(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板(31a)と前記セラミック基板(31a)の両面にロウ接された第３及び第４Ａｌ板(31b,31c)とを備えたセラミック回路基板(31)とＡｌヒートシンク(32)との間に熱衝撃の緩衝材が設けられたパワーモジュール(30)であって、
前記緩衝材が、Ａｌ純度が９９．９８重量％以上である第１Ａｌ板(12)とこの第１Ａｌ板(12)と同形同大のＡｌ純度が９９．９８重量％以上である第２Ａｌ板(13)との間にＳｉＣ又はＡｌＮからなるセラミック粉末層(11)を介在させて前記第１及び第２Ａｌ板(12,13)がロウ材(14,16)により接合されたＡｌ複合材である
ことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
ロウ材(14,16)がＡｌ−Ｓｉ系ロウ材又はＡｌ−Ｇｅ系ロウ材である請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項３】
請求項１記載のパワーモジュールに用いられる緩衝材の製造方法であって、
Ａｌ純度が９９．９８重量％以上である第１Ａｌ板(12)と第１ロウ材(14)とＳｉＣ又はＡｌＮからなるセラミック粉末層(11)と第２ロウ材(16)と前記第１Ａｌ板(12)と同形同大のＡｌ純度が９９．９８重量％以上である第２Ａｌ板(13)とをこの順に配置して積層体(18)を形成する工程と、
前記第１及び第２Ａｌ板(12,13)の融点未満であって前記第１及び第２ロウ材(14,16)の溶融温度以上の温度で０．０５〜０．５ＭＰａの圧力下、前記積層体(18)を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加圧して前記第１及び第２ロウ材(14,16)を溶融させることにより前記第１Ａｌ板(12)と前記第２Ａｌ板(13)とを接合する工程とを含む
ことを特徴とするパワーモジュール用緩衝材の製造方法。
【請求項４】
第１及び第２ロウ材(14,16)がそれぞれＡｌ−Ｓｉ系ロウ材又はＡｌ−Ｇｅ系ロウ材である請求項３記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック回路基板とＡｌヒートシンクの間に設けられこれらの熱膨張係数の差に基づく熱衝撃の緩衝材を備えたパワーモジュール及びパワーモジュール用緩衝材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図５に示すように、セラミック回路基板３とＡｌヒートシンク２を積層したパワーモジュール１が知られており、セラミック回路基板３はセラミック基板３ａの両面に第１及び第２Ａｌ板３ｂ，３ｃを接合することにより作られる。
このセラミック回路基板３の第２Ａｌ板３ｃはエッチングにより所定のパターンの回路となり、一点鎖線で示す半導体チップ等４が搭載される。このセラミック回路基板３の第１Ａｌ板３ｂは緩衝材６を介してＡｌ系合金板からなるＡｌヒートシンク２の上面に接合される。この従来のパワーモジュール１では、半導体チップ等４が発した熱は第２Ａｌ板３ｃ、セラミック基板３ａ、第１Ａｌ板３ｂ及び緩衝材６を介してＡｌヒートシンク２に伝達し、そのＡｌヒートシンク２からその熱を放散するようになっている。
【０００３】
緩衝材６は、半導体チップ等の発熱及び非発熱によりセラミック基板の温度が高温と低温との間で繰返し変化することにより、セラミック回路基板とＡｌヒートシンクの熱膨張率の相違に基づく熱応力を吸収してその接合部分における剥離を防止するものであり、セラミック回路基板とＡｌヒートシンクの中間の熱膨張率を有することが必要とされる。従来この中間の熱膨張率を有する緩衝板としてＳｉＣを分散させたＡｌ複合材からなる板材が用いられている。このＡｌ複合材は、純度が８５〜９５％の溶融ＡｌにＳｉＣ粉末を混入させ、この溶融Ａｌを圧延することによりＡｌ中にＳｉＣを分散させるか、或いはＳｉＣの焼成前の粉体を加圧した状態で、この粉体間の隙間にＡｌ合金を流込むことにより作られる。
また、このＡｌ複合材の他の用途として、セラミック基板の凹部に収容されたＳｉチップ回路を封止する蓋材として用いられることも知られている。このＳｉチップ回路を封止する蓋材として用いられる複合材にあっては、いわゆるピンホールのない緻密なものであることが要求され、嫌気的性質を有するＳｉチップ回路を収容するセラミック基板の凹部にエア又は湿気が入り込まないようにすることが要求される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のＡｌ複合材は、Ａｌ純度が８５〜９５％と比較的低いため、比較的大きな熱膨張率を有するヒートシンクに接合すると、繰り返して加えられる応力によりＡｌ複合材からなる板材の表面が加工硬化を起こして緩衝材としての機能が劣り、その接合部分におけるセラミック回路基板とＡｌヒートシンクが剥離する不具合がある。また、このようなパワーモジュールの緩衝材として使用されるＡｌ複合材にあっては、セラミック回路基板とＡｌヒートシンクの間に設けられるものである以上その熱抵抗は可能な限り小さいことが好ましい。
【０００５】
また、ＳｉＣ粉末を混入させた溶融Ａｌを圧延するか、或いは加圧粉体間の隙間にＡｌ合金を流込むことによりＡｌ中にＳｉＣを分散させた上記従来のＡｌ複合材は、圧延の際又はＡｌ合金を流込む際にその圧延又は流し込みが不十分であるとその緻密性が失われ、いわゆるピンホールを生じさせるおそれもある。このため、Ｓｉチップ回路を封止する蓋材としてこの従来のＡｌ複合材を用いると、Ｓｉチップ回路を収容するセラミック基板の凹部にエア又は湿気が入り込むおそれもあった。
本発明の目的は、緻密な表面を有するＡｌ複合材からなる緩衝材が設けられたパワーモジュール及びそのパワーモジュールに用いられる緩衝材の製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、緩衝材として加工硬化を起こし難いＡｌ複合材が設けられたパワーモジュール及びそのパワーモジュールに用いられる緩衝材の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図４に示すように、セラミック基板３１ａとセラミック基板３１ａの両面にロウ接された第３及び第４Ａｌ板３１ｂ,３１ｃとを備えたセラミック回路基板３１とＡｌヒートシンク３２との間に熱衝撃の緩衝材が設けられたパワーモジュール３０である。そして、緩衝材は図１及び図２に示すように、Ａｌ純度が９９．９８重量％以上である第１Ａｌ板１２とこの第１Ａｌ板１２と同形同大のＡｌ純度が９９．９８重量％以上である第２Ａｌ板１３との間にＳｉＣ又はＡｌＮからなるセラミック粉末層１１を介在させて第１及び第２Ａｌ板１２，１３がロウ材１４，１６により接合されたセラミック粉末層を介在させたＡｌ複合材である。
請求項３に係る発明は、請求項１記載のパワーモジュールに用いられる緩衝材の製造方法であって、図２に示すように、Ａｌ純度が９９．９８重量％以上である第１Ａｌ板１２と第１ロウ材１４とＳｉＣ又はＡｌＮからなるセラミック粉末層１１と第２ロウ材１６と第１Ａｌ板１２と同形同大のＡｌ純度が９９．９８重量％以上である第２Ａｌ板１３とをこの順に配置して積層体１８を形成する工程と、第１及び第２Ａｌ板１２，１３の融点未満であって第１及び第２ロウ材１４，１６の溶融温度以上の温度で０．０５〜０．５ＭＰａの圧力下、積層体１８を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加圧して第１及び第２ロウ材１４，１６を溶融させることにより第１Ａｌ板１２と第２Ａｌ板１３とを接合する工程とを含む。
請求項１にかかるパワーモジュール３０に緩衝材として設けられたＡｌ複合材１０及び請求項３にかかる方法により得られた緩衝材、即ちＡｌ複合材１０は、圧延して形成された第１及び第２Ａｌ板１２，１３を表面に有し、この第１及び第２Ａｌ板１２，１３はそれ自体が緻密なものである。従って、セラミック粉末層１１を介在させてこれら第１及び第２Ａｌ板１２，１３を接合することにより緻密な表面を有するＡｌ複合材からなる緩衝材を得ることができる。
【０００７】
また、Ａｌ純度が９９．９８重量％以上のＡｌ板は比較的加工硬化を起こし難いものである。従って、請求項１にかかるパワーモジュールのＡｌ複合材１０及び請求項３にかかる方法により得られた緩衝材、即ちＡｌ複合材１０は加工硬化を起こし難いものになり、このＡｌ複合材をセラミック回路基板とＡｌヒートシンクの間の熱衝撃の緩衝材として備えることにより、緩衝材としての応力吸収機能の低下を抑制でき、パワーモジュールの熱サイクル寿命を比較的長く維持することができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、ロウ材１４，１６がＡｌ−Ｓｉ系ロウ材又はＡｌ−Ｇｅ系ロウ材であるＡｌ複合材である。
請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明であって、第１及び第２ロウ材１４，１６がそれぞれＡｌ−Ｓｉ系ロウ材又はＡｌ−Ｇｅ系ロウ材である製造方法である。
Ａｌ−Ｓｉ系ロウ材又はＡｌ−Ｇｅ系ロウ材は比較的熱伝導率が高いものであり、熱伝導率の比較的高い第１及び第２Ａｌ板１２，１３とＳｉＣ又はＡｌＮからなるセラミック粉末をこれらのロウ材で接合することにより、熱伝導率の比較的高いＡｌ複合材１０を得ることができる。一方、Ａｌ−Ｓｉ系ロウ材又はＡｌ−Ｇｅ系ロウ材で接合することにより、第１及び第２Ａｌ板１２，１３とＳｉＣ又はＡｌＮからなるセラミック粉末の間に金属間化合物が生成されることを防止して、機械的強度が低下することを回避することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について説明する。
図１に本発明のパワーモジュールに用いられるＡｌ複合材１０を示す。本発明のパワーモジュールに用いられるＡｌ複合材１０はセラミック粉末層１１を介在させたものであって、第１Ａｌ板１２とこの第１Ａｌ板１２と同形同大の第２Ａｌ板１３との間にＳｉＣ又はＡｌＮからなるセラミック粉末層１１を介在させてその第１及び第２Ａｌ板１２，１３がロウ材１４，１６（図２）により接合されたものである。第１Ａｌ板１２及び第２Ａｌ板１３はＡｌ純度が９９．９８重量％以上であって、厚さが０．１〜１．０ｍｍであるものが使用される。ロウ材１４，１６は厚さが１０〜５００μｍのＡｌ−Ｓｉ系ロウ材又はＡｌ−Ｇｅ系ロウ材が使用される。
【００１０】
図２に示すように、このＡｌ複合材１０の製造方法は、カーボンからなる基台１７ａの水平な上面に、Ａｌ純度が９９．９８重量％以上の第１Ａｌ板１２と、Ａｌ−Ｓｉ系ロウ材又はＡｌ−Ｇｅ系ロウ材からなる第１ロウ材１４をこの順序に配置する。基台１７ａ上には、第１Ａｌ板１２及び第１ロウ材１４を包囲するカーボンからなる枠部材１７ｂが配置され、その後、この第１ロウ材１４の上にＳｉＣ又はＡｌＮからなるセラミック粉末を０．１〜３．０ｍｍの範囲で均等厚さに敷き詰めてセラミック粉末層１１が形成される。その後このセラミック粉末層１１の上にＡｌ−Ｓｉ系ロウ材又はＡｌ−Ｇｅ系ロウ材からなる第２ロウ材１６と、第１Ａｌ板１２と同形同大の第２Ａｌ板１３とをこの順に更に配置し、第１Ａｌ板１２と第１ロウ材１４とセラミック粉末層１１と第２ロウ材１６と第２Ａｌ板１３がこの順に配置された第１積層体１８を基台１７ａ上に形成する。
【００１１】
次に、この第１積層体１８を基台１７ａとともに図示しない減圧加熱槽に配置し押し型１９の水平な下面を第２Ａｌ板１３の上面に当接させる。そして第１積層体１８周囲の雰囲気を第１及び第２Ａｌ板１２，１３の融点未満であって第１及び第２ロウ材１４，１６の溶融温度以上の温度に調整し、押し型１９で第１積層体１８に０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加える。この状態で減圧加熱槽内部を真空にするか、或いはその内部に不活性ガスを充填する。このように第１積層体１８を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加圧して第１及び第２ロウ材１６を溶融させることにより第１Ａｌ板１２と第２Ａｌ板１３とを接合する。第１Ａｌ板１２と第２Ａｌ板１３とが接合した後に、押し型１９を外し減圧加熱槽から取り出して基台１７ａ上から取り外すことにより、図１に示すセラミック粉末層１１を介在させたＡｌ複合材１０を得る。
【００１２】
図３にこのＡｌ複合材１０からなる板材を、セラミック基板２１の凹部２１ａに収容されたＳｉチップ回路２２を封止する蓋材として用いる例を示す。このＡｌ複合材からなる蓋材１０は凹部２１ａを覆うようにその凹部２１ａ周囲のセラミック基板２１表面にはんだ付け又はロウ材により接合され、セラミック基板２１の凹部２１ａには嫌気性のＳｉチップ回路２２が設けれられる。このＳｉチップ回路２２はエア及び湿気を嫌うため、凹部２１ａには不活性ガスが充填される。ここで、本発明のＡｌ複合材１０は、表面に純度の高い圧延して形成された第１及び第２Ａｌ板１２，１３を有し、この第１及び第２Ａｌ板１２，１３はそれ自体が緻密なものである。従って、セラミック粉末層１１を介在させてこれら第１及び第２Ａｌ板１２，１３を接合されたＡｌ複合材は緻密な表面を有し、外気に存在するエア及び湿気がその蓋板１０を通過して凹部２１ａの内部に侵入することを有効に防止することができる。その一方、蓋材であるＡｌ複合材１０は、熱伝導率の比較的高い第１及び第２Ａｌ板１２，１３とＳｉＣ又はＡｌＮからなるセラミック粉末を使用しているので、Ｓｉチップ２２が発する熱はこのＡｌ複合材１０に伝導して効率よく外部に放散することができる。また、このＡｌ複合材１０の熱膨張係数はセラミックスとＡｌの中間の値となり、セラミック基板２１と熱膨張係数が近似しているため、使用温度が変化する温度サイクルに起因する熱応力を緩和することもできる。
【００１３】
図４にこのＡｌ複合材１０からなる板材を、セラミック回路基板３１とＡｌヒートシンク３２の間の熱衝撃の緩衝材として用いた本発明のパワーモジュール３０を示す。Ａｌヒートシンク３２はＡｌ系合金からなる板材であり、セラミック回路基板３１はセラミック基板３１ａとこのセラミック基板３１ａの両面にロウ接された第３及び第４Ａｌ板３１ｂ，３１ｃとを備える。セラミック回路基板３１は、Ａｌヒートシンク３２にＡｌ複合材１０を介してロウ接される。即ち、Ａｌヒートシンク３２の上にロウ材（図示せず）と本発明のＡｌ複合材１０をこの順序で積層し、更にロウ材とセラミック回路基板３１をこの順序で重ねる。この状態で、これらに荷重０．０１〜０．２５ＭＰａを加え、真空中で５７７〜６５０℃に加熱してロウ材を溶融させ、その後冷却してそのロウ材を固化させることによりこれらをロウ接する。
【００１４】
本発明のパワーモジュールに用いられるＡｌ複合材１０は、熱伝導率の比較的高いＳｉＣ又はＡｌＮからなるセラミック粉末を介して熱伝導率の比較的高い第１及び第２Ａｌ板１２，１３を接合しているので、図４におけるパワーモジュール３０では、セラミック回路基板３１に搭載された半導体チップ等３３が発した熱はセラミック回路基板３１からこのＡｌ複合材からなる緩衝材１０を介してＡｌヒートシンク３２に伝達し、そのＡｌヒートシンク３２からその熱を有効に放散することができる。また、このＡｌ複合材１０の熱膨張係数はセラミックスとＡｌの中間の値となり、熱膨張率の相違により接合時及び温度サイクル時に生じる熱応力を比較的低くすることができる。
【００１５】
更に、第１Ａｌ板１２及び第２Ａｌ板１３の各Ａｌ純度は９９．９８重量％以上であり、比較的加工硬化を起こし難いものである。従って、加工硬化を起こし難い第１及び第２Ａｌ板１２，１３が直接セラミック回路基板３１及びＡｌヒートシンク３２に直接ロウ付けされるため、半導体チップ等１６の発熱及び非発熱によりセラミック回路基板３１の温度が高温と低温との間で繰返し変化してもそれらのＡｌ板１２，１３が繰り返し作用する熱応力により加工硬化を起こすことはなく、温度サイクルに起因する応力を吸収する機能の低下を抑制して、パワーモジュール３０の熱サイクル寿命を更に長く維持することができる。
【００１６】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図２に示すように、基台１７ａであるカーボン板の上に厚さ５０ｍｍ枠部材１７ｂを重ね、その枠１７ｂの内側に９９．９８重量％以上の純度の厚さ０．４ｍｍの第１Ａｌ板１２と厚さ０．７ｍｍのＡｌが８８％のＡｌ−Ｓｉ系第１ロウ材箔１４を起き、その上にＳｉＣを３ｇ均等厚さに敷き詰めてセラミック粉末層１１を形成した。その後その枠１７ｂの内側に厚さ０．７ｍｍのＡｌが８８％のＡｌ−Ｓｉ系第２ロウ材箔１６と９９．９８重量％以上の純度の厚さ０．４ｍｍの第２Ａｌ板１３とを起いて、押し型１９でそれらに０．０５〜０．５ＭＰａの圧力を加え、真空中又はアルゴン雰囲気中６２０℃〜６５０℃に加熱してこれらをロウ接し縦、横及び厚さがそれぞれ５０ｍｍ、５０ｍｍ及び２ｍｍのＡｌ複合材を得た。このＡｌ複合材を実施例１とした。
＜実施例２＞
第１ロウ材箔１２の上に敷き詰めたものがＡｌＮであることを除いて実施例１と同一の手順により実施例一と同形同大のＡｌ複合材を得た。このＡｌ複合材を実施例２とした。
【００１７】
＜比較例１＞
純度が８８％の溶融ＡｌにＳｉＣ粉末を混入させ、この溶融Ａｌを圧延することによりＡｌ中にＳｉＣを分散させたＡｌ複合材を得た。このＡｌ複合材を比較例１とした。
＜比較試験及び評価＞
縦、横及び厚さがそれぞれ５０ｍｍ、５０ｍｍ及び０．６３５ｍｍのセラミック回路基板と、縦、横及び厚さがそれぞれ５０ｍｍ、５０ｍｍ及び１０ｍｍのＡｌ系合金板からなるＡｌヒートシンクを複数枚それぞれ用意した。ここでセラミック回路基板はＡｌＮからなるセラミック基板の両面にＡｌ板を接合したものを使用した。
【００１８】
実施例１，実施例２及び比較例１おけるＡｌ複合材を介してこれらのセラミック回路基板をＡｌヒートシンク１１にそれぞれロウ接してパワーモジュールを得た。
これらそれぞれのパワーモジュールを冷熱衝撃試験器にて−４０℃３０分〜１２５℃３０分を１サイクルとする温度サイクルを付加した。温度サイクルを１００回付加した時点で、Ａｌ複合材とセラミック回路基板３１又はＡｌ複合材とＡｌヒートシンク１１の間の剥離の有無を観察し、剥離が確認されない場合には更に温度サイクルを１００回付加した。これを繰り返して剥離が確認されるまでの温度サイクル回数を温度サイクル寿命として測定した。なお、剥離の有無は拡大鏡により確認することにより行った。
【００１９】
この結果、実施例１のＡｌ複合材を有するパワーモジュールでは３０００回、実施例２のＡｌ複合材を有するパワーモジュールでは３０００回、比較１のＡｌ複合材を有するパワーモジュールでは５００回でそれぞれ剥離を確認できた。
この結果から明らかなように、実施例１及び２におけるＡｌ複合材を介装させたパワーモジュールは、比較例１におけるＡｌ複合材を介装させたパワーモジュールと比較して比較的長い間剥離を生じさせることがなかった。これは、比較例１のＡｌ複合材が加工硬化したことに起因するものと考えられる。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明では、第１Ａｌ板とこの第１Ａｌ板と同形同大の第２Ａｌ板との間にＳｉＣ又はＡｌＮからなるセラミック粉末層を介在させて第１及び第２Ａｌ板をロウ材により接合するので、緻密な表面を有するＡｌ複合材を得ることができる。
また、第１Ａｌ板及び第２Ａｌ板として比較的加工硬化の起こし難いＡｌ純度が９９．９８重量％以上のものを使用することにより、比較的加工硬化の起こし難いＡｌ複合材を得ることができる。この結果、このＡｌ複合材をセラミック回路基板とＡｌヒートシンクの間の熱衝撃の緩衝材として用いることによりパワーモジュールの熱サイクル寿命を比較的長く維持することができる。更に、ロウ材としてＡｌ−Ｓｉ系ロウ材又はＡｌ−Ｇｅ系ロウ材を使用すれば、熱伝導率の比較的高いＡｌ複合材を得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のパワーモジュールに用いられるＡｌ複合材の構成を示す縦断面図。
【図２】  そのＡｌ複合材の製造方法を示す概念図。
【図３】  そのＡｌ複合材をＳｉチップ回路を封止する蓋材として用いた縦断面図。
【図４】  そのＡｌ複合材をセラミック回路基板とＡｌヒートシンクの間の熱衝撃の緩衝材として用いた本発明のパワーモジュールの縦断面図。
【図５】  従来のＡｌ複合材を緩衝材として用いた図４に対応する縦断面図。
【符号の説明】
１０  Ａｌ複合材
１１  セラミック粉末層
１２  第１Ａｌ板
１３  第２Ａｌ板
１４  第１ロウ材
１６  第２ロウ材
１８  積層体
３０  パワーモジュール
３１  セラミック回路基板
３１ａ  セラミック基板
３１ｂ  第３Ａｌ板
３１ｃ  第４Ａｌ板
３２  Ａｌヒートシンク
【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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