JP7018756B2 - Power module board and power module - Google Patents
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Description
本発明は、セラミック基板に接合された金属板を有するパワーモジュール用基板およびパワーモジュールに関するものである。 The present invention relates to a power module substrate and a power module having a metal plate bonded to a ceramic substrate.
従来、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の電子部品が搭載されたパ
ワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板として、例えば、セラミック基板の表面に銅等の金属材料からなる金属板が回路導体として接合されたパワーモジュール用基板が用いられている。
Conventionally, as a substrate for a power module used for a power module equipped with an electronic component such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), for example, a metal plate made of a metal material such as copper is joined as a circuit conductor to the surface of a ceramic substrate. A power module substrate is used.
パワーモジュール用基板の金属板に電子部品が搭載されてパワーモジュールが作製される。ヒートサイクルの耐久性向上のために、金属板とセラミック基板とを接合する接合層の外周端部を、金属板の下端部より外側あるいは内側に位置させたものがある(例えば特許文献1を参照。)。 An electronic component is mounted on a metal plate of a power module board to manufacture a power module. In order to improve the durability of the heat cycle, the outer peripheral end of the bonding layer for joining the metal plate and the ceramic substrate may be located outside or inside the lower end of the metal plate (see, for example, Patent Document 1). .).
近年では搭載されるパワー半導体素子等の電子部品の発熱量がより大きくなっており、パワーモジュールに対してより高い信頼性が求められている。繰り返し加わる熱応力によって金属板がセラミック基板から剥がれる可能性がより低減される構造のパワーモジュール用基板が求められている。 In recent years, the amount of heat generated by electronic components such as power semiconductor elements mounted on them has increased, and higher reliability is required for power modules. There is a demand for a power module substrate having a structure in which the possibility that the metal plate is peeled off from the ceramic substrate due to repeated thermal stress is further reduced.
本発明の1つの態様のパワーモジュール用基板は、セラミック基板と、該セラミック基板の表面にろう材を介して接合された金属板と、を備えており、前記ろう材の熱膨張率は前記金属板の熱膨張率より大きく、前記ろう材は、前記金属板とは前記金属板の外周と接合され、前記セラミック基板とは前記金属板の外周より内側で接合されており、前記金属
板の側面は、前記セラミック基板とは反対側の外周端部より内側に位置するとともに内周端部を含む部分を有しており、前記ろう材における、前記金属板側の外周端部に対して前記セラミック基板側の外周端部が内側に位置する長さは、前記金属板の側面における、前記外周端部に対して前記内周端部が内側に位置する長さより大きい。
The substrate for a power module according to one aspect of the present invention includes a ceramic substrate and a metal plate bonded to the surface of the ceramic substrate via a brazing material, and the thermal expansion coefficient of the brazing material is the metal. The brazing material is larger than the thermal expansion rate of the plate, and the brazing material is joined to the outer periphery of the metal plate with the metal plate, and is joined to the ceramic substrate inside the outer periphery of the metal plate.
The side surface of the plate is located inside the outer peripheral end portion on the opposite side of the ceramic substrate and has a portion including the inner peripheral end portion, with respect to the outer peripheral end portion on the metal plate side of the brazing material. The length at which the outer peripheral end portion on the ceramic substrate side is located inside is larger than the length at which the inner peripheral end portion is located inside the outer peripheral end portion on the side surface of the metal plate .
本発明の1つの態様のパワーモジュールは、上記構成のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板の前記金属板上に搭載された電子部品とを備える。 The power module according to one aspect of the present invention includes a power module substrate having the above configuration and electronic components mounted on the metal plate of the power module substrate.
本発明の実施形態のパワーモジュール用基板によれば、金属板の外縁部において、ろう材は、前記金属板とは前記金属板の外周と接合され、前記セラミック基板とは前記金属板の外周より内側で接合されていることから、熱応力によって金属板がセラミック基板から剥がれる可能性を低減することができる。 According to the substrate for a power module according to the embodiment of the present invention, at the outer edge of the metal plate, the brazing material is joined to the outer periphery of the metal plate with the metal plate, and the ceramic substrate is from the outer periphery of the metal plate. Since they are joined on the inside, the possibility that the metal plate is peeled off from the ceramic substrate due to thermal stress can be reduced.
本発明の実施形態のパワーモジュールによれば、上記構成であることから、接合信頼性が向上したものとなる。 According to the power module of the embodiment of the present invention, the joining reliability is improved because of the above configuration.
本発明の実施形態のパワーモジュール用基板およびパワーモジュールについて図面を参照して説明する。なお、以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際にパワーモジュール用基板およびパワーモジュール等が使用される際の上下を限定するものではない。 The power module substrate and the power module according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the distinction between the upper and lower parts in the following description is for convenience, and does not limit the upper and lower parts when the power module board, the power module, and the like are actually used.
図1(a)はパワーモジュールの実施形態の一例を示す平面図であり、図1(b)は図1(a)のB-B線における断面図である。また、図2は図1のA部の一例を拡大して示す断面図である。 1 (a) is a plan view showing an example of an embodiment of a power module, and FIG. 1 (b) is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 1 (a). Further, FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing an example of part A in FIG. 1.
パワーモジュール用基板10は、セラミック基板1と、セラミック基板1の表面にろう材3を介して接合された金属板2とを備えており、ろう材3の熱膨張率は金属板2の熱膨張率より大きく、ろう材3は、金属板2とは金属板2の外周まで接合され、セラミック基板1とは前記金属板2の外周より内側で接合されている。言い換えれば、金属板2の外縁部において、ろう材3は金属板2とは接合しているが、セラミック基板1とは接合していない。金属板2の外縁部においては、金属板2とセラミック基板1との間には、金属板2に接合されたろう材3とろう材3とセラミック基板1との間の空間がある。
The
パワーモジュール用基板10が加熱または冷却されると、主に金属板2とセラミック基板1との間に熱応力が発生する。そして、冷却時には金属板2の熱収縮が大きいので、金属板2側が凹となるように反り、金属板2の外縁部がセラミック基板1から剥がれるような挙動を示す。しかしながら上記構成のパワーモジュール用基板10においては、金属板2はその外周までセラミック基板1に接合されていないので、外周まで接合されている場合に比較して熱応力が小さくなる。そして、セラミック基板1の上面に接合された金属板2の下面の外縁部には、金属板2の熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有するろう材3が接合されている。そのため、金属板2の外縁部においては、金属板2よりも熱収縮の大きいろう材3側に金属板2が反るような挙動を示す。これによって、金属板2がセラミック基板1から剥がれるような挙動が抑えられる。すなわち、ヒートサイクル等の熱応力負荷によって金属板2がセラミック基板1から剥がれる可能性が低減される。
When the
パワーモジュール100は、図1に示す例のように、上記のようなパワーモジュール用基板10と、このパワーモジュール用基板10に搭載された電子部品11とで基本的に構成されている。電子部品11は、パワーモジュール用基板10の金属板2の上に搭載され、接合材11aで固定されている。このようなパワーモジュール100によれば、上記構成のパワーモジュール用基板10を備えていることから、ヒートサイクル等に対する信頼性が向上したものとなる。
As shown in the example shown in FIG. 1, the
図3(a)および図3(b)はパワーモジュールの実施形態の他の例を示す断面図であ
る。図1に示す例のパワーモジュール100に対して、電子部品11、金属板2およびセラミック基板1を覆う封止樹脂13等を備えている例である。図3(a)に示す例のパワーモジュール101は、図1に示す例のパワーモジュール100が、上面から下面の外周部にかけて封止樹脂13で覆われて、電子部品11が封止されているものである。図3(b)に示す例のパワーモジュール102は、図1に示す例のパワーモジュール100が、内側空間を有する筐体14の内部空間に配置され、内部空間に封止樹脂13が充填されて電子部品11およびパワーモジュール用基板10が封止されている例である。
3 (a) and 3 (b) are cross-sectional views showing another example of the embodiment of the power module. This is an example in which the
このような封止樹脂13もまた、一般的にセラミック基板1よりも大きい熱膨張率を有している。そのため、ヒートサイクル等によって封止樹脂13もまたセラミック基板1から剥がれる可能性がある。上記構成のパワーモジュール用基板10を備えるパワーモジュール101,102においては、封止樹脂13は金属板2の外縁部とも接合されている。そのため、パワーモジュール101,102にヒートサイクルが加わった際には、上記のように金属板2の外縁部がろう材3側、すなわちセラミック基板1側に反るので、金属板2の外縁部に接合されている封止樹脂13をセラミック基板1側へ押さえるような挙動を示す。これによって、封止樹脂13がセラミック基板1から剥がれる可能性が低減される。つまり、封止信頼性の向上したパワーモジュール101,102となる。金属板2の外縁部のろう材3とセラミック基板1との間の空間に封止樹脂13が入り込んでいる場合には、金属板2の外縁部の下面(セラミック基板1側の面)によって封止樹脂13が抑えられるので、さらに封止信頼性が向上したものとなる。
Such a sealing
図4~図10は、図2と同様の、パワーモジュール用基板10の要部を拡大して示す断面図である。図4~図10における二点鎖線は、金属板2の最外端部に接する、セラミック基板1の表面(上面)に対する垂線を示している。図2に示す例のパワーモジュール用基板10の金属板2の側面は、セラミック基板1の表面(上面)に対してほぼ垂直で平坦である。これに対して、図4~図10に示す例の金属板2の側面は、セラミック基板1とは反対側の外周端部(図4~図10においては上端部)より内側に位置する部分を有している。図4および図9に示す例では、金属板2の側面は上端部がセラミック基板1側の外周端部(図4および図9においては下端部、以下図5~図8および図10においても同じ。)より外側に位置する、傾斜した平坦な傾斜面である。上端部に対して下端部は図に示す矢印の長さだけ内側に位置している。図5および図6に示す例では、側面2は凹面(凹曲面)である。図5に示す例では、金属板2の上端部と下端部の平面方向における位置は同じであり、最外端部は上端および下端である。これに対して、図6に示す例では、金属板2の上端は下端より内側に位置しているが、凹面のもっとも内側の底部は、上端よりも内側に位置している。図7,図8および図10に示す例では、側面2は金属板2の上端より少し下から凹面となっている。
4 to 10 are enlarged cross-sectional views showing a main part of the
このように、金属板2の側面が、セラミック基板1とは反対側の外周端部より内側に位置する部分を有しているパワーモジュール用基板10とすることができる。このような構成であると、金属板2の側面の下側(セラミック基板1側)に封止樹脂13が入り込むこととなり、金属板2の側面で封止樹脂13が押さえられ、また金属板2と封止樹脂13との接合面積が増えるので、封止樹脂13がセラミック基板1から剥がれ難くなり、より封止信頼性の高いパワーモジュール101,102となる。また、金属板2の外縁部のろう材3とセラミック基板1との間の空間に封止樹脂13が入り込まなくてもこのような効果を奏することができる。
In this way, the side surface of the
図5および図6に示す例のように、金属板2の側面全体が凹面である場合には、金属板2の下端(セラミック基板1側の外周端部)よりも凹面の底部は内側に位置している。そのため、金属板2の側面が傾斜面である場合と比較して、封止樹脂13が入り込む部分を設けるために金属板2の上端を下端よりも外側に突出させる必要がないので、封止樹脂1
3の入り込む最大長さ(図に矢印で示す長さ)が同じであっても側面が凹面である場合には金属板2が不要に大型化することがない。図7,図8および図10に示す例のように、側面全体が凹面でなく、側面の厚み方向の一部が凹面である、言い換えれば側面に凹面の凹部がある場合も同様である。また、これらのような凹面でなくても、凹部があれば同様である。つまり、金属板2は、側面に凹部を有しているものとすることができる。凹部の形状としては、上記のような凹面(凹曲面)であると封止樹脂13が入り込みやすいので、より確実に上記効果を奏するものとなる。
As in the examples shown in FIGS. 5 and 6, when the entire side surface of the
Even if the maximum length into which the
図5に示す例のように、金属板2の側面全体が凹面である場合には、金属板2の上面(セラミック基板1とは反対側の面)と側面との間の角(上端の角)が鋭角になる。隣り合う金属板2同士の間隔が小さいと金属板に大きな電流が印可された場合に、隣り合う金属板2の上端の角の間で放電が発生して絶縁不良となる可能性がある。これに対して、図6に示す例では、側面の全体が凹面であるが、金属板2の上端は下端より内側に位置しており、隣り合う金属板2間において上端の角間の距離が大きくなるので、上記放電が発生する可能性が低減される。図7に示す例では、金属板2の上端よりセラミック基板1側に凹部が設けられているので、上端の角は鋭角ではない。この場合は、上端の角が鋭角である場合に比較して上端の角への電流の集中が抑えられるので、上記放電が発生する可能性が低減される。さらには、図8に示す例では、上端の角が丸められているので、上記放電が発生する可能性が低減される。放電が発生する可能性が低減されることから、隣り合う金属板2間の距離を小さくすることができるので、配線導体である金属板2をセラミック基板1上に高密度に配置することができ、より小型のパワーモジュール用基板10とすることができる。これは、図4に示す例のような金属板2の側面が傾斜面である場合にも適用でき、金属板2の側面において上端よりセラミック基板1側を傾斜面としたり、図9に示す例のように上端の角を丸めたりすることができる。
As in the example shown in FIG. 5, when the entire side surface of the
図10に示す例は、金属板2の側面の形状は図8に示す例と同じであるが、ろう材3の形状が異なっている。この例のように。ろう材3の金属板2側の部分が金属板2の外周より外側に突出しているものとすることができる。パワーモジュール用基板10がこのような構成であると、パワーモジュール用基板10を覆う封止樹脂13を備えるパワーモジュール101,102の場合に、ろう材3の突出した部分が封止樹脂13に食い込むので、封止樹脂13がセラミック基板1からより剥がれ難くなり、より封止信頼性の高いパワーモジュール101,102となる。
In the example shown in FIG. 10, the shape of the side surface of the
セラミック基板1は、セラミックス焼結体からなり、金属板2を固定して支持するための基体部分である。また、セラミック基板1は、セラミック基板1の表面に接合された複数の金属板2の間を互いに電気的に絶縁させるための絶縁部材としても機能する。また、セラミック基板1の上下面間で熱を伝導する伝熱部材としても機能する。セラミック基板1の大きさはパワーモジュール100の用途等に応じて適宜設定されるものであるが、例えば。厚みは0.25mm~1.0mmで、平面視の大きさは1辺の長さが10mm~200mmの矩形状とすることができる。
The
セラミック基板1のセラミックス焼結体としては、公知の材料を用いることができ、例えば、アルミナ(Al2O3)焼結体、窒化アルミニウム(AlN)焼結体および窒化ケイ素(Si3N4)焼結体などを用いることができる。セラミック基板1は、公知の製造方法によって製造することができ、例えば、アルミナなどの原料粉末に焼結助剤を添加し、基板状に成形したのち、焼成することで製造することができる。
Known materials can be used as the ceramic sintered body of the
金属板2は、例えば銅または銅合金等の金属材料によって形成されている。電気伝導および熱伝導の点では99%以上の純銅を用いるとよく、さらに、金属板2における酸素の含有量が少ない方が、ボンディングワイヤ12と金属板2との接合強度の向上に関して有
利である。金属板2の大きさおよび形状もまた、パワーモジュール100の用途等に応じて適宜設定されるものであるが、例えば。厚みは0.1mm~1.0mmとすることができる。
The
図1に示す例のパワーモジュール用基板10においては、セラミック基板1の上面の中央部に接合された金属板2、この金属板2を挟むように配置されて接合された一対の金属板2およびセラミック基板1の下面に接合された金属板2を備えている。この例では、セラミック基板1の上面に接合された金属板2は主として電気回路の配線として機能し、セラミック基板1の下面に接合された金属板2は放熱板として機能する。金属板2の数、形状、配置等はこの例に限られるものではない。
In the
ろう材3は、金属板2の材料より熱膨張率が大きいものであり、例えばチタン、ハフニウムおよびジルコニウムのうち少なくとも1種の活性金属材料を含む、銀-銅(Ag-Cu)系の活性ろう材である。Ag-Cu系ろう材としては、例えばB-Ag8(JIS Z 3261-1985)を用いることができる。B-Ag8銀ろう材の熱膨張率は、金属板2の銅の熱膨張率より大きい。
The
ろう材3が金属板2とは接合され、セラミック基板1とは接合されていない部分は、金属板2の大きさにもよるが、例えば、金属板2のセラミック基板1側の面の外周から0.05mm~1.0mm程度の範囲とすることができる。
The portion where the
ろう材3が、金属板2とは金属板2の外周まで接合され、セラミック基板1とは金属板2の外周より内側で接合されたパワーモジュール用基板10は、例えば以下のようにして作製することができる。図11は、パワーモジュール用基板10の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。この例では、簡易的に、セラミック基板1の上面に金属板2が1つだけ接合されている構成のパワーモジュール用基板10を作製する例を示している。
The
まず、図11(a)に示すように、セラミック基板1上に流れ防止材24の膜を形成する。流れ防止材24の形状は、パワーモジュール用基板10におけるろう材3のセラミック基板1に接合する部分の形状の開口を有する形状である。流れ防止材24は、後述する接合工程において消失せず、金属板2のセラミック基板1への接合後には容易に除去できるものである。例えば、接合工程における加熱で焼結しないセラミック粉末(例えば、TiO2,Al2O3等)のペーストである。セラミック基板1の上面に、流れ防止材24のペーストをスクリーン印刷等で所定形状に塗布して乾燥させることで流れ防止材24の膜を形成することができる。
First, as shown in FIG. 11A, a film of the
次に、図11(b)に示すように、外縁部が流れ防止材24と重なるようにろう材ペースト23を塗布する。ろう材ペースト23の形状は、金属板2の形状と同じである。ろう材ペースト23は、上記ろう材3(活性ろう材)となる粉末に溶剤やバインダー等を加えて混錬することで作製することができる。
Next, as shown in FIG. 11B, the
次に、図11(c)に示すように、ろう材ペースト23の上に金属素板22を載置して、例えば、真空状態で830℃程度の加熱処理をすることによって金属素板22をセラミック基板1の上面に接合する。このとき、流れ防止材24とろう材ペースト23とが重なっている部分では、ろう材3は金属素板22だけに接合され、セラミック基板1の上面には接合されない。
Next, as shown in FIG. 11C, the
次に、図11(d)に示すように、金属素板22の上面にエッチングマスク25を形成する。エッチングマスク25は、フィルム状のレジスト材を金属素板22の上面に貼り付ける、あるいは液状のレジスト材を金属素板22の上面に塗布するなどして、フォトリソ
法によって金属板2に対応する部分以外を除去して形成することができる。液状の樹脂を金属板2の形状に印刷してエッチングマスク25を形成することもできる。
Next, as shown in FIG. 11D, an
次に、図11(e)に示すように、金属素板22のエッチングマスク25で覆われていない部分をエッチングによって除去し、所定形状の金属板22を形成する。このとき、エッチング条件によって、金属板2の側面の形状を設定することができる。オーバーエッチングによって、金属板2の側面を凹面等にすることができる。
Next, as shown in FIG. 11 (e), the portion of the
そして、図11(f)に示すように、エッチングマスク25および流れ防止材24を除去することでパワーモジュール用基板10となる。流れ防止材24が除去されると、金属板2の外縁部では、ろう材3は金属板2とは接合され、セラミック基板1の上面とは接合されず、ろう材3とセラミック基板1の上面との間に空間が形成される。流れ防止材24はセラミック粉末の凝集体のようなものであるので、ブラスト等で容易に除去することが可能である。例えば、エッチングマスク25を除去した後にこのブラスト処理を行なうことで、金属板2の上面と側面の間の角(上端の角)を丸めることもできる。
Then, as shown in FIG. 11F, the
図11に示す例では、セラミック基板1と同程度の大きさの金属素板22を接合した後にエッチングによって金属板2の大きさに加工しているが、金属素板22にプレス加工や切削加工等の機械加工やエッチング加工等の化学加工を施して、あらかじめ所定形状の金属板2としたものをセラミック基板1に接合することもできる。このときの加工によって、金属板2の側面を所定形状に加工することができる。また、セラミック基板1の代わりにより大型のセラミック基板の上に大型の金属素板22を接合してエッチング加工し、複数のパワーモジュール用基板10が一体となった多数個取りパワーモジュール用基板を作製し、これを分割することで複数のパワーモジュール用基板10を作製することもできる。多数個取りパワーモジュール基板は、多数個取りの各々のパワーモジュール用基板10(領域)の配置の位置精度が高いために、分割せずに多数個取りパワーモジュール用基板で電子部品11を実装することも容易にできる。これによって、実装工程の生産性を高めることもでき、パワーモジュール100の生産性を効果的に高めることもできる。
In the example shown in FIG. 11, a
また、ろう材3は活性金属材料を含まないものでもよい。この場合には、セラミック基板1の上面の所定部位にろう付け用の下地金属層(図示せず)を設けておけばよい。下地金属層は、例えば銀、銅、インジウム、亜鉛、錫、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、モリブデン、オスミウム、レニウムおよびタングステン等から選択される金属を含む金属材料のメタライズ層としてセラミック基板1の表面の所定位置に形成することができる。上記製造方法において、金属板2の平面視の大きさよりも一回り小さい下地金属層を設けたセラミック基板1を準備し、流れ防止材24を設けず、活性金属を含まないろう材ペースト23を金属板2の大きさと同程度のパターンで塗布することで、ろう材3が、金属板2とは金属板2の外周まで接合され、セラミック基板1とは金属板2の外周より内側で接合される。
Further, the
金属板2およびろう材3の露出面には、金属皮膜(図示せず)を設けることができる。この金属皮膜は、電子部品11の接合材11aによる金属板2への接合性を高めるための皮膜である。そのため、パワーモジュール100,101,102において電子部品11が搭載される領域に部分的に設けることもできる。この場合は、金属板2の搭載領域に凹部を設け、金属皮膜を凹部の底面に設けることができる。
A metal film (not shown) can be provided on the exposed surfaces of the
金属皮膜は、例えばめっき法によってセラミック基板1に接合された金属板2の上面に形成することができる。金属皮膜を部分的に設ける場合は、めっき工程において、金属板2の上面における金属皮膜を形成する領域以外を樹脂材料等からなる被覆材(レジスト膜)でカバーしておけば、金属皮膜を金属板2の上面の一部にのみ設けることができる。
The metal film can be formed on the upper surface of the
金属皮膜の表面は、例えば、銀層または金層からなるものとすることができる。このような金属皮膜が配置されていると、金属板2の上面の電子部品11が搭載される部分の酸化等を抑制することができる。そのため、接合材11aを介して電子部品11を金属板2の表面(上面)に接合して搭載することが容易であり、電気的な接続信頼性の向上についても有利である。金属皮膜は表面が銀または金であればよいので、銀層または金層の単層であってもよいし、最表層を銀層または金層とする複数層で構成されていてもよい。
The surface of the metal film can be made of, for example, a silver layer or a gold layer. When such a metal film is arranged, it is possible to suppress oxidation of the portion of the upper surface of the
金属皮膜を複数層で構成する場合には、金属板2と接合性のよい下地層を設けることができるので、金属皮膜の金属板2への接合強度を向上させることができる。金属皮膜を複数層で構成する場合の例としては、例えば、金属板2側から、ニッケル/パラジウム/銀(Ni/Pd/Ag)、ニッケル/パラジウム/金(Ni/Pd/Au)等があげられる。ニッケル層は、金属皮膜の金属板2に対する接合強度を向上させる機能を有している。ニッケル層は、銅等の被めっき材(金属板2)に対する密着強度が高い性質を有している。そのため、ニッケル層によって金属皮膜が金属板2の上面に強固に被着されている。パラジウム層は、ニッケル層のニッケル成分が銀層または金層に拡散することを抑制する機能を有している。また、パラジウム層は、例えば接合材11aとしてはんだを用いる場合には、はんだを介して金属皮膜上に電子部品11を搭載するときのはんだ濡れ性を向上させる機能も有している。この場合、例えば銀層または金層の一部がはんだ中に溶解したとしても、パラジウム層にはんだが容易に濡れる。そのため、はんだの濡れ性を向上させることができる。
When the metal film is composed of a plurality of layers, a base layer having good bondability with the
また、金属皮膜が銀層または金層およびそのすぐ下側に配置されたニッケル層を含む場合、すなわち金属皮膜が、セラミック基板1の上面に順次被着されたニッケル層および銀層または金層のみからなる場合には、金属板2から金属皮膜への銅等の金属の拡散を抑制することができることから、金属皮膜の銀層または金層の厚みを抑制することができ、パワーモジュール用基板10のコストを低減することができる。
Further, when the metal film includes a silver layer or a gold layer and a nickel layer arranged immediately below the silver layer, that is, only the nickel layer and the silver layer or the gold layer in which the metal film is sequentially adhered to the upper surface of the
接合材11aとして銀ナノペーストを用いる場合には、金属皮膜の表面を銀層とすることができる。このようにすることで、銀ナノ粒子と金属皮膜とが結合しやすくなるので、銀ナノペーストによる電子部品11の金属板2への接合性が高いものとなる。
When silver nanopaste is used as the
金属皮膜が部分的に設けられる場合の金属板2の表面の凹部は、平面視の寸法が搭載される電子部品11の寸法より一回り大きく、金属皮膜と同程度の大きさである。凹部の深さは、例えば2μm~20μmである。凹部は、金属板2の表面に、ブラスト加工等の機械的加工あるいは化学エッチング等の化学的加工を施すことによって形成することができる。いずれの場合でも、例えば、金属皮膜を形成する位置に開口を設けた被覆材(マスク)を金属板2の上に設けて、開口から露出した部分のみを加工することで凹部を形成することができる。そのため、上述した被覆材を用いためっき法による金属皮膜の形成の前に凹部の形成を行なうことで、効率よく凹部と金属皮膜の形成ができる。
When the metal film is partially provided, the recess on the surface of the
また、セラミック基板1の下面に接合された金属板2の表面にもニッケルなどのめっき層を設けてもよい。これにより、金属板2の表面の酸化を抑制することができる。また、金属板2をはんだ等の伝熱性接合材で放熱体に接合する場合には、はんだ濡れ性を向上させることができ、放熱体への熱伝導性を向上させることができる。
Further, a plating layer such as nickel may be provided on the surface of the
上記のようなパワーモジュール用基板10に電子部品11を搭載することで、図1に示す例のようなパワーモジュール100となる。パワーモジュール100は、例えば、自動車などに用いられ、ECU(engine control unit)およびパワーアシストハンドル、モ
ータドライブなどの各種制御ユニットに使用される。パワーモジュール100は、このよ
うな車載の制御ユニットに限られるものではなく、例えば、その他の各種インバータ制御回路、電力制御回路、パワーコンディショナー等に用いられる。
By mounting the
図1に示す例のパワーモジュール100においては、セラミック基板1の表面(上面)の中央部に接合された金属板2の上に、1つの電子部品11が搭載されている。電子部品11が搭載された金属板2を挟むように配置されて接合された金属板2と電子部品11とはボンディングワイヤ12によって電気的に接続されている。この外側の金属板2は、外部の電気回路と接続するための端子として機能する。また、電子部品11で発生した熱は、セラミック基板1の上面に接合された金属板2およびセラミック基板1を介してセラミック基板1の下面に接合された金属板2に伝わり、さらに外部へ放熱することができる。つまり、セラミック基板1の下面に接合された金属板2は放熱板として機能する。電子部品11の数、大きさおよび搭載位置等については、図1に示す例に限られるものではない。
In the
電子部品11は、例えばパワー半導体であり、上記のような各種制御ユニットにおいて、電力制御のために用いられる。例えばSiを用いたMOS-FET(Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor)やIGBTといったトランジスタ、あるいはSiCやGaNを用いたパワー素子があげられる。
The
電子部品11は、接合材11aによってパワーモジュール用基板10の金属板2に接合されて固定される。接合材11aは、例えば、はんだまたは銀ナノペーストを用いることができる。金属板2の表面に部分的に金属皮膜を設ける場合は、平面視での電子部品11の大きさが金属皮膜の大きさより小さいと、電子部品11の側面から金属皮膜の上面にかけて接合材11aのフィレットが形成されるので、電子部品11の金属板2(金属皮膜)への接合強度を高めることができる。また、金属皮膜の表面は接合材11aによって覆わ
れて露出しないので、後述する封止樹脂13の接合性が向上する。
The
ボンディングワイヤ12は、電子部品11の端子電極(不図示)と金属板2とを電気的に接続する、接続部材である。ボンディングワイヤ12としては、例えば、銅もしくはアルミニウム製のものを用いることができる。
The
図3(a)に示す例のパワーモジュール101は、図1に示す例のパワーモジュール100が、上面から下面の外周部にかけて封止樹脂13で覆われて、電子部品11が封止されているものである。金属板2の表面に部分的に金属皮膜を設ける場合は、封止樹脂13は、不活性な銀層または金層である金属皮膜が形成されていない金属板2の上面等に接合されるので、樹脂層13による電子部品11の封止の信頼性を効果的に向上させることができる。また、封止樹脂13は、セラミック基板1の下面に接合された金属板2の主面(下面)は覆っていない。そのため、放熱板として機能する金属板2を外部の放熱体等に直接に熱的に接続することができるので、放熱性に優れたパワーモジュール101とすることができる。また、端子として機能する金属板2は、セラミック基板1からはみ出す長さであり、封止樹脂13からもはみ出している。これによって、端子として機能する金属板2と外部の電気回路との電気的に接続が容易に可能となっている。
In the
封止樹脂13には、熱伝導性、絶縁性、耐環境性および封止性の点から、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することができる。
As the sealing
図3(b)に示す例のパワーモジュール102は、図1に示す例のパワーモジュール100が、内側空間を有する筐体14の内部空間に配置され、内部空間に封止樹脂13が充填されて電子部品11およびパワーモジュール用基板10が封止されている例である。
In the
筐体14は、枠体15と、この枠体15の一方の開口を塞ぐ放熱板16とで構成されており、枠体15と放熱板16とで囲まれた空間が内側空間となる。また、内側空間から筐体14の枠体15を貫通して外部へ導出されたリード端子17を備えている。そして、リード端子17の内部空間内の端部とパワーモジュール用基板10の金属板2とがボンディングワイヤ12で接続されている。これにより、電子部品11と外部の電気回路とが電気的に接続可能となっている。
The
枠体15は、樹脂材料、金属材料またはこれらの混合材料からなり、放熱板16により一方の開口が塞がれてパワーモジュール用基板10を収納する内側空間を形成している。枠体15に用いられる材料としては、放熱性、耐熱性、耐環境性および軽量性の点から、銅、アルミニウムなどの金属材料またはポリブチルテレフタレート(PBT)、ポリフェニレンサルファイト(PPS)などの樹脂材料を使用することができる。これらの中でも、入手しやすさの点から、PBT樹脂を用いることが望ましい。また、PBT樹脂には、ガラス繊維を添加して繊維強化樹脂とすることが、機械的強度が増大するので好ましい。
The
リード端子17は、内側空間から枠体15を貫通して外部へ導出するように取り付けられている、導電性の端子である。このリード端子17の内側空間側の端部はパワーモジュール用基板10の金属板2と電気的に接続され、外部側の端部は外部の電気回路(図示せず)または電源装置(図示せず)などと電気的に接続される。このリード端子17は、導電性端子に用いられる各種の金属材料は、例えばCuおよびCu合金、AlおよびAl合金、FeおよびFe合金、ステンレススチール(SUS)等を用いることができる。
The
放熱板16は、動作時に電子部品11で生じた熱を、パワーモジュール102の外部に放熱するためのものである。この放熱板16には、Al、Cu、Cu-Wなどの高熱伝導性材料を使用することができる。特に、AlはFeなどの一般的な構造材料としての金属材料と比べて熱伝導性が高く、電子部品11で生じた熱をより効率的にパワーモジュール102の外部に放熱できるので、電子部品11を安定して正常に動作させることが可能となる。また、AlはCuあるいはCu-Wなどの他の高熱伝導性材料と比較して、入手しやすく安価であることから、パワーモジュール102の低コスト化にも有利になる点で優れている。
The
放熱板16とパワーモジュール用基板10の金属板2とは、不図示の伝熱性接合材で熱的に接続されている。伝熱性接合材としては、ろう材を用いて熱的に接続するとともに機械的に強固に接合してもよく、グリスなどで熱的に接続し、機械的には比較的弱く接合してもよく、さらに後述のように封止樹脂13によって接合してもよい。
The
封止樹脂13は、内側空間に充填され、パワーモジュール用基板10に搭載された電子部品11を封止して保護するものである。パワーモジュール用基板10と放熱板16との機械的な接合と内側空間の封止とを同じ封止樹脂13で行なってもよい。この場合、パワーモジュール用基板10と放熱板16との機械的な強固な接合と樹脂封止とを同一工程で行うことができる。
The sealing
パワーモジュール102は、さらに放熱特性を向上させるために、放熱板16の、パワーモジュール用基板10が接合されている側とは反対側の露出した面に、伝熱性接合材19を介して冷却器18を接合してもよい。この伝熱性接合材19は上記した、放熱板16とパワーモジュール用基板10の金属板2とを接続する伝熱性接合材と同様のものを用いることができる。図3(b)に示す例では、冷却器18は金属等のブロック体に水等の冷媒を通過させる流路を設けたものを示しているが、これ以外の、例えば冷却フィンであってもよい。このような冷却器18は、図1または図3(a)に示す例のパワーモジュール100,101にも適用することができ、パワーモジュール用基板10の金属板2に接続
すればよい。この場合は、平板状のもの、すなわち図3(b)に示す放熱板16だけを冷却器18として適用することもできる。
In order to further improve the heat dissipation characteristics of the
1・・・セラミック基板
2・・・金属板
3・・・ろう材
10・・・パワーモジュール用基板
11・・・電子部品
11a・・・接合材
12・・・ボンディングワイヤ
13・・・封止樹脂
14・・・筐体
15・・・枠体
16・・・放熱板
17・・・リード端子
18・・・冷却器
19・・・伝熱性接合材
22・・・金属素板
23・・・ろう材ペースト
24・・・流れ防止材
25・・・エッチングマスク
100,101,102・・・・パワーモジュール
1 ...
Claims (5)
該セラミック基板の表面にろう材を介して接合された金属板と、を備えており、
前記ろう材の熱膨張率は前記金属板の熱膨張率より大きく、
前記ろう材は、前記金属板とは前記金属板の外周まで接合され、前記セラミック基板とは前記金属板の外周より内側で接合されており、
前記金属板の側面は、前記セラミック基板とは反対側の外周端部より内側に位置するとともに内周端部を含む部分を有しており、
前記ろう材における、前記金属板側の外周端部に対して前記セラミック基板側の外周端部が内側に位置する長さは、前記金属板の側面における、前記外周端部に対して前記内周端部が内側に位置する長さより大きいパワーモジュール用基板。 With a ceramic substrate
It is provided with a metal plate bonded to the surface of the ceramic substrate via a brazing material.
The thermal expansion coefficient of the brazing filler metal is larger than the thermal expansion coefficient of the metal plate.
The brazing material is joined to the metal plate up to the outer circumference of the metal plate, and is joined to the ceramic substrate inside the outer circumference of the metal plate .
The side surface of the metal plate is located inside the outer peripheral end portion on the opposite side of the ceramic substrate and has a portion including the inner peripheral end portion.
The length of the brazing material in which the outer peripheral end portion on the ceramic substrate side is located inside with respect to the outer peripheral end portion on the metal plate side is the inner circumference with respect to the outer peripheral end portion on the side surface of the metal plate. A board for power modules that is larger than the length with the ends located inside .
該パワーモジュール用基板の前記金属板上に搭載された電子部品と、を備えるパワーモジュール。 The power module substrate according to any one of claims 1 to 3 .
A power module including electronic components mounted on the metal plate of the power module substrate.
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