JP5163199B2

JP5163199B2 - 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

Info

Publication number: JP5163199B2
Application number: JP2008067663A
Authority: JP
Inventors: 丈嗣北原; 浩正林; 宏史殿村; 博弥石塚; 祥郎黒光
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2028-03-17
Also published as: JP2009224571A

Description

本発明は、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及びヒートシンク付パワーモジュールに関する。

一般に、半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは、その発熱量が比較的高いことが知られている。パワーモジュールに搭載されるパワーモジュール基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなるセラミック絶縁基板（絶縁基板）の一面に回路層を接合し、他面に金属層を接合して形成されたものがある。また、回路層の一面には、はんだ材を介して半導体チップ等のパワーデバイス（電子部品）が搭載される。また、金属層はこの電子部品から発せられる熱を効率良く放熱させるための熱伝達層として設けられており、この金属層を介してヒートシンクにパワーモジュール基板が接合されるようになっている。

このようなパワーモジュール基板を備えたパワーモジュールとしては、例えば、特許文献１に記載されるものが知られている。この特許文献１のパワーモジュールは、パワーモジュール基板の金属層とヒートシンクとの間に、該金属層と略同一の外形を有し複数の貫通穴を形成したアルミニウム材からなる応力緩和部材（緩衝層）を設け、セラミック絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の差に起因して生じる熱応力や温度サイクル時に発生するセラミック絶縁基板と金属層の界面に生じるせん断応力を緩和して、界面の破断（剥離）を抑制し、熱サイクル時における接合信頼性を向上させている。
特開２００６−２９４６９９号公報

しかしながら、特許文献１に記載のパワーモジュールでは、緩衝層に複数の貫通穴が設けられているため、該緩衝層内を熱が伝わる際に、これら貫通穴が伝熱を妨げ、熱抵抗が高くなるという課題を有している。すなわち、緩衝層の熱の拡がり（ヒートスプレッド）が貫通穴の空洞で妨げられ、発熱した電子部品及びパワーモジュール基板を効率よく冷却することができない。また、このような緩衝層では、熱抵抗が高いため熱サイクル時における接合信頼性が充分に確保されているとは言い難い。

また、パワーモジュール基板とヒートシンクとが矩形平板状の緩衝層を介して接合される場合、角部のセラミック絶縁基板と金属層界面に、熱膨張係数の差による熱応力や温度サイクル時に発生するせん断応力の集中が起こり、これら角部から界面の破断（剥離）が発生する。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、緩衝層の角部の応力集中を抑え、また熱抵抗を低減して、熱サイクル時における接合信頼性を高めることができる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を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
すなわち本発明は、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、中実の金属板からなる緩衝層が配設され、前記緩衝層は、４つの角部が切り欠かれた矩形平板状をなし、前記絶縁基板よりも外形が幅広に形成されており、前記金属層の角部は、前記緩衝層の角部より外方に突出していることを特徴とする。

本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、矩形平板状の緩衝層の４つの角部が切り欠かれており、金属層の４つの角部の直下は接合されていない状態となるため、絶縁基板と金属層界面における熱膨張差による熱応力や温度サイクル時に発生するせん断応力の集中が緩和され角部からの界面破断（剥離）が防止される。よって、熱サイクル時における接合信頼性が向上する。

また、緩衝層は中実となっており、緩衝層にて熱を十分に拡散させることができる。さらに緩衝層は、外形が絶縁基板よりも大きく幅広に形成されているため、たとえ回路層の端部に電子部品が実装された場合でも、該端部を基点として周囲に十分に熱を拡散させることができる。したがってヒートシンクにおける放熱面積が十分に確保され、その結果、熱抵抗を下げることができる。

すなわち、電子部品の配置される位置の如何に係わらず、該電子部品から緩衝層に伝わる熱が周囲に良好に拡がり、冷却効率が高められていて、かつ、熱サイクル時における接合信頼性が向上している。

また、本発明に係るヒートシンク付パワーモジュールは、前述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。
本発明のヒートシンク付パワーモジュールによれば、冷却効率が高く、熱サイクル時における接合信頼性が向上する。

本発明に係る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によれば、絶縁基板と金属層界面の角部における応力集中を抑え、また熱抵抗を低減して、熱サイクル時における接合信頼性を高めることができる。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの概略構成を示す断面図、図２は本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの緩衝層の形状を示す概略平面図、図３は図２におけるＡ−Ａ矢視を示す断面図、図４は図２におけるＢ−Ｂ矢視を示す断面図、図５は本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの緩衝層の第１変形例を示す概略平面図、図６は本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの緩衝層の第２変形例を示す概略平面図である。

図１に示すように、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール１０は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２０の上面に、例えばＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのパワーデバイスからなる電子部品１１がはんだ付けにより接合されて形成されている。

また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２０は、パワーモジュール基板３０と、ヒートシンク１２とを備え、これらパワーモジュール基板３０とヒートシンク１２との間に後述する緩衝層１３を介在させ、互いにろう付け又ははんだ付けにより一体に接合されている。ヒートシンク１２は、内部に冷媒である冷却水を流通させるための複数の流路１２ａを備えている。そして、電子部品１１で生じた熱がヒートシンク１２に伝達され熱交換されて、装置が冷却される。

パワーモジュール基板３０は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＳｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）からなる矩形平板状のセラミック絶縁基板（絶縁基板）２と、このセラミック絶縁基板２の上面に配置され該セラミック絶縁基板２よりも外形の小さな矩形平板状の回路層３と、セラミック絶縁基板２の下面に配置され該セラミック絶縁基板２よりも外形の小さな矩形平板状の金属層４と、を備えており、これらセラミック絶縁基板２、回路層３及び金属層４が互いにろう材により接合されている。また、回路層３と金属層４とは、セラミック絶縁基板２を挟んで互いに面対称に対向配置されて、略同一形状とされている。

回路層３は、例えばＡｌなどの高熱伝導率を有する金属により形成されており、また、金属層４も、Ａｌなどの高熱伝導率を有する金属により形成されている。
また、この金属層４の下面を覆うようにして、該金属層４よりも外形が幅広の緩衝層１３が接合されている。

緩衝層１３は、Ａｌ（アルミニウム）又はＣｕ（銅）からなるバルク板材等の中実の金属板から形成されており、その厚みｔ１はセラミック絶縁基板２下面からヒートシンク１２の冷却面（冷媒と接する面）までの厚み（距離）ｔ２が２ｍｍから５ｍｍになるように設定され、より好ましくは厚みｔ２が３ｍｍから４ｍｍの範囲に設定される。尚、セラミック絶縁基板２下面からヒートシンク１２の冷却面までの厚み（距離）ｔ２が２ｍｍよりも小さく設定した場合には、電子部品１１から発生する熱を拡散するヒートスプレッド効果が充分に得られずヒートシンク１２の冷却面積が狭くなって熱抵抗が高くなり、また、セラミック絶縁基板２下面からヒートシンク１２の冷却面までの厚み（距離）ｔ２を５ｍｍよりも大きく設定した場合には、その距離が大きくなることによる熱抵抗上昇分がヒートスプレットによる熱抵抗低減効果を上回り、全体の熱抵抗は大きくなるため、上述の範囲とされるのが好ましい。

また本発明者は、３次元の熱計算を行い、熱抵抗が低減される最適なセラミック絶縁基板２下面からヒートシンク１２の冷却面までの厚みｔ２を求めた。その結果、ヒートシンク１２での熱伝達係数が〜１００００Ｗ／Ｋ・ｍ^２の場合において、前記厚みｔ２が２ｍｍ〜５ｍｍの範囲に設定されるのが好ましいことがわかった。

また、緩衝層１３の面方向（厚みｔ１，ｔ２に直交する方向）の外形は、セラミック絶縁基板２よりも大きく幅広に形成されている。詳しくは、図２、図３に示すように、これらセラミック絶縁基板２と緩衝層１３とを、互いの重心位置を重ねるようにして厚みｔ１，ｔ２方向に積層した状態で、緩衝層１３の端部１３ａが、セラミック絶縁基板２の端部２ａよりも外方に寸法Ｄだけ突出して配置される。ここで、寸法Ｄは０．５ｍｍ以上とされ、より好ましくは２ｍｍ以上に設定される。また、緩衝層１３の端部１３ａは、回路層３の端部３ａ及び金属層４の端部４ａから面方向外方に前記寸法Ｄを超えて突出されていて、距離が充分に設けられている。

また、緩衝層１３は、４つの角部１３ｂが切り欠かれた矩形平板状をなしており、これら角部１３ｂは、略同一半径の円弧状に夫々形成されている。また、図２の平面視において、夫々の角部１３ｂの径方向外方の位置には、回路層３の４つの角部３ｂ、金属層４の４つの角部４ｂ及びセラミック絶縁基板２の４つの角部２ｂが夫々配置されている。すなわち、図４に示すように、回路層３の角部３ｂ、金属層４の角部４ｂ及びセラミック絶縁基板２の角部２ｂが、夫々緩衝層１３の角部１３ｂより外方に突出した状態とされていて、金属層４の角部４ｂ近傍の下面は、該緩衝層１３の上面に接合されてはいない。

以上説明したように、本実施形態におけるヒートシンク付パワーモジュール１０によれば、矩形平板状の緩衝層１３の４つの角部１３ｂが切り欠かれており、金属層４の４つの角部４ｂの直下は接合されていない状態となるため、従来のようにセラミック絶縁基板２と金属層４界面の角部４ｂに熱膨張係数差に起因する温度サイクル時のせん断応力が集中し、角部４ｂからの界面破断（剥離）が発生するようなことが防止されている。よって、熱サイクル時における接合信頼性が向上する。

緩衝層１３は中実となっているため、緩衝層１３及びヒートシンク１２のそれぞれの接合面積が充分に確保され、緩衝層１３にて熱を十分に拡散させることができる。さらに外形がセラミック絶縁基板２よりも大きく幅広に形成されているため、たとえ回路層３の端部３ａ近傍に電子部品１１が実装された場合でも、該端部３ａを基点として周囲に十分に熱を拡散させることができる。したがってヒートシンク１２において放熱面積が十分に確保され、その結果、熱抵抗を下げることができる。

このような構成によれば、回路層３上において電子部品１１の配置される位置の如何に係わらず、該電子部品１１から緩衝層１３に伝わる熱が周囲に良好に拡がり、冷却効率が高められていて、かつ、熱サイクル時における接合信頼性が向上している。

尚、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本実施形態では、緩衝層１３の４つの角部１３ｂは、略同一半径の円弧状に夫々切り欠かれて形成されているとして説明したが、これに限定されるものではない。

図５に示すものは、本実施形態の第１変形例であり、緩衝層２３の面方向の外形は、セラミック絶縁基板２よりも大きく幅広に形成されており、緩衝層２３の端部２３ａが、セラミック絶縁基板２の端部２ａよりも外方に寸法Ｄだけ突出して配置されている。また、緩衝層２３の４つの角部２３ｂは、夫々内方に向け窪む略凹円弧状に切り欠かれている。そして、図５の平面視において、金属層４の角部４ｂが緩衝層２３の角部２３ｂより外方に突出した状態とされ配置されており、該金属層４の角部４ｂ近傍の下面は、緩衝層２３の上面に接合されていない。このような第１変形例においても、前述の実施形態と同様の効果を奏功する。

また、図６に示すものは、本実施形態の第２変形例であり、緩衝層３３の面方向の外形は、セラミック絶縁基板２よりも大きく幅広に形成されており、緩衝層３３の端部３３ａが、セラミック絶縁基板２の端部２ａよりも外方に寸法Ｄだけ突出して配置されている。また、緩衝層３３の４つの角部３３ｂは、角を斜めに落としたようにして形成された面取り断面形状とされている。詳しくは、これら角部３３ｂは、夫々の角部３３ｂに隣り合う二辺の端部３３ａに傾斜して交わる一辺を備えた切り欠き形状とされている。また角部３３ｂの前記一辺の両端に配置される頂点の形成する角度は、例えば夫々１３５°とされている。そして、図６の平面視において、金属層４の角部４ｂが、緩衝層３３の角部３３ｂより外方に突出した状態とされ配置されており、該金属層４の角部４ｂ近傍の下面は、緩衝層３３の上面に接合されていない。このような第２変形例においても、前述の実施形態と同様の効果を奏功する。

また本実施形態では、セラミック絶縁基板２と回路層３又は金属層４とは、ろう材により接合されていることとして説明したが、それ以外の方法により接合されていても構わない。
また本実施形態では、セラミック絶縁基板２は、ＡｌＮやＳｉ_３Ｎ_４からなるとして説明したが、これらに限定されるものではない。
また、回路層３及び金属層４も、Ａｌに限定されるものではない。
また、ヒートシンク１２は、本実施形態の水冷式に限らずに、空冷式や他の液冷式のものであっても構わない。

本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの概略構成を示す断面図である。本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの緩衝層の形状を示す概略平面図である。図２におけるＡ−Ａ矢視を示す断面図である。図２におけるＢ−Ｂ矢視を示す断面図である。本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの緩衝層の第１変形例を示す概略平面図である。本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの緩衝層の第２変形例を示す概略平面図である。

符号の説明

２セラミック絶縁基板（絶縁基板）
３回路層
４金属層
１０ヒートシンク付パワーモジュール
１１電子部品
１２ヒートシンク
１３，２３，３３緩衝層
１３ｂ，２３ｂ，３３ｂ緩衝層の角部
２０ヒートシンク付パワーモジュール用基板
３０パワーモジュール基板

Claims

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、中実の金属板からなる緩衝層が配設され、
前記緩衝層は、４つの角部が切り欠かれた矩形平板状をなし、前記絶縁基板よりも外形が幅広に形成されており、
前記金属層の角部は、前記緩衝層の角部より外方に突出し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。