(57)【要約】【課題】  絶縁基板にかかる熱応力による負荷を抑制し、パワーモジュール基板の製造コストを低減し、生産性を向上する。【解決手段】  パワーモジュール用基板１１は、放熱板１８と緩衝層１４と金属層１７と絶縁基板１２と回路層１６がこの順序で積層接着され、放熱板と金属層と回路層１６がそれぞれＡｌから構成され、回路層にはんだ層２２を介して半導体チップ２３が搭載される所定のパターンが形成され、緩衝層が絶縁基板の熱膨張係数と放熱板の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する材料により形成される。具体的には絶縁基板がＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3により形成され、緩衝層がＡｌＳｉＣ、カーボン板又はＡｌＣ複合材により形成されることが好ましい。また緩衝層の厚さは絶縁基板の厚さの１．５〜５０倍であることが好ましく、絶縁基板と緩衝層とヒートシンクとがろう付け用箔を介して積層接着されることが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱板(18)と緩衝層(14,64)と金属層(17)と絶縁基板(12)と回路層(16)がこの順序で積層接着されたパワーモジュール用基板であって、
前記放熱板(18)と前記金属層(17)と前記回路層(16)がそれぞれＡｌから構成され、
前記回路層(16)にはんだ層(22)を介して半導体チップ(23)が搭載される所定のパターンが形成され、
前記緩衝層(14,64)が前記絶縁基板(12)の熱膨張係数と前記放熱板(18)の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する材料により形成された
ことを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項２】
放熱板(18)と緩衝層(14)と金属層(17)と絶縁基板(12)と回路層(16)がそれぞれＡｌ−Ｓｉ系箔を介してロー付けされた請求項１記載のパワーモジュール用基板。
【請求項３】
絶縁基板(12)がＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3により形成され、緩衝層(14,64)がＡｌＳｉＣ、カーボン板又はＡｌＣ複合材により形成された請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
緩衝層(14,64)の表面積が前記絶縁基板(12)の表面積の１〜３倍であり、前記緩衝層(14,64)の厚さが絶縁基板(12)の厚さの１．５〜５０倍である請求項１ないし３いずれか１項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項５】
放熱板(48,68)に取付けられ内部に冷却水(19a)が通過する冷却水通路(19b)が形成された水冷シンク部(19)を更に備え、放熱板(48,68)の表面に緩衝層(14,64)を嵌入可能な溝(48a,68a)又は凹部が形成され、前記緩衝層(14,64)が前記溝(48a,68a)又は前記凹部に嵌入された状態で前記放熱板(48,68)に接着された請求項１ないし４いずれか１項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項６】
放熱板は内部に冷却水(73a)が通過する冷却水通路(73b)が形成された水冷式ヒートシンク(73)である請求項１ないし４いずれか１項に記載の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、電気自動車や電気車両等、大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板に関する。更に詳しくは半導体チップ等の発熱体から発生する熱を放散させるヒートシンクを有するパワーモジュール用基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のパワーモジュール用基板として、図５に示すように、絶縁基板２がアルミナ等により形成され、この絶縁基板２の上面及び下面に回路層６及び金属層７がはんだ（図示せず）を介して積層接着され、金属層７がヒートシンク３の放熱板８に第１はんだ層５ａを介して接着されたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この基板では、回路層６に第２はんだ層５ｂを介して半導体チップ４が接着され、放熱板８に雄ねじ部材９ｃ（なべ小ねじ等）を介して水冷シンク部９が取付けられる。水冷シンク部９の内部には冷却水９ａが通過する冷却水通路９ｂが形成される。
このように構成されたパワーモジュール用基板では、半導体チップ４の発熱量が比較的多いため、半導体チップ４が発生した熱は第２はんだ層５ｂ，回路層６，絶縁基板２，金属層７，第１はんだ層５ａ及び放熱板８を通って水冷シンク部９に伝わり、冷却水通路９ｂを通過する冷却水９ａが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板１外に持ち去るので、パワーモジュール用基板１が過熱しないようになっている。
【０００３】
しかし、上記従来のパワーモジュール用基板１では、大型の放熱板８が比較的高価なＡｌＳｉＣにより形成されているため、製造コストが増大する問題点があった。
また、上記従来のパワーモジュール用基板１では、絶縁基板２及び放熱板８の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板２及び放熱板８の変形の相違により第１はんだ層５ａの熱サイクル寿命が短くなる問題点もあった。
更に、上記従来のパワーモジュール用基板１では、回路層６及び金属層７の絶縁基板２への積層接着とは別の工程で金属層７を第１はんだ層５ａを介して放熱板８に接着しなければならず、組立工数が増大する問題点もあった。
これらの点を解消するために、図６に示すように、絶縁基板２の上面及び下面に回路層６及び金属層７をそれぞれ積層接着したろう付け用箔（図示せず）と同一のろう付け用箔を用いて金属層７及び放熱板８を接着したパワーモジュール用基板１が開示されている。
このように構成されたパワーモジュール用基板１では、絶縁基板２及び放熱板８の接着に第１はんだ層を用いていないため、第１はんだ層の熱サイクル寿命が短くなるという問題点を解消でき、また回路層６及び金属層７の絶縁基板２への積層接着と同時に金属層７を放熱板８に接着することができる。
【特許文献１】実開昭６１−２０７０３８号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記改善されたパワーモジュール用基板では、大型の放熱板が比較的高価なＡｌＳｉＣにより形成されているため、未だ製造コストが増大する不具合があった。
本発明の目的は、絶縁基板の熱応力による負荷を抑制することができ、製造コストを低減することができ、更に生産性を向上することができる、パワーモジュール用基板を提供することにある。
本発明の別の目的は、ヒートシンクによる冷却効率を向上することができ、半導体チップを回路層に取付けるためのはんだ層の劣化を抑制することができる、パワーモジュール用基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、放熱板１８と緩衝層１４と金属層１７と絶縁基板１２と回路層１６がこの順序で積層接着されたパワーモジュール用基板であって、放熱板１８と金属層１７と回路層１６がそれぞれＡｌから構成され、回路層１６にはんだ層２２を介して半導体チップ２３が搭載される所定のパターンが形成され、緩衝層１４が絶縁基板１２の熱膨張係数と放熱板１８の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する材料により形成されたことを特徴とする。
この請求項１に記載されたパワーモジュール用基板では、絶縁基板１２及び放熱板１８の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板１２及び放熱板１８の変形の相違が緩衝層１４により吸収されるので、絶縁基板１２に発生する内部応力が小さくなり、絶縁基板１２の熱応力による負荷を抑制することができる。
また、放熱板１８がＡｌにより形成されるので、放熱板が高価なＡｌＳｉＣにより形成される従来のパワーモジュール用基板より製造コストを低減することができる。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、放熱板１８と緩衝層１４と金属層１７と絶縁基板１２と回路層１６がそれぞれＡｌ−Ｓｉ系箔を介してロー付けされたことを特徴とする。
この請求項２に記載されたパワーモジュール用基板では、放熱板１８と緩衝層１４と金属層１７と絶縁基板１２と回路層１６の積層接着を１回の熱処理で行うことができ、その製造コストを低減してその生産性を向上することができる。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、絶縁基板１２がＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3により形成され、緩衝層１４がＡｌＳｉＣ、カーボン板又はＡｌＣ複合材により形成されたことを特徴とする。
この請求項３に記載されたパワーモジュール用基板では、絶縁基板１２及び緩衝層１４を具体的に特定することにより製造コストを更に低減してその生産性を向上することができる。
【０００８】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３いずれか１項２に係る発明であって、緩衝層１４の表面積が絶縁基板１２の表面積の１〜３倍であり、緩衝層１４の厚さが絶縁基板１２の厚さの１．５〜５０倍であることを特徴とする。
この請求項４に記載されたパワーモジュール用基板では、絶縁基板１２及び放熱板１８の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板１２及び放熱板１８の変形の相違が緩衝層１４により確実に吸収されるので、絶縁基板１２の熱応力による負荷を確実に抑制することができる。
【０００９】
請求項５に係る発明は、請求項１ないし４いずれか１項に係る発明であって、図２に示すように、放熱板４８に取付けられ内部に冷却水１９ａが通過する冷却水通路１９ｂが形成された水冷シンク部１９を更に備え、放熱板４８の表面に緩衝層１４を嵌入可能な溝４８ａ又は凹部が形成され、緩衝層１４が溝４８ａ又は凹部に嵌入された状態で放熱板４８に接着されたことを特徴とする。
この請求項５記載されたパワーモジュール用基板では、緩衝層１４を水冷シンク部１９に近付けることができるので、熱が緩衝層１４から放熱板４８を通って速やかに水冷シンク部１９に伝わる。この結果、水冷シンク部１９の冷却水通路１９ｂを通過する冷却水１９ａが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板４１外に持ち去るので、その冷却効率を向上することができ、パワーモジュール用基板４１が過熱することはない。
【００１０】
請求項６に係る発明は、請求項１ないし４いずれかに係る発明であって、図４に示すように、放熱板は内部に冷却水７３ａが通過する冷却水通路７３ｂが形成された水冷式ヒートシンク７３であることを特徴とする。
この請求項６記載されたパワーモジュール用基板７１では、緩衝層１４を水冷式ヒートシンク７３に直接積層接着するので、熱が緩衝層１４から水冷式ヒートシンク７３に速やかに伝わる。この結果、水冷式ヒートシンク７３を通過する冷却水７３ａが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板７１外に持ち去るので、冷却効率を更に向上することができ、パワーモジュール用基板７１が過熱することはない。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のパワーモジュール用基板では、放熱板と緩衝層と金属層と絶縁基板と回路層がこの順序で積層接着され、放熱板と金属層と回路層がそれぞれＡｌから構成されるので、放熱板が高価なＡｌＳｉＣにより形成される従来のパワーモジュール用基板より製造コストを低減することができる。また、回路層にはんだ層を介して半導体チップが搭載される所定のパターンが形成され、緩衝層が絶縁基板の熱膨張係数と放熱板の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する材料により形成されるので、絶縁基板及び放熱板の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板及び放熱板の変形の相違が緩衝層により吸収されるので、絶縁基板に発生する内部応力が小さくなり、絶縁基板の熱応力による負荷を抑制することができる。
この場合、放熱板と緩衝層と金属層と絶縁基板と回路層がそれぞれＡｌ−Ｓｉ系箔を介してロー付けされたものであれば、それらの積層接着を１回の熱処理で行うことができ、その製造コストを低減してその生産性を向上することができる。また、絶縁基板がＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3により形成され、緩衝層がＡｌＳｉＣ、カーボン板又はＡｌＣ複合材により形成されたものであれば、その製造コストを更に低減してその生産性を向上することができる。
【００１２】
また、緩衝層の表面積が絶縁基板の表面積の１〜３倍であり、緩衝層の厚さが絶縁基板の厚さの１．５〜５０倍であれば、絶縁基板及び放熱板の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板及び放熱板の変形の相違が緩衝層により確実に吸収されるので、絶縁基板の熱応力による負荷を確実に抑制することができる。
また、放熱板に取付けられ内部に冷却水が通過する冷却水通路が形成された水冷シンク部を更に備え、放熱板の表面に緩衝層を嵌入可能な溝又は凹部が形成され、緩衝層が溝又は凹部に嵌入された状態で放熱板に接着されたものであれば、緩衝層を水冷シンク部に近付けることができるので、熱が緩衝層から放熱板を通って速やかに水冷シンク部に伝わり、水冷シンク部の冷却水通路を通過する冷却水が上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板外に持ち去るので、その冷却効率を向上することができ、パワーモジュール用基板が過熱することはない。
一方、放熱板は内部に冷却水が通過する冷却水通路が形成された水冷式ヒートシンクであれば、緩衝層を水冷式ヒートシンクに直接積層接着するので、熱が緩衝層から水冷式ヒートシンクに速やかに伝わる。この結果、水冷式ヒートシンクを通過する冷却水が上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板外に持ち去るので、冷却効率を更に向上することができ、パワーモジュール用基板が過熱することはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明のパワーモジュール用基板１１は絶縁基板１２と、ヒートシンク１３と、絶縁基板１２とヒートシンク１３との間に積層接着された緩衝層１４とを備える。絶縁基板１２はＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4又はＡｌ2Ｏ3により形成され、絶縁基板１２の上面及び下面には回路層１６及び金属層１７がそれぞれ積層接着される。回路層１６及び金属層１７はＡｌにより厚さ０．１〜０．５ｍｍに形成される。またヒートシンク１３は放熱板１８と、この放熱板１８に雄ねじ部材２１（例えば、なべ小ねじ等）により取付けられた水冷シンク部１９とを有する。放熱板１８はＡｌにより形成され、絶縁基板１２の表面積の１〜３倍の表面積を有し、かつ絶縁基板１２の厚さの１．５〜５０倍の厚さを有する。水冷シンク部１９はＡｌ，Ｃｕ等により形成され、内部に冷却水１９ａが通過する冷却水通路１９ｂが形成され、放熱板１８と略同一の表面積を有する。
【００１４】
緩衝層１４は絶縁基板１２の熱膨張係数とヒートシンク１３の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有する材料、即ちＡｌＳｉＣ、カーボン板又はＡｌＣ複合材により形成されることが好ましい。ＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4及びＡｌ2Ｏ3の熱膨張係数はそれぞれ約４．３×１０-6／℃，約２．８×１０-6／℃及び約７．３×１０-6／℃であり、Ａｌ及びＣｕの熱膨張係数はそれぞれ約２５．０×１０-6／℃及び約１６．５×１０-6／℃であり、ＡｌＳｉＣの熱膨張係数は約７．５×１０-6／℃である。
【００１５】
また緩衝層１４は絶縁基板１２の表面積の１〜３倍、好ましくは１〜２倍の表面積を有する。即ち、緩衝層１４は放熱板１８より表面積が小さく形成される。緩衝層１４の表面積を絶縁基板１２の表面積の１〜３倍に限定したのは、１倍未満では後述する半導体チップ２３からの熱を速やかに放熱板１８に伝えることができず、３倍を超えると製造コストが増大するからである。また緩衝層１４の厚さは絶縁基板１２の厚さの１．５〜５０倍、更に２〜１０倍であることが好ましい。緩衝層１４の厚さを１．５〜５０倍の範囲に限定したのは、１．５倍未満では絶縁基板１２及びヒートシンク１３の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板１２及びヒートシンク１３の変形の相違を十分に吸収することができず、５０倍を超えるとパワーモジュール用基板１１が大型化しかつ製造コストが増大するからである。
【００１６】
また絶縁基板１２と緩衝層１４とヒートシンク１３とはろう付け用箔（図示せず）を介して積層接着される。金属層１７と放熱板１８がＡｌにより形成されるので、ろう付け用箔としては８７．０〜９６．０重量％のＡｌと４．０〜１３．０重量％のＳｉとの合金であるＡｌ−Ｓｉ系箔を用いることが好ましい。更に絶縁基板１２上面の回路層１６にははんだ層２２を介して半導体チップ２３が取付けられる。
【００１７】
このように構成されたパワーモジュール用基板の製造方法を説明する。
回路層１６，金属層１７及び放熱板１８がＡｌにより形成されるので、先ず放熱板１８の上にＡｌ−Ｓｉ系箔（図示せず），緩衝層１４，Ａｌ−Ｓｉ系箔，金属層１７，Ａｌ−Ｓｉ系箔，絶縁基板１２，Ａｌ−Ｓｉ系箔及び回路層１６を重ねた状態で、これらに荷重０．５〜５ｋｇｆ／ｃｍ2を加え、真空中で６００〜６５０℃に加熱することにより積層体を作製する。このように放熱板１８，緩衝層１４，金属層１７，絶縁基板１２及び回路層１６を一体として１回の熱処理で積層体を作製することができるので、パワーモジュール用基板１１の生産性を向上することができる。次にこの積層体の回路層１６をエッチング法により所定のパターンの回路に形成した後に、上記積層体の回路層１６にはんだ層２２を介して半導体チップ２３を搭載する。更にこの積層体を水冷シンク部１９に載せて放熱板１８を雄ねじ部材２１により水冷シンク部１９に取付ける。
【００１８】
このように製造されたパワーモジュール用基板では、回路層１６，金属層１７及び放熱板１８がＡｌにより形成されるので、６００〜６５０℃という高温で絶縁基板１２，緩衝層１４，放熱板１８等が接着された後に、室温まで冷却されても、絶縁基板１２及び放熱板１８の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板１２及び放熱板１８の変形の相違がこれらの間の熱膨張係数を有する緩衝層１４により吸収される。この結果、絶縁基板１２に発生する内部応力が小さくなるので、絶縁基板１２の熱応力による負荷を抑制することができる。また絶縁基板１２及びヒートシンク１３の熱膨張又は熱収縮時の変形の相違が緩衝層１４により吸収されるので、半導体チップ２３を回路層１６に取付けるはんだ層２２の劣化を抑制することができる。
【００１９】
図２は本発明の第２の実施の形態を示す。図２において図１と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、ヒートシンク４３の放熱板４８表面に緩衝層１４を嵌入可能な溝４８ａが形成され、緩衝層１４がこの溝４８ａに嵌入された状態で放熱板４８に接着されるように構成される。上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。
このように構成されたパワーモジュール用基板４１では、緩衝層１４を水冷シンク部１９に近付けることができるので、半導体チップ２３が発生した熱が緩衝層１４から放熱板４８を通って速やかに水冷シンク部１９に伝わる。この結果、水冷シンク部１９を通過する冷却水１９ａが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板４１外に持ち去るので、ヒートシンク４３による冷却効率を向上することができる。従って、パワーモジュール用基板４１が過熱することはない。上記以外の動作は第１の実施の形態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。
【００２０】
図３は本発明の第３の実施の形態を示す。図３において図２と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、ヒートシンク６３の放熱板６８表面に緩衝層６４を嵌入可能な溝６８ａが形成され、この溝６８ａの底面に凹凸６８ｂが形成され、更にこの溝６８ａに嵌入される緩衝層６４の底面に上記溝６８ａ底面の凹凸６８ｂに相応する凹凸６４ａが形成される。上記以外は第２の実施の形態と同一に構成される。
このように構成されたパワーモジュール用基板６１では、緩衝層６４と放熱板６８との接触面積が増大するので、半導体チップ２３にて発生した熱が緩衝層６４から放熱板６８に速やかに伝わる。上記以外の動作は第２の実施の形態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。
なお、上記第２及び第３の実施の形態では、ヒートシンクの表面に緩衝層を嵌入可能な溝を形成し、緩衝層を溝に嵌入した状態でヒートシンクに接着したが、ヒートシンクの表面に緩衝層を嵌入可能な凹部を形成し、緩衝層を凹部に嵌入した状態でヒートシンクに接着してもよい。
【００２１】
図４は本発明の第４の実施の形態を示す。図４において図１と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、放熱板として、内部に冷却水７３ａが通過する冷却水通路７３ｂが形成された水冷式ヒートシンク７３が使用される。この水冷式ヒートシンク７３はＡｌにより形成され、絶縁基板１２の表面積の１〜３倍の表面積を有し、かつ絶縁基板１２の厚さの１．５〜５０倍の厚さを有する。緩衝層１４はこの水冷式ヒートシンク７３にろう付け用箔（図示せず）を介して直接積層接着される。ろう付け用箔としては８７．０〜９６．０重量％のＡｌと４．０〜１３．０重量％のＳｉとの合金であるＡｌ−Ｓｉ系箔を用いることが好ましい。上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。
このように構成されたパワーモジュール用基板７１では、緩衝層１４が水冷式ヒートシンク７３に直接積層接着されるので、半導体チップ２３が発生した熱が緩衝層１４から速やかに水冷式ヒートシンク７３に伝わる。この結果、水冷式ヒートシンク７３を通過する冷却水７３ａが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板７１外に持ち去るので、ヒートシンク７３による冷却効率を更に向上することができる。上記以外の動作は第１の実施の形態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明第１実施形態のパワーモジュール用基板の断面図。
【図２】本発明の第２実施形態を示す図１に対応する断面図。
【図３】本発明の第３実施形態を示す図１に対応する断面図。
【図４】本発明の第４実施形態を示す図１に対応する断面図。
【図５】従来例を示す図１に対応する断面図。
【図６】別の従来例を示す図１に対応する断面図。
【符号の説明】
【００２３】
１１，４１，６１，７１  パワーモジュール用基板
１２  絶縁基板
１４，６４  緩衝層
１６  回路層
１７  金属層
１８，４８，６８  放熱板
１９  水冷シンク部
１９ａ  冷却水
１９ｂ  冷却水通路
２２  はんだ層
２３  半導体チップ
４８ａ，６８ａ  溝
７３  水冷式ヒートシンク（ヒートシンク）
７３ａ  冷却水
７３ｂ  冷却水通路
【図１】
2005328087.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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