(57)【要約】【課題】半導体モジュールの製造工程において、基板をハンダにより放熱板に接続する際に生じる放熱板の反りを解消するとともに、基板と放熱板との間において、熱抵抗を十分に低く保ち、特に高温におけるモジュールと外部放熱部材との接触性を強化して低い熱抵抗を維持することを課題とする。【解決手段】半導体素子３を実装した基板を、放熱板１にハンダ付けした半導体モジュールにおいて、放熱板１を３層とし、該放熱板の基板取付け側金属層１１の厚さを反対側金属層１２の厚さより薄くし、上下面において熱膨張率を調節する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を実装した基板を、放熱板にハンダ付けした半導体モジュールにおいて、放熱板を３層とし、該放熱板の基板取付け側金属層の熱膨張率を反対側金属層の熱膨張率より小さくしたことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
半導体素子を実装した基板を、放熱板にハンダ付けした半導体モジュールにおいて、放熱板を３層とし、該放熱板の基板取付け側金属層の厚さを反対側金属層の厚さより薄くしたことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項３】
半導体素子を実装した基板を、放熱板にハンダ付けした半導体モジュールにおいて、放熱板を３層とし、該放熱板の基板取付け側金属層の厚さを１とした場合の反対側金属層の厚さを１．５乃至５としたことを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール構造、特に基板上にＩＧＢＴ素子が実装され、この基板をはんだ付けする放熱板構造を改善する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化を実現すべく、電子回路の高密度化が要請されているとともに、高出力化が要求されている。このため、回路基板の放熱を考慮した設計が重要となってきている。回路基板の放熱性を改良する技術として、従来のガラス−エポキシ樹脂によるプリント基板に対し、銅やアルミニウムなどの金属板を使用し、この金属板の片面もしくは両面に電気絶縁層を介して回路パターンを形成する金属ベース基板が知られている。
そして、より高熱伝導性を要求される場合は、アルミナや窒化アルミなどのセラミック基板に銅板を接合した基板が利用されている。
【０００３】
このような放熱性を高めることを目的とした基板においては、基板を用いて作製した半導体モジュールを外部の放熱部材に接触させ、半導体および各部品から発生した熱を速やかに外部放熱部材に伝達し、半導体および各部品の温度が一定の値を超えないようにして使用することが一般的である。このため、基板の外部放熱部材との接触面における熱伝導率が重要となる。
この接触面における熱伝導率を高い状態で維持するためには、回路基板の放熱板と外部放熱部材をしっかり固定することと、これらを十分に接触させ、その間の熱抵抗を小さくすることが重要である。
【０００４】
回路基板においては、外部放熱部材との接触性を高め、熱抵抗を小さくするためには、回路基板の平面度が重要にとされている。
回路基板のそりが小さければ、必然的に両者間の隙間が少なく、その間の熱抵抗が高くなると考えられている。特に回路基板がその放熱板側からみて凹方向に反っている場合、その反りが大きければ基板を外部放熱部材に固定する四隅あるいは辺では接触していても、その中央部分では接触しておらず、その結果熱抵抗が高くなり、モジュールの温度が高くなりすぎて動作異常や部品の故障が発生しやすくなる。逆に、回路基板がその放熱板側から見て凸方向に反っている場合、回路基板と外部放熱部材との接触性は良好になるが、固定するときにその間に応力が発生し、絶縁層の割れやクラックが発生したり、配線パターンあるいは放熱板と絶縁層との間で剥離が発生するという課題を有していた。
【０００５】
放熱部材において、回路基板と放熱板とはハンダで接合される。パワーモジュールの構成で放熱板は素子で発生する熱を系外へ排出する役目を持つが素子を搭載する表面側と冷却水側となる裏面とでは温度差がある。そして、放熱板の熱膨張率を低くし、熱伝導性を高くすべく、積層構造の放熱板が用いられている。
【０００６】
このように、回路基板の熱伝導率を維持する技術として、絶縁層の組成により熱伝導性をを確保する技術が知られている（特許文献１を参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１７０９１１号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパワーモジュールなどにおいては、回路基板と放熱板とを個別に平坦に維持する方法が取られている。しかし、問題となるのは、実際の使用状態における回路基板の冷却効率であり、回路基板を放熱板に取り付けた状態での使用状況における回路基板上の素子の放熱性である。このため、基板を取り付けた状態の放熱板の平坦性が問題となる。
図５は従来の基板と放熱板との接合工程を示す図である。まず、図５（ａ）に示すように、基板２は放熱板１上に配設される。そして、図５（ｂ）に示すごとく、基板２と放熱板１との間のハンダは加熱により溶解し、冷却する。冷却過程においては、ハンダが硬化してゆくため、収縮しようとする放熱板との間において応力干渉しあい、冷却が完了する時には中央部が盛り上がるような反りが発生する。
本発明はこれらの課題を解決するべく、回路基板を放熱部材に固定して使用する際に熱抵抗を十分に低く保ち、特に高温におけるモジュールと外部放熱部材との接触性を強化して低い熱抵抗を維持することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者は、このような課題を解決すべく、基板が取付けられた状態での放熱板の反りを考慮して、パワーモジュール全体における熱バランス考慮したものである。
そして、課題を解決すべく、本発明は次のような手段を用いる。
請求項１に記載のごとく、半導体素子を実装した基板を、放熱板にハンダ付けした半導体モジュールにおいて、放熱板を３層とし、該放熱板の基板取付け側金属層の熱膨張率を反対側金属層の熱膨張率より小さくする。
【００１０】
請求項２に記載のごとく、半導体素子を実装した基板を、放熱板にハンダ付けした半導体モジュールにおいて、放熱板を３層とし、該放熱板の基板取付け側金属層の厚さを反対側金属層の厚さより薄くした。
【００１１】
請求項３に記載のごとく、半導体素子を実装した基板を、放熱板にハンダ付けした半導体モジュールにおいて、放熱板を３層とし、該放熱板の基板取付け側金属層の厚さを１とした場合の反対側金属層の厚さを１．５乃至５とした。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
図１はパワーモジュールの構成を示す側面断面図である。
パワーモジュールは素子３、基板２、放熱板１より構成されている。本実施例において、素子３はＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）素子であり、基板２はＤＢＡ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｒａｚｅｄ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ）基板である。
素子３は基板２上に配設されており、ハンダ層４により素子３と基板２とが接続されている。基板２の上下面には、アルミパターン層２ａ・２ｂが構成されており、アルミパターン層２ａの上方において素子３が、アルミパターン層２ｂの下方において放熱板１がそれぞれ基板２に接続されている。
放熱板１の上下面には、金属層１１・１２が構成されている。金属層１１の上にハンダ層１０により基板２が取付けられている。
そして、素子３の周辺には、バイパスバー５・６が配設され、ワイヤボンド５ａ・６ａにより、素子３や基板２がバイパスバー５・６と配線されるものである。
【００１３】
本実施例において、放熱板１の主材はモリブデンもしくはモリブデン−銅合金の板体により構成されており、その板体表面に金属層１１・１２を構成するものである。金属層１１・１２は主材に板状部材を接合することにより構成されるものであり、接合方法としては圧接や接着などを用いることが出来るものである。
放熱板１において、金属層１１の厚みは金属層１２の厚みよりも薄く構成されており、金属層１１・１２には同一の金属を使用することが可能である。金属層１１・１２に用いられる金属としては、銅やアルミを利用することができるものである。すなわち、放熱板１はモリブデンもしくはモリブデン−銅合金の板体を銅もしくアルミの金属層により挟んだ構成となっている。
放熱板１において、主材をモリブデンもしくはモリブデン−銅合金とし、主材を銅やアルミにより挟むことにより、放熱板１を複合材として構成でき、低い膨張性と、高い熱伝導率とをもつ放熱板とすることができる。
また、このように放熱板１を構成することにより、放熱板１の製作が容易であり、高い品質を維持できるとともに、製造にかかるコストを低減できる。
【００１４】
金属層１１・１２は、厚さにおいて一定の比率に調節されるものであり、基板２が装着される金属層１１の厚みに対して、金属層１２の厚みを１．５〜５とするものである。すなわち、放熱板１において、素子３が配設された側の金属層を薄くし、反対側の金属層を厚く構成するものである。
そして、放熱板１が、常温時には平坦であり、加熱された場合には、放熱板１が下に凸となるように構成するものである。
【００１５】
表１は本実施例のパワーユニットを構成する部材の物性を示すものである。
【表１】
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【００１６】
表１に示すごとく、放熱板１は、本実施例に示すモリブデンのように膨張率の低い部材を、銅もしくはアルミニウムのように熱伝導率の高い部材で挟むことにより、膨張率が低く熱伝導性に優れた放熱板を低コストで構成することができる。
【００１７】
次に、図２を用いて、基板２と放熱板１との接続構成について説明する。
図２は本実施例における放熱板と基板との接続過程を示す模式図である。
図２において、放熱板１と基板２は、常温状態において、単に重ね合わせているだけであり、常温下で放熱板１は平坦な形状である。放熱板１と基板２との間にはハンダがあり、放熱板１とともに基板２を徐々に加熱して、ハンダを溶融させた後に冷却してハンダを硬化させる。これにより、基板２が放熱板１に取り付けられる。
本実施例において、放熱板１の両面には厚さの異なる金属層１１・１２が設けられており、ハンダが溶融する２７０℃では金属層の熱膨張差で反りが発生する。そして、冷却が始まると徐々に反りが減少していく。これにより、冷却完了時にはほぼ平坦な形状となる。
【００１８】
図３はハンダの凝固過程と反りの戻り過程を示す模式図である。
図３を用いて、ハンダと反りの変化について説明する。図３の（ａ）の状態では放熱板１の上にハンダ１０、基板２が重ねられている。これを加熱すると、ハンダ１０の融点を越えてハンダ１０が溶ける。そして、放熱板１においては、上面の金属層が薄く構成され、下面の金属層が厚く構成されているので、上面の熱膨張にくらべて下面の熱膨張が大きくなり、放熱板１が下に凸となる。これにより、図３の（ｂ）に示す状態となる。
そして、冷却を行うとハンダ１０は表面から徐々に凝固する。この際、図３の（ｃ）に示すように、ハンダ１０における体積の減少により、基板２と放熱板１との間において、ハンダ１０の内側に引き寄せる方向の力が発生する。これとともに、冷却過程において上下面の金属層の膨張が減少して、放熱板１の反りが減る。これにより、常温状態では図３の（ｄ）に示すごとく、放熱板１が平坦に保たれる。
【００１９】
基板２と放熱板１との間において、ハンダ１０の体積変化とともに放熱板１の反りを戻すことと成るので、ハンダ１０内部に発生する応力を減少できるとともに、ハンダ１０の体積変化による影響を基板２および放熱板１に与えにくく、効率的な熱伝達を維持することができる。
【００２０】
次に、放熱板１に構成される上下面の金属層１１・１２の構成について説明する。図４は放熱板の上下面の金属層の厚みの比率と基板を取り付けた放熱板の反り量との関係を示す図である。縦軸は反り量であり、横軸は上面の厚みに対する下面の厚みの比率である。縦軸において数値がプラスであるものは放熱板中央が上方に反る場合、すなわち凸状である。
比率１は従来の放熱板を示すものであり、上下面の金属層の厚みを変えて、各比率の放熱板について測定を行った。
従来の放熱板は、ハンダにより基板を取り付けた状態で、常温での反り量は３．５ｍｍであった。そして、厚みの比率を１．５とすることにより反り量が大幅に減少した。さらに、厚みの比率を大きくするにつれて放熱板の反り量が減少していった。すなわち、上面に基板を取り付ける放熱板において、放熱板上面の金属層が下面の金属層より薄くなれば反り量が明確に減少する。
また、金属層の厚み調節は、金属層の熱膨張調節の１つの手段である。このほかに、金属層の厚みを放熱板の上下面において調節可能であれば、膨張率の異なる金属を用いて、放熱板を構成することも可能である。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１に記載のごとく、半導体素子を実装した基板を、放熱板にハンダ付けした半導体モジュールにおいて、放熱板を３層とし、該放熱板の基板取付け側金属層の熱膨張率を反対側金属層の熱膨張率より小さくするので、ハンダ付けの過程において基板を接続するハンダと放熱板の膨張率の差とが相殺され、常温で基板が取付けられた放熱板を平坦に構成できる。ハンダによる反りを膨張率の調節により解消するので、温度調節により、半導体モジュールの反りを解消でき、既存のハンダ付けの工程を利用できる。
【００２２】
請求項２に記載のごとく、半導体素子を実装した基板を、放熱板にハンダ付けした半導体モジュールにおいて、放熱板を３層とし、該放熱板の基板取付け側金属層の厚さを反対側金属層の厚さより薄くしたので、容易な構成により放熱板の上下面において熱膨張率を調節できる。また、金属層としてアルミもしくは銅を利用し、放熱板の主材としてモリブデンもしくはモリブデン−銅合金を利用することにより、既存の材料を利用して平坦性の高い半導体モジュールを構成できる。そして、半導体モジュールの製造コストを軽減できる。
【００２３】
請求項３に記載のごとく、半導体素子を実装した基板を、放熱板にハンダ付けした半導体モジュールにおいて、放熱板を３層とし、該放熱板の基板取付け側金属層の厚さを１とした場合の反対側金属層の厚さを１．５乃至５としたので、容易な構成により放熱板の上下面において熱膨張率を調節できる。半導体モジュールの熱伝導性の品質を容易に管理可能であり、半導体モジュールの製造コストを軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】パワーモジュールの構成を示す側面断面図。
【図２】本実施例における放熱板と基板との接続過程を示す模式図。
【図３】ハンダの凝固過程と反りの戻り過程を示す模式図。
【図４】放熱板上下面の金属層の厚みの比率と基板を取り付けた放熱板の反り量との関係を示す図。
【図５】従来の基板と放熱板との接合工程を示す図。
【符号の説明】
１  放熱板
２  基板
３  素子
４  ハンダ
５  バスバー
６  バスバー
１１  金属層
１２  金属層
【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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