JP2012146801A

JP2012146801A - ヒートシンク、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びヒートシンクの製造方法。

Info

Publication number: JP2012146801A
Application number: JP2011003644A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Nagase; 敏之長瀬; Hiroshi Miyata; 博志宮田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2031-01-12
Also published as: JP5914968B2

Abstract

【課題】設計自由度が高く、簡単に製造できるとともに、冷却性能を向上させることができるヒートシンク、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及び作業性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供する。
【解決手段】ヒートシンク５は、金属部材５０にプレス加工により複数の凹部５３が形成されるとともに、その凹部５３の周縁部に、凹部５３を囲む隆起部５４が形成され、凹部５３に一部嵌合したフィン材５５がろう付けされてなり、金属部材５０とフィン材５５との間のフィレット部５７が、隆起部５４を含んで形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュールのヒートシンク、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びヒートシンクの製造方法に関する。

従来の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、この金属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。

この種のパワーモジュールとしては、例えば、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は、セラミックス基板に接合されるヒートシンクとして、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、例えば、アルミニウム合金の鍛造、鋳造、押出成形等により形成されており、金属部材の全面に、複数の放熱フィンが均一に立設されている。
しかしながら、ヒートシンクを押出成形等によって製造する場合は、大掛かりな装置が必要であり、また、金属部材と放熱フィンとを同一材料で形成しなくてはならない等、設計の自由度が小さい。

そこで、特許文献２及び特許文献３には、金属部材の表面に棒状又は板状の放熱フィンをかしめたヒートシンクが提案されており、このようなヒートシンクを用いたパワーモジュールが知られている。
この場合、金属部材に設けた凹部に放熱フィンの端部をかしめて一体化したヒートシンクを形成するので、安価に形成できる。また、金属部材の任意の箇所に放熱フィンを立設することができる、金属部材と放熱フィンとを異種金属によって形成できる等、設計の自由度も高い。
また、特許文献４には、扁平コイルフィン部材を伝熱基板の嵌合溝にろう付けするヒートシンクが知られている。

特開平１１−２０４７００号公報特開２００６−３１０４８６号公報特開２００２−２６５５０号公報特開２０１０−２７９９８号公報

しかしながら、特許文献２及び特許文献３記載のヒートシンクにおいては、金属部材に形成した凹部に放熱フィンの端部をかしめて機械的に固定しているので、かしめ部分の密着性が悪く、熱抵抗が大きくなって、冷却性能が低くなり易い。また、かしめ部分の隙間に腐食が生じた場合には、金属部材に孔が開いて冷却液がヒートシンクから漏れ出る等の問題がある。また、特許文献４記載のヒートシンクにおいては、伝熱基板と扁平コイルフィン部材間でのフィレット部が、さらなる熱抵抗の低減化という点で課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、設計自由度が高く、簡単に製造できるとともに、冷却性能を向上させることができるヒートシンク、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及び作業性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供する。

本発明のヒートシンクは、金属部材にプレス加工による複数の凹部が形成されるとともに、その凹部の周縁部に、前記金属部材の表面が盛り上がってなる隆起部が前記凹部を囲むように形成され、前記凹部に一部嵌合したフィン材がろう付けされてなり、前記金属部材と前記フィン材との間のフィレット部が、前記隆起部を含んで形成されていることを特徴とする。

これにより、金属部材とフィン材とがろう材によって隙間なく接合されるとともに、金属部材とフィン材との間のフィレット部が、金属部材の隆起部により接合部を長く形成することができるので、金属部材とフィン材との間の熱抵抗を小さくして、ヒートシンクの冷却効率を向上させることができる。

また、本発明のヒートシンクにおいて、前記フィン材は、その表面の少なくとも一部が、前記金属部材よりも腐食電位の低い材料で形成されているとよい。
フィン材の表面を金属部材よりも腐食電位の低い材料で形成することにより、フィン材を構成する腐食電位の低い材料部分が犠牲的に腐食して、金属部材の腐食を抑制することができる。金属部材よりも先にフィン材が腐食することにより、金属部材の孔食を防止して冷却液のパワーモジュール用基板側への漏洩を防ぐことができる。

また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前述のヒートシンクと、セラミックス基板を有するパワーモジュール用基板とが接合されていることを特徴とする。

さらに、本発明のヒートシンクの製造方法は、芯材の表面にろう材が貼り合わされた金属部材に、プレス加工によって複数の凹部を形成するとともに、その凹部の加工により、前記凹部の周縁部に、前記金属部材の表面が盛り上がってなる隆起部が前記凹部を囲むように形成した後、前記フィン材を前記凹部に一部嵌合させた状態で加圧しつつ加熱することにより、前記金属材料と前記フィン材とをろう付けすることを特徴とする。

プレス加工により金属部材に凹部を形成すると、材料が流動して凹部の周縁部に隆起部が形成される。金属部材にはろう材が貼り合わされているので、凹部の底面にも、ろう材が配置される。この凹部にフィン材を一部嵌合させて加圧、加熱すると、凹部底面とフィン材との間に介在する溶融したろう材が押し出されて、凹部とフィン材との隙間に流れるとともに、金属部材表面のろう材も表面張力によって引き込まれて、その隙間に充填される。さらに、凹部の隆起部に案内されて、金属部材とフィン材との接合部でろう材がフィン材の表面に立ち上がり、フィレット部を形成することができる。
また、プレス加工による金属部材への凹部の成形においては、パワーモジュール用基板の直下に配置される部分のみに凹部を形成することができ、フィン材配置の設計自由度が高いうえに、このようなヒートシンクを簡単に製造することができる。

また、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は、芯材の表面にろう材が貼り合わされた金属部材に、プレス加工によって複数の凹部を形成するとともに、その凹部の加工により前記凹部の周縁部に、前記金属部材の表面が盛り上がってなる隆起部を前記凹部を囲むように形成した後、前記フィン材を前記凹部に一部嵌合させ、前記金属部材にセラミックス基板を有するパワーモジュール用基板をろう材を介して積層した状態で厚さ方向に加圧しつつ加熱することにより、前記金属部材と前記フィン材とをろう付けし、かつ前記金属部材を前記パワーモジュール用基板に接合することを特徴とする。
この場合、ヒートシンクを構成する金属部材とフィン材とのろう付け時に、金属部材とパワーモジュール用基板とを同時に接合することができるので、一度の加熱でヒートシンク付きパワーモジュール用基板を製造することが可能であり、作業効率に優れる。

本発明によれば、金属部材とフィン材とを隙間なく、かつフィレット部の長い接合部によって接合することができるので、冷却性能を向上させることができる。

本発明の実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板の縦断面図である。ヒートシンクの要部拡大図である。ヒートシンクを構成する金属部材を説明する図であり、（ａ）が加工前のクラッド材、（ｂ）が縦断面図、（ｃ）が正面図である。ヒートシンクの製造方法を説明する図である。腐食電位の低い被覆材のクラッド材によるフィン材を用いたヒートシンクの要部拡大図である。フィン材の先端部のみ腐食電位の低い被覆材で形成したヒートシンクの要部拡大図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、この発明により製造されるパワーモジュール１を示している。この図１のパワーモジュール１は、セラミックス等からなるセラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、このパワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４と、パワーモジュール用基板３に接合されたヒートシンク５とから構成される。

パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の両面に金属層６，７が積層されており、その一方の金属層６が回路層となり、その表面に電子部品４が接合される。また、他方の金属層７は放熱層とされ、その表面にヒートシンク５が取り付けられる。

セラミックス基板２は、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成される。
両金属層６，７は、いずれも純度９９．９０質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１Ｎ９０（純度９９．９０質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は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。

セラミックス基板２及び両金属層６，７の平面状の大きさや厚さについての個々の寸法は特に限定されるものではないが、両金属層６，７の一辺が約２５０ｍｍの略正方形に形成され、セラミックス基板２は、両金属層６，７より若干大きい矩形に形成される。また、セラミックス基板２の厚さは例えば６３５μｍ、両金属層６，７の厚さは６００μｍとされる。
また、両金属層６，７は、それぞれプレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板２に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板２に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。

また、セラミックス基板２と回路層及び放熱層となる金属層６，７とは、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材によりろう付けされている。

なお、金属層６と電子部品４との接合には、Ｓｎ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｚｎ−Ａｌ系もしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。図中符号８がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と金属層６の端子部との間は、アルミニウム等からなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。

一方、ヒートシンク５は、金属部材５０に複数のフィン材５５を固着して形成される。
金属部材５０は、フィン材５５を接合する前の状態では、図３に示すように、アルミニウム板の芯材５１の両面にろう材５２を貼り合わせて形成されたクラッド材であり、芯材５１は純度９９質量％（いわゆる２Ｎアルミニウム）以下のアルミニウムにより形成され、例えば、ＪＩＳ規格における３０００系合金のアルミニウムが使用される。また、ろう材５２は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系等が使用される。芯材５１の厚さは例えば９００μｍ、両面のろう材５２の厚さは５０μｍとされ、金属部材５０は厚さ１ｍｍに形成されている。

また、この金属部材５０の片面には、図３に示すように、フィン材５５が固着される複数の凹部５３がプレス加工により形成されており、その凹部５３の周縁部には、プレス時に材料が流動することにより表面が盛り上がって形成される隆起部５４が、凹部５３を囲むように形成されている。
ここで、当該隆起部５４の高さは、フィレット部によるフィン材５５と金属部材５０の接合部を長く形成するために５０μｍ以上が望ましく、また、ろう材が隆起部５４を確実に這い上がるために１５０μｍ以下が望ましい。
フィン材５５は、金属部材５０の凹部５５に嵌合するピン状に形成されており、例えばワイヤ部材を一定の長さに切断することにより、直径１ｍｍ、高さ８〜１０ｍｍに形成され、金属部材５０の表面に３ｍｍ程度のピッチで垂直に固着されている。また、このフィン材５５は、その表面の少なくとも一部が、金属部材５０（芯材５１）よりも腐食電位の低い材料で形成される。図１から図４に示す例では、フィン材５５の全体が金属部材５０より腐食電位が低い材料として、純度９９質量％以下のアルミニウムである７０００系合金によって形成されている。
また、この他に３０００系合金のアルミニウムからなる金属部材５０に対し、金属部材５０より腐食電位が低い材料として、フィン材の少なくとも一部の表面を４０００系合金のアルミニウムで形成することができる。

次に、このように構成したヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、アルミニウム板の芯材５１の両面にろう材５２を貼り合わせて形成されたクラッド材を用意する。このクラッド材にプレス加工により、パンチ９を押圧して複数の凹部５３を形成する。図３（ｂ）に示すように、プレス加工により形成されるこれらの凹部５３の周縁部には、プレス加工時に隆起部５４が形成される。なお、確実に隆起部５４を形成するために、凹部５３に対応した凸部及びその凸部の周縁部に隆起部５４に対応した凹部が形成された上型を用いてコイニング加工を施すことが望ましい。
ここで、ろう材５２は、金属部材５０の表面だけでなく、凹部５３の底面にも配置された状態となっている。

次に、このようにして金属部材５０の片面に設けられた各凹部５３に、図４に示すように、フラックス５６を塗布したフィン材５５を一部嵌合させた状態とするとともに、金属部材５０の反対面に、予めセラミックス基板２の両面に金属層を接合したパワーモジュール用基板３を積層状態に保持する。この保持状態で、これらを厚さ方向に０．５×１０^５〜５×１０^５Ｐａで加圧しつつ、例えば真空中で６１０℃のろう付け温度で数分間加熱することにより、金属部材５０と各フィン材５５とがろう付けされるとともに、金属部材５０とパワーモジュール用基板３の金属層７とがろう付けされる。
この場合、凹部５３にフィン材５５を一部嵌合させて加圧、加熱することにより、凹部５３の底面とフィン材５５との間に介在する溶融したろう材５２が押し出されて、凹部５３とフィン材５５との隙間に流れるとともに、金属部材５０の表面のろう材５２も表面張力によって引き込まれて、その隙間に充填される。さらに、凹部５３の隆起部５４に案内されて、金属部材５０とフィン材５５との接合部でろう材５２がフィン材５５の表面に立ち上がり、図２に示すようなフィレット部５７が形成される。

これにより、金属部材５０とフィン材５５とがろう材５２によって隙間なく接合されるとともに、金属部材５０とフィン材５５との間のフィレット部５７によって、その接合部を長く形成することができるので、金属部材５０とフィン材５５との間の熱抵抗を小さくして、ヒートシンク５の冷却効率を向上させることができる。
また、ヒートシンク５を構成する金属部材５０とフィン材５５とのろう付けと同時に、金属部材５０とパワーモジュール用基板３を構成する金属層７とを同時に接合することができるので、一度の加熱でヒートシンク付きパワーモジュール用基板を製造することが可能であり、作業効率に優れる。
具体的には、芯材５１にろう材５２がクラッドされた金属部材５０の一方の表面にプレス加工によって凹部５３を形成し、その凹部５３にフィン材５５を嵌合する。次に、他の表面に金属層７、Ａｌ−Ｓｉろう箔（図示略）、セラミックス基板２、Ａｌ−Ｓｉろう箔（図示略）、金属層６を順次積層し、この積層体を厚さ方向に０．５×１０^５〜５×１０^５Ｐａで加圧しながら真空中で６００〜６５０℃で約１時間加熱することにより、同時に接合した。

また、上記のヒートシンク５においては、フィン材５５は、金属部材５０よりも腐食電位の低い材料で形成されていることから、フィン材５５を構成する腐食電位の低い材料部分が犠牲的に腐食して、金属部材５０の腐食を抑制することができるとともに、金属部材５０よりも先にフィン材５５が腐食することにより、金属部材５０の孔食を防止して冷却液のパワーモジュール用基板３側への漏洩を防ぐことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、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、フィン材は金属部品の全面に設けてもよいが、パワーモジュール用基板の金属部材の直下に配置される部分のみに設けてもよい。
また、上記実施形態では、金属部品は、芯材の両面にろう材を貼り合わせたクラッド材としていたが、凹部が形成される片面側だけにろう材を貼り合わせたクラッド材を用いてもよく、その場合は、金属部材とパワーモジュール用基板との間にろう材箔を介して接合すればよい。
さらに、フィン材の形状はピン状（棒状）に限定されることはなく、板状の形状にも対応可能である。その場合、図５に示すように、フィン材７０を、金属部材５１と同じ材料の芯材７１（例えば、３０００系合金のアルミニウム）と、芯材７１よりも腐食電位の低い被覆材７２（例えば、７０００系合金のアルミニウム）とのクラッド材により、角柱状又は板状に構成してもよいし、図６に示すように、フィン材８０の先端部のみ腐食電位の低い被覆材８２で形成する構成としてもよい。

また、パワーモジュール用基板を構成するセラミックス基板と金属層との接合は、ろう付けに限らず、拡散接合等によるものであってもよい。
そして、上記の実施形態においては、予めセラミックス基板を有するパワーモジュール用基板及びヒートシンクを別々に形成してから、それぞれを接合していたが、セラミックス基板に金属層を積層した積層体と、その放熱層にヒートシンクを構成する金属部材を積層し、一度の加熱でヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する構成としてもよい。
また、上記実施形態では、パワーモジュール用基板は、セラミックス基板の両面に金属層が積層された構成として説明し、その金属層のうちの放熱層にヒートシンクを取り付ける構成としていたが、放熱層を設けずにセラミックス基板の裏面とヒートシンクとを直接接合してもよい。

１パワーモジュール
２セラミックス基板
３パワーモジュール用基板
４電子部品
５ヒートシンク
６，７金属層
８はんだ接合層
９パンチ
５０金属部材
５１，７１芯材
５２ろう材
５３凹部
５４隆起部
５５，７０，８０フィン材
５６フラックス
５７フィレット部
７２，８２被覆材

Claims

金属部材にプレス加工による複数の凹部が形成されるとともに、その凹部の周縁部に、前記金属部材の表面が盛り上がってなる隆起部が前記凹部を囲むように形成され、前記凹部に一部嵌合したフィン材がろう付けされてなり、前記金属部材と前記フィン材との間のフィレット部が、前記隆起部を含んで形成されていることを特徴とするヒートシンク。
前記フィン材は、その表面の少なくとも一部が、前記金属部材よりも腐食電位の低い材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
請求項１又は２に記載のヒートシンクと、セラミックス基板を有するパワーモジュール用基板とが接合されてい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。
芯材の表面にろう材が貼り合わされた金属部材に、プレス加工によって複数の凹部を形成するとともに、その凹部の加工により前記凹部の周縁部に、前記金属部材の表面が盛り上がってなる隆起部を前記凹部を囲むように形成した後、前記フィン材を前記凹部に一部嵌合させた状態で加圧しつつ加熱することにより、前記金属材料と前記フィン材とをろう付けすることを特徴とするヒートシンクの製造方法。
芯材の表面にろう材が貼り合わされた金属部材に、プレス加工によって複数の凹部を形成するとともに、その凹部の加工により前記凹部の周縁部に、前記金属部材の表面が盛り上がってなる隆起部を前記凹部を囲むように形成した後、前記フィン材を前記凹部に一部嵌合させ、前記金属部材にセラミックス基板を有するパワーモジュール用基板をろう材を介して積層した状態で厚さ方向に加圧しつつ加熱することにより、前記金属部材と前記フィン材とをろう付けし、かつ前記金属部材を前記パワーモジュール用基板に接合す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。