JP2008306134A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁基板と導体層との間で発生する熱応力を緩和することが可能な半導体モジュールを提供する。
【解決手段】半導体モジュール１０は、第１熱膨張率を有する絶縁基板１５と、絶縁基板上に形成され、第２熱膨張率を有する導体層１３，１７と、導体層上に固定された半導体素子と、絶縁基板と導体層とを接合する接合層であって、熱膨張率の異なる複数の構成層を積層して構成されており、導体層側の構成層の熱膨張率は第１熱膨張率に近く、絶縁基板側の構成層の熱膨張率は第２熱膨張率に近い接合層１４，１６と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子を一部に備える半導体モジュールに関する。

従来文献（特開２００６−２６９７１３号公報）には、半導体モジュールの一例が示されている。この従来文献の半導体モジュールは、ヒートシンクに形成された有底穴に半導体チップを埋設するものであり、半導体チップは有底穴の底面にロウ付けされて接合される。
特開２００６−２６９７１３号公報

半導体モジュールには、絶縁基板上に導体層を形成し、導体層上に半導体素子を配置したものがある。絶縁基板と導体層とでは熱膨張率に違いがあるため、絶縁基板および導体層が熱膨張または熱収縮した際に、絶縁基板と導体層との接合部位に大きな熱応力が発生し、クラックが発生することがある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、絶縁基板と導体層との間で発生する熱応力を緩和することが可能な半導体モジュールを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明に係る半導体モジュールは、第１熱膨張率を有する絶縁基板と、絶縁基板上に形成され、第２熱膨張率を有する導体層と、導体層上に固定された半導体素子と、絶縁基板と導体層とを接合する接合層であって、熱膨張率の異なる複数の構成層を積層して構成されており、絶縁基板側の構成層の熱膨張率は第１熱膨張率に近く、導体層側の構成層の熱膨張率は第２熱膨張率に近い接合層と、を備えることを特徴とする。

上述した半導体モジュールによれば、絶縁基板と導体層とを接合する接合層の熱膨張率が、絶縁基板側では第１熱膨張率に近く、導体層側では第２熱膨張率に近いため、絶縁基板および導体層の熱膨張または熱収縮により発生する熱応力を緩和することができ、接合層におけるクラックの発生を抑制することができる。

上述した半導体モジュールにおいて、複数の構成層の成分比率が互いに異なることにより、熱膨張率が互いに異なっていることが好ましい。この構成によれば、複数の構成層の成分比率が互いに異なっており、複数の構成層の熱膨張率が互いに異なっている。このため、複数の構成層は成分比率が異なるだけであるため、複数の構成層どうしを互いに良好に接合することができ、接合層におけるクラックの発生を抑制することができる。

例えば、接合層は、絶縁基板と導体層とをロウ付けにより接合するものであり、構成層ごとにロウ材の成分比率が異なるものとすればよい。また、絶縁基板はセラミックスを材質とし、導体層は金属を材質とするものとすればよい。さらには、絶縁基板は窒化アルミニウムを材質とし、導体層はアルミニウムを材質とし、接合層はアルミニウム‐シリコン系合金を材質とするものとすればよい。

上述した半導体モジュールは、絶縁基板を基準として半導体素子とは反対側に設けられ、半導体素子が発生した熱を放熱する放熱部材を備えることが好ましい。この構成によれば、半導体素子が発生した熱は絶縁基板を介して放熱部材まで伝達され、放熱部材により放熱される。もし接合層にクラックが発生した場合には、絶縁基板と導体層との間の熱伝達率が低下し、放熱部材による放熱量が低下してしまう。よって、前述したように、熱膨張率の異なる複数の構成層を積層して構成された接合層により絶縁基板と導体層とを接合することにより、絶縁基板と導体層との間でクラックが発生することを抑制し、放熱部材による放熱量の低下を抑制することができる。

上述した半導体モジュールにおいて、半導体素子は、電動機の駆動電流を生成するインバータ回路の一部であることが好ましい。このような半導体素子は、特に発熱量が大きい。よって、前述したように、熱膨張率の異なる複数の構成層を積層して構成された接合層により絶縁基板と導体層とを接合することにより、絶縁基板と導体層との間でクラックが発生することを顕著に抑制することができる。

本発明によれば、絶縁基板と導体層との間で発生する熱応力を緩和することが可能な半導体モジュールを提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、半導体モジュール１０を示す側面図である。半導体モジュール１０は、半導体素子１１、ハンダ層１２、導体層１３、絶縁基板１５、導体層１７、ハンダ層１８、放熱部材１９、を備えている。本実施形態の半導体モジュール１０は、電動機（モータ）を回転駆動するためのインバータ回路の一部を構成するものであり、電動機を駆動源とする車両に搭載されるものである。

絶縁基板１５は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を材質とする板状の部材である。絶縁基板１５の上側表面には、所定パターンの導体層１３が形成されている。導体層１３は、アルミニウム（Ａｌ）を材質とする薄膜である。この導体層１３の上側表面には、半導体素子１１としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子が載置されている。半導体素子１１はハンダ付けにより導体層１３に接合されており、半導体素子１１と導体層１３との間にはハンダ金属からなるハンダ層１２が存在する。

なお、導体層１３は、ＩＧＢＴ素子１１を載置するために用いられるだけでなく、アルミニウムを材質とする複数のワイヤーを接続するためにも用いられる。ワイヤーを介してＩＧＢＴ素子１１がダイオードや電源など（不図示）と接続されることにより、インバータ回路が形成される。なお、インバータ回路が完成時には、ＩＧＢＴ素子１１の上側表面は、図示されない別の電極に接続される。

一方、絶縁基板１５の下側表面には、所定パターンの導体層１７が形成されている。導体層１７は、アルミニウム（Ａｌ）を材質とする薄膜である。この導体層１７の下側表面には、ハンダ付けにより放熱部材１９が接合されており、放熱部材１９と導体層１７との間にはハンダ金属からなるハンダ層１８が存在する。放熱部材１９は、金属を材質とする板状の部材であり、半導体素子１１で発生して絶縁基板１５を介して伝達される熱を放熱するために用いられる。

図２は、絶縁基板１５と導体層１３，１７との接合部分５０を拡大して示す拡大図である。絶縁基板１５と導体層１３との間には、絶縁基板１５と導体層１３とをロウ付けにより接合するための接合層１４が存在している。また、絶縁基板１５と導体層１７との間には、絶縁基板１５と導体層１７とをロウ付けにより接合するための接合層１６が存在している。

接合層１４は、熱膨張率の異なる３層の構成層からなり、絶縁基板１５に近い側から順に、第１構成層１４ａ、第２構成層１４ｂおよび第３構成層１４ｃを有する。３つの構成層１４ａ，１４ｂ，１４ｃのロウ材の成分は互いに異なっており、第１構成層１４ａはＡＬ‐７５Ｓｉを成分とし、第２構成層１４ｂはＡＬ‐５０Ｓｉを成分とし、第３構成層１４ｃはＡＬ‐２５Ｓｉを成分としている。これらの構成層１４ａ，１４ｂ，１４ｃは互いに構成比率が異なるだけであるため、互いに高い強度で接合される。

接合層１６は、熱膨張率の異なる３層の構成層からなり、絶縁基板１５に近い側から順に、第１構成層１６ａ、第２構成層１６ｂおよび第３構成層１６ｃを有する。３つの構成層１６ａ，１６ｂ，１６ｃのロウ材の成分は互いに異なっており、第１構成層１６ａはＡＬ‐７５Ｓｉを成分とし、第２構成層１６ｂはＡＬ‐５０Ｓｉを成分とし、第３構成層１６ｃはＡＬ‐２５Ｓｉを成分としている。これらの構成層１６ａ，１６ｂ，１６ｃは互いに構成比率が異なるだけであるため、互いに高い強度で接合される。

図３は、絶縁基板１５と導体層１３，１７との接合部分における成分と熱膨張率との関係を示す表である。図３に示されるように、絶縁基板１５（ＡｌＮ）の熱膨張係数は４．３ｐｐｍ（第１熱膨張率）であり、導体層１３，１７（ＡＬ）の熱膨張係数は２５ｐｐｍ（第２熱膨張率）である。各構成層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃの熱膨張係数は、絶縁基板１５の熱膨張係数と導体層１３，１７の熱膨張係数の間であり、第１構成層１４ａ，１６ａ（ＡＬ‐７５Ｓｉ）の熱膨張係数は９．３ｐｐｍであり、第２構成層１４ｂ，１６ｂ（ＡＬ‐５０Ｓｉ）の熱膨張係数は１４．５ｐｐｍであり、第３構成層１４ｃ，１６ｃ（ＡＬ‐２５Ｓｉ）の熱膨張係数は１９．８ｐｐｍである。すなわち、構成層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、シリコンの比率が７５％、５０％、２５％と段階的に変化するアルミニウム合金であり、熱膨張係数が段階的に変化している。

本実施形態に係る半導体モジュール１０によれば、絶縁基板１５と導体層１３，１７とを接合する接合層１４，１６は、熱膨張率の異なる複数の構成層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃを積層して構成されている。そして、絶縁基板１５側の構成層の熱膨張率は導体層１３，１７側の構成層の熱膨張率と比較して第１熱膨張率に近く、導体層１３，１７側の構成層の熱膨張率は絶縁基板１５側の構成層の熱膨張率と比較して第２熱膨張率に近い。すなわち、絶縁基板１５と導体層１３，１７とを接合する接合層１４，１６の熱膨張率が、絶縁基板１５側では第１熱膨張率に近く、導体層１３，１７側では第２熱膨張率に近いため、絶縁基板１５および導体層１３，１７の熱膨張または熱収縮により発生する熱応力を緩和することができ、接合層１４，１６においてクラックが発生し進展することを抑制することができる。

また、本実施形態に係る半導体モジュール１０によれば、複数の構成層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃの成分比率が互いに異なることにより、熱膨張率が互いに異なっている。この構成によれば、複数の構成層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃは成分比率が異なるだけであるため、複数の構成層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃどうしを互いに良好に接合することができ、接合層１４，１６においてクラックが発生し進展することを抑制することができる。

なお、本実施形態では、熱膨張率が段階的に変化する複数のロウ材を積層することにより、接合層１４，１６に発生する熱応力を緩和したが、本発明はこれに限定されない。例えば、他の実施形態では、セラミックスおよび金属の複合材料として、熱膨張率が段階的に変化する傾斜機能材料を構成し、上述した実施形態のロウ材に代えてこの傾斜機能材料を用いてもよい。

なお、本実施形態では、接合層１４，１６は３層で構成されているが、他の実施形態では、接合層１４，１６は２層または４層以上で構成されてもよい。接合層１４，１６が２層または４層以上で構成されても、熱膨張率を段階的に変化させるものであれば、接合層１４，１６に発生する熱応力を緩和する効果を得ることができる。

なお、本実施形態では、半導体モジュール１０はインバータ回路の一部として用いられるが、その他の種類の電力変換モジュールに用いられてもよい。

半導体モジュールを示す側面図である。 絶縁基板と導体層との接合部分を示す拡大図である。 絶縁基板と導体層との接合部分の成分を示す表である。

符号の説明

１０…半導体モジュール、１１…半導体素子、１２…ハンダ層、１３…導体層、
１４…接合層、１４ａ…第１構成層、１４ｂ…第２構成層、１４ｃ…第３構成層、
１５…絶縁基板、１６…接合層、１６ａ…第１構成層、１６ｂ…第２構成層、
１６ｃ…第３構成層、１７…導体層、１８…ハンダ層、１９…放熱部材

Claims (7)

1. 第１熱膨張率を有する絶縁基板と、
   前記絶縁基板上に形成され、第２熱膨張率を有する導体層と、
   前記導体層上に固定された半導体素子と、
   前記絶縁基板と前記導体層とを接合する接合層であって、熱膨張率の異なる複数の構成層を積層して構成されており、前記絶縁基板側の構成層の熱膨張率は第１熱膨張率に近く、前記導体層側の構成層の熱膨張率は第２熱膨張率に近い接合層と、
   を備えることを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記接合層において、前記複数の構成層の成分比率が互いに異なることにより、熱膨張率が互いに異なっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記接合層は、前記絶縁基板と前記導体層とをロウ付けにより接合するものであり、前記構成層ごとにロウ材の成分比率が異なることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
4. 前記絶縁基板はセラミックスを材質とし、前記導体層は金属を材質とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
5. 前記絶縁基板は窒化アルミニウムを材質とし、前記導体層はアルミニウムを材質とし、前記接合層はアルミニウム‐シリコン系合金を材質とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
6. 前記絶縁基板を基準として前記半導体素子とは反対側に設けられ、前記半導体素子が発生した熱を放熱する放熱部材を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
7. 前記半導体素子は、電動機を駆動するための電流を生成するためのものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。

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