JP2009043814A - Manufacturing method of heat radiation structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体チップ等の発熱に対する冷却機能を有する放熱構造体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a heat dissipation structure having a cooling function against heat generation of a semiconductor chip or the like.
パワーデバイスとしての半導体素子の発熱を放出するための放熱構造体として、アルミニウムやアルミニウム合金からなるヒートシンクを備えたものが一般に採用されている。ヒートシンクには、フィンが設けられていることが多く、放熱効率を高めるように工夫されている。また、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンクに銅または銅合金からなる部材を設けたものが知られている。 As a heat dissipation structure for releasing heat generated by a semiconductor element as a power device, a structure including a heat sink made of aluminum or an aluminum alloy is generally employed. The heat sink is often provided with fins and is devised to increase the heat dissipation efficiency. Moreover, what provided the member which consists of copper or a copper alloy in the heat sink which consists of aluminum or an aluminum alloy is known.
たとえば、特許文献1には、銅部材の接合面に銀からなる金属層を形成しておいて、この金属層とアルミニウムヒートシンクとをろう付けすることにより、Al−Ag金属間化合物を形成して、高い接合強度を実現する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1の技術では、500℃以上の温度でろう付けするために、銅とアルミニウムとの熱膨張率差によって冷却後にそりが生じるおそれがあった。また、接合の信頼性を確保するために、銅とアルミニウムとの拡散反応を防止するために銀からなる金属層を設けているので、製造コストが高くつくという不具合があった。 However, in the technique of Patent Document 1, since brazing is performed at a temperature of 500 ° C. or higher, there is a possibility that warping may occur after cooling due to a difference in thermal expansion coefficient between copper and aluminum. Moreover, in order to ensure the reliability of joining, since the metal layer which consists of silver was provided in order to prevent the diffusion reaction of copper and aluminum, there existed a malfunction that manufacturing cost became expensive.
本発明の目的は、接合部の信頼性が高く、製造コストが安価で、かつ反り等の変形の小さい放熱構造体を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a heat dissipating structure with high reliability of the joint, low manufacturing cost, and small deformation such as warpage.
本発明の放熱構造体の製造方法は、ヒートシンクを形成し、ヒートシンク上に溶射金属層を形成した後に、ヒートシンクを下金型に載置して、加熱しながら、上金型でヒートシンクおよび溶射金属層をプレスする方法である。 In the method for manufacturing a heat dissipation structure of the present invention, a heat sink is formed, a sprayed metal layer is formed on the heat sink, and then the heat sink is placed on the lower mold and heated while being heated with the upper mold. It is a method of pressing a layer.
この方法により、比較的低温での処理である溶射処理によって形成された溶射金属層と、ヒートシンクとの熱膨張率差に起因する反りを小さく抑制することができる。また、Ag等の高価な材料を用いる必要がないので、製造コストが比較的安価である。
一方、溶射法を用いることにより、溶射金属層の上面側が凸状に湾曲する変形が生じる。その原因は、溶射の際の粒子の衝突による加工ひずみによって、ヒートシンクの表面付近に圧縮応力が残留することによると考えられる。
そこで、下金型と上金型との間で、放熱構造体を加熱しながらプレスすることにより、ヒートシンクを構成する金属の再結晶が進行し、ヒートシンク内の残留圧縮応力が緩和されて、変形が矯正される。したがって、接合部の信頼性が高く、製造コストが安価で、設計形状からの変形の小さい,つまり形状精度の良好な放熱構造体が得られる。
By this method, it is possible to suppress warpage caused by a difference in thermal expansion coefficient between the thermal spray metal layer formed by the thermal spraying process, which is a process at a relatively low temperature, and the heat sink. Further, since it is not necessary to use an expensive material such as Ag, the manufacturing cost is relatively low.
On the other hand, by using the thermal spraying method, a deformation occurs in which the upper surface side of the thermal spray metal layer is curved in a convex shape. The cause is considered to be that compressive stress remains in the vicinity of the surface of the heat sink due to processing strain due to particle collision during thermal spraying.
Therefore, by pressing between the lower mold and the upper mold while heating the heat dissipation structure, recrystallization of the metal constituting the heat sink proceeds, the residual compressive stress in the heat sink is relaxed, and deformation occurs. Is corrected. Therefore, it is possible to obtain a heat dissipating structure with high reliability of the joint, low manufacturing cost, small deformation from the design shape, that is, good shape accuracy.
フィン部を有するヒートシンクを形成することにより、特に放熱機能の高いヒートシンクが得られる。その際には、ヒートシンクの形状を、少なくともフィン部が延びる方向に直交する断面において、設計形状から溶射時の変形とは逆の方向に変形させておくことにより、溶射金属層形成後の変形をわずかな量に抑制することができ、プレスによる変形矯正が容易になる。 By forming a heat sink having fin portions, a heat sink having a particularly high heat dissipation function can be obtained. In that case, the shape of the heat sink is deformed in the direction opposite to the deformation at the time of thermal spraying from the design shape at least in the cross section orthogonal to the direction in which the fin portion extends, so that the deformation after the formation of the thermal spray metal layer is performed. It can be suppressed to a slight amount, and deformation correction by a press becomes easy.
プレスの際に用いる下金型は、ヒートシンクの少なくとも2辺部を支えるものであればよい。ただし、ヒートシンクの各フィン間の間隙に挿入される櫛歯を有する下金型を用いることにより、プレスしたときに、フィン部の間隙においてもヒートシンクの平面部の裏面を下金型によって支持することができるので、ヒートシンク全体の形状をより正確に設計形状に近づけることができる。 The lower mold used for pressing may be any one that supports at least two sides of the heat sink. However, by using a lower mold having comb teeth inserted into the gaps between the fins of the heat sink, the back surface of the flat part of the heat sink is supported by the lower mold even in the gaps of the fin parts when pressed. Therefore, the shape of the entire heat sink can be more accurately approximated to the design shape.
プレス時の加熱温度は、ヒートシンク−溶射金属層間における金属間化合物の生成を回避しつつ、加工歪みを緩和させるためには、温度350℃〜550℃の範囲が好ましい。 The heating temperature during pressing is preferably in the range of 350 ° C. to 550 ° C. in order to alleviate the processing strain while avoiding the formation of intermetallic compounds between the heat sink and the sprayed metal layer.
本発明の放熱構造体の製造方法によると、接合の信頼性を保持しつつ、安価で形状精度の良好な放熱構造体を得ることができる。 According to the method for manufacturing a heat dissipation structure of the present invention, it is possible to obtain a heat dissipation structure that is inexpensive and has good shape accuracy while maintaining the reliability of bonding.
(実施の形態1)
−放熱構造体の構造−
図1は、実施の形態1に係る放熱構造体Aの断面図である。本実施の形態の放熱構造体Aは、平板部21aおよびフィン部21bを有するヒートシンク21と、平板部21aの上に形成された溶射金属層28とを備えている。フィン部21bは、熱交換媒体である冷却水にさらされて、熱交換効率を高めるように構成されている。
(Embodiment 1)
-Structure of heat dissipation structure-
FIG. 1 is a cross-sectional view of a heat dissipation structure A according to the first embodiment. The heat dissipation structure A of the present embodiment includes a
本実施の形態では、ヒートシンク21は、アルミニウム(Al)またはアルミニウム合金(Al合金)を用いた押し出し成形によって形成されている。ただし、ダイキャスト成形を利用してもよい。
本実施の形態においては、ヒートシンク21の平面部21aの厚みは4mm程度であり、フィン部21bのフィン長さは約15mm程度であり、溶射金属層28の厚みは1mm程度である。
In the present embodiment, the
In the present embodiment, the thickness of the
本実施の形態では、溶射金属層28は、銅(Cu)または銅合金(Cu合金)からなり、コールドスプレー法を用いて形成されている。後述するように、コールドスプレー法を用いて形成された溶射金属層28は、比較的低温(数百℃)で形成されるので、AlまたはAl合金からなるヒートシンク21との熱膨張率の差があっても、比較的反りは小さい。また、コールドスプレー法を用いて形成された膜は、緻密であることが確認されている。そして、コールドスプレー法では、膜の堆積能率が高く、製造コストも安価である。
In the present embodiment, the sprayed
ヒートシンク21は、Al,Al合金,CuまたはCu合金によって構成されていることが好ましい。後述するように、ヒートシンク21は押し出し成形によって形成することにより、製造コストの低減を図ることができるが、これらの材料は押し出し成形が可能であり、しかも熱伝導率が高いので、放熱構造体Aのヒートシンクには好適な材料である。
The
−放熱構造体の製造方法−
図2(a)〜(d)は、実施の形態1における放熱構造体Aの製造工程を示す斜視図である。図2(a)に示す工程では、AlまたはAl合金を用いた押し出し成形により、ヒートシンク連続体21xを形成する。ヒートシンク連続体21xは、平板部21aとフィン部21bとを有している。AlまたはAl合金に代えて、熱伝導率がより高いCuまたはCu合金を用いてもよいが、AlまたはAl合金を用いた方が、ピッチの小さいフィン部21bを形成することができる利点がある。
-Manufacturing method of heat dissipation structure-
FIGS. 2A to 2D are perspective views showing a manufacturing process of the heat dissipation structure A in the first embodiment. In the step shown in FIG. 2A, the heat sink
次に、図2(b)に示す工程で、コールドスプレー法を用いて、CuまたはCu合金からなる溶射金属層28をヒートシンク連続体21xの上に形成する。図4は、コールドスプレー法の概略を説明する断面図である。コールドスプレー装置60は、上方から粒子が投入されるホッパー61と、圧縮空気を加熱するヒータ62と、粒子を吹き付けるためのガン63と、配管64,65とを備えている。そして、ガン63から約5〜30mm程度離れた位置に、ヒートシンク連続体21xが設置されている。なお、圧縮空気に代えて、ヘリウム,窒素などの圧縮ガスを用いてもよい。
Next, in the step shown in FIG. 2B, a sprayed
ホッパー61に被膜材料であるCuまたはCu合金の粒子(粒径10〜40μm)が投入されると、配管64から送り込まれる圧縮空気によってガン63に送られる。一方、配管65から送り込まれた圧縮空気はヒータ62で300〜500℃に熱されて、ガン63に送られる。そして、ガン63で加熱圧縮空気と粒子とが混ざり合った状態で、超音速流で噴射される。粒子は、500m/s以上の高速で、ヒートシンク連続体21xに衝突し、粒子の運動エネルギーによって粒子が塑性変形して堆積されて、溶射金属層28が形成される。
When Cu or Cu alloy particles (particle size of 10 to 40 μm) as a coating material is put into the
このとき、図2(b)に示すように、溶射金属層28に隣接するヒートシンク連続体21xの平面部21aの表面領域には、粒子の衝突による加工ひずみで圧縮応力が残留している。したがって、溶射金属層28が凸側になるように、ヒートシンク連続体21xおよび溶射金属層28が反った状態となる。次に、図示しないが、ヒートシンク連続体21xを切断して、ヒートシンク21および溶射金属層28からなる個々の放熱構造体Aに分離する。
At this time, as shown in FIG. 2B, a compressive stress remains in the surface region of the
次に、図2(c)に示す工程で、放熱構造体Aをプレス金型の下金型30aの上に載置する。本実施の形態では、下金型30aは、ヒートシンク21の上面のうちフィン部21bを除く平面部21aの両端部だけを支持する形状であるが、破線に示すように、フィン部21bの間隙に挿入される櫛歯部を有していてもよい。
Next, in the step shown in FIG. 2C, the heat dissipation structure A is placed on the
次に、図2(d)に示す工程で、放熱構造体Aを加熱した後、上金型30bを徐々に降下させて、放熱構造体Aを下金型30aと上金型30bとによってプレスする。あるいは、加熱しながらプレスしてもよい。いずれの場合にも、プレスしてすぐに上金型30bを上方に戻すのではなく、一定時間の間、放熱構造体Aが室温まで冷却されてから、プレス状態を保持することが好ましい。高温状態でプレスを停止すると、溶射金属層28とヒートシンク21との熱膨張率差に起因する反りが生じる可能性があるからである。以上のいずれかの処理により、溶射金属層28の形成時に生じた加工ひずみを回復させて、放熱構造体Aの反りを修正する。なお、下金型30aが破線に示す櫛歯部を備えている場合には、櫛歯部の先端がヒートシンク21の平面部21aの裏面を支持することになる。
Next, in the step shown in FIG. 2D, after the heat dissipation structure A is heated, the
本実施の形態の放熱構造体Aの製造方法によると、溶射金属層28の形成工程で、コールドスプレー法などの溶射法を採用することにより、比較的低温で溶射金属層を形成することができる。その際、ヒータ62で300〜400℃に加熱された圧縮空気を用いるものの、空気の膨張によって急激に冷却されるので、ヒートシンク連続体21xに衝突する際には、室温〜100℃の低温になっているからである。したがって、加工後にヒートシンク21と溶射金属層28との熱膨張率差に起因する反りを小さく抑制することができる。また、多数のヒートシンク21を含むヒートシンク連続体21xの上に、溶射金属層28を形成するので、製造工程が簡素化されて、製造コストの低減を図ることができる。
According to the manufacturing method of the heat dissipation structure A of the present embodiment, the sprayed metal layer can be formed at a relatively low temperature by adopting a spraying method such as a cold spray method in the step of forming the sprayed
一方、このような溶射法で溶射金属層28を形成された放熱構造体Aにおいて、溶射金属層28の上面側が凸状に湾曲する変形が生じる。その原因は、溶射の際の粒子の衝突による加工ひずみによって、ヒートシンク21の表面付近に圧縮応力が残留することによると考えられる。
On the other hand, in the heat dissipation structure A in which the sprayed
そこで、放熱構造体Aを加熱した後、下金型30aと上金型30bとの間でプレスするか、放熱構造体Aを加熱しながらプレスすることにより、ヒートシンク21を構成するAlの再結晶を進行させ、ヒートシンク21内の加工ひずみを緩和させて、変形を矯正することができる。したがって、接合部の信頼性が高く、製造コストが安価で、設計形状からの変形の小さい,つまり形状精度の良好な放熱構造体が得られる。
Therefore, after the heat dissipation structure A is heated, it is pressed between the
上記プレス工程における下金型30a−上金型30b間に印加される圧力は、1Pa〜5Paであればよい。また、加熱温度は、350℃〜550℃の範囲であることが好ましい。加熱温度については、以下に説明する。
The pressure applied between the
その場合、加熱温度を高くするほど、また、加熱時間を長くするほど、加工ひずみを緩和して、反りを修正することが容易となる。ただし、ヒートシンク21−溶射金属層28の界面領域で、ヒートシンク21を構成するAlと、溶射金属層28を構成するCuとの反応による金属間化合物が生成されると、界面領域の強度が弱くなり、溶射金属層28が一部または全域で剥離するおそれがある。そこで、金属間化合物の生成を抑制するための熱処理条件について説明する。
In that case, the higher the heating temperature and the longer the heating time, the easier it is to reduce the processing strain and correct the warpage. However, when an intermetallic compound is generated in the interface region between the
図5は、純度99.99%のAl(99.99%Al)に各種元素を添加したときの再結晶温度を示すグラフである。同図のデータにおける熱処理時間は30分である。同図に示すように、99.99%Alの再結晶温度は350℃であり、他の元素を添加した場合には、もっとも再結晶温度が高いものでも550℃未満である。したがって、熱処理温度が350℃〜550℃の範囲にあれば、ヒートシンク21中の再結晶を進行させて、加工ひずみを緩和することが可能である。保持時間は、加熱温度によって異なり、低温であれば長時間加熱状態を保持する必要があり、高温になるほど、保持時間は短くて済む。たとえば、350℃で1時間程度保持することにより、ヒートシンク21の加工ひずみを緩和させて反りを矯正することができる。
FIG. 5 is a graph showing the recrystallization temperature when various elements are added to 99.99% pure Al (99.99% Al). The heat treatment time in the data in the figure is 30 minutes. As shown in the figure, the recrystallization temperature of 99.99% Al is 350 ° C., and when other elements are added, even the highest recrystallization temperature is less than 550 ° C. Therefore, if the heat treatment temperature is in the range of 350 ° C. to 550 ° C., recrystallization in the
一般に、拡散係数をD、拡散距離をLとすると、下記式(1),(2)
D=D0・exp(−Q/RT) (1)
L=√(D・t) (2)
の関係式が成り立つ。ただし、D0は、拡散係数の定数部分であって各元素に固有の頻度因子(m2/sec)であり、Qは、金属間化合物の活性化エネルギー(kJ/mol)であり、tは熱処理時間であり、R=8.315(J/mol・K)である。
式(1),(2)より、下記式(3)
L=√{D0・exp(−Q/RT)・t} (3)
が成り立つので、定数D0,Qの値がわかると、式(3)から、CuおよびAlの拡散距離を求めることができる。
In general, when the diffusion coefficient is D and the diffusion distance is L, the following equations (1) and (2)
D = D0 · exp (−Q / RT) (1)
L = √ (D · t) (2)
The following relational expression holds. Where D0 is a constant part of the diffusion coefficient and is a frequency factor (m 2 / sec) specific to each element, Q is the activation energy (kJ / mol) of the intermetallic compound, and t is heat treatment. Time, R = 8.315 (J / mol · K).
From the formulas (1) and (2), the following formula (3)
L = √ {D0 · exp (−Q / RT) · t} (3)
Therefore, if the values of the constants D0 and Q are known, the diffusion distance of Cu and Al can be obtained from the equation (3).
図6は、CuおよびAlの拡散に関するデータを表にして示す図である。たとえば、熱処理温度350℃(623K)で、熱処理時間を1時間(3600sec)とすると、式(3)および図5のデータから、Cu中のAlの拡散距離L1は、5.4×10−9mとなり、Al中のCuの拡散距離L2は、9.6×10−7mとなる。また、熱処理温度550℃(823K)で、熱処理時間を5secとすると、式(3)および図5のデータから、Cu中のAlの拡散距離L1は、1.1×10−8mとなり、Al中のCuの拡散距離L2は、8.7×10−7mとなる。上記拡散距離L1,L2は、いずれも1μm(1×10−6m)以下であり、この条件下では、金属間化合物がほとんど生じない。適切な熱処理時間は、熱処理温度によって異なるが、上記式(3)と図5および図6のデータとを併せて決定することができる。 FIG. 6 is a table showing data relating to diffusion of Cu and Al. For example, when the heat treatment temperature is 350 ° C. (623 K) and the heat treatment time is 1 hour (3600 sec), the diffusion distance L1 of Al in Cu is 5.4 × 10 −9 from the data of the formula (3) and FIG. m, and the diffusion distance L2 of Cu in Al is 9.6 × 10 −7 m. Further, when the heat treatment temperature is 550 ° C. (823 K) and the heat treatment time is 5 seconds, the diffusion distance L1 of Al in Cu is 1.1 × 10 −8 m from the data of the formula (3) and FIG. The diffusion distance L2 of Cu inside is 8.7 × 10 −7 m. The diffusion distances L1 and L2 are both 1 μm (1 × 10 −6 m) or less, and an intermetallic compound hardly occurs under these conditions. Although an appropriate heat treatment time varies depending on the heat treatment temperature, the above formula (3) can be determined together with the data shown in FIGS.
(変形例)
上記実施の形態では、溶射法としてコールドスプレー法を用いたが、他の溶射法を用いることもできる。
図7は、HVAF(High Velocity Aero Fuel)法の概略を説明する断面図である。HVAF装置60Bは、原料供給管68から投入される材料(粒子)を圧縮空気と混合するホッパー67と、圧縮空気および可燃性ガスを加熱するヒータ62と、粒子を吹き付けるためのガン63と、圧縮空気を供給する配管64,65と、可燃性ガス(プロパンガスなど)を供給するガス管66とを備えている。そして、ガン63から約5〜30mm程度離れた位置に、基板(ヒートシンクなど)が設置されている。
(Modification)
In the above embodiment, the cold spray method is used as the thermal spraying method, but other thermal spraying methods can also be used.
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining the outline of the HVAF (High Velocity Aero Fuel) method. The
ホッパー67に、原料供給管68から、材料(Cu)の粒子群(粒径10〜40μm)が投入されると、ホッパー67内で圧縮空気と混合された後、配管64から送り込まれる圧縮空気によってガン63に送られる。一方、配管65,ガス管66から送り込まれた圧縮空気および可燃性ガスは、点火プラグ69で燃焼が促進され、ガン63に送られる。そして、ガン63で燃焼ガス,圧縮空気および粒子群が混ざり合った状態で、フレームとともに、超音速流で噴射される。粒子は、コールドスプレー法とほぼ同じ温度(300〜500℃)かつ、より高速(600〜800m/s)で、基板に衝突し、粒子の運動エネルギーによって粒子が塑性変形して、からみ合った状態で結合されて、溶射金属層28が形成される。粒子の粒径は、10〜40μmである。
When a particle group (particle size: 10 to 40 μm) of material (Cu) is introduced into the
また、HVOF(High Velocity Oxigen Fuel)法を用いた場合は、供給管64,65から酸素が供給される点を除いては、図6に示す通りの装置を用いる。その場合、フレーム速度で2000m/s以上、粒子速度で750m/sが達成される。
Further, when the HVOF (High Velocity Oxigen Fuel) method is used, an apparatus as shown in FIG. 6 is used except that oxygen is supplied from the
図8は、AD(Aerosol Deposition)法の概略を説明する断面図である。真空ポンプVPが付設された成膜室71内に、ワークホルダー73と、基板と、メタルマスク75と、ノズル76とが配置されている。また、エアロゾル化室78には、原料供給管79から材料(Cu)の粒子群が供給され、エアロゾル化室78内に送り込まれる。粒子は、空気,He,Ar,窒素などの圧縮ガスボンベから供給されるガス流に乗って、連絡配管77からノズル76に運ばれ、高速で噴射される。そして、基板上に、溶射金属層28が堆積される。
FIG. 8 is a sectional view for explaining the outline of the AD (Aerosol Deposition) method. A
(実施の形態2)
図3(a)〜(d)は、実施の形態2における放熱構造体Aの製造工程を示す斜視図である。図3(a)に示す工程では、AlまたはAl合金を用いた押し出し成形により、ヒートシンク連続体21xを形成する。このとき、ヒートシンク連続体21xは、平板部21aとフィン部21bとを有しているが、フィン部21bが延びる方向である長手方向に直交する断面において、設計形状から、溶射金属層28の形成時の変形とは逆方向に変形させておく。つまり、平面部21aの上面が凹側になるように湾曲している。ただし、押し出し成形であることから、長手方向には、変形させていない。ダイキャスト成形によってヒートシンク21を形成する場合には、長手方向に平行な断面においても、平面部21aの上面が凹側になるように湾曲させることができる。
(Embodiment 2)
3A to 3D are perspective views showing a manufacturing process of the heat dissipation structure A in the second embodiment. In the step shown in FIG. 3A, the heat sink
次に、図3(b)に示す工程で、実施の形態1と同様に、コールドスプレー法を用いて、CuまたはCu合金からなる溶射金属層28をヒートシンク連続体21xの上に形成する。
Next, in the step shown in FIG. 3B, the sprayed
このとき、図3(b)に示すように、溶射金属層28に隣接するヒートシンク連続体21xの平面部21aの表面領域には、粒子の衝突による加工ひずみで圧縮応力が残留している。したがって、フィン部21bが延びる方向に直交する断面では、平面部21aがほぼ平面状になり、フィン部21bはほぼ垂直方向に延びている。
一方、フィン部21bが延びる断面に平行な方向では、溶射金属層28が凸側に位置するように、ヒートシンク連続体21xおよび溶射金属層28が反った状態となる。ただし、フィン部21Bが延びる方向においては、ヒートシンク21の曲げ強度が大きいので、変形はごくわずかである。
次に、図示しないが、ヒートシンク連続体21xを切断して、ヒートシンク21および溶射金属層28からなる個々の放熱構造体Aに分離する。
At this time, as shown in FIG. 3B, a compressive stress remains in the surface region of the
On the other hand, in the direction parallel to the cross section in which the
Next, although not shown, the heat sink
次に、図3(c)に示す工程で、放熱構造体Aをプレス金型の下金型30aの上に載置する。本実施の形態では、下金型30aには、フィン部21bの間隙に挿入される櫛歯部31が設けられている。そして、長手方向(フィン部21bが延びる方向)に直交する断面では、放熱構造体Aを下金型30a上に載置した時点で、各フィン部21bがほぼ垂直方向に延びているために、実施の形態1(図2(c),(d)の破線参照)に比べて、櫛歯31の厚みを十分大きくすることができる。したがって、プレス圧力を十分大きくして、変形の矯正をより確実に行うことができる。
Next, in the step shown in FIG. 3C, the heat dissipation structure A is placed on the
次に、図3(d)に示す工程で、実施の形態1と同様に、放熱構造体Aを加熱した後、放熱構造体Aを下金型30aと上金型30bとによってプレスするか、加熱しながらプレスする。本実施の形態では、この工程で、下金型30bの厚い櫛歯部31がフィン部21b間の間隙に挿入されて、平面部21aの裏面に接触しているので、矯正のためのプレス荷重を高くすることができる。
Next, in the step shown in FIG. 3D, as in the first embodiment, after the heat dissipation structure A is heated, the heat dissipation structure A is pressed by the
本実施の形態によると、上記実施の形態1の効果に加えて、ヒートシンク21の成形時に、設計形状から、溶射によって生じるヒートシンクの変形とは逆の方向に変形させているので、加熱・プレスによる放熱構造体Aの形状の矯正量がわずかで済む。とくに、下金型30bの櫛歯31の厚みを大きく設定でき、かつ、微細ピッチのフィン部21bを有するヒートシンク21に対しても、櫛歯31を用いて、確実に設計形状の放熱構造体Aを形成することができる。
According to the present embodiment, in addition to the effect of the first embodiment, when the
上記実施の形態2においては、ヒートシンク連続体21xの成形の際、押し出し成形を利用したが、ダイキャスト成型を用いる場合には、長手方向(フィン部21bが延びる方向)に直交する断面および平行な断面の双方において、設計形状から、溶射によってヒートシンク21に生じる変形とは逆の方向に変形させておくことができる。したがって、放熱構造体Aを下金型30aの上に載置した時点で、下金型30aの櫛歯31の各先端が平面部21aの裏面にほぼ接触した状態となりうる。
In the second embodiment, extrusion molding is used when the heat sink
(実施の形態3)
−パワーモジュールの構造−
図9は、実施の形態3におけるパワーモジュールセットの断面図である。同図において配線構造の図示は省略されている。本実施の形態のパワーモジュールセットは、放熱器50の上に、複数のパワーモジュール10を取り付けて構成されている(同図には、1つのパワーモジュール10のみ表示)。放熱器50は、天板50aと天板50aに接合された容器50bとからなり、天板50aには、パワーモジュール10を組み込むための多数の矩形状貫通穴が設けられている。放熱器50を構成する天板50aと容器50bとは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、ダイキャスト,押し出し,鍛造,鋳造,機械加工等によって組み立てることができる。
(Embodiment 3)
-Power module structure-
FIG. 9 is a cross-sectional view of the power module set according to the third embodiment. In the figure, the illustration of the wiring structure is omitted. The power module set of the present embodiment is configured by mounting a plurality of
本実施の形態では、放熱器50は天板50aと容器50bとを個別に形成してから両者を接合しているが、天板と容器とを一体に形成してもよい。その場合、たとえば一体型を用いたダイキャストにより放熱器を形成することができる。
In the present embodiment, the
本実施の形態のパワーモジュールセットにおいて、放熱器50の天板50aと容器50bとの間の空間51には、熱交換媒体としての冷却水が紙面に直交する方向に流れている。パワーモジュール10は、Oリング25により気密を保持しつつボルト54により天板50aにネジ止めされている。
In the power module set of the present embodiment, cooling water as a heat exchange medium flows in a direction orthogonal to the paper surface in the
そして、パワーモジュール10には、実施の形態1と同様の構成を有するヒートシンク21および溶射金属層28からなる放熱構造体Aに加えて、IGBTなどの半導体素子が形成された半導体チップ11と、半導体チップ11内の半導体素子と外部部材とを電気的に接続するための金属配線23と、金属配線23と半導体チップ11とを接合する,Pbフリー半田を含む半田層14と、金属配線23と溶射金属層28との間に介在する絶縁樹脂層26とが設けられている。図示されていないが、半導体チップ11の上面および下面には、それぞれ、IGBTなどの半導体素子の活性領域に接続される上面電極および裏面電極が設けられている。そして、半導体チップ11の裏面電極が、半田層14によって、金属配線23に導通状態で接合されている。
The
また、放熱器50の天板50a上に、半導体チップ11等を囲むモジュール樹脂枠53が設けられていて、モジュール樹脂枠53がボルト54によって天板50aに固定されている。モジュール樹脂枠53の内部および外表面には、一体成形により、電極端子層56(バスバー)が設けられている。この電極端子層56と金属配線23とは、大電力用配線18によって接続されており、電極端子層56と半導体チップ11の上面電極12の一部とは、信号配線17によって接続されている。これによって、パワーモジュール10と外部機器との電気的な接続が可能になっている。また、モジュール樹脂枠53の内方には、シリコンゲルからなるゲル層40が設けられていて、ヒートシンク21の上面側で半導体チップ11,信号配線17,大電力用配線18,金属配線23,半田層14,絶縁樹脂層26などの部材がゲル層40内に埋設されている。
A
本実施の形態のパワーモジュール10においては、上述のPbフリー半田からなる半田層14と、絶縁樹脂層26とを備えている。一般に、Pbフリー半田には、以下のものがある。たとえば、Sn(液相点232℃),Sn−3.5%Ag(液相点221℃),Sn−3.0%Ag(液相点222℃),Sn−3.5%Ag−0.55%Cu(液相点220℃),Sn−3.0%Ag−0.5%Cu(液相点220℃),Sn−1.5%Ag−0.85%Cu−2.0Bi(液相点223℃),Sn−2.5%Ag−0.5%Cu−1.0Bi(液相点219℃),Sn−5.8Bi(液相点138℃),Sn−0.55%Cu(液相点226℃),Sn−0.55%Cu−その他(液相点226℃),Sn−0.55%Cu−0.3%Ag(液相点226℃),Sn−5.0%Cu(液相点358℃),Sn−3.0%Cu−0.3%Ag(液相点312℃),Sn−3.5%Ag−0.5%Bi−3.0In(液相点216℃),Sn−3.5%Ag−0.5%Bi−4.0In(液相点211℃),Sn−3.5%Ag−0.5%Bi−8.0In(液相点208℃),Sn−8.0%Zn−3.0%Bi(液相点197℃)等がある。本実施の形態では、液相点が300℃以下の低融点のPbフリー半田、たとえば、Sn−3.0%Ag−0.5%Cu(液相点220℃)を用いているが、これに限定されるものではない。ただし、Sn−5.0%Cu(液相点358℃),Sn−3.0%Cu−0.3%Ag(液相点312℃)等の高融点のPbフリー半田(液相点が300℃を超えるもの)は除くものとする。
The
絶縁樹脂層26には、本実施の形態では、金属やセラミクスの充填剤を含むエポキシ樹脂が用いられている。エポキシ樹脂の使用可能温度は、種類によって異なるが、300℃を超えるものを選択することは容易であり、本実施の形態では、Pbフリー半田の液相点よりも高いものを用いている。したがって、後述するパワーモジュールの組み立て工程において、絶縁樹脂層26を形成した後で、Pbフリー半田のリフロー工程を行うことが可能になる。たとえば、エポキシ樹脂に、アルミナ,シリカ,アルミニウム,窒化アルミニウムなどを充填したものを用いることができ、熱伝導率が1.0(W/m・K)以上であることが好ましく、5.0(W/m・K)以上であることがより好ましい。 In the present embodiment, an epoxy resin containing a metal or ceramic filler is used for the insulating resin layer 26. Although the usable temperature of the epoxy resin varies depending on the type, it is easy to select a temperature exceeding 300 ° C. In this embodiment, a temperature higher than the liquid phase point of Pb-free solder is used. Therefore, it becomes possible to perform a Pb-free solder reflow process after the insulating resin layer 26 is formed in the power module assembly process described later. For example, an epoxy resin filled with alumina, silica, aluminum, aluminum nitride, or the like can be used, and the thermal conductivity is preferably 1.0 (W / m · K) or more, and 5.0 ( W / m · K) or more is more preferable.
本実施の形態では、絶縁樹脂層26の下地である溶射金属層28の表面は溶射処理された状態であり、研磨等はされていない。溶射処理された状態では、表面が荒れた状態であるので、絶縁樹脂層26との接触面積が拡大するなど、研磨面よりも接着剤の接着力を高める点で有利である。
In the present embodiment, the surface of the sprayed
絶縁樹脂層26の厚みは、0.4mm以下であることが好ましく、0.2mm以下であることがより好ましい。絶縁樹脂層26の熱抵抗は、熱伝導率と厚みに依存して定まるが、厚みが薄いほど熱抵抗が小さくなる。したがって、厚みが0.4mm以下であることにより、放熱機能が高くなることになる。 The thickness of the insulating resin layer 26 is preferably 0.4 mm or less, and more preferably 0.2 mm or less. The thermal resistance of the insulating resin layer 26 is determined depending on the thermal conductivity and thickness, but the thermal resistance decreases as the thickness decreases. Therefore, when the thickness is 0.4 mm or less, the heat dissipation function is enhanced.
本実施の形態によると、金属配線23を、絶縁樹脂層26を挟んで放熱構造体Aの溶射金属層28に接続する構造としているので、部品数の低減により、製造コストの低減を図ることができる。しかも、溶射金属層28の表面を溶射処理されたままにしているので、絶縁樹脂層26による放熱構造体Aの溶射金属層28と金属配線23との固着強度が向上し、接合部の信頼性を高く維持することができる。
According to the present embodiment, the
また、1つの半田層14と、樹脂接着剤からなる絶縁樹脂層26とを用いているので、2つの半田層を設ける場合のごとく、工程の先後に応じて低融点のPbフリー半田と高融点のPbフリー半田とを用いる必要はなく、低融点のPbフリー半田だけで済むことになる。現在、Pbフリー半田として、比較的Cu組成比の高いPbフリー半田(たとえば積層点が300℃以上のSn−5.0%Cu,Sn−3.0%Cu−0.3%Ag)も開発されているが、確実な接続信頼性を有する高融点のPbフリー半田を得ることは困難である。一方、低融点のPbフリー半田としては、たとえば液相点が220℃のSn−3.0%Ag−0.5%Cu(JEITA推奨合金)などの接続信頼性の高いものが得られている。また、樹脂接着剤としては、使用可能温度が300℃を超えるエポキシ樹脂など、低融点のPbフリー半田の液相点よりも高温に耐えうるものは容易に得られる。したがって、本実施の形態により、半田層14をPbフリー化して、接続信頼性を確保しつつ、Pbフリー化を図ることができるのである。リフロー工程における加熱時間は、5分程度である。
In addition, since one
すなわち、2つの半田層を用いる場合には、先に半田付けする半田層には、液相点が300℃〜330℃の高融点半田(Sn−90%Pb)を用い、後に半田付けする半田層には、液相点が216℃程度の低融点半田(Sn−50%Pb)を用いている。すなわち、先の半田付け工程では高融点半田を用い、後の半田付け工程では、先の工程で形成された半田層がリフロー炉内で融解しないように、低融点半田を用いるのである。 That is, when two solder layers are used, high melting point solder (Sn-90% Pb) having a liquidus point of 300 ° C. to 330 ° C. is used for the solder layer to be soldered first, and solder to be soldered later. For the layer, low melting point solder (Sn-50% Pb) having a liquidus point of about 216 ° C. is used. That is, high melting point solder is used in the previous soldering process, and low melting point solder is used in the subsequent soldering process so that the solder layer formed in the previous process does not melt in the reflow furnace.
一方、環境問題から各種製品として、Pb(鉛)を使わない、いわゆるPbフリー(鉛フリー)部品を用いることが義務づけられつつあるが、低融点半田(Sn−50%Pb)を、たとえば(Sn−3.0%Ag−0.5%Cu)などの低融点のPbフリー半田に置き換えることは現在の技術で可能であるが、従来の高融点半田(Sn−90%Pb)に代わる,接続信頼性の高い高融点のPbフリー半田を用いることは困難である。 On the other hand, it is being obliged to use so-called Pb-free (lead-free) parts that do not use Pb (lead) as various products due to environmental problems, but low melting point solder (Sn-50% Pb), for example, (Sn It is possible to replace with low melting point Pb-free solder such as -3.0% Ag-0.5% Cu), but it is possible to replace with conventional high melting point solder (Sn-90% Pb). It is difficult to use high melting point Pb-free solder.
それに対し、本実施の形態のごとく、溶射金属層28と金属配線23(配線部材)との接続には絶縁樹脂層26を用いることにより、半導体チップ11と金属配線23との接合のみに半田層14を用いることができる。よって、半田層14を低融点のPbフリー半田を用いて、接続信頼性を確保しつつ、Pbフリー化を図ることができるのである。
On the other hand, as in the present embodiment, the insulating resin layer 26 is used for the connection between the sprayed
本実施の形態では、ヒートシンク21の材料として、AlまたはAl合金を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、CuまたはCu合金も、押し出し成形が可能であり、熱伝導率はAlまたはAl合金よりも高い。その他、押し出し成形を行うのでなければ、Al−SiC,Cu−W,Cu−Moなどの複合材料を用いてもよい。
In the present embodiment, Al or Al alloy is used as the material of the
本実施の形態では、金属配線23の材料として、CuまたはCu合金を用いているが、これに限定されるものではない。たとえば、Al,Al合金や、Al−SiC,Cu−W,Cu−Moなどの複合材料を用いてもよい。
In the present embodiment, Cu or Cu alloy is used as the material of the
本実施の形態では、溶射金属層28の材料として、CuまたはCu合金を用いているが、その厚みを0.5mm以上(本実施の形態では1mm程度)にすることにより、半導体チップ11からの放熱経路を横方向に拡大する,いわゆるヒートスプレッダー機能を高めることができる。また、溶射金属層28には、ヒートシンク21,絶縁樹脂層26,金属配線23などとの熱膨張率差に起因する熱応力が作用する。また、溶射金属層28の形成時には、粒子の超高速流の衝撃によって、ヒートシンク21に残留圧縮歪が生じるが、この残留圧縮歪によっても溶射金属層28に応力が加わる。そこで、溶射金属層28の厚みを0.5mm以上にすることにより、各種応力に耐えうる強度が確保される。
In the present embodiment, Cu or Cu alloy is used as the material of the sprayed
また、ヒートシンク21をAlまたはAl合金により構成し、溶射金属層28をCuまたはCu合金により構成し、金属配線23をCuまたはCu合金によって構成することにより、以下のような顕著な効果を発揮することができる。まず、ヒートシンク21をAlまたはAl合金によって構成することにより、押し出し成形によって微細ピッチのフィン部21bを容易に形成することができ、放熱機能をより高く発揮することができる。
Further, the
また、溶射金属層28をCuまたはCu合金によって構成することにより、上述のヒートスプレッダー機能を発揮しうるとともに、同じくCuまたはCu合金からなる金属配線23と溶射金属層28とが絶縁樹脂層26を挟む構造になるので、ろう付けや半田付けよりも接合機能の低い樹脂絶縁層26に、熱膨張率差に起因する熱応力をほとんど印加せずに済む利点がある。つまり、低融点のPbフリー半田のみを使用することによるPbフリー化を実現するために有利な構造となる。
Further, by forming the sprayed
(他の実施の形態)
本発明のパワーモジュールに配置される半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体(SiC,GaNなど)を用いたパワーデバイスでもよいし、Siを用いたパワーデバイスでもよい。
(Other embodiments)
The semiconductor element disposed in the power module of the present invention may be a power device using a wide band gap semiconductor (SiC, GaN, etc.) or a power device using Si.
上記実施の形態3では、半導体チップ11に、IGBTが形成されているが、MOSFET,ダイオード,JFETなどが形成された半導体チップを用いてもよい。 In the third embodiment, the IGBT is formed on the semiconductor chip 11, but a semiconductor chip on which a MOSFET, a diode, a JFET, or the like is formed may be used.
上記実施の形態3では、天板50aに多数のパワーモジュール10を取り付ける構造を採ったが、天板を兼ねる単一のヒートシンク部材24上に多数の半導体チップを搭載してもよい。
In the third embodiment, a structure in which a large number of
ヒートシンク21との熱交換を行う熱交換媒体は、冷却能やコストを考慮すると、フロリナートや水などの液体であることが好ましい。ただし、ヘリウム,アルゴン,窒素,空気などの気体であってもよい。
The heat exchange medium for exchanging heat with the
上記実施の形態3では、絶縁樹脂層26を熱硬化樹脂であるエポキシ樹脂によって構成したが、PPSなどの熱可塑性樹脂によって構成してもよい。その場合には、絶縁樹脂層26の上に金属配線23を設置した状態でも、気泡を抜くことが容易であるので、接着剤層の1回塗りで済み、製造コストがより安価になる。
In Embodiment 3 described above, the insulating resin layer 26 is made of an epoxy resin that is a thermosetting resin, but may be made of a thermoplastic resin such as PPS. In that case, even when the
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。 The structure of the embodiment of the present invention disclosed above is merely an example, and the scope of the present invention is not limited to the scope of these descriptions. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
本発明の放熱構造体は、MOSFET,IGBT,ダイオード,JFET等を搭載したパワーモジュールとして、各種機器に利用することができる。 The heat dissipation structure of the present invention can be used for various devices as a power module on which MOSFET, IGBT, diode, JFET and the like are mounted.
A 放熱構造体
10 パワーモジュール
11 半導体チップ
14 半田層
17 信号配線
18 大電力用配線
21 ヒートシンク
21a 平板部
21b フィン部
21x ヒートシンク連続体
23 金属配線
25 Oリング
26 絶縁樹脂層
28 溶射金属層
30a 下金型
30b 上金型
31 櫛歯部
40 ゲル層
50 放熱器
50a 天板
50b 容器
51 空間
53 モジュール樹脂枠
56 電極端子層
A
Claims (5)
前記ヒートシンクの平面部の上に、少なくとも1つの金属を含む溶射金属層を形成する工程(b)と、
前記工程(b)の後で、前記ヒートシンクを下金型上に載置する工程(c)と、
前記ヒートシンクを下金型上に載置した状態で、上金型により、前記溶射金属層およびヒートシンクを加熱しつつプレスする工程(d)と、
を含む放熱構造体の製造方法。 Forming a heat sink having at least a planar portion (a);
Forming a sprayed metal layer containing at least one metal on the flat portion of the heat sink;
A step (c) of placing the heat sink on a lower mold after the step (b);
A step (d) of pressing the thermally sprayed metal layer and the heat sink with the upper mold while the heat sink is placed on the lower mold; and
The manufacturing method of the thermal radiation structure containing this.
前記工程(a)では、前記平面部から突出する複数のフィンを有するヒートシンクを形成する、放熱構造体の製造方法。 In the manufacturing method of the heat dissipation structure according to claim 1,
In the step (a), a heat radiating structure manufacturing method, wherein a heat sink having a plurality of fins protruding from the planar portion is formed.
前記工程(a)は、前記ヒートシンクの形状を、少なくとも前記フィン部が延びる方向に直交する断面において、設計形状から前記工程(b)における変形とは逆の方向に変形させておく、放熱構造体の製造方法。 In the manufacturing method of the heat dissipation structure according to claim 2,
In the step (a), the shape of the heat sink is deformed from a design shape in a direction opposite to the deformation in the step (b) at least in a cross section orthogonal to the direction in which the fin portion extends. Manufacturing method.
前記工程(c)では、前記ヒートシンクの各フィン間の間隙に挿入される櫛歯を有する下金型を用いる、放熱構造体の製造方法。 In the manufacturing method of the thermal radiation structure of Claim 2 or 3,
In the step (c), a method for manufacturing a heat dissipation structure using a lower mold having comb teeth inserted into the gaps between the fins of the heat sink.
前記工程(d)は、温度350℃〜550℃の範囲で行われる、放熱構造体の製造方法。 In the manufacturing method of the thermal radiation structure in any one of Claims 1-4,
The said process (d) is a manufacturing method of the thermal radiation structure performed at the temperature of 350 to 550 degreeC.
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2007
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