JP2008004599A - パワー素子搭載用ユニットおよびパワー素子搭載用ユニットの製造方法並びにパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器の垂下部の座屈強度を低下させることなく、パワーモジュールの熱サイクル信頼性を向上させる。
【解決手段】冷却器１３は、セラミックス板１１とのろう付け面１８を有する天板部１９と、この天板部１９においてろう付け面１８と反対の表面２０に垂設された垂下部２１とを備えるとともに、全体の平均純度が９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下のＡｌ合金で形成され、天板部１９においてろう付け面１８側の表層部１９ａに含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされ、かつこの冷却器１３において表層部１９ａを除いた部分に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされている。
【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パワー素子搭載用ユニットおよびパワー素子搭載用ユニットの製造方法並びにパワーモジュールに関するものである。

この種のパワーモジュールには、近年では、積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させるために、例えば下記特許文献１に示されるように、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットが備えられている。すなわち、セラミックス板の裏面に、他の部材を介在させずに直接、冷却器をろう付けすることによって、パワーモジュールのトータル熱抵抗を低減させている。
なお、冷却器はＡｌ合金で形成されるとともに、セラミックス板とのろう付け面を有する天板部と、この天板部において前記ろう付け面と反対の表面に垂設された垂下部とを備えている。そして、このような冷却器としては、例えば、天板部および垂下部の他に、天板部と平行に配置された状態で垂下部に連結された底板部が備えられ、これらの天板部、垂下部および底板部で囲まれた冷媒供給路を内部に備える構成や、底板部を有さず天板部と垂下部とを備え、天板部においてろう付け面と反対の表面にピン若しくはフィンとしての垂下部が複数垂設された構成が知られている。
特開平４−３６３０５２号公報

ところで、近年では、このパワーモジュールを熱サイクル下で使用する過程において、冷却器とセラミックス板との接合界面を剥離させ難くするなど熱サイクル信頼性を向上させることに対する要望がある。このような要望に応えるために、例えば、冷却器の全体を高純度のＡｌ合金若しくは純Ａｌで形成することによって、熱サイクル使用時に、セラミックス板および冷却器の各熱膨張係数の差に起因して、これらの接合界面に応力が生じようとしたときに、前記天板部のろう付け面側を塑性変形させて前記接合界面に生ずる応力を吸収させることによりこの接合界面が剥離するのを抑制することが考えられる。
しかしながら、高純度のＡｌ合金若しくは純Ａｌは、この材質よりも純度の低いＡｌ合金と比べて曲げ剛性が低くなるので、セラミックス板と冷却器とをろう付けするのに、セラミックス板の裏面にろう材箔と冷却器とをこの順に配置して積層体とした後、この積層体を積層方向に加圧したときに、冷却器の前記垂下部が座屈するおそれがある。特に近年では、パワーモジュールの軽量化に対する要望もあり冷却器は薄肉化の傾向があるが、このような薄肉の冷却器においては前記座屈がより一層生じ易くなる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、冷却器の垂下部の座屈強度を低下させることなく、パワーモジュールの熱サイクル信頼性を向上させることができるパワー素子搭載用ユニットおよびパワー素子搭載用ユニットの製造方法並びにパワーモジュール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、本発明のパワー素子搭載用ユニットは、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットであって、前記冷却器は、前記セラミックス板とのろう付け面を有する天板部と、この天板部において前記ろう付け面と反対の表面に垂設された垂下部とを備えるとともに、全体の平均純度が９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下のＡｌ合金で形成され、前記天板部においてろう付け面側の表層部に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされ、かつこの冷却器において前記表層部を除いた部分に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされていることを特徴とする。
この発明によれば、天板部においてろう付け面側の表層部に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされているので、熱サイクル使用時に、セラミックス板および冷却器の各熱膨張係数の差に起因して、これらの接合界面に応力が生じようとした場合においても、前記表層部を塑性変形させることによりこの応力を吸収させることが可能になる。これにより、前記接合界面に発生する応力を抑えることが可能になり、セラミックス板と冷却器との接合信頼性を向上させることができる。
一方、冷却器において前記表層部を除いた部分に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされて、この表層部を除いた部分の曲げ剛性は現行同等に維持することが可能になり、セラミックス板と冷却器とをろう付けするのに、セラミックス板の裏面にろう材箔と冷却器とをこの順に配置して積層体とした後、この積層体を積層方向に加圧したときに、この冷却器が薄肉に形成されていたとしても、冷却器の前記垂下部が座屈するのを抑制することができる。
以上より、冷却器の垂下部の座屈強度を低下させることなく、パワーモジュールの熱サイクル信頼性を向上させることができる。

なお、前記表層部に含まれるＦｅの濃度は、セラミックス板と冷却器との接合界面の剥離進展率の観点から０．０５ｗｔ％以下であることが好ましい。
また、前記冷却器としては、例えば、天板部および垂下部の他に、天板部と平行に配置された状態で垂下部に連結された底板部が備えられ、これらの天板部、垂下部および底板部で囲まれた冷媒供給路を内部に備える構成や、底板部を有さず天板部と垂下部とを備え、天板部においてろう付け面と反対の表面にピン若しくはフィンとしての垂下部が複数垂設された構成を採用することができる。

また、本発明のパワー素子搭載用ユニットの製造方法は、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットの製造方法であって、セラミックス板の裏面にろう材箔と冷却器とをこの順に配置して積層体とした後に、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させて、セラミックス板の裏面に冷却器をろう付けすることにより、本発明のパワー素子搭載用ユニットを形成することを特徴とする。

さらに、本発明のパワーモジュールは、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットと、回路層の表面にはんだ接合されたパワー素子とを備えたパワーモジュールであって、前記パワー素子搭載用ユニットが本発明のパワー素子搭載用ユニットであることを特徴とする。

この発明によれば、冷却器の垂下部の座屈強度を低下させることなく、パワーモジュールの熱サイクル信頼性を向上させることができる。

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。図１はこの発明の一実施形態に係るパワー素子搭載用ユニットを適用したパワーモジュールを示す全体図である。
このパワーモジュール１０は、セラミックス板１１においてその表面に回路層１２がろう付けされるとともに、裏面に冷却器１３がろう付けされたパワー素子搭載用ユニット１４と、回路層１２の表面にはんだ層１５を介してはんだ接合されたパワー素子１６とを備えている。

ここで、これらの各部材を形成する材質としては、例えば、セラミックス板１１ではＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４若しくはＳｉＣ等が挙げられ、はんだ層１５では例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の無鉛系のはんだ材、若しくは例えばＰｂＳｎ系等のＰｂを含むはんだ材が挙げられ、回路層１２では純Ａｌ若しくはＡｌ合金が挙げられる。また、セラミックス板１１と回路層１２および冷却器１３とをろう付けするろう材では、例えばＡｌ−Ｓｉ系等のＡｌ系のろう材が挙げられる。

そして、本実施形態では、冷却器１３は、セラミックス板１１とのろう付け面１８を有する天板部１９と、この天板部１９においてろう付け面１８と反対の表面２０に垂設された垂下部２１とを備えている。図示の例では、冷却器１３は、これらの天板部１９および垂下部２１に加えてさらに、前記反対の表面２０と対向する位置に天板部１９と平行に配置された底板部２２を備えるとともに、垂下部２１は天板部１９と底板部２２とを連結し、かつ一定の方向に所定の間隔をあけて複数備えられ、この一定の方向と直交する方向に延在した壁部とされている。以上より、天板部１９の反対の表面２０と底板部２２と複数の垂下部２１とで冷媒供給路１３ａが複数画成されて、冷却器１３は、その内部に複数の冷媒供給路１３ａを有する、いわゆる多穴管とされている。

さらに、これらの天板部１９、底板部２２および垂下部２１は、全体の平均純度が９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下のＡｌ合金で一体的に形成されている。なお、冷却器１３は例えば鋳造若しくは押出し成形で形成される。そして、天板部１９においてろう付け面１８側の表層部１９ａに含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされ、かつこの冷却器１３において表層部１９ａを除いた部分に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされている。
図示の例では、ろう付け面１８はセラミックス板１１の裏面よりも大きく、セラミックス板１１は、ろう付け面１８においてその外周縁よりも内方に位置する部分にろう付けされている。そして、前記表層部１９ａは、ろう付け面１８においてセラミックス板１１の裏面がろう付けされた部分に限定して形成されている。

ここで、冷却器１３に含まれるＦｅの濃度は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）装置において加速電圧を１５ｋＶとし、かつ電流値を５×１０^−８Ａとして、スポットサイズを３０μｍに設定し、冷却器１３において、表層部１９ａおよび表層部１９ａを除いた部分についてそれぞれ、任意の１０箇所で測定し、得られた測定値の平均値を算出して求めた。
また、冷却器１３全体のＡｌの平均純度は、まず、冷却器１３を、水、フッ化水素酸および硝酸がそれぞれ同量ずつ混入された水浴中（約１００℃）に浸して分解し、その後、この分解した試料を、ＩＣＰ−ＡＥＳ法（誘導結合プラズマ−発光分析法）を用いることにより測定した。

次に、以上のように構成されたパワー素子搭載用ユニット１４の製造方法について説明する。
まず、セラミックス板１１の表面にろう材箔と回路層１２とをこの順に配置するとともに、セラミックス板１１の裏面にろう材箔と冷却器１３とをこの順に配置する。これにより、セラミックス板１１において、その表面にろう材箔と回路層１２とがこの順に配置され、裏面にろう材箔と冷却器１３とがこの順に配置された積層体を形成する。ここで、セラミックス板１１と回路層１２との間に配置されたろう材箔の平面視形状は、回路層１２の平面視形状と略同形同大とされ、セラミックス板１１と冷却器１３との間に配置されたろう材箔の平面視形状は、セラミックス板１１の平面視形状と略同形同大とされている。

そして、この積層体を、不活性雰囲気、還元雰囲気、または真空中（真空度１×１０^−５Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^−３Ｐａ）以下）に置いて、積層方向に０．０９８ＭＰａ〜０．２９４ＭＰａで加圧した状態で、５７７℃以上６６０℃以下で加熱し、ろう材箔を溶融させることによって、セラミックス板１１の表面に回路層１２をろう付けにより接合し、セラミックス板１１の裏面に冷却器１３をろう付けにより接合してパワー素子搭載用ユニット１４を形成する。

以上説明したように、本実施形態によるパワー素子搭載用ユニット１４によれば、天板部１９においてろう付け面１８側の表層部１９ａに含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされているので、熱サイクル時使用に、セラミックス板１１および冷却器１３の各熱膨張係数の差に起因して、これらの接合界面に応力が生じようとした場合においても、表層部１９ａを塑性変形させることによりこの応力を吸収させることが可能になる。これにより、前記接合界面に発生する応力を抑えることが可能になり、セラミックス板１１と冷却器１３との接合信頼性を向上させることができる。

一方、冷却器１３において表層部１９ａを除いた部分に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされて、この表層部１９ａを除いた部分の曲げ剛性は現行同等に維持することが可能になり、セラミックス板１１と冷却器１３とをろう付けするのに前記積層体を積層方向に加圧したときに、この冷却器１３が薄肉に形成されていたとしても、冷却器１３の垂下部２１が座屈するのを抑制することができる。
以上より、冷却器１３の垂下部２１の座屈強度を低下させることなく、パワーモジュール１０の熱サイクル信頼性を向上させることができる。なお、冷却器１３の表層部１９ａに含まれるＦｅの濃度が０．０５ｗｔ％以下であれば、このような作用効果が確実に奏効されることになる。

また、本実施形態では、冷却器１３の全体が前記Ａｌ合金で一体的に形成されているので、この冷却器１３の構造を複雑にすることなく、パワー素子搭載用ユニット１４を形成することが可能になり、その製造コストの増大を抑えることができるとともに、このパワー素子搭載用ユニット１４を備えるパワーモジュール１０の積層方向におけるトータル熱抵抗を確実に低減することができる。

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。
前記実施形態では、純Ａｌ若しくはＡｌ合金で形成された回路層１２を示したが、これに代えて、例えば純Ｃｕ若しくはＣｕ合金で形成した回路層１２を採用してもよい。また、前記実施形態では、冷却器１３として内部に複数の冷媒供給路１３ａが形成されたいわゆる多穴管を示したが、これに代えて、例えば、幅広の冷媒供給路が１つ形成された冷却器を採用してもよく、さらにこの幅広の冷媒供給路内において天板部１９の前記反対の表面２０にフィンをろう付けした冷却器を採用してもよい。また、これらに代えて、例えば、冷却器１３が、底板部２２を有さず天板部１９と垂下部２１とを備えて、天板部１９の前記反対の表面２０に、ピン若しくはフィンとしての垂下部２１が複数垂設された冷却器を採用してもよい。

さらに、前記実施形態では、パワーモジュール１０として、回路層１２の表面にはんだ層１５を介してパワー素子１６が接合された構成を示したが、これに代えて、例えば、図２に示されるように、回路層１２とパワー素子１６との間に、純Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｍｏ系合金、若しくはＣｕ−Ｃ等の複合材料からなるヒートスプレッダ１７を設けてもよい。この場合、パワー素子１６で発生した熱を、積層方向に直交する面方向に沿って拡散させつつ積層方向に伝導させることが可能になる。
さらにまた、前記実施形態に代えて、セラミックス板１１の裏面とろう付け面１８とを同形同大にして各々の外周縁を一致させた状態で、これら１１、１８をろう付けしてもよい。この場合、表層部１９ａはろう付け面１８の全域に形成されることになる。

次に、この製造方法についての具体的な実施例について説明する。
まず、材質については、回路層１２および冷却器１３を、Ｆｅを約０．３ｗｔ％含有する純度が９９．５ｗｔ％のＡｌ合金、回路層１２とセラミックス板１１とを接合するろう材をＡｌ−Ｓｉ系（Ａｌが９２．５ｗｔ％、Ｓｉが７．５ｗｔ％）、セラミックス板１１をＡｌＮによりそれぞれ形成した。厚さについては、回路層１２を約０．８ｍｍ、ろう材箔を約３０μｍ、セラミックス板１１を約０．６３５ｍｍとした。なお、回路層１２は平面視四角形とされ、縦および横の寸法をそれぞれ、約１７ｍｍとした。また、セラミックス板１１も平面視四角形とされ、縦および横の寸法をそれぞれ、約２０ｍｍとした。

さらに、冷却器１３は、全体の高さ、すなわちろう付け面１８と底板部２２の下面との距離Ａが約２．５ｍｍとされるとともに、全体の幅Ｂが約２１．２５ｍｍとされ、さらに、全体の長さ、すなわち冷媒供給路１３ａが延在する方向（図１および図２の紙面の奥行き方向）の大きさを約６０ｍｍとした。また、平面視四角形の各冷媒供給路１３ａでは、冷却器１３の高さ方向の大きさＣを約１．５ｍｍにし、冷却器１３の幅方向の大きさＤを約１．２５ｍｍにした。そして、これらの各冷媒供給路１３ａを、ろう付け面１８および底板部２２の下面からそれぞれ約０．５ｍｍずつ離した前記高さ方向中央部に形成し、また、冷却器１３の幅方向で隣合う冷媒供給路１３ａ同士の距離Ｅを約１ｍｍとした。すなわち、天板部１９および底板部２２の各厚さを約０．５ｍｍとし、また、垂下部２１の厚さを約１ｍｍとした。
そして、前記積層体を６００℃〜６５０℃の真空中（真空度１×１０^−５Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^−３Ｐａ）以下）に置いて、約１時間、積層方向に０．０９８ＭＰａ〜０．２９４ＭＰａで加圧して、パワー素子搭載用ユニット１４を形成した。

以上により形成された冷却器１３において、電子マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用い、前記表層部１９ａとそれ以外の部分とを判定した。本実施例では、冷却器１３を切断し、その断面のろう付け面１８から冷媒供給路１３ａの上面を構成する天板部１９の前記反対の表面２０まで、つまり天板部１９の厚さ方向全域（約０．５０ｍｍ）について、加速電圧１５ｋＶ、電流値５×１０^−８Ａ、スポットサイズ１μｍ、１点測定時間５秒、移動間隔１μｍの条件でＥＰＭＡの線分析を行った。その結果を図３に示す。
この図により、ろう付け面１８から前記反対の表面２０に向かって約０．１０ｍｍまでの領域ではＦｅの濃度が低くなっており、天板部１９のうちこの領域より前記反対の表面２０側の部分ではＦｅの濃度が高くなっていることが確認される。
そして、冷却器１３において、表層部１９ａおよびこの表層部１９ａ以外の部分の各Ｆｅ濃度は、加速電圧１５ｋＶ、電流値５×１０^−８Ａ、スポットサイズ３０μｍの条件でＥＰＭＡを用いて、表層部１９ａおよびこの表層部１９ａ以外の部分のそれぞれについて、任意の１０箇所で測定し、その平均値を算出することによって求めた。

次に、以上説明した作用効果についての検証試験を実施した。
冷却器を形成するＡｌ合金のＡｌ純度を異ならせた６種類のパワー素子搭載用ユニットを形成し、これらのパワー素子搭載用ユニットの各冷却器において、前記表層部の厚さ、表層部に含まれるＦｅの濃度、および冷却器において表層部以外の部分に含まれるＦｅの濃度のうち少なくとも１つを異ならせた。なお、実施例では、Ａｌ純度を９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下の範囲内で異ならせた４種類のＡｌ合金を用いて冷却器を形成し、比較例では、Ａｌ純度を９８．０ｗｔ％よりも小さい範囲で異ならせた２種類のＡｌ合金を用いて冷却器を形成し、さらに、実施例および比較例の回路層は、Ａｌ純度が９９．５ｗｔ％のＡｌ合金を用いて形成した。また、前記各パワー素子搭載用ユニットを構成する各部材の寸法、セラミックス板の材質およびろう材の材質は前述した具体的な実施例で示したものと同様にした。
そして、これらのパワー素子搭載用ユニットそれぞれの回路層の表面に、同一の性能を有するＳｉチップをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の無鉛はんだではんだ接合したものを、−４０℃から１２５℃に約３分間で昇温した後、１２５℃から−４０℃に１０分間で降温する温度履歴を１サイクルとした熱サイクルを２０００サイクル付与した。

その後、各パワー素子搭載用ユニットを５箇所、積層方向に切断し、それぞれの切断面を研磨した後、この切断面において、セラミックス板および冷却器の接合界面の全長および剥離進展長さをそれぞれ測定した。そして、前記接合界面の全長に対する剥離進展長さの比率、つまり剥離進展率の平均値を算出した。
結果を表１に示す。

この結果、冷却器１３が、その全体の平均純度が９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下のＡｌ合金により形成されるとともに、表層部１９ａに含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされ、かつこの冷却器１３において表層部１９ａを除いた部分に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされていれば、前記の温度サイクルを２０００サイクル付与しても、前記剥離進展率が抑えられ、前記の作用効果が奏効されることが確認された。なお、全体の平均純度が９９．９ｗｔ％より大きいＡｌ合金若しくは純Ａｌで形成した冷却器をセラミックス板にろう付けしてパワー素子搭載用ユニットを形成しようとしても前記垂下部が座屈して形成することができないことも確認された。

冷却器の垂下部の座屈強度を低下させることなく、パワーモジュールの熱サイクル信頼性を向上させることができる。

この発明の一実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。 この発明の他の実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。 図１に示す冷却器において天板部の厚さ方向におけるＦｅの濃度分布の一例を示す図である。

符号の説明

１０ パワーモジュール
１１ セラミックス板
１２ 回路層
１３ 冷却器
１４ パワー素子搭載用ユニット
１６ パワー素子
１８ ろう付け面
１９ 天板部
１９ａ 表層部
２０ 反対の表面
２１ 垂下部

Claims (3)

1. セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットであって、
   前記冷却器は、前記セラミックス板とのろう付け面を有する天板部と、この天板部において前記ろう付け面と反対の表面に垂設された垂下部とを備えるとともに、全体の平均純度が９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下のＡｌ合金で形成され、
   前記天板部においてろう付け面側の表層部に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされ、かつこの冷却器において前記表層部を除いた部分に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされていることを特徴とするパワー素子搭載用ユニット。
2. セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットの製造方法であって、
   セラミックス板の裏面にろう材箔と冷却器とをこの順に配置して積層体とした後に、
   この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させて、セラミックス板の裏面に冷却器をろう付けすることにより、請求項１記載のパワー素子搭載用ユニットを形成することを特徴とするパワー素子搭載用ユニットの製造方法。
3. セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットと、回路層の表面にはんだ接合されたパワー素子とを備えたパワーモジュールであって、
   前記パワー素子搭載用ユニットが請求項１記載のパワー素子搭載用ユニットであることを特徴とするパワーモジュール。
   
   

Images