JP2013214561A - ヒートシンク付パワーモジュール用基板、冷却器付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セラミックス基板11の一方の面に回路層12が配設されるとともにセラミックス基板11の他方の面にアルミニウムからなる金属層13が配設されたパワーモジュール用基板10と、この金属層13の他方の面側にはんだ層17を介して接合された銅又は銅合金からなるヒートシンク18と、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板20であって、金属層13は、Alの含有量が99.0質量%以上99.85質量%以下とされたアルミニウム板がセラミックス基板11に接合されて構成されており、はんだ層17は、主成分であるSnと、このSnの母相中に固溶する固溶元素と、を含有する固溶硬化型のはんだ材で構成されている。
【選択図】図2
Description
これらのパワーモジュール用基板においては、金属層の他方の面側にはんだ層を介して銅製の放熱板(ヒートシンク)が接合される。そして、この放熱板が冷却器にネジ等によって固定される。
そこで、従来は、アルミニウムの含有量が99.99質量%以上の4Nアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで金属層を構成することにより、上述の歪みを金属層の変形によって吸収し、はんだ層におけるクラックの発生防止を図っている。
ここで、4Nアルミニウムからなる金属層と銅からなる放熱板(ヒートシンク)との間に介在されるはんだ層内部の歪み分布を計算した結果、金属層の全体に歪みが分布しており、歪みが広く分散され、歪み量のピーク値が低くなることが確認される。
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、熱サイクルの温度差が大きく、はんだ層の広い範囲でクラックが生じやすい傾向にある。
また、はんだ層が、主成分であるSnと、このSnの母相中に固溶する固溶元素と、を含有する固溶硬化型のはんだ材で構成されていることから、はんだ層の母相の強度が高くなる。また、熱サイクルが負荷された場合であっても強度が確保されることになる。よって、金属層の周縁部においてはんだ層にクラックが生じた場合であっても、このクラックが金属層の内側領域にまで進展することを抑制できる。
なお、金属層を構成するアルミニウム板においては、Alの含有量が99.0質量%以上99.85質量%以下とされており、主な不純物としてはFe,Cu,Siが挙げられる。
この場合、Snの母相中にSbが固溶することにより、はんだ層の強度が確実に向上するとともに、熱的に安定することになる。よって、金属層の周縁部において発生したクラックの進展を確実に抑制することができる。なお、SnにSbが固溶することで十分に強度が向上することから、他に析出物を生成する元素を含有していてもよい。すなわち、熱サイクルによって析出物の粒径や分散状態が変化したとしても、Sbの固溶硬化によってSn母相の強度を確保でき、クラックの進展を抑制できるのである。
この場合、ヒートシンクが容易に塑性変形しなくなるため、ヒートシンクは弾性変形領域で変形することになる。よって、ヒートシンクが反るように塑性変形することが抑制されることになり、ヒートシンクを冷却器に密着させて積層配置することができる。
なお、ヒートシンクとしては、板状の放熱板、内部に冷媒が流通する冷却器、フィンが形成された液冷、空冷放熱器、ヒートパイプなど、熱の放散によって温度を下げることを目的とした金属部品が含まれる。
この構成の冷却器付パワーモジュール用基板によれば、熱伝導性に優れた銅製のヒートシンクを備えているので、パワーモジュール用基板からの熱を効率的に拡げて放散させることができる。また、金属層と冷却器との間に介在するはんだ層においてクラックの発生及び進展が抑制されるので、パワーモジュール用基板側の熱を確実に冷却器へと伝導させることができる。
この構成のパワーモジュールによれば、金属層と冷却器との間に形成されたはんだ層におけるクラックの発生及び進展を抑制できるので、その信頼性を飛躍的に向上させることが可能となる。
図1に、本発明の実施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パワーモジュールを示す。
このパワーモジュール1は、回路層12及び金属層13が配設されたパワーモジュール用基板10と金属層13の他方の面(図1において下面)にはんだ層17を介して接合された放熱板18とを有するヒートシンク付パワーモジュール用基板20と、回路層12の一方の面(図1において上面)にチップ用はんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、放熱板18の他方の面側に配設された冷却器40と、を備えている。なお、本実施形態では、ヒートシンクとして放熱板18を用いた。
ここで、チップ用はんだ層2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、本実施形態では、回路層12とチップ用はんだ層2との間にNiメッキ層(図示なし)が設けられている。
なお、後述するように、金属板22とセラミックス基板11とは、Al−Si系ろう材を介して接合されていることから、回路層12のうちセラミックス基板11との界面近傍には、Siが拡散された界面近傍層12Aが形成されている。この界面近傍層12Aにおいては、アルミニウムの含有量が99.99質量%未満となることがある。
本実施形態においては、金属層13は、アルミニウムの含有量が99.0質量%以上99.85質量%以下のアルミニウム(いわゆる2Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板23がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
なお、後述するように、金属板23とセラミックス基板11とは、Al−Si系ろう材を介して接合されていることから、金属層13のうちセラミックス基板11との界面近傍には、Siが拡散された界面近傍層13Aが形成されている。この界面近傍層13Aにおいては、アルミニウムの含有量が99.0質量%未満となることがある。
ここで、本実施形態では、放熱板18は、ヤング率が130GPa以下、かつ、引張強さが250MPa以上の銅又は銅合金で構成されている。具体的には、放熱板18は、Cu−0.04質量%Ni−0.17質量%Co−0.05質量%P−0.1質量%Sn(CDA No.C18620)で構成され、ヤング率が125GPa、引張強さが250MPa以上とされている。
なお、放熱板18と冷却器40とは、図1に示すように、固定ネジ45によって締結されている。
なお、本実施形態では、金属層13とはんだ層17との間にNiメッキ層(図示なし)が設けられている。
また、セラミックス基板11の他方の面側に、金属層13となる金属板23(2Nアルミニウムの圧延板)が厚さ5〜50μm(本実施形態では14μm)のろう材箔25を介して積層される。
なお、本実施形態においては、ろう材箔24、25は、融点降下元素であるSiを含有したAl−Si系のろう材とされている。
このとき、ろう材箔24、25に含まれる融点降下元素(Si)が金属板22、23側へと拡散する。
また、金属層13においては、ろう材箔25に含まれるSiが拡散することで界面近傍層13Aが形成される。同様に、回路層12においては、ろう材箔24に含まれるSiが拡散することで界面近傍層12Aが形成される。
そして、このヒートシンク付パワーモジュール用基板20の放熱板18が固定ネジ45によって冷却器40に締結される。これにより、本実施形態である冷却器付パワーモジュール用基板が製出される。
また、回路層12の一方の面にチップ用はんだ層2を介して半導体チップ3を搭載する。これにより、本実施形態であるパワーモジュール1が製出される。
なお、Sbの含有量が2質量%未満では、固溶硬化の効果が不十分となるおそれがあり、Sbの含有量が10質量%を超えると、はんだ層17が硬くなりすぎるおそれがあることから、固溶元素としてSbを含有する場合には、その含有量を2質量%以上10質量%以下の範囲とすることが好ましい。
また、放熱板18が反るように塑性変形することが抑制されるので、冷却器40と放熱板18とを密着させることができ、半導体チップ3の熱を冷却器40に向けて効率的に放散させることができる。
例えば、本発明の実施形態としては、ヒートシンクとして放熱板を用いて説明したが、図1に示す構成の冷却器に直接接合する場合、又はヒートシンクとしてフィンが形成された液冷、空冷放熱器、ヒートパイプなどを用いてもよい。
さらに、ヒートシンクを、ヤング率が130MPa以下、かつ、引張り強さが250MPa以上の銅又は銅合金で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されたヒートシンクであってもよい。
また、回路層をアルミニウムで構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、回路層を銅又は銅合金で構成してもよい。
表1に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造し、初期の接合率、及び、冷熱サイクル後の接合率について評価した。
ヒートシンクとして放熱板を用い、その放熱板のサイズは、70mm×70mm×3mmとして。また、放熱板と金属層との間のはんだ層の厚さを0.4mmとした。
(接合率)={(初期接合面積)−(剥離面積)}/(初期接合面積)
なお、接合率は、冷熱サイクル負荷前と負荷後で測定した。
また、冷熱サイクルは、冷熱衝撃試験機エスペック社製TSB−51を使用し、液相(フロリナート)で、−40℃×5分←→125℃×5分を2000サイクル実施した。
また、金属層を4Nアルミニウムで構成した比較例3,4においても、冷熱サイクル負荷後に、接合率が低下していることが確認される。はんだ層の広い範囲でクラックが発生したためと推測される。
これに対して、本発明例1〜7においては、冷熱サイクル負荷後でも接合率が低下しなかった。金属層をAlの含有量が99.0質量%以上99.85質量%以下とされたアルミニウム板で構成し、固溶硬化型のはんだ材を用いることによって、金属層とヒートシンクとの接合信頼性が向上することが確認された。
3 半導体チップ(電子部品)
10 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
13 金属層
17 はんだ層
18 ヒートシンク
Claims (5)
- セラミックス基板の一方の面に回路層が配設されるとともに前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、この金属層の他方の面側にはんだ層を介して接合された銅又は銅合金からなるヒートシンクと、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、
前記金属層は、Alの含有量が99.0質量%以上99.85質量%以下とされたアルミニウム板が前記セラミックス基板に接合されて構成されており、
前記はんだ層は、主成分であるSnと、このSnの母相中に固溶する固溶元素と、を含有する固溶硬化型のはんだ材で構成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。 - 前記はんだ層は、前記固溶元素としてSbを含有するはんだ材で構成されていることを特徴とする請求項1に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 前記ヒートシンクは、引張り強さが250MPa以上の銅又は銅合金で構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記ヒートシンクの他方の面側に積層配置された冷却器と、を備えていることを特徴とする冷却器付パワーモジュール用基板。
- 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
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