JP2014165240A - パワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】パワーモジュール1は、放熱層6の厚みbに対する回路層4A〜4Eの厚みaの比率a/bが0.5以上1.5以下に設定されるパワーモジュール用基板10を有し、中間層5の端部に開口する穴51が設けられ、回路層4A〜4Eの一部に接合された電子部品7とパワーモジュール用基板10とが、放熱層6の表面を除いて樹脂モールド9により封止されとともに、その樹脂モールド9が穴51の内部に入り込んだ状態で設けられている。
【選択図】 図1
Description
このようなパワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の表面に回路層等をろう付けにより接合しているが、その際の熱伸縮により反りが生じるという問題がある。
さらに、パワーモジュールをエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂によって樹脂封止する場合、封止するモールド樹脂とアルミニウムとの密着性が悪いことから、樹脂モールドとアルミニウムとの界面に破断が生じ、電子部品の接合性を確保することが難しいという問題があった。
ところが、セラミックス基板の両側に接合される金属層の厚みが異なると、各層の熱伸縮差により反りが生じる。
さらに、樹脂封止が施される前にパワーモジュールに反りが発生していた場合、電子部品の搭載された回路層側の樹脂の厚みが不均一となり、パワーサイクルが負荷された際に、電子部品と回路層とを接合しているはんだ層の接合信頼性が低下するという問題がある。
また、回路層、中間層及び金属層を引張り強度や耐力が小さいアルミニウム又はアルミニウム合金で形成することによりセラミックス基板との熱膨張差に伴う応力発生を緩和して、セラミックス基板の割れやクラックの発生を防止することができる。
また、パワーモジュール用基板は、放熱層の厚みbに対する回路層の厚みaの比率a/bが0.5以上1.5以下に設定され、中間層を介してほぼ対称形状に形成されていることから、パワーモジュール用基板に生じる反りを抑制することができる。
この場合、中間層の厚みcと回路層の厚みaとを合わせた厚みa+cを0.3mm以上2.5mm以下に設定することにより、良好なヒートスプレッダ効果を得ることができる。
なお、厚みa+cが0.3mm未満では、熱伝達性能が低下して十分なヒートスプレッダ効果を得られない。また、厚みa+cが2.5mmを超える場合は、パワーモジュール全体の熱抵抗が上昇して十分なヒートスプレッダ効果を得られない。
図1〜図5は、第1実施形態のパワーモジュールを示している。このパワーモジュール1は、図1及び図2に示すように、パワーモジュール用基板10と、パワーモジュール用基板10の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品7と、パワーモジュール用基板10の裏面に接合されたヒートシンク8とから構成され、パワーモジュール用基板10と電子部品7とが樹脂モールド9によって樹脂封止されている。
そして、両セラミックス基板2,3と回路層4A〜4E、中間層5A,5B及び放熱層6との接合には、例えばAl−Si系又はAl−Ge系のろう材が用いられる。
そして、最上段における両側の回路層4A,4D及び4B,4Eが組になって、中間位置の回路層4Cの下方で連結するように、中間層5A,5Bを介して相互に電気的接続状態とされている。
また、貫通孔11及び凸部12の大きさ等は、第2セラミックス基板3と中間層5A,5Bとの接合面積A2に対する第1セラミックス基板2と中間層5A,5Bとの接合面積A1の比率A1/A2が0.75以上となるように設定される。
セラミックス基板2,3のうち、貫通孔11を有する第1セラミックス基板2は、セラミックスの焼成前のグリーンシートにプレス加工により貫通孔を形成した後に焼成することにより得ることができる。その外形は焼成後に加工される。貫通孔を有しない第2セラミックス基板3は、グリーンシートを焼成した後に外形加工される。
また、回路層用金属板44A〜44Eのうち、凸部12を有する金属板44A,44B,44D,44Eは、予めプレス加工により片面に凸部12を成形しておき、その凸部12を除くように穴をあけたろう材箔を凸部12の周囲の平面に貼り付けることにより形成される。
この加圧装置110は、ベース板111と、ベース板111の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト112と、これらガイドポスト112の上端部に固定された固定板113と、これらベース板111と固定板113との間で上下移動自在にガイドポスト112に支持された押圧板114と、固定板113と押圧板114との間に設けられて押圧板114を下方に付勢するばね等の付勢手段115とを備えている。
固定板113および押圧板114は、ベース板111に対して平行に配置されており、ベース板111と押圧板114との間に前述の積層体Sが配置される。積層体Sの両面には加圧を均一にするためにカーボンシート116が配設される。
また、接合した後の状態においても、凸部12は部分的に拡径するが、前述したように拡径した状態で凸部12と貫通孔11の内周面との間に隙間Gが形成される設定であるので、凸部12が貫通孔11の内周面に圧迫されることはない。
例えば硬化前の柔らかい状態のエポキシ樹脂材を、パワーモジュール用基板10と電子部品7の上方から流し込み、個片化された各回路層4A〜4E及び中間層5A,5Bの各基板間の隙間にまでエポキシ系樹脂材を充填させた状態で、エポキシ系樹脂材の硬化温度まで加熱する。これにより、パワーモジュール用基板10及び電子部品7の周囲や隙間を樹脂モールド9によって樹脂封止することができる。この際、パワーモジュール用基板10を構成する両セラミックス基板2,3や各回路層4A〜4E、中間層5A,5B、電子部品7の周囲や隙間にエポキシ系樹脂材が流し込まれるとともに、中間層5A,5Bの端部に開口する穴51にも入り込んで硬化されることで、パワーモジュール用基板10に樹脂モールド9を強固に保持することができるとともに、パワーモジュール用基板10に接合された電子部品7の接合状態を良好に確保することができる。また、電子部品7と反りの抑制されたパワーモジュール用基板10とを樹脂モールド9により封止することで、電子部品の搭載された回路層4A〜4E側の樹脂の厚みが均一となり、パワーサイクルが負荷された際に、はんだ層の接合信頼性を維持することができる。
なお、パワーモジュール1にヒートシンク8を接続する際に、樹脂モールド9がヒートシンク8との取り付けを阻害しないように、樹脂モールド9は、放熱層6とヒートシンク8との接続面から逃げた位置に形成される。
なお、ヒートシンク8は、例えばA6063アルミニウム合金の押出成形により形成される。図示例では、紙面に直交する方向に押し出され、その押出方向に沿って帯板状にストレートのフィン21が形成される。寸法的に限定されるものではないが、例えば50mm角で厚さ5mmの板状部22の片面に、押出方向に沿う厚さ4mm、高さ15mmのストレート状のフィン21が複数形成されている。パワーモジュール1は、ヒートシンク8に板バネなどを挟んで、取付金具(図示せず)を用いてネジ止め等により固定される。
さらに、凸部12と貫通孔11の内周面との間に隙間Gが形成されているので、使用時の温度サイクルにより熱伸縮が繰り返されても、貫通孔11の部分での熱応力が軽減され、接合部の剥離やセラミックス基板2,3の割れ等が防止され、パワーモジュールとして高い信頼性を維持することができる。
なお、厚みa+cが0.3mm未満では、熱伝達性能が低下して十分なヒートスプレッダ効果を得られない。また、厚みa+cが2.5mmを超える場合は、パワーモジュール全体の熱抵抗が上昇して十分なヒートスプレッダ効果を得られない。
なお、放熱性を高めるためには凸部12の外径D1は大きい方がよく、例えば電子部品7の投影面積よりも大きい横断面積であると、凸部12の延長上に電子部品7を搭載すれば優れた放熱性を発揮する。また、パワーモジュールとしても大電流が流れるので、大きい断面積の凸部12の方が電流密度が小さくなるので好ましい。
さらに、本実施形態では、中間層5A,5Bを図3に示すように細長い帯板状に形成したが、図8(a)に示すように平面視L字状に屈曲成形することもでき、その屈曲部分を対峙させるようにして並べることで、屈曲する穴51を形成することもできる。また、中間層の端部に開口する穴51は、中間層の一方の端部から他方の端部に貫通する構成に限られるものではなく、図8(b)に示すように中間層5の端部に掘られた穴51を形成することもできる。この場合も、樹脂材が穴51に入り込んで硬化されることで、パワーモジュール用基板10に樹脂モールド9を強固に保持することができる。
パワーモジュールを構成する各金属板を表1に示す条件に設定した試料1〜5のパワーモジュールを作製し、これらの「ヒートサイクル性」、「パワーサイクル性」及び「反り量」を評価した。
各試料1〜5の回路層用金属板及び中間層用金属板はそれぞれ純度99.99%以上の純アルミニウム板(4N‐Al)により26mm×26mm(26mm角)に形成した。また、放熱層用金属板は純度99.99%以上の純アルミニウム板により28mm×28mm(28mm角)の板材で形成した。なお、回路層の厚みa及び放熱層の厚みbは表1に記載の通りとした。また、中間層の厚みcは1.2mmとした。そして、これら金属板の間に配置される第1セラミックス基板及び第2セラミックス基板は、それぞれ厚み0.635mmで30mm×30mm(30mm角)のAlNを用いて、これらセラミックス基板と金属板とをろう付けすることによりパワーモジュール用基板を製造した。試料1〜4については端部に開口する穴を設け、試料5については中間層に端部に開口する穴を設けなかった。
そして、各パワーモジュール用基板の表面にSn‐Ag‐Cu系はんだを用いてIGBT半導体チップ(電子部品)をはんだ付けするとともに、アルミニウム合金からなる接続配線をボンディングし、エポキシ樹脂材で樹脂封止してモジュール化した試料1〜5を製作した。
各試料1〜5を、−40℃から105℃に10分間で上昇させ、105℃に15分保持した後、105℃から−40℃に10分間で下降させ、−40℃に15分保持する温度履歴を1サイクルとしたヒートサイクルを3000サイクル付与した。そして、超音波検査装置により、ヒートサイクル付与前及び3000サイクル付与後のはんだ層の剥離率を以下の式(1)より算出した。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
剥離率=(剥離面積/はんだ層面積)×100(%) … (1)
なお、評価は、ヒートサイクル付与前後の剥離率の差が5%以下の場合を「○」、5%を超える場合を「×」とした。
各試料1〜5をヒートシンクにネジ止めし、ヒートシンクを水冷容器に固定し、冷却水温度、流量を一定とした状態で、半導体チップへの通電を、通電(ON)で140℃、非通電(OFF)で60℃となる1サイクルを10秒毎に繰り返すようにして調整し、これを10万回繰り返すパワーサイクル試験を実施した。そして、パワーサイクル試験の前後で半導体チップ表面とヒートシンク内表面(ヒートシンク底面)との間の熱抵抗を半導体チップ表面温度からそれぞれ測定し、パワーサイクル試験実施による熱抵抗の上昇率を求めた。熱抵抗の上昇率が10%以下の場合を「○」、10%を超える場合を「×」として評価した。
反り量は、非接触3次元測定機によって測定した。なお、測定は樹脂封止前に行い、回路層表面の反り量を測定した。
例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板を接合する場合、金属板の片面に蒸着等により厚さ0.4μm程度の銅層を形成しておき、その上にセラミックス基板を積層して、これらを過渡液相接合法(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)により接合してもよい。
この過渡液相接合法においては、金属板の表面に蒸着させた銅層が金属板とセラミックス基板との界面に介在しており、加熱により、その銅がまず金属板のアルミニウム中に拡散し、その金属板の銅層近傍の銅濃度が上昇して融点が低下し、これにより、アルミニウムと銅との共晶域にて接合界面に金属液相が形成される。この金属液相が形成された状態で温度を一定に保持しておくと、金属液相がセラミックス基板と一定温度で一定時間接触し反応するとともに、銅がさらにアルミニウム中に拡散することに伴い、金属液相中の銅濃度が徐々に低下して融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより金属板とセラミックス基板との強固な接合が得られ、凝固が進行した後に、常温にまで冷却する。その際の加圧力としては98kPa(1kg/cm2)〜3.4MPa(35kg/cm2)とされ、10−3〜10−6Paの真空中で、600℃で0.5時間加熱される。
さらに、図10に示すように、両金属板4,5にそれぞれ凸部(金属部材)12A,12Bを形成しておき、セラミックス基板2の貫通孔11の長さの途中位置で接合される構成としてもよい。この場合は、貫通孔11の途中位置に接合部Pが形成される。
また、この金属部材は円柱状でなく、横断面多角形の柱状に形成し、貫通孔も同様の多角形とすることにより、貫通孔内で金属部材を回り止めすることが可能になり、多層構造とする場合の金属板の位置決めを容易にすることができる。
さらに、ヒートシンクも実施形態のような押出加工によるストレートフィン付きの形状以外に、鍛造等により形成したピン状フィンを有するもの、放熱板と呼ばれる板状のものとしてもよく、本発明では、これら種々のタイプのものを合わせてヒートシンクと定義する。
また、本実施形態では、パワーモジュールを樹脂封止した後にヒートシンクを取り付けたが、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合した後に電子部品を搭載し、樹脂封止することもできる。
2 第1セラミックス基板
3 第2セラミックス基板
4A〜4E 回路層
5,5A,5B 中間層
6 放熱層
7 電子部品
8 ヒートシンク
10 パワーモジュール用基板
11 貫通孔
12,12A,12B 凸部(金属部材)
13,14 ろう材
21 フィン
22 板状部
31 金属部材
110 加圧装置
111 ベース板
112 ガイドポスト
113 固定板
114 押圧板
115 付勢手段
116 カーボンシート
Claims (2)
- 第1セラミックス基板と第2セラミックス基板との間に積層状態に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる中間層と、前記第1セラミックス基板の前記中間層とは反対側の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層と、前記第2セラミックス基板の前記中間層とは反対側の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱層とを備え、前記放熱層の厚みbに対する前記回路層の厚みaの比率a/bが0.5以上1.5以下に設定されるパワーモジュール用基板を有し、前記中間層の端部に開口する穴が設けられ、前記回路層に接合された電子部品と前記パワーモジュール用基板とが、前記放熱層の表面を除いて樹脂モールドにより封止されるとともに、該樹脂モールドが前記穴の内部に入り込んだ状態で設けられていることを特徴とするパワーモジュール。
- 前記中間層の厚みcと前記回路層の厚みaとを合わせた厚みa+cが、0.3mm以上2.5mm以下に設定されることを特徴とする請求項1記載のパワーモジュール。
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