JP2013157524A - Manufacturing method of substrate for power module with heat sink and substrate for power module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、大電流、高電圧を制御するパワーモジュールを構成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およびパワーモジュール用基板に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink and a power module substrate constituting a power module that controls a large current and a high voltage.
従来、大電流、高電圧を制御する半導体装置として、半導体チップ等の電子部品をパワーモジュール用基板上に搭載した構成のパワーモジュールが知られている。パワーモジュールを製造する方法として、例えば、特許文献1および特許文献2に記載された方法が知られている。これらの製造方法では、まずセラミックス基板の一方の面にAl−Si系等のろう材を介して回路層となる金属層を積層し、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して放熱層となる金属層を積層して、これらを積層方向に加圧するとともに加熱し、セラミックス基板と各金属板とを接合し、パワーモジュール用基板を製造する。次いで、放熱層の、セラミックス基板が接合されている面とは反対側の面に、ろう材を介してヒートシンクの天板部を積層し、この積層方向に加圧するとともに加熱して放熱層とヒートシンクとを接合することにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a semiconductor device that controls a large current and a high voltage, a power module having a configuration in which an electronic component such as a semiconductor chip is mounted on a power module substrate is known. As a method for manufacturing a power module, for example, methods described in Patent Document 1 and Patent Document 2 are known. In these manufacturing methods, a metal layer to be a circuit layer is first laminated on one surface of a ceramic substrate via a brazing material such as an Al-Si system, and a heat dissipation layer and a heat dissipation layer are disposed on the other surface of the ceramic substrate via a brazing material. The resulting metal layers are laminated, pressed and heated in the laminating direction, and the ceramic substrate and each metal plate are joined together to produce a power module substrate. Next, the top plate of the heat sink is laminated on the surface of the heat dissipation layer opposite to the surface to which the ceramic substrate is bonded via a brazing material, and the heat dissipation layer and the heat sink are heated by pressing and heating in this laminating direction. Are joined together to produce a power module substrate with a heat sink.
ヒートシンクとパワーモジュール用基板の金属層との間の接合方法としては、ろう付け、はんだ付け、ねじ止め、フラックスを用いたろう付け法などが適用される。特許文献3では、ヒートシンクの天板とパワーモジュール用基板の金属層との接合方法として、フラックスを塗布したろう付法が記載されている。このろう付法は、フッ化物系のフラックスをろう材面に塗布してろう材面の酸化物を除去し、非酸化性雰囲気中で加熱して接合するろう付法であり、高価な設備が不要で、比較的容易に安定したろう付が可能である。 As a joining method between the heat sink and the metal layer of the power module substrate, brazing, soldering, screwing, a brazing method using a flux, or the like is applied. Patent Document 3 describes a brazing method in which a flux is applied as a method of joining the top plate of the heat sink and the metal layer of the power module substrate. This brazing method is a brazing method in which a fluoride-based flux is applied to the brazing material surface to remove the oxide on the brazing material surface, and heated in a non-oxidizing atmosphere for joining. Unnecessary and relatively easy and stable brazing is possible.
しかしながら、パワーモジュールの製造過程において、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとをノコロックろう付する際に、フラックスが金属層の側面を伝ってセラミックス基板と金属層との接合部界面に引き込まれてこの接合部を侵食してしまうと、これにより接合部にクラックが生じ、セラミックス基板と金属層との剥離が生じやすくなるおそれがある。特許文献3では、この課題に対して、アルミ合金(Al−Si等)と反応しない、ホウ素や酸化チタン等で構成された接触防止材をセラミックス基板と金属層との接合端部に塗布することによって、フラックスの侵入も防止できることが提案されている。 However, during the power module manufacturing process, when the metal layer of the power module substrate and the heat sink are Norolock brazed, the flux is drawn along the side surface of the metal layer to the interface between the ceramic substrate and the metal layer. If this joint portion is eroded, cracks may be generated in the joint portion, and the ceramic substrate and the metal layer may be easily peeled off. In Patent Document 3, for this problem, a contact preventive material made of boron, titanium oxide or the like that does not react with an aluminum alloy (Al-Si or the like) is applied to the joining end portion of the ceramic substrate and the metal layer. It is proposed that flux can be prevented from entering.
しかし、特許文献3では、セラミックス基板に金属層をろう付けした後、ヒートシンクの天板と前記金属層をろう付けする前に接触防止材を塗布しているため、接触防止材が外部に露出し、搬送等の取扱いに注意が必要となる。 However, in Patent Document 3, since the contact prevention material is applied after the metal layer is brazed to the ceramic substrate and before the top plate of the heat sink and the metal layer are brazed, the contact prevention material is exposed to the outside. Care must be taken in handling such as transportation.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、フラックスと反応する反応性粉末を金属層の側面に確実に存在させることによって、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく、金属層とヒートシンクとをフラックスを用いてろう付し、接合信頼性の高い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 by causing the reactive powder that reacts with the flux to reliably exist on the side surface of the metal layer, peeling occurs at the joint between the ceramic substrate and the metal layer. An object of the present invention is to provide a power module substrate with a heat sink having a high bonding reliability by brazing the metal layer and the heat sink using a flux.
本発明は、ヒートシンクと、このヒートシンクに接合される金属層がセラミックス基板の表面に接合されてなるパワーモジュール用基板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、前記金属層の基板接合面と前記セラミックス基板とを接合して前記パワーモジュール用基板を形成する一次接合工程と、前記金属層のヒートシンク接合面と前記ヒートシンクとをフラックスを用いたろう付により接合する二次接合工程とを有し、前記二次接合工程の前に、前記フラックスと反応するTiO2,SiO2,MgOのいずれか一種または二種以上を含む反応性粉末を前記金属層の側面に吹き付けて一部を前記金属層に固着させるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法である。 The present invention is a method of manufacturing a power module substrate with a heat sink by bonding a heat sink and a power module substrate in which a metal layer bonded to the heat sink is bonded to the surface of the ceramic substrate, A primary bonding step of bonding the substrate bonding surface of the layer and the ceramic substrate to form the power module substrate; and secondary bonding for bonding the heat sink bonding surface of the metal layer and the heat sink by brazing using a flux. A reactive powder containing any one or more of TiO 2 , SiO 2 , and MgO that reacts with the flux is sprayed on the side surface of the metal layer before the secondary bonding step. It is a manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink which adheres a part to the said metal layer.
この製造方法によれば、二次接合工程において、金属層の側面に固着した反応性粉末とフラックスとを反応させて不活性化できるので、一次接合工程で接合されたセラミックス基板と金属層との接合部にフラックスが侵食して剥離を生じさせるのを防止することができる。また、反応性粉末は、金属層の側面に吹き付けることにより一部が金属層に食い込み、強固に固着するので、二次接合工程前の取り扱い時に金属層から脱落しにくく、二次接合工程の際に確実にフラックスと反応させることができる。 According to this manufacturing method, in the secondary bonding step, the reactive powder adhered to the side surface of the metal layer and the flux can be reacted to be inactivated, so that the ceramic substrate and the metal layer bonded in the primary bonding step can be deactivated. It is possible to prevent the flux from eroding at the joint and causing separation. In addition, the reactive powder is partially blown into the metal layer by spraying on the side surface of the metal layer and firmly fixed. Therefore, it is difficult for the reactive powder to fall off the metal layer during handling before the secondary bonding process. Can reliably react with the flux.
この製造方法において、前記一次接合工程をろう付けによって行うことが望ましい。ろう付けによって、既存の設備を利用することができ、簡便かつ強固にセラミックス基板と金属層を接合することができる。 In this manufacturing method, it is desirable to perform the primary joining step by brazing. The existing equipment can be used by brazing, and the ceramic substrate and the metal layer can be joined easily and firmly.
この製造方法において、前記金属層の前記ヒートシンク接合面に複数の溝を形成しておき、前記反応性粉末は少なくとも前記溝の開口部が設けられた前記側面に固着させることが好ましい。溝を形成することにより、ヒートシンク接合面とヒートシンクとの間から円滑にフラックスガスを排出できるので、金属層とヒートシンクとを接合する際のボイド等の発生を防止できる。また、溝によってフラックスの排出方向を誘導できるので、少なくとも溝の開口部が設けられた側面に反応性粉末を固着させておけばよく、反応性粉末の使用量を節減しても効果的にフラックスを不活性化することができる。 In this manufacturing method, it is preferable that a plurality of grooves are formed on the heat sink joint surface of the metal layer, and the reactive powder is fixed to at least the side surface provided with the opening of the groove. By forming the groove, the flux gas can be smoothly discharged from between the heat sink joint surface and the heat sink, so that generation of voids or the like when the metal layer and the heat sink are joined can be prevented. In addition, since the discharge direction of the flux can be guided by the groove, it is sufficient to fix the reactive powder to at least the side surface provided with the opening of the groove, and the flux can be effectively reduced even if the usage amount of the reactive powder is reduced. Can be inactivated.
また、本発明は、ヒートシンクに接合される金属層がセラミックス基板の表面に接合されてなるパワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンクと接合される前記金属層の側面に、フラックスと反応するTiO2,SiO2,MgOのいずれか一種または二種以上を含む反応性粉末が一部食い込む状態で固着されている。 Further, the present invention is a power module substrate in which a metal layer bonded to a heat sink is bonded to the surface of a ceramic substrate, and TiO 2 reacts with a flux on a side surface of the metal layer bonded to the heat sink. , SiO 2 , MgO, and one or more reactive powders containing two or more of them are fixed in a state where they partially bite.
このパワーモジュール用基板によれば、金属層の側面に固着させた反応性粉末がフラックスと反応するので、フラックスを用いたろう付によりヒートシンクを接合する際に、この反応性粉末と反応することによりフラックスが不活性化され、金属層とセラミックス基板との接合部の剥離を防止できる。 According to this power module substrate, the reactive powder fixed to the side surface of the metal layer reacts with the flux. Therefore, when the heat sink is joined by brazing using the flux, the reactive powder reacts with the reactive powder. Is deactivated, and peeling of the joint between the metal layer and the ceramic substrate can be prevented.
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およびパワーモジュール用基板によれば、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にフラックスを含有するろう付法を適用しても、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせず、接合信頼性の高い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 and the power module substrate of the present invention, a ceramic substrate and a metal can be used even when a brazing method containing a flux is applied when the heat sink and the power module substrate are bonded. It is possible to provide a power module substrate with a heat sink having high bonding reliability without causing peeling at a bonding portion with a layer.
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は、本発明に係るパワーモジュール用基板10を用いたパワーモジュール100を示している。このパワーモジュール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の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品20と、この電子部品20とは反対面で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。なお、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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a
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、その表面にヒートシンク30が取り付けられる。
The
セラミックス基板11は、例えば、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、その厚さは例えば635μmである。
The
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。また、JIS A3003,A6063などのアルミニウム合金を用いることもできる。金属層12,13は、例えば一辺が30mmの四角形平板状に設けられている。
Aluminum having a purity of 99% by mass or more is used for the
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。例えば、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
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
放熱層となる金属層13の表面(ヒートシンク接合面)13aには、複数本の溝14が相互に平行に形成されている。これら溝14は、図2に示すように、平面視矩形の金属層13の一方の側縁から他方の側縁にかけて平行に形成されている。溝14は、例えばピッチ1.0〜5.0mm、深さ0.3〜0.6mmで、横断面がV字状やU字状となっている。
A plurality of
ヒートシンク30は、その形状等は特に限定されないが、熱伝導が良好な材質、例えばA6000台のアルミニウム合金により形成され、冷却媒体(例えば冷却水)を流通させるための複数の流路30aが形成されている。このヒートシンク30とパワーモジュール用基板10の放熱層となる金属層13とはろう付けにより接合され、ろう材としては、Al−Si系、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系またはAl−Mn系等の合金が用いられる。
The shape of the
なお、回路層となる金属層12と電子部品20との接合には、Sn−Ag−Cu系,Sn−Cu系、Sn−Ag系、Sn−Sb系、Zn−Al系もしくはPb−Sn系等のはんだ材が用いられる。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, in joining of the
このパワーモジュール用基板10は、セラミックス基板11と各金属層12,13を接合することにより形成される。具体的には、まず、金属層12,13を、シート材からプレス加工により形成する。この場合、回路層となる金属層12は単にシート材から打ち抜くことにより形成される。一方、放熱層となる金属層13は、シート材に複数の溝14を形成した後に打ち抜き加工される。溝14は、シート材の金属層13となる領域をカバーする範囲にパンチを押圧することにより形成される。
The
次に、この金属層13の側面13cに、フラックスと反応するTiO2,SiO2,MgOのいずれか一種または二種以上を含む反応性粉末Pを吹き付けて固着させる(図2)。反応性粉末Pは、例えば酸化チタン(TiO2)を用いる場合、平均粒径50〜100μmの粉末を、側面13cにおいて2〜6kgf/cm2の投射速度で、4〜40mg/mm2の密度で固着するように吹き付ける(固着工程)。反応性粉末Pの形状としては、針状、柱状、球状等を採用することができる。反応性粉末Pを付着させる幅は、金属層13の厚さ方向に対して基板接合面13bに近い部分の少なくとも約1mm、もしくは厚さ方向の幅全体とする。
Next, a reactive powder P containing one or more of TiO 2 , SiO 2 , and MgO that reacts with the flux is sprayed and fixed to the
反応性粉末Pは、高速で吹き付けられて側面13cに衝突する際に、金属層13にめり込みながら固着するので、その後の各ろう付工程等の取扱いの際にも金属層13から脱落しにくい。この反応性粉末Pがフラックスと反応することにより、フラックスを不活性化し、粘度を上げることができる。
When the reactive powder P is sprayed at a high speed and collides with the
なお、反応性粉末Pの脱落を防止するとともにフラックスの濡れ広がりを抑えるために、金属層13の側面13cの表面粗さは、反応性粉末Pの吹き付け前の状態で0.2〜0.5μm Ra(算術平均粗さ)としておくことが好ましい。なお、反応性粉末Pは、側面13cの各面に固着させてもよいが、側面13cのうち溝14の開口部が形成された二面のみに付着させて、反応性粉末Pの使用量を節減してもよい。
In order to prevent the reactive powder P from falling off and to suppress the spreading of the flux, the surface roughness of the
次に、溝14を形成した金属層13の溝14が形成されていない表面(基板接合面)13bにろう材を介してセラミックス基板11を積層し、このセラミックス基板11の上にろう材を介して他方の金属層12を積層し、これら積層したセラミックス基板11および各金属層12,13を厚さ方向に加圧しながら真空雰囲気中で加熱することによりろう付けする(一次接合工程)。
Next, the
より具体的には、図3に示すように、セラミックス基板11および両金属層12,13からなるユニットを多数組積層するとともに、各ユニットの間にカーボン板、グラファイト板等からなるクッション層23を配置し、これらを積層状態で加圧、加熱する。この時の加圧力は0.1〜2.5MPa、加熱温度は630〜655℃、加熱時間は1〜60分とする。このろう付け工程において、セラミックス基板11と金属層12,13との間のろう材が溶融して両者を固着することにより、パワーモジュール用基板10が形成される。
More specifically, as shown in FIG. 3, a large number of units composed of the
この実施形態では、一次接合工程において、セラミックス基板11と金属層13との間から余剰のろう材Sが漏れ出し、金属層13の側面13cに付着する。この場合、図4に示すように、側面13cに食い込んでいる反応性粉末Pをろう材Sが覆うことになる。これにより、反応性粉末Pを側面13cに確実に留めることができる。
なお、一次接合工程後、二次接合工程前に反応性粒子Pの固着工程を行ってもよい。この場合、ろう材Sの表面から反応性粒子Pが側面13cに食い込むことになる。
In this embodiment, excess brazing material S leaks from between the
In addition, you may perform the adhering process of the reactive particle P after a primary joining process and before a secondary joining process. In this case, the reactive particles P bite into the
次に、反応性粉末Pが側面13cに固着している金属層13とヒートシンク30とをノコロックろう付け法により接合して、パワーモジュール用基板10とヒートシンク30とを接合する(二次接合工程)。ノコロックろう付け法は、ろう材面に金属表面の酸化物を除去するフッ化物系フラックスを塗布して、非酸化性雰囲気(例えばN2雰囲気)中で600〜615℃に加熱して、ろう付けする方法である。
Next, the
フラックスには、KAlF4、K2AlF5、K3AlF6等が用いられる。金属層13とヒートシンク30とを接合するろう材は、例えばAi−Si系合金が用いられ、ヒートシンク30の表面に予めクラッドされているか、ろう材箔の形態でヒートシンク30に重ねることにより供給される。
As the flux, KAlF 4 , K 2 AlF 5 , K 3 AlF 6 or the like is used. The brazing material that joins the
この二次接合工程において、フラックスが金属層13の側面13cを這い上がって金属層13とセラミックス基板11との接合部を侵食すると、接合部にクラックが生じ、剥離が生じやすくなるおそれがある。しかしながら、側面13cに反応性粉末Pが固着されていることにより、フラックスは側面13cに付着しても反応性粉末Pと反応することにより不活性化される。これによりセラミックス基板11と金属層13との接合部の中央部にフラックスが侵食して剥離を生じさせるのを防止することができる。
In this secondary bonding step, if the flux crawls up the
また、ヒートシンク30と接合される金属層13のヒートシンク接合面13aに複数の溝14が形成されていることにより、ろう付け時のフラックスの蒸発ガスは各溝14を通って、ヒートシンク30と金属層13との間から外部に円滑に放出される。したがって、フラックスガスは金属層13とヒートシンク30との間に滞留することが抑制され、ろう付け後にボイドとして残存することが防止される。また、溝14によってフラックスが誘導されるので、溝14の開口部が設けられた側面13cに付着した反応性粉末Pによってフラックスを効率よく不活性化することができる。
Further, since the plurality of
以上説明したように、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、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にフラックスを含有するろう付法を適用しても、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせず、接合信頼性の高い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。また、反応性粉末を金属層に食い込ませ、さらにろう材により覆うことにより反応性粉末が金属層に保持されるので、一次接合工程から二次接合工程の間での取り扱い中に反応性粉末が金属層の側面から脱落するのを防止することができる。 As described above, according to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention, even if a brazing method containing a flux is applied when joining the heat sink and the power module substrate, It is possible to provide a power module substrate with a heat sink having high bonding reliability without causing peeling at the bonding portion with the metal layer. In addition, since the reactive powder is bitten into the metal layer and further covered with the brazing material, the reactive powder is held in the metal layer, so that the reactive powder is handled during handling between the primary joining process and the secondary joining process. It can prevent falling off from the side surface of the metal layer.
また、金属層に溝を形成することにより、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に、フラックスを溝に沿って流動させて速やかに接合部の外方に逃がすことができるので、接合部のボイドの発生を抑制して、接合信頼性を向上させることができる。さらに、溝によりフラックスを誘導して効率よく不活性化できるので、反応性粉末の使用量を節減することができる。 In addition, by forming a groove in the metal layer, when joining the heat sink and the power module substrate, the flux can flow along the groove and quickly escape to the outside of the joint. The generation of voids can be suppressed and the bonding reliability can be improved. Furthermore, since the flux can be induced by the grooves and efficiently inactivated, the amount of the reactive powder used can be reduced.
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、前記実施形態では、反応性粉末を一次接合工程前の金属層に付着させたが、二次接合工程時のフラックスと反応性粉末とを反応させることができればよいので、一次接合工程後の金属層に反応性粉末を付着させてもよい。 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, in the above-described embodiment, the reactive powder is attached to the metal layer before the primary bonding process, but it is sufficient that the flux at the secondary bonding process and the reactive powder can be reacted. Reactive powder may be attached to the metal layer.
本発明の効果の確認実験を行った。本実施例では、セラミックス基板として32mm×32mm、厚さ0.635mmのAlN板、回路層として30mm×30mm、厚さ0.6mmのアルミニウム材(1N99)、金属層として28mm×28mm、厚さ1.5mmのアルミニウム材(1N99)を用いた。
予め、表1に示す平均粒径の反応性粉末を金属層の側面に4kgf/cm2の投射速度で、2mg/mm2の密度で固着する。
An experiment for confirming the effect of the present invention was conducted. In this example, the ceramic substrate was 32 mm × 32 mm and an AlN plate having a thickness of 0.635 mm, the circuit layer was 30 mm × 30 mm, the aluminum material having a thickness of 0.6 mm (1N99), the metal layer was 28 mm × 28 mm, and the thickness was 1 A 5 mm aluminum material (1N99) was used.
In advance, a reactive powder having an average particle size shown in Table 1 is fixed to the side surface of the metal layer at a projection rate of 4 kgf / cm 2 and a density of 2 mg / mm 2 .
次に、一次接合工程として、セラミックス板の両面に厚さ15μmのAl−7.5wt%Siろう材を用いて回路層および金属層をろう付けしてパワーモジュール用基板を製出した。ろう付け条件は、真空中で640℃、加圧力0.49MPa(5kgf/cm2)で行った。 Next, as a primary bonding step, a power module substrate was produced by brazing the circuit layer and the metal layer using a 15 μm thick Al-7.5 wt% Si brazing material on both surfaces of the ceramic plate. The brazing conditions were 640 ° C. and a pressure of 0.49 MPa (5 kgf / cm 2 ) in vacuum.
その後、二次接合工程として、上記パワーモジュール用基板の金属層をノコロックフラックス(森田化学製FL−7)とAl−Siろう材を用いて窒素雰囲気中でノコロックろう付法により50mm×50mm、厚さ5mmのヒートシンクに接合し、実施例1〜6とした。これに対して、実施例7は、一次接合工程後に表1に示す反応性粉末Pを実施例1〜6と同じ条件で金属層の側面に固着した。 Thereafter, as a secondary bonding step, the metal layer of the power module substrate is 50 mm × 50 mm by a Nocolok brazing method in a nitrogen atmosphere using Nocolok flux (FL-7 manufactured by Morita Chemical) and an Al—Si brazing material. It joined to the heat sink of thickness 5mm, and was set as Examples 1-6. On the other hand, Example 7 fixed the reactive powder P shown in Table 1 on the side surface of the metal layer under the same conditions as in Examples 1 to 6 after the primary bonding step.
また、比較例1として、ボロンナイトライド(BN)を実施例1〜6と同じ条件で金属層の側面に固着した。その後、一次接合工程および二次接合工程を行ってヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出した。さらに、従来例1として、金属層の側面に反応性粉末Pを固着しない状態で一次接合工程および二次接合工程を行ってヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出した。ここで、比較例および従来例の一次ろう付および二次ろう付条件は、実施例1〜6と同一とした。 As Comparative Example 1, boron nitride (BN) was fixed to the side surface of the metal layer under the same conditions as in Examples 1-6. Then, the board | substrate for power modules with a heat sink was produced by performing the primary joining process and the secondary joining process. Further, as Conventional Example 1, a power module substrate with a heat sink was manufactured by performing a primary bonding step and a secondary bonding step in a state where the reactive powder P was not fixed to the side surface of the metal layer. Here, the primary brazing and secondary brazing conditions of the comparative example and the conventional example were the same as those in Examples 1-6.
これらの実施例1〜7、比較例1および従来例1の条件で製造したヒートシンク付パワーモジュールを各々4個準備し、冷熱サイクル試験(−40℃〜125℃×3000サイクル)前後にセラミックス基板と放熱層とのAlN/Al界面の初期接合率および冷熱サイクル試験後の接合率を評価した。これらの平均初期接合率および冷熱サイクル試験後の平均接合率を表1に示す。 Four power modules with heat sinks manufactured under the conditions of Examples 1 to 7, Comparative Example 1 and Conventional Example 1 were prepared, and before and after the thermal cycle test (−40 ° C. to 125 ° C. × 3000 cycles) The initial joining rate of the AlN / Al interface with the heat dissipation layer and the joining rate after the thermal cycle test were evaluated. Table 1 shows the average initial bonding rate and the average bonding rate after the thermal cycle test.
なお、接合率は、超音波探傷装置を用いて接合部を評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち放熱層の金属層面積とした。また、超音波探傷像において、剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
接合率=(初期接合面積−剥離面積)/初期接合面積
In addition, the joining rate evaluated the joining part using the ultrasonic flaw detector, and computed it from the following formula | equation. Here, the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the metal layer area of the heat dissipation layer. Further, in the ultrasonic flaw detection image, since peeling is indicated by a white portion in the joint portion, the area of the white portion is defined as a peeling area.
Bonding rate = (initial bonding area−peeling area) / initial bonding area
表1が示すとおり、金属層の側面にTiO2,SiO2,MgOのいずれか一種または二種以上を含む反応性粉末を塗布した実施例1〜5においては、初期接合率および冷熱サイクル試験後の接合率ともに良好な結果が得られた。
一方、ボロンナイトライドを固着した比較例1では、初期接合率および冷熱サイクル試験後の接合率はともに実施例1−7より劣る結果となった。
また、反応性粉末をまったく塗布しなかった従来例1でも、初期接合率および冷熱サイクル試験後の接合率はともに実施例1−7より劣る結果となった。
As shown in Table 1, in Examples 1 to 5 in which a reactive powder containing one or more of TiO 2 , SiO 2 , and MgO was applied to the side surface of the metal layer, after the initial joining rate and the thermal cycle test Good results were obtained for both the joining ratios.
On the other hand, in Comparative Example 1 in which boron nitride was fixed, both the initial bonding rate and the bonding rate after the thermal cycle test were inferior to those of Example 1-7.
Further, even in Conventional Example 1 in which no reactive powder was applied, both the initial bonding rate and the bonding rate after the thermal cycle test were inferior to those of Example 1-7.
10 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
12 金属層
13 金属層
13a ヒートシンク接合面
13b 基板接合面
13c 側面
14 溝
20 電子部品
21 はんだ接合層
22 ボンディングワイヤ
23 クッション層
30 ヒートシンク
30a 流路
100 パワーモジュール
P 反応性粉末
S ろう材
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記金属層の基板接合面と前記セラミックス基板とを接合して前記パワーモジュール用基板を形成する一次接合工程と、
前記金属層のヒートシンク接合面と前記ヒートシンクとをフラックスを用いたろう付により接合する二次接合工程とを有し、
前記二次接合工程の前に、前記フラックスと反応するTiO2,SiO2,MgOのいずれか一種または二種以上を含む反応性粉末を前記金属層の側面に吹き付けて一部を前記金属層に固着させ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 heat sink and a power module substrate in which a metal layer bonded to the heat sink is bonded to the surface of a ceramic substrate,
A primary bonding step of bonding the substrate bonding surface of the metal layer and the ceramic substrate to form the power module substrate;
A secondary joining step of joining the heat sink joining surface of the metal layer and the heat sink by brazing using a flux;
Prior to the secondary bonding step, a reactive powder containing one or more of TiO 2 , SiO 2 , and MgO that reacts with the flux is sprayed on the side surface of the metal layer, and a part thereof is applied to the metal layer. Method of manufacturing power module substrate with heat sink, characterized by adhering
前記反応性粉末は少なくとも前記溝の開口部が設けられた前記側面に固着させることを特徴とする請求項1または2に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 A plurality of grooves are formed in the heat sink joint surface of the metal layer,
The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to claim 1 or 2, wherein the reactive powder is fixed to at least the side surface provided with the opening of the groove.
前記ヒートシンクと接合される前記金属層の側面に、フラックスと反応するTiO2,SiO2,MgO等の反応性粉末が一部食い込む状態で固着されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。 A power module substrate in which a metal layer bonded to a heat sink is bonded to the surface of a ceramic substrate,
A substrate for a power module, characterized in that a reactive powder such as TiO 2 , SiO 2 , or MgO that reacts with a flux is fixed to a side surface of the metal layer to be bonded to the heat sink in a state of partially biting.
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