JP2007081202A - 絶縁回路基板および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とを備えた絶縁回路基板であって、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が接合されるとともに、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第２はんだ層１５を介して冷却シンク部３１が接合される構成とされ、回路板１２は、純度が９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成され、金属板１３は、純度が９８．００％以上９９．９０％以下のＡｌ合金により形成されている。
【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絶縁回路基板および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（例えばシリコーングリース）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号公報

ところで、近年では、前記冷却シンク部付き絶縁回路基板における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絶縁回路基板および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た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とともに、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第２はんだ層を介して冷却シンク部が接合される構成とされ、前記回路板は、純度が９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成され、前記金属板は、純度が９８．００％以上９９．９０％以下のＡｌ合金により形成されたことを特徴とする。

この発明では、前記回路板が純度９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成され、前記金属板が純度９８．００％以上９９．９０％以下のＡｌ合金により形成されているので、前記金属板を前記第２はんだ層を介して冷却シンク部に直接接合することにより、熱伝導性グリースを介在させず、しかも接合界面数を低減させて、積層方向におけるトータル熱抵抗の低減されたパワーモジュールを形成しても、前記第１、第２はんだ層に亀裂が発生および進展することを抑制することが可能になる。

すなわち、前記回路板が純度９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成されると、パワーモジュールに熱サイクルが作用したときに、回路板に大きなひずみを蓄積させて、前記第１はんだ層に蓄積されるひずみ量を抑えることが可能になり、この第１はんだ層に亀裂が発生および進展することを抑制することができる。
また、前記金属板が純度９８．００％以上９９．９０％以下のＡｌ合金により形成されると、パワーモジュールに熱サイクルが作用したときに金属板に蓄積されるひずみにより、この金属板を加工硬化させることが可能になり、当該絶縁回路基板全体の熱変形挙動に占める絶縁板の寄与度を減少させる一方、金属板の寄与度を増大させることができる。したがって、この絶縁回路基板全体の熱膨張係数が見かけ上増大し、前記冷却シンク部の熱膨張係数との差が小さくなり、前記第２はんだ層に蓄積されるひずみ量を低減させることが可能になり、この第２はんだ層に亀裂が発生および進展することを抑制することができる。

以上より、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絶縁回路基板を提供することができる。

ここで、前記回路板の厚さ（ａ）は０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下とされるとともに、前記金属板の厚さ（ｂ）は０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とされ、かつａ／ｂ≦１とされてもよい。

この場合、前記第１、第２はんだ層に発生する応力を緩和させることができる。
すなわち、前記金属板の厚さ（ｂ）が０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下で、かつａ／ｂ≦１とされて、その厚さが厚くされているので、金属板の上面に熱膨張係数の小さい絶縁板が接合されて、この絶縁板により金属板の上面側における熱変形が拘束されたとしても、金属板の下面側における熱変形が絶縁板により拘束されることを抑制することが可能になる。また、前記回路板の厚さ（ａ）が０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下で、かつａ／ｂ≦１とされて、その厚さが薄くされているので、この回路板の上下面に、熱膨張係数が小さい半導体チップおよび絶縁板がそれぞれ接合されることにより、この回路板の熱変形を偏りなく均等に拘束することが可能になる。

ここで、前記回路板の厚さが０．２ｍｍより小さいと、該回路板に流せる電流量が制限され、また、この厚さが０．８ｍｍより大きいと、絶縁板により回路板の熱変形を偏りなく均等に拘束させることが困難になり、前記第１はんだ層における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなって、接合信頼性を低下させるおそれがある。

前記金属板の厚さが０．６ｍｍより小さいと、この金属板の熱変形が、その上面側のみならず下面側も絶縁板により拘束されることになり、前記第２はんだ層における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなって、接合信頼性が低下するおそれがあり、また、この厚さが１．５ｍｍより大きいと、金属板の熱変形により、絶縁板および回路板が変形させられることによって、前記第１はんだ層における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなり、接合信頼性を低下させるおそれがある。

また、本発明の冷却シンク部付き絶縁回路基板は、請求項１または２に記載の絶縁回路基板と、前記冷却シンク部とが備えられ、前記第２はんだ層は、Ｓｎを主成分とするはんだにより形成されていることを特徴とする。

この発明では、前記金属板と冷却シンク部とがＳｎを主成分とする第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、各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り、パワーモジュールの接合信頼性をさらに向上させることができる。

ここで、前記第２はんだ層は、ヤング率が３５ＧＰａ以上、０．２％耐力が３０ＭＰａ以上、引張強度が４０ＭＰａ以上とされてもよい。

この場合、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に熱サイクルが作用したときに、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ひずみ量を低減させることが可能になり、前記金属板を加工硬化させることが可能になることと相俟って、第２はんだ層に亀裂が生ずること等を防ぐことができる。

また、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可能になる絶縁回路基板および冷却シンク部付き絶縁回路基板を提供することことができる。

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、厚さ約２μｍの図示されない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が、純度９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成され、金属板１３が、純度９８．００％以上９９．９０％以下の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。

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０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下とされ、金属板１３の縦、横および厚さがそれぞれ１０ｍｍ〜１００ｍｍ、１０ｍｍ〜１００ｍｍおよび０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下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１はんだ層１４および第２はんだ層１５の厚さは０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍとされている。

また、前記の数値範囲において、回路板１２の厚さは金属板１３の厚さより小さくされており、回路板１２の厚さをａ、金属板１３の厚さをｂとすると、ａ／ｂ≦１の関係を満たしている。

以上説明したように、本実施形態に係るパワーモジュール１０によれば、回路板１２が純度９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成され、金属板１３が純度９８．００％以上９９．９０％以下のＡｌ合金により形成されているので、金属板１３を冷却シンク部３１の本体部３１ａに第２はんだ層１５を介して直接接合することにより、熱伝導性グリースを介在させず、しかも接合界面数を低減させて、積層方向におけるトータル熱抵抗の低減されたパワーモジュール１０を形成しても、第１、第２はんだ層１４、１５に亀裂が発生および進展することを抑制することが可能になる。

すなわち、回路板１２が純度９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成されると、パワーモジュール１０に熱サイクルが作用したときに、回路板１２に大きなひずみを蓄積させて、第１はんだ層１４に蓄積されるひずみ量を抑えることが可能になり、この第１はんだ層１４に亀裂が発生および進展することを抑制することができる。

また、金属板１３が純度９８．００％以上９９．９０％以下のＡｌ合金により形成されると、パワーモジュール１０に熱サイクルが作用したときに金属板１３に蓄積されるひずみにより、この金属板１３を加工硬化させることが可能になり、当該絶縁回路基板２０全体の熱変形挙動に占める絶縁板１１の寄与度を減少させる一方、金属板１３の寄与度を増大させることができる。したがって、この絶縁回路基板２０全体の熱膨張係数が見かけ上増大し、冷却シンク部３１の熱膨張係数との差が小さくなり、第２はんだ層１５に蓄積されるひずみ量を低減させることが可能になり、この第２はんだ層１５に亀裂が発生および進展すること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絶縁回路基板２０を提供することができる。

本実施形態では、回路板１２および金属板１３の厚さが前記範囲に設定されているので、第１、第２はんだ層１４、１５に発生する応力を緩和させることができる。
すなわち、金属板１３の厚さ（ｂ）が０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下で、かつａ／ｂ≦１とされて、その厚さが厚くされているので、金属板１３の上面に熱膨張係数の小さい絶縁板１１が接合されて、この絶縁板１１により金属板１３の上面側における熱変形が拘束されたとしても、金属板１３の下面側における熱変形が絶縁板１１により拘束されることを抑制することが可能になる。

また、回路板１２の厚さ（ａ）が０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下で、かつａ／ｂ≦１とされて、その厚さが薄くされているので、この回路板１２の上下面に、熱膨張係数が小さい半導体チップ３０および絶縁板１１がそれぞれ接合されることにより、この回路板１２の熱変形を偏りなく均等に拘束することが可能になる。

ここで、回路板１２の厚さが０．２ｍｍより小さいと、該回路板１２に流せる電流量が制限され、また、この厚さが０．８ｍｍより大きいと、絶縁板１１により回路板１２の熱変形を偏りなく均等に拘束させることが困難になり、第１はんだ層１４における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなって、接合信頼性を低下させるおそれがある。

金属板１３の厚さが０．６ｍｍより小さいと、この金属板１３の熱変形が、その上面側のみならず下面側も絶縁板１１により拘束されることになり、第２はんだ層１５における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなって、接合信頼性が低下するおそれがあり、また、この厚さが１．５ｍｍより大きいと、金属板１３の熱変形により、絶縁板１１および回路板１２が変形させられることによって、第１はんだ層１４における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなり、接合信頼性を低下させるおそれがある。

また、本実施形態では、金属板１３と冷却シンク部３１とが、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ので、冷却シンク部３１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り、パワーモジュール１０の接合信頼性をさらに向上させることができる。

さらに、第２はんだ層１５のヤング率、０．２％耐力および引張強度が前記大きさとされていることから、パワーモジュール１０に熱サイクルが作用したときに、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に蓄積されるひずみ量を低減させることが可能になり、金属板１３を加工硬化させることが可能になることと相俟って、第２はんだ層１５に亀裂が生ずること等を防ぐことができる。

ここで、以上の作用効果のうち、回路板１２を純度９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成し、金属板１３を純度９８．００％以上９９．９０％以下のＡｌ合金により形成したことにより、第１、第２はんだ層１４、１５に亀裂が発生および進展するのを防ぐことができることについて、実験により検証した（以下、「第１検証実験」という）。

本実験に供する冷却シンク部付き絶縁回路基板として、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、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、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、Ｓｎ３．５％Ａｇ０．７５％Ｃｕからなる第２はんだ層１５の厚さが０．３ｍｍとされた構成を採用した。

以上の構成において、回路板１２および金属板１３を形成する各Ａｌ合金のＡｌ純度をそれぞれ異ならせた３６種類の冷却シンク部付き絶縁回路基板を形成した。以下、これらのうち、回路板１２を形成するＡｌ合金の純度が９９．９８％以上で、かつ金属板１３を形成するＡｌ合金の純度が９８．００％以上９９．９０％以下の構成を第１実施例といい、これ以外の構成を第１比較例という。

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３００℃とされた還元雰囲気下で実施した。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。

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１、第２はんだ層１４、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）。

従来例として、前記パワーモジュールと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、該従来例の構成は、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、前記第１実施例および第１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。

結果、従来例の初期熱抵抗値は０．７２（℃／Ｗ）であるのに対し、第１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、前記第１比較例では、前記熱サイクル寿命が３０００以下であるのに対し、第１実施例では３５００より大きいことが確認された。
以上より、回路板１２を形成するＡｌ合金の純度が９９．９８％以上で、かつ金属板１３を形成するＡｌ合金の純度が９８．００％以上９９．９０％以下とされたパワーモジュール１０では、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ことが確認された。

次に、金属板１３の厚さおよび回路板１２の厚さを前記範囲としたことによって、熱サイクルにより第１、第２はんだ層１４、１５に発生する応力を緩和できることについて、実験により検証した（以下、「第２検証実験」という）。

本実験に供するパワーモジュールとして、前記第１検証実験で採用したパワーモジュールにおいて、回路板１２を純度９９．９９％のＡｌ合金により形成するとともに、金属板１３を純度９９．５０％のＡｌ合金により形成し、回路板１２および金属板１３の厚さを、０．２ｍｍから１．５ｍｍまでの範囲で種々異ならせた４９種類の構成を採用した。以下、回路板１２の厚さ（ａ）が０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下、金属板１３の厚さ（ｂ）が０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下で、ａ／ｂ≦１とされた構成を第２実施例といい、これ以外の構成を第２比較例という。

以上の各パワーモジュールにそれぞれ、前記第１検証実験と同様にして温度サイクルを付与し、熱サイクル寿命を測定した。
結果、第２実施例においても、前記第１実施例と同様に、初期熱抵抗値が０．２８（℃／Ｗ）〜０．３０（℃／Ｗ）であり、前記第１検証実験で示した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３に示すように、第２比較例では、前記熱サイクル寿命が３０００以下であるのに対し、第２実施例では３５００より大きいことが確認された。
以上より、回路板１２の厚さ（ａ）が０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下、金属板１３の厚さ（ｂ）が０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下で、ａ／ｂ≦１とされたパワーモジュール１０では、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ことが確認された。

次に、第２はんだ層１５のヤング率、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ことにより、第２はんだ層１５に亀裂が生ずること等を防止できることについての検証実験を実施した。

本実験に供するパワーモジュールとして、前記第１検証実験で採用したパワーモジュールにおいて、回路板１２を純度９９．９９％のＡｌ合金により形成するとともに、金属板１３を純度９９．５０％のＡｌ合金により形成し、第２はんだ層１５の材質を異ならせた１０種類の構成を準備した。

以上の各パワーモジュールにそれぞれ、前記第１検証実験と同様にして温度サイクルを付与し、熱サイクル寿命を測定した。
結果、図４に示す第３実施例においても、前記第１、第２実施例と同様に、初期熱抵抗値が０．２８（℃／Ｗ）〜０．３０（℃／Ｗ）であり、前記第１検証実験で示した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４に示すように、第３比較例では、前記熱サイクル寿命が３０００以下であるのに対し、第３実施例では３５００より大きく、前記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パワーモジュール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、前記冷却シンク部３１に、絶縁板１１の熱膨張係数と冷却シンク部３１の本体部３１ａの熱膨張係数との中間の熱膨張係数を有するＣｕ等からなる応力緩衝部材を備えさせ、該応力緩衝部材を、金属板１３と冷却シンク部３１との間に配設するようにしてもよく、また、この応力緩衝部材に代えて、純度が９９％以上の純Ａｌからなるひずみ吸収部材を配設するようにしてもよい。

さらに、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可能になる絶縁回路基板および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絶縁回路基板を用いたパワーモジュールを示す全体図である。 この発明の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの作用効果に係る第１検証試験の結果を示す図である。 この発明の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの作用効果に係る第２検証試験の結果を示す図である。 この発明の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの作用効果に係る第３検証試験の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 (5)

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た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とともに、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第２はんだ層を介して冷却シンク部が接合される構成とされ、
   前記回路板は、純度が９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成され、前記金属板は、純度が９８．００％以上９９．９０％以下のＡｌ合金により形成されたことを特徴とする絶縁回路基板。
2. 請求項１記載の絶縁回路基板において、
   前記回路板の厚さ（ａ）は０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下とされるとともに、前記金属板の厚さ（ｂ）は０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とされ、かつａ／ｂ≦１であることを特徴とする絶縁回路基板。
3. 請求項１または２に記載の絶縁回路基板と、前記冷却シンク部とが備えられ、
   前記第２はんだ層は、Ｓｎを主成分とするはんだにより形成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。
4. 請求項３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、ヤング率が３５ＧＰａ以上、０．２％耐力が３０ＭＰａ以上、引張強度が４０ＭＰａ以上と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。
5. 請求項４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。
   
   

Images