JP6503796B2 - 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

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。

パワーモジュールには、一般に、絶縁基板であるセラミックス基板の一方の面に回路層を形成する金属板が接合されるとともに、他方の面に放熱層を形成する金属板を介して放熱板（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が用いられ、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の回路層上にはんだ材を介してパワー素子等の半導体チップが搭載され、パワーモジュールが製造される。

このようなパワーモジュールにおいては、絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）のセラミックス基板とヒートシンクとの線膨張係数差に起因する反り等の変形により、実装性や耐久信頼性に影響することが課題である。
この点、例えば特許文献１には、ヒートシンクの一方の面に絶縁回路基板を接合し、もう一方の面（裏面）に拘束部材を接合することにより、セラミックス基板（絶縁基板）とヒートシンクとの線膨張係数の差に起因するヒートシンクの反りを拘束することとしている。このように、従来より、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の構造を、ヒートシンクを基準に略対称となるように絶縁回路基板や拘束部材を設けることで、反りを低減する対策がなされている。

特開２００６‐２９４９７１号公報

ところで、特許文献１に開示されるように、ヒートシンク付パワーモジュール用基板としては、一枚のヒートシンクに一個のパワーモジュール用基板を接合したものが使用されてきたが、パワーモジュールの高密度実装化が要求されるようになってきており、複数のパワーモジュール用基板を一体として取り扱えるようにするため、一枚のヒートシンクに複数のパワーモジュール用基板を接合することが行われている。このように、ヒートシンク上に複数のパワーモジュール用基板を接合した場合においても、セラミックス基板とヒートシンクとの線膨張係数の差に起因するヒートシンクの反りが生じることを防止するため、特許文献１と同様に、ヒートシンクを基準に略対称となるように絶縁回路基板や拘束部材を配設した構造とすることが容易に考えられる。

ところが、略対称の構造によりヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成すると、複数のパワーモジュール用基板の同数の積層基板を用意して、これら積層基板を各パワーモジュール用基板と対称となる位置に接合することになり、作業工程の複雑化に繋がる。また、ヒートシンクのパワーモジュール用基板が接合されていない面側は、冷却板として他の冷却が必要な部品を接触させる等して利用されることから、各積層基板を構成する小片化された金属層が複数設けられた構成では、個々の金属層が有する細かな形状の違いや表面形状の違い等によって、部品と金属層との密着性を十分に確保することが難しく、放熱性能の低下を引き起こすおそれがある。
そこで、ヒートシンクの裏面側に接合される金属層を一枚で構成することが望ましいが、この場合には、ヒートシンクに反りが生じることが問題となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、複数のパワーモジュール用基板を並べて配設した場合においても、ヒートシンクに生じる反りを抑制することができ、良好な放熱性能を確保することができ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を提供することを目的とする。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、
第１セラミックス基板の一方の面に回路層を接合するとともに該第１セラミックス基板の他方の面に放熱層を接合してなるパワーモジュール用基板を、ヒートシンクの面方向に複数並べて配設し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一方の面に第２セラミックス基板を有する連結基板を介して前記パワーモジュール用基板が複数接合され、
前記ヒートシンクの他方の面に第３セラミックス基板を有する裏側基板が接合されてなる。

一枚のヒートシンクに複数のパワーモジュール用基板を間隔をあけて配設することにより、複数のパワーモジュール用基板を一体化して取り扱うことができ、基板の高集積化を図ることができる。また、このような複数のパワーモジュール用基板を並べて配設したヒートシンク付パワーモジュール用基板において、ヒートシンクを基準とした略対称の構造を形成することなく、本発明では、ヒートシンクの一方の面に第２セラミックス基板を有する連結基板を介して各パワーモジュール用基板を接合するとともに、ヒートシンクの他方の面に第３セラミックス基板を有する裏側基板を接合することにより、すなわち、ヒートシンクの両面にそれぞれ線膨張係数が比較的小さなセラミックス基板を有する基板を接合することにより、ヒートシンクに生じる反りを抑制することとしている。したがって、一枚のヒートシンクに対して複数のパワーモジュール用基板を積層した場合においても、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に生じる全体の反りを抑制することができ、良好な放熱性能を確保することができる。

また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記連結基板は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる連結側緩衝層と前記第２セラミックス基板とを積層して形成され、前記連結側緩衝層と前記ヒートシンクとが接合されている構成とすることができる。

さらに、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記連結基板には、前記第２セラミックス基板に接合され、外部配線が接続可能な配線層が設けられており、前記配線層と前記放熱層とが接合されている構成とすることができる。

また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記裏側基板は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる裏面側緩衝層と前記第３セラミックス基板とを積層して形成され、前記裏面側緩衝層と前記ヒートシンクとが接合されている構成とすることができる。

連結基板及び裏側基板に、それぞれ連結側緩衝層及び裏面側緩衝層を設けることで、連結基板に積層される第２セラミックス基板と、裏側基板に積層される第３セラミックス基板とに生じる割れの発生を防止することができ、ヒートシンクに生じる反りを確実に低減することができる
また、連結基板に外部配線が接続可能な配線層を設けることにより、高集積化を図ることができる。この場合、配線層を第１セラミックス基板の外形よりも延出させて、好ましくは、外部配線が接続可能な接続部を第１セラミックス基板よりも外方位置に配置することで、接続作業を容易に行うことができ、作業性を向上させることができる。

本発明のパワーモジュールは、前記ヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層の表面上に搭載された半導体素子とを備える。

本発明によれば、ヒートシンク上に複数のパワーモジュール用基板を並べて接合することにより高集積化したヒートシンク付パワーモジュール用基板においても、ヒートシンクに生じる反りを抑制することができ、良好な放熱性能を確保することができる。

本発明の第１実施形態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示す断面図である。 第１実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す断面図である。 本発明の第２実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板を示す断面図である。 本発明の第３実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板を示す断面図である。 本発明の第４実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示す第１実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａは、第１セラミックス基板１１を有するパワーモジュール用基板１０を、一枚のヒートシンク５０に面方向に間隔をあけて複数配設されるものであり、そのヒートシンク５０の一方の面に第２セラミックス基板２１を有する連結基板２０Ａを介して各パワーモジュール用基板１０が接合され、ヒートシンク５０の他方の面に第３セラミックス基板３１を有する裏側基板３０Ａが接合された構成とされる。
そして、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａの各パワーモジュール用基板１０の回路層１２の表面に、半導体素子６０が搭載され、パワーモジュール１１０が構成される。

各パワーモジュール用基板１０は、図１に示すように、第１セラミックス基板１１と、回路層１２と、放熱層１３とを備え、第１セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２を接合するとともに、そのセラミックス基板１１の他方の面に放熱層１３を接合して構成される。
このパワーモジュール用基板１０を構成する第１セラミックス基板１１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用いることができ、厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。

また、回路層１２は、純アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板を第１セラミックス基板１１に接合することにより形成される。本実施形態においては、例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内に設定された金属板が用いられる。
放熱層１３は、純アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板を第１セラミックス基板１１に接合することにより形成される。本実施形態においては、例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内に設定された金属板が用いられ、この金属板を第１セラミックス基板１１にろう付けすることにより形成されている。

連結基板２０Ａは、ヒートシンク５０と接合される純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる連結側緩衝層２２と、第１セラミックス基板１１と同様の部材からなる第２セラミックス基板２１と、放熱層１３と接合される純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる配線層２３とを積層して形成される。また、連結側緩衝層２２及び配線層２３には、例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内に設定された金属板が用いられ、これら金属板をそれぞれ第２セラミックス基板２１にろう付けすることにより形成されている。
また、配線層２３には、外部配線６５が接続可能な接続部２３ａが形成されており、配線部材として構成される。具体的には、配線層２３は、第１セラミックス基板１１の外形よりも大きく形成されており、その第１セラミックス基板２２の外形よりも延出した部分により、接続部２３ａが形成される。このように、接続部２３ａを第１セラミックス基板１１よりも外方位置に配置することで、接続作業を容易に行うことができるので、作業性を向上させることができる。

裏側基板３０Ａは、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる裏面側緩衝層３２と、第１セラミックス基板１１及び第２セラミックス基板２１と同様の部材からなる第３セラミックス基板３１とを積層して形成される。また、裏面側緩衝層３２には、例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内に設定された金属板が用いられ、この金属板を第３セラミックス基板３１にろう付けすることにより形成されている。

ヒートシンク５０は、パワーモジュール１１０の熱を放散するためのものであり、例えばアルミニウム合金（Ａ３００３、Ａ６０６３合金等）からなり、本実施形態では、水等の冷却媒体が流通するボックス状に形成されるが、形状は特に限定されるものではない。本実施形態のヒートシンク５０は、連結基板２０Ａが接合される天板部５１と、裏側基板３０Ａが接合される底板部５２とを有する構成とされ、天板部５１に厚み方向に沿って形成された複数の仕切り壁５３が、内部の空間を区画することにより、冷却媒体が流通する複数の流路５４が形成されている。

そして、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａの各回路層１２の表面に、半導体素子６０がはんだ付けされて、パワーモジュール１１０となる。
なお、必要とされる機能に応じてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子６０が選択される。そして、半導体素子６０を接合するはんだ材は、例えばＳｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされる。

次に、このような構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａ及びパワーモジュール１１０を製造する方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、複数のパワーモジュール用基板１０と連結基板２０Ａとが積層された積層体Ｓと、ヒートシンク５０と、裏側基板３０Ａとを用意する。

積層体Ｓは、例えば、連結基板２０Ａを構成する連結側緩衝層２２となる金属板に、ろう材を介して第２セラミックス基板２１を積層し、この第２セラミックス基板２１にろう材を介して配線層２３となる金属板を積層するとともに、ろう材を介して放熱層１３となる金属板を積層し、放熱層１３にろう材を介して第１セラミックス基板１１を積層し、さらに第１セラミックス基板１１にろう材を介して回路層１２を積層して、これらを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で接合温度に加熱することにより、各層をろう付け接合して形成される。
具体的には、図示を省略するが、各パワーモジュール用基板１０を構成する回路層１２、第１セラミックス基板１１及び放熱層１３のこれらの各層をろう材を介してポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等の仮止め材により仮止めした積層体を形成しておき、これらを配線層２３の面方向に間隔をあけて載置し、パワーモジュール用基板１０を構成する積層体を配線層２３上に位置決めする。そして、これらを積層方向に加圧した状態で、加熱することにより、積層体Ｓを製造する。

なお、これら各層を接合するろう材は、Ａｌ‐Ｓｉ系等の合金の箔の形態で用いるとよい。また、ろう付け接合時の加圧力としては、例えば０．１ＭＰａ以上４．３ＭＰａ以下、接合温度としては６１０℃以上６５０℃以下、加熱時間としては１分以上６０分以下とされる。

また、裏側基板３０Ａは、例えば、第３セラミックス基板３１にろう材を介して裏面側緩衝層３２となる金属板を積層し、これらを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で接合温度に加熱することにより、ろう付け接合されて形成される。ろう材は、Ａｌ‐Ｓｉ系等の合金の箔の形態で用いるとよく、ろう付け接合時の加圧力としては、例えば０．１ＭＰａ以上４．３ＭＰａ以下、接合温度としては６１０℃以上６５０℃以下、加熱時間としては１分以上６０分以下とされる。

そして、このようにして形成した積層体Ｓと裏側基板３０Ａをヒートシンク５０に接合し、図２（ｂ）に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａを製造する。
この接合には、Ａｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ箔、Ａｌ‐Ｃｕ‐Ｍｇ箔やＡｌ‐Ｇｅ‐Ｃｕ‐Ｓｉ‐Ｍｇ箔等のＭｇ含有Ａｌ系ろう材箔を用いることができる。また、アルミニウム合金（例えばＡ３００３合金）の芯材の両面にＭｇ含有ろう材が設けられた両面クラッド材を用いることもできる。
このようなろう材４１を、積層体Ｓの連結側緩衝層２２とヒートシンク５０の天板部５１との間、ヒートシンク５０の底板部５２と裏面側緩衝層３２との間に、それぞれ介在させて積層し、積層方向に加圧した状態で、窒素雰囲気又はアルゴン雰囲気下で加熱することによりろう付け接合する。加圧力としては、例えば０．００１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下とされ、接合温度としては５８０℃以上６３０℃以下とされる。

このようにして製造されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａには、図１に示すように、各パワーモジュール用基板１０の回路層１２の上面に半導体素子６０が搭載され、パワーモジュール１１０が製造される。

上記のようにして製造されるパワーモジュール１１０において、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａは、一枚のヒートシンク５０に複数のパワーモジュール用基板１０を間隔をあけて配設することにより、これら複数のパワーモジュール用基板１０を一体化して取り扱うことができるので、基板の高集積化を図ることができる。また、このような複数のパワーモジュール用基板１０を並べて配設したヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａにおいて、ヒートシンク５０を基準とした略対称の構造を形成することなく、ヒートシンク５０の一方の面に第２セラミックス基板２１を有する連結基板２０Ａを介して各パワーモジュール用基板１０を接合するとともに、ヒートシンク５０の他方の面に第３セラミックス基板３１を有する裏側基板３０Ａを接合することにより、すなわち、ヒートシンク５０の両面にそれぞれ線膨張係数が比較的小さなセラミックス基板（第２セラミックス基板２１及び第３セラミックス基板３１）を有する基板を接合することにより、ヒートシンク５０に生じる反りを抑制することとしている。したがって、一枚のヒートシンク５０に対して複数のパワーモジュール用基板１０を積層した場合においても、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａに生じる全体の反りを抑制することができ、良好な放熱性能を確保することができる。

また、第１実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａにおいては、連結基板２０Ａ及び裏側基板３０Ａに、それぞれ連結側緩衝層２２及び裏面側緩衝層３２が備えられているので、連結基板２０Ａの第２セラミックス基板２１及び裏側基板３０Ａの第３セラミックス基板３１と、ヒートシンク５０との間の伸縮差を緩和することができる。これにより、これら第２セラミックス基板２１と第３セラミックス基板３１とに生じる割れの発生を防止することができ、ヒートシンク５０に生じる反りを確実に低減することができる。
また、第１実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａのように、連結基板２０Ａに配線層２３を備える構成とし、配線層２３に外部配線６５が接続可能な接続部２３ａを形成し、配線層２３を配線基板として構成することで、より高集積化を図ることができる。

なお、本発明は上記第１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、連結基板と裏側基板との組み合わせを、図３及び図４に示すように構成した各実施形態とすることができる。

図３に示す第２実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ｂは、連結基板Ｂが第２セラミックス基板２１と配線層２３とを積層して形成され、裏側基板３０Ｂが第３セラミックス基板３１により構成される。
また、図４に示す第３実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ｃは、連結基板２０Ｃが、第１実施形態の連結基板２０Ａと同様に、連結側緩衝層２２と、第２セラミックス基板２１と、配線層２３とを積層して形成され、裏側基板３０Ｃが、第２実施形態と同様に、第３セラミックス基板３１により構成される。
さらに、図５に示す第４実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ｄにあっては、連結基板２０Ｄが、第１実施形態の連結基板２０Ａと同様に、連結側緩衝層２２と、第２セラミックス基板２１と、配線層２３とを積層して形成されるが、裏側基板３０Ｄが、裏面側緩衝層３２と、第３セラミックス基板３１と、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる接続側金属層３３とを積層して形成される。

なお、上記実施形態において、回路層１２、放熱層１３、連結側緩衝層２２、配線層２３及び裏面側緩衝層３２に、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）を用いたが、これに限らず、純度９９．９質量％以上のアルミニウム（３Ｎアルミニウム）や純度９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）等の純アルミニウム、Ａ３００３等のアルミニウム合金を用いることもできる。
また、上記実施形態では、第１セラミックス基板１１、第２セラミックス基板２１及び第３セラミックス基板３１とを同じ部材からなるセラミックス基板としたが、これに限らず、それぞれのセラミックス基板が異なる部材から構成されていてもよい。

以上の各実施形態のように、連結基板と裏側基板とをいずれの組合せで構成した場合においても、ヒートシンク５０の一方の面に第２セラミックス基板２１を有する連結基板２０Ａ〜２０Ｃを介してパワーモジュール用基板１０を接合するとともに、ヒートシンク５０の他方の面に第３セラミックス基板３１を有する裏側基板３０Ａ〜３０Ｃを有する基板を接合することにより、ヒートシンク５０を基準とした略対称の構造を形成することなく、ヒートシンク５０に生じる反り等を低減することができる。したがって、複数のパワーモジュール用基板１０を並べて形成した場合においても、ヒートシンク付パワーモジュール基板１００Ａ〜１００Ｃの接合信頼性を高めることができ、長期的に信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。

１０ パワーモジュール用基板
１１ 第１セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 放熱層
２０Ａ〜２０Ｃ 連結基板
２１ 第２セラミックス基板
２２ 連結側緩衝層
２３ 配線層
２３ａ 接続部
３０Ａ〜３０Ｃ 裏側基板
３１ 第３セラミックス基板
３２ 裏面側緩衝層
３３ 接続側金属層
４１ ろう材
５０ ヒートシンク
５１ 天板部
５２ 底板部
５３ 仕切り壁
５４ 流路
６０ 半導体素子
１００Ａ〜１００Ｃ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１０ パワーモジュール

Claims (5)

1. 第１セラミックス基板の一方の面に回路層を接合するとともに該第１セラミックス基板の他方の面に放熱層を接合してなるパワーモジュール用基板を、ヒートシンクの面方向に複数並べて配設し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一方の面に第２セラミックス基板を有する連結基板を介して前記パワーモジュール用基板が複数接合され、
   前記ヒートシンクの他方の面に第３セラミックス基板を有する裏側基板が接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板。
2. 前記連結基板は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる連結側緩衝層と前記第２セラミックス基板とを積層して形成され、前記連結側緩衝層と前記ヒートシンクとが接合されている請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
3. 前記連結基板には、前記第２セラミックス基板に接合され、外部配線が接続可能な配線層が設けられており、前記配線層と前記放熱層とが接合されている請求項１又は２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
4. 前記裏側基板は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる裏面側緩衝層と前記第３セラミックス基板とを積層して形成され、前記裏面側緩衝層と前記ヒートシンクとが接合されている請求項１から３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の前記ヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層の表面上に搭載された半導体素子とを備えるパワーモジュール。

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