(57)【要約】  電子パワー部品のための基板、そのような基板を備えたパワーモジュール、及び対応する製造方法。電子パワー部品のための基板は、前記部品の膨張係数に従って選択された熱膨張係数を有する材料からなる少なくとも一つの内部層（８）と、前記内部層の両側を被覆している熱伝導性材料からなり、並びに熱伝導性材料からなり、及び前記内部層に配置されたシンク（Ｐ）によって相互接続された外部層（６、７）とを含む、相互に貼り合わされた多層複合材料を備えている。各々の内部層は部品を組み付けるための領域に局所化されたインサートを形成し、それにより外部層がインサートを横方向に越えて延在している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー電子部品のための基板であって、前記部品の膨張係数に応じて選択された熱膨張係数を有する材料で作られた少なくとも一つの内部層（８）と、前記内部層を両側で被覆している熱伝導性材料で作られ、及び熱伝導性材料で作られたウェル（Ｐ）によって共に接続された外部層（６、７）とを含む、相互に貼り合された多層複合材料を備えており、前記ウェルは前記内部層に配置されており、各々の内部層は、前記部品を取り付けるためのゾーンに局所化されたインサートを、前記外部層が前記インサートを横方向に越えて延在するように、形成していることを特徴とする、基板。
【請求項２】
前記内部層の前記材料は、Ｉｎｖａｒ（登録商標）、低膨張Ｆｅ−Ｎｉ合金、モリブデン及びその合金、ニオブ及びその合金、並びにタングステン及びその合金からなる群から選択される、請求項１に記載の基板。
【請求項３】
前記外部層及び／またはウェルの前記伝導性材料は、銅及びその合金、銀及びその合金、並びにアルミニウム及びその合金からから選択される少なくとも一つの金属を含む、請求項１または２に記載の基板。
【請求項４】
前記外部層の少なくとも一つは、前記層が内部層を横方向に越えて延在しており、第１の厚さを有している少なくとも一つの第１のゾーンと、前記部品を取り付けるためのゾーンにおいて局所化され、前記第１の厚さより小さい第２の厚さを有している少なくとも一つの第２のゾーンとを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の基板。
【請求項５】
前記内部層を両側で被覆している前記外部層の各々は、前記第１および第２の厚さを有するゾーンを含む、請求項４に記載の基板。
【請求項６】
前記内部層の面の一つを被覆しており、及び前記第１及び第２の厚さを有しているゾーンを含む外部層と、一定の厚さを有する積層された外部層とを含む、請求項４に記載の基板。
【請求項７】
前記ウェルは前記材料において周期的に分布されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の基板。
【請求項８】
単位面積当たりのウェルの割合は、３５％未満である、請求項１から７のいずれか一項に記載の基板。
【請求項９】
基板（１）と、
電子パワー部品（２、３）であって、前記部品を取り付けるためのゾーン（Ｚ）において前記基板に取り付けられた電子パワー部品とを備えたパワーモジュールであって、
前記基板は、前記部品の膨張係数に応じて選択された熱膨張係数を有する材料で作られた少なくとも一つの内部層（８）と、前記内部層を両側で被覆している熱伝導性材料で作られ、及び熱伝導性材料で作られたウェル（Ｐ）によって共に接続された外部層（６、７）とを含む、相互に貼り合わされた多層複合材料を含み、前記ウェルは前記内部層に配置されており、各々の内部層は前記部品を取り付けるための前記ゾーンにだけ局所化されたインサートを、前記外部層が前記インサートを横方向に越えて延在するように、形成していることを特徴とする、モジュール。
【請求項１０】
前記基板が曲げゾーン（Ｚ’）を含み、前記曲げゾーンにおいて、前記外部層が相互に貼り合されている、請求項９に記載のモジュール。
【請求項１１】
前記部品を取り付けるための前記ゾーンの外側で、前記外部層が相互に貼り合されている、請求項９または１０に記載のモジュール。
【請求項１２】
パワー電子部品のための基板を製造するための工程であって、
−  前記部品の熱膨張係数に応じて選択された熱膨張係数を有する材料の第１の層（８）を、熱伝導性材料で作られた外部層（６、７）の間に位置決めするステップであって、それにより、前記材料の第１の層が前記部品を取り付けるためのゾーン（Ｚ）に局所化されたインサートを形成し、及び前記外部層が熱伝導性材料で作られたウェルによって共に接続され、前記ウェルは前記第１の層に配置されており、それにより、前記外部層が前記インサートを横方向に越えて延在している、ステップと、
−  圧延機のギャップの通過を介して前記内部層及び前記外部層を相互に貼り合せるステップと、
を含むことを特徴とする、工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
通常、本発明はパワーエレクトロニクスの分野に関連しており、特にパワー電子部品のための基板に関連している。
【０００２】
本発明は、パワー電子モジュール、及びそのような基板を製造するための工程にも関連している。
【背景技術】
【０００３】
パワーモジュールは、高出力負荷を制御するため、例えば電気モーターを制御するために特に用いられる電子モジュールである。
【０００４】
それらの使用は、例えば航空機または自動車への搭載において増加する傾向にある。
【０００５】
パワー電子モジュールは、シリコン、または窒化ガリウム、炭化ケイ素などの別の半導体で作られたパワー電子部品、特に電子チップを含み、それらは部品が冷却されることを特に可能にする基板に取り付けられている。
【０００６】
パワー電子部品の故障の主な原因の１つは、通常銅で作られる基板の熱膨張と、電子チップの熱膨張との間の差に関連しており、電子チップの膨張率は通常銅の膨張率の約３分の１である。電子部品の出力及び動作周波数の連続的な増加は、刻々に上昇する熱損失につながり、それはパワー電子部品及び基板の作動温度を増大させる。基板及び部品の異なる冶金学的性質は、熱に対するそれらの熱挙動の相違をもたらす。それ故、温度増加は結合部分においてかなりの剪断応力を発生させ、それはチップ／基板アセンブリの劣化または破壊さえ引き起こし得る。
【０００７】
正しく作動するシリコンチップ及びその長命に対して、できるだけ多くの熱を除去することが必須である。銅は熱導体としてその機能を十分に実行しているが、その線膨張係数（ｌｉｎｅａｒ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）は、シリコン、または他の現在使用されている半導体のものより３倍以上高く、それはチップ／基板結合に対して不利である。
【０００８】
このように、基板は、良好な熱伝導率及びさらに電気伝導率、並びに基板の平面においてガラスまたはシリコンの線膨張係数より低いか類似の線膨張係数の両方を有しているべきである。しかしながら、これらの２つの特性は、当然ながら両立しない。具体的には、ダイヤモンドを除いて、元素の周期的分類において、熱伝導率及び低膨張のこれらの２つの特性を組み合わせた材料はない。
【０００９】
他の基板が開発されたのはこのためである。
【００１０】
このように、金属基複合材料（ＭＭＣ）に基づく基板の使用が提案されてきた。例えば、Ａｌ／ＳｉＣ［２、３、６］、Ｃｕ／ＳｉＣ［５］、Ｃｕ／ダイヤモンド［１、２、４］、Ｃｕ／Ｃ（繊維）［１、３、８］などを使用することが提案されてきた。これらの材料の製造は非常に複雑で高価格である。一般的に、作り出される部品は、機械加工がほとんど不可能なので、基板の最終的な寸法を有していなければならず、それは、それらの低い生産性に起因してほとんど投資利益を提供しない、一回限りの製造プロセスが使用されなければならないことを意味している。
【００１１】
低い熱膨張率を有する材料で作られた内部層の両側に配置された、熱伝導性金属で作られた二つの外部層を含む相互に貼り合わされた（ｃｏｌａｍｉｎａｔｅｄ）基板も採用されている。相互に貼り合わされた基板の例は、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ［２、３、７］、Ｃｕ／Ｍｏ−Ｃｕ合金／Ｃｕ［２、３、７］またはＣｕ／低膨張Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕ［９］の層から作り出されてきている。それらは低膨張係数を有しているが、しかしながら熱除去の方向におけるそれらの熱伝導率は不十分である。具体的には、内部層が熱障壁を形成している。そのようなものは特に、例えば、Ｉｎｖａｒ（登録商標）の場合であり、その熱伝導率は銅の熱伝導率より２０倍低い。
【００１２】
Ｉｎｖａｒ（登録商標）で作られた内部層及び熱伝導性材料、例えば銅または銅合金で作られた外部層を含む多層複合材料を使用することも提案されており、前記外部層は、内部層の両側に配置され、並びに内部層が低い熱膨張係数を有しているとしても内部層を通して熱が除去されることを可能にする熱ブリッジを生み出すために、熱伝導性材料でも作られ及び内部層に配置されているウェルによって共に接続される。
【００１３】
この点において、読者は、そのような多層複合材料を記述している文献ＦＲ  ０９  ５６  ８６５を参照してもよい。
【００１４】
そのような材料は、内部層及び外部層を相互に貼り合せることによって製造される。
【００１５】
そのような材料は、熱伝導率と線膨張係数との間で最良の歩み寄りを得ることを可能にしているが、それにもかかわらず、特に自動車において、鉄道の分野において、並びに航空電子工学の、及び産業機械の分野において、パワー電子モジュール基板としてのその使用を不利にさせる主な欠点を有していることが確認されている。
【００１６】
具体的には、相互貼り合せの間に及ぼされる高い圧力、及び結果として生じる塑性変形は、積層平面に平行に置かれている内部層及び外部層のこれらの向かい合う表面間の原子結合を得ること、及びシートの接触の平面における微小の凹凸の密度を高くすることを可能にしているが、熱ブリッジを受け入れるために内部層に作り出された孔の、積層力に平行に置かれている外側面は、原子結合においてウィークポイントを形成し、及び層の機械的密着がこれらのゾーンにおいてより弱くなる傾向にある。
【００１７】
Ｉｎｖａｒ（登録商標）層と外部の銅層との間の結合が、これらのゾーンにおいてより弱くなる傾向にあることが特に確認されている。
【００１８】
Ｉｎｖａｒ（登録商標）層と銅の外部層と間の結合は、基板が曲げられることを目的としているゾーンにおいて特に破壊される傾向にある。熱ブリッジの存在は、巨視的規模では応力特異性であり、及び孔の壁における微視的規模では内部層及び外部層の固相接合の低品質は曲げ操作の間に局所的な弱さを際立たせる。
【００１９】
しかしながら、ほとんど常に、パワー電子モジュールのための基板の生産は、電気機械的サブアセンブリへの接続に備えるために、基板の成形、特に曲げを伴う。そのような成形操作は、パワーモジュールに対する電気的入力または出力を作成するために特に必要とされ、これらの入力または出力を機械的に接続するか、はんだ付けする必要を避け、そうしなければそれが、追加の無視できないほどのコスト及び電気断絶の危険性をもたらす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】ＦＲ  ０９  ５６  ８６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の目的は、この欠点を軽減すること、及び相互に貼り合わされた多層複合材料から作られたパワー電子部品のための基板を提供することであり、この基板は、その全体の領域にわたって、良好な熱及び電気伝導率を有しており、電子チップを受け入れることを目的としているゾーンにおいて、シリコンまたは他のいかなる半導体の線膨張係数に近い線膨張係数を有しており、この基板は広い温度範囲にわたって利用可能であり、このようにして、現在利用可能な基板のものよりも非常に長い寿命を有している。
【００２２】
本発明の別の目的は、多層材料の層の間の結合をも保証するそのような基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
従って、第１の態様による、本発明の対象は、パワー電子部品のための基板であって、前記部品の膨張係数に応じて選択される熱膨張係数を有する材料で作られた少なくとも一つの内部層と、前記内部層を両側で被覆している熱伝導性材料で作られ、及び熱伝導性材料で作られたウェルによって共に接続された外部層とを含む、相互に貼り合わされた多層複合材料を含み、前記ウェルは内部層に配置されている。
【００２４】
各々の内部層は、部品を取り付けるためのゾーンにおいて局所化されたインサートを形成し、それにより外部層はインサートを越えて横方向に延在している。
【００２５】
言い換えると、低い熱膨張係数の内部層を通って熱伝導性の外部層間を延在する熱的ウェルは、熱除去を可能にしている。しかしながら、低い熱膨張係数の材料及び熱伝導性材料のウェルは電子部品の下に配置され、それにより、インサートの無い外部層の横方向の相互貼り合せは、これらの層の間に十分に強い機械的結合を作り出し、基板を曲げ及び成形する能力が保存される。
【００２６】
例えば、内部層の材料は、Ｉｎｖａｒ（登録商標）、低膨張Ｆｅ−Ｎｉ合金、モリブデン及びその合金、ニオブ及びその合金、並びにタングステン及びその合金から選択される。
【００２７】
本発明による基板の別の特徴によると、外部層及び／またはウェルの伝導性材料は、銅及びその合金、銀及びその合金、並びにアルミニウム及びその合金から選択される少なくとも一つの金属を含む。
【００２８】
本発明による基板のさらに別の特徴によると、外部層の少なくとも一つは、前記層が内部層を越えて横方向に延在し、第１の厚さを有する、少なくとも一つの第１のゾーンと、部品を取り付けるためのゾーンに局所化され、第１の厚さよりも小さい第２の厚さを有する、少なくとも一つの第２のゾーンとを含む。
【００２９】
例えば、内部層を両側で被覆する外部層の各々は、前記第１および第２の厚さを有するゾーンを含む。
【００３０】
変形として、内部層の面の一つを被覆している外部層の一つは、前記第１及び第２の厚さを有するゾーンを含み、他の外部層は、積層され、一定の厚さを有している。
【００３１】
例えば、ブリッジは材料の中で周期的に分布されている。
【００３２】
例えば単位面積当たりウェルの割合が３５％未満となるための用意がなされ得る。
【００３３】
本発明の対象は、第２の態様によると、基板、及び部品を取り付けるためのゾーンにおいて基板上に取り付けられた電子パワー部品を含むパワーモジュールでもあり、基板は、前記部品の膨張係数に応じて選択される熱膨張係数を有する材料で作られた少なくとも一つの内部層と、前記内部層を両側で被覆している熱伝導性材料で作られ、及び熱伝導性材料で作られたウェルによって共に接続された外部層とを含む相互に貼り合わされた多層複合材料を含み、前記ウェルは内部層に配置されている。
【００３４】
各々の内部層は、部品を取り付けるためのゾーンのみにおいて局所化されたインサートを形成し、それにより外部層がインサートを越えて横方向に延在している。
【００３５】
このパワーモジュールの別の特徴によると、基板は曲げゾーンを含む。これらの曲げゾーンにおいて、外部層は、インサートなしで相互に貼り合される。
【００３６】
言い換えると、部品を取り付けるためのゾーンの外で、外部層は、インサートなしで相互に貼り合わされる。
【００３７】
最後に、本発明の対象は、第３の態様によると、パワー電子部品のための基板を製造する工程でもあり、以下のステップを含む。
−  部品の熱膨張係数に応じて選択された熱膨張係数を有する材料の第１の層を、材料の第１の層が部品を取り付けるためのゾーンにおいて局所化されたインサートを形成するように、及び外部層が熱伝導性材料で作られたウェルによって共に接続されるように、熱伝導性材料で作られた外部層の間に位置決めするステップであって、前記ウェルは、第１の層に配置されており、それにより、外部層はインサートを横方向に越えて延在している、ステップ、及び
−  圧延機のギャップの通過を介して、前記内部層及び外部層を相互に貼り合せるステップ。
【００３８】
本発明の他の目的、特徴及び利点は、非限定的な例の目的で単に与えられた以下の説明を読むこと、及び添付の図面を参照して明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】パワー電子モジュールのための本発明による基板の断面図である。
【図２】部分的な切り取りを有する、図１の基板の斜視図である。
【図３】本発明による基板の一つの実施形態を示している。
【図４】本発明による基板の一つの実施形態を示している。
【図５】曲げの後での図１の基板を概略的に示している。
【図６】本発明による基板の別の実施形態を示している。
【図７】本発明による基板の別の実施形態を示している。
【図８】本発明による基板の変形の実施形態を示している。
【図９】本発明による、及び従来技術による、基板が持つチップによる激しい熱応力を受ける基板の様々なゾーンの温度を示す棒グラフである。
【図１０】本発明による、及び従来技術による基板における応力レベルを示している棒グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１は、全体におよぶ参照番号１によって指定された本発明による基板を示している。
【００４１】
基板は、パワー電子モジュール、例えば、はんだの層４及び５によって基板１に取り付けられたパワー電子部品２及び３、例えばトランジスタ及びダイオードをそれぞれ含むパワーモジュールの素子を形成することを目的としている。
【００４２】
見てわかるように、基板１は伝導性材料で作られた、この場合は金属の２つの外部層６及び７を含み、これらの層は低い熱膨張率を有する材料で作られた内部層８の両側に配置されている。
【００４３】
外部層６及び７は、好ましくは銅で作られており、このようにして層の平面において優れた熱及び電気伝導性を提供し、それ故熱及び電流密度が均一に分布されることを確実としている。
【００４４】
外部層６、７は、しかしながら、変形として、銅合金から、銀または銀合金から、またはアルミニウム及びその合金からも、作られ得る。
【００４５】
内部層８としては、基板１に取り付けられた部品２及び３の熱膨張係数に一致している熱膨張係数を得るように、低い熱膨張、すなわちシリコンのものと類似の熱膨張を有する材料で作られた層からなる。
【００４６】
しかしながら、内部層８は、素早く熱を伝導するためのウェルＰを形成するチャネルを有して穿孔されていることがわかる。これらのチャネルは、非常に高い熱伝導率の材料で満たされており、このようにして熱ブリッジを形成している。これは、チャンネルを満たしている材料が内部層の材料を局所的に置き換えていることが理解される場合である。言い換えると、基板は、外部層６と外部層７との間に延在するウェルによって形成された熱ブリッジを局所的に含む。有利的に内部層８に規則的に分布されている、そのようなウェルは、以下で説明するように、内部層を穿孔することにより、または機械加工することにより得られ得る。それでもやはり、一つの実施形態において、単位面積当たりウェルの割合は、有利的に３５％未満である点に気付くであろう。
【００４７】
熱ブリッジは、外部層を作り出すために使用される材料と同じ材料から有利的に作られる。
【００４８】
内部層８を作り出すのに使用される材料に関しては、モリブデン、ニオブ等、またはＩｎｖａｒ（登録商標）のような低い膨張を有する金属合金を使用することが可能であることに気付くであろう。
【００４９】
通常、これらの材料は、銅との冶金学的結合を形成することがよくできる。
【００５０】
モリブデンは、想定される使用に適した熱機械的特性を有している。特に、それは、高い融点、高い弾性率、平均温度での高い機械的強度、良好な電気及び熱伝導率、低い膨張係数及び多くの媒体における腐食に対する優れた抵抗である。共積層体（ｃｏｌａｍｉｎａｔｅｓ）のようなＣｕ−Ｍｏに基づく他の組成物（「Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ」及び「Ｃｏ／Ｍｏ７０Ｃｕ３０／Ｃｕ」）も、パワーモジュール基板のようなそのようなメカトロニックな応用に対して使用され得る。
【００５１】
あるいは、上で示したように、内部層を作り出すためにＩｎｖａｒ（登録商標）を使用することも可能である。それは、約−１００℃から＋１００℃まで広がる温度の非常に広い範囲にわたって非常に低い熱膨張率に関連したＦｅＮｉ（３６％）合金である。この合金は、この特定の性質に対してだけでなく、その機械的特徴に対しても使用される。
【００５２】
しかしながら、図１及び２で示すように、特にＣ、Ｅ及びＴが相互貼り合せ（ｃｏｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）の方向、基板の厚さ及び基板の横方向をそれぞれ示している図２において、内部層は、部品２及び３を取り付けるためのゾーンＺの場所で局所化されている。これは、横方向に、すなわち部品２及び３を取り付けるためのゾーンの両側で、基板が、二つの相互に貼り合わされた（ｃｏｌａｍｉｎａｔｅｄ）外部層だけを含み、それ故に、基板が曲げられることを可能にするのに十分に強い原子結合を有するように、この内部層がこのゾーンにおいてだけ局所化されたインサートを形成している場合である。
【００５３】
図３及び４を参照すると、まさに説明された基板は、外部層６及び７と局所化された内部層８とを相互に貼り合せることにより製造される。
【００５４】
第１に、外部層６または７は、二つの厚さを有する層を得るように、すなわち、内部層を横方向に越えて延在することを目的とした、第１の厚さを有する第１の横のゾーン９と、第１の厚さよりも小さい第２の厚さを有し、内部層８を受け入れることを目的としたゾーン１０とを含むように形成される。
【００５５】
それは、第２のゾーン１０の場所において、例えば切断による材料除去のステップ、または、ハンマリング及び／またはローリングを実行するステップであり得る。
【００５６】
層６及び７はそれから、内部層８の介在と共に、互いに向かい合って配置され、それからアセンブリは熱ブリッジを含むゾーンの両側に、相互に貼り合わされた銅層だけから作り出されたゾーンを得るように相互に貼り合わされ、それ故に、基板が曲げられること、特に基板が相互貼り合せによって作り出された固相接合に損傷を与えることなく小さな半径Ｒで曲げられることを許す（図５）。
【００５７】
図３及び４に関して説明した例示的な実施形態において、基板は一つのインサート８を含む。もちろん、基板がそのようなインサートのアレイを含む場合、本発明の範囲は越えていない（図６及び７）。
【００５８】
同様に、図３及び４における要素と同一の要素に同じ参照符号が与えられている図８を参照すると、電子部品の膨張係数に応じて選択される熱膨張係数を有する材料で作られたインサートを受け入れることのできるインプリントを形成するように、異なる厚さの二つのゾーン９及び１０を含む外部層と、及びローリングによって作り出され、且つ一定の厚さを有する反対層７とから基板を製造することも可能である。
【００５９】
上で説明したように、熱ブリッジを備え、及び部品を取り付けるためのゾーンに局所化された内部層を有する、パワー電子部品のための基板を製造することは、良好な熱及び電気伝導率、並びに得られる部品の線膨張係数に近い線膨張係数を可能にしている。さらに、外部層が相互に貼り合わされ、それにより基板が曲げられるのを許すのに十分な原子結合を可能にするように、基板が曲げられることを目的としているゾーンＺ’において基板はインサートを欠いている。
【００６０】
図９は、図１における基板の様々な場所、特にトランジスタチップ２の位置、ダイオード３の位置、チップ２のはんだ４の位置、ダイオード３のはんだ５の位置、基板１の位置、及びこれらの要素の全てに対する位置での、平均温度の変化を示している。この棒グラフは、図１におけるゾーンＡ、すなわち、部品の下の温度値、ゾーンＡに隣接するゾーンＢでの温度値、及びゾーンＢから横方向に転じたゾーンＣの温度値を示している。
【００６１】
低膨張材料を部品の下に限定することは、基板の熱挙動を変更しないことが確認される。
【００６２】
同様に、基板のゾーンＡ、Ｂ、及びＣにおけるシグマ・フォン・ミーゼス応力の変化量を示している図１０は、基板の機械挙動の実質的な変更は、電子部品の下の低膨張材料を局所化することに引き起こされないことを示している。
【符号の説明】
【００６３】
１  基板
２  部品（チップ）
３  部品（ダイオード）
４  はんだの層
５  はんだの層
６  外部層
７  外部層
８  内部層
９  第１のゾーン
１０  第２のゾーン
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
2016539511.tif 000013
2016539511.tif 000014
2016539511.tif 000015
2016539511.tif 000016
2016539511.tif 000017
2016539511.tif 000018