JP2009277856A

JP2009277856A - パワーモジュール、パワーモジュールの製造方法

Info

Publication number: JP2009277856A
Application number: JP2008127114A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Yoshida; 忠史吉田; Yuji Osada; 裕司長田
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2009-11-26

Abstract

【課題】線膨張係数が相違する部材間の熱応力を緩和する。
【解決手段】第１の部材２２と、第２の部材２４との間に、接合部材２６を挟み接合させる接合構造を備える。第２の部材２４は、第１の部材２２よりも線膨張係数が大きく、接合部材２６は、第２の部材２４側から第１の部材２２側に向かって気孔率が大きくなるように形成された導電性多孔体２８の空隙部分３０にはんだを含浸させてなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、パワーモジュール、パワーモジュールの製造方法に関し、特に、線膨張係数の異なる部材を接合させてなるパワーモジュール、パワーモジュールの製造方法に関する。

従来のパワーモジュールについて説明する。図６に例示するように、表面に回路が形成され、ＤＢＡ（ダイレクト・ボンディング・アルミニウム）法またはＤＢＣ（ダイレクト・ボンディング・カッパー）法などにより作製された絶縁基板１４の一方面側に半導体素子１２が、他方面側に放熱板１８がそれぞれ接合されている。放熱板１８はさらに、冷却器２０と接合されており、放熱板１８を介して伝達された、半導体素子１２に由来する熱を、冷却器２０から放散させることができる構成を有している。

このようなパワーモジュールにおいては、一般に絶縁基板１４と放熱板１８との間で線膨張係数が大きく異なるため、例えば特許文献１〜３に示すように、この接合部分に多孔体構造を有する金属材料を含む接合部材１６を挟持して、線膨張係数の異なる接合部分の熱応力を緩和する手法が知られている。

特許文献１には、金属材料により三次元網状多孔質に形成した発泡金属材と、この発泡金属材に含浸するとともに発泡金属材表面を被覆するはんだ材とを備えるはんだ接合材により、はんだ接合材の両面に接合部材をそれぞれ接合することについて記載されている。

特許文献２には、セラミック基板と回路を形成した基板との間にシリコーングリース、シリコーンオイル又はエポキシ樹脂を充填した可塑性多孔質金属層を積層させて接合したパワーモジュール用基板について記載されている。

特許文献３には、セラミック基板に可塑性多孔質金属層からなる回路を形成した基板を形成したパワーモジュールについて記載されている。

特開２００４−２９８９６２号公報特許第３２３０１８１号公報特開平９−５１１５１号公報

しかしながら、各部材の線膨張係数の差がさらに大きくなると、従来の均質な多孔体構造では応力緩和が十分でない場合があり、応力緩和部材との接合界面付近でクラックが発生し得る。

一方、多孔体構造を有する応力緩和部材において、応力緩和部材自身の変形量を大きくするために気孔率を大きくすると、その空隙のために見かけ上の熱伝導率が著しく低下し、熱抵抗が増加することで半導体素子の温度の上昇に繋がり得る。

本発明は、線膨張係数が著しく相違する部材を接合する場合であっても、この部材間に生じ得る熱応力を緩和することを目的とする。

本発明の構成は以下のとおりである。

（１）第１の部材と、前記第１の部材よりも線膨張係数の大きい第２の部材との間に、接合部材を挟み接合させる接合構造を備え、前記接合部材は、第２の部材側から第１の部材側に向かって気孔率が大きくなるように形成された導電性多孔体の空隙部分にはんだを含浸させてなる、パワーモジュール。

（２）上記（１）に記載のパワーモジュールにおいて、前記導電性多孔体は、気孔率の異なる複数の導電性多孔体材料を積層させてなる、パワーモジュール。

（３）上記（２）に記載のパワーモジュールにおいて、前記導電性多孔体は、気孔径の異なる複数の導電性多孔体材料を積層させてなる、パワーモジュール。

（４）上記（２）に記載のパワーモジュールにおいて、前記導電性多孔体は、孔形状の異なる複数の導電性多孔体材料を積層させてなる、パワーモジュール。

（５）上記（２）から（４）のいずれか１つに記載のパワーモジュールにおいて、前記導電性多孔体材料が、多孔体金属材料または多孔体炭素材料である、パワーモジュール。

（６）第１の部材と、前記第１の部材よりも線膨張係数の大きい第２の部材との間に、第２の部材側から第１の部材側に向かって気孔率が大きくなる気孔率分布を有する導電性多孔体を積層させる工程と、前記導電性多孔体にはんだを含浸させる工程と、を有する、パワーモジュールの製造方法。

（７）上記（６）に記載のパワーモジュールの製造方法において、気孔率の異なる複数の導電性多孔体材料を積層させて前記導電性多孔体を作製する工程をさらに有する、パワーモジュールの製造方法。

（８）上記（６）に記載のパワーモジュールの製造方法において、導電性多孔体材料の少なくとも一部を積層方向に加圧して前記導電性多孔体を作製する工程をさらに有する、パワーモジュールの製造方法。

（９）上記（７）または（８）に記載のパワーモジュールの製造方法において、前記導電性多孔体材料が、多孔体金属材料または多孔体炭素材料である、パワーモジュールの製造方法。

（１０）上記（６）から（９）のいずれか１つに記載のパワーモジュールの製造方法を用いて作製されたパワーモジュール。

本発明によれば、線膨張係数が相違する部材間の熱応力を緩和することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、各図面において同じ構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１は、本発明の実施の形態におけるパワーモジュールの構成の概略を示す断面図である。図１に示すパワーモジュール１００は、接合部材１６に代えて接合部材２６を備えることを除き、図６に示すパワーモジュール５００と同様の構成を有している。

図１において、接合部材２６は、導電性多孔体にはんだを含浸させた構成を有している。接合部材２６は、高い熱伝導性を有する導電性多孔体の空隙部分にはんだが含浸された構造を有しているため、各部材間の高い熱伝導性を維持することができ、半導体素子１２の速やかな冷却に寄与し得る。

図２は、図１に示す接合部材２６の構成の概略を例示する断面拡大図である。図２において、接合部材２６は、図１に示す半導体素子１２、絶縁基板１４側に相当する、線膨張係数の比較的小さい第１の部材２２と、図１に示す放熱板１８、冷却器２０側に相当する、第１の部材よりも線膨張係数の大きい第２の部材２４との間に挟まれ、接合されている。接合部材２６は、第２の部材２４側から第１の部材２２側に向かって気孔率が大きくなるように形成された導電性多孔体２８の空隙部分３０に、はんだを含浸させた構成を有している。

図３は、本発明の実施の形態におけるパワーモジュール１００による、接合部材２６を介して接合させた場合の応力緩和の様子について、従来の接合部材を使用した場合と比較して説明するための図である。図３（ａ）は、図５に示すパワーモジュール５００における、接合部材１６を使用した場合、図３（ｂ）は、図１に示すパワーモジュール１００における、接合部材２６を使用した場合に対応する。

図３（ａ）に示すように、線膨張係数ａを有する第１の部材２２と、第１の部材２２よりも線膨張係数の大きい、ｃの値を有する第２の部材２４との間に、一様な多孔体構造を有する導電性材料を使用した接合部材１６が挟持され、接合されている。このとき、接合部材１６は、第１の部材２２と第２の部材２４との間の線膨張係数である、ほぼ一定の値ｂを有する。ここで、ある一定の熱応力緩和性能を有する接合部材１６では、第１の部材２２と第２の部材２４との間の線膨張係数の差異が大きいと、図３（ａ）の楕円で囲んだ接合部分の応力緩和が十分でない場合があり得る。これに対し、図３（ｂ）に示すように、第２の部材２４側から第１の部材２２側に向かって気孔率が大きくなるように形成された導電性多孔体を有する接合部材２６では、第１の部材２２側から第２の部材２４側に向かって線膨張係数が連続的に大きくなる、あたかも線膨張係数がある所定の広がりを有しているような挙動を示す。このため、第１の部材２２と第２の部材２４との間の線膨張係数の差異が大きい場合であっても、十分に応力緩和することが可能であると考えられる。なお、図３で示した線膨張係数の値ａ，ｂ，ｃは概念的なものであって、必ずしも各部材の線膨張係数がある一定値として測定可能なものであるとは限らない。

図４は、図２に示す接合部材２６の作製方法の一例について説明するための図である。図４において、接合部材２６を構成する導電性多孔体２８は、気孔率のそれぞれ異なる、空隙部分３８を有する第１の導電性多孔体材料３２と、空隙部分４０を有する第２の導電性多孔体材料３４と、空隙部分４２を有する第３の導電性多孔体材料３６とから構成された層構造をなしている。本実施の形態において、導電性多孔体２８は、第２の導電性多孔体材料３４の気孔率が、第３の導電性多孔体材料３６の気孔率よりも大きく、第１の導電性多孔体材料３２の気孔率よりも小さくなるように形成されており、図２に示すパワーモジュールにおいては第２の部材２４側から第１の部材２２側に向かって気孔率が順に大きくなるよう、つまり、第１の導電性多孔体材料３２が第１の部材２２側、第３の導電性多孔体材料３６が第２の部材２４側となるように備えることができる。

本実施の形態において、導電性多孔体２８の材料（導電性多孔体材料）としては、多孔体構造を形成可能な金属材料または炭素材料であればいかなるものを用いることも可能であるが、金属材料としては例えばアルミニウム、銅、ニッケルなどを、炭素材料としては、例えば高熱伝導性の配向性グラファイトやカーボンナノチューブなどを適用することができる。また、選択された導電性多孔体材料により形成される導電性多孔体の形状は、例えば発泡体、メッシュ、不織布等とすることが可能であるが、これに限らず、導電性多孔体材料の種類に応じた適当な形状のものを用いることができる。

また、導電性多孔体２８を構成する各導電性多孔体材料の厚みはそれぞれ、例えば５０〜５００μｍの範囲で適宜設定することが可能であるが、各導電性多孔体材料間の厚みの比率には特に制限はない。一方、各導電性多孔体材料の気孔率はそれぞれ、例えば５０〜９５％の範囲で適宜設定することが可能である。また、このとき、各空隙部分の気孔径はそれぞれ、設定した気孔率に応じて、例えば約１０〜２５０μｍの範囲内で調整することが可能である。気孔径が１０μｍ未満であれば、はんだ含浸性不良などの不具合が生じる場合がある一方、気孔径が２５０μｍを超えると、接合部材内での線膨張係数の傾斜機能を発現しにくいなどの不具合が生じる場合がある。なお、気孔率、気孔径の測定は、ＪＩＳＫ３８３２に準拠して実施することが好適であり、例えばポロシメータによる水銀圧入法やバブルポイント法などを用いて測定することが可能である。

また、複数の導電性多孔体材料の積層により形成される導電性多孔体２８において、例えばろう付け法、拡散接合法などにより各導電性多孔体材料を予め接合させることが可能であるが、これに限らない。また、導電性多孔体材料の積層数は、図４に示すような３層構造に限定されるものではなく、例えば必要とする導電性多孔体２８の厚み、部材間の熱応力係数の相違、作製コストなどの諸条件に応じて適宜設定することが可能である。

本発明の実施の形態において、図２，４に示す接合部材２６の厚みは、例えば１００〜３００μｍ程度に設定することが可能である。接合部材２６の厚みが１００μｍ未満であれば、応力緩和機能が十分に発揮されない場合がある一方、接合部材２６の厚みが３００μｍを超えると、パワーモジュール全体としての体格や重量および熱抵抗の増大に繋がる場合がある。

本実施の形態において、導電性多孔体２８と部材２２，２４とはそれぞれ、例えばろう付け、拡散接合などにより接合することができる。なお、導電性多孔体２８と部材２２，２４との接合は、空隙部分３０へのはんだの含浸に先立って行っても良いし、導電性多孔体２８にはんだを含浸させた後に行っても良い。また、部材２２または２４のいずれか一方に導電性多孔体２８を接合させた後、はんだの含浸を行い、さらに他方の部材２４または２２を接合させることも可能である。

図５は、図２，４に示す接合部材２６の代替として好適に適用し得る本発明の実施の形態における接合部材の変形例である。図５に示す接合部材４６は、第２の部材２２側（図５では上側に相当）から第２の部材２４側（図５では下側に相当）に向かって次第に気孔率が小さくなるように気孔率分布に偏りが生じさせることにより形成された、導電性多孔体４８を含み構成されている。このような導電性多孔体４８は、例えば所定の気孔径（直径）を有する空隙部分４４を有し、ほぼ一様の気孔率を有するように形成された導電性多孔体材料の一部またはその全体に対し、少なくとも図５の上下方向への加重等により圧力が加えられて扁平化し、楕円形状に変形させることにより、作製することが可能である。

このように、本発明の実施の形態によれば、線膨張係数が大きい基板間でも、多孔体−はんだ複合材（接合部材）の気孔率を線形的に変化させることで、接合部材内の線膨張係数、ヤング率等も線形的に変化する（つまり、傾斜特性を持つ）ため、部材２２，２４との接合界面および／または接合部材２６内の線膨張係数のほか、ヤング率等の値も線形的に変化することにより、応力集中に起因するクラック等の発生を防止または抑制することが可能となる。また、仮に接合部材で小規模のクラックが発生した場合であっても、接合部材を構成する多孔体金属およびはんだの相乗作用により応力・クラックを分散することにより、クラックの伸展を抑制することが可能となる。さらに、高い熱伝導度を有する導電性多孔体材料からなる導電性多孔体の空隙部分にはんだが含浸されていることにより、熱応力緩和作用だけでなく、高い熱伝導度を維持することができる。

本発明は、ＨＶインバータなど、各種のパワーモジュールに対し利用することが可能である。

本発明の実施の形態におけるパワーモジュールの構成の概略を示す断面図である。本発明の実施の形態における接合部材の構成の概略を例示する断面拡大図である。接合部材を介して接合させた場合の応力緩和の様子について比較して説明するための図である。接合部材の作製方法を例示する断面拡大図である。接合部材の他の作製方法を例示する断面拡大図である。従来のパワーモジュールの構成の概略を例示する断面図である。

符号の説明

１２半導体素子、１４絶縁基板、１６，２６，４６接合部材、１８放熱板、２０冷却器、２２第１の部材、２４第２の部材、２８，４８導電性多孔体、３０，３８，４０，４２，４４空隙部分、３２，３４，３６導電性多孔体材料、１００，５００パワーモジュール。

Claims

第１の部材と、前記第１の部材よりも線膨張係数の大きい第２の部材との間に、接合部材を挟み接合させる接合構造を備え、
前記接合部材は、第２の部材側から第１の部材側に向かって気孔率が大きくなるように形成された導電性多孔体の空隙部分にはんだを含浸させてなることを特徴とするパワーモジュール。
請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
前記導電性多孔体は、気孔率の異なる複数の導電性多孔体材料を積層させてなることを特徴とするパワーモジュール。
請求項２に記載のパワーモジュールにおいて、
前記導電性多孔体は、気孔径の異なる複数の導電性多孔体材料を積層させてなることを特徴とするパワーモジュール。
請求項２に記載のパワーモジュールにおいて、
前記導電性多孔体は、孔形状の異なる複数の導電性多孔体材料を積層させてなることを特徴とするパワーモジュール。
請求項２から４のいずれか１項に記載のパワーモジュールにおいて、
前記導電性多孔体材料が、多孔体金属材料または多孔体炭素材料であることを特徴とするパワーモジュール。
第１の部材と、前記第１の部材よりも線膨張係数の大きい第２の部材との間に、第２の部材側から第１の部材側に向かって気孔率が大きくなる気孔率分布を有する導電性多孔体を積層させる工程と、
前記導電性多孔体にはんだを含浸させる工程と、
を有することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
請求項６に記載のパワーモジュールの製造方法において、
気孔率の異なる複数の導電性多孔体材料を積層させて前記導電性多孔体を作製する工程をさらに有することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
請求項６に記載のパワーモジュールの製造方法において、
導電性多孔体材料の少なくとも一部を積層方向に加圧して前記導電性多孔体を作製する工程をさらに有することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
請求項７または８に記載のパワーモジュールの製造方法において、
前記導電性多孔体材料が、多孔体金属材料または多孔体炭素材料であることを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
請求項６から９のいずれか１項に記載のパワーモジュールの製造方法を用いて作製されたパワーモジュール。