JP2004158659A

JP2004158659A - Module structure and module employing same

Info

Publication number: JP2004158659A
Application number: JP2002323337A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Emoto; 秀幸江本; Masahiro Ibukiyama; 正浩伊吹山; Isao Sugimoto; 勲杉本; Manabu Uto; 学宇都
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2022-11-07
Also published as: JP4104429B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To ensure high reliability for a long period of time by reducing deformation and warpage of a module structure which is comprised of a ceramics circuit board and a metal heat sink. <P>SOLUTION: A module member has an arrangement wherein the ceramics circuit board is jointed to the metal heat sink through a metal plate (A) mainly made of aluminum. In the member, (1) the thickness of the metal plate (A) should be 400 μm or more and 1200 μm or below; (2) the metal heat sink should consists of an aluminum alloy whose Vickers hardness after heating for four minutes at a temperature of 630°C is 30 HV or more; and (3) exothermic electrical parts each mounted at a desired position on circuit forming metal plates (B) should be sequentially provided on the ceramics circuit board, a notch should be formed in the metal plate (B) and/or metal heat sink, and the notch should be provided outside a conical-trapezoid region which is defined by a group of straight lines oriented downward from an edge of the exothermic electrical part that contacts the metal plate (B), at an angle of 45° with respect to the vertical direction. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー素子等の発熱電気部品を搭載したセラミックス回路基板と金属製ヒートシンクからなるモジュールに関し、こと電源用途に好適に用いられるモジュールと、それに用いられるモジュール構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーエレクトロニクスの進歩により、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴなどのパワーデバイスにより制御される機器が急速に増えつつある。中でも、電鉄、車両などの移動機器において、パワーデバイス化が急速に進んでいる。また、環境問題への関心の高まりと共に、電気自動車やガソリンエンジンと電気モーターを併用するハイブリッドカー等が市販され始めており、それらに搭載されるパワーモジュールの需要の伸びが期待されている。この様な用途には、その使用目的から、格別に高い信頼性が要求されている。
【０００３】
従来のパワーモジュールでは、半導体素子等で発生する熱を外に逃がして、半導体素子の温度が所定の温度以上に上がらないようにするため、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス回路基板上に半田付けにより半導体素子を搭載し、それを銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属からなるヒートシンクに半田付けしてなる構造が一般的であった。
【０００４】
しかし、この様な構造の場合、半導体素子の動作に伴う繰り返しの熱サイクルや動作環境における温度変化等を被ったときに、セラミックス回路基板とヒートシンクの間の半田層にクラックが発生する場合がある。半田層にクラックが発生するのは、セラミックス基板とヒートシンクとの熱膨張差により発生する熱応力のためである。そして、半田層のクラック（以下、単に「半田クラック」ともいう）の存在は、半導体素子で発生した熱の放散性を低下させ、半導体素子の温度が上昇し、その結果、半導体素子が劣化し、パワーモジュール全体の信頼性を低下させる。
【０００５】
また、半導体装置の高集積化、大電力化に伴って、より高い放熱性が求められているとともに、環境汚染の面から半田の鉛フリー化が望まれている。しかし、いわゆる鉛フリー半田は、現在多用されているＰｂ−Ｓｎ系半田に比べて熱伝導率は高いものの信頼性が劣っているという問題がある。
【０００６】
これらの問題を避けるために、熱膨張率がよりセラミックス基板に近いＡｌ−ＳｉＣ複合材あるいはＣｕ−Ｍｏ複合材をヒートシンクに用いることが検討されているが、従来の金属製ヒートシンクに比べて特殊な方法により製造せざるを得ない上に、加工工程や表面処理工程のコストが高く、金属製ヒートシンクより遙かに高価になるという問題がある。
【０００７】
一方、半田に代えてろう材を用いてヒートシンクとセラミックス回路基板とを直接に接合することにより、半田クラックの発生を避け、同時に熱放散性も改善する試みがなされている（特開平９−９７８６５号公報、特開平１０−２７０５９６号公報参照）。
【０００８】
しかし、この場合には、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクとの熱膨張差により発生した熱応力により、接合界面の剥離やセラミックス基板の割れが起こりやすくなり、かつ、セラミックス回路基板上の半導体素子の下の半田に加わる応力も大きくなるため、半導体素子の下の半田クラックが一層発生しやすくなるという問題がある。また、パワーモジュール組み立て工程や実使用条件下で受ける熱履歴によって、ヒートシンクの形状や反りが大きく変化し、パワーモジュールの組み立て時に不都合が生じたり、ヒートシンクと放熱ブロックとの密着性の低下による熱放散性の低下が起きる場合がある。
【０００９】
【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、その目的は、パワーモジュール組み立て工程や実使用条件下で受ける熱履歴によっても、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクから構成されるモジュール構造体の形状変化が小さく、組み立てが容易であり、そして、接合界面での剥離、セラミックス基板の割れ、半田層にクラック等の異状が発生し難く、かつ熱放散性のよい、長期に渡って高い信頼性を維持することのできるモジュールを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的を達成するべく種々の実験的検討を重ね、セラミックス基板と金属製ヒートシンクとの間に応力緩衝層を設けた構造体において、金属製ヒートシンク及び応力緩衝層となる金属板に種々の対策を設けるとき、得られるモジュール構造体が、組み立て工程や実使用条件下における熱履歴を受けても、形状変化や反り変化が小さく、しかも熱放散性が損なわれないことを見いだし、本発明に至ったものである。
【００１１】
即ち、本発明は、金属製ヒートシンクにセラミックス回路基板を、アルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）を介して、接合してなるモジュール構造体であって、前記アルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）の厚みが４００μｍ以上１２００μｍ以下であることを特徴とするモジュール構造体である。
【００１２】
また、好ましくは上記金属製ヒートシンクが、６３０℃、４分の加熱処理後のビッカース硬さが３０ＨＶ以上であるアルミニウム合金からなることを特徴とするモジュール構造体である。
【００１３】
前記金属板（Ａ）が、セラミックス回路基板および金属製ヒートシンクに、ろう材を介して接合されているのが好ましい。このろう材に、Ａｌを主成分とし、Ｍｇと、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ及びＡｇからなる群から選ばれる１種以上とを含有するものを用いると、信頼性の高い接合が得られる。
【００１４】
更に好ましくは、上記モジュール構造体を用い、セラミックス回路基板の金属板（Ａ）と反対側に設けられた回路形成されている金属板（Ｂ）上に、所望の位置に搭載された発熱性電気部品を設け、しかも前記金属板（Ａ）及び／又は前記金属製ヒートシンクの表面に切欠部を設けたモジュールであって、当該モジュールの断面を想定したときに、前記切欠部が前記発熱性電気部品の金属板（Ｂ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域に設けられていることを特徴とするモジュールである。
【００１５】
上記切欠部は、金属板（Ａ）の金属製ヒートシンクに接する側の表面、または、当該モジュールの発熱性電気部品のある側から眺めたときに、セラミックス基板に覆われた金属製ヒートシンク表面、または、当該モジュールの発熱性電気部品のある側から眺めたときに、セラミックス基板に覆われていない金属製ヒートシンク表面に設けられているのが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について説明する。
本発明に用いられるセラミックス基板は、必要とされる電気絶縁性や熱伝導率や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、高熱伝導率を有するセラミックスであ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ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）がより好適である。
【００１７】
本発明のモジュール構造体は、金属製ヒートシンクにセラミックス回路基板を接合してなる構造を有している。異材質の接合における熱応力の低減には、大きく２つの手法が知られている。その第１の手法においては、両材料の熱膨張差を低減するため、低熱膨張率のヒートシンクを使用する。しかし、この方法は前述の通りにコスト面の問題がある。第２の手法は、本発明が採用している方法であり、金属製ヒートシンクとセラミックス回路基板との間に応力緩衝層を挿入して、熱歪みを吸収するという考えに基づいており、低弾性率材料を中間層（応力緩和層）としてその塑性変形による熱応力緩和を行う手法である。
【００１８】
本発明においては、応力緩衝層として、厚みが４００μｍ以上１２００μｍ以下のアルミニウムを主成分とする金属板を用いることを特徴としている。応力緩和層としては、前述の通りに、その機械的特性として、弾性率及び降伏耐力が低いことが必須である。しかし、本発明においては、その用途への適用のために、熱放散の面から高熱伝導率であること、半導体素子の半田付け時に溶融しないこと、更にはセラミックス基板及び金属製ヒートシンクと十分な強度で接合が可能であること等の要求を満たす必要がある。
【００１９】
本発明者は、上記要求を満足する応力緩和層を見出すべく、種々の材質及び厚みについて鋭意検討を行った結果、本発明に至ったものである。本発明においては、応力緩和層にアルミニウムを主成分とする金属板を選択し、これを前記金属板（Ａ）として用いる。金属板（Ａ）として、例えばＪＩＳ呼称１０００番台のアルミニウム、中でも、純度９９質量％以上の高純度アルミニウム、更に好ましくは純度９９．９質量％以上の高純度アルミニウムを用いると良い。
【００２０】
また、本発明において、前記金属板（Ａ）の厚みは、４００μｍ以上１２００μｍ以下、好ましくは６００μｍ以上１０００μｍ以下である。前記厚みが１２００μｍを越えると、金属板（Ａ）とヒートシンクによって生じる応力が金属板（Ｂ）側に及び、シリコンチップ下の半田の耐久性に悪影響を与える場合がある。また、エッチングでパターンを形成するときにパターン精度の悪化やコストアップを招くので好ましくない。４００μｍよりも薄いと接合部からの元素拡散による硬化などのために緩衝層としての作用が不十分となったり、Ａｌ緩衝層が熱サイクルによる繰り返し応力に耐えられず破断を起こすことがある。
【００２１】
本発明は、金属製ヒートシンクとして、安価で熱伝導率が高い銅やアルミニウム、またはそれらを主成分とする合金などを用いても、パワーモジュールの信頼性を確保することが出来るという特徴を有する。Ａｌ合金は軽量かつ安価であるからヒートシンクとして好適であり、その場合、好ましくは、６３０℃、４分の加熱処理後のビッカース硬さが３０Ｈｖ以上、更に好ましくは６０Ｈｖ以上であるアルミニウム合金を用いると良い。
【００２２】
前記特徴を有するＡｌ合金をヒートシンクとして用いると、前記金属板（Ａ）の厚さが好適な範囲にあることと協同して、得られるモジュール構造体の反りを極めて小さくすることができる。また、パワーモジュール組み立て工程やその実使用条件下で熱履歴を受けても、モジュール構造体の形状変化や反り変化が小さく、また接合界面の剥離や緩衝層である金属板（Ａ）の破断を防止するので、半導体素子の破損や熱抵抗の上昇を防ぐことができ、パワーモジュールの各種信頼性に良い影響を与える。
【００２３】
ヒートシンクに用いるアルミニウム合金としては、前記特性を有するものであればどの様なものであっても構わない。この様な合金の例として、ＡｌにＳｉ或いはＭｇのいずれか１種以上を適当量添加したアルミニウム合金、例えば、ＪＩＳ呼称２０００番台、５０００番台、６０００番台、あるいは７０００番台が例示される。
【００２４】
ＳｉとＭｇの含有量は、物性、加工性の面から０．１〜４．０質量％程度が好ましいが、これを越えても、ビッカース硬度３０Ｈｖ以上、好ましくは６０Ｈｖ以上であれば、本発明のモジュール構造体の特徴である形状変化やそり変化が小さくなる点で優れている。また、本発明に用いるＡｌ合金は、前記特性を満たしている限り、他の成分や不純物を含有していても構わない。Ｍｇ、ＣｕやＺｎを２．０質量％以上含有するＡｌ合金はビッカース硬度や曲げ強度が高く、得られたモジュール構造体の形状変化や反り変化が小さくなる点で優れている。更に、前記アルミニウム合金がヒートシンク材の骨格を構成していれば良く、ヒートシンクの全てが前記アルミニウム合金である必要はない。
【００２５】
本発明に適するヒートシンク用Ａｌ合金のビッカース硬度を示したが、高温アニール後の曲げ強度を測定し、その時に荷重と変位で表すこともできる。厚さ５ｍｍ、幅５ｍｍの試験片を６００℃で１０分間加熱した後、スパン３０ｍｍで３点曲げ強度を測定したとき、変位が２００μｍになるときの荷重が２００Ｎ以上、好ましくは３００Ｎ以上の時、上記と同様の効果が得られる。
【００２６】
また、ヒートシンクの形状は、裏面が平らな板状のものを用いてもよいし、フィンが形成されているものを用いても良い。また内部を冷却媒体が通過出来るような構造を持っていても良い。この場合、パワーモジュールや冷却措置を含む電力制御装置全体の寸法を小さくできコストダウンに寄与できるので好ましい。
【００２７】
また、本発明のモジュール構造体においては、その材質、形状、作業性、接合強度から、前記の金属板（Ａ）が金属製ヒートシンクにろう材もしくは鉛フリー半田を介して接合していることが好ましい。
【００２８】
ヒートシンクとセラミックス回路基板の接合にＰｂ−Ｓｎ系半田を用いた場合は、前記したように熱サイクルに伴う半田クラックによる信頼性の低下、環境上の問題、アルミニウムの半田濡れ性が悪いため表面をメッキなどで処理しなければならない等の問題があり好ましくないが、ろう付けによれば前記問題が解消される。更に、本発明において、アルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）が、セラミックス回路基板に、ろう材を介して接合されていることが、一層好ましい。
【００２９】
本発明において、ヒートシンクと金属板（Ａ）、金属板（Ａ）とセラミックス基板を接合するろう材は、金属製ヒートシンクの種類等に応じて適宜選択すれば良い。特に、このろう材に、Ａｌを主成分とし、Ｍｇと、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ及びＡｇからなる群から選ばれる１種以上とを含有するものを用いると、信頼性の高い接合が得られる。前記ろう材に含まれるＭｇの量は０．１〜２．０質量％が適当であり、０．１質量％より少ないと十分な接合が得られず、２．０質量％より多いと接合部の耐熱衝撃性が低下したり接合炉の操業上好ましくないことが起きる場合がある。本発明のろう材に適するアルミニウム合金としては、例えば、ＪＩＳ呼称２０００番台、３０００番台、５０００番台、６０００番台、７０００番台の適当な組成のものを用いることが出来る。
【００３０】
尚、ろう材は、合金でも合金でなくともよく、また、箔、粉末、混合粉末、或いは接合温度以下で前記金属成分を残留する化合物を含む混合粉末のいずれの形態でも構わないし、それらを組み合わせて用いても良い。合金箔は、接合部分の耐熱サイクル性、微小ボイドが出来にくい、取り扱いやすさ等の点で優れている。とりわけ、金属板（Ａ）とセラミックス基板を接合するにはＪＩＳ呼称２０１７のアルミニウム合金箔を用いるとよい。
【００３１】
また、ヒートシンクと金属板（Ａ）を接合するには、接合温度をヒートシンクの融点以下にする必要があり、必要に応じて上記ろう材組成の融点を下げるためにＡｌ以外の成分の量を増すとよい。例えば、前記Ａｌ合金箔と銀箔や銀粉を併用すると最も好ましい結果が得られる。また、ろう材の厚みに関しては、１０〜６０μｍ、好ましくは１０〜４０μｍのときに再現性がよく、耐熱サイクル性がよい強固な接合が得られる。
【００３２】
Ａｌ合金ヒートシンクとアルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）を接合する場合、一般的には真空中で加熱して接合するが、この時、双方の接合面の凹凸や面粗さが大きいと、接合不良が多発したり接合部の耐ヒートサイクル性が劣る場合がある。また、窒素中で接合すると、接合する部材の表面形状の影響はより大きくなるし、金属板（Ａ）の外周部分で接合不良が起きすくなる。特にヒートシンクに押し出し材を用いると、その表面についた押し出し痕が接合不良や熱サイクル試験での剥離を引き起こす。
【００３３】
これらの問題は、Ｍｇを含むＡｌ合金箔や合金粉とＡｇ粉またはＡｇ箔を併用すると解決できる。このような合金とＡｇの併用は、特に窒素雰囲気中でも十分に耐久性を持った信頼性の高い接合が得られるという点で画期的である。また、ヒートシンクの加熱処理後のビッカース硬度が大きい場合や曲げ強度が大きい場合にも、剥離の起きにくい強固な接合部が得られるので好ましい。この方法によれば、窒素中で接合出来るので、通常の窒素雰囲気連続炉で接合でき、製造コストを大幅に低減できるという特徴を有する。
【００３４】
ろう付けを行うには、ろう材が合金箔であればヒートシンクと金属板（Ａ）、または金属板（Ａ）とセラミックス基板の間に挟み、真空中、窒素中、または不活性ガス中で加熱して接合する。ろう材として合金粉や金属粉の混合物を用いるとき、ヒートシンクと金属板（Ａ）又は金属板（Ａ）とセラミックス基板を接合する場合においても、いずれか一方の面に、ロールコ−ターやスクリーン印刷機により塗布すればよい。塗布量は、少なすぎると十分な接合が出来ないし、多すぎるとろう材が流れて接合部以外に流れ出し不都合であったり、界面に硬く脆弱な層ができて接合の信頼性を損なうことがある。塗布量として１〜５ｍｇ／ｃｍ^２程度が好ましい。
【００３５】
Ａｌ合金ろう材箔とＡｇ粉を併用してヒートシンクと金属板（Ａ）を接合する場合は、銀粉をろう材箔、ヒートシンク、または金属板（Ａ）のいずれかの一つの面に塗布するだけで、銀を併用する効果が得られる。また、銀粉の塗布量は１〜３ｍｇ／ｃｍ^２程度で十分である。
【００３６】
また、本発明に於いて、金属製ヒートシンクと金属板（Ａ）の接合に鉛フリー半田を用いても良い。鉛フリー半田は、Ｐｂ−Ｓｎ系半田に比べて硬く塑性変形しにくいため、通常は熱サイクルにより半田クラックが入りやすいと言われているが、本発明の場合、十分信頼性のあるモジュール構造体を得ることが出来る。鉛フリー半田として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田やＳｎ−Ｚｎ系半田を用いると信頼性を確保することがことでき、特に、Ｓｎ−Ａｇ（３質量％）−Ｃｕ（０．５質量％）を用いるとよい。
【００３７】
セラミックス基板の片面に設けられ、発熱性電気部品がその一部に搭載される回路となる金属板（Ｂ）としては、良導電性の金属であれば何でも構わないが、安価で熱伝導率が高い銅やアルミニウム、或いはそれらの合金が好ましく用いられる。また、前記銅やアルミニウムとしては、電気伝導率が高く、応力発生に対して塑性変形能が高い、高純度のものが好ましい。
【００３８】
本発明においては、セラミックス基板のヒートシンク側にヒートシンクと接するように設けられた金属板（Ａ）及び／又は金属製ヒートシンクの上面及び／又は下面の特定の位置に切欠部を設けている。これは、前記切欠部の存在しない状態での熱放散性を維持しながらも、半導体素子等の発熱性電気部品を搭載する時などの加熱処理によるセラミックス基板とヒートシンクの熱膨張率差により発生する熱応力により生じる金属板（Ａ）の歪みを切欠部が緩和し、温度履歴に伴うモジュール構造体の変形を低減することができるためである。
【００３９】
本発明における切欠部導入位置は、モジュールの断面を想定したときに、発熱性電気部品の金属板（Ｂ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域である。前記の位置に切欠部を特定することにより、モジュール中の半導体素子等の電気部品や回路から発生する熱の放散性を悪化させず、従って半導体素子の温度を上昇させることなく、半導体素子の誤動作を生じたりして寿命が短くなる等の現象が引き起こされるのを防止できるからである。
【００４０】
切欠部導入位置は、搭載される発熱性電気部品の大きさ、形状、搭載位置に制限される。放熱構造部変形の低減には、セラミックス基板のヒートシンク側にヒートシンクと接するように設けられた金属板（Ａ）にヒートシンク側から導入した切欠部が最も効果的である。切欠部の深さは、大きい程放モジュール構造体変形の低減に効果的であり、金属板を分割するのが好ましいが、必ずしも分割する必要はない。切欠部の幅、個数及び形状は、熱放散性を悪化させる領域に含まれなければ、どの様にしても構わない。
【００４１】
また、ヒートシンクの金属板（Ａ）に接した部分に切欠部を導入することにより、同様の効果が得られる。この場合は、ヒートシンク表面に簡単な溝加工を施すこと等により、切欠部を導入することが可能であり、生産性に優れる効果がある。この場合も切欠部の深さは、大きい程効果的であるが、深さは、ヒートシンクの厚みの１／２以下にするのが好ましい。これ以上深い切欠部を設けるとセラミックス回路基板とヒートシンクとを接合して得られたモジュール構造体が大きく変形してしまうことがあるからである。切欠部の幅、個数及び形状は、前記特定の範囲内に設けられているならば、どの様にしても構わない。
【００４２】
発熱性電気部品の大きさ、形状、搭載位置の制限により、金属板とヒートシンクの界面に切欠部を設けられない場合は、接合界面以外のヒートシンクの上面及び／又は下面に設けても変形の低減効果がある。この場合には、発熱性電気部品、回路、セラミックス基板等のモジュールの重要な機能を呈する部分から空間的に離れた場所を選択する自由度が大きくなり、生産性の面で優れ、結果的にモジュールを一層安価に提供できるという効果が得られる。
【００４３】
本発明に用いるセラミックス回路基板は、セラミックスを回路用の金属板（Ｂ）及びアルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）と接合したのち、エッチングや機械加工等の従来公知手法を用いて回路形成、或いは、金属板（Ａ）の切欠部を形成することで容易に製造できる。或いは、セラミックス基板にあらかじめ回路及び切欠部を形成した金属板（Ａ、Ｂ）を搭載し接合することによっても製造できる。
【００４４】
本発明のモジュール構造体、モジュールを得る方法としては、従来公知の方法を適用することで得ることもできるが、後述する方法が再現性が良く、また生産性高く本発明のモジュール構造体、モジュールを得ることができる。
【００４５】
即ち、予め表面に回路形成された金属板（Ｂ）を、裏面に応力緩和層となるアルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）をそれぞれろう付等により設けたセラミックス回路基板を準備し、その応力緩衝層側の面と金属製ヒートシンクとの間にろう材を配置し、加圧下で加熱してセラミックス回路基板と金属製ヒートシンクを接合する方法、或いは、回路用金属板（Ｂ）、セラミックス基板、応力緩衝層となるアルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）、金属製ヒートシンクを順次並べるとともに、それぞれの間にろう材を配置し、同時に接合する方法が好ましい。
【００４６】
また、切り欠き部を設けたモジュール構造体を形成するには、セラミックス回路基板の金属板（Ａ）或いは金属製ヒートシンクの表面にエッチングや機械加工等により予め切欠部を導入し、その後、セラミックス回路基板の金属板（Ａ）と金属製ヒートシンクの間にろう材を配置し、加圧下で加熱しセラミックス回路基板と金属製ヒートシンクを接合する方法、或いは、回路用金属板（Ｂ）、セラミックス基板、切欠部を導入したアルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）及び金属製ヒートシンクを順次並べるとともに、それぞれの間にろう材を配置し、同時に接合する方法が好ましい。更に、後者の方法において、回路用金属板（Ｂ）は予め回路形成されたものであっても良いし、接合後にエッチング等の方法を適用して回路形成しても良い。また、ヒートシンクの接合界面以外の領域に切欠部を導入する場合は接合後に設けても構わない。
【００４７】
次に、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクからなるモジュール構造体の回路上に半導体素子等の電子部品を半田付け等により搭載し、必要に応じてワイヤーボンディング等を施して回路を完成することで本発明のモジュールを得ることができる。
【００４８】
本発明のモジュール構造体を用いて組み立てた、高出力半導体素子等の高発熱性電気部品を搭載したパワーモジュールは、金属製ヒートシンクが中実板である場合は、高熱伝導性グリースを介して、放熱フィン等の放熱ユニットに取り付け、使用される。ヒートシンクがフィン付き形状であればそのまま用いられる。また、ヒートシンクが冷却媒体を通すパイプ状である場合は、冷却媒体を通すための配管がなされ、使用される。
【００４９】
【実施例】
以下、実施例と比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００５０】
〔実施例１、２、３、４、５、比較例１、２〕
セラミックス基板として、レーザーフラッシュ法による熱伝導率が７５Ｗ／ｍＫ、三点曲げ強さの平均値が６５０ＭＰａの窒化ケイ素基板で、大きさが３４×３４×０．６３５ｍｍのものを用意した。また、回路用の金属板として純度９９．９９％で、厚みが０．４ｍｍのＡｌ板（以下、Ａｌ回路板という）を、又、応力緩衝層用のＡｌ板（以下、緩衝用Ａｌ板という）として純度９９．９９％で表１に示すいろいろな厚みのものを用意した。
【００５１】
窒化ケイ素基板の表裏両面に、ＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔（２０μｍ厚さ）を介して、前記Ａｌ回路板と緩衝層用Ａｌ板を重ね、垂直方向に５ＭＰａで加圧した。そして、１０^−３Ｐａ台の真空中、温度６３５℃で加熱しながら、窒化ケイ素基板に前記Ａｌ板の両者を接合した。
【００５２】
接合後、Ａｌ板表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理することにより回路パターンを形成し、セラミックス回路基板を作製した。
【００５３】
次に、ヒートシンクとして５０×５０×４ｍｍサイズのＪＩＳ呼称１０５０Ａｌ板を用意した。そして、前記セラミックス回路基板に接合されている緩衝用Ａｌ板とヒートシンクとの間に、厚さ２０μｍのＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔を挟み、黒鉛治具で全体を垂直方向に５ＭＰａで加圧しながら、１０^−３Ｐａ台の真空中、６００℃、４分の条件で加熱処理を行い、ヒートシンクにセラミックス回路基板を接合した。この接合体のアルミニウム金属面に無電解Ｎｉメッキを行い、モジュール構造体を得た。この場合、それぞれの同じ構成のモジュール構造体を１０個作製した。
【００５４】
作製したモジュール構造体のＡｌ回路面に、裏がＡｕでメッキされた１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．３ｍｍのシリコンチップを、鉛と錫の質量割合がそれぞれ９０：１０である半田を用いて３５０℃で接合した。
得られたモジュールについて、−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとするヒートサイクルを３０００回実施した。その後、超音波深傷装置によってセラミックス基板とヒートシンク間、およびセラミックス基板とシリコンチップ間の接合界面の剥離やクラックの発生の有無などを観察した。この結果を表１に併せて示した。
【００５５】
尚、比較例１を除き、いずれのモジュールにおいてもヒートサイクルによる接合部の剥離や窒化ケイ素基板におけるクラックの発生は観察されなかった。比較例１では、接合部の一部が剥離すると共に緩衝用Ａｌ板の疲労破壊が顕著に起こり、実施例１では緩衝層用Ａｌ板のコーナー部に疲労破壊が認められた。比較例２では、シリコンチップと回路基板間の半田層に全面にわたるクラックが認められ、実施例５では、同様に半田層に若干のクラックが認められた。
【００５６】
【表１】

【００５７】
〔実施例６、７、８、９、１０、１１、比較例３〕
表２に示す７種のヒートシンクを用い、以下の手順に従って、１０個の繰り返し数で、モジュールを作製し、評価することで、本発明の実施例並びに比較例とした。
【００５８】
セラミックス基板として、３４×３４×０．６３５ｍｍの大きさで、レーザーフラッシュ法による熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ、三点曲げ強さの平均値が４００ＭＰａのＡｌＮ（窒化アルミニウム）基板を用意した。また、回路となる金属板と前記ＡｌＮ基板のヒートシンクに対する面（以下、基板裏面という）に設けられる金属板として３０×３０×０．４ｍｍのＪＩＳ呼称１０８５のＡｌ（アルミニウム）板を２枚用意した。
【００５９】
前記ＡｌＮ基板の表裏両面に、ＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔（２０μｍ厚さ）を介して前記Ａｌ板を重ね、垂直方向に１０ＭＰａで加圧した。そして、１０^−２Ｐａの真空中、温度６３０℃、２０分の条件下で加熱しながらＡｌ板とＡｌＮ基板とを接合した。接合後、Ａｌ板表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理することにより回路パターンを形成し、セラミックス回路基板を作製した。
【００６０】
次に、ヒートシンクとして、４６×４６×４ｍｍサイズの表２に示す組成のアルミニウム板を用意した。そして前記セラミックス回路基板のヒートシンクに接して配置される面に銀粉をスクリーン印刷で１．５ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布し、それと前記ヒートシンクとの間に、厚さ２０μｍのＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔を入れ、黒鉛治具で垂直方向に１０ＭＰａで加圧しながら窒素雰囲気中において５１０〜６００℃、４分の加熱処理を行いヒートシンクとセラミックス回路基板とを接合した。最後に基板と放熱板全面に無電解Ｎｉメッキを行い、モジュール構造体を得た。
【００６１】
作製したモジュール構造体のＡｌ回路面に、裏がＡｕでメッキされた１３ｍｍ×１３ｍｍ×０．４ｍｍのシリコンチップを、鉛と錫の質量割合がそれぞれ９０：１０である半田を用いて３５０℃で接合した。
【００６２】
前記操作で得たモジュールについて、シリコンチップの反り量を測定した。反り量は、シリコンチップの対角線上の両端部と中央部の高さの差として評価し、１０個の平均値を表３に示した。
【００６３】
【表２】

【００６４】
【表３】

【００６５】
〔実施例１２、比較例４〕
セラミックス基板として、レーザーフラッシュ法で測定した熱伝導率が７０Ｗ／ｍＫ、三点曲げ強度が７５０ＭＰａの窒化ケイ素基板（寸法３４×２６×０．６３５ｍｍ）を用意した。また、金属板（Ａ）及び金属板（Ｂ）用にはいずれも純度が９９．９９％で厚みが０．４ｍｍのアルミニウム板を用意した。
【００６６】
窒化ケイ素基板の表裏両面に、ＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔（２０μｍ厚さ）を介してアルミニウム板を重ね、垂直方向から５ＭＰａで加圧した。そして１０^−３Ｐａ台の真空中、温度６３５℃で加熱しながら、窒化ケイ素基板に前記アルミニウム板の両者を接合した。
【００６７】
接合後、上下のアルミニウム板表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理を行うことにより金属板（Ｂ）に回路パターンを、実施例１２では金属板（Ａ）に歪み緩和のための切欠部を形成し、セラミックス回路基板を作製した。尚、切欠部は、後に搭載される発熱性電気部品の一つである半導体素子の金属板（Ｂ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域に設けた。また、比較例４では、金属板（Ａ）に切欠部を設けないで、同様の手法により、セラミックス回路基板を作製した。
【００６８】
次に、ヒートシンクとして、６０×１４０×４ｍｍで４つの取り付け用ネジ穴を有するＪＩＳ呼称１０５０アルミニウム板を用意した。そして、前記セラミックス回路基板２枚と前記アルミニウム板との間に、ＪＩＳ呼称２０１７アルミニウム合金箔を入れ、黒鉛治具で垂直方向に加圧しながら、１０^−３Ｐａ台の真空中、５９０℃、１０分の条件で加熱を行い、ヒートシンクとセラミックス回路基板を接合し、モジュール構造体とした。
【００６９】
次に、半導体素子の半田付け前後での温度履歴を想定した、反り変化量の測定を行った。反り量の測定方法について述べると、まず接合後のモジュール構造体の底部における形状を触針式の輪郭形状機で長手方向の端から端まで（スパン１４０ｍｍ）測定し、両端補正を行い、数値化した。その後、このモジュール構造体を３６０℃で１０分の加熱処理を行ったのち、底部形状の測定を行い、加熱前後の差をとり、その最大値を反り変化量とした。結果を表４に示す。
【００７０】
次に、放熱性の評価のために、得られたモジュール構造体の全面に無電解ニッケルメッキを施した後、回路の所定の位置に１０ｍｍ角の半導体素子を高温半田を用い、還元雰囲気中、３６０℃で半田付けした。実施例１０、比較例４のモジュールの断面構造をそれぞれ図１、図２に示す。前記のモジュール部材の底面にアルミニウム製放熱ユニットをシリコーングリースを介して、四つのネジで締め付けた。熱抵抗は、放熱ユニットを水冷し、シリコン素子の厚さ方向に定電流を流しながら、シリコン素子の温度とアルミニウム製放熱ユニットの温度を測定することにより求めた。結果を表４に示す。
【００７１】
【表４】

【００７２】
得られたモジュールについて−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとするヒートサイクルを３０００回実施した。その後、超音波深傷によるセラミックス基板とヒートシンクの接合界面の剥離の有無を観察した。いずれのモジュールにおいてもヒートサイクルによる回路板の剥離や窒化ケイ素基板におけるクラックの発生等の異状は観察されなかった。
【００７３】
〔比較例５〕
金属板（Ａ）に導入する切欠部をシリコン素子の鉛直下方に設けた以外は、実施例１０と同様にしてモジュールを作製した。実施例１０と同様に半導体素子の半田付け前後の反り変化量及び熱抵抗の評価を行った。モジュールの断面構造を図３に、評価結果を表４に示した。
【００７４】
〔実施例１３〕
アルミニウム製ヒートシンクのセラミックス回路基板に接する部分で、しかも、後工程で搭載される半導体素子の金属板（Ｂ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域に、ダイヤモンドカッターにより、幅１ｍｍ、深さ１．５ｍｍの溝加工を行った以外は、比較例４と同様にしてモジュールを作製し、比較例４と同様に評価した。モジュールの断面構造を図４に、評価結果を表４に示した。
【００７５】
〔実施例１４、１５〕
比較例４と同様の方法によりセラミックス回路基板をアルミニウム製ヒートシンクに接合したモジュールを作製した。実施例１４では、図５に示すヒートシンク上面の位置に、実施例１５では、図６に示すヒートシンク下面の位置に幅３ｍｍ、深さ２ｍｍの溝加工を行った。その後、比較例４と同様の方法により、モジュールの作製及び評価を行った。評価結果を表４に示した。
【００７６】
【発明の効果】
本発明のモジュール構造体とそれを用いたモジュールは、安価な金属をヒートシンクを用いながらも、半導体搭載時などの温度履歴を受けても変形量が小さく、組み立てが容易であり、しかも実使用条件下で繰り返しの温度履歴を受けても、接合界面での剥離、アルミニウム層の疲労破壊、セラミックス基板の割れ、半田層クラック等の異状が発生しがたく、しかも放熱性に優れるとう特徴があり、いろいろな用途のパワーモジュール、特に移動用機器向けのパワーモジュールに好適であり、産業上非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施例１２に係るモジュールの断面図。
【図２】比較例４に係る従来公知のモジュールの断面図。
【図３】比較例５に係る従来公知のモジュールの断面図。
【図４】本発明の実施例１３に係るモジュールの断面図。
【図５】本発明の実施例１４に係るモジュールの断面図。
【図６】本発明の実施例１５に係るモジュールの断面図。
【符号の説明】
１セラミックス基板
２発熱性電気部品（半導体素子）
３金属板（Ｂ）
４金属板（Ａ）
５ヒートシンク
Ａ発熱性電気部品の金属板（Ａ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域
Ｂ切欠部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a module including a ceramic circuit board on which a heat-generating electric component such as a power element is mounted and a metal heat sink, and more particularly to a module suitably used for a power supply and a module structure used for the module.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the progress of power electronics, devices controlled by power devices such as IGBTs and MOS-FETs are rapidly increasing. Above all, the use of power devices in mobile devices such as electric railways and vehicles is rapidly progressing. In addition, with increasing interest in environmental issues, electric vehicles, hybrid vehicles using a gasoline engine and an electric motor, and the like have begun to be marketed, and demand for power modules mounted thereon is expected to grow. For such applications, exceptionally high reliability is required for the purpose of use.
[0003]
In a conventional power module, aluminum oxide (Al) is used in order to release heat generated in a semiconductor element or the like to the outside and prevent the temperature of the semiconductor element from rising to a predetermined temperature or higher. ₂ O ₃ ), Silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), A semiconductor element is mounted on a ceramic circuit board such as aluminum nitride (AlN) by soldering, and the semiconductor element is soldered to a heat sink made of metal such as copper (Cu) or aluminum (Al). Met.
[0004]
However, in the case of such a structure, cracks may be generated in the solder layer between the ceramic circuit board and the heat sink when the semiconductor device is subjected to a repeated thermal cycle accompanying the operation of the semiconductor element or a temperature change in an operating environment. . Cracks are generated in the solder layer due to thermal stress generated by a difference in thermal expansion between the ceramic substrate and the heat sink. The presence of cracks in the solder layer (hereinafter, also simply referred to as “solder cracks”) reduces the dissipation of heat generated in the semiconductor element, increases the temperature of the semiconductor element, and consequently deteriorates the semiconductor element. As a result, the reliability of the entire power module is reduced.
[0005]
In addition, with higher integration and higher power of semiconductor devices, higher heat dissipation is required, and lead-free solder is desired from the viewpoint of environmental pollution. However, the so-called lead-free solder has a problem that its reliability is inferior to that of the Pb-Sn-based solder which is widely used at present, though its thermal conductivity is high.
[0006]
In order to avoid these problems, the use of an Al—SiC composite material or a Cu—Mo composite material having a coefficient of thermal expansion closer to that of a ceramic substrate has been studied. In addition to this, there is a problem in that it must be manufactured by a method, and the cost of the processing step and the surface treatment step is high, making it much more expensive than a metal heat sink.
[0007]
On the other hand, an attempt has been made to avoid the occurrence of solder cracks and at the same time to improve the heat dissipation by directly joining the heat sink and the ceramic circuit board by using a brazing material instead of solder (Japanese Patent Laid-Open No. 9-97865). JP-A-10-270596).
[0008]
However, in this case, the thermal stress generated due to the difference in thermal expansion between the ceramic circuit board and the metal heat sink makes it easier for the bonding interface to peel off or for the ceramic substrate to crack, and for the semiconductor element on the ceramic circuit board to be damaged. Since the stress applied to the lower solder increases, there is a problem that a solder crack under the semiconductor element is more likely to occur. In addition, the shape and warpage of the heat sink change significantly due to the heat history received during the power module assembly process and actual use conditions, causing inconvenience when assembling the power module and dissipating heat due to reduced adhesion between the heat sink and the heat dissipation block. Sexual decline may occur.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a module structure including a ceramic circuit board and a metal heat sink depending on a power module assembling process and a heat history received under actual use conditions. Small change in shape, easy to assemble, and hard to cause irregularities such as peeling at the joint interface, cracking of the ceramic substrate, cracks in the solder layer, and good heat dissipation, high reliability for a long time Its purpose is to provide a module that can maintain its functionality.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted various experimental studies in order to achieve the above object, and have found that in a structure having a stress buffer layer between a ceramic substrate and a metal heat sink, a metal heat sink and a metal to be a stress buffer layer are provided. When various countermeasures are provided for a board, it is found that the resulting module structure undergoes little change in shape and warpage and does not impair heat dissipation even when subjected to heat history during the assembly process and actual use conditions. This has led to the present invention.
[0011]
That is, the present invention provides a module structure formed by joining a ceramic circuit board to a metal heat sink via a metal plate (A) containing aluminum as a main component, wherein the metal plate contains aluminum as a main component. (A) A module structure characterized in that the thickness is 400 μm or more and 1200 μm or less.
[0012]
Preferably, the metal heat sink is made of an aluminum alloy having a Vickers hardness of 30 HV or more after heat treatment at 630 ° C. for 4 minutes.
[0013]
It is preferable that the metal plate (A) is joined to the ceramic circuit board and the metal heat sink via a brazing material. When a brazing filler metal containing Al as a main component and containing Mg and at least one selected from the group consisting of Cu, Zn, Ge, Si, Sn and Ag is used, a highly reliable joint can be obtained. Can be
[0014]
More preferably, the above-described module structure is used, and a heat-generating electric element mounted at a desired position on a circuit-formed metal plate (B) provided on the opposite side of the ceramic circuit board from the metal plate (A). A module provided with a component, and further provided with a cutout on the surface of the metal plate (A) and / or the metal heat sink, wherein the cutout is formed of the heat-generating electric component when a cross section of the module is assumed. The module is provided in a region other than the frustum region formed by drawing a group of straight lines at 45 ° vertically downward from the edge in contact with the metal plate (B).
[0015]
The notch is provided on the surface of the metal plate (A) on the side in contact with the metal heat sink, or on the metal heat sink surface covered with the ceramic substrate when viewed from the side of the module where the heat-generating electrical components are located, or When viewed from the side where the heat-generating electric component of the module is located, the module is preferably provided on the surface of a metal heat sink that is not covered with the ceramic substrate.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described.
The ceramic substrate used in the present invention may be of any type as long as it satisfies the required properties such as electrical insulation, thermal conductivity, and mechanical strength. Aluminum (AlN) or silicon nitride (Si) having high strength and relatively high thermal conductivity ₃ N ₄ ) Is more preferred.
[0017]
The module structure of the present invention has a structure in which a ceramic circuit board is joined to a metal heat sink. In order to reduce the thermal stress in the joining of dissimilar materials, two techniques are known. In the first method, a heat sink having a low coefficient of thermal expansion is used to reduce the difference in thermal expansion between the two materials. However, this method has a cost problem as described above. The second method is a method adopted by the present invention, which is based on the idea of inserting a stress buffer layer between a metal heat sink and a ceramic circuit board to absorb thermal strain, and has a low elasticity. In this method, the thermal stress is relaxed by plastic deformation of the intermediate layer (stress relaxation layer) using a low-rate material.
[0018]
The present invention is characterized in that a metal plate mainly containing aluminum having a thickness of 400 μm or more and 1200 μm or less is used as the stress buffer layer. As described above, it is essential that the stress relaxation layer has low elastic modulus and yield strength as its mechanical properties. However, in the present invention, for application to the application, it must have high thermal conductivity in terms of heat dissipation, do not melt at the time of soldering a semiconductor element, and have sufficient strength with a ceramic substrate and a metal heat sink. It is necessary to satisfy requirements such as that bonding is possible.
[0019]
The present inventors have conducted intensive studies on various materials and thicknesses in order to find a stress relaxation layer that satisfies the above requirements, and as a result, have reached the present invention. In the present invention, a metal plate containing aluminum as a main component is selected for the stress relaxation layer, and this is used as the metal plate (A). As the metal plate (A), for example, it is preferable to use high-purity aluminum having a purity of 99% by mass or more, more preferably high-purity aluminum having a purity of 99.9% by mass or more.
[0020]
In the present invention, the thickness of the metal plate (A) is 400 μm or more and 1200 μm or less, preferably 600 μm or more and 1000 μm or less. If the thickness exceeds 1200 μm, the stress generated by the metal plate (A) and the heat sink may reach the metal plate (B) side and adversely affect the durability of the solder under the silicon chip. Further, when a pattern is formed by etching, it is not preferable because pattern accuracy is deteriorated and cost is increased. If the thickness is less than 400 μm, the function as a buffer layer may be insufficient due to hardening due to element diffusion from a joint portion, or the Al buffer layer may not be able to withstand repeated stress due to thermal cycling and break.
[0021]
The present invention has a feature that the reliability of a power module can be ensured even when copper or aluminum, which is inexpensive and has high thermal conductivity, or an alloy containing these as a main component is used as a metal heat sink. An Al alloy is suitable as a heat sink because it is lightweight and inexpensive. In this case, preferably, an aluminum alloy having a Vickers hardness of 30 Hv or more after heat treatment at 630 ° C. for 4 minutes, more preferably 60 Hv or more is used. good.
[0022]
When an Al alloy having the above characteristics is used as the heat sink, the warpage of the obtained module structure can be extremely reduced in cooperation with the thickness of the metal plate (A) being in a suitable range. In addition, even when subjected to heat history during the power module assembly process and its actual use conditions, the change in shape and warpage of the module structure is small, and the separation of the bonding interface and the breakage of the metal plate (A) serving as the buffer layer are prevented. Therefore, damage to the semiconductor element and an increase in thermal resistance can be prevented, which has a positive effect on various reliability of the power module.
[0023]
The aluminum alloy used for the heat sink may be any alloy having the above characteristics. As an example of such an alloy, an aluminum alloy obtained by adding an appropriate amount of at least one of Si and Mg to Al, for example, JIS No. 2000s, 5000s, 6000s, or 7000s is exemplified.
[0024]
The content of Si and Mg is preferably about 0.1 to 4.0% by mass from the viewpoint of physical properties and workability. However, even if it exceeds this, if the Vickers hardness is 30 Hv or more, preferably 60 Hv or more, the present invention will be described. It is excellent in that the shape change and the warp change, which are features of the module structure, are reduced. The Al alloy used in the present invention may contain other components and impurities as long as the above properties are satisfied. An Al alloy containing Mg, Cu, or Zn in an amount of 2.0% by mass or more is excellent in that Vickers hardness and bending strength are high, and that a change in shape and a change in warpage of the obtained module structure are small. Furthermore, it is sufficient that the aluminum alloy forms the skeleton of the heat sink material, and it is not necessary that all of the heat sink be the aluminum alloy.
[0025]
Although the Vickers hardness of the Al alloy for a heat sink suitable for the present invention has been shown, the bending strength after high-temperature annealing can be measured and the load and displacement can be expressed at that time. After heating a test piece having a thickness of 5 mm and a width of 5 mm at 600 ° C. for 10 minutes, and measuring the three-point bending strength at a span of 30 mm, when the load at which the displacement becomes 200 μm is 200 N or more, preferably 300 N or more, The same effects as above can be obtained.
[0026]
The shape of the heat sink may be a plate having a flat back surface or a fin formed. Further, it may have a structure through which a cooling medium can pass. In this case, the size of the entire power control device including the power module and the cooling measure can be reduced, which can contribute to cost reduction, which is preferable.
[0027]
Further, in the module structure of the present invention, the metal plate (A) may be joined to a metal heat sink via a brazing material or lead-free solder because of its material, shape, workability, and joining strength. preferable.
[0028]
When Pb-Sn based solder is used for joining the heat sink and the ceramic circuit board, as described above, the surface is deteriorated due to a decrease in reliability due to solder cracks due to thermal cycling, environmental problems, and poor wettability of aluminum solder. Although it is not preferable because there is a problem that it has to be treated by plating or the like, the above problem is solved by brazing. Further, in the present invention, it is more preferable that the metal plate (A) containing aluminum as a main component is joined to the ceramic circuit board via a brazing material.
[0029]
In the present invention, the brazing material for joining the heat sink to the metal plate (A) and the metal plate (A) to the ceramic substrate may be appropriately selected according to the type of the metal heat sink. In particular, when a material containing Al as a main component, Mg, and at least one selected from the group consisting of Cu, Zn, Ge, Si, Sn, and Ag is used as the brazing material, highly reliable bonding is achieved. Is obtained. The amount of Mg contained in the brazing material is suitably from 0.1 to 2.0% by mass. If the amount is less than 0.1% by mass, sufficient joining cannot be obtained. In some cases, the thermal shock resistance of the steel may be reduced, or unfavorable in the operation of the welding furnace. As an aluminum alloy suitable for the brazing material of the present invention, for example, those having an appropriate composition of JIS designation 2000s, 3000s, 5000s, 6000s, and 7000s can be used.
[0030]
Incidentally, the brazing material may be an alloy or not an alloy, and may be in any form of a foil, a powder, a mixed powder, or a mixed powder containing a compound that retains the metal component at a joining temperature or lower, or a combination thereof. May be used. The alloy foil is excellent in terms of heat cycle resistance of a joint portion, difficulty in forming minute voids, and easy handling. In particular, to join the metal plate (A) and the ceramic substrate, it is preferable to use an aluminum alloy foil of JIS designation 2017.
[0031]
Further, in order to join the heat sink and the metal plate (A), the joining temperature must be lower than the melting point of the heat sink, and if necessary, the amount of components other than Al is increased in order to lower the melting point of the brazing material composition. Good. For example, when the Al alloy foil is used in combination with silver foil or silver powder, the most preferable result is obtained. As for the thickness of the brazing material, when the thickness is 10 to 60 μm, preferably 10 to 40 μm, a strong bond having good reproducibility and good heat cycle resistance can be obtained.
[0032]
When joining an Al alloy heat sink and a metal plate (A) containing aluminum as a main component, the joining is generally performed by heating in a vacuum. In some cases, bonding failure occurs frequently or the heat cycle resistance of the bonded portion is poor. In addition, when bonding is performed in nitrogen, the influence of the surface shape of the members to be bonded is further increased, and poor bonding is likely to occur at the outer peripheral portion of the metal plate (A). In particular, when an extruded material is used for a heat sink, an extruded mark on the surface causes poor bonding or peeling in a thermal cycle test.
[0033]
These problems can be solved by using Ag powder or Ag foil in combination with Mg-containing Al alloy foil or alloy powder. The combined use of such an alloy and Ag is epoch-making in that a highly durable and highly reliable joint can be obtained, especially in a nitrogen atmosphere. It is also preferable that the heat sink has a high Vickers hardness or a high bending strength after the heat treatment, because a strong bonded portion where peeling does not easily occur can be obtained. According to this method, since the bonding can be performed in nitrogen, the bonding can be performed in a normal nitrogen atmosphere continuous furnace, and the manufacturing cost can be greatly reduced.
[0034]
To perform brazing, if the brazing material is an alloy foil, it is sandwiched between a heat sink and a metal plate (A), or between the metal plate (A) and a ceramic substrate, and heated in a vacuum, in nitrogen, or in an inert gas. And join. When using a mixture of alloy powder or metal powder as the brazing material, or when joining the heat sink to the metal plate (A) or the metal plate (A) and the ceramic substrate, either one of the surfaces may be roll-coated or screen-printed. What is necessary is just to apply with a machine. If the coating amount is too small, sufficient joining cannot be performed.If the coating amount is too large, the brazing material flows and flows out of the joint, which is inconvenient, or a hard and fragile layer is formed at the interface, which may impair the reliability of the joint. . 1 to 5 mg / cm as coating amount ² The degree is preferred.
[0035]
When joining the heat sink and the metal plate (A) using the Al alloy brazing material foil and the Ag powder together, simply apply the silver powder to one surface of the brazing material foil, the heat sink, or the metal plate (A). Thus, the effect of using silver in combination can be obtained. The amount of silver powder applied is 1-3 mg / cm. ² A degree is enough.
[0036]
In the present invention, lead-free solder may be used for joining the metal heat sink and the metal plate (A). It is said that lead-free solder is harder and less plastically deformed than Pb-Sn-based solder, so that solder cracks are likely to occur normally due to thermal cycling. However, in the case of the present invention, a sufficiently reliable module structure Can be obtained. If Sn-Ag-Cu-based solder or Sn-Zn-based solder is used as the lead-free solder, reliability can be ensured. In particular, Sn-Ag (3% by mass) -Cu (0.5% by mass) Should be used.
[0037]
The metal plate (B) provided on one side of the ceramic substrate and serving as a circuit on which a heat-generating electric component is mounted on a part thereof may be any metal having good conductivity, but is inexpensive and has low thermal conductivity. High copper, aluminum, or alloys thereof are preferably used. Further, as the copper or aluminum, those having high electric conductivity, high plastic deformation ability against stress generation, and high purity are preferable.
[0038]
In the present invention, the metal plate (A) provided on the heat sink side of the ceramic substrate so as to be in contact with the heat sink and / or the metal heat sink is provided with a cutout at a specific position on the upper surface and / or the lower surface. This is caused by a difference in the coefficient of thermal expansion between the ceramic substrate and the heat sink due to heat treatment such as when a heat-generating electric component such as a semiconductor element is mounted, while maintaining heat dissipation in a state where the notch does not exist. This is because the notch portion reduces the distortion of the metal plate (A) caused by the thermal stress, and the deformation of the module structure due to the temperature history can be reduced.
[0039]
The notch introduction position in the present invention is a frustum portion region formed by drawing a group of straight lines of 45 ° vertically downward from an edge in contact with the metal plate (B) of the heat-generating electric component when a cross section of the module is assumed. Area other than. By specifying the notch at the above position, the heat dissipation of heat generated from electric components and circuits such as the semiconductor element in the module is not deteriorated, and therefore, the malfunction of the semiconductor element without increasing the temperature of the semiconductor element. This is because it is possible to prevent the occurrence of a phenomenon such as shortening of the service life due to the occurrence of the phenomenon.
[0040]
The notch introduction position is limited by the size, shape, and mounting position of the heat-generating electric component to be mounted. In order to reduce the deformation of the heat radiating structure, the notch introduced from the heat sink side to the metal plate (A) provided on the heat sink side of the ceramic substrate so as to be in contact with the heat sink is most effective. The greater the depth of the notch, the more effective it is in reducing the deformation of the release module structure. It is preferable to divide the metal plate, but it is not necessary to divide the metal plate. The width, the number, and the shape of the cutouts are not limited as long as the cutouts are not included in the region that deteriorates the heat dissipation.
[0041]
In addition, the same effect can be obtained by introducing a notch into a portion of the heat sink in contact with the metal plate (A). In this case, it is possible to introduce a notch by performing simple groove processing on the surface of the heat sink, which has an effect of improving productivity. In this case as well, the greater the depth of the notch, the more effective it is, but it is preferable that the depth is not more than １／ of the thickness of the heat sink. If a notch deeper than this is provided, the module structure obtained by joining the ceramic circuit board and the heat sink may be greatly deformed. The width, the number, and the shape of the cutout portion may be any shape as long as the cutout portion is provided within the specific range.
[0042]
If notches cannot be provided at the interface between the metal plate and the heat sink due to restrictions on the size, shape, and mounting position of the heat-generating electrical components, deformation can be reduced even if provided on the upper surface and / or lower surface of the heat sink other than the bonding interface. effective. In this case, the degree of freedom to select a place that is spatially distant from a part exhibiting an important function of the module such as a heat-generating electric component, a circuit, or a ceramic substrate is increased, and the productivity is excellent. The effect is obtained that the module can be provided at lower cost.
[0043]
The ceramic circuit board used in the present invention is formed by bonding ceramics to a metal plate (B) for a circuit and a metal plate (A) containing aluminum as a main component, and then forming a circuit by a conventionally known method such as etching or machining. Alternatively, it can be easily manufactured by forming a notch in the metal plate (A). Alternatively, it can be manufactured by mounting and joining metal plates (A, B) in which circuits and notches are formed in advance on a ceramic substrate.
[0044]
As a method for obtaining the module structure and the module of the present invention, it can be obtained by applying a conventionally known method. However, the method described below has high reproducibility and high productivity. Can be obtained.
[0045]
That is, a ceramic circuit board is prepared in which a metal plate (B) having a circuit formed on the front surface in advance and a metal plate (A) containing aluminum as a main component to be a stress relaxation layer are provided on the back surface by brazing or the like. A method in which a brazing material is arranged between the surface on the side of the stress buffer layer and the metal heat sink and heated under pressure to join the ceramic circuit board and the metal heat sink, or a metal plate for circuit (B), a ceramic substrate Preferably, a metal plate (A) containing aluminum as a main component, which serves as a stress buffer layer, and a metal heat sink are sequentially arranged, a brazing material is arranged therebetween, and bonding is performed at the same time.
[0046]
In addition, in order to form a module structure having a notch, a notch is previously introduced into the surface of the metal plate (A) of the ceramic circuit board or the surface of the metal heat sink by etching, machining, or the like. A method in which a brazing material is arranged between a metal plate (A) of a substrate and a metal heat sink and heated under pressure to join the ceramic circuit board and the metal heat sink, or a metal plate for circuit (B), a ceramic substrate, It is preferable to sequentially arrange the metal plate (A) containing aluminum as a main component and the metal heat sink into which the cutouts are introduced, arrange a brazing material between them, and join them at the same time. Further, in the latter method, the circuit metal plate (B) may be a circuit formed in advance, or a circuit may be formed by applying a method such as etching after bonding. In the case where a notch is introduced into a region other than the bonding interface of the heat sink, it may be provided after the bonding.
[0047]
Next, electronic components such as semiconductor elements are mounted on the circuit of the module structure consisting of the ceramic circuit board and metal heat sink by soldering, etc., and wire bonding is performed as necessary to complete the circuit. An inventive module can be obtained.
[0048]
Assembled using the module structure of the present invention, a power module mounted with a high heat-generating electrical component such as a high-power semiconductor element, when the metal heat sink is a solid plate, through a high thermal conductive grease, It is used by attaching it to a radiation unit such as a radiation fin. If the heat sink has a fin shape, it can be used as it is. When the heat sink is in the form of a pipe through which a cooling medium passes, piping for passing the cooling medium is used.
[0049]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto.
[0050]
[Examples 1, 2, 3, 4, 5, Comparative Examples 1 and 2]
As a ceramic substrate, a silicon nitride substrate having a thermal conductivity of 75 W / mK by laser flash method and an average value of three-point bending strength of 650 MPa and a size of 34 × 34 × 0.635 mm was prepared. An Al plate having a purity of 99.99% and a thickness of 0.4 mm (hereinafter, referred to as an Al circuit plate) as a metal plate for a circuit, and an Al plate for a stress buffer layer (hereinafter, referred to as a buffer Al plate). ) Having a purity of 99.99% and various thicknesses as shown in Table 1.
[0051]
The Al circuit board and the Al layer for a buffer layer were stacked on both front and back surfaces of the silicon nitride substrate via JIS designation 2017 Al foil (thickness: 20 μm), and were pressed vertically at 5 MPa. And 10 ^-3 While heating at a temperature of 635 ° C. in a vacuum of the order of Pa, both of the Al plates were joined to the silicon nitride substrate.
[0052]
After the bonding, an etching resist was screen-printed on a desired portion of the surface of the Al plate, and a circuit pattern was formed by performing an etching treatment with a ferric chloride solution, thereby producing a ceramic circuit board.
[0053]
Next, a 50 × 50 × 4 mm JIS nominal 1050 Al plate was prepared as a heat sink. A 20 μm-thick JIS 2017 Al foil is sandwiched between the buffer Al plate and the heat sink bonded to the ceramic circuit board, and the whole is pressed vertically at 5 MPa with a graphite jig. ^-3 The heat treatment was performed in a vacuum of about Pa at 600 ° C. for 4 minutes, and the ceramic circuit board was joined to the heat sink. Electroless Ni plating was performed on the aluminum metal surface of the joined body to obtain a module structure. In this case, ten module structures each having the same configuration were produced.
[0054]
A 10 mm × 10 mm × 0.3 mm silicon chip plated with Au on the back side of an Al circuit surface of the manufactured module structure was placed at 350 ° C. using solder in which the mass ratio of lead and tin was 90:10, respectively. Joined.
The obtained module was subjected to 3000 heat cycles of -40 ° C. × 30 minutes → room temperature × 10 minutes → 125 ° C. × 30 minutes → room temperature × 10 minutes. Thereafter, the presence or absence of peeling or cracking at the bonding interface between the ceramic substrate and the heat sink and between the ceramic substrate and the silicon chip were observed by an ultrasonic deep-scratch device. The results are shown in Table 1.
[0055]
Except for Comparative Example 1, in any of the modules, peeling of the bonded portion due to heat cycle and generation of cracks in the silicon nitride substrate were not observed. In Comparative Example 1, a part of the bonding portion was peeled off, and fatigue breakage of the buffer Al plate occurred remarkably. In Example 1, fatigue breakage was observed at a corner of the buffer layer Al plate. In Comparative Example 2, cracks were observed over the entire surface of the solder layer between the silicon chip and the circuit board, and in Example 5, a slight crack was also observed in the solder layer.
[0056]
[Table 1]

[0057]
[Examples 6, 7, 8, 9, 10, 11 and Comparative Example 3]
Using the seven types of heat sinks shown in Table 2, a module was manufactured with ten repetitions according to the following procedure, and the module was evaluated, thereby obtaining an example of the present invention and a comparative example.
[0058]
As a ceramic substrate, an AlN (aluminum nitride) substrate having a size of 34 × 34 × 0.635 mm, a thermal conductivity of 180 W / mK by a laser flash method, and an average value of three-point bending strength of 400 MPa was prepared. Two 30 × 30 × 0.4 mm JIS 1085 Al (aluminum) plates of 30 × 30 × 0.4 mm were prepared as metal plates to be provided on the surface of the AlN substrate with respect to the heat sink (hereinafter referred to as the back surface of the substrate). .
[0059]
The Al plate was overlaid on both front and back surfaces of the AlN substrate via JIS-designed 2017 Al foil (thickness: 20 μm), and was vertically pressed at 10 MPa. And 10 ^-2 The Al plate and the AlN substrate were joined while heating at 630 ° C. for 20 minutes in a vacuum of Pa. After the bonding, an etching resist was screen-printed on a desired portion of the surface of the Al plate, and a circuit pattern was formed by performing an etching treatment with a ferric chloride solution, thereby producing a ceramic circuit board.
[0060]
Next, an aluminum plate having a composition shown in Table 2 having a size of 46 × 46 × 4 mm was prepared as a heat sink. Then, silver powder is screen-printed on the surface of the ceramic circuit board, which is arranged in contact with the heat sink, at 1.5 mg / cm. ² JIS 2017 Al foil having a thickness of 20 μm is put between the heat sink and the heat sink, and pressurized at 10 MPa in a vertical direction with a graphite jig in a nitrogen atmosphere at 510 to 600 ° C. for 4 minutes. Heat treatment was performed to join the heat sink and the ceramic circuit board. Finally, electroless Ni plating was performed on the entire surface of the substrate and the heat sink to obtain a module structure.
[0061]
A 13 mm × 13 mm × 0.4 mm silicon chip plated with Au on the back side of an Al circuit surface of the manufactured module structure was placed at 350 ° C. by using solder having a lead / tin mass ratio of 90:10, respectively. Joined.
[0062]
With respect to the module obtained by the above operation, the amount of warpage of the silicon chip was measured. The amount of warpage was evaluated as the difference between the heights at both ends and the center on the diagonal line of the silicon chip. Table 3 shows the average value of 10 pieces.
[0063]
[Table 2]

[0064]
[Table 3]

[0065]
[Example 12, Comparative Example 4]
As a ceramic substrate, a silicon nitride substrate (dimensions 34 × 26 × 0.635 mm) having a thermal conductivity of 70 W / mK measured by a laser flash method and a three-point bending strength of 750 MPa was prepared. For the metal plate (A) and the metal plate (B), an aluminum plate having a purity of 99.99% and a thickness of 0.4 mm was prepared.
[0066]
An aluminum plate was overlaid on both the front and back surfaces of the silicon nitride substrate via JIS designation 2017 Al foil (thickness of 20 μm) and pressed at 5 MPa from the vertical direction. And 10 ^-3 While heating at a temperature of 635 ° C. in a vacuum of the order of Pa, both of the aluminum plates were joined to the silicon nitride substrate.
[0067]
After joining, an etching resist is screen-printed on desired portions of the upper and lower aluminum plate surfaces, and an etching process is performed with a ferric chloride solution to form a circuit pattern on the metal plate (B). A) was formed with a cutout for strain relief, and a ceramic circuit board was manufactured. Note that the notch portion is other than a frustum region formed by drawing a group of straight lines of 45 ° vertically downward from an edge in contact with a metal plate (B) of a semiconductor element, which is one of the heat-generating electric components to be mounted later. Area. In Comparative Example 4, a ceramic circuit board was manufactured by the same method without providing a cutout in the metal plate (A).
[0068]
Next, a JIS 1050 aluminum plate having 60 × 140 × 4 mm and having four mounting screw holes was prepared as a heat sink. Then, between the two ceramic circuit boards and the aluminum plate, a JIS designation 2017 aluminum alloy foil is put, and while being vertically pressed with a graphite jig, 10 ^-3 Heating was performed at 590 ° C. for 10 minutes in a vacuum of the order of Pa, and the heat sink and the ceramic circuit board were joined to form a module structure.
[0069]
Next, the amount of warpage change was measured assuming a temperature history before and after soldering the semiconductor element. The method of measuring the amount of warpage is as follows. First, the shape at the bottom of the module structure after joining is measured from end to end in the longitudinal direction (span 140 mm) with a stylus type contour shape machine, and both ends are corrected and quantified. did. Then, after subjecting this module structure to heat treatment at 360 ° C. for 10 minutes, the bottom shape was measured, the difference before and after heating was determined, and the maximum value was defined as the amount of warpage change. Table 4 shows the results.
[0070]
Next, for the evaluation of heat dissipation, after performing electroless nickel plating on the entire surface of the obtained module structure, a 10 mm square semiconductor element was placed at a predetermined position of the circuit using high-temperature solder in a reducing atmosphere. Soldering was performed at 360 ° C. The cross-sectional structures of the modules of Example 10 and Comparative Example 4 are shown in FIGS. 1 and 2, respectively. An aluminum heat radiating unit was fastened to the bottom surface of the module member with four screws via silicone grease. The thermal resistance was obtained by measuring the temperature of the silicon element and the temperature of the aluminum heat radiation unit while cooling the heat radiation unit with a constant current in the thickness direction of the silicon element. Table 4 shows the results.
[0071]
[Table 4]

[0072]
The obtained module was subjected to 3000 heat cycles of -40 ° C. × 30 minutes → room temperature × 10 minutes → 125 ° C. × 30 minutes → room temperature × 10 minutes. Thereafter, the presence or absence of peeling of the bonding interface between the ceramic substrate and the heat sink due to the ultrasonic deep scratch was observed. In any of the modules, abnormalities such as peeling of the circuit board due to the heat cycle and generation of cracks in the silicon nitride substrate were not observed.
[0073]
[Comparative Example 5]
A module was fabricated in the same manner as in Example 10, except that the cutout for introducing into the metal plate (A) was provided vertically below the silicon element. In the same manner as in Example 10, the amount of change in warpage and the thermal resistance of the semiconductor element before and after soldering were evaluated. FIG. 3 shows the cross-sectional structure of the module, and Table 4 shows the evaluation results.
[0074]
[Example 13]
A frustum portion area formed by drawing a group of straight lines of 45 ° vertically downward from the edge of the aluminum heat sink in contact with the ceramic circuit board and from the edge in contact with the metal plate (B) of the semiconductor element to be mounted in a later step A module was prepared in the same manner as in Comparative Example 4 except that a groove having a width of 1 mm and a depth of 1.5 mm was formed in a region other than the above using a diamond cutter, and evaluated in the same manner as in Comparative Example 4. FIG. 4 shows the cross-sectional structure of the module, and Table 4 shows the evaluation results.
[0075]
[Examples 14 and 15]
In the same manner as in Comparative Example 4, a module in which the ceramic circuit board was joined to an aluminum heat sink was manufactured. In Example 14, a groove having a width of 3 mm and a depth of 2 mm was formed in the position of the upper surface of the heat sink shown in FIG. 5, and in Example 15, the position of the lower surface of the heat sink shown in FIG. Thereafter, a module was manufactured and evaluated in the same manner as in Comparative Example 4. Table 4 shows the evaluation results.
[0076]
【The invention's effect】
The module structure of the present invention and a module using the same have a small amount of deformation even when using a heat sink made of inexpensive metal and receive a temperature history such as when mounting a semiconductor, are easy to assemble, and have a practical use condition. Even under repeated temperature history under the following conditions, it is difficult to generate abnormalities such as peeling at the bonding interface, fatigue fracture of the aluminum layer, cracking of the ceramic substrate, cracking of the solder layer, and excellent heat dissipation. It is suitable for power modules for various uses, particularly power modules for mobile devices, and is very useful industrially.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a module according to a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a conventionally known module according to Comparative Example 4.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventionally known module according to Comparative Example 5.
FIG. 4 is a sectional view of a module according to Embodiment 13 of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view of a module according to Embodiment 14 of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view of a module according to Embodiment 15 of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ceramic substrate
2 Heat-generating electrical components (semiconductor elements)
3 Metal plate (B)
4 Metal plate (A)
5 heat sink
A frustum region formed by drawing a group of straight lines at 45 ° vertically downward from the edge of the heat-generating electrical component in contact with the metal plate (A)
B Notch

Claims

金属製ヒートシンクにセラミックス回路基板を、アルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）を介して、接合してなるモジュール構造体であって、前記アルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）の厚みが４００μｍ以上１２００μｍ以下であることを特徴とするモジュール構造体。A module structure in which a ceramic circuit board is joined to a metal heat sink via a metal plate (A) containing aluminum as a main component, and the thickness of the metal plate (A) containing aluminum as a main component is small. A module structure having a size of 400 μm or more and 1200 μm or less.

ヒートシンクが６３０℃、４分の加熱処理後のビッカース硬さが３０ＨＶ以上であるアルミニウム合金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。The module structure according to claim 1, wherein the heat sink is made of an aluminum alloy having a Vickers hardness of 30 HV or more after a heat treatment at 630 ° C. for 4 minutes.

前記金属板（Ａ）が、セラミックス回路基板および金属製ヒートシンクに、ろう材を介して接合されてい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。The module structure according to claim 1, wherein the metal plate (A) is joined to the ceramic circuit board and the metal heat sink via a brazing material.

ろう材が、Ａｌを主成分とし、Ｍｇと、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ及びＡｇからなる群から選ばれる１種以上とを含有することを特徴とする請求項３記載のモジュール構造体。The module structure according to claim 3, wherein the brazing material contains Al as a main component, and contains Mg and at least one selected from the group consisting of Cu, Zn, Ge, Si, Sn, and Ag. .

請求項１、請求項２、請求項３、または請求項４記載のモジュール構造体を用い、セラミックス回路基板の金属板（Ａ）と反対側に設けられた回路形成されている金属板（Ｂ）上に、所望の位置に搭載された発熱性電気部品を設け、しかも前記金属板（Ａ）及び／又は前記金属製ヒートシンクの表面に切欠部を設けたモジュールであって、当該モジュールの断面を想定したときに、前記切欠部が前記発熱性電気部品の金属板（Ｂ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域に設けられていることを特徴とするモジュール。A metal plate (B) provided with a circuit formed on the ceramic circuit board on the side opposite to the metal plate (A), using the module structure according to claim 1, 2, 3, or 4. A module in which a heat-generating electric component mounted at a desired position is provided on the top and a cutout portion is provided on the surface of the metal plate (A) and / or the metal heat sink, and a cross section of the module is assumed. The notch is provided in a region other than the frustum region formed by drawing a group of 45 ° straight lines vertically downward from the edge of the heat-generating electric component that contacts the metal plate (B). A module characterized by:

切欠部が、金属板（Ａ）の金属製ヒートシンクに接する側の表面に設けられていることを特徴とする請求項５記載のモジュール。The module according to claim 5, wherein the notch is provided on a surface of the metal plate (A) on a side in contact with the metal heat sink.

切欠部が、当該モジュールの発熱性電気部品のある側から眺めたときに、セラミックス基板に覆われた金属製ヒートシンク表面に設けられていることを特徴とする請求項５又は請求項６記載のモジュール。The module according to claim 5, wherein the notch is provided on a surface of the metal heat sink covered with the ceramic substrate when viewed from a side of the module where the heat-generating electric component is located. 8. .

切欠部が、当該モジュールの発熱性電気部品のある側から眺めたときに、セラミックス基板に覆われていない金属製ヒートシンク表面に設けられていることを特徴とする請求項５、請求項６または請求項７記載のモジュール。7. The notch is provided on a surface of a metal heat sink that is not covered with the ceramic substrate when viewed from a side of the module where the heat-generating electrical component is located. Item 7. The module according to Item 7.