JP4832419B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は，半導体素子を実装した絶縁基板と冷却部材とが応力緩和層を挟んで組み付けられた半導体モジュールに関する。
ハイブリッド自動車や電気自動車等に車載される高耐圧・大電流用のパワーモジュールは，半導体素子の動作時の自己発熱量が大きい。そのため，車載用パワーモジュールは，高放熱性を有する冷却構造を具備する必要がある。
図６は，冷却構造を具備するパワーモジュールの一例を示している。パワーモジュール９０は，複数の半導体素子１０と，半導体素子１０を実装するセラミック基板２０と，内部に冷媒流路を備えた冷却器３０とを有している。パワーモジュール９０は，半導体素子１０から発せられる熱を冷却器３０によって放熱する。
このような構造のパワーモジュール９０では，線膨張率の相違に起因する応力集中が懸念される。つまり，セラミック基板２０の線膨張率は４〜６ｐｐｍ／℃と小さい。一方，冷却器３０の素材となるアルミの線膨張率は２３ｐｐｍ／℃と比較的大きい。
そこで，この線膨張率差を吸収するため，セラミック基板２０と冷却器３０との間には，高熱伝導性を有し，かつ冷却器３０と線膨張率が近い素材（高純度アルミ等）からなる応力緩和層４０が設けられる（例えば，特許文献１）。この応力緩和層４０には，図７に示すように，多数の貫通穴４１が設けられており，それら貫通穴４１がセラミック基板２０と冷却器３０との線膨張歪を吸収する。
特開２００６−２９４６９９号公報
近年，図８に示すように，大サイズのセラミック基板２０を用意し，これまでより多くの半導体素子１０（例えば，ＩＧＢＴ１１，ダイオード１２）を１枚のセラミック基板２０上に配置することが検討されている。これにより，半導体素子１０，１０間のスペースが縮小され，結果としてパワーモジュール全体のコンパクト化を図ることができる。
しかしながら，大サイズのセラミック基板２０を利用する場合には，次のような問題があった。すなわち，パワーモジュール全体としてはコンパクト化が促進されるが，セラミック基板２０自体は大型化する。そして，セラミック基板２０が大型化することに伴って，応力緩和層４０も大サイズ化することになる。そのため，応力緩和層４０（主としてその外周部）に生じる歪が大きくなり，応力緩和効果が不足する。その結果，セラミック基板２０に反り・割れ等の問題が生じる。特に，半導体素子１０の直下や近傍に割れが生じるとダメージが大きい。
特許文献１の応力緩和層は，図７に示したように貫通穴４１以外の部分は繋がっている。応力緩和層およびセラミック基板の応力歪は，外周のサイズが大きくなるほど大きい。そのため，半導体素子の載置面のサイズが大きいセラミック基板２０を利用した場合，応力緩和効果が不足する。
また，貫通穴４１の数を多くあるいは穴径を大きくし，応力緩和効果を向上させることが考えられる。しかし，貫通穴４１は空間であり，熱伝導率が低い。また，応力緩和層４０に幾つもの空間を形成すると，それらの空間によって伝熱経路が遮断されることになる。そのため，高放熱性を確保するためには，貫通穴４１はできる限り少なくそして小さいほうが好ましい。つまり，応力緩和層４０が冷却器３０への伝熱機能を兼ねていることから，応力緩和効果の向上と高熱伝導性の確保とがトレードオフの関係にある。
本発明は，前記した従来の半導体装置が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，応力緩和効果の向上と高熱伝導性の確保とを両立させた半導体モジュールを提供することにある。
この課題の解決を目的としてなされた半導体モジュールは，冷却部材（ヒートシンク）と，複数の半導体素子が配される絶縁基板と，一方の面を絶縁基板と接合し，他方の面を冷却部材と接合し，伝熱機能と応力緩和機能とを兼ねる応力緩和層とを有し，応力緩和層には，当該応力緩和層を複数の個片部に分離する少なくとも１つのスリットが設けられ，スリットは，応力緩和層の面内中，応力緩和層の厚さ方向から見て，半導体素子の投影領域以外の領域である非半導体素子領域内に位置し，応力緩和層を半導体素子単位で個片化し，半導体素子の投影領域である半導体素子領域には配置されていないことを特徴としている。
本発明の半導体モジュールは，半導体素子を実装する絶縁基板と冷却部材との間に応力緩和層を配し，それらが接合されて一体をなしている。さらに，応力緩和層は，少なくとも１つのスリットによって複数の個片部に分割されている。そのため，冷熱サイクル等の信頼性評価時や市場での使用時の温度変化により，冷却部材と絶縁基板との間において伸縮量の違いが発生したとしても，各個片部で負担する応力歪は小さい。よって，応力歪を確実に吸収でき，絶縁基板や接合材へのクラックや反りが防止され，高信頼性が確保される。
さらに，応力緩和層の面内の領域を，応力緩和層の厚さ方向から見て，半導体素子の投影領域と，投影領域以外の領域である非半導体素子領域とに区別すると，スリットは非半導体素子領域内に位置する。すなわち，空間であるスリットは，半導体素子領域には配置されていない。そのため，スリットが伝熱経路に与える影響は小さい。よって，高熱伝導性は確保される。
さらに，万が一，絶縁基板に割れが生じたとしても，その割れは半導体素子から離れた非半導体素子領域で生じる可能性が高い。このことから，割れの初期段階での致命的なダメージを回避することができる。
また，スリットのうち少なくとも１つは，半導体素子間に位置することとするとよりよい。これにより，半導体素子が各個片部に分散配置される。そのため，各個片部に応力歪が分担され，各個片部が各自の応力緩和能力の範囲内でその効果を発揮できる。
また，スリットのうち少なくとも１つは，応力緩和層を横断することとするとよりよい。すなわち，応力緩和層を横断するスリットを設けることで，各個片部の外周の小サイズ化が図られる。よって，各個片部が応力緩和能力をより確実に発揮できる。
また，応力緩和層の各個片部のサイズは，半導体素子の配置に合わせて異なることとするとよりよい。すなわち，スリットの位置は，半導体素子に合わせて設計される。これにより，各個片部が応力緩和能力をより確実に発揮できるとともに，半導体素子の配置の設計自由度が高い。
本発明によれば，応力緩和効果の向上と高熱伝導性の確保とを両立させた半導体モジュールが実現されている。
以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお，以下の形態では，ハイブリッド自動車用のインテリジェントパワーモジュールとして本発明を適用する。
本形態のパワーモジュール１００は，図１に示すように，発熱体である半導体素子１０と，半導体素子１０を実装するセラミック基板２０と，内部に冷媒流路を備えた冷却器３０と，セラミック基板２０と冷却器３０との間に介在し，両者の線膨張率差による応力歪を緩和する応力緩和機能を有する応力緩和層４５とを備えている。パワーモジュール１００は，半導体素子１０からの熱をセラミック基板２０および応力緩和層４５を介して冷却器３０に放熱する。
半導体素子１０は，インバータ回路を構成する電子部品（本形態では，ＩＧＢＴを１１，ダイオードを１２とする）である。半導体素子１０は，セラミック基板２０上に複数実装され，半田付けによって固定される。なお，車載用のパワーモジュールには，多くの半導体素子が搭載されるが，本明細書では説明を簡略化するためにその一部のみを概略図示している。
セラミック基板２０は，必要とされる絶縁特性，熱伝導率および機械的強度を満たしていれば，どのようなセラミックから形成されていてもよい。例えば，酸化アルミニウムや窒化アルミニウムが適用可能である。本形態では，セラミック基板２０として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いる。そして，その線膨張率は，基材のＡｌＮとほぼ等しい４．６ｐｐｍ／℃である。
また，セラミック基板２０の上面には，金属のパターン層２１が設けられている。パターン層２１には，電気伝導率が高く，はんだとの濡れ性に優れたものであればよい。例えば，純度が高いアルミニウムにニッケルメッキを施したものが適用可能である。一方，セラミック基板２０の下面には，金属層２２が設けられている。金属層２２は，熱伝導率が高く，ロウ材との濡れ性に優れたものであればよい。例えば，高純度アルミニウムが適用可能である。
応力緩和層４５には，アルミ製の冷却器３０とセラミック基板２０との線膨張率差による応力歪を吸収する応力吸収空間が設けられている。本形態の応力緩和層４５は，純度が９９．９９％以上のアルミ板である。高純度アルミである応力緩和層４５の線膨張率は，アルミニウムの固有値と等しい２３．５ｐｐｍ／℃である。高純度アルミは，ヤング率が７０．３ＧＰａと比較的軟らかい材料であり，応力に対する変形が大きい。そのため，冷却器３０とセラミック基板２０との間の応力歪を緩和できる。
また，応力緩和層４５の材料である高純度アルミは，高熱伝導性を有する。そのため，応力緩和層４５は，半導体素子１０からの熱を応力緩和層４５の面方向に散熱するとともに冷却器３０に伝熱する機能を有している。つまり，応力緩和層４５は，応力緩和機能とともに伝熱機能を兼ねている。
また，応力緩和層４５は，図２に示すように，セラミック基板２０との接合面内に２つのスリット４６１，４６２が設けられている。応力緩和層４５では，スリット４６１，４６２が応力吸収空間になる。また，スリット４６１，４６２は，応力緩和層４５を厚さ方向（図１中の上下方向）に貫通し，さらに平面視において一方のスリット４６１が応力緩和層４５を横断し，他のスリット４６２が応力緩和層４５を縦断している。つまり，応力緩和層４５は，スリット４６１，４６２によって複数の個片に完全に分割されている。具体的に本形態の応力緩和層４０は，スリット４６１，４６２によって，個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄの各個片に４分割されている。スリット４６１，４６２と半導体素子１０との位置関係については，後述する。
冷却器３０は，その内部に列状に等間隔配置された冷却フィン３１を有し，隣り合う冷却フィン３１，３１間に冷媒流路３５を形成する。冷却器３０を構成する各部材には，高熱伝導性を有し軽量であるアルミが適用可能である。冷媒としては，液体および気体のいずれを用いてもよい。
セラミック基板２０と応力緩和層４５は，半導体素子１１からの熱を効率よく冷却器３０に伝達させるため，ロウ付けによって冷却器３０上に直接接合される。ロウ材としては，Ａｌ−Ｓｉ系合金，Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金等のアルミニウムロウ材が適用可能である。本形態では，Ａｌ−Ｓｉ系合金を用い，６００℃弱の温度でロウ付けを行う。なお，冷却器３０と応力緩和材４５等との接合は，冷却器３０の形成と同時に行ってもよい。
続いて，本形態のパワーモジュール１００の，セラミック基板２０上の半導体素子１０と応力緩和層４５のスリット４６１，４６２との配置関係について，図３ないし図４を参照しつつ詳説する。
図３は，セラミック基板２０上の半導体素子１０（ＩＧＢＴ１１，ダイオード１２）の配置の一例を平面視にて示している。さらに，図３では，破線によって，応力緩和層４５の個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄの配置をそれぞれ示している。本形態では，応力緩和層４５の厚さ方向から見て，各個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄ上に，ＩＧＢＴ１１およびダイオード１２が１つずつ配置されている。より具体的には，ＩＧＢＴ１１および各ダイオード１２は，隣り合う個片部間を跨ぐことなく，１つの個片部内に収まるように配置されている。
つまり，応力緩和層４５のスリット４６１，４６２は，半導体素子１０下に位置していない。図４は，応力緩和層４５の面内を，応力緩和層の厚さ方向から見て，半導体素子１０下であって半導体素子１０の投影領域となる素子領域４５Ｘと，半導体素子１０下に位置しない非素子領域４５Ｙとに分けて図示している。スリット４６１，４６２は，非素子領域４５Ｙ内に収まるように設けられ，素子領域４５Ｘを跨がない。
本形態のパワーモジュール１００では，スリット４６１，４６２によって応力緩和層４５が個片化されている。そのため，セラミック基板２０のサイズが大きくなることに伴って応力緩和層４５全体のサイズが大きくなったとしても，各個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄのサイズは小さい。そのため，各個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄに生じる応力歪は小さく，応力緩和層４５全体として応力緩和効果を十分に発揮することができる。
また，スリット４６１，４６２は，各個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄに均等に半導体素子１１，１２が配置されるように，半導体素子間に配置される。これにより，半導体素子１１，１２が各個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄに分散配置される。そのため，各個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄに応力歪が分担され，各個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄが各自の応力緩和能力の範囲内でその効果を発揮できる。
また，応力緩和層４５およびセラミック基板２０の応力は，分割された個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄの外周近傍で最大となる。個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄとセラミック基板２０とが接合されている部位は，セラミック基板２０が個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄで裏打された状態であり，強度が高い。そのため，セラミック基板２０が限界に達し，割れが生じる場合は，個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄと接合していない部分から発生する可能性が高い。つまりは，スリット４６１，４６２と対峙する部分で割れが生じ易い。
しかしながら，本形態において，半導体素子１０は，セラミック基板２０上であって個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄが存在する部分にのみ実装されている。言い換えると，スリット４６１，４６２は，半導体素子間である非素子領域４５Ｙにしか存在しない。そのため，万が一，セラミック基板２０に割れが生じたとしても，その割れは半導体素子１０，１０間で発生する。よって，致命的な問題を回避することができる。
また，スリット４６１，４６２を設けることで応力緩和層４５の伝熱機能の低下が懸念されるが，スリット４６１，４６２は発熱体である半導体素子１０の下には設けられていない。すなわち，熱伝達性が最も要求される素子領域４５Ｘには応力緩和層４５が隙間なく存在する。そのため，放熱性への影響は小さい。
なお，本形態の応力緩和層４５は，スリット４６１，４６２によって概ね同サイズの個片部に４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄに分割しているが，これに限るものではない。例えば，図５に示すように，半導体素子１０の配置によって個片部のサイズを調節してもよい。図５に示した半導体モジュールでは，応力緩和層に３つのスリット４６３，４６４，４６５が設けられ，スリット４６３のみが応力緩和層を横断し，他のスリット４６４，４６５は，半導体素子１０の位置を避けるように配置される。これらのスリットにより，応力緩和層は，個片部４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃ，４５０Ｄに分割され，各個片部のサイズは異なる。すなわち，応力緩和層のスリットは，半導体素子１０の配置の設計自由を妨げるものではない。つまり，個片部のサイズは，アルミとセラミックとの線膨張率差による応力歪がセラミック基板２０の強度を超えない範囲内（例えば，厚さが１ｍｍで２０ｍｍ角）で調節可能である。
また，本形態では，１つの個片部に２つの半導体素子１１，１２が配置されているが，半導体素子１１，１２間にもスリットを設け，１つの個片部に１つの半導体素子としてもよい。また，応力歪を吸収できる範囲内であれば，３つ以上の半導体素子を１つの個片部上に配置してもよい。
以上詳細に説明したように本形態の半導体モジュール１００は，応力緩和層４５がスリット４６１，４６２によって４つの個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄに分割されている。すなわち，応力緩和層４５全体としてのサイズは大きくても，個片部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄに着目するとそのサイズは小さい。そのため，冷熱サイクル等の信頼性評価時や市場での使用時の温度変化により，冷却部材と絶縁基板との間において伸縮量の違いが発生したとしても，各個片部で負担する応力歪は小さい。よって，応力歪を確実に吸収でき，セラミック基板２０や接合材へのクラックや反りが防止され，高信頼性が確保される。
さらに，スリット４６１，４６２は非素子領域４５Ｙ内に位置する。すなわち，スリット４６１，４６２は素子領域４５Ｘには配置されておらず，伝熱経路に与える影響は小さい。よって，高熱伝導性は確保される。従って，応力緩和効果の向上と高熱伝導性の確保とを両立させた半導体モジュールが実現している。
また，応力緩和層４５全体としてのサイズは大きくても，応力緩和層４５の応力緩和効果と高熱伝導性とが確保される。そのため，セラミック基板２０の大型化，その結果としてのパワーモジュールのコンパクト化に資する。
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，本実施の形態の応力緩和層には，応力吸収空間としてスリットしか設けられていないが，スリットと併せて貫通穴を設けてもよい。これにより，分割された領域ごとにさらに応力緩和効果を発揮することができる。
また，半導体素子からの熱を放熱する部材は，冷媒流路を有する冷却器に限るものではない。例えば，安価で高熱伝導性を有する材料（アルミや銅等）からなる金属板を用いた放熱板であってもよい。
実施の形態にかかるパワーモジュールの構成を示す概略断面図である。 実施の形態にかかる応力緩和層の構成を示す斜視図である。 実施の形態にかかる半導体素子とスリットとの配置関係を示す平面透視図である。 実施の形態にかかる応力緩和層の領域の概要を示す図である。 応用例にかかる半導体素子とスリットとの配置関係を示す平面透視図である。 従来の形態にかかるパワーモジュールの構成を示す概略断面図である。 従来の形態にかかる応力緩和層の構成を示す斜視図である。 従来の形態にかかる半導体素子とスリットとの配置関係を示す平面透視図である。
符号の説明
１０ 半導体素子
２０ セラミック基板（絶縁基板）
２１ パターン層
３０ 冷却器（冷却部材）
４５ 応力緩和層
４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄ 個片部
４５Ｘ 素子領域（半導体素子の投影領域）
４５Ｙ 非素子領域（非半導体素子領域）
４６１，４６２ スリット
１００ パワーモジュール（半導体モジュール）

Claims (4)

  1. 冷却部材と，
    複数の半導体素子が配される絶縁基板と，
    一方の面を前記絶縁基板と接合し，他方の面を前記冷却部材と接合し，伝熱機能と応力緩和機能とを兼ねる応力緩和層とを有し，
    前記応力緩和層には，当該応力緩和層を複数の個片部に分離する少なくとも１つのスリットが設けられ，
    前記スリットは，前記応力緩和層の面内中，前記応力緩和層の厚さ方向から見て，前記半導体素子の投影領域以外の領域である非半導体素子領域内に位置し，前記応力緩和層を半導体素子単位で個片化し，前記半導体素子の投影領域である半導体素子領域には配置されていないことを特徴とする半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載する半導体モジュールにおいて，
    前記スリットのうち少なくとも１つは，半導体素子間に位置することを特徴とする半導体モジュール。
  3. 請求項１または請求項２に記載する半導体モジュールにおいて，
    前記スリットのうち少なくとも１つは，前記応力緩和層を横断することを特徴とする半導体モジュール。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載する半導体モジュールにおいて，
    前記応力緩和層の各個片部のサイズは，半導体素子の配置に合わせて異なることを特徴とする半導体モジュール。
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