(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱板（１１）の一方の主面に１又は２以上の方形の絶縁回路基板（１２）が固着されたパワーモジュールにおいて、
前記放熱板（１１）は、その厚さ（Ａ）が３〜１０ｍｍのＡｌ系合金板であって、前記絶縁回路基板（１２）は、その一辺（Ｂ）が３０ｍｍ以下であって、
前記絶縁回路基板（１２）は、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３からなるセラミック基板（１２ａ）と、前記セラミック基板（１２ａ）の両面に接合された第１及び第２Ａｌ板（１２ｂ，１２ｃ）とを備え、
前記第１Ａｌ板（１２ｂ）の純度が９９．９８重量％以上であるとともに、その厚さが０．２５〜０．６mmとされており、
Ａｌ系合金板からなる放熱板（１１）に、前記絶縁回路基板（１２）の第１Ａｌ板（１２ｂ）が、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｇｅ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｍｇ又はＡｌ−Ｍｎ系ロウ材から選ばれる１又は２以上のロウ材により直接ロウ付けされてなり、
前記放熱板（１１）から第１Ａｌ板（１２ｂ）側に０．２ｍｍ離れた該第１Ａｌ板（１２ｂ）内の領域において、ＥＰＭＡにより５点定量分析を行って測定された元素含有量の平均値は重量％で、
前記ロウ材がＡｌ−Ｓｉ系の場合、０．０５％≦Ｓｉ≦３．０％、
Ａｌ−Ｃｕ系の場合、０．０５％≦Ｃｕ≦２．０％、
Ａｌ−Ｍｇ系の場合、０．０５％≦Ｍｇ≦２．０％、
Ａｌ−Ｍｎ系の場合、０．０５％≦Ｍｎ≦１．０％、
Ａｌ−Ｇｅ系の場合、０．０５％≦Ｇｅ≦３．０％の範囲であることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
請求項１記載のパワーモジュール（１０）の放熱板（１１）の他方の主面をＡｌ系合金からなる水冷又は空冷式のヒートシンク（１４，２４）に接合したことを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール。
【請求項３】
ヒートシンク（２４）は、その冷媒流路（２５ａ）が形成されたヒートシンク本体（２５）と、前記冷媒流路（２５ａ）を覆って密封するように前記ヒートシンク本体（２５）に接合された蓋体（２６）とを備え、
前記パワーモジュールの放熱板が、前記蓋体（２６）を兼ねるように構成されたことを特徴とする請求項２記載のヒートシンク付パワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱板の一方の主面に絶縁回路基板が固着されたパワーモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４（ａ）に示すように、この種のパワーモジュール１として放熱板２の一方の主面に絶縁回路基板３が固着されたものが知られており、絶縁回路基板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製される。この絶縁回路基板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。この絶縁回路基板３の第１Ａｌ板３ｂは、ＡｌＳｉＣ複合材料により形成された応力緩衝層６を介してＡｌ系合金板からなる放熱板２の上面に接合され、放熱板２は必要に応じて図示しないヒートシンクに取り付けられる。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及び応力緩衝層６を介して放熱板２に伝達し、その放熱板２又はその放熱板２が取り付けられた図示しないヒートシンクからその熱を放散するようになっている。
一方、パワーモジュール１は、搭載した半導体チップ等４が発した熱を放散させるために、熱を発する半導体チップ等４と実際に熱を放散する放熱板２までの距離を近づけてその間の熱抵抗を可能な限り低減することが好ましい。この点からすると、応力緩衝層６を設けることなく図４（ｂ）に示すように、放熱板２に絶縁回路基板３を直接固着することが考えられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、放熱板２に絶縁回路基板３を直接固着すると、半導体チップ等４の発熱及び非発熱により絶縁回路基板３の温度が高温と低温との間で繰り返し変化することにより、絶縁回路基板３を構成する第１Ａｌ板３ｂが繰り返し作用する応力により、応力が作用された部分が加工硬化を起こす不具合がある。そして第１Ａｌ板３ｂが加工硬化を起こすとその応力を吸収することが困難になり、その接合部分に剥離を生じさせてパワーモジュール１の熱サイクル寿命を短くする問題点がある。
また、放熱板２と絶縁回路基板３の固着をロウ付けにより行うとすると、ロウ付けは一般的に比較的高温により行う必要があり、ロウ付けした後冷却すると熱収縮率の相違により、常温状態でパワーモジュール１に著しい反りを生じさせる不具合もある。
【０００４】
本発明の目的は、著しい反りを生じさせることなく絶縁回路基板を放熱板に直接ロウ付けさせて放熱特性を向上させたパワーモジュール及びヒートシンク付パワーモジュールを提供することにある。
本発明の別の目的は、このように直接ロウ付けされた場合にも熱サイクル時の応力による加工硬化を起こすことがなく、熱サイクル寿命が長いパワーモジュール及びヒートシンク付パワーモジュールを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、図１に示すように、放熱板１１の一方の主面に１又は２以上の方形の絶縁回路基板１２が固着されたパワーモジュールの改良である。
本発明は、放熱板１１は、その厚さ（Ａ）が３〜１０ｍｍのＡｌ系合金板であって、絶縁回路基板１２は、その一辺（Ｂ）が３０ｍｍ以下であって、絶縁回路基板１２は、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３からなるセラミック基板１２ａと、セラミック基板１２ａの両面に接合された第１及び第２Ａｌ板１２ｂ，１２ｃとを備え、前記第１Ａｌ板（１２ｂ）の純度が９９．９８重量％以上であるとともに、その厚さが０．２５〜０．６mmとされており、Ａｌ系合金板からなる放熱板１１に、絶縁回路基板１２の第１Ａｌ板１２ｂが、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｇｅ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｍｇ又はＡｌ−Ｍｎ系ロウ材から選ばれる１又は２以上のロウ材により直接ロウ付けされてなり、放熱板１１から第１Ａｌ板１２ｂ側に０．２ｍｍ離れた該第１Ａｌ板１２ｂ内の領域において、ＥＰＭＡにより５点定量分析を行って測定された元素含有量の平均値は重量％で、前記ロウ材がＡｌ−Ｓｉ系の場合、０．０５％≦Ｓｉ≦３．０％、Ａｌ−Ｃｕ系の場合、０．０５％≦Ｃｕ≦２．０％、Ａｌ−Ｍｇ系の場合、０．０５％≦Ｍｇ≦２．０％、Ａｌ−Ｍｎ系の場合、０．０５％≦Ｍｎ≦１．０％、Ａｌ−Ｇｅ系の場合、０．０５％≦Ｇｅ≦３．０％の範囲であることを特徴とする。
すなわち、絶縁回路基板１２の一辺Ｂを３０ｍｍ以下に制限することで、放熱板１１と絶縁回路基板１２の熱収縮率の相違に基づく絶縁回路基板１２の縁における収縮量の相違を比較的小さく抑制することができる。また、比較的厚い３〜１０ｍｍの厚さの放熱板１１を使用することで、放熱板１１と絶縁回路基板１２を直接ロウ付けした場合に生じるパワーモジュール１０の著しい反りを抑制することができる。更に、絶縁回路基板１２を放熱板１１に直接ロウ付けすることで、絶縁回路基板１２と放熱板１１との間の距離を熱応力緩衝層を有する従来のものに比較してより近づけることができるので、熱の放散効果を高めることができる。尚、本発明において絶縁回路基板１２の一辺の長さは、絶縁回路基板１２の外形の一辺の長さを指すものである。
【０００６】
また、本発明のパワーモジュールは、図１に示すように、放熱板１１に絶縁回路基板１２が直接ロウ付けされて構成されおり、そのロウ材はＡｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｇｅ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｍｇ又はＡｌ−Ｍｎ系から選ばれる１又は２以上のロウ材とされている。このように絶縁回路基板１２と放熱板１１とがろう接された本発明のパワーモジュールにおいては、接合材であるロウ材に含まれる成分が、絶縁回路基板１２と放熱板１１との接合部からこれらの内部に拡散し、絶縁回路基板１２のＡｌ板１２ｂと、放熱板１１との接合部分に拡散層が形成される。
【０００７】
この拡散層の形成により十分な接合強度を得ることができ、パワーモジュールの信頼性の向上を実現することができるが、同時に上記拡散層においては、構成材料の硬化が生じる。この硬化の程度が大きすぎるとパワーモジュールに加熱、冷却の繰り返し（熱サイクル）が付加された際の放熱板１１と絶縁回路基板１２との収縮量の相違による応力を吸収しきれず、接合部での剥離の原因となる場合がある。逆に、ロウ材の絶縁回路基板１２及び放熱板１１への拡散が不充分である場合には、絶縁回路基板１２と放熱板１１との接合強度自体が小さくなるために、絶縁回路基板１２の剥離が起こりやすくなる。従って、本発明では、ロウ材成分の拡散の程度を規定することで接合強度を高めつつ、加熱冷却に伴う収縮による剥離を防止した熱サイクル寿命の長いパワーモジュールを実現した。
【０００８】
本発明では、上記拡散の程度を、放熱板１１から０．２ｍｍ内側の絶縁回路基板１２のＡｌ板１２ｂ内の領域においてＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）による５点定量分析（詳細は後述する）により測定することとした。そして、本発明者はこれらの測定点で検出されたロウ材成分の含有量の平均値が、下記の含有量の範囲であれば、十分な接合強度を備え、かつ、熱サイクルに伴う膨張収縮による応力によって絶縁回路基板１２と放熱板１１との接合面が剥離するのを効果的に防止できることを知見し、本発明を考案した。すなわち、本発明のパワーモジュールは、上記測定点で測定されたＳｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｇｅの含有量が、ロウ材がＡｌ−Ｓｉ系の場合は０．０５重量％≦Ｓｉ≦３．０重量％、Ａｌ−Ｃｕ系の場合は０．０５重量％≦Ｃｕ≦２．０％、Ａｌ−Ｍｇ系の場合は０．０５重量％≦Ｍｇ≦２．０％、Ａｌ−Ｍｎ系の場合は０．０５重量％≦Ｍｎ≦１．０％、Ａｌ−Ｇｅ系の場合は０．０５重量％≦Ｇｅ≦３．０％とされている。これらの成分の含有量は、測定点においてＥＰＭＡにより測定された値の平均値であり、ロウ材成分が拡散したものか、絶縁回路基板１２のＡｌ板１２ｂに当初から含まれていたものかは問わない。すなわち、上記含有量の範囲は、Ａｌ板１２ｂに当初から含まれている成分と、ロウ材が拡散した成分との和の範囲を規定したものである。また、本発明者はこれらのロウ材成分含有量の範囲が適切であることを後述の実施例において検証しており、その具体的な方法や結果については実施例にて詳述する。
【０００９】
ここで、本発明におけるＥＰＭＡによる５点定量分析について、図３を参照して以下に説明する。本発明においてＥＰＭＡによる５点定量分析とは、図３に示すように、放熱板１１とロウ材（図示せず）を介して接合されたＡｌ板１２ｂの内部であって、放熱板１１の主面から０．２ｍｍ離れたＡｌ板１２ｂ内の任意の５点（Ｐ１〜Ｐ５）を測定点とし、これらの測定点Ｐ１〜Ｐ５にてＥＰＭＡにより測定されたＳｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｍｎ，又はＧｅの含有量の平均値を導出するものである。このようにして、Ａｌ板１２ｂ内の上記含有量が適切であることを容易に確認することができが、前記Ａｌ板１２ｂと放熱板１１との接合面は、図３においては放熱板１１の主面１１１のうち絶縁回路基板１２が接合される面１１１Ａのみをいうが、この接合面が不明瞭である場合に、該面１１１Ａと平行かつそこから０．２ｍｍ離れた面を特定する際には、主面１１１のうち、面１１１Ａ以外の面１１１Ｂを基準にしても良い。また、測定点Ｐ１〜Ｐ５は、接合面から０．２ｍｍ離れた面内で任意の５点を選択することができるが、より正確に拡散層の情報を得るために、隣接する測定点どうしの間隔を０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００１０】
また、第１Ａｌ板１２ｂの純度が９９．９８重量％以上であるので、比較的加工硬化を起こし難い。このようなＡｌ板１２ｂを放熱板１１に直接ロウ付けする本発明のパワーモジュールでは、絶縁回路基板１２の温度が高温と低温との間で繰り返し変化しても、Ａｌ板１２ｂの応力吸収作用が低下することはなく、パワーモジュール１０の熱サイクル寿命を比較的長くすることができる。
【００１１】
次に、本発明は、図１に示すように、先に記載のパワーモジュール１０の放熱板１１の他方の主面をＡｌ系合金からなる水冷又は空冷式のヒートシンク１４に接合したことを特徴とするヒートシンク付パワーモジュールを提供する。先に記載の本発明のパワーモジュール１０は、搭載した半導体チップ等１６が発した熱を放熱板１１に速やかに伝導させる。このパワーモジュール１０をヒートシンク１４に接合した本構成では、その熱をヒートシンク１４から速やかに放散させることができる。
【００１２】
次に、本発明のヒートシンク付パワーモジュールは、図２に示すように、ヒートシンク２４が、その冷媒流路２５ａが形成されたヒートシンク本体２５と、前記冷媒流路２５ａを覆って密封するように前記ヒートシンク本体２５に接合された蓋体２６とを備え、先に記載のパワーモジュールの放熱板１１が、前記蓋体２６を兼ねる構成とすることもできる。
本構成のヒートシンク付パワーモジュールは、放熱板が蓋体２６を兼ねることにより、実際に熱を放散させる冷媒と熱を発する半導体チップ等１６との距離は更に縮められ、半導体チップ等１６が発した熱をこのヒートシンク２４から効果的に放散させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１に示すように、本発明のパワーモジュール１０は、放熱板１１の一方の主面に１又は２以上の方形の絶縁回路基板１２が固着されたものである。放熱板１１はＡｌ系合金板からなる板材であって、その厚さＡが３〜１０ｍｍのものが使用される。絶縁回路基板１２は、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ又はＡｌ2Ｏ3からなる厚さが０．３〜１．５ｍｍのセラミック基板１２ａと、このセラミック基板１２ａの両面に接合された第１及び第２Ａｌ板１２ｂ、１２ｃとを備える。この第１及び第２Ａｌ板１２ｂ、１２ｃには、純度が９９．９８重量％以上であって、その厚さが０．２５〜０．６ｍｍのものを使用することが好ましい。このセラミック基板１２ａと第１及び第２Ａｌ板１２ｂ、１２ｃは積層されて絶縁回路基板１２となった状態で一辺Ｂが３０ｍｍ以下になるような方形状のものが使用される。
【００２２】
セラミック基板１２ａの両面への第１及び第２Ａｌ板１２ｂ、１２ｃの積層接着は、ロウ材を介して行われる。具体的には、第１Ａｌ板１２ｂの上にＡｌ−Ｓｉ系ロウ材（図示せず）、セラミック基板１２ａ、Ａｌ−Ｓｉ系ロウ材（図示せず）及び第２Ａｌ板１２ｃをこの順序で重ねた状態で、これらに荷重５０〜５００ｋＰａを加え、真空中で５８０〜６５０℃に加熱することにより行われる。このように積層接着することにより一辺Ｂが３０ｍｍ以下の絶縁回路基板１２が得られ、その後上面における第２Ａｌ板１２ｃはエッチングにより所定のパターンの回路となる。尚、Ａｌ−Ｓｉ系ロウ材は９５〜８０重量％のＡｌと、５〜２０重量％のＳｉとの合金からなるものであって、その融点が５７５℃のものが使用される。
【００２３】
一辺Ｂが３０ｍｍ以下とされた絶縁回路基板１２は、放熱板１１にロウ材により直接ロウ付けされ、このロウ材としてはＡｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｍｇ，Ａｌ−Ｍｎ又はＡｌ−Ｇｅ系ロウ材から選ばれる１又は２以上のロウ材を用いることが好ましい。絶縁回路基板１２の放熱板１１へのロウ付けは、放熱板１１の上に前記のロウ材（図示せず）と絶縁回路基板１２をこの順序で重ねた状態で、これらに荷重５０〜５００ｋＰａを加え、真空中で５８０〜６５０℃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行われる。この場合、前記ロウ材は融点が５７５℃程度のものが使用され、セラミック基板１２ａと第１及び第２Ａｌ板１２ｂ、１２ｃを積層接着したロウ材を溶融させることなく、放熱板１１と絶縁回路基板１２を構成する第１Ａｌ板１２ｂとを接合させる。このように構成されたパワーモジュール１０は、放熱板１１の隅に形成された取付孔１１ａに雄ねじ１３を挿入して水冷式のヒートシンク１４に形成された雌ねじ１４ａに螺合することにより、放熱板１１の他方の主面はＡｌ合金からなる水冷式のヒートシンク１４に接合される。
【００２４】
また、本実施形態のパワーモジュールでは、絶縁回路基板１２と放熱板１１との接合によりロウ材に含まれる成分が、絶縁回路基板１２及び放熱板１１へ拡散されるが、この拡散の程度は、荷重条件及び加熱条件の調整により、最適な拡散程度となるように調整することができ、以下のような測定を行うことで容易に確認することができる。すなわち、絶縁回路基板１２のＡｌ板１２ｂ内の領域において放熱板１１から０．２ｍｍ離れた位置でのＥＰＭＡによる５点定量分析で測定された含有量の平均値が、ロウ材がＡｌ−Ｓｉ系の場合は０．０５重量％≦Ｓｉ≦３．０重量％、Ａｌ−Ｃｕ系の場合は０．０５重量％≦Ｃｕ≦２．０重量％、Ａｌ−Ｍｇ系の場合は０．０５重量％≦Ｍｇ≦２．０重量％、Ａｌ−Ｍｎ系の場合は０．０５重量％≦Ｍｎ≦１．０重量％、Ａｌ−Ｇｅ系の場合は０．０５重量％≦Ｇｅ≦３．０重量％の範囲であれば、両者が適切に接合されているといえる。
【００２５】
このように構成されたパワーモジュール１０では、半導体チップ等１６が実際に搭載される絶縁回路基板１２を放熱板１１に直接ロウ付けしたので、その間の距離は半導体チップ等１６が発した熱を放熱板１１に速やかに伝導させて水冷式ヒートシンク１４から速やかに放散させることができる。
また、放熱板１１と絶縁回路基板１２の固着をロウ付けにより行っているが、本発明のパワーモジュール１０は、比較的反りの生じ難い厚さである比較的厚い３〜１０ｍｍの厚さの放熱板１１を使用し、絶縁回路基板１２の一辺Ｂを３０ｍｍ以下に制限しているため、ロウ付け時における放熱板１１と絶縁回路基板１２の熱収縮率の相違に基づく絶縁回路基板１２の縁における収縮量の相違を比較的小さく抑制できる。この結果、パワーモジュール１０に著しい反りを生じさせることはなく、熱サイクル時に生じる絶縁回路基板１２の縁における収縮量の相違も比較的小さく抑制できて、パワーモジュール１０の熱サイクル寿命を比較的長く維持することができる。
【００２６】
更に、本実施形態のパワーモジュール１では、絶縁回路基板１２を構成するＡｌ板１２ｂであって、放熱板１１に実際にロウ付けされるものに、加工硬化を起こし難い純度９９．９８重量％以上のＡｌ板１２ｂを使用したため、半導体チップ等１６の発熱および非発熱により絶縁回路基板１２の温度が高温と低温との間で繰り返し変化してもそのＡｌ板１２ｂ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１０の熱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１０の熱サイクル寿命を更に長く維持することができる。
【００２７】
尚、上述した実施の形態では、絶縁回路基板１２は、セラミック基板１２ａの両面に第１及び第２Ａｌ板１２ｂ、１２ｃを接合するためのロウ付けと、それらが接合されて形成された絶縁回路基板１２を放熱板１１に接合するロウ付けを別工程で行ったが、単一のロウ付け工程によりこれらを同時に接合しても良い。
【００３２】
尚、上述した第１実施の形態では、パワーモジュール１０の放熱板１１の他方の主面を水冷式のヒートシンク１４に接合したヒートシンク付パワーモジュール１０を示したが、ヒートシンクは空冷式のものであっても良い。ここで、図２に示すように、ヒートシンク２４が冷媒流路２５ａが形成されたヒートシンク本体２５と、この冷媒流路２５ａを覆って密封するようにヒートシンク本体２５に接合された蓋体２６とを備えるものであるならば、放熱板が蓋体２６を兼ねるようにしても良い。図における蓋体２６はヒートシンク本体２５にろう接されるものを示し、このように放熱板が蓋体２６を兼ねれば、実際に熱を放散させる冷媒である水２７と熱を発する半導体チップ等１６との距離は更に縮められることにより、半導体チップ等１６が発した熱をこのヒートシンク２４から更に速やかに放散させることができる。
【００３３】
【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１に示すように、縦、横及び厚さがそれぞれ１５ｍｍ、１５ｍｍ及び０．６３５ｍｍのセラミック基板１２ａの両面に、縦、横がセラミック基板１２ａと同一で、厚さが０．４ｍｍのＡｌ板１２ｂ，１２ｃを積層した絶縁回路基板１２と、縦、横及び厚さがそれぞれ１００ｍｍ、１００ｍｍ及び３ｍｍのＡｌ系合金板からなる放熱板１１を用意した。ここで絶縁回路基板１２は、Ｓｉ3Ｎ4からなるセラミック基板１２ａの両面に純度が９９．９８重量％以上の第１及び第２Ａｌ板１２ｂ、１２ｃを接合したものを使用した。
この絶縁回路基板１２を放熱板１１に積層して荷重１５０ｋＰａを加え、真空中で６２０℃に加熱した。２０分経過後冷却することにより絶縁回路基板１２が放熱板１１にＡｌ−Ｓｉロウ材により直接ロウ付けされたパワーモジュール１０を得た。このようにして得られたパワーモジュールを実施例１の試料とした。
【００３４】
＜実施例２＞
実施例１のパワーモジュールと同一材料からなる縦、横及び厚さがそれぞれ２０ｍｍ、２０ｍｍ及び０．６３５ｍｍのセラミック基板１２ａの両面に、縦、横がセラミック基板１２ａと同一で、厚さが０．４ｍｍのＡｌ板１２ｂ，１２ｃを積層した絶縁回路基板１２と、縦、横及び厚さがそれぞれ１００ｍｍ、１００ｍｍ及び６ｍｍのＡｌ系合金板からなる放熱板１１を用意した。
この絶縁回路基板１２を実施例１と同一の条件でＡｌ−Ｓｉロウ材により放熱板１１に直接ロウ付けすることによりパワーモジュール１０を得た。このようにして得られたパワーモジュールを実施例２の試料とした。
＜実施例３＞
実施例１のパワーモジュールと同一材料からなる縦、横及び厚さがそれぞれ３０ｍｍ、３０ｍｍ及び０．６３５ｍｍのセラミック基板１２ａの両面に、縦、横がセラミック基板１２ａと同一で、厚さが０．４ｍｍのＡｌ板１２ｂ，１２ｃを積層した絶縁回路基板１２と、縦、横及び厚さがそれぞれ１００ｍｍ、１００ｍｍ及び８ｍｍのＡｌ系合金板からなる放熱板１１を用意した。
この絶縁回路基板１２を実施例１と同一の条件でＡｌ−Ｓｉロウ材により放熱板１１に直接ロウ付けすることによりパワーモジュール１０を得た。このようにして得られたパワーモジュールを実施例３の試料とした。
【００３５】
＜比較例１＞
実施例１のパワーモジュールと同一材料からなる縦、横及び厚さがそれぞれ３０ｍｍ、３０ｍｍ及び０．６３５ｍｍのセラミック基板１２ａの両面に、縦、横がセラミック基板１２ａと同一で、厚さが０．４ｍｍのＡｌ板１２ｂ，１２ｃを積層した絶縁回路基板１２と、縦、横及び厚さがそれぞれ１００ｍｍ、１００ｍｍ及び１５ｍｍのＡｌ系合金板からなる放熱板１１を用意した。
この絶縁回路基板１２を実施例１と同一の条件でＡｌ−Ｓｉロウ材により放熱板１１に直接ロウ付けすることによりパワーモジュール１０を得た。このようにして得られたパワーモジュールを比較例１の試料とした。
【００３６】
＜比較例２＞
実施例１のパワーモジュールと同一材料からなる縦、横及び厚さがそれぞれ５０ｍｍ、５０ｍｍ及び０．６３５ｍｍのセラミック基板１２ａの両面に、縦、横がセラミック基板１２ａと同一で、厚さが０．４ｍｍのＡｌ板１２ｂ，１２ｃを積層した絶縁回路基板１２と、縦、横及び厚さがそれぞれ１００ｍｍ、１００ｍｍ及び５ｍｍのＡｌ系合金板からなる放熱板１１を用意した。
この絶縁回路基板１２を実施例１と同一の条件で放熱板１１に直接ロウ付けすることによりパワーモジュール１０を得た。このようにして得られたパワーモジュールを比較例２の試料とした。
【００３７】
＜比較例３＞
実施例１のパワーモジュールと同一材料からなる縦、横及び厚さがそれぞれ４０ｍｍ、４０ｍｍ及び０．６３５ｍｍのセラミック基板１２ａの両面に、縦、横がセラミック基板１２ａと同一で、厚さが０．４ｍｍのＡｌ板１２ｂ，１２ｃを積層した絶縁回路基板１２と、縦、横及び厚さがそれぞれ１００ｍｍ、１００ｍｍ及び２ｍｍのＡｌ系合金板からなる放熱板１１を用意した。
この絶縁回路基板１２を実施例１と同一の条件で放熱板１１に直接ロウ付けすることによりパワーモジュール１０を得た。このようにして得られたパワーモジュールを比較例３の試料とした。
尚、上述した実施例１〜３、比較例１〜３のそれぞれのパワーモジュールの構成を表１に示す。
【００３８】
＜比較試験及び評価＞
実施例１〜３、比較例１〜３の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〜室温３０分〜１２５℃３０分〜室温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回付加した時点で絶縁回路基板１２と放熱板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。尚、剥離の有無は拡大鏡により確認することにより行った。この結果も表１に併記する。
【００３９】
【表１】
0004134537.tif 000002
【００４０】
表１から明らかなように、放熱板の厚さが３〜１０ｍｍであって、絶縁回路基板の一辺Ｂが３０ｍｍ以下である実施例１〜３では、温度サイクル寿命が全て３０００回以上と比較的高い数値を示した。これは、絶縁回路基板１２の一辺Ｂを３０ｍｍ以下に制限しているため、熱サイクル時に生じる絶縁回路基板１２の縁における収縮量の相違を比較的小さく抑制できた結果によるものと考えられる。
一方、上記要件から外れる比較例１〜３のパワーモジュールでは、絶縁回路基板が一番小さい比較例１のパワーモジュールにおける２０００回が最高であり、絶縁回路基板が一番大きい比較例３のパワーモジュールではわずか１００回であった。これは、絶縁回路基板１２が大きいために、熱サイクル時に生じる絶縁回路基板１２の縁における収縮量の相違が比較的大きくなったことに起因しているものと考えられる。また、実施例３のパワーモジュールの絶縁回路基板と同一の絶縁回路基板を使用している比較例１のパワーモジュールでは、放熱板の厚さが大きいために、絶縁回路基板の縁における収縮量の相違が主に絶縁回路基板に吸収され、結果として温度サイクル寿命が悪化したものと考えられる。
【００４１】
＜実施例４＞
次に、実施例１のパワーモジュールと同一材料からなる縦、横及び厚さがそれぞれ１５ｍｍ、１５ｍｍ及び０．６３５ｍｍのセラミック基板１２ａの両面に、縦、横がセラミック基板１２ａと同一で、厚さが０．４ｍｍのＡｌ板１２ｂ，１２ｃを積層した絶縁回路基板１２と、縦、横及び厚さがそれぞれ１００ｍｍ、１００ｍｍ及び３ｍｍのＡｌ系合金板からなる放熱板１１を用意した。
この絶縁回路基板１２を、Ａｌ−Ｓｉ系ロウ材を介して放熱板１１に積層して荷重を加え、真空中で加熱して接合した。この際の荷重条件及び加熱条件を適宜調整することで、前記ロウ材に含まれるＳｉの絶縁回路基板１２及び放熱板１１への拡散の程度を調整した。２０分経過後冷却することにより絶縁回路基板１２が放熱板１１に直接ロウ付けされたパワーモジュールを得た。このようにして得られたパワーモジュールを試料４Ａとした。このパワーモジュールについて、上述のＥＰＭＡによる５点定量分析により、絶縁回路基板１２のＡｌ板１２ｂ内の領域で放熱板１１から０．２ｍｍ離れた位置におけるＳｉ含有量を測定したところ、Ｓｉ含有量は０．０５重量％であった。このＥＰＭＡ測定に用いる測定装置及び測定条件を以下に示す。
【００４２】
0004134537.tif 000003
【００４３】
次に、上記試料４Ａのパワーモジュールと同一材料からなる縦、横及び厚さがそれぞれ１５ｍｍ、１５ｍｍ及び０．６３５ｍｍのセラミック基板１２ａの両面に、縦、横がセラミック基板１２ａと同一で、厚さが０．４ｍｍのＡｌ板１２ｂ，１２ｃを積層した絶縁回路基板１２と、縦、横及び厚さがそれぞれ１００ｍｍ、１００ｍｍ及び３ｍｍのＡｌ系合金板からなる放熱板１１を用意した。
この絶縁回路基板１２を、Ａｌ−Ｓｉ系ロウ材を介して放熱板１１に積層して荷重を加え、真空中で加熱して接合した。この際の荷重条件及び加熱条件を変化させることで、前記ロウ材に含まれるＳｉの絶縁回路基板１２及び放熱板１１への拡散の程度を調整して両者を接合し、４種類のパワーモジュールを作製した。そして、２０分経過後冷却することにより絶縁回路基板１２が放熱板１１に直接ロウ付けされたパワーモジュールを得た。このようにして得られたパワーモジュールをそれぞれ試料４Ｂ〜４Ｅとした。これらのパワーモジュールについて、上述のＥＰＭＡによる５点定量分析により、絶縁回路基板１２のＡｌ板１２ｂ内で放熱板１１から０．２ｍｍ離れた位置におけるＳｉ含有量を測定したところ、試料４Ｂのパワーモジュールでは１．５重量％、試料４Ｃのパワーモジュールでは３．０重量％、試料４Ｄのパワーモジュールでは０．０２重量％、試料４Ｅのパワーモジュールでは４．０重量％であった。
【００４４】
＜実施例５＞
次に、ロウ材にＡｌ−Ｃｕ系のロウ材を用いた以外は上記実施例４と同様にしてパワーモジュールを作製した。絶縁回路基板１２を、放熱板１１に接合する際の荷重条件及び加熱条件を種々に変化させることにより、前記ロウ材に含まれるＣｕの絶縁回路基板１２及び放熱板１１への拡散の程度を変化させて、５種類のパワーモジュールを作製し、それぞれを試料５Ａ〜５Ｅとした。これらのパワーモジュールについて、上記実施例４と同様にしてＣｕ含有量を測定したところ、それぞれ０．０２重量％、０．０５重量％、１．０重量％、２．０重量％、３．０重量％であった。
【００４５】
＜実施例６＞
次に、ロウ材にＡｌ−Ｍｇ系のロウ材を用いた以外は上記実施例４と同様の構成のパワーモジュールを作製した。絶縁回路基板１２を、放熱板１１に接合する際の荷重条件及び加熱条件を種々に変化させることにより、前記ロウ材に含まれるＭｇの絶縁回路基板１２及び放熱板１１への拡散の程度を変化させて、５種類のパワーモジュールを作製し、これらを試料６Ａ〜６Ｅ。これらのパワーモジュールについて、上記実施例４と同様にしてＭｇ含有量を測定したところ、それぞれ０．０３重量％、０．０５重量％、１．０重量％、２．０重量％、３．０重量％であった。
【００４６】
＜実施例７＞
次に、ロウ材にＡｌ−Ｍｎ系のロウ材を用いた以外は上記実施例４と同様の構成のパワーモジュールを作製した。絶縁回路基板１２を、放熱板１１に接合する際の荷重条件及び加熱条件を種々に変化させることにより、前記ロウ材に含まれるＭｎの絶縁回路基板１２及び放熱板１１への拡散の程度を変化させて、５種類のパワーモジュールを作製し、これらを試料７Ａ〜７Ｅとした。これらのパワーモジュールについて、上記実施例４と同様にしてＭｎ含有量を測定したところ、それぞれ０．０１重量％、０．０５重量％、０．５重量％、１．０重量％、２．０重量％であった。
【００４７】
＜実施例８＞
次に、ロウ材にＡｌ−Ｇｅ系のロウ材を用いた以外は上記実施例４と同様の構成としてパワーモジュールを作製した。絶縁回路基板１２を、放熱板１１に接合する際の荷重条件及び加熱条件を種々に変化させることにより、前記ロウ材に含まれるＧｅの絶縁回路基板１２及び放熱板１１への拡散の程度を変化させて、５種類のパワーモジュールを作製し、これらを試料８Ａ〜８Ｅとした。これらのパワーモジュールについて、上記実施例４と同様にしてＧｅ含有量を測定したところ、それぞれ０．０２重量％、０．０５重量％、１．５重量％、３．０重量％、４．０重量％であった。
【００４８】
＜評価＞
以上の実施例４〜８の各試料のパワーモジュールについて、上記実施例１〜３と同様に温度サイクル寿命の評価を行った。その結果を表２に示す。表２に示すように、ロウ材成分の測定点における含有量が、重量％で０．０５≦％Ｓｉ≦３．０％、０．０５％≦Ｃｕ≦２．０％、０．０５％≦Ｍｇ≦２．０％、０．０５％≦Ｍｎ≦１．０％、０．０５％≦Ｇｅ≦３．０％の範囲であるパワーモジュールは、いずれも良好な温度サイクル寿命を有することが確認された。これに対して、上記ロウ材成分の測定点における含有量が、上記範囲を越えるものは、いずれも上記範囲内のものよりも温度サイクル寿命が短くなった。これらのうち、含有量が少なすぎるものは、絶縁回路基板１２と放熱板１１との接合強度が不足したためであり、逆に含有量が多すぎるものは、絶縁回路基板１２のＡｌ板１２ｂが硬化し、温度サイクルに伴う放熱板１１の膨張収縮による応力を吸収しきれなかったためであると考えられる。
【００４９】
【表２】
0004134537.tif 000004
【００５０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明では、放熱板の一方の主面に１又は２以上の方形の絶縁回路基板が固着されたパワーモジュールにおいて、前記放熱板の厚さが３〜１０ｍｍのＡｌ系合金板とされ、前記絶縁回路基板はその一辺が３０ｍｍ以下であって、前記放熱板に直接ロウ付けされ、ロウ材の成分が前記絶縁回路基板及び／又は放熱板へ拡散された構成とされる。すなわち、絶縁回路基板の一辺を３０ｍｍ以下に制限することで、放熱板と絶縁回路基板の熱収縮率の相違に基づく絶縁回路基板の縁における収縮量の相違を比較的小さく抑制する効果を得ることができる。また、比較的厚い３〜１０ｍｍの厚さの放熱板を使用することで、放熱板と絶縁回路基板を直接ロウ付けした場合に生じるパワーモジュールの著しい反りを抑制することができる効果が得られる。さらに、絶縁回路基板を放熱板に直接ロウ付けすることで、絶縁回路基板と放熱板の間の距離を従来のものに比較してより近づけられ、熱放散を高める効果を得ることができる。この結果、著しい反りを生じることなく、放熱特性を向上させることができる。
【００５１】
また、前記ロウ材としてロウ材が、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｇｅ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｍｇ又はＡｌ−Ｍｎ系ロウ材から選ばれる１または２以上のロウ材を用いるならば、これらのロウ材は、絶縁回路基板及び放熱板を構成する材料との親和性が高いため、接合が容易であるとともに十分な接合強度が得やすくなる。
【００５２】
また、絶縁回路基板として両面にＡｌ板が接合されたセラミック基板を用い、放熱板にロウ付けされる絶縁回路基板のＡｌ板の純度を９９．９８重量％以上にすれば、そのＡｌ板における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、パワーモジュールの熱サイクル寿命を長く維持することができる。一方、そのＡｌ板を省いてセラミック基板の他方の面を放熱板に直接ロウ付けすれば、パワーモジュールに著しい反りを生じさせることなく熱抵抗を更に低減することができ、そのＡｌ板が加工硬化を起こすことに起因する熱サイクル寿命を更に長く維持することができる。
【００５３】
更に、このパワーモジュールをヒートシンクに接合すれば、絶縁回路基板に搭載した半導体チップ等が発した熱を速やかにヒートシンクから放散させることができ、パワーモジュールの放熱板がヒートシンクの蓋体を兼ねるように構成すれば、実際に熱を放散させる冷媒と、熱を発する半導体チップ等の距離を更に縮めることができ、半導体チップ等が発した熱をヒートシンクから効果的に放散させることができる。
【００５４】
また本発明のパワーモジュールは、絶縁回路基板は、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ又はＡｌ2Ｏ3からなるセラミック基板と、前記セラミック基板の両面に接合された第１及び第２Ａｌ板とを備え、Ａｌ系合金板からなる放熱板に、前記絶縁回路基板の第１Ａｌ板が、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｇｅ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｍｇ又はＡｌ−Ｍｎ系ロウ材から選ばれる１又は２以上のロウ材により直接ロウ付けされてなり、前記放熱板から第１Ａｌ板側に０．２ｍｍ離れた該第１Ａｌ板内の領域において、ＥＰＭＡにより５点定量分析を行って測定された元素含有量の平均値は重量％で、前記ロウ材がＡｌ−Ｓｉ系の場合、０．０５％≦Ｓｉ≦３．０％、Ａｌ−Ｃｕ系の場合、０．０５％≦Ｃｕ≦２．０％、Ａｌ−Ｍｇ系の場合、０．０５％≦Ｍｇ≦２．０％、Ａｌ−Ｍｎ系の場合、０．０５％≦Ｍｎ≦１．０％、Ａｌ−Ｇｅ系の場合、０．０５％≦Ｇｅ≦３．０％の範囲であることとしたことで、十分な接合強度を備え、かつ、熱サイクルに伴う膨張収縮による応力によって絶縁回路基板と放熱板との接合面が剥離するのを効果的に防止することができる。
【００５５】
さらに、上記のパワーモジュールにおいて、絶縁回路基板の一辺の長さを３０ｍｍ以下とし、放熱板の厚さを３〜１０ｍｍとするならば、放熱板と絶縁回路基板の熱収縮率の相違に基づく絶縁回路基板の縁における収縮量の相違を小さく抑制することができ、かつ放熱板の著しい反りを抑えることができるので、加熱冷却に伴う収縮による剥離を防止し、熱サイクル寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の第１の実施の形態におけるパワーモジュールの構成を示す縦断面図である。
【図２】  図２は、放熱板がヒートシンクの蓋体を兼ねる本発明の別のパワーモジュールの構成を示す縦断面図である。
【図３】  図３は、本発明に係るパワーモジュールをＥＰＭＡにより５点定量分析する際の測定点を示す構成図である。
【図４】  図４は、従来のパワーモジュールの構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０  パワーモジュール
１１  放熱板
１２  絶縁回路基板
１２ａ  セラミック基板
１２ｂ  第１Ａｌ板
１２ｃ  第２Ａｌ板
１４，２４  ヒートシンク
２５ａ  冷媒流路
２５  ヒートシンク本体
２６  蓋体
Ａ  放熱板の厚さ
Ｂ  絶縁回路基板の一辺の長さ
【図１】
0004134537.tif 000005
【図２】
0004134537.tif 000006
【図３】
0004134537.tif 000007
【図４】
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