JP2004207619A

JP2004207619A - パワーモジュール用基板及びパワーモジュール

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Publication number: JP2004207619A
Application number: JP2002377387A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Nagatomo; 義幸長友; Toshiyuki Nagase; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】絶縁性基板及び放熱体の双方に熱膨張係数差があっても、反りを低減でき、しかも熱伝達率が低下するのを抑制できること。
【解決手段】放熱体１６が、放熱体本体１７と低熱膨張材１８とを接合させて多層構造に形成される。放熱体本体１７は、例えばＡｌ、Ｃｕ等のような熱伝導率の良好な高熱伝導材によって形成される。低熱膨張材１８は、放熱体本体１７に積層することで、放熱体１６全体の熱膨張係数と絶縁基板１１の熱膨張係数との差を可及的に近づけるためのものであり、絶縁基板１１がＡｌＮで、放熱体本体１７がＡｌのとき、例えば高炭素鋼（Ｆｅ−Ｃ）からなっている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板に係り、特に半導体チップの発熱体から発生する熱を放散させる放熱体を有する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。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のパワーモジュール用基板にあっては、図５に示すように、酸化アルミニウム焼結体からなる絶縁基板１の両面に、Ｃｕからなる回路層２、金属層３がそれぞれ積層されている。回路層２には、半導体チップ１００を搭載するための回路パターンが形成されている。
【０００３】
そして、絶縁基板１の金属層３にはんだ４、或いはろう付け等によって放熱体５が接合されている。この放熱体５は、下方が例えば冷却シンク部（図示せず）に取り付けられて使用されたとき、該冷却シンク部内の冷却水（若しくは冷却空気）が放熱体５に伝達される熱を外部に放熱させ、これによって、回路層２に搭載された半導体チップ１００の熱が回路層２、絶縁基板１、金属層３、はんだ４、放熱体５を介して伝達されることで、良好な熱伝達が得られるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−１２５５４号公報（第１−３頁、第１図、第２図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記に示す従来のパワーモジュール用基板は、絶縁基板１と放熱体５との熱膨張係数が互いに異なるので、両者１、５がはんだ４によって接合された後、冷却して常温に戻すと、絶縁基板１の熱膨張係数が小さく、放熱体５の収縮寸法が大きいことから、図６に示すように、放熱体５が絶縁基板１側に向けて凸状に反ってしまう現象が起こる。放熱体５に絶縁基板１側に向かう反りが発生すると、放熱体５が図６の鎖線に示す冷却シンク部６に取り付けられたとき、放熱体５と冷却シンク部６間に隙間が生じてしまうので、熱伝達の低下をきたし、そのため、発熱量の大きい半導体チップを用いた場合、熱により半導体チップ１００が機能しなくなるという問題があった。
【０００６】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差を少なくして反りを低減でき、しかも熱伝達率が低下するのを抑制できる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にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に接合される放熱体とを備えたパワーモジュール用基板において、前記放熱体は、高熱伝導材からなる放熱体本体と、該放熱体本体の熱膨張係数より低い低熱膨張材とを複数接合させて多層構造としたことを特徴とする。
【０００８】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、放熱体が、放熱体本体と低熱膨張材とを互いに積層して多層に形成されると、放熱体全体としての熱膨張係数を確実に下げることができるので、絶縁基板と放熱体全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができ、そのため、絶縁基板と放熱体とをはんだ等によって接合した場合、放熱体に絶縁基板に向かう反りが発生するのを確実に低減することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１記載のパワーモジュール用基板において、前記放熱体は、放熱体本体と低熱膨張材とが互い違いに接合されて、計５〜７枚の多層構造としたことを特徴とする。
【００１０】
この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、放熱体本体と、低熱膨張材とを５〜７枚接合した多層構造に形成されるので、反りの抑制をいっそう的確に行うことができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載の絶縁基板上にチップを搭載してなることを特徴とする。
この発明に係るパワーモジュールによれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差を可及的に小さくでき、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝導率を有するパワーモジュールが得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
＜第一の実施形態＞
図１及び図２はこの発明の第一の実施の形態に係るパワーモジュール及びパワーモジュール用基板を示す図であって、図１はパワーモジュールの全体図、図２は放熱体の破断拡大図である。
この実施形態のパワーモジュールＰにおいて、パワーモジュール用基板１０は、大別すると図１に示すように、絶縁基板１１と、放熱体１６とを備える。
絶縁基板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等により所望の大きさに形成され、その上面及び下面に回路層１２及び金属層１３がそれぞれ積層して接合される。回路層１２及び金属層１３は、Ａｌ、Ｃｕ等により形成されている。
【００１３】
絶縁基板１１の回路層１２上にはんだ１４によって半導体チップ３０が搭載される一方、金属層１３の下面にはんだ１５によって、或いはろう付けや拡散接合等によって放熱体１６が直接接合され、更に、この放熱体１６が冷却シンク部２０に取り付けられて使用され、該冷却シンク部２０内の冷却水（或いは冷却空気）２１によって放熱体１６に伝達される熱が外部に放熱されるようになっている。放熱体１６は、冷却シンク部２０に取付ねじ２２によって密着した状態で取り付けられる。
【００１４】
この実施形態は、放熱体１６が、放熱体本体１７と低熱膨張材１８とを複数接合させて多層構造に形成されている。
放熱体本体１７は、例えばＡｌ、Ｃｕ等のような熱伝導率の良好な材質、いわゆる高熱伝導材によって形成されている。高熱伝導材としては、熱伝導率が例えば１８０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは２００Ｗ／ｍＫ以上のものである。
一方、低熱膨張材１８は、放熱体本体１７に積層することで、放熱体１６全体の熱膨張係数と絶縁基板１１の熱膨張係数との差を可及的に近づけるためのものであり、熱膨張係数が例えば１０ｐｐｍ／℃以下、好ましくは７ｐｐｍ／℃以下であり、本例では絶縁基板１１がＡｌＮで、放熱体本体１７がＡｌのとき、例えば高炭素鋼（Ｆｅ−Ｃ）からなっている。
【００１５】
上記の材質からなる低熱膨張材１８は、図１及び図２に示すように、放熱体本体１７と１７との間に接合されている。従って、放熱体１６が二枚の放熱体本体１７と一枚の低熱膨張材１８との三層構造であって、絶縁基板１１側と冷却シンク部２０側とに放熱体本体１７が配置されている。
なお、図２において、符号１９は、放熱体１６に穿設された取付ねじ２２の挿通孔である。
【００１６】
このように、パワーモジュール用基板１０を構成する放熱体１６が、放熱体本体１７と低熱膨張材１８とを互いに積層して多層に形成すると、放熱体１６全体としての熱膨張係数を確実に下げることができるので、絶縁基板１１と放熱体１６全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができる。
そのため、絶縁基板１１と放熱体１６とをはんだ１５（若しくはろう付けや拡散接合等）によって接合した場合、放熱体１６に従来のように絶縁基板１１に向かう反りが発生するのを確実に低減することができるので、放熱体１６を冷却シンク部２０に取り付けても、冷却シンク部２０と放熱体１６との間に隙間が発生するのを防止することができる。
【００１７】
しかも、低熱膨張材１８が金属であってかつ相応の熱伝導率を有しているので、絶縁基板１１上の半導体チップ３０からの発熱が、回路層１２、絶縁基板１１、金属層１３、はんだ１５、放熱体１６及び冷却シンク部２０を介して外部に放熱される結果、熱伝達率が低下するのを抑制することもできる。
その結果、絶縁基板１１と放熱体１６との材質の膨張係数に差があっても、反りの抑制と熱伝達率の低下の抑制とを両立させた、良好なパワーモジュール基板１０を得ることができる。
【００１８】
また、放熱体１６が、二層からなる放熱体本体１７、１７の間に低熱膨張材１８が挟まれた状態で接合されているので、つまり、放熱体１６において絶縁基板１１側と冷却シンク部２０側との層に放熱体本体１７がそれぞれ配置して形成されているので、絶縁基板１１からの熱を良好に受けると共に、その熱を冷却シンク部２０に対して良好に伝達させることができ、これによって、放熱体１６本来の放熱効果を的確に果たすことができる。
【００１９】
＜第２の実施形態＞
図３は、この発明の第２の実施の形態に係るパワーモジュール用基板の放熱体を示している。この実施形態では、低熱膨張材１８として、インバー合金を用いている。そして、この低熱膨張材１８と、Ａｌからなる高熱伝導材としての放熱体本体１７とが、図３に示すように下方に順次互い違いに接合されることで、六層構造の放熱体１６が形成されている。絶縁基板は、ＡｌＮからなっている。
【００２０】
なお、インバー合金とは、室温付近でほとんど熱膨張が生じない合金であって、Ｆｅが６４．６ｍｏｌ％で、Ｎｉが３５．４ｍｏｌ％の組成率となっている。但し、Ｆｅ中には、それ以外の不可避不純物が含まれたものもインバー合金と呼ばれている。
【００２１】
＜第３の実施形態＞
図示しないが、この実施形態では、低熱膨張材１８として４２合金を用い、これを図３に示す第２の実施形態と同様、Ａｌからなる放熱体本体１７に互い違いに積層して六層構造とすることで、放熱体１６が形成されている。
なお、４２合金は、Ｆｅが５８ｍｏｌ％で、Ｎｉが４２ｍｏｌ％の組成率となったＦｅ系合金である。
【００２２】
＜第４の実施形態＞
図４は、この発明の第４の実施の形態に係るパワーモジュール用基板の放熱体を示している。
図４に示す実施形態では、低熱膨張材１８としてＭｏを用い、この低熱膨張材１８と、Ｃｕからなる放熱体本体１７とが互い違いに接合されることで、全体として五層構造の放熱体１６が構成されている。この場合、放熱体１６において、絶縁基板１１側の層と冷却シンク部２０側の層とにそれぞれ放熱体本体１７が配置される。
【００２３】
＜第５の実施形態＞
図示しないが、この実施形態では、低熱膨張材１８としてＷを用い、この低熱膨張材１８と、Ｃｕからなる放熱体本体１７とが互い違いに積層されることで、全体として図４のような五層構造の放熱体１６が構成される。この場合も、放熱体１６の絶縁基板１１側の層と冷却シンク部２０側の層とにそれぞれ放熱体本体１７が配置される。
上記した各実施形態及び比較例の試験結果を表１にまとめた。
【００２４】
【表１】

【００２５】
なお、表１において、「接合方法」とは、放熱体と絶縁基板との接合方法を表している。また、比較例の放熱体は、ＣｕにＭｏを分散させたものである。
【００２６】
上記表１において、第４の実施形態が比較例と対応するものであり、第４の実施形態の反り量が比較例の反り量より遙かに小さな値となっており、反り量を大幅に低減できることが明らかである。
表紙１における「反り量」とは、測定長さ２００ｍｍの範囲内で、反りが最も大きくなっている部分を測定したときの数値である。
【００２７】
なお、上記表１において、第２及び第３の実施形態の反り量が他の実施形態より大きい値となっているが、これは放熱体１６が、表に示す材質からなる六層構造であること等に起因するものである。また、これら第２及び第３の実施形態は、比較例と条件が大幅に異なるため、比較例との測定結果の比較は適切でない。
試験結果から、放熱体１６が、高熱伝導材としての放熱体本体１７と、低熱膨張材１８とを５〜７枚接合した多層構造に形成される場合にも、反りの抑制を的確に行うことができることを確認した。
【００２８】
そして、放熱体１６における放熱体本体１７の全体厚みと、低熱膨張材１８の全体厚みとは、概略的には適宜の割合に規定してもよいが、これに限らず、それぞれの厚みのみならず大きさを任意に変えたりしても良いのは勿論である。
なお、図示実施形態では、絶縁基板１１において放熱体１６側の面に金属層１３が積層された例を示したが、これに限らず、金属層１３が設けられていない絶縁基板１１を放熱体１６に直接接合しても、同様の作用効果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、放熱体が、放熱体本体と低熱膨張材とを互いに積層して多層に形成されることで、絶縁基板と放熱体全体との熱膨張係数の差を可及的に小さくできるように構成したので、放熱体に絶縁基板に向かう反りが発生するのを確実に低減することができる結果、絶縁基板と放熱体との材質の膨張係数に差があっても、反りの抑制と熱伝達率の低下の抑制とを両立させた、良好なパワーモジュール基板が得られるという効果がある。
【００３０】
請求項２に係る発明によれば、放熱体本体と、低熱膨張材とを５〜７枚接合した多層構造に形成されるので、反りの抑制をいっそう的確に行うことができるという効果が得られる。
【００３１】
請求項３に係る発明によれば、絶縁基板と放熱体との熱膨張係数の差を可及的に小さくすることができ、両者の反りを可及的に抑えつつ良好な熱伝達率を有するパワーモジュールが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第一の実施の形態に係るパワーモジュールを示す全体構成図である。
【図２】図１における放熱体の破断拡大図である。
【図３】この発明の第２の実施の形態に係るパワーモジュール用基板を示す破断拡大図である。
【図４】この発明の第４の実施の形態に係るパワーモジュール用基板の放熱体を示す破断拡大図である。
【図５】従来のパワーモジュール用基板を示す概略図である。
【図６】従来のパワーモジュール用基板に反りが発生した説明図である。
【符号の説明】
Ｐパワーモジュール
１０パワーモジュール用基板
１１絶縁基板
１６放熱体
１７放熱体本体（高熱伝導材）
１８低熱膨張材

Claims

絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に接合される放熱体とを備えたパワーモジュール用基板において、
前記放熱体は、高熱伝導材からなる放熱体本体と、該放熱体本体の熱膨張係数より低い低熱膨張材とを複数接合させて多層構造としたことを特徴とするパワーモジュール用基板。
請求項１記載のパワーモジュール用基板において、
前記放熱体は、放熱体本体と低熱膨張材とが互い違いに接合されて、計５〜７枚の多層構造としたことを特徴とするパワーモジュール用基板。
請求項１又は２記載の絶縁基板上にチップを搭載してなることを特徴とするパワーモジュール。