JP5067187B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール - Google Patents
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Description
このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前記回路層に半導体チップ等の電子部品がはんだ接合されることでヒートシンク付パワーモジュールとして使用される。
さらに、金属層の厚さを回路層と釣り合いがとれるように構成できるとともに、金属層と接合される緩衝層の変形抵抗が小さく金属層が強く拘束されなくなるので、熱サイクル負荷時に絶縁基板と回路層の界面に生じるせん断力を小さく抑えることができ、回路層と絶縁基板の界面での剥離の発生を防止することができる。
さらに、緩衝層にビッカース硬度40以下の軟化層が設けられているので、この軟化層によって歪みを確実に吸収することにより熱サイクル負荷時に絶縁基板と金属層の界面に生じるせん断力を小さく抑えることができる。また、熱サイクル負荷時において、金属層が拘束されることがなくなり、絶縁基板と回路層の界面に生じるせん断力を小さく抑えることができ、回路層と絶縁基板の界面での剥離の発生を確実に防止することができる。
また、前記金属層と前記緩衝層とをろう材によって接合するので、回路層及び金属層となる金属板を絶縁基板にろう付けする際もしくはヒートシンクとパワーモジュール用基板とをろう付けする際に、緩衝層を接合することが可能となり、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を簡単に、かつ、低コストで製造することができる。さらに、金属層と緩衝層との間に接合界面が形成されることで、金属層と緩衝層とが明確に分離され、パワーモジュール用基板における回路層と金属層との厚さの釣り合いをとることが可能となり、熱サイクル負荷時に絶縁基板と回路層の界面に生じるせん断力を小さく抑えることができる。
この場合、回路層の厚さと金属層の厚さとが比較的釣り合うことにより、熱サイクル負荷時のせん断力の発生を確実に抑制することができる。
この構成のヒートシンク付パワーモジュールによれば、反り変形がなく、かつ、熱サイクル負荷時においても金属層と絶縁基板の界面及び回路層と絶縁基板の界面での剥離がないので、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
このヒートシンク付パワーモジュール1は、回路層13が配設されたパワーモジュール用基板11と、回路層13の表面にはんだ層3を介して接合された半導体チップ2と、ヒートシンク17とを備えている。ここで、はんだ層3は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層13とはんだ層3との間にNiメッキ層(図示なし)が設けられている。
絶縁基板12は、回路層13と金属層14との間の電気的接続を防止するものであって、例えばAlN(窒化アルミ)、Si3N4(窒化珪素)等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、AlN(窒化アルミ)で構成されている。また、絶縁基板12の厚さCは、0.2mm≦C≦1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、C=0.635mmに設定されている。
また、回路層13の厚さAは、0.3mm≦A≦0.8mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、A=0.6mmに設定されている。
また、金属層14の厚さBは、0.3mm≦B≦1.6mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、B=0.6mmに設定されている。
例えば、絶縁基板をAlN(窒化アルミニウム)で構成したものとして説明したが、絶縁性を有する材料であればよく、Si3N4、Al2O3等であってもよい。
また、緩衝層を、純度99.99%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度99%以上のアルミニウム(2Nアルミニウム)であってもよい。
さらに、ヒートシンクをA6063(アルミニウム合金)で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、純アルミニウムで構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はなく、例えば空冷方式のヒートシンクであってもよい。
比較例1−4及び本発明例1−5においては、厚さ0.635mmのAlNからなる絶縁基板と、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる回路層と、厚さ4mmのA6063からなる天板部を備えたヒートシンクと、を共通に有している。
本発明例1−5においては、緩衝層の厚さをそれぞれ0.5mm、0.7mm、1.0mm、5mm、7mmに設定した。
金属層を1.6mmと厚くした比較例2では、金属層と絶縁基板の界面での剥離は抑えられたものの回路層と絶縁基板の界面での剥離が認められた。これは、回路層と金属層との厚さが大きく異なるため、熱サイクル負荷時に絶縁基板と回路層との界面に大きなせん断力が作用したためと判断される。
また、緩衝層の厚さが9mmと厚い比較例4の場合には、熱サイクル後の剥離や反りを抑制することができるもののヒートシンクとパワーモジュール用基板の間の熱抵抗が高くなり、パワーモジュール用基板を効率的に冷却できないことが確認された。
この比較実験の結果、本発明によれば、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることが可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができることが確認された。
2、102 半導体チップ(電子部品)
10、110 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
11、111 パワーモジュール用基板
12、112 絶縁基板
13、113 回路層
14、114 金属層
15、115 緩衝層
17、117 ヒートシンク
18、118 天板部
119 凹部
Claims (4)
- 絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール基板と、前記金属層側に接合されて前記パワーモジュール基板を冷却するヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記金属層と前記ヒートシンクとの間には、前記ヒートシンク及び前記金属層と接合する前の状態において純度99%以上のアルミニウムからなる緩衝層が形成されており、
該緩衝層の厚さtが、0.6mm≦t≦7mmとされ、
前記緩衝層には、ビッカース硬度40以下の軟化層が設けられ、
該軟化層の厚さが0.1mm以上とされ、
前記緩衝層には、ビッカース硬度50以上の硬化層が設けられ、
前記金属層と前記緩衝層とがろう材によって接合されており、
前記緩衝層と前記ヒートシンクとがろう材によって接合されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。 - 請求項1に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記緩衝層が、前記ヒートシンク及び前記金属層と接合する前の状態において純度99.99%以上のアルミニウムからなることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。 - 請求項1または請求項2に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記回路層の厚さAと前記金属層の厚さBとの比A/Bが、0.4≦A/B≦1の範囲内とされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、該ヒートシンク付パワーモジュール用基板の前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール。
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