JP2007281498A - Semiconductor power module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体パワー素子を実装した半導体パワーモジュールに用いられる放熱用の絶縁回路基板に係わり、特に、低熱抵抗，高信頼性の絶縁回路基板に関する。 The present invention relates to an insulating circuit board for heat dissipation used in a semiconductor power module mounted with a semiconductor power element, and more particularly to an insulating circuit board having a low thermal resistance and high reliability.
半導体パワー素子に用いられる放熱基板は、回路板、セラミックス板および放熱板の積層体よりなる絶縁回路基板を、Ａｌ−ＳｉＣ複合材よりなるヒートシンク板へＡｌ−Ｓｉ系のろう材で接合したものが特開平１０−６５０７５号公報（特許文献１）等で知られている。これらの放熱基板は、高価なヒートシンク板を使用する必要があった。 A heat dissipation board used for a semiconductor power element is obtained by joining an insulating circuit board made of a laminate of a circuit board, a ceramic plate and a heat sink to a heat sink board made of an Al-SiC composite material with an Al-Si brazing material. It is known from JP-A-10-65075 (Patent Document 1) and the like. These heat radiating substrates need to use expensive heat sink plates.
一方、このようなヒートシンク板を使用しないで、回路板、セラミックス板および放熱板の積層体よりなる絶縁回路基板を単体でパワーモジュールを実装する方法が特開平１１−３３０３１１号公報（特許文献２）に開示されている。なお、これにはセラミックス板として窒化ケイ素が適用されている。 On the other hand, a method of mounting a power module by itself using an insulating circuit board made of a laminate of a circuit board, a ceramic board and a heat sink without using such a heat sink board is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-330311 (Patent Document 2). Is disclosed. In this case, silicon nitride is applied as a ceramic plate.
ヒートシンク板を使用しないで、回路板、セラミックス板および放熱板の積層体よりなる絶縁回路基板単体で、パワーモジュールを実装する方法には、使い勝手や信頼性に関して、次のような問題があった。 The method of mounting a power module with a single insulated circuit board composed of a laminate of a circuit board, a ceramic board and a heat sink without using a heat sink board has the following problems with regard to usability and reliability.
（ａ） セラミックス板へ比較的強度の高い窒化ケイ素を用いるときは、窒化ケイ素自体の熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋと小さいため、絶縁回路基板の熱抵抗が大きくなると云う問題があった。なお、セラミックス板に熱伝導率のより小さいアルミナを用いると、絶縁回路基板としての熱抵抗が一層大きくなった。 (A) When silicon nitride having relatively high strength is used for the ceramic plate, the thermal conductivity of silicon nitride itself is as low as 80 W / m · K. When alumina having a lower thermal conductivity was used for the ceramic plate, the thermal resistance as an insulating circuit board was further increased.
（ｂ） 前記熱抵抗を小さくする目的で回路板や放熱板を厚くすると、セラミックス板は回路板形状による曲げ応力を受け、過酷なヒートサイクル（−４０℃⇔＋１２０℃）で割れると云う問題があった。なお、セラミックス板へ熱伝導率が１７５Ｗ／ｍ・Ｋと比較的大きい窒化アルミニウムを用いる場合にも、窒化アルミニウム自体の強度が窒化ケイ素の約半分と小さいために、回路板や放熱板を厚くするとセラミックス板が割れると云う問題があった。 (B) When a circuit board or a heat sink is made thicker for the purpose of reducing the thermal resistance, the ceramic board is subjected to bending stress due to the circuit board shape and cracks in a severe heat cycle (−40 ° C. + 120 ° C.). there were. Even when aluminum nitride having a relatively high thermal conductivity of 175 W / m · K is used for the ceramic plate, the strength of the aluminum nitride itself is as small as about half that of silicon nitride. There was a problem that the ceramic plate was broken.
（ｃ） 回路板、セラミックス板および放熱板の積層体よりなる絶縁回路基板単体のトータル厚さは高々１ｍｍと薄いため、絶縁回路基板が反り易く、かつ、剛性も小さい。その結果、ヒートシンク板を用いないパワーモジュール実装時の使い勝手が悪かった。 (C) Since the total thickness of a single insulating circuit board made of a laminate of a circuit board, a ceramic board, and a heat sink is as thin as 1 mm at most, the insulating circuit board tends to warp and has low rigidity. As a result, the usability when mounting the power module without using the heat sink plate was poor.
（ｄ） 従来の絶縁回路基板単体には、半導体パワー素子の通電路について開示されていなかった。 (D) The conventional insulated circuit board alone has not been disclosed for the current path of the semiconductor power element.
（ｅ） 従来の絶縁回路基板単体には、半導体パワー素子を冷却する水路が開示されていなかった。 (E) A conventional insulated circuit board alone does not disclose a water channel for cooling the semiconductor power element.
（ｆ） 従来の絶縁回路基板単体には、冷却部材への装着性が示されていなかった。 (F) The conventional insulating circuit board alone has not been shown to be mounted on a cooling member.
このように、従来の絶縁回路基板には使い勝手や信頼性に関していろいろな問題を抱えていた。 As described above, the conventional insulated circuit board has various problems regarding usability and reliability.
本発明の目的は、上記に鑑み、使い勝手が良く、低熱抵抗で高信頼性の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の提供にある。 In view of the above, an object of the present invention is to provide an insulating circuit board for a semiconductor power element that is easy to use, has low thermal resistance, and is highly reliable.
本発明の他の目的は、上記の絶縁回路基板を用いた高信頼性の半導体パワー素子の提供にある。 Another object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor power device using the above-described insulated circuit board.
前記目的を達成する本発明の要旨は次のとおりである。 The gist of the present invention for achieving the above object is as follows.
（１） 回路板、第１のセラミックス板、熱拡散板、第２のセラミックス板および放熱板の積層体により形成した絶縁回路基板と、前記絶縁回路基板における回路板に搭載された半導体パワー素子とを有し、前記絶縁回路基板における熱拡散板が前記半導体パワー素子の通電路を兼ねている半導体パワーモジュールにある。 (1) An insulating circuit board formed by a laminate of a circuit board, a first ceramic board, a heat diffusion board, a second ceramic board, and a heat sink, and a semiconductor power element mounted on the circuit board in the insulating circuit board And the heat diffusion plate in the insulated circuit board is also a semiconductor power module that also serves as a current path for the semiconductor power element.
上記熱拡散板で熱を横方向に広げることにより、前記セラミックス板に低熱伝導率の窒化ケイ素やアルミナを使用しても、絶縁回路基板の熱抵抗を低減することができる。 By spreading the heat in the lateral direction with the heat diffusion plate, the thermal resistance of the insulating circuit board can be reduced even if silicon nitride or alumina having low thermal conductivity is used for the ceramic plate.
また、絶縁回路基板を積層体としたことでその剛性が増加し、熱抵抗を小さくする目的で回路板や放熱板を厚くしても、セラミック基板に発生する応力の増加を抑制することができる。 In addition, since the insulation circuit board is made of a laminated body, its rigidity increases, and even if the circuit board and the heat sink are thickened for the purpose of reducing the thermal resistance, an increase in stress generated in the ceramic board can be suppressed. .
その結果、セラミックス板に、高強度の窒化ケイ素の代わりに、これより低強度の窒化アルミニウムやアルミナを用いた場合でも、過酷なヒートサイクルによるセラミックス板の割れを防止することが可能になる。 As a result, even when aluminum nitride or alumina having lower strength is used instead of high strength silicon nitride for the ceramic plate, it becomes possible to prevent cracking of the ceramic plate due to severe heat cycle.
（２） 上記絶縁回路基板の熱抵抗を下げることとセラミックス板の割れ防止とを両立させるには、回路板、第１のセラミックス板、熱拡散板、第２のセラミックス板および放熱板よりなる絶縁回路基板において、
イ） 熱拡散板の厚さを最も厚くする、
ロ） 第１のセラミックス板および第２のセラミックス板の厚さをほぼ同じとし、かつ、これらの厚さが熱拡散板の厚さの５０％以下とすることが望ましい。
(2) In order to achieve both the reduction of the thermal resistance of the insulating circuit board and the prevention of cracking of the ceramic board, an insulation composed of a circuit board, a first ceramic board, a heat diffusion board, a second ceramic board and a heat sink In the circuit board,
B) Make the thickness of the heat diffusion plate the thickest,
B) It is desirable that the first ceramic plate and the second ceramic plate have substantially the same thickness, and that these thicknesses are 50% or less of the thickness of the heat diffusion plate.
（３） さらに、熱拡散板の積層枚数を多くし、回路板、第１のセラミックス板、第１の熱拡散板、第２のセラミックス板、第２の熱拡散板、第３のセラミックス板および放熱板の積層体構造よりなる絶縁回路基板、あるいは、回路板、第１のセラミックス板、第１の熱拡散板、第２のセラミックス板、第２の熱拡散板、第３のセラミックス板、第３の熱拡散板、第４のセラミックス板および放熱板の積層体構造よりなる絶縁回路基板も、上記と同様な理由により有効であった。
(3) Further, the number of stacked heat diffusion plates is increased, and the circuit board, the first ceramic plate, the first heat diffusion plate, the second ceramic plate, the second heat diffusion plate, the third ceramic plate, and Insulated circuit board having a laminated structure of heat sinks, or circuit board, first ceramic plate, first heat diffusion plate, second ceramic plate, second heat diffusion plate, third ceramic plate, The insulated circuit board having the laminated structure of the
また、回路板と放熱板の間に、両面にセラミックス板を設けた熱拡散板を少なくとも１層以上介在させることにより、熱抵抗や信頼性を損なうことなく、絶縁回路基板単体のトータル厚さを従来品より厚くすることができる。 In addition, by interposing at least one heat diffusion plate with ceramic plates on both sides between the circuit board and the heat sink, the total thickness of the insulated circuit board alone can be reduced without sacrificing thermal resistance or reliability. Can be thicker.
その結果、絶縁回路基板単体のトータル厚さを２ｍｍ以上と厚くすることも可能となり、絶縁回路基板の反りを抑制し、かつ、剛性を増加させることができ、ヒートシンク板を使用しないパワーモジュール実装時の使い勝手が向上した。 As a result, the total thickness of the insulated circuit board itself can be increased to 2 mm or more, which can suppress warping of the insulated circuit board and increase rigidity, and when mounting a power module that does not use a heat sink plate Improved usability.
（４） 両面にセラミックス板を配置した熱拡散板は、回路板や放熱板から電気的に絶縁されているため、半導体パワー素子の通電路として使用することが可能になり、絶縁回路基板の使い勝手が向上した。 (4) Since the heat diffusion plate with ceramic plates on both sides is electrically insulated from the circuit board and heat sink, it can be used as an energization path for semiconductor power elements, making it easy to use an insulated circuit board. Improved.
（５） 両面にセラミックス板を配置した熱拡散板は、回路板から電気的に絶縁されていること、また、熱拡散板を比較的厚くできること等により、熱拡散板中に半導体パワー素子を冷却する水路を設けることが可能になり、絶縁回路基板の使い勝手が向上した。 (5) The heat diffusion plate with ceramic plates on both sides is electrically insulated from the circuit board, and the heat diffusion plate can be made relatively thick. This makes it possible to provide a water channel that improves the usability of the insulated circuit board.
（６） 熱拡散板と放熱板とで第２のセラミックス板を完全に覆うように、前記熱拡散板の端部と前記放熱板の端部を一体化する。この比較的に肉厚が増加した端部の一体化部分に、ネジ止め用の孔やＯリング用の溝を設けることで、絶縁回路基板の使い勝手が向上した。 (6) The end portion of the heat diffusion plate and the end portion of the heat dissipation plate are integrated so that the second ceramic plate is completely covered with the heat diffusion plate and the heat dissipation plate. By providing a screw-fastening hole and an O-ring groove in the integrated portion of the end portion having a relatively increased thickness, the usability of the insulated circuit board is improved.
さらに、端部の一体化部分で、絶縁回路基板を冷却部材へ摩擦撹拌溶接によって簡単に気密接合できるようになった。その結果、冷却部材への装着性が向上した。 Further, the insulating circuit board can be easily hermetically joined to the cooling member by friction stir welding at the integrated portion of the end. As a result, the mounting property to the cooling member was improved.
上記により、使い勝手が良く、高信頼性の絶縁回路基板並びに半導体パワー素子を実現することができる。 According to the above, an easy-to-use and highly reliable insulated circuit board and semiconductor power element can be realized.
本発明によれば、使い勝手が良く、低熱抵抗で高信頼性の半導体パワー素子用絶縁回路基板を搭載した半導体パワーモジュールを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor power module on which an easy-to-use, low thermal resistance and high reliability insulating circuit board for a semiconductor power element is mounted.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１は本実施例の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の一例を示す模式断面図である。絶縁回路基板は回路板１、第１のセラミックス板２、熱拡散板３、第２のセラミックス板４および放熱板５を積層した構造のもので、これらの積層体は活性金属やＡｌ合金系のろう材６を用いて接合されている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an insulated circuit board for a semiconductor power device according to this embodiment. The insulated circuit board has a structure in which a
前記積層体は高真空中あるいは不活性雰囲気中で接合され、ろう材６にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の活性金属を用いたときは約８００℃以上、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のＡｌ合金を用いたときは約６００℃以上で強固に接合される。
The laminated body is bonded in a high vacuum or in an inert atmosphere. When an Ag—Cu—Ti based active metal is used for the
なお、回路板１、熱拡散板３および放熱板５は、高熱伝導性を有し、かつ、電気抵抗の小さいＣｕ，Ｃｕ合金，Ａｌ，Ａｌ合金中のいずれかの材料が用いられる。
The
また、第１のセラミックス板２および第２のセラミックス板４は、低熱膨張特性を有し、絶縁抵抗の高い窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ中のいずれかの材料が用いられる。ここで、窒化ケイ素，窒化アルミニウム，アルミナの熱伝導率は、それぞれ８０Ｗ／ｍ・Ｋ，１７５Ｗ／ｍ・Ｋ，３６Ｗ／ｍ・Ｋであることが知られている。
Further, the first
本絶縁回路基板における熱拡散板３の効果は後述するように、回路板１上に実装した半導体パワー素子の熱を熱拡散板３で横方向に広げることにより絶縁回路基板自体の熱抵抗を低減できる。
As will be described later, the effect of the
また、絶縁回路基板のトータル厚さが増すことによって、その剛性が増加するので、熱抵抗を小さくする目的で回路板や放熱板を厚くしても、回路板形状によって第１のセラミックス板２および第２のセラミックス板４に発生する最大主応力の増加を抑制することができる。
Further, since the rigidity of the insulating circuit board increases as the total thickness of the insulating circuit board increases, even if the circuit board or the heat sink is made thicker for the purpose of reducing the thermal resistance, the first
図２は、上記半導体パワー素子用の絶縁回路基板の平面図である。なお、後述する同一符号の要素は全て同じ機能を有するものとして、以下の説明を行うことにする。 FIG. 2 is a plan view of an insulating circuit board for the semiconductor power element. In addition, the following description will be given on the assumption that all elements having the same reference numerals described later have the same function.
図２における回路板１は、絶縁回路基板のほぼ中央で２個に分割した例である。なお、回路板１はユーザの使用目的に応じて種々の形状に分割することができる。回路板１，第１のセラミックス板２，熱拡散板３，第２のセラミックス板４および放熱板５の積層体よりなる絶縁回路基板は、積層体を構成する各材料の熱膨張係数が異なるため、ろう材６で接合した後に絶縁回路基板の各部に残留応力が発生する。図２の場合、第１のセラミックス板２および第２のセラミックス板４に発生する最大の残留主応力は、回路板形状の影響を受ける回路板分離部１００で生じる。
The
次に、図３は、従来の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の例を示す模式断面図である。 Next, FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional insulated circuit board for a semiconductor power element.
図３に示すように、従来の絶縁回路基板は回路板１、セラミックス板２および放熱板５の積層体を活性金属やＡｌ合金系のろう材６を用いて接合したものである。この場合も、セラミックス板２に発生する最大の残留主応力は、回路板の形状の影響を受ける回路板分離部１００で生じる。
As shown in FIG. 3, the conventional insulated circuit board is obtained by joining a laminated body of a
この従来型絶縁回路基板におけるセラミックス板２に発生する最大主応力の解析例を図４のグラフに示す。セラミックス板２の素材として厚さ０．６３５ｍｍの窒化ケイ素を用い、回路板１の厚さと放熱板５の厚さを変えた場合の最大主応力の変化を示したものである。
An analysis example of the maximum principal stress generated in the
横軸の数値は、回路板１の厚さを分子に、放熱板５の厚さを分母としている。なお、分母の放熱板５の厚さを分子の回路板１の厚さよりも薄くするのは、絶縁回路基板自体の反り量を低減するために有効な手法として知られている。
The numerical values on the horizontal axis use the thickness of the
セラミックス板２に窒化ケイ素を用いたとき、この材料の曲げ強度は約６５０ＭＰａで、図４中点線で示した。図に示すように、回路板１／放熱板５の値が大きくなるにつれて、セラミックス板２に残留する最大主応力は増加し、セラミックス板２を構成する窒化ケイ素の曲げ強度に接近することが分かる。
When silicon nitride is used for the
絶縁回路基板を過酷なヒートサイクル（−４０℃⇔＋１２０℃）のもとで使用し、例えば、１０００サイクル以上の信頼性を確保するためには、セラミックス板２に残留する最大主応力をセラミックス板２を構成する素材の曲げ強度のおよそ５０％以下にする必要があった。
Insulating circuit board is used under severe heat cycle (−40 ° C. + 120 ° C.). For example, in order to ensure the reliability of 1000 cycles or more, the maximum principal stress remaining on the
従って、従来構造の絶縁回路基板においては、回路板１および放熱板５の素材としてＣｕやＣｕ合金を用いたＣｕ回路板、ＡｌやＡｌ合金を用いたＡｌ回路板を適用したときの回路板２／放熱板５の限界の肉厚は、セラミックス板２が窒化ケイ素であるときは、それぞれ０．４ｍｍ／０．３ｍｍ，０．６ｍｍ／０．４ｍｍであった。
Therefore, in the insulated circuit board having the conventional structure, the
一方、セラミックス板２に曲げ強度が約３５０ＭＰａの窒化アルミニウムを用いたときの最大主応力は図４には記載していないが、窒化アルミニウムへＣｕ回路板およびＡｌ回路板を適用したときの回路板２／放熱板５の限界の肉厚は、それぞれ０．３ｍｍ／０．２ｍｍ，０．４ｍｍ／０．３ｍｍと窒化ケイ素の場合より薄くなった。
On the other hand, the maximum principal stress when aluminum nitride having a bending strength of about 350 MPa is used for the
なお、ＣｕやＣｕ合金およびＡｌやＡｌ合金の熱伝導率はそれぞれ約３９８Ｗ／ｍ・Ｋ，２２０Ｗ／ｍ・Ｋとセラミックス板２の熱伝導率より大きい。それ故、回路板２／放熱板５の肉厚が厚いほど、半導体パワー素子で発生した熱は回路板２／放熱板５の部分で、より横方向に拡散するため、絶縁回路基板自体の熱抵抗は小さくなる。しかし、絶縁回路基板の信頼性を確保するために、従来型絶縁回路基板における回路板２／放熱板５の高肉厚化には、前記のような限界があった。
The thermal conductivities of Cu, Cu alloy, Al, and Al alloy are about 398 W / m · K and 220 W / m · K, respectively, which are larger than the thermal conductivities of the
図１に示す本発明による絶縁回路基板におけるセラミックス板２およびセラミックス板４に発生する最大主応力の解析例を図５に示す。
FIG. 5 shows an analysis example of the maximum principal stress generated in the
図５は回路板１の厚さが１．０ｍｍ、放熱板５の厚さが０．８ｍｍで、セラミックス板２およびセラミックス板４に厚さ０．３２ｍｍの窒化ケイ素を適用し、熱拡散板３の厚さを変えたときの最大主応力の変化を示したものである。なお、図中には回路板１と放熱板５がＣｕあるいはＣｕ合金で構成されるときの絶縁回路基板の反り量の変化も記載した。
In FIG. 5, the thickness of the
図５に示すように、セラミックス板２およびセラミックス板４に生じる最大主応力は、共に熱拡散板３の厚さが増加するにつれて減少する。そして、回路板１および放熱板５にＣｕやＣｕ合金を用いたＣｕ回路板の方が、ＡｌやＡｌ合金を用いたＡｌ回路板の場合より、セラミックス板に生じる最大主応力は熱拡散板３の厚さが増したとき急激に減少した。これは、Ｃｕ回路板のヤング率がＡｌ回路板のヤング率より大きく、かつ、セラミックス板の素材である窒化ケイ素のヤング率に近いからである。
As shown in FIG. 5, the maximum principal stress generated in the
セラミックス板に発生する最大主応力が点線で示した窒化ケイ素の５０％以下になるときの熱拡散板３の厚さは、Ｃｕ回路板の場合でおよそ０．６ｍｍ以上、Ａｌ回路板の場合でおよそ０．２ｍｍ以上であることが分かる。
The thickness of the
なお、図５は窒化ケイ素よりなるセラミックス板２およびセラミックス板４の厚さが、同じ０．３２ｍｍのときの解析例であり、この場合はセラミックス板２に発生する最大主応力は、セラミックス板４に発生する最大主応力の約２倍であったが、図には大きいほうの主応力値を記載した。このことは、セラミックス板４の厚さをセラミックス板２より薄くできることを示唆している。
FIG. 5 is an analysis example when the thickness of the
絶縁回路基板の生産性を考慮した場合、セラミックス板２とセラミックス板４の厚さを同じにすべきであり、信頼性の限界設計を考慮するならセラミックス板２よりセラミックス板４の厚さを薄くすべきである。そして、絶縁回路基板の限界設計を行ったときに、絶縁回路基板の熱抵抗がより小さくなることは述べるまでもない。
When considering the productivity of the insulated circuit board, the thickness of the
セラミックス板に生じる最大主応力が熱拡散板３の厚さが増すにつれて減少するのは、熱拡散板３の厚さが増加するに伴い絶縁回路基板のトータル厚さが増すことによって、絶縁回路基板自体の剛性が大きくなるからである。
The maximum principal stress generated in the ceramic plate decreases as the thickness of the
図５に示すように、絶縁回路基板の剛性が大きくなる故、熱拡散板３の厚さが増すにつれて、絶縁回路基板の反り量が減少する。絶縁回路基板自体の反り量が小さいことは非常に重要なことである。例えば、本絶縁回路基板をグリースを介して冷却部材に実装するとき、実使用状態での熱抵抗を下げる点からも有利なことである。
As shown in FIG. 5, since the rigidity of the insulated circuit board increases, the amount of warpage of the insulated circuit board decreases as the thickness of the
なお、図５はセラミックス板の素材が窒化ケイ素であるときの解析例を示したものであるが、窒化アルミニウムやアルミナを用いたときも同様に、セラミックス板に生じる最大主応力は、熱拡散板３の厚さが増加するにつれて減少した。 FIG. 5 shows an example of analysis when the material of the ceramic plate is silicon nitride. Similarly, when aluminum nitride or alumina is used, the maximum principal stress generated in the ceramic plate is the heat diffusion plate. It decreased as the thickness of 3 increased.
本発明による絶縁回路基板におけるセラミックス板２およびセラミックス板４に発生する最大主応力の他の解析例を図６に示す。図６は熱拡散板３の厚さが１．０ｍｍで、セラミックス板２およびセラミックス板４に厚さ０．３２ｍｍの窒化ケイ素を適用し、回路板１の厚さと放熱板５の厚さを変えたときの最大主応力の変化を示したものである。
FIG. 6 shows another analysis example of the maximum principal stress generated in the
横軸には回路板１の厚さを分子に、放熱板５の厚さを分母として示す。セラミックス板２に窒化ケイ素を用いたとき、この材料の曲げ強度は約６５０ＭＰａであり、図６中に点線で示した。
The horizontal axis shows the thickness of the
図６に示すように、回路板１／放熱板５の厚さが厚くなるにつれて、セラミックス板に残留する最大の主応力は増加するが、全ての回路板２／放熱板５の肉厚に対してＣｕ回路板の場合もＡｌ回路板の場合も、セラミックス板に発生する最大主応力を窒化ケイ素の曲げ強度の５０％以下にすることが容易であった。
As shown in FIG. 6, the maximum principal stress remaining on the ceramic plate increases as the thickness of the
そして、この窒化アルミニウムへＣｕ回路板およびＡｌ回路板を適用したときの回路板２／放熱板５の限界肉厚を、共に０．８ｍｍ／０．６ｍｍ以上にすることも可能であり、過酷なヒートサイクル（−４０℃⇔＋１２０℃）下で使用しても信頼性を確保することができた。
And, when the Cu circuit board and the Al circuit board are applied to the aluminum nitride, the limit thickness of the
なお、本発明による絶縁回路基板の場合、図５，図６から分かるように、回路板１，第１のセラミックス板２，熱拡散板３，第２のセラミックス板４および放熱板５の中で、熱拡散板３の厚さが最も厚いこと、また、第１のセラミックス板２および第２のセラミックス板４の厚さは、ほぼ同じで、かつ、これらの厚さが熱拡散板３の厚さの少なくとも５０％以下であること、さらに、絶縁回路基板単体のトータル厚さを２ｍｍ以上と厚くすることなどが望ましいことを示唆している。
In the case of the insulated circuit board according to the present invention, as can be seen from FIGS. 5 and 6, among the
図７は、本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の他の一例を示す模式断面図である。 FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing another example of an insulated circuit board for a semiconductor power device of the present invention.
絶縁回路基板を冷却するための水路７を熱拡散板３に設けた。既述したように、熱拡散板３を容易に厚く（例えば、１ｍｍ以上）できるので、熱拡散板３の中に水路７を配置することが可能となった。このように、両面にセラミックス板２とセラミックス板４を配置した熱拡散板３は、回路板１から電気的に絶縁されていること、また、熱拡散板３を比較的に厚くできることにより、熱拡散板３中に半導体パワー素子を冷却する水路７を設けることが可能となり、絶縁回路基板の使い勝手が向上した。
A
図８は、本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の他の一例を示す模式断面図である。 FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing another example of an insulated circuit board for a semiconductor power device of the present invention.
回路板１，第１のセラミックス板２，熱拡散板３，第２のセラミックス板４および放熱板５の積層体よりなり、活性金属やアルミ合金系などのろう材を用いない製法により製造した絶縁回路基板である。
Insulation made of a laminated body of
以下に、その製法について説明する。最初に金型内の所定の位置へ第１のセラミックス板２と第２のセラミックス板４をセットする。次に、回路板１，熱拡散板３および放熱板５となる溶融Ａｌあるいは溶融Ａｌ合金を金型内に高圧で注入する。注入後、前記溶融Ａｌあるいは溶融Ａｌ合金を冷却して固体化する。
Below, the manufacturing method is demonstrated. First, the first
最後に、回路板１，第１のセラミックス板２，熱拡散板３，第２のセラミックス板４および放熱板５よりなる積層体を前記金型より取り出すことによって、図８の絶縁回路基板が得られる。
Finally, an insulating circuit board shown in FIG. 8 is obtained by taking out the laminate composed of the
なお、回路板１，熱拡散板３および放熱板５の素材として融点が５７５〜６１０℃であるＡｌ−７％，Ｓｉ−０．３〜０．５％，ＭｇよりなるＡｌ合金を用いたとき、前記溶融Ａｌ合金を６２０℃以上で金型内へ数ＭＰａの高圧で注入した。そして、Ａｌ合金部の温度が５５０℃以下になったとき、絶縁回路基板を金型から取り出した。
In addition, when Al-7%, Si-0.3-0.5%, and Mg alloy having a melting point of 575 to 610 ° C. are used as materials for the
この製法により得られる絶縁回路基板はろう材がなくても、回路板１，熱拡散板３および放熱板５は、第１のセラミックス板２および第２のセラミックス板４と強固に接合することができ、過酷なヒートサイクル（−４０℃⇔＋１２０℃）下でも剥離などのトラブルは生じなかった。
Even if the insulating circuit board obtained by this manufacturing method has no brazing material, the
図９は、本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の他の一例を示す模式断面図である。 FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing another example of an insulated circuit board for a semiconductor power device of the present invention.
本実施例は図８と同様に、ろう材不要の製法で作製した絶縁回路基板であり、熱拡散板と放熱板とで第２のセラミックス板４を完全に覆うように、前記熱拡散板の端部と前記放熱板の端部を一体化した点が特徴である。図９において、熱拡散板相当部２００と、放熱板相当部３００とを有し、熱拡散板の端部と放熱板の端部を一体化した部分を８で示した。なお、端部の一体化部分８は高肉厚であり、その厚さは１ｍｍ以上、望ましくは１．５ｍｍ以上である。
As in FIG. 8, this example is an insulated circuit board manufactured by a method that does not require brazing material, and the heat diffusion plate and the heat radiating plate completely cover the second
熱拡散板部と放熱板部が電気的に導通していても良い半導体パワー素子の実装形態もあり、この場合は第２のセラミックス板４を熱散板相当部２００と放熱板相当部３００の間に埋没させても差し支えない。
There is also a mounting form of a semiconductor power element in which the heat diffusing plate portion and the heat radiating plate portion may be electrically connected. In this case, the second
図１０は、本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の他の一例を示す模式断面図である。 FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing another example of an insulated circuit board for a semiconductor power device of the present invention.
本実施例は、図９の絶縁回路基板へネジ用の孔１０やＯリング用の溝９を設けたものである。端部の一体化部分８は高肉厚であるために、この部分へネジ用の孔１０やＯリング用の溝９を設けることが容易になる。その結果、パワーモジュール実装時における絶縁回路基板の使い勝手が向上した。
In this embodiment, a
図１１は、本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の他の一例を示す模式断面図である。 FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing another example of an insulated circuit board for a semiconductor power device of the present invention.
本実施例は、図９に示した絶縁回路基板の熱拡散板相当部２００に本絶縁回路基板を冷却するための水路１１を設けた実施例である。熱拡散板相当部２００を容易に厚く（例えば、１ｍｍ以上）できるので、熱拡散板相当部２００中に水路１１の配置が可能となる。なお、水路１１を設けた熱拡散板相当部２００と回路板１は、第１のセラミックス板２によって電気的に絶縁されている。
In this embodiment, the
このように、絶縁回路基板中に半導体パワー素子を冷却するための水路１１を設けることが可能となり、本絶縁回路基板の使い勝手が向上した。
As described above, the
図１２は、本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の実装状態の一例を示す模式断面図である。 FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing an example of a mounted state of an insulated circuit board for a semiconductor power device of the present invention.
本実施例は、図９に示した絶縁回路基板を水路１２を有する冷却部材１３へ気密に実装した例である。端部の一体化部分８の下面４００部で、冷却部材１３に摩擦撹拌溶接によって接合したものである。
In this embodiment, the insulated circuit board shown in FIG. 9 is airtightly mounted on the cooling
本実施例の端部の一体化部分８はＡｌあるいはＡｌ合金よりなるため、冷却部材１３が銅あるいはＡｌ系などの軟質の材料で構成されるとき、周知の摩擦撹拌溶接が可能になる。
Since the
なお、周知の摩擦撹拌溶接とはバーナ等で接合部を高温に加熱する必要が全くなく、室温雰囲気中で気密に接合できる技術である。このように、端部の一体化部分８へ摩擦撹拌溶接によって冷却部材１３を簡単に気密接合できるようになり、絶縁回路基板の使い勝手が向上した。
In addition, the well-known friction stir welding is a technique that does not require heating the joint to a high temperature with a burner or the like, and can be hermetically joined in a room temperature atmosphere. Thus, the cooling
図１３は、本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の他の一例を示す模式断面図である。 FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing another example of an insulated circuit board for a semiconductor power device of the present invention.
本実施例は図１と同様の回路板１，第１のセラミックス板２，熱拡散板３，第２のセラミックス板４および放熱板５の積層体よりなる絶縁回路基板において、第１のセラミックス板２，熱拡散板３および第２のセラミックス板４の平面的な寸法を変えたものである。第１のセラミックス板２と第２のセラミックス板４間の熱拡散板３をその端部５００において露出させた構造である。
This embodiment is the same as that of FIG. 1 except that the first ceramic plate is an insulating circuit board comprising a laminate of a
図１４は、図１３の絶縁回路基板の実装例を示す模式断面図である。半導体パワー素子１５が半田１６を介して回路板１の上に接合されている。そして、熱拡散板３の露出端部５００と半導体パワー素子１５が導線１４で電気的に接続されている。こうすることにより、熱拡散板３を半導体パワー素子１５の通電路として使用することが可能になる。
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing an example of mounting the insulated circuit board of FIG. A
この場合、パワーモジュール全体を小型化できるなどの優れた効果があり、絶縁回路基板の使い勝手が向上した。 In this case, there is an excellent effect that the entire power module can be reduced in size, and the usability of the insulated circuit board is improved.
図１５は、図１３に記載した絶縁回路基板の平面図の例を示す。第１のセラミックス板２の上に接合された回路板１の形状は３個に分割されている。第２のセラミックス板４の上に接合された熱拡散板３が１個の場合を図１５（Ａ）、２個に分割されている場合を図１５（Ｂ）、３個に分割されている場合を図１５（Ｃ）に示した。
FIG. 15 shows an example of a plan view of the insulated circuit board described in FIG. The shape of the
いずれの場合も、熱拡散板３を半導体パワー素子の通電路として使用することができる。例えば、図１５（Ａ）の場合、熱拡散板３を半導体パワー素子の＋側通電路あるいは−側通電路のいずれかに使用することができる。
In either case, the
図１５（Ｂ）の場合、熱拡散板３ａ，熱拡散板３ｂの一方を半導体パワー素子の＋側通電路、他方を−側通電路に使用することができる。
In the case of FIG. 15B, one of the
半導体パワー素子がパワーＭＯＳよりなるときは、図１５（Ｃ）の場合が有効で、熱拡散板３ａ、熱拡散板３ｂおよび熱拡散板３ｃをそれぞれエミッタ側、ベース側およびコレクタ側の通電路として使用することができる。
When the semiconductor power element is composed of a power MOS, the case of FIG. 15C is effective, and the
図１６は、本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の他の一を示す模式断面図である。 FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing another example of the insulated circuit board for a semiconductor power device of the present invention.
本実施例は熱拡散板を２枚にしたもので、回路板１，第１のセラミックス板２，第１の熱拡散板３，第２のセラミックス板４，第２の熱拡散板１７，第３のセラミックス板１８および放熱板５の積層体構造より形成されたものである。
In this embodiment, two heat diffusion plates are used. The
第１のセラミックス板２，第２のセラミックス板４および第３のセラミックス板１８の厚さはほぼ同じで、第１の熱拡散板３および第２の熱拡散板１７の厚さの５０％以下にすることが有効であった。そして、図１６の場合も低熱抵抗で高信頼性の絶縁回路基板を実現することができた。なお、図１６には溶融Ａｌあるいは溶融Ａｌ合金を金型内に高圧注入する方法で作製したものを示したが、前記積層体を活性金属やＡｌ合金系のろう材を用いて接合したものでもよい。
The thicknesses of the first
図１７は、本発明の半導体パワー素子用の絶縁回路基板の他の一例を示す模式断面図である。 FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing another example of an insulated circuit board for a semiconductor power device according to the present invention.
本実施例は熱拡散板を３枚にしたものであり、回路板１，第１のセラミックス板２，第１の熱拡散板３，第２のセラミックス板４，第２の熱拡散板１７，第３のセラミックス板１８，第３の熱拡散板１９，第４のセラミックス板２０および放熱板５の積層体構造よりなるものである。
In this embodiment, three heat diffusion plates are used, and the
図１６と同様、第１のセラミックス板２，第２のセラミックス板４，第３のセラミックス板１８および第４のセラミックス板２０の厚さはほぼ同じで、第１の熱拡散板３，第２の熱拡散板１７および第３の熱拡散板１９の厚さの５０％以下にすることが有効であった。
As in FIG. 16, the thicknesses of the first
また、図１６は溶融Ａｌあるいは溶融Ａｌ合金を金型内に高圧注入する方法で作製したものを示したが、前記積層体を活性金属やＡｌ合金系のろう材を用いて接合したものでもよい。 Further, FIG. 16 shows a product produced by high-pressure injection of molten Al or molten Al alloy into a mold, but the laminate may be joined using an active metal or an Al alloy-based brazing material. .
図１８は、本発明の絶縁回路基板の他の一例を示す模式断面図である。積層体構造中の熱拡散板の枚数が１枚の場合を図１８（Ａ）、２枚の場合を図１８（Ｂ）、３枚の場合を図１８（Ｃ）に示した。 FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing another example of the insulated circuit board of the present invention. FIG. 18A shows the case where the number of heat diffusion plates in the laminated structure is one, FIG. 18B shows the case of two, and FIG. 18C shows the case of three.
セラミックス板と熱拡散板の平面的な寸法を変えることによって、各々の熱拡散板の端部を露出させたものである。こうすることによって、熱拡散板を半導体パワー素子の通電路として使用することができる。 By changing the planar dimensions of the ceramic plate and the heat diffusion plate, the end portions of the respective heat diffusion plates are exposed. By doing so, the thermal diffusion plate can be used as an energization path for the semiconductor power element.
例えば、図１８（Ａ）の場合、第１の熱拡散板３を半導体パワー素子の＋側通電路あるいは−側通電路のいずれかに使用することができる。
For example, in the case of FIG. 18A, the first
図１８（Ｂ）の場合、第１の熱拡散板３および第２の熱拡散板１７の一方を半導体パワー素子の＋側通電路、他方を−側通電路に使用することができる。
In the case of FIG. 18B, one of the first
半導体パワー素子がパワーＭＯＳよりなるときは、図１８（Ｃ）の場合が有効で、第１の熱拡散板３，第２の熱拡散板１７および第３の熱拡散板１９をそれぞれエミッタ側，ベース側およびコレクタ側の通電路として使用することができる。
When the semiconductor power element is composed of a power MOS, the case of FIG. 18C is effective, and the first
このように、両面にセラミックス板を配置した熱拡散板は、回路板１や放熱板５から電気的に絶縁されているため、半導体パワー素子の通電路として使用することが可能になり、絶縁回路基板の使い勝手が向上した。
As described above, since the heat diffusion plate having the ceramic plates disposed on both sides is electrically insulated from the
図１９は、絶縁回路基板をパワーモジュールへ実装した一例を示す模式断面図である。図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）はそれぞれ従来の絶縁回路基板および本発明による絶縁回路基板をグリース２１を介して冷却部材２２へ装着したものである。そして、回路板１の上には半田１６で半導体パワー素子１５を接合している。
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing an example in which an insulating circuit board is mounted on a power module. FIGS. 19A and 19B show a conventional insulated circuit board and an insulated circuit board according to the present invention mounted on a cooling
図１９（Ａ）の従来の絶縁回路基板を用いた場合、通電によって半導体パワー素子１５に発生した熱は半田１６→回路板１→セラミックス板２→放熱板５→グリース２１を経て冷却部材２２へ伝えられる。
In the case where the conventional insulated circuit board of FIG. 19A is used, the heat generated in the
一方、図１９（Ｂ）の本発明による絶縁回路基板を用いた場合、半導体パワー素子１５に発生した熱は半田１６→回路板１→第１のセラミックス板２→熱拡散板３→第２のセラミックス板４→放熱板５→グリース２１を経て冷却部材２２へ伝えられる。熱拡散板３部において熱は横方向に大きく拡散するので、半導体パワー素子１５はより効果的に冷却される。それ故、本発明による絶縁回路基板を用いた場合、通電による半導体パワー素子１５の温度上昇は抑制され小さくなる。
On the other hand, when the insulated circuit board according to the present invention of FIG. 19B is used, the heat generated in the
図２０は、本発明の絶縁回路基板を適用したパワーモジュールの熱抵抗の一例を示すグラフである。 FIG. 20 is a graph showing an example of the thermal resistance of a power module to which the insulated circuit board of the present invention is applied.
回路板１の厚さが０．６ｍｍ、窒化ケイ素よりなる第１のセラミックス板２および第２のセラミックス板４の厚さが共に０．３２ｍｍ、放熱板５の厚さが０．４ｍｍである絶縁回路板において、熱拡散板３の厚さを変えたときの熱抵抗の変化を示したものである。
Insulation in which the thickness of the
１０ｍｍ角×厚さ０．５ｍｍの半導体パワー素子１５を厚さ０．１ｍｍの半田１６（材料は５Ｓｂ−Ｓｎ半田）で回路板１の上に接合し、図１９（Ｂ）に示すように厚さ０．０５ｍｍのグリース２１を介して、Ａｌよりなる厚さ３ｍｍの冷却部材２２へ実装したときの熱抵抗の実測値を示した。なお、熱抵抗は半導体パワー素子１５の温度と冷却部材２２の最下面における温度との差を、半導体パワー素子１５で発生した熱量Ｗ（ワット）で割り算した値で定義した。
A 10 mm square × 0.5 mm thick
図２０に示すように、熱拡散板３の厚さ（Ｔ）が増すにつれて熱抵抗は減少した。これは、前記のように熱拡散板３部において熱が横方向に大きく拡散した効果であり、熱拡散板３は厚いほどよいことを示唆している。
As shown in FIG. 20, the thermal resistance decreased as the thickness (T) of the
なお、回路板１，熱拡散板３および放熱板５がＣｕからなる場合をＣｕ回路板、Ａｌからなる場合をＡｌ回路板として、それぞれ図２０中に示した。Ｃｕ回路板の熱抵抗がＡｌ回路板より小さいのは、Ｃｕの熱伝導率が３９８Ｗ／ｍ・ＫとＡｌの２２０Ｗ／ｍ・Ｋより大きいためである。
In addition, the case where the
図２１は、本発明の絶縁回路基板の熱抵抗を示すグラフである。従来の絶縁回路基板を図１９（Ａ）、本発明による絶縁回路基板を図１９（Ｂ）に示す方法で実装したときの熱抵抗の実測値を比較したものである。 FIG. 21 is a graph showing the thermal resistance of the insulated circuit board of the present invention. 19A is a comparison of measured values of thermal resistance when a conventional insulated circuit board is mounted by the method shown in FIG. 19A and the insulated circuit board according to the present invention is mounted by the method shown in FIG. 19B.
回路板１の厚さと放熱板５の厚さを変えたときの熱抵抗を、横軸に回路板１の厚さを分子に、また、放熱板５の厚さを分母とした時をパラメータとした。ここで、従来の絶縁回路基板におけるセラミックス板２の厚さは０．６３５ｍｍ、本発明の絶縁回路基板における第１のセラミックス板２および第２のセラミックス板４の厚さは共に０．３２ｍｍであり、その素材が窒化ケイ素である場合を示した。また、本発明の絶縁回路基板中の熱拡散板３の厚さは１．０ｍｍである。そして、回路板、熱拡散板および放熱板がＣｕで構成されるＣｕ回路板時の熱抵抗を比較した。
The thermal resistance when the thickness of the
図２１に示すように、従来の絶縁回路基板より本発明による絶縁回路基板の方の熱抵抗が小さく、熱拡散板３の効果が大きいことが分かる。なお、回路板１／放熱板５の厚さが厚いほど、従来の絶縁回路基板および本発明の絶縁回路基板の熱抵抗が共に小さくなるのは、回路板１および放熱板５部において熱が横方向に拡散するからである。但し、過酷なヒートサイクル（−４０℃⇔＋１２０℃）下でのセラミックス板の割れを防止するには、前記したように、従来の絶縁回路基板では、回路板１および放熱板５をあまり厚くすることはできない。
As shown in FIG. 21, it can be seen that the thermal resistance of the insulated circuit board according to the present invention is smaller than that of the conventional insulated circuit board, and the effect of the
図２２は、本発明の絶縁回路基板の熱抵抗の他の一例を示すグラフである。図２１と同様に、従来の絶縁回路基板を図１９（Ａ）、本発明の絶縁回路基板を図１９（Ｂ）に示す方法で実装したときの熱抵抗の実測値を示したものである。そして、図２２は回路板，熱拡散板および放熱板がＡｌで構成されるＡｌ回路板時の熱抵抗の比較を示したもので、その他の条件は図２１の場合と同じである。 FIG. 22 is a graph showing another example of the thermal resistance of the insulated circuit board of the present invention. Similarly to FIG. 21, the measured value of the thermal resistance when the conventional insulated circuit board is mounted by the method shown in FIG. 19A and the insulated circuit board of the present invention is mounted by the method shown in FIG. 19B is shown. FIG. 22 shows a comparison of thermal resistance when the circuit board, the heat diffusing plate and the heat radiating plate are made of Al, and the other conditions are the same as those in FIG.
Ａｌ回路板時も図２１のＣｕ回路板時と同様に、従来の絶縁回路基板より本発明の絶縁回路基板の方の熱抵抗が小さく、熱拡散板３の効果の大きいことを実測で確認できた。
As in the case of the Cu circuit board in FIG. 21, it can be confirmed by actual measurement that the thermal resistance of the insulated circuit board of the present invention is smaller than that of the conventional insulated circuit board and the effect of the
１…回路板、２…第１のセラミックス板、３，３ａ，３ｂ，３ｃ…熱拡散板、４…第２のセラミックス板、５…放熱板、６…接合ろう材、７，１１，１２…水路、８…端部の一体化部分、９…Ｏリング用の溝、１０…ネジ用の孔、１３…冷却部材、１４…導線、１５…半導体パワー素子、１６…半田、１７…第２の熱拡散板、１８…第３のセラミックス板、１９…第３の熱拡散板、２０…第４のセラミックス板、２１…グリース、２２…冷却部材、１００…回路板分離部、２００…熱拡散板相当部、３００…放熱板相当部、４００…摩擦撹拌溶接部、５００…露出端部。
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