JP6638284B2 - 放熱板付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
なお、第2層を耐力の高い99.0質量%未満のアルミニウムや、純銅又は銅合金で形成した場合にあっては、第2層の厚さを薄くすることができるので、熱抵抗を増加させることなく、より好ましい構成とすることができる。
図1に示す第1実施形態のパワーモジュール110は、放熱板付パワーモジュール用基板51と、この放熱板付パワーモジュール用基板51に接合された半導体素子60とを備える。そして、放熱板付パワーモジュール用基板51は、セラミックス基板11の一方の面に回路層12が接合されるとともに、そのセラミックス基板11の他方の面に金属層13が接合されたパワーモジュール用基板10Aと、放熱板30とが接合されたものである。また、回路層12は、図2に示すように、一枚のセラミックス基板11の面方向に間隔をあけて接合された複数の小回路層12Sにより構成される。
なお、第2層16と放熱板30とを構成する主成分が同一の材料とは、例えば第2層16をアルミニウムを主成分とするアルミニウム板により形成した場合は、放熱板30もアルミニウムを主成分とするアルミニウム板により形成されることを意味しており、第2層16をアルミニウムを主成分とするアルミニウム板により形成した場合に、放熱板30を銅を主成分とする銅板により形成することは意図していない。また、例えば第2層16を純アルミニウム板で形成した場合には、放熱板30は純アルミニウム板や、A3003,A6063,A5052等のアルミニウム合金板により形成することができ、第2層16と放熱板30とで、アルミニウムの純度が異なる純アルミニウム板やアルミニウム合金板、添加元素が異なる純アルミニウム板やアルミニウム合金板を用いることができる。
まず、図4(a)に示すように、セラミックス基板11の一方の面にろう材41を介して回路層12のうちの第1層15となる第1層アルミニウム板15aを積層し、他方の面にろう材41を介して金属層13となる金属層アルミニウム板13a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、各層がろう付け接合され一体に形成される。
具体的には、図示を省略するが、第1層アルミニウム板15a、セラミックス基板11及び金属層アルミニウム板13aのこれらの各層をろう材41を介してオクタンジオール等の仮止め材により仮止めした積層体を形成しておき、これらを積層方向に加圧した状態で加熱する。
第1接合工程により得られた接合体25における回路層12の第1層15に、図4(b)に示すように、ろう材41を介して第2層16となる第2層アルミニウム板16aを積層し、金属層13にろう材41を介して放熱板30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、第2層16及び放熱板30をそれぞれろう付けして、図4(c)に示すように、放熱板付パワーモジュール用基板51を製造する。この接合の際の加圧力としては例えば0.68MPa(7kgf/cm2)、加熱温度が例えば615℃とされ、この加圧及び加熱状態を30分間保持することにより、第1層15と第2層16、金属層13と放熱板30とをろう付けする。
そして、このように金属層13を一枚で構成した場合においても、金属層13の非接合部P2,P3を、回路層12の非接合領域E1のうち50%以上の領域に設けることで、より回路層12と金属層13との対称性を高めて、加熱時等にセラミックス基板11の両面に作用する応力に偏りが生じにくく、反りを発生しにくくすることができる。
第1実施形態においては、回路層12を構成する第2層16と、放熱板30とをアルミニウム合金により構成した形態を示したが、図7に示す第4実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板54においては、第2層16と放熱板30とが、純銅又は銅合金により構成される。
まず、図9(a)に示すように、セラミックス基板11の一方の面にろう材41を介して回路層12のうちの第1層15となる第1層アルミニウム板15aを積層し、他方の面にろう材41を介して金属層13となる金属層アルミニウム板13a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、各層がろう付け接合され一体に形成される。
なお、各層を接合するろう材41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0.68MPa(7kgf/cm2)、加熱温度としては例えば640℃とされ、この加圧及び加熱状態を45分間保持することにより、セラミックス基板11と第1層15及び金属層13とをろう付けする。
次に、図9(b)に示すように、第1接合工程により得られた接合体25における回路層12の第1層15に、第2層16となる第2層銅板16cを積層し、金属層13に放熱板30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、第2層15及び第2層16、金属層13及び放熱板30をそれぞれ固相拡散接合する。この場合の加圧力としては、例えば0.29MPa以上3.43MPa以下とされ、加熱温度としては400℃以上548℃未満とされ、この加圧及び加熱状態を5分以上240分以下保持することにより、第2層15及び第2層16、金属層13及び放熱板30が同時に固相拡散接合され、図9(c)に示すように、放熱板付パワーモジュール用基板54が得られる。
そして、このように金属層13を一枚で構成した場合においても、金属層13の非接合部P5,P6を、回路層12の非接合領域E4のうち50%以上の領域に設けることで、回路層12と金属層13との対称性を高めて、加熱時等にセラミックス基板11の両面に作用する応力に偏りが生じにくく、反りを発生しにくくすることができる。
発明例及び比較例として、図2に示す放熱板付パワーモジュール用基板51のように、セラミックス基板11の一方の面に回路層12が接合されるとともに、セラミックス基板11の他方の面に金属層13を介して一枚の放熱板30が接合された放熱板付パワーモジュール用基板の試料を作製した。
回路層12の第2層16及び放熱板30は、表1に示す厚さ、耐力のものにより形成した。また、放熱板30の平面サイズは、50mm×60mmとした。なお、表1において、「比率」は、比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)を示す。また、表1の「材料」において、ZCは「三菱伸銅株式会社製耐熱合金ZC」を示す。
表1に結果を示す。
11 セラミックス基板
12 回路層
12S 小回路層
13 金属層
13S 小金属層
15 第1層
16 第2層
18b,18c,18e,18F 開口孔部
25 接合体
30 放熱板
41 ろう材
51,54 放熱板付パワーモジュール用基板
60 半導体素子
80 ヒートシンク
81 天板部
82 冷却部
83 流路
110 パワーモジュール
E1,E4 回路層の非接合領域
P1〜P6 金属層の非接合部
Claims (4)
- セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、該セラミックス基板の他方の面に金属層を介して一枚の放熱板が接合された放熱板付パワーモジュール用基板であって、
前記回路層が、前記セラミックス基板の面方向に間隔をあけて接合された複数の小回路層により構成され、
各小回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第1層と、該第1層の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合された第2層とを有する積層構造とされ、
前記第1層は純度99.99質量%以上のアルミニウムからなり、
前記第2層は純銅若しくは銅合金又は純度99.90質量%未満のアルミニウムからなり、
前記金属層が前記第1層と主成分が同一の材料により形成され、
前記放熱板が前記第2層と主成分が同一の材料により形成されており、
前記金属層は、前記回路層と前記セラミックス基板の前記一方の面との非接合部であって前記小回路層どうしの間の非接合領域における前記セラミックス基板の反対側に、前記セラミックス基板の前記他方の面との非接合部を有し、
前記金属層の非接合部は、前記非接合領域のうち50%以上の領域に設けられているとともに、前記非接合部上に前記放熱板が位置しており、
前記金属層は、一枚で構成され、前記金属層の非接合部は、該金属層を厚み方向に貫通する開口孔部により構成されている放熱板付パワーモジュール用基板。 - 前記第2層が純度99.90質量%未満のアルミニウムとされ、
前記第2層の厚さをt1(mm)、前記第2層の接合面積をA1(mm2)、前記第2層の耐力をσ1(N/mm2)とし、
前記放熱板の厚さをt2(mm)、前記放熱板の接合面積をA2(mm2)、前記放熱板の耐力をσ2(N/mm2)としたときに、
比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)が0.85以上1.40以下とされる請求項1に記載の放熱板付パワーモジュール用基板。 - 前記第2層が純銅又は銅合金とされ、
前記第2層の厚さをt1(mm)、前記第2層の接合面積をA1(mm2)、前記第2層の耐力をσ1(N/mm2)とし、
前記放熱板の厚さをt2(mm)、前記放熱板の接合面積をA2(mm2)、前記放熱板の耐力をσ2(N/mm2)としたときに、
比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)が0.80以上1.20以下とされる請求項1に記載の放熱板付パワーモジュール用基板。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載の前記放熱板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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