JP7154410B2 - 金属ベース板の反り制御構造、半導体モジュールおよびインバータ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、金属ベース板に絶縁基板を高温状態で接合する際に発生する反りを制御する技術に関するものである。
半導体モジュールでは、金属ベース板に絶縁基板を接合する構造および方法が採用されている。一般的な接合方法としては、安価なはんだ接合が用いられる場合が多い。ただし、金属ベース板に絶縁基板をはんだ接合した場合、接合後に金属ベース板に反りが発生する。これは、はんだが溶融する際の常温から高温への温度変化では金属ベース板に反りが発生しないが、はんだが凝固する際の高温から常温への温度変化では、金属ベース板と絶縁基板の線膨張係数の差に起因して金属ベース板に大きな反りが発生するためである。このとき、金属ベース板の初期反りがゼロの場合、接合後の反りの向きは、金属ベース板における絶縁基板が接合される面（以下「絶縁基板接合面」ともいう）側に凸の反りとなる。
その後、絶縁基板上に半導体素子および電気配線が配置され、半導体モジュールが組み上げられたとき、金属ベース板における絶縁基板接合面とは反対側の面(以下「非接合面」ともいう)の反りが重要となる。金属ベース板の非接合面には、グリスを介して冷却フィンまたは水冷ジャケットが配置されるため、非接合面の反りが半導体モジュールの冷却と密接な関係があるからである。
このとき、金属ベース板の絶縁基板接合面側に凸の反りとは反対側への凸反り、すなわち、金属ベース板の非接合面側に凸の反りとなることが望ましい。冷却フィンまたは水冷ジャケットに半導体モジュールが配置される際、半導体モジュールはボルト等で締結されて固定されることが一般的である。金属ベース板の非接合面側に凸であれば、ボルトの軸力で金属ベース板の反りを矯正しつつ、半導体モジュールと冷却フィンまたは水冷ジャケットとの安定した接触を行うことができる。
金属ベース板の反りを非接合面側に凸とするため、金属ベース板に初期反り付けを付与する反り付け加工を行うことが一般的であるが、金属ベース板の非接合面にフィンなどが存在する場合、反り付け加工を行うことは難しい。
金属ベース板の反りを制御するために、例えば特許文献１には、金属ベース板の表面に絶縁基板の金属板と同じ種類の金属を貼り付けることで、金属ベース板の反りを低減する方法が開示されている。また、特許文献２には、銅からなる第１の金属層とアルミニウムからなる第２の金属層を含むベースプレートにおいて、第１の金属層と第２の金属層の厚みの比を４：１とすることが開示されている。また、特許文献３には、銅からなる層と酸化銅からなる層を含む銅複合材放熱基板において、銅と酸化銅の比率を変更することで、焼結後の反りを制御する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１に記載の技術のように、絶縁基板と同じ種類の金属を金属ベース板に貼り付けるだけでは、金属ベース板と貼り付けられた金属における常温から高温への温度変化での反り量よりも、金属ベース板に絶縁基板を高温状態で接合した後の高温から常温への温度変化での反り量が大きくなる。そのため、金属ベース板は絶縁基板接合面側に凸の形状となる。
特許文献２に記載の技術では、放熱性を向上させるため、剛性の高い銅の厚みが支配的であり、銅よりも剛性の低いアルミニウムの厚みが薄いため、ベースプレートにおける常温から高温への温度変化での反り量が小さくなる。
特許文献３に記載の技術は、高温から常温への温度変化の過程での反りを制御するものであり、銅複合材放熱基板における常温から高温への温度変化での反り量が小さくなる。
そこで、本発明は、常温から高温への温度変化において金属ベース板に反りを付与することで、高温から常温への温度変化において発生する金属ベース板の反りを制御する技術を提供することを目的とする。
本発明に係る金属ベース板の反り制御構造は、金属ベース板と、前記金属ベース板の表面に直接形成された異種金属層と、前記異種金属層の表面に接合材を介して接合され、かつ、両面に配置された金属板を有する絶縁基板とを備え、前記金属ベース板の線膨張係数をα１、前記異種金属層の線膨張係数をα２、前記金属板の線膨張係数をα３としたとき、α１＞α３＞α２を満たすものである。
本発明によれば、金属ベース板が常温から高温へ温度変化すると、金属ベース板と異種金属層の線膨張係数の差に起因して、異種金属層に対して金属ベース板が膨張し、金属ベース板は絶縁基板が接合される面とは反対側に凸に反る。この状態で、絶縁基板が異種金属層の表面に接合材により接合された後、金属ベース板および絶縁基板が高温から常温へ温度変化すると、絶縁基板と金属ベース板の線膨張係数の差に起因して、絶縁基板に対して金属ベース板が収縮し金属ベース板は絶縁基板が接合される面側に凸に反る。
常温から高温への温度変化と高温から常温への温度変化において、金属ベース板は互いに反対方向に反るため、それぞれの反りが打ち消される。これにより、高温から常温への温度変化において発生する金属ベース板の反りを制御することができる。
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
＜実施の形態＞
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態に係る金属ベース板の反り制御構造の側面図である。
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態に係る金属ベース板の反り制御構造の側面図である。
図１に示すように、金属ベース板の反り制御構造は、半導体モジュールの一部を構成しており、金属ベース板１、異種金属層２、および絶縁基板４を備えている。
金属ベース板１は約１００ｍｍ×１００ｍｍの平面視にて正方形状であり、厚みは３．５ｍｍｔ以上４．０ｍｍｔ以下である。また、金属ベース板１の材質としてはアルミニウム、アルミニウム合金、または銅等の高熱伝導材料が望ましい。本実施の形態では、総重量を軽量化するため、アルミニウムが選択されている。
異種金属層２は、金属ベース板１の表面全体または、金属ベース板１の表面における絶縁基板４が接合される領域のみに形成され、厚みは０．５ｍｍｔ前後である。異種金属層２の材質としては、異種金属層２に絶縁基板４を接合するために塗布される接合材３の濡れ性が良いものが望ましく、銅またはニッケルが望ましい。本実施の形態ではニッケルが選択されている。異種金属層２の形成方法としては、コールドスプレー法または金属貼り付け方法等がある。
絶縁基板４は、異種金属層２の表面に接合材３を介して接合されている。接合材３としてはろう材またははんだなどが用いられるが、製造コストおよび汎用性を考慮するとはんだが望ましい。はんだである接合材３の厚みは放熱性との兼ね合いで、０．２ｍｍｔ以上０．４ｍｍｔ以下が望ましい。金属ベース板１における異種金属層２が形成される面とは逆側の面である裏面は、グリスを介して冷却フィン、または水冷ジャケットに取り付けられる。金属ベース板１が水冷ジャケットに取り付けられる場合は、冷媒に応じて、金属ベース板１の裏面にピンフィンまたはストレートフィンが形成されていてもよい。
絶縁基板４は約７０ｍｍ×７０ｍｍの平面視にて正方形状であり、セラミック基板４１および金属板４２ａ，４２ｂを備えている。セラミック基板４１の材質としては、アルミナ、ＡｌＮ、およびＳｉ3Ｎ4等のセラミックから用途に応じて適切なセラミックが選択される。ただし、半導体モジュールの組立時に発生する反りが大きい（５００μｍ以上）場合、抗折強度が高いＳｉ3Ｎ4が選択されることが望ましい。その際には、使用電圧に対する耐電圧に応じて、セラミック基板４１の厚みは０．３２ｍｍｔまたは０．６４ｍｍｔが選択される。
金属板４２ａ，４２ｂは、セラミック基板４１の裏面および表面にそれぞれ形成されている。また、金属板４２ａ，４２ｂの材質としてはアルミニウムまたは銅が一般的であるが、放熱性を考慮すると銅が選択されることが望ましく、本実施の形態では銅が選択されている。また、銅の厚みは放熱性および製造しやすさを考慮すると、０．３ｍｍｔ以上０．８ｍｍｔ以下の範囲で選択されることが望ましい。
ここで、常温から高温への温度変化での金属ベース板１の膨張による反り量と、高温から常温への温度変化での金属ベース板１の収縮による反り量を同程度とするために、金属ベース板１、異種金属層２、および金属板４２ａ，４２ｂの材質は、金属ベース板１の線膨張係数をα１、異種金属層２の線膨張係数をα２、金属板４２ａ，４２ｂの線膨張係数をα３としたとき、α１＞α３＞α２を満たすように選択される。
次に、実施の形態に係る金属ベース板の反り制御構造の作用および効果について関連技術の場合と比較しながら説明する。
最初に関連技術の場合について説明する。図４は、関連技術において、金属ベース板１を常温から高温へ温度変化したときの状態を示す側面図である。図５は、関連技術において、高温状態で金属ベース板１に絶縁基板４が接合された直後の状態を示す側面図である。図６は、関連技術において、金属ベース板１および絶縁基板４を高温から常温へ温度変化したときの状態を示す側面図である。
図４と図５に示すように、関連技術では金属ベース板１の表面に異種金属層２が形成されておらず、金属ベース板１の表面に接合材３を介して絶縁基板４が接合される。
最初に、金属ベース板１の温度を常温から高温にする昇温工程が行われる。図４に示すように、昇温工程では金属ベース板１に反りは発生せず、フラットのままである。
次に、高温状態で金属ベース板１の表面に接合材３を介して絶縁基板４を接合する接合工程が行われる。図５に示すように、接合工程の直後では金属ベース板１に反りは発生せず、フラットのままである。
次に、金属ベース板１の温度を高温から常温にする降温工程が行われる。降温工程では、図５の矢印に示すように、金属ベース板１と絶縁基板４の線膨張係数が異なるため、金属ベース板１と絶縁基板４の収縮量が異なる。そのため、図６に示すように、接合後の降温工程では、金属ベース板１における絶縁基板４が接合される面側に凸の反りが発生する。なお、図５の矢印の長さは、金属ベース板１と絶縁基板４の収縮量を示している。
次に、実施の形態の場合について説明する。図２は、実施の形態において、金属ベース板１を常温から高温へ温度変化したときの状態を示す側面図である。図３は、実施の形態において、高温状態で金属ベース板１に絶縁基板４が接合された直後の状態を示す側面図である。
最初に、金属ベース板１の温度を常温から高温にする昇温工程が行われる。金属ベース板１と異種金属層２の線膨張係数が異なるため、金属ベース板１と異種金属層２の膨張量が異なる。図２に示すように、昇温工程では、金属ベース板１における絶縁基板４が接合される面とは反対側に凸の反りが発生する。
図３に示すように、次に行われる接合工程では高温状態で異種金属層２の表面に接合材３を介して絶縁基板４が接合される。このとき、金属ベース板１は、絶縁基板４が接合される面とは反対側に凸に反った状態で絶縁基板４と接合される。また、接合工程の直後では、金属ベース板１の反りは変化しない。
接合工程後の降温工程では、図３の矢印に示すように、金属ベース板１、異種金属層２、および絶縁基板４の線膨張係数が異なるため、金属ベース板１、異種金属層２、および絶縁基板４の収縮量が異なることから、金属ベース板１における絶縁基板４が接合される面側に凸の反りが発生する。その結果、図１に示すように、金属ベース板１はほぼフラットになる。なお、図３の矢印の長さは、金属ベース板１、異種金属層２、および絶縁基板４の収縮量を示している。
ここで、本実施の形態で異種金属層２を銅またはニッケルとしたときの常温（２５℃）から高温（２５０℃）への温度変化と、高温（２５０℃）から常温（２５℃）への温度変化での反りのシミュレーション結果を表１に示す。表１に示すように、異種金属層２と金属板４２ａ，４２ｂの線膨張係数を揃えた場合（比較例）よりも、異種金属層２の線膨張係数を金属板４２ａ，４２ｂの線膨張係数よりも低くした場合（実施の形態）の方が、接合後の反りが低減することが分かった。
なお、比較例と実施の形態において、金属ベース板１の厚みは４ｍｍｔ、異種金属層２の厚みは０．５ｍｍｔ、金属板４２ａ，４２ｂの厚みは０．４ｍｍｔである。
高温状態で、金属ベース板１に形成された異種金属層２の表面に絶縁基板４が接合材３を介して接合された接合体に対して、降温工程後、半導体素子の搭載、配線、ケース付け、およびゲルまたは樹脂封止等が施され、半導体モジュールが組み上がる。半導体モジュールはグリス等を介して冷却フィンに配置される間接冷却または、水冷ジャケットに直接配置される直接冷却により冷却される。半導体モジュールは、冷却フィンまたは水冷ジャケットに配置された状態でインバータ装置の構成部品として組み込まれる。
以上のように、実施の形態に係る金属ベース板１の反り制御構造は、金属ベース板１と、金属ベース板１の表面に形成された異種金属層２と、異種金属層２の表面に接合材３を介して接合され、かつ、両面に配置された金属板４２ａ，４２ｂを有する絶縁基板４とを備え、金属ベース板１の線膨張係数をα１、異種金属層２の線膨張係数をα２、金属板４２ａ，４２ｂの線膨張係数をα３としたとき、α１＞α３＞α２を満たす。
したがって、金属ベース板１が常温から高温へ温度変化すると、金属ベース板１と異種金属層２の線膨張係数の差に起因して、異種金属層２に対して金属ベース板１が膨張し、金属ベース板１は絶縁基板４が接合される面とは反対側に凸に反る。この状態で、絶縁基板４が異種金属層２の表面に接合材３により接合された後、金属ベース板１および絶縁基板４が高温から常温へ温度変化すると、絶縁基板４と金属ベース板１の線膨張係数の差に起因して、絶縁基板４に対して金属ベース板１が収縮し金属ベース板１は絶縁基板４が接合される面側に凸に反る。
常温から高温への温度変化と高温から常温への温度変化において、金属ベース板１は互いに反対方向に反るため、それぞれの反りが打ち消される。これにより、高温から常温への温度変化において発生する金属ベース板１の反りを制御することができる。
金属ベース板１はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、異種金属層２はニッケルからなり、金属板４２ａ，４２ｂは銅からなる。したがって、金属ベース板１に安価かつ熱伝導率の良いアルミニウムまたはアルミニウム合金を採用することで、半導体モジュールおよびインバータ装置の放熱性を向上させることができる。また、異種金属層２にニッケルを採用することで、接合材３の濡れ性を確保することができる。また、金属板４２ａ，４２ｂにアルミニウムまたは銅を採用することが一般的であるが、線膨張係数の観点から銅が選択される。
接合材３ははんだであるため、汎用性の高いはんだを接合材３に採用することで接合にかかる費用が安価になる。また、常温から高温への温度変化での金属ベース板１における絶縁基板４が接合される面とは反対側に凸に反る反り量と、絶縁基板４接合後の高温から常温への温度変化での金属ベース板１における絶縁基板４が接合される面側に凸に反る反り量は完全には一致せず、常温と高温の温度差が大きくなるほど、反り量の差は広がっていく。そのため、常温と高温の温度差が小さいほど、接合体において望ましい最終形状が得られる。はんだの接合温度は２５０℃以上３００℃以下であり、常温との温度差が適当な温度となることから、接合体において望ましい最終形状が得られる。
半導体モジュールは、金属ベース板の反り制御構造と、絶縁基板４の表面に実装された半導体素子とを備える。したがって、金属ベース板１の反りを制御することで、半導体モジュールの歩留りを向上させることができる。また、インバータ装置は半導体モジュールを備える。したがって、半導体モジュールと、冷却フィンまたは水冷ジャケットとの安定した接触を行うことができるため、インバータ装置の歩留りを向上させることができる。
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ 金属ベース板、２ 異種金属層、３ 接合材、４ 絶縁基板、４２ａ，４２ｂ 金属板。
Claims (5)
- 金属ベース板と、
前記金属ベース板の表面に直接形成された異種金属層と、
前記異種金属層の表面に接合材を介して接合され、かつ、両面に配置された金属板を有する絶縁基板と、を備え、
前記金属ベース板の線膨張係数をα１、前記異種金属層の線膨張係数をα２、前記金属板の線膨張係数をα３としたとき、α１＞α３＞α２を満たす、金属ベース板の反り制御構造。 - 前記金属ベース板はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、
前記異種金属層はニッケルからなり、
前記金属板は銅からなる、請求項１に記載の金属ベース板の反り制御構造。 - 前記接合材ははんだである、請求項１または請求項２に記載の金属ベース板の反り制御構造。
- 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金属ベース板の反り制御構造と、
前記絶縁基板の表面に実装された半導体素子と、
を備える、半導体モジュール。 - 請求項４に記載の半導体モジュールを備える、インバータ装置。
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