JP2001148451A - パワーモジュール用基板 - Google Patents
パワーモジュール用基板Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 絶縁基板にかかる熱応力による負荷を抑制
し、パワーモジュール基板の製造コストを低減し、生産
性を向上する。 【解決手段】 パワーモジュール用基板１１の絶縁基板
１２とヒートシンク１３との間に、絶縁基板１２の表面
積の１〜３倍の表面積を有する緩衝層１４が介装接着さ
れる。この緩衝層１４は絶縁基板１２の熱膨張係数とヒ
ートシンク１３の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する
材料により形成される。具体的には絶縁基板１２がＡｌ
Ｎ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3により形成され、ヒートシン
ク１３がＡｌ又はＣｕにより形成され、緩衝層１４がＡ
ｌＳｉＣ、カーボン板又はＡｌＣ複合材により形成され
ることが好ましい。また緩衝層１４の厚さは絶縁基板１
２の厚さの１．５〜５０倍であることが好ましく、絶縁
基板１２と緩衝層１４とヒートシンク１３とがろう付け
用箔を介して積層接着されることが好ましい。
し、パワーモジュール基板の製造コストを低減し、生産
性を向上する。 【解決手段】 パワーモジュール用基板１１の絶縁基板
１２とヒートシンク１３との間に、絶縁基板１２の表面
積の１〜３倍の表面積を有する緩衝層１４が介装接着さ
れる。この緩衝層１４は絶縁基板１２の熱膨張係数とヒ
ートシンク１３の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する
材料により形成される。具体的には絶縁基板１２がＡｌ
Ｎ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3により形成され、ヒートシン
ク１３がＡｌ又はＣｕにより形成され、緩衝層１４がＡ
ｌＳｉＣ、カーボン板又はＡｌＣ複合材により形成され
ることが好ましい。また緩衝層１４の厚さは絶縁基板１
２の厚さの１．５〜５０倍であることが好ましく、絶縁
基板１２と緩衝層１４とヒートシンク１３とがろう付け
用箔を介して積層接着されることが好ましい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車や電気
車両等、大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いら
れるパワーモジュール用基板に関する。更に詳しくは半
導体チップ等の発熱体から発生する熱を放散させるヒー
トシンクを有するパワーモジュール用基板に関するもの
である。
車両等、大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いら
れるパワーモジュール用基板に関する。更に詳しくは半
導体チップ等の発熱体から発生する熱を放散させるヒー
トシンクを有するパワーモジュール用基板に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種のパワーモジュール用基板
として、図５に示すように、絶縁基板２がＡｌＮ等によ
り形成され、この絶縁基板２の上面及び下面に回路層６
及び金属層７がろう付け用箔（図示せず）を介して積層
接着され、金属層７がＡｌＳｉＣにより形成されたヒー
トシンク３の放熱板８に第１はんだ層５ａを介して接着
されたものが知られている。この基板では、回路層６に
第２はんだ層５ｂを介して半導体チップ４が接着され、
放熱板８に雄ねじ部材９ｃ（なべ小ねじ等）を介して水
冷シンク部９が取付けられる。水冷シンク部９の内部に
は冷却水９ａが通過する冷却水通路９ｂが形成される。
このように構成されたパワーモジュール用基板では、半
導体チップ４の発熱量が比較的多いため、半導体チップ
４が発生した熱は第２はんだ層５ｂ，回路層６，絶縁基
板２，金属層７，第１はんだ層５ａ及び放熱板８を通っ
て水冷シンク部９に伝わり、冷却水通路９ｂを通過する
冷却水９ａが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基
板１外に持ち去るので、パワーモジュール用基板１が過
熱しないようになっている。
として、図５に示すように、絶縁基板２がＡｌＮ等によ
り形成され、この絶縁基板２の上面及び下面に回路層６
及び金属層７がろう付け用箔（図示せず）を介して積層
接着され、金属層７がＡｌＳｉＣにより形成されたヒー
トシンク３の放熱板８に第１はんだ層５ａを介して接着
されたものが知られている。この基板では、回路層６に
第２はんだ層５ｂを介して半導体チップ４が接着され、
放熱板８に雄ねじ部材９ｃ（なべ小ねじ等）を介して水
冷シンク部９が取付けられる。水冷シンク部９の内部に
は冷却水９ａが通過する冷却水通路９ｂが形成される。
このように構成されたパワーモジュール用基板では、半
導体チップ４の発熱量が比較的多いため、半導体チップ
４が発生した熱は第２はんだ層５ｂ，回路層６，絶縁基
板２，金属層７，第１はんだ層５ａ及び放熱板８を通っ
て水冷シンク部９に伝わり、冷却水通路９ｂを通過する
冷却水９ａが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基
板１外に持ち去るので、パワーモジュール用基板１が過
熱しないようになっている。
【０００３】しかし、上記従来のパワーモジュール用基
板１では、大型の放熱板８が比較的高価なＡｌＳｉＣに
より形成されているため、製造コストが増大する問題点
があった。また、上記従来のパワーモジュール用基板１
では、絶縁基板２及び放熱板８の熱膨張係数の相違に基
づく絶縁基板２及び放熱板８の変形の相違により第１は
んだ層５ａの熱サイクル寿命が短くなる問題点もあっ
た。更に、上記従来のパワーモジュール用基板１では、
回路層６及び金属層７の絶縁基板２への積層接着とは別
の工程で金属層７を第１はんだ層５ａを介して放熱板８
に接着しなければならず、組立工数が増大する問題点も
あった。
板１では、大型の放熱板８が比較的高価なＡｌＳｉＣに
より形成されているため、製造コストが増大する問題点
があった。また、上記従来のパワーモジュール用基板１
では、絶縁基板２及び放熱板８の熱膨張係数の相違に基
づく絶縁基板２及び放熱板８の変形の相違により第１は
んだ層５ａの熱サイクル寿命が短くなる問題点もあっ
た。更に、上記従来のパワーモジュール用基板１では、
回路層６及び金属層７の絶縁基板２への積層接着とは別
の工程で金属層７を第１はんだ層５ａを介して放熱板８
に接着しなければならず、組立工数が増大する問題点も
あった。
【０００４】これらの点を解消するために、図６に示す
ように、絶縁基板２の上面及び下面に回路層６及び金属
層７をそれぞれ積層接着したろう付け用箔（図示せず）
と同一のろう付け用箔を用いて金属層７及び放熱板８を
接着したパワーモジュール用基板１が開示されている。
このように構成されたパワーモジュール用基板１では、
絶縁基板２及び放熱板８の接着に第１はんだ層を用いて
いないため、第１はんだ層の熱サイクル寿命が短くなる
という問題点を解消でき、また回路層６及び金属層７の
絶縁基板２への積層接着と同時に金属層７を放熱板８に
接着することができる。
ように、絶縁基板２の上面及び下面に回路層６及び金属
層７をそれぞれ積層接着したろう付け用箔（図示せず）
と同一のろう付け用箔を用いて金属層７及び放熱板８を
接着したパワーモジュール用基板１が開示されている。
このように構成されたパワーモジュール用基板１では、
絶縁基板２及び放熱板８の接着に第１はんだ層を用いて
いないため、第１はんだ層の熱サイクル寿命が短くなる
という問題点を解消でき、また回路層６及び金属層７の
絶縁基板２への積層接着と同時に金属層７を放熱板８に
接着することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記改善され
たパワーモジュール用基板では、大型の放熱板が比較的
高価なＡｌＳｉＣにより形成されているため、未だ製造
コストが増大する不具合があった。本発明の目的は、絶
縁基板の熱応力による負荷を抑制することができ、製造
コストを低減することができ、更に生産性を向上するこ
とができる、パワーモジュール用基板を提供することに
ある。本発明の別の目的は、ヒートシンクによる冷却効
率を向上することができ、半導体チップを回路層に取付
けるためのはんだ層の劣化を抑制することができる、パ
ワーモジュール用基板を提供することにある。
たパワーモジュール用基板では、大型の放熱板が比較的
高価なＡｌＳｉＣにより形成されているため、未だ製造
コストが増大する不具合があった。本発明の目的は、絶
縁基板の熱応力による負荷を抑制することができ、製造
コストを低減することができ、更に生産性を向上するこ
とができる、パワーモジュール用基板を提供することに
ある。本発明の別の目的は、ヒートシンクによる冷却効
率を向上することができ、半導体チップを回路層に取付
けるためのはんだ層の劣化を抑制することができる、パ
ワーモジュール用基板を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１に示すように、絶縁基板１２とヒートシンク１３と
の間に、絶縁基板１２の表面積の１〜３倍の表面積を有
する緩衝層１４が介装接着されたパワーモジュール用基
板であって、緩衝層１４が絶縁基板１２の熱膨張係数と
ヒートシンク１３の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有す
る材料により形成されたことを特徴とするパワーモジュ
ール用基板である。この請求項１に記載されたパワーモ
ジュール用基板では、絶縁基板１２及びヒートシンク１
３の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板１２及びヒート
シンク１３の変形の相違が緩衝層１４により吸収される
ので、絶縁基板１２に発生する内部応力が小さくなり、
絶縁基板１２の熱応力による負荷を抑制することができ
る。
図１に示すように、絶縁基板１２とヒートシンク１３と
の間に、絶縁基板１２の表面積の１〜３倍の表面積を有
する緩衝層１４が介装接着されたパワーモジュール用基
板であって、緩衝層１４が絶縁基板１２の熱膨張係数と
ヒートシンク１３の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有す
る材料により形成されたことを特徴とするパワーモジュ
ール用基板である。この請求項１に記載されたパワーモ
ジュール用基板では、絶縁基板１２及びヒートシンク１
３の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板１２及びヒート
シンク１３の変形の相違が緩衝層１４により吸収される
ので、絶縁基板１２に発生する内部応力が小さくなり、
絶縁基板１２の熱応力による負荷を抑制することができ
る。
【０００７】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明であって、更に図１に示すように、絶縁基板１２がＡ
ｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3により形成され、ヒートシ
ンク１３がＡｌ又はＣｕにより形成され、緩衝層１４が
ＡｌＳｉＣ、カーボン板又はＡｌＣ複合材により形成さ
れたことを特徴とする。この請求項２に記載されたパワ
ーモジュール用基板では、ヒートシンク１３がＡｌ又は
Ｃｕにより形成されるので、ヒートシンクが高価なＡｌ
ＳｉＣにより形成される従来のパワーモジュール用基板
より製造コストを低減することができる。
明であって、更に図１に示すように、絶縁基板１２がＡ
ｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3により形成され、ヒートシ
ンク１３がＡｌ又はＣｕにより形成され、緩衝層１４が
ＡｌＳｉＣ、カーボン板又はＡｌＣ複合材により形成さ
れたことを特徴とする。この請求項２に記載されたパワ
ーモジュール用基板では、ヒートシンク１３がＡｌ又は
Ｃｕにより形成されるので、ヒートシンクが高価なＡｌ
ＳｉＣにより形成される従来のパワーモジュール用基板
より製造コストを低減することができる。
【０００８】請求項３に係る発明は、請求項１又は２に
係る発明であって、更に図１に示すように、緩衝層１４
の厚さが絶縁基板１２の厚さの１．５〜５０倍であるこ
とを特徴とする。この請求項３に記載されたパワーモジ
ュール用基板では、絶縁基板１２及びヒートシンク１３
の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板１２及びヒートシ
ンク１３の変形の相違が緩衝層１４により確実に吸収さ
れるので、絶縁基板１２の熱応力による負荷を確実に抑
制することができる。
係る発明であって、更に図１に示すように、緩衝層１４
の厚さが絶縁基板１２の厚さの１．５〜５０倍であるこ
とを特徴とする。この請求項３に記載されたパワーモジ
ュール用基板では、絶縁基板１２及びヒートシンク１３
の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板１２及びヒートシ
ンク１３の変形の相違が緩衝層１４により確実に吸収さ
れるので、絶縁基板１２の熱応力による負荷を確実に抑
制することができる。
【０００９】請求項４に係る発明は、請求項１ないし３
いずれかに係る発明であって、更に図１に示すように、
絶縁基板１２と緩衝層１４とヒートシンク１３とがろう
付け用箔を介して積層接着されたことを特徴とする。こ
の請求項４に記載されたパワーモジュール用基板では、
絶縁基板１２，緩衝層１４及びヒートシンク１３を一体
として１回の熱処理で製造することができるので、パワ
ーモジュール用基板１１の生産性を向上することができ
る。
いずれかに係る発明であって、更に図１に示すように、
絶縁基板１２と緩衝層１４とヒートシンク１３とがろう
付け用箔を介して積層接着されたことを特徴とする。こ
の請求項４に記載されたパワーモジュール用基板では、
絶縁基板１２，緩衝層１４及びヒートシンク１３を一体
として１回の熱処理で製造することができるので、パワ
ーモジュール用基板１１の生産性を向上することができ
る。
【００１０】請求項５に係る発明は、請求項１ないし４
いずれかに係る発明であって、更に図２に示すように、
ヒートシンク１３が緩衝層１４に接着された放熱板４８
と、この放熱板４８に取付けられ内部に冷却水１９ａが
通過する冷却水通路１９ｂが形成された水冷シンク部１
９とを有し、放熱板４８の表面に緩衝層１４を嵌入可能
な溝４８ａ又は凹部が形成され、緩衝層１４が溝４８ａ
又は凹部に嵌入された状態で放熱板４８に接着されたこ
とを特徴とする。この請求項５記載されたパワーモジュ
ール用基板では、緩衝層１４を水冷シンク部１９に近付
けることができるので、熱が緩衝層１４から放熱板４８
を通って速やかに水冷シンク部１９に伝わる。この結
果、水冷シンク部１９の冷却水通路１９ｂを通過する冷
却水１９ａが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基
板４１外に持ち去るので、ヒートシンク１３による冷却
効率を向上することができ、パワーモジュール用基板４
１が過熱することはない。
いずれかに係る発明であって、更に図２に示すように、
ヒートシンク１３が緩衝層１４に接着された放熱板４８
と、この放熱板４８に取付けられ内部に冷却水１９ａが
通過する冷却水通路１９ｂが形成された水冷シンク部１
９とを有し、放熱板４８の表面に緩衝層１４を嵌入可能
な溝４８ａ又は凹部が形成され、緩衝層１４が溝４８ａ
又は凹部に嵌入された状態で放熱板４８に接着されたこ
とを特徴とする。この請求項５記載されたパワーモジュ
ール用基板では、緩衝層１４を水冷シンク部１９に近付
けることができるので、熱が緩衝層１４から放熱板４８
を通って速やかに水冷シンク部１９に伝わる。この結
果、水冷シンク部１９の冷却水通路１９ｂを通過する冷
却水１９ａが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基
板４１外に持ち去るので、ヒートシンク１３による冷却
効率を向上することができ、パワーモジュール用基板４
１が過熱することはない。
【００１１】請求項６に係る発明は、請求項１ないし３
いずれかに係る発明であって、図４に示すように、ヒー
トシンクは内部に冷却水７３ａが通過する冷却水通路７
３ｂが形成された水冷式ヒートシンク７３であって、緩
衝層１４が水冷式ヒートシンク７３にろう付け用箔を介
して直接積層接着されたことを特徴とする。この請求項
６記載されたパワーモジュール用基板７１では、緩衝層
１４を水冷式ヒートシンク７３に直接積層接着するの
で、熱が緩衝層１４から水冷式ヒートシンク７３に速や
かに伝わる。この結果、水冷式ヒートシンク７３を通過
する冷却水７３ａが上記熱を受け取ってパワーモジュー
ル用基板７１外に持ち去るので、冷却効率を更に向上す
ることができ、パワーモジュール用基板７１が過熱する
ことはない。
いずれかに係る発明であって、図４に示すように、ヒー
トシンクは内部に冷却水７３ａが通過する冷却水通路７
３ｂが形成された水冷式ヒートシンク７３であって、緩
衝層１４が水冷式ヒートシンク７３にろう付け用箔を介
して直接積層接着されたことを特徴とする。この請求項
６記載されたパワーモジュール用基板７１では、緩衝層
１４を水冷式ヒートシンク７３に直接積層接着するの
で、熱が緩衝層１４から水冷式ヒートシンク７３に速や
かに伝わる。この結果、水冷式ヒートシンク７３を通過
する冷却水７３ａが上記熱を受け取ってパワーモジュー
ル用基板７１外に持ち去るので、冷却効率を更に向上す
ることができ、パワーモジュール用基板７１が過熱する
ことはない。
【００１２】請求項７に係る発明は、請求項１ないし６
いずれかに係る発明であって、更に図１に示すように、
絶縁基板１２の上面に回路層１６が形成され、回路層１
６にはんだ層２２を介して半導体チップ２３が取付けら
れたことを特徴とする。この請求項７に記載されたパワ
ーモジュール用基板では、絶縁基板１２及びヒートシン
ク１３の熱膨張又は熱収縮時の変形の相違が緩衝層１４
により吸収されるので、はんだ層２２の劣化を抑制する
ことができる。
いずれかに係る発明であって、更に図１に示すように、
絶縁基板１２の上面に回路層１６が形成され、回路層１
６にはんだ層２２を介して半導体チップ２３が取付けら
れたことを特徴とする。この請求項７に記載されたパワ
ーモジュール用基板では、絶縁基板１２及びヒートシン
ク１３の熱膨張又は熱収縮時の変形の相違が緩衝層１４
により吸収されるので、はんだ層２２の劣化を抑制する
ことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】次に本発明の第１の実施の形態を
図面に基づいて説明する。図１に示すように、本発明の
パワーモジュール用基板１１は絶縁基板１２と、ヒート
シンク１３と、絶縁基板１２とヒートシンク１３との間
に積層接着された緩衝層１４とを備える。絶縁基板１２
はＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3により形成され、絶縁
基板１２の上面及び下面には回路層１６及び金属層１７
がそれぞれ積層接着される。回路層１６及び金属層１７
はＡｌ又はＣｕにより厚さ０．１〜０．５ｍｍに形成さ
れる。またヒートシンク１３は放熱板１８と、この放熱
板１８に雄ねじ部材２１（例えば、なべ小ねじ等）によ
り取付けられた水冷シンク部１９とを有する。放熱板１
８はＡｌ又はＣｕにより形成され、絶縁基板１２の表面
積の１〜３倍の表面積を有し、かつ絶縁基板１２の厚さ
の１．５〜５０倍の厚さを有する。水冷シンク部１９は
Ａｌ，Ｃｕ等により形成され、内部に冷却水１９ａが通
過する冷却水通路１９ｂが形成され、放熱板１８と略同
一の表面積を有する。
図面に基づいて説明する。図１に示すように、本発明の
パワーモジュール用基板１１は絶縁基板１２と、ヒート
シンク１３と、絶縁基板１２とヒートシンク１３との間
に積層接着された緩衝層１４とを備える。絶縁基板１２
はＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3により形成され、絶縁
基板１２の上面及び下面には回路層１６及び金属層１７
がそれぞれ積層接着される。回路層１６及び金属層１７
はＡｌ又はＣｕにより厚さ０．１〜０．５ｍｍに形成さ
れる。またヒートシンク１３は放熱板１８と、この放熱
板１８に雄ねじ部材２１（例えば、なべ小ねじ等）によ
り取付けられた水冷シンク部１９とを有する。放熱板１
８はＡｌ又はＣｕにより形成され、絶縁基板１２の表面
積の１〜３倍の表面積を有し、かつ絶縁基板１２の厚さ
の１．５〜５０倍の厚さを有する。水冷シンク部１９は
Ａｌ，Ｃｕ等により形成され、内部に冷却水１９ａが通
過する冷却水通路１９ｂが形成され、放熱板１８と略同
一の表面積を有する。
【００１４】緩衝層１４は絶縁基板１２の熱膨張係数と
ヒートシンク１３の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有す
る材料、即ちＡｌＳｉＣ、カーボン板又はＡｌＣ複合材
により形成されることが好ましい。ＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4及
びＡｌ2Ｏ3の熱膨張係数はそれぞれ約４．３×１０-6／
℃，約２．８×１０-6／℃及び約７．３×１０-6／℃で
あり、Ａｌ及びＣｕの熱膨張係数はそれぞれ約２５．０
×１０-6／℃及び約１６．５×１０-6／℃であり、Ａｌ
ＳｉＣの熱膨張係数は約７．５×１０-6／℃である。
ヒートシンク１３の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有す
る材料、即ちＡｌＳｉＣ、カーボン板又はＡｌＣ複合材
により形成されることが好ましい。ＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4及
びＡｌ2Ｏ3の熱膨張係数はそれぞれ約４．３×１０-6／
℃，約２．８×１０-6／℃及び約７．３×１０-6／℃で
あり、Ａｌ及びＣｕの熱膨張係数はそれぞれ約２５．０
×１０-6／℃及び約１６．５×１０-6／℃であり、Ａｌ
ＳｉＣの熱膨張係数は約７．５×１０-6／℃である。
【００１５】また緩衝層１４は絶縁基板１２の表面積の
１〜３倍、好ましくは１〜２倍の表面積を有する。即
ち、緩衝層１４は放熱板１８より表面積が小さく形成さ
れる。緩衝層１４の表面積を絶縁基板１２の表面積の１
〜３倍に限定したのは、１倍未満では後述する半導体チ
ップ２３からの熱を速やかに放熱板１８に伝えることが
できず、３倍を超えると製造コストが増大するからであ
る。また緩衝層１４の厚さは絶縁基板１２の厚さの１．
５〜５０倍、更に２〜１０倍であることが好ましい。緩
衝層１４の厚さを１．５〜５０倍の範囲に限定したの
は、１．５倍未満では絶縁基板１２及びヒートシンク１
３の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板１２及びヒート
シンク１３の変形の相違を十分に吸収することができ
ず、５０倍を超えるとパワーモジュール用基板１１が大
型化しかつ製造コストが増大するからである。
１〜３倍、好ましくは１〜２倍の表面積を有する。即
ち、緩衝層１４は放熱板１８より表面積が小さく形成さ
れる。緩衝層１４の表面積を絶縁基板１２の表面積の１
〜３倍に限定したのは、１倍未満では後述する半導体チ
ップ２３からの熱を速やかに放熱板１８に伝えることが
できず、３倍を超えると製造コストが増大するからであ
る。また緩衝層１４の厚さは絶縁基板１２の厚さの１．
５〜５０倍、更に２〜１０倍であることが好ましい。緩
衝層１４の厚さを１．５〜５０倍の範囲に限定したの
は、１．５倍未満では絶縁基板１２及びヒートシンク１
３の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板１２及びヒート
シンク１３の変形の相違を十分に吸収することができ
ず、５０倍を超えるとパワーモジュール用基板１１が大
型化しかつ製造コストが増大するからである。
【００１６】また絶縁基板１２と緩衝層１４とヒートシ
ンク１３とはろう付け用箔（図示せず）を介して積層接
着される。金属層１７と放熱板１８がＡｌにより形成さ
れる場合には、ろう付け用箔としては８７．０〜９６．
０重量％のＡｌと４．０〜１３．０重量％のＳｉとの合
金であるＡｌ−Ｓｉ系箔を用いることが好ましい。また
金属層１７と放熱板１８がＣｕにより形成される場合に
は、ろう付け用箔としては３４〜７３重量％のＡｇと１
４〜３５重量％のＣｕと０〜２０重量％のＴｉとの合金
であるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系箔を用いることが好ましい。
更に絶縁基板１２上面の回路層１６にははんだ層２２を
介して半導体チップ２３が取付けられる。
ンク１３とはろう付け用箔（図示せず）を介して積層接
着される。金属層１７と放熱板１８がＡｌにより形成さ
れる場合には、ろう付け用箔としては８７．０〜９６．
０重量％のＡｌと４．０〜１３．０重量％のＳｉとの合
金であるＡｌ−Ｓｉ系箔を用いることが好ましい。また
金属層１７と放熱板１８がＣｕにより形成される場合に
は、ろう付け用箔としては３４〜７３重量％のＡｇと１
４〜３５重量％のＣｕと０〜２０重量％のＴｉとの合金
であるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系箔を用いることが好ましい。
更に絶縁基板１２上面の回路層１６にははんだ層２２を
介して半導体チップ２３が取付けられる。
【００１７】このように構成されたパワーモジュール用
基板の製造方法を説明する。 (a) 回路層１６，金属層１７及び放熱板１８がＡｌによ
り形成される場合 先ず放熱板１８の上にＡｌ−Ｓｉ系箔（図示せず），緩
衝層１４，Ａｌ−Ｓｉ系箔，金属層１７，Ａｌ−Ｓｉ系
箔，絶縁基板１２，Ａｌ−Ｓｉ系箔及び回路層１６を重
ねた状態で、これらに荷重０．５〜５ｋｇｆ／ｃｍ2を
加え、真空中で６００〜６５０℃に加熱することにより
積層体を作製する。このように放熱板１８，緩衝層１
４，金属層１７，絶縁基板１２及び回路層１６を一体と
して１回の熱処理で積層体を作製することができるの
で、パワーモジュール用基板１１の生産性を向上するこ
とができる。次にこの積層体の回路層１６をエッチング
法により所定のパターンの回路に形成した後に、上記積
層体の回路層１６にはんだ層２２を介して半導体チップ
２３を搭載する。更にこの積層体を水冷シンク部１９に
載せて放熱板１８を雄ねじ部材２１により水冷シンク部
１９に取付ける。 (b) 回路層１６，金属層１７及び放熱板１８がＣｕによ
り形成される場合 先ず放熱板１８の上にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系箔（図示せ
ず），緩衝層１４，Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系箔，金属層１
７，Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系箔，絶縁基板１２，Ａｇ−Ｃｕ
−Ｔｉ系箔及び回路層１６を重ねた状態で、これらに荷
重０．５〜５．０ｋｇｆ／ｃｍ2を加え、真空中で６２
０〜９００℃に加熱することにより積層体を作製する。
上記以外の製造工程は(a)と略同様であるので、繰返し
の説明を省略する。
基板の製造方法を説明する。 (a) 回路層１６，金属層１７及び放熱板１８がＡｌによ
り形成される場合 先ず放熱板１８の上にＡｌ−Ｓｉ系箔（図示せず），緩
衝層１４，Ａｌ−Ｓｉ系箔，金属層１７，Ａｌ−Ｓｉ系
箔，絶縁基板１２，Ａｌ−Ｓｉ系箔及び回路層１６を重
ねた状態で、これらに荷重０．５〜５ｋｇｆ／ｃｍ2を
加え、真空中で６００〜６５０℃に加熱することにより
積層体を作製する。このように放熱板１８，緩衝層１
４，金属層１７，絶縁基板１２及び回路層１６を一体と
して１回の熱処理で積層体を作製することができるの
で、パワーモジュール用基板１１の生産性を向上するこ
とができる。次にこの積層体の回路層１６をエッチング
法により所定のパターンの回路に形成した後に、上記積
層体の回路層１６にはんだ層２２を介して半導体チップ
２３を搭載する。更にこの積層体を水冷シンク部１９に
載せて放熱板１８を雄ねじ部材２１により水冷シンク部
１９に取付ける。 (b) 回路層１６，金属層１７及び放熱板１８がＣｕによ
り形成される場合 先ず放熱板１８の上にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系箔（図示せ
ず），緩衝層１４，Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系箔，金属層１
７，Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系箔，絶縁基板１２，Ａｇ−Ｃｕ
−Ｔｉ系箔及び回路層１６を重ねた状態で、これらに荷
重０．５〜５．０ｋｇｆ／ｃｍ2を加え、真空中で６２
０〜９００℃に加熱することにより積層体を作製する。
上記以外の製造工程は(a)と略同様であるので、繰返し
の説明を省略する。
【００１８】このように製造されたパワーモジュール用
基板では、６００〜６５０℃（回路層１６，金属層１７
及び放熱板１８がＡｌにより形成される場合）、６２０
〜９００℃（回路層１６，金属層１７及び放熱板１８が
Ｃｕにより形成される場合）という高温で絶縁基板１
２，緩衝層１４，放熱板１８等が接着された後に、室温
まで冷却されても、絶縁基板１２及び放熱板１８の熱膨
張係数の相違に基づく絶縁基板１２及び放熱板１８の変
形の相違がこれらの間の熱膨張係数を有する緩衝層１４
により吸収される。この結果、絶縁基板１２に発生する
内部応力が小さくなるので、絶縁基板１２の熱応力によ
る負荷を抑制することができる。また絶縁基板１２及び
ヒートシンク１３の熱膨張又は熱収縮時の変形の相違が
緩衝層１４により吸収されるので、半導体チップ２３を
回路層１６に取付けるはんだ層２２の劣化を抑制するこ
とができる。
基板では、６００〜６５０℃（回路層１６，金属層１７
及び放熱板１８がＡｌにより形成される場合）、６２０
〜９００℃（回路層１６，金属層１７及び放熱板１８が
Ｃｕにより形成される場合）という高温で絶縁基板１
２，緩衝層１４，放熱板１８等が接着された後に、室温
まで冷却されても、絶縁基板１２及び放熱板１８の熱膨
張係数の相違に基づく絶縁基板１２及び放熱板１８の変
形の相違がこれらの間の熱膨張係数を有する緩衝層１４
により吸収される。この結果、絶縁基板１２に発生する
内部応力が小さくなるので、絶縁基板１２の熱応力によ
る負荷を抑制することができる。また絶縁基板１２及び
ヒートシンク１３の熱膨張又は熱収縮時の変形の相違が
緩衝層１４により吸収されるので、半導体チップ２３を
回路層１６に取付けるはんだ層２２の劣化を抑制するこ
とができる。
【００１９】図２は本発明の第２の実施の形態を示す。
図２において図１と同一符号は同一部品を示す。この実
施の形態では、ヒートシンク４３の放熱板４８表面に緩
衝層１４を嵌入可能な溝４８ａが形成され、緩衝層１４
がこの溝４８ａに嵌入された状態で放熱板４８に接着さ
れるように構成される。上記以外は第１の実施の形態と
同一に構成される。このように構成されたパワーモジュ
ール用基板４１では、緩衝層１４を水冷シンク部１９に
近付けることができるので、半導体チップ２３が発生し
た熱が緩衝層１４から放熱板４８を通って速やかに水冷
シンク部１９に伝わる。この結果、水冷シンク部１９を
通過する冷却水１９ａが上記熱を受け取ってパワーモジ
ュール用基板４１外に持ち去るので、ヒートシンク４３
による冷却効率を向上することができる。従って、パワ
ーモジュール用基板４１が過熱することはない。上記以
外の動作は第１の実施の形態の動作と略同様であるの
で、繰返しの説明を省略する。
図２において図１と同一符号は同一部品を示す。この実
施の形態では、ヒートシンク４３の放熱板４８表面に緩
衝層１４を嵌入可能な溝４８ａが形成され、緩衝層１４
がこの溝４８ａに嵌入された状態で放熱板４８に接着さ
れるように構成される。上記以外は第１の実施の形態と
同一に構成される。このように構成されたパワーモジュ
ール用基板４１では、緩衝層１４を水冷シンク部１９に
近付けることができるので、半導体チップ２３が発生し
た熱が緩衝層１４から放熱板４８を通って速やかに水冷
シンク部１９に伝わる。この結果、水冷シンク部１９を
通過する冷却水１９ａが上記熱を受け取ってパワーモジ
ュール用基板４１外に持ち去るので、ヒートシンク４３
による冷却効率を向上することができる。従って、パワ
ーモジュール用基板４１が過熱することはない。上記以
外の動作は第１の実施の形態の動作と略同様であるの
で、繰返しの説明を省略する。
【００２０】図３は本発明の第３の実施の形態を示す。
図３において図２と同一符号は同一部品を示す。この実
施の形態では、ヒートシンク６３の放熱板６８表面に緩
衝層６４を嵌入可能な溝６８ａが形成され、この溝６８
ａの底面に凹凸６８ｂが形成され、更にこの溝６８ａに
嵌入される緩衝層６４の底面に上記溝６８ａ底面の凹凸
６８ｂに相応する凹凸６４ａが形成される。上記以外は
第２の実施の形態と同一に構成される。このように構成
されたパワーモジュール用基板６１では、緩衝層６４と
放熱板６８との接触面積が増大するので、半導体チップ
２３にて発生した熱が緩衝層６４から放熱板６８に速や
かに伝わる。上記以外の動作は第２の実施の形態の動作
と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。なお、
上記第２及び第３の実施の形態では、ヒートシンクの表
面に緩衝層を嵌入可能な溝を形成し、緩衝層を溝に嵌入
した状態でヒートシンクに接着したが、ヒートシンクの
表面に緩衝層を嵌入可能な凹部を形成し、緩衝層を凹部
に嵌入した状態でヒートシンクに接着してもよい。
図３において図２と同一符号は同一部品を示す。この実
施の形態では、ヒートシンク６３の放熱板６８表面に緩
衝層６４を嵌入可能な溝６８ａが形成され、この溝６８
ａの底面に凹凸６８ｂが形成され、更にこの溝６８ａに
嵌入される緩衝層６４の底面に上記溝６８ａ底面の凹凸
６８ｂに相応する凹凸６４ａが形成される。上記以外は
第２の実施の形態と同一に構成される。このように構成
されたパワーモジュール用基板６１では、緩衝層６４と
放熱板６８との接触面積が増大するので、半導体チップ
２３にて発生した熱が緩衝層６４から放熱板６８に速や
かに伝わる。上記以外の動作は第２の実施の形態の動作
と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。なお、
上記第２及び第３の実施の形態では、ヒートシンクの表
面に緩衝層を嵌入可能な溝を形成し、緩衝層を溝に嵌入
した状態でヒートシンクに接着したが、ヒートシンクの
表面に緩衝層を嵌入可能な凹部を形成し、緩衝層を凹部
に嵌入した状態でヒートシンクに接着してもよい。
【００２１】図４は本発明の第４の実施の形態を示す。
図４において図１と同一符号は同一部品を示す。この実
施の形態では、ヒートシンクとして、内部に冷却水７３
ａが通過する冷却水通路７３ｂが形成された水冷式ヒー
トシンク７３が使用される。この水冷式ヒートシンク７
３はＡｌにより形成され、絶縁基板１２の表面積の１〜
３倍の表面積を有し、かつ絶縁基板１２の厚さの１．５
〜５０倍の厚さを有する。緩衝層１４はこの水冷式ヒー
トシンク７３にろう付け用箔（図示せず）を介して直接
積層接着される。ろう付け用箔としては８７．０〜９
６．０重量％のＡｌと４．０〜１３．０重量％のＳｉと
の合金であるＡｌ−Ｓｉ系箔を用いることが好ましい。
上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。この
ように構成されたパワーモジュール用基板７１では、緩
衝層１４が水冷式ヒートシンク７３に直接積層接着され
るので、半導体チップ２３が発生した熱が緩衝層１４か
ら速やかに水冷式ヒートシンク７３に伝わる。この結
果、水冷式ヒートシンク７３を通過する冷却水７３ａが
上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板７１外に持
ち去るので、ヒートシンク７３による冷却効率を更に向
上することができる。上記以外の動作は第１の実施の形
態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略す
る。
図４において図１と同一符号は同一部品を示す。この実
施の形態では、ヒートシンクとして、内部に冷却水７３
ａが通過する冷却水通路７３ｂが形成された水冷式ヒー
トシンク７３が使用される。この水冷式ヒートシンク７
３はＡｌにより形成され、絶縁基板１２の表面積の１〜
３倍の表面積を有し、かつ絶縁基板１２の厚さの１．５
〜５０倍の厚さを有する。緩衝層１４はこの水冷式ヒー
トシンク７３にろう付け用箔（図示せず）を介して直接
積層接着される。ろう付け用箔としては８７．０〜９
６．０重量％のＡｌと４．０〜１３．０重量％のＳｉと
の合金であるＡｌ−Ｓｉ系箔を用いることが好ましい。
上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。この
ように構成されたパワーモジュール用基板７１では、緩
衝層１４が水冷式ヒートシンク７３に直接積層接着され
るので、半導体チップ２３が発生した熱が緩衝層１４か
ら速やかに水冷式ヒートシンク７３に伝わる。この結
果、水冷式ヒートシンク７３を通過する冷却水７３ａが
上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板７１外に持
ち去るので、ヒートシンク７３による冷却効率を更に向
上することができる。上記以外の動作は第１の実施の形
態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略す
る。
【００２２】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、パ
ワーモジュール用基板の絶縁基板とヒートシンクとの間
に、絶縁基板の表面積の１〜３倍の表面積を有する緩衝
層を介装接着し、緩衝層を絶縁基板の熱膨張係数とヒー
トシンクの熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する材料に
より形成したので、絶縁基板及びヒートシンクの熱膨張
係数の相違に基づく絶縁基板及びヒートシンクの変形の
相違が緩衝層により吸収される。この結果、絶縁基板に
発生する内部応力が小さくなるので、絶縁基板の熱応力
による負荷を抑制することができる。また絶縁基板をＡ
ｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3により形成し、ヒートシン
クをＡｌ又はＣｕにより形成し、更に緩衝層をＡｌＳｉ
Ｃ、カーボン板又はＡｌＣ複合材により形成すれば、ヒ
ートシンクが高価なＡｌＳｉＣにより形成される従来の
パワーモジュール用基板より製造コストを低減すること
ができる。
ワーモジュール用基板の絶縁基板とヒートシンクとの間
に、絶縁基板の表面積の１〜３倍の表面積を有する緩衝
層を介装接着し、緩衝層を絶縁基板の熱膨張係数とヒー
トシンクの熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する材料に
より形成したので、絶縁基板及びヒートシンクの熱膨張
係数の相違に基づく絶縁基板及びヒートシンクの変形の
相違が緩衝層により吸収される。この結果、絶縁基板に
発生する内部応力が小さくなるので、絶縁基板の熱応力
による負荷を抑制することができる。また絶縁基板をＡ
ｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3により形成し、ヒートシン
クをＡｌ又はＣｕにより形成し、更に緩衝層をＡｌＳｉ
Ｃ、カーボン板又はＡｌＣ複合材により形成すれば、ヒ
ートシンクが高価なＡｌＳｉＣにより形成される従来の
パワーモジュール用基板より製造コストを低減すること
ができる。
【００２３】また緩衝層の厚さを絶縁基板の厚さの１．
５〜５０倍に形成すれば、絶縁基板及びヒートシンクの
熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板及びヒートシンクの
変形の相違を緩衝層により確実に吸収することができる
ので、絶縁基板にかかる熱応力による負荷を確実に抑制
することができる。また絶縁基板と緩衝層とヒートシン
クとをろう付け用箔を介して積層接着すれば、絶縁基
板，緩衝層及びヒートシンクを一体として１回の熱処理
で製造することができ、パワーモジュール用基板の生産
性を向上することができる。
５〜５０倍に形成すれば、絶縁基板及びヒートシンクの
熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板及びヒートシンクの
変形の相違を緩衝層により確実に吸収することができる
ので、絶縁基板にかかる熱応力による負荷を確実に抑制
することができる。また絶縁基板と緩衝層とヒートシン
クとをろう付け用箔を介して積層接着すれば、絶縁基
板，緩衝層及びヒートシンクを一体として１回の熱処理
で製造することができ、パワーモジュール用基板の生産
性を向上することができる。
【００２４】またヒートシンクが放熱板と水冷シンク部
とを有し、放熱板の表面に緩衝層を嵌入可能な溝又は凹
部を形成し、緩衝層を溝又は凹部に嵌入した状態で放熱
板に接着すれば、緩衝層を水冷シンク部に近付けること
ができるので、半導体チップ等の発熱体が発生した熱が
緩衝層から放熱板を通って速やかに水冷シンク部に伝わ
る。この結果、水冷シンク部を通過する冷却水が上記熱
を受け取ってパワーモジュール用基板外に持ち去るの
で、ヒートシンクによる冷却効率を向上することがで
き、パワーモジュール用基板が過熱することはない。一
方、ヒートシンクとして水冷式ヒートシンクを使用し、
緩衝層をこの水冷式ヒートシンクにろう付け用箔を介し
て直接積層接着すれば、冷却効率を更に向上することが
できる。更に絶縁基板の上面に回路層を形成し、この回
路層にはんだ層を介して半導体チップを取付ければ、絶
縁基板及びヒートシンクの熱膨張又は熱収縮時の変形の
相違を緩衝層により確実に吸収することができるので、
上記はんだ層の劣化を抑制することができる。
とを有し、放熱板の表面に緩衝層を嵌入可能な溝又は凹
部を形成し、緩衝層を溝又は凹部に嵌入した状態で放熱
板に接着すれば、緩衝層を水冷シンク部に近付けること
ができるので、半導体チップ等の発熱体が発生した熱が
緩衝層から放熱板を通って速やかに水冷シンク部に伝わ
る。この結果、水冷シンク部を通過する冷却水が上記熱
を受け取ってパワーモジュール用基板外に持ち去るの
で、ヒートシンクによる冷却効率を向上することがで
き、パワーモジュール用基板が過熱することはない。一
方、ヒートシンクとして水冷式ヒートシンクを使用し、
緩衝層をこの水冷式ヒートシンクにろう付け用箔を介し
て直接積層接着すれば、冷却効率を更に向上することが
できる。更に絶縁基板の上面に回路層を形成し、この回
路層にはんだ層を介して半導体チップを取付ければ、絶
縁基板及びヒートシンクの熱膨張又は熱収縮時の変形の
相違を緩衝層により確実に吸収することができるので、
上記はんだ層の劣化を抑制することができる。
【図１】本発明第１実施形態のパワーモジュール用基板
の断面図。
の断面図。
【図２】本発明の第２実施形態を示す図１に対応する断
面図。
面図。
【図３】本発明の第３実施形態を示す図１に対応する断
面図。
面図。
【図４】本発明の第４実施形態を示す図１に対応する断
面図。
面図。
【図５】従来例を示す図１に対応する断面図。
【図６】別の従来例を示す図１に対応する断面図。
１１，４１，６１，７１ パワーモジュール用基板 １２ 絶縁基板 １３，４３，６３ ヒートシンク １４，６４ 緩衝層 １８，４８，６８ 放熱板 １９ 水冷シンク部 １９ａ 冷却水 １９ｂ 冷却水通路 ２２ はんだ層 ２３ 半導体チップ ４８ａ，６８ａ 溝 ７３ 水冷式ヒートシンク（ヒートシンク） ７３ａ 冷却水 ７３ｂ 冷却水通路
フロントページの続き (72)発明者 久保 和明 埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地 三菱 マテリアル株式会社総合研究所内 (72)発明者 島村 正一 埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地 三菱 マテリアル株式会社総合研究所内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BA10 BA24 BB01 BB21 BC05 BC06 BD01 BD03 BD11 BD13
Claims (7)
- 【請求項１】 絶縁基板(12)とヒートシンク(13,43,63)
との間に、前記絶縁基板(12)の表面積の１〜３倍の表面
積を有する緩衝層(14,64)が介装接着されたパワーモジ
ュール用基板であって、 前記緩衝層(14,64)が前記絶縁基板(12)の熱膨張係数と
前記ヒートシンク(13,43,63)の熱膨張係数の間の熱膨張
係数を有する材料により形成されたことを特徴とするパ
ワーモジュール用基板。 - 【請求項２】 絶縁基板(12)がＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡ
ｌ2Ｏ3により形成され、ヒートシンク(13,43,63)がＡｌ
又はＣｕにより形成され、緩衝層(14,64)がＡｌＳｉ
Ｃ、カーボン板又はＡｌＣ複合材により形成された請求
項１記載のパワーモジュール用基板。 - 【請求項３】 緩衝層(14,64)の厚さが絶縁基板(12)の
厚さの１．５〜５０倍である請求項１又は２記載のパワ
ーモジュール用基板。 - 【請求項４】 絶縁基板(12)と緩衝層(14,64)とヒート
シンク(13,43,63)とがろう付け用箔を介して積層接着さ
れた請求項１ないし３いずれか記載のパワーモジュール
用基板。 - 【請求項５】 ヒートシンク(43,63)が緩衝層(14,64)に
接着された放熱板(48,68)と、この放熱板(48,68)に取付
けられ内部に冷却水(19a)が通過する冷却水通路(19b)が
形成された水冷シンク部(19)とを有し、 前記放熱板(48,68)の表面に前記緩衝層(14,64)を嵌入可
能な溝(48a,68a)又は凹部が形成され、前記緩衝層(14,6
4)が前記溝(48a,68a)又は前記凹部に嵌入された状態で
前記放熱板(48,68)に接着された請求項１ないし４いず
れか記載のパワーモジュール用基板。 - 【請求項６】 ヒートシンクは内部に冷却水(73a)が通
過する冷却水通路(73b)が形成された水冷式ヒートシン
ク(73)であって、 緩衝層(14)が前記水冷式ヒートシンク(73)にろう付け用
箔を介して直接積層接着された請求項１ないし３いずれ
か記載のパワーモジュール用基板。 - 【請求項７】 絶縁基板(12)の上面に回路層(16)が形成
され、前記回路層(16)にはんだ層(22)を介して半導体チ
ップ(23)が取付けられた請求項１ないし６いずれか記載
のパワーモジュール用基板。
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