JP2002093968A - モジュール構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】長期間に渡って半導体素子下部の半田でのクラ
ック、セラミックス基板でのクラックが発生しがたく、
しかも熱放散性に優れる安価なモジュール構造体を提供
する。 【解決手段】セラミックス基板の一主面に電子部品を搭
載するための回路を有し、他の一主面には放熱板を設け
ているセラミックス回路基板を、冷却ユニットに接合し
てなるモジュール構造体であって、前記放熱板がアルミ
ニウムを主成分とする金属からなり、しかも前記放熱板
と前記冷却ユニットとをアルミニウム系ロウ材で接合し
てなることを特徴とするモジュール構造体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス回路
基板を冷却ユニットに接合してなるモジュール構造体、
ことに電源用途向けのパワーモジュールに好適なモジュ
ール構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＧＢＴやＩＰＭを初めとするパワーモ
ジュール等においては、酸化アルミニウム（Ａｌ
₂Ｏ₃）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニウム（Ａ
lＮ）等のセラミックス基板からなる回路基板を、銅
（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａl）等の金属からなる放熱
板（ヒートシンクともいう）に半田付けした後、樹脂ケ
ース等を取り付けることでパワーモジュールが得られて
いる。

【０００３】一方、電鉄車両やハイブリッドカーを含む
電気自動車等の車載用途において、パワーモジュールに
一層の高信頼性が要求されている。パワーモジュールの
信頼性を損なう要因としては、使用されているセラミッ
クス基板の割れや、セラミックス基板と放熱板との接合
に使用されている半田にクラックが発生することが知ら
れている。

【０００４】セラミックス基板に発生するクラックは絶
縁不良の原因となるし、セラミックス基板と放熱板との
間の半田に発生するクラックは放熱性を悪化させ、その
結果半導体素子の動作不能を引き起こしてしまい、パワ
ーモジュールとしての寿命を縮めることに直結してしま
うので、前記問題の発生が極力防止された、長期に渡っ
て信頼性の高いモジュールが求められている。

【０００５】上記の事情から、セラミックス基板に生じ
るクラックを防止するために、応力緩和性に優れるアル
ミニウム（Ａｌ）を回路用金属として用いることや、セ
ラミックス基板と放熱板との間に用いられる半田に発生
する熱応力を低減させるためにセラミックス基板に近い
熱膨張率を有するＡｌ−ＳｉＣ或いはＭｏ−Ｃｕ等の複
合材を放熱板として用いることが提案されている。

【０００６】セラミックス基板と複合材からなる放熱板
とを組み合わせて得られるモジュールは高信頼性を有
し、電鉄車両やハイブリッドカーなどに好適なものであ
るが、このような構造のものの冷却性能は十分と言える
程に高いとは言えず、さらに値段が高いという大きな欠
点がある。

【０００７】冷却性能についてみると、従来のモジュー
ルは放熱板と冷却ユニットとの間が放熱グリースを介し
て固定されていること、更に、セラミックス基板と放熱
板とが半田で接合されていることが主原因と考えられて
いる。半田や放熱グリースはセラミックス基板や放熱板
などに比べて熱伝導率が非常に低く、モジュール構造体
の全体の冷却性能のボトルネックとなっている。

【０００８】冷却性能が高ければモジュールの寸法や重
量を減少することができるが、例えば車載用途におい
て、コンパクトなモジュールは設置スペースの確保や軽
量化につながるという大きな利点が期待され、このた
め、モジュール構造体の冷却性能の更なる向上が望まれ
ている。

【０００９】また、コスト面についてみると、モジュー
ル本体価格が高価であることが大きな欠点となってい
る。その主な原因は、Ａｌ−ＳｉＣ等の複合材料は特殊
な製法によらざるをえないためであり、このことが高信
頼性モジュールの用途拡大の足かせになっている。コス
トが安くかつ信頼性が高いパワーモジュールの開発が熱
望されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に鑑みてなされたものであり、モジュール構造体の全体
の冷却性能を大きく向上させ、更に、従来公知のＡｌ−
ＳｉＣ複合材製の放熱板を用いた場合と同等以上の信頼
性を持ちながらもコストダウンを可能にするモジュール
構造体を提供することを目的としている。

【００１１】セラミックス基板と冷却ユニットとの間の
半田を無くすために、高温ロウ材によりセラミックス基
板と放熱板とを接合することになるが、一般的に、熱膨
張率の大きく異なる金属とセラミックス基板とを高温ろ
う材にて接合する場合には次に述べるような問題点が存
在する。

【００１２】即ち、高温ろう材を用いてセラミックス基
板と放熱板とが直接に接合されたことにより、従来のモ
ジュール構造体の場合に比べて、基板や放熱板に発生す
る熱応力が大きくなり、セラミックス基板にクラックが
発生し易くなる。

【００１３】これを解決するために、セラミックス基板
と冷却ユニットとを半田付けした構造も提案（特開平１
１−３４６４８０号公報）されているが、半田をセラミ
ックス基板と金属との接合材として用いる限り、ハイブ
リッドカー用途に必要なヒートサイクルを３０００回経
ても半田でのクラックやセラミックス基板でのクラック
が発生しないといった信頼性を得ることはとてもできな
い。また、熱抵抗が大きい半田を使用していては十分な
冷却性能を有するモジュール構造体を得ることはできな
い。また、前述したとおりに、半田でのクラックが発生
すると、モジュール中の半導体素子等の電子部品や回路
から発生する熱の放散性を悪化させてしまうので実用上
好ましくない。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記事情に
鑑みて鋭意検討し、モジュール構造体の構造とその信頼
性並びに放熱特性を評価することにより、特定の構造を
有するモジュール構造体が、長期間に渡って半導体素子
下部の半田でのクラック、セラミックス基板でのクラッ
クが発生しがたく、しかも熱放散性に優れることを見出
し、本発明に至ったものであり、本発明は、従来存在し
ていた冷却ユニットと基板間に存在する放熱グリースと
半田とを廃することで、セラミックス基板をアルミニウ
ム合金などの冷却ユニットに直接接合してなるモジュー
ル構造体でありながら、各部材に適切な材料を選ぶこと
により、高い冷却性能と高い信頼性を両立させると同時
に低コストを実現させたものである。

【００１５】即ち、本発明は、セラミックス基板の一主
面に電子部品を搭載するための回路を有し、他の一主面
には放熱板を設けているセラミックス回路基板を、冷却
ユニットに接合してなるモジュール構造体であって、前
記放熱板がアルミニウムを主成分とする金属からなり、
しかも前記放熱板と前記冷却ユニットとをアルミニウム
系ロウ材で接合してなることを特徴とするモジュール構
造体である。

【００１６】又、本発明は、セラミックス回路基板の回
路の少なくともセラミックス基板に接する面が、アルミ
ニウムを主成分とする金属からなることを特徴とする前
記のモジュール構造体であり、好ましくは、アルミニウ
ム系ロウ材が、マグネシウムと、銅及び／又は亜鉛とを
含有することを特徴とする前記のモジュール構造体であ
り、更に好ましくは、セラミックス基板が窒化珪素又は
窒化アルミニウムであることを特徴とする前記のモジュ
ール構造体である。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明者が鋭意実験をおこなって
検討した結果、金属製冷却ユニットにセラミックス回路
基板をロウ付けにより接合してなるモジュール構造体で
あって、しかも特定の積層構造を有するときに、長期間
に渡って半導体素子下部の半田でのクラック、並びにセ
ラミックス基板におけるクラックが発生しがたく、熱放
散性と長期に渡る信頼性に優れるパワーモジュールが得
られるという知見を得て、本発明に至ったものである。

【００１８】本発明のモジュール構造体は、一主面上に
電子部品を搭載するための回路を有し他の一主面上に放
熱板を有しているセラミックス回路基板を、冷却ユニッ
トに接合してなるモジュール構造体であって、前記放熱
板がアルミニウムを主成分とする金属からなり、しかも
前記放熱板と前記冷却ユニットとをアルミニウム系ロウ
材で接合していることを特徴としており、この構成を採
用することで、長期に渡って熱放散性と信頼性に優れる
パワーモジュールを得ることができるという特徴があ
る。

【００１９】また、本発明において、セラミックス回路
基板に設けられている電子部品を搭載するための回路に
ついて、該回路の少なくともセラミックス基板に接する
面がアルミニウムを主成分とする金属からなることが好
ましい。このような構成を採用するときに、モジュール
構造体が実使用下で被る加熱冷却の繰り返しに対する耐
久性が一層向上し、より長期に渡って熱放散性と信頼性
に優れるパワーモジュールが得られるという利点があ
る。

【００２０】本発明に用いられるセラミックス回路基板
に関して、セラミックス基板は必要とされる電気絶縁特
性や高熱伝導率や高機械的強度などの特性を満たしてい
ればどの様なものでも構わないが、極めて高い熱伝導率
を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、或いは高い強度
と比較的高い熱伝導率を兼ね備えた窒化珪素（Ｓｉ
₃Ｎ₄）がより好ましい。

【００２１】セラミックス基板上に設けられる回路に関
しては、前述のとおりに、少なくともセラミックス基板
に接する表面がアルミニウムを主成分とする金属からな
ることが好ましいが、回路の前記部分以外を構成する材
質は良導電性の金属であればどの様なものでもかまわな
い。しかし、安価で熱伝導率が高く電気伝導性にも優れ
るという理由から、銅やアルミニウム並びにその合金が
好ましく用いられ、ことに、電気伝導率が高く、しかも
応力発生に対して塑性変形能が高いことから、高純度の
銅やアルミニウムがより好ましく選択される。

【００２２】また冷却ユニットに用いられる金属につい
ては、比較的安価で熱伝導率が高いアルミニウムあるい
は銅、またはそれらを主成分とする合金などが好ましく
用いられる。また、前記の金属、合金を部分的に用いた
構造のものであっても構わない。更に、耐久性を向上し
たり、他の部品と接合しやすくしたりする目的で、予め
冷却ユニット表面にメッキ等の操作によりＮｉ層を設け
ておいても良い。

【００２３】本発明のモジュール構造体を得る方法とし
て、以下に例示する方法が、安定して高い歩留まりで本
発明のモジュール構造体が得られることから好ましい
が、本発明が以下例示の製造方法により得られるモジュ
ール構造体に限定されるものではない。

【００２４】予め一主面上に回路を設けたセラミックス
基板を用意し、前記セラミックス基板の回路を設けてい
ない主面側に、ロウ材を介して、金属製放熱板を配置し
て、加圧下でロウ材の一部を溶融するように加熱し、接
合することで、一主面側に回路を他の一主面側に放熱板
を有するセラミックス回路基板を作製する。

【００２５】前記セラミックス回路基板の回路上に半導
体素子等の電子部品を搭載し、ワイヤーボンディングす
る等の操作を加えて回路を完成する。電子部品の搭載を
半田付けにより行う場合は、必要に応じて、製造工程の
適当な段階で所望の箇所にメッキ処理を予め行っておけ
ば良い。

【００２６】尚、回路をセラミックス基板に接合する場
合、放熱板をセラミックス基板に接合する場合、或いは
放熱板を金属製放熱フィンに接合する場合には、両者を
接合するロウ材として、マグネシウムと、銅とゲルマニ
ウムと珪素とからなる群から選ばれる１種以上の元素と
を含有するアルミニウム合金が、両者の密着性に優れ、
長期に渡って熱放散性と信頼性に優れるモジュール構造
体を得ることができるので、好ましい。

【００２７】ことに、前記回路のセラミックス基板側の
表面がアルミニウムからなる場合や放熱板或いは金属製
放熱フィンの表面がアルミニウムを主成分とする金属か
らなる場合には、ロウ材として、ＪＩＳ呼称２０１７ア
ルミニウム合金あるいはＪＩＳ呼称７０７５アルミニウ
ム合金を用いると、接合操作の際に、これらのアルミニ
ウム合金が回路表面、放熱板或いは放熱フィン表面のア
ルミニウム或いはアルミニウム合金と容易に一体化し、
より密着性に優れる接合ができ、更に好ましい。

【００２８】

【実施例】〔実施例１〕セラミックス基板として、３５
ｍｍ×３５ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさで、レーザー
フラッシュ法による熱伝導率が７０Ｗ／ｍＫ、三点曲げ
強さの平均値が５６０ＭＰａの窒化珪素基板を用意し
た。また、３２ｍｍ×３２ｍｍ×０．４ｍｍの大きさで
純度が９９．９％のアルミニウム板を用意した。

【００２９】窒化珪素基板の表裏両面に、ＪＩＳ呼称２
０１７アルミニウム合金箔（２０μｍ厚さ）を介して、
アルミニウム板を重ね、主面に対して垂直方向に加圧
し、真空中６３０℃×２０分の条件下で加熱しながらア
ルミニウム板と窒化珪素基板とを接合した。

【００３０】前記アルミニウム板表面の所望位置にエッ
チングレジストをスクリーン印刷して、エッチング処理
することにより、回路を形成して、セラミックス回路基
板を作製した。

【００３１】一方、１４０ｍｍ×８０ｍｍ×２０ｍｍの
大きさのアルミニウム合金製冷却ユニットを用意した。
この冷却ユニットは内部に送水通路が設けられており、
水を流すことによりユニット本体へ伝わったを熱を排す
る構造となっている。

【００３２】前記冷却ユニットと前記セラミックス回路
基板との間に厚さ２０μｍのＪＩＳ呼称２０１７アルミ
ニウム合金箔をはさみ、その状態で窒素雰囲気下６３０
℃で５分間加熱し、基板と冷却ユニットを接合すること
によりモジュール構造体を作製した（図１参照）。

【００３３】前記モジュール構造体について、以下に示
す方法で、冷却性能と信頼性とを評価した。この結果を
表１に示す。

【００３４】＜冷却性能試験＞セラミックス基板の回路
上にヒーターを取り付け、ヒーターの温度を熱電対によ
り測定することによって、モジュールとしての冷却性能
を調べた。なお、試験中のヒーター出力を１００Ｗ、水
冷ユニット中の冷却水の温度を６０℃に固定して測定し
た。

【００３５】＜信頼性試験＞セラミックス回路基板上の
回路に、大きさ１３ｍｍ×１３ｍｍ×１ｍｍの半導体素
子を高温半田で半田付けし、−４０℃×３０分とした後
１２５℃×３０分とすることを１回とするヒートサイク
ル試験を行い、５００回、１０００回、３０００回経過
後に、半導体素子下部の半田部分と、セラミックス基板
と水冷ユニットとの間について、接合状態をＳＡＴ（超
音波映像探傷装置）により調べた。

【００３６】

【表１】

【００３７】〔実施例２〕実施例１において、セラミッ
クス回路基板を得た後、セラミックス回路基板全体に無
電解法でＮｉメッキしたこと、また、セラミックス回路
基板と冷却ユニットとの接合にＪＩＳ呼称７０７５アル
ミニウム合金箔を用い、接合操作時の温度を５８０℃と
したこと以外は、実施例１と同じ操作をしてモジュール
構造体を作製し、実施例１と同じ評価を行った。この結
果を表１に示す。

【００３８】〔実施例３〕実施例１に用いた窒化珪素基
板と、金属板として３２ｍｍ×３２ｍｍ×０．４ｍｍの
無酸素銅板と純度９９．９％アルミニウム板とを用意し
た。また、ロウ材としてＡｇ、Ｃｕ、Ｔｉの混合粉（Ａ
ｇ：Ｃｕ：Ｔｉ＝９０：１０：５質量％）とＰＭＭＡバ
インダーとテルピネオールを適量混合したものを用意し
た。

【００３９】前記窒化珪素基板の表面に、前記ロウ材を
スクリーン印刷により塗布した。そして前記銅板を重
ね、真空中８５０℃×２０分の条件下で加熱しながら銅
板と窒化珪素基板とを接合した。

【００４０】銅板表面の所望位置にエッチングレジスト
をスクリーン印刷して、エッチング処理することにより
回路形成した。次に、前記窒化珪素基板の銅板が接合さ
れた面とは反対側の面にＪＩＳ呼称２０１７アルミニウ
ム合金箔（２０μｍ厚さ）を介して前記アルミニウム板
を重ね、主面に対して垂直方向の圧力を黒鉛治具にて負
荷した。そしてその状態で、真空中６３０℃×２０ｍｉ
ｎの条件下で加熱しながらアルミニウム板と窒化珪素基
板とを接合し、片面に銅からなる回路を有し、他の片面
にアルミニウムからなる放熱板を設けたセラミックス回
路基板を得た。

【００４１】次に、実施例１に用いたものと同じアルミ
合金製冷却ユニットを用意した。そして、前記セラミッ
クス回路基板のアルミニウムからなる放熱板側に厚さ２
０μｍのＪＩＳ呼称２０１７アルミニウム合金箔を配置
し、前記アルミニウム合金箔が冷却ユニットに接するよ
うにして、冷却ユニット上に配置した。前記冷却ユニッ
トとアルミニウム合金箔とセラミックス回路基板と積層
したもの全体を黒鉛治具を用いて加圧した。そして窒素
雰囲気下６３０℃で５分間加熱し、セラミックス回路基
板と冷却ユニットとを接合することにより、モジュール
構造体を作製した。このモジュール構造体について、実
施例１と同様に評価した。この結果を表１に示す。

【００４２】〔比較例１〕セラミックス基板として、３
５ｍｍ×３５ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさで、レーザ
ーフラッシュ法による熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫ、３点
曲げ強さの平均値が３６０ＭＰａの窒化アルミニウム基
板を用意し、実施例３と同じ操作を行いセラミックス回
路基板を得た。さらに、セラミックス回路基板全体に無
電解法でＮｉ−Ｐメッキを行った。

【００４３】大きさが６０ｍｍ×８０ｍｍ×３ｍｍのＮ
ｉメッキされた無酸素銅からなる放熱板を用意し、共晶
半田でセラミックス基板に半田付けした。

【００４４】１４０ｍｍ×８０ｍｍ×２０ｍｍの大きさ
のアルミニウム合金製冷却ユニットを用意した。そし
て、前記のセラミックス回路基板が半田付けされた放熱
板と冷却ユニットとのそれぞれの表面に、厚さ２５μｍ
づつの高熱伝導性シリコーングリースを塗布して、ネジ
止めしたものを作製し（図２参照）、実施例１と同じ評
価を行った。この結果を表１に示した。

【００４５】〔比較例２〕比較例１の窒化アルミニウム
基板と、回路用の金属板として３２ｍｍ×３２ｍｍ×
０．４ｍｍの純度が９９．９％のアルミニウム板を用意
した。

【００４６】前記窒化アルミニウム基板の表裏両面に、
ＪＩＳ呼称２０１７アルミニウム合金箔（２０μｍ厚
さ）を介して前記アルミニウム板を重ね、主面に対して
垂直方向の圧力を負荷した。そして、真空中６３０℃×
２０分の条件下で加熱しながら窒化アルミニウム基板と
アルミニウム板とを接合した。

【００４７】アルミニウム板表面の所望位置にエッチン
グレジストをスクリーン印刷して、エッチング処理する
ことにより回路を形成し、セラミックス回路基板を作製
した。さらに、セラミックス回路基板にＮｉメッキを施
した。

【００４８】大きさが６０ｍｍ×８０ｍｍ×３ｍｍのＮ
ｉメッキされたＡｌ−ＳｉＣ複合材からなる放熱板を用
意し、共晶半田で上記窒化アルミニウム基板の回路を形
成していない面に半田付けした。

【００４９】１４０ｍｍ×８０ｍｍ×２０ｍｍの大きさ
のアルミニウム合金製冷却ユニットを用意した。そし
て、前記のセラミックス回路基板が半田付けされた放熱
板と冷却ユニットとの互いに接する面に、それぞれ厚さ
２５μｍの高熱伝導性シリコーングリースを塗布して、
ネジ止めしたものを作製した（図３参照）。このモジュ
ール構造体について、実施例１と同じ評価を行い、この
結果を表１に示した。

【００５０】

【発明の効果】本発明のモジュール構造体は、安価な金
属を放熱材として用いながらも、半導体素子下部の半田
でのクラック並びにセラミックス基板でのクラックが発
生しがたく、長期間に渡って熱放散性と信頼性に優れる
特徴があり、産業上非常に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係るモジュール構造体の断
面図。

【図２】比較例１に係るモジュール構造体の断面図。

【図３】比較例２に係るモジュール構造体の断面図。

【符号の説明】

１ 回路 ２ セラミックス基板 ３ 放熱板 ４ ロウ材 ５ 冷却ユニット ６ 半田 ７ グリース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4E351 AA07 DD10 DD21 GG04 5E322 AA11 AB02 AB09 EA10 FA06 5E338 AA02 AA18 BB71 EE01 EE02 EE28 EE33 5F036 AA01 BB01 BB08 BC06 BD03 BD13

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス基板の一主面に電子部品を搭
   載するための回路を有し、他の一主面には放熱板を設け
   ているセラミックス回路基板を、冷却ユニットに接合し
   てなるモジュール構造体であって、前記放熱板がアルミ
   ニウムを主成分とする金属からなり、しかも前記放熱板
   と前記冷却ユニットとをアルミニウム系ロウ材で接合し
   てなることを特徴とするモジュール構造体。
2. 【請求項２】セラミックス回路基板の回路の少なくとも
   セラミックス基板に接する面が、アルミニウムを主成分
   とする金属からなることを特徴とする請求項１記載のモ
   ジュール構造体。
3. 【請求項３】アルミニウム系ロウ材が、マグネシウム
   と、銅及び／又は亜鉛とを含有することを特徴とする請
   求項１又は請求項２記載のモジュール構造体。
4. 【請求項４】セラミックス基板が窒化珪素又は窒化アル
   ミニウムであることを特徴とする請求項１、請求項２又
   は請求項３記載のモジュール構造体。