JP5966512B2 - Manufacturing method of power module substrate with heat sink - Google Patents
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Description
本発明は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink.
従来、大電流、高電圧を制御する半導体装置であるパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に回路層となるアルミニウム金属層が積層され、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となるアルミニウム金属層が形成され、この放熱層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。 Conventionally, as a power module that is a semiconductor device that controls a large current and a high voltage, an aluminum metal layer serving as a circuit layer is laminated on one surface of a ceramic substrate, and an electronic component such as a semiconductor chip is soldered on the circuit layer. In addition, an aluminum metal layer serving as a heat dissipation layer is formed on the other surface of the ceramic substrate, and a heat sink is joined to the heat dissipation layer.
この種のパワーモジュールとしては、たとえば、特許文献１記載のパワーモジュールが知られている。特許文献１記載のパワーモジュールにおいて、セラミックス基板に接合されるヒートシンクには、金属部材に櫛歯状の放熱フィンが形成されている。このような放熱フィンは、たとえば、アルミニウム合金の鍛造、鋳造、押出成形等により、金属部材の全面に均一に立設されている。 As this type of power module, for example, a power module described in Patent Document 1 is known. In the power module described in Patent Document 1, comb-shaped heat radiation fins are formed on a metal member in a heat sink joined to a ceramic substrate. Such radiating fins are erected uniformly over the entire surface of the metal member by, for example, forging, casting, extrusion molding or the like of an aluminum alloy.
特許文献２には、冷却媒体が流通する流路を有するヒートシンクに、パワーモジュール用基板が接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板が記載されている。このヒートシンクは、熱伝導性が良好なアルミニウム合金で形成され、上部が開放された樋状のジャケットとこのジャケットの上部を塞ぐ天板とが接合されることにより内部に流路が設けられている。天板の内面には複数の放熱フィンが形成されており、冷却水等の冷却媒体が流路を流通してこの放熱フィンを冷却することにより、天板およびパワーモジュール用基板を効果的に冷却することができる。 Patent Document 2 describes a power module substrate with a heat sink in which a power module substrate is bonded to a heat sink having a flow path through which a cooling medium flows. This heat sink is formed of an aluminum alloy having good thermal conductivity, and a flow path is provided inside by joining a bowl-shaped jacket having an open upper part and a top plate that closes the upper part of the jacket. . A plurality of radiating fins are formed on the inner surface of the top plate, and a cooling medium such as cooling water circulates through the flow path to cool the radiating fins, thereby effectively cooling the top plate and the power module substrate. can do.
また、特許文献３および４には、セラミックス基板の表面および裏面に金属板をろう付けし、その表面の金属板をエッチングによって回路パターンを形成した接合体を形成し、その接合体を冷却して、接合体の反りまたはうねりを矯正する方法が記載されている。 In Patent Documents 3 and 4, a metal plate is brazed to the front and back surfaces of a ceramic substrate, a joined body in which a circuit pattern is formed by etching the metal plate on the front surface, and the joined body is cooled. A method for correcting warpage or undulation of the joined body is described.
パワーモジュールの高出力化に伴い、パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクにおける冷却能力の向上が求められる場合、特許文献１に記載されたような空冷式のヒートシンクよりも、特許文献２に記載されたような液冷式のヒートシンクが好適である。 When the improvement of the cooling capacity in the heat sink that cools the power module substrate is demanded as the output of the power module is increased, it is described in Patent Document 2 rather than the air-cooled heat sink as described in Patent Document 1. Such a liquid-cooled heat sink is suitable.
ヒートシンク内部の流路に冷却液を流通させるためにはジャケットと天板とを隙間なく接合しなければならないが、天板の平面度が低い場合には流路の密封が損なわれ、冷却媒体が漏れ出るおそれもある。 In order to allow the coolant to flow through the flow path inside the heat sink, the jacket and the top plate must be joined without gaps. However, if the flatness of the top plate is low, the sealing of the flow channel is impaired, and the cooling medium is There is also a risk of leakage.
これに対して、たとえばヒートシンクの天板を厚くすることにより反りを低減させることはできるが、天板が厚すぎるとパワーモジュール用基板を速やかに冷却することが困難になるとともに、使用時の冷熱サイクルによりセラミックス基板に対する負担が大きくなり、割れ等を発生させるおそれがあるため、過度に厚い天板を用いることは好ましくない。 On the other hand, warping can be reduced by increasing the thickness of the top plate of the heat sink, for example, but if the top plate is too thick, it becomes difficult to quickly cool the power module substrate. It is not preferable to use an excessively thick top plate because the cycle increases the burden on the ceramic substrate and may cause cracks.
また、特許文献３および４に記載されたセラミックス回路基板は、その反り又はうねりが改善したとしても、その後にヒートシンクに固着された場合、ヒートシンクとセラミックス回路基板の熱膨張差により、セラミックス回路基板およびヒートシンクに反りを生じてしまうという問題がある。また、セラミックス回路基板およびヒートシンクの反りによって、冷熱サイクル時の接合信頼性を低下させてしまうおそれがある。 Moreover, even if the warpage or undulation of the ceramic circuit boards described in Patent Documents 3 and 4 is improved, if the ceramic circuit boards are fixed to the heat sink afterwards, the ceramic circuit board and the ceramic circuit board There is a problem that the heat sink is warped. Further, the warping of the ceramic circuit board and the heat sink may reduce the bonding reliability during the thermal cycle.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際にヒートシンク天板およびパワーモジュール用基板の反りを低減して、効率のよい冷却が可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and when the power module substrate and the heat sink are joined, the warpage of the heat sink top plate and the power module substrate is reduced, and efficient cooling is possible. It aims at providing the board | substrate for power modules with a heat sink.
本発明は、セラミックス基板の表面に金属層が接合されてなるパワーモジュール用基板と、ヒートシンクとを接合してヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクの天板とを固着する接合工程と、接合された前記天板および前記パワーモジュール用基板を厚さ方向に加圧しながら０℃以下に冷却保持する冷却工程と、を有し、前記ヒートシンクは、前記天板の厚さが３ｍｍ以上８ｍｍ以下である。 The present invention is a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink by bonding a power module substrate having a metal layer bonded to the surface of a ceramic substrate and a heat sink, the power module substrate and the heat sink. of a bonding step for fixing the top plate, possess a bonded the top plate and a cooling step of cooling held at 0 ℃ below while pressurizing the substrate the power module in a thickness direction, wherein the heat sink, The top plate has a thickness of 3 mm or more and 8 mm or less .
本発明の製造方法によれば、パワーモジュール用基板とヒートシンクの天板とが固着されているので、ヒートシンクの天板にパワーモジュール用基板が接合された状態において、ヒートシンクの天板の反りおよびパワーモジュール用基板の反りを低減することができる。また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板は、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合する際の加熱後の熱収縮によって、ヒートシンク側に凹状の反りが生じる。この製造方法では、接合されたパワーモジュール用基板およびヒートシンクを加圧して平坦に保持するように拘束したまま０℃以下に冷却することにより、ヒートシンクに生じる熱収縮を加圧によって拘束することにより、ヒートシンクに逆方向の塑性変形を生じさせ、常温に戻した状態におけるヒートシンク付パワーモジュール用基板反りを低減させることができる。
そして、ヒートシンクの天板の厚さを３ｍｍ以上としたことにより、取り付け強度を向上させることができ、また、厚さを８ｍｍ以下としたことにより、ヒートシンクの反りの低減効果が大きくなる。
According to the manufacturing method of the present invention, since the power module substrate and the top plate of the heat sink are fixed, in the state where the power module substrate is joined to the top plate of the heat sink, the warp and power of the top plate of the heat sink Warpage of the module substrate can be reduced. Further, in the power module substrate with a heat sink, a concave warp occurs on the heat sink side due to heat shrinkage after heating when the heat sink and the power module substrate are joined. In this manufacturing method, by constraining heat shrinkage generated in the heat sink by pressurization by cooling to 0 ° C. or lower while constraining the bonded power module substrate and the heat sink to be held flat by pressurization, It is possible to reduce the warpage of the substrate for a power module with a heat sink in a state where plastic deformation in the opposite direction is caused in the heat sink and the temperature is returned to room temperature.
The mounting strength can be improved by setting the thickness of the top plate of the heat sink to 3 mm or more, and the effect of reducing the warpage of the heat sink is increased by setting the thickness to 8 mm or less.
なお、本発明の製造方法において、前記冷却工程の後は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板をたとえば室温に放置することにより常温に戻すことが望ましいが、ファンなどにより常温に戻す時間を短縮することもできる。 In the manufacturing method of the present invention, after the cooling step, it is desirable to return the power module substrate with a heat sink to room temperature, for example, by leaving it at room temperature, but it is also possible to shorten the time to return to room temperature with a fan or the like. it can.
また、この製造方法において、１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下で前記天板および前記パワーモジュール用基板を厚さ方向に加圧することが好ましい。圧力が１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下とすることによって、確実に反りの低減効果を得ながら、金属の変形またはセラミックスの割れ等の不測の事態を回避することができる。 Moreover, in this manufacturing method, it is preferable to pressurize the top plate and the power module substrate in the thickness direction at 1 MPa or more and 50 MPa or less. By setting the pressure to 1 MPa or more and 50 MPa or less, it is possible to avoid unexpected situations such as deformation of the metal or cracking of the ceramic while reliably obtaining a warp reduction effect.
また、この製造方法において、前記ヒートシンクはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されていることが好ましい。 Further, in this manufacturing method, it is preferable that the heat sink is formed of aluminum or an aluminum alloy.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、パワーモジュール基板とヒートシンクとを接合する際にヒートシンク天板の反りおよびパワーモジュール用基板の反りを低減して、効率のよい冷却が可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。 According to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention, when the power module substrate and the heat sink are joined, the heat sink top plate warp and the power module substrate warp are reduced, thereby enabling efficient cooling. A power module substrate with a heat sink can be provided.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００を示す。このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０に接合されたヒートシンク３０とから構成される。このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００に対して、さらにパワーモジュール用基板１０の表面に半導体チップ等の電子部品２０が搭載されることにより、パワーモジュールが製造される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In FIG. 1, the board | substrate 100 for power modules with a heat sink of this embodiment is shown. The power module substrate 100 with a heat sink includes a power module substrate 10 and a heat sink 30 bonded to the power module substrate 10. A power module is manufactured by mounting an electronic component 20 such as a semiconductor chip on the surface of the power module substrate 10 on the power module substrate 100 with a heat sink.
このパワーモジュール１００の製造工程においては、まず、パワーモジュール用基板１０を製造し、このパワーモジュール用基板１０をヒートシンク３０の天板３２にろう付することによりヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する。 In the manufacturing process of the power module 100, first, the power module substrate 10 is manufactured, and the power module substrate 10 is manufactured by brazing the power module substrate 10 to the top plate 32 of the heat sink 30.
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の両面に積層された金属層１２，１３とを備える。このパワーモジュール用基板１０において、セラミックス基板１１の一方の表面に積層された金属層１２は回路層となり、その表面に電子部品２０がはんだ付けされる。また、他方の金属層１３は放熱層とされ、その表面にはヒートシンク３０が取り付けられる。 The power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11 and metal layers 12 and 13 laminated on both surfaces of the ceramic substrate 11. In this power module substrate 10, the metal layer 12 laminated on one surface of the ceramic substrate 11 becomes a circuit layer, and the electronic component 20 is soldered to the surface. The other metal layer 13 is a heat dissipation layer, and a heat sink 30 is attached to the surface thereof.
セラミックス基板１１は、たとえば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ3Ｎ4（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ2Ｏ3（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成され、その厚さは０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では０．６３５ｍｍに設定されている。 The ceramic substrate 11 is formed of, for example, nitride ceramics such as AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), or oxide ceramics such as Al 2 O 3 (alumina), and the thickness thereof is It is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and is set to 0.635 mm in this embodiment.
金属層１２は、純度９９質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１０００番台のアルミニウム、特に１Ｎ９０（純度９９．９質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）または１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。金属層１３は、純度９９質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１０００番台のアルミニウム、特に１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。本実施形態においては、金属層１２，１３は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板である。 Aluminum having a purity of 99% by mass or more is used for the metal layer 12. According to the JIS standard, aluminum in the 1000s, particularly 1N90 (purity 99.9% by mass or more: so-called 3N aluminum) or 1N99 (purity 99.99% by mass or more). : So-called 4N aluminum) can be used. Aluminum having a purity of 99% by mass or more is used for the metal layer 13. According to JIS standards, aluminum in the 1000s, particularly 1N99 (purity 99.99% by mass or more: so-called 4N aluminum) can be used. In the present embodiment, the metal layers 12 and 13 are aluminum plates made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more.
このパワーモジュール用基板１０においては、放熱層となる金属層１３に熱サイクル時のセラミックス基板１１とヒートシンク３０との間の熱伸縮差に対する緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属層１２よりも肉厚に形成されたものを用いている。たとえば、金属層１２の厚さは６００μｍ、金属層１３の厚さは１６００μｍである。また、放熱層となる金属層１３には、純度の高いアルミニウム（例えば１Ｎ９９）を用いるのが好ましい。 In this power module substrate 10, the metal layer 13 serving as a heat dissipation layer is provided with a buffering function against a thermal expansion / contraction difference between the ceramic substrate 11 and the heat sink 30 during thermal cycling. What is formed more thickly is used. For example, the thickness of the metal layer 12 is 600 μm, and the thickness of the metal layer 13 is 1600 μm. Moreover, it is preferable to use highly pure aluminum (for example, 1N99) for the metal layer 13 used as a thermal radiation layer.
そして、これら金属層１２，１３とセラミックス基板１１とは、ろう付けにより接合されている。ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金が使用される。 And these metal layers 12 and 13 and the ceramic substrate 11 are joined by brazing. As the brazing material, an alloy such as Al—Si, Al—Ge, Al—Cu, Al—Mg, or Al—Mn is used.
なお、パワーモジュールを構成する電子部品２０は、回路層となる金属層１２の表面に形成されたＮｉめっき（不図示）上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｚｎ−Ａｌ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ系もしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材を用いて接合される。図１中符号２１がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品２０と金属層１２の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ２２により接続される。 In addition, the electronic component 20 which comprises a power module is Sn-Ag-Cu type | system | group, Zn-Al type | system | group, Sn-Ag type | system | group on Ni plating (not shown) formed in the surface of the metal layer 12 used as a circuit layer. , Sn—Cu, Sn—Sb, or Pb—Sn solder materials. Reference numeral 21 in FIG. 1 indicates the solder joint layer. The electronic component 20 and the terminal portion of the metal layer 12 are connected by a bonding wire 22 made of aluminum.
パワーモジュール用基板１０に接合されるヒートシンク３０は、熱伝導が良好なアルミニウム合金が望ましく、本実施形態では、Ａ６０６３などのアルミニウム合金を用いている。本実施形態のヒートシンク３０は、アルミニウム合金により形成された樋状のジャケット３１およびこのジャケット３１の上部を塞ぐ天板３２が、たとえばパッキンを介してねじ止めにより接合されてなる。接合されたジャケット３１と天板３２との間に形成された空間は、冷却媒体（例えば冷却水）を流通させるための流路３０ａとなる。天板３２の内面には複数の放熱フィン３２ａが設けられており、流路３０ａ中に配設された放熱フィン３２ａが冷却水によって冷却されることにより天板３２が冷却され、この天板３２に接合された金属層１３を通じてパワーモジュール用基板１０が冷却される。 The heat sink 30 to be bonded to the power module substrate 10 is preferably an aluminum alloy having good heat conduction. In this embodiment, an aluminum alloy such as A6063 is used. The heat sink 30 of the present embodiment is formed by joining a bowl-shaped jacket 31 formed of an aluminum alloy and a top plate 32 that closes the upper portion of the jacket 31 by, for example, screwing via a packing. The space formed between the joined jacket 31 and the top plate 32 becomes a flow path 30a for circulating a cooling medium (for example, cooling water). A plurality of radiating fins 32 a are provided on the inner surface of the top plate 32, and the top plate 32 is cooled by cooling the radiating fins 32 a disposed in the flow path 30 a with cooling water. The power module substrate 10 is cooled through the metal layer 13 bonded thereto.
ここで、ヒートシンクとしては、板状の放熱板、内部に冷媒が流通する冷却器、フィンが形成された液冷、空冷放熱器、ヒートパイプなど、熱の放散によって温度を下げることを目的とした金属部品が含まれる。ヒートシンクの天板は、パワーモジュール用基板との接合面を有する板状部分をいうが、その天板の厚みは最も薄い部分の厚みで定義される。図２に示す天板３２においては、放熱フィン３２ａを除く基部３２ｂの厚さｔが相当する。この天板３２の厚さｔは、３ｍｍから８ｍｍの範囲が望ましい。 Here, as the heat sink, a plate-like heat sink, a cooler in which a refrigerant circulates inside, a liquid cooling with fins formed, an air-cooled heat radiator, a heat pipe, and the like aimed to lower the temperature by heat dissipation Metal parts are included. The top plate of the heat sink refers to a plate-like portion having a joint surface with the power module substrate, and the thickness of the top plate is defined by the thickness of the thinnest portion. In the top plate 32 shown in FIG. 2, the thickness t of the base 32b excluding the radiation fins 32a corresponds. The thickness t of the top plate 32 is desirably in the range of 3 mm to 8 mm.
次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００の製造方法を説明する。
まず、回路層となる金属層１２および放熱層となる金属層１３として、それぞれ９９．９９質量％以上の純アルミニウム圧延板を準備し、これらの純アルミニウム圧延板を、セラミックス基板１１の一方の面および他方の面にそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱することによって、セラミックス基板１１の両面に純アルミニウム圧延板が接合されたパワーモジュール用基板１０を製出する。なお、このろう付けの温度は、６００℃〜６７０℃に設定される。
Next, a method for manufacturing the power module substrate 100 with a heat sink will be described.
First, as the metal layer 12 serving as the circuit layer and the metal layer 13 serving as the heat dissipation layer, 99.99 mass% or more of pure aluminum rolled sheets are prepared, and these pure aluminum rolled sheets are prepared on one surface of the ceramic substrate 11. Then, the power module substrate 10 in which pure aluminum rolled sheets are bonded to both surfaces of the ceramic substrate 11 is produced by laminating the other surface via a brazing material and applying pressure and heating. The brazing temperature is set to 600 ° C to 670 ° C.
次に、ヒートシンク３０の天板３２とパワーモジュール用基板１０の金属層１３とを、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金ろう材を用いたろう付けにより固着する（接合工程）。このろう付けは、真空雰囲気中、荷重：０．３ＭＰａ〜１０ＭＰａ、加熱温度：５５０℃〜６５０℃の条件で行う。ヒートシンク３０は、アルミニウム合金が用いられ、本実施形態では、Ａ６０６３を用いている。 Next, the top plate 32 of the heat sink 30 and the metal layer 13 of the power module substrate 10 are made of an alloy brazing alloy such as Al—Si, Al—Ge, Al—Cu, Al—Mg, or Al—Mn. It adheres by brazing using a material (joining process). This brazing is performed in a vacuum atmosphere under conditions of a load: 0.3 MPa to 10 MPa and a heating temperature: 550 ° C. to 650 ° C. The heat sink 30 is made of an aluminum alloy. In this embodiment, A6063 is used.
本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００の製造工程では、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とが接合工程により接合された後、冷却工程により天板３２の反りが矯正される。 In the manufacturing process of the power module substrate with heat sink 100 of the present embodiment, the warp of the top plate 32 is corrected by the cooling process after the power module substrate 10 and the heat sink 30 are bonded by the bonding process.
まず、図３に示すとおり、２枚の加圧板１１０とその四隅に設けられた支柱１１１によって構成された治具１１２を用いて、加圧板１１０間にヒートシンク付パワーモジュール用基板１００を配置する。支柱１１１の両端には螺子が切られており、加圧板１１０を挟むようにナットが締結されている。加圧力は、このナットの締め付けによって調整する。本実施形態では、加圧力を１ＭＰａ〜５０ＭＰａの範囲で調整した。加圧力を１Ｍｐａ以上５０ＭＰａ以下とすることによって、確実に反りの低減効果を得ながら、金属の変形またはセラミックスの割れ等の不測の事態を回避することができる。 First, as shown in FIG. 3, the power module substrate 100 with a heat sink is disposed between the pressure plates 110 by using a jig 112 constituted by two pressure plates 110 and pillars 111 provided at the four corners. Screws are cut at both ends of the column 111, and nuts are fastened so as to sandwich the pressure plate 110. The applied pressure is adjusted by tightening this nut. In this embodiment, the applied pressure was adjusted in the range of 1 MPa to 50 MPa. By making the applied pressure 1 Mpa or more and 50 MPa or less, it is possible to avoid unexpected situations such as deformation of the metal or cracking of the ceramic while reliably obtaining the effect of reducing warpage.
次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００をこの治具に取り付けた状態、つまり、ヒートシンクの天板３２およびパワーモジュール用基板１０を厚さ方向に加圧しながら、０℃以下の所定の冷却温度まで冷却する（冷却工程）。なお、−６０℃を超えて低温側に冷却しても効果が飽和し、冷却のためのコストが上昇することから、−６０℃以上がより望ましい。 Next, a state where the power module substrate 100 with a heat sink is attached to the jig, that is, while pressing the top plate 32 of the heat sink and the power module substrate 10 in the thickness direction, to a predetermined cooling temperature of 0 ° C. or less. Cool (cooling step). In addition, even if it cools to a low temperature side exceeding -60 degreeC, since an effect is saturated and the cost for cooling rises, -60 degreeC or more is more desirable.
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００は、図２に二点鎖線で示すような反りが、接合工程における熱収縮により生じる場合がある。冷却工程においては、冷却によって反りがより大きくなるように変形しようとするヒートシンク付パワーモジュール用基板１００を加圧して平坦に保持するように拘束する。これにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００は、反りとしての変形ができない状態に拘束され、その状態で冷却される結果、反りとは逆方向に塑性変形することになり、常温に戻した状態でのヒートシンク付パワーモジュール用基板１００は、塑性変形した分、反りが相殺され、冷却前に生じていた反りを低減させることができる。 In the power module substrate 100 with a heat sink, warping as indicated by a two-dot chain line in FIG. 2 may occur due to thermal contraction in the joining process. In the cooling step, the power module substrate 100 with a heat sink to be deformed so as to be warped by cooling is pressed and restrained so as to be held flat. As a result, the power module substrate 100 with a heat sink is constrained in a state where it cannot be deformed as a warp, and as a result of being cooled in that state, it is plastically deformed in the opposite direction to the warp, and in a state where it is returned to room temperature. In the power module substrate 100 with a heat sink, the warpage is offset by the amount of plastic deformation, and the warpage generated before cooling can be reduced.
（実施例および比較例）
ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを、加圧のみにより矯正する方法、冷却のみにより矯正する方法、および加圧および冷却により矯正する方法によって矯正し、パワーモジュール用基板１０の金属層１２およびヒートシンク３０の天板３２の各平面度の変化量および変化率を比較する実験を行った。
(Examples and Comparative Examples)
The warp of the power module substrate with a heat sink is corrected by a method of correcting only by pressing, a method of correcting only by cooling, and a method of correcting by pressing and cooling, and the metal layer 12 of the power module substrate 10 and the heat sink 30 are corrected. An experiment was conducted to compare the amount of change and the rate of change of each flatness of the top plate 32.
各実験には、接合工程後のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００を用いた。このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００におけるパワーモジュール用基板１０は、２９ｍｍ×２９ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの４Ｎ−Ａｌからなる金属層１２と、２９ｍｍ×２９ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの４Ｎ−Ａｌからなる金属層１３とが、３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板１１に接合されたものを用いた。 In each experiment, the power module substrate 100 with a heat sink after the bonding process was used. The power module substrate 10 in the power module substrate 100 with a heat sink is composed of a metal layer 12 made of 4N-Al having a thickness of 29 mm × 29 mm and a thickness of 0.6 mm, and 4N-Al having a thickness of 29 mm × 29 mm and a thickness of 1.6 mm. The metal layer 13 to be bonded to the ceramic substrate 11 made of AlN having a size of 30 mm × 30 mm and a thickness of 0.635 mm was used.
また、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００において、ヒートシンク３０の天板３２として、裏面に放熱フィン３２ａが設けられていないＡ６０６３からなる６０ｍｍ×５０ｍｍの矩形板を用いた。 In the power module substrate 100 with a heat sink, a 60 mm × 50 mm rectangular plate made of A6063 having no heat radiation fin 32a on the back surface was used as the top plate 32 of the heat sink 30.
比較例のサンプル１〜２は加圧のみ、比較例のサンプル３〜４は冷却のみの処理を行った。また、比較例のサンプル５は、加圧および冷却の処理を両方行ったが、ヒートシンク３０の天板３２に板厚の大きいものを用いた。 Samples 1 and 2 of the comparative example were processed only by pressing, and samples 3 and 4 of the comparative example were processed only by cooling. Moreover, although the sample 5 of the comparative example performed both the pressurization and the cooling process, the one having a large plate thickness was used for the top plate 32 of the heat sink 30.
一方、実施例のサンプル１〜１２は、接合工程後のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００を加圧しながら冷却したものである。比較例および実施例の各サンプルについて、実験の諸条件、実験前後の平面度の変化および変化率を表１に示す。 On the other hand, Samples 1 to 12 of the example are cooled while pressurizing the power module substrate 100 with a heat sink after the joining step. Table 1 shows the experimental conditions, the change in flatness before and after the experiment, and the rate of change for each sample of the comparative example and the example.
表１に示すように、加圧のみ、あるいは冷却のみの処理によってもある程度は平面度が向上したが、加圧および冷却を行った場合にはばらつきも少なく、有意であることが確認できた。ヒートシンクの天板厚さは、特に８ｍｍ以下の場合に加圧および冷却処理による矯正が効果的である。冷却温度は、０℃以下であれば天板３２に塑性変形を生じさせるのに十分であり、平面度が向上することが確認できた。荷重については、１ＭＰａ以上加えれば十分である。 As shown in Table 1, the flatness was improved to some extent by treatment with only pressurization or only cooling, but when pressurization and cooling were performed, there was little variation and it was confirmed that it was significant. When the top plate thickness of the heat sink is 8 mm or less, correction by pressurization and cooling treatment is effective. If the cooling temperature was 0 ° C. or lower, it was sufficient to cause plastic deformation of the top plate 32, and it was confirmed that the flatness was improved. As for the load, it is sufficient to add 1 MPa or more.
以上説明したように、本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、パワーモジュール基板とヒートシンクとを接合する際にヒートシンク天板の反りを低減して、効率のよい冷却が可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。 As described above, according to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention, when the power module substrate and the heat sink are joined together, the warp of the heat sink top plate is reduced and efficient cooling is possible. A power module substrate with a heat sink can be provided.
なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、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、金属板としてアルミニウム以外に銅または銅合金も使用可能である。金属板が銅または銅合金の場合、接合にはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系等のろう材を用いることができる。 In addition, this invention is not limited to the thing of the structure of the said embodiment, In a detailed structure, it is possible to add a various change in the range which does not deviate from the meaning of this invention. For example, copper or a copper alloy can be used as the metal plate in addition to aluminum. When the metal plate is copper or a copper alloy, a brazing material such as an Ag—Cu—Ti system can be used for joining.
また、前記実施形態ではジャケット３１と天板３２とを組み合わせてなるヒートシンク３０を用いたが、たとえば、図４に示すように、アルミニウム合金の押出成形によって天板３３ａと隔壁３３ｂとが一体に形成され、内部に冷却水を流通させるための複数の流路３３ｃを有するヒートシンク３３を用いてもよい。この場合も、天板３３ａの厚さｔ２は３ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましい。 Moreover, in the said embodiment, although the heat sink 30 which combined the jacket 31 and the top plate 32 was used, as shown in FIG. 4, the top plate 33a and the partition 33b are integrally formed by extrusion molding of an aluminum alloy, for example. In addition, a heat sink 33 having a plurality of flow paths 33c for circulating cooling water therein may be used. Also in this case, it is preferable that the thickness t2 of the top plate 33a is 3 mm or more and 8 mm or less.
また、前記実施形態では、パワーモジュール用基板の放熱層となる金属層とヒートシンクの天板とをろう付けによって固着したが、ろう付けに限らずはんだ付け、拡散接合などによって固着しても構わない。 Moreover, in the said embodiment, although the metal layer used as the thermal radiation layer of the board | substrate for power modules and the top plate of the heat sink were fixed by brazing, you may adhere not only by brazing but by soldering, diffusion bonding, etc. .
さらに、セラミックス基板と金属板との接合、金属板とヒートシンクとの接合は、ろう付け以外にもはんだ付けも可能である。また、ＴＬＰ接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）と称される過渡液相接合法によって接合してもよい。 Furthermore, the bonding between the ceramic substrate and the metal plate and the bonding between the metal plate and the heat sink can be performed by soldering in addition to brazing. Moreover, you may join by the transient liquid phase joining method called TLP joining method (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding).
この過渡液相接合法においては、金属板の表面に蒸着させた銅層を、金属板とセラミックス基板との界面、あるいは金属板とヒートシンクとの界面に介在させて行う。加熱により、金属板のアルミニウム中に銅が拡散し、金属板の銅層近傍の銅濃度が上昇して融点が低下し、アルミニウムと銅との共晶域にて接合界面に金属液相が形成される。この金属液相が形成された状態で温度を一定に保持しておくと、金属液相がセラミックス基板またはヒートシンクと反応するとともに、銅がさらにアルミニウム中に拡散することに伴い、金属液相中の銅濃度が徐々に低下して融点が上昇し、温度を一定に保持した状態で凝固が進行する。これにより、金属板とセラミックス基板、あるいは金属板とヒートシンクとの強固な接合が得られる。 In this transient liquid phase bonding method, the copper layer deposited on the surface of the metal plate is interposed between the interface between the metal plate and the ceramic substrate or the interface between the metal plate and the heat sink. By heating, copper diffuses into the aluminum of the metal plate, the copper concentration in the vicinity of the copper layer of the metal plate increases and the melting point decreases, and a metal liquid phase forms at the bonding interface in the eutectic region of aluminum and copper Is done. If the temperature is kept constant in a state where the metal liquid phase is formed, the metal liquid phase reacts with the ceramic substrate or the heat sink, and copper further diffuses into the aluminum, so that The copper concentration gradually decreases, the melting point increases, and solidification proceeds with the temperature kept constant. As a result, strong bonding between the metal plate and the ceramic substrate or between the metal plate and the heat sink can be obtained.
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２，１３ 金属層
２０ 電子部品
２１ はんだ接合層
２２ ボンディングワイヤ
３０，３３ ヒートシンク
３０ａ 流路
３１ ジャケット
３２，３３ａ 天板
３２ａ 放熱フィン
３３ｂ 隔壁
１００ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１０ 加圧板
ｔ，ｔ２ 天板の厚さ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power module substrate 11 Ceramic substrate 12, 13 Metal layer 20 Electronic component 21 Solder bonding layer 22 Bonding wires 30, 33 Heat sink 30a Flow path 31 Jacket 32, 33a Top plate 32a Radiation fin 33b Bulkhead 100 Power module substrate 110 with heat sink Pressure plate t, t2 Top plate thickness
Claims (3)
前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクの天板とを固着する接合工程と、
前記接合工程で接合された前記天板および前記パワーモジュール用基板を厚さ方向に加圧しながら、０℃以下に冷却する冷却工程と
を有し、前記ヒートシンクは、前記天板の厚さが３ｍｍ以上８ｍｍ以下であることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 A method of manufacturing a power module substrate with a heat sink by bonding a power module substrate in which a metal layer is bonded to the surface of a ceramic substrate and a heat sink,
A bonding step of fixing the power module substrate and the top plate of the heat sink;
Under pressure to the top plate and the thickness direction of the substrate for the power module, which is joined in the joining step, have a cooling step of cooling the 0 ℃ below, the heat sink, the thickness of the top plate is 3mm The manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink characterized by being 8 mm or less above .
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