JP6040803B2 - Power module - Google Patents
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Description
本発明は、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に関する。 The present invention relates to a power module used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.
従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に、導体パターン層を形成する金属板が積層され、この導体パターン層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となる金属板が形成され、この放熱層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。
このようなパワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の表面に回路層等をろう付けにより接合しているが、その際の熱伸縮により反りが生じるという問題がある。
As a conventional power module, a metal plate forming a conductor pattern layer is laminated on one surface of a ceramic substrate, and an electronic component such as a semiconductor chip is soldered on the conductor pattern layer, and the other side of the ceramic substrate is A metal plate serving as a heat dissipation layer is formed on the surface, and a heat sink is joined to the heat dissipation layer.
In a power module substrate used in such a power module, a circuit layer or the like is joined to the surface of the ceramic substrate by brazing, but there is a problem that warpage occurs due to thermal expansion and contraction at that time.
そこで、特許文献1では、パワーモジュール用基板の反り量を緩和するため、回路層と放熱層との間に、両面にセラミックス板を設けた肉厚の熱拡散板を積層することにより、放熱層を肉厚に形成した場合と同様の緩衝機能を持たせて、反り量を緩和することが提案されている。 Therefore, in Patent Document 1, in order to alleviate the amount of warpage of the power module substrate, a heat dissipation layer is formed by laminating a thick heat diffusion plate having ceramic plates on both sides between the circuit layer and the heat dissipation layer. It has been proposed to reduce the amount of warpage by providing the same buffering function as when forming a thick film.
また、パワーモジュールには、搭載された電子部品の固定、絶縁等の目的で、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂による樹脂封止が施されることがある。 In addition, the power module may be sealed with a thermosetting resin such as an epoxy resin for the purpose of fixing or insulating the mounted electronic component.
ところで、パワーモジュール用基板は、搭載される電子部品の発熱、周辺環境の温度変化等により、種々の熱的ストレスが発生する。したがって、金属板とセラミックス基板とのろう付けにより生じる反りを緩和するだけでは不十分であり、使用時において断続的に発生する電子部品の発熱を速やかに放散するために、より高いパワーサイクル性が求められ、さらに外部環境温度の変化に伴うヒートサイクルにより、金属層の剥離やセラミックス基板の割れ等の発生を確実に防止することが求められている。
さらに、パワーモジュールをエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂によって樹脂封止する場合、封止するモールド樹脂とアルミニウムとの密着性が悪いことから、樹脂モールドとアルミニウムとの界面に破断が生じ、電子部品の接合性を確保することが難しいという問題があった。
By the way, various thermal stresses are generated in the power module substrate due to heat generation of electronic components to be mounted, temperature change in the surrounding environment, and the like. Therefore, it is not sufficient to alleviate the warpage caused by brazing between the metal plate and the ceramic substrate. In order to quickly dissipate the heat generated by the electronic components that occur intermittently during use, higher power cycle performance is achieved. Further, there is a demand for reliably preventing the occurrence of peeling of the metal layer, cracking of the ceramic substrate, and the like by heat cycles accompanying changes in the external environmental temperature.
Furthermore, when the power module is resin-sealed with a thermosetting resin such as an epoxy resin, the adhesive between the mold resin to be sealed and the aluminum is poor, so that the interface between the resin mold and the aluminum is broken, and the electronic component There was a problem that it was difficult to ensure the bondability.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、反りの発生を抑制でき、パワーサイクル性、ヒートサイクル性を向上させることができるとともに、電子部品の接合性を良好に確保することができるパワーモジュールを提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, Comprising: Warpage generation | occurrence | production can be suppressed, Power cycle property, heat cycle property can be improved, and the joining property of an electronic component is ensured favorably. An object is to provide a power module that can be used.
電子部品の発熱を速やかに吸収するには、回路層を肉厚に形成することが効果的である。この場合、回路層にアルミニウムを用いると、熱応力が緩和されセラミックス基板との接合性を良好に確保することができるが、エッチング加工による回路層の形成が困難になるという問題がある。 In order to quickly absorb the heat generated by the electronic component, it is effective to form the circuit layer thick. In this case, when aluminum is used for the circuit layer, the thermal stress is relieved and good bondability with the ceramic substrate can be secured, but there is a problem that it becomes difficult to form the circuit layer by etching.
これを解決するために、例えば特許文献2及び特許文献3に開示されるように、回路層をセラミックス基板で隔てた多層構造にすることにより、電子部品が搭載される上層とは別に下層部分において熱容量を確保することができると考えられる。
ところが、セラミックス基板の両側に接合される金属層の厚みが異なると、各層の熱伸縮差により反りが生じる。
さらに、樹脂封止が施される前にパワーモジュールに反りが発生していた場合、電子部品の搭載された回路層側の樹脂の厚みが不均一となり、パワーサイクルが負荷された際に、電子部品と回路層とを接合しているはんだ層の接合信頼性が低下するという問題がある。
In order to solve this, for example, as disclosed in
However, if the thickness of the metal layer bonded to both sides of the ceramic substrate is different, warpage occurs due to the thermal expansion / contraction difference of each layer.
Furthermore, if the power module is warped before resin sealing, the thickness of the resin on the side of the circuit layer on which the electronic component is mounted becomes uneven, and when the power cycle is applied, There is a problem that the bonding reliability of the solder layer that joins the component and the circuit layer is lowered.
そこで、本発明のパワーモジュールは、第1セラミックス基板と第2セラミックス基板との間に積層状態に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる一層の中間層と、前記第1セラミックス基板の前記中間層とは反対側の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層と、前記第2セラミックス基板の前記中間層とは反対側の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱層とを備え、前記放熱層の厚みbに対する前記回路層の厚みaの比率a/bが0.5以上1.5以下に設定されるパワーモジュール用基板を有し、前記中間層の端部に開口する穴が設けられ、前記回路層に接合された電子部品と前記パワーモジュール用基板とが、前記放熱層の表面を除いて樹脂モールドにより樹脂封止されるとともに、該樹脂モールドが前記穴に入り込んだ状態で設けられる構成とした。 Therefore, the power module of the present invention includes a single intermediate layer made of aluminum or an aluminum alloy bonded in a laminated state between the first ceramic substrate and the second ceramic substrate, and the intermediate layer of the first ceramic substrate. Comprises a circuit layer made of aluminum or aluminum alloy bonded to the opposite surface, and a heat dissipation layer made of aluminum or aluminum alloy bonded to the surface opposite to the intermediate layer of the second ceramic substrate, The power module substrate has a ratio a / b of the thickness a of the circuit layer to the thickness b of the heat dissipation layer set to 0.5 or more and 1.5 or less, and a hole opened at an end of the intermediate layer The electronic component provided and bonded to the circuit layer and the power module substrate are sealed with a resin mold except for the surface of the heat dissipation layer. Together with the, and the structure in which the resin mold is provided in a state that has entered into the hole.
第1セラミックス基板を介して積層状態とされた中間層を有していることにより、電子部品が接合される回路層の厚みを増すことなく、パワーモジュール用基板全体の熱容量を大きくすることができる。また、中間層のヒートスプレッダ効果により、電子部品の発熱を放熱層に速やかに伝達して放散することができ、電子部品を固着するはんだ層に歪みやクラック等を生じさせることがなく、はんだ層を長期的に健全に維持することができる。
また、回路層、中間層及び金属層を引張り強度や耐力が小さいアルミニウム又はアルミニウム合金で形成することによりセラミックス基板との熱膨張差に伴う応力発生を緩和して、セラミックス基板の割れやクラックの発生を防止することができる。
また、パワーモジュール用基板は、放熱層の厚みbに対する回路層の厚みaの比率a/bが0.5以上1.5以下に設定され、一層の中間層を介してほぼ対称形状に形成されていることから、パワーモジュール用基板に生じる反りを抑制することができる。
By having the intermediate layer laminated via the first ceramic substrate, the heat capacity of the entire power module substrate can be increased without increasing the thickness of the circuit layer to which the electronic component is bonded. . In addition, the heat spreader effect of the intermediate layer can quickly transmit and dissipate the heat generated by the electronic component to the heat dissipation layer, so that the solder layer does not cause distortion or cracks in the solder layer that fixes the electronic component. It can be kept healthy in the long term.
In addition, by forming the circuit layer, intermediate layer, and metal layer with aluminum or aluminum alloy with low tensile strength and proof stress, the generation of cracks and cracks in the ceramic substrate can be mitigated by reducing the stress caused by the difference in thermal expansion with the ceramic substrate. Can be prevented.
Moreover, the power module substrate, the ratio a / b of the thickness a of the circuit layer is set to 0.5 to 1.5 to the thickness b of the heat dissipation layer is formed substantially symmetrical shape via a further intermediate layer Therefore, the curvature which arises in the board | substrate for power modules can be suppressed.
さらに、電子部品とパワーモジュール用基板とを樹脂モールドにより封止することで、電子部品と放熱層との間に積層された複数の基板及び金属板及び電子部品の周囲や隙間に樹脂が流し込まれるとともに、中間層の端部に開口する穴にも樹脂が入り込み、パワーモジュール用基板に樹脂モールドを強固に保持することができる。また一方で、パワーモジュール全体を樹脂モールドによって強固に保持することができるので、電子部品の接合性を良好に確保することができる。また、電子部品と反りの抑制されたパワーモジュール用基板とを樹脂モールドにより封止することで、電子部品の搭載された回路層側の樹脂の厚みが均一となり、パワーサイクルが負荷された際に、前記はんだ層の接合信頼性を維持することができる。 Further, by sealing the electronic component and the power module substrate with a resin mold, the resin is poured into and around the plurality of substrates and metal plates and electronic components stacked between the electronic component and the heat dissipation layer. At the same time, the resin enters the hole opened at the end of the intermediate layer, and the resin mold can be firmly held on the power module substrate. On the other hand, since the whole power module can be firmly held by the resin mold, it is possible to ensure good bondability of the electronic component. Also, by sealing the electronic component and the power module substrate with reduced warpage with a resin mold, the thickness of the resin on the circuit layer side on which the electronic component is mounted becomes uniform, and when the power cycle is loaded , The bonding reliability of the solder layer can be maintained.
本発明のパワーモジュールにおいて、前記中間層の厚みcと前記回路層の厚みaとを合わせた厚みa+cが、0.3mm以上2.5mm以下に設定されているとよい。
この場合、中間層の厚みcと回路層の厚みaとを合わせた厚みa+cを0.3mm以上2.5mm以下に設定することにより、良好なヒートスプレッダ効果を得ることができる。
なお、厚みa+cが0.3mm未満では、熱伝達性能が低下して十分なヒートスプレッダ効果を得られない。また、厚みa+cが2.5mmを超える場合は、パワーモジュール全体の熱抵抗が上昇して十分なヒートスプレッダ効果を得られない。
In the power module of the present invention, it is preferable that a thickness a + c, which is a sum of the thickness c of the intermediate layer and the thickness a of the circuit layer, is set to 0.3 mm or more and 2.5 mm or less.
In this case, a good heat spreader effect can be obtained by setting the thickness a + c, which is the sum of the thickness c of the intermediate layer and the thickness a of the circuit layer, to 0.3 mm or more and 2.5 mm or less.
In addition, if thickness a + c is less than 0.3 mm, heat transfer performance will fall and sufficient heat spreader effect will not be acquired. On the other hand, when the thickness a + c exceeds 2.5 mm, the thermal resistance of the entire power module is increased and a sufficient heat spreader effect cannot be obtained.
本発明によれば、構造的に反りの発生を抑制してパワーサイクル性、ヒートサイクル性を向上させることができるとともに、電子部品の接合性を良好に確保することができ、長期的に信頼性の高い多層パワーモジュールを得ることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the power cycle performance and heat cycle performance by structurally suppressing the occurrence of warpage, and to ensure good bondability of electronic components, and to provide long-term reliability. A multi-layer power module having a high level can be obtained.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図1〜図5は、第1実施形態のパワーモジュールを示している。このパワーモジュール1は、図1及び図2に示すように、パワーモジュール用基板10と、パワーモジュール用基板10の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品7と、パワーモジュール用基板10の裏面に接合されたヒートシンク8とから構成され、パワーモジュール用基板10と電子部品7とが樹脂モールド9によって樹脂封止されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 5 show the power module of the first embodiment. As shown in FIGS. 1 and 2, the power module 1 includes a
パワーモジュール用基板10は、第1セラミックス基板2と第2セラミックス基板3との間に積層状態に接合された中間層5A,5Bと、第1セラミックス基板2の中間層5A,5Bとは反対側の面に接合された回路層4A〜4Eと、第2セラミックス基板3の中間層5A,5Bとは反対側の面に接合される放熱層6とを備え、これらセラミックス基板2,3と回路層4A〜4E、中間層5A,5B及び放熱層6とが、相互にろう付け等により接合されている。そして、最上段に配置される回路層4A〜4Eの一部(図示例では4D,4E)に電子部品7が搭載され、最下段に配置される放熱層6にヒートシンク8が接合される。
The
セラミックス基板2,3は、AlN、Al2O3、SiC、Si3N4等により、例えば0.32mm〜1.0mmの厚さに形成される。また、回路層4A〜4B、中間層5A,5B、放熱層6は、純度99.90%以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金により形成されている。回路層、中間層及び放熱層の厚さは、例えば0.25mm〜2.5mmとされる。
そして、両セラミックス基板2,3と回路層4A〜4E、中間層5A,5B及び放熱層6との接合には、例えばAl−Si系又はAl−Ge系のろう材が用いられる。
The
For bonding the
また、図2及び図3に示すように、最上段に配置される回路層4A〜4Eは5つ、両セラミックス基板の間の中段に配置される中間層は2つ設けられ、最下段の放熱層6は1つ設けられている。最上段の5つの回路層4A〜4Eは、中間の位置に1つ(4C)、その両側にそれぞれ2つずつ(4A,4Bと4D,4E)配置されている。両セラミックス基板2,3の間の中間層5A,5Bは、最上段の両側位置に配置されている回路層4A,4D及び4B,4Eをそれぞれ連結し得る長さで細長い帯板状に形成され、2つが面方向に相互間隔をあけて平行に並んで配置されており、図3に示すように、これら中間層5A,5Bの端部に開口する穴51が形成されている。なお、符号51aは、穴51の開口部を示している。
そして、最上段における両側の回路層4A,4D及び4B,4Eが組になって、中間位置の回路層4Cの下方で連結するように、中間層5A,5Bを介して相互に電気的接続状態とされている。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, five
Then, the circuit layers 4A, 4D and 4B, 4E on both sides in the uppermost stage are paired and are electrically connected to each other via the
その接続形態としては、第1セラミックス基板2に4個の貫通孔11が形成され、前述の5つの最上段の回路層4A〜4Eのうちの中間位置の回路層4Cを除く4つの回路層4A,4B,4D,4Eの片面にそれぞれ凸部(本発明の金属部材に相当)12が円柱状に一体に形成され、これら凸部12がそれぞれ貫通孔11内に挿入し、両セラミックス基板2,3の間の中間層5A,5Bに接合された構造とされている。この場合、図4に示すように、凸部12は、中間層5A,5Bに接合され、中間層5A,5Bへの接合部Pと回路層4A,4B,4D及び4Eの下面との中間付近が塑性変形してわずかに拡径した状態とされているが、貫通孔11の内周面との間には隙間Gが形成されている。
また、貫通孔11及び凸部12の大きさ等は、第2セラミックス基板3と中間層5A,5Bとの接合面積A2に対する第1セラミックス基板2と中間層5A,5Bとの接合面積A1の比率A1/A2が0.75以上となるように設定される。
As its connection form, four through-
The sizes of the through
また、回路層4A〜4E、中間層5A,5B及び放熱層6は、図1に示すように、放熱層6の厚みbに対する回路層4A〜4Eの厚みaの比率a/bが、0.5以上1.5以下に設定されるとともに、中間層5A,5Bの厚みcと回路層4A〜4Eの厚みaとを合わせた厚みa+cが、0.3mm以上2.5mm以下に設定されるように構成されている。
Further, as shown in FIG. 1, the circuit layers 4 </ b> A to 4 </ b> E, the
また、パワーモジュール1は、放熱層6の表面を除いて、パワーモジュール用基板10と電子部品7とがエポキシ樹脂等の樹脂モールド9によって樹脂封止されている。そして、樹脂モールド9は、中間層5A,5Bの端部に開口する穴51にも入り込んだ状態で設けられている。なお、樹脂モールド9による樹脂封止は、電子部品7の固定、絶縁等の目的で、パワーモジュール1に施される。
In the power module 1, except for the surface of the
次に、このように構成したパワーモジュール1を製造する方法について説明する。
セラミックス基板2,3のうち、貫通孔11を有する第1セラミックス基板2は、セラミックスの焼成前のグリーンシートにプレス加工により貫通孔を形成した後に焼成することにより得ることができる。その外形は焼成後に加工される。貫通孔を有しない第2セラミックス基板3は、グリーンシートを焼成した後に外形加工される。
Next, a method for manufacturing the power module 1 configured as described above will be described.
Of the
図5に示すように、回路層用金属板44C、中間層用金属板45A,45B及び放熱層用金属板46は、ろう材13,14をオクタンジオール等の揮発性有機媒体等により表面に仮固定しておき、プレス加工によって一体に打ち抜くことにより、ろう材箔を貼り付けた金属板としておく。この場合、最上段の回路層用金属板44Cの片面及び中段の中間層用金属板45A,45Bの両面に、例えばAl‐Si系又はAl‐Ge系のろう材13が貼り付けられ、最下段の放熱層用金属板46には、その片面にAl−Si系又はAl−Ge系のろう材14が貼り付けられる。
また、回路層用金属板44A〜44Eのうち、凸部12を有する金属板44A,44B,44D,44Eは、予めプレス加工により片面に凸部12を成形しておき、その凸部12を除くように穴をあけたろう材箔を凸部12の周囲の平面に貼り付けることにより形成される。
As shown in FIG. 5, the circuit
Of the circuit
凸部12は、貫通孔11を有するセラミックス基板2の厚さよりも大きく、図6に示すように、貫通孔11に挿入したときにセラミックス基板2からわずかに突出する長さに設定される。セラミックス基板2の厚さの寸法ばらつきを考慮して、その公差の最大値よりも0.02mm〜0.2mm大きい長さ、例えば0.05mm大きい長さに設定される。また、凸部12の外径D1とセラミックス基板2の貫通孔11の内径D2とは、後述する加圧時に凸部12が拡径するので、その拡径状態でも隙間Gが形成されるように凸部12の外径D1は1.0mm〜20mm、セラミックス基板2の貫通孔11の内径D2は1.1mm〜28mmに形成される。例えば、凸部12の外径D1が10mm、貫通孔11の内径D2は13mmとされる。
The
このようにして形成した2枚のセラミックス基板2,3及び金属板44A〜44E,45A,45B,46は、次のように接合される。まず、セラミックス基板2,3と回路層用金属板44A〜44E及び中間層用金属板45A,45Bと放熱層用金属板46とを交互に重ね合わせ、回路層用金属板44A,44B,44D,44Eの凸部12を対応する第1セラミックス基板2の貫通孔11に挿入した状態とし、その積層体Sを図7に示す加圧装置に設置する。
この加圧装置110は、ベース板111と、ベース板111の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト112と、これらガイドポスト112の上端部に固定された固定板113と、これらベース板111と固定板113との間で上下移動自在にガイドポスト112に支持された押圧板114と、固定板113と押圧板114との間に設けられて押圧板114を下方に付勢するばね等の付勢手段115とを備えている。
固定板113および押圧板114は、ベース板111に対して平行に配置されており、ベース板111と押圧板114との間に前述の積層体Sが配置される。積層体Sの両面には加圧を均一にするためにカーボンシート116が配設される。
The two
The
The fixed
この加圧装置110により加圧した状態で、加圧装置110ごと図示略の加熱炉内に設置し、例えば630℃のろう付け温度に加熱してろう付けする。この場合の加圧力としては、例えば0.5MPa(5kgf/cm2)とされる。
In a state where the pressure is applied by the
このように加圧することにより、ろう付け時に凸部12が塑性変形して押しつぶされながら、中間層用金属板45A,45Bに接合するとともに、この凸部12の周囲の回路層用金属板44A〜44Eの平面が第1セラミックス基板2の表面に密接し、面方向に均一な接合状態を得ることができる。
また、接合した後の状態においても、凸部12は部分的に拡径するが、前述したように拡径した状態で凸部12と貫通孔11の内周面との間に隙間Gが形成される設定であるので、凸部12が貫通孔11の内周面に圧迫されることはない。
By pressurizing in this manner, the
Even in the state after joining, the
また、セラミックス基板2,3と中間層用金属板45A,45Bが接合されることによって、中間層5A,5Bの端部に開口する穴51が形成されることとなる。
Further, by bonding the
そして、このようにして製造されたパワーモジュール用基板10は、図1及び図2に示すように、最上段の回路層4A〜4Eの一部に電子部品7を搭載した後、樹脂モールド9によって、パワーモジュール用基板10と電子部品7とが樹脂封止され、パワーモジュール1が構成される。
例えば硬化前の柔らかい状態のエポキシ樹脂材を、パワーモジュール用基板10と電子部品7の上方から流し込み、個片化された各回路層4A〜4E及び中間層5A,5Bの各基板間の隙間にまでエポキシ系樹脂材を充填させた状態で、エポキシ系樹脂材の硬化温度まで加熱する。これにより、パワーモジュール用基板10及び電子部品7の周囲や隙間を樹脂モールド9によって樹脂封止することができる。この際、パワーモジュール用基板10を構成する両セラミックス基板2,3や各回路層4A〜4E、中間層5A,5B、電子部品7の周囲や隙間にエポキシ系樹脂材が流し込まれるとともに、中間層5A,5Bの端部に開口する穴51にも入り込んで硬化されることで、パワーモジュール用基板10に樹脂モールド9を強固に保持することができるとともに、パワーモジュール用基板10に接合された電子部品7の接合状態を良好に確保することができる。また、電子部品7と反りの抑制されたパワーモジュール用基板10とを樹脂モールド9により封止することで、電子部品の搭載された回路層4A〜4E側の樹脂の厚みが均一となり、パワーサイクルが負荷された際に、はんだ層の接合信頼性を維持することができる。
なお、パワーモジュール1にヒートシンク8を接続する際に、樹脂モールド9がヒートシンク8との取り付けを阻害しないように、樹脂モールド9は、放熱層6とヒートシンク8との接続面から逃げた位置に形成される。
The
For example, a soft epoxy resin material before curing is poured from above the
In addition, when connecting the
最後に、最下段の放熱層6にヒートシンク8が接触するように、伝熱グリスなどを介して取り付けられる。
なお、ヒートシンク8は、例えばA6063アルミニウム合金の押出成形により形成される。図示例では、紙面に直交する方向に押し出され、その押出方向に沿って帯板状にストレートのフィン21が形成される。寸法的に限定されるものではないが、例えば50mm角で厚さ5mmの板状部22の片面に、押出方向に沿う厚さ4mm、高さ15mmのストレート状のフィン21が複数形成されている。パワーモジュール1は、ヒートシンク8に板バネなどを挟んで、取付金具(図示せず)を用いてネジ止め等により固定される。
Finally, the
The
このパワーモジュール1は、第1セラミックス基板2を介して積層状態とされた回路層4A〜4Eの一部と中間層5A,5Bとが金属部材により接続状態とされることにより、多層の回路層が形成されており、回路層4A〜4Eの厚みを増すことなく、回路層全体の熱容量を大きくすることができる。また、電子部品7で発生する熱は、その回路層4D,4Eから凸部12を経由して中間層5A,5Bに熱伝達され、中間層5A,5Bのヒートスプレッダ効果により、その熱を放熱層6に速やかに伝達して放散することができる。したがって、電子部品7を固着するはんだ層に歪みやクラック等を生じさせることがなく、はんだ層を長期的に健全に維持することができる。
This power module 1 has a multilayer circuit layer in which a part of the circuit layers 4A to 4E and the
また、パワーモジュール1は、放熱層6の厚みbに対する回路層4A〜4Eの厚みaの比率a/bが0.5以上1.5以下に設定されており、一層の中間層5A,5Bを介してほぼ対称形状に形成されていることから、パワーモジュール1に生じる反りを抑制することができる。
The power module 1, the ratio a / b of the thickness a of the
さらに、パワーモジュール1は、回路層4A,4B,4D,4Eの片面に形成される凸部(金属部材)12が、貫通孔11を有する第1セラミックス基板2の厚さよりも大きく設けられ、その凸部12を塑性変形させて接合することにより、第1セラミックス基板2の厚さ寸法のばらつきを凸部12の塑性変形量によって調整する構成としている。したがって、第1セラミックス基板2の両側に配置される回路層4A,4B,4D,4E及び中間層5A,5Bの安定した接合性を得ることができ、熱応力の発生が軽減され、剥離や割れ等の発生を防止することができる。
さらに、凸部12と貫通孔11の内周面との間に隙間Gが形成されているので、使用時の温度サイクルにより熱伸縮が繰り返されても、貫通孔11の部分での熱応力が軽減され、接合部の剥離やセラミックス基板2,3の割れ等が防止され、パワーモジュールとして高い信頼性を維持することができる。
Furthermore, the power module 1 is provided with a convex portion (metal member) 12 formed on one side of the circuit layers 4A, 4B, 4D, and 4E larger than the thickness of the first
Furthermore, since the gap G is formed between the
また、中間層の厚みcと回路層aの厚みとを合わせた厚みa+cを0.3mm以上2.5mm以下に設定することにより、良好なヒートスプレッダ効果を得ることができる。
なお、厚みa+cが0.3mm未満では、熱伝達性能が低下して十分なヒートスプレッダ効果を得られない。また、厚みa+cが2.5mmを超える場合は、パワーモジュール全体の熱抵抗が上昇して十分なヒートスプレッダ効果を得られない。
Moreover, a favorable heat spreader effect can be obtained by setting the thickness a + c, which is the sum of the thickness c of the intermediate layer and the thickness of the circuit layer a, to 0.3 mm or more and 2.5 mm or less.
In addition, if thickness a + c is less than 0.3 mm, heat transfer performance will fall and sufficient heat spreader effect will not be acquired. On the other hand, when the thickness a + c exceeds 2.5 mm, the thermal resistance of the entire power module is increased and a sufficient heat spreader effect cannot be obtained.
また、貫通孔11及び凸部12の大きさ等は、第2セラミックス基板3と中間層5A,5Bとの接合面積A2に対する第1セラミックス基板2と中間層5A,5Bとの接合面積A1の比率A1/A2が0.75以上となるように設定されることが好ましい。比率A1/A2が0.75未満では、第2セラミックス基板3に応力が集中して、割れが生じ易くなるためである。
なお、放熱性を高めるためには凸部12の外径D1は大きい方がよく、例えば電子部品7の投影面積よりも大きい横断面積であると、凸部12の延長上に電子部品7を搭載すれば優れた放熱性を発揮する。また、パワーモジュールとしても大電流が流れるので、大きい断面積の凸部12の方が電流密度が小さくなるので好ましい。
The sizes of the through
In order to improve heat dissipation, it is preferable that the outer diameter D1 of the
また、本実施形態では、回路層4A〜4E、中間層5A,5Bを引張り強度や耐力が小さいアルミニウム又はアルミニウム合金で形成しており、セラミックス基板2,3との熱膨張差に伴う応力発生を緩和して、セラミックス基板2,3の割れやクラックの発生を防止することができる。
さらに、本実施形態では、中間層5A,5Bを図3に示すように細長い帯板状に形成したが、図8(a)に示すように平面視L字状に屈曲成形することもでき、その屈曲部分を対峙させるようにして並べることで、屈曲する穴51を形成することもできる。また、中間層の端部に開口する穴51は、中間層の一方の端部から他方の端部に貫通する構成に限られるものではなく、図8(b)に示すように中間層5の端部に掘られた穴51を形成することもできる。この場合も、樹脂材が穴51に入り込んで硬化されることで、パワーモジュール用基板10に樹脂モールド9を強固に保持することができる。
In the present embodiment, the circuit layers 4A to 4E and the
Further, in the present embodiment, the
上記において説明した本発明に係るパワーモジュールにおいて、その効果を確認するために実験を行った。
パワーモジュールを構成する各金属板を表1に示す条件に設定した試料1〜5のパワーモジュールを作製し、これらの「ヒートサイクル性」、「パワーサイクル性」及び「反り量」を評価した。
各試料1〜5の回路層用金属板及び中間層用金属板はそれぞれ純度99.99%以上の純アルミニウム板(4N‐Al)により26mm×26mm(26mm角)に形成した。また、放熱層用金属板は純度99.99%以上の純アルミニウム板により28mm×28mm(28mm角)の板材で形成した。なお、回路層の厚みa及び放熱層の厚みbは表1に記載の通りとした。また、中間層の厚みcは1.2mmとした。そして、これら金属板の間に配置される第1セラミックス基板及び第2セラミックス基板は、それぞれ厚み0.635mmで30mm×30mm(30mm角)のAlNを用いて、これらセラミックス基板と金属板とをろう付けすることによりパワーモジュール用基板を製造した。試料1〜4については端部に開口する穴を設け、試料5については中間層に端部に開口する穴を設けなかった。
そして、各パワーモジュール用基板の表面にSn‐Ag‐Cu系はんだを用いてIGBT半導体チップ(電子部品)をはんだ付けするとともに、アルミニウム合金からなる接続配線をボンディングし、エポキシ樹脂材で樹脂封止してモジュール化した試料1〜5を製作した。
An experiment was conducted to confirm the effect of the power module according to the present invention described above.
The power modules of Samples 1 to 5 in which the metal plates constituting the power module were set to the conditions shown in Table 1 were produced, and their “heat cycle performance”, “power cycle performance”, and “warping amount” were evaluated.
The metal plate for circuit layers and the metal plate for intermediate layers of each sample 1 to 5 were each formed to be 26 mm × 26 mm (26 mm square) with a pure aluminum plate (4N—Al) having a purity of 99.99% or more. The metal plate for the heat dissipation layer was formed of a plate material of 28 mm × 28 mm (28 mm square) with a pure aluminum plate having a purity of 99.99% or more. The thickness a of the circuit layer and the thickness b of the heat dissipation layer were as shown in Table 1. The thickness c of the intermediate layer was 1.2 mm. The first ceramic substrate and the second ceramic substrate disposed between the metal plates are brazed between the ceramic substrate and the metal plate by using AlN having a thickness of 0.635 mm and 30 mm × 30 mm (30 mm square). Thus, a power module substrate was manufactured. For samples 1 to 4, a hole opened at the end was provided, and for
And solder the IGBT semiconductor chip (electronic component) using Sn-Ag-Cu solder on the surface of each power module substrate, bond the connection wiring made of aluminum alloy, and resin seal with epoxy resin material Thus, modularized samples 1 to 5 were manufactured.
なお、回路層と中間層とは、回路層に突設した凸部により第1セラミックス基板に形成した貫通孔を介して接続された構成とされ、これら貫通孔及び凸部の大きさ等は、第2セラミックス基板と中間層との接合面積A2に対する第1セラミックス基板と中間層との接合面積A1の比率A1/A2が0.75以上となるように設定した。 In addition, the circuit layer and the intermediate layer are configured to be connected through a through hole formed in the first ceramic substrate by a convex portion protruding from the circuit layer, and the size and the like of the through hole and the convex portion are as follows. The ratio A1 / A2 of the bonding area A1 between the first ceramic substrate and the intermediate layer to the bonding area A2 between the second ceramic substrate and the intermediate layer was set to be 0.75 or more.
(ヒートサイクル性の評価)
各試料1〜5を、−40℃から105℃に10分間で上昇させ、105℃に15分保持した後、105℃から−40℃に10分間で下降させ、−40℃に15分保持する温度履歴を1サイクルとしたヒートサイクルを3000サイクル付与した。そして、超音波検査装置により、ヒートサイクル付与前及び3000サイクル付与後のはんだ層の剥離率を以下の式(1)より算出した。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
剥離率=(剥離面積/はんだ層面積)×100(%) … (1)
なお、評価は、ヒートサイクル付与前後の剥離率の差が5%以下の場合を「○」、5%を超える場合を「×」とした。
(Evaluation of heat cycle properties)
Each sample 1-5 is raised from −40 ° C. to 105 ° C. over 10 minutes, held at 105 ° C. for 15 minutes, then lowered from 105 ° C. to −40 ° C. over 10 minutes, and held at −40 ° C. for 15 minutes. 3000 heat cycles with a temperature history of 1 cycle were applied. Then, the peeling rate of the solder layer before applying the heat cycle and after applying the 3000 cycles was calculated from the following formula (1) by an ultrasonic inspection apparatus. In the ultrasonic flaw detection image, peeling is indicated by a white portion in the joint, and thus the area of the white portion was taken as the peeling area.
Peeling rate = (Peeling area / Solder layer area) × 100 (%) (1)
In the evaluation, the case where the difference in the peeling rate before and after applying the heat cycle is 5% or less is “◯”, and the case where it exceeds 5% is “x”.
(パワーサイクル性の評価)
各試料1〜5をヒートシンクにネジ止めし、ヒートシンクを水冷容器に固定し、冷却水温度、流量を一定とした状態で、半導体チップへの通電を、通電(ON)で140℃、非通電(OFF)で60℃となる1サイクルを10秒毎に繰り返すようにして調整し、これを10万回繰り返すパワーサイクル試験を実施した。そして、パワーサイクル試験の前後で半導体チップ表面とヒートシンク内表面(ヒートシンク底面)との間の熱抵抗を半導体チップ表面温度からそれぞれ測定し、パワーサイクル試験実施による熱抵抗の上昇率を求めた。熱抵抗の上昇率が10%以下の場合を「○」、10%を超える場合を「×」として評価した。
(Evaluation of power cycle characteristics)
Each sample 1 to 5 is screwed to a heat sink, the heat sink is fixed to a water-cooled container, and the semiconductor chip is energized at 140 ° C. and de-energized (ON) with the cooling water temperature and flow rate kept constant. One cycle of 60 ° C. at OFF) was adjusted so as to be repeated every 10 seconds, and a power cycle test was performed by repeating this cycle 100,000 times. Then, before and after the power cycle test, the thermal resistance between the semiconductor chip surface and the heat sink inner surface (heat sink bottom surface) was measured from the semiconductor chip surface temperature, and the rate of increase in thermal resistance due to the power cycle test was determined. The case where the rate of increase in thermal resistance was 10% or less was evaluated as “◯”, and the case where it exceeded 10% was evaluated as “X”.
(反り量の測定)
反り量は、非接触3次元測定機によって測定した。なお、測定は樹脂封止前に行い、回路層表面の反り量を測定した。
(Measurement of warpage)
The amount of warpage was measured with a non-contact three-dimensional measuring machine. In addition, the measurement was performed before resin sealing and the curvature amount of the circuit layer surface was measured.
表1からわかるように、比率a/bが0.5以上1.5以下に設定された実施例の試料2,3については、ヒートサイクルの耐久性(ヒートサイクル性)に優れ、パワーサイクル後の熱抵抗上昇率も低く抑えることができた。また、反り量についても比較例の試料1よりも小さくすることができた。一方、比率a/bが0.5未満に設定された比較例の試料1は、ヒートサイクル性が低下し、パワーサイクル後の熱抵抗が上昇する結果となった。比率a/bが1.5を超えて設定された比較例の試料4は、パワーサイクル後の熱抵抗が上昇する結果となった。さらに、中間層の穴を設けなかった比較例の試料5は、ヒートサイクル性が低下する結果となった。
As can be seen from Table 1,
なお、本発明は上記実施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、アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板を接合する場合、金属板の片面に蒸着等により厚さ0.4μm程度の銅層を形成しておき、その上にセラミックス基板を積層して、これらを過渡液相接合法(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)により接合してもよい。
この過渡液相接合法においては、金属板の表面に蒸着させた銅層が金属板とセラミックス基板との界面に介在しており、加熱により、その銅がまず金属板のアルミニウム中に拡散し、その金属板の銅層近傍の銅濃度が上昇して融点が低下し、これにより、アルミニウムと銅との共晶域にて接合界面に金属液相が形成される。この金属液相が形成された状態で温度を一定に保持しておくと、金属液相がセラミックス基板と一定温度で一定時間接触し反応するとともに、銅がさらにアルミニウム中に拡散することに伴い、金属液相中の銅濃度が徐々に低下して融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより金属板とセラミックス基板との強固な接合が得られ、凝固が進行した後に、常温にまで冷却する。その際の加圧力としては98kPa(1kg/cm2)〜3.4MPa(35kg/cm2)とされ、10−3〜10−6Paの真空中で、600℃で0.5時間加熱される。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, when joining a metal plate made of aluminum or aluminum alloy, a copper layer having a thickness of about 0.4 μm is formed on one side of the metal plate by vapor deposition or the like, and a ceramic substrate is laminated on the copper layer. You may join by the liquid phase joining method (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding).
In this transient liquid phase bonding method, a copper layer deposited on the surface of the metal plate is interposed at the interface between the metal plate and the ceramic substrate, and by heating, the copper first diffuses into the aluminum of the metal plate, The copper concentration in the vicinity of the copper layer of the metal plate increases and the melting point decreases, thereby forming a metal liquid phase at the bonding interface in the eutectic region of aluminum and copper. If the temperature is kept constant in a state where this metal liquid phase is formed, the metal liquid phase contacts and reacts with the ceramic substrate for a certain time at a certain temperature, and copper further diffuses into the aluminum, The copper concentration in the metal liquid phase gradually decreases and the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. As a result, a strong bond between the metal plate and the ceramic substrate is obtained, and after solidification has progressed, it is cooled to room temperature. The applied pressure at that time is 98 kPa (1 kg / cm 2 ) to 3.4 MPa (35 kg / cm 2 ) and is heated at 600 ° C. for 0.5 hours in a vacuum of 10 −3 to 10 −6 Pa. .
さらに、金属板に凸部を一体に形成した実施形態として説明したが、図9に示すように、柱状の金属部材31を金属板4,5とは別に形成しておき、セラミックス基板2の貫通孔11内に金属部材31を配置して、その両端面を両金属板4,5に接合させるものとしてもよい。この場合は、金属部材31の両端面に接合部Pが形成される。
さらに、図10に示すように、両金属板4,5にそれぞれ凸部(金属部材)12A,12Bを形成しておき、セラミックス基板2の貫通孔11の長さの途中位置で接合される構成としてもよい。この場合は、貫通孔11の途中位置に接合部Pが形成される。
また、この金属部材は円柱状でなく、横断面多角形の柱状に形成し、貫通孔も同様の多角形とすることにより、貫通孔内で金属部材を回り止めすることが可能になり、多層構造とする場合の金属板の位置決めを容易にすることができる。
さらに、ヒートシンクも実施形態のような押出加工によるストレートフィン付きの形状以外に、鍛造等により形成したピン状フィンを有するもの、放熱板と呼ばれる板状のものとしてもよく、本発明では、これら種々のタイプのものを合わせてヒートシンクと定義する。
また、本実施形態では、パワーモジュールを樹脂封止した後にヒートシンクを取り付けたが、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合した後に電子部品を搭載し、樹脂封止することもできる。
Further, the embodiment has been described in which the convex portions are integrally formed on the metal plate. However, as shown in FIG. 9, the
Further, as shown in FIG. 10, convex portions (metal members) 12 </ b> A and 12 </ b> B are formed on both
In addition, this metal member is not formed in a columnar shape, but is formed in a columnar shape having a polygonal cross section, and the through hole is also formed in the same polygon, so that the metal member can be prevented from rotating in the through hole. The metal plate can be easily positioned in the structure.
Furthermore, in addition to the shape with straight fins by extrusion as in the embodiment, the heat sink may have a pin-like fin formed by forging or the like, or a plate-like shape called a heat sink. These types are combined and defined as a heat sink.
In this embodiment, the heat module is attached after the power module is resin-sealed. However, the electronic component can be mounted and resin-sealed after the heat sink and the power module substrate are joined.
1 パワーモジュール
2 第1セラミックス基板
3 第2セラミックス基板
4A〜4E 回路層
5,5A,5B 中間層
6 放熱層
7 電子部品
8 ヒートシンク
10 パワーモジュール用基板
11 貫通孔
12,12A,12B 凸部(金属部材)
13,14 ろう材
21 フィン
22 板状部
31 金属部材
110 加圧装置
111 ベース板
112 ガイドポスト
113 固定板
114 押圧板
115 付勢手段
116 カーボンシート
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13, 14
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