JP4747284B2 - Insulated circuit board with cooling sink - Google Patents
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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冷却シンク部付き絶縁回路基板に関するものである。 The present invention relates to high-current, cooling sink with an insulating circuit board that is used in a semiconductor device for controlling the high voltage.
この種の冷却シンク部付き絶縁回路基板としては、例えば下記特許文献1に示されるような、セラミックス等により形成された絶縁板と、該絶縁板の一方の表面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の表面に接合された金属板とを備える絶縁回路基板と、前記金属板の、前記絶縁板に接合された表面と反対側の下面に設けられた冷却部とを備える概略構成とされ、前記回路板の表面にはんだ層を介して半導体チップが接合されるようになっている。 As this type of insulated circuit board with a cooling sink part, for example, as shown in Patent Document 1 below, an insulating board formed of ceramics, etc., a circuit board joined to one surface of the insulating board, A schematic configuration comprising: an insulating circuit board including a metal plate bonded to the other surface of the insulating plate; and a cooling unit provided on a lower surface of the metal plate opposite to the surface bonded to the insulating plate. A semiconductor chip is bonded to the surface of the circuit board via a solder layer.
前記冷却部は、放熱板と内部に冷媒が供給される冷却シンク部とを備え、これらの放熱板と冷却シンク部とが、これらの間に熱伝導性グリース(例えばシリコーングリース)を介してねじにより締結されて接続された構成とされている。そして、前記冷却部の放熱板が、前記金属板にはんだ層を介して接合されている。
ところで、近年では、前記冷却シンク部付き絶縁回路基板の回路板の表面に半導体チップが接合されてなるパワーモジュールの高出力化に伴い、当該パワーモジュールを構成する前記各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなく、このパワーモジュールの積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることに対する要求が高まっている。しかし、前記熱伝導性グリースは前記トータル熱抵抗を低減させることに対して大きな阻害要因となっていた。 By the way, in recent years, with the increase in output of a power module in which a semiconductor chip is bonded to the surface of the circuit board of the insulating circuit board with the cooling sink portion, the bonding reliability of the components constituting the power module is increased. There is an increasing demand for reducing the total thermal resistance in the stacking direction of the power modules without reducing the power. However, the thermally conductive grease has been a major obstacle to reducing the total thermal resistance.
この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなく、積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることができる冷却シンク部付き絶縁回路基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, the components without reducing the bonding reliability between, cooling sink with an insulating circuit that can be reduced the total thermal resistance in the stacking direction An object is to provide a substrate.
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の冷却シンク部付き絶縁回路基板は、AlNからなる絶縁板と、該絶縁板の一方の表面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の表面に接合された金属板とを備えた絶縁回路基板と、前記金属板の下面に接合された冷却シンク部とを備えた冷却シンク部付き絶縁回路基板であって、前記回路板の表面に第1はんだ層を介して半導体チップが接合される構成とされ、前記冷却シンク部は、純Al若しくはAl合金により形成され、冷媒が循環する内部空間を有し、前記金属板と前記冷却シンク部とは、厚さ0.05mm〜0.5mmからなるSnを主成分とする第2はんだ層を介して接合されており、前記回路板および金属板は、純Al若しくはAl合金により形成されるとともに、前記回路板の厚さ(a)が0.2mm以上0.8mm以下、前記金属板の厚さ(b)が0.6mm以上1.5mm以下で、a/b<1であることを特徴とする。
In order to solve the above problems and achieve the above object, an insulating circuit board with a cooling sink portion of the present invention includes an insulating plate made of AlN , and a circuit board bonded to one surface of the insulating plate. An insulating circuit board comprising a metal plate joined to the other surface of the insulating plate, and an insulating circuit board with a cooling sink part comprising a cooling sink part joined to the lower surface of the metal plate, A semiconductor chip is joined to the surface of the circuit board via a first solder layer, the cooling sink portion is formed of pure Al or an Al alloy, has an internal space in which a coolant circulates, and the metal The plate and the cooling sink portion are bonded via a second solder layer mainly composed of Sn having a thickness of 0.05 mm to 0.5 mm, and the circuit plate and the metal plate are made of pure Al or Al When formed from an alloy Furthermore, the thickness (a) of the circuit board is 0.2 mm or more and 0.8 mm or less, the thickness (b) of the metal board is 0.6 mm or more and 1.5 mm or less, and a / b <1. It is characterized by.
この発明では、前記回路板および金属板が、純Al若しくはAl合金により形成されるとともに、前記回路板の厚さ(a)が0.2mm以上0.8mm以下、前記金属板の厚さ(b)が0.6mm以上1.5mm以下で、a/b<1とされているので、前記金属板を前記冷却シンク部に直接接合することにより、熱伝導性グリースを介在させず、しかも接合界面数を低減させて、積層方向におけるトータル熱抵抗の低減されたパワーモジュールを形成しても、前記半導体チップと回路板との接合部ならびに前記金属板と冷却シンク部との接合部に発生する応力を緩和させることが可能になる。 In the present invention, the circuit board and the metal plate are made of pure Al or Al alloy, and the thickness (a) of the circuit board is 0.2 mm or more and 0.8 mm or less, and the thickness (b ) Is not less than 0.6 mm and not more than 1.5 mm, and a / b <1 , so that the metal plate is directly joined to the cooling sink portion, so that no thermally conductive grease is interposed, and the joining interface Even when a power module with a reduced total thermal resistance in the stacking direction is formed by reducing the number, the stress generated at the junction between the semiconductor chip and the circuit board and at the junction between the metal plate and the cooling sink Can be relaxed.
すなわち、前記金属板の厚さ(b)が0.6mm以上1.5mm以下で、かつa/b<1とされて、その厚さが厚くされているので、金属板の上面に熱膨張係数の小さい絶縁板が接合されて、この絶縁板により金属板の上面側における熱変形が拘束されたとしても、金属板の下面側における熱変形が絶縁板により拘束されることを抑制することが可能になる。また、前記回路板の厚さ(a)が0.2mm以上0.8mm以下で、かつa/b<1とされて、その厚さが薄くされているので、この回路板の上下面に、熱膨張係数が小さい半導体チップおよび絶縁板がそれぞれ接合されることにより、この回路板の熱変形を偏りなく均等に拘束することが可能になる。 That is, since the thickness (b) of the metal plate is 0.6 mm or more and 1.5 mm or less and a / b <1, and the thickness is increased, the thermal expansion coefficient is applied to the upper surface of the metal plate. Even if a small insulating plate is joined and thermal deformation on the upper surface side of the metal plate is constrained by this insulating plate, it is possible to suppress thermal deformation on the lower surface side of the metal plate from being constrained by the insulating plate. become. Further, since the thickness (a) of the circuit board is 0.2 mm or more and 0.8 mm or less and a / b <1, and the thickness thereof is reduced, By joining the semiconductor chip and the insulating plate each having a small thermal expansion coefficient, it becomes possible to evenly restrain the thermal deformation of the circuit board evenly.
以上により、パワーモジュールを構成する前記各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなく、このパワーモジュールの積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることが可能になる絶縁回路基板を提供することができる。 As described above, it is possible to provide an insulated circuit board capable of reducing the total thermal resistance in the stacking direction of the power modules without reducing the bonding reliability between the components constituting the power module. .
ここで、前記回路板の厚さが0.2mmより小さいと、該回路板に流せる電流量が制限され、また、この厚さが0.8mmより大きいと、絶縁板により回路板の熱変形を偏りなく均等に拘束させることが困難になり、前記第1はんだ層における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなって、接合信頼性を低下させるおそれがある。 Here, if the thickness of the circuit board is less than 0.2 mm, the amount of current that can be passed through the circuit board is limited. If the thickness is greater than 0.8 mm, the insulating board causes thermal deformation of the circuit board. It becomes difficult to restrain evenly without bias, and the crack growth rate during the thermal cycle in the first solder layer increases, which may reduce the bonding reliability.
前記金属板の厚さが0.6mmより小さいと、この金属板の熱変形が、その上面側のみならず下面側も絶縁板により拘束されることになり、前記第2はんだ層における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなって、接合信頼性が低下するおそれがあり、また、この厚さが1.5mmより大きいと、金属板の熱変形により、絶縁板および回路板が変形させられることによって、前記第1はんだ層における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなり、接合信頼性を低下させるおそれがある。 If the thickness of the metal plate is less than 0.6 mm, thermal deformation of the metal plate is restricted not only on the upper surface side but also on the lower surface side by the insulating plate, and during the thermal cycle in the second solder layer The crack growth rate of the metal plate increases and the bonding reliability may decrease. If the thickness exceeds 1.5 mm, the insulating plate and the circuit board are deformed due to thermal deformation of the metal plate. The crack growth rate during the thermal cycle in the first solder layer is increased, and there is a possibility that the joint reliability is lowered.
この発明によれば、前記金属板と冷却シンク部とがSnを主成分とする第2はんだ層により接合されているので、冷却シンク部および絶縁板の熱膨張係数が異なることによって、接合界面に応力が生じようとした場合においても、この応力を前記第2はんだ層により吸収させることが可能になり、パワーモジュールの接合信頼性をさらに向上させることができる。 According to the present invention, since the metal plate and the cooling sink portion are joined by the second solder layer containing Sn as a main component, the thermal expansion coefficients of the cooling sink portion and the insulating plate are different, so that Even when a stress is about to occur, this stress can be absorbed by the second solder layer, and the joining reliability of the power module can be further improved.
この発明によれば、各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなく、積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることが可能になる冷却シンク部付き絶縁回路基板を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a bonding reliability without reducing, cooling sink with an insulating circuit board ing to be possible to reduce the total thermal resistance in the stacking direction between the components.
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
本実施形態のパワーモジュール10は、絶縁回路基板20と、該絶縁回路基板20の一方の表面側に設けられた半導体チップ(発熱体)30と、絶縁回路基板20の他方の表面側に設けられた冷却シンク部31とを備えている。言い換えると、パワーモジュール10は、絶縁回路基板20および冷却シンク部31からなる冷却シンク部付き絶縁回路基板10aと半導体チップ30とを備えている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The
絶縁回路基板20は、絶縁板11と、該絶縁板11の一方の表面に接合された回路板12と、絶縁板11の他方の表面に接合された金属板13とを備えている。そして、回路板12の表面に第1はんだ層14を介して半導体チップ30が接合され、金属板13の、絶縁板11に接合された表面と反対側の下面に冷却シンク部31が設けられている。
The
ここで、回路板12および金属板13の表面にはそれぞれ、図示されない厚さ約2μmのNiメッキ層が形成されており、このNiメッキ層の形成された回路板12の表面に、第1はんだ層14を介して半導体チップ30が接合され、また、Niメッキ層の形成された回路板12および金属板13の各表面と絶縁板11とがろう付けにより接合されている。
Here, a Ni plating layer having a thickness of about 2 μm (not shown) is formed on the surfaces of the
なお、絶縁板11が、AlN、Si3N4等の窒化物系セラミックス、若しくはAl2O3等の酸化物系セラミックスにより形成され、回路板12および金属板13が、純Al若しくはAl合金により形成された構成において、絶縁板11と回路板12および金属板13とを接合するろう材は、Al−Si系、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系またはAl−Mn系のろう材から選ばれる1または2以上のろう材とされる。ここで、回路板12および金属板13は、熱伝達等の観点から、純Al若しくは純度98%以上のAl合金により形成されるのが望ましい。
The
冷却シンク部31は、純Al、Al合金、純Cu若しくはCu合金等の金属若しくはAlSiC等の金属セラミック複合材により形成されるとともに、表面に金属板13が設けられる本体部31aと、表面に内部空間31bと連通する開口部が形成された箱体31cとを備えている。ここで、本体部31aは、製造上、純Al、Al合金、純Cu若しくはCu合金等の金属若しくはAlSiC等の金属セラミック複合材のいずれか1つの材料から構成されるのが望ましいが、複数の材料を積層した複合体とすることもできる。例えば、本体部31aの内部空間31b側の部分を純Alとし、金属板13側の部分に純Cu板を設けた複合体とすることができる。この場合、純Cu板は、前記純Alの熱膨張係数とAlN(絶縁板11)の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有することから、応力緩衝部材として機能する。本体部31aの、前記表面と反対側の下面には、下方に向けて延在し、かつこの本体部31aの幅方向(図1の紙面に奥行き方向)に延在する冷却フィン31dがその長さ方向(図1の紙面の左右方向)に複数所定の間隔をあけて形成されている。なお、本体部31aは、熱伝達および加工性等の観点から、純Al若しくはAl合金が望ましく、Al合金では特に純度98%以上が良い。
The
この冷却シンク部31は、本体部31aの冷却フィン31dが、箱体31cの内部空間31bに突出した状態で、本体部31aの前記下面が、箱体31cの前記開口部を閉塞する構成とされている。さらに、本体部31aの前記下面と、箱体31cの表面における前記開口部の周縁部との間には、熱伝導グリースが介在されておらず、本体部31aの前記下面と、箱体31cの表面における前記開口部の周縁部とは、直接接触した構成とされている。
The
そして、この閉塞された前記内部空間31bに冷却液や冷却空気などの冷媒を供給および回収する図示されない冷媒循環手段が設けられ、該手段により前記冷媒が、本体部31aの前記下面および冷却フィン31dの全域に接触するようになっている。
すなわち、前記内部空間31bに供給された冷媒により、半導体チップ30から冷却シンク部31に伝導された熱を回収することによって、半導体チップ30からの熱をパワーモジュール10から放散させるようになっている。なお、冷却シンク部31の本体部31aの熱伝達係数は約6000W/℃・m2〜約15000W/℃・m2とされている。
The closed
That is, heat from the
さらに本実施形態では、金属板13と本体部31aとは、ヤング率が35GPa以上、0.2%耐力が40MPa以上、引張強度が40MPa以上のSnを主成分とする第2はんだ層15により接合されている。金属板13、および本体部31aの互いに対向する表面には、図示されないNiメッキ層(金属板13では厚さ約2μm、本体部31aでは厚さ約5μm)が形成されており、これらの各Niメッキ層と第2はんだ層15とが接合されている。図示の例では、金属板13の下面の略全域が、第2はんだ層15により接合されている。また、第2はんだ層15は、Sn85wt%以上、Ag0.5wt%以上、Cu0.1wt%以上である3元以上の多元系合金からなるはんだにより形成されている。
なお、第1はんだ層14の材質は特に限定されるものではないが、Snを主成分とするはんだにより形成されるのが望ましい。
Furthermore, in the present embodiment, the
The material of the
また、絶縁板11の縦、横および厚さがそれぞれ10mm〜100mm、10mm〜100mmおよび0.2mm〜1.0mmとされ、回路板12の縦、横および厚さがそれぞれ10mm〜100mm、10mm〜100mmおよび0.2mm以上0.8mm以下とされ、金属板13の縦、横および厚さがそれぞれ10mm〜100mm、10mm〜100mmおよび0.6mm以上1.5mm以下とされたパワーモジュール10が、−40℃〜105℃の温度範囲で使用される場合において、第1はんだ層14および第2はんだ層15の厚さは0.05mm〜0.5mmとされている。
The length, width, and thickness of the insulating
また、前記の数値範囲において、回路板12の厚さは金属板13の厚さより小さくされており、回路板12の厚さをa、金属板13の厚さをbとすると、a/b<1の関係を満たしている。
In the above numerical range, the thickness of the
以上説明したように、本実施形態に係るパワーモジュール10によれば、回路板12および金属板13が、純Al若しくはAl合金により形成されるとともに、回路板12の厚さ(a)が0.2mm以上0.8mm以下、金属板13の厚さ(b)が0.6mm以上1.5mm以下で、a/b<1とされているので、金属板13を冷却シンク部31の本体部31aに第2はんだ層15を介して直接接合することにより、熱伝導性グリースを介在させず、しかも接合界面数を低減させて、積層方向におけるトータル熱抵抗の低減されたパワーモジュール10を形成しても、半導体チップ30と回路板12との接合部ならびに金属板13と冷却シンク部31の本体部31aとの接合部に発生する応力を緩和させることが可能になる。
As described above, according to the
すなわち、金属板13の厚さ(b)が0.6mm以上1.5mm以下で、かつa/b<1とされて、その厚さが厚くされているので、金属板13の上面に熱膨張係数の小さい絶縁板11が接合されて、この絶縁板11により金属板13の上面側における熱変形が拘束されたとしても、金属板13の下面側における熱変形が絶縁板11により拘束されることを抑制することが可能になる。また、回路板12の厚さ(a)が0.2mm以上0.8mm以下で、かつa/b<1とされて、その厚さが薄くされているので、この回路板12の上下面に、熱膨張係数が小さい半導体チップ30および絶縁板11がそれぞれ接合されることにより、この回路板12の熱変形を偏りなく均等に拘束することが可能になる。
That is, since the thickness (b) of the
以上により、パワーモジュール10を構成する前記各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなく、このパワーモジュール10の積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることが可能になる絶縁回路基板20を提供することができる。
As described above, there is provided an insulating
ここで、回路板12の厚さが0.2mmより小さいと、該回路板12に流せる電流量が制限され、また、この厚さが0.8mmより大きいと、絶縁板11により回路板12の熱変形を偏りなく均等に拘束させることが困難になり、第1はんだ層14における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなって、接合信頼性を低下させるおそれがある。
Here, if the thickness of the
金属板13の厚さが0.6mmより小さいと、この金属板13の熱変形が、その上面側のみならず下面側も絶縁板11により拘束されることになり、第2はんだ層15における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなって、接合信頼性が低下するおそれがあり、また、この厚さが1.5mmより大きいと、金属板13の熱変形により、絶縁板11および回路板12が変形させられることによって、第1はんだ層14における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなり、接合信頼性を低下させるおそれがある。
If the thickness of the
また、金属板13と冷却シンク部31の本体部31aとがSnを主成分とする第2はんだ層15により接合されているので、本体部31aおよび絶縁板11の熱膨張係数が異なることによって、パワーモジュール10、特に接合界面に応力が生じようとした場合においても、この応力を第2はんだ層15により吸収させることが可能になり、パワーモジュール10の接合信頼性をさらに向上させることができる。
Further, since the
ここで、以上の作用効果のうち、金属板13の厚さを回路板12の厚さよりも大きくしたことにより、第2はんだ層15に生ずる応力を低減できることについて、実験により検証した。
Here, among the effects described above, it was verified by experiments that the stress generated in the
本実験に供する冷却シンク部付き絶縁回路基板として、AlNを主成分とする材質により形成された絶縁板11の縦、横および厚さがそれぞれ50mm、50mmおよび0.635mmとされ、回路板12および金属板13の縦および横がそれぞれ48mmおよび48mmとされ、AA(Alminum Association)6063系のAl合金により形成された冷却シンク部31は、その本体部31aの縦、横および厚さがそれぞれ100mm、100mmおよび3mmとされるとともに、冷却フィン31dの厚さ(図1の紙面の左右方向の大きさ)、長さ(図1の紙面の上下方向の大きさ)およびピッチがそれぞれ1mm、8mmおよび3mmとされ、Sn3.5%Ag0.75%Cuからなる第2はんだ層15の厚さが0.3mmとされた構成を採用した。この構成において、回路板12および金属板13の厚さを、0.2mmから1.5mmまでの範囲で種々異ならせた49種類の冷却シンク部付き絶縁回路基板を形成した。以下、回路板12の厚さ(a)が0.2mm以上0.8mm以下、金属板13の厚さ(b)が0.6mm以上1.5mm以下で、a/b<1の構成を実施例といい、これ以外の構成を比較例という。
As an insulating circuit board with a cooling sink portion used in this experiment, the length, width and thickness of the insulating
なお、回路板12は純度99.99%のAl合金、金属板13は純度99.5%のAl合金によりそれぞれ形成した。また、金属板13と冷却シンク部31の本体部31aとの第2はんだ層15を介した接合は、予め、金属板13が接合される冷却シンク部の本体部31aの表面と、金属板13の表面とに、前記Niメッキ層を無電解メッキにより形成しておき、その後、温度が300℃とされた還元雰囲気下で実施した。また、この接合の際、同時に第2はんだ層15と同じはんだ材料により、縦、横および厚さがそれぞれ10mm、10mmおよび0.3mmとされたAlNを用いたヒーターチップを回路板12に接合した。このヒータチップは、本検証試験の実施に際して半導体チップ30に代えて採用したものである(以下、この構成を「パワーモジュール」という)。さらに、回路板12および金属板13と絶縁板11とは、Al−Siろう箔を用いてあらかじめ真空ろう付けした。なお、このろう付けに際し予め、回路板12および金属板13の各表面に厚さ2μmのNiメッキ層を無電解メッキにより形成した。
The
以上の各パワーモジュールをそれぞれ、フッ素系溶媒からなる液相雰囲気下に置いて、その雰囲気温度を−40℃から105℃に10分間で上昇させ、105℃から−40℃に10分間で下降させる温度履歴を1サイクルとした温度サイクルを前記各パワーモジュールに付与し、該付与前の熱抵抗値(以下、「初期熱抵抗値」という)と比べて10%以上の上昇が確認されたときの熱サイクル数を、このパワーモジュールの熱サイクル寿命として測定した。ここで、第1、第2はんだ層14、15等の接合部等に亀裂が発生および進展したときに、熱抵抗値が上昇することになる。この熱サイクル寿命の測定は、500サイクル経過するたびに熱抵抗値を測定することにより実施した。 Each of the above power modules is placed in a liquid phase atmosphere composed of a fluorinated solvent, and the ambient temperature is increased from −40 ° C. to 105 ° C. over 10 minutes and then decreased from 105 ° C. to −40 ° C. over 10 minutes. When a temperature cycle with a temperature history of 1 cycle is applied to each power module, and an increase of 10% or more is confirmed compared to the thermal resistance value before the application (hereinafter referred to as “initial thermal resistance value”). The number of thermal cycles was measured as the thermal cycle life of this power module. Here, when cracks are generated and propagated in the joints of the first and second solder layers 14 and 15, the thermal resistance value is increased. The measurement of the thermal cycle life was carried out by measuring the thermal resistance value after every 500 cycles.
なお、熱抵抗値の測定は、冷却シンク部31の内部空間31bに水温50℃の冷却水を循環させて、冷却フィン31dの外表面を一定温度に保った状態で、ヒーターチップに100Wの電力を供給して発熱させる。このヒーターチップの温度が一定になった後に、そのヒーターチップの温度(Th)および冷却水の温度(50℃)により、熱抵抗値(HR)を、HR=(Th−50)/100(℃/W)から算出した。ここで、ヒーターチップ温度(Th)はあらかじめヒーターチップのTCR(Temperature Coefficient of Resistance)を測定しておき、発熱前後のヒーターチップの抵抗値の差(ΔR)を求めることによって、Th=ΔR/TCR+Tr(℃)から算出した(Trは室温)。
The measurement of the thermal resistance value is performed by circulating cooling water having a water temperature of 50 ° C. in the
従来例として、前記パワーモジュールと同じヒーターチップ、絶縁板11、回路板12、金属板13および冷却シンク部31を採用するとともに、金属板13と冷却シンク部31との間に、縦、横および厚さがそれぞれ70mm、70mmおよび3mmとされたCuMo合金からなる放熱板を配設した構成を採用した。なお、該従来例の構成は、まず、回路板12および金属板13と絶縁板11とをAl−Siろう箔を用いて真空ろう付けした後に、Pb50%Snはんだ材料により、ヒーターチップと回路板12とを接合するとともに、前記放熱板と金属板13とを接合した。さらに、厚さが約0.15mmとされたシリコーングリース層を介して、前記放熱板と冷却シンク部31とを接着させた。なお、前記実施例および比較例と全く同様にして、回路板12等の各表面にNiメッキ層も形成した。
As a conventional example, the same heater chip as the power module, the insulating
結果、従来例の初期熱抵抗値は0.72(℃/W)であるのに対し、実施例の初期熱抵抗値は0.28(℃/W)〜0.30(℃/W)であり、従来例と比べて半分より小さくできることが確認された。また、図2に示すように、前記比較例では、前記熱サイクル寿命が3000以下であるのに対し、実施例では3500より大きいことが確認された。
以上より、回路板12の厚さ(a)が0.2mm以上0.8mm以下、金属板13の厚さ(b)が0.6mm以上1.5mm以下で、a/b<1とされたパワーモジュール10では、各構成要素12等同士の接合信頼性を低減させることなく、積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることができることが確認された。
As a result, the initial thermal resistance value of the conventional example is 0.72 (° C / W), whereas the initial thermal resistance value of the example is 0.28 (° C / W) to 0.30 (° C / W). It was confirmed that it can be smaller than half compared with the conventional example. Further, as shown in FIG. 2, it was confirmed that the thermal cycle life was 3000 or less in the comparative example, whereas it was larger than 3500 in the example.
From the above, the thickness (a) of the
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、前記冷却シンク部31に、絶縁板11の熱膨張係数と冷却シンク部31の本体部31aの熱膨張係数との中間の熱膨張係数を有するCu等からなる応力緩衝部材を備えさせ、該応力緩衝部材を、金属板13と冷却シンク部31との間に配設するようにしてもよく、また、この応力緩衝部材に代えて、純度が99%以上の純Alからなるひずみ吸収部材を配設するようにしてもよい。
また、金属板13と冷却シンク部31の本体部31aとをろう付けにより接合してもよい。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the
Moreover, you may join the
各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなく、積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることが可能になる絶縁回路基板および冷却シンク部付き絶縁回路基板を提供する。 Provided are an insulating circuit board and an insulating circuit board with a cooling sink that can reduce the total thermal resistance in the stacking direction without reducing the bonding reliability between the components.
10 パワーモジュール
10a 冷却シンク部付き絶縁回路基板
11 絶縁板
12 回路板
13 金属板
14 第1はんだ層
15 第2はんだ層
20 絶縁回路基板
30 半導体チップ
31 冷却シンク部
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記回路板の表面に第1はんだ層を介して半導体チップが接合される構成とされ、
前記冷却シンク部は、純Al若しくはAl合金により形成され、冷媒が循環する内部空間を有し、
前記金属板と前記冷却シンク部とは、厚さ0.05mm〜0.5mmからなるSnを主成分とする第2はんだ層を介して接合されており、
前記回路板および金属板は、純Al若しくはAl合金により形成されるとともに、前記回路板の厚さ(a)が0.2mm以上0.8mm以下、前記金属板の厚さ(b)が0.6mm以上1.5mm以下で、a/b<1であることを特徴とする冷却シンク部付き絶縁回路基板。 An insulating circuit board comprising an insulating plate made of AlN, a circuit board bonded to one surface of the insulating plate, a metal plate bonded to the other surface of the insulating plate, and a lower surface of the metal plate An insulated circuit board with a cooling sink portion comprising a bonded cooling sink portion,
The semiconductor chip is joined to the surface of the circuit board via a first solder layer,
The cooling sink part is formed of pure Al or Al alloy, and has an internal space in which the refrigerant circulates.
The metal plate and the cooling sink portion are joined via a second solder layer mainly composed of Sn having a thickness of 0.05 mm to 0.5 mm,
The circuit board and the metal plate are formed of pure Al or an Al alloy, the thickness (a) of the circuit board is 0.2 mm or more and 0.8 mm or less, and the thickness (b) of the metal plate is 0. An insulating circuit board with a cooling sink portion, wherein a / b <1 is 6 mm or more and 1.5 mm or less.
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