JP6344477B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、半導体ユニットと冷却器を半田で接合した半導体モジュールに関する。
半導体モジュールの冷却器の変形に関する文献として、次の特許文献が知られている。
特許文献１は、天板、底板、及び天板と底板との間に形成される冷媒流通部から構成される冷却器を開示している。天板の表面に、発熱体を搭載した基板がろう付けにより接合される。該冷却器において、天板は、基板が接合される接合表面に形成された凹部を有し、天板と底板との厚さの比が、１：３〜１：１０である。
特許文献２は、表面に発熱体である半導体チップを配置した絶縁基板と、絶縁基板の裏面に、応力吸収空間が形成された応力緩和部材を介して設けられ、半導体チップの熱を放熱するヒートシンクと、を有する放熱装置を開示している。該放熱装置は、絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクとがそれぞれろう付けにより接合されて構成される。該放熱装置において、ヒートシンクは、応力緩和部材に接合する天板と、天板に接合し、天板との間に冷却液の流路を形成する底板と、を有する。該放熱装置において、天板と底板との厚さの比が１：３から１：５の範囲内にある。そして、ヒートシンクは、冷却液の流路に、天板と底板とを結ぶように設けられたフィンを有し、フィンは、天板と底板に真空ろう付けにより接合され、天板の厚さが０．８ｍｍである。
特許文献３は、複数のアルミ材を組み合わせることより、内部に冷却水の水路を備えるケーシングが形成される、パワーモジュールの冷却器を開示している。該冷却器は、該ケーシングの天板と底板との厚さの比率が１：５〜１０となるように形成される。該天板に、パワーモジュールを固定するための高純度アルミブロックが固定され、該天板の、該高純度アルミブロックを取り囲む位置に、枠状の突起ないし窪みが形成され、該水路が、該パワーモジュールの絶縁基板の長手方向と直交する方向に延びる複数条の冷却フィンによって、複数の平行な流路に分割されている。
特許文献４は、半導体モジュールにおいて露出する金属板と冷却装置とが接合材にて接合された半導体装置を開示している。該半導体装置において、冷却装置の接合材接合面には、金属板と接合される部分の周囲に相当する接合周囲領域に、凹部が形成される。
特開２０１０−２５１４４３号公報 特開２０１０−１７１２７９号公報 特開２００８−２８８４９５号公報 特開２０１２−１４２４６５号公報
特許文献１および特許文献２は、基板が冷却器にろう付けで接合されている。ろう付けは、約６００℃で行われるため、本願のようにろう付けよりも低温である約２００℃〜３５０℃で溶融する半田を用いた場合よりも、接合後に常温に戻った際のひずみが大きい。従って、特許文献１および特許文献２は、半導体ユニットと冷却器を半田で接合した半導体モジュールには適さない。
また、特許文献３および特許文献４は、天板に枠状の突起ないし窪みが形成されているため、加工コストが増加するという問題点があった。
上記の課題の少なくとも１つを解決するべく、本発明は、半導体ユニットと冷却器との接合に半田を用いた半導体モジュールにおいて、半田の塑性ひずみ振幅および冷却器の反りを低減した半導体モジュールを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の半導体モジュールの一態様においては、絶縁回路基板を備えてよい。絶縁回路基板は、基板のおもて面に配置された回路層を有してもよい。絶縁回路基板は、基板の裏面に配置された金属層を有してもよい。半導体モジュールは、半導体素子を備えてもよい。半導体素子は、回路層に電気的に接続されてもよい。半導体モジュールは冷却器を備えてもよい。冷却器は、天板部を備えてもよい。天板部は、金属層に接合される平面を有してもよい。冷却器、底板部を備えてもよい。底板部は、天板部と対向して配置されてもよい。冷却器は、側壁部を備えてもよい。側壁部は、天板部の周囲と底板部の周囲を接続してもよい。冷却器は、フィン部を備えてもよい。フィン部は、天板部と底板部とを接続してもよい。天板部の厚さが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であってもよい。天板部と底板部の合計厚さが、３ｍｍ以上６ｍｍ以下であってもよい。半導体モジュールは、半田層を備えてもよい。半田層は、２００℃以上３５０℃以下の温度で溶融してもよい。半田層は、天板部と金属層とを接合してもよい。
天板部の厚さが０．５ｍｍ未満であるとモジュール製造時に天板部が変形し易くなったり、破れたりする問題がある。また、天板部の厚さが２．０ｍｍを超えると、半田の塑性ひずみ振幅が増加する問題がある。
また、天板部と前記底板部の合計厚さが、３ｍｍ未満であると冷却器の反り量が増加し、６ｍｍを超えると、製造コストが増加する問題がある。
また、半田層に用いられる半田の融点が２００℃未満であると半田が溶融し難くなり、３５０℃を超えると製造時の炉内温度が高いため、製造コストが増加する。
半田層は、２００℃以上３５０℃以下の温度で溶融し天板部と金属層とを接合するので、ろう付けで天板部と金属層とを接合した場合に比べて、接合後に常温に戻った際のひずみが小さい。このため、天板部と底板部の合計厚さを薄くしても、冷却器の反り量を低減できる。従って、この構成によれば、天板部と金属層との接合に半田層を用いた半導体モジュールにおいて、半田の塑性ひずみ振幅および冷却器の反りを低減できる。天板部を薄くすると天板部の伝熱抵抗が減少するため、半導体ユニットの冷却性能を向上できる。底板部を薄くすると冷却器の重量を低減できる。
上記半導体モジュールにおいて、天板部と底板部の合計厚さが３ｍｍ以上４ｍｍ以下であることがより望ましい。天板部と底板部の合計厚さの上限を４ｍｍ以下にすれば、冷却器の重量を低減できる。
上記半導体モジュールにおいて、底板部は、天板部より厚いことがより望ましい。具体的には、底板部の厚さは、天板部の厚さの１倍以上５倍以下とする。この底板部の厚さが、天板部の厚さの２倍以上３倍未満であるとより望ましい。
この構成によれば、天板部を底板部より薄くするので、半導体素子で発生した熱が冷却器の天板部に熱伝導され易くなり、半導体素子から天板部を介して冷媒に伝熱される効率を向上できる。
上記半導体モジュールにおいて、前記冷却器の材質は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。これらの上記半導体モジュールの冷却器は、少なくとも２種類の構造のバリエーションを適用できる。第１の冷却器は、前記天板部と、前記底板部と、前記側壁部と、前記フィン部とが押し出し成形で一体成型されていることを特徴とする。
この構成によれば、第１の冷却器は、一体成型されるので組立コストを低減できる。
第２の冷却器は、前記底板部と前記側壁部とが一体となっている複合部材と、前記天板部と、前記フィン部とを接合部材で一体に接合されていることを特徴とする。
第２の冷却器によれば、押し出し形成を行う第１の冷却器に比べて、部材の製造コストを低減できる。
本発明によれば、半導体ユニットと冷却器との接合に半田を用いた半導体モジュールにおいて、半田の塑性ひずみ振幅および冷却器の反りを低減した半導体モジュールを提供できる。
本発明の第１の実施態様に係る半導体モジュールの断面図である。 本発明の第１の実施例に係る半導体モジュールの実施例１から１０、比較例１から３のシミュレーション結果の一覧を示した図である。 図２の結果から、天板部の厚さと、半田の塑性ひずみ振幅（％）の関係を表した図である。 図２の結果から、天板部と底板部の合計厚さと、冷却器の反り量（ｍｍ）の関係を表した図である。 本発明の第２の実施態様に係る半導体モジュールの断面図である。 天板部の厚さ（Ａ）当たりの底板部の厚さ（Ｂ）の比（Ｂ／Ａ比）に対する半田の塑性ひずみ振幅を示した図である。 図２で示した条件の分布を表した図である。
以下、図面を参照しながら本発明に係る半導体モジュールの実施態様を説明する。同一の構成要素については、同一の符号を付け、重複する説明は省略する。なお、本発明は、下記の実施態様に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。
図１は、本発明の第１の実施態様に係る半導体モジュールの断面図である。本発明の第１の実施態様に係る半導体モジュール１００は、半導体素子１、半田層２、回路層３、絶縁基板４、金属層５、半田層６、第１の冷却器７を備えている。第１の冷却器７は、天板部７ａ、複数のフィン部７ｂ、底板部７ｃが一体に形成されている。
天板部７ａは、一様な厚みを有してよい。底板部７ｃは、天板部７ａと対向して配置される。天板部７ａおよび底板部７ｃにおいて、向き合う面の形状は同一であってよい。底板部７ｃも、一様な厚みを有してよい。
複数のフィン部７ｂは、天板部７ａおよび底板部７ｃの間に設けられ、天板部７ａおよび底板部７ｃを接続する。複数のフィン部７ｂのうち、最も外側に形成されたフィン部７ｂは、側壁部として機能する。最も外側に形成されたフィン部７ｂは、天板部７ａの周囲と、底板部７ｃの周囲とを接続する。複数のフィン部７ｂは、一定間隔で配置されてよい。
隣接する左右のフィン部７ｂの間には、天板部７ａと、左右のフィン部７ｂと、底板部７ｃとで囲われる空洞８が形成されており、冷媒が通流される。第１の冷却器７の素材は、アルミニウムである。下記実施例１から１０、比較例１から３では、図１の構造の半導体モジュールをシミュレーションに用いた。第１の冷却器７の材質は、アルミニウムとして計算した。
（実施例１）
天板部の厚さＡを０．５ｍｍ、底板部の厚さＢを２．５ｍｍとして、シミュレーションを実施した。ＡとＢの合計厚さは３ｍｍ、Ｂ／Ａ比は５である。計算の結果、半田の塑性ひずみ振幅は、１．１６％であり、冷却器の反り量は、０．９９ｍｍであった。
（実施例２）
天板部の厚さＡを１ｍｍ、底板部の厚さＢを２ｍｍとして、シミュレーションを実施した。ＡとＢの合計厚さは３ｍｍ、Ｂ／Ａ比は２である。計算の結果、半田の塑性ひずみ振幅は、１．２５％であり、冷却器の反り量は、０．９９ｍｍであった。
（実施例３）
天板部の厚さＡを１．５ｍｍ、底板部の厚さＢを１．５ｍｍとして、シミュレーションを実施した。ＡとＢの合計厚さは３ｍｍ、Ｂ／Ａ比は１である。計算の結果、半田の塑性ひずみ振幅は、１．２７％であり、冷却器の反り量は、０．９９ｍｍであった。
（実施例４）
天板部の厚さＡを１ｍｍ、底板部の厚さＢを３ｍｍとして、シミュレーションを実施した。ＡとＢの合計厚さは４ｍｍ、Ｂ／Ａ比は３である。計算の結果、半田の塑性ひずみ振幅は、１．２６％であり、冷却器の反り量は、０．８８ｍｍであった。
（実施例５）
天板部の厚さＡを１．３３ｍｍ、底板部の厚さＢを２．６７ｍｍとして、シミュレーションを実施した。ＡとＢの合計厚さは４ｍｍ、Ｂ／Ａ比は２である。計算の結果、半田の塑性ひずみ振幅は、１．２７％であり、冷却器の反り量は、０．８７ｍｍであった。
（実施例６）
天板部の厚さＡを２ｍｍ、底板部の厚さＢを２ｍｍとして、シミュレーションを実施した。ＡとＢの合計厚さは４ｍｍ、Ｂ／Ａ比は１である。計算の結果、半田の塑性ひずみ振幅は、１．４４％であり、冷却器の反り量は、０．８５ｍｍであった。
（実施例７）
天板部の厚さＡを０．５ｍｍ、底板部の厚さＢを５．５ｍｍとして、シミュレーションを実施した。ＡとＢの合計厚さは６ｍｍ、Ｂ／Ａ比は１１である。計算の結果、半田の塑性ひずみ振幅は、１．２％であり、冷却器の反り量は、０．７７ｍｍであった。
（実施例８）
天板部の厚さＡを１ｍｍ、底板部の厚さＢを５ｍｍとして、シミュレーションを実施した。ＡとＢの合計厚さは６ｍｍ、Ｂ／Ａ比は５である。計算の結果、半田の塑性ひずみ振幅は、１．２７％であり、冷却器の反り量は、０．７０ｍｍであった。
（実施例９）
天板部の厚さＡを１．５ｍｍ、底板部の厚さＢを４．５ｍｍとして、シミュレーションを実施した。ＡとＢの合計厚さは６ｍｍ、Ｂ／Ａ比は３である。計算の結果、半田の塑性ひずみ振幅は、１．２９％であり、冷却器の反り量は、０．７１ｍｍであった。
（実施例１０）
天板部の厚さＡを２ｍｍ、底板部の厚さＢを４ｍｍとして、シミュレーションを実施した。ＡとＢの合計厚さは６ｍｍ、Ｂ／Ａ比は２である。計算の結果、半田の塑性ひずみ振幅は、１．４％であり、冷却器の反り量は、０．７０ｍｍであった。
（比較例１）
天板部の厚さＡを１ｍｍ、底板部の厚さＢを１ｍｍとして、シミュレーションを実施した。ＡとＢの合計厚さは２ｍｍ、Ｂ／Ａ比は１である。計算の結果、半田の塑性ひずみ振幅は、１．２４％であり、冷却器の反り量は、１．１３ｍｍであった。
（比較例２）
天板部の厚さＡを３ｍｍ、底板部の厚さＢを３ｍｍとして、シミュレーションを実施した。ＡとＢの合計厚さは６ｍｍ、Ｂ／Ａ比は１である。計算の結果、半田の塑性ひずみ振幅は、１．５４％であり、冷却器の反り量は、０．６３ｍｍであった。
（比較例３）
天板部の厚さＡを４ｍｍ、底板部の厚さＢを４ｍｍとして、シミュレーションを実施した。ＡとＢの合計厚さは８ｍｍ、Ｂ／Ａ比は１である。計算の結果、半田の塑性ひずみ振幅は、１．６５％であり、冷却器の反り量は、０．４８ｍｍであった。
（シミュレーション結果の解析）
シミュレーション結果を図２に示した。図２の条件の分布を表す図を図７に示した。図３と図４は、図２の結果をグラフで表したものである。図６は、天板部の厚さ（Ａ）当たりの底板部の厚さ（Ｂ）の比（Ｂ／Ａ比）に対する半田の塑性ひずみ振幅を示したグラフである。
図３に示されたように、天板部の厚さは、半田の塑性ひずみ振幅と相関関係があった。図３は、天板部の厚さが薄い程、半田の塑性ひずみ振幅が小さくなることを示している。
図４に示されたように、天板部と底板部の合計厚さは、冷却器の反り量と相関関係があった。図４は、天板部と底板部の合計厚さが大きい程、冷却器の反り量が低減することを示している。
図６に示されたように、天板部と底板部の合計厚さがいずれのケースであっても、天板部の厚さ（Ａ）当たりの底板部の厚さ（Ｂ）の比（Ｂ／Ａ比）が１より大きくなる程、半田の塑性ひずみ振幅が低下することを示している。底板部の厚さは、天板部の厚さの１倍以上５倍以下であることが望ましく、２倍以上３倍未満であることがより望ましい。この比が２倍未満であると、半田の塑性ひずみ振幅の値がまだ高い傾向があり、この比が３倍以上または５倍を超えると、半田の塑性ひずみ振幅を低下させる効果が減少するためである。
天板部の厚さが１ｍｍであり、天板部と底板部の合計厚さが２ｍｍである比較例１は、図３において、半田の塑性ひずみ振幅の許容上限を１．５％とした場合、許容範囲内である。しかし、この比較例１は、図４において、冷却器の反り量の許容上限を１ｍｍとした場合、反り量がこの許容上限より大きいため問題である。
比較例２、３のように、Ｂ／Ａ比を１にして天板部と底板部の合計厚さを増やすと、反り量は許容範囲内になるが、塑性ひずみ振幅が許容上限を超えるため問題である。
そこで、半田の塑性ひずみ振幅と冷却器の反り量をそれぞれ許容範囲内に収めるには、天板部の厚さを２ｍｍ以下にし、天板部と底板部の合計厚さを３ｍｍ以上にする必要がある。塑性ひずみ振幅をより小さくするには、天板がより薄い方が好ましいが、０．５ｍｍ未満であると製造上の困難が生じるので、下限は、０．５ｍｍ以上が望ましい。反り量をより小さくするには、天板部と底板部の合計厚さが厚い程望ましいが、一方、この厚さが厚い程、製造コストが増加するため、反り量の許容範囲内で天板部と底板部の合計厚さを薄くすることが最も望ましい。
本発明は、２００℃以上３５０℃以下の温度で溶融し天板部と金属層とを接合させる半田層を備える半導体モジュールに限定した発明である。金属層として、この温度より高温で溶融するろう材を用いた事例が知られているが、半導体モジュールがより高い温度にさらされると、塑性ひずみ振幅および冷却器の反り量が増加するという問題があった。
従って、本発明の半導体モジュールは、天板部の厚さが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、かつ、天板部と底板部の合計厚さが、３ｍｍ以上６ｍｍ以下である冷却器と、２００℃以上３５０℃以下の温度で溶融し天板部と金属層とを接合させる半田層を備えることが望ましい。
図５は、本発明の第２の実施態様に係る半導体モジュールの断面図である。本発明の第２の実施態様に係る半導体モジュール２００は、半導体素子１、半田層２、回路層３、絶縁基板４、金属層５、半田層６、空洞８、天板部９、ジャケット１０、フィン部１１、接合部材１３を備えている。ジャケット１０は、少なくとも側壁部１０ａと底板部１０ｂから構成されている。図５に示したように、図１の構造の冷却器７の代替として、冷却器１１の天板部９とジャケット１０とフィン部１１に分離された部材を接合部材１３で接合した第２の冷却器１２を用いてもよい。接合部材１３は、フィン部１１の上端と天板部９の間、フィン部１１の下端とジャケットの底板部１０ｂの間、天板部９とジャケットの側壁部１０ａの上端の間に配置されている。接合部材１３は、溶融した半田層６と同じ温度で溶融状態になるものであれば特に限定されないが、例えば、半田層６と同じ組成のものを用いてもよい。半導体モジュール２００の構造であっても、図１の半導体モジュール１００と同様に、天板部の厚さと半田の塑性ひずみ振幅の関係、天板部と底板部の合計厚さと冷却器の反り量の関係に同様の傾向があった。
上記の結果から、天板部の厚さと、天板部と底板部の合計厚さを適切に選択することで、半田の塑性ひずみ振幅および冷却器の反りを低減した半導体モジュールを提供できる。
１ 半導体素子
２ 半田層
３ 回路層
４ 絶縁基板
５ 金属層
６ 半田層
７ 第１の冷却器
７ａ 天板部
７ｂ フィン部
７ｃ 底板部
８ 空洞
９ 天板部
１０ ジャケット
１０ａ 側壁部
１０ｂ 底板部
１１ フィン部
１２ 第２の冷却器
１３ 接合部材
１００ 半導体モジュール
２００ 半導体モジュール

Claims (7)

  1. 基板、前記基板のおもて面に配置された回路層、および前記基板の裏面に配置された金属層を備えた絶縁回路基板と、
    前記回路層に電気的に接続された半導体素子と、
    前記金属層に接合される平面を持ち一様な厚みの天板部、前記天板部と対向して配置された底板部、前記天板部の周囲と前記底板部の周囲を接続する側壁部、および、前記天板部と前記底板部とを接続するフィン部を備え、前記天板部の厚さが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、かつ、前記天板部と前記底板部の合計厚さが、３ｍｍ以上６ｍｍ以下である冷却器と、
    前記金属層の裏面全体と、前記天板部との間に設けられ、２００℃以上３５０℃以下の温度で溶融し前記天板部と前記金属層とを接合させる半田層を備え、
    前記底板部の厚さは、前記天板部の厚さの２倍以上３倍未満である
    半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記天板部と前記底板部の合計厚さが、３ｍｍ以上４ｍｍ以下であることを特徴とする半導体モジュール。
  3. 請求項１または２に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記側壁部は前記底板部と一体の部材であり、
    前記天板部と前記側壁部、前記天板部と前記フィン部、および、前記底板部と前記フィン部をそれぞれ接続し、前記半田層と同じ温度で溶融状態になる接合部材を備えることを特徴とする半導体モジュール。
  4. 請求項１または２に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記冷却器は、前記底板部と前記側壁部とが一体となっている複合部材と、前記天板部と、前記フィン部とが接合部材で一体に接合されていることを特徴とする半導体モジュール。
  5. 請求項３または４に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記接合部材と前記半田層とが同じ組成である
    半導体モジュール。
  6. 請求項１または２に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記冷却器は、前記天板部と、前記底板部と、前記側壁部と、前記フィン部とが一体成型されていることを特徴とする半導体モジュール。
  7. 請求項１から６の何れか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
    前記天板部および前記底板部の材質は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする半導体モジュール。
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