[发明专利]功率模块用基板及功率模块

说明书

技术领域

本发明涉及一种例如用于控制大电流、高电压的半导体装置的功率模块用基板及功率模块。

本申请基于2010年2月5日在日本申请的专利申请2010-024705号及2010年2月5日在日本申请的专利申请2010-024706号主张优先权，将其内容援用于此。

背景技术

在半导体元件中用于电力供给的功率元件的发热量比较高。作为搭载功率元件的功率模块用基板提出有如下绝缘基板，即例如如专利文献1~3所记载，在散热器上形成树脂层来作为绝缘层，在该树脂层上配设由铜板构成的基板主体。在该功率模块用基板中，在基板主体上经焊接材料搭载作为功率元件的半导体元件（硅芯片）。

在这种功率模块用基板中，从半导体元件产生的热量在由热传导率较高的铜板构成的基板主体中向板面方向（与层叠方向正交的方向）散开的基础上，经热传导率较低的树脂层向散热器侧散发。

在此，由以下所示的热阻Rth表示上述的功率模块用基板的绝缘层中的散热特性。

Rth=（1/k）·（t/S）

Rth：热阻、k：热传导率、t：绝缘层的厚度、S：绝缘层的面积

而且，广泛利用如下功率模块用基板，其例如如专利文献4所示，成为电路层（相当于基板主体）的Al（铝）的金属板经Al-Si系的钎料接合于由AlN（氮化铝）构成的陶瓷基板（相当于绝缘层）的一面侧。

另外，构成半导体元件的硅的热膨胀系数为约2×10^-6/℃，与构成基板主体的铜或铝的热膨胀系数大不相同。因此，在对功率模块施加冷热循环时，由该热膨胀系数之差产生的应力作用于焊接层，可能导致焊接层产生龟裂。

最近，随着推进功率模块的小型化/薄壁化，其使用环境也变得严峻，来自半导体元件等电子组件的发热量变大，因此冷热循环的温度差较大，有在上述的焊接层上容易产生龟裂的倾向。

可以考虑通过以Cu-Mo合金构成基板主体，使基板主体的热膨胀系数近似于半导体元件的热膨胀系数来抑制焊接层的龟裂产生。

然而，由于Cu-Mo合金的热传导率低到170W/m·K，因此无法使热量充分散开，而且无法有效地散发在半导体元件中产生的热量。

专利文献1：日本特开2007-142067号公报

专利文献2：日本特开2004-165281号公报

专利文献3：日本特开2006-114716号公报

专利文献4：日本特开2005-219775号公报

发明内容

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种如下功率模块用基板及使用该功率模块用基板的功率模块，所述功率模块用基板能够有效地散发从半导体元件产生的热量，并且即使在施加冷热循环时也能够抑制安装于半导体元件之间的焊接层上产生龟裂。

本发明的功率模块用基板，其呈板状的基板主体的一面设为搭载半导体元件的搭载面且在所述基板主体的另一面侧形成绝缘层而成，其中，所述基板主体由金属基复合板构成，该金属基复合板由在碳质部件中填充有金属的金属基复合材料构成。

在该结构的功率模块用基板中，能够将基板主体的热膨胀系数设定为小于铜等金属的热膨胀系数，能够抑制焊接层因冷热循环而产生龟裂。

本发明的功率模块用基板的第1方式中，所述金属基复合板具有各向异性，以便一方向上的热传导率高于其他方向上的热传导率，构成为所述基板主体中的高热传导率方向朝向所述基板主体的厚度方向。

在该结构的功率模块用基板中，即便加厚基板主体的厚度也能够朝向厚度方向传递热量。因此，通过加厚基板主体的厚度，能够促进朝向板面方向的热量的扩散，且能够在基板主体中使从半导体元件产生的热量散开并散发。

在本发明的功率模块用基板的第1方式中，所述基板主体的厚度ts（mm）、所述基板主体的面积S（mm²）及所述半导体元件的接合面积S₀（mm²）可以设为0.003≤ts/（S-S₀）≤0.015的范围内。

在该结构的功率模块用基板中，相对于基板主体的面积S可确保其厚度ts的厚度，且能够遍及整个基板主体的面积S散开热量。而且，基板主体的板厚不会变得过厚，能够有效地进行厚度方向的热量传递。