JP2008021780A - パワー素子搭載用ユニットおよびパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けしても、パワー素子搭載用ユニットを形成した際の反りの発生を抑え、熱サイクル信頼性の低下を抑制する。
【解決手段】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、裏面に回路層１２の材質と同一の材質からなる冷却器１３がろう付けされたパワー素子搭載用ユニット１４であって、回路層１２の厚さをＡ、セラミックス板１１の厚さをＢ、冷却器１３においてセラミックス板１１とのろう付け面１８を有する天板部１９の厚さをＣとしたときに、０．７５Ｂ＜Ｃ＜１．５Ａ＜３Ｂを満たしている。
【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および２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。
特開平４−３６３０５２号公報 特開２００４−１１５３３７号公報

しかしながら、前記従来のパワー素子搭載用ユニットでは、回路層と冷却器との曲げ剛性差が大きいので、セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けすると、このろう付け時に反りが生じ易くなり、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、回路層とパワー素子とを接合するはんだ層にクラックが生じ易くなる等、熱サイクル信頼性が低下するおそれがある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けしても、このろう付け時の反りの発生を抑え、熱サイクル信頼性の低下を抑制す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、裏面に前記回路層の材質と同一の材質からなる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、前記回路層の厚さをＡ、セラミックス板の厚さをＢ、前記冷却器において前記セラミックス板とのろう付け面を有する天板部の厚さをＣとしたときに、０．７５Ｂ＜Ｃ＜１．５Ａ＜３Ｂを満たすことを特徴とする。
この発明によれば、回路層の厚さをＡ、セラミックス板の厚さをＢ、冷却器の天板部の厚さをＣとしたときに、Ｃ＜１．５Ａを満たしているので、冷却器の曲げ剛性と、回路層の曲げ剛性との差を縮めて、パワー素子搭載用ユニットを形成する際のろう付け時に生ずる反り量を低減することが可能になり、パワーモジュールにおいて回路層の表面にパワー素子を接合するはんだ層にクラックが生ずるのを抑えることが可能になる。また、１．５Ａ＜３Ｂを満たしているので、パワーモジュールの熱サイクル使用時における回路層表面の面方向に沿った伸縮変形を、セラミックス板によって拘束することが可能になり、前記はんだ層にクラックが生じたとしてもその進展を抑えることができる。さらに、０．７５Ｂ＜Ｃを満たしているので、冷却器の曲げ剛性と回路層の曲げ剛性との差を縮めたことに起因して冷却器の天板部が変形し易くなるのを抑えることが可能になり、このパワー素子搭載用ユニットの使用が妨げられるのを防ぐことができる。

また、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、裏面に前記回路層の材質と同一の材質からなる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、セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けしても、パワー素子搭載用ユニットを形成した際の反りの発生を抑え、熱サイクル信頼性の低下を抑制することができる。

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。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、裏面に内部に冷却水路１３ａが形成された冷却器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。なお、冷却器１３は、回路層１２の材質と同一の材質で形成されている

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、ＳｉＣ等が挙げられ、回路層１２および冷却器１３では純Ａｌ若しくはＡｌ合金等が挙げられ、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。なお、冷却器１３は、その全体が純Ａｌ若しくはＡｌ合金等により一体的に形成されており、例えば鋳造若しくは押出し成形により形成することができる。

そして、本実施形態では、回路層１２の厚さをＡ、セラミックス板１１の厚さをＢ、冷却器１３においてセラミックス板１１とのろう付け面１８を有する天板部１９の厚さをＣとしたときに、０．７５Ｂ＜Ｃ＜１．５Ａ＜３Ｂを満たしている。ここで、本実施形態では、天板部１９の厚さＣは、ろう付け面１８と冷却水路１３ａの上面との距離となっている。

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の裏面にろう材箔を介して冷却器１３を配置する。
以上より、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、裏面に前記ろう材箔と冷却器１３とがこの順に配置された積層体を形成する。

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、回路層１２の厚さをＡ、セラミックス板１１の厚さをＢ、冷却器１３の天板部１９の厚さをＣとしたときに、Ｃ＜１．５Ａを満たしているので、冷却器１３の曲げ剛性と、回路層１２の曲げ剛性との差を縮めて、パワー素子搭載用ユニット１４を形成する際のろう付け時に生ずる反り量を低減することが可能になり、パワーモジュール１０において回路層１２の表面にパワー素子１６を接合するはんだ層１５にクラックが生ずるのを抑えることが可能になる。

また、１．５Ａ＜３Ｂを満たしているので、パワーモジュール１０の熱サイクル使用時における回路層１２表面の面方向に沿った伸縮変形を、セラミックス板１１によって拘束することが可能になり、はんだ層１５にクラックが生じたとしてもその進展を抑えることができる。さらに、０．７５Ｂ＜Ｃを満たしているので、冷却器１３の曲げ剛性と回路層１２の曲げ剛性との差を縮めたことに起因して冷却器１３の天板部１９が変形し易くなるのを抑えることが可能になり、このパワー素子搭載用ユニット１４の使用が妨げられるのを防ぐことができる。

また、本実施形態では、冷却器１３の全体が純Ａｌ若しくはＡｌ合金等により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。

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、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。

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、純度が９９．５ｗｔ％のＡｌ合金、回路層１２および冷却器１３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の厚さＡを約４００μｍ、６００μｍまたは８００μｍ、ろう材箔を約３０μｍ、セラミックス板１１の厚さＢを約５００μｍまたは約６３５μｍ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、すなわち天板部１９のろう付け面１８と、このろう付け面１８と反対側の裏面との距離Ｄを約２．５ｍｍとするとともに、全体の幅Ｅを約２１．２５ｍｍとし、さらに、全体の長さ、すなわち冷却水路１３ａが延在する方向（図１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却水路１３ａは、冷却器１３においてろう付け面１８および前記裏面からそれぞれ同等の距離ずつ離した前記高さ方向中央部に形成して天板部１９の厚さＣを約５００μｍとし、また、冷却器１３の幅方向で隣合う冷却水路１３ａ同士の距離Ｆ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。

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。
回路層、セラミックス板、および冷却器の天板部それぞれの厚さのうち、少なくとも１つを異ならせ、他の部分は前述した具体的な実施例と同様にして６種類のパワー素子搭載用ユニットを形成した。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１０５℃に約３分間で昇温した後、１０５℃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、この切断面を光学顕微鏡を用いて撮像し、この切断面において、回路層とＳｉチップとをはんだ接合するはんだ層の全長、およびこのはんだ層で発生したクラック進展長さをそれぞれ測定した。そして、はんだ層の全長に対するクラック進展長さの比率、つまりクラック進展率の平均値を算出した。
なお、前記６種類のパワー素子搭載用ユニットにそれぞれＳｉチップをはんだ接合する前に、予め、各パワー素子搭載用ユニットに生じている反り量を測定した。
結果を表１に示す。

この結果、回路層１２の厚さＡ、セラミックス板１１の厚さＢ、および冷却器１３の天板部１９の厚さＣの関係が、０．７５Ｂ＜Ｃ＜１．５Ａ＜３Ｂを満たしていれば、パワー素子搭載用ユニット１４を形成する際のろう付け時に発生する反り量が抑えられ、しかも前記の温度サイクルを２０００サイクル付与しても、前記クラック進展率が抑えられ、前記の作用効果が奏効されることが確認された。なお、表１に記載はしていないが、実施例のパワーモジュール１０では、前記温度サイクルを付与してもセラミックス板１１にクラックが発生しなかったことも確認された。

セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けしても、パワー素子搭載用ユニットを形成した際の反りの発生を抑え、熱サイクル信頼性の低下を抑制することができる。

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。

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
１５ はんだ層
１６ パワー素子
１８ ろう付け面
１９ 天板部

Claims (2)

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、裏面に前記回路層の材質と同一の材質からなる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、
   前記回路層の厚さをＡ、セラミックス板の厚さをＢ、前記冷却器において前記セラミックス板とのろう付け面を有する天板部の厚さをＣとしたときに、０．７５Ｂ＜Ｃ＜１．５Ａ＜３Ｂを満たす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、裏面に前記回路層の材質と同一の材質からなる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