(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力素子を有し、該電力素子に電力を供給可能に少なくとも一部が導電性の材料により形成された導電部材を該電力素子にはんだ接合してなるパワーモジュールの接合構造であって、
前記はんだと前記導電部材の少なくとも該はんだに接触する部位は、該はんだの降伏応力と該導電部材の降伏応力との差が所定の範囲内となる材料により各々形成されてなり、前記導電部材の少なくとも該はんだに接触する部位は、アルミニウム及び／又は鉛により形成されるパワーモジュールの接合構造。
【請求項２】
請求項１記載のパワーモジュールの接合構造であって、
前記所定の範囲内は、前記差が約７０ＭＰａの範囲内であるパワーモジュールの接合構造。
【請求項３】
請求項１または２記載のパワーモジュールの接合構造であって、
前記導電部材は、熱伝導性の高い材料により形成されてなるパワーモジュールの接合構造。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載のパワーモジュールの接合構造であって、
前記導電部材は、少なくとも、前記差が所定の範囲内となるアルミニウム及び／又は鉛により形成された導電性の第１の板材と、該第１の板材における前記はんだとの接触面とは反対の面から該第１の板材の熱膨張を規制する第２の板材とが積層された積層体であるパワーモジュールの接合構造。
【請求項５】
電力素子を有し、該電力素子に電力を供給可能に少なくとも一部が導電性の材料により形成された導電部材を該電力素子にはんだ接合してなるパワーモジュールの接合構造であって、
前記はんだと前記導電部材の少なくとも該はんだに接触する部位は、該はんだの降伏応力と該導電部材の降伏応力との差が所定の範囲内となる材料により各々形成されてなり、
前記導電部材は、少なくとも、前記差が所定の範囲内となる材料により形成された導電性の第１の板材と、該第１の板材における前記はんだとの接触面とは反対の面から該第１の板材の熱膨張を規制する第２の板材とが積層された積層体であるパワーモジュールの接合構造。
【請求項６】
請求項４または５記載のパワーモジュールの接合構造であって、
前記積層体は、前記第２の板材を前記第１の板材とでサンドイッチ構造とする第３の板材を備えるパワーモジュールの接合構造。
【請求項７】
請求項４ないし６のいずか１つに記載のパワーモジュールの接合構造であって、
前記第２の板材は、その熱膨張率と前記電力素子の熱膨張率とが略同一となる材料により形成されてなるパワーモジュールの接合構造。
【請求項８】
請求項１ないし７いずれか１つに記載のパワーモジュールの接合構造であって、
前記電力素子を跨いで前記導電部材が接合された面とは異なる面に配置され、該異なる面から冷却媒体を用いて冷却する冷却手段を備えるパワーモジュールの接合構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュールの接合構造に関し、詳しくは、電力素子を有し、該電力素子の一方の面に熱伝導性の高い材料により形成された熱伝導部材をはんだにより接合してなるパワーモジュールの接合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のパワーモジュールの接合構造としては、電力素子に導電性の材料（金属など）からなる導電部材をはんだ接合されてなるものが提案されている。このパワーモジュールの接合構造によれば、導電部材を介して電力素子に電力を供給することができるから、ワイヤボンディングを不要とすることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般的に電力素子は熱膨張率が低く、金属板などの導電部材は熱膨張率が高いから、電力素子と熱伝導部材との熱膨張率差によりはんだに作用する熱応力が大きくなり、はんだの劣化を招く。このはんだの劣化により、電力素子と熱伝導部材との熱的、電気的な接合が弱くなり、パワーモジュールとしての信頼性が低下してしまう。
【０００４】
本発明のパワーモジュールの接合構造は、こうした問題を解決し、パワーモジュールの接合に関する信頼性をより向上させることを目的の一つとする。また、本発明のパワーモジュールの接合構造は、はんだに作用する熱応力をより低く抑えることを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明のパワーモジュールの接合構造は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明のパワーモジュールの接合構造は、
電力素子を有し、該電力素子に電力を供給可能に少なくとも一部が導電性の材料により形成された導電部材を該電力素子にはんだ接合してなるパワーモジュールの接合構造であって、
前記はんだと前記導電部材の少なくとも該はんだに接触する部位は、該はんだの降伏応力と該導電部材の降伏応力との差が所定の範囲内となる材料により各々形成されてなり、前記導電部材の少なくとも該はんだに接触する部位は、アルミニウム及び／又は鉛により形成されることを要旨とする。
【０００７】
この本発明のパワーモジュールの接合構造では、電力素子に電力供給する導電部材を電力素子にはんだ接合した接合構造において、はんだと導電部材の少なくともはんだと接触する部位を、はんだの降伏応力と導電部材の少なくともはんだに接触する部位の降伏応力との差が所定の範囲内となる材料により各々形成したから、電力素子からの発熱に基づく導電部材のはんだと接触する部位の塑性変形により、はんだに過度の熱応力が作用するのを抑制することができる。この結果、はんだ接合の信頼性をより向上させることができる。
【０００８】
こうした本発明のパワーモジュールの接合構造において、前記所定の範囲内は、前記差が約７０ＭＰａの範囲内であるものとすることもできる。
【０００９】
また、本発明のパワーモジュールの接合構造において、前記導電部材は、熱伝導性の高い材料により形成されてなるものとすることもできる。こうすれば、電力素子からの熱を導電部材により放熱することができる。
【００１０】
更に、本発明のパワーモジュールの接合構造において、前記導電部材は、少なくとも、前記差が所定の範囲内となる材料により形成された導電性の第１の板材と、該第１の板材における前記はんだとの接触面とは反対の面から該第１の板材の熱膨張を規制する第２の板材とが積層された積層体であるものとすることもできる。この態様の本発明のパワーモジュールの接合構造において、前記積層体は、前記第２の板材を前記第１の板材とでサンドイッチ構造とする第３の板材を備えるものとすることもできる。
【００１１】
また、導電部材が積層体である態様の本発明のパワーモジュールの接合構造において、前記第２の板材は、その熱膨張率と前記電力素子の熱膨張率とが略同一となる材料により形成されてなるものとすることもできる。
【００１２】
上記各態様の本発明のパワーモジュールの接合構造において、前記電力素子を跨いで前記導電部材が接合された面とは異なる面に配置され、該異なる面から冷却媒体を用いて冷却する冷却手段を備えるものとすることもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例のパワーモジュール２０の構成の概略を示す構成図である。実施例のパワーモジュール２０は、図示するように、絶縁基板２２にはんだ２４により実装された２つの電力素子２６，２７と、電力素子２６，２７にはんだ２８により接合され電力素子２６，２７に電力を供給する積層板３０と、絶縁基板２２の下部にはんだ２９で取り付けられた放熱板４０とを備える。
【００１４】
電力素子２６，２７は、例えば、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳ，パワートランジスタなどのトランジスタや、ダイオードなどが該当する。
【００１５】
積層板３０は、電力素子２６，２７の線膨張係数（例えば、約３ppm/℃）と略同一の範囲内の線膨張係数（例えば、約１〜５．５ppm/℃）で剛性の高い材料（例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やＮｉ−Ｆｅ合金（例えば、Ｎｉ３０〜４０％−Ｆｅ７０〜６０％、好ましくはＮｉ３６％−Ｆｅ６４％の重量％）、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ合金（例えば、Ｎｉ２９〜３２％−Ｃｏ４〜１７％−Ｆｅ５１〜６７％、好ましくは、Ｎｉ３２％−Ｃｏ５．５％−Ｆｅ６２．５％や、Ｎｉ３２％−Ｃｏ４％−Ｆｅ６４％、Ｎｉ２９％−Ｃｏ１６．７％−Ｆｅ５４．３％、Ｎｉ２９％−Ｃｏ１７％−Ｆｅ５４％の重量％）など）により形成された支持板３２と、はんだ２８との高い親和性をもち降伏応力が低い材料により形成され支持板３２を両側から狭持する導電性を有する２枚の導電板３４，３６（例えば、アルミニウムや鉛などの金属など）とからなるサンドイッチ構造の積層体として構成されている。この積層板３０は、線膨張係数の低い支持板３２により線膨張係数が高い導電板３４，３６（例えば、アルミニウムでは約２５ppm/℃）の膨張を規制するから、積層板３０全体の線膨張係数としてはほぼ支持板３２の特性（線膨張係数）によって定まる値に抑えられる。したがって、積層板３０の線膨張係数と電力素子２６，２７の線膨張係数とは略同一とみなせ、これによりパワーモジュール２０の反りを抑制することができる。しかも、導電板３４の導電性により、ワイヤボンディングを必要とすることなく電力素子２６，２７に電力を供給することができる。なお、積層板３０を熱伝導性の高い材料により形成すれば、電力素子２６，２７からの熱を電力素子２６，２７の上面から放熱することができる。また、導電板３６は、製造上の観点から導電板３４と同一の材料により形成することが好ましいが、必ずしも同一の材料により形成する必要はない。また、導電板３６を設けないものとしても差し支えない。
【００１６】
放熱板４０は、熱伝導性の高い材料、例えば、ＣｕやＣｕＭｏ合金などの金属やＡｌＳｉＣなどの複合材料などにより形成されており、放熱板４０の内部に形成された流路内あるいは放熱板４０の下部に別個に形成された流路内の冷却媒体（例えば、空気や水など）との熱交換により電力素子２６，２７からの熱を放出できるようになっている。
【００１７】
こうして構成された実施例のパワーモジュール２０の接合構造に関して説明する。例えば、電力素子２６，２７と積層板３０とを接合するはんだ２８を、−４０℃で約４０ＭＰａ程度の降伏応力をもつ材料（例えば、Ｓｎ５０％−Ｐｂ５０％の重量％の材料）により形成し、積層板３０のうちはんだ２８と接触する導電板３４を、−４０℃で約１００ＭＰａ程度の降伏応力をもつ材料（例えば、アルミニウム）により形成したとき、−４０℃の冷却と１０５℃の加熱とを繰り返す冷熱サイクルを３５００サイクル実施したときでも、はんだ２８に亀裂等生じることなく電気的，熱的な接合が維持された。これは、電力素子２６，２７の駆動に伴う発熱により生じる熱応力ではんだ２８と共に導電板３２も塑性変形するから、はんだ２８に作用する熱応力が緩和されたものと考えられる。
【００１８】
別の例として、上記構成において、積層板３０の導電板３４の材料を鉛（Ｐｂ）に代えたときでも、低い降伏応力をもつ鉛は、電力素子２６，２７からの熱によりはんだ２８と共に塑性変形するから、はんだ２８に作用する熱応力を緩和でき、はんだ２８の劣化を抑制することができる。実際、上記冷熱サイクル試験を３０００サイクル程度実施したときでも、電気的，熱的な接合が維持され、はんだ２８に劣化は生じなかった。
【００１９】
更に、別の例として、上記構成おいて、電力素子２６，２７と積層板３０（導電板３４）とを接合するはんだ２８を、−４０℃で約３５ＭＰａ程度の降伏応力をもつ材料（例えば、Ｓｎ９６．５％−Ａｇ３．５％の重量％の材料）に代えたときでも、上記冷熱サイクル試験の３５００サイクルの実施に対して、電気的，熱的な接合が維持され、はんだ２８に劣化は生じなかった。
【００２０】
一方、積層板３０の導電板３４の−４０℃における降伏応力が約１００ＭＰａに対して、はんだ２８を−４０℃における降伏応力が約２０ＭＰａ程度の材料（例えば、Ｓｎ１０％−Ｐｂ９０％の重量％の材料）により形成したときには、電力素子２６，２７の発熱により導電板３４が塑性変形せずにはんだ２８に熱応力が集中し、上記冷熱サイクル実験では、約２０００サイクル程度で劣化した。
【００２１】
以上の実験により、導電板３２の降伏応力とはんだ２８の降伏応力との差が−４０℃で約７０ＭＰａの範囲内（好ましくは、−４０℃で約６０ＭＰａの範囲内）であれば、接合の信頼性が保持されることがわかった。
【００２２】
以上説明した実施例のパワーモジュール２０によれば、電力素子２６，２７に電力供給する積層板３０の導電板３４と、電力素子２６，２７と積層板３０とを接合するはんだ２８とを、電力素子２６，２７の発熱による熱応力により両者が共に変形可能な程度の降伏応力の差となる材料により各々形成したから、電力素子２６，２７の発熱によりはんだ２８に作用する熱応力を緩和でき、接合の信頼性をより向上させることができる。
【００２３】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明のこうした実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例であるパワーモジュール２０の構成の概略を示す構成図である。
【符号の説明】
２０  パワーモジュール、２２  絶縁基板、２４，２８，２９  はんだ、２６，２７  電力素子、３０  積層板、３２  支持板、３４，３６  導電板。
【図１】
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