JP6681660B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール - Google Patents
ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール Download PDFInfo
- Publication number
- JP6681660B2 JP6681660B2 JP2015046038A JP2015046038A JP6681660B2 JP 6681660 B2 JP6681660 B2 JP 6681660B2 JP 2015046038 A JP2015046038 A JP 2015046038A JP 2015046038 A JP2015046038 A JP 2015046038A JP 6681660 B2 JP6681660 B2 JP 6681660B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- substrate
- heat sink
- power module
- ceramics
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims description 198
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 90
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 25
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 19
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 claims description 15
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 13
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 25
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 25
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 description 17
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 3
- 229910018125 Al-Si Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018520 Al—Si Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 230000000452 restraining effect Effects 0.000 description 2
- 229910017944 Ag—Cu Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018566 Al—Si—Mg Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017818 Cu—Mg Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007981 Si-Mg Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008316 Si—Mg Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020836 Sn-Ag Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020888 Sn-Cu Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020935 Sn-Sb Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020988 Sn—Ag Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019204 Sn—Cu Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018956 Sn—In Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008757 Sn—Sb Inorganic materials 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/321—Disposition
- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールに関する。
パワーモジュールには、一般に、絶縁基板であるセラミックス基板の一方の面に回路層を形成する金属板が接合されるとともに、他方の面に放熱層を形成する金属板を介して放熱板（ヒートシンク）が接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が用いられ、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の回路層上にはんだ材を介してパワー素子等の半導体チップが搭載され、パワーモジュールが製造される。
このようなパワーモジュールにおいては、絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）のセラミックス基板とヒートシンクとの線膨張係数差に起因する反り等の変形により、実装性や耐久信頼性に影響することが課題である。
この点、例えば特許文献１には、ヒートシンクの一方の面に絶縁回路基板を接合し、もう一方の面（裏面）に拘束部材を接合することにより、セラミックス基板（絶縁基板）とヒートシンクとの線膨張係数の差に起因するヒートシンクの反りを拘束することとしている。このように、従来より、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の構造を、ヒートシンクを基準に略対称となるように絶縁回路基板や拘束部材を設けることで、反りを低減する対策がなされている。
この点、例えば特許文献１には、ヒートシンクの一方の面に絶縁回路基板を接合し、もう一方の面（裏面）に拘束部材を接合することにより、セラミックス基板（絶縁基板）とヒートシンクとの線膨張係数の差に起因するヒートシンクの反りを拘束することとしている。このように、従来より、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の構造を、ヒートシンクを基準に略対称となるように絶縁回路基板や拘束部材を設けることで、反りを低減する対策がなされている。
ところで、パワーモジュールの高密度実装が要求されるようになってきており、セラミックス基板に複数の回路層を並べて接合したり、エッチングにより、回路パターンを形成することが行われている。また、このようにセラミックス基板上に回路パターンを形成した場合においても、セラミックス基板とヒートシンクとの線膨張係数の差に起因するヒートシンクの反りが生じることを防止するため、特許文献１と同様に、ヒートシンクを基準に略対称となるように絶縁回路基板や拘束部材を配設した構造とすることが容易に考えられる。
ところが、略対称の構造によりヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成すると、複数の回路層と同数の金属層を用意し、これら金属層を回路層と対称となる位置に接合することは煩雑であり、作業工程の複雑化に繋がる。また、ヒートシンクのパワーモジュール用基板が接合されていない面（金属層）側は、冷却板として他の冷却が必要な部品を接触させる等して利用されることから、小片化された金属層では、個々の金属層が有する細かな形状の違いや表面形状の違い等によって、部品と金属層との密着性を十分に確保することが難しく、放熱性能の低下を引き起こすおそれがある。
そこで、ヒートシンクの裏面側に接合される金属層を一枚で構成することが望ましいが、この場合には、セラミックス基板の回路パターンが形成されていない部分、すなわち回路層が接合されていない領域において、セラミックス基板に割れが生じることが問題となっている。
そこで、ヒートシンクの裏面側に接合される金属層を一枚で構成することが望ましいが、この場合には、セラミックス基板の回路パターンが形成されていない部分、すなわち回路層が接合されていない領域において、セラミックス基板に割れが生じることが問題となっている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、回路パターンを形成した場合においても、セラミックス基板に生じる割れを防止できる接合信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを提供することを目的とする。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、第１セラミックス基板の一方の面に間隔をあけて複数の回路層を接合するとともに該第１セラミックス基板の他方の面に一枚の放熱層を接合してなるパワーモジュール用基板と、ヒートシンクとを積層したヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンクの一方の面に第２セラミックス基板を有する連結基板を介して前記パワーモジュール用基板が接合され、前記ヒートシンクの他方の面に第３セラミックス基板を有する裏側基板が接合されてなり、前記連結基板は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる連結側緩衝層と前記第２セラミックス基板とを積層して形成され、前記連結側緩衝層と前記ヒートシンクとが接合されている。
ヒートシンクに積層されるパワーモジュール用基板は、複数の回路層を接合することにより回路パターンを形成しているので、基板の高集積化を図ることができる。また、このようなパワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板において、本発明では、ヒートシンクを基準とした略対称の構造を形成することなく、ヒートシンクの一方の面に第２セラミックス基板を有する連結基板を介してパワーモジュール用基板を接合するとともに、ヒートシンクの他方の面に第３セラミックス基板を有する裏側基板を接合することにより、すなわち、ヒートシンクの両面にそれぞれ線膨張係数が比較的小さなセラミックス基板を有する基板を接合することにより、ヒートシンクに生じる反り等を低減することとしている。したがって、複数の回路層により回路パターンを形成した場合においても、第１セラミックス基板に生じる割れを防止でき、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の接合信頼性を高めることができる。
さらに、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記連結基板には、前記第２セラミックス基板に接合され、外部配線が接続可能な配線層が設けられており、前記配線層と前記放熱層とが接合されている構成とすることができる。
また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記裏側基板は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる裏面側緩衝層と前記第３セラミックス基板とを積層して形成され、前記裏面側緩衝層と前記ヒートシンクとが接合されている構成とすることができる。
連結基板及び裏側基板に、それぞれ連結側緩衝層及び裏面側緩衝層を設けることで、連結基板に積層される第２セラミックス基板と、裏側基板に積層される第３セラミックス基板とに生じる割れの発生を防止することができ、ヒートシンクに生じる反りを確実に低減することができる。したがって、より確実に第１セラミックス基板の割れの発生を防止することができる。
また、連結基板に外部配線が接続可能な配線層を設けることにより、高集積化を図ることができる。この場合、配線層を第１セラミックス基板の外形よりも延出させて、好ましくは、外部配線が接続可能な接続部を第１セラミックス基板よりも外方位置に配置することで、接続作業を容易に行うことができ、作業性を向上させることができる。
また、連結基板に外部配線が接続可能な配線層を設けることにより、高集積化を図ることができる。この場合、配線層を第１セラミックス基板の外形よりも延出させて、好ましくは、外部配線が接続可能な接続部を第１セラミックス基板よりも外方位置に配置することで、接続作業を容易に行うことができ、作業性を向上させることができる。
本発明のパワーモジュールは、前記ヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層の表面上に搭載された半導体素子とを備える。
本発明によれば、セラミックス基板上に複数の回路層を並べて接合することにより回路パターンを形成したヒートシンク付パワーモジュール用基板においても、セラミックス基板に生じる割れを防止することができ、接合信頼性を高めることができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示す第１実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａは、第１セラミックス基板１１の一方の面に間隔をあけて複数の回路層１２を接合するとともに、その第１セラミックス基板１１の他方の面に一枚の放熱層１３を接合してなるパワーモジュール用基板１０と、ヒートシンク５０とが積層されており、そのヒートシンク５０の一方の面に第２セラミックス基板２１を有する連結基板２０Ａを介してパワーモジュール用基板１０が接合され、ヒートシンク５０の他方の面に第３セラミックス基板３１を有する裏側基板３０Ａが接合された構成とされる。
そして、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａの各回路層１２の表面に半導体素子６０が搭載され、パワーモジュール１１０が構成される。
図１に示す第１実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａは、第１セラミックス基板１１の一方の面に間隔をあけて複数の回路層１２を接合するとともに、その第１セラミックス基板１１の他方の面に一枚の放熱層１３を接合してなるパワーモジュール用基板１０と、ヒートシンク５０とが積層されており、そのヒートシンク５０の一方の面に第２セラミックス基板２１を有する連結基板２０Ａを介してパワーモジュール用基板１０が接合され、ヒートシンク５０の他方の面に第３セラミックス基板３１を有する裏側基板３０Ａが接合された構成とされる。
そして、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａの各回路層１２の表面に半導体素子６０が搭載され、パワーモジュール１１０が構成される。
パワーモジュール用基板１０を構成する第１セラミックス基板１１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用いることができ、厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。
回路層１２は、純アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板を第１セラミックス基板１１に接合することにより形成される。本実施形態においては、例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内に設定された金属板が用いられ、この金属板を２枚並べて第１セラミックス基板１１にろう付けすることにより形成されている。
放熱層１３は、純アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板を第１セラミックス基板１１に接合することにより形成される。本実施形態においては、例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内に設定された金属板が用いられ、この金属板を第１セラミックス基板１１にろう付けすることにより形成されている。この放熱層１３の面積は、図１に示す例では、回路層１２の２倍以上となるように大きく形成される。
連結基板２０Ａは、ヒートシンク５０と接合される純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる連結側緩衝層２２と、第１セラミックス基板１１と同様の部材からなる第２セラミックス基板２１と、放熱層１３と接合される純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる配線層２３とを積層して形成される。また、連結側緩衝層２２及び配線層２３には、例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内に設定された金属板が用いられ、これら金属板をそれぞれ第２セラミックス基板２１にろう付けすることにより形成されている。
また、配線層２３には、外部配線６５が接続可能な接続部２３ａが形成されており、配線部材として構成される。具体的には、配線層２３は、第１セラミックス基板１１の外形よりも大きく形成されており、その第１セラミックス基板１１の外形よりも延出した部分により、接続部２３ａが形成される。このように、接続部２３ａを第１セラミックス基板１１よりも外方位置に配置することで、接続作業を容易に行うことができるので、作業性を向上させることができる。
また、配線層２３には、外部配線６５が接続可能な接続部２３ａが形成されており、配線部材として構成される。具体的には、配線層２３は、第１セラミックス基板１１の外形よりも大きく形成されており、その第１セラミックス基板１１の外形よりも延出した部分により、接続部２３ａが形成される。このように、接続部２３ａを第１セラミックス基板１１よりも外方位置に配置することで、接続作業を容易に行うことができるので、作業性を向上させることができる。
裏側基板３０Ａは、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる裏面側緩衝層３２と、第１セラミックス基板１１及び第２セラミックス基板２１と同様の部材からなる第３セラミックス基板３１とを積層して形成される。また、裏面側緩衝層３２には、例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内に設定された金属板が用いられ、この金属板を第３セラミックス基板３１にろう付けすることにより形成されている。
ヒートシンク５０は、パワーモジュール１１０の熱を放散するためのものであり、例えばアルミニウム合金（Ａ３００３、Ａ６０６３合金等）からなり、本実施形態では、水等の冷却媒体が流通するボックス状に形成されるが、形状は特に限定されるものではない。本実施形態のヒートシンク５０は、連結基板２０Ａが接合される天板部５１と、裏側基板３０Ａが接合される底板部５２とを有する構成とされ、天板部５１に厚み方向に沿って形成された複数の仕切り壁５３が、内部の空間を区画することにより、冷却媒体が流通する複数の流路５４が形成されている。
そして、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａの回路層１２の表面に、半導体素子６０がはんだ付けされて、パワーモジュール１１０となる。
なお、必要とされる機能に応じてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子６０が選択される。そして、半導体素子６０を接合するはんだ材は、例えばＳｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされる。
なお、必要とされる機能に応じてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子６０が選択される。そして、半導体素子６０を接合するはんだ材は、例えばＳｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされる。
次に、このような構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａ及びパワーモジュール１１０を製造する方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、パワーモジュール用基板１０と連結基板２０Ａとが積層された積層体Ｓと、ヒートシンク５０と、第３セラミックス基板３１と裏面側緩衝層３２とが積層された裏側基板３０Ａとを用意する。
積層体Ｓは、例えば、パワーモジュール用基板１０を構成する第１セラミックス基板１１の一方の面にろう材を介して回路層１２となる金属板を積層し、さらに他方の面にろう材を介して放熱層１３となる金属板を積層するとともに、この放熱層１３にろう材を介して連結基板２０Ａを構成する配線層２３となる金属板を積層し、さらに配線層２３にろう材を介して第２セラミックス基板２１を積層し、この第２セラミックス基板２１にろう材を介して連結側緩衝層２２となる金属板を積層して、これらを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で接合温度に加熱することにより、各層をろう付け接合して形成される。
まず、図２（ａ）に示すように、パワーモジュール用基板１０と連結基板２０Ａとが積層された積層体Ｓと、ヒートシンク５０と、第３セラミックス基板３１と裏面側緩衝層３２とが積層された裏側基板３０Ａとを用意する。
積層体Ｓは、例えば、パワーモジュール用基板１０を構成する第１セラミックス基板１１の一方の面にろう材を介して回路層１２となる金属板を積層し、さらに他方の面にろう材を介して放熱層１３となる金属板を積層するとともに、この放熱層１３にろう材を介して連結基板２０Ａを構成する配線層２３となる金属板を積層し、さらに配線層２３にろう材を介して第２セラミックス基板２１を積層し、この第２セラミックス基板２１にろう材を介して連結側緩衝層２２となる金属板を積層して、これらを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で接合温度に加熱することにより、各層をろう付け接合して形成される。
これら各層を接合するろう材は、Ａｌ‐Ｓｉ系等の合金の箔の形態で用いるとよい。また、ろう付け接合時の加圧力としては、例えば０．１ＭＰａ以上４．３ＭＰａ以下、接合温度としては６１０℃以上６５０℃以下、加熱時間としては１分以上６０分以下とされる。
また、裏側基板３０Ａは、例えば、第３セラミックス基板３１にろう材を介して裏面側緩衝層３２となる金属板を積層し、これらを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で接合温度に加熱することにより、ろう付け接合されて形成される。ろう材は、Ａｌ‐Ｓｉ系等の合金の箔の形態で用いるとよく、ろう付け接合時の加圧力としては、例えば０．１ＭＰａ以上４．３ＭＰａ以下、接合温度としては６１０℃以上６５０℃以下、加熱時間としては１分以上６０分以下とされる。
そして、このようにして形成した積層体Ｓと裏側基板３０Ａをヒートシンク５０に接合し、図２（ｂ）に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａを製造する。
この接合には、Ａｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ箔、Ａｌ‐Ｃｕ‐Ｍｇ箔やＡｌ‐Ｇｅ‐Ｃｕ‐Ｓｉ‐Ｍｇ箔等のＭｇ含有Ａｌ系ろう材箔を用いることができる。また、アルミニウム合金（例えばＡ３００３合金）の芯材の両面にＭｇ含有ろう材が設けられた両面クラッド材を用いることもできる。
このようなろう材４１を、積層体Ｓの連結側緩衝層２２とヒートシンク５０の天板部５１との間、ヒートシンク５０の底板部５２と裏面側緩衝層３２との間に、それぞれ介在させて積層し、積層方向に加圧した状態で、窒素雰囲気又はアルゴン雰囲気下で加熱することによりろう付け接合する。加圧力としては、例えば０．００１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下とされ、接合温度としては５８０℃以上６３０℃以下とされる。
この接合には、Ａｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ箔、Ａｌ‐Ｃｕ‐Ｍｇ箔やＡｌ‐Ｇｅ‐Ｃｕ‐Ｓｉ‐Ｍｇ箔等のＭｇ含有Ａｌ系ろう材箔を用いることができる。また、アルミニウム合金（例えばＡ３００３合金）の芯材の両面にＭｇ含有ろう材が設けられた両面クラッド材を用いることもできる。
このようなろう材４１を、積層体Ｓの連結側緩衝層２２とヒートシンク５０の天板部５１との間、ヒートシンク５０の底板部５２と裏面側緩衝層３２との間に、それぞれ介在させて積層し、積層方向に加圧した状態で、窒素雰囲気又はアルゴン雰囲気下で加熱することによりろう付け接合する。加圧力としては、例えば０．００１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下とされ、接合温度としては５８０℃以上６３０℃以下とされる。
このようにして製造されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａには、図１に示すように、回路層１２の上面に半導体素子６０が搭載され、パワーモジュール１１０が製造される。
上記のようにして製造されるパワーモジュール１１０において、ヒートシンク５０に積層されるパワーモジュール用基板１０は、複数の回路層１２を第１セラミックス基板１１上に間隔をあけて接合することにより回路パターンを形成しているので、基板の高集積化を図ることができる。また、このようなパワーモジュール用基板１０を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａにおいて、ヒートシンク５０を基準とした略対称の構造を形成することなく、ヒートシンク５０の一方の面に第２セラミックス基板２１を有する連結基板２０Ａを介してパワーモジュール用基板１０を接合するとともに、ヒートシンク５０の他方の面に第３セラミックス基板３１を有する裏側基板３０Ａを接合することにより、すなわち、ヒートシンク５０の両面にそれぞれ線膨張係数が比較的小さなセラミックス基板（第２セラミックス基板２１及び第３セラミックス基板３１）を有する基板を接合することにより、ヒートシンク５０に生じる反り等を低減することとしている。したがって、複数の回路層１２により回路パターンを形成した場合においても、第１セラミックス基板１１に生じる割れを防止でき、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００の接合信頼性を高めることができる。
また、第１実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａにおいては、連結基板２０Ａ及び裏側基板３０Ａに、それぞれ連結側緩衝層２２及び裏面側緩衝層３２が備えられているので、連結基板２０Ａの第２セラミックス基板２１及び裏側基板３０Ａの第３セラミックス基板３１と、ヒートシンク５０との間の伸縮差を緩和することができる。これにより、これら第２セラミックス基板２１と第３セラミックス基板３１とに生じる割れの発生を防止することができ、ヒートシンク５０に生じる反りを確実に低減することができる。したがって、より確実に第１セラミックス基板１１の割れの発生を防止することができる。
また、第１実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａのように、連結基板２０Ａに配線層２３を備える構成とし、配線層２３に外部配線６５が接続可能な接続部２３ａを形成し、配線層２３を配線基板として構成することで、より高集積化を図ることができる。
また、第１実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ａのように、連結基板２０Ａに配線層２３を備える構成とし、配線層２３に外部配線６５が接続可能な接続部２３ａを形成し、配線層２３を配線基板として構成することで、より高集積化を図ることができる。
なお、本発明は上記第１実施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、連結基板と裏側基板との組み合わせを、図３から図５に示すように構成した各実施形態とすることができる。
例えば、連結基板と裏側基板との組み合わせを、図３から図５に示すように構成した各実施形態とすることができる。
図３に示す第２実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ｂは、連結基板２０Ｂが第２セラミックス基板２１と配線層２３とを積層して形成され、裏側基板３０Ｂが第３セラミックス基板３１により構成される。
また、図４に示す第３実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ｃは、連結基板２０Ｃが、第１実施形態の連結基板２０Ａと同様に、連結側緩衝層２２と、第２セラミックス基板２１と、配線層２３とを積層して形成され、裏側基板３０Ｃが、第２実施形態と同様に、第３セラミックス基板３１により構成される。
さらに、図５に示す第４実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ｄにあっては、連結基板２０Ｄが、第１実施形態の連結基板２０Ａと同様に、連結側緩衝層２２と、第２セラミックス基板２１と、配線層２３とを積層して形成されるが、裏側基板３０Ｄが、裏面側緩衝層３２と、第３セラミックス基板３１と、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる接続側金属層３３とを積層して形成される。
また、図４に示す第３実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ｃは、連結基板２０Ｃが、第１実施形態の連結基板２０Ａと同様に、連結側緩衝層２２と、第２セラミックス基板２１と、配線層２３とを積層して形成され、裏側基板３０Ｃが、第２実施形態と同様に、第３セラミックス基板３１により構成される。
さらに、図５に示す第４実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００Ｄにあっては、連結基板２０Ｄが、第１実施形態の連結基板２０Ａと同様に、連結側緩衝層２２と、第２セラミックス基板２１と、配線層２３とを積層して形成されるが、裏側基板３０Ｄが、裏面側緩衝層３２と、第３セラミックス基板３１と、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる接続側金属層３３とを積層して形成される。
なお、上記実施形態において、回路層１２、放熱層１３、連結側緩衝層２２、配線層２３及び裏面側緩衝層３２に、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）を用いたが、これに限らず、純度９９．９質量％以上のアルミニウム（３Ｎアルミニウム）や純度９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）等の純アルミニウム、Ａ３００３等のアルミニウム合金を用いることもできる。
また、上記実施形態では、第１セラミックス基板１１、第２セラミックス基板２１及び第３セラミックス基板３１とを、同じ部材からなるセラミックス基板としたが、これに限らず、それぞれのセラミックス基板が異なる部材から構成されていてもよい。
また、上記実施形態では、第１セラミックス基板１１、第２セラミックス基板２１及び第３セラミックス基板３１とを、同じ部材からなるセラミックス基板としたが、これに限らず、それぞれのセラミックス基板が異なる部材から構成されていてもよい。
以上の各実施形態のように、連結基板と裏側基板とをいずれの組合せで構成した場合においても、ヒートシンク５０の一方の面に第２セラミックス基板２１を有する連結基板２０Ａ〜２０Ｃを介してパワーモジュール用基板１０を接合するとともに、ヒートシンク５０の他方の面に第３セラミックス基板３１を有する裏側基板３０Ａ〜３０Ｃを有する基板を接合することにより、ヒートシンク５０を基準とした略対称の構造を形成することなく、ヒートシンク５０に生じる反り等を低減することができる。したがって、複数の回路層１２により回路パターンを形成した場合においても、パワーモジュール用基板１０の第１セラミックス基板１１に生じる割れを防止でき、ヒートシンク付パワーモジュール基板１００Ａ〜１００Ｃの接合信頼性を高めることができ、長期的に信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。
１０ パワーモジュール用基板
１１ 第１セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 放熱層
２０Ａ〜２０Ｃ 連結基板
２１ 第２セラミックス基板
２２ 連結側緩衝層
２３ 配線層
２３ａ 接続部
３０Ａ〜３０Ｃ 裏側基板
３１ 第３セラミックス基板
３２ 裏面側緩衝層
３３ 接続側金属層
４１ ろう材
５０ ヒートシンク
５１ 天板部
５２ 底板部
５３ 仕切り壁
５４ 流路
６０ 半導体素子
１００Ａ〜１００Ｃ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１０ パワーモジュール
１１ 第１セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 放熱層
２０Ａ〜２０Ｃ 連結基板
２１ 第２セラミックス基板
２２ 連結側緩衝層
２３ 配線層
２３ａ 接続部
３０Ａ〜３０Ｃ 裏側基板
３１ 第３セラミックス基板
３２ 裏面側緩衝層
３３ 接続側金属層
４１ ろう材
５０ ヒートシンク
５１ 天板部
５２ 底板部
５３ 仕切り壁
５４ 流路
６０ 半導体素子
１００Ａ〜１００Ｃ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１０ パワーモジュール
Claims (4)
- 第１セラミックス基板の一方の面に間隔をあけて複数の回路層を接合するとともに該第１セラミックス基板の他方の面に一枚の放熱層を接合してなるパワーモジュール用基板と、ヒートシンクとを積層したヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記ヒートシンクの一方の面に第２セラミックス基板を有する連結基板を介して前記パワーモジュール用基板が接合され、前記ヒートシンクの他方の面に第３セラミックス基板を有する裏側基板が接合されてなり、
前記連結基板は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる連結側緩衝層と前記第２セラミックス基板とを積層して形成され、前記連結側緩衝層と前記ヒートシンクとが接合されているヒートシンク付パワーモジュール用基板。 - 前記連結基板には、前記第２セラミックス基板に接合され、外部配線が接続可能な配線層が設けられており、前記配線層と前記放熱層とが接合されている請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 前記裏側基板は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる裏面側緩衝層と前記第３セラミックス基板とを積層して形成され、前記裏面側緩衝層と前記ヒートシンクとが接合されている請求項１又は２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 請求項１から３のいずれか一項に記載の前記ヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層の表面上に搭載された半導体素子とを備えるパワーモジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015046038A JP6681660B2 (ja) | 2015-03-09 | 2015-03-09 | ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015046038A JP6681660B2 (ja) | 2015-03-09 | 2015-03-09 | ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2016167502A JP2016167502A (ja) | 2016-09-15 |
| JP6681660B2 true JP6681660B2 (ja) | 2020-04-15 |
Family
ID=56897630
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015046038A Expired - Fee Related JP6681660B2 (ja) | 2015-03-09 | 2015-03-09 | ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6681660B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3780084A4 (en) | 2018-03-27 | 2021-12-29 | Mitsubishi Materials Corporation | Insulated circuit board with heat sink |
| KR20200138302A (ko) * | 2018-03-28 | 2020-12-09 | 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 | 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판 |
| CN109326586A (zh) * | 2018-08-24 | 2019-02-12 | 中国电子科技集团公司第二十九研究所 | 一种电源控制模块及其制造方法 |
| CN112349663B (zh) * | 2020-10-16 | 2022-09-16 | 正海集团有限公司 | 用于功率半导体模块的双层散热结构 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002076214A (ja) * | 2000-08-28 | 2002-03-15 | Toshiba Corp | 絶縁基板、その製造方法、およびそれを用いた半導体装置 |
| JP4951932B2 (ja) * | 2004-10-25 | 2012-06-13 | 三菱マテリアル株式会社 | パワーモジュール用基板の製造方法 |
| JP2006294971A (ja) * | 2005-04-13 | 2006-10-26 | Toyota Industries Corp | パワーモジュール用基板及びその製造方法 |
| JP4371151B2 (ja) * | 2007-05-28 | 2009-11-25 | 日立金属株式会社 | 半導体パワーモジュール |
| JP5515947B2 (ja) * | 2010-03-29 | 2014-06-11 | 株式会社豊田自動織機 | 冷却装置 |
| JP5392272B2 (ja) * | 2011-01-13 | 2014-01-22 | 株式会社豊田自動織機 | 両面基板、半導体装置、半導体装置の製造方法 |
| JP5801684B2 (ja) * | 2011-10-20 | 2015-10-28 | 昭和電工株式会社 | 電子素子搭載用基板 |
-
2015
- 2015-03-09 JP JP2015046038A patent/JP6681660B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2016167502A (ja) | 2016-09-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI649840B (zh) | 功率模組用基板單元及功率模組 | |
| KR101188150B1 (ko) | 냉각 장치 | |
| KR102387210B1 (ko) | 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈 | |
| JP5392272B2 (ja) | 両面基板、半導体装置、半導体装置の製造方法 | |
| KR102152668B1 (ko) | 반도체 장치 | |
| JP6417834B2 (ja) | 冷却器付パワーモジュール用基板及び冷却器付パワーモジュール用基板の製造方法 | |
| JP2016181549A (ja) | ヒートシンク付きパワーモジュール用基板 | |
| JP6681660B2 (ja) | ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール | |
| US20200075455A1 (en) | Circuit Cooled on Two Sides | |
| JP6638284B2 (ja) | 放熱板付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール | |
| JP6468028B2 (ja) | 放熱板付パワーモジュール用基板 | |
| KR20180059778A (ko) | 발광 모듈용 기판, 발광 모듈, 냉각기가 형성된 발광 모듈용 기판, 및 발광 모듈용 기판의 제조 방법 | |
| JP6503796B2 (ja) | ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール | |
| JPWO2016158020A1 (ja) | 半導体モジュール | |
| JP6435711B2 (ja) | 放熱板付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール | |
| US20180019180A1 (en) | Semiconductor module and power converter | |
| JP2009059821A (ja) | 半導体装置 | |
| JP2007081200A (ja) | 冷却シンク部付き絶縁回路基板 | |
| US20230028429A1 (en) | Metal ceramic substrate and method for manufacturing such metal ceramic substrate | |
| JP2008306134A (ja) | 半導体モジュール | |
| JP2014160763A (ja) | 絶縁基板 | |
| JP6118583B2 (ja) | 絶縁基板 | |
| KR102541854B1 (ko) | 양측들에서 냉각되는 회로 | |
| JP2000269392A (ja) | 半導体モジュール及び放熱用絶縁板 | |
| JP2018531516A6 (ja) | 二面冷却式回路 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170929 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20180618 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180703 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20181218 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190315 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20190409 |
|
| A912 | Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 Effective date: 20190531 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20200324 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6681660 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |