JP2013243238A - 絶縁積層基板およびパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】接合界面に生じる亀裂や剥離の進展を低コストで抑制できる絶縁積層基板を提供する。
【解決手段】本発明の絶縁積層基板（１）は、絶縁板（１０）と、絶縁板の一面側に接合される第一接合面（１１ａ）と第一接合面の反対面側に発熱源となる電子デバイスが実装される実装面（１１ｂ）とを有する第一金属層（１１）と、絶縁板の他面側に接合される第二接合面（１２ｂ）と第二接合面の反対面側に伝熱機器（２）がロウ付けされるロウ付面（１２ａ）とを有する第二金属層（１２）と、からなる絶縁積層基板であって、第二金属層は、第二接合面の外周縁よりも内側を巡り、第二接合面に開口した周溝（１２１）を有することを特徴とする。この周溝は、絶縁板と金属層の接合界面に生じる亀裂や剥離の先端を鈍化、停留させる。このため本発明の絶縁積層基板をパワーモジュールに用いると、パワーデバイスの発熱を第二金属層を通じて長期にわたり安定的に放熱できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高信頼性を長期的に確保できる絶縁積層基板と、その絶縁積層基板に半導体素子からなるパワーデバイスが実装されるパワーモジュールに関する。

モータ駆動用インバータ等には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子からなるパワーデバイスを絶縁積層基板に実装したパワーモジュールが用いられる。パワーデバイスは印加電圧や電流量が大きいため、その発熱量も大きい。このパワーデバイスを安定的に動作させるには、その発熱を効率的に放熱してパワーデバイスの過熱を抑制する必要がある。

このためパワーデバイスが実装される絶縁積層基板の実装面の反対面側には、冷却器（ヒートシンク）等の伝熱機器が直接的または間接的に接合されることが多い。そして、その接合は、通常、接合界面における熱抵抗を小さくするためにＡｌ等によるロウ付けにより行われる。

ロウ付けには、真空雰囲気中でなされる真空ロウ付けもあるが、コスト高であるため、一般的にはフラックスを使用した炉中ロウ付けがなされる。ところが、炉中ロウ付けを行う場合、溶融したフラックスがロウ付けされる絶縁積層基板の金属層の周縁に回り込むことがある。この回り込んだフラックスは、絶縁積層基板の絶縁板と金属層との接合界面に浸入し、絶縁板と金属層を剥離させ、亀裂が発生する。この接合界面端に発生した亀裂は熱疲労等によって進展し、両者間の接合面積を減少させる得る。接合面積の減少は、絶縁板と金属層の間の熱抵抗を増大させ、ひいては絶縁積層基板を通じたパワーデバイスの放熱性を低下させる。

そこで、絶縁板と金属層の接合界面の外周縁近傍へ、フラックスの浸入を防止できる塗膜等を付着させることが下記の特許文献で提案されている。

特開２０１１−１８１６３４号公報 特開２０１１−２２８５６３号公報

特許文献にあるような塗布を行えば、絶縁板と金属層の接合界面へのフラックスの浸入を抑止できる。しかし、そのような塗布は、高精度なマスキング等を塗布前に必要とし、パワーモジュールの製造工程が増加して、その生産コストが大幅に上昇し得る。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、生産コストの上昇を抑制しつつ、高信頼性のパワーモジュールを得ることができる絶縁積層基板と、その絶縁積層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。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、従来からある発想を大きく転換して、絶縁板と金属層の接合界面へのフラックスの浸入抑止に拘らず、接合界面における亀裂または剥離の進展を許容範囲に制限することを着眼した。そして絶縁板に接合された金属層の外周縁内側に、その接合界面側に開口した溝を設けることを発想した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《絶縁積層基板》
（１）本発明の絶縁積層基板は、絶縁板と、該絶縁板の一面側に接合される第一接合面と該第一接合面の反対面側に発熱源となる電子デバイスが実装される実装面とを有する第一金属層と、該絶縁板の他面側に接合される第二接合面と該第二接合面の反対面側に伝熱機器がロウ付けされるロウ付面とを有する第二金属層と、からなる絶縁積層基板であって、前記第二金属層は、前記第二接合面の外周縁よりも内側を巡り、該第二接合面に開口した周溝を有することを特徴とする。

（２）本発明の絶縁積層基板によれば、仮に絶縁板と第二金属層の接合界面の外周縁に（初期）亀裂や剥離が生じても、これらの先端は第二金属層に設けた周溝により鈍化され、冷熱サイクルによる熱応力がその接合界面に加わっても、その周溝より内周囲側へは進展せず、外周縁近傍の一定範囲内で停留する。

その結果、少なくとも周溝の内周囲側における絶縁板と第二金属層の接合状態は長期にわたり維持され、絶縁板と第二金属層の間で不連続界面が拡大して熱抵抗が増大する事態が回避され、第二金属層からの放熱性も安定的に確保される。従って本発明の絶縁積層基板を用いれば、高信頼性のパワーモジュール等を得ることができる。しかも本発明によれば、第二金属層の第二接合面側に周溝を設けるだけで足るから、製造工程をほとんど増加させず、パワーモジュールを低コストで生産し得る。

なお本発明は、第二金属層のロウ付面と冷却器等の伝熱機器とのロウ付けに用いた余剰なフラックスが第二金属層と絶縁板の接合界面へ浸入して上記の亀裂や剥離が進展し易い状況下で特に有効である。

もっとも本発明は、フラックスの浸入が問題になる場合に限らず、フラックスを用いずに第二金属層と伝熱機器がロウ付けされるような場合（例えば、真空ロウ付けされる場合）でも、冷熱サイクルに伴う熱応力により初期亀裂等が進行して剥離へ発展し易い状況下であれば、パワーモジュール等の信頼性向上に十分な有効を発揮し得ることを断っておく。

《パワーモジュール》
本発明は、上述した絶縁積層基板としてのみならず、その絶縁積層基板を用いたパワーモジュールとしても把握できる。本発明のパワーモジュールは、少なくとも上述した絶縁積層基板と、その絶縁積層基板に実装されたにパワーデバイスと、絶縁積層基板に接合された伝熱機器と、を備えると好適である。

なお、本発明のパワーモジュールは、上述した絶縁積層基板を用いている限り、第二金属層の外周縁（特に絶縁板との接合界面の外周縁）にフラックス等の浸入を抑止する浸入抑止手段（塗膜等）等を備えたものでもよいことはいうまでもない。

《その他》
本明細書でいう「方形状」は、長方形状のみならず正方形状も含む。また「接合剤」は、フラックス等の接合助剤も含まれる。例えば、接合剤は、ロウ材のみでもフラックスのみでも両者が混在したものでもよい。

本発明に係る一実施例であるパワーモジュールの要部断面図である。 本発明に係る一実施例である絶縁積層基板の伝熱層（第二金属層）を示す平面図である。

本明細書で説明する内容は、本発明の絶縁積層基板のみならず、それを用いたパワーモジュールにも該当し得る。上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

《絶縁積層基板》
（１）絶縁板
絶縁板は、通常、セラミックス製である。セラミックスの種類は問わないが、熱伝導性に優れたセラミックスが好ましい。例えば、絶縁板はＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３等からなるとよい。

（２）第一金属層および第二金属層
第一金属層および第二金属層は、通常、純アルミニウム、アルミニウム合金、純銅、銅合金等の金属製からなる。第一金属層は、通常、半導体素子等が実装される配線層または電極層となる。第二金属層は、半導体素子の発熱を第一金属層および絶縁板を通じて受熱し、外部機器へ伝熱する伝熱層または熱応力を緩和する緩和層となる。

第二金属層にロウ付けされる伝熱機器の種類は問わないが、例えば、ヒートシンク、ヒートスプレッタ、内部を冷媒等が流通する冷却器等である。また、これら部材と第二金属層の間には、両者の中間的な線膨張係数をもち、両者間に生じる熱応力を緩和する熱膨張緩和部材が介在されていてもよい。本明細書では、このような緩和部材も、第二金属層にロウ付けされる限り伝熱機器の一種と考える。

（３）周溝
周溝は、絶縁板に接合される第二金属層の第二接合面の外周縁よりも少し内側を巡るように設けられている。このため周溝は、通常、その第二接合面の外周縁に沿った形状となる。周溝の形状は問わないが、例えば、第二接合面が方形状なら周溝も方形状であると好ましい。

また周溝は、第二接合面の形状に拘わらず、通常、その外周縁からほぼ均等な距離だけ内側を巡っていると好ましい。つまり第二接合面の外周縁と周溝の外周縁との距離である溝間（ｂ）は一定であると好ましい。これにより、絶縁板と第二金属層の接合面積を確保しつつ、両者間の接合界面に生じる亀裂や剥離の進展をほぼ均等に抑止できる。溝間の長さは問わないが、溝間が過小では余剰なフラックスが周溝より内側に侵入するなどにより、亀裂や剥離の進展を抑止できないおそれがある。溝間が過大では、絶縁板と第二金属層の接合面積を所定以上確保しようとしたときに、絶縁積層基板の大型化を招き好ましくない。

周溝の断面形状は問わないが、通常、半（楕）円状、Ｕ字状、方形状、逆三角形状等である。周溝の溝幅（ｗ）や溝深さ（ｄ）は、周溝の断面形状に応じて適宜選択されればよい。先ず溝深さは、当然ながら、溝深さは第二金属層の厚さよりも小さくする必要がある。また、初期に発生した接合界面端の亀裂が熱疲労により進展し、その亀裂の先端が溝間（ｂ）を超えて周溝の外周縁に到達した場合を考慮して、溝深さ（ｄ）は、亀裂の先端の鋭さに起因して生じる応力集中を抑制し、亀裂の進展を停止させ得る程度に十分な大きさであると好ましい。さらに溝幅は、接合界面に生じる亀裂や剥離の発生や進展を十分に抑止できる程度以上であると好ましい。逆に溝幅が過大になると、溝間が過大な場合と同様に好ましくない。

第二金属層に設けられる周溝の形成は、切削加工、レーザ加工等によっても行えるが、プレス加工等の塑性加工によれば低コストで効率的な生産が可能となる。また周溝を設けた第二金属層と絶縁板の接合方法は問わないが、一般的には直接ロウ付けによりなされる。このような絶縁積層基板として、例えば、ＡｌＮ製絶縁板にＡｌからなる金属層を真空ロウ付けしたＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板が多用されている。

《その他》
（１）第二金属層と伝熱機器のロウ付けに用いられる接合剤は、ロウ付け方法により適切なものが選択される。真空ロウ付けされる場合なら、接合剤はロウ材（接合主剤）のみからなってもよいが、一般的な炉中ロウ付けなら接合剤はロウ材の他に接合表面の酸化被膜等を除去するフラックス（接合助剤）等を含んでいると好ましい。

この際、接合に寄与しない余剰なフラックス等は、絶縁積層基板の接合界面等へ回り込み、接合界面の亀裂や剥離の発生や進展に影響を及ぼし得る。このため余剰なフラックス等は少ないほど好ましいが、前述した通り、フラックス等が余剰でも本発明の絶縁積層基板は有効である。

（２）本発明の絶縁積層基板は、その用途を問わず、必ずしもパワーデバイスの実装ひいてはパワーモジュールに用いられる必要はない。本発明のパワーモジュールも、その用途を問わないが、例えば、ハイブリッド車や電気自動車等の駆動モータを制御するパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）等に用いられると好適である。その他、電車、工作機械などの制御装置に用いられてもよい。

実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
《パワーモジュール》
（１）本発明に係る一実施例であるパワーモジュールＭの要部断面図を図１に示した。パワーモジュールＭは、パワーデバイス（図略）と、パワーデバイスを実装する絶縁積層基板１と、絶縁積層基板１にロウ材３を介して接合されパワーデバイスの発熱を放熱する水冷式の冷却器２とからなる。

（２）絶縁積層基板１は、ＡｌＮ製の絶縁板１０と、その一面側に接合された純Ａｌ製の配線層１１（第一金属層）と、絶縁板１０の他面側に接合された純Ａｌ製の伝熱層１２（第二金属層）とからなる。

配線層１１は、絶縁板１０の接合面１０ａにロウ付けされる接合面１１ａ（第一接合面）と、パワーデバイス等がはんだ付けされる実装面１１ｂを備える。伝熱層１２は、冷却器２の天板にロウ付けされるロウ付面１２ａと絶縁板１０の接合面１０ｂにロウ付けされる接合面１２ｂ（第二接合面）を備える。

絶縁板１０と配線層１１または伝熱層１２とは真空ロウ付けされており、本実施例の絶縁積層基板１はいわゆるＤＢＡ基板である。また絶縁積層基板１と冷却器２のロウ付けは、両者間でロウ材３を挟持した状態で、不活性ガス雰囲気（窒素雰囲気）の炉中で加熱して行われる。この際に用いられるロウ材３（接合剤）は、Ａｌロウ箔（接合主剤）にフラックス（接合助剤／ＫＡｌＦ_４等）を塗布したものである。

（３）ところで、方形状の伝熱層１２の外周縁の少し内側には、接合面１２ｂ側に開口した断面Ｕ字状の周溝１２１が、その外周縁から均等な間隔で方形状に形成されている。この様子を伝熱層１２の平面図である図２に示した。

ここで、接合面１２ｂの外周縁１２ｃと周溝１２１の外周縁１２１ｃとの距離である溝間をｂ、周溝１２１の溝幅をｗ、接合面１２ｂの幅をＢ、接合面１２ｂの長さをＬ、接合面１２ｂの全面積をＳ、周溝１２１の内周縁１２１ｄ内の全面積をＳ’とすると、
Ｓ ＝ＢＬ （式１１）
Ｓ’＝｛Ｂ−２（ｂ＋ｗ）｝×｛Ｌ−２（ｂ＋ｗ）｝（式１２）
となる。

またパワーデバイスの放熱性を確保するために、接合面１２ｂの全面積Ｓに対して、絶縁板１０の接合面１０ｂと伝熱層１２の接合面１２ｂとの間で接合状態が維持されていなければならない接合面積割合（未剥離面の面積割合）をαとすると、
Ｓ’≧ αＳ （式１３）
となるように溝間ｂと溝幅ｗを定めればよいことになる。

そこで、（式１３）に（式１１）および（式１２）を代入して、二次不等式を解くと、下記の不等式（式１）が得られる。

通常、Ｂ、Ｌ、αはパワーモジュールＭの設計値として既知であるから、上記の式１に基づけば、周溝１２１を形成すべき位置（溝間ｂ）と大きさ（溝幅ｗ）を容易に知ることができる。

さらに、ロウ付面１２ａと冷却器２を接合するロウ材に塗布されたフラックス全量に対して、それらの接合に必要な量を超える余剰なフラックス量（余剰量）をＦとする。この余剰量Ｆに応じて伝熱層１２の外周端縁に余剰フラックスｆが回り込む。この回り込んだ余剰フラックスｆが絶縁板１０と伝熱層１２の接合界面に浸入し、亀裂、剥離等を発生させ易くする。

逆に観れば、余剰フラックスｆが到達する範囲で、絶縁板１０の接合面１０ｂと伝熱層１２の接合面１２ｂの接合界面間で亀裂や剥離が発生し易くなるため、余剰フラックスｆが到達しない位置に周溝１２１を設ければ、余剰フラックスｆの影響を回避しつつ、絶縁板１０の接合面１０ｂと伝熱層１２の接合面１２ｂの界面間に生じる亀裂や剥離の進展をより抑制できることになる。

ここで余剰フラックスｆの到達距離（余剰な接合剤の流動距離）ｄは、フラックスの余剰量Ｆに比例し、比例定数ｃを用いて、ｄ＝ｃＦと表される。そして伝熱層１２厚さをｔとすれば、余剰フラックスが絶縁板１０の接合面１０ｂと伝熱層１２の接合面１２ｂの接合界面に浸入し得る距離はｄ−ｔとなる。そこで周溝１２１は溝間ｂが、
ｂ＞ｄ−ｔ＝ｃＦ−ｔ （式２）
となる位置に設けられると好ましい。

よって、周溝１２１が式１および式２を満たす伝熱層１２を備えた絶縁積層基板１を用いることにより、長期にわたって高い放熱性を発揮する高信頼性のパワーモジュールＭが得られる。

Ｍ パワーモジュール
１ 絶縁積層基板
１０ 絶縁板
１１ 配線層（第一金属層）
１２ 伝熱層（第二金属層）
２ 冷却器（伝熱機器）
３ ロウ材

Claims (4)

1. 絶縁板と、
   該絶縁板の一面側に接合される第一接合面と該第一接合面の反対面側に発熱源となる電子デバイスが実装される実装面とを有する第一金属層と、
   該絶縁板の他面側に接合される第二接合面と該第二接合面の反対面側に伝熱機器がロウ付けされるロウ付面とを有する第二金属層と、
   からなる絶縁積層基板であって、
   前記第二金属層は、前記第二接合面の外周縁よりも内側を巡り、該第二接合面に開口した周溝を有することを特徴とする絶縁積層基板。
2. 前記第二金属層および前記周溝は方形状であり、
   前記第二接合面の外周縁と前記周溝の外周縁との距離である溝間（ｂ）と該周溝の溝幅（ｗ）は下記の式１を満たすべく設定される請求項１に記載の絶縁積層基板。
   

   

   Ｂ：第二接合面の幅、
   Ｌ：第二接合面の長さ、
   α：第二接合面の全面に対して確保すべき未剥離面の面積割合
   
3. 前記溝間（ｂ）は下記の式２を満たすべく設定される請求項１または２に記載の絶縁積層基板。
   ｂ＞ｃＦ−ｔ （式２）
   
   ｔ：第二金属層の厚さ、
   Ｆ：第二金属層のロウ付面と伝熱機器とのロウ付けに余剰な接合剤の量
   ｃ：余剰な接合剤の量とその流動距離の関係を示す比例定数
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の絶縁積層基板を用いたことを特徴とするパワーモジュール。

Images