JP2008198908A - ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】熱サイクルによる熱応力が負荷されても亀裂が発生することなく、金属層とヒートシンクとを強固に接合でき、熱サイクル信頼性が高いヒートシンク付パワーモジュール用基板及びこのヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供する。
【解決手段】絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに、他方の面に金属層が形成され、前記金属層の表面にヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層の厚さが、前記回路層の厚さよりも厚くされるとともに、前記ヒートシンクは、一方向に向けて延びる貫通孔を備えた筒状部と、この貫通孔内に収容された複数の放熱フィン２４と、を有し、放熱フィン２４は、前記貫通孔に沿って延びるように、かつ、互いに平行に並列されるとともに、放熱フィン２４の延在方向に対して交差する方向にずれるオフセット部２５を備えていることを特徴とする。
【選択図】図３

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ヒートシンク付パワーモジュール用基板及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は、一般に、セラミックスよりなる絶縁基板の一方の面に回路層が形成され、他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、回路層の表面にはんだ接合された半導体チップ（電子部品）と、金属層の表面に接合されたヒートシンクを備えたものが提案されている。
ここで、ヒートシンクは、例えば特許文献１に記載されているように、一方向に向けて延びる貫通孔を備えた筒状部の内部に、複数の放熱フィンが立設された構造とされている。この貫通孔に冷却媒体を流通することで、ヒートシンク上に載置されたパワーモジュール用基板及び半導体チップ（電子部品）を効率良く冷却するものである。
特開２００６−２９４６９９号公報

ところで、従来のヒートシンクにおいては、前述のように一方向に延びる貫通孔を備えた筒状部の内部に、この貫通孔に沿って延びる複数の放熱フィンが立設された構成とされているので、このヒートシンクは、曲げ稜線が放熱フィンの延在方向に交差する方向の曲げに対する剛性が高く、曲げ稜線が前記延在方向に沿う方向の曲げに対する剛性が低くなっている。つまり、このヒートシンクは異方性を有しているのである。このヒートシンクに熱応力が負荷された場合には、曲げ剛性が高い方向には全く変形せず、曲げ剛性が低い方向で大きく変形してしまうことになる。すると、ヒートシンク又は金属層に放熱フィンの延在方向に沿った亀裂が発生してしまい、ヒートシンクと金属層との接合面、あるいは、金属層と絶縁基板との接合面で剥離が生じてしまうおそれがあった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、熱サイクルによる熱応力が負荷されても亀裂が発生することなく、金属層とヒートシンク及び金属層と絶縁基板を強固に接合でき、熱サイクル信頼性が高いヒートシンク付パワーモジュール用基板及びこのヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いた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、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに、他方の面に金属層が形成され、前記金属層の表面にヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層の厚さが、前記回路層の厚さよりも厚くされるとともに、前記ヒートシンクは、一方向に向けて延びる貫通孔を備えた筒状部と、この貫通孔内に収容された複数の放熱フィンと、を有し、該放熱フィンは、前記貫通孔に沿って延びるように、かつ、互いに平行に並列されるとともに、前記放熱フィンの延在方向に対して交差する方向にずれるオフセット部を備えていることを特徴としている。

また、本発明のパワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板の前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。

本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールにおいては、ヒートシンクは、一方向に向けて延びる貫通孔を備えた筒状部と、この貫通孔内に前記貫通孔に沿って延びるように、かつ、互いに並列された複数の放熱フィンとを有し、該放熱フィンは、その延在方向に対して交差する方向にずれるオフセット部を備えているので、オフセット部の両端面が放熱フィンの延在方向に交差する方向に延びるように配置されることになり、ヒートシンクは、オフセット部の両端面を起点として、曲げ稜線が放熱フィンの延在方向に交差する方向に曲げ変形可能となる。つまり、曲げ稜線が放熱フィンの延在方向に対して交差する方向の曲げ剛性が低くなるのである。よって、ヒートシンクに熱応力が負荷された際に、曲げ変形が一方向に集中することがなくなる。

さらに、ヒートシンクと絶縁基板との間に位置する前記金属層の厚さが、前記回路層の厚さよりも厚くされているので、ヒートシンクが熱応力によって変形する場合でも延性を備えた金属層が塑性変形することにより、絶縁基板とヒートシンクとの剥離を確実に防止することができる。
よって、ヒートシンクと金属層との接合面、又は、金属層と絶縁基板との接合面での剥離を確実に防止でき、このヒートシンク付パワーモジュール基板を用いたパワーモジュールの熱サイクル信頼性を飛躍的に向上させることができる。

ここで、前記オフセット部を、前記放熱フィンの延在方向に対して直交する方向にずれるように構成することが好ましい。
この場合、オフセット部の両端面が放熱フィンの延在方向に対して直交する方向に配置されるので、このヒートシンクは、曲げ稜線が放熱フィンの延在方向に直交する曲げに対する剛性と曲げ稜線が前記延在方向に沿う曲げに対する剛性との差が小さくなり、熱応力によるヒートシンクの変形を分散させることが容易となる。

さらに、前記放熱フィンは複数の前記オフセット部を有し、これら複数のオフセット部を前記放熱フィンの延在方向において等間隔に配設してもよい。
この場合、オフセット部の両端面が前記延在方向に複数配置されることになり、放熱フィンの延在方向に交差する方向の曲げ変形がさらに容易となり、熱応力による変形を確実に分散させることができる。

また、前記オフセット部のずれ量を、並列された複数の前記放熱フィンのピッチの１／２に設定してもよい。
この場合、オフセット部が、並列された放熱フィンのピッチの中央部に位置することになり、ヒートシンクの内部に放熱フィンが均一に配置される。これにより、このヒートシンクの変形が一箇所に集中することがなくなる。

本発明によれば、熱サイクルによる熱応力が負荷されても亀裂が発生することなく、金属層とヒートシンク及び金属層と絶縁基板を強固に接合でき、熱サイクル信頼性が高いヒートシンク付パワーモジュール用基板及びこのヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態について添付した図面を参照して説明する。図１に本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す。図２にヒートシンクを、図３にヒートシンクに備えられた放熱フィンを示す。
このパワーモジュール１は、セラミックスによって構成された絶縁基板１１の一方の面１１Ａに回路層１２がろう付けされるとともに他方の面１１Ｂに金属層１３がろう付けされ、この金属層１３の表面にヒートシンク２０がろう付けされたヒートシンク付パワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層１４を介して接合された半導体チップ１５と、を備えている。なお、金属層１３は一度に形成することはなく、例えば２段階で形成され、金属層１３の内部に境界が形成されていてもよい。

ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０に備えられた絶縁基板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４若しくはＳｉＣ等で構成されている。
回路層１２及び金属層１３はそれぞれ、例えば純Ａｌ若しくはＡｌ合金で構成されている。ここで、金属層１３は、変形抵抗が小さく熱伝導性に優れた純Ａｌ（純度９９．９９％）で構成することが特に好ましい。
金属層１３の厚さＴｍは、回路層１２の厚さＴｃよりも厚くされており、これらの厚さの比Ｔｍ／Ｔｃは、１．１６＜Ｔｍ／Ｔｃ＜１４の範囲内に設定され、本実施形態では、Ｔｍ／Ｔｃ＝２．０とされている。
また、はんだ層１４は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。さらに、ヒートシンク２０と金属層１３とは、例えばＡｌ−Ｓｉ系のろう材でろう付けされている。

ヒートシンク２０は、純Ａｌ、Ａｌ合金で構成されており、一方向に向けて延びる貫通孔２２を備えた筒状部２１と、貫通孔２２内に収容されるフィン部材２３とを有している。
筒状部２１は、図２に示すように、底板とこの底板から起立する側板とを備えた本体部２１Ａと、この本体部２１Ａの側板に連設される天板部２１Ｂとからなり、これら天板部２１Ｂと本体部２１Ａとがろう材によって結合されることで、断面矩形状をなす前記貫通孔２２が画成されている。なお、本体部２１Ａの側板の厚さは天板部２１Ｂとの接合面積を確保するために厚くされている。一方、天板部２１Ｂの厚さは伝熱効率を考慮して薄くされている。

この貫通孔２２に収容されるフィン部材２３は、図３に示すように、下側に向けて開口する断面コの字状をなす複数の放熱フィン２４が互いに平行に並列され、隣接する放熱フィン２４同士が放熱フィン２４の下端で連結された構成とされており、全体として概略板状をなしている。なお、本実施形態では、図３に示すように、６つの放熱フィン２４が並列されている。

この放熱フィン２４は、一方向に向けて延在するように設けられるとともに、この放熱フィン２４の延在方向に対して交差する方向にずれるオフセット部２５を有している。ここで、オフセット部２５のずれ方向と放熱フィン２４の延在方向とがなす角度は、８０°〜１００°の範囲内に設定され、本実施形態では９０°に設定されている。つまり、オフセット部２５は、放熱フィン２４の延在方向に対して直交する方向にずれているのである。

オフセット部２５は、放熱フィン２４の延在方向において複数（本実施形態では８つ）形成されており、これら複数のオフセット部２５が放熱フィン２４の延在方向において等間隔に配置されている。ここで、本実施形態においては、オフセット部２５の前記延在方向長さＬ１とオフセット部２５同士の間の前記延在方向距離Ｌ２とが同一となるように構成されている。また、オフセット部２５のずれ量は、隣接する放熱フィン２４同士の距離、いわゆる、放熱フィン２４のピッチＰの１／２に設定されている。

次に、前述のパワーモジュール１の製造方法について説明する。
まず、Ａｌ板を打ち抜いて回路層１２及び金属層１３を形成する。このうち抜きの際に、回路層１２には配線パターンが形成されている。
次に、絶縁基板１１の一方の面１１Ａに回路層１２をろう付けにて接合し、セラミックス板１１の他方の面１１Ｂに金属層１３をろう付けにて接合する。ここで、セラミックス板１１と回路層１２及び金属層１３とは、例えば厚さが２〜７０μｍのＡｌ系のろう材箔を用いてろう付けされている。このようにしてパワーモジュール用基板が成形される。

次に、このパワーモジュール用基板の金属層１３と筒状部２１の天板部２１Ｂとをろう付けするとともに、内部にフィン部材２３を配置した本体部２１Ａと天板部２１ｂとをろう付けする。つまり、このろう付け工程において、ヒートシンク２０の成形と、ヒートシンク２０とパワーモジュール用基板との接合を同時に行っているのである。

そして、回路層１２の表面に、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材を用いて、半導体チップ１５がはんだ付けされる。
以上のようにして、ヒートシンク２０を備えたパワーモジュール１が製作される。

このような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０においては、ヒートシンク２０が一方向に向けて延びる貫通孔２２を備えた筒状部２１と、貫通孔２２内に収容されるフィン部材２３とを有し、フィン部材２３が貫通孔２２に沿って延びる複数の放熱フィン２４を備えており、この放熱フィン２４がその延在方向に対して交差する方向にずれるオフセット部２５を備えているので、オフセット部２５の両端面が放熱フィン２４の延在方向に交差する方向に延びるように配置されることになる。
よって、このヒートシンク２０は、オフセット部２５の両端面を起点として、曲げ稜線が放熱フィン２４の延在方向に交差する方向の曲げ（図２及び図３においてＹ−Ｙ方向の曲げ）に対する剛性が低くなって曲げ変形可能となる。ヒートシンク２０に熱応力が負荷された場合には、ヒートシンク２０には、曲げ稜線が放熱フィン２４の延在方向に沿う方向の曲げ変形（図２及び図３においてＸ−Ｘ方向の曲げ変形）と、曲げ稜線が放熱フィン２４の延在方向に交差する方向の曲げ変形（図２及び図３においてＹ−Ｙ方向の曲げ変形）とが発生し、熱応力による変形が分散されることになる。これにより、絶縁基板１１と金属層１３との界面の破断や亀裂、絶縁基板１１のクラックの発生を防止することが可能となる。

また、ヒートシンク２０と絶縁基板１１との間に位置する金属層１３の厚さＴｍが、回路層１２の厚さＴｃよりも厚くされているので、ヒートシンク２０が熱応力によって変形する場合でも延性を備えた金属層１３が塑性変形することになり、金属層１３と絶縁基板１１との接合面に亀裂が発生することを防止できる。
よって、ヒートシンク２０と金属層１３、及び、金属層１３と絶縁基板１１との剥離を防止でき、このヒートシンク付パワーモジュール基板１０を用いたパワーモジュール１の熱サイクル信頼性を飛躍的に向上させることができる。
なお、本実施形態では、金属層１３の厚さＴｍと回路層１２の厚さＴｃとの比Ｔｍ／Ｔｃが１．１６＜Ｔｍ／Ｔｃ＜１４の範囲内に設定されているので、金属層１３の厚さが確保されてヒートシンク２０と絶縁基板１１との間に発生する熱応力を確実に吸収して亀裂の発生を防止できるとともに、金属層１３の厚さＴｍと回路層１２の厚さＴｃの差が過度に大きくならずに熱抵抗を小さく抑えることができる。

また、オフセット部２５が放熱フィン２４の延在方向に対して直交する方向にずれるように構成されているので、オフセット部２５の両端面が放熱フィン２４の延在方向に対して直交する方向に配置されることになり、このヒートシンク２０においては、曲げ稜線が放熱フィン２４の延在方向に直交する方向の曲げに対する剛性と曲げ稜線が放熱フィン２４の延在方向に沿う方向の曲げに対する剛性との差を小さくすることができる。これにより、熱応力によるヒートシンク２０の変形を確実に分散させることが容易となる。

さらに、オフセット部２５が放熱フィン２４の延在方向において複数形成され、これら複数のオフセット部２５が放熱フィン２４の延在方向において等間隔に配設されているので、曲げ稜線が放熱フィン２４の延在方向に直交する方向の曲げの起点となるオフセット部の両端面が前記延在方向に複数配置されることになり、曲げ稜線が放熱フィン２４の延在方向に直交する方向の曲げ変形がさらに容易となり、熱応力によるヒートシンク２０の変形を確実に分散させることができ、亀裂の発生を防止できる。

また、オフセット部２５のずれ量が並列された複数の放熱フィン２４のピッチＰの１／２に設定されているので、オフセット部２５が、並列された放熱フィン２４のピッチＰの中央部に位置することになり、ヒートシンク２０の内部に放熱フィン２４が均一に配置される。これにより、このヒートシンク２０の変形が一箇所に集中することがなくなる。

さらに、フィン部材２３において、オフセット部２５のずれ方向と放熱フィン２４の延在方向とがなす角度が、８０°〜１００°の範囲内に設定されているので、このフィン部材２３は曲げ稜線が放熱フィン２４の延在方向に沿った方向、及び、曲げ稜線が前記延在方向に交差する方向で曲げ変形することになる。よって、一方向での曲げ変形量が小さくなり、亀裂の発生を確実に防止することができる。

また、ろう付け工程において、ヒートシンク２０の成形と、パワーモジュール用基板とヒートシンク２０との接合とが同時に行うことができるので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１０の製造コストを大幅に低減することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、筒状部２１を本体部２１Ａと天板部２１Ｂとに分割してこれらの間にフィン部材２３を配置した状態で本体部２１Ａと天板部２１Ｂとをろう付けすることでヒートシンク２０を成形するものとして説明したが、これに限定されることはなく、予め筒状に形成された筒状部２０に前述のフィン部材２３を挿入することでヒートシンク２０を成形してもよい。

また、放熱フィン２４を下側を向く断面コの字状をなす形状としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、放熱フィン２４の断面形状は任意に設定することができる。
さらに、オフセット部２５のずれ方向、ずれ量、前記延在方向長さＬ１、前記延在方向におけるオフセット部２４同士の間の距離Ｌ２は、本実施形態に限定されることはなく、使用状態等を考慮して適宜設定することができる。ただし、本実施形態のように構成することにより、ヒートシンク２０の異方性を大幅に改善することが可能となる。

また、Ａｌ板を打ち抜くことで配線パターンを有する回路層１２を形成したが、これに限定されることはなく、回路層１２の表面にレジスト膜を形成してエッチング処理を行うことで配線パターンを形成してもよい。
さらに、ヒートシンク２０、絶縁基板１１、回路層１２、金属層１３等は、実施形態の材質に限定されることはなく、他の材質で構成されていてもよい。

本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す側面図である。 図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板に備えられたヒートシンクの斜視図である。 図２に示すヒートシンクに備えられたフィン部材の斜視図である。

符号の説明

１ パワーモジュール
１１ 絶縁基板
１２ 回路層
１３ 金属層
１５ 半導体チップ（電子部品）
２０ ヒートシンク

Claims (5)

1. 絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに、他方の面に金属層が形成され、前記金属層の表面にヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
   前記金属層の厚さが、前記回路層の厚さよりも厚くされるとともに、
   前記ヒートシンクは、一方向に向けて延びる貫通孔を備えた筒状部と、この貫通孔内に収容された複数の放熱フィンと、を有し、
   該放熱フィンは、前記貫通孔に沿って延びるように、かつ、互いに平行に並列されるとともに、前記放熱フィンの延在方向に対して交差する方向にずれるオフセット部を備えていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
2. 請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
   前記オフセット部は、前記放熱フィンの延在方向に対して直交する方向にずれていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
3. 請求項１または請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
   前記放熱フィンは複数の前記オフセット部を有し、これら複数のオフセット部が、前記放熱フィンの延在方向において等間隔に配設されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
   前記オフセット部のずれ量が、並列された複数の放熱フィンのピッチの１／２に設定されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、該ヒートシンク付パワーモジュール用基板の前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴とするパワーモジュール。

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