび３ｍｍとされ、第２はんだ層１５の厚さが０．２ｍｍとされた冷却シンク部付き絶縁回路基板を採用した。
以上の構成において、第２はんだ層１５の材質を異ならせた１０種類の冷却シンク部付き絶縁回路基板を準備した。

なお、金属板１３と冷却シンク部３１の本体部３１ａとの第２はんだ層１５を介した接合は、予め、金属板１３が接合される冷却シンク部の本体部３１ａの表面と、金属板１３の表面とに、前記Ｎｉメッキ層を無電解メッキにより形成しておき、その後、温度が２５０℃〜３５０℃とされた還元雰囲気下で実施した。なお、この温度は、前記範囲内で第２はんだ層１５の材質に応じて異ならせた。また、この接合の際、同時に第２はんだ層１５と同じはんだ材料により、縦、横および厚さがそれぞれ１０ｍｍ、１０ｍｍおよび０．３ｍｍとされたＡｌＮを用いたヒーターチップを回路板１２に接合した。このヒータチップは、本検証試験の実施に際して半導体チップ３０に代えて採用したものである（以下、この構成を「パワーモジュール」という）。さらに、回路板１２および金属板１３と絶縁板１１とは、Ａｌ−Ｓｉろう箔を用いてあらかじめ真空ろう付けした。なお、このろう付けに際し予め、回路板１２および金属板１３の各表面に厚さ２μｍのＮｉメッキ層を無電解メッキにより形成した。

従来例として、前記実施例および比較例と全く同じヒーターチップ、絶縁板１１、回路板１２、金属板１３および冷却シンク部３１を採用するとともに、金属板１３と冷却シンク部３１との間に、縦、横および厚さがそれぞれ７０ｍｍ、７０ｍｍおよび３ｍｍとされたＣｕＭｏ合金からなる放熱板を配設した構成を採用した。なお、該比較例の構成は、まず、回路板１２および金属板１３と絶縁板１１とをＡｌ−Ｓｉろう箔を用いて真空ろう付けした後に、Ｐｂ５０％Ｓｎはんだ材料により、ヒーターチップと回路板１２とを接合するとともに、前記放熱板と金属板１３とを接合した。さらに、厚さが約０．１５ｍｍとされたシリコーングリース層を介して、前記放熱板と冷却シンク部３１とを接着させた。なお、前記実施例および比較例と全く同様にして、回路板１２等の各表面にＮｉメッキ層も形成した。

以上の各パワーモジュールをそれぞれ、フッ素系溶媒からなる液相雰囲気下に置いて、その雰囲気温度を−４０℃から１０５℃に１０分間で上昇させ、１０５℃から−４０℃に１０分間で下降させる温度履歴を１サイクルとした温度サイクルを前記各パワーモジュールに付与し、該付与前の熱抵抗値（以下、「初期熱抵抗値」という）と比べて１０％以上の上昇が確認されたときの熱サイクル数を、このパワーモジュールの熱サイクル寿命として測定した。ここで、第２はんだ層１５等の接合部等に亀裂が発生および進展したときに、熱抵抗値が上昇することになる。この熱サイクル寿命の測定は、５００サイクル経過するたびに熱抵抗値を測定することにより実施した。

なお、熱抵抗値の測定は、冷却シンク部３１の内部空間３１ｂに水温５０℃の冷却水を循環させて、冷却フィン３１ｄの外表面を一定温度に保った状態で、ヒーターチップに１００Ｗの電力を供給して発熱させる。このヒーターチップの温度が一定になった後に、そのヒーターチップの温度（Ｔｈ）および冷却水の温度（５０℃）により、熱抵抗値（ＨＲ）を、ＨＲ＝（Ｔｈ−５０）／１００（℃／Ｗ）から算出した。ここで、ヒーターチップ温度（Ｔｈ）はあらかじめヒーターチップのＴＣＲ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を測定しておき、発熱前後のヒーターチップの抵抗値の差（ΔＲ）を求めることによって、Ｔｈ=ΔＲ／ＴＣＲ＋Ｔｒ（℃）から算出した（Ｔｒは室温）。

結果、従来例の初期熱抵抗値は０．７２（℃／Ｗ）であるのに対し、実施例の初期熱抵抗値は０．２８（℃／Ｗ）〜０．３０（℃／Ｗ）であり、従来例と比べて半分より小さくできることが確認された。また、図２に示すように、実施例では、前記熱サイクル寿命が３５００より大きく、従来例と同等に維持できることが確認された。
以上より、各構成要素１２等同士の接合信頼性を低減させることなく、積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることができる冷却シンク部付き絶縁回路基板を提供することができることが確認された。

なお、本発明の技術的範囲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、前記実施形態では、冷却シンク部３１の本体部３１ａの全体を、純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成した構成を示したが、金属板１３が設けられる表面側のみを純Ａｌ若しくはＡｌ合金（好ましくは純度９８％以上）により形成した多層構造としてもよい。

各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなく、積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることができる冷却シンク部付き絶縁回路基板を提供する。

この発明の一実施形態に係る冷却シンク部付き絶縁回路基板を有するパワーモジュールを示す全体図である。 本発明に係る冷却シンク部付き絶縁回路基板の作用効果を検証した試験結果を示す図である。

符号の説明

１０ パワーモジュール
１０ａ 冷却シンク部付き絶縁回路基板
１１ 絶縁板
１２ 回路板
１３ 金属板
１４ 第１はんだ層
１５ 第２はんだ層
２０ 絶縁回路基板
３０ 半導体チップ
３１ 冷却シンク部

Claims (2)

1. 絶縁板と、該絶縁板の一方の表面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の表面に接合された金属板とを備える絶縁回路基板と、前記金属板の、前記絶縁板に接合された表面と反対側の下面に設けられた冷却シンク部とを備える冷却シンク部付き絶縁回路基板であって、
   前記回路板の表面に第１はんだ層を介して半導体チップが接合される構成とされ、
   前記金属板と前記冷却シンク部とは、ヤング率が３５ＧＰａ以上、０．２％耐力が３０ＭＰａ以上、引張強度が４０ＭＰａ以上のＳｎを主成分とする第２はんだ層により接合されていることを特徴とする冷却シンク部付き絶縁回路基板。
2. 請求項１記載の冷却シンク部付き絶縁回路基板において、
   前記第２はんだ層は、Ｓｎ８５ｗｔ％以上、Ａｇ０．５ｗｔ％以上、Ｃｕ０．１ｗｔ％以上である３元以上の多元系合金からなるはんだにより形成されたことを特徴とする冷却シンク部付き絶縁回路基板。
   
   

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