CN113906553A - 金属基座板的翘曲控制构造、半导体模块及逆变器装置 - Google Patents

金属基座板的翘曲控制构造、半导体模块及逆变器装置 Download PDF

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Abstract

目的在于提供通过在从常温向高温的温度变化时向金属基座板赋予翘曲，从而对在从高温向常温的温度变化时产生的金属基座板的翘曲进行控制的技术。金属基座板(1)的翘曲控制构造具有金属基座板(1)、异种金属层(2)和绝缘基板(4)。异种金属层(2)形成于金属基座板(1)的表面。绝缘基板(4)经由接合材料(3)而接合于异种金属层(2)的表面，并且绝缘基板(4)具有在两面配置的金属板(42a、42b)。在将金属基座板(1)的线膨胀系数设为α1，将异种金属层(2)的线膨胀系数设为α2，将金属板(42a、42b)的线膨胀系数设为α3时，满足α1＞α3＞α2。

Description

金属基座板的翘曲控制构造、半导体模块及逆变器装置
技术领域
本发明涉及对在高温状态下将绝缘基板接合于金属基座板时产生的翘曲进行控制的技术。
背景技术
就半导体模块而言，采用将绝缘基板接合于金属基座板的构造以及方法。作为通常的接合方法，大多使用廉价的焊接。但是，在向金属基座板焊接了绝缘基板的情况下，在接合后会在金属基座板产生翘曲。其原因在于，虽然在焊料熔融时的从常温向高温的温度变化时在金属基座板不产生翘曲，但在焊料凝固时的从高温向常温的温度变化时，由于金属基座板与绝缘基板的线膨胀系数之差而在金属基座板产生大的翘曲。此时，在金属基座板的初始翘曲为零的情况下，接合后的翘曲的朝向为向金属基座板的与绝缘基板进行接合的面(以下也称为“绝缘基板接合面”)侧凸起的翘曲。
然后，当在绝缘基板之上配置半导体元件以及电气配线而组装半导体模块时，金属基座板的与绝缘基板接合面相反侧的面(以下也称为“非接合面”)的翘曲变得重要。由于在金属基座板的非接合面经由散热脂而配置冷却鳍片或者水冷套，所以非接合面的翘曲与半导体模块的冷却存在密切的关系。
此时，优选成为朝向与向金属基座板的绝缘基板接合面侧凸起的翘曲相反侧的凸翘曲，即，朝向金属基座板的非接合面侧凸起的翘曲。在向冷却鳍片或者水冷套配置半导体模块时，通常，半导体模块是通过螺栓等进行紧固而固定的。如果向金属基座板的非接合面侧凸起，则能够通过螺栓的轴向力来矫正金属基座板的翘曲，并且进行半导体模块与冷却鳍片或者水冷套之间的稳定的接触。
为了使金属基座板的翘曲为向非接合面侧凸起，通常进行向金属基座板赋予初始翘曲的翘曲赋予加工，但当在金属基座板的非接合面存在鳍片等的情况下，难以进行翘曲赋予加工。
为了对金属基座板的翘曲进行控制，例如在专利文献1中公开了通过在金属基座板的表面粘贴与绝缘基板的金属板相同种类的金属，从而减小金属基座板的翘曲的方法。另外，在专利文献2中公开了在包含由铜构成的第1金属层和由铝构成的第2金属层的基座板中，将第1金属层与第2金属层的厚度之比设为4：1。另外，在专利文献3中公开了在包含由铜构成的层和由氧化铜构成的层的铜复合材料散热基板中，通过变更铜与氧化铜的比例而对烧结后的翘曲进行控制的方法。
专利文献1：国际公开第2015/029511号
专利文献2：日本特开2013-062506号公报
专利文献3：日本特开2003-046032号公报
但是，如在专利文献1中记载的技术所示，如果仅仅是将与绝缘基板相同种类的金属粘贴于金属基座板，与粘贴于金属基座板的金属的从常温向高温的温度变化时的翘曲量相比，在高温状态下将绝缘基板接合于金属基座板后的从高温向常温的温度变化时的翘曲量更大。因此，金属基座板成为向绝缘基板接合面侧凸起的形状。
就专利文献2所记载的技术而言，为了提高散热性，刚性高的铜的厚度占支配地位，刚性比铜低的铝的厚度薄，因此，基座板的从常温向高温的温度变化时的翘曲量变小。
专利文献3所记载的技术对从高温向常温的温度变化的过程中的翘曲进行控制，铜复合材料散热基板的从常温向高温的温度变化时的翘曲量变小。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供通过在从常温向高温的温度变化时向金属基座板赋予翘曲，从而对在从高温向常温的温度变化时产生的金属基座板的翘曲进行控制的技术。
本发明涉及的金属基座板的翘曲控制构造具有：金属基座板；异种金属层，其形成于所述金属基座板的表面；以及绝缘基板，其经由接合材料而接合于所述异种金属层的表面，并且所述绝缘基板具有在两面配置的金属板，在将所述金属基座板的线膨胀系数设为α1，将所述异种金属层的线膨胀系数设为α2，将所述金属板的线膨胀系数设为α3时，满足α1＞α3＞α2。
发明的效果
根据本发明，如果金属基座板从常温向高温进行温度变化，则由于金属基座板与异种金属层的线膨胀系数之差，金属基座板相对于异种金属层而膨胀，金属基座板向与绝缘基板接合的面的相反侧翘曲为凸状。在该状态下，在绝缘基板通过接合材料而接合于异种金属层的表面之后，如果金属基座板以及绝缘基板从高温向常温进行温度变化，则由于绝缘基板与金属基座板的线膨胀系数之差，金属基座板相对于绝缘基板而收缩，金属基座板向与绝缘基板接合的面侧翘曲为凸状。
由于在从常温向高温的温度变化和从高温向常温的温度变化时，金属基座板向彼此相反方向翘曲，因此，各自的翘曲彼此抵消。由此，能够对在从高温向常温的温度变化时产生的金属基座板的翘曲进行控制。
本发明的目的、特征、方案以及优点通过以下的详细说明和附图变得更清楚。
附图说明
图1是实施方式涉及的金属基座板的翘曲控制构造的侧视图。
图2是表示在实施方式中，使金属基座板从常温向高温进行温度变化时的状态的侧视图。
图3是表示在实施方式中，在高温状态下向金属基座板刚刚接合了绝缘基板之后的状态的侧视图。
图4是表示在相关技术中，使金属基座板从常温向高温进行温度变化时的状态的侧视图。
图5是表示在相关技术中，在高温状态下向金属基座板刚刚接合了绝缘基板之后的状态的侧视图。
图6是表示在相关技术中，使金属基座板以及绝缘基板从高温向常温进行温度变化时的状态的侧视图。
具体实施方式
＜实施方式＞
以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。图1是实施方式涉及的金属基座板的翘曲控制构造的侧视图。
如图1所示，金属基座板的翘曲控制构造构成半导体模块的一部分，金属基座板的翘曲控制构造具有金属基座板1、异种金属层2以及绝缘基板4。
金属基座板1在俯视观察时呈大约100mm×100mm的正方形，厚度为大于或等于3.5mmt且小于或等于4.0mmt。另外，作为金属基座板1的材质而优选铝、铝合金或者铜等高导热性材料。在本实施方式中，为了使总重量轻量化，选择了铝。
异种金属层2形成于金属基座板1的整个表面或者仅形成于金属基座板1的表面中的与绝缘基板4接合的区域，厚度为0.5mmt左右。作为异种金属层2的材质，优选为了向异种金属层2接合绝缘基板4而涂敷的接合材料3的浸润性良好的材质，优选铜或者镍。在本实施方式中选择了镍。作为异种金属层2的形成方法，采用冷喷法或者金属粘贴方法等。
绝缘基板4经由接合材料3而接合于异种金属层2的表面。作为接合材料3而使用钎材或者焊料等，但如果考虑到制造成本以及通用性，则优选焊料。就焊料即接合材料3的厚度而言，为了兼顾散热性，优选大于或等于0.2mmt且小于或等于0.4mmt。金属基座板1的与形成异种金属层2的面相反侧的面即背面经由散热脂而安装于冷却鳍片、或者水冷套。在金属基座板1被安装于水冷套的情况下，也可以根据冷媒而在金属基座板1的背面形成有柱鳍或者直鳍。
绝缘基板4在俯视观察时呈大约70mm×70mm的正方形，具有陶瓷基板41以及金属板42a、42b。作为陶瓷基板41的材质，从氧化铝、AlN以及Si3N4等陶瓷中根据用途而选择适当的陶瓷。但是，当在半导体模块的组装时产生的翘曲大(大于或等于500μm)的情况下，优选抗折强度高的Si3N4。此时，与针对使用电压的耐压相应地，陶瓷基板41的厚度选择0.32mmt或者0.64mmt。
金属板42a、42b分别形成于陶瓷基板41的背面以及表面。另外，作为金属板42a、42b的材质，通常为铝或者铜，但如果考虑到散热性，则优选铜，在本实施方式中选择了铜。另外，就铜的厚度而言，如果考虑到散热性以及制造容易度，则优选在大于或等于0.3mmt且小于或等于0.8mmt的范围中选择。
这里，为了将从常温向高温的温度变化时的金属基座板1的由膨胀引起的翘曲量与从高温向常温的温度变化时的金属基座板1的由收缩引起的翘曲量设为同等程度，金属基座板1、异种金属层2以及金属板42a、42b的材质以在将金属基座板1的线膨胀系数设为α1，将异种金属层2的线膨胀系数设为α2，将金属板42a、42b的线膨胀系数设为α3时，满足α1＞α3＞α2的方式而选择。
接下来，对于实施方式涉及的金属基座板的翘曲控制构造的作用以及效果，一边与相关技术的情况进行比较一边进行说明。
首先，对相关技术的情况进行说明。图4是表示在相关技术中，使金属基座板1从常温向高温进行温度变化时的状态的侧视图。图5是表示在相关技术中，在高温状态下向金属基座板1刚刚接合了绝缘基板4之后的状态的侧视图。图6是表示在相关技术中，使金属基座板1以及绝缘基板4从高温向常温进行温度变化时的状态的侧视图。
如图4和图5所示，在相关技术中，在金属基座板1的表面没有形成异种金属层2，在金属基座板1的表面经由接合材料3而接合绝缘基板4。
首先，进行使金属基座板1的温度从常温升至高温的升温工序。如图4所示，在升温工序中，在金属基座板1不产生翘曲，保持平坦。
接下来，在高温状态下进行经由接合材料3而向金属基座板1的表面接合绝缘基板4的接合工序。如图5所示，在刚刚完成接合工序之后，在金属基座板1没有产生翘曲，保持平坦。
接下来，进行使金属基座板1的温度从高温降至常温的降温工序。在降温工序中，如图5的箭头所示，由于金属基座板1与绝缘基板4的线膨胀系数不同，因此，金属基座板1与绝缘基板4的收缩量不同。因此，如图6所示，在接合后的降温工序中，向金属基座板1的与绝缘基板4接合的面侧产生凸的翘曲。此外，图5的箭头的长度示出金属基座板1和绝缘基板4的收缩量。
接下来，对实施方式的情况进行说明。图2是表示在实施方式中，使金属基座板1从常温向高温进行温度变化时的状态的侧视图。图3是表示在实施方式中，在高温状态下向金属基座板1刚刚接合了绝缘基板4之后的状态的侧视图。
首先，进行使金属基座板1的温度从常温升至高温的升温工序。由于金属基座板1与异种金属层2的线膨胀系数不同，因此，金属基座板1与异种金属层2的膨胀量不同。如图2所示，在升温工序中，向金属基座板1的与绝缘基板4接合的面的相反侧产生凸的翘曲。
如图3所示，在接下来进行的接合工序中，在高温状态下经由接合材料3而向异种金属层2的表面接合绝缘基板4。此时，金属基座板1在向与绝缘基板4接合的面的相反侧翘曲成凸状的状态下与绝缘基板4接合。另外，在刚刚完成接合工序之后，金属基座板1的翘曲没有发生变化。
在接合工序后的降温工序中，如图3的箭头所示，由于金属基座板1、异种金属层2以及绝缘基板4的线膨胀系数不同，因此，金属基座板1、异种金属层2以及绝缘基板4的收缩量不同，所以，向金属基座板1的与绝缘基板4接合的面侧产生凸的翘曲。其结果，如图1所示，金属基座板1变得大致平坦。此外，图3的箭头的长度示出金属基座板1、异种金属层2以及绝缘基板4的收缩量。
这里，表1示出在本实施方式中将异种金属层2设为铜或者镍时的从常温(25℃)向高温(250℃)的温度变化和从高温(250℃)向常温(25℃)的温度变化时的翘曲的模拟结果。如表1所示，可知与使异种金属层2和金属板42a、42b的线膨胀系数相同的情况(对比例)相比，在将异种金属层2的线膨胀系数设为比金属板42a、42b的线膨胀系数低的情况下(实施方式)，接合后的翘曲减小。
【表1】
Figure BDA0003386170990000071
此外，在对比例和实施方式中，金属基座板1的厚度为4mmt，异种金属层2的厚度为0.5mmt，金属板42a、42b的厚度为0.4mmt。
在高温状态下，针对在形成于金属基座板1的异种金属层2的表面经由接合材料3而接合了绝缘基板4的接合体，在降温工序之后，实施半导体元件的搭载、配线、壳体安装以及胶体或者树脂封装等，组装出半导体模块。半导体模块通过隔着散热脂等配置于冷却鳍片的间接冷却或者直接配置于水冷套的直接冷却而得到冷却。半导体模块在配置于冷却鳍片或者水冷套的状态下被作为逆变器装置的结构部件进行组装。
如上所述，实施方式涉及的金属基座板1的翘曲控制构造具有：金属基座板1；异种金属层2，其形成于金属基座板1的表面；以及绝缘基板4，其经由接合材料3而接合于异种金属层2的表面，并且绝缘基板4具有在两面配置的金属板42a、42b，在将金属基座板1的线膨胀系数设为α1，将异种金属层2的线膨胀系数设为α2，将金属板42a、42b的线膨胀系数设为α3时，满足α1＞α3＞α2。
因此，如果金属基座板1从常温向高温进行温度变化，则由于金属基座板1与异种金属层2的线膨胀系数之差，金属基座板1相对于异种金属层2而膨胀，金属基座板1向与绝缘基板4接合的面的相反侧翘曲为凸状。在该状态下，在绝缘基板4通过接合材料3而接合于异种金属层2的表面之后，如果金属基座板1以及绝缘基板4从高温向常温进行温度变化，则由于绝缘基板4与金属基座板1的线膨胀系数之差，金属基座板1相对于绝缘基板4而收缩，金属基座板1向与绝缘基板4接合的面侧翘曲为凸状。
由于在从常温向高温的温度变化和从高温向常温的温度变化时，金属基座板1向彼此相反方向翘曲，因此各自的翘曲彼此抵消。由此，能够对在从高温向常温的温度变化时产生的金属基座板1的翘曲进行控制。
金属基座板1由铝或者铝合金构成，异种金属层2由镍构成，金属板42a、42b由铜构成。因此，通过使金属基座板1采用廉价且导热率良好的铝或者铝合金，从而能够提高半导体模块及逆变器装置的散热性。另外，通过使异种金属层2采用镍，从而能够确保接合材料3的浸润性。另外，金属板42a、42b通常采用铝或者铜，但从线膨胀系数的观点出发，选择铜。
接合材料3是焊料，因此，通过使接合材料3采用通用性高的焊料，从而接合所耗费的费用变得低廉。另外，从常温向高温的温度变化时的金属基座板1的向与绝缘基板4接合的面的相反侧翘曲为凸状的翘曲量和绝缘基板4接合后的从高温向常温的温度变化时的金属基座板1的向与绝缘基板4接合的面侧翘曲为凸状的翘曲量不完全一致，常温与高温的温度差越大，翘曲量之差也越大。因此，常温与高温的温度差越小，越可以在接合体中得到期望的最终形状。焊料的接合温度大于或等于250℃且小于或等于300℃，与常温之间的温度差为适当的温度，所以在接合体中得到期望的最终形状。
半导体模块具有金属基座板的翘曲控制构造和在绝缘基板4的表面安装的半导体元件。因此，能够通过对金属基座板1的翘曲进行控制而提高半导体模块的成品率。另外，逆变器装置具有半导体模块。因此，能够进行半导体模块与冷却鳍片或者水冷套之间的稳定的接触，因此，能够提高逆变器装置的成品率。
对于本发明进行了详细说明，但上述说明在所有方面均为例示，本发明不限定于此。可以理解为在不脱离该发明的范围的情况下能够想到未例示出的无数的变形例。
此外，本发明能够在本发明的范围内对实施方式适当进行变形、省略。
标号的说明
1金属基座板，2异种金属层，3接合材料，4绝缘基板，42a、42b金属板。

Claims (5)

1.一种金属基座板的翘曲控制构造，其具有：
金属基座板；
异种金属层，其形成于所述金属基座板的表面；以及
绝缘基板，其经由接合材料而接合于所述异种金属层的表面，并且所述绝缘基板具有在两面配置的金属板，
在将所述金属基座板的线膨胀系数设为α1，将所述异种金属层的线膨胀系数设为α2，将所述金属板的线膨胀系数设为α3时，满足α1＞α3＞α2。
2.根据权利要求1所述的金属基座板的翘曲控制构造，其中，
所述金属基座板由铝或者铝合金构成，
所述异种金属层由镍构成，
所述金属板由铜构成。
3.根据权利要求1或2所述的金属基座板的翘曲控制构造，其中，
所述接合材料是焊料。
4.一种半导体模块，其具有：
权利要求1至3中任一项所述的金属基座板的翘曲控制构造；以及
半导体元件，其安装于所述绝缘基板的表面。
5.一种逆变器装置，其具有权利要求4所述的半导体模块。
CN201980097064.9A 2019-06-06 2019-06-06 金属基座板的翘曲控制构造、半导体模块及逆变器装置 Pending CN113906553A (zh)

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