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JP4759384B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、セラミックス基板の表裏両面に金属板を接合し、かつ裏面側の金属板に放熱装置を接合した半導体モジュールに関する。
従来、窒化アルミニウムなどのセラミックス基板（絶縁基板）の表裏両面に純アルミニウムなどの金属板を接合するとともに、表面金属板に半導体素子を接合し、さらに裏面金属板に半導体素子の発する熱を放熱するための放熱装置（ヒートシンク）を接合してモジュール化した半導体モジュールが知られている。ところで、半導体モジュールでは、放熱装置の放熱性能が長期間にわたって維持されることが要求されているが、従来の構成によれば、使用条件によってはセラミックス基板、金属板及び放熱装置との線熱膨張係数の相違に起因して発生する熱応力によって接合部にクラックや反りが生じ、放熱性能が低下する虞がある。
そこで、従来、このような問題を解決するために、特許文献１に記載の半導体モジュールが提案されている。特許文献１に記載の半導体モジュールは、裏面側の金属板に所定深さの段差、溝、凹陥部で形成した熱応力緩和部を設け、熱応力を緩和させている。そして、特許文献１に記載の半導体モジュールでは、表面側の金属板に対する裏面側の金属板の体積比が０．６以下となるように熱応力緩和部を設けている。
特開２００３−１７６２７号公報
ところで、前述のように構成した半導体モジュールは、半導体素子の発する熱を、当該半導体素子が接合される表面側の金属板からセラミックス基板と裏面側の金属板とを順に伝熱させ、放熱装置を介して放熱させるようになっている。このため、裏面側の金属板と放熱装置との接合面積は、放熱性能を向上させるために出来る限り広い方が好ましい。しかしながら、前述のように裏面側の金属板と放熱装置との間には、熱応力が発生する。このため、半導体モジュールでは、特許文献１のように裏面側の金属板に熱応力緩和部を形成することが好ましく、当該熱応力緩和部を形成する分だけ接合面積は狭くなる。すなわち、半導体モジュールでは、熱応力を低減させるために裏面側の金属板と放熱装置との接合面積を削減してでも熱応力緩和部を形成することが好ましいが、その一方で接合面積を狭くし過ぎると伝熱部位の減少によって放熱効率が低下してしまうことになり、双方のバランスを考える必要がある。
この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、熱応力による反りやクラックの発生を防止しつつ、優れた放熱性能を得ることができる半導体モジュールを提供することにある。
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、セラミックス基板の半導体素子搭載面となる表面側に表金属板を接合するとともに裏面側に裏金属板を接合し、当該裏金属板に放熱装置を接合した半導体モジュールであって、前記セラミックス基板は窒化アルミニウムからなる一方で、前記表金属板及び前記裏金属板は純アルミニウムからなり、前記裏金属板には、前記放熱装置との接合面に接合領域と非接合領域を形成し、前記接合領域の面積を前記接合面の全体の面積に対して７５％〜８５％の範囲とし、前記非接合領域は、前記裏金属板をその厚み方向に貫通する貫通孔又は貫通溝で形成されているとともに、該貫通孔又は貫通溝は、前記裏金属板における前記セラミックス基板との接合面側の開口の内周部分がフィレット形状に形成されていることを要旨とする。
これによれば、セラミックス基板と放熱装置とを接合するための裏金属板に非接合領域を形成したことにより、セラミックス基板、裏金属板及び放熱装置との線熱膨張係数の相違に起因して熱応力が発生した場合でも接合領域の熱応力が分散され、その結果、応力が緩和される。このため、反りやクラックの発生が防止され、放熱性能が維持される。そして、非接合領域を形成する場合には、接合領域の面積を接合面の全体の面積に対して７５％〜８５％の範囲とすることにより、熱応力の緩和と放熱性能の双方のバランスを加味し、熱応力を好適に緩和しつつ、優れた放熱性能を得ることができる。また、セラミックス基板と裏金属板との接合において、孔又は溝の開口部分が角状に形成されている場合に比して裏金属板を剥がれ難くすることができる。したがって、放熱性能を向上させることができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、前記貫通孔又は貫通溝は、前記裏金属板にエッチング加工を施すことにより形成されていることを要旨とする。これによれば、エッチングパターンが作り易く、半導体モジュールの製造コスト増を抑制できる。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の半導体モジュールにおいて、前記貫通孔又は貫通溝は、前記裏金属板を平面域で等分割した場合に、いずれの等分割領域においても前記接合領域の面積が等しくなるように形成されていることを要旨とする。これによれば、貫通孔又は貫通溝が裏金属板の全体に亘って形成されることになるので、好適に熱応力を緩和することができる。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、前記セラミックス基板は０．１ｍｍ〜１．１ｍｍの厚みを有するとともに、前記表金属板は０．１ｍｍ〜１．１ｍｍの厚みを有し、さらに前記裏金属板は０．１ｍｍ〜１．１ｍｍの厚みを有することを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、前記放熱装置内には、該放熱装置に伝えられた熱を放熱するための冷却流体が流れていることを要旨とする。
本発明によれば、熱応力による反りやクラックの発生を防止しつつ、優れた放熱性能を得ることができる。
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１及び図２に示すように、半導体モジュール１０は、回路基板１１と、当該回路基板１１に接合される半導体素子１２と、放熱装置としてのヒートシンク１３とから構成されている。回路基板１１は、セラミックス基板（絶縁基板）１４の表裏両面に表金属板１５と裏金属板１６を接合して構成されている。また、セラミックス基板１４は、図２において上側が半導体素子搭載面となる表面側とされており、当該半導体素子搭載面側には配線層として機能する表金属板１５が接合されている。そして、半導体素子１２は、表金属板１５に接合されている。図２の符号「Ｈ」は、接合層（本実施形態では半田層）を示している。半導体素子１２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）やダイオードからなり、回路基板１１（表金属板１５）には複数（本実施形態では４つ）の半導体素子１２が接合されている。また、セラミックス基板１４には、図２において下側となる裏面側にセラミックス基板１４とヒートシンク１３とを接合（金属接合）する接合層として機能する裏金属板１６が接合されている。そして、ヒートシンク１３は、裏金属板１６に接合されている。裏金属板１６は、ヒートシンク１３に対して直接ロウ付けされている。
次に、本実施形態の回路基板１１について詳しく説明する。
セラミックス基板１４は、窒化アルミニウムからなり、図１に示すように平面視正方形の平板状に形成されている。そして、セラミックス基板１４は、３０ｍｍ×３０ｍｍの正方形とされている。また、セラミックス基板１４の厚み（板厚）は、０．６３５ｍｍとされている。
表金属板１５は、純アルミニウム（例えば、工業用純アルミニウムである１０００系アルミニウム）からなる。そして、表金属板１５は、図１に示すように平面視正方形の平板状に形成されており、セラミックス基板１４に対して配置される範囲が２７ｍｍ×２７ｍｍの正方形とされている。また、表金属板１５の厚み（板厚）は、０．６ｍｍとされている。
裏金属板１６は、純アルミニウム（例えば、工業用純アルミニウムである１０００系アルミニウム）からなる。そして、裏金属板１６は、図３（ａ）に示すように平面視正方形の平板状に形成されており、セラミックス基板１４に対して配置される範囲が２７ｍｍ×２７ｍｍの正方形とされている。裏金属板１６は、図２に示すように、セラミックス基板１４の表金属板１５が配置される面の反対面に、セラミックス基板１４の厚み方向に重なって配置されている。また、裏金属板１６の厚み（板厚）は、１．１ｍｍとされている。図３（ａ）は、裏金属板１６を接合面１６ｂ側から見た場合の平面図であり、ヒートシンク１３を二点鎖線で示している。
以下、本実施形態の裏金属板１６の構成を図３にしたがってさらに詳しく説明する。
裏金属板１６には、平面視円形をなす複数個（本実施形態では３６個）の孔（非貫通孔）としての凹部１８が形成されている。各凹部１８は、裏金属板１６の厚み方向に凹むように形成されている。また、各凹部１８は、裏金属板１６の表裏両面のうち、セラミックス基板１４との接合面１６ａとは反対面、すなわち、ヒートシンク１３との接合面１６ｂにエッチング加工を施すことにより形成されている。なお、回路基板１１は、表金属板１５にも配線パターンがエッチング加工により施されるようになっており、当該配線パターンの形成とともに各凹部１８も形成される。そして、回路基板１１は、表金属板１５と裏金属板１６にそれぞれ所定のエッチング加工を施した後、ヒートシンク１３に接合される。
本実施形態において各凹部１８は、表金属板１５の接合面１６ｂ側に直径２ｍｍの円形をなすように開口されている。すなわち、各凹部１８における裏金属板１６の接合面１６ｂに対する開口面積は、π×（２×０．５）２＝３．１４ｍｍ２（小数点以下第３位を四捨五入）となる。また、各凹部１８は、裏金属板１６の厚み方向に沿って０．５ｍｍの深さで形成されている。これにより、裏金属板１６は、各凹部１８を形成した部分において当該凹部１８が０．５ｍｍの深さで形成されることにより、残りの厚みが０．６ｍｍ（１．１ｍｍ−０．５ｍｍ）となる。また、本実施形態において各凹部１８の直径は、半導体素子１２の発熱面（表金属板１５との接合面）から凹部１８に到達する迄の距離（本実施形態では０．６＋０．６３５＋０．６＝１．８３５ｍｍ）の２倍以下の数値とされている。これは、半導体素子１２（発熱体）と凹部１８との間の伝熱状態を加味して算出されている。
このように各凹部１８を形成した裏金属板１６の接合面１６ｂでは、各凹部１８によって形成される空洞部分（凹部１８の開口部分）が非接合領域（ヒートシンク１３に接合されない領域）となる一方で、各凹部１８を除く平坦部分が接合領域（ヒートシンク１３に実際に接合される領域）となる。そして、本実施形態において接合面１６ｂの全体の面積は、２７ｍｍ×２７ｍｍ＝７２９ｍｍ２となり、当該全体の面積のうち、接合領域の面積（接合面積）が６１６．０ｍｍ２となる。接合領域の面積（６１６．０ｍｍ２）は、全体の面積から各凹部１８の開口面積の合算値（３６（個）×３．１４（ｍｍ２）＝１１３．０ｍｍ２（小数点以下第２位を四捨五入））を減算することによって算出される。そして、接合領域の面積は、接合面１６ｂの全体の面積に対して８４．５％（小数点以下第２位を四捨五入）の接合率となる。
また、本実施形態において各凹部１８は、図３（ａ）に示すように、裏金属板１６の周縁部位を中心に配列されている。また、各凹部１８は、裏金属板１６を図３（ａ）に示すように平面域において複数領域に等分割したとき、各分割領域における接合領域の面積が等しくなるように配置されている。図３（ａ）では、各辺の中心を結ぶ中心線によって４等分した状態を破線で示しており、符号ａ，ｂ，ｃ，ｄは分割領域を示している。「各分割領域における接合領域の面積が等しい」とは、対称を意図しておらず、凹部１８の大きさや配置に関係なく、各分割領域の接合領域の面積を算出した場合に当該算出値が等しくなっていることを示す。なお、分割数は４分割に限らず２分割や３分割でも良く、また分割方向は縦横方向に限らず対角線に沿う方向でも良い。本実施形態の裏金属板１６では、図３（ａ）に示すように、各分割領域の接合領域の面積は等しく、かつ中心線を境界として線対称となるように各凹部１８が形成されている。
このように構成した半導体モジュール１０は、例えば電動モータを駆動源の一部とするハイブリッドカーなどの車両に適用されることにより、車両の運転状況に応じて電動モータに供給する電力を制御する。そして、半導体素子１２から発せられた熱は、回路基板１１を介してヒートシンク１３に伝えられ、当該ヒートシンク１３内を流れる冷却流体に放熱される。
半導体素子１２から発せられた熱がヒートシンク１３に伝わった際には、回路基板１１及びヒートシンク１３は高温となり、熱膨張する。一方、半導体素子１２からの発熱が停止すると、回路基板１１及びヒートシンク１３の温度は常温まで低下し、熱収縮する。そして、熱膨張及び熱収縮の際には、各部材（ヒートシンク１３、セラミックス基板１４、表金属板１５、裏金属板１６）の線熱膨張係数の相違に起因し、熱応力が発生する。しかし、本実施形態の半導体モジュール１０では、裏金属板１６に形成した各凹部１８からなる非接合領域によって接合領域の熱応力が分散され、応力緩和される。すなわち、各凹部１８からなる非接合領域は、接合領域の熱応力を緩和する熱応力緩和部として機能する。この結果、クラックの発生や反りなどの発生が防止され、放熱性能が長期間にわたって維持される。
図４には、裏金属板１６に凹部１８（非接合領域）を形成した時の熱抵抗値（℃／Ｗ）と接合率（％）との関係を示している。この関係は、試験結果に基づき求められたものである。
図４に示すように、熱抵抗値と接合率は、接合率を下げると熱抵抗値が上昇して伝熱特性が低下し、接合率を上げると熱抵抗値が下降して伝熱特性が向上する関係を有している。そして、半導体モジュール１０では、放熱性能を向上させる必要があるが、その一方で、熱応力を緩和させる必要もある。このため、放熱性能を優先させるためには、図４に示すように接合率を１００％に近づけることが最良となるが、この場合には熱応力を緩和することができなくなる。一方で、熱応力の緩和を優先させるためには、接合率を下げること（すなわち、非接合領域（空洞部分）を多く作ること）が最良となるが、この場合には図４に示すように熱抵抗値が上昇して放熱性能が低下することになる。
そこで、これらの関係をもとに接合率を変更して試験し、放熱性能と熱応力の緩和の点から最良の結果が得られる接合率の範囲として、図４に示すように６５％〜８５％の範囲を導き出した。接合率の下限値は、接合率６５％未満の範囲では熱抵抗値が大きく変動して放熱性能に影響を及ぼすことが考えられるため、熱抵抗値に大きな変動が見られなくなる境界となる接合率６５％に定めた。また、接合率の上限値は、熱膨張と熱収縮を繰り返したときに熱応力が緩和され、クラックの発生や反りなどの発生が許容し得る境界となる接合率８５％に定めた。なお、接合率６５％とするためには、例えば、２７ｍｍ×２７ｍｍの裏金属板１６の接合面１６ｂに、直径３ｍｍの凹部１８を３６個形成すれば良い。
前述のように接合率の範囲は、下限値を６５％としたところで最良な結果を得ることができた。しかし、セラミックス基板１４を構成する窒化アルミニウムの熱伝導度（１７０Ｗ／ｍ・ｋ）と裏金属板１６を構成する純アルミニウムの熱伝導度（２２０Ｗ／ｍ・ｋ）を考慮した場合には、７５％〜８５％の範囲とした方が熱抵抗の影響がさらに小さくなり好ましいと考えられる。すなわち、半導体素子１２から発せられた熱は、表金属板１５を介してセラミックス基板１４に伝わることになるが、純アルミニウムに比して窒化アルミニウムの熱伝導度が小さく、セラミックス基板１４から裏金属板１６へは熱が伝わり難くい。そして、前述のように、裏金属板１６に凹部１８（非接合領域）を形成することは、熱を伝わり難くすることに繋がるため、裏金属板１６とセラミックス基板１４との熱の伝わり具合を同程度にしておけば、裏金属板１６からヒートシンク１３への熱の伝わり具合をさらに低下させることもない。したがって、熱の伝わり具合を同程度とするために、ヒートシンク１３と裏金属板１６との接合率の下限値を７５％としておく方がより好ましいと考えられる。
図５（ａ）〜（ｃ）には、裏金属板１６に形成する凹部１８の別形態を示している。すなわち、凹部１８は、ヒートシンク１３と裏金属板１６との接合率を６５％〜８５％の範囲（好ましくは７５％〜８５％の範囲）にすれば、凹部１８の大きさ（開口面積）や配置などは変更することができる。図５（ａ）〜（ｃ）には、大きさや個数を実施形態の凹部１８と同一とし、配置を変更した例を示している。
図５（ａ）は、裏金属板１６の接合面１６ｂに、３６個の凹部１８を６行×６列のマトリックス状に配置した例を示しており、この場合、凹部１８は接合面１６ｂの全面に亘って配置される。図５（ｂ）は、裏金属板１６の接合面１６ｂに、３６個の凹部１８を裏金属板１６の中心を円の中心とする同心円状に配置した例を示している。図５（ｃ）は、裏金属板１６の接合面１６ｂに、３６個の凹部１８を千鳥配置した例を示している。これらの凹部１８は、図３に示す本実施形態の凹部１８と同様に、裏金属板１６を平面域において複数領域に等分割したとき、各分割領域における接合領域の面積が等しくなるように配置されている。
したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）裏金属板１６に凹部１８からなる非接合領域を設けた。このため、セラミックス基板１４、裏金属板１６及びヒートシンク１３との線熱膨張係数の相違に起因して熱応力が発生した場合でも、非接合領域によって熱応力が分散され、その結果として熱応力が緩和される。このため、反りやクラックの発生が防止され、放熱性能が維持される。
（２）また、凹部１８を裏金属板１６に直接設けているので、接合層として機能する裏金属板１６とは別に凹部１８（非接合領域）を設けた金属板や緩衝材をセラミックス基板１４とヒートシンク１３との間に介在させる必要がなく、半導体モジュール１０の部品点数を削減することができる。したがって、半導体モジュール１０の製造コスト増を抑制できる。
（３）また、裏金属板１６には、当該裏金属板１６の接合領域の面積が接合面１６ｂの全体の面積に対して６５％〜８５％の範囲（実施形態では８４．５％）となるように凹部１８を形成した。このため、熱応力の緩和と放熱性能の双方のバランスを加味し、熱応力を好適に緩和しつつ、優れた放熱性能を得ることができる。
（４）さらに、裏金属板１６の接合領域の面積が接合面１６ｂの全体の面積に対して７５％〜８５％の範囲（実施形態では８４．５％）となるように凹部１８を形成している。このため、セラミックス基板１４の材料である窒化アルミニウムと裏金属板１６の材料である純アルミニウムの熱伝導率を加味した上で接合領域の面積の範囲が設定されることになる。したがって、熱抵抗をより小さくすることができ、放熱性能を向上させることができる。
（５）凹部１８の直径を、半導体素子１２から裏金属板１６までの距離の２倍以下に設定した。このため、半導体素子１２から発生される熱の伝熱状態を加味して凹部１８の直径が設定されることになる。したがって、放熱性能を向上させることができる。
（６）また、凹部１８を円形の孔とした。このため、エッチング加工にて裏金属板１６に凹部１８を形成する場合のエッチングパターンが作り易く、半導体モジュール１０の製造コスト増を抑制できる。
（７）凹部１８は、裏金属板１６を平面域で等分割した場合に、いずれの等分割領域においても接合領域の面積が等しくなるように設けられている。このため、凹部１８を裏金属板１６の全体に亘って形成することができ、好適に熱応力を緩和することができる。また、実施形態では、特に、裏金属板１６の周縁部位に集中させて凹部１８を配置しているので、好適に熱応力を緩和することができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図６（ａ），（ｂ）に示すように複数本の溝としての溝部１９で非接合領域を形成しても良い。図６（ａ）の溝部１９は、縦横方向に直線的に延びる格子状の溝（底面を有する）で形成されている。図６（ｂ）の溝部１９は、斜め方向に直線的に延びる格子状の溝で形成されている。溝部１９の溝幅は、実施形態と同様に、半導体素子１２の発熱面から溝部１９に到達する迄の距離の２倍以下とすることが好ましい。また、溝部１９は、エッチング加工により形成されている。また、図６（ａ），（ｂ）の裏金属板１６は、実施形態と同様に、裏金属板１６を平面域において複数領域に等分割したとき、各分割領域における接合領域の面積が等しくなるように溝部１９が形成されている。
○ 図７（ａ），（ｂ）に示すように複数本の溝としての溝部２０で非接合領域を形成しても良い。図７（ａ）の溝部２０は、横方向に波線的に延びる溝（底面を有する）で形成されている。図７（ｂ）の溝部２０は、縦方向に波線的に延びる溝で形成されている。溝部２０の溝幅は、実施形態と同様に、半導体素子１２の発熱面から溝部２０に到達する迄の距離の２倍以下とすることが好ましい。また、溝部２０は、エッチング加工により形成されている。また、図７（ａ），（ｂ）の裏金属板１６は、実施形態と同様に、裏金属板１６を平面域において複数領域に等分割したとき、各分割領域における接合領域の面積が等しくなるように溝部２０が形成されている。
○ 図８に示すように複数本の溝としての溝部２１で非接合領域を形成しても良い。図８の溝部２１は、円形の溝（底面を有する）で形成されている。そして、図８では、同心円となる２本の溝部２１が形成されている。溝部２１の溝幅は、実施形態と同様に、半導体素子１２の発熱面から溝部２１に到達する迄の距離の２倍以下とすることが好ましい。また、溝部２１は、エッチング加工により形成されている。また、図８の裏金属板１６は、実施形態と同様に、裏金属板１６を平面域において複数領域に等分割したとき、各分割領域における接合領域の面積が等しくなるように溝部２１が形成されている。
○ 図３及び図５〜図８において、凹部１８や溝部１９〜２１の大きさ（直径、溝幅）は変更しても良い。また、凹部１８の個数や溝部１９〜２１の本数は変更しても良い。なお、これらの変更に際しては、裏金属板１６の接合率が６５％〜８５％（好ましくは７５％〜８５％）の範囲となるように変更する。
○ 図３及び図５に示す凹部１８は、貫通孔としても良い。また、図６〜図８に示す溝部１９〜２１は、貫通溝（裏金属板１６を貫通して形成した溝）としても良い。なお、溝部１９〜２１を貫通溝とする場合には、裏金属板１６の周縁に連結部を形成し、裏金属板１６が分離しないようにする。また、凹部１８を貫通孔とする場合や溝部１９〜２１を貫通溝とする場合には、図９（ａ）に示すように、裏金属板１６の接合面１６ｂからの最深部２２（接合面１６ａ側）をフィレット形状に形成すると良い。この部分は、裏金属板１６の接合面１６ａ側の開口部分となる。この構成によれば、セラミックス基板１４と裏金属板１６との接合において、孔又は溝の開口部分が角状に形成されている場合に比して裏金属板１６を剥がれ難くすることができる。したがって、放熱性能を向上させることができる。
○ 凹部１８や溝部１９〜２１を非貫通とする場合において、図９（ｂ）に示すように、凹部１８や溝部１９〜２１の最深部２２をフィレット形状にしても良い。この場合には、凹部１８や溝部１９〜２１の最深部を角状に形成する場合に比して、クラックの発生を防止できる。
○ 図３及び図５に示す凹部１８は、円形に代えて、三角形、六角形、菱形、星形などに変更しても良い。
○ 凹部１８や溝部１９〜２１の直径や溝幅は不均一であっても良い。例えば、図３において、直径２ｍｍの凹部１８と直径３ｍｍの凹部１８とを混在させても良い。
○ 図３及び図６〜図８に示す凹部１８や溝部１９〜２１の配置は変更しても良い。例えば、図３において凹部１８は、半導体素子１２の周辺に配置し、半導体素子１２の直下に配置しないようにしても良い。この場合、半導体素子１２の直下に対応する裏金属板１６の部位がヒートシンク１３に対する接合面となるため、半導体素子１２の熱を効率よく放熱させることができる。
○ 回路基板１１を構成するセラミックス基板１４、表金属板１５や裏金属板１６の厚みを変更しても良い。例えば、セラミックス基板１４の厚みを０．１ｍｍ〜１．１ｍｍの範囲で変更しても良い。なお、セラミックス基板１４の厚みを表金属板１５及び裏金属板１６の各厚み以上に設定すると、熱サイクルによる剥がれが生じ難い。実施形態では、０．６３５ｍｍの厚みを有するセラミックス基板１４に対して１．１ｍｍの裏金属板１６を採用している。しかし、実施形態において裏金属板１６は、各凹部１８が０．５ｍｍの深さで形成されることにより、当該凹部１８を形成した部分を除く残りの厚みが０．６ｍｍ（１．１ｍｍ−０．５ｍｍ）となり、セラミックス基板１４の厚みよりも小さくなる（セラミックス基板１４の厚みの方が大きい）。また、表金属板１５や裏金属板１６は、０．１ｍｍ〜１．１ｍｍの範囲で変更しても良い。なお、表金属板１５は、板厚を厚くした方が通電量を多くできて好ましく、その板厚としては０．６ｍｍ〜１．１ｍｍに設定することがより好ましい。そして、セラミックス基板１４を挟んで接合される表金属板１５と裏金属板１６は、熱の影響を考えた場合、同一の厚みに設定した方が反りなどが発生し難く、好ましい。したがって、表金属板１５の厚みを０．６ｍｍ〜１．１ｍｍに設定する場合には、同様に裏金属板１６を０．６ｍｍ〜１．１ｍｍに設定する方がより好ましい。なお、実施形態においては、表金属板１５と裏金属板１６の厚みを異ならせているが、表金属板１５と裏金属板１６の厚みを同一に設定しても良い。
○ 裏金属板１６を２層構造としても良い。具体的に言えば、セラミックス基板１４に接合される金属板と、当該金属板とヒートシンク１３との間に接合される凹部１８を形成した金属板（例えば、パンチングメタル）とで構成しても良い。
○ 表金属板１５及び裏金属板１６は純アルミニウム以外のアルミニウム合金としても良い。例えば、Ｓｉ：０．２〜０．８質量％、Ｍｇ：０．３〜１質量％、Ｆｅ：０．５質量％以下、Ｃｕ：０．５質量％以下を含有し、さらにＴｉ：０．１質量％以下またはＢ：０．１質量％以下の少なくとも１種を含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金を用いても良く、必要な伝熱特性を確保できるならば３０００系アルミニウム合金などを用いても良い。
半導体モジュールの平面図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 （ａ）は裏金属板の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 熱抵抗と接合率との関係を示すグラフ。 （ａ）〜（ｃ）は裏金属板の別形態を示す平面図。 （ａ），（ｂ）は裏金属板の別形態を示す平面図。 （ａ），（ｂ）は裏金属板の別形態を示す平面図。 裏金属板の別形態を示す平面図。 （ａ），（ｂ）は最深部をフィレット形状とした凹部や溝部を示す断面図。
符号の説明
１０…半導体モジュール、１２…半導体素子、１３…ヒートシンク、１４…セラミックス基板、１５…金属板、１６…金属板、１７…熱応力緩和部、１８…凹部、１９〜２１…溝部。

Claims (5)

  1. セラミックス基板の半導体素子搭載面となる表面側に表金属板を接合するとともに裏面側に裏金属板を接合し、当該裏金属板に放熱装置を接合した半導体モジュールであって、
    前記セラミックス基板は窒化アルミニウムからなる一方で、前記表金属板及び前記裏金属板は純アルミニウムからなり、
    前記裏金属板には、前記放熱装置との接合面に接合領域と非接合領域を形成し、前記接合領域の面積を前記接合面の全体の面積に対して７５％〜８５％の範囲とし、
    前記非接合領域は、前記裏金属板をその厚み方向に貫通する貫通孔又は貫通溝で形成されているとともに、該貫通孔又は貫通溝は、前記裏金属板における前記セラミックス基板との接合面側の開口の内周部分がフィレット形状に形成されていることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記貫通孔又は貫通溝は、前記裏金属板にエッチング加工を施すことにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記貫通孔又は貫通溝は、前記裏金属板を平面域で等分割した場合に、いずれの等分割領域においても前記接合領域の面積が等しくなるように形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記セラミックス基板は０．１ｍｍ〜１．１ｍｍの厚みを有するとともに、前記表金属板は０．１ｍｍ〜１．１ｍｍの厚みを有し、さらに前記裏金属板は０．１ｍｍ〜１．１ｍｍの厚みを有することを特徴とする請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  5. 前記放熱装置内には、該放熱装置に伝えられた熱を放熱するための冷却流体が流れていることを特徴とする請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の半導体モジュール。
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