JP2013065918A5 - - Google Patents

Description

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されて前記パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記回路層が純度９９％以上のアルミニウムで構成されるとともに、前記金属層が純度９９．９９％以上のアルミニウムで構成されており、前記金属層と前記ヒートシンクとが直接接合されており、前記回路層の厚さＡと前記金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されており、前記ヒートシンク及び前記絶縁基板に接合する前の状態における前記金属層のアルミニウムの純度が、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記回路層のアルミニウムの純度よりも高くされていることを特徴としている。

また、この金属層が、接合する前の状態において、純度９９．９９％以上のアルミニウムで構成されているので、金属層の変形抵抗が小さく、ヒートシンクとの接合時に加圧することによって金属層を十分に変形させることが可能となり、反りの発生を確実に抑制することができる。

さらに、前記回路層が純度９９％以上のアルミニウムで構成されるとともに、前記金属層が純度９９．９９％以上のアルミニウムで構成されており、前記ヒートシンク及び前記絶縁基板に接合する前の状態における前記金属層のアルミニウムの純度が、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記回路層のアルミニウムの純度よりも高くされている。
絶縁基板の一方の面に回路層を、絶縁基板の他方の面に金属層を接合する際において、回路層の厚さと金属層の厚さとが異なっていると、反りが発生しやすくなる。ここで、厚く成形される金属層を、薄く成形される回路層よりも変形抵抗の小さい材料で構成することによって、接合時の反りの発生を抑制することが可能となる。

本発明のパワーモジュール用基板は、絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板であって、前記回路層が純度９９％以上のアルミニウムで構成されるとともに、前記金属層が純度９９．９９％以上のアルミニウムで構成されており、前記回路層の厚さＡと前記金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されており、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記金属層のアルミニウムの純度が、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記回路層のアルミニウムの純度よりも高くされていることを特徴とする。
この構成のパワーモジュール用基板においては、金属層の表面にヒートシンクを接合した場合に、天板部の厚さが薄いヒートシンクを使用しても絶縁基板の他方の面側に位置する金属層及びヒートシンクの天板部の合計厚さを比較的厚くすることが可能となり、反りの発生を抑制することができる。

ここで、前記回路層が純度９９％以上のアルミニウムで構成されるとともに、前記金属層が純度９９．９９％以上のアルミニウムで構成されており、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記金属層のアルミニウムの純度が、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記回路層のアルミニウムの純度よりも高くされている。
この場合、厚く形成される金属層が、薄く形成される回路層よりも変形抵抗の小さい材料で構成されているので、絶縁基板に金属層及び回路層を接合する際に生じる反りを抑制することが可能となる。

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１から図３に本発明の参考形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールを示す。
このヒートシンク付パワーモジュール１は、回路層１３が配設されたパワーモジュール用基板１１と、回路層１３の表面にはんだ層３を介して接合された半導体チップ２と、ヒートシンク１７とを備えている。ここで、はんだ層３は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本参考形態では、回路層１３とはんだ層３との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。

パワーモジュール用基板１１は、絶縁基板１２と、この絶縁基板１２の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１３と、絶縁基板１２の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１４とを備えている。
絶縁基板１２は、回路層１３と金属層１４との間の電気的接続を防止するものであって、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本参考形態では、ＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、絶縁基板１２の厚さＣは、０．２ｍｍ≦Ｃ≦１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本参考形態では、Ｃ＝０．６３５ｍｍに設定されている。

回路層１３は、絶縁基板１２の一方の面に導電性を有する金属板２３がろう付けされることにより形成されている。本参考形態においては、回路層１３は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる金属板２３が絶縁基板１２にろう付けされることにより形成されている。ここで、本参考形態においてはＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を用いてろう付けしており、ろう材のＳｉが金属板２３に拡散することで回路層１３にはＳｉの濃度分布が生じている。

金属層１４は、絶縁基板１２の他方の面に金属板２４がろう付けされることにより形成されている。本参考形態においては、金属層２４は、回路層１３と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる金属板２４が絶縁基板１２にろう付けされることで形成されている。本参考形態においてはＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２７を用いてろう付けしており、ろう材のＳｉが金属板２４に拡散することで金属層１４にはＳｉの濃度分布が生じている。

ここで、回路層１３の厚さＡは、０．２５ｍｍ≦Ａ≦０．９ｍｍの範囲内に設定されており、本参考形態では、Ａ＝０．６ｍｍに設定されている。
また、金属層１４の厚さＢは、０．４ｍｍ≦Ｂ≦５ｍｍの範囲内に設定されており、本参考形態では、Ｂ＝１．３ｍｍに設定されている。
そして、回路層１３の厚さＡと金属層１４の厚さＢとの比Ｂ／Ａは、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されており、本参考形態では、Ｂ／Ａ＝１．３／０．６＝２．１６７に設定されている。

ヒートシンク１７は、前述のパワーモジュール用基板１１を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１１と接合される天板部１８と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１９とを備えている。ヒートシンク１７のうち少なくとも天板部１８は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本参考形態においては、Ａ６０６３で構成されている。また、天板部１８の厚さＤは、１ｍｍ≦Ｄ≦１０ｍｍの範囲内に設定されており、本参考形態では、Ｄ＝１．７ｍｍに設定されている。

そして、パワーモジュール用基板１１の金属層１４とヒートシンク１７の天板部１８とが、ろう付けによって直接接合されている。本参考形態においてはＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２８を用いてろう付けしており、ろう材のＳｉが金属板２４に拡散することで金属層１４にはＳｉの濃度分布が生じている。
前述のように、金属層１４は、絶縁基板１２とろう材箔２７を用いてろう付けされ、ヒートシンク１７の天板部１８とろう材箔２８を用いてろう付けされているので、金属層１４においては、図２に示すように、Ｓｉの濃度分布によってビッカース硬度が厚さ方向で変化している。

次に、パワーモジュール用基板１１の金属層１４の表面に、厚さ０．０５ｍｍのろう材箔２８を介してヒートシンク１７の天板部１８が積層される。このように積層した状態で積層方向に加圧するとともに真空炉内に装入してろう付けを行うことで、本参考形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０が製造される（２次接合工程Ｓ２）。ここで、２次接合工程Ｓ２においては、積層方向に０．１５〜３ＭＰａで加圧するように構成されている。

このような構成とされた本参考形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０及びヒートシンク付パワーモジュール１においては、ヒートシンク１７の天板部１８に接合される金属層１４の厚さが回路層１３の厚さよりも厚く設定されているので、天板部１８の厚さが薄いヒートシンク１７を使用しても、絶縁基板１２の他方の面側に位置する金属層１４及びヒートシンク１７の天板部１８の合計厚さを確保することが可能となり、反りの発生を抑制することができる。また、天板部１８が薄いヒートシンク１７を使用することで冷却効率を向上させることができ、発熱量の高い電子部品を実装したパワーモジュールに適用することが可能となる。

さらに、回路層１３の厚さＡと金属層１４の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定され、本参考形態では、Ｂ／Ａ＝１．３／０．６＝２．１６７に設定されているので、金属層１４の厚さを確保して前述の反りの抑制効果を確実に奏功せしめることができるとともに、金属層１４が大きな熱抵抗とならず、ヒートシンク１７によってパワーモジュールを十分に冷却することができる。なお、回路層１３の厚さＡと金属層１４の厚さＢとの比率Ｂ／Ａは、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦５．６２５の範囲内に設定することがより好ましい。

また、本参考形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０の回路層１３に半導体チップ２がはんだ接合されたヒートシンク付パワーモジュール１においては、反り変形がないので、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。

以上、本発明の参考形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、絶縁基板をＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成したものとして説明したが、絶縁性を有する材料であればよく、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３等であってもよい。

さらに、参考形態では、金属層と回路層とを同一の材料（４Ｎアルミニウム）で構成したものとして説明したが、本発明の実施形態においては、金属層と回路層とが異なった材料で構成されている。
特に、厚く形成される金属層を、薄く形成される回路層よりも変形抵抗の小さな材料で構成した場合には、絶縁基板に金属層及び回路層を接合する際の反りの発生を抑制することが可能となる。具体的には、回路層を純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成し、金属層を純度９９．９９９％以上のアルミニウム（５Ｎアルミニウム）や純度９９．９９９９％以上のアルミニウム（６Ｎアルミニウム）で構成することが好ましい。さらに、回路層を純度９９％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）で構成し、金属層を純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）や純度９９．９９９％以上のアルミニウム（５Ｎアルミニウム）で構成してもよい。

本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
比較例１−３、参考例２−５においては、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなる絶縁基板と、４Ｎアルミニウムからなる回路層及び金属層と、厚さ１．７ｍｍのＡ６０６３からなる天板部を備えたヒートシンクと、を共通に有しており、金属層とヒートシンクの天板部とがろう付けによって直接接合されている。
そして、回路層、金属層の厚さをそれぞれ変更し、比較例１−３、参考例２−５のヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。

比較例１、２では、金属層が比較的薄いため、熱抵抗は小さいものの反り変形が認められた。
一方、金属層が回路層に比べて著しく厚い場合には、熱抵抗が大きく、ヒートシンクによる冷却が不十分になることが確認された。
これに対して、参考例２−５においては、反り変形が抑制されるとともに、熱抵抗も小さく抑えられていることがわかる。
この比較実験の結果、本発明によれば、反り変形がなく、かつ、ヒートシンクによって電子部品等を効率的に冷却可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができることが確認された。

Claims (4)

1. 絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されて前記パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
   前記回路層が純度９９％以上のアルミニウムで構成されるとともに、前記金属層が純度９９．９９％以上のアルミニウムで構成されており、
   前記金属層と前記ヒートシンクとが直接接合されており、
   前記回路層の厚さＡと前記金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されており、
   前記ヒートシンク及び前記絶縁基板に接合する前の状態における前記金属層のアルミニウムの純度が、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記回路層のアルミニウムの純度よりも高くされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
2. 請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
   絶縁基板の一方の面に回路層を接合するとともに絶縁基板の他方の面に金属層を接合してパワーモジュール用基板を形成する１次接合工程と、
   前記パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを接合する２次接合工程と、を有し、
   前記２次接合工程においては、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを積層させ、積層方向に０．１５〜３ＭＰａで加圧することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
3. 請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、該ヒートシンク付パワーモジュール用基板の前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール。
4. 絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板であって、
   前記回路層が純度９９％以上のアルミニウムで構成されるとともに、前記金属層が純度９９．９９％以上のアルミニウムで構成されており、
   前記回路層の厚さＡと前記金属層の厚さＢとの比率Ｂ／Ａが、２．１６７≦Ｂ／Ａ≦２０の範囲内に設定されており、
   前記絶縁基板に接合する前の状態における前記金属層のアルミニウムの純度が、前記絶縁基板に接合する前の状態における前記回路層のアルミニウムの純度よりも高くされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。