WO2007032486A1

WO2007032486A1 - 絶縁回路基板および冷却シンク部付き絶縁回路基板

Info

Publication number: WO2007032486A1
Application number: PCT/JP2006/318395
Authority: WO
Inventors: Yoshirou Kuromitsu; Makoto Toriumi; Yoshiyuki Nagatomo; Hiroya Ishizuka; Youichiro Baba; Tomoyuki Watanabe; Takuya Yasui
Original assignee: Mitsubishi Materials Corporation; Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2007-03-22
Also published as: KR20070118065A; EP1926142A1; US20090229864A1

Abstract

　絶縁回路基板は、絶縁板と、絶縁板の第１の面に接合された回路板と、絶縁板の第２の面に接合された金属板とを備える。前記回路板は、純度が９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成され、前記金属板は、純度が９８．００％以上９９．９０％以下のＡｌ合金により形成されている。前記回路板の厚さ（ａ）は例えば０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下、前記金属板の厚さ（ｂ）は例えば０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、ａ／ｂ≦１である。冷却シンク部付き絶縁回路基板は、前記絶縁回路基板と、前記金属板に第２はんだ層を介して接合された冷却シンク部とを備える。前記第２はんだ層は、Ｓｎを主成分とするはんだにより形成されて、そのヤング率は例えば３５ＧＰａ以上、０．２％耐力は例えば３０ＭＰａ以上、引張強度は例えば４０ＭＰａ以上である。前記冷却シンク部は、例えば純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成される。

Description

明細書

絶縁回路基板および冷却シンク部付き絶縁回路基板

技術分野

[0001] この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられる絶縁回路基板および冷却シンク部付き絶縁回路基板に関するものである。

本願は、 2005年 9月 15日にそれぞれ出願された日本国特許出願第 2005— 268 093号、日本国特許出願第 2005— 268094号、および日本国特許出願第 2005— 268095号に対し優先権を主張し、その内容をここに援用する。

背景技術

[0002] この種の冷却シンク部付き絶縁回路基板としては、例えば下記特許文献 1に示されるような、セラミックス等により形成された絶縁板と、前記絶縁板の一方の表面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の表面に接合された金属板とを備える絶縁回路基板と、前記金属板の、前記絶縁板に接合された表面と反対側の下面に設けられた冷却部とを備える概略構成とされ、前記回路板の表面にはんだ層を介して半導体チップが接合されるものがある。

[0003] 前記冷却部は、放熱板と内部に冷媒が供給される冷却シンク部とを備え、これらの放熱板と冷却シンク部とが、これらの間に熱伝導性グリース (例えばシリコーンダリース）を介してねじにより締結されて接続された構成とされている。そして、前記冷却部の放熱板が、前記金属板にはんだ層を介して接合されてヽる。

[0004] ところで、近年では、前記冷却シンク部付き絶縁回路基板における回路板の表面に半導体チップが接合されてなるパワーモジュールの高出力化に伴い、このパワーモジュールを構成する前記各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなぐこのパワーモジュールの積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることに対する要求が高まっている。しかし、前記熱伝導性グリースは前記トータル熱抵抗を低減させることに対して大きな阻害要因となっていた。

特許文献 1：特開平 8— 264680号公報

発明の開示発明が解決しょうとする課題

[0005] この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなぐ積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることができる絶縁回路基板および冷却シンク部付き絶縁回路基板を提供することを目的とする。課題を解決するための手段

[0006] 前記目的を達成するために、本発明の絶縁回路基板の第 1の態様は、絶縁板と、前記絶縁板の一方の表面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の表面に接合された金属板とを備え、前記回路板の表面に第 1はんだ層を介して半導体チップが接合されるようになっているとともに、前記金属板の、前記絶縁板に接合された表面と反対側の下面に第 2はんだ層を介して冷却シンク部が接合されるようになっており、前記回路板は、純度が 99. 98%以上の A1合金若しくは純 A1により形成され、前記金属板は、純度が 98. 00%以上 99. 90%以下の A1合金により形成されている。

[0007] この本発明の絶縁回路基板の第 1の態様では、前記回路板が純度 99. 98%以上の A1合金若しくは純 A1により形成され、前記金属板が純度 98. 00%以上 99. 90% 以下の A1合金により形成されている。このため、熱伝導性グリースを介在させず、し力も接合界面数を低減させて、積層方向におけるトータル熱抵抗の低減されたパヮ一モジュールを形成しても、前記金属板を前記第 2はんだ層を介して冷却シンク部に直接接合することにより、前記第 1、第 2はんだ層に亀裂が発生および進展することを抑制することが可能になる。

[0008] すなわち、前記回路板が純度 99. 98%以上の A1合金若しくは純 A1により形成されると、パワーモジュールに熱サイクルが作用したときに、回路板に大きなひずみを蓄積させて、前記第 1はんだ層に蓄積されるひずみ量を抑えることが可能になり、この第 1はんだ層に亀裂が発生および進展することを抑制することができる。

また、前記金属板が純度 98. 00%以上 99. 90%以下の A1合金により形成されると、パワーモジュールに熱サイクルが作用したときに金属板に蓄積されるひずみにより、この金属板を加工硬化させることが可能になる。このため、絶縁回路基板全体の熱変形挙動に占める絶縁板の寄与度を減少させる一方、金属板の寄与度を増大させることができる。したがって、この絶縁回路基板全体の熱膨張係数が見かけ上増大し、前記冷却シンク部の熱膨張係数との差が小さくなり、前記第 2はんだ層に蓄積されるひずみ量を低減させることが可能になり、この第 2はんだ層に亀裂が発生および進展することを抑制することができる。

[0009] 以上により、パワーモジュールを構成する前記各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなぐこのパワーモジュールの積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることが可能になる絶縁回路基板を提供することができる。

[0010] 前記回路板の厚さ（a)は 0. 2mm以上 0. 8mm以下とされるとともに、前記金属板の厚さ（b)は 0. 6mm以上 1. 5mm以下とされ、かつ aZb≤ 1とされてもよい。

[0011] この場合、前記第 1、第 2はんだ層に発生する応力をさらに緩和させることができるすなわち、前記金属板の厚さ（b)が 0. 6mm以上 1. 5mm以下で、かつ aZb≤lとされて、その厚さが厚くされている。この場合、金属板の上面に熱膨張係数の小さい絶縁板が接合されて、この絶縁板により金属板の上面側における熱変形が拘束されたとしても、金属板の下面側における熱変形が絶縁板により拘束されることを抑制することが可能になる。また、前記回路板の厚さ（a)が 0. 2mm以上 0. 8mm以下で、かつ aZb≤lとされて、その厚さが薄くされている。この場合、この回路板の上下面に、熱膨張係数が小さい半導体チップおよび絶縁板がそれぞれ接合されることにより、この回路板の熱変形を偏りなく均等に拘束することが可能になる。

[0012] 前記回路板の厚さが 0. 2mmより小さいと、前記回路板に流せる電流量が低くなる。また、この厚さが 0. 8mmより大きいと、絶縁板により回路板の熱変形を偏りなく均等に拘束させる効果が相対的に小さくなり、前記第 1はんだ層における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなる。したがって、回路板の厚さは制限されないが、 0. 2〜 0. 8mmであると、接合信頼性をより向上することができる。

[0013] 前記金属板の厚さが 0. 6mmより小さいと、この金属板の熱変形力その上面側のみならず下面側も絶縁板により拘束されることになり、前記第 2はんだ層における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなる。また、この厚さが 1. 5mmより大きいと、金属板の熱変形により、絶縁板および回路板が変形させられることによって、前記第 1 はんだ層における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなる。したがって、金属板の厚さは制限されないが、 0. 6〜1. 5mmであると、接合信頼性をより向上することができる。

接合信頼性を低下させるおそれがある。

[0014] 本発明の冷却シンク部付き絶縁回路基板の第 1の態様は、前記絶縁回路基板と、前記金属板の、前記絶縁板に接合された表面と反対側の下面に第 2はんだ層を介して接合された冷却シンク部とを備え、前記第 2はんだ層は、 Snを主成分とするはんだにより形成されている。

[0015] この冷却シンク部付き絶縁回路基板では、前記金属板と冷却シンク部とが Snを主成分とする第 2はんだ層により接合されて、るので、冷却シンク部および絶縁板の熱膨張係数が異なることによって、各接合界面に応力が生じようとした場合においても、この応力を前記第 2はんだ層により吸収させることが可能になり、パワーモジュールの接合信頼性をさらに向上させることができる。

[0016] 前記第 2はんだ層は、ヤング率が 35GPa以上、 0. 2%耐力が 30MPa以上、引張強度が 40MPa以上とされてもょ、。

[0017] この場合、冷却シンク部付き絶縁回路基板を有するパワーモジュールに熱サイクルが作用したときに、ひずみを前記金属板に多く蓄積させて、この第 2はんだ層に蓄積されるひずみ量を低減させることが可能になり、前記金属板を加工硬化させることが可能になることと相俟って、第 2はんだ層に亀裂が生ずること等を防ぐことができる。

[0018] また、前記第 2はんだ層は、 Sn85wt%以上、 AgO. 5wt%以上、 CuO. lwt%以上である 3元以上の多元系合金力もなるはんだにより形成されてもよい。

[0019] 本発明の絶縁回路基板の第 2の態様は、絶縁板と、前記絶縁板の一方の表面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の表面に接合された金属板とを備え、前記回路板の表面に半導体チップが接合されるようになっているとともに、前記金属板の、前記絶縁板に接合された表面と反対側の下面に冷却シンク部が接合されるよう〖こなっており、前記回路板および金属板は、純 A1若しくは A1合金により形成されるとともに、前記回路板の厚さ（a)が 0. 2mm以上 0. 8mm以下、前記金属板の厚さ（b)が 0. 6mm以上 1. 5mm以下で、 aZb≤lである。

[0020] この絶縁回路基板では、前記回路板および金属板が、純 A1若しくは A1合金により形成されるとともに、前記回路板の厚さ（a)が 0. 2mm以上 0. 8mm以下、前記金属板の厚さ（b)が 0. 6mm以上 1. 5mm以下で、 aZb≤ 1とされているため、熱伝導性グリースを介在させず、しかも接合界面数を低減させて、積層方向におけるトータル熱抵抗の低減されたパワーモジュールを形成しても、前記金属板を前記冷却シンク部に直接接合することにより、前記半導体チップと回路板との接合部ならびに前記金属板と冷却シンク部との接合部に発生する応力を緩和させることが可能になる。

[0021] すなわち、前記金属板の厚さ（b)が 0. 6mm以上 1. 5mm以下で、かつ aZb≤ 1とされて、その厚さが厚くされているため、金属板の上面に熱膨張係数の小さい絶縁板が接合されて、この絶縁板により金属板の上面側における熱変形が拘束されたとしても、金属板の下面側における熱変形が絶縁板により拘束されることを抑制することが可能になる。また、前記回路板の厚さ（a)が 0. 2mm以上 0. 8mm以下で、かつ a Zb≤lとされて、その厚さが薄くされているため、この回路板の上下面に、熱膨張係数が小さい半導体チップおよび絶縁板がそれぞれ接合されることにより、この回路板の熱変形を偏りなく均等に拘束することが可能になる。

[0022] 以上により、パワーモジュールを構成する前記各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなぐこのパワーモジュールの積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることが可能になる絶縁回路基板を提供することができる。

[0023] 本発明の冷却シンク部付き絶縁回路基板の第 2の態様は、前記第 2の態様にかかる絶縁回路基板と、前記金属板の下面に接合された冷却シンク部とを備え、前記回路板の表面に第 1はんだ層を介して半導体チップが接合されるようになっており、前記冷却シンク部は、純 A1若しくは A1合金により形成され、前記金属板と前記冷却シンク部とは、 Snを主成分とする第 2はんだ層を介して接合されて、る。

[0024] この冷却シンク部付き絶縁回路基板によれば、前記金属板と冷却シンク部とが Sn を主成分とする第 2はんだ層により接合されて、るので、冷却シンク部および絶縁板の熱膨張係数が異なることによって、接合界面に応力が生じようとした場合においても、この応力を前記第 2はんだ層により吸収させることが可能になり、パワーモジユールの接合信頼性をさらに向上させることができる。

[0025] 本発明の冷却シンク部付き絶縁回路基板の第 3の態様は、絶縁板と、前記絶縁板の一方の表面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の表面に接合された金属板とを備える絶縁回路基板と、前記金属板の、前記絶縁板に接合された表面と反対側の下面に設けられた冷却シンク部とを備え、前記回路板の表面に第 1はんだ層を介して半導体チップが接合されるようになっており、前記金属板と前記冷却シンク部とは、ヤング率が 35GPa以上、 0. 2%耐力が 30MPa以上、引張強度が 40MPa以上の Snを主成分とする第 2はんだ層により接合されて、る。

[0026] この冷却シンク部付き絶縁回路基板では、金属板と冷却シンク部とが第 2はんだ層を介して直接接合されて、熱伝導性グリースを介在させず、しカゝも冷却シンク部付き絶縁回路基板が有する接合界面数が低減されている。このため、前記回路板に半導体チップが接合されてなるパワーモジュールの積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることが可能になる。

ところでこの場合、前記絶縁板と冷却シンク部との熱膨張係数差が大きいので、前記金属板と冷却シンク部との間に大きな応力が発生して、接合信頼性が低減するおそれが考えられる。

[0027] し力しながら、この第 3の態様では、前記金属板と冷却シンク部とが、ヤング率、 0.

2%耐カ、および引張強度がそれぞれ前記大きさとされた第 2はんだ層により接合されているので、冷却シンク部および絶縁板の熱膨張係数が異なることによって、接合界面に応力が生じようとした場合においても、この応力を前記第 2はんだ層により吸収させることが可能になる。さらに、前記第 2はんだ層のヤング率等が前記大きさとされると、冷却シンク部付き絶縁回路基板に熱サイクルが作用したときに、塑性ひずみを前記金属板に多く蓄積させて、この第 2はんだ層に蓄積される塑性ひずみの量を低減させることが可能になり、この第 2はんだ層に亀裂が生ずること等を抑制することができる。

以上により、前記パワーモジュールを構成する前記各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなぐこのパワーモジュールの積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることが可能になる。

前記第 2はんだ層は、 Sn85wt%以上、 AgO. 5wt%以上、 CuO. lwt%以上である 3元以上の多元系合金力もなるはんだにより形成されてもよい。前記冷却シンク部は、純 Al若しくは Al合金により形成されてもよい。

前記回路板および金属板は、純 A1若しくは A1合金により形成されるとともに、前記回路板の厚さ（_a)が 0. 2mm以上 0. 8mm以下、前記金属板の厚さ（b)が 0. 6mm 以上 1. 5mm以下で、 aZb≤lであってもよい。

発明の効果

[0028] この発明によれば、各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなぐ積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることが可能になる絶縁回路基板および冷却シンク部付き絶縁回路基板を提供できる。

図面の簡単な説明

[0029] [図 1]この発明の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールを示す全体図である。

符号の説明

[0030] 10 パワーモジュール、 10a 冷却シンク部付き絶縁回路基板、 11 絶縁板、

12 回路板、 13 金属板、 14 第 1はんだ層、 15 第 2はんだ層、 20 絶縁回路基板、 30 半導体チップ、 31 冷却シンク部。

発明を実施するための最良の形態

[0031] 以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。

本実施形態のパワーモジュール 10は、絶縁回路基板 20と、前記絶縁回路基板 20 の一方の表面側に設けられた半導体チップ (発熱体) 30と、絶縁回路基板 20の他方の表面側に設けられた冷却シンク部 31とを備えている。言い換えると、パワーモジュール 10は、絶縁回路基板 20および冷却シンク部 31からなる冷却シンク部付き絶縁回路基板 10aと半導体チップ 30とを備えて、る。

[0032] 絶縁回路基板 20は、絶縁板 11と、前記絶縁板 11の一方の表面に接合された回路板 12と、絶縁板 11の他方の表面に接合された金属板 13とを備えている。そして、回路板 12の表面に第 1はんだ層 14を介して半導体チップ 30が接合されて、る。金属板 13の、絶縁板 11に接合された表面と反対側の下面には、冷却シンク部 31が設けられている。 [0033] ここで、回路板 12および金属板 13の表面にはそれぞれ、厚さ約 2 mの図示されない Niメツキ層が形成されており、この Niメツキ層の形成された回路板 12の表面に、第 1はんだ層 14を介して半導体チップ 30が接合され、また、 Niメツキ層の形成された回路板 12および金属板 13の各表面と絶縁板 11とがろう付けにより接合されている。

[0034] なお、絶縁板 11が、 A1N、 Si N等の窒化物系セラミックス、若しくは Al O等の酸

3 4 2 3 化物系セラミックスにより形成され、回路板 12および金属板 13が、純 A1若しくは A1合金により形成された場合、特に回路板 12が、純度 99. 98%以上の A1合金若しくは純 A1により形成され、金属板 13が、純度 98. 00%以上 99. 90%以下の A1合金により形成された場合、絶縁板 11と回路板 12および金属板 13とを接合するろう材は、 A1 — Si系、 Al—Ge系、 Al—Cu系、 Al—Mg系または Al—Mn系のろう材から選ばれる 1または 2以上のろう材とされる。

[0035] 冷却シンク部 31は、純 Al、純度 90%以上の Al合金、純 Cu若しくは Cu合金等の金属若しくは AlSiC等の金属セラミック複合材により形成されるとともに、表面に金属板 13が設けられる本体部 31aと、表面に内部空間 31bと連通する開口部が形成された箱体 31cとを備えている。ここで、本体部 31aは、製造上、純 Al、 Al合金、純 Cu若しくは Cu合金等の金属若しくは AlSiC等の金属セラミック複合材のいずれか 1つの材料カゝら構成されるのが望ましいが、複数の材料を積層した複合体とすることもできる。例えば、本体部 31aの内部空間 31b側の部分を純 A1とし、金属板 13側の部分に純 Cu板を設けた複合体とすることができる。この場合、純 Cu板は、前記純 A1の熱膨張係数と A1N (絶縁板 11)の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有することから、応力緩衝部材として機能する。本体部 31aの、前記表面と反対側の下面には、下方に向けて延在し、かっこの本体部 31aの幅方向（図 1の紙面に奥行き方向）に延在する冷却フィン 31dがその長さ方向（図 1の紙面の左右方向）に複数所定の間隔をあけて形成されている。なお、本体部 31aは、熱伝達および力卩ェ性等の観点から、純 A1若しくは A1合金が望ましぐ A1合金では特に純度 98%以上が良い。

[0036] この冷却シンク部 31は、本体部 31aの冷却フィン 31dが、箱体 31cの内部空間 31b に突出した状態で、本体部 31aの前記下面が、箱体 31cの前記開口部を閉塞する構成とされている。さらに、本体部 31aの前記下面と、箱体 31cの表面における前記開口部の周縁部との間には、熱伝導グリースが介在されておらず、本体部 3 laの前記下面と、箱体 31cの表面における前記開口部の周縁部とは、直接接触した構成とされている。

[0037] そして、この閉塞された前記内部空間 31bに冷却液や冷却空気などの冷媒を供給および回収する図示されない冷媒循環手段が設けられ、この手段により前記冷媒が、本体部 3 laの前記下面および冷却フィン 3 Idの全域に接触するようになっている。すなわち、前記内部空間 31bに供給された冷媒により、半導体チップ 30から冷却シンク部 31に伝導された熱を回収することによって、半導体チップ 30からの熱をパヮ一モジュール 10から放散させるようになつている。なお、冷却シンク部 31の本体部 3 laの熱伝達係数は約 6000WZ°C · m²〜約 15000WZ°C · m²とされて!/、ることが好ましい。

[0038] さらに本実施形態では、金属板 13と本体部 31aとは、ヤング率が 35GPa以上、 0.

2%耐力が 30MPa以上、引張強度力 OMPa以上の Snを主成分とする第 2はんだ層 15により接合されている。金属板 13、および本体部 31aの互いに対向する表面には、図示されない Niメツキ層（金属板 13では厚さ約 2 m、本体部 31aでは厚さ約 5 μ m)が形成されており、これらの各 Niメツキ層と第 2はんだ層 15とが接合されている。図示の例では、金属板 13の下面の略全域力第 2はんだ層 15により接合されている。また、第 2はんだ層 15は、 Sn85wt%以上、 AgO. 5wt%以上、 CuO. lwt%以上である 3元以上の多元系合金力もなるはんだにより形成されていることが好ましい。前記 Sn, Ag, Cuの含有量は、より好ましくは Ag : 2〜6wt%、 Cu: 0. 3〜4wt%、 S n:残である。

なお、第 1はんだ層 14の材質は特に限定されるものではないが、 Snを主成分とするはんだにより形成されるのが望ましい。

[0039] 絶縁板 11の縦、横および厚さは、限定されないが、例えば、縦が lOmn！〜 100m m、横が 10mm〜： LOOmm、厚さ力^). 2mm〜l. Ommとされてもよい。回路板 12の縦、横および厚さは、限定されないが、例えば、縦が 10mm〜100mm、横が 10mm ~ 100mm,厚さが 0. 2mm以上 0. 8mm以下とされることが好ましい。金属板 13の縦、横および厚さは、限定されないが、例えば、縦が 10mm〜100mm、横が 10mm 〜100mm、厚さ力^). 6mm以上 1. 5mm以下とされることが好ましい。このようなパヮ一モジュール 10が、— 40°C〜105°Cの温度範囲で使用される場合、第 1はんだ層 1 4および第 2はんだ層 15の厚さは 0. 05mm〜0. 5mmであることが好ましい。

[0040] また、前記の数値範囲において、回路板 12の厚さは金属板 13の厚さより小さくされており、回路板 12の厚さを a、金属板 13の厚さを bとすると、 aZb≤lの関係を満たしていることが好ましい。

[0041] 本実施形態に係るパワーモジュール 10によれば、回路板 12が純度 99. 98%以上の A1合金若しくは純 A1により形成され、金属板 13が純度 98. 00%以上 99. 90%以下の A1合金により形成されている。このため、金属板 13を冷却シンク部 31の本体部 31aに第 2はんだ層 15を介して直接接合することにより、熱伝導性グリースを介在させず、しかも接合界面数を低減させて、積層方向におけるトータル熱抵抗の低減されたパワーモジュール 10を形成しても、第 1、第 2はんだ層 14、 15に亀裂が発生および進展することを抑制することが可能になる。

[0042] すなわち、回路板 12が純度 99. 98%以上の A1合金若しくは純 A1により形成されると、パワーモジュール 10に熱サイクルが作用したときに、回路板 12に大きなひずみを蓄積させて、第 1はんだ層 14に蓄積されるひずみ量を抑えることが可能になり、この第 1はんだ層 14に亀裂が発生および進展することを抑制することができる。

[0043] また、金属板 13が純度 98. 00%以上 99. 90%以下の A1合金により形成されると、パワーモジュール 10に熱サイクルが作用したときに金属板 13に蓄積されるひずみにより、この金属板 13をカ卩工硬化させることが可能になり、この絶縁回路基板 20全体の熱変形挙動に占める絶縁板 11の寄与度を減少させる一方、金属板 13の寄与度を増大させることができる。したがって、この絶縁回路基板 20全体の熱膨張係数が見かけ上増大し、冷却シンク部 31の熱膨張係数との差が小さくなる。これにより第 2はんだ層 15に蓄積されるひずみ量を低減させることが可能になり、この第 2はんだ層 1 5に亀裂が発生および進展することを抑制することができる。

[0044] 以上により、パワーモジュール 10を構成する前記各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなぐこのパワーモジュール 10の積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることが可能になる絶縁回路基板 20を提供できる。 [0045] また、本実施形態では、回路板 12および金属板 13の厚さが前記範囲に設定されているので、第 1、第 2はんだ層 14、 15に発生する応力を緩和させることができる。すなわち、金属板 13の厚さ（b)が 0. 6mm以上 1. 5mm以下で、かつ aZb≤lとされて、その厚さが厚くされている場合には、金属板 13の上面に熱膨張係数の小さい絶縁板 11が接合されて、この絶縁板 11により金属板 13の上面側における熱変形が拘束されたとしても、金属板 13の下面側における熱変形が絶縁板 11により拘束されることを抑制することが可能になる。

[0046] また、回路板 12の厚さ（a)が 0. 2mm以上 0. 8mm以下で、かつ aZb≤ 1とされて、その厚さが薄くされている場合には、この回路板 12の上下面に、熱膨張係数が小さい半導体チップ 30および絶縁板 11がそれぞれ接合されることにより、この回路板 1 2の熱変形を偏りなく均等に拘束することが可能になる。

[0047] ここで、回路板 12の厚さが 0. 2mmより小さいと、前記回路板 12に流せる電流量が低くなる。また、この厚さが 0. 8mmより大きいと、絶縁板 11により回路板 12の熱変形を偏りなく均等に拘束させる効果が相対的に小さくなり、第 1はんだ層 14における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなる。したがって、回路板の厚さは制限されない力 0. 2〜0. 8mmであると、接合信頼性をより向上することができる。

[0048] 金属板 13の厚さが 0. 6mmより小さいと、この金属板 13の熱変形力その上面側のみならず下面側も絶縁板 11により拘束されることになり、第 2はんだ層 15における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなる。また、この厚さが 1. 5mmより大きいと、金属板 13の熱変形により、絶縁板 11および回路板 12が変形させられることによって、第 1はんだ層 14における熱サイクル時の亀裂進展速度が大きくなる。したがって、金属板の厚さは制限されないが、 0. 6〜1. 5mmであると、接合信頼性をより向上することがでさる。

[0049] また、本実施形態では、金属板 13と冷却シンク部 31 (本体部 3 la)とが、 Snを主成分とする第 2はんだ層 15により接合されているので、接合界面に応力が生じようとした場合においても、冷却シンク部 31 (本体部 31a)および絶縁板 11の熱膨張係数が異なることによって、この応力を第 2はんだ層 15により吸収させることが可能になる。このため、パワーモジュール 10の接合信頼性をさらに向上させることができる。 [0050] さらに、第 2はんだ層 15のヤング率、 0. 2%耐カおよび引張強度が前記大きさとされている場合には、パワーモジュール 10に熱サイクルが作用したときに、ひずみを金属板 13に多く蓄積させて、この第 2はんだ層 15に蓄積されるひずみ量を低減させることが可能になる。このため、金属板 13を加工硬化させることが可能になることと相俟つて、第 2はんだ層 15に亀裂が生ずること等を防ぐことができる。

実施例

[0051] (第 1検証実験）

ここで、以上の作用効果のうち、回路板 12を純度 99. 98%以上の A1合金若しくは純 A1により形成し、金属板 13を純度 98. 00%以上 99. 90%以下の A1合金により形成したことにより、第 1、第 2はんだ層 14、 15に亀裂が発生および進展するのを防ぐことができることについて、実験により検証した (以下、「第 1検証実験」という）。

[0052] 本実験に供する冷却シンク部付き絶縁回路基板として、以下の構成を採用した。

絶縁板 11は、 A1Nを主成分とする材質により形成され、その縦、横および厚さがそれぞれ 50mm、 50mmおよび 0. 635mmである。回路板 12は、 A1合金により形成され、その縦、横および厚さがそれぞれ 48mm、 48mmおよび 0. 4mmである。金属板 13は、 A1合金により形成され、その縦、横および厚さがそれぞれ 48mm、 48mmおよび 0. 6mmである。冷却シンク部 31は、 AA(Alminum Association) 6063系の A1合金により形成され、その本体部 31aの縦、横および厚さがそれぞれ 100mm、 1 00mmおよび 3mmである。冷却フィン 31dの厚さ（図 1の紙面の左右方向の大きさ）、長さ（図 1の紙面の上下方向の大きさ）およびピッチは、それぞれ lmm、 8mmおよび 3mmである。第 2はんだ層 15は、 Sn— 3. 5%Ag— 0. 75%Cu力らなり、その厚さは 0. 3mmである。

[0053] 以上の構成において、回路板 12および金属板 13を形成する各 A1合金の A1純度がそれぞれ異なる 36種類の冷却シンク部付き絶縁回路基板を形成した。以下、これらのうち、回路板 12を形成する A1合金の純度が 99. 98%以上で、かつ金属板 13を形成する A1合金の純度が 98. 00%以上 99. 90%以下の構成を第 1実施例といい、これ以外の構成を第 1比較例という。

[0054] なお、金属板 13と冷却シンク部 31の本体部 31aとの第 2はんだ層 15を介した接合は、予め、金属板 13が接合される冷却シンク部の本体部 3 laの表面と、金属板 13の表面とに、前記 Niメツキ層を無電解メツキにより形成しておき、その後、温度が 300°C とされた還元雰囲気下で実施した。また、この接合の際、同時に第 2はんだ層 15と同じはんだ材料により、縦、横および厚さがそれぞれ 10mm、 10mmおよび 0. 3mmとされた A1Nを用いたヒーターチップを回路板 12に接合した。このヒータチップは、本検証試験の実施に際して半導体チップ 30に代えて採用したものである（以下、この構成を「パワーモジュール」という）。さらに、回路板 12および金属板 13と絶縁板 11とは、 A1— Siろう箔を用いてあらかじめ真空ろう付けした。なお、このろう付けに際し予め、回路板 12および金属板 13の各表面に厚さ 2 mの Niメツキ層を無電解メツキにより形成した。

[0055] 以上の各パワーモジュールをそれぞれ、フッ素系溶媒力なる液相雰囲気下に置いて、その雰囲気温度を— 40°Cから 105°Cに 10分間で上昇させ、 105°C力 - 40 °Cに 10分間で下降させる温度履歴を 1サイクルとした温度サイクルを前記各パワーモジュールに付与した。そして、この付与前の熱抵抗値 (以下、「初期熱抵抗値」という）と比べて 10%以上の上昇が確認されたときの熱サイクル数を、このパワーモジュ一ルの熱サイクル寿命として測定した。ここで、第 1、第 2はんだ層 14、 15等の接合部等に亀裂が発生および進展したときに、熱抵抗値が上昇することになる。この熱サイタル寿命の測定は、 500サイクル経過するたびに熱抵抗値を測定することにより実施した。

[0056] なお、熱抵抗値の測定は以下の方法により行なった。冷却シンク部 31の内部空間 31bに水温 50°Cの冷却水を循環させて、冷却フィン 31dの外表面を一定温度に保つた。この状態で、ヒーターチップに 100Wの電力を供給して発熱させた。このヒーターチップの温度が一定になった後に、そのヒーターチップの温度 (Th)および冷却水の温度（50°C)により、熱抵抗値 (HR)を、 HR= (Th— 50) Z100 (°CZW)力も算出した。ここで、ヒーターチップ温度（Th)は、あらかじめヒーターチップの TCR (Temper ature Coefficient of Resistance)を測定しておき、発熱前後のヒーターチップの抵抗値の差（ Δ R)を求め、 Th= Δ R/TCR+Tr (°C)から算出した (Trは室温)。

[0057] 従来例として、前記パワーモジュールと同じヒーターチップ、絶縁板 11、回路板 12 、金属板 13および冷却シンク部 31を採用するとともに、金属板 13と冷却シンク部 31 との間に、縦、横および厚さがそれぞれ 70mm、 70mmおよび 3mmとされた CuMo 合金カゝらなる放熱板を配設した構成を採用した。なお、この従来例の構成は、まず、回路板 12および金属板 13と絶縁板 11とを A1— Siろう箔を用いて真空ろう付けした後に、 Pb50%Snはんだ材料により、ヒーターチップと回路板 12とを接合するとともに、前記放熱板と金属板 13とを接合した。さら〖こ、厚さが約 0. 15mmとされたシリコーングリース層を介して、前記放熱板と冷却シンク部 31とを接着させた。なお、前記第 1 実施例および第 1比較例と全く同様にして、回路板 12等の各表面に Niメツキ層も形成した。

[0058] 結果、従来例の初期熱抵抗値は 0. 72 (°C/W)であるのに対し、第 1実施例の初期熱抵抗値は 0. 28 (°CZW)〜0. 30 (°C/W)であり、従来例と比べて半分より小さくできることが確認された。また、表 1に示すように、前記第 1比較例では、前記熱サイクル寿命が 3000以下であるのに対し、第 1実施例では 3500より大きいことが確認された。

以上より、回路板 12を形成する A1合金の純度が 99. 98%以上で、かつ金属板 13 を形成する A1合金の純度が 98. 00%以上 99. 90%以下とされたパワーモジュール 10では、各構成要素 12等同士の接合信頼性を低減させることなぐ積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることができることが確認された。

[0059] [表 1]

(第 2検証実験）

次に、金属板 13の厚さおよび回路板 12の厚さを前記範囲としたことによって、熱サィクルにより第 1、第 2はんだ層 14、 15に発生する応力を緩和できることについて、実験により検証した (以下、「第 2検証実験」という）。

[0061] 本実験に供するパワーモジュールとして、回路板 12を純度 99. 99%の A1合金により形成するとともに、金属板 13を純度 99. 50%の A1合金により形成し、回路板 12および金属板 13の厚さ力 0. 2mmから 1. 5mmまでの範囲で種々異なる以外は前記第 1検証実験で採用したパワーモジュールと同様の 49種類の構成を採用した。以下、回路板 12の厚さ（a)が 0. 2mm以上 0. 8mm以下、金属板 13の厚さ（b)が 0. 6m m以上 1. 5mm以下で、 aZb≤ 1とされた構成を第 2実施例といい、これ以外の構成を第 2比較例という。

[0062] 以上の各パワーモジュールにそれぞれ、前記第 1検証実験と同様にして温度サイクルを付与し、熱サイクル寿命を測定した。

結果、第 2実施例においても、前記第 1実施例と同様に、初期熱抵抗値が 0. 28 ( °CZW)〜0. 30 (°CZW)であり、前記第 1検証実験で示した従来例と比べて半分より小さくできることが確認された。また、表 2に示すように、第 2比較例では、前記熱サイタル寿命が 3000以下であるのに対し、第 2実施例では 3500より大きいことが確認された。

以上より、回路板 12の厚さ（a)が 0. 2mm以上 0. 8mm以下、金属板 13の厚さ（b) が 0. 6mm以上 1. 5mm以下で、 a/b≤ 1とされたパワーモジュール 10では、各構成要素 12等同士の接合信頼性を低減させることなぐ積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることができることが確認された。

[0063] [表 2]

[0064] (第 3検証実験）

次に、第 2はんだ層 15のヤング率、 0. 2%耐カ、および引張強度がそれぞれ前記大きさとされたことにより、第 2はんだ層 15に亀裂が生ずること等を防止できることにつ!、ての検証実験を実施した。

[0065] 本実験に供するパワーモジュールとして、回路板 12を純度 99. 99%の A1合金により形成するとともに、金属板 13を純度 99. 50%の A1合金により形成し、第 2はんだ層

15の材質が種々異なる以外は、前記第 1検証実験で採用したパワーモジュールと同様の 10種類の構成を準備した。

以下、第 2はんだ層 15の材質力 Sn85wt%以上、 AgO. 5wt%以上、 CuO. lwt

%以上である 3元以上の多元系合金力もなるはんだである場合を第 3実施例とし、これ以外を第 2比較例という。

[0066] 以上の各パワーモジュールにそれぞれ、前記第 1検証実験と同様にして温度サイクルを付与し、熱サイクル寿命を測定した。

結果、表 3に示す第 3実施例（実施例 1〜5)においても、前記第 1、第 2実施例と同様に、初期熱抵抗値が 0. 28 (°CZW)〜0. 30 (°CZW)であり、前記第 1検証実験で示した従来例 (0. 72 (°CZW) )と比べて半分より小さくできることが確認された。また、表 3に示すように、第 3比較例（比較例 1〜4)では、前記熱サイクル寿命が 3000 以下であるのに対し、第 3実施例では 3500より大きぐ前記従来例と同等に維持できることが確認された。

以上より、各構成要素 12等同士の接合信頼性を低減させることなぐ積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることができるパワーモジュールを提供することができることが確認された。

[0067] [表 3]

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなぐ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、前記冷却シンク部 31に、絶縁板 11の熱膨張係数と冷却シンク部 31の本体部 _31aの熱膨張係数との中間の熱膨張係数を有する Cu等からなる応力緩衝部材を備えさせ、前記応力緩衝部材を、金属板 13と冷却シンク部 31との間に配設するようにしてもよぐまた、この応力緩衝部材に代えて、純度が 99%以上の純 A1からなるひずみ吸収部材を配設するようにしてもよヽ。 [0069] さらに、前記実施形態では、冷却シンク部 31の本体部 31aの全体を、純 A1若しくは A1合金により形成した構成を示した力金属板 13が設けられる表面側のみを純 A1若しくは A1合金により形成した多層構造としてもょヽ。

また、金属板 13と冷却シンク部 31の本体部 31aとをろう付けにより接合してもよい。産業上の利用可能性

[0070] 各構成要素同士の接合信頼性を低減させることなぐ積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させることが可能になる絶縁回路基板および冷却シンク部付き絶縁回路基板を提供する。

Claims

請求の範囲

[1] 絶縁板と、前記絶縁板の一方の表面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の表面に接合された金属板とを備え、

前記回路板の表面に第 1はんだ層を介して半導体チップが接合されるようになっているとともに、

前記金属板の、前記絶縁板に接合された表面と反対側の下面に第 2はんだ層を介して冷却シンク部が接合されるようになっており、

前記回路板は、純度が 99. 98%以上の A1合金若しくは純 A1により形成され、前記金属板は、純度が 98. 00%以上 99. 90%以下の A1合金により形成されたことを特徴とする絶縁回路基板。

[2] 前記回路板の厚さ（a)は 0. 2mm以上 0. 8mm以下とされるとともに、

前記金属板の厚さ（b)は 0. 6mm以上 1. 5mm以下とされ、

かつ aZb≤ 1であることを特徴とする請求項 1に記載の絶縁回路基板。

[3] 請求項 1に記載の絶縁回路基板と、

前記金属板の、前記絶縁板に接合された表面と反対側の下面に第 2はんだ層を介して接合された冷却シンク部とを備え、

前記第 2はんだ層は、 Snを主成分とするはんだにより形成されていることを特徴とする冷却シンク部付き絶縁回路基板。

[4] 前記第 2はんだ層は、ヤング率が 35GPa以上、 0. 2%耐力が 30MPa以上、引張強度が 40MPa以上とされて、ることを特徴とする請求項 3に記載の冷却シンク部付き絶縁回路基板。

[5] 前記第 2はんだ層は、 Sn85wt%以上、 AgO. 5wt%以上、 CuO. lwt%以上である 3元以上の多元系合金力なるはんだにより形成されたことを特徴とする請求項 4 に記載の冷却シンク部付き絶縁回路基板。

[6] 絶縁板と、前記絶縁板の一方の表面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の表面に接合された金属板とを備え、

前記回路板の表面に半導体チップが接合されるようになっているとともに、前記金属板の、前記絶縁板に接合された表面と反対側の下面に冷却シンク部が接合されるようになっており、

前記回路板および金属板は、純 A1若しくは A1合金により形成されるとともに、前記回路板の厚さ（a)が 0. 2mm以上 0. 8mm以下、

前記金属板の厚さ（b)が 0. 6mm以上 1. 5mm以下で、

a/b≤ 1であることを特徴とする絶縁回路基板。

[7] 請求項 6に記載の絶縁回路基板と、

前記金属板の下面に接合された冷却シンク部とを備え、

前記回路板の表面に第 1はんだ層を介して半導体チップが接合されるようになっており、

前記冷却シンク部は、純 A1若しくは A1合金により形成され、

前記金属板と前記冷却シンク部とは、 Snを主成分とする第 2はんだ層を介して接合されていることを特徴とする冷却シンク部付き絶縁回路基板。

[8] 絶縁板と、前記絶縁板の一方の表面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の表面に接合された金属板とを備える絶縁回路基板と、

前記金属板の、前記絶縁板に接合された表面と反対側の下面に設けられた冷却シンク咅とを備え、

前記金属板と前記冷却シンク部とは、ヤング率が 35GPa以上、 0. 2%耐力が 30M

Pa以上、引張強度が 40MPa以上の Snを主成分とする第 2はんだ層により接合されて、ることを特徴とする冷却シンク部付き絶縁回路基板。

[9] 前記第 2はんだ層は、 Sn85wt%以上、 AgO. 5wt%以上、 CuO. lwt%以上である 3元以上の多元系合金力なるはんだにより形成されたことを特徴とする請求項 8 に記載の冷却シンク部付き絶縁回路基板。

[10] 前記冷却シンク部は、純 A1若しくは A1合金により形成されたことを特徴とする請求項 8に記載の冷却シンク部付き絶縁回路基板。

[11] 前記回路板および金属板は、純 A1若しくは A1合金により形成されるとともに、前記回路板の厚さ（a)が 0. 2mm以上 0. 8mm以下、前記金属板の厚さ（b)が 0. 6mm以上 1. 5mm以下で、

aZb≤lであることを特徴とする請求項 8に記載の冷却シンク部付き絶縁回路基板