JP7063559B2 - Base plate and power module - Google Patents
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Description
本発明は、IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor)等の半導体素子を備えるパワーモジュールに関する。 The present invention relates to a power module including a semiconductor element such as an IGBT (InsulatedGate Bipolar Transistor).
電鉄用、発電用、電気自動車/ハイブリッド自動車用モーター等の高出力モーターを制御するインバータには、IGBTモジュール等のパワーモジュールが使用される。パワーモジュールとしては、Si等の半導体素子とAlN、Al2O3、Si3N4等のセラミックス絶縁基板と、熱伝導性に優れる、Cu、Al、Al-SiCベース板等とが半田付けされ、配線、電極、樹脂ケースを取り付けた後、シリコーンゲル等で充填される構造を有するものが主流である(特許文献1)。 Power modules such as IGBT modules are used for inverters that control high-output motors such as motors for electric railways, power generation, and electric vehicles / hybrid vehicles. As a power module, a semiconductor element such as Si, a ceramic insulating substrate such as AlN, Al2O3 , Si3N4 , and a Cu, Al, Al — SiC base plate having excellent thermal conductivity are soldered to each other. , Wiring, electrodes, and resin cases are attached and then filled with silicone gel or the like (Patent Document 1).
通常、パワーモジュールは、ヒートシンク等の放熱部品に放熱グリース等を介してネジ止めされて使用される。高出力用途のパワーモジュールにおいては、半導体素子からの発熱量が多く、如何に効率的に放熱するかが重要な課題であり、放熱が十分でない場合には、半導体素子温度が許容温度を超え、誤作動等を発生することがある。特に、パワーモジュール全体の熱抵抗に占める放熱グリース部分の熱抵抗の割合が大きく、この部分の熱抵抗を如何に下げるかが重要である。 Normally, a power module is used by being screwed to a heat-dissipating component such as a heat sink via heat-dissipating grease or the like. In a power module for high output applications, the amount of heat generated from the semiconductor element is large, and how to efficiently dissipate heat is an important issue. Malfunctions may occur. In particular, the ratio of the thermal resistance of the thermal paste portion to the thermal resistance of the entire power module is large, and how to reduce the thermal resistance of this portion is important.
セラミックス絶縁基板は、セラミックス材料の影響で、セラミックス絶縁基板自体が線熱膨張係数の比較的小さい部品であり、線熱膨張係数の比較的大きいCu等の金属ベース板に半田付けした場合、ベース板の放熱面の形状が凹状の反りになったり、放熱面に凹みが発生したりすることがある。このため、このような用途のベース板として、熱伝導性が高く、接合されるセラミックス絶縁基板に近い線熱膨張係数を有する、アルミニウム又はアルミニウム合金と炭化珪素とからなる複合体が用いられている(特許文献2)。 The ceramic insulating substrate is a component whose linear thermal expansion coefficient is relatively small due to the influence of the ceramic material, and when soldered to a metal base plate such as Cu having a relatively large linear thermal expansion coefficient, the base plate is used. The shape of the heat-dissipating surface may be concave, or the heat-dissipating surface may be dented. Therefore, as a base plate for such applications, a composite of aluminum or an aluminum alloy and silicon carbide, which has high thermal conductivity and a coefficient of linear thermal expansion close to that of a ceramic insulating substrate to be bonded, is used. (Patent Document 2).
上記の用途で、平坦なベース板を用いる場合、ベース板とセラミックス絶縁基板との熱膨張係数の違いから、両者の接合時に発生する応力やその後の樹脂封止等によるパッケージ化の際に発生する応力のため、放熱部品等と密着させる側のベース板面が凹状に反ってしまい、放熱フィンをベース板に固定する際、十分な密着性が得られない。この問題を解決する手段として、放熱フィン等と接合させるベース板の板面を予め凸型に反らせておく反り付け加工の技術が知られている(特許文献3)。 When a flat base plate is used in the above applications, it occurs during packaging due to the stress generated when joining the base plate and the subsequent resin encapsulation due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the base plate and the ceramic insulating substrate. Due to the stress, the surface of the base plate on the side to be in close contact with the heat radiation component or the like is warped in a concave shape, and sufficient adhesion cannot be obtained when the heat radiation fins are fixed to the base plate. As a means for solving this problem, there is known a technique of warping processing in which the plate surface of a base plate to be joined to a heat radiation fin or the like is warped in a convex shape in advance (Patent Document 3).
セラミックス絶縁基板の構成は、パワーモジュールの用途や出力、耐圧により選定され、その結果、セラミックス絶縁基板の線熱膨張係数は基板の構成により異なる。また、パッケージ化する過程で接合に用いる半田の種類などが異なることにより、パワーモジュールの放熱面の形状が異なり、目的とする放熱フィン等の放熱部品と密着させる側の面の反りや平面度が適切でなく、放熱フィン等の放熱部品を取り付けた際の空隙、いわゆるエアギャップが生じ、放熱性が低下することが問題となる。 The configuration of the ceramic insulating substrate is selected according to the application, output, and withstand voltage of the power module, and as a result, the coefficient of linear thermal expansion of the ceramic insulating substrate differs depending on the configuration of the substrate. In addition, the shape of the heat radiation surface of the power module differs due to the difference in the type of solder used for joining in the packaging process, and the warp and flatness of the surface on the side that comes into close contact with the target heat radiation fins and other heat radiation components are different. It is not appropriate, and a gap, a so-called air gap, is generated when a heat-dissipating component such as a heat-dissipating fin is attached, and there is a problem that the heat-dissipating property is lowered.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、放熱部品に好適に密着させることが可能な放熱面を有するパワーモジュール及び該パワーモジュールに好適に用いられるベース板を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a power module having a heat radiating surface that can be suitably brought into close contact with a heat radiating component and a base plate preferably used for the power module. To do.
本発明は、一態様において、金属-炭化珪素質複合体と、複合体の表面に形成されためっき層又は金属溶射層と、を備えるベース板であって、ベース板の少なくとも一方の面において、面内の長手方向における長さ10cmあたりの反り量C’X(μm)及び面内の長手方向に垂直な方向における長さ10cmあたりの反り量C’Y(μm)が、-50≦C’X≦50かつ-50≦C’Y≦50の条件を満たす、ベース板である。
The present invention is, in one aspect, a base plate comprising a metal-silicon carbide composite and a plating layer or a thermal sprayed layer formed on the surface of the composite, wherein the base plate comprises at least one surface of the base plate. The amount of warpage C'X (μm) per
複合体に含まれる金属は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム又はマグネシウム合金であってよい。 The metal contained in the complex may be aluminum, an aluminum alloy, magnesium or a magnesium alloy.
めっき層は、Ni、Au及びAgの少なくとも一種を含んでいてよい。金属溶射層は、Ni及びCuの少なくとも一種を含んでいてよい。 The plating layer may contain at least one of Ni, Au and Ag. The metal sprayed layer may contain at least one of Ni and Cu.
ベース板の熱伝導率が150W/mK以上であり、150℃から25℃の降温時の線熱膨張係数が5×10-6~9×10-6/Kであってよい。 The thermal conductivity of the base plate may be 150 W / mK or more, and the coefficient of linear thermal expansion when the temperature drops from 150 ° C. to 25 ° C. may be 5 × 10 -6 to 9 × 10 -6 / K.
ベース板の少なくとも一方の面と反対側の面は、機械加工又は研削加工されていてよい。 The surface opposite to at least one surface of the base plate may be machined or ground.
本発明は、他の一態様において、上記のベース板と、ベース板上に接合されたセラミックス絶縁基板と、セラミックス絶縁基板上に接合された半導体素子と、を備えるパワーモジュールであって、ベース板のセラミックス絶縁基板と反対側の面において、面内の長手方向における長さ10cmあたりの反り量CX(μm)及び面内の長手方向に垂直な方向における長さ10cmあたりの反り量CY(μm)が、-30≦CX≦50かつ-30≦CY≦50の条件を満たす、パワーモジュールである。 The present invention is, in another aspect, a power module comprising the above-mentioned base plate, a ceramic insulating substrate bonded on the base plate, and a semiconductor element bonded on the ceramic insulating substrate, wherein the base plate is provided. On the surface opposite to the ceramic insulating substrate, the amount of warpage per 10 cm in the longitudinal direction in the plane C X (μm) and the amount of warpage per 10 cm in the direction perpendicular to the longitudinal direction in the plane CY ( μm) is a power module satisfying the conditions of −30 ≦ C X ≦ 50 and -30 ≦ CY ≦ 50.
セラミックス絶縁基板に接合されたベース板の反り量と、セラミックス絶縁基板に接合される前のベース板の反り量との差が、ベース板のセラミックス絶縁基板と反対側の面において、面内の長手方向における長さ10cmあたり20μm以下であり、面内の長手方向に垂直な方向における長さ10cmあたり20μm以下であってよい。 The difference between the amount of warpage of the base plate bonded to the ceramic insulating substrate and the amount of warpage of the base plate before being bonded to the ceramic insulating substrate is the in-plane length of the base plate on the surface opposite to the ceramic insulating substrate. It may be 20 μm or less per 10 cm in length in the direction and 20 μm or less per 10 cm in length in the direction perpendicular to the longitudinal direction in the plane.
セラミックス絶縁基板は、セラミックス基材と、セラミックス基材の両面に設けられた金属層とを備え、セラミックス基材は、AlN、Si3N4又はAl2O3で形成された、厚み0.3~1.5mmのセラミックス基材であり、金属層は、Cu、Al、Mo、Cu及びMo含む合金、並びにCu及びWを含む合金からなる群より選ばれる少なくとも1種で形成された、厚み0.1~2mmの金属層であってよい。 The ceramic insulating substrate includes a ceramic base material and metal layers provided on both sides of the ceramic base material, and the ceramic base material is formed of AlN, Si 3N 4 or Al 2 O 3 and has a thickness of 0.3. It is a ceramic base material having a thickness of about 1.5 mm, and the metal layer is formed of at least one selected from the group consisting of an alloy containing Cu, Al, Mo, Cu and Mo, and an alloy containing Cu and W, and has a thickness of 0. It may be a metal layer of 1 to 2 mm.
ベース板のセラミックス絶縁基板と反対側の面に放熱部品が取り付けられたときの当該面の平面度は、好ましくは30μm以下である。 When the heat dissipation component is attached to the surface of the base plate opposite to the ceramic insulating substrate, the flatness of the surface is preferably 30 μm or less.
半導体素子は、Si、SiC及びGaNのいずれかで形成されていてよい。 The semiconductor device may be formed of any of Si, SiC and GaN.
パワーモジュールは、電車又は自動車の駆動インバータとして用いられてよい。 The power module may be used as a drive inverter for a train or an automobile.
本発明は、放熱部品に好適に密着させることが可能な放熱面を有するパワーモジュール及び該パワーモジュールに好適に用いられるベース板を提供することができる。これにより、放熱性に富むパワーモジュールの提供も可能となる。 The present invention can provide a power module having a heat-dissipating surface that can be suitably brought into close contact with a heat-dissipating component, and a base plate that is suitably used for the power module. This makes it possible to provide a power module with excellent heat dissipation.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。しかし、本発明がこれらの実施形態に限定されないことは自明である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, it is self-evident that the invention is not limited to these embodiments.
図1(a)は、パワーモジュールの一実施形態を示す断面図である。図1(a)に示すように、パワーモジュール1は、ベース板2と、ベース板2上に第1の半田3を介して接合されたセラミックス絶縁基板4と、セラミックス絶縁基板4上に第2の半田5を介して接合された半導体素子6とを備えている。
FIG. 1A is a cross-sectional view showing an embodiment of a power module. As shown in FIG. 1A, the
セラミックス絶縁基板4は、セラミックス基材7と、セラミックス基材7の一方の面に設けられた第1の金属層8と、セラミックス基材7の他方の面に設けられた第2の金属層9とを備えている。すなわち、セラミックス基材7の両面には、それぞれ金属層8,9が設けられている。少なくとも第2の金属層9は、電気回路(金属回路)を形成している。第1の金属層8は、電気回路(金属回路)を形成していてもよく形成していなくてもよい。ベース板2は、第1の半田3を介して第1の金属層8に接合されている。半導体素子6は、第2の半田5を介して第2の金属層9の所定の部分に接合されていると共に、アルミワイヤ(アルミ線)等の金属ワイヤ10で第2の金属層9の所定の部分に接続されている。
The ceramic insulating substrate 4 includes a ceramic base material 7, a
ベース板2上に設けられた上記の各構成要素は、例えば一面が開口した中空箱状の樹脂製の筐体11で蓋され、筐体11内に収容されている。ベース板2と筐体11との間の中空部分には、シリコーンゲル等の充填材12が充填されている。第2の金属層9の所定部分には、筐体11の外部と電気的な接続が可能なように、筐体11を貫通する電極13が第3の半田14を介して接合されている。
Each of the above components provided on the
ベース板2の形状は、例えば、大きさ90~140mm×120~200mm、厚み3~6mmの略長方形板状である。ベース板2の縁部には、パワーモジュール1に例えば放熱部品を取り付ける際のネジ止め用の取付け穴2aが形成されている。取付け穴2aの数は、例えば4個以上である。ベース板2の縁部には、取付け穴2aに代えて、ベース板2の側壁が断面U字状となるような取付け溝が形成されていてもよい。
The shape of the
ここで、パワーモジュール1に放熱部品を取り付ける場合について説明する。図2は、放熱部品が取り付けられたパワーモジュール(便宜的に「放熱部品付きパワーモジュール」ともいう)の一実施形態を示す断面図である。図2に示すように、放熱部品付きパワーモジュール21は、上述したパワーモジュール1と、パワーモジュール1のベース板2側に取り付けられた放熱フィン等の放熱部品22とを備えている。放熱部品22は、ベース板2に形成された取付け穴2aに挿入されたネジ(ボルト)23によってパワーモジュール1(ベース板2)にネジ止めされている。放熱部品22のパワーモジュール1側の面は、略平面状になっている。
Here, a case where a heat dissipation component is attached to the
パワーモジュール1のベース板2と放熱部品22との間には、両者の密着性を確保するために、グリース(放熱グリース)24が配置されている。グリース24は、通常1~2W/mK程度の熱伝導率を有しており、放熱部品付きパワーモジュール21の構成部材の中で最も大きな熱抵抗となる。つまり、パワーモジュール1の放熱性を高めるには、このグリース24の熱抵抗をできる限り小さくすることが重要である。
A grease (heat-dissipating grease) 24 is arranged between the
このためには、グリース24として熱伝導率の高い放熱グリースを用いると共に、このグリース24の層の厚みを薄くすることが有効である。ところが、グリース24の層の厚みを極端に薄くすると、パワーモジュール1の稼働時の熱負荷による変形等にグリース24が追随できず、パワーモジュール1と放熱部品22との間に空気層が発生する場合があり、その結果、パワーモジュール1の放熱特性が極端に悪化し、半導体素子6の破損等に繋がることがある。理想的には、グリース24は均一な薄膜状であり、このためには、パワーモジュール1におけるベース板2のセラミックス絶縁基板4と反対側の面(放熱面)2bの形状が重要である。
For this purpose, it is effective to use a heat-dissipating grease having a high thermal conductivity as the
具体的には、パワーモジュール1と放熱フィン等の放熱部品22とをネジ止めした際に、パワーモジュール1の放熱面の平面度が小さいことが好ましい。この平面度が大きいと、部分的にグリース24の厚みが厚くなり、グリース24による熱抵抗が増大して、十分な放熱特性が得られない。このため、パワーモジュール1においては、放熱部品22が取り付けられた際にベース板2のセラミックス絶縁基板4と反対側の面(放熱面)2bの平面度は、好ましくは30μm以下、より好ましくは20μm以下である。当該平面度が30μm以下であると、上述したとおり、グリース24が均一な薄膜状になりやすく、パワーモジュール1において十分な放熱特性が得られる。
Specifically, when the
なお、上記の平面度は、JIS B0621に準拠して測定された平面度を意味する。より具体的には、当該平面度は、穴を開けた放熱部品22又はそれを模擬した樹脂部材をベース板2に取り付けた状態で、当該穴より接触式の変位計を用いて形状を測定することにより算出するか、あるいは、透明な放熱部品22又はそれを模擬した樹脂部材をベース板2に取り付けた状態で、非接触式の変位計を用いて形状を測定することにより算出することができる。これらの場合において、取り付けられる放熱部品22又はそれを模擬した樹脂部材としては、ベース板2側の面の平面度が0~5μmであるものを用いることとし、平面度は、放熱部品22又はそれを模擬した樹脂部材が、少なくとも4個のネジ(ボルト)を用いてトルク10Nでベース板2にネジ止めされた状態で測定するものとする。
The above flatness means the flatness measured in accordance with JIS B0621. More specifically, the flatness is measured from the hole using a contact-type displacement meter with the heat-dissipating
放熱部品22が取り付けられたパワーモジュール1におけるベース板2のセラミックス絶縁基板4と反対側の面(放熱面)2bの平面度が上記の範囲内とするために、パワーモジュール1においては、ベース板2のセラミックス絶縁基板4と反対側の面2bが、放熱部品22が取り付けられていない状態で所定の反り量を有している。ベース板2の放熱面2bが所定の反り量を有していることにより、放熱部品22等にネジ止めした際に、ベース板2の中央部にも十分に応力が加わるようになる。
In order to keep the flatness of the surface (radiation surface) 2b of the
図1(b)は、ベース板2の放熱面2bを示す底面図である。ベース板2の放熱面2bの反り量は、ベース板2の放熱面2b内の長手方向(ベース板2の平面形状を長方形とみなしたときの長辺に平行な方向)Xにおける任意の位置X1及びX2間の長さLX=10cmあたりのZ方向の反り量(反りの大きさ)をCX(μm)、ベース板2の放熱面2b内の長手方向Xに垂直な方向(ベース板2の平面形状を長方形とみなしたときの短辺に平行な方向(短手方向))Yにおける任意の位置Y1及びY2間の長さLY=10cmあたりのZ方向の反り量(反りの大きさ)をCY(μm)としたときに、-30≦CX≦50かつ-30≦CY≦50の条件を満たす。ベース板2の放熱面2bの反り量は、好ましくは0≦CX≦30かつ-20≦CY≦30、より好ましくは0≦CX≦20かつ-10≦CY≦10の条件を満たす。これらの条件が満たされると、パワーモジュール1を放熱部品22にネジ止めした際の変形量が大きくなり過ぎることを抑制し、セラミックス絶縁基板4のセラミックス基材7が破損する等の問題を生じにくくさせることができる。
FIG. 1B is a bottom view showing the
パワーモジュール1におけるベース板2の放熱面2bの形状(反り量)は、主に、ベース板2自体の初期形状(反り量)、及び、ベース板2にセラミックス絶縁基板4を第1の半田3で接合した際の変形量(反り変化量)により決まる(なお、厳密には、筐体11をベース板2に接着した際の応力によっても若干の影響を受ける)。
The shape (warp amount) of the
ベース板2自体の初期形状に関して、ベース板2のセラミックス絶縁基板4接合前の反り量は、ベース板2の少なくとも一方の面(パワーモジュール1において放熱面2bとなる面)内の長手方向Xにおける任意の位置X1及びX2間の長さLX=10cmあたりのZ方向の反り量(反りの大きさ)をC’X(μm)、ベース板2の放熱面2b内の長手方向Xに垂直な方向(短手方向)Yにおける任意の位置Y1及びY2間の長さLY=10cmあたりのZ方向の反り量(反りの大きさ)をC’Y(μm)としたときに、-50≦C’X≦50かつ-50≦C’Y≦50の条件を満たす。ベース板2の放熱面2bのセラミックス絶縁基板4接合前の反り量は、好ましくは-20≦C’X≦50かつ-30≦C’Y≦30、より好ましくは0≦C’X≦30かつ-20≦C’Y≦20の条件を満たす。
Regarding the initial shape of the
ベース板2にセラミックス絶縁基板4を第1の半田3で接合した際の反り変化量は、第1の半田3にかかる応力を低減させ、パワーモジュール1におけるベース板2の放熱面2bの形状の制御が更に容易になる観点から、ベース板2の放熱面2b内の長手方向Xにおける任意の位置X1及びX2間の長さLX=10cmあたりのZ方向の反り変化量をΔCX(μm)、ベース板2の放熱面2b内の長手方向Xに垂直な方向(短手方向)Yにおける任意の位置Y1及びY2間の長さLY=10cmあたりのZ方向の反り変化量をΔCY(μm)としたときに、好ましくはΔCXが20μm以下かつΔCYが20μm以下、より好ましくはΔCXが10μm以下かつΔCYが10μm以下、更に好ましくはΔCXが5μm以下かつΔCYが5μm以下である。当該反り変化量は、セラミックス絶縁基板4に接合する前のベース板2の反り量C’X,C’Yと、セラミックス絶縁基板4に接合した後のベース板2の反り量CX,CYとの差の絶対値|C’X-CX|,|C’Y-CY|として定義される。
The amount of change in warpage when the ceramic insulating substrate 4 is joined to the
以上のような反りに関する特性を得るために、ベース板2の放熱面2bは、平板状に形成した後、機械加工又は研削加工、あるいは所望する形状の型を用いた加工により成形されていてもよい。
In order to obtain the above-mentioned characteristics related to warpage, even if the
ここで、ベース板2にセラミックス絶縁基板4を接合した際の変形は、接合温度(第1の半田3が固化した温度)から室温に戻る際に、ベース板2及びセラミックス絶縁基板4の熱膨張差により発生する応力及びセラミックス絶縁基板4における金属層8,9の残留応力によって生じる。この際の変形量(反り変化量)を抑えるためには、一般に線熱膨張係数の小さいセラミックス絶縁基板4と、それに近い線熱膨張係数を有するベース板2とを使用することが有効である。
Here, the deformation when the ceramic insulating substrate 4 is bonded to the
このようなセラミックス絶縁基板に近い線熱膨張係数(低線熱膨張係数)を有するベース板2は、金属-炭化珪素質複合体と、前記複合体の表面に形成されためっき層又は金属溶射層と、を備えている。金属-炭化珪素質複合体は、例えば、炭化珪素の含有率が50~80体積%である多孔質炭化珪素成形体に金属を含浸することにより得られる。金属-炭化珪素質複合体に含まれる金属は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム又はマグネシウム合金であってよい。
The
めっき層は、金属-炭化珪素質複合体にめっきを施すことにより形成される。めっき層は、Ni、Au及びAgの少なくとも一種を含んでいてよい。金属溶射層は、金属-炭化珪素質複合体に金属溶射を施すことにより形成される。金属溶射層は、Ni及びCuの少なくとも一種を含んでいてよい。 The plating layer is formed by plating a metal-silicon carbide composite. The plating layer may contain at least one of Ni, Au and Ag. The metal sprayed layer is formed by subjecting a metal-silicon carbide complex to metal spraying. The metal sprayed layer may contain at least one of Ni and Cu.
このようなベース板2の温度150℃から25℃の降温時の線熱膨張係数は、セラミックス絶縁基板4との接合時の変形抑制の点から、好ましくは5×10-6~9×10-6/K、より好ましくは5×10-6~8×10-6/Kである。なお、第1の半田3による接合後の冷却過程におけるベース板2とセラミックス絶縁基板4との熱膨張の違いが重要であるため、線熱膨張係数としては、温度150℃から25℃の降温時の値を用いる。線熱膨張係数は、熱膨張計(例えば、セイコー電子工業社製;TMA300)により、JIS R1618に準拠して、降温速度が5℃/分以下の条件で測定された線熱膨張係数を意味する。
The coefficient of linear thermal expansion when the temperature of the
ベース板2の熱伝導率は、好ましくは150W/mK以上、より好ましくは200W/mK以上である。熱伝導率は、レーザーフラッシュ法(例えば、理学電機社製;LF/TCM-8510Bを使用)により、JIS R1611に準拠して測定された熱伝導率を意味する。
The thermal conductivity of the
ベース板2のヤング率は、好ましくは100~400GPa、より好ましくは200~350GPaである。ヤング率は、3点曲げ法(例えば、島津製作所社製;オートグラフAG-Xを使用)により、JIS R1602に準拠して測定されたヤング率を意味する。
The Young's modulus of the
ベース板2の平面度は、好ましくは30μm以下、より好ましくは20μm以下、更に好ましくは10μm以下である。ベース板2の平面度は、JIS B0621に準拠して測定された平面度を意味する。
The flatness of the
セラミックス絶縁基板4の線熱膨張係数は、セラミックス基材7と金属層8,9の構成及び物性値に加え、セラミックス基材7に金属層8,9を接合する温度から室温に戻る際に、セラミックス基材7に金属層8,9の熱膨張の違いにより発生する残留応力によって決まる。このため、例えば、同一構成のセラミックス絶縁基板4であっても、接合方法により、金属層8,9の残留応力が異なる。一般に、金属層8,9は、温度800℃程度の高温で活性金属法によりロウ付けしてセラミックス基材7に形成されることが多く、この場合、室温に冷却する過程で、線熱膨張係数の大きい金属層8,9に引張応力が残留する。その結果、得られるセラミックス絶縁基板4の線熱膨張係数は、構成するセラミックス基材7と金属層8,9の物性値から計算した線熱膨張係数より小さい値となる。
The linear thermal expansion coefficient of the ceramic insulating substrate 4 is determined when the temperature returns to room temperature from the temperature at which the
一方で、ベース板2の線熱膨張係数を上述のとおり小さくするためには、金属基複合材を用いる場合、線熱膨張係数の小さいセラミックスの比率を上げる必要があり、製造が難しくなると同時に高価になってしまうという問題がある。また、Cu/Mo,Cu/W等の合金又は多層金属板を用いる場合、線熱膨張係数を下げようとすると熱伝導率の低いMoやWの比率を上げる必要があり、熱伝導率が低下すると共に材料が高価になり、密度が増加して材料自体が重くなる問題がある。このような観点からは、セラミックス絶縁基板4の残留応力や線熱膨張係数を調整することが有効である。
On the other hand, in order to reduce the linear thermal expansion coefficient of the
セラミックス絶縁基板4の線熱膨張係数を大きくする手法としては、線熱膨張係数の大きい金属層8,9の厚みを厚くすることが有効であるが、この場合、セラミックス基材7に対する引張応力が大きくなり、実使用を想定した熱サイクル試験でセラミックス基材7にクラックが入る等の信頼性の面で問題が発生するおそれがある。このため、金属層8,9に残留する引張応力を低減することが有効である。具体的な手法としては、セラミックス基材7と金属層8,9の接合温度を下げることで、金属層8,9に残留する引張応力を低減することが有効である。一方、セラミックス基材7と金属層8,9との接合温度を下げる手法として、接着剤を用いて低温で接着する手法を用いることにより、セラミックス絶縁基板4の線熱膨張係数を大きくすることはできるが、極端に熱伝導率の低い接着層が存在し、パワーモジュール1としての放熱性に問題が生じるおそれがある。このため、セラミックス基材7の表面に活性金属法等により薄い金属層を形成した後に、所定の厚みの金属を低温で接合する手法や低温溶射法により金属層8,9を形成する手法が有効である。
As a method of increasing the linear thermal expansion coefficient of the ceramic insulating substrate 4, it is effective to increase the thickness of the
このようなセラミックス絶縁基板4の線熱膨張係数は、好ましくは5×10-6~9×10-6/K、より好ましくは5×10-6~8×10-6/Kである。セラミックス基材7の熱伝導率は、好ましくは30W/mK以上、より好ましくは80W/mK以上、更に好ましくは150W/mK以上である。このようなセラミックス絶縁基板4を得るためには、例えば、セラミックス基材7は、AlN、Si3N4又はAl2O3で形成されており、金属層8,9は、Cu、Al、Mo、Cu及びMo含む合金、並びにCu及びWを含む合金からなる群より選ばれる少なくとも1種で形成されている。セラミックス基材7の厚みは、好ましくは0.3~1.5mm、より好ましくは0.3~1.2mm、更に好ましくは0.6~1.0mmである。金属層8,9の厚みは、好ましくは0.2~2mm、より好ましくは0.2~1.2mm、更に好ましくは0.3~1.0mmである。
The coefficient of linear thermal expansion of such a ceramic insulating substrate 4 is preferably 5 × 10 -6 to 9 × 10 -6 / K, and more preferably 5 × 10 -6 to 8 × 10 -6 / K. The thermal conductivity of the ceramic substrate 7 is preferably 30 W / mK or more, more preferably 80 W / mK or more, and even more preferably 150 W / mK or more. In order to obtain such a ceramic insulating substrate 4, for example, the ceramic base material 7 is formed of AlN, Si 3N 4 or Al 2 O 3 , and the
以上説明したパワーモジュール1は、ベース板2の放熱面2bの形状が適正に制御されており、放熱特性に優れるため、Siに加え、高出力化が可能なSiC、GaN半導体素子を使用したパワーモジュールに対しても好適である。すなわち、半導体素子6は、Si、SiC及びGaNのいずれかで形成されていてよい。また、パワーモジュール1は、高耐圧、高出力等が要望される電車又は自動車の駆動インバータとして好適に用いられる。
In the
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
<ベース板>
実施例及び比較例では、表1に示すベース板1~8を用いた。各ベース板は、市販の材料を研削加工により所定形状に加工した後、無電解Niめっきを施したものを用いた。表中の各物性値を測定するために、研削加工により熱伝導率測定用試験体(直径11mm×厚さ3mm)、線熱膨張係数測定用試験体(直径3mm×長さ10mm)、弾性率測定用試験体(3mm×4mm×長さ40mm)を作製した。それぞれの試験片を用いて、25℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法(理学電機社製;LF/TCM-8510B)により、温度150℃から25℃における降温時の線熱膨張係数を熱膨張計(セイコー電子工業社製;TMA300)により、ヤング率を3点曲げ法(島津製作所社製;オートグラフAG-X)で測定した。また、放熱面の反り量については、3次元輪郭形状測定機(東京精密社製;コンターレコード1600D-22)を用いて測定した。さらに平面度については、透明な樹脂ブロックに締め付けトルク10Nでネジ止めした後、レーザー変位計(キーエンス社製;LT9010M)で放熱面の形状を測定して求めた。
<Base plate>
In the examples and comparative examples, the
<セラミックス絶縁基板>
実施例及び比較例では、図3(a)に示す3層構造のセラミックス絶縁基板4A、又は図3(b)に示す5層構造のセラミックス絶縁基板4Bである絶縁基板1~6を用いた。各絶縁基板の詳細を下記及び表2に示す。
・絶縁基板1、2(3層構造)では、Ag(90%)-Cu(10%)-TiH2(3.5%)ろう材を用いて、温度800℃で金属をセラミックス基材7に接合した後、エッチング法で金属回路を形成し、無電解Niめっきを施した。
・絶縁基板3(5層構造)では、絶縁基板1,2と同様の手法で金属回路を形成した後、融点300℃の高温半田で回路金属を接合した後、無電解Niめっきを施した。
・絶縁基板4(3層構造)は、Al-Cuクラッド箔をろう材とし用い温度630℃で回路金属をセラミックス基材7に接合した後、エッチング法で金属回路を形成し、無電解Niめっきを施した。
・絶縁基板5(5層構造)は、絶縁基板4と同様の手法で金属回路を形成した後、溶射法(コールドスプレー法)で銅回路を積層し、温度300℃でアニール処理を行った後、無電解Niめっきを施した。
・絶縁基板6(5層構造)は、溶射法(コールドスプレー法)でアルミニウム回路を積層し、温度500℃でアニール処理を行った後、溶射法(コールドスプレー法)で銅回路を積層し、温度300℃でアニール処理を行った後、無電解Niめっきを施した。
<Ceramics insulating substrate>
In the examples and comparative examples, the insulating
-In the insulating
In the insulating substrate 3 (5-layer structure), a metal circuit was formed by the same method as that of the insulating
The insulating substrate 4 (three-layer structure) uses Al-Cu clad foil as a brazing material, and after bonding the circuit metal to the ceramic base material 7 at a temperature of 630 ° C., a metal circuit is formed by an etching method and electroless Ni plating. Was given.
-For the insulating substrate 5 (5-layer structure), after forming a metal circuit by the same method as the insulating substrate 4, copper circuits are laminated by a thermal spraying method (cold spraying method) and annealed at a temperature of 300 ° C. , Electroless Ni plating was applied.
-For the insulating substrate 6 (5-layer structure), aluminum circuits are laminated by a thermal spraying method (cold spraying method), annealed at a temperature of 500 ° C., and then copper circuits are laminated by a thermal spraying method (cold spraying method). After the annealing treatment at a temperature of 300 ° C., electroless Ni plating was performed.
各絶縁基板の熱伝導率は、セラミック基材から熱伝導率測定用試験体(直径11mm×板厚)を作製して測定した。温度150℃から25℃の降温時の線熱膨張係数は、セラミックス絶縁基板から線熱膨張係数測定用試験体(3mm×板厚×長さ10mm)を作製して測定した。
The thermal conductivity of each insulating substrate was measured by preparing a test piece for measuring thermal conductivity (
[実施例1]
セラミックス絶縁基板として表2の絶縁基板6を用い、Si半導体素子及び電極を高温半田で絶縁基板6に接合した後、この絶縁基板6を表1のベース板4に共晶半田を用いてに接合した。次に、Al線をSi半導体素子とセラミックス絶縁基板に超音波接合して配線した後、樹脂筐体をベース板に接着剤で接着した後、樹脂筐体内にシリコーンゲルを充填してパワーモジュールを作製した。得られたパワーモジュールの放熱面の形状を3次元輪郭測定装置で測定した結果、長さ10cmに対する反り量CXが26μm、CYが25μmであった。
[Example 1]
The insulating
次に、このパワーモジュールを、8本のM6の取り付けボルトで140mm×190mm×50mmの透明樹脂ブロックに締め付け、トルク10Nで取り付けた。その後、レーザー変位計を用いて、樹脂ブロックの裏面よりパワーモジュールの放熱面のベース板の平面度を測定した結果、10μmであった。また、得られたパワーモジュールは、温度-40℃×30分と温度125℃×30分を1サイクルとする1000回のヒートサイクル試験を行った後、電気特性を評価した結果、初期特性を維持していることを確認した。 Next, this power module was tightened to a transparent resin block of 140 mm × 190 mm × 50 mm with eight M6 mounting bolts, and mounted with a torque of 10 N. After that, the flatness of the base plate of the heat dissipation surface of the power module was measured from the back surface of the resin block using a laser displacement meter, and the result was 10 μm. In addition, the obtained power module was subjected to 1000 heat cycle tests with a temperature of -40 ° C for 30 minutes and a temperature of 125 ° C for 30 minutes as one cycle, and then the electrical characteristics were evaluated. As a result, the initial characteristics were maintained. I confirmed that I was doing it.
[実施例2~9及び比較例1]
表3に示す絶縁基板とベース板を用いた以外は、実施例1と同様の手法でパワーモジュールを作製した。得られたパワーモジュールの評価結果を表3に示す。なお、反り量又は反り変化量の符号がマイナスである場合は、放熱面が凹状の反りを有していた又は凹状となる方向に反りの形状が変化したことを意味する。
[Examples 2 to 9 and Comparative Example 1]
A power module was produced by the same method as in Example 1 except that the insulating substrate and the base plate shown in Table 3 were used. Table 3 shows the evaluation results of the obtained power module. When the sign of the amount of warp or the amount of change in warp is negative, it means that the heat radiating surface has a concave warp or the shape of the warp has changed in the direction of becoming concave.
[実施例10~16]
実施例1のパワーモジュールの放熱面のベース板表面を表4の反り量に研削加工した。次に、このパワーモジュールを、8本のM6の取り付けボルトで140mm×190mm×50mmの透明樹脂ブロックに締め付け、トルク10Nで取り付けた。その後、レーザー変位計を用いて、樹脂ブロックの裏面よりパワーモジュールの放熱面のベース板の平面度を測定した。その結果を表3に示す。
[Examples 10 to 16]
The surface of the base plate of the heat dissipation surface of the power module of Example 1 was ground to the amount of warpage shown in Table 4. Next, this power module was tightened to a transparent resin block of 140 mm × 190 mm × 50 mm with eight M6 mounting bolts, and mounted with a torque of 10 N. Then, using a laser displacement meter, the flatness of the base plate of the heat dissipation surface of the power module was measured from the back surface of the resin block. The results are shown in Table 3.
[実施例17]
半導体素子としてSiC半導体素子を用いた以外は、実施例1と同様の手法でパワーモジュールを作製した。得られたパワーモジュールの放熱面の形状を3次元輪郭測定装置で測定した結果、長さ10cmに対する反り量Cxが25μm、Cyが24μmであった。次に、このパワーモジュールを、8本のM6の取り付けボルトで140mm×190mm×50mmの透明樹脂ブロックに締め付け、トルク10Nで取り付けた。その後、レーザー変位計を用いて、樹脂ブロックの裏面よりパワーモジュールの放熱面のベース板の平面度を測定した結果、11μmであった。また、得られたパワーモジュールは、温度-40℃×30分と温度175℃×30分を1サイクルとする1000回のヒートサイクル試験を行った後、電気特性を評価した結果、初期特性を維持していることを確認した。
[Example 17]
A power module was manufactured by the same method as in Example 1 except that a SiC semiconductor element was used as the semiconductor element. As a result of measuring the shape of the heat radiating surface of the obtained power module with a three-dimensional contour measuring device, the warp amount Cx was 25 μm and Cy was 24 μm for a length of 10 cm. Next, this power module was fastened to a transparent resin block of 140 mm × 190 mm × 50 mm with eight M6 mounting bolts, and mounted with a torque of 10 N. After that, the flatness of the base plate of the heat dissipation surface of the power module was measured from the back surface of the resin block using a laser displacement meter, and the result was 11 μm. In addition, the obtained power module was subjected to 1000 heat cycle tests with a temperature of -40 ° C for 30 minutes and a temperature of 175 ° C for 30 minutes as one cycle, and then the electrical characteristics were evaluated. As a result, the initial characteristics were maintained. I confirmed that I was doing it.
1…パワーモジュール、2…ベース板、2a…ベース板のセラミックス絶縁基板と反対側の面(放熱面)、4…セラミックス絶縁基板、6…半導体素子、7…セラミックス基材、8…第1の金属層、9…第2の金属層。 1 ... Power module, 2 ... Base plate, 2a ... The surface of the base plate opposite to the ceramic insulating substrate (heat dissipation surface), 4 ... Ceramic insulating substrate, 6 ... Semiconductor element, 7 ... Ceramic base material, 8 ... First Metal layer, 9 ... Second metal layer.
Claims (5)
前記ベース板上に接合されたセラミックス絶縁基板と、
前記セラミックス絶縁基板上に接合された半導体素子と、を備えるパワーモジュールであって、
前記ベース板は、金属-炭化珪素質複合体と、前記複合体の表面に形成されためっき層又は金属溶射層と、を備え、
前記ベース板の少なくとも一方の面において、前記面内の長手方向における長さ10cmあたりの反り量C’X(μm)及び前記面内の前記長手方向に垂直な方向における長さ10cmあたりの反り量C’Y(μm)が、-50≦C’X≦50かつ-50≦C’Y≦50の条件を満たし、
前記ベース板の前記セラミックス絶縁基板と反対側の面において、前記面内の長手方向における長さ10cmあたりの反り量CX(μm)及び前記面内の前記長手方向に垂直な方向における長さ10cmあたりの反り量CY(μm)が、-30≦CX≦50かつ-30≦CY≦50の条件を満たし、
前記セラミックス絶縁基板に接合された前記ベース板の反り量と、前記セラミックス絶縁基板に接合される前の前記ベース板の反り量との差が、前記ベース板の前記セラミックス絶縁基板と反対側の面において、前記面内の長手方向における長さ10cmあたり20μm以下であり、前記面内の前記長手方向に垂直な方向における長さ10cmあたり20μm以下である、パワーモジュール。 With the base plate
With the ceramic insulating substrate joined on the base plate,
A power module including a semiconductor element bonded on the ceramic insulating substrate.
The base plate comprises a metal-silicon carbide complex and a plating layer or a metal spraying layer formed on the surface of the complex.
On at least one surface of the base plate, the amount of warp C'X (μm) per 10 cm in the longitudinal direction in the plane and the amount of warp per 10 cm in the direction perpendicular to the longitudinal direction in the surface. C'Y (μm) satisfies the conditions of -50 ≤ C'X ≤ 50 and -50 ≤ C'Y ≤ 50.
On the surface of the base plate opposite to the ceramic insulating substrate, the amount of warpage C X (μm) per length 10 cm in the longitudinal direction in the plane and the length 10 cm in the direction perpendicular to the longitudinal direction in the plane. The amount of warpage CY (μm) per hit satisfies the conditions of −30 ≦ C X ≦ 50 and -30 ≦ CY ≦ 50.
The difference between the amount of warpage of the base plate bonded to the ceramic insulating substrate and the amount of warpage of the base plate before being bonded to the ceramic insulating substrate is the surface of the base plate opposite to the ceramic insulating substrate. A power module having a length of 20 μm or less per 10 cm in the longitudinal direction in the plane and 20 μm or less per 10 cm in the direction perpendicular to the longitudinal direction in the plane.
前記セラミックス基材は、AlN、Si3N4又はAl2O3で形成された、厚み0.3~1.5mmのセラミックス基材であり、
前記金属層は、Cu、Al、Mo、Cu及びMo含む合金、並びにCu及びWを含む合金からなる群より選ばれる少なくとも1種で形成された、厚み0.1~2mmの金属層である、請求項1に記載のパワーモジュール。 The ceramic insulating substrate includes a ceramic base material and metal layers provided on both sides of the ceramic base material.
The ceramic base material is a ceramic base material having a thickness of 0.3 to 1.5 mm and made of AlN, Si 3N 4 or Al 2 O 3 .
The metal layer is a metal layer having a thickness of 0.1 to 2 mm, which is formed of at least one selected from the group consisting of alloys containing Cu, Al, Mo, Cu and Mo, and alloys containing Cu and W. The power module according to claim 1 .
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