JP4867678B2

JP4867678B2 - パワーモジュール

Info

Publication number: JP4867678B2
Application number: JP2007016046A
Authority: JP
Inventors: 誠鳥海; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: JP2008178903A

Description

この発明は、接合される２つの面の間を、均一な所定の間隔に保持するためのハンダシートを用いて製造したパワーモジュールに関する。

従来、対向する２つの面を接合する技術のひとつとして、これら２つの面の間に配置するとともに溶融させて２つの面の間に接合層を形成させるハンダペーストによる接合技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、例えば、セラミックス等により形成された絶縁板と、該絶縁板の一方の面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の面に接合された金属板とを備えた絶縁回路基板の回路板に半導体チップを接合するとともに金属板の表面に冷却部材を接合したパワーモジュールが実用化されている（例えば、特許文献２参照。）。
かかるパワーモジュールにおいて、ハンダを用いて半導体チップや冷却部材を絶縁回路基板に接合した場合、半導体チップが通電、加熱されて熱膨張による歪が生じた場合であっても、ハンダ層の剛性が上記絶縁板、回路板、金属板よりも小さいために熱膨張による歪がハンダ層に吸収されるという利点がある。
特許第３５９７８１０号公報特開２００６−２３７０５８号公報

しかしながら、ハンダペーストを用いて、ハンダ層の厚さを厚く確保して接合面内におけるハンダ層の厚さを均一に形成することは、非常に困難であり、その結果、ハンダ層に生じる歪を抑制してハンダ層に生じる熱膨張による歪を充分に小さくすることや接合面内の位置による温度の偏りを小さくすること、また、回路板に接合された半導体チップの端子の位置精度を確保してボンディング不良の発生を削減することが困難であるという問題があった。

この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、対向する２つの面を接合する場合に、２つの面の間に形成させるハンダ層の厚さを厚くするとともに、ハンダ層の厚さを均一にすることが可能なハンダシートを提供することを目的とする。また、かかるハンダシートを用いることにより、絶縁回路基板の少なくとも一方の面に厚さが厚く均一なハンダ層が形成されたパワーモジュールを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、絶縁板と、該絶縁板の一方の面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の面に接合された金属板とからなる絶縁回路基板を備え、前記絶縁回路基板の、前記回路板と前記金属板の少なくとも一方の側の面にハンダ接合層を介して他の接合部材が接合されたパワーモジュールであって、前記ハンダ接合層は、第１のシート本体と第２のシート本体とからなり、前記ハンダ接合層を挟んで前記絶縁回路基板と前記接合部材とを所定の間隔に保持するための前記ハンダ接合層を形成するハンダよりも高融点材料からなり直径０．４ｍｍ〜０．５ｍｍの球状体からなるスペーサ粒子が、前記第１のシート本体と前記第２のシート本体との間に前記シートの面に沿って層状に一層に分散配置して嵌入され、厚さが前記スペーサ粒子の大きさと略同じに形成されたハンダシートを、前記絶縁回路基板の面と前記接合部材の面との間に配置して溶融して形成することにより、前記スペーサ粒子が一層に配置されて、前記絶縁回路基板と前記接合部材との間が、前記スペーサ粒子に対応する間隔に均一に保持されていることを特徴とする。

この発明に係るパワーモジュールによれば、スペーサ粒子がない従来のハンダ層の場合にはハンダ層を厚さ方向に支持するものがないために、厚さは、例えば、約０．１ｍｍから０．２ｍｍと薄く形成されるが、ハンダ層に、０．４ｍｍから０．５ｍｍの大きさのスペーサ粒子を分散配置することにより、厚さを約０．４ｍｍから０．５ｍｍと厚く制御することができるので、絶縁回路基板と半導体チップや、絶縁回路基板と冷却部材との間に形成されるハンダ層に生じる熱膨張に起因する歪をハンダ層が吸収して小さくすることができる。
また、ハンダ層の厚さが均一に形成されるので、ハンダ層の面内において均一な熱伝導率（熱抵抗）を確保することができる。
また、ハンダよりも高融点材料からなるスペーサ粒子が分散配置されたハンダシートを、回路板又は金属板の面と他の接合部材の面との間で溶融させるとともに凝固させて、回路板又は金属板の面と他の接合部材とを接合させることにより、スペーサ粒子が回路板又は金属板の面と他の接合部材の面との間のハンダ層をスペーサ粒子に対応する厚さに保持されるとともに、ハンダ層の中にスペーサ粒子が分散されることで均一な間隔に保持される。その結果、回路板又は金属板の面と他の接合部材との間に厚さが厚いハンダ層を形成することができ、回路板又は金属板の面と他の接合部材との間隔を均一に保持することができる。
また、スペーサ粒子が、スペーサ粒子がハンダシートの厚さ方向に重なることなく層状に１層に配置されているので、形成するハンダ層の厚さを制御し易い。
また、ハンダシートの厚さと形成されるハンダ層の厚さが略同じ厚さとされているので、余剰のハンダが用いられることがなく、ハンダシートの無駄を抑制して材料歩留まりを向上することができる。

この発明に係るパワーモジュールによれば、絶縁回路基板と半導体チップや冷却部材等の接合部材との間のハンダ層が厚く均一に形成されているので、ハンダ層に生じる熱歪を小さくするとともにハンダ層の面内における熱伝導の効率を向上させて、熱サイクル寿命を向上させることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１には、本発明に係るハンダシートの一実施の形態を示す図であり、符号１はハンダシートを、符号５はスペーサ粒子を示している。
ハンダシート１は、図１に示すように、厚さ０．６ｍｍのシート状のハンダからなるシート本体３と、このシート本体３に分散配置されたスペーサ粒子５とを備えており、ハンダシート１は、その厚さがスペーサ粒子５に比較して０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ大きく形成され、スペーサ粒子５は、シート本体３内に層状に一層に配置されている。

シート本体３は、第１のシート本体３Ａと、この第１のシート本体３Ａと一体的に接合された第２のシート本体３Ｂと、スペーサ粒子５とを備えており、第１のシート本体３Ａと第２のシート本体３Ｂは、例えば、Ｐｂ８５ｗｔ％以上、Ｓｎ１０ｗｔ％以上、Ａｇ０．５ｗｔ％以上で、融点は３２０℃〜３４０℃とされたハンダにより構成されていて、第１のシート本体３Ａに形成された凹部４Ａと第２のシート３Ｂに形成された４Ｂとによりスペーサ粒子５を保持している。

スペーサ粒子５は、この実施の形態において、例えば、材質がＮｉからなる直径がφ０．４ｍｍ〜０．５ｍｍの球状体とされるとともに、シート本体３の全面にわたって分散されている。その結果、球状体の直径を構成する線分の一方端が第１の面に当接して他方端が第２の面に当接することにより、第１の面と第２の面との間隔が球状体の直径に対応する距離に保持可能とされている。
また、スペーサ粒子５の材質がＮｉとされていることにより、ハンダ層を形成する際に、スペーサ粒子５が溶融されたハンダの中にあってもスペーサ粒子５がハンダに溶解されることなく形状が維持されるようになっている。

次に、ハンダシート１の第１の製造方法について説明する。
図２（Ａ）に示すように、まず、ハンダからなる、例えば、厚さ１ｍｍの第１のシート本体３Ａに対して、スペーサ粒子５が保持された嵌入ローラＲ１をＴ方向に回転するとともに押圧させて、第１のシート本体３Ａにスペーサ粒子５が嵌入される凹部４Ａを形成させるとともに、嵌入ローラＲ１の表面からスペーサ粒子５を第１のシート本体３Ａの凹部４Ａに嵌入させる。
スペーサ粒子５は、例えば、嵌入ローラＲ１の上方に配置されたホッパー（図示せず）から供給される。

次いで、第１のシート本体３Ａの凹部４Ａにスペーサ粒子５が嵌入されたら、第１のシート本体３Ａを平板Ｐの上に配置して、第１のシート本体３Ａに厚さ０．６ｍｍの第２のシート本体３Ｂを重ね合わせる。この場合、シート本体３Ａとシート本体３Ｂの厚みについては、シート本体３Ａ及びシート本体３Ｂの材質、押圧条件によって調整可能であり、シート本体３Ａとシート本体３Ｂの厚さを同一とし、又は異なる厚さとすることが可能である。
第１のシート本体３Ａに第２のシート本体３Ｂが重ね合わせられたら、図２（Ｂ）に示すように、押圧ローラＲ２をＴ方向に回転するとともに押圧させて第２のシート本体３Ｂの上面から第１のシート本体３Ａ及び第２のシート本体３Ｂを押圧する。

押圧ローラＲ２の押圧によって、第１のシート本体３Ａから突出したスペーサ粒子５の突出部分が第２のシート本体３Ｂに嵌入されて、第１のシート本体３Ａと第２のシート本体３Ｂが一体的に接合されてハンダシート１が形成される。
形成されたハンダシート１を所定の厚さまで圧延して、ハンダシート１の最終的な厚さを調整してもよい。
この場合、第１のシート本体３Ａと第２のシート本体３Ｂとの接合には、接着剤等を用いてもよい。

次に、ハンダシート１の第２の製造方法について説明する。
第２の製造方法は、貯留槽内に保持された溶融ハンダ液中に０．４ｍｍ〜０．５ｍｍのＮｉ製の球状体を分散させて、この溶融ハンダ液中にＳＵＳ板を水平に配置するとともにＳＵＳ板を負極、ハンダ液を正極に接続する。この場合、Ｎｉ製の球状体は、攪拌翼によって、溶融ハンダ液内にて均一に分散されるようになっている。

この溶融ハンダ液及びＮｉの球状体に対して、前記ＳＵＳ板を負極、ハンダ液を正極とした電圧を印加して電流を流すことで、電着作用によりＳＵＳ板の表面に、Ｎｉ球状体からなるスペーサ粒子５が層状に１層に保持されたハンダシート１が形成される。
かかる溶融ハンダ液によるＮｉ球状体のＳＵＳ板に対する電着による製造方法によれば、均一で１層のＮｉ球状体からなるスペーサ粒子５を有するハンダシート１を容易に製造することができる。

以下、図面３を参照し、パワーモジュール３０の製造を例に、ハンダシート１の使用方法について説明する。
本実施形態のパワーモジュール３０は、絶縁回路基板４０と、該絶縁回路基板４０の一方の表面側に設けられた半導体チップ５０と、絶縁回路基板４０の他方の表面側に設けられた冷却部材５５とを備えており、絶縁回路基板４０は、絶縁板４１と、該絶縁板４１の一方の表面に接合された回路板４２と、絶縁板４１の他方の表面に接合された金属板４３とを備えている。

また、絶縁回路基板４０と半導体チップ５０とは第１のハンダ層４４を介して、絶縁回路基板４０と冷却部材５５とは第２のハンダ層４５を介して接合されており、第１、第２のハンダ接合層４４、４５には、これらハンダ層を構成するハンダよりも高融点材料である材質がNiの球状体からなるスペーサ粒子５が一層に分散配置され、絶縁回路基板４０と半導体チップ（接合部材）５０との間が０．４ｍｍ〜０．５ｍｍに、及び絶縁回路基板４０と冷却部材（接合部材）５５との間が０．４ｍｍ〜０．５ｍｍに、それぞれのハンダ層４４、４５に分散配置されたスペーサ粒子５に対応する厚さに均一に保持されている。

絶縁板４１は、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物系セラミックスにより形成され、回路板４２は、純度９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成され、金属板４３は、純度９８．００％以上９９．９０％以下のＡｌ合金により形成されており、絶縁板４１と回路板４２および金属板４３とを接合するろう材は、例えば、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ている。

また、絶縁板４１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４２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４３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以下とされている。

冷却部材５５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た本体部５５Ａと、第２のハンダ層４５を介して金属板４３と接続される冷却面５５Ｃと、冷却媒体が通過する冷媒流路（図示せず）とを備え、冷媒流路には、例えば、水等の冷媒が流通されて金属板４３側の吸熱面５５Ｃから熱を吸収して、絶縁回路基板４０を冷却するようになっている。
すなわち、半導体チップ５０から冷却部材５５に伝導された熱を吸収することによって、半導体チップ５０からの熱をパワーモジュール３０から放散させるようになっている。

ここで、回路板４２および金属板４３の表面にはそれぞれ、厚さ約２μｍの図示されない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４２の表面に、第１ハンダ層４４を介して半導体チップ５０が接合され、また、Ｎｉメッキ層の形成された回路板４２および金属板４３の各表面と絶縁板４１とは、ろう付けにより接合されている。

この第１のハンダ層４４及び第２のハンダ層４５は、ハンダシート１を絶縁回路基板４０の回路板４２の表面と半導体チップ５０との間及び金属板４３の表面と冷却部材５５とのそれぞれ間に挟んで配置するとともに、温度３４０℃〜３６０℃で、１分間保持した後に、冷却して形成される。

上記実施の形態に係るハンダシートに１よれば、対向する２つの面と面とがスペーサ粒子５により２つの面が支持された状態で第１、第２のハンダ層４４、４５を厚く形成することができる。また、スペーサ粒子５が、材質がＮｉからなる球状体であるので、球状体の直径を制御することにより、第１のハンダ層４４、第２のハンダ層４５の厚さを、例えば、０．４ｍｍ〜０．５ｍｍ、かつ、均一な厚さに容易に制御することができる。
また、第１、第２のハンダ層４４、４５にスペーサ粒子５が分散されていることにより２つの面の間隔を均一に形成することができる。

その結果、上記実施の形態に係るパワーモジュール３０において、第１のハンダ層４４の厚さを０．４ｍｍから０．５ｍｍと厚く形成し、第２のハンダ層４５の厚さを０．４ｍｍから０．５ｍｍと厚く形成することができるので、パワーモジュール３０で発生する熱膨張に起因する歪を小さくすることができる。また、第１、第２のハンダ層４４、４５の厚さが均一となることにより、半導体チップ５０から冷却部材５５への熱伝導が効率的、均一に行なわれるので、パワーモジュール３０の過熱が抑制されるとともに、温度分布の偏りを小さくすることができる。
また、回路板４２に対する半導体チップ５０の端子の位置精度を向上させることができるので、例えば、パワーモジュール製造時におけるボンディング不良の発生を抑制することができ、製造コストを低減することができる。

上記実施の形態に係るハンダシート１によれば、スペーサ粒子５が、ハンダシート１に層状に一層に分散配置されているので、スペーサ粒子５がハンダシート１の厚さ方向に重なることなく配置される。その結果、２つの面の間にハンダシート１を挟んだ状態でスペーサ粒子５が一層に分散配置されるため、ハンダ層の厚さ及び２つの面の間隔を所定の間隔に制御し易い。

また、ハンダシート１がスペーサ粒子５の大きさと略同じ厚さとされて、接合に用いるハンダシート１が、形成されるハンダ層の厚さと略同じ厚さとされることにより余剰のハンダが少なくなるので材料歩留まりを向上することができる。
また、スペーサ粒子５の直径と略同じ厚さのハンダシート１を用いることにより、溶融されたハンダシート１内でのハンダの移動が必要とされないので均一なハンダ層を安定して得ることができる。

なお、本発明の技術的範囲は、上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、ハンダシート１、第１のシート本体３A、第２のシート本体３Bの厚さ、スペーサ粒子５の直径については任意に選択可能である。

上記実施の形態においては、スペーサ粒子として材質がＮｉからなる球状体を、ハンダシート１内に層状に一層に分散配置された場合について説明したが、スペーサ粒子を構成する球状体の材質についてはハンダ層を構成するハンダよりも融点が高く、ハンダに容易に溶解しない材質であればよく、Ｎｉに代えて、例えば、Ｃｕ、Ａｌ等の他の金属を用いてもよい。
また、ハンダシート１内に２層以上の層状にスペーサ粒子５が配置されていてもよい。

また、スペーサ粒子の材質に関して、金属に代えて、ガラス粒子、ダイヤモンド粒子等の無機質を使用することも可能であり、ダイヤモンド粒子は高い熱伝導率が要求される場合に特に好適である。
また、スペーサ粒子５として、球状体に代えて、断面円形状に短く切断された線材を用いることも可能であり、さらに、形成させるハンダ層の厚さに対応した代表寸法を有する楕円体、円錐体や円錐台形体、三角錐、四角錐、五角錐等をはじめとする多角錐体や多角錐台形体、三角柱、四角柱、五角柱等からなる多角柱体（直方体を含む）、またダイヤモンド結晶等に基づいた８面体や切頭８面体、１２面体、２０面体等の多面体等を用いることも可能であり、代表寸法が制御したいハンダ層の厚さに対応することにより、あらゆる形態の粒子をスペーサ粒子の材料とすることができる。
ここでいう、代表寸法とは、形成するハンダ層を支持可能なスペーサ粒子の大きさをいい、スペーサ粒子５が面に安定して配置された状態のときの、配置された面からスペーサ粒子５の頂部までの寸法で表される。

また、上記実施の形態においては、ハンダの組成がＰｂ８５ｗｔ％以上、Ｓｎ１０ｗｔ％以上、Ａｇ０．５ｗｔ％以上の合金の場合について説明したが、例えば、Ｓｎ９５ｗｔ％以上、Ａｇ３ｗｔ％以上、Ｃｕ０．５ｗｔ％以上の組成のハンダを用いることも可能であり、あらゆる組成のハンダを用いることができる。

また、上記実施の形態においては、第１のシート本体３Aに嵌入ローラＲ１によりスペーサ粒子５を分散、配置させる場合について説明したが、嵌入ローラＲ１に代えて、例えば、ドクターブレードによりスペーサ粒子５を分散配置させてもよいし、また、第１のシート本体３Aと第２のシート本体３Bを接合させる際に、平板Pに変えて、押圧ローラR2と対向するもうひとつの押圧ローラを用いて接合させてもよい。
また、上記第１、第２の製造方法以外の製造方法を用いてハンダシート１を製造してもよい。

また、上記実施の形態においては、パワーモジュール３０への適用例として、第１のハンダ層、第２のハンダ層４４、４５がともに、スペーサ粒子５が分散配置されたハンダシート１を用いて形成される場合について説明したが、第１のハンダ層と第２のハンダ層のいずれか一方のみに上記実施形態にかかるハンダシート１を用いてもよい。
また、図３とは異なる構成のパワーモジュールに対して、上記ハンダシート１を用いて製造することも可能である。

この発明の一実施形態に係るハンダシートを示す全体図である。この発明の一実施形態に係るハンダシートの製造方法の一例を示す図である。この発明に係るハンダシートを用いて製造したパワーモジュールの一実施形態を示す図である。

符号の説明

１ハンダシート
５スペーサ粒子
３０パワーモジュール
４０絶縁回路基板
４１絶縁板
４２回路板
４３金属板
４４第１ハンダ層
４５第２ハンダ層
５０半導体チップ（接合部材）
５５冷却部材（接合部材）

Claims

絶縁板と、該絶縁板の一方の面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の面に接合された金属板とからなる絶縁回路基板を備え、前記絶縁回路基板の、前記回路板と前記金属板の少なくとも一方の側の面にハンダ接合層を介して他の接合部材が接合されたパワーモジュールであって、
前記ハンダ接合層は、
第１のシート本体と第２のシート本体とからなり、前記ハンダ接合層を挟んで前記絶縁回路基板と前記接合部材とを所定の間隔に保持するための前記ハンダ接合層を形成するハンダよりも高融点材料からなり直径０．４ｍｍ〜０．５ｍｍの球状体からなるスペーサ粒子が、前記第１のシート本体と前記第２のシート本体との間に前記シートの面に沿って層状に一層に分散配置して嵌入され、厚さが前記スペーサ粒子の大きさと略同じに形成されたハンダシートを、前記絶縁回路基板の面と前記接合部材の面との間に配置して溶融して形成することにより、
前記スペーサ粒子が一層に配置されて、前記絶縁回路基板と前記接合部材との間が、前記スペーサ粒子に対応する間隔に均一に保持されていることを特徴とするパワーモジュール。