JP4942257B2

JP4942257B2 - ヒートシンクとそれを用いたモジュール構造体

Info

Publication number: JP4942257B2
Application number: JP2001139666A
Authority: JP
Inventors: 学宇都; 勲杉本; 正浩伊吹山
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2021-05-10
Also published as: JP2002334961A

Description

【０００１】
【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

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。