JP2012160548A - 絶縁基板とその絶縁基板を有するパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方を満足する絶縁基板を提供すること。
【解決手段】絶縁基板５０は、第１配線層５２と絶縁層５４と第２配線層５６を備えている。第１配線層５２は、１又は複数の層で構成されている。第２配線層５６は、１又は複数の層で構成されている。第１配線層５２を構成する前記１又は複数の層のそれぞれの０．２％耐力と厚みの積の合計が、第２配線層５６を構成する前記１又は複数の層のそれぞれの０．２％耐力と厚みの積の合計よりも小さい。これにより、絶縁基板５０は、放熱器３０側に向けて凸状に反っていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、放熱器と絶縁基板の間に設けられる絶縁基板に関する。本発明はまた、絶縁基板を介して放熱器と半導体装置が接合されているパワーモジュールに関する。

例えば、サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ダイオード等のパワーデバイスを含む半導体装置は、絶縁基板を介して放熱器に搭載して用いられることが多い。このような半導体装置と絶縁基板と放熱器で構成されるモジュールを特にパワーモジュールという。

図９に、典型的な従来のパワーモジュール１００の一例を示す。パワーモジュール１００は、放熱器１３０と絶縁基板１５０と半導体装置１７０を備えている。放熱器１３０は、半導体装置１７０で発生した熱を放熱するために用いられており、ヒートシンク１３２とベースプレート１３６を有している。ヒートシンク１３２とベースプレート１３６は、放熱グリス１３４を介して接合されている。絶縁基板１５０は、放熱器１３０側に配置される第１配線層１５２と、半導体装置１７０側に配置される第２配線層１５６と、第１配線層１５２と第２配線層１５６の間に設けられているセラミックの絶縁層１５４とを有している。絶縁基板１５０と放熱器１３０は下側はんだ層１４０を介して接合されており、絶縁基板１５０と半導体装置１７０も上側はんだ層１６０を介して接合されている。このようなパワーモジュール１００の一例が特許文献１に開示されている。

この種のパワーモジュール１００は、様々な分野で必要とされており、例えば、直流電力を交流電力に変換して交流モータに供給する車載用のインバータ回路に用いられる。車載用のインバータ回路は、温度変動幅の大きい環境下で用いられる。このため、車載用のインバータ回路では、そのような環境下でも特性が維持される必要がある。したがって、この種のパワーモジュール１００では、低温と高温の間で変動する温度環境に繰返し曝されたときの応力耐性に関する試験（一般的に、冷熱サイクル試験と呼ばれる）において、高い信頼性が要求される。さらに、車載用のインバータ回路では、大電流をＯＮ・ＯＦＦ制御することから、搭載される半導体装置１７０自体が高温の発熱体となる。このため、この種のパワーモジュール１００では、半導体装置のＯＮ・ＯＦＦを繰り返したときの応力耐性に関する試験（一般的に、パワーサイクル試験と呼ばれる）においても、高い信頼性が要求される。

特開２００８−２００７２８号公報

冷熱サイクル試験では、図９に示されるように、下側はんだ層１４０の端部１４２に過度のストレスが印加され、この端部１４２にクラックが発生することが経験的に知られている。一方、パワーサイクル試験では、図９に示されるように、上側はんだ層１６０の中央部１６２に過度のストレスが印加され、この中央部１６２にクラックが発生することが経験的に知られている。

本明細書で開示される技術は、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方を満足する絶縁基板を提供することを目的としている。本明細書で開示される技術はさらに、そのような絶縁基板を介して放熱器と半導体装置が接合されているパワーモジュールを提供することを目的としている。

本明細書で開示される技術では、絶縁基板が放熱器側に向けて凸状に反っていることを特徴としている。絶縁基板が放熱器側に向けて凸状に反っていると、絶縁基板と放熱器の間の下側はんだ層は、端部において厚みが増加する構成となっており、端部での歪みを緩和することができ、端部でのクラックの発生が抑えられる。このため、本明細書で開示されるパワーモジュールは、冷熱サイクル試験の信頼性を大幅に向上させることができる。さらに、絶縁基板が放熱器側に向けて凸状に反っていると、絶縁基板と半導体装置の間の上側はんだ層は、中央部において厚みが増加する構成となっており、中央部での歪みを緩和することができ、中央部でのクラックの発生を抑えることができる。このため、本明細書で開示されるパワーモジュールは、パワーサイクル試験の信頼性を大幅に向上させることができる。このように、本明細書で開示されるパワーモジュールは、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方を満足する特性を有することができる。

即ち、本明細書で開示される技術は、放熱器と半導体装置の間に設けられており、放熱器と半導体装置のそれぞれにはんだを介して接合される絶縁基板に具現化される。本明細書で開示される絶縁基板は、放熱器側に配置される第１配線層と、半導体装置側に配置される第２配線層と、第１配線層と第２配線層の間に設けられている絶縁層とを備えている。第１配線層は、１又は複数の層で構成されている。第２配線層は、１又は複数の層で構成されている。第１配線層を構成する１又は複数の層のそれぞれの０．２％耐力と厚みの積の合計が、第２配線層を構成する１又は複数の層のそれぞれの０．２％耐力と厚みの積の合計よりも小さいことを特徴としている。第１配線層と第２配線層の間に０．２％耐力と厚みの積に関する上記関係が成立していると、第１配線層と絶縁層と第２配線層を接合したときに第１配線層よりも第２配線層の収縮の方が大きいことから、第１配線層の中央部が凸状に突出した状態で変形する。したがって、この絶縁基板は、放熱器と半導体装置の間に設けられたときに、放熱器側に向けて凸状に反った状態となる。これにより、絶縁基板と放熱器の間のはんだ層は、端部の厚みが増加する構成となり、端部での歪みを緩和することができ、端部でのクラックの発生が抑えられる。一方、絶縁基板と半導体装置の間のはんだ層は、中央部の厚みが増加する構成となり、中央部での歪みを緩和することができ、中央部でのクラックの発生を抑えることができる。このため、本明細書で開示される絶縁基板は、熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方を満足する特性を有することができる。

第１配線層は、放熱器に対向する側の面に溝が形成されているのが望ましい。また、第２配線層は、半導体装置に対向する側の面に溝が形成されているのが望ましい。このような溝が形成されていると、絶縁基板の反り量が大きくなるので、絶縁基板と放熱器の間のはんだ層の端部の厚みがさらに増加し、絶縁基板と半導体装置の間のはんだ層の中央部の厚みがさらに増加する。このため、これらはんだ層のクラックの発生をさらに抑えることができる。

本明細書で開示される絶縁基板は、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方において高い信頼性を有している。

第１実施形態のパワーモジュールの構成を示す。 （Ａ）ろう付前の第１配線層と絶縁層と第２配線層の状態を示す。（Ｂ）ろう付途中の第１配線層と絶縁層と第２配線層の状態を示す。（Ｃ）ろう付後の第１配線層と絶縁層と第２配線層の状態を示す。 第２配線層の厚みと反り量の関係を示す。 図４は、第２実施形態のパワーモジュールの構成を示す。 図５は、第２実施形態のパワーモジュールの変形例の構成を示す。 図６は、第２実施形態のパワーモジュールの変形例の構成を示す。 図７は、第３実施形態のパワーモジュールの構成を示す。 図８は、第３実施形態のパワーモジュールの変形例の構成を示す。 図９は、従来のパワーモジュールの構成を示す。

（第１実施形態）
図１に、車載用のパワーモジュール１０の構成を示す。パワーモジュール１０は、直流電源と交流モータの間に接続されるインバータ回路に用いられる。パワーモジュール１０は、放熱器３０と絶縁基板５０と半導体装置７０を備えている。

放熱器３０は、半導体装置７０で発生した熱を放熱するために用いられており、ヒートシンク３２とベースプレート３６を有している。ヒートシンク３２とベースプレート３６は、放熱グリス３４を介して接合されている。ヒートシンク３２は、水冷式であり、冷却水が流動する複数の貫通孔を備えている。ヒートシンク３２の材料には、アルミニウム合金が用いられている。ベースプレート３６は、半導体装置７０で発生した熱を効率良くヒートシンク３２に伝熱するヒートスプレッダーであり、その材料には銅（Ｃｕ）又は銅とマンガン等の銅合金が用いられている。

絶縁基板５０は、放熱器３０と半導体装置７０の間に設けられており、第１配線層５２と絶縁層５４と第２配線層５６が積層した構造を備えている。第１配線層５２が放熱器３０側に配置されており、第２配線層５６が半導体装置７０側に配置されている。第１配線層５２と放熱器３０は、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の下側はんだ層４０を介して接合されている。第２配線層５６と半導体装置７０も、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の上側はんだ層６０を介して接合されている。

絶縁基板５０の第１配線層５２の材料には、Ａｌ−Ｍｎ系のアルミニウム合金（ＪＩＳ記号：A3003）が用いられている。第１配線層５２のアルミニウムの重量パーセントは、９７．５５％以下である。第１配線層５２の０．２％耐力は４３ＭＰａである。一例では、第１配線層５２の厚みは約０．２ｍｍである。

絶縁基板５０の絶縁層５４の材料には、セラミックが用いられており、典型的には窒化アルミニウム（AlN）が用いられる。この例に代えて、絶縁層５４の材料には、窒化ケイ素（Si₃N₄）、アルミナ（Al₂O₃）等のセラミックを用いてもよい。一例では、絶縁層５４の厚みは約０．３〜１．０ｍｍである。

絶縁基板５０の第２配線層５６の材料には、純系のアルミニウムが用いられている。第２配線層５６のアルミニウムの重量パーセントは、９９．９９％以上である（所謂、4N-Al）。第２配線層５６の０．２％耐力は１５ＭＰａである。一例では、第２配線層５６の厚みは約１．５ｍｍである。

半導体装置７０には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のパワーデバイスが用いられている。

図１に示されるように、パワーモジュール１０の絶縁基板５０は、放熱器３０側に向けて凸状に反っていることを特徴としている。具体的には、絶縁基板５０は、中央部が放熱器３０に最も接近し、両端が放熱器３０から最も離反するように、一方の端部から他方の端部まで連続して湾曲している。このため、絶縁基板５０と放熱器３０の間の下側はんだ層４０では、その端部４２の厚みが厚くなっている。一方、絶縁基板５０と半導体装置７０の間の上側はんだ層６０では、その中央部６２の厚みが厚くなっている。

図２を参照して、絶縁基板５０が凸状に反っている理由を説明する。図２（Ａ)に、絶縁基板５０の第１配線層５２と絶縁層５４と第２配線層５６を接合する前の段階を示す。この段階では、第１配線層５２と絶縁層５４と第２配線層５６は扁平な平板状である。次に、図２（Ｂ）に示されるように、第１配線層５２と絶縁層５４と第２配線層５６をＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介してろう付する。このろう付工程では、絶縁基板５０の温度が６００〜７００℃の範囲にまで加熱される。このため、図２（Ｂ）に示されるように、第１配線層５２と第２配線層５６は、膨張した状態で絶縁層５４に接合される。次に、図２（Ｃ）に示されるように、絶縁基板５０が冷却されると、降温過程において第１配線層５２と第２配線層５６が収縮する。本実施例では、第２配線層５６の収縮が第１配線層５２よりも大きいので、第１配線層５２が外側に向けて凸状に反った状態に変形する。

ここで、以下の数式１の関係が成立すると、第２配線層５６の収縮が第１配線層５２よりも大きくなり、図２（Ｃ）に示されるように、第１配線層５２が外側に向けて凸状に反った状態に変形する。Ｓａは第１配線層５２の０．２％耐力であり、ｔａは第１配線層５２の厚みであり、Ｓｂは第２配線層５６の０．２％耐力であり、ｔｂは第２配線層５６の厚みである。

上記したように、絶縁基板５０の第１配線層５２と絶縁層５４と第２配線層５６をろう付するろう付工程では、絶縁基板５０の温度が６００〜７００℃の範囲にまで加熱される。このような高温範囲では、第１配線層５２と第２配線層５６は非弾性変形する。非弾性変形における変形のし易さは、０．２％耐力と厚みの積を指標とすることができる。例えば、この指標の値が大きいほど、ろう付工程時の膨張及び収縮が大きい。

図３に、第１配線層５２の厚みを０．２ｍｍに固定し、第２配線層５６の厚みを０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍ、２．１ｍｍに変更したときの絶縁基板５０の反り量を計測した結果を示す。第２配線層５６の厚みが０．２ｍｍ、０．４ｍｍのとき、絶縁基板５０は第２配線層５６が外側に向けて凸状に突出する状態（図２（Ｃ）とは反対向きに突出する状態）で変形した。一方、第２配線層５６の厚みが０．８ｍｍ、２．１ｍｍのとき、絶縁基板５０は第１配線層５２が外側に向けて凸状に突出する状態（図２（Ｃ）と同じ向きに突出する状態）で変形した。第２配線層５６の厚みが０．６ｍｍのとき、絶縁基板５０の反り量が計測されなかった。

このように、絶縁基板５０は、第２配線層５６の厚みが０．６ｍｍを境に、反り量が反転する。第２配線層５６の厚みが０．６ｍｍの例は、第１配線層５２の０．２％耐力と厚みの積が第２配線層５６の０．２％耐力と厚みの積と等しくなるときの結果である。この結果から、０．２％耐力と厚みの積を指標として、絶縁基板５０の反り量及びその向きを評価可能であることが分かる。

このように凸状に変形された絶縁基板５０を予め準備し、その絶縁基板５０を介して放熱器３０と半導体装置７０をはんだ接合してパワーモジュール１０が製造される。このため、製造されるパワーモジュール１０は、図１に示されるように、絶縁基板５０が放熱器３０側に向けて凸状に反った状態として完成される。

パワーモジュール１０は、低温と高温の間で変動する温度環境に繰返し曝されたときの応力耐性に関する冷熱サイクル試験において、高い信頼性が要求される。さらに、パワーモジュール１０は、半導体装置７０のＯＮ・ＯＦＦを繰り返したときの応力耐性に関するパワーサイクル試験においても、高い信頼性が要求される。

冷熱サイクル試験では、図１に示されるように、下側はんだ層４０の端部４２に過度のストレスが印加され、この端部４２にクラックが発生することが経験的に知られている。一方、パワーサイクル試験では、図１に示されるように、上側はんだ層６０の中央部６２に過度のストレスが印加され、この中央部６２にクラックが発生することが経験的に知られている。

パワーモジュール１０では、絶縁基板５０が放熱器３０側に向けて凸状に反っていることから、下側はんだ層４０の端部４２が厚くなっており、ここでの歪みを緩和することができ、クラックの発生が抑えられる。このため、パワーモジュール１０では、冷熱サイクル試験の信頼性を大幅に向上させることができる。

さらに、パワーモジュール１０では、絶縁基板５０が放熱器３０側に向けて凸状に反っていることから、上側はんだ層６０の中央部６２が厚くなっており、ここでの歪みを緩和することができ、クラックの発生を抑えることができる。このため、パワーモジュール１０では、パワーサイクル試験の信頼性を大幅に向上させることができる。このように、パワーモジュール１０は、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方を満足する特性を有することができる。

（第２実施形態）
図４に、第２実施形態のパワーモジュール１１の構成を示す。なお、第１実施形態のパワーモジュール１０に対応する構成に関しては同一の符号を付す。パワーモジュール１１は、第１配線層５２と第２配線層５６の材料が第１実施形態のパワーモジュール１０と異なっていることを特徴としている。

絶縁基板５０の第１配線層５２の材料には、純系のアルミニウムが用いられている。第１配線層５２のアルミニウムの重量パーセントは、９９．９９％以上である（所謂、4N-Al）。第１配線層５２の０．２％耐力は１５ＭＰａである。一例では、第１配線層５２の厚みは約０．２ｍｍである。

絶縁基板５０の第２配線層５６の材料には、Ａｌ−Ｍｎ系のアルミニウム合金（ＪＩＳ記号：A3003）が用いられている。第２配線層５６のアルミニウムの重量パーセントは、９７．５５％以下である。第２配線層５６の０．２％耐力は４３ＭＰａである。一例では、第２配線層５６の厚みは約０．２ｍｍである。

第２実施形態でも、第１配線層５２と第２配線層５６の間には、上記の数式１の関係が成立している。このため、図４に示されるように、パワーモジュール１１は、絶縁基板５０が放熱器３０側に向けて凸状に反った状態で完成され、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方を満足する特性を有することができる。

図５に、第２実施形態のパワーモジュール１１の変形例の構成を示す。この変形例のパワーモジュール１１では、第１配線層５２において、放熱器３０に対向する側の面に溝５３が形成されていることを特徴としている。さらに、第２配線層５６において、半導体装置７０に対向する面に側の溝５７が形成されていることを特徴としている。

このような溝５３，５７が形成されていると、絶縁基板５０をろう付で製造するときに、絶縁基板５０の反り量が大きくなる。このため、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の特性をより改善することができる。なお、図６に示すように、第１配線層５２の溝５３は端部側に選択的に形成されていてもよく、第２配線層５６の溝５７は中央部側に選択的に形成されていてもよい。

（第３実施形態）
図７に、第３実施形態のパワーモジュール１２の構成を示す。なお、第１実施形態のパワーモジュール１０に対応する構成に関しては同一の符号を付す。パワーモジュール１２は、第１配線層５２と第２配線層５６がそれぞれ２つの層で構成されていることを特徴としている。

第１配線層５２は、下側第１配線層５２ａと上側第１配線層５２ｂを有している。下側第１配線層５２ａの材料にはアルミニウム合金（A3003）が用いられており、０．２％耐力が４３ＭＰａであり、その厚みが約０．２ｍｍである。上側第１配線層５２ｂには高純系アルミニウム（4N-Al）が用いられており、０．２％耐力が１５ＭＰａであり、その厚みが約０．２ｍｍである。

第２配線層５６は、下側第２配線層５６ａと上側第２配線層５６ｂを有している。下側第２配線層５６ａの材料には高純系アルミニウム（4N-Al）が用いられており、０．２％耐力が１５ＭＰａであり、その厚みが約１．５ｍｍである。上側第２配線層５６ｂにはアルミニウム合金（A3003）が用いられており、０．２％耐力が４３ＭＰａであり、その厚みが約０．２ｍｍである。

この例によると、絶縁層５４の両面に対して同一純度の材料がろう付けされている。このため、第１配線層５２の上側第１配線層５２ｂを絶縁層５４にろう付する接合条件と第２配線層５６の下側第２配線層５６ａを絶縁層５４にろう付する接合条件を共通化し、最適な条件で実施することができる。

図７に示される絶縁基板５０のように、第１配線層５２と第２配線層５６が複数の層で構成されている場合、以下の数式２が成立するのが望ましい。ここで、Ｓ_aiは、第１配線層５２の各層の０．２％耐力である。ｔ_aiは、第１配線層５２の各層の厚みである。Ｓ_ｂｊは、第２配線層５６の各層の０．２％耐力である。ｔ_ｂｊは、第２配線層５６の各層の厚みである。

上記の数式２の関係が成立するように第１配線層５２と第２配線層５６が構成されていると、ろう付で絶縁基板５０を製造したときに、第１配線層５２が外側に向けて凸状に反った状態で変形する。このため、図７に示されるように、パワーモジュール１２は、絶縁基板５０が放熱器３０側に向けて凸状に反った状態で完成され、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方を満足する特性を有することができる。

図８に、第３実施形態のパワーモジュール１２の変形例の構成を示す。このパワーモジュール１２では、第１配線層５２に中間第１配線層５２ｃが設けられているとともに、第２配線層５６にも中間第２配線層５２ｃが設けられていることを特徴としている。中間第１配線層５２ｃ及び中間第２配線層５２ｃの材料には、アルミニウムの重量パーセントが高純系アルミニウム（4N-Al）とアルミニウム合金（A3003）の間である低純系アルミニウム（A1100）が用いられている。この形態によると、冷熱サイクルが印加されたときに、アルミニウム合金（A3003）である下側第１配線層５２ａに含まれる不純物が高純系アルミニウム（4N-Al）である上側第１配線層５２ｂに拡散することが抑制されるとともに、同様に、アルミニウム合金（A3003）である上側第２配線層５６ｂに含まれる不純物が高純系アルミニウム（4N-Al）である下側第２配線層５６ａに拡散することが抑制される。このため、第１配線層５２及び第２配線層５６の変質が低減され、信頼性が向上する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上記実施例では、絶縁基板を製造する工程でろう付を用いる例を説明したが、高温処理を用いた他の接合技術、例えば、ダイレクトボンディング法を利用することも可能である。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０，１１，１２：パワーモジュール
３０：放熱器
５０：絶縁基板
５２：第１配線層
５４：絶縁層
５６：配線層
７０：半導体装置

Claims (4)

1. 放熱器と半導体装置の間に設けられており、前記放熱器と前記半導体装置のそれぞれにはんだを介して接合されるとともに前記放熱器側に向けて凸状に反っている絶縁基板であって、
   前記放熱器側に配置される第１配線層と、前記半導体装置側に配置される第２配線層と、前記第１配線層と前記第２配線層の間に設けられている絶縁層と、を備えており、
   前記第１配線層は、１又は複数の層で構成されており、
   前記第２配線層は、１又は複数の層で構成されており、
   前記第１配線層を構成する前記１又は複数の層のそれぞれの０．２％耐力と厚みの積の合計が、前記第２配線層を構成する前記１又は複数の層のそれぞれの０．２％耐力と厚みの積の合計よりも小さい絶縁基板。
2. 前記第１配線層は、前記放熱器に対向する側の面に溝が形成されている請求項１に記載の絶縁基板。
3. 前記第２配線層は、前記半導体装置に対向する側の面に溝が形成されている請求項１又は２に記載の絶縁基板。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の絶縁基板を介して放熱器と半導体装置が接合されているパワーモジュール。

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