JP5050633B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール - Google Patents

ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール Download PDF

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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ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールに関するものである。
この種のパワーモジュールは、例えば特許文献１に記載されているように、セラミックスよりなる絶縁基板の一方の面に回路層が形成され、他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、回路層の表面にはんだ接合された半導体チップ（パワー素子等）と、金属層に接合されたヒートシンクを備えたものが提案されている。ヒートシンクに冷却媒体を流通することで、ヒートシンク上に載置されたパワーモジュール用基板及び半導体チップ（パワー素子等）が効率良く冷却される。
このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁基板に回路層及び金属層をろう付け（１次接合）した後に、金属層とヒートシンクの天板部とをろう付け（２次接合）することによって製造される。
特開２００３−８６７４４号公報
ところで、従来のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、金属層を介してヒートシンクの天板部に接合されており、絶縁基板の一方側に形成された回路層の厚みに対して絶縁基板の他方側に配置された金属層及びヒートシンクの天板部の厚みが非常に厚くなり、熱サイクルによる熱応力によって絶縁基板と金属層との接合面あるいは回路層と絶縁基板との接合面で破断が生じてしまうおそれがあった。
また、パワーモジュール用基板とヒートシンクの天板部とを接合する２次接合時に、熱応力によって反りが発生するおそれがあった。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、熱サイクル信頼性が高く、かつ、反り変形の少ないヒートシンク付パワーモジュール用基板及びこのヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュール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、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が設けられ、前記金属層にヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンクの天板部には、前記金属層の少なくとも一部が収容される収容凹部が形成され、前記金属層の表面と前記収容凹部の底面とが接合され、前記金属層が、前記天板部よりも変形抵抗の小さい金属で構成されており、前記絶縁基板と前記金属層及び前記金属層の表面と前記収容凹部の底面がそれぞれろう付けにて接合されており、前記金属層は、ろう付け前の状態においてアルミニウムの濃度が９９．９９％以上の純アルミニウムで構成され、前記天板部は、ろう付け前の状態においてアルミニウムの濃度が９９．９９％未満のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていることを特徴としている。
また、本発明のパワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板の前記回路層上に搭載されたパワー素子又は受動部品と、を備えることを特徴としている。
本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールにおいては、ヒートシンクの天板部に、絶縁基板の他方の面に設けられた金属層の少なくとも一部が収容される収容凹部が形成され、前記金属層の表面と前記収容凹部の底面とが接合されているので、絶縁基板の他方側に配置される金属層及びヒートシンクの天板部の厚みを薄くすることができ、熱サイクルによる熱応力を低減できる。よって、絶縁基板と金属層との接合面あるいは回路層と絶縁基板との接合面での破断を防止でき、熱サイクル信頼性を大幅に向上させることができる。
さらに、絶縁基板とヒートシンクの天板面との間に位置する金属層が、前記天板部よりも変形抵抗の小さい金属で構成されているので、ヒートシンクの天板部と金属層とを接合する２次接合時において熱応力が作用する場合に変形抵抗の小さな金属層が変形することによって天板部の変形を抑えることができる。また、天板部が変形抵抗の大きな金属で構成されるので、ヒートシンク自体の剛性を確保することができる。よって、このヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールの反り変形を確実に防止することができる。
また、前記金属層と前記収容凹部の底面とをろう付けにて接合するものとし、前記金属層を、ろう付け前の状態においてアルミニウムの濃度が９９．９９％以上の純アルミニウムで構成し、前記天板部を、ろう付け前の状態においてアルミニウムの濃度が９９．９９％未満のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成しているので、金属層がヒートシンクの天板部よりも確実に変形抵抗が小さくなり、前述の効果を確実に奏功せしめることができる。また、天板部及び金属層がそれぞれアルミニウムを主成分とする金属で構成されているので、天板部と金属層との接合強度を高めることができる。なお、ろう付け後においては、金属層にろう材の成分元素が拡散するために、そのアルミニウムの濃度が９９．９９％未満となる場合があるが、ろう付け前の状態で金属層のアルミニウム濃度が９９．９９％以上であればよい。
さらに、前記天板部を、ろう付け前の状態においてアルミニウムの濃度が９０％〜９９％の範囲内であるアルミニウム又はアルミニウム合金で構成してもよい。
この場合、天板部の剛性を確保することができ、天板部のうち収容凹部が形成された部分の肉厚を薄くすることが可能となり、絶縁基板の他方側に配置される金属層及びヒートシンクの天板部の厚みをさらに薄くして、熱サイクルによる熱応力を確実に低減することができる。さらに、ヒートシンク自体の反りを抑えることができるとともに、パワーモジュール用基板をヒートシンクによって効率良く冷却することができる。
また、前記収容凹部の側壁面と前記金属層の側面との間に空隙が画成されるように構成してもよい。
この場合、変形抵抗の小さな金属層が収容凹部内で変形する空間を確保でき、金属層によって熱応力を確実に吸収して、熱サイクル信頼性を飛躍的に向上させることができるとともに、反り変形を確実に防止できる。
本発明によれば、熱サイクル信頼性が高く、かつ、反り変形の少ないヒートシンク付パワーモジュール用基板及びこのヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することができる。
以下に、本発明の第１の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１に本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、セラミックスによって構成された絶縁基板１１の一方の面１１Ａに回路層１２がろう付けされるとともに他方の面１１Ｂに金属層１３がろう付けされたパワーモジュール用基板１０と、金属層１３の表面にろう付けされたヒートシンク２０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、を備えている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
パワーモジュール用基板１０に備えられた絶縁基板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４等で構成されている。回路層１２は、例えば純Ａｌ若しくはＡｌ合金で構成されている。また、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。
そして、金属層１３は、ろう付け前の状態においてアルミニウムの濃度が９９．９９％以上であるアルミニウムで構成されている。なお、本実施形態においては、金属層１３は、絶縁基板１１よりも広幅に形成されている。
ヒートシンク２０は、天板部２１とこの天板部２１から垂設された放熱フィン２２とを有している。
そして、天板部２１には、金属層１３の少なくとも一部が収容可能な収容凹部２３が設けられている。なお、本実施形態においては、収容凹部２３の幅は金属層１３の幅よりも一段幅広とされ、収容凹部２３の深さは金属層１３の厚さと略同一とされている。
この収容凹部２３の底面２３Ａと金属層１３の表面１３Ａとが、例えばＡｌ−Ｓｉ系のろう材でろう付けされている。
そして、天板部２１は、金属層１３よりも変形抵抗の大きな材料で構成されており、本実施形態では、ろう付け前の状態においてアルミニウムの濃度が９９．９９％未満であるアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されている。より具体的には、天板部２１は、アルミニウムの濃度が９０％〜９９％の範囲内であるアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されている。
以下に、このパワーモジュール１の製造方法について説明する。
まず、Ａｌ板を打ち抜いて回路層１２及び金属層１３を形成する。この打ち抜きの際に、回路層１２には配線パターンが形成されている。
次に、絶縁基板１１の一方の面１１Ａに回路層１２をろう付けにて接合し、絶縁基板１１の他方の面１１Ｂに金属層１３をろう付けにて接合する（１次接合）。ここで、絶縁基板１１と回路層１２及び金属層１３とは、例えば厚さが２〜７０μｍのＡｌ系のろう材箔を用いてろう付けされている。このようにしてパワーモジュール用基板１０が作製される。
次に、ヒートシンク２０の天板部２１に形成された収容凹部２３の底面２３Ａにろう材箔が載置され、この収容凹部２３に前記金属層１３が挿入される。このとき、収容凹部２３の側壁面２３Ｂと金属層１３の側面１３Ｂとの間に空隙が生じるように金属層１３が配置される。このようにヒートシンク２０とパワーモジュール用基板１０とを配置し、これらに荷重を加えた状態で加熱することで、収容凹部２３の底面２３Ａと金属層１３の表面１３Ａとをろう付けする（２次接合）。こうしてヒートシンク付パワーモジュール用基板が作製される。なお、本実施形態では、収容凹部２３の深さが金属層１３の厚さと略同一とされているので、天板部２１の表面と絶縁基板１１の他方の面１１Ｂとが略同一高さになるように配置される。
そして、回路層１２の表面に、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材を用いて、半導体チップ３がはんだ付けされる。
以上のようにして、ヒートシンク２０を備えたパワーモジュール１が製作される。
このような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール１においては、ヒートシンク２０の天板部２１に、絶縁基板１１の他方の面１１Ｂに設けられた金属層１３を収容可能な収容凹部２３が形成されており、金属層１３の表面１３Ａと収容凹部２３の底面２３Ａとがろう付けされているので、絶縁基板１１の他方側に配置される金属層１３及び天板部２１の厚みを薄くすることができる。よって、絶縁基板１１の一方の面１１Ａにろう付けされた回路層１２との厚さの差を小さくでき、２次接合後の反りを抑えることができる。また、熱サイクルによる絶縁基板１１と金属層１３との接合面あるいは回路層１２と絶縁基板１１との接合面での破断を防止でき、このヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール１の熱サイクル信頼性を大幅に向上させることができる。
また、絶縁基板１１とヒートシンク２０の天板部２１との間に介在する金属層１３が、天板部２１よりも変形抵抗の小さい金属で構成されており、本実施形態では、天板部２１が、ろう付け前の状態においてアルミニウムの濃度が９０％〜９９％のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、金属層１３がろう付け前の状態においてアルミニウムの濃度が９９．９９％以上の純アルミニウムで構成されているので、天板部２１と金属層１３とを接合する際に加わる熱応力が、変形抵抗の小さな金属層１３が優先的に変形することによって吸収され、天板部２１及び絶縁基板１１の変形を抑えることができる。また、天板部２１が変形抵抗の大きな金属で構成されるので、ヒートシンク２０自体の剛性を確保することができる。よって、このヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール１の反り変形を確実に防止することができる。
また、天板部２１と金属層１３とがそれぞれアルミニウムを主成分とする金属で構成されているので、ろう付けによって天板部２１と金属層１３との強固に接合することができる。
さらに、天板部２１がろう付け前の状態においてアルミニウムの濃度が９０％〜９９％のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されているので、天板部２１の剛性を確保することができ、天板部２１の肉厚を薄くすることが可能となり、絶縁基板１１の他方側に配置される金属層１３及び天板部２１の厚みを薄くして、熱サイクルによる熱応力を確実に低減することができる。さらに、天板部２１の肉厚が薄くなるので、ヒートシンク２０によってパワーモジュール用基板１０を効率良く冷却することができる。
また、本実施形態では、収容凹部２３の幅が金属層１３の幅よりも一段幅広とされ、収容凹部２３の側壁面２３Ｂと金属層１３の側面１３Ｂとの間に空隙が生じるように金属層１３が配置されているので、金属層１３が収容凹部２３内で変形するための空間を確保することができ、金属層１３によって熱応力を確実に吸収し、反り変形を防止して、熱サイクル信頼性を飛躍的に向上させることができる。
また、収容凹部２３に金属層１３を挿入するようにしてパワーモジュール用基板１０が配置されるので、パワーモジュール用基板１０をヒートシンク２０の所定の位置に配置することができる。
次に、本発明の第２の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図２に本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュール１を示す。なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
この第２の実施形態においては、ヒートシンク３０として多流路管を備えた液冷式冷却器が配設されている。このヒートシンク３０の天板部３１には、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の少なくとも一部が収容される収容凹部３３が形成されている。本実施形態では、この収容凹部３３の幅は金属層１３の幅よりも一段幅広とされ、収容凹部３３の深さは金属層１３の厚さよりも浅くされている。
ヒートシンク３０の天板部３１に形成された収容凹部３３の底面３３Ａにろう材箔が載置され、この収容凹部３３に金属層１３が挿入される。収容凹部３３の側壁面３３Ｂと金属層１３の側面１３Ｂとの間に空隙が生じるように金属層１３を配置し、これらに荷重を加えた状態で加熱することで、収容凹部３３の底面３３Ａと金属層１３の表面１３Ａとがろう付けされる。すると、本実施形態では、収容凹部３３の深さが金属層１３の厚さよりも浅くされているので、金属層１３の一部が収容凹部３３に収容されることになる。
このような構成とされた第２の実施形態においては、天板部３１自体の厚さが薄い場合であっても、金属層１３の少なくとも一部が収容される収容凹部３３を形成するとともに、金属層１３を天板部３１よりも変形抵抗の小さな金属で構成することで、ろう付け時の熱応力を金属層１３で吸収することが可能となり、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール１の反りを防止でき、さらに、熱サイクル信頼性を向上させることができる。特に、天板部３１を変形抵抗の高い材料で構成した場合には、天板部３１を薄くしてもヒートシンク３０自体の剛性を確保することができるので効果的である。
次に、本発明の第３の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図３に本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す。なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
この第３の実施形態においては、第１の実施形態とはヒートシンク４０の天板部４１に形成された収容凹部４３の形状が異なっている。
詳述すると、収容凹部４３の側壁面４３Ｂが、底面４３Ａから離間するにしたがい漸次互いに離間するように傾斜させられている。ここで、収容凹部４３は、底面４３Ａ部分の幅が金属層１３の幅と略同一に設定され、底面４３Ａから離間するにしたがい漸次その幅が広がるように構成されている。なお、収容凹部４３の深さは金属層１３の厚さと略同一に設定されている。
金属層１３は、ろう付け前の状態においてアルミニウムの濃度が９９．９９％以上であるアルミニウムで構成されている。
天板部４１は、金属層１３よりも変形抵抗の大きな材料で構成されており、本実施形態では、ろう付け前の状態においてアルミニウムの濃度が９０〜９９％の範囲内であるアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されている。
このような構成とされた第３の実施形態においては、収容凹部４３の底面４３Ａ部分の幅が金属層１３と略同一の幅とされているので、底面４３Ａ部分で金属層１３を強固に固定することができる。ここで、金属層１３と天板部４１とが同じアルミニウムを主成分とする金属で構成され、それぞれの熱膨張係数に差がないので、金属層１３とろう付けされている収容凹部４３の底面４３Ａ部分の幅が金属層１３の幅と略同一とされていても金属層１３の変形を阻害することはない。一方、金属層１３のうち熱膨張係数が大きく異なる絶縁基板１１との接合面部分においては、収容凹部４３の側壁面４３Ｂと金属層１３の側面１３Ｂとの間に空隙が形成されているので、金属層１３が容易に変形可能とされている。したがって、熱応力を金属層１３によって確実に吸収でき、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール１の反りを防止できる。
また、収容凹部４３の底面４３Ａ部分が金属層１３の幅と略同一に設定されているので、パワーモジュール用基板１０をヒートシンク２０の所定の位置に精度良く配置することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、収容凹部の深さを金属層の厚さと略同一または金属層の厚さよりも浅くしたものとして説明したが、これに限定されることはなく、図４に示すように、収容凹部５３の深さを金属層１３の厚さよりも深くしてもよい。この場合、収容凹部５３の内部に絶縁基板１１や回路層１２が収容されても問題はない。
さらに、収容凹部の側壁面と金属層の側面との間に空隙が形成されるものとして説明したが、これ限定されることはなく、図５に示すように、収容凹部６３の幅と金属層１３の幅とを略同一に設定してもよい。この場合においても、変形抵抗の小さな金属層１３が優先的に変形することによって熱応力を吸収することができる。
また、金属層を、絶縁基板よりも広幅に形成してものとして説明したが、これに限定されることはなく、図６に示すように金属層１３を絶縁基板１１と略同一の幅としてもよいし、図７に示すように金属層１３の幅を絶縁基板１１の幅よりも狭くしてもよい。なお、金属層１３の幅を絶縁基板１１の幅よりも狭くする場合には、絶縁基板１１と天板部とが干渉しないように設計することが好ましい。
また、ヒートシンクとして天板部から放熱フィンが垂設されたもの及び多流路管を備えたものを例示して説明したが、これに限定されることはなく、その他の構成のヒートシンクであってもよい。
さらに、絶縁基板、ろう材、はんだ材は、実施形態の材質に限定されることはなく、他の材質で構成されていてもよい。
また、Ａｌ板を打ち抜くことで配線パターンを有する回路層を形成したが、これに限定されることはなく、回路層の表面にレジスト膜を形成してエッチング処理を行うことで配線パターンを形成してもよい。
本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す側面図である。 本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す側面図である。 本発明の第３の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す側面図である。 本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す側面図である。 本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す側面図である。 本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す側面図である。 本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す側面図である。
符号の説明
１ パワーモジュール
１１ 絶縁基板
１２ 回路層
１３ 金属層
１３Ａ 表面
１３Ｂ 側面
２０、３０、４０、５０、６０ ヒートシンク
２１、３１、４１、５１、６１ 天板部
２３、３３、４３、５３、６３ 収容凹部
２３Ａ、３３Ａ、４３Ａ、５３Ａ、６３Ａ 底面
２３Ｂ、３３Ｂ、４３Ｂ、５３Ｂ、６３Ｂ 側壁面

Claims (4)

  1. 絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が設けられ、前記金属層にヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
    前記ヒートシンクの天板部には、前記金属層の少なくとも一部が収容される収容凹部が形成され、前記金属層の表面と前記収容凹部の底面とが接合され、前記金属層が、前記天板部よりも変形抵抗の小さい金属で構成されており、
    前記絶縁基板と前記金属層及び前記金属層の表面と前記収容凹部の底面がそれぞれろう付けにて接合されており、
    前記金属層は、ろう付け前の状態においてアルミニウムの濃度が９９．９９％以上の純アルミニウムで構成され、
    前記天板部は、ろう付け前の状態においてアルミニウムの濃度が９９．９９％未満のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  2. 請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
    前記天板部は、ろう付け前の状態においてアルミニウムの濃度が９０％〜９９％の範囲内であるアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  3. 請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
    前記収容凹部の側壁面と前記金属層の側面との間に空隙が画成されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、該ヒートシンク付パワーモジュール用基板の前記回路層上に搭載されたパワー素子又は受動部品と、を備えることを特徴とするパワーモジュール。
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