JP2009016527A - パワーモジュールとその放熱板・セラミック層接合基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器の上に固定された放熱板に、上に凸の反りを発生しないようにして放熱板と冷却器との間の密着性を確保することで優れた放熱性能を有し、更に、十分な接合強度と優れた導電性のあるパワーモジュールを提供すること。
【解決手段】放熱板の上にセラミック（窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、又はジルコニア）を溶射して絶縁層が形成され、前記の絶縁層の上に、金属（純銅又は銅合金）を被覆して通電層が形成されたパワーモジュール。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車、電車、工作機械等の大電流を制御するためのパワーモジュールに関し、特に冷却器の上に固定された放熱板に上に凸の反りを発生させないことで放熱性と接合強度に優れたパワーモジュールと、その放熱板・セラミック層接合基板の製造方法に関する。

従来のパワーモジュールでは、はんだ結合が用いられているが、回路基板と放熱板の熱膨張係数が互いに異なるので、バイメタル効果により、反りが発生するという問題がある。これは、回路基板と放熱板との間にある「はんだ」が加熱により溶解し、その後に冷却される際にはんだが硬化してゆくため、収縮しようとする放熱板との間において応力干渉が発生し、冷却が完了する時には中央部が盛り上がるような反り、すなわち上に凸の反りが発生する。

図７は、従来のパワーモジュールの冷却器の上に固定された放熱板に生じた反りを撮影した写真であり、上に凸の反りが発生していることが示されている。図８は、従来のパワーモジュールの放熱板に生じた上に凸の反りについて、説明の便宜上、誇張して描いた説明図である。放熱板に上に凸の反りが発生すると、この放熱板と冷却器との間に空間が発生するので、グリースを厚くしてこれを埋める。しかし、グリースの熱伝導率は、約２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であるのに対し、冷却器の熱伝導率は、約１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であり、両者に大きな差があるので、グリースの厚みが増すと放熱性が低下するという問題がある。

特許文献１は、上記の問題点を解決するために、回路基板を放熱板にはんだ付けした半導体モジュールにおいて、放熱板を三層とし、該放熱板の基板取付け側金属層の熱膨張率を反対側金属層の熱膨張率より小さくして、反りの発生を防止する発明を開示している。

しかし、特許文献１の発明では、放熱板を三層構造としなければならないので、手間とコストがかかるという問題点があった。

図８は、従来例のパワーモジュールの一例を示すもので、冷却器１０の上に固定された放熱板２０に、ＤＢＡ（Direct Brazing Aluminum）により製造されたＤＢＡ積層基板３０がはんだ層４０を介して固定され、このＤＢＡ積層基板３０の上には、更にはんだ層４０を介してシリコン素子５０が固定されている。上に凸の反りが発生して放熱板２０と冷却器１０の表面との間は、グリース６０で埋められている。

図９は、図８が示す従来例のＤＢＡ基板の積層構造を示している。窒化アルミニウム基板７０の上下には、ろう材層８０を介してニッケルメッキ層９０が形成されている。

上記のＤＢＡ積層基板を使用する理由は、基板であるＡｌＮ（窒化アルミニウム）に接合する際に、純銅の場合には、ろう付け温度が高くなり残留応力が大きくなって剥離が生じやすいので、ろう材の融点が低いアルミニウムを使うのであるが、純アルミニウムは、純銅と比較して電気抵抗が高いという問題が発生する。
特開２００４−３２７７１１号公報

本発明は、このような事情を鑑みなされたもので、放熱板に上に凸の反りが発生しないようにすることで放熱板と冷却器との間に空間を発生させないようにして、パワーモジュールの放熱板とセラミック層接合基板を製造することと共に、放熱性と接合強度に優れたパワーモジュールを提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するために、本発明のパワーモジュールの製造方法は、放熱板の上にセラミックを溶射して絶縁層を形成する成膜工程において、該絶縁層の膜厚を調節することにより、該放熱板の反り状態を制御することを特徴とする製造方法である。

また、本発明のパワーモジュールの製造方法は、上記の特徴に加えて、前記セラミックは、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ又はジルコニアであることを特徴とする製造方法である。

また、本発明のパワーモジュールの製造方法は、上記の特徴に加えて、前記絶縁層の膜厚は、０．８ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下であることを特徴とする製造方法である。

また、本発明のパワーモジュールの製造方法は、上記の特徴に加えて、前記絶縁層の上に、金属を被覆して通電層を形成することを特徴とする製造方法である。

また、本発明のパワーモジュールの製造方法は、上記の特徴に加えて、前記通電層を形成する前記金属は、純銅又は銅合金であることを特徴とする製造方法である。

また、本発明のパワーモジュールの製造方法は、上記の特徴に加えて、前記純銅又は銅合金の前記通電層は、コールドスプレー又は摩擦肉盛又は溶射により形成されることを特徴とする製造方法である。

さらに、本発明のパワーモジュールは、放熱板の上にセラミックの溶射により形成された絶縁層を有し、該絶縁層の上に金属を被覆して形成された通電層を有し、該通電層の上にシリコン素子が載置されていることを特徴とするものである。

また、本発明のパワーモジュールは、上記の特徴に加えて、前記セラミックは、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ又はジルコニアであることを特徴とするものである。

また、本発明のパワーモジュールは、上記の特徴に加えて、前記絶縁層の膜厚は、０．８ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下であることを特徴とするものである。

また、本発明のパワーモジュールは、上記の特徴に加えて、前記通電層を形成する前記金属は、純銅又は銅合金であることを特徴とするものである。

本発明によれば、パワーモジュールの冷却器の上に固定された放熱板に、上に凸の反りを発生しないようにして放熱板と冷却器との間に空間を発生させることなく、放熱板を冷却器の表面に密着して固定できるので、接合強度と放熱性能に優れたパワーモジュールを製造することができる。また、従来の絶縁基板の積層構造を省略できるので、パワーモジュールの加工工程を簡素化したり短縮化したりすることができる。

本発明は、接合強度と導電性に優れ、かつ製造工程が簡素化されるパワーモジュールの簡素な構造を提供する。

本発明を実施するための最良の形態は、パワーモジュールの放熱板の上に、セラミックを溶射して絶縁層を形成することにより、この放熱板の反りを抑えることである。

本発明の実施例を、以下、添付図面を参照して説明する。
図１は本発明に係るパワーモジュールの一実施例を示す。冷却器１の上に固定された放熱板２の上にセラミックを溶射して絶縁層３を形成している。セラミックとしては、例えば、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、又はジルコニアを用いる。このようにすると、溶射された材料が凝固する際の収縮力により、放熱板２には、図１に示すように、下に凸の反りが生じるのである。

図２は、図１に示されたところの下に凸の反りを生じた放熱板をボルト７によりグリス６を挿んで冷却器の表面に固定した状態を示す。

図３は、溶射膜厚に対する（下に凸の）反り量の関係を調べた実験結果を示す。溶射材料には窒化アルミニウムを、放熱板には銅モリブデン合金の１４１×７３×３ｍｍのものを使った。溶射して形成する膜厚が大きい程、放熱板の反りはより大きくなることが示されている。これは、膜厚が厚いほど溶射材料の収縮力が大きくなるためと考えられる。

この膜厚が２．０ｍｍ以上では、上記の反りが大きくなって、上記したボルトによる締結の際にも放熱板の下に空間が残り、グリースを厚く用いることとなる。その結果、前記したとおり、グリースの熱伝導率が冷却器と比較して格段に低いため、放熱性が低下するという問題が発生する。

図４は、溶射膜厚に対する絶縁耐圧の関係を調べた実験結果を示す。パワーモジュールでは、絶縁耐圧目標値は８ｋｖ以上とすることが望まれており、その際の膜厚は、０．８ｍｍ以上となる。そのため、この厚さが、０．８ｍｍ未満であると、絶縁性に問題が発生するおそれがある。

以上の実験結果により、溶射して形成する絶縁膜の膜厚は、０．８ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下であることが望ましい。

図５は、通電層の製法別に窒化アルミニウム基板に対する接合強度を調べた実験結果を示す。材料中の残留応力の大小が接合力の大小に関係するものと考えられるが、実験結果によれば、接合強度が最も大きいのは純銅コールドスプレーであり、以下、純銅摩擦肉盛、純銅溶射、純銅ろう付けの順となる。通常、接合強度は３０ＭＰａ以上が望まれており、この条件を満たすものは、純銅コールドスプレー、純銅摩擦肉盛、純銅溶射の三者である。

図６は、通電層の製法別に電気抵抗率を調べた実験結果を示す。純銅溶射の電気抵抗率が高いのは、大気中で溶融させて吹き付けるプロセスであるため、通電部が酸化されやすいためと考えられ、純アルミニウムのバルクより高くなっている。これに対し、コールドスプレー法や摩擦肉盛法では、粉末を溶融するものではないので、通電部が酸化されにくいので、純アルミニウムのバルクより低い電気抵抗率を示している。

以上の実験結果によれば、接合強度と電気抵抗率の両者に面で好ましいものは、純銅コールドスプレーと純銅摩擦肉盛であることがわかる。

図１は、本発明に係るパワーモジュールの一実施例を示す。 図２は、本発明に係るパワーモジュールの一実施例の放熱板が冷却器に締結された状態を示す。 図３は、溶射膜厚と（下に凸の）反り量の関係を調べた実験結果を示す。 図４は、溶射膜厚と絶縁耐圧の関係を調べた実験結果を示す。 図５は、通電層の製法別に窒化アルミニウム基板に対する接合強度を調べた実験結果を示す。 図６は、通電層の製法別に電気抵抗率を調べた実験結果を示す。 図７は、従来のパワーモジュールの冷却器の上に固定された放熱板に生じた反りを撮影した写真である。 図８は、従来例のパワーモジュールの一例を示す。 図９は、図８が示す従来例のＤＢＡ基板の積層構造を示す。

符号の説明

１ 冷却器、
２ 放熱板、
３ 絶縁層（溶射膜）、
４ 通電層、
５ シリコン素子、
６ グリース、
７ ボルト、
１０ 冷却器、
２０ 放熱板、
３０ ＤＢＡ積層基板、
４０ はんだ層、
５０ シリコン素子、
７０ 窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、
８０ ろう材層、
９０ ニッケル（Ｎｉ）メッキ層

Claims (10)

1. 放熱板の上にセラミックを溶射して絶縁層を形成する成膜工程において、該絶縁層の膜厚を調節することにより、該放熱板の反り状態を制御することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
2. 請求項１に記載された製造方法において、
   前記セラミックは、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ又はジルコニアであることを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
3. 請求項１又は２に記載された製造方法において、
   前記絶縁層の膜厚は、０．８ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下であることを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
4. 請求項１から３のいずれかの請求項に記載された製造方法において、
   前記絶縁層の上に、金属を被覆して通電層を形成することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
5. 請求項４に記載された製造方法において、
   前記通電層を形成する前記金属は、純銅又は銅合金であることを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
6. 請求項５に記載された製造方法において、
   前記純銅又は銅合金の前記通電層は、コールドスプレー又は摩擦肉盛又は溶射により形成されることを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
7. 放熱板の上にセラミックの溶射により形成された絶縁層を有し、該絶縁層の上に金属を被覆して形成された通電層を有し、該通電層の上にシリコン素子が載置されていることを特徴とするパワーモジュール。
8. 請求項７に記載されたパワーモジュールにおいて、
   前記セラミックは、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ又はジルコニアであることを特徴とするパワーモジュール。
9. 請求項７又は８に記載されたパワーモジュールにおいて、
   前記絶縁層の膜厚は、０．８ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下であることを特徴とするパワーモジュール。
10. 請求項７から９のいずれかの請求項に記載されたパワーモジュールにおいて、
    前記通電層を形成する前記金属は、純銅又は銅合金であることを特徴とするパワーモジュール。

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