JP4548317B2

JP4548317B2 - 絶縁回路基板及びこれを備えるパワーモジュール構造体

Info

Publication number: JP4548317B2
Application number: JP2005333792A
Authority: JP
Inventors: 敏之長瀬; 健根岸
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2025-11-18
Also published as: JP2006173591A

Description

本発明は、例えば半導体チップ等の電子部品が実装される絶縁回路基板及びこれを備えるパワーモジュール構造体に関する。

従来、絶縁体セラミックスとしてＡｌＮを用い、この絶縁体セラミックスの上下両面に回路層及び金属層としてＡｌを直接ロウ付けしたＤＢＡや、絶縁体セラミックスの上下両面に回路層及び金属層としてＣｕを直接接合したＤＢＣなどからなる絶縁回路基板が知られている。
このような絶縁回路基板は、一方の面にハンダ層及び回路層を介して半導体素子が実装され、他方の面にハンダ層を介して放熱板が装着されている。また、この放熱板には、熱伝導グリース層を介してヒートシンクが実装されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１−２８６３４８号公報（図１）

近年、このような絶縁回路基板においても、回路層により大きな電流を流すことや、発熱による熱抵抗を低減することが望まれており、そのために回路層を厚く形成する必要がある。

ところが、従来の絶縁回路基板においては、回路層を厚く形成すると、絶縁体セラミックスと回路層との熱膨張係数の差によって発生する応力が大きいので、温度サイクル後に絶縁体セラミックスの回路層との接触面にクラックが発生するという問題がある。また、このとき回路層の上面にハンダ層を介して半導体素子を搭載すると、ハンダ層にクラックが発生するという問題がある。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ハンダ層または絶縁体セラミックスにクラックが生じることを抑制した絶縁回路基板及びこれを備えるパワーモジュール構造体を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の絶縁回路基板は、絶縁体セラミックスと、ＡｌまたはＡｌ合金で形成されて該絶縁体セラミックスの一方の面に設けられた回路層と、ＡｌまたはＡｌ合金で形成されて前記絶縁体セラミックスの他方の面に設けられた金属層とを備える絶縁回路基板において、前記回路層の上面に、導電性を有する母材と、内部に低熱膨張高熱伝導硬質粒子が混入された低熱膨張高熱伝導硬質粒子層とを少なくとも１層ずつ積層した電気伝導層が設けられ、前記回路層と、前記電気伝導層の前記回路層から離間する一端に配置された母材とのいずれか一方の厚みが、０．８ｍｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、母材と低熱膨張高熱伝導硬質粒子層とを少なくとも１層ずつ積層した電気伝導層を回路層の上面に配置することで、電流を流す導電部位を厚くしても、回路層と電気伝導層とを合わせた熱膨張係数が小さく抑えられる。
ここで、回路層の厚さを０．８ｍｍ以下とすると、回路層と絶縁性セラミックスとの熱膨張係数の差によって発生する応力が小さくなる。したがって、温度サイクルを例えば３０００回繰り返し行っても、絶縁体セラミックスの上面であって回路層が接合される部位にクラックが発生することが抑制される。
そして、電気伝導層の回路層から離間する一端に配置された母材の厚さを０．８ｍｍ以下とすると、上述と同様に母材とハンダ層との熱膨張係数の差によって発生する応力が小さくなる。したがって、この母材にハンダ層を介して半導体素子などを搭載し、温度サイクルを例えば３０００回繰り返し行った後であっても、ハンダ層にクラックが発生することを抑制する。
また、母材と低熱膨張高熱伝導硬質粒子層とを交互に複数積層することで、回路層及び電気伝導層を合わせた厚さを所望のものとすることができる。

また、本発明の絶縁回路基板は、前記電気伝導層の前記回路層から離間する一端に配置された母材の厚みが、０．６ｍｍ以下であることが好ましい。
この発明によれば、回路層と電気伝導層とを合わせた熱膨張係数をより小さく抑えることができるので、電気伝導層の上端に配置された母材の上面に、ハンダ層を介して半導体素子などを搭載し、温度サイクルを例えば３０００回繰り返し行った後であっても、ハンダ層にクラックが発生することを抑制する。

また、本発明の絶縁回路基板は、前記絶縁体セラミックスが、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４あるいはＡｌ_２Ｏ_３によって構成されていることが好ましい。
この発明によれば、絶縁体セラミックスと回路層及び電気伝導層を合わせた部位との間の熱膨張係数の整合性を取ることができる。

また、本発明の絶縁回路基板は、前記低熱膨張高熱伝導硬質粒子が、ＳｉＣ、ダイヤモンド、Ｂ_４ＣあるいはＢＮによって構成されていることが好ましい。
この発明によれば、低熱膨張係数でかつ熱伝導率の高いＳｉＣ、ダイヤモンド、Ｂ_４ＣあるいはＢＮを用いることで、回路層と電気伝導層とを合わせた熱膨張係数を小さくでき、かつ母材と回路層との間で良好に熱を伝熱することができる。

また、本発明の絶縁回路基板は、前記低熱膨張高熱伝導硬質粒子の表面が、前記母材及び前記回路層と同一材質によってコーティングされていることが好ましい。
この発明によれば、低熱膨張高熱伝導硬質粒子と母材あるいは回路層とが強固に接合することになり、温度サイクルが繰り返されても、母材または回路層と低熱膨張高熱伝導硬質粒子との接合状態が保持される。

また、本発明の絶縁回路基板は、前記低熱膨張高熱伝導硬質粒子層が、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｇｅ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｎ系合金のいずれかからなる合金層と、該合金層内に分散する前記低熱膨張高熱伝導硬質粒子とによって構成されていることが好ましい。
この発明によれば、母材よりも溶点の低いＡｌ系ロウ材である合金層と母材及び回路層との間でロウ付けされているので、低熱膨張高熱伝導硬質粒子が強固に固定される。

また、本発明の絶縁回路基板は、前記低熱膨張高熱伝導硬質粒子の端部が、前記母材または前記回路層あるいはその双方に貫入していることが好ましい。
この発明によれば、発熱体の熱がヒートスプレッダを通る際に、母材または回路層あるいはその双方に貫入された低熱膨張高熱伝導硬質粒子の端部から他方の端部に伝熱されるので、良好に発熱体の熱を伝熱することができる。

また、本発明の絶縁回路基板は、前記電気伝導層の前記回路層から離間する一端に配置された前記母材の少なくとも一部に、端子構造が形成されていることが好ましい。
この発明によれば、端子構造を介して他の電子回路などと接続される。

また、本発明のパワーモジュール構造体は、上記記載の絶縁回路基板の前記回路層から離間する一端に配置された前記母材に、半導体素子が接続されていることを特徴とする。
この発明によれば、半導体素子からの発熱が、電気伝導層を介して良好に伝達される。

また、本発明のパワーモジュール構造体は、水冷または空冷ヒートシンクが接合されていることが好ましい。
この発明によれば、半導体素子からの発熱が、電気伝導層を介して伝達されヒートシンクで冷却されることから、半導体素子が高温となることが防止される。

この発明にかかる絶縁回路基板及びこれを備えるパワーモジュール構造体によれば、熱膨張係数が小さく抑えられるので、回路層及び電気伝導層に大きな電流を流して温度を上昇させても、クラックが発生することを防止する。また、母材と低熱膨張高熱伝導硬質粒子層とを交互に複数積層することで、回路層及び電気伝導層を合わせた厚さを所望のものとすることができる。

以下、本発明にかかるパワーモジュール構造体の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態によるパワーモジュール構造体１は、図１に示すように、絶縁回路基板２と、絶縁回路基板２の上面に搭載された半導体素子３と、絶縁回路基板２の下面に配置されたヒートシンク４とによって構成されている。

絶縁回路基板２は、図１に示すように、絶縁体セラミックス１１と、絶縁体セラミックス１１の一方の面に形成された回路層１２と、絶縁体セラミックス１１の他方の面に形成された金属層１３と、回路層１２の上面に設けられた電気伝導層１４とによって構成されている。

絶縁体セラミックス１１には、ＡｌＮが用いられている。
回路層１２は、絶縁体セラミックス１１の上面に分割して形成されており、直接ロウ付けによって絶縁体セラミックス１１と接着している。また、回路層１２には、厚さ０．６ｍｍのＡｌが用いられている。
金属層１３は、回路層１２と同様に、絶縁体セラミックス１１の下面に、直接ロウ付けによって接着されている。また、金属層１３には、厚さ０．６ｍｍのＡｌが用いられている。

電気伝導層１４は、母材１５とダイヤモンド粒子層（低熱膨張高熱伝導硬質粒子層）１６とを１層ずつ積層して形成されており、回路層１２と母材１５とでダイヤモンド粒子層１６を挟むように構成されている。そして、電気伝導層１４の上面には、ハンダ層１７を介して半導体素子３が設けられている。
母材１５には、厚さ０．６ｍｍのＡｌが用いられている。
ダイヤモンド粒子層１６は、厚さが１μｍ以上５００μｍ以下であって、Ａｌ−Ｓｉ系合金層１８と、このＡｌ−Ｓｉ系合金層１８内に分散配置されたダイヤモンド粒子（低熱膨張高熱伝導硬質粒子）１９とによって構成されている。
ダイヤモンド粒子１９は、その粒径が例えば２００μｍ以上３００μｍ以下のものであって、両端部が回路層１２及び母材１５にそれぞれ貫入されている。
ハンダ層１７には、例えば９５％Ｐｂ−５％Ｓｎや、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のハンダが挙げられる。なお、９５％Ｐｂ−５％Ｓｎのハンダには、Ａｇを含有するものを用いてもよい。

次に、以上のように構成されたパワーモジュール構造体１の製造方法について説明する。
まず、絶縁体セラミックス１１の上下両面に、直接ロウ付けによって回路層１２及び金属層１３をそれぞれ接着する。そして、回路層１２の上面に表面にＡｌコーティングが施されたダイヤモンド粒子１９と厚さ３０μｍのＡｌ−Ｓｉ系合金箔とを置き、さらに厚さ０．３ｍｍのアルミニウム板を置いた状態で、例えば０．０５ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の圧力で加圧して、６３０℃で接合することにより絶縁回路基板２を形成する。

この際、Ａｌ−Ｓｉ系合金箔は、回路層１２と、母材１５及びダイヤモンド粒子１９の表面に形成されたＡｌとの間において、共晶反応によって金属結合することになる。
また、Ａｌ−Ｓｉ系合金箔はＡｌ−Ｓｉ系合金層１８とされると共に、ダイヤモンド粒子１９がＡｌ−Ｓｉ系合金層１８内において強固に接合されることになる。さらに、Ａｌ−Ｓｉ系合金層１８と回路層１２及び母材１５との間も、それぞれ共晶反応によって強固に接合されることになる。
その後、母材１５の上面にハンダ層１７を介して半導体素子３を搭載し、金属層１３の下面にヒートシンク４を設ける。以上のようにして、パワーモジュール構造体１が形成される。

このように構成されたパワーモジュール構造体１は、半導体素子３の熱が、電気伝導層１４を有する絶縁回路基板２を介して、ヒートシンク４によって冷却される。
すなわち、ダイヤモンド粒子１９の両端部が、ダイヤモンド粒子層１６の両側に形成された母材１５及び回路層１２に貫入されていることから、電気伝導層１４のダイヤモンド粒子１９を介して熱伝導が良好に行われる。

以上のように構成された絶縁回路基板２によれば、ダイヤモンド粒子層１６と母材１５とを積層することで、回路層１２及び電気伝導層１４を合わせた熱膨張係数が小さく抑えられる。そして、回路層１２及び母材１５の厚さをそれぞれ０．６ｍｍとすることで、導電部位における回路層１２及び母材１５に用いられているＡｌの熱膨張係数が支配的にならない。これにより、温度サイクルを繰り返し行っても、絶縁体セラミックス１１の上面であって回路層１２が接合される部位や、ハンダ層１７にクラックが発生することが抑制される。

また、ダイヤモンド粒子１９の両端部がそれぞれ母材１５及び回路層１２に貫入されているので、良好に半導体素子３の熱をヒートシンク４に伝達することができる。
また、Ａｌ−Ｓｉ系合金層１８と、母材１５と、回路層１２と、ダイヤモンド粒子１９とがそれぞれ共晶反応によって接合されているので、−４０℃以上１２５℃以下の温度サイクルが３０００回繰り返されたとしても、良好にＡｌ−Ｓｉ系合金層１８と、母材１５と、回路層１２と、ダイヤモンド粒子１９との接合状態を保つことができる。

次に、第２の実施形態について図２を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第１の実施形態と同様であり、上述の第１の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図２においては、図１と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。

第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第２の実施形態におけるパワーモジュール構造体２０では、絶縁回路基板２１が電気伝導層１４の上端に配置された母材１５が端子構造を有している点である。

このように構成されたパワーモジュール構造体２０においても、上述した第１の実施形態における絶縁回路基板２と同様の作用、効果を有する。

次に、本発明にかかる絶縁回路基板を、実施例により具体的に説明する。
表１及び表２に示すような構成を有する絶縁回路基板を製作し、それぞれ実施例１〜実施例２３、比較例１〜比較例５とした。そして、それぞれの絶縁回路基板を用いて、−４０℃以上１２５℃以下の温度サイクルを３０００回実施した結果を表１に示す。なお、表１において積層数とは、電気伝導層１４の積層数を示している。また、剥がれとは、超音波検査法を用いて絶縁体セラミックス１１と回路層１２との界面を検査し、接合率が９０％以下となった場合を示している。また、ハンダクラックとは、半導体素子３下のハンダ層１７を樹脂で埋め込み、その後切断、研磨して電子顕微鏡を用いた確認におけるクラックの有無を示している。

表１及び表２より、回路層厚さ及び母材厚さを０．８ｍｍ以下とすることによって、ハンダ層におけるクラックと、絶縁体セラミックス及び回路層の界面における剥がれとが発生しないことを確認した。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、回路層及び母材の厚みを共に０．６ｍｍとしたが、少なくとも一方が０．０２ｍｍより大きく０．８ｍｍ以下であればこれに限られるものではない。
また、回路層及び母材を共にＡｌで形成しているが、いずれか一方あるいは双方をＡｌ合金で形成してもよい。
また、絶縁体セラミックスとしてＡｌＮを用いたが、これに限らず、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４あるいはＡｌ_２Ｏ_３などの他の絶縁体セラミックスを用いてもよい。
また、低熱膨張高熱伝導硬質粒子としてダイヤモンド粒子を用いたが、これに限らず、ＳｉＣ粒子やＢ_４Ｃ粒子など他の導電性の粒子を用いてもよい。
また、電気伝導層は母材とダイヤモンド層とをそれぞれ１層ずつ積層した構造となっているが、これらを複数層積層した構造であってもよい。
また、ダイヤモンド粒子が母材に貫入した構造となっているが、母材に貫入しない構造であってもよく、貫入の深さは適宜変更してもよい。

この発明にかかる絶縁回路基板及びこれを備えるパワーモジュール構造体によれば、絶縁体セラミックスとの熱膨張係数の整合を取ることができるので、使用時に温度サイクルが繰り返し作用しても、絶縁体セラミックスまたはハンダ層にクラックが発生することがないため、産業上の利用可能性が認められる。

本発明による絶縁伝熱構造体の第１の実施形態を示した概略図である。本発明による絶縁伝熱構造体の第２の実施形態を示した概略図である。

符号の説明

１、２０パワーモジュール構造体
２、２１絶縁回路基板
３半導体素子
４ヒートシンク
１１絶縁体セラミックス
１２回路層
１３金属層
１４電気伝導層
１５母材
１６ダイヤモンド粒子層（低熱膨張高熱伝導硬質粒子層）
１９ダイヤモンド粒子（低熱膨張高熱伝導硬質粒子）

Claims

絶縁体セラミックスと、ＡｌまたはＡｌ合金で形成されて該絶縁体セラミックスの一方の面に設けられた回路層と、ＡｌまたはＡｌ合金で形成されて前記絶縁体セラミックスの他方の面に設けられた金属層とを備える絶縁回路基板において、
前記回路層の上面に、導電性を有する母材と、内部に低熱膨張高熱伝導硬質粒子が混入された低熱膨張高熱伝導硬質粒子層とを少なくとも１層ずつ積層した電気伝導層が設けられ、
前記回路層と、前記電気伝導層の前記回路層から離間する一端に配置された母材とのいずれか一方の厚みが、０．８ｍｍ以下であることを特徴とする絶縁回路基板。
前記電気伝導層の前記回路層から離間する一端に配置された母材の厚みが、０．６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板。
前記絶縁体セラミックスが、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４あるいはＡｌ_２Ｏ_３によって構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁回路基板。
前記低熱膨張高熱伝導硬質粒子が、ＳｉＣ、ダイヤモンド、Ｂ_４ＣあるいはＢＮによって構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の絶縁回路基板。
前記低熱膨張高熱伝導硬質粒子の表面が、前記母材及び前記回路層と同一材質によってコーティングされていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の絶縁回路基板。
前記低熱膨張高熱伝導硬質粒子層が、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｇｅ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｎ系合金のいずれかからなる合金層と、該合金層内に分散する前記低熱膨張高熱伝導硬質粒子とによって構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の絶縁回路基板。
前記低熱膨張高熱伝導硬質粒子の端部が、前記母材または前記回路層あるいはその双方に貫入していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の絶縁回路基板。
前記電気伝導層の前記回路層から離間する一端に配置された前記母材の少なくとも一部に、端子構造が形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の絶縁回路基板。
請求項１から８のいずれかに記載の絶縁回路基板の前記回路層から離間する一端に配置された前記母材に、半導体素子が接続されていることを特徴とするパワーモジュール構造体。
水冷または空冷ヒートシンクが接合されていることを特徴とする請求項９に記載のパワーモジュール構造体。