JP3419642B2 - パワーモジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高発熱性の半導体
チップ等の電子部品を搭載するに際し、高い信頼性、放
熱性を要するパワーモジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からパワーモジュールの構成部品と
して、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）などのセラミックス焼
結体を基板とし、その表面に導電層として銅（Ｃｕ）等
の回路板を一体に接合した回路基板が広く使用されてい
る。

【０００３】アルミナ焼結体を用いた回路基板は、熱伝
導性および電気伝導性に優れたＣｕ等の金属により回路
板を形成しているため、回路動作の遅延が少ないととも
に回路配線の寿命も永く、半田等の接合材料に対する濡
れ性が良く、セラミックス焼結体表面に半導体チップ
（ＩＣ素子）や電極板を高い接合強さで接合することが
でき、その結果、半導体チップから発生する熱の放散性
や半導体チップの動作信頼性を良好に保つことができ、
更にセラミックス基板の裏面にもＣｕ等の金属板を接合
することにより、セラミックス基板の応力緩和および熱
変形防止の目的をも達成できるという利点を有してい
る。

【０００４】しかしながら、半導体チップ端部と金属回
路端部との距離は、１〜２ｍｍと小さい場合が多く、セ
ラミックス基板の熱伝導率が小さいと熱放散性が不十分
となり、その結果熱抵抗が大きくなるために、半導体チ
ップの高出力化に対応できない問題があった。

【０００５】上記理由から、熱伝導率の高いセラミック
焼結体を基板に用いることが注目を惹き、窒化アルミニ
ウム焼結体を用いたり、従来のアルミナ等のセラミック
焼結体の熱伝導率向上が図られたりしている。窒化アル
ミニウム等のセラミックス基板では、高い放熱性を得る
ために熱伝導率を大きくしようとすると、セラミックス
基板の不純物を低減させると共に、結晶粒界を少なく
し、結晶粒子の大きさを大きくする必要があるが、結晶
粒界を少なくして結晶粒子を大きくすると、セラミック
ス基板の強さが低下する問題がある。

【０００６】特に、セラミックス基板に窒化アルミニウ
ムを用いた窒化アルミニウム回路基板においては、ヒー
トショックやヒートサイクルなどの熱衝撃や熱履歴によ
って生じる損傷に対して十分な耐久性をもたせるため、
Ｃｕ回路と窒化アルミニウム基板との間に介在させる接
合層の厚みを例えば２０μｍ以上に厚くする例が報告さ
れている（特開平６−１９６８２８号公報参照）。しか
しながら、接合層の厚みを厚くすると後工程での不要な
ろう材の除去が困難となること、熱抵抗が大きくなるな
どの問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の状況
に鑑みてなされたものである。本発明者らは、上記課題
を解決するべくいろいろ検討し、パワーモジュール上の
半導体チップと金属回路とを特定な配置関係にするとき
に、熱伝導率や機械的強さのさほど大きくないセラミッ
クス基板を用いても、ヒートショックやヒートサイクル
などの熱衝撃や熱履歴によって生じる損傷に対して十分
な耐久性を有し、熱伝導率の大きいセラミックス基板を
用いた場合と同様の熱抵抗を持ち熱放散性に優れるパワ
ーモジュールが得られるという知見を得て、本発明に至
ったものである。

【０００８】即ち、本発明の目的は、ヒートショックや
ヒートサイクルなどの熱衝撃や熱履歴によって生じる損
傷に対して十分な耐久性を有し、しかも熱放散性に優
れ、セラミックス基板の破損等に原因する絶縁破壊等の
絶縁不良などが発生しがたい高信頼性のパワーモジュー
ルを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミックス
基板の少なくとも一主面上に金属回路を設け、該金属回
路上に半導体チップが配置されてなるパワーモジュール
であって、該パワーモジュールを基板に対して垂直の方
向より眺め、前記半導体チップの重心から任意の方向に
半直線Ｌを引き、該半直線Ｌ上で半導体チップの端部と
金属回路端部との距離をＤ、半導体チップの重心から端
部までの距離をＷとするとき、Ｄ≧Ｗである半直線が少
なくとも１本以上存在するように前記半導体チップを配
置していることを特徴とするパワーモジュールである。

【００１０】また、好ましくは、Ｄ≧Ｗである半直線が
２本以上存在するように前記半導体チップを配置してな
ることを特徴とするパワーモジュールであり、更に好ま
しくは、全ての方向でＤ≧Ｗである半直線が存在するよ
うに前記半導体チップを配置してなることを特徴とする
パワーモジュールである。

【００１１】更に、本発明は、セラミックス基板が窒化
アルミニウム焼結体又は窒化珪素焼結体からなることを
特徴とするパワーモジュールである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明について図をもって
詳しく説明する。図１は、本発明のパワーモジュールの
一例を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中の
点線Ａ−Ａ’部分での断面図である。本発明において、
半導体チップの重心Ｇから任意の方向に引いた半直線Ｌ
上で半導体チップの端部と金属回路端部との距離をＤ、
半導体チップの重心Ｇから該半導体の端部までの距離を
Ｗとするときに、Ｄ≧Ｗである半直線が少なくとも１本
以上存在するように半導体チップを金属回路上に配置す
ることが重要であり、本発明者らの検討によれば、前記
条件を満たすときにのみ本発明の目的を達成するパワー
モジュールを得ることができる。

【００１３】この理由に付いては明かではないが、Ｄが
Ｗを下回ると金属回路の横方向への熱の流れが抑制さ
れ、放熱性が低下するためと考えられる。従って、前記
条件を満足するような半直線の数が多ければ多いほど放
熱効果が期待されるが、発明者らの検討結果では、２本
以上でその効果が顕著であり、全ての方向でＤ≧Ｗであ
る半直線が存在するように配置するときに最も放熱効果
が期待され、本発明の目的を達成するのに好適である。
特に、前記配置のしかたは、半導体チップが高出力にな
る場合に有効であり、半導体チップの発熱量が２００Ｗ
を越える場合に特に有効である。

【００１４】半導体チップが複数個搭載するパワーモジ
ュールについては、最も大きな発熱量を呈する半導体チ
ップの金属回路上の配置が前記条件を満足すれば良い
が、その使用状況に応じて複数の半導体チップが前記条
件を満足するように配置すれば良いし、勿論全数の半導
体チップについて前記条件を満足する配置とすれば一層
良い。特に、発熱量が２００Ｗを越える半導体チップを
２つ以上搭載する場合には、その何れのチップについて
も上記配置構造を満足することがことさらに望ましい。

【００１５】なお、一つの金属回路上に複数の半導体チ
ップを搭載する場合、個々の半導体チップの充分な放熱
性を確保するためには、半導体チップ相互の間隔は、例
えば２個の隣り合う半導体チップ各々の重心から当該半
導体の端部までの距離をそれぞれＷa、Ｗbとすると、
（Ｗa＋Ｗb）以上になるように配置すれば良い。即ち、
（Ｗa＋Ｗb）を前記Ｄと読み代えて配置すれば良い。

【００１６】本発明のセラミックス焼結体としては、ア
ルミナ、ムライト、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化
ベリリウムなどの電気絶縁性で耐熱性に優れる材料であ
ればいずれを用いても良く、その材料特性についても特
に制限はない。しかし、良好な放熱性を示すためには熱
伝導率が６０Ｗ／ｍＫ以上のものが好適であるし、回路
基板形成後の強さを確保するためには３５０ＭＰａ以上
の曲げ強さを有するセラミックス焼結体が好適である。

【００１７】これらセラミックス焼結体のうち、窒化ア
ルミニウム焼結体は熱伝導率が高いので、高出力パワー
モジュールに用いて有効であり、窒化珪素焼結体は熱伝
導率はやや小さいものの曲げ強さが大きいので有効であ
る。とりわけ、窒化珪素焼結体は窒化アルミニウム焼結
体を初めとするセラミックス焼結体に比べて熱膨張率が
小さいので、得られるパワーモジュールは熱衝撃に対す
る抵抗が強く一層信頼性に優れるので、好適である。

【００１８】本発明の接合層としては、ろう材ペースト
を用いて形成されたものが一般的である。前記ろう材ペ
ーストは、例えば金属回路板又は金属放熱板の材質がＣ
ｕである場合、ＡｇもしくはＡｇとＣｕを含むろう材で
あり、好ましくはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属を含む
前記ろう材である。

【００１９】セラミックス基板に形成される金属回路板
と金属放熱板の材質については、銅、ニッケル、アルミ
ニウム、モリブデン、タングステン等の金属もしくは前
記金属を主成分とする合金を用いる事が出来る。

【００２０】本発明のパワーモジュールの製造方法につ
いて一例をもって説明する。先ず、セラミックス基板
（最大表面粗さ１０μｍ以下程度に加工した焼結体）の
表面全体にＡｇとＣｕ及び活性金属としてＴｉを含むろ
う材ペーストを塗布し、次いでそのペースト面を覆うに
十分な広さのベタ金属板（Ｃｕ）を接触配置する。ベタ
金属板の配置されたセラミックス基板を熱処理して両者
の接合体を製造する。

【００２１】このようにして製造された接合体の金属板
上にエッチングレジストを用いて回路パターンをスクリ
ーン印刷し、レジスト回路パターンを形成させる。この
ときの回路パターン構造は本請求項１及び／又は２に従
う。

【００２２】次いで、エッチング処理してパターン外の
不要な金属やろう材等を除去した後、エッチングレジス
ト膜を除去して金属回路を有するセラミックス回路基板
とする。その後、金属回路の酸化と腐食を防止するた
め、必要に応じてＮｉメッキ等により選択的に金属回路
上に保護膜を形成する。

【００２３】次に、半田レジストを付けたヒートシンク
にクリーム半田を塗布し、先の回路基板を載せて加熱し
接合する。更に、クリーム半田を塗った半導体チップを
所定の位置に置き、熱処理を行い接合した後、半導体チ
ップにリードワイヤーを接合する。電極を埋め込んだ樹
脂ケースの電極にクリーム半田を塗布してヒートシンク
にかぶせ、熱処理を行い接合する。最後に樹脂封止を行
いパワーモジュールとする。

【００２４】以下、実施例に基づいて、本発明を更に詳
細に説明する。

【００２５】

【実施例】

〔実施例１〜４、比較例１、２〕熱伝導率１３０Ｗ／ｍ
Ｋ、厚み０．６３５ｍｍで大きさ５０×６０ｍｍの窒化
アルミニウム焼結体の両面にスクリーン印刷法により活
性金属（Ｔｉ）含有のＡｇ−Ｃｕ系ろう材ペーストを塗
布し乾燥した後、厚さ０．３ｍｍの金属回路用Ｃｕ板と
厚さ０．１５ｍｍの金属放熱用Ｃｕ板を接触配置させ、
真空中８３０℃で３０分間熱処理を行い窒化アルミニウ
ム基板とＣｕ板の接合体を得た。

【００２６】前記接合体のＣｕ板上に紫外線硬化型エッ
チングレジストをスクリーン印刷法により回路パターン
を印刷し硬化させた。この時の回路パターンは、２４×
４２ｍｍ、３２×４２ｍｍ或いは２４×３０ｍｍとし
た。この後、塩化第２鉄溶液でパターン以外の不要なＣ
ｕを除去した。次いで、フッ化水素アンモニウムと過酸
化水素を含む水溶液で、Ｃｕ回路パターン間の不要ろう
材を除去した後、レジストを除去した。更に、無電解Ｎ
ｉメッキによりＣｕ回路の所定位置に選択的にＮｉ保護
膜を形成させた。

【００２７】上記操作に従い、表１の実施例１、２及び
比較例１に示す窒化アルミニウム回路基板を完成させ
た。実施例３、４及び比較例２の試料については、セラ
ミックス基板として熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ、厚み０．３
５ｍｍで大きさの６０×５０ｍｍの窒化珪素焼結体を用
いた以外は上記に示す方法で試料を得た。

【００２８】これらの回路基板の金属回路の中央表面に
は底面積１６×２０ｍｍのトランジスタを発熱源として
装着し、裏面には厚み２．５ｍｍのＣｕ板をヒートシン
クとしてハンダ付けしてパワーモジュールを作製した。
この時、トランジスタの位置は、トランジスタの重心か
ら任意の方向に引いた半直線Ｌのうちトランジスタ端部
と金属回路端部との距離Ｄがトランジスタの重心からト
ランジスタの端部までの距離Ｗに比べて最も大きい半直
線（即ちＤ／Ｗが最大の半直線、複数有る場合には任意
の一本を選択する）を半直線Ｌ1とし、半時計方向に９
０度（半直線Ｌ2）、１８０度（半直線Ｌ1’）、２７０
度（半直線Ｌ2’）の角をなす半直線を引き、半直線Ｌ1
上のＤ（Ｄ1）及びＷ（Ｗ1）と半直線Ｌ1’上のＤ（Ｄ
1’）及びＷ（Ｗ1’）において、Ｄ1＝Ｄ1’、Ｗ1＝Ｗ
1’になるように配置し、同様にＤ2＝Ｄ2’、Ｗ2＝Ｗ
2’になるように配置した。作成したモジュールの熱抵
抗を測定した結果を表１に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１に示す結果から明らかなように、実施
例１〜４に係るパワーモジュールは、放熱性に優れ、高
い信頼性を有する。また、実施例１と２を比較すると実
施例２の方が放熱性が優れていることが明らかである。
また、実施例３と４を比較すると実施例４の方が放熱性
が優れている。一方、比較例１及び２に係る回路基板を
用いたパワーモジュールは、充分な放熱性が得られない
ため、半導体の高集積化、高出力化に対応できない。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、ことさらに熱伝導率の
高いセラミック基板を用いる必要がなく、ヒートショッ
クやヒートサイクルなどの熱衝撃、熱履歴によって生じ
る損傷に対して十分な耐久性を有し、しかも熱放散性に
優れ、セラミックス基板の破損等に原因する絶縁破壊等
の絶縁不良などが発生しがたい高信頼性のパワーモジュ
ールを容易に提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパワーモジュールの一例を示す図で、
（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）中のＡ−Ａ’での断面
図。

【符号の説明】

１：半導体チップ ２：半田 ３：金属板 ４：セラミックス基板 ５：ヒートシンク ６：封止樹脂 Ｌ：半導体チップの重心を通る半直線の一例 Ｄ：半導体チップ端部と金属回路端部との距離 Ｗ：半導体チップの重心から端部までの距離 Ｇ：半導体チップの重心

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス基板の少なくとも一主面上
   に金属回路を設け、該金属回路上に半導体チップを配置
   してなるパワーモジュールであって、該パワーモジュー
   ルを基板に対して垂直の方向より眺め、前記半導体チッ
   プの重心から任意の方向に半直線を引き、該半直線上で
   半導体チップの端部と金属回路端部との距離をＤ、半導
   体チップの重心から端部までの距離をＷとするとき、Ｄ
   ≧Ｗである半直線が少なくとも１本以上存在するように
   前記半導体チップを配置してなることを特徴とするパワ
   ーモジュール。
2. 【請求項２】 Ｄ≧Ｗである半直線が２本以上存在する
   ように前記半導体チップを配置してなることを特徴とす
   る請求項１記載のパワーモジュール。
3. 【請求項３】 全ての方向でＤ≧Ｗである半直線が存在
   するように前記半導体チップを配置してなることを特徴
   とする請求項１記載のパワーモジュール。
4. 【請求項４】 セラミックス基板が窒化アルミニウム焼
   結体又は窒化珪素焼結体からなることを特徴とする請求
   項１、請求項２または請求項３記載のパワーモジュー
   ル。