JP4556307B2 - パワーモジュール及びパワーモジュール用緩衝材の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック回路基板とAlヒートシンクの間に設けられこれらの熱膨張係数の差に基づく熱衝撃の緩衝材を備えたパワーモジュール及びパワーモジュール用緩衝材の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、図5に示すように、セラミック回路基板3とAlヒートシンク2を積層したパワーモジュール1が知られており、セラミック回路基板3はセラミック基板3aの両面に第1及び第2Al板3b,3cを接合することにより作られる。
このセラミック回路基板3の第2Al板3cはエッチングにより所定のパターンの回路となり、一点鎖線で示す半導体チップ等4が搭載される。このセラミック回路基板3の第1Al板3bは緩衝材6を介してAl系合金板からなるAlヒートシンク2の上面に接合される。この従来のパワーモジュール1では、半導体チップ等4が発した熱は第2Al板3c、セラミック基板3a、第1Al板3b及び緩衝材6を介してAlヒートシンク2に伝達し、そのAlヒートシンク2からその熱を放散するようになっている。
【0003】
緩衝材6は、半導体チップ等の発熱及び非発熱によりセラミック基板の温度が高温と低温との間で繰返し変化することにより、セラミック回路基板とAlヒートシンクの熱膨張率の相違に基づく熱応力を吸収してその接合部分における剥離を防止するものであり、セラミック回路基板とAlヒートシンクの中間の熱膨張率を有することが必要とされる。従来この中間の熱膨張率を有する緩衝板としてSiCを分散させたAl複合材からなる板材が用いられている。このAl複合材は、純度が85〜95%の溶融AlにSiC粉末を混入させ、この溶融Alを圧延することによりAl中にSiCを分散させるか、或いはSiCの焼成前の粉体を加圧した状態で、この粉体間の隙間にAl合金を流込むことにより作られる。
また、このAl複合材の他の用途として、セラミック基板の凹部に収容されたSiチップ回路を封止する蓋材として用いられることも知られている。このSiチップ回路を封止する蓋材として用いられる複合材にあっては、いわゆるピンホールのない緻密なものであることが要求され、嫌気的性質を有するSiチップ回路を収容するセラミック基板の凹部にエア又は湿気が入り込まないようにすることが要求される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のAl複合材は、Al純度が85〜95%と比較的低いため、比較的大きな熱膨張率を有するヒートシンクに接合すると、繰り返して加えられる応力によりAl複合材からなる板材の表面が加工硬化を起こして緩衝材としての機能が劣り、その接合部分におけるセラミック回路基板とAlヒートシンクが剥離する不具合がある。また、このようなパワーモジュールの緩衝材として使用されるAl複合材にあっては、セラミック回路基板とAlヒートシンクの間に設けられるものである以上その熱抵抗は可能な限り小さいことが好ましい。
【0005】
また、SiC粉末を混入させた溶融Alを圧延するか、或いは加圧粉体間の隙間にAl合金を流込むことによりAl中にSiCを分散させた上記従来のAl複合材は、圧延の際又はAl合金を流込む際にその圧延又は流し込みが不十分であるとその緻密性が失われ、いわゆるピンホールを生じさせるおそれもある。このため、Siチップ回路を封止する蓋材としてこの従来のAl複合材を用いると、Siチップ回路を収容するセラミック基板の凹部にエア又は湿気が入り込むおそれもあった。
本発明の目的は、緻密な表面を有するAl複合材からなる緩衝材が設けられたパワーモジュール及びそのパワーモジュールに用いられる緩衝材の製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、緩衝材として加工硬化を起こし難いAl複合材が設けられたパワーモジュール及びそのパワーモジュールに用いられる緩衝材の製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、図4に示すように、セラミック基板31aとセラミック基板31aの両面にロウ接された第3及び第4Al板31b,31cとを備えたセラミック回路基板31とAlヒートシンク32との間に熱衝撃の緩衝材が設けられたパワーモジュール30である。そして、緩衝材は図1及び図2に示すように、Al純度が99.98重量%以上である第1Al板12とこの第1Al板12と同形同大のAl純度が99.98重量%以上である第2Al板13との間にSiC又はAlNからなるセラミック粉末層11を介在させて第1及び第2Al板12,13がロウ材14,16により接合されたセラミック粉末層を介在させたAl複合材である。
請求項3に係る発明は、請求項1記載のパワーモジュールに用いられる緩衝材の製造方法であって、図2に示すように、Al純度が99.98重量%以上である第1Al板12と第1ロウ材14とSiC又はAlNからなるセラミック粉末層11と第2ロウ材16と第1Al板12と同形同大のAl純度が99.98重量%以上である第2Al板13とをこの順に配置して積層体18を形成する工程と、第1及び第2Al板12,13の融点未満であって第1及び第2ロウ材14,16の溶融温度以上の温度で0.05〜0.5MPaの圧力下、積層体18を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加圧して第1及び第2ロウ材14,16を溶融させることにより第1Al板12と第2Al板13とを接合する工程とを含む。
請求項1にかかるパワーモジュール30に緩衝材として設けられたAl複合材10及び請求項3にかかる方法により得られた緩衝材、即ちAl複合材10は、圧延して形成された第1及び第2Al板12,13を表面に有し、この第1及び第2Al板12,13はそれ自体が緻密なものである。従って、セラミック粉末層11を介在させてこれら第1及び第2Al板12,13を接合することにより緻密な表面を有するAl複合材からなる緩衝材を得ることができる。
【0007】
また、Al純度が99.98重量%以上のAl板は比較的加工硬化を起こし難いものである。従って、請求項1にかかるパワーモジュールのAl複合材10及び請求項3にかかる方法により得られた緩衝材、即ちAl複合材10は加工硬化を起こし難いものになり、このAl複合材をセラミック回路基板とAlヒートシンクの間の熱衝撃の緩衝材として備えることにより、緩衝材としての応力吸収機能の低下を抑制でき、パワーモジュールの熱サイクル寿命を比較的長く維持することができる。
【0008】
請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明であって、ロウ材14,16がAl−Si系ロウ材又はAl−Ge系ロウ材であるAl複合材である。
請求項4に係る発明は、請求項3に係る発明であって、第1及び第2ロウ材14,16がそれぞれAl−Si系ロウ材又はAl−Ge系ロウ材である製造方法である。
Al−Si系ロウ材又はAl−Ge系ロウ材は比較的熱伝導率が高いものであり、熱伝導率の比較的高い第1及び第2Al板12,13とSiC又はAlNからなるセラミック粉末をこれらのロウ材で接合することにより、熱伝導率の比較的高いAl複合材10を得ることができる。一方、Al−Si系ロウ材又はAl−Ge系ロウ材で接合することにより、第1及び第2Al板12,13とSiC又はAlNからなるセラミック粉末の間に金属間化合物が生成されることを防止して、機械的強度が低下することを回避することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について説明する。
図1に本発明のパワーモジュールに用いられるAl複合材10を示す。本発明のパワーモジュールに用いられるAl複合材10はセラミック粉末層11を介在させたものであって、第1Al板12とこの第1Al板12と同形同大の第2Al板13との間にSiC又はAlNからなるセラミック粉末層11を介在させてその第1及び第2Al板12,13がロウ材14,16(図2)により接合されたものである。第1Al板12及び第2Al板13はAl純度が99.98重量%以上であって、厚さが0.1〜1.0mmであるものが使用される。ロウ材14,16は厚さが10〜500μmのAl−Si系ロウ材又はAl−Ge系ロウ材が使用される。
【0010】
図2に示すように、このAl複合材10の製造方法は、カーボンからなる基台17aの水平な上面に、Al純度が99.98重量%以上の第1Al板12と、Al−Si系ロウ材又はAl−Ge系ロウ材からなる第1ロウ材14をこの順序に配置する。基台17a上には、第1Al板12及び第1ロウ材14を包囲するカーボンからなる枠部材17bが配置され、その後、この第1ロウ材14の上にSiC又はAlNからなるセラミック粉末を0.1〜3.0mmの範囲で均等厚さに敷き詰めてセラミック粉末層11が形成される。その後このセラミック粉末層11の上にAl−Si系ロウ材又はAl−Ge系ロウ材からなる第2ロウ材16と、第1Al板12と同形同大の第2Al板13とをこの順に更に配置し、第1Al板12と第1ロウ材14とセラミック粉末層11と第2ロウ材16と第2Al板13がこの順に配置された第1積層体18を基台17a上に形成する。
【0011】
次に、この第1積層体18を基台17aとともに図示しない減圧加熱槽に配置し押し型19の水平な下面を第2Al板13の上面に当接させる。そして第1積層体18周囲の雰囲気を第1及び第2Al板12,13の融点未満であって第1及び第2ロウ材14,16の溶融温度以上の温度に調整し、押し型19で第1積層体18に0.05〜0.5MPaの圧力を加える。この状態で減圧加熱槽内部を真空にするか、或いはその内部に不活性ガスを充填する。このように第1積層体18を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加圧して第1及び第2ロウ材16を溶融させることにより第1Al板12と第2Al板13とを接合する。第1Al板12と第2Al板13とが接合した後に、押し型19を外し減圧加熱槽から取り出して基台17a上から取り外すことにより、図1に示すセラミック粉末層11を介在させたAl複合材10を得る。
【0012】
図3にこのAl複合材10からなる板材を、セラミック基板21の凹部21aに収容されたSiチップ回路22を封止する蓋材として用いる例を示す。このAl複合材からなる蓋材10は凹部21aを覆うようにその凹部21a周囲のセラミック基板21表面にはんだ付け又はロウ材により接合され、セラミック基板21の凹部21aには嫌気性のSiチップ回路22が設けれられる。このSiチップ回路22はエア及び湿気を嫌うため、凹部21aには不活性ガスが充填される。ここで、本発明のAl複合材10は、表面に純度の高い圧延して形成された第1及び第2Al板12,13を有し、この第1及び第2Al板12,13はそれ自体が緻密なものである。従って、セラミック粉末層11を介在させてこれら第1及び第2Al板12,13を接合されたAl複合材は緻密な表面を有し、外気に存在するエア及び湿気がその蓋板10を通過して凹部21aの内部に侵入することを有効に防止することができる。その一方、蓋材であるAl複合材10は、熱伝導率の比較的高い第1及び第2Al板12,13とSiC又はAlNからなるセラミック粉末を使用しているので、Siチップ22が発する熱はこのAl複合材10に伝導して効率よく外部に放散することができる。また、このAl複合材10の熱膨張係数はセラミックスとAlの中間の値となり、セラミック基板21と熱膨張係数が近似しているため、使用温度が変化する温度サイクルに起因する熱応力を緩和することもできる。
【0013】
図4にこのAl複合材10からなる板材を、セラミック回路基板31とAlヒートシンク32の間の熱衝撃の緩衝材として用いた本発明のパワーモジュール30を示す。Alヒートシンク32はAl系合金からなる板材であり、セラミック回路基板31はセラミック基板31aとこのセラミック基板31aの両面にロウ接された第3及び第4Al板31b,31cとを備える。セラミック回路基板31は、Alヒートシンク32にAl複合材10を介してロウ接される。即ち、Alヒートシンク32の上にロウ材(図示せず)と本発明のAl複合材10をこの順序で積層し、更にロウ材とセラミック回路基板31をこの順序で重ねる。この状態で、これらに荷重0.01〜0.25MPaを加え、真空中で577〜650℃に加熱してロウ材を溶融させ、その後冷却してそのロウ材を固化させることによりこれらをロウ接する。
【0014】
本発明のパワーモジュールに用いられるAl複合材10は、熱伝導率の比較的高いSiC又はAlNからなるセラミック粉末を介して熱伝導率の比較的高い第1及び第2Al板12,13を接合しているので、図4におけるパワーモジュール30では、セラミック回路基板31に搭載された半導体チップ等33が発した熱はセラミック回路基板31からこのAl複合材からなる緩衝材10を介してAlヒートシンク32に伝達し、そのAlヒートシンク32からその熱を有効に放散することができる。また、このAl複合材10の熱膨張係数はセラミックスとAlの中間の値となり、熱膨張率の相違により接合時及び温度サイクル時に生じる熱応力を比較的低くすることができる。
【0015】
更に、第1Al板12及び第2Al板13の各Al純度は99.98重量%以上であり、比較的加工硬化を起こし難いものである。従って、加工硬化を起こし難い第1及び第2Al板12,13が直接セラミック回路基板31及びAlヒートシンク32に直接ロウ付けされるため、半導体チップ等16の発熱及び非発熱によりセラミック回路基板31の温度が高温と低温との間で繰返し変化してもそれらのAl板12,13が繰り返し作用する熱応力により加工硬化を起こすことはなく、温度サイクルに起因する応力を吸収する機能の低下を抑制して、パワーモジュール30の熱サイクル寿命を更に長く維持することができる。
【0016】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
<実施例1>
図2に示すように、基台17aであるカーボン板の上に厚さ50mm枠部材17bを重ね、その枠17bの内側に99.98重量%以上の純度の厚さ0.4mmの第1Al板12と厚さ0.7mmのAlが88%のAl−Si系第1ロウ材箔14を起き、その上にSiCを3g均等厚さに敷き詰めてセラミック粉末層11を形成した。その後その枠17bの内側に厚さ0.7mmのAlが88%のAl−Si系第2ロウ材箔16と99.98重量%以上の純度の厚さ0.4mmの第2Al板13とを起いて、押し型19でそれらに0.05〜0.5MPaの圧力を加え、真空中又はアルゴン雰囲気中620℃〜650℃に加熱してこれらをロウ接し縦、横及び厚さがそれぞれ50mm、50mm及び2mmのAl複合材を得た。このAl複合材を実施例1とした。
<実施例2>
第1ロウ材箔12の上に敷き詰めたものがAlNであることを除いて実施例1と同一の手順により実施例一と同形同大のAl複合材を得た。このAl複合材を実施例2とした。
【0017】
<比較例1>
純度が88%の溶融AlにSiC粉末を混入させ、この溶融Alを圧延することによりAl中にSiCを分散させたAl複合材を得た。このAl複合材を比較例1とした。
<比較試験及び評価>
縦、横及び厚さがそれぞれ50mm、50mm及び0.635mmのセラミック回路基板と、縦、横及び厚さがそれぞれ50mm、50mm及び10mmのAl系合金板からなるAlヒートシンクを複数枚それぞれ用意した。ここでセラミック回路基板はAlNからなるセラミック基板の両面にAl板を接合したものを使用した。
【0018】
実施例1,実施例2及び比較例1おけるAl複合材を介してこれらのセラミック回路基板をAlヒートシンク11にそれぞれロウ接してパワーモジュールを得た。
これらそれぞれのパワーモジュールを冷熱衝撃試験器にて−40℃30分〜125℃30分を1サイクルとする温度サイクルを付加した。温度サイクルを100回付加した時点で、Al複合材とセラミック回路基板31又はAl複合材とAlヒートシンク11の間の剥離の有無を観察し、剥離が確認されない場合には更に温度サイクルを100回付加した。これを繰り返して剥離が確認されるまでの温度サイクル回数を温度サイクル寿命として測定した。なお、剥離の有無は拡大鏡により確認することにより行った。
【0019】
この結果、実施例1のAl複合材を有するパワーモジュールでは3000回、実施例2のAl複合材を有するパワーモジュールでは3000回、比較1のAl複合材を有するパワーモジュールでは500回でそれぞれ剥離を確認できた。
この結果から明らかなように、実施例1及び2におけるAl複合材を介装させたパワーモジュールは、比較例1におけるAl複合材を介装させたパワーモジュールと比較して比較的長い間剥離を生じさせることがなかった。これは、比較例1のAl複合材が加工硬化したことに起因するものと考えられる。
【0020】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明では、第1Al板とこの第1Al板と同形同大の第2Al板との間にSiC又はAlNからなるセラミック粉末層を介在させて第1及び第2Al板をロウ材により接合するので、緻密な表面を有するAl複合材を得ることができる。
また、第1Al板及び第2Al板として比較的加工硬化の起こし難いAl純度が99.98重量%以上のものを使用することにより、比較的加工硬化の起こし難いAl複合材を得ることができる。この結果、このAl複合材をセラミック回路基板とAlヒートシンクの間の熱衝撃の緩衝材として用いることによりパワーモジュールの熱サイクル寿命を比較的長く維持することができる。更に、ロウ材としてAl−Si系ロウ材又はAl−Ge系ロウ材を使用すれば、熱伝導率の比較的高いAl複合材を得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のパワーモジュールに用いられるAl複合材の構成を示す縦断面図。
【図2】 そのAl複合材の製造方法を示す概念図。
【図3】 そのAl複合材をSiチップ回路を封止する蓋材として用いた縦断面図。
【図4】 そのAl複合材をセラミック回路基板とAlヒートシンクの間の熱衝撃の緩衝材として用いた本発明のパワーモジュールの縦断面図。
【図5】 従来のAl複合材を緩衝材として用いた図4に対応する縦断面図。
【符号の説明】
10 Al複合材
11 セラミック粉末層
12 第1Al板
13 第2Al板
14 第1ロウ材
16 第2ロウ材
18 積層体
30 パワーモジュール
31 セラミック回路基板
31a セラミック基板
31b 第3Al板
31c 第4Al板
32 Alヒートシンク
Claims (4)
- セラミック基板(31a)と前記セラミック基板(31a)の両面にロウ接された第3及び第4Al板(31b,31c)とを備えたセラミック回路基板(31)とAlヒートシンク(32)との間に熱衝撃の緩衝材が設けられたパワーモジュール(30)であって、
前記緩衝材が、Al純度が99.98重量%以上である第1Al板(12)とこの第1Al板(12)と同形同大のAl純度が99.98重量%以上である第2Al板(13)との間にSiC又はAlNからなるセラミック粉末層(11)を介在させて前記第1及び第2Al板(12,13)がロウ材(14,16)により接合されたAl複合材である
ことを特徴とするパワーモジュール。 - ロウ材(14,16)がAl−Si系ロウ材又はAl−Ge系ロウ材である請求項1記載のパワーモジュール。
- 請求項1記載のパワーモジュールに用いられる緩衝材の製造方法であって、
Al純度が99.98重量%以上である第1Al板(12)と第1ロウ材(14)とSiC又はAlNからなるセラミック粉末層(11)と第2ロウ材(16)と前記第1Al板(12)と同形同大のAl純度が99.98重量%以上である第2Al板(13)とをこの順に配置して積層体(18)を形成する工程と、
前記第1及び第2Al板(12,13)の融点未満であって前記第1及び第2ロウ材(14,16)の溶融温度以上の温度で0.05〜0.5MPaの圧力下、前記積層体(18)を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加圧して前記第1及び第2ロウ材(14,16)を溶融させることにより前記第1Al板(12)と前記第2Al板(13)とを接合する工程とを含む
ことを特徴とするパワーモジュール用緩衝材の製造方法。 - 第1及び第2ロウ材(14,16)がそれぞれAl−Si系ロウ材又はAl−Ge系ロウ材である請求項3記載の製造方法。
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