JP4942257B2 - ヒートシンクとそれを用いたモジュール構造体 - Google Patents
ヒートシンクとそれを用いたモジュール構造体 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4942257B2 JP4942257B2 JP2001139666A JP2001139666A JP4942257B2 JP 4942257 B2 JP4942257 B2 JP 4942257B2 JP 2001139666 A JP2001139666 A JP 2001139666A JP 2001139666 A JP2001139666 A JP 2001139666A JP 4942257 B2 JP4942257 B2 JP 4942257B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- heat sink
- circuit board
- module structure
- ceramic circuit
- present
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
- H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体分野におけるパワー素子を搭載したパワーモジュールに用いられるヒートシンクと、前記ヒートシンクとセラミックス回路基板とを接合した構造を有する、放熱性に優れ、高信頼性を有してい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のパワーデバイス化が急速であり、注目されている。
【0003】
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が市販され初めており、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。これらの車両用途に用いられるパワーモジュールには、その使用目的から、ことに高い信頼性が要求される。
【0004】
従来公知のパワーモジュールは、セラミックス回路基板を無酸素銅などの高純度の銅からなる銅製ヒートシンクに半田付けした構造を有しており、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でセラミックス回路基板とヒートシンクとの間の半田層にクラックが発生してしまう問題がある。クラックの存在は、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、半導体素子の劣化が惹き起こされ、パワーモジュール全体の信頼性を低下させてしまう。
【0005】
半田層にクラックが発生することを避けるために、熱膨張率が銅に比べて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。
【0006】
しかし、前記複合材からなるヒートシンクは、複合材の製法が特殊なために、銅製ヒートシンクと比べはるかに高価となってしまう欠点がある。更に、銅製ヒートシンクの熱伝導率が400W/mKであるのに対して、前記複合材からなるヒートシンクは熱伝導率が200W/mK程度であるために、放熱性が悪いという特性上の大きな欠点も有している。
【0007】
そこで、高い信頼性を維持しかつ低価格であることとを両立させる目的で、セラミックス回路基板と銅製ヒートシンクとの間の接合材料として半田に代えてろう材を用い、セラミックス回路基板を銅製ヒートシンクに接合する構造を有するモジュール構造体の検討が進められている。
【0008】
また、半導体装置の高集積化、大電力化に伴って、益々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が鉛フリー組成であることが望まれている。このため、いわゆる代用半田が用いられ初めてはいるものの、現在多用されているPb−Sn系半田に比べて信頼性が劣っている問題がある。従って、セラミックス回路基板とヒートシンクとを半田を用いることなく接合したモジュール構造体がますます熱望されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、車両用途に用いられている現状のパワーモジュールは、まずセラミックス回路基板の回路面上に高温半田等を介して半導体素子を搭載した後、前記セラミックス回路基板を銅からなる金属製ヒートシンク上に半田付けしモジュール化することで得られているが、前記製造の過程において、銅製ヒートシンクに半田付けした後の冷却過程において、セラミックス回路基板とヒートシンクの熱膨張係数の差に起因する反りが発生する問題がある。
【0010】
一方、ろう材を用いて接合したモジュール構造体は、セラミックス回路基板とヒートシンクとをろう材を用いて接合した後に、セラミックス回路基板上の回路面の上に半導体素子を半田付けすることで製造されるが、ろう材を用いてセラミックス回路基板と金属製ヒートシンクとを接合したモジュール構造体において、金属製ヒートシンクがセラミックス回路基板との接合時の加熱処理により焼鈍され、軟化しているために、半導体素子を半田付けする際の反りも大きくなるという問題がある。更に、半田付け後、冷却する過程においては、前記反りが大きく変化するという現象が起こり、酷いときには半導体素子の破損をもたらすことがある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の事情に鑑みて、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクとをろう材を用いて接合してなるモジュール構造体について、いろいろ検討した結果、金属製ヒートシンクに特定の性質を有するものを選択するときにのみ、前記課題が解消され、高い放熱性を有し信頼性に優れ、しかも安価なモジュール構造体が容易に得られることを見出し、本発明に至ったものである。
【0012】
即ち、本発明は、630℃、4分の加熱処理後のビッカース硬さが30HV0.02(以下、単に30HVと記す)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ヒートシンクである。また、本発明は、前記アルミニウム合金が、Si及びMgから選ばれる1種類以上を0.1質量%〜4質量%含有することを特徴とする前記のヒートシンクである。
【0013】
また、本発明は、セラミックス回路基板をろう材を介してヒートシンクに一体化してなるモジュール構造体であって、前記ヒートシンクが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り、好ましくは、セラミックス回路基板とヒートシンクとの間にAlを主成分とする金属層が介在してなることを特徴とする前記モジュール構造体である。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明者は、前記課題解決のために、安価なアルミニウム並びにアルミニウム合金からなるヒートシンクを用いて、高電気信頼性のモジュール構造体を得るべく実験的検討を重ねた結果、特定の性質を有するアルミニウム合金を選択するときに前記課題が解決されるという知見を得て、本発明に至ったものである。
【0015】
即ち、本発明のヒートシンクは、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。然るに、前記特徴を有するが故に、ろう材を用いてセラミックス回路基板とアルミニウム合金製ヒートシンクとを接合したモジュール構造体を製造するに際して、ろう接温度までの加熱履歴を受けてもヒートシンクの硬度が低下せず、得られるモジュール構造体の反りを小さくすることができ、半導体素子の破損等の不具合の発生を防止することができるからである。尚、本発明者の検討結果に基づけば、ビッカース硬さが30HV未満の場合には本発明の効果を十分には達成することが出来ない。
【0016】
本発明の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が、本発明者の検討結果に基づけば、アルミニウムに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が例示される。添加元素のアルミニウム合金中の含有量は、前記の630℃、4分の加熱処理後のビッカース硬さが30HV以上であるという特性を達成するために、0.1〜4質量%が選択される。前記の範囲外では、前記特性を達成できないことがあるからである。また、本発明に用いるアルミニウム合金は、前記特性を満たしている限り、他の不可避的な不純物を含有していても構わない。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、ヒートシンク材の全てが前記アルミニウム合金である必要はない。
【0017】
また、本発明は、セラミックス回路基板をろう材を介してヒートシンクに一体化してなるモジュール構造体であって、前記ヒートシンクが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している。ヒートシンク材として、現在一般的に使用されている無酸素銅を用いたモジュール構造体は、半導体素子を半田付けする際に大きな反りが発生し、更に半田付け後、冷却する過程においてその反りが大きく変化するという現象が起こり、半導体素子の破損の原因となるのに対し、本発明のモジュール構造体は、ヒートシンクに前記特徴を有するものを用いているので、半導体素子を半田付けする際に、反りが大きく発生することを防止し、実用的に問題のない程度にまで抑制することができ、その結果として、高い信頼性を有するパワーモジュールを容易に、再現性高く得ることができる特徴がある。
【0018】
本発明のモジュール構造体においては、セラミックス回路基板とヒートシンクとの間にAlを主成分とする金属層が介在させることが好ましい。本構造を採用するとき、Alを主成分とする金属層が緩衝作用を生じて、本発明の効果が一層得やすくなるからである。前記Alを主成分とする金属層としては、熱伝導率が高く、しかも応力発生に際して塑性変形能が高いものが好ましく、具体的には、Al純度が99質量%以上のものが好ましく選択される。また、前記金属層の厚みについては、本発明者の検討結果に基づけば、500μm以下のものが好ましく用いられる。前記厚みに関して、あまりにも薄い場合には前記金属層を設けることで達成される効果に対して、該金属層をセラミックス回路基板或いはヒートシンクに取り付けるための工程や手間が増えるために、費用対効果の面から好ましくなく、実用上は50μm以上であるように選択される。一方、前記厚みの上限に関しては、反り防止の観点からは制限されないものの、得られるモジュール構造体の熱抵抗が高くなり、用途上の制限を受けることがあることから、500μm以下が選択される。上記範囲の内100〜400μmが実用上より好ましい範囲として選択される。
【0019】
更に、本発明に用いられるセラミックス回路基板は、セラミックス基板上に直接に或いは半田やろう材等の接合材を用いて回路を設けたものであり、前記セラミックス基板としては、必要とされる絶縁特性や熱伝導率あるいは機械的強度等の特性を満たしていればどの様なものでもかまわないが、AlN(窒化アルミニウム)や窒化珪素(Si3N4)などの窒化物セラミックスが高熱伝導性を有することから好適である。また、前記回路を構成する材料としては、良導電性の金属であればどの様なものでもかまわないが、安価で熱伝導率が高いことからCuやAlが好ましく用いられる。また、セラミックス回路基板上の回路は、予め回路形成したものをセラミックス基板に接合する方法であっても、セラミックス基板上に金属板を接合し、その後エッチング等の手段を適用して回路形成する方法であって構わない。また、ヒートシンクにセラミックス基板をろう材で接合後に、セラミックス基板上に前記方法を適用して回路を設ける方法であっても構わない。
【0020】
ヒートシンクとセラミックス回路基板とを接合するろう材については、本発明者の検討に拠れば、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Al合金が、ヒートシンク並びにセラミックス回路基板との密着性に優れることから、好ましい。前記Al合金としては、例えばJIS呼称2017等のAl合金が挙げられる。
【0021】
前記Al合金において、Mgが少量含有されていることで、ヒートシンクとセラミックス回路基板、或いはヒートシンクとAlを主成分とする金属層、更にセラミックス回路基板とAlを主成分とする金属層、の接合状態が一層良好になり、両者間の密着性が向上できる。また、ろう材の厚みに関しては、本発明者の検討結果に基づけば、10〜30μmのときに再現性高く、強固な接合状態が得られることから好ましい。
【0022】
【実施例】
〔実施例1、2、比較例〕
表1に示す3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、モジュール構造体、更にモジュールを作製、評価することで、本発明の実施例並びに比較例とした。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
次に、ヒートシンクとして、46×46×4mmサイズの表1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10-2Paの真空中において610℃、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。
【0026】
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、モジュールを得た。
【0027】
前記操作で得たモジュールについて、半田層のクラックの発生の有無を調べると共に、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た。クラックの発生割合を表2に示した。また、シリコンチップの反り量については、10個の平均値を表3に示した。
【0028】
【表1】
【0029】
【表2】
【0030】
【表3】
【0031】
【発明の効果】
本発明のヒートシンクは、一般的なろう接温度である630℃に加熱されても軟化することなくビッカース硬度が30以上であるという特徴を有するので、セラミックス基板とヒートシンクとをろう材で接合してモジュール構造体を得たときに、実用上問題のない程度までに反りが抑制されたモジュール構造体を容易に再現性高く得ることができ、産業上非常に有用である。
【0032】
また、本発明のモジュール構造体は、前記特徴を有するヒートシンクを用いているので、反りが少なく、熱放散性に優れ高信頼性のパワーモジュールを容易に供給できる特徴があり、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。
Claims (1)
- セラミックス回路基板をAl純度99質量%以上の厚さ100〜400μmの金属層とろう材を介して、Si及びMgから選ばれる1種類以上を0.1質量%〜4質量%含有するアルミニウム合金からなるヒートシンクに接合してなるモジュール構造体であって、前記ヒートシンクが630℃、4分の加熱処理した場合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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001139666A JP4942257B2 (ja) | 2001-05-10 | 2001-05-10 | ヒートシンクとそれを用いたモジュール構造体 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001139666A JP4942257B2 (ja) | 2001-05-10 | 2001-05-10 | ヒートシンクとそれを用いたモジュール構造体 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002334961A JP2002334961A (ja) | 2002-11-22 |
JP4942257B2 true JP4942257B2 (ja) | 2012-05-30 |
Family
ID=18986405
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001139666A Expired - Lifetime JP4942257B2 (ja) | 2001-05-10 | 2001-05-10 | ヒートシンクとそれを用いたモジュール構造体 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4942257B2 (ja) |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0653297B2 (ja) * | 1985-11-19 | 1994-07-20 | 三菱電線工業株式会社 | アルミニウム板の加工方法 |
JP2658435B2 (ja) * | 1989-10-09 | 1997-09-30 | 三菱マテリアル株式会社 | 半導体装置用軽量基板 |
JP3063299B2 (ja) * | 1991-03-20 | 2000-07-12 | 三菱マテリアル株式会社 | 半導体装置実装用基板 |
JP3180677B2 (ja) * | 1996-08-22 | 2001-06-25 | 三菱マテリアル株式会社 | ヒートシンク付セラミック回路基板 |
JP4293406B2 (ja) * | 1999-05-28 | 2009-07-08 | 電気化学工業株式会社 | 回路基板 |
JP2001110956A (ja) * | 1999-10-04 | 2001-04-20 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 電子部品用の冷却機器 |
-
2001
- 2001-05-10 JP JP2001139666A patent/JP4942257B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2002334961A (ja) | 2002-11-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JPH07202063A (ja) | セラミックス回路基板 | |
JP2003163315A (ja) | モジュール | |
JP2007299974A (ja) | 回路基板およびこれを用いた半導体モジュール | |
JP4699822B2 (ja) | 半導体モジュ−ルの製造方法 | |
JP2014112732A (ja) | 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 | |
JP5218621B2 (ja) | 回路基板およびこれを用いた半導体モジュール | |
JPH11195854A (ja) | 基板とその製造法、基板に好適な金属接合体 | |
RU2196683C2 (ru) | Подложка, способ ее получения (варианты) и металлическое соединенное изделие | |
JP4104429B2 (ja) | モジュール構造体とそれを用いたモジュール | |
JP5825380B2 (ja) | 銅/セラミックス接合体、及び、パワーモジュール用基板 | |
JP5828352B2 (ja) | 銅/セラミックス接合体、及び、パワーモジュール用基板 | |
JP2009088330A (ja) | 半導体モジュール | |
JP2008147309A (ja) | セラミックス基板およびこれを用いた半導体モジュール | |
JP4557398B2 (ja) | 電子素子 | |
JPH08102570A (ja) | セラミックス回路基板 | |
JP4942257B2 (ja) | ヒートシンクとそれを用いたモジュール構造体 | |
JP4323706B2 (ja) | セラミック体と銅板の接合方法 | |
JP5392901B2 (ja) | 窒化珪素配線基板 | |
JP4121827B2 (ja) | モジュール構造体の製造方法 | |
JP2017168635A (ja) | パワーモジュール用基板及びパワーモジュールの製造方法 | |
JP5359953B2 (ja) | パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法 | |
JP4692908B2 (ja) | モジュール構造体 | |
JP2002252317A (ja) | ヒートシンクとそれを用いたモジュール構造体 | |
JP3537320B2 (ja) | 回路基板 | |
JP2503779B2 (ja) | 半導体装置用基板 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080508 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100716 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100727 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100917 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20101012 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110106 |
|
A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20110119 |
|
A912 | Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 Effective date: 20110603 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20111216 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120228 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 4942257 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150309 Year of fee payment: 3 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |