(57)【要約】【課題】反りの発生を抑制でき、良好な放熱性能を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供する。【解決手段】パワーモジュール用基板１０の回路層１２とは反対の面側に接合されたヒートシンク３０を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ｂであって、ヒートシンク３０内に、そのヒートシンク３０の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有する棒状の低熱膨張材３１を複数ヒートシンク３０の長手方向に沿って組み込んだ構成とされ、低熱膨張材３１は、ヒートシンク３０の幅方向ｗに間隔をおいて配置され、その低熱膨張材３１の長手方向の両端面３１ｃは、パワーモジュール用基板１０との接合面の両端１１ａを含む位置でのヒートシンクの断面３１ｄと同一又はそれよりも外方に突出して設けられる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に回路層が積層されてなるパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板の前記回路層とは反対の面側に接合されたヒートシンクとを有するヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンク内に、該ヒートシンクの熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有する棒状の低熱膨張材を複数前記ヒートシンクの長手方向に沿って組み込んだ構成とされ、該低熱膨張材は、前記ヒートシンクの幅方向に間隔をおいて配置され、前記低熱膨張材の長手方向の両端面は、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとの接合面における前記低熱膨張材の長手方向と同方向の両端を含む位置でのヒートシンクの断面と同一又はそれよりも外方に突出して設けら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２】
前記低熱膨張材は、その長手方向と直交する断面における長辺が前記ヒートシンクの厚み方向とほぼ平行に配置されていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記低熱膨張材は、少なくとも前記ヒートシンクの厚み方向の両端面で前記ヒートシンクの金属部分と接合されていることを特徴とする請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワーモジュールとして、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面に、アルミニウム等からなる回路層が積層され、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム等からなる金属層が形成され、この金属層を介してヒートシンクが接合された構成のものが知られている。また、金属層を介さずにセラミックス基板を直接ヒートシンクに接合した構成のパワーモジュールも知られている。
【０００３】
この種のパワーモジュールにおいては、セラミックス基板に回路層等をろう付けにより接合しているが、その際の熱伸縮により反りが生じるという問題がある。
そこで、特許文献１では、パワーモジュール用基板の反り量を緩和するため、回路層と金属層との間に、両面にセラミックス板を設けた肉厚の熱拡散板を積層することにより、金属層を肉厚に形成した場合と同様の緩衝機能を持たせて、反り量を緩和することが提案されている。また、この特許文献１には、熱拡散板に冷却路を設けたり、熱拡散板と金属層との間に配置されるセラミックス板を熱拡散板と金属層とで完全に覆うように形成したりすることで、セラミックス基板に生じる反り量を低減して取り扱い性を向上させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３‐８６７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されているように、両面にセラミックス基板を設けた熱拡散板を設ける構成では、金属層との間に設けられたセラミックス基板によって、セラミックス基板が組み込まれた部分の反りの発生は抑制できるが、その一方で熱拡散が阻害され、十分な放熱性能が得られなくなる。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反りの発生を抑制でき、良好な放熱性能を有する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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が積層されてなるパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板の前記回路層とは反対の面側に接合されたヒートシンクとを有するヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンク内に、該ヒートシンクの熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有する棒状の低熱膨張材を複数前記ヒートシンクの長手方向に沿って組み込んだ構成とされ、該低熱膨張材は、前記ヒートシンクの幅方向に間隔をおいて配置され、前記低熱膨張材の長手方向の両端面は、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとの接合面における前記低熱膨張材の長手方向と同方向の両端を含む位置でのヒートシンクの断面と同一又はそれよりも外方に突出して設けられていることを特徴とする。
【０００８】
ヒートシンク内に、ヒートシンクよりも熱膨張係数の低い低熱膨張材を、反りが発生し易いヒートシンクの長手方向に沿って配置し、且つ、パワーモジュール用基板の両端と同一又は突出させて組み込むことで、ヒートシンクの全長にわたって反りの発生を抑制することができる。
ところで、この低熱膨張材には、熱膨張係数が低いセラミックス等を用いることが考えられ、セラミックスは、ヒートシンクに使用されるアルミニウム等の金属に比べて熱伝導率が低いことから放熱性能の低下が懸念される。しかし、低熱伝導率の低熱膨張材を使用した場合にも、低熱膨張材を棒状にして複数に分けて配置することで、各低熱膨張材を熱伝導性の高い金属の間に組み込むことができ、そのヒートシンクの厚み方向に繋がる金属部分によって良好な放熱性能を確保することができる。
したがって、反りの発生を抑制できるとともに、良好な放熱性能を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板を構成することができる。
【０００９】
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、前記低熱膨張材は、その長手方向と直交する断面における長辺が前記ヒートシンクの厚み方向とほぼ平行に配置されているとよい。
この場合、低熱膨張材が、反りが発生し易いヒートシンクの長手方向に対して、曲げ剛性が高くなるように配置されることになるので、同じ低熱膨張材を、その長手方向と直交する断面における長辺が前記ヒートシンクの幅方向とほぼ平行になるように配置した場合と比べて、反りに対する抵抗力を高めることができる。
また、低熱膨張材を、その長手方向と直交する断面における長辺が前記ヒートシンクの厚み方向とほぼ平行になるように配置することで、各低熱膨張材の間に配置される金属部分の面積をより多く確保することができることから、低熱膨張材を、その長手方向と直交する断面における長辺が前記ヒートシンクの幅方向とほぼ平行に配置した場合に比べて、放熱性能を良好に確保することができる。
【００１０】
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、前記低熱膨張材は、少なくとも前記ヒートシンクの厚み方向の両端面で前記ヒートシンクの金属部分と接合されているとよい。
反りを抑制するためには、低熱膨張材の上下左右の全面で接合された状態として接合面を広く確保することが最も好ましい。また、ヒートシンクの反りは、そのヒートシンクの厚み方向と同一の方向に生じることから、少なくとも低熱膨張材の厚み方向の両端面でヒートシンクの金属部分と接合する構成とすることで、低熱膨張材の剛性を良好に発揮させることができ、反りを好適に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、反りの発生を抑制できるとともに、良好な放熱性能を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板の全体構成を示す縦断面図である。
【図２】図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板のＡ‐Ａ線に沿う断面図である。
【図３】ヒートシンクと低熱膨張材とのろう付け接合を説明する図であり、（ａ）が低熱膨張材の組み込み前、（ｂ）が低熱膨張材の組み込み後の状態を示す。
【図４】加圧治具の例を示す側面図である。
【図５】他の実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板の全体構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、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ついて、図面を参照しながら説明する。
図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａは、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０に接合されたヒートシンク３０とから構成されている。
【００１４】
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２が厚さ方向に積層され、Ａｌよりも低融点のろう材（好ましくはＡｌ‐Ｓｉ系ろう材）によって接合されている。
【００１５】
セラミックス基板１１は、厚さ０．３ｍｍ〜１．０ｍｍのＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＣ等からなる。
また、回路層１２は、厚さ０．２ｍｍ〜２．５ｍｍの純アルミニウム板（好ましくは純度９９．９９質量％以上の４Ｎ‐Ａｌ板）からなる。パワーモジュール１００においては、エッチング等により所定の回路パターン状に成形された回路層１２の上に電子部品２０がはんだ材等によって接合されている。なお、回路層１２には、純アルミニウム板の他、アルミニウム合金板、銅又は銅合金板を用いることもできる。
【００１６】
そして、このように構成されたパワーモジュール用基板１０のセラミックス基板１１の他方の面に、ヒートシンク３０がろう付けによって接合されている。
ヒートシンク３０は、回路層１２よりも厚く、厚さ３ｍｍ〜１５ｍｍの純アルミニウム板（好ましくは純度９９．０質量％以上のＡｌ板）からなり、図１及び図２に示すように、平板状に形成されている。また、ヒートシンク３０の内部には、ヒートシンク３０の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有する棒状に形成された低熱膨張材３１が、複数ヒートシンク３０の長手方向Ｌ（図１では紙面前後方向）に沿って組み込まれている。そのため、ヒートシンク３０の長手方向Ｌと低熱膨張材３１の長手方向とは同一方向となる。低熱膨張材３１は、例えば、アルミニウムや銅よりも熱膨張係数が低く、剛性が高いセラミックス等（例えば、ＡｌＮ）の部材を使用することができ、その長手方向と直交する断面は、例えば長辺Ｈ：２ｍｍ×短辺Ｗ：１ｍｍであり、長辺Ｈはヒートシンク３０の厚さの３０％〜７０％とされる。
【００１７】
また、低熱膨張材３１は、ヒートシンク３０の幅方向ｗに間隔をおいて配置され、その長手方向Ｌと直交する断面における長辺Ｈがヒートシンク３０の厚み方向ｈとほぼ平行に配置されている。なお、図１の矢印ｈはヒートシンク３０の厚み方向、矢印ｗはヒートシンク３０の幅方向を示し、図２の矢印Ｌはヒートシンク３０の長手方向を示している。
また、セラミックス基板１１とヒートシンク３０との接合面における低熱膨張材３１の長手方向と同方向の両端１１ａを含んだ位置でのヒートシンク３０の断面を３１ｄとした場合、低熱膨張材３１の長手方向の両端面３１ｃは、ヒートシンク３０の断面３１ｄと同一又はそれよりも外方に突出して設けられている。
なお、図１及び図２に示す本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａでは、低熱膨張材３１の長手方向の両端面３１ｃは、ヒートシンク３０の両端面とほぼ同一に設けられており、セラミックス基板１１はヒートシンク３０より小さな平面積で形成されていることから、ヒートシンク３０の断面３１ｄよりも外方に突出して設けられている。
【００１８】
また、このような構成のヒートシンク３０の製造には、例えば、ヒートシンク３０の金属部分３２と、低熱膨張材３１とをろう付け又ははんだ付けして接合する方法や、予め低熱膨張材３１を配置した鋳型内に溶融させた金属を流し込んで固化することにより製造する方法（鋳造法）等を採用して行うことができる。
ヒートシンク３０と低熱膨張材３１とをろう付けにより接合する場合には、例えば、図３（ａ）に示すように、ヒートシンク３０の母材となる金属部分３２を、ヒートシンク３０の長手方向に沿って相互に平行な凸条部３３ａを有する基台３３と、その基台３３の上面部を覆う蓋部３４とに分割して形成しておく。
次に、図３（ｂ）に示すように、基台３３の凸条部３３ａの間に形成された凹部３３ｂに、ろう材（図示略）を介して低熱膨張材３１を嵌め込み、さらにその上からろう材（図示略）を介して平板状の蓋部３４を被せた状態でろう材を溶融させる。これにより、基台３３及び蓋部３４と低熱膨張材３１とをろう付け接合することができる。なお、凸条部３３ａを有する基台３３は、例えば押出成形により形成することができる。
そして、このようにして形成されたヒートシンク３０の蓋部３４の上に、破線で示すセラミックス基板１１及び二点鎖線で示す回路層１２を接合することにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａが製造される。この図３（ｂ）に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａにおいて、低熱膨張材３１の長手方向の両端面３１ｃは、ヒートシンク３０とパワーモジュール用基板１０との接合面における低熱膨張材の長手方向と同方向の両端１１ａを含む位置でのヒートシンクの断面３１ｄよりも外方に突出して設けられている。
【００１９】
また、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａの好ましい組合せ例としては、各部材は、例えばセラミックス基板１１が厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ、回路層１２が厚み０．４ｍｍの４Ｎ‐Ａｌ板、ヒートシンク３０が厚み４．２ｍｍの４Ｎ‐Ａｌ板、低熱膨張材３１の軸方向断面が長辺Ｈ：２ｍｍ×短辺Ｗ：１ｍｍのＡｌＮで構成される。
【００２０】
本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａのヒートシンク３０は、ヒートシンク３０と低熱膨張材３１とをろう付け接合することにより構成している。また、ヒートシンク３０と低熱膨張材３１とのろう付けは、回路層１２及びセラミックス基板１１との接合と同時に行うことができる。
まず、ヒートシンク３０の基台３３、低熱膨張材３１、蓋部３４をそれぞれろう材箔を介して重ねた状態としておく。そして、回路層１２を、ろう材箔を介在させてセラミックス基板１１の一方の面に積層するとともに、そのセラミックス基板１１の他方の面に、基台３３、低熱膨張材３１、蓋部３４を重ねたものをろう材箔を介在させて積層することにより、基板積層体４０を形成する。
この基板積層体４０を、カーボングラファイト層からなる板状のクッションシート５０との間に挟んだ状態とし、複数の基板積層体４０を、図４に示すような加圧治具１１０によって積層方向に０．３４ＭＰａ〜０．５４ＭＰａ（３．５ｋｇｆ／ｃｍ２〜５．５ｋｇｆ／ｃｍ２）で加圧した状態とする。
【００２１】
この加圧治具１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備え、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の基板積層体４０が配設される。
【００２２】
そして、この加圧治具１１０により基板積層体４０を加圧した状態で、加圧治具１１０ごと加熱炉（図示略）内に設置し、真空雰囲気中で６５０℃のろう付け温度まで加熱することによりセラミックス基板１１、回路層１２、ヒートシンク３０をろう付けして、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａを製造することができる。
【００２３】
本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａにおいては、ヒートシンク３０内に、ヒートシンク３０よりも熱膨張係数の低い低熱膨張材３１が、反りが発生し易いヒートシンク３０の長手方向Ｌに沿って配置され、且つパワーモジュール用基板１０との接合面の両端よりも外方に突出させて組み込まれていることから、ヒートシンク３０の全長にわたって反りの発生が抑制されている。なお、低熱膨張材３１は、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０との接合面における低熱膨張材の長手方向と同方向の両端１１ａを含む位置でのヒートシンクの断面３１ｄと少なくとも同一に設けることで、ヒートシンク３０の反りの発生を良好に抑制することができる。
また、低熱膨張材３１を棒状にして複数に分けて配置しているので、ヒートシンク３０の母材部分の金属と比べて熱伝導率の低い低熱膨張材３１を使用しても、各低熱膨張材３１を熱伝導性の高い金属の間に組み込むことができ、図１に破線矢印で示すように、そのヒートシンク３０の厚み方向に繋がる金属部分によって良好な放熱性能を確保することができる。
したがって、反りの発生を抑制できるとともに、良好な放熱性能を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板を構成することができる。
【００２４】
また、低熱膨張材３１は、その長手方向Ｌと直交する断面における長辺Ｈが、ヒートシンク３０の厚み方向ｈとほぼ平行に配置された構成とされており、反りが発生し易いヒートシンク３０の長手方向に対して、曲げ剛性が高くなるように配置されている。これにより、同じ低熱膨張材３１を、その長手方向と直交する断面における長辺Ｈがヒートシンク３０の幅方向ｗとほぼ平行になるように配置した場合と比べて、反りに対する抵抗力を高めることができる。
さらに、低熱膨張材３１を、その長手方向Ｌと直交する断面における長辺Ｈがヒートシンク３０の厚み方向ｈとほぼ平行になるように配置することで、各低熱膨張材３１の間に配置される金属部分の面積をより多く確保することができることから、低熱膨張材３１を、その長手方向と直交する断面における長辺Ｈが、ヒートシンク３０の幅方向ｗとほぼ平行になるように配置した場合に比べて、放熱性能を良好に確保することができる。
なお、低熱膨張材３１の長辺Ｈの配置は、ヒートシンク３０の厚み方向ｈとほぼ平行であればよく、ヒートシンク３０の厚み方向と厳密な平行でなくてもよい。その配置の多少の傾きは、ヒートシンク３０の放熱性能を阻害しない範囲内で許容される。
【００２５】
また、低熱膨張材３１は、少なくともヒートシンク３０の厚み方向ｈの両端面（上面３１ａ，下面３１ｂ）で、ヒートシンク３０と接合されることが好ましい。反りを抑制するためには、低熱膨張材３１の上下左右の全面で接合された状態として接合面を広く確保することが最も好ましい。また、ヒートシンク３０の反りは、そのヒートシンクの厚み方向と同一の方向に生じることから、少なくとも低熱膨張材３１の厚み方向ｈの両端面でヒートシンク３０の金属部分３２と接合する構成とすることで、低熱膨張材３１の剛性を良好に発揮させることができ、反りを好適に抑制することができる。
【００２６】
なお、上記実施形態では、セラミックス基板１１とヒートシンク３０とを直接接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａについて説明したが、図５に示すように、セラミックス基板１１とヒートシンク３０との間に、さらにアルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金等の金属板で形成された金属層１３を設けることもできる。
【００２７】
この図４に示す実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ｂにおいては、セラミックス基板１１と回路層１２、金属層１３及びヒートシンク３０とを一度にろう付けすることも可能であるが、セラミックス基板１１と回路層１２、金属層１３とをろう付け接合して、金属層１３を有するパワーモジュール用基板を作製した後に、その金属層１３にヒートシンク３０をろう付け接合することも可能である。後者の方法の場合、先に接合したパワーモジュール用基板に反りが生じている場合でも、ヒートシンク３０との接合により反りを矯正して平坦化することができる。
また、金属層１３とヒートシンク３０との間に、例えば、熱をヒートシンク３０の幅方向ｗに拡散させるための放熱板や、熱応力を緩和するための緩衝層を設けてもよい。
【００２８】
なお、本発明は上記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、上記実施形態では、低熱膨張材３１としてＡｌＮを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、ヒートシンク３０を構成する金属部分３２の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有するものであればよく、ＡｌＳｉＣ、アルミナや窒化珪素等を用いることもできる。
【符号の説明】
【００２９】
１０  パワーモジュール用基板
１０Ａ，１０Ｂ  ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板
１１ａ  両端
１２  回路層
１３  金属層
２０  電子部品
３０  ヒートシンク
３１  低熱膨張材
３１ａ  上面
３１ｂ  下面
３１ｃ  両端面
３１ｄ  断面
３２  金属部分
３３  基台
３３ａ  凸条部
３３ｂ  凹部
３４  蓋部
４０  基板積層体
５０  クッションシート
１００  パワーモジュール
１１０  加圧治具
１１１  ベース板
１１２  ガイドポスト
１１３  固定板
１１４  押圧板
１１５  付勢手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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