(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製ヒートシンク上に、セラミックス回路基板を接合してなるモジュールであって、セラミックス回路基板のアルミニウム金属回路上に、アルミニウム合金箔を介し、更に、ニッケル、クロム又はチタンのいずれか１種以上を主成分とする金属を介して、モリブデンを主成分とする金属が接合され、且つ、セラミックス回路基板が接合された面と反対のヒートシンク裏面が凸面状に反り、しかも前記反りの量が、測定スパン５０ｍｍにおいて、２０μｍ以上１２０μｍ未満であることを特徴とするモジュール。
【請求項２】
金属製ヒートシンクの片面に、セラミックス回路基板、モリブデンを順次配置して積層物を得て、更に、面内の任意の方向に所定の曲率半径を有する凹面と凸面とを一対とする型を用いて、前記積層物を前記凹凸両面間に挟み込んだ状態下で、加圧し、一体化することにより、該ヒートシンク裏面が凸面状になることを特徴とする請求項１記載のモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス回路基板を銅等の金属からなるヒートシンクを介して放熱フィン等に接合してなるモジュール、ことに電源用途向けのパワーモジュールとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＩＧＢＴやＩＰＭを初めとするパワーモジュール等においては、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス基板からなる回路基板を、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属からなるヒートシンクに半田付けした後、樹脂ケース等を取り付ける工程を経てパワーモジュールとすることが一般的である。
【０００３】
一方、電鉄車両やハイブリッドカーを含む電気自動車用途において、最近、パワーモジュールに一層の高信頼性が要求されている。しかし、パワーモジュールの信頼性を損なう要因として、使用されているセラミックス基板の割れや、セラミックス基板とヒートシンクとの接合に使用されている半田にクラックが発生することが知られている。
【０００４】
セラミックス基板に発生するクラックは絶縁不良の原因となるし、セラミックス基板とヒートシンクとの間の半田に発生するクラックは放熱性を悪化させ、その結果半導体素子の動作不能を引き起こす。前記問題の発生は、パワーモジュールとしての寿命を縮めることに直結してしまうので、前記問題の発生を極力防止し、長期に渡って信頼性の高いモジュールが求められている。
【０００５】
上記の事情から、セラミックス基板に生じるクラックを防止するために、応力緩和性に優れるアルミニウム（Ａｌ）金属を、回路用金属として用いることや、セラミックス基板とヒートシンクとの間の半田に発生する熱応力を低減させるためセラミックス基板の熱膨張率に近いＡｌ−ＳｉＣ複合材等の複合材をヒートシンクとして用いることが検討されている。
【０００６】
セラミックス基板と複合材からなるヒートシンクとを組み合わせて得られるモジュールは、高信頼性を有し、電鉄車両やハイブリッドカーなどに好適なものであるが、モジュール本体価格が高価であることが大きな欠点となっており、用途拡大の足かせになっている。
【０００７】
その理由は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材等の複合材が従来の金属製ヒートシンクに比べて特殊な製法を採用せざるを得ない上に、加工工程や表面処理工程のコストが高く、金属製ヒートシンクの数倍と高価になってしまうからである。加えて、ヒートシンク形状は、モジュールの大きな部分を占めることから、パワーモジュールの価格に占める割合も多いことも一因である。このため、安価な金属製ヒートシンクを用いながらも、信頼性が高いパワーモジュールの開発が熱望されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、これまで省みることが無かったパワーモジュール構造とその信頼性との関係を明らかにし、安価な金属板をヒートシンクとして用い、Ａｌ−ＳｉＣ複合材等の複合材からなるヒートシンクを用いた場合と同等若しくはそれ以上の高い信頼性を達成するモジュールを提供することを目的としている。
【０００９】
前述したとおり、安価な金属製ヒートシンクを用いたパワーモジュールにおいては、組み立て工程や実使用条件下で受ける熱応力に原因して、半田クラックの発生、あるいは半田接合の劣化が生ずることが知られている。
【００１０】
前記問題に対して、セラミックス基板に劣化し易い半田を使用すること自体が信頼性低下の原因となってしまうとの考えから、半田に代えて高融点ロウ材を用いて、ヒートシンクとセラミックス基板とを直接に接合する（以下、直付けという）構造を採用することで信頼性の向上を期待する検討もされている（特開平９−９７８６５号公報、特開平１０−２７０５９６号公報参照）。
【００１１】
しかしながら、本発明者は、前記の直付け構造を持つパワーモジュールについて検討したところ、後述する直付け構造固有の二つの問題点が存在することを見出したものである。
【００１２】
＜モジュール底面の反りに由来する放熱性悪化の問題＞
金属製ヒートシンク、例えば銅（熱膨張率は１７ｐｐｍ／℃）を用いる場合、その熱膨張率はセラミックス基板の熱膨張率（４〜５ｐｐｍ／℃）と比べて大きく異なるため、６００℃〜９００℃で接合した後に、発生する熱応力によりヒートシンクの面（放熱フィン等の放熱ユニットに接合する面、以下モジュール底面という）が大きく反る。
【００１３】
そしてその反りはモジュール底面が凹となるため、放熱ユニットに接合しようとするときに放熱ユニットとモジュール底面との間に隙間が発生し、仮に前記隙間に放熱グリースが存在しても、熱伝導性が悪くなり、モジュールを構成している半導体素子等の電子部品の温度が上昇する。
【００１４】
＜使用中に発生する半導体素子搭載部での半田クラック発生の問題＞
セラミックス基板とヒートシンクが直付けされても、基板上の半導体素子は依然としてセラミックス回路基板上の回路に半田付けされて使用することになるが、その場合、基板に加わる応力が直付けされたことにより、従来のモジュールの場合に比べて大きくなり、セラミックス基板上の半導体素子の下の半田に加わる熱応力もまた大きくなるため、半導体素子の下の半田クラックが発生し易くなるなる。
【００１５】
前記の理由は明かでないが、本発明者は、従来のモジュールの場合にはセラミックス基板とヒートシンクとの間の熱応力は、半田自身の塑性変形によってかなり緩和されていたためで、半導体素子の半田に加わる熱応力は低減されていたからであると推察している。
【００１６】
前記の二つの問題が発生すると、いずれの場合においても、モジュール中の半導体素子等の電子部品や回路から発生する熱の放散性を悪化させ、半導体素子の温度を上昇させることになり、半導体素子の誤動作を生じたり寿命を短くする等の現象を引き起こすので、実用上好ましくない。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記事情に鑑みて鋭意検討、具体的には、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクとの組み合わせについて、いろいろなモジュールを試作し、その信頼性を評価することにより、特定の形状を有するモジュールが、長期間に渡って半田クラック、基板クラックが発生しがたく、熱放散性に優れることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１８】
即ち、本発明は、金属製ヒートシンク上に、セラミックス回路基板を接合してなるモジュールであって、ヒートシンク裏面が凸面状に反り、しかも前記反りの量が、測定スパン５０ｍｍにおいて、２０μｍ以上１２０μｍ未満であることを特徴とするモジュールであり、好ましくは、前記セラミックス回路基板の回路上に、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）のいずれか１種以上を主成分とする金属を介して、モリブデン（Ｍｏ）を主成分とする金属を接合していることを特徴とする前記のモジュールである。
【００１９】
又、本発明は、金属製ヒートシンクの片面に、セラミックス回路基板、モリブデンを順次配置して積層物を得て、更に、任意の方向に所定の曲率半径を有する凹面と凸面とを一対とする型を用いて、前記積層物を前記凹凸両面間に挟み込んだ状態下で、加圧し、一体化することを特徴とするモジュールの製造方法であり、好ましくは、積層物が、セラミックス回路基板とモリブデンとの間に、更にニッケル、クロム又はチタンのいずれか１種以上を主成分とする金属を介在させることを特徴とする前記のモジュールの製造方法である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明は、本発明者がいろいろ実験的に検討した結果、金属製ヒートシンク上にセラミックス回路基板をロウ付けにより接合してなるモジュールであって、ヒートシンク裏面が凸面状に反り、しかも前記反りの量が、測定スパン５０ｍｍにおいて、２０μｍ以上１２０μｍ未満であるという特定の形状を有するときに、長期間に渡って半田クラック、基板クラックが発生しがたく、熱放散性に優れるモジュールが得られるという知見を得て、本発明に至ったものである。ヒートシンク裏面の形状が前記特定な形状を有しない場合には、本願発明の目的を達成することができない。
【００２１】
更に、本発明において、セラミックス回路基板の回路上に、ニッケル、クロム又はチタンのいずれか１種以上を主成分とする金属を介して、モリブデンを主成分とする金属を接合していることが好ましい。前記構成を採用することで、セラミックス回路基板の熱膨張率を抑制し、金属製ヒートシンクと接合したときに、容易に所望量の凸面状の反りを達成できるし、本願発明の目的をより一層達成しやすくなる。
【００２２】
本発明に用いられるセラミックス回路基板に関して、セラミックス基板は必要とされる絶縁特性や熱伝導率や機械強度などの特性を満たしていればどの様なものでも構わないが、高熱伝導率セラミックスである窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、或いは高い強度と比較的高い熱伝導率を兼ね備えた窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）がより好適である。
【００２３】
前記セラミックス基板上に設けられる回路としては、良導電性の金属であれば何でもかまわないが、安価で熱伝導率が高い銅やアルミニウムが好ましく用いられる。また、前記銅やアルミニウムとしては、電気伝導率が高く、応力発生に対して塑性変形能が高い、高純度のものが好ましい。
【００２４】
また金属製ヒートシンクに用いる金属については、安価で熱伝導率が高い銅やアルミニウム、またはそれらを主成分とする合金などが好ましく用いられる。
【００２５】
本発明のモジュールを得る方法としては、従来公知の方法を適用することで得ることも出来るが、後述する方法が再現性良く、また生産性高く本発明のモジュールを得ることができる。
【００２６】
即ち、所望の形状の凹面とそれと同一形状の凸面とを一対とする型内の前記凹凸面間に、一主面上に回路を設けたセラミックス基板（セラミックス回路基板）と、前記セラミックス基板の回路を設けていない面側に、ロウ材を介して、金属製ヒートシンクを配置して、加圧下でロウ材の一部を溶融するように加熱して、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクとを接合する。
【００２７】
その後、セラミックス回路基板の回路上に半導体素子等の電子部品を搭載し、ワイヤーボンディングする等の操作を加えて回路形成する。その後、金属製ヒートシンク裏面に、高熱伝導性グリースを塗布後、放熱フィン等の放熱ユニットに取り付ける。
【００２８】
本発明に用いるロウ材は、セラミックス基板と回路を構成する金属に応じて適宜選択すれば良いが、回路用金属が銅の場合にはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ロウ材がセラミックス回路基板と金属製ヒートシンク、或いはセラミックス基板と回路用金属との接合力が高いので好ましい。
【００２９】
また、アルミニウムからなる回路を有する窒化アルミニウム回路基板を銅製のヒートシンクに接合する場合には、マグネシウムと、銅とゲルマニウムとケイ素とからなる群から選ばれる２種以上の元素とを含有するアルミニウム合金が、窒化アルミニウム基板と銅製ヒートシンクとの密着性に優れ、本発明の目的を確実に達成できるので、好ましい。
【００３０】
ことに、前記アルミニウムからなる回路を有する窒化アルミニウム回路基板において、ロウ材としてＪＩＳ呼称２０１７アルミニウム合金を用いると、前記アルミニウム合金は接合の際に、回路のアルミニウムと容易に一体化するので、更に好ましい。
【００３１】
セラミックス回路基板の回路上に、ニッケル、クロム又はチタンのいずれか１種以上を主成分とする金属を介して、モリブデンを主成分とする金属を接合させるために、前記操作において、セラミックス基板の回路外側に、ニッケル、クロム又はチタンのいずれか１種以上を主成分とする金属を配置し、更に外側にモリブデンを主成分とする金属を配置しておけばよい。
【００３２】
前記ニッケル、クロム、チタンについては、無電解メッキを初めとするメッキ法等の公知技術を適用して、回路上に形成しても良いし、モリブデンを主成分とする金属側に形成していても構わないが、後者の方法が作業性に優れる利点がある。
【００３３】
セラミックス回路基板の回路にモリブデンを接合させる際の、ニッケル、クロム、チタンの金属の厚みは、回路とモリブデン板の接合力が発揮できる程度であれば良いが、本発明者の検討によれば、５〜２０μmが好適である。また、モリブデン板の厚さについては１００〜５００μmであれば、半田クラック発生等の問題なく用いることができる。
【００３４】
【実施例】
〔実施例１〜３〕
セラミックス基板として、３５×３５×０．６３５ｍｍの窒化ケイ素基板で、レーザーフラッシュ法による熱伝導率が７５Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強さの平均値が５６０ＭＰａのものを用意した。また、回路用の金属板として３２×３２×０．４ｍｍのＪＩＳ呼称１０８５アルミニウム板を用意した。
【００３５】
前記窒化ケイ素基板の表裏両面に、ＪＩＳ呼称２０１７アルミニウム合金箔（２０μｍ厚さ）を介して前記アルミニウム板を重ね、垂直方向に３００ＭＰａで加圧した。そして、１０-2Ｐａの真空中、温度６３０℃×２０ｍｉｎの条件下で加熱しながらアルミニウム板と窒化ケイ素板とを接合した。接合後、アルミニウム板表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理することにより回路パターンを形成し、セラミックス回路基板を作製した。
【００３６】
次に、ヒートシンクとして、７０×１３０×３ｍｍサイズの無酸素銅板に、厚み１０μｍの無電解Ｎｉ−Ｐメッキを全表面に施したものを用意した。そして、前記セラミックス回路基板と前記銅製ヒートシンクとの間に、厚さ２０μｍのＪＩＳ呼称２０１７アルミニウム合金箔を入れ、さらに無電解Ｎｉ−Ｐメッキを施した厚み１３×１３×０．２ｍｍモリブデン板をセラミックス回路基板上の回路上にＪＩＳ呼称２０１７アルミニウム合金箔をはさみ（図１参照）、黒鉛治具で加圧した。ここで、黒鉛治具としては、凹面を有する板と凸面を有する板を一対として、前記凹凸面がスパン５０ｍｍで３００μｍ（実施例１）、２００μｍ（実施例２）、１００μｍ（実施例３）のものを用いた。また、黒鉛治具で加圧しながら接合する際に、加圧力３００ＭＰａを負荷した状態で６１０℃×４ｍｉｎの加熱条件で接合した。得られたモジュールの底面の反り状態を以下に示す方法で測定した。
【００３７】
＜モジュール底面の反り測定方法＞
モジュール底部において、レーザー式深度計を用いて、セラミックス回路基板中心部を基点とし、試料ステージを移動させることによりスパン５０ｍｍの幅内で１０ｍｍ間隔で立体形状を数値化する。そして得られた数値についてスパン端部が原点になるように各点を補正し、その絶対値が最大となる位置の数値を反り量とする。
【００３８】
次に、前記モジュールの回路並びにモリブデン表面に無電解Ｎｉ−Ｐメッキを施し、半田付けが可能な状態にし、更に、半導体素子代わりにヒーターを回路に半田付けし、モジュール底面に放熱ユニットを放熱用シリコーングリースを介して設置し、各部の温度を熱電対により測定することによってモジュールとしての冷却性能を調べた。なお、試験中のヒーター出力を１００Ｗ、放熱ユニットの温度を６０℃に固定して測定した。結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
0004627839.tif 000002
【００４０】
〔比較例１〕
平板状の面を有する黒鉛治具を用いて接合したこと、またモリブデン板を積層しないこと以外は実施例１と同じ操作でモジュールを作製し、実施例１と同じ評価を行った。結果を表１に示す。
【００４１】
実施例１〜３並びに比較例１の対比から、反りが＋方向に反るほどに半導体素子の温度が低くなり５０μｍ以上で本発明の目的が達成できるが、あまりに大きな反りであると半田付けに支障が生じるため、反り量の上限値は１２０μｍであることが明かである。また、本発明のモジュールは、冷却特性評価においても、半導体素子の温度は比較例のそれに比べて低く、パワーモジュールとして充分な性能を有するものである。
【００４２】
〔実施例４〕
実施例１において、無電解Ｎｉ−Ｐメッキされた１３×１３×０．１ｍｍのモリブデン板に変更し、更に前記モリブデン板上に１３×１３ｍｍのＳｉチップを半田付けして図２の積層構造を有するモジュールを作製した。ここで、無電解Ｎｉ−Ｐメッキされたモリブデン板のセラミックス回路基板上の回路への接合は、やはり無電解Ｎｉ−Ｐメッキされた銅製ヒートシンクを接合するときに、同時に行った。得られたモジュールについて、実施例１に示した方法で底面の反りを評価した後、以下に示す信頼性試験に供した。この結果を表２に示す。
【００４３】
＜信頼性試験方法＞
モジュールについて、−４０℃×３０分〜１２５℃×３０分を１回とするヒートサイクル試験を行い、５００回、１０００回、３０００回経過後に、Ｓｉチップ下の半田クラック発生状況をＳＡＴ（超音波映像探傷装置）により調べる。
【００４４】
【表２】
0004627839.tif 000003
【００４５】
〔比較例２〕
セラミックス回路基板の回路とモリブデン板との接合に半田を用いたこと以外は実施例４と同じ操作をして、図３の積層構造を有するモジュールを得て、実施例４と同じ評価を行った。この結果を表２に示す。
【００４６】
〔比較例３〕
モリブデン板を介在させなかったこと以外は実施例４と同じ操作をして、図４の積層構造を有するモジュールを得て、実施例４と同じ評価を行った。この結果を表２に示す。
【００４７】
表２より、比較例２、比較例３はそれぞれ、ヒートサイクル５００回未満、１０００回未満で、Ｓｉチップの下に半田クラックが発生している。ハイブリッドカーや電鉄車両用のモジュールに必要とされるヒートサイクル回数は３０００回以上であるので、信頼性が低く実用的ではない。これに対して、実施例４は、３０００回のヒートサイクル経過後にも、半田クラックの発生が無く、信頼性が高いことが明かである。
【００４８】
【発明の効果】
本発明のモジュールは、安価な金属をヒートシンク材として用いながらも、従来のＡｌ−ＳｉＣ複合材等の複合材からなるヒートシンクを用いたモジュールと同等の信頼性を有する特徴があり、産業上非常に有用である。また、本発明のモジュールの製造方法は、従来工程において黒鉛等の治具を用いるのみで、容易に再現性高く、前記高信頼性で電源用途向けのパワーモジュールを提供することができるので、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１〜３に係るモジュールの積層構造を示す断面図。
【図２】本発明の実施例４に係るモジュールの積層構造を示す断面図。
【図３】比較例２に係るモジュールの積層構造を示す断面図。
【図４】比較例３に係るモジュールの積層構造を示す断面図。
【符号の説明】
１  金属製ヒートシンク
２  放熱用金属板（アルミニウム板）
３  セラミックス基板
４  回路
５  モリブデン板
６  半田
７  半導体素子
【図１】
0004627839.tif 000004
【図２】
0004627839.tif 000005
【図３】
0004627839.tif 000006
【図４】
0004627839.tif 000007