JP5488619B2 - パワーモジュール用基板及びパワーモジュール - Google Patents
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Description
本願は、2010年02月05日に日本に出願された特願2010−024705号及び2010年02月05日に日本に出願された特願2010−024706号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
ここで、前述のパワーモジュール用基板の絶縁層における放熱特性は、以下に示す熱抵抗Rthによって表現される。
Rth=(1/k)・(t/S)
Rth:熱抵抗、k:熱伝導率、t:絶縁層の厚さ、S:絶縁層の面積
最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、冷熱サイクルの温度差が大きく、上述のはんだ層にクラックが発生しやすい傾向にある。
しかしながら、Cu−Mo合金の熱伝導率は170W/m・Kと低くなるため、熱を十分に拡げることができず、半導体素子で発生した熱を効率良く放散することができない。
この構成のパワーモジュール用基板においては、基板本体の熱膨張係数を、銅等の金属の熱膨張係数よりも小さく設定することができ、冷熱サイクルによるはんだ層のクラックの発生を抑制することが可能となる。
さらに、本発明のパワーモジュール用基板においては、3枚の金属基複合板が積層されており、第1金属基複合板の高熱伝導率方向と、第2金属基複合板の高熱伝導率方向と、第3金属基複合板の高熱伝導率方向とが、互いに直交するように配置されているので、熱を3方向に分散して放散させることが可能となる。
この構成のパワーモジュール用基板では、一の金属基複合板における高熱伝導率方向が前記基板本体の厚さ方向(すなわち、基板本体とヒートシンクとの積層方向)を向くように構成されている。よって、他の金属基複合板における高熱伝導率方向が前記厚さ方向以外を向くことになるので、この他の金属基複合板において熱を拡がるように放散することができる。また、一の金属基複合板における高熱伝導率方向が前記基板本体の厚さ方向(積層方向)を向くように構成されているので、半導体素子から発生した熱をヒートシンク側へと優先的に放散させることができる。
この構成のパワーモジュール用基板においては、基板本体全体では熱伝導率の異方性が改善されることになる。よって、等方材で構成された基板本体と同様に取り扱うことが可能となる。
この構成のパワーモジュール用基板においては、基板本体の熱膨張係数が、半導体素子を構成するSi等の熱膨張係数に近似することになる。よって、はんだクラックの発生を確実に抑制することができ、このパワーモジュール用基板の信頼性を大幅に向上させることができる。
この構成のパワーモジュール用基板においては、半導体素子から発生した熱を高熱伝導率方向に向けて優先的に放散することが可能となる。また、高熱伝導率方向以外においても熱の伝達が行われることになり、半導体素子から発生した熱を効率的に放散させることができる。
この構成のパワーモジュール用基板においては、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点が比較的低いことから、炭素質部材中にこれらアルミニウムまたはアルミニウム合金を簡単に充填することができる。また、高熱伝導率方向で、熱伝導率が400〜450W/m・K、室温から200℃までの熱膨張係数が6〜8×10−6/℃、高熱伝導率方向に直交する方向で、熱伝導率が200〜250W/m・K、室温から200℃までの熱膨張係数が2〜4×10−6/℃となる。よって、半導体素子との熱膨張係数の差に起因するはんだ層のクラック発生を抑制することができるとともに、効率良く熱を放散することができる。
この構成のパワーモジュール用基板においては、熱伝導率が500〜650W/m・K、室温から200℃までの熱膨張係数が5〜7×10−6/℃となり、半導体素子との熱膨張係数の差に起因するはんだ層のクラック発生を抑制することができるとともに、効率良く熱を放散することができる。
この構成のパワーモジュール用基板においては、前記基板本体の一方の面側に、前記金属基複合材料において炭素質部材中に充填された金属からなる金属スキン層が形成されているので、はんだ層を介して半導体素子を確実に搭載することができる。また、この金属スキン層にNiめっき等を行うことによって、さらにはんだ材との密着性を向上させることも可能である。
この構成のパワーモジュールにおいては、半導体素子から発生する熱を基板本体において拡げてヒートシンク側へと熱を効率的に放散することが可能となる。また、冷熱サイクル負荷時においても、はんだ層にクラックが発生することがない。よって、パワーモジュールの信頼性を大幅に向上させることができる。
まず、本発明の第1の参考実施形態について、図1から図5を用いて説明する。
また、この基板本体20の一方の面(図2及び図3において上側)には、炭素質部材中に充填された金属からなる金属スキン層25が形成されている。図2に示すように、この金属スキン層25の上には、Niめっき層5が形成されている。このNiめっき層5の上にはんだ層2を介して半導体素子3が搭載される。
また、前述の金属スキン層25は、炭素質部材中に充填されたアルミニウムで構成されている。
絶縁層15の厚さtiと基板本体20の厚さtsとの比ti/tsが0.01≦ti/ts≦0.30とされている。
まず、アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体20を形成する(基板本体形成工程S1)。この基板本体形成工程S1について図5を参照して説明する。気孔率10〜30体積%の黒鉛板41を準備する。このとき、黒鉛板41(炭素質部材)における押出方向が厚さ方向を向くものとする。この黒鉛板41の両面にそれぞれ気孔率5体積%以下の黒鉛からなる挟持板47,47を配設する。この挟持板47,47と黒鉛板41とを、ステンレス製の押圧板48,48によって挟持する。これを、例えば100〜200MPaで加圧した状態で750〜850℃に加熱し、純度99.98%以上の溶融アルミニウムを黒鉛板41に含浸させる。これを冷却凝固させることで、アルミニウム−グラファイト複合材料からなる基板本体20が製出される。このとき、溶融アルミニウムの一部が、黒鉛板41(基板本体20)の表面に滲み出してアルミニウム層44、44が形成される。このアルミニウム層44、44に切削加工を施して厚さを調整することにより、金属スキン層25が形成される。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板10が製出される。
また、パワーモジュール用基板10の一方の面側に形成された金属スキン層25の表面にNiめっき膜5を形成する(Niめっき工程S4)。このNiめっき工程S4においては、電解めっき、または、無電解めっきのいずれの方法も用いることができる。
これにより、はんだ層2を介して半導体素子3がパワーモジュール用基板10上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール1が製出される。
また、高熱伝導率方向に直交する方向の熱伝導率が200W/m・K以上、具体的には、200〜250W/m・Kとされているので、板厚を厚くすることによって効率的に熱を板面方向に拡散させることができる。
よって、半導体素子3から発生する熱を、板面方向に拡散させるとともに板厚方向に伝達させることにより、熱の放散を効率良く行うことができる。
また、本実施形態では、基板本体20の厚さtsと絶縁層15の厚さtiとの比ti/tsが0.01≦ti/ts≦0.30とされているので、基板本体20において熱を板面方向に十分に拡散した上で絶縁層15を介してヒートシンク30へと熱を放散することができる。
このパワーモジュール用基板110は、板状をなす基板本体120を備えている。この基板本体120の他方の面に、絶縁性の樹脂からなる絶縁層115が形成されており、この絶縁層115を介してヒートシンク30が配設されている。本実施形態では、第1の参考実施形態とは、基板本体120の構成が異なっている。
ここで、第1金属基複合板121、第2金属基複合板122及び第3金属基複合板123を構成する金属基複合材料は、炭素質部材の押出方向における熱伝導率が、その他の方向における熱伝導率よりも高くなるように異方性を有しており、炭素質部材の押出方向が高熱伝導率方向とされている。
また、第1金属基複合板121の板厚t1、第2金属基複合板122の板厚t2及び第3金属基複合板123の板厚t3は、互いに等しくなるように構成されている。
まず、気孔率10〜30体積%の黒鉛板(炭素質部材)を準備する。このとき、黒鉛板(炭素質部材)の押出方向が板面に沿うように形成されたものを2枚準備し、これらの押出方向が直交するように2枚の黒鉛板141、142を積層する。さらに、黒鉛板(炭素質部材)の押出方向が板厚方向を向くように形成されたものを1枚準備し、この黒鉛板143を2枚の黒鉛板141、142の下側に積層する。
半導体素子3から発生した熱は、まず、図10に示すように、基板本体120の上面側に配置された第1金属基複合板121において、幅方向(図10において左右方向)に拡がっていく。
次に、第1金属基複合板121において幅方向に拡げられた熱は、図11に示すように、第2金属基複合板122において、奥行き方向(図11において上下方向)に拡げられる。
そして、第1金属基複合板121及び第2金属基複合板122によって基板本体120の全面に拡げられた熱は、図12に示すように、第3金属基複合板123によって厚さ方向に伝達され、ヒートシンク30側へと放散される。
そして、基板本体120が、アルミニウム基複合材料で構成されていることから、高熱伝導率方向の熱伝導率が400W/m・K以上、具体的には、400〜450W/m・Kとされ、この高熱伝導率方向に直交する方向の熱伝導率が200W/m・K以上、具体的には、200〜250W/m・Kとされ、熱を効率的に放散させることが可能となる。
しかも、本実施形態においては、高熱伝導率方向が互いに直交するように配置された第1金属基複合板121、第2金属基複合板122及び第3金属基複合板123が、それぞれ同一厚さとされているので、基板本体120全体では熱伝導率の異方性が改善されて等方性を示す。よって、等方性材料で構成された基板本体と同様に取り扱うことが可能となる。
このパワーモジュール201及びパワーモジュール用基板210は、板状をなす基板本体220を備えている。この基板本体220の他方の面に、絶縁性の樹脂からなる絶縁層215が形成されており、この絶縁層215を介してヒートシンク30が配設されている。
この第2の参考実施形態であるパワーモジュール用基板210においては、基板本体220の構成が第1の参考実施形態、実施形態と異なっている。
そして、基板本体220は、図14及び図15に示すように、第1金属基複合板221及び第2金属基複合板222の2枚の金属基複合板が積層された構成とされている。また、この基板本体220の一方の面(図14及び図15において上側)には、金属スキン層225が形成されている。この金属スキン層225の上には、Niめっき層5が形成されている。このNiめっき層5の上にはんだ層2が形成され、半導体素子3が搭載される。
また、前述の金属スキン層225は、炭素質部材中に充填されたアルミニウムで構成されている。
また、第1金属基複合板221の板厚t1及び第2金属基複合板222の板厚t2は、互いに等しくなるように構成されている。
よって、半導体素子3から発生した熱を効率良く放散させることが可能となる。
このパワーモジュール301は、パワーモジュール用基板310と、このパワーモジュール用基板310の一方の面(図16において上面)にはんだ層2を介して接合された半導体素子3と、パワーモジュール用基板310の他方の面(図16において下面)側に配設されたヒートシンク30と、を備えている。
セラミックス基板315は、回路層312と緩衝層313との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板315の厚さは、0.2mm以上1.5mm以下とされており、本実施形態では、0.635mmとされている。
このように、本実施形態においては、回路層312が基板本体320とされ、セラミックス基板315が絶縁層とされている。なお、回路層312(基板本体320)となる金属基複合板352の熱膨張係数が3.5×10−6/℃以上15×10−6/℃以下の範囲内とされている。
本実施形態においては、本体層312Aの厚さt1が、0.1mm≦t1≦3.98mmとされ、金属スキン層312Bの厚さt2が、0.01mm≦t2≦0.5mmとされている。
ここで、金属基複合板352は、炭素質部材の押出方向における熱伝導率が、その他の方向における熱伝導率よりも高くなるように異方性を有しており、炭素質部材の押出方向が高熱伝導率方向とされている。
ここで、回路層312(基板本体320)においては、金属基複合板352の高熱伝導率方向が厚さ方向(セラミックス基板315との積層方向)に対して直交する方向を向くように配置されている。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は640℃以上650℃以下の範囲内としている。
また、本実施形態では、Agペーストの粘度が10Pa・s以上500Pa・s以下、より好ましくは50Pa・s以上300Pa・s以下とされている。
溶剤は、沸点が200℃以上のものが適しており、例えば、α−テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレンクリコールジブチルエーテル等を適用することができる。なお、本実施形態では、ジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いている。
樹脂は、Agペーストの粘度を調整するものであり、500℃以上で分解されるものが適しており、例えば、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を適用することができる。なお、本実施形態では、エチルセルロースを用いている。
また、本実施形態では、ジカルボン酸系の分散剤を添加している。なお、分散剤を添加することなくAgペーストを構成してもよい。
この溶融金属領域は、Ag層356のAgが緩衝層313側及びヒートシンク30側に拡散することによって、緩衝層313及びヒートシンク30のAg層356近傍のAg濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上630℃以下の範囲内としている。
これにより、はんだ層2を介して半導体素子3がパワーモジュール用基板310上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール301が製出される。
特に、本実施形態では、回路層312(基板本体320)を構成する金属基複合板352として、炭素質部材にアルミニウムを充填したアルミニウム−グラファイト複合材料を使用しており、熱膨張係数が3.5×10−6/℃以上15×10−6/℃以下の範囲内とされているので、はんだ層2におけるクラックの発生を確実に防止することができる。
本実施形態では、金属スキン層312Bの厚さが10μm以上500μm以下に設定されているので、回路層312(基板本体320)と半導体素子3との接合信頼性を確実に向上することができ、熱抵抗の上昇を抑えることができる。また、金属スキン層312Bが本体層312Aから剥離することが防止される。
例えば、実施形態、第1、第2の参考実施形態において、絶縁層を樹脂で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、第3の参考実施形態に示すように、絶縁層をセラミックスで構成してもよい。
さらに、金属スキン層を、金属基複合板中に充填されたアルミニウムを滲み出させて形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、基板本体を形成する際に、アルミニウム又はアルミニウム合金等の板材を挟持板の間に挟みこんで、金属スキン層を形成してもよい。
さらに、積層された金属基複合板をそれぞれ同一厚さとなるように構成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、一の金属基複合板の厚さと他の金属基複合板の厚さとを互いに異なるように構成してもよい。この場合、厚く形成された金属基複合板の高熱伝導率方向に向けて熱が拡がりやすくなる。よって、積層された金属基複合板の厚さを制御することによって、基板本体の熱伝導率の異方性を調整することが可能となる。
押出法で製造した黒鉛部材を、押出方向が板厚方向となるように切断し、黒鉛板を準備した。これらをモールド内にセットし、純アルミニウムまたは純銅の溶湯を注いだ後、高圧をかけることにより、金属基複合板(アルミニウム−グラファイト複合材または銅―グラファイト複合材)を製造した。また、SiC板を準備し、純アルミニウムまたは純銅の溶湯を注いだ後、高圧をかけることにより、金属基複合板(アルミニウム−SiC複合材または銅―SiC複合材)を製造した。
銅−グラファイト複合材の熱伝導率を、レーザーフラッシュ法で板厚方向に平行方向と垂直方向とで測定した。その結果、板厚方向で530W/m・K、垂直方向で342W/m・Kであった。
アルミニウム−SiC複合材の熱伝導率を、レーザーフラッシュ法で板厚方向に平行方向と垂直方向とで測定した。その結果、板厚方向で180W/m・K、垂直方向で178W/m・Kであった。
銅−SiC複合材の熱伝導率を、レーザーフラッシュ法で板厚方向に平行方向と垂直方向とで測定した。その結果、板厚方向で221W/m・K、垂直方向で219W/m・Kであった。
次に、熱抵抗Rthは、表1に示すパワーモジュール用基板に、Sn−Ag−Cuからなるはんだ材を介して10mm角のシリコンチップを接合し、このシリコンチップを発熱させて温度測定を行い、基板本体上面と絶縁層下面の熱抵抗を以下の式で算出した。
Rth=(Tj−Ta)/Q
Tj:シリコンチップ温度、Ta:絶縁層下面の温度、Q(W):半導体チップ発熱量
評価結果を表1に示す。
特に、基板本体の厚さts(mm)と基板本体の面積S(mm2)と半導体素子の接合面積S0(mm2)との関係が、0.003≦ts/(S−S0)≦0.015の範囲内とされた参考例1−9においては、熱抵抗が一段と低くなっている。
押出法で製造した黒鉛部材を切断し、押出方向が厚さ方向を向く黒鉛板及び押出方向が厚さ方向と直交する方向を向く黒鉛板を準備した。
これらの黒鉛板を複数枚準備し、それぞれの押出方向が互いに直交するように積層した。黒鉛板の積層体をモールド内にセットし、純アルミニウムまたは純銅の溶湯を注いだ後、高圧をかけることにより、金属基複合板(アルミニウム−グラファイト複合材または銅―グラファイト複合材)を製造した。このようにして、表2に示すように、高熱伝導方向が配置された複数枚の金属基複合板からなる基板本体を製出した。なお、表3におけるX,Y,Z方向は、図7に示したものと同一である。
平均熱膨張係数は、50mm角の基板本体をRT〜200℃で測定し、平均熱膨張係数を算出した。
評価結果を表2に示す。
AlNからなるセラミックス基板の一方の面に回路層を形成し、かつ、セラミックス基板の他方の面に緩衝層を形成した。なお、セラミックス基板は50mm×50mm×0.635mmとし、回路層及び緩衝層は47mm×47mm×0.6mmとした。
なお、回路層、緩衝層は、表3に示す材質の金属板あるいは金属基複合板を用いた。また、回路層、緩衝層とセラミックス基板との接合は、Al−7.5質量%Si箔(厚さ15μm)を用いて真空中(10−5Torr)、650℃で、75kgの荷重を加えて行った。
このヒートシンクに、冷却媒体が流通される流路を備えた冷却器を接合した。フィンはセラミックス基板と同寸法のコルゲートオフセットフィン(ピッチ:3.0mm,高さ:3.2mm、フィン厚さ:0.2mm、フィン長:1.0mm、材質:A3003)を真空ロウ付けで接合した。
熱抵抗は、次のようにして測定した。ヒータチップを100Wの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、ヒートシンクを流通する冷却媒体(エチレングリコール:水=1:1)の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
評価結果を表3に示す。
これに対して、金属基複合板によって回路層を形成した参考例201〜207においては、パワーサイクル負荷後の熱抵抗が抑制されている。はんだ層におけるクラックの発生が抑制されたためと推測される。
2 はんだ層
3 半導体素子
10、110、210、310 パワーモジュール用基板
15、115、215 絶縁層
20、120、220、320 基板本体
25、125、225、312B 金属スキン層
315 セラミックス基板(絶縁層)
Claims (9)
- 板状をなす基板本体の一方の面が、半導体素子が搭載される搭載面とされ、前記基板本体の他方の面側に絶縁層が形成されてなるパワーモジュール用基板であって、
前記基板本体は、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料からなる金属基複合板で構成されており、
前記基板本体は、炭素質部材中に金属が充填された金属基複合材料からなる金属基複合板が複数積層されてなり、この金属基複合材料は、一方向における熱伝導率が他方向における熱伝導率よりも高くなるように異方性を有しており、前記基板本体において、一の金属基複合板における高熱伝導率方向と、他の金属基複合板における高熱伝導率方向とが、互いに異なるように構成されており、
前記基板本体においては、3枚の金属基複合板が積層されており、第1金属基複合板の高熱伝導率方向と、第2金属基複合板の高熱伝導率方向と、第3金属基複合板の高熱伝導率方向とが、互いに直交するように配置されている。 - 請求項1に記載のパワーモジュール用基板であって、
前記基板本体において、一の金属基複合板における高熱伝導率方向が、前記基板本体の厚さ方向を向くように構成されている。 - 請求項1又は請求項2に記載のパワーモジュール用基板であって、
前記第1金属基複合板と、前記第2金属基複合板と、前記第3金属基複合板とが、それぞれ同一の厚さで構成されている。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板であって、
前記基板本体の熱膨張係数が8×10−6/℃以下とされている。 - 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板であって、
前記金属基複合板における高熱伝導率方向の熱伝導率が400W/m・K以上とされており、この高熱伝導率方向に直交する方向の熱伝導率が200W/m・K以上とされている。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板であって、
前記金属基複合材料が、アルミニウムまたはアルミニウム合金が炭素質部材中に充填されてなるアルミニウム基複合材料である。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板であって、
前記金属基複合材料が、銅または銅合金が炭素質部材中に充填されてなる銅基複合材料である。 - 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板であって、
前記基板本体の一方の面側には、前記金属基複合材料において炭素質部材中に充填された金属からなるスキン層が形成されている。 - 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記パワーモジュール用基板の前記基板本体の一方の面上に搭載される半導体素子と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
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