(57)【要約】【課題】高い冷却性能と熱応力発生に対する信頼性向上との両立が可能なパワーモジュールを提供する。【解決手段】第１のＡｌ層１０とセラミック板１２と第２のＡｌ層１４とをこの順に積層したＤＢＡ基板１６と、半導体チップ１８と、を有し、半導体チップの一方の主面側に、ハンダ２０を介して、ＤＢＡ基板１６の第１のＡｌ層１０が接合されており、第２のＡｌ層１４には、マイクロチャネルが形成されている。【選択図】図１
2008135595.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のＡｌ層とセラミック板と第２のＡｌ層とをこの順に積層したＤＢＡ基板と、半導体チップと、を有し、
前記半導体チップの一方の主面側に、ハンダを介して、前記ＤＢＡ基板の前記第１のＡｌ層が接合されており、
前記第２のＡｌ層にマイクロチャネルが形成されているパワーモジュール。
【請求項２】
前記半導体チップの他方の主面側に、ハンダを介して、前記ＤＢＡ基板の前記第１のＡｌ層が接合されており、
前記第２のＡｌ層にマイクロチャネルが形成されているパワーモジュール。
【請求項３】
前記ＤＢＡ基板の前記第２のＡｌ層側に、Ａｌ製の冷却部材が設けられている請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記第１のＡｌ層、前記第２のＡｌ層、および前記冷却部材の少なくともいずれかにおけるＡｌ純度が、９９．９９質量％以上である請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
半導体チップと、前記半導体チップの両主面側のそれぞれに設けられる一対の基板とを有し、
前記半導体チップの両主面側に、ハンダを介して、前記基板一方の面が接合されており、当該基板の他方の面にマイクロチャネルが形成されており、
前記基板が、第１のＡｌ層とセラミック板と第２のＡｌ層とをこの順に積層したＤＢＡ基板、または、第１のＣｕ層とセラミック板と第２のＣｕ層とをこの順に積層したＤＢＣ基板であるパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュールの小型化・大容量化が進むにつれて、モジュール内に実装されている半導体チップの温度上昇、並びに、この温度上昇及び温度勾配に伴い発生する熱応力の問題が顕在化してくる。こうした問題はパワーモジュールの信頼性低下を招くことになり克服されるべきである。パワーモジュールとしては、種々の形態のものが提案されている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。
【０００３】
非特許文献１で提案されているパワーモジュールにおいては、半導体チップに接合されている基板はＣｕ層／セラミックス板／Ｃｕ層の積層板（ＤＢＣ基板）からなり、その一方のＣｕ層に冷却流路が形成されていることが特徴となっている。そして、これにより高い冷却性能を実現しようとするものである。
【０００４】
しかし、このパワーモジュールでは、熱応力発生による信頼性の低下が懸念される。これはＣｕが半導体チップ（Ｓｉ）、及びセラミックスと比較して熱膨張係数が大きいため、温度上昇や温度勾配があるときには大きな熱応力が発生する可能性があることによる。したがって、このパワーモジュールでは高い冷却性能と熱応力発生に対する信頼性向上との両立は困難である。
【０００５】
特許文献１で提案されているパワーモジュールは、半導体チップがその上下面からはんだを介してＣｕ板でサンドイッチされ、さらに絶縁材を介して冷却器が配置された両面冷却構造を特徴としている。一方で、Ｃｕ板と半導体チップ（Ｓｉ）との熱膨張係数の違いによる熱応力発生が上記例と同様に懸念されるが、この課題に対しては樹脂モールドすることにより克服を試みている。樹脂モールドの効果は熱応力によって発生する各構造部材の変形を拘束することにあり、これによりモジュールの熱応力に対する信頼性が確保されることになる。
【０００６】
このモジュールは、ある程度は高い冷却性能と熱応力発生に対する信頼性向上との両立が達成されていると考えてよい。このように、熱応力の対策には樹脂モールドを行っているが、自動車用パワーモジュールに見られるような多数チップがモジュール内に配置される大面積モジュールにおいては、この樹脂モールドを完全に行うことは不可能である。したがって、このモジュールにおいても、高い冷却性能と熱応力発生に対する信頼性向上との両立が達成されているとは言い難い。
【特許文献１】特開２００３−１１００６４
【非特許文献１】ＡＰＥＣ２００６  ｐ８８５−ｐ８９１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上述べたように、従来技術において、高い冷却性能と熱応力発生に対する信頼性向上との両立は実現されていないと考えられる。
【０００８】
本発明は、高い冷却性能と熱応力発生に対する信頼性向上との両立が可能なパワーモジュール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】
【０００９】
上記目的は、下記本発明により達成される。すなわち、本発明は、第１のＡｌ層とセラミック板と第２のＡｌ層とをこの順に積層したＤＢＡ基板と、半導体チップと、を有し、前記半導体チップの一方の主面側に、ハンダを介して、前記ＤＢＡ基板の前記第１のＡｌ層が接合されており、前記第２のＡｌ層にマイクロチャネルが形成されているパワーモジュールである。半導体チップに最も近いところにマイクロチャネルが形成されているため、このマイクロチャネルに冷媒を流すことで、半導体チップからマイクロチャネルまでの熱抵抗を大幅に低減できる。また、マイクロチャネルの存在により、これが変形することで、熱応力を緩和することができる。以上のようにして、高い冷却性能と低い熱応力とを両立させることができる。
【００１０】
本発明のパワーモジュールは、下記第１〜第３の態様のうち、少なくともいずれかの態様を備えることが好ましい。
（１）第１の態様は、前記半導体チップの他方の主面側に、ハンダを介して、前記ＤＢＡ基板の前記第１のＡｌ層が接合されており、前記第２のＡｌ層にマイクロチャネルが形成されている態様である。このように、半導体チップの上下面を冷却することで、冷却性能をより優れたものとすることができる。また、上下両面で応力緩和を図ることができるので、熱応力をよる変形を効率的に抑えることができる。
（２）第２の態様は、前記ＤＢＡ基板の前記第２のＡｌ層側に、Ａｌ製の冷却部材が設けられている態様である。Ａｌ製の冷却部材を設けることで、さらに、冷却効率を高めることができる。
（３）第３の態様は、前記第１のＡｌ層、前記第２のＡｌ層、および前記冷却部材の少なくともいずれかにおけるＡｌ純度が、９９．９９質量％以上である態様である。Ａｌ純度を９９．９９％以上とすることで、降伏応力が低く変形し易くなり、熱応力をより緩和することができる。
【００１１】
また、本発明は、半導体チップと、前記半導体チップの両主面側のそれぞれに設けられる一対の基板とを有し、前記半導体チップの両主面側に、ハンダを介して、前記基板一方の面が接合されており、当該基板の他方の面にマイクロチャネルが形成されており、前記基板が、第１のＡｌ層とセラミック板と第２のＡｌ層とをこの順に積層したＤＢＡ基板、または、第１のＣｕ層とセラミック板と第２のＣｕ層とをこの順に積層したＤＢＣ基板であるパワーモジュールである。マイクロチャネルの存在により、上記同様に、高い冷却性能と低い熱応力とを両立させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高い冷却性能と熱応力発生に対する信頼性向上との両立が可能なパワーモジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［第１の形態］
本発明の第１の形態に係るパワーモジュールは、図１に示すように、第１のＡｌ層１０とセラミック板１２と第２のＡｌ層１４とをこの順に積層したＤＢＡ基板１６と、２つの半導体チップ１８と、を有し、半導体チップ１８の一方の主面側に、ハンダ２０を介して、ＤＢＡ基板１６の第１のＡｌ層１０が接合されており、第２のＡｌ層１４には、マイクロチャネルが形成されている。また、第２のＡｌ層１４は、冷却部材２２と接合している。なお、「主面」とは、半導体チップなどにおいて、その表面積が一番大きな面をいう。
【００１４】
当該パワーモジュールは、冷却性能が優れていることより、半導体チップ１８の温度上昇を低減させることが可能となる。一方、モジュール構造部材で発生する熱応力の問題に関しては、応力緩和機能が優れていることより温度上昇、あるいは温度勾配により発生する熱応力を低減させることが可能となる。つまり、本発明は高い冷却性能と低い熱応力とを両立した効果を有する。
【００１５】
ここで、このような冷却性能が優れる理由は、（１）半導体チップ１８を一方の面側から冷却し、（２）ＤＢＡ基板１６の一方の面側にある第２のＡ１層１４にマイクロチャネルを形成して半導体チップ１４を冷却し、半導体チップ１４からマイクロチャネルまでの熱抵抗を大幅に低減できるためと考えられる。また、マイクロチャネルが半導体チップ１８に最も近いところに形成されている点からも、熱抵抗を大幅に低減できる。
【００１６】
また、応力緩和機能が優れる理由は、ＤＢＡ基板１６におけるマイクロチャネルが形成された第２のＡ１層１４は、マイクロチャネルなしの場合と比較して剛性が小さく変形しやすいので、熱応力を緩和することができるためと考えられる。
【００１７】
第１の形態にかかるパワーモジュールは、図１と共通する部材について同一の符号を付して表す図２に示すように、ＤＢＡ基板１６を半導体チップ１８の両面に設けた構成としてもよい。すなわち、半導体チップ１８の両主面側に、ハンダ２０を介して、ＤＢＡ基板１６の第１のＡｌ層１０が接合されており、第２のＡｌ層１４にマイクロチャネルが形成されている。
【００１８】
このように、半導体チップ１８の上下面を冷却することで、冷却性能をより優れたものとすることができる。また、上下両面で応力緩和を図ることができるので、熱応力をよる変形をより効率的に抑えることができる。
【００１９】
第１の形態に係るパワーモジュールでは、図１および図２に示すように、さらに、ＤＢＡ基板１６の第２のＡｌ層１４側に、Ａｌ製の冷却部材２２を設けてもよい。Ａｌ製の冷却部材２２を設けることで、さらに、冷却効率を高めることができる。Ａｌ製の冷却部材２２としては、冷却効率を高めるフィンを設けた構成を採用することが好ましい。
【００２０】
第１のＡｌ層１０、前記第２のＡｌ層１４、および前記冷却部材２２の少なくともいずれかにおけるＡｌ純度は、９９．９９％以上であることが好ましい。９９．９９％以上とすることで、降伏応力が低く変形し易くなり、熱応力をより緩和することができる。特に、９９．９９％以上である場合のＡ１は非常に降伏応力が低くクリープもし易い。そのため、この材料を用いることにより予想以上の応力緩和効果が期待できる。上記すべての部材のＡｌ純度は、９９．９９％以上であることがより好ましい。
【００２１】
第１のＡｌ層１０および第２のＡｌ層１４の厚みは、それぞれ、０．３〜３ｍｍであることが好ましい。それぞれの厚みは同じにすることが好ましい。また、第２のＡｌ層１４に設けられるマイクロチャネルの溝深さ、溝幅、溝のピッチは、それぞれ、０．３〜３ｍｍ、０．３〜３ｍｍ、０．６〜６ｍｍであることが好ましい。また、セラミック板１２としては、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮなどを使用することができるが、熱伝導度を考慮すると、ＡｌＮが好ましい。セラミック板１２としては、０．２〜２ｍｍであることが好ましい。
【００２２】
ここで、半導体チップ１８としては、ＩＧＢＴ（ＭＯＳ  ＦＥＴとバイポーラトランジスタを組み合わせて１チップとした素子）、パワーＭＯＳ、パワートランジスタなどのトランジスタやダイオードなどが挙げられる。
【００２３】
［第２の形態］
本発明の第２の形態に係るパワーモジュールは、半導体チップと、前記半導体チップの両主面側のそれぞれに設けられる一対の基板とを有し、前記半導体チップの両主面側に、ハンダを介して、前記基板一方の面が接合されており、当該基板の他方の面にマイクロチャネルが形成されており、前記基板が、第１のＡｌ層とセラミック板と第２のＡｌ層とをこの順に積層したＤＢＡ基板、または、第１のＣｕ層とセラミック板と第２のＣｕ層とをこの順に積層したＤＢＣ基板である構成となっている。
【００２４】
すなわち、図２に示す態様、または、図２に示す態様でＤＢＡ基板の代わりにＤＢＣ基板を使用する態様となる。ＤＢＡ基板の代わりにＤＢＣ基板を使用する態様としても、第１の形態に係るパワーモジュールと同様に、高い冷却性能と低い熱応力とを両立させることができる。但し、熱応力の緩和を考慮すると、第１の態様のほうが好ましい場合がある。
【実施例】
【００２５】
本発明を下記実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２６】
（実施例１）
２個の半導体チップ（ＩＧＢＴおよびダイオード）を用意し、これらの半導体チップの下面にはんだを介してＤＢＡ基板（セラミック板にはＡｌＮ（０．６３５ｍｍ）を使用）を接合してパワーモジュールを作製した（構造は、図１参照）。接合されたＤＢＡ基板に関して、片側のＡｌ層（第２のＡｌ層（１ｍｍ））にはマイクロチャネル（ストライプパターンを有する冷却媒体を流す流路）が形成されているものを使用した。また、ＤＢＡ基板の外側にはＡｌ製の冷却器（冷却部材）をろう付けにより接合した。ＤＢＡ基板のＡ１層に形成されたマイクロチャネル、及びＤＢＡ基板外側に設けられた冷却器には冷却水が流れるように設計しており、これによって、半導体チップは下面から２重に冷却されることになる。ＤＢＡ基板のそれぞれのＡ１層及び冷却器を構成するＡ１の純度は、９９．９９％とした。また、マイクロチャネルの溝深さ、溝幅、溝のピッチは、それぞれ、１ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍとした。
【００２７】
（実施例２）
２個の半導体チップ（ＩＧＢＴおよびダイオード）を用意し、これらの半導体チップの上下面両サイドからはんだを介してＤＢＡ基板（セラミック板にはＡｌＮ（０．６３５ｍｍ）を使用）を接合してパワーモジュールを作製した。上下に接合された２つのＤＢＡ基板に関して、片側のＡ１層（第２のＡｌ層（１ｍｍ））にはマイクロチャネル（ストライプパターンを有する冷却媒体を流す流路）が形成されているものを使用した。２つのＤＢＡ基板のそれぞれの外側には、Ａ１製の冷却器（冷却部材）をろう付けにより接合した。ＤＢＡ基板のＡ１層に形成されたマイクロチャネル、及びＤＢＡ基板外側に設けられた冷却器には冷却水が流れるように設計しており、半導体チップは上下面両サイドから２重に冷却されることになる。ＤＢＡ基板のそれぞれのＡ１層及び冷却器を構成するＡ１の純度は、９９．９９％とした。また、マイクロチャネルの溝深さ、溝幅、溝のピッチは、それぞれ、１ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍとした。
【００２８】
ここで、Ａ１の応力−ひずみ特性を図３に示す。この結果を見ると、Ａ１はＣｕと比較して非常に降伏応力が低く顕著なクリープを示すことが分かり応力緩和に優れた材料であることが分かる。
【００２９】
また、Ａｌ純度を異なるものとした場合の応力−ひずみ特性を図４に示す。図４より、Ａｌの純度が大きくなるに従い、応力が小さくなり、優れた応力緩和効果が発揮されていることが分かる。
【００３０】
以上から、実施例１および実施例２のパワーモジュールは、優れた応力緩和効果を発揮することが期待される。また、半導体チップに最も近いところにマイクロチャネルが形成されているため、このマイクロチャネルに冷媒を流すことで、半導体チップからマイクロチャネルまでの熱抵抗を大幅に低減できることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】パワーモジュールの構造を示す断面図である。
【図２】パワーモジュールの構造を示す断面図である。
【図３】Ａ１およびＣｕの応力−ひずみ特性を示す図である。
【図４】Ａｌ純度を異なるものとした場合の応力−ひずみ特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０・・・第１のＡｌ層
１２・・・セラミック板
１４・・・第２のＡｌ層
１６・・・ＤＢＡ基板
１８・・・半導体チップ
２０・・・ハンダ
【図１】
2008135595.tif 000003
【図２】
2008135595.tif 000004
【図３】
2008135595.tif 000005
【図４】
2008135595.tif 000006