JP4786407B2 - Power module - 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パワーモジュールに関するものである。   The present invention relates to a power module used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.

この種のパワーモジュールは一般に、セラミックス板において、その表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に金属層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、金属層の表面にろう付けされたヒートシンクとが備えられ、回路層に半導体チップがはんだ接合されて用いられている。
そして、従来から、このようなパワーモジュールの接合信頼性を向上させるために、例えば下記特許文献１に示されるように、回路層または金属層を、純度が９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌからなる回路層部材または金属層部材を前記のようにろう付けすることにより形成している。
再表０３／０９０２７７号公報 In general, this type of power module is a ceramic plate in which a circuit layer is brazed on the surface and a metal layer is brazed on the back surface, and a heat sink brazed on the surface of the metal layer. And a semiconductor chip is soldered to the circuit layer.
Conventionally, in order to improve the bonding reliability of such a power module, for example, as shown in Patent Document 1 below, a circuit layer or a metal layer is made of an Al alloy or pure having a purity of 99.98% or more. The circuit layer member or metal layer member made of Al is formed by brazing as described above.
Table 03/090277

しかしながら、前記従来のパワーモジュールでは、金属層部材が、純度９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成されていたとしても、ろう付け時に、溶融したろう材に含まれるＳｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ若しくはＧｅ等が、金属層部材の、セラミックス板およびヒートシンクとの各ろう付け面から各別にその内部に向けて拡散するため、ろう付けされた金属層では、Ａｌの純度が９９．９８％より小さくなっていた。したがって、この金属層では、ろう付け前の金属層部材と比べて、熱変形に対する抵抗力が大きくなり、さらに、熱サイクル時に熱変形が繰り返されて徐々に硬化することにもなるため、この熱サイクル時に、金属層がセラミックス板やこれらの接合界面に及ぼす負荷が大きくなり、例えば、セラミックス板が割れ易くなったり、金属層とセラミックス板との接合界面が剥離し易くなったりする等、パワーモジュールの熱サイクル寿命が短くなるおそれがあった。
特に、近年では、セラミックス板の表裏面における平面積を大きくして、１つのヒートシンクに搭載するパワーモジュール用基板の数量を少なくすることによって、製造コストを低減させたり、パワーモジュールユニットのコンパクト化を図ることに対する要望があるが、このようにセラミックス板を大きくすると、このセラミックス板の曲げ剛性が低下して熱サイクル時の熱変形量が大きくなるため、前述した金属層におけるＡｌの純度の低下に伴う変形抵抗の増大等が、この要望に対して大きな阻害要因となっていた。 However, in the conventional power module, even if the metal layer member is formed of an Al alloy having a purity of 99.98% or more or pure Al, Si, Cu, Mn contained in the molten brazing material at the time of brazing Mg, Ge or the like diffuses from the brazing surfaces of the metal layer member to the ceramic plate and the heat sink toward the inside, so that the purity of Al is 99.98% in the brazed metal layer. It was getting smaller. Therefore, this metal layer has a greater resistance to thermal deformation than the metal layer member before brazing, and further, the thermal deformation is repeated and gradually cured during the thermal cycle. The power module that the metal layer exerts on the ceramic plates and their bonding interface during the cycle increases. For example, the ceramic plate is easily broken or the bonding interface between the metal layer and the ceramic plate is easily peeled off. There was a possibility that the thermal cycle life of the was shortened.
In particular, in recent years, by reducing the number of power module substrates mounted on a single heat sink by increasing the plane area of the front and back surfaces of the ceramic plate, the manufacturing cost can be reduced and the power module unit can be made more compact. Although there is a demand for increasing the thickness of the ceramic plate in this way, the bending rigidity of the ceramic plate decreases and the amount of thermal deformation during the thermal cycle increases, which reduces the purity of Al in the metal layer described above. The accompanying increase in deformation resistance has been a major obstacle to this demand.

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、熱サイクル寿命を向上させることができるパワーモジュールを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a power module that can improve the thermal cycle life.

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュールは、セラミックス板において、その表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に金属層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、金属層の表面にろう付けされたヒートシンクとが備えられ、回路層に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュールであって、 前記セラミックス板は、一辺が３０ｍｍより大きく４０ｍｍ以下とされており、前記金属層は、厚さが１．０ｍｍ以上４．５ｍｍ以下とされるとともに、純度が９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌからなる金属層部材が、セラミックス板の裏面、およびヒートシンクの表面にそれぞれ、Ａｌ系のろう材によりろう付けされてなり、この金属層のうち、該金属層の厚さに対して４０％以上８７％以下の厚さ領域部分は、Ａｌの純度が９９．９８％以上とされるとともに、該金属層の厚さ方向の中央部に位置されていることを特徴とする。
この発明によれば、金属層のうち、該金属層の厚さに対して４０％以上８７％以下の厚さ領域部分が、Ａｌの純度が９９．９８％以上とされているので、この金属層における熱変形に対する抵抗力が大きくなるのを抑えることが可能になるとともに、熱サイクル時に熱変形が繰り返されて徐々に硬化することも抑制することが可能になり、この熱サイクル時に、金属層がセラミックス板やこれらの接合界面に及ぼす負荷を抑えることができる。したがって、熱サイクル時に、セラミックス板が割れ易くなったり、金属層とセラミックス板との接合界面が剥離し易くなったりする等、パワーモジュールの熱サイクル寿命が短くなるのを防ぐことができる。
これにより、例えば、セラミックス板の表裏面における平面積を大きくして、１つのヒートシンクに搭載するパワーモジュール用基板の数量を少なくすることによって、製造コストを低減させる等する一方で、セラミックス板の曲げ剛性の低下に伴い、このセラミックス板が熱サイクル時に大きく変形し易くなったとしても、熱サイクル時に、金属層がセラミックス板やこれらの接合界面に及ぼす負荷を抑えることが可能になるので、このようなパワーモジュールを熱サイクル寿命を短くさせることなく良好に実現することができる。
In order to solve such problems and achieve the above-mentioned object, the power module of the present invention is a ceramic plate in which a circuit layer is brazed on the front surface and a metal layer is brazed on the back surface. A power module comprising a module substrate and a heat sink brazed to the surface of the metal layer, wherein a semiconductor chip is soldered to the circuit layer, wherein the ceramic plate has a side larger than 30 mm and not larger than 40 mm. The metal layer has a thickness of 1.0 mm to 4.5 mm, and a metal layer member made of Al alloy or pure Al having a purity of 99.98% or more is formed on the back surface of the ceramic plate, and each surface of the heat sink, it is brazed by the brazing material of Al-based, of the metal layer, 40 to the thickness of the metal layer 87% less thick region portion over the purity of Al with are 99.98% or more, characterized in that it is located in the center portion in the thickness direction of the metal layer.
According to this invention, in the metal layer, the thickness region portion of 40% or more and 87% or less with respect to the thickness of the metal layer has Al purity of 99.98% or more. It is possible to suppress an increase in resistance to thermal deformation in the layer, and it is also possible to suppress repeated curing during the thermal cycle and gradually hardening, and during this thermal cycle, the metal layer Can suppress the load exerted on the ceramic plate and the bonding interface thereof. Therefore, it is possible to prevent the thermal cycle life of the power module from being shortened, such as the ceramic plate being easily broken during the thermal cycle, or the joining interface between the metal layer and the ceramic plate being easily peeled off.
Thereby, for example, by reducing the number of power module substrates to be mounted on one heat sink by increasing the plane area on the front and back surfaces of the ceramic plate, the manufacturing cost can be reduced while bending the ceramic plate. Even if this ceramic plate easily deforms greatly during the thermal cycle due to the decrease in rigidity, it is possible to suppress the load that the metal layer exerts on the ceramic plate and their joint interface during the thermal cycle. It is possible to successfully realize a simple power module without shortening the thermal cycle life.

この発明によれば、パワーモジュールの熱サイクル寿命を向上させることができる。   According to this invention, the thermal cycle life of the power module can be improved.

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。図１はこの発明の一実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。
このパワーモジュール１０は、セラミックス板１１において、その表面に回路層１２がろう付けされるとともに、裏面に金属層１３がろう付けされたパワーモジュール用基板１４と、金属層１３の表面にろう付けされたヒートシンク１７とが備えられ、回路層１２に半導体チップ１６がはんだ層１５を介してはんだ接合されるようになっている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall view showing a power module according to an embodiment of the present invention.
The power module 10 is brazed to a power module substrate 14 having a ceramic layer 11 with a circuit layer 12 brazed to the front surface and a metal layer 13 brazed to the back surface, and the surface of the metal layer 13. The semiconductor chip 16 is soldered to the circuit layer 12 via the solder layer 15.

ここで、これらの各部材を形成する材質としては、例えば、セラミックス板１１ではＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等が挙げられ、回路層１２では純Ａｌ若しくはＡｌ合金が挙げられ、ヒートシンク１７では純度が９９．９８％より小さいＡｌ合金が挙げられ、はんだ層１５ではＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材が挙げられる。また、セラミックス板１１と回路層１２とをろう付けするろう材では、例えばＡｌ−Ｓｉ系等のＡｌ系のろう材が挙げられる。 Here, examples of the material forming these members include AlN, Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , SiC, and the like for the ceramic plate 11, and pure Al or Al alloy for the circuit layer 12. The heat sink 17 may be an Al alloy having a purity of less than 99.98%, and the solder layer 15 may be a Sn-Ag-Cu-based or Pb-Sn-based solder material. Moreover, as the brazing material for brazing the ceramic plate 11 and the circuit layer 12, for example, an Al-based brazing material such as an Al—Si based material can be used.

さらに、セラミックス板１１は、一辺が３０ｍｍより大きく５０ｍｍ以下の平面視正方形とされるとともに、厚さが０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の板状体とされ、金属層１３は、一辺の大きさがセラミックス板１１よりも小さく、かつ３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の平面視正方形とされるとともに、厚さが０．１ｍｍ以上１．３ｍｍ以下とされている。また、ヒートシンク１７において、例えばその内部に冷媒供給流路が形成されている場合、金属層１３とのろう付け面１７ａ側の厚さが３ｍｍ以上１０ｍｍ以下とされている。   Further, the ceramic plate 11 is a square in plan view having a side larger than 30 mm and not larger than 50 mm, and a thickness of 0.2 mm to 1.0 mm, and the metal layer 13 has a size of one side. Is smaller than the ceramic plate 11 and is a square in plan view of 30 mm to 50 mm, and the thickness is 0.1 mm to 1.3 mm. In the heat sink 17, for example, when a coolant supply channel is formed therein, the thickness of the brazing surface 17 a side with the metal layer 13 is 3 mm or more and 10 mm or less.

そして、本実施形態では、金属層１３は、純度が９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成された金属層部材が、セラミックス板１１の裏面、およびヒートシンク１７の表面にそれぞれ、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系（例えば、Ａｌが９２．５ｗｔ％、Ｓｉが７．５ｗｔ％）、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｍｇ系、若しくはＡｌ−Ｇｅ系等のＡｌ系のろう材によりろう付けされてなり、この金属層１３のうち、その総厚に対して１０％以上の厚さ領域部分Ａは、Ａｌの純度が９９．９８％以上とされている。そして、金属層１３において、その表裏面１３ａ、１３ｂの近傍に位置する部分は、ろう付け時に、溶融したＡｌ系のろう材に含まれるＳｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、若しくはＧｅ等が、これらの表裏面１３ａ、１３ｂからその内部に向けて拡散することにより、Ａｌの純度が９９．９８％よりも小さくなっている。なお、図示の例では、前記厚さ領域部分Ａは、金属層１３の厚さ方向中央部に位置されている。   In the present embodiment, the metal layer 13 has a metal layer member formed of an Al alloy having a purity of 99.98% or more or pure Al, on the back surface of the ceramic plate 11 and the surface of the heat sink 17, for example, Al-Si-based (for example, Al is 92.5 wt%, Si is 7.5 wt%), Al-Cu-based, Al-Mn-based, Al-Mg-based, or Al-Ge-based Al-based brazing material Of the metal layer 13, the thickness region portion A of 10% or more of the total thickness of the metal layer 13 has an Al purity of 99.98% or more. In the metal layer 13, the portions located in the vicinity of the front and back surfaces 13 a and 13 b are Si, Cu, Mn, Mg, Ge, or the like contained in the molten Al-based brazing material during brazing. By diffusing from the front and back surfaces 13a and 13b toward the inside, the purity of Al is smaller than 99.98%. In the example shown in the figure, the thickness region portion A is located in the central portion of the metal layer 13 in the thickness direction.

次に、以上のように構成されたパワーモジュール１０の製造方法について説明する。
まず、純度が９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌからなる母材を打ち抜いたり、あるいはこのＡｌ合金若しくは純Ａｌの溶湯を用いた鋳造により板状の回路層部材および金属層部材を形成する。また、純度が９９．９８％より小さいＡｌ合金の溶湯を用いて鋳造したり、またはこのＡｌ合金からなる部材に押出し加工を施したり、さらには、これらの鋳造品および押出し加工品をろう付け（例えば真空ろう付け等）することによりヒートシンク１７を形成する。なお、回路層部材は回路層１２と同形同大とされ、金属層部材は金属層１３と同形同大とされている。 Next, a method for manufacturing the power module 10 configured as described above will be described.
First, a plate-like circuit layer member and a metal layer member are formed by stamping an Al alloy having a purity of 99.98% or more or a base material made of pure Al, or casting using a molten Al alloy or pure Al. . Moreover, it casts using the molten metal of Al alloy whose purity is less than 99.98%, or extrudes the member made of this Al alloy, and brazes these cast products and extruded products ( The heat sink 17 is formed by, for example, vacuum brazing. The circuit layer member has the same shape and size as the circuit layer 12, and the metal layer member has the same shape and size as the metal layer 13.

そして、セラミックス板１１の表面にＡｌ系のろう材箔と回路層部材とをこの順に配置するとともに、セラミックス板１１の裏面に前記ろう材箔と金属層部材とをこの順に配置し、さらに、金属層部材の表面に、前記ろう材箔とヒートシンク１７とをこの順に配置して積層構造体を形成する。ここで、Ａｌ系のろう材箔は、金属層部材の平面視形状と略同形同大とされるとともに、厚さが０．１μｍ以上３０μｍｍ以下とされている。   Then, the Al-based brazing material foil and the circuit layer member are arranged in this order on the surface of the ceramic plate 11, and the brazing material foil and the metal layer member are arranged in this order on the back surface of the ceramic plate 11. On the surface of the layer member, the brazing material foil and the heat sink 17 are arranged in this order to form a laminated structure. Here, the Al-based brazing material foil has substantially the same shape and size as the planar view of the metal layer member, and a thickness of 0.1 μm or more and 30 μm or less.

そして、この積層構造体を、不活性雰囲気、還元雰囲気、または真空中（真空度１×１０−５Ｔｏｒｒ（１．３３×１０−３Ｐａ）以下）に置いて、積層方向に０．０９８ＭＰａ〜０．２９４ＭＰａで加圧した状態で５７７℃以上６６０℃以下で加熱し、この状態を約１時間維持してろう材箔を溶融させることによって、セラミックス板１１の表面に回路層部材をろう付けするとともに、セラミックス板１１の裏面に金属層部材をろう付けしてパワーモジュール用基板１４を形成し、これと同時に、金属層部材（金属層１３）とヒートシンク１７とをろう付けすることによってパワーモジュール１０を形成する。 Then, this laminated structure is placed in an inert atmosphere, a reducing atmosphere, or in a vacuum (vacuum degree: 1 × 10 −5 Torr (1.33 × 10 −3 Pa or less)), and 0.098 MPa to The circuit layer member is brazed to the surface of the ceramic plate 11 by heating at 577 ° C. or more and 660 ° C. or less while being pressurized at 0.294 MPa, and maintaining the state for about 1 hour to melt the brazing material foil. At the same time, a power module substrate 14 is formed by brazing a metal layer member to the back surface of the ceramic plate 11. At the same time, the power module 10 is brazed between the metal layer member (metal layer 13) and the heat sink 17. Form.

なお、金属層１３の前記厚さ領域部分Ａの大きさは、例えば、前記ろう材箔に含まれるＳｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、若しくはＧｅ等の濃度や厚さ、金属層部材のＡｌ純度や厚さ等を適宜設定することにより変更することができる。   The size of the thickness region portion A of the metal layer 13 is, for example, the concentration or thickness of Si, Cu, Mn, Mg, or Ge contained in the brazing material foil, the Al purity of the metal layer member, It can be changed by appropriately setting the thickness and the like.

以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュールによれば、金属層１３のうち、その総厚に対して１０％以上の厚さ領域部分Ａが、Ａｌの純度が９９．９８％以上とされているので、この金属層１３における熱変形に対する抵抗力が大きくなるのを抑えることが可能になるとともに、熱サイクル時に熱変形が繰り返されて徐々に硬化することも抑制することが可能になり、この熱サイクル時に、金属層１３がセラミックス板１１やこれらの接合界面に及ぼす負荷を抑えることができる。したがって、熱サイクル時に、セラミックス板１１が割れ易くなったり、金属層１３とセラミックス板１１との接合界面が剥離し易くなったりする等、パワーモジュール１０の熱サイクル寿命が短くなるのを防ぐことができる。   As described above, according to the power module according to the present embodiment, in the metal layer 13, the thickness region portion A of 10% or more with respect to the total thickness has Al purity of 99.98% or more. Therefore, it is possible to suppress an increase in resistance to thermal deformation in the metal layer 13, and it is also possible to suppress gradual curing due to repeated thermal deformation during the thermal cycle, During this thermal cycle, the load that the metal layer 13 exerts on the ceramic plate 11 and the bonding interface thereof can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent the thermal cycle life of the power module 10 from being shortened, such as the ceramic plate 11 being easily broken during the thermal cycle, or the joining interface between the metal layer 13 and the ceramic plate 11 being easily peeled off. it can.

これにより、本実施形態のように、セラミックス板１１の表裏面における平面積を大きくして、１つのヒートシンク１７に搭載するパワーモジュール用基板１４の数量を少なくすることによって、製造コストを低減させる等する一方で、セラミックス板１１の曲げ剛性の低下に伴い、このセラミックス板１１が熱サイクル時に大きく変形し易くなったとしても、熱サイクル時に、金属層１３がセラミックス板１１やこれらの接合界面に及ぼす負荷を抑えることが可能になるので、このようなパワーモジュール１０を熱サイクル寿命を短くさせることなく良好に実現することができる。   As a result, as in this embodiment, the plane area on the front and back surfaces of the ceramic plate 11 is increased, and the number of power module substrates 14 mounted on one heat sink 17 is reduced, thereby reducing the manufacturing cost. On the other hand, even if the ceramic plate 11 is easily deformed greatly during the thermal cycle as the bending rigidity of the ceramic plate 11 decreases, the metal layer 13 affects the ceramic plate 11 and the bonding interface thereof during the thermal cycle. Since the load can be suppressed, such a power module 10 can be favorably realized without shortening the thermal cycle life.

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、前記実施形態では、金属層１３として１枚のＡｌ合金若しくは純Ａｌの金属層部材を示したが、これに代えて、この金属層１３を、複数枚の金属層部材が積層されてなる積層体としてもよい。そして、この積層体のうち、その総厚に対して１０％以上の厚さ領域部分が、Ａｌの純度が９９．９８％以上とされていればよい。また、厚さ領域部分Ａは、金属層１３の厚さ方向において複数個所に互いに離れて配置されるようにしてもよい。 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, in the above-described embodiment, one Al alloy or pure Al metal layer member is shown as the metal layer 13, but instead of this, the metal layer 13 is formed by laminating a plurality of metal layer members. It is good also as a laminated body. And it is sufficient for the thickness of the laminated body to be 10% or more of the total thickness of the laminated body if the purity of Al is 99.98% or more. In addition, the thickness region portion A may be arranged at a plurality of positions apart from each other in the thickness direction of the metal layer 13.

次に、この製造方法についての具体的な実施例について説明する。
まず、材質については、ろう付け前の金属層１３（金属層部材）を純度が９９．９９％の純Ａｌ、ヒートシンク１７を純度が９９．５％のＡｌ合金、金属層１３とセラミックス板１１とを接合するろう材をＡｌ−Ｓｉ系（Ａｌが９２．５ｗｔ％、Ｓｉが７．５ｗｔ％）、セラミックス板１１をＡｌＮによりそれぞれ形成した。
厚さについては、金属層１３を３．０ｍｍ、ろう材箔を１０μｍ、セラミックス板１１を約０．６３５ｍｍとした。
また、セラミックス板１１、金属層１３およびろう材箔の平面視形状をそれぞれ正方形として、一辺の大きさを、セラミックス板１１では４０ｍｍ、金属層１３およびろう材箔では３８ｍｍとした。
そして、前記積層構造体を６００℃〜６５０℃の真空中（真空度１×１０−５Ｔｏｒｒ（１．３３×１０−３Ｐａ）以下）に置いて、約１時間、積層方向に０．０９８ＭＰａ〜０．２９４ＭＰａで加圧して、パワーモジュール１０を形成した。 Next, specific examples of the manufacturing method will be described.
First, regarding the material, the metal layer 13 (metal layer member) before brazing is pure Al having a purity of 99.99%, the heat sink 17 is an Al alloy having a purity of 99.5%, the metal layer 13 and the ceramic plate 11 The brazing filler metal was formed of Al—Si (Al: 92.5 wt%, Si: 7.5 wt%), and the ceramic plate 11 was formed of AlN.
Regarding the thickness, the metal layer 13 was 3.0 mm, the brazing material foil was 10 μm, and the ceramic plate 11 was about 0.635 mm.
The plan view shapes of the ceramic plate 11, the metal layer 13, and the brazing material foil were each square, and the size of one side was 40 mm for the ceramic plate 11, and 38 mm for the metal layer 13 and the brazing material foil.
The laminated structure is placed in a vacuum at 600 ° C. to 650 ° C. (vacuum degree: 1 × 10 −5 Torr (1.33 × 10 −3 Pa or less)) and about 0.098 MPa in the lamination direction for about 1 hour. The power module 10 was formed by applying pressure at ˜0.294 MPa.

このパワーモジュール１０において、金属層１３の厚さ方向におけるＡｌの純度分布を、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）で分析して測定した。その結果、金属層１３の厚さ方向中央部に、Ａｌの純度が９９．９８％以上となる厚さ領域部分Ａが、この金属層１３の総厚に対して約８０％存在していることを確認された。   In the power module 10, the purity distribution of Al in the thickness direction of the metal layer 13 was measured by analyzing with an electron beam microanalyzer (EPMA). As a result, about 80% of the total thickness of the metal layer 13 is present in the thickness region portion A in which the purity of Al is 99.98% or more at the center in the thickness direction of the metal layer 13. Was confirmed.

次に、以上説明した作用効果についての検証試験を実施した。
平面視正方形のセラミックス板における一辺の長さ、および金属層の厚さの少なくとも一方を異ならせて１０種類のパワーモジュールを形成し、各パワーモジュールの金属層において、Ａｌの純度が９９．９８％以上とされた厚さ領域部分Ａの大きさを種々異ならせた。 Next, the verification test about the effect demonstrated above was implemented.
Ten types of power modules are formed by varying at least one of the length of one side and the thickness of the metal layer in the square ceramic plate in plan view, and the purity of Al is 99.98% in the metal layer of each power module. The thickness of the thickness region portion A as described above was varied.

なお、各パワーモジュールにおいて、セラミックス板の材質および厚さと、金属層部材の材質および一辺の長さと、ろう材箔の材質、厚さおよび一辺の長さと、温度等の製造条件とは、前述の実施例と同様にした。   In each power module, the material and thickness of the ceramic plate, the material and the length of one side of the metal layer member, the material, the thickness and the length of one side of the brazing material foil, and the manufacturing conditions such as the temperature are as described above. Same as Example.

そして、これらの各パワーモジュールを、−４０℃から１０５℃に約１０分間で昇温した後、１０５℃から−４０℃に１０分間で降温する温度履歴を１サイクルとした熱サイクルをかけて、５００サイクル経過する度に、セラミックス板を目視して割れが生じているか否かを確認するとともに、超音波検査装置を用いて、セラミックス板と金属層との接合界面、および金属層とヒートシンクとの接合界面での剥離面積をそれぞれ測定した。そして、各剥離面積がそれぞれの全接合面積に対して１０％以上になっていたときを熱サイクル寿命として測定した。
結果を表１に示す。 Then, after heating each of these power modules from -40 ° C. to 105 ° C. in about 10 minutes, a thermal history with one cycle of temperature history of lowering the temperature from 105 ° C. to −40 ° C. in 10 minutes is applied. Each time 500 cycles elapses, the ceramic plate is visually checked to determine whether cracks have occurred, and an ultrasonic inspection device is used to check the bonding interface between the ceramic plate and the metal layer, and between the metal layer and the heat sink. The peel area at the joint interface was measured. And when each peeling area was 10% or more with respect to each total joining area, it measured as a heat cycle lifetime.
The results are shown in Table 1.

Figure 0004786407
Figure 0004786407

結果、実施例では、熱サイクル寿命が１０００サイクル以上であり、比較例と比べて熱サイクル寿命が向上されたことが確認された。   As a result, in the examples, the thermal cycle life was 1000 cycles or more, and it was confirmed that the thermal cycle life was improved as compared with the comparative example.

パワーモジュールの熱サイクル寿命を向上させることができる。   The thermal cycle life of the power module can be improved.

この発明の一実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。1 is an overall view showing a power module according to an embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０ パワーモジュール
１１ セラミックス板
１２ 回路層
１３ 金属層
１４ パワーモジュール用基板
１６ 半導体チップ
Ａ 厚さ領域部分
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power module 11 Ceramic board 12 Circuit layer 13 Metal layer 14 Power module substrate 16 Semiconductor chip A Thickness area part

Claims (1)

セラミックス板において、その表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に金属層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、金属層の表面にろう付けされたヒートシンクとが備えられ、回路層に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュールであって、
前記セラミックス板は、一辺が３０ｍｍより大きく４０ｍｍ以下とされており、
前記金属層は、厚さが１．０ｍｍ以上４．５ｍｍ以下とされるとともに、純度が９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌからなる金属層部材が、セラミックス板の裏面、およびヒートシンクの表面にそれぞれ、Ａｌ系のろう材によりろう付けされてなり、
この金属層のうち、該金属層の厚さに対して４０％以上８７％以下の厚さ領域部分は、Ａｌの純度が９９．９８％以上とされるとともに、該金属層の厚さ方向の中央部に位置されていることを特徴とするパワーモジュール。 A ceramic plate includes a power module substrate having a circuit layer brazed to the front surface and a metal layer brazed to the back surface, and a heat sink brazed to the surface of the metal layer. A power module to which the chip is soldered,
The ceramic plate has a side larger than 30 mm and not larger than 40 mm,
The metal layer has a thickness of 1.0 mm or more and 4.5 mm or less, and a metal layer member made of Al alloy or pure Al having a purity of 99.98% or more is formed on the back surface of the ceramic plate and the surface of the heat sink. Each is brazed with an Al-based brazing material,
Among these metal layers, the thickness region portion of 40% or more and 87% or less with respect to the thickness of the metal layer has Al purity of 99.98% or more, and the thickness direction of the metal layer is A power module that is located in the center.
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