JPH10173109A - パワー半導体モジュール - Google Patents
パワー半導体モジュールInfo
- Publication number
- JPH10173109A JPH10173109A JP8326563A JP32656396A JPH10173109A JP H10173109 A JPH10173109 A JP H10173109A JP 8326563 A JP8326563 A JP 8326563A JP 32656396 A JP32656396 A JP 32656396A JP H10173109 A JPH10173109 A JP H10173109A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thermal expansion
- semiconductor module
- power semiconductor
- copper
- 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.)
- Pending
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
- H10W72/851—Dispositions of multiple connectors or interconnections
- H10W72/874—On different surfaces
- H10W72/884—Die-attach connectors and bond wires
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高熱伝導性を確保することができるととも
に、絶縁基板との熱膨張差の少ない信頼性の高い放熱板
を備えた新しいパワー半導体モジュールを提供する。 【解決手段】 本発明は複数の半導体チップおよび複数
の電極を搭載した絶縁基板が放熱板上に搭載されてお
り、これら放熱板上の構造物全体が封止された構造のI
GBT等のパワー半導体モジュールにおいて、前記放熱
板は、銅または銅合金の高熱伝導層と、Fe−Ni系合
金の低熱膨張層が交互に積層され、10層以上、好まし
くは50層以上の多層構造をなし、前記低熱膨張層をは
さみ込む高熱伝導層は、低熱膨張層に形成した複数の貫
通孔を介して連続するものである。
に、絶縁基板との熱膨張差の少ない信頼性の高い放熱板
を備えた新しいパワー半導体モジュールを提供する。 【解決手段】 本発明は複数の半導体チップおよび複数
の電極を搭載した絶縁基板が放熱板上に搭載されてお
り、これら放熱板上の構造物全体が封止された構造のI
GBT等のパワー半導体モジュールにおいて、前記放熱
板は、銅または銅合金の高熱伝導層と、Fe−Ni系合
金の低熱膨張層が交互に積層され、10層以上、好まし
くは50層以上の多層構造をなし、前記低熱膨張層をは
さみ込む高熱伝導層は、低熱膨張層に形成した複数の貫
通孔を介して連続するものである。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、モーター駆動装置
などに用いられるパワー半導体モジュールに関するもの
である。
などに用いられるパワー半導体モジュールに関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】パワー半導体モジュールは、IGBT素
子などの電力供給用半導体チップおよびコレクタ、エミ
ッタ、ゲート各電極をロウ付けまたは半田付けなどによ
り複数搭載した絶縁基板を放熱板上にロウ付けまたは半
田付けなどにより搭載し、これら放熱板上の構造物が樹
脂により封止され、樹脂製等のケースに覆われた構造で
ある。近年、GTOサイリスタに代わり、IGBT素子な
どを搭載したパワー半導体モジュールが用いられてい
る。これらのパワー半導体モジュールは高電圧、大電流
を高速でスイッチングする特性が要求される。パワー半
導体モジュールは上述したように回路に大電流が流れ、
高速でスイッチングを行うため、多量の発熱が生じる。
この発熱は半導体チップの性能、寿命の低下のみなら
ず、パワー半導体モジュールを構成している各部の接合
信頼性の低下を生じさせる。そのため、通常パワー半導
体モジュールには放熱板が設置される。
子などの電力供給用半導体チップおよびコレクタ、エミ
ッタ、ゲート各電極をロウ付けまたは半田付けなどによ
り複数搭載した絶縁基板を放熱板上にロウ付けまたは半
田付けなどにより搭載し、これら放熱板上の構造物が樹
脂により封止され、樹脂製等のケースに覆われた構造で
ある。近年、GTOサイリスタに代わり、IGBT素子な
どを搭載したパワー半導体モジュールが用いられてい
る。これらのパワー半導体モジュールは高電圧、大電流
を高速でスイッチングする特性が要求される。パワー半
導体モジュールは上述したように回路に大電流が流れ、
高速でスイッチングを行うため、多量の発熱が生じる。
この発熱は半導体チップの性能、寿命の低下のみなら
ず、パワー半導体モジュールを構成している各部の接合
信頼性の低下を生じさせる。そのため、通常パワー半導
体モジュールには放熱板が設置される。
【0003】放熱板を用いたパワー半導体モジュールの
構造の一例について図4を用いて説明する。放熱板8上
には、アルミナまたは窒化アルミニウムなどのセラミッ
ク製の絶縁基板9が配置され、IGBT素子などの電力
供給用半導体チップおよびコレクタ、エミッタ、ゲート
各電極をロウ付けまたは半田付けなどにより複数搭載さ
れる。半導体チップ10とコレクタ電極11の間には、
例えば半導体チップ10がシリコンであり、コレクタ電
極11がCuである場合、ロウ付け時の高温により生じる
熱応力を緩和するために熱応力緩衝板14が設けられ、
ロウ材17,18により互いに接合されている。さらに
コレクタ電極11と絶縁基板9は、ロウ材19により接
合される。またエミッタ電極12、ゲート電極13も同
じく絶縁基板上にロウ材16,20により接合される。
エミッタ電極12とゲート電極13は、半導体チップ1
0のそれぞれの領域にアルミ線21,22等により配線
される。このようにして構成された構造物を搭載した絶
縁基板9と放熱板8は、一般にロウ材15により接合さ
れる。
構造の一例について図4を用いて説明する。放熱板8上
には、アルミナまたは窒化アルミニウムなどのセラミッ
ク製の絶縁基板9が配置され、IGBT素子などの電力
供給用半導体チップおよびコレクタ、エミッタ、ゲート
各電極をロウ付けまたは半田付けなどにより複数搭載さ
れる。半導体チップ10とコレクタ電極11の間には、
例えば半導体チップ10がシリコンであり、コレクタ電
極11がCuである場合、ロウ付け時の高温により生じる
熱応力を緩和するために熱応力緩衝板14が設けられ、
ロウ材17,18により互いに接合されている。さらに
コレクタ電極11と絶縁基板9は、ロウ材19により接
合される。またエミッタ電極12、ゲート電極13も同
じく絶縁基板上にロウ材16,20により接合される。
エミッタ電極12とゲート電極13は、半導体チップ1
0のそれぞれの領域にアルミ線21,22等により配線
される。このようにして構成された構造物を搭載した絶
縁基板9と放熱板8は、一般にロウ材15により接合さ
れる。
【0004】これら放熱板8上の構造物は、たとえば樹
脂製カバー23により覆われる。カバーの底面は実質、
放熱板となる。すなわち放熱板の絶縁基板と逆側の面は
カバーに覆われない。カバーには外部電極端子24,2
5,26および制御信号用端子27を設け、絶縁基板上
のそれぞれ所定の電極とカバー内で配線される。カバー
と放熱板に囲まれた空間は、上述した絶縁基板上の搭載
物(半導体チップ、電極など)及び各種配線を保護するた
め、樹脂28が注入される。この時、樹脂のかわりにゲ
ル状のシリコン等を用いる場合もある。また放熱板に
は、必要により取付け用穴29,30を設ける場合もあ
る。
脂製カバー23により覆われる。カバーの底面は実質、
放熱板となる。すなわち放熱板の絶縁基板と逆側の面は
カバーに覆われない。カバーには外部電極端子24,2
5,26および制御信号用端子27を設け、絶縁基板上
のそれぞれ所定の電極とカバー内で配線される。カバー
と放熱板に囲まれた空間は、上述した絶縁基板上の搭載
物(半導体チップ、電極など)及び各種配線を保護するた
め、樹脂28が注入される。この時、樹脂のかわりにゲ
ル状のシリコン等を用いる場合もある。また放熱板に
は、必要により取付け用穴29,30を設ける場合もあ
る。
【0005】現在、パワー半導体モジュールの絶縁基板
には、上述したようにアルミナまたは窒化アルミニウム
などのセラミックが用いられている。よって放熱板は、
絶縁基板との接合信頼性を保持するため、これらセラミ
ック製絶縁基板との熱膨張差が小さく、かつ放熱性に優
れた高熱伝導の素材を用いることが好ましいことが知ら
れている。そのため、従来は高熱伝導性をのみ考慮し、
単純な銅板よりなる放熱板が用いられていたが、高熱伝
導性と低熱膨張性を確保するために高価なMo板、ある
いはCuとWの複合材料の使用も一部で実施されてい
る。
には、上述したようにアルミナまたは窒化アルミニウム
などのセラミックが用いられている。よって放熱板は、
絶縁基板との接合信頼性を保持するため、これらセラミ
ック製絶縁基板との熱膨張差が小さく、かつ放熱性に優
れた高熱伝導の素材を用いることが好ましいことが知ら
れている。そのため、従来は高熱伝導性をのみ考慮し、
単純な銅板よりなる放熱板が用いられていたが、高熱伝
導性と低熱膨張性を確保するために高価なMo板、ある
いはCuとWの複合材料の使用も一部で実施されてい
る。
【0006】さらに、Mo板に替わる高熱伝導、低膨張
材料として、特公平7−80272号では厚み方向に貫
通孔を有する低熱膨張金属板の両面に銅または銅合金板
を圧延一体化し、貫通孔より銅または銅合金を露出さ
せ、さらにその上に銅または銅合金板を圧延した5相構
造のヒートスプレッダ用複合材料が提案されている。こ
の構造のヒートスプレッダは、貫通孔部に充填された銅
もしくは銅合金により、単純な積層体では得られない積
層方向の高熱伝導性を確保することができ、放熱特性に
優れている。また、例えば東芝技術公開集Vol.13
−85に記載されるように、放熱板の絶縁基板との接合
面側に低熱膨張材料を格子状もしくは網目状に配置し
て、低熱膨張特性と高熱伝導特性を両立しようとする試
みがなされている
材料として、特公平7−80272号では厚み方向に貫
通孔を有する低熱膨張金属板の両面に銅または銅合金板
を圧延一体化し、貫通孔より銅または銅合金を露出さ
せ、さらにその上に銅または銅合金板を圧延した5相構
造のヒートスプレッダ用複合材料が提案されている。こ
の構造のヒートスプレッダは、貫通孔部に充填された銅
もしくは銅合金により、単純な積層体では得られない積
層方向の高熱伝導性を確保することができ、放熱特性に
優れている。また、例えば東芝技術公開集Vol.13
−85に記載されるように、放熱板の絶縁基板との接合
面側に低熱膨張材料を格子状もしくは網目状に配置し
て、低熱膨張特性と高熱伝導特性を両立しようとする試
みがなされている
【0007】
【発明が解決しようとする課題】単純な銅板よりなる放
熱板を用いた場合、前述したセラミック製絶縁基板と銅
板との熱膨張差が大きいことから、ロウ付けまたは半田
付け加熱後に放熱板の反り(絶縁基板との接合面側が膨
張した状態での固着)が生じる。このようなパワー半導
体モジュールをモーター駆動装置などに装着使用した場
合、放熱板の反りによって取り付け部に空隙が生じ、熱
伝導性を低下させ、パワー半導体モジュール全体の放熱
性が低下する。また、パワー半導体モジュール稼働中の
温度変化により、前記熱膨張差から絶縁基板と放熱板接
合部のロウまたは半田において熱疲労が生じ、接合信頼
性が著しく低下する。
熱板を用いた場合、前述したセラミック製絶縁基板と銅
板との熱膨張差が大きいことから、ロウ付けまたは半田
付け加熱後に放熱板の反り(絶縁基板との接合面側が膨
張した状態での固着)が生じる。このようなパワー半導
体モジュールをモーター駆動装置などに装着使用した場
合、放熱板の反りによって取り付け部に空隙が生じ、熱
伝導性を低下させ、パワー半導体モジュール全体の放熱
性が低下する。また、パワー半導体モジュール稼働中の
温度変化により、前記熱膨張差から絶縁基板と放熱板接
合部のロウまたは半田において熱疲労が生じ、接合信頼
性が著しく低下する。
【0008】一方、上述した東芝技術公開集Vol.1
3−85に記載された放熱板は、銅製放熱板の絶縁基板
との接合面側または両面に、低熱膨張材料(42アロイ
またはモリブデン)を格子状もしくは網目状に配置し
て、セラミック製絶縁基板との熱膨張差を低減し、低熱
膨張特性と高熱伝導特性を両立しようとするものであ
る。しかし、本発明者等の検討によれば、上記東芝技術
公開集Vol.13−85に記載された放熱板は、低熱
膨張層の厚みが放熱板全体の厚みの高々20%以内であ
り、絶縁基板側端面からの加熱により、均一に放熱板の
膨張が抑えられず反りが生じやすいという問題が生じ
る。
3−85に記載された放熱板は、銅製放熱板の絶縁基板
との接合面側または両面に、低熱膨張材料(42アロイ
またはモリブデン)を格子状もしくは網目状に配置し
て、セラミック製絶縁基板との熱膨張差を低減し、低熱
膨張特性と高熱伝導特性を両立しようとするものであ
る。しかし、本発明者等の検討によれば、上記東芝技術
公開集Vol.13−85に記載された放熱板は、低熱
膨張層の厚みが放熱板全体の厚みの高々20%以内であ
り、絶縁基板側端面からの加熱により、均一に放熱板の
膨張が抑えられず反りが生じやすいという問題が生じ
る。
【0009】また、上記構造の放熱板は、低熱膨張材料
と銅製放熱板の接合方法にロウ付けまたは半田付けを用
いているため、これらの接合界面におけるロウまたは半
田の熱疲労の問題が新たに生じる場合があり、パワー半
導体モジュール用の放熱板としてはなお不十分であっ
た。また、Mo板を放熱板として使用する場合、絶縁基
板との熱膨張差は押さえられるが、熱伝導率は銅に比べ
て低く、放熱性に問題がある。また、Mo板は高価であ
り、パワー半導体モジュール全体としてのコストを高く
する。
と銅製放熱板の接合方法にロウ付けまたは半田付けを用
いているため、これらの接合界面におけるロウまたは半
田の熱疲労の問題が新たに生じる場合があり、パワー半
導体モジュール用の放熱板としてはなお不十分であっ
た。また、Mo板を放熱板として使用する場合、絶縁基
板との熱膨張差は押さえられるが、熱伝導率は銅に比べ
て低く、放熱性に問題がある。また、Mo板は高価であ
り、パワー半導体モジュール全体としてのコストを高く
する。
【0010】また、本発明者等の検討によれば、特公平
7−80272号等に記載された厚み方向に貫通孔を有
する低熱膨張金属板の両面に銅または銅合金板を圧延一
体化複合材料は、高々5層構造であって、各層の熱膨張
特性の違いにより、端面の加熱により、反りを生じやす
いという問題があり、さらに、特公平7−80272号
に記載された製造方法は、冷間圧延によるものであり、
積層後に拡散焼鈍を適用しても層間に形成される拡散層
が薄く、一部未圧着部が発生する場合があり、接合信頼
性という点で必ずしも優れたものとは言えないものであ
った。本発明は、上述した問題点に鑑み、高熱伝導性を
確保することができるとともに、絶縁基板との熱膨張差
の少ない信頼性の高い放熱板を備えた新しいパワー半導
体モジュールを提供することを目的とする。
7−80272号等に記載された厚み方向に貫通孔を有
する低熱膨張金属板の両面に銅または銅合金板を圧延一
体化複合材料は、高々5層構造であって、各層の熱膨張
特性の違いにより、端面の加熱により、反りを生じやす
いという問題があり、さらに、特公平7−80272号
に記載された製造方法は、冷間圧延によるものであり、
積層後に拡散焼鈍を適用しても層間に形成される拡散層
が薄く、一部未圧着部が発生する場合があり、接合信頼
性という点で必ずしも優れたものとは言えないものであ
った。本発明は、上述した問題点に鑑み、高熱伝導性を
確保することができるとともに、絶縁基板との熱膨張差
の少ない信頼性の高い放熱板を備えた新しいパワー半導
体モジュールを提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明者は、パワー半導
体モジュールにおいて、絶縁基板と放熱板における熱膨
張特性の違いを防止すべく検討を行なった。そして、熱
間で加圧接合する方法を採用することによって、複数の
貫通孔を形成したFe−Ni系合金層と銅または銅合金
層を複合して10層以上の多層構造とするとともに、前
記複数の貫通孔に上述した銅または銅合金層が充填され
た構造とすることが可能となることを見いだした。そし
て、この10層以上とした多層構造により、反りの問題
を解消するとともに絶縁基板との熱膨張特性の違いを低
減できることを見出し本発明に到達した。
体モジュールにおいて、絶縁基板と放熱板における熱膨
張特性の違いを防止すべく検討を行なった。そして、熱
間で加圧接合する方法を採用することによって、複数の
貫通孔を形成したFe−Ni系合金層と銅または銅合金
層を複合して10層以上の多層構造とするとともに、前
記複数の貫通孔に上述した銅または銅合金層が充填され
た構造とすることが可能となることを見いだした。そし
て、この10層以上とした多層構造により、反りの問題
を解消するとともに絶縁基板との熱膨張特性の違いを低
減できることを見出し本発明に到達した。
【0012】すなわち、本発明は複数の半導体チップお
よび複数の電極を搭載した絶縁基板が放熱板上に搭載さ
れており、これら放熱板上の構造物が封止された構造の
パワー半導体モジュールにおいて、前記放熱板は、銅ま
たは銅合金の高熱伝導層と、Fe−Ni系合金の低熱膨
張層が交互に積層され、10層以上の多層構造をなし、
前記低熱膨張層をはさみ込む高熱伝導層は、低熱膨張層
に形成した複数の貫通孔を介して連続するパワー半導体
モジュールである。上記放熱板は、好ましくは50層以
上の多層構造を形成する。
よび複数の電極を搭載した絶縁基板が放熱板上に搭載さ
れており、これら放熱板上の構造物が封止された構造の
パワー半導体モジュールにおいて、前記放熱板は、銅ま
たは銅合金の高熱伝導層と、Fe−Ni系合金の低熱膨
張層が交互に積層され、10層以上の多層構造をなし、
前記低熱膨張層をはさみ込む高熱伝導層は、低熱膨張層
に形成した複数の貫通孔を介して連続するパワー半導体
モジュールである。上記放熱板は、好ましくは50層以
上の多層構造を形成する。
【0013】上述した本発明の放熱板は、例えば銅また
は銅合金の薄板と、複数の貫通孔を形成したFe−Ni
系合金薄板を交互に積層して、缶体に充填した後、10
マイナス3乗Torr以下に減圧してから封止し、つい
で700〜1050℃の温度範囲において100MPa
以上に加圧して接合処理を行ない、前記貫通孔内に銅ま
たは銅合金を充填するとともに拡散接合し、次いで熱間
圧延および冷間圧延により所定の板厚に仕上げる方法に
よって得ることができる。
は銅合金の薄板と、複数の貫通孔を形成したFe−Ni
系合金薄板を交互に積層して、缶体に充填した後、10
マイナス3乗Torr以下に減圧してから封止し、つい
で700〜1050℃の温度範囲において100MPa
以上に加圧して接合処理を行ない、前記貫通孔内に銅ま
たは銅合金を充填するとともに拡散接合し、次いで熱間
圧延および冷間圧延により所定の板厚に仕上げる方法に
よって得ることができる。
【0014】好ましくは、低熱膨張層の厚さが、0.1
mm以下である放熱板を備えたパワー半導体モジュール
とする。また、放熱板の最外層に銅または銅合金の連続
した高熱伝導層を積層するか、あるいは最外層にFe−
Ni系合金の連続した低熱膨張層を積層することが望ま
しい。
mm以下である放熱板を備えたパワー半導体モジュール
とする。また、放熱板の最外層に銅または銅合金の連続
した高熱伝導層を積層するか、あるいは最外層にFe−
Ni系合金の連続した低熱膨張層を積層することが望ま
しい。
【0015】
【発明の実施の形態】本発明の特徴の一つは、パワー半
導体モジュールに適用する放熱板を10層以上、好まし
くは50層以上の多層構造体としたことであり、銅また
は銅合金の高熱伝導層と、Fe−Ni系合金の低熱膨張
層の熱膨張率の違いによる放熱板の反りなどの変形を抑
えることにある。
導体モジュールに適用する放熱板を10層以上、好まし
くは50層以上の多層構造体としたことであり、銅また
は銅合金の高熱伝導層と、Fe−Ni系合金の低熱膨張
層の熱膨張率の違いによる放熱板の反りなどの変形を抑
えることにある。
【0016】本発明者は、上述した図4に示す如きパワ
ー半導体モジュールに適用する放熱板を上述した10層
以上の多層構造を現実のものとするために検討を行な
い、低熱膨張層をはさみ込む高熱伝導層を低熱膨張層に
形成した複数の貫通孔を介して連続させるため、積層
後、缶体に充填し、10マイナス3乗Torr以下に減
圧してから封止し、ついで700〜1050℃の温度範
囲において50MPa以上に加圧して接合処理を行なう
ものとした。このように、真空引きしてから、高圧下で
加熱接合することにより、従来5層構造が限界であった
圧延圧着法を適用しなくても、高熱伝導層を貫通孔に連
続させた複合材料を一挙に10層以上とすることができ
たものである。
ー半導体モジュールに適用する放熱板を上述した10層
以上の多層構造を現実のものとするために検討を行な
い、低熱膨張層をはさみ込む高熱伝導層を低熱膨張層に
形成した複数の貫通孔を介して連続させるため、積層
後、缶体に充填し、10マイナス3乗Torr以下に減
圧してから封止し、ついで700〜1050℃の温度範
囲において50MPa以上に加圧して接合処理を行なう
ものとした。このように、真空引きしてから、高圧下で
加熱接合することにより、従来5層構造が限界であった
圧延圧着法を適用しなくても、高熱伝導層を貫通孔に連
続させた複合材料を一挙に10層以上とすることができ
たものである。
【0017】本発明においては、好ましくは低熱膨張層
の厚さを、0.1mm以下と薄くする。このように薄
い、低熱膨張層を多層化することにより、熱膨張率の違
いによる反りなどの変形をより確実に抑えることが可能
である。好ましくは、最外層に銅または銅合金の連続し
た高熱伝導層を積層するか、あるいは最外層にFe−N
i系合金の連続した低熱膨張層を積層する。最外層に貫
通孔を有しない銅または銅合金の連続した高熱伝導層あ
るいはFe−Ni系合金の連続した低熱膨張層を形成す
ることにより、めっき処理時に表面の不均一性が解消さ
れ、良好なめっき性が得られるようになる。最外層を高
熱伝導層とするか低熱膨張層とするかは、放熱対象とな
る素子の要求特性によって任意に選択できる。たとえ
ば、最外層は、接合面の低熱膨張特性を特に要求される
場合は、低熱膨張層とし、高熱伝導特性を特に要求され
る場合には、高熱膨張層とすることができる。
の厚さを、0.1mm以下と薄くする。このように薄
い、低熱膨張層を多層化することにより、熱膨張率の違
いによる反りなどの変形をより確実に抑えることが可能
である。好ましくは、最外層に銅または銅合金の連続し
た高熱伝導層を積層するか、あるいは最外層にFe−N
i系合金の連続した低熱膨張層を積層する。最外層に貫
通孔を有しない銅または銅合金の連続した高熱伝導層あ
るいはFe−Ni系合金の連続した低熱膨張層を形成す
ることにより、めっき処理時に表面の不均一性が解消さ
れ、良好なめっき性が得られるようになる。最外層を高
熱伝導層とするか低熱膨張層とするかは、放熱対象とな
る素子の要求特性によって任意に選択できる。たとえ
ば、最外層は、接合面の低熱膨張特性を特に要求される
場合は、低熱膨張層とし、高熱伝導特性を特に要求され
る場合には、高熱膨張層とすることができる。
【0018】銅または銅合金の高熱伝導層と複数の貫通
孔を有するFe−Ni系合金の低熱膨張層を積層した本
発明に使用する放熱板となる複合材料の基本構成を示す
と図1に示すようになる。図1は多層構造を有する複合
材料5の低熱膨張層1と高熱伝導層3が接合した部分を
示すものである。図1に示すように低熱膨張層1の両側
にある高熱伝導層3は、貫通孔2に充填した銅または銅
合金により連続されている。なお、図1の右側に理想的
な断面を示している。このようにすることによって、F
e−Ni系合金の低熱膨張層を横切る熱移動を確保する
ものである。また、図2に示すように、本発明では複合
材料5の最外層4に貫通孔を有しない銅または銅合金の
連続した高熱伝導材料あるいは貫通孔を有しないFe−
Ni系合金の連続した低熱膨張材料を配置することが可
能である。
孔を有するFe−Ni系合金の低熱膨張層を積層した本
発明に使用する放熱板となる複合材料の基本構成を示す
と図1に示すようになる。図1は多層構造を有する複合
材料5の低熱膨張層1と高熱伝導層3が接合した部分を
示すものである。図1に示すように低熱膨張層1の両側
にある高熱伝導層3は、貫通孔2に充填した銅または銅
合金により連続されている。なお、図1の右側に理想的
な断面を示している。このようにすることによって、F
e−Ni系合金の低熱膨張層を横切る熱移動を確保する
ものである。また、図2に示すように、本発明では複合
材料5の最外層4に貫通孔を有しない銅または銅合金の
連続した高熱伝導材料あるいは貫通孔を有しないFe−
Ni系合金の連続した低熱膨張材料を配置することが可
能である。
【0019】本発明においては、低熱膨張層と高熱伝導
層との接合信頼性を高めるため、具体的には10ミクロ
ン以上という充分に厚い拡散層を得るために、700〜
1050℃の温度範囲において50MPa以上の圧力を
適用する。50MPa以上という高い圧力を適用する
と、700〜1050℃の温度範囲において、10ミク
ロン以上という従来の冷間圧延による圧着と焼鈍によっ
て形成されるよりも著しく厚い拡散層を形成することが
可能となる。圧力はできるだけ高いことが好ましいが、
装置性能上、200MPa以下が現実的であり、好まし
くは80〜150MPaの範囲である。本発明において
は、700℃以下の温度では、拡散が不十分となり、十
分な接合強度が得られない。また、1050℃以上の温
度では銅または銅合金の表面酸化が顕著となり、十分な
接合強度が得られず、また銅または銅合金が溶解する場
合があり好ましくない。そのため、本発明においては、
700〜1050℃の温度範囲に規定した。
層との接合信頼性を高めるため、具体的には10ミクロ
ン以上という充分に厚い拡散層を得るために、700〜
1050℃の温度範囲において50MPa以上の圧力を
適用する。50MPa以上という高い圧力を適用する
と、700〜1050℃の温度範囲において、10ミク
ロン以上という従来の冷間圧延による圧着と焼鈍によっ
て形成されるよりも著しく厚い拡散層を形成することが
可能となる。圧力はできるだけ高いことが好ましいが、
装置性能上、200MPa以下が現実的であり、好まし
くは80〜150MPaの範囲である。本発明において
は、700℃以下の温度では、拡散が不十分となり、十
分な接合強度が得られない。また、1050℃以上の温
度では銅または銅合金の表面酸化が顕著となり、十分な
接合強度が得られず、また銅または銅合金が溶解する場
合があり好ましくない。そのため、本発明においては、
700〜1050℃の温度範囲に規定した。
【0020】また、本発明において、上述した接合処理
に先だって、缶体に充填した後、10マイナス3乗To
rrよりも減圧としてから封止する工程を付与してい
る。これは、本発明はFe−Ni系合金素材に形成した
貫通孔に気体が残留すると、貫通孔に銅または銅合金が
充分に充填できなくなるため、脱気処理を実施するもの
である。また、本発明においては、上述した接合処理の
後、熱間圧延および冷間圧延により所定の板厚に仕上げ
るものである。本発明においては、高圧下で接合処理を
行うが、これだけでは、貫通孔に充分に銅または銅合金
を充填することは難しい。そこで、本発明は、接合処理
の後、熱間圧延および冷間圧延を付与するものとした。
なお、冷間圧延を付与するのは、電子部品用の複合材料
として使用できる清浄度および平坦度を得るためであ
る。
に先だって、缶体に充填した後、10マイナス3乗To
rrよりも減圧としてから封止する工程を付与してい
る。これは、本発明はFe−Ni系合金素材に形成した
貫通孔に気体が残留すると、貫通孔に銅または銅合金が
充分に充填できなくなるため、脱気処理を実施するもの
である。また、本発明においては、上述した接合処理の
後、熱間圧延および冷間圧延により所定の板厚に仕上げ
るものである。本発明においては、高圧下で接合処理を
行うが、これだけでは、貫通孔に充分に銅または銅合金
を充填することは難しい。そこで、本発明は、接合処理
の後、熱間圧延および冷間圧延を付与するものとした。
なお、冷間圧延を付与するのは、電子部品用の複合材料
として使用できる清浄度および平坦度を得るためであ
る。
【0021】本発明において、Fe−Ni系合金の低熱
膨張層は、本発明の複合材料の熱膨張を低いものとする
ことを第一の目的に配置するものである。好ましくは、
複合材料を絶縁基板の熱膨張係数に近似するように、3
0℃〜300℃における熱膨張係数を4〜11×10マ
イナス6乗/℃の範囲とするように配置することが望ま
しい。具体的に使用するFe−Ni系合金としてはFe
−42%Ni合金、Fe−36%Ni合金のいわゆるイ
ンバー合金、Fe−31%Ni−5%Co合金のいわゆ
るスーパーインバー合金、Fe−29%Ni−17%C
o合金等のNi30〜60%、残部Feあるいは、Ni
の一部をCoで置換したものを基本元素とするものが使
用できる。
膨張層は、本発明の複合材料の熱膨張を低いものとする
ことを第一の目的に配置するものである。好ましくは、
複合材料を絶縁基板の熱膨張係数に近似するように、3
0℃〜300℃における熱膨張係数を4〜11×10マ
イナス6乗/℃の範囲とするように配置することが望ま
しい。具体的に使用するFe−Ni系合金としてはFe
−42%Ni合金、Fe−36%Ni合金のいわゆるイ
ンバー合金、Fe−31%Ni−5%Co合金のいわゆ
るスーパーインバー合金、Fe−29%Ni−17%C
o合金等のNi30〜60%、残部Feあるいは、Ni
の一部をCoで置換したものを基本元素とするものが使
用できる。
【0022】また、他の添加元素を含むことも当然可能
であり、Crであれば15重量%以下、熱膨張特性、機
械的強度等様々の要求に合わせて4A,5A,6A族の
元素を低熱膨張特性を損なわないオーステナイト組織を
保持できる限り、添加することが可能である。例えば、
酸化膜形成等のために有効であるCrは15重量%以
下、強度を改善する元素として5重量%以下のNb,T
i,Zr,W,Mo,Cu、熱間加工性を改善する元素
として5重量%以下のSi,Mnあるいは0.1重量%
以下のCa,B,Mgが使用できる。
であり、Crであれば15重量%以下、熱膨張特性、機
械的強度等様々の要求に合わせて4A,5A,6A族の
元素を低熱膨張特性を損なわないオーステナイト組織を
保持できる限り、添加することが可能である。例えば、
酸化膜形成等のために有効であるCrは15重量%以
下、強度を改善する元素として5重量%以下のNb,T
i,Zr,W,Mo,Cu、熱間加工性を改善する元素
として5重量%以下のSi,Mnあるいは0.1重量%
以下のCa,B,Mgが使用できる。
【0023】本発明において、パワー半導体モジュール
に適用する放熱板の高熱伝導層を銅または銅合金と規定
した。純銅は熱伝導性の点では非常に優れており、熱伝
導性を重視する放熱板用としては有効であるが、場合に
よって機械的強度、ハンダ付性、銀ろう付性、耐熱性等
用途に応じた特性改善のために合金元素を添加すること
が可能である。例えば、SnやNiは銅または銅合金中
に固溶して機械的強度を向上させることができる。ま
た、TiはNiと複合で添加すると、銅マトリックス中
にNiとTiとの化合物として析出し、機械的強度およ
び耐熱性を向上する。また、Zrはハンダ耐候性を向上
する。Al,Si,Mn,Mgはレジンとの密着性を改
善することが知られている。なお、本発明の銅または銅
合金層は、熱放散性の付与が目的であるため、熱放散性
を低下させる前記の添加元素は好ましくは10重量%以
下とする。
に適用する放熱板の高熱伝導層を銅または銅合金と規定
した。純銅は熱伝導性の点では非常に優れており、熱伝
導性を重視する放熱板用としては有効であるが、場合に
よって機械的強度、ハンダ付性、銀ろう付性、耐熱性等
用途に応じた特性改善のために合金元素を添加すること
が可能である。例えば、SnやNiは銅または銅合金中
に固溶して機械的強度を向上させることができる。ま
た、TiはNiと複合で添加すると、銅マトリックス中
にNiとTiとの化合物として析出し、機械的強度およ
び耐熱性を向上する。また、Zrはハンダ耐候性を向上
する。Al,Si,Mn,Mgはレジンとの密着性を改
善することが知られている。なお、本発明の銅または銅
合金層は、熱放散性の付与が目的であるため、熱放散性
を低下させる前記の添加元素は好ましくは10重量%以
下とする。
【0024】
【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。本発
明のパワー半導体モジュールに用いる放熱板の低熱膨張
層用材料として、Fe−42%Ni合金、Fe−36%
Ni合金、Fe−31%Ni−5%Co合金およびFe
−29%Ni−17%Co合金を選び、冷間圧延および
焼鈍を繰り返し、厚さ 0.2mmのFe−Ni系合金
の薄板を得た。このFe−Ni系合金にフォトエッチン
グにより薄板の全面にφ0.8mm、1.0mmピッチ
の貫通孔を形成し、図3(b)に示す低熱膨張層用素材
とした。また、高熱伝導層用材料として純銅(無酸素
銅)、Cu−2.4%Fe−0.07%P−0.12%
Zn合金(Cu合金A)およびCu−2.0%Sn−
0.2%Ni−0.04%P−0.15%Zn合金(C
u合金B)を選び、厚さ0.35mmの薄板を得た。こ
れ等の薄板をそれぞれ120mm幅にスリットを行な
い、次に定尺切断機により、800mm長さに切断し図
3(a)に示す高熱伝導層用素材7とした。なお、Cu
合金の組成は重量%である。
明のパワー半導体モジュールに用いる放熱板の低熱膨張
層用材料として、Fe−42%Ni合金、Fe−36%
Ni合金、Fe−31%Ni−5%Co合金およびFe
−29%Ni−17%Co合金を選び、冷間圧延および
焼鈍を繰り返し、厚さ 0.2mmのFe−Ni系合金
の薄板を得た。このFe−Ni系合金にフォトエッチン
グにより薄板の全面にφ0.8mm、1.0mmピッチ
の貫通孔を形成し、図3(b)に示す低熱膨張層用素材
とした。また、高熱伝導層用材料として純銅(無酸素
銅)、Cu−2.4%Fe−0.07%P−0.12%
Zn合金(Cu合金A)およびCu−2.0%Sn−
0.2%Ni−0.04%P−0.15%Zn合金(C
u合金B)を選び、厚さ0.35mmの薄板を得た。こ
れ等の薄板をそれぞれ120mm幅にスリットを行な
い、次に定尺切断機により、800mm長さに切断し図
3(a)に示す高熱伝導層用素材7とした。なお、Cu
合金の組成は重量%である。
【0025】次に、これ等のシートを表1に示す組合せ
により、5mm厚さのSC材のケース内に銅または銅合
金の高熱伝導層でFe−Ni系合金の低熱膨張層を挟む
ように交互に積層し、低熱膨張層を50層、高熱伝導層
を51層とした最外層が連続した高熱伝導層となる積層
体を得た。(積層構造Aという)また、別の例として積
層構造Aのさらに外側に、積層体を構成する低熱膨張層
と同じ素材であって、貫通孔を形成しない厚さ0.3m
mの薄板を配置して最外層が貫通孔のない低熱膨張層と
なる積層体を得た。(積層構造Bという)
により、5mm厚さのSC材のケース内に銅または銅合
金の高熱伝導層でFe−Ni系合金の低熱膨張層を挟む
ように交互に積層し、低熱膨張層を50層、高熱伝導層
を51層とした最外層が連続した高熱伝導層となる積層
体を得た。(積層構造Aという)また、別の例として積
層構造Aのさらに外側に、積層体を構成する低熱膨張層
と同じ素材であって、貫通孔を形成しない厚さ0.3m
mの薄板を配置して最外層が貫通孔のない低熱膨張層と
なる積層体を得た。(積層構造Bという)
【0026】次に、S10C材のケースを10マイナス
3乗Torrよりも減圧としてから溶接により密封し
た。この脱気後の積層体を有するS10Cケース(以下
キャン材と呼ぶ)を表1に示す温度において1000気
圧の条件で熱間静水圧プレスにより、積層体の接合一体
化を行なった。この熱間静水圧プレス後のキャン材の上
下面のS10Cケース材を研削により除去し、熱間圧延
前素材とした。この熱間圧延前素材を750〜900℃
の温度範囲において、熱間圧延を行ない、厚さ6mmの
板とした。この板にさらに酸洗により脱スケール処理を
施した後、冷間圧延を施し、最終の厚さ4.5mmの板
とした。各層の厚さは約45μmであった。
3乗Torrよりも減圧としてから溶接により密封し
た。この脱気後の積層体を有するS10Cケース(以下
キャン材と呼ぶ)を表1に示す温度において1000気
圧の条件で熱間静水圧プレスにより、積層体の接合一体
化を行なった。この熱間静水圧プレス後のキャン材の上
下面のS10Cケース材を研削により除去し、熱間圧延
前素材とした。この熱間圧延前素材を750〜900℃
の温度範囲において、熱間圧延を行ない、厚さ6mmの
板とした。この板にさらに酸洗により脱スケール処理を
施した後、冷間圧延を施し、最終の厚さ4.5mmの板
とした。各層の厚さは約45μmであった。
【0027】次にこの板から切出し加工を行い、100
×100(mm)角のパワー半導体モジュール用放熱板
を作製した。上記の放熱板を用いてパワー半導体モジュ
ールを製作する際のアルミナ製絶縁基板とのロウ付け
(830℃加熱)工程時において、放熱板の反りは40μ
mであった。一方、比較のために同寸法の放熱板に単純
な銅板を用いた場合、放熱板の反りは300μmも達
し、好ましくないことを確認した。また、放熱板単体で
の熱的特性としては、表1に示す素材の組み合わせによ
り熱伝導率120W/m・K以上、熱膨張率7(×10
マイナス6乗/℃)以下が得られた。これはアルミナ製
絶縁基板の熱膨張率と良く一致する。なお、熱伝導率は
レーザーフラッシュ法により測定を行ない、また熱膨張
係数は30〜300℃の温度範囲の値α30-300℃を測定
した値である。上記特性より、本発明であるパワー半導
体モジュールは、放熱性にすぐれ、かつパワー半導体モ
ジュール稼働中における温度変化が生じても、絶縁基板
と放熱板ロウ付け部の接合信頼性が高いものにできたこ
とがわかる。
×100(mm)角のパワー半導体モジュール用放熱板
を作製した。上記の放熱板を用いてパワー半導体モジュ
ールを製作する際のアルミナ製絶縁基板とのロウ付け
(830℃加熱)工程時において、放熱板の反りは40μ
mであった。一方、比較のために同寸法の放熱板に単純
な銅板を用いた場合、放熱板の反りは300μmも達
し、好ましくないことを確認した。また、放熱板単体で
の熱的特性としては、表1に示す素材の組み合わせによ
り熱伝導率120W/m・K以上、熱膨張率7(×10
マイナス6乗/℃)以下が得られた。これはアルミナ製
絶縁基板の熱膨張率と良く一致する。なお、熱伝導率は
レーザーフラッシュ法により測定を行ない、また熱膨張
係数は30〜300℃の温度範囲の値α30-300℃を測定
した値である。上記特性より、本発明であるパワー半導
体モジュールは、放熱性にすぐれ、かつパワー半導体モ
ジュール稼働中における温度変化が生じても、絶縁基板
と放熱板ロウ付け部の接合信頼性が高いものにできたこ
とがわかる。
【0028】
【表1】
【0029】表1に示すように本発明の電子部品用複合
材料は、50層を超える多層構造とすることによって、
高い熱伝導特性と、7(×10マイナス6乗/℃)以下
の低熱膨張特性を得ることができたものである。
材料は、50層を超える多層構造とすることによって、
高い熱伝導特性と、7(×10マイナス6乗/℃)以下
の低熱膨張特性を得ることができたものである。
【0030】
【発明の効果】本発明は、以上の説明から明らかなよう
に、パワー半導体モジュールの放熱板を高熱伝導層と低
熱膨張層を10層以上の多層構造としたことにより、放
熱板の反りが抑えられ、取り付け部の空隙がなくなるこ
とにより、パワー半導体モジュールの熱放散性を向上さ
せることができる。また、絶縁基板と放熱板ロウ付け部
の接合信頼性に優れたパワー半導体モジュールを提供で
きる。
に、パワー半導体モジュールの放熱板を高熱伝導層と低
熱膨張層を10層以上の多層構造としたことにより、放
熱板の反りが抑えられ、取り付け部の空隙がなくなるこ
とにより、パワー半導体モジュールの熱放散性を向上さ
せることができる。また、絶縁基板と放熱板ロウ付け部
の接合信頼性に優れたパワー半導体モジュールを提供で
きる。
【図1】本発明の複合材料の基本構成の一例を示す概念
図である。
図である。
【図2】本発明の複合材料の最外層部の好ましい例を示
す概念図である。
す概念図である。
【図3】本発明の複合材料の素材を説明する図である。
【図4】本発明を適用するパワー半導体モジュールの構
成例である。
成例である。
1 低熱膨張層、2 貫通孔、3 高熱伝導層、4 最
外層、5 複合材料、6 高熱伝導層用素材、7 低熱
膨張層用素材、8 放熱板、9 絶縁基板、10 半導
体チップ、11 コレクタ電極、12 エミッタ電極、
13 ゲート電極、14 熱応力緩衝板、15,16,
17,18,19,20 ロウ材、21,22 Al
線、23 カバー、24,25,26 外部電極端子、
27 制御信号用端子、28 樹脂、29,30 取付
用穴
外層、5 複合材料、6 高熱伝導層用素材、7 低熱
膨張層用素材、8 放熱板、9 絶縁基板、10 半導
体チップ、11 コレクタ電極、12 エミッタ電極、
13 ゲート電極、14 熱応力緩衝板、15,16,
17,18,19,20 ロウ材、21,22 Al
線、23 カバー、24,25,26 外部電極端子、
27 制御信号用端子、28 樹脂、29,30 取付
用穴
Claims (4)
- 【請求項1】 複数の半導体チップおよび複数の電極を
搭載した絶縁基板が放熱板上に搭載され、これら放熱板
上の構造物が封止された構造の半導体モジュールにおい
て、前記放熱板は、銅または銅合金の高熱伝導層と、F
e−Ni系合金の低熱膨張層が交互に積層され10層以
上の多層構造をなし、前記低熱膨張層をはさみ込む高熱
伝導層は、低熱膨張層に形成した複数の貫通孔を介して
連続することを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 【請求項2】 放熱板を構成する低熱膨張層の厚さは、
0.1mm以下であることを特徴とする請求項1に記載
のパワー半導体モジュール。 - 【請求項3】 放熱板の絶縁基板に対向する面には、銅
または銅合金の連続した高熱伝導層が形成されているこ
とを特徴とする請求項1または2に記載のパワー半導体
モジュール。 - 【請求項4】 放熱板の絶縁基板に対向する面には、F
e−Ni系合金の連続した低熱膨張層が形成されている
ことを特徴とする請求項1ないし2のいずれかに記載の
パワー半導体モジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8326563A JPH10173109A (ja) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | パワー半導体モジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8326563A JPH10173109A (ja) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | パワー半導体モジュール |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10173109A true JPH10173109A (ja) | 1998-06-26 |
Family
ID=18189229
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8326563A Pending JPH10173109A (ja) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | パワー半導体モジュール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10173109A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003021669A1 (fr) * | 2001-08-28 | 2003-03-13 | Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki | Materiau structural composite et procede de production dudit materiau |
| US7191047B2 (en) | 2004-09-27 | 2007-03-13 | Delphi Technologies, Inc. | Motor vehicle control using a dynamic feedforward approach |
| WO2008013279A1 (en) * | 2006-07-28 | 2008-01-31 | Kyocera Corporation | Electronic component storing package and electronic device |
| US7502675B2 (en) | 2004-04-01 | 2009-03-10 | Delphi Technologies, Inc. | Feedforward control of motor vehicle roll angle |
-
1996
- 1996-12-06 JP JP8326563A patent/JPH10173109A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003021669A1 (fr) * | 2001-08-28 | 2003-03-13 | Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki | Materiau structural composite et procede de production dudit materiau |
| US7097914B2 (en) | 2001-08-28 | 2006-08-29 | Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki | Composite structural material, and method of producing the same |
| US7502675B2 (en) | 2004-04-01 | 2009-03-10 | Delphi Technologies, Inc. | Feedforward control of motor vehicle roll angle |
| US7191047B2 (en) | 2004-09-27 | 2007-03-13 | Delphi Technologies, Inc. | Motor vehicle control using a dynamic feedforward approach |
| WO2008013279A1 (en) * | 2006-07-28 | 2008-01-31 | Kyocera Corporation | Electronic component storing package and electronic device |
| US8242387B2 (en) | 2006-07-28 | 2012-08-14 | Kyocera Corporation | Electronic component storing package and electronic apparatus |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110622301B (zh) | 功率半导体装置及其制造方法 | |
| US10410951B2 (en) | Bonded body, substrate for power module with heat sink, heat sink, method for producing bonded body, method for producing substrate for power module with heat sink, and method for producing heat sink | |
| US4556899A (en) | Insulated type semiconductor devices | |
| CN101496165B (zh) | 电子部件收容用封装件以及电子装置 | |
| JP4664816B2 (ja) | セラミック回路基板、その製造方法およびパワーモジュール | |
| US6045927A (en) | Composite material for electronic part and method of producing same | |
| US20160152004A1 (en) | Composite laminate and electronic device | |
| JP5370460B2 (ja) | 半導体モジュール | |
| JP2004022973A (ja) | セラミック回路基板および半導体モジュール | |
| JP4893095B2 (ja) | 回路基板およびこれを用いた半導体モジュール | |
| JP6775848B2 (ja) | 放熱板材 | |
| CN108701671A (zh) | 制造电路载体的方法、电路载体、制造半导体模块的方法和半导体模块 | |
| JPH10173109A (ja) | パワー半導体モジュール | |
| JP3192911B2 (ja) | セラミックス回路基板 | |
| JPH08102570A (ja) | セラミックス回路基板 | |
| JP2020150254A (ja) | 放熱板材 | |
| JPH1167993A (ja) | カード型携帯用電子装置およびカード型携帯用電子装置用放熱板の製造方法 | |
| JPH03227621A (ja) | 熱伝導複合材料 | |
| JP2007096252A (ja) | 液冷式回路基板および液冷式電子装置 | |
| JPH09312364A (ja) | 電子部品用複合材料およびその製造方法 | |
| JP2003124584A (ja) | セラミック回路基板 | |
| JP2023072092A (ja) | 半導体装置 | |
| JPH0645485A (ja) | 高放熱性集積回路パッケージ | |
| JPS62781B2 (ja) | ||
| JP6991885B2 (ja) | 半導体装置およびその製造方法 |