JP4916737B2

JP4916737B2 - 冷却器

Info

Publication number: JP4916737B2
Application number: JP2006069112A
Authority: JP
Inventors: 義幸長友; 誠鳥海; 博弥石塚; 丈嗣北原; 祥郎黒光; 智之渡邊
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2026-03-14
Also published as: JP2007250638A

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用の冷却器に関するものである。

パワーモジュールは、一般に、セラミックス板を有する絶縁回路基板と、セラミックス板の表面側に接合された半導体チップと、セラミックス板の裏面側に接合された冷却器とを備える概略構成とされている。この冷却器として、絶縁回路基板が接合されるＣｕ系材料からなる板材（例えば下記特許文献１参照）と、内部に冷媒が通過可能とされた流通孔を有するＡｌ系材料からなる冷却器本体部とを備える構成が知られている。なお、冷却器本体部の方が板材よりも厚さが大きくされている。
ここで、板材は、半導体チップからの熱を良好に冷却器本体部に伝導させるためのものであって、その表面が絶縁回路基板に接合されるとともに、裏面が冷却器本体部に熱伝導性グリース（例えばＳｉグリース）を介してねじで締結されて接続されている。このように、板材と冷却器本体部とを接合せずに、熱伝導性グリースを介在させてねじで締結するのは、冷却器本体部は、板材と比べて熱膨張係数が大きいので、板材と冷却器本体部とを接合した構成が熱サイクル下で使用される過程において、冷却器本体部の変形に伴って板材も強制的に変形させられることによって、板材と絶縁回路基板との接合部に大きな負荷が作用し亀裂が生じ易くなるのを防ぐためである。すなわち、板材と冷却器本体部とを接合しない場合、冷却器本体部を、板材の裏面上を滑らせるようにして略無拘束状態で変形させることが可能になり、板材が冷却器本体部の変形に追従させられるのを防ぐことができる。
特開平８−２６４６８０号公報

しかしながら、前記従来の冷却器では、板材と冷却器本体部との間に熱伝導性グリースを介在させていたので、これらの間の熱抵抗が大きく、近年のパワーモジュールの高出力化に伴う、冷却効率や熱サイクル寿命のさらなる向上に対する要望に応えるのが困難であるという問題がある。そこで、このような問題を解決するための手段として、板材と冷却器本体部とをろう付けにより接合したり、あるいははんだにより接合する手段が考えられるが、前記のように熱サイクル下で使用される過程において板材と絶縁回路基板との接合部に亀裂が生じ易くなるので、有効な解決手段とはなり得ない。

この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、パワーモジュールの高出力化に対応できるとともに、板材と冷却器本体部の表面との接合部、および絶縁回路基板と板材との接合部それぞれの接合信頼性を向上させることができる冷却器を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の冷却器は、表面側に半導体チップが設けられた絶縁回路基板の裏面側に設けられるパワーモジュール用の冷却器であって、前記絶縁回路基板は、セラミックス板と、このセラミックス板の表面に接合された回路板と、前記セラミックス板の裏面に接合された金属板とを備えており、純度９９．９０％以上の純Ｃｕにより形成された板材と、少なくともこの板材が設けられる表面側が純度９９．０％以上の純Ａｌにより形成された冷却器本体部とを備え、前記板材は、その表面が前記絶縁回路基板の裏面側に接合され、裏面が前記冷却器本体部の表面にはんだ接合されており、前記板材の表面には第２はんだ層が形成され、前記板材と前記冷却器本体部との間には第３はんだ層が形成されており、前記第２はんだ層は、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材で形成され、前記第３はんだ層は、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ材で形成されていることを特徴とする。

この発明では、純度９９．９０％以上の純Ｃｕにより形成された板材が、純度９９．０％以上の純Ａｌにより形成された冷却器本体部の表面にはんだ接合されているので、これらの間の熱抵抗を低減させることが可能になり、冷却器によるパワーモジュールの冷却効率を向上させて、その熱サイクル寿命を向上させることができる。なお、はんだ接合に代えてろう付けで冷却器本体部と板材とを接合すると、冷却器本体部はＡｌ系材料により形成され、板材はＣｕ系材料により形成されているので、この接合部に金属間化合物が生成されて脆化することになり、有効な解決手段にはなり得ない。
また、板材が純度９９．９０％以上の純Ｃｕにより形成されているので、絶縁回路基板から伝導した熱を、積層方向に直交する方向に広げながらその厚さ方向に伝達させることが可能になり、絶縁回路基板と冷却器との間の熱抵抗も低減させることが可能になり、冷却器によるパワーモジュールの冷却効率を一層向上させることができる。さらに、板材が形成された純度９９．９０％以上の純Ｃｕは、冷却器本体部の表面側が形成された純度９９．０％以上の純Ａｌの熱膨張係数とセラミックス板の熱膨張係数と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させることも可能になり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を一層向上させることができる。
ここで、冷却器本体および板材に同じ温度差が付与され、これらの寸法差等に起因して冷却器本体部が板材よりも大きく変形しようとしたときに、板材と冷却器本体部とが前記のようにはんだ接合されたことによって、冷却器本体部の変形に伴い板材も強制的に変形させられようとしても、冷却器本体部において板材が接合される少なくとも表面側が純度９９．０％以上の純Ａｌにより形成されて、この表面側に沿面方向の塑性ひずみが生じ易くなっているので、板材と冷却器本体部との接合部、および絶縁回路基板と板材との接合部に大きな負荷が作用して亀裂が生じ易くなるのを防ぐことができる。
以上より、板材と冷却器本体部との間の熱抵抗を低減させてパワーモジュールのトータル熱抵抗を低くすることが可能になり、このパワーモジュールの高出力化に対応させることができるとともに、パワーモジュールが使用される過程において、板材と冷却器本体部との接合部、および絶縁回路基板と板材との接合部それぞれに亀裂が生ずるのを防ぐことが可能になり、このパワーモジュールに高い接合信頼性を具備させることができる。
なお、前記はんだ層は、例えばＺｎ−Ａｌ系のはんだ材により形成されるのが望ましい。

この発明によれば、パワーモジュールの高出力化に対応できるとともに、板材と冷却器本体部の表面との接合部、および絶縁回路基板と板材との接合部それぞれの接合信頼性を向上させることができる。

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、セラミックス板１１を有する絶縁回路基板１２と、セラミックス板１１の表面側に設けられた半導体チップ１３と、セラミックス板１１の裏面側に設けられた冷却器１４とを備えている。
絶縁回路基板１２は、セラミックス板１１と、このセラミックス板１１の表面にろう付けにより接合された回路板１１ａと、セラミックス板１１の裏面にろう付けにより接合された金属板１１ｂとを備えている。そして、半導体チップ１３は、回路板１１ａの表面に第１はんだ層１５を介して接合されている。

また、冷却器１４は、表面が金属板１１ｂの裏面（セラミックス板１１の裏面側）に第２はんだ層１６を介して接合された板材１７と、表面が板材１７の裏面に第３はんだ層１８を介して接合された冷却器本体部１９とを備えている。そして、本実施形態では、板材１７は、純度９９．９０％以上の純Ｃｕにより形成されている。また、冷却器本体部１９において板材１７の裏面が接合される少なくとも表面側は、純度９９．０％以上の純Ａｌにより形成されている。

ここで、純度９９.９０％以上の純Ｃｕには、例えば無酸素銅、タフピッチ銅、およびりん脱酸銅等が含まれる。

冷却器本体部１９は、表面に板材１７が第３はんだ層１８を介してはんだ接合された天板部１９ａと、この天板部１９ａの裏面により閉塞された凹部１９ｂを有する底板部１９ｃとを備え、この閉塞された凹部１９ｂ内に冷媒が通過可能とされている。そして、天板部１９ａが純度９９．０％以上の純Ａｌにより形成され、底板部１９ｃが例えば、ＡＡ（ＡｌｍｉｎｕｍＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）１０５０系若しくは１１００系の純Ａｌまたは６０６３系のＡｌ合金により形成されている。
また、天板部１９ａの裏面には、凹部１９ｂに向けて突出する複数のコルゲートフィン１９ｄがろう付けされている。

ここで、回路板１１ａの表面および金属板１１ｂの表面にはそれぞれ、図示されない厚さ約５μｍ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１１ａの表面に、第１はんだ層１５を介して半導体チップ１３が接合され、また、回路板１１ａおよび金属板１１ｂとセラミックス板１１とがろう付けにより接合されている。

なお、セラミックス板１１が、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１１ａおよび金属板１１ｂが、純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成された構成において、セラミックス板１１と回路板１１ａおよび金属板１１ｂ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１１ａおよび金属板１１ｂは、熱伝達や熱サイクル寿命等の観点から、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。

また、金属板１１ｂと板材１７とを接合する第２はんだ層１６は、ヤング率が３５ＧＰａ以上、０．２％耐力が３０ＭＰａ以上、引張強度が４０ＭＰａ以上のＳｎを主成分とするはんだ材により形成されている。金属板１１ｂおよび板材１７の互いに対向する表面のうち、少なくとも金属板１１ｂの表面には、厚さ約５μｍの図示されないＮｉメッキ層が形成されており、これらの各Ｎｉメッキ層と第２はんだ層１６とが接合されている。また、第２はんだ層１６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。

第１はんだ層１５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。
また、板材１７と冷却器本体部１９の天板部１９ａとを接合する第３はんだ層１８は、例えばＺｎ−Ａｌ系のはんだ材により形成されるのが望ましい。このＺｎ−Ａｌ系のはんだ材は、Ｐｂ系のはんだ材や無鉛系のはんだ材よりも融点が高いので、第１はんだ層１５を介して半導体チップ１３と回路板１１ａとを接合したり、第２はんだ層１６を介して金属板１１ｂと板材１７とを接合したときに、第３はんだ層１８は溶融することがなく、また、熱サイクル下で使用される過程において、この第３はんだ層１８に亀裂が生ずるのを防ぐことができる。さらに、板材１７および天板部１９ａの互いに対向する表面にＮｉメッキ層を形成しなくても、これら１７、１９ａを良好に接合することができる。

板材１７の厚さは０．５ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下とされている。０．５ｍｍより小さいと、絶縁回路基板１２からの熱を、積層方向に直交する方向に拡散させ難くなるおそれがある。
また、冷却器本体部１９の天板部１９ａの厚さは０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とされている。０．５ｍｍより小さいと、前記凹部１９ｂを通過する冷媒の流体圧によってこの天板部１９ａが変形するおそれがある。なお、天板部１９ａのパワーモジュール１０の積層方向に直交する方向に延びる表裏面の面積は、板材１７よりも大きくなっており、板材１７は、天板部１９ａの表面にその外周縁よりも内側に配置されている。

以上説明したように、本実施形態に係る冷却器１４によれば、純度９９．９０％以上の純Ｃｕにより形成された板材１７が、純度９９．０％以上の純Ａｌにより形成された天板部１９ａの表面に、第３はんだ層１８を介してはんだ接合されているので、これらの間の熱抵抗を低減させることが可能になり、冷却器１４によるパワーモジュール１０の冷却効率を向上さて、その熱サイクル寿命を向上させることができる。

また、板材１７が純度９９．９０％以上の純Ｃｕにより形成されているので、絶縁回路基板１２から伝導した熱を、積層方向に直交する方向に広げながらその厚さ方向に伝達させることが可能になり、絶縁回路基板１２と冷却器１４との間の熱抵抗も低減させることが可能になり、冷却器１４によるパワーモジュール１０の冷却効率を一層向上させることができる。

さらに、板材１７が形成された純度９９．９０％以上の純Ｃｕは、冷却器本体部１９の表面側、つまり天板部１９ａが形成された純度９９．０％以上の純Ａｌの熱膨張係数とセラミックス板１１の熱膨張係数と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させることも可能になり、パワーモジュール１０の熱サイクル寿命を一層向上させることができる。

ここで、冷却器本体部１９の天板部１９ａおよび板材１７に同じ温度差が付与され、これらの寸法差等に起因して天板部１９ａが板材１７よりも大きく変形しようとしたときに、板材１７と天板部１９ａとが前記のようにはんだ接合されたことによって、天板部１９ａの変形に伴い板材１７も強制的に変形させられようとしても、板材１７が接合された天板部１９ａが純度９９．０％以上の純Ａｌにより形成されて、この表面側に沿面方向の塑性ひずみが生じ易くなっているので、板材１７と天板部１９ａとの接合部、つまり第３はんだ層１８、および絶縁回路基板１２と板材１７との接合部、つまり第２はんだ層１６に大きな負荷が作用して亀裂が生じ易くなるのを防ぐことができる。
以上より、板材１７と天板部１９ａとの間の熱抵抗を低減させてパワーモジュール１０のトータル熱抵抗を低くすることが可能になり、このパワーモジュール１０の高出力化に対応させることができるとともに、パワーモジュール１０が使用される過程において、板材１７と天板部１９ａとの接合部（第３はんだ層１８）、および絶縁回路基板１２と板材１７との接合部（第２はんだ層１６）それぞれに亀裂が生ずるのを防ぐことが可能になり、このパワーモジュール１０に高い接合信頼性を具備させることができる。

ここで、以上の作用効果についての検証試験を実施した。
実施例および比較例として、ＡｌＮを主成分とする材質により形成されたセラミックス板１１の縦、横および厚さがそれぞれ３０ｍｍ、３０ｍｍおよび０．６３５ｍｍとされ、純度９９．５％の純Ａｌにより形成された回路板１１ａおよび金属板１１ｂの縦、横および厚さがそれぞれ２８ｍｍ、２８ｍｍおよび０．６ｍｍとされ、純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成された前記天板部の縦、横および厚さがそれぞれ１００ｍｍ、１００ｍおよび１．５ｍｍとされ、コルゲートフィン１９ｄの肉厚および高さ（図１の紙面の上下方向の大きさ）がそれぞれ０．３ｍｍおよび３ｍｍとされ、無酸素銅により形成された板材１７の縦、横および厚さがそれぞれ３０ｍｍ、３０ｍｍおよび１．５ｍｍとされ、金属板１１ｂと板材１７を接合する第２はんだ層１６がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされ、板材１７と前記天板部を接合する第３はんだ層１８がＺｎ−Ａｌ系のはんだ材とされたパワーモジュール用部材を採用した。
さらに、従来例として、前記実施例および比較例と全く同じヒーターチップ、セラミックス板１１、回路板１１ａ、金属板１１ｂ、板材１７およびコルゲートフィン１９ｄを採用するとともに、前記と同様の寸法の純度９８．５％のＡｌ合金により形成された天板部を採用し、板材１７と天板部とははんだ接合せず、これらの間に熱伝導性グリースを介在させたパワーモジュール用部材を採用した。

なお、金属板１１ｂと前記天板部との第２はんだ層１６を介した接合、および前記天板部と板材１７との第３はんだ層１８を介した接合は、予め、金属板１１ｂの裏面と、板材１７の表裏面と、前記天板部の表面とに前記Ｎｉメッキ層を無電解メッキにより形成しておき、その後、還元雰囲気下で実施した。また、この接合の際、同時に第２、第３はんだ層１６、１８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１１ａに接合した。なお、この接合の前に予め回路板１１ａの表面にも前記と同様にＮｉメッキ層を形成した。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１３に代えて採用したものである（以下、この構成を「パワーモジュールサンプル」という）。さらに、回路板１１ａおよび金属板１１ｂとセラミックス板１１とは、Ａｌ−Ｓｉろう箔を用いて予め真空ろう付けした。
以上の構成において、表１に示すように、前記天板部の材質や板材１７の有無を異ならせた１０種類のパワーモジュールサンプル、および前記従来例のパワーモジュール用部材を有するパワーモジュールサンプルを準備した。

比較例１から３は、天板部１９ａが純度９９．０％以上の純Ａｌにより形成されているが、板材１７を有しないパワーモジュールサンプルであり、比較例４、５は、板材１７を有するが、天板部が純度が９９．０％より小さいＡｌ合金により形成されたパワーモジュールサンプルである。

以上の各パワーモジュールサンプルをそれぞれ、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℃に約３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サンプルに付与し、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サンプルの熱サイクル寿命として測定した。ここで、第２、第３はんだ層１６、１８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。

なお、熱抵抗値の測定に際し、冷却器１４の凹部１９ｂに水温５０℃の冷却水を循環させて、コルゲートフィン１９ｄ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た。そして、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（Ｔ）および冷却水の温度（５０℃）により、熱抵抗値（Ｈｒ）を、Ｈｒ＝（Ｔ−５０）／１００（℃／Ｗ）から算出した。ここで、ヒーターチップ温度（Ｔ）は予めヒーターチップのＴＣＲ（ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）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、Ｔ=ΔＲ／ＴＣＲ＋Ｔｒ（℃）から算出した（Ｔｒは室温）。

結果、実施例では熱サイクル寿命が４０００サイクル以上であり、板材１７と天板部１９ａとの接合部（第３はんだ層１８）、および絶縁回路基板１２と板材１７との接合部（第２はんだ層１６）それぞれの接合信頼性が向上されることが確認された。
ここで、比較例１から３では、天板部が、純度９９．０％以上の純Ａｌにより形成されても、絶縁回路基板と冷却器本体部との間に板材が設けられていなければ、熱サイクル寿命が２５００サイクル以下であり、また、比較例４および５では、前記板材が設けられていても、天板部が純度９９．０％より小さいＡｌ系材料により形成されると、熱サイクル寿命が３５００サイクル以下であり、いずれの場合も十分な熱サイクル寿命を確保することができないことが確認された。
また、前記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。さらに、上述したように、実施例では前記熱サイクル寿命が４０００サイクル以上であり、従来例と同等に維持できることが確認された。

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。

パワーモジュールの高出力化に対応できるとともに、板材と冷却器本体部の表面との接合部、および絶縁回路基板と板材との接合部それぞれの接合信頼性を向上させることができる。

この発明の一実施形態に係る冷却器を有するパワーモジュールを示す全体図である。

符号の説明

１０パワーモジュール
１１セラミックス板
１２絶縁回路基板
１３半導体チップ
１４冷却器
１７板材
１８第３はんだ層
１９冷却器本体部
１９ａ天板部
１９ｂ凹部
１９ｃ底板部

Claims

表面側に半導体チップが設けられた絶縁回路基板の裏面側に設けられるパワーモジュール用の冷却器であって、
前記絶縁回路基板は、セラミックス板と、このセラミックス板の表面に接合された回路板と、前記セラミックス板の裏面に接合された金属板とを備えており、
純度９９．９０％以上の純Ｃｕにより形成された板材と、少なくともこの板材が設けられる表面側が純度９９．０％以上の純Ａｌにより形成された冷却器本体部とを備え、
前記板材は、その表面が前記絶縁回路基板の裏面側に接合され、裏面が前記冷却器本体部の表面にはんだ接合されており、
前記板材の表面には第２はんだ層が形成され、前記板材と前記冷却器本体部との間には第３はんだ層が形成されており、
前記第２はんだ層は、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材で形成され、前記第３はんだ層は、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ材で形成されていることを特徴とする冷却器。