JP2013211288A

JP2013211288A - ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法

Info

Publication number: JP2013211288A
Application number: JP2012078574A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Nagatomo; 義幸長友; Toshiyuki Nagase; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-10

Abstract

【課題】ヒートシンク付パワーモジュール用基板において、ヒートシンクを薄肉化した場合であっても、放熱フィンの作製時にヒートシンクに反りやうねり等の変形が発生することを抑制可能な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】絶縁層１２の一方の面に回路層１３が配設されたパワーモジュール用基板３と、放熱フィン１６を有するヒートシンク１１と、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板２の製造方法であって、パワーモジュール用基板３の他方の面側に金属板を接合した後に、前記放熱フィン１６を前記金属板の表面に機械加工を用いて起立成形することにより、前記放熱フィン１６を有する前記ヒートシンク１１を形成することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と前記絶縁層の他方の面側にヒートシンクとを備え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関するものである。

各種の半導体素子のうちでも、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子（電子部品）は、従来の半導体素子と比べて発熱量が多い。このパワー素子を搭載するパワーモジュール用基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板（絶縁層）の一方の面及び他方の面に、導電性の優れた金属板を、回路層及び金属層として接合されたパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。

そして、このようなパワーモジュール用基板は、その回路層の表面には、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載される。また、金属層の表面には、熱伝導性に優れたアルミニウム等からなるヒートシンクを接合し、放熱させる構造とされている。
最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、電子部品からの発熱量が従来よりも増加する傾向にあり、電子部品の熱を十分に放熱することが求められている。この熱を放熱するために、例えば、特許文献１では、パワーモジュール用基板の下方に、放熱フィンを備えたヒートシンクが設けられ、このパワーモジュール用基板とヒートシンクとがネジ留めによって接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。

特開２００４−２８８８２８号公報

ところで、従来のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、予め金属板の表面を機械加工することによって放熱フィンを有するヒートシンクを形成し、このヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合することで作製される。このヒートシンク付パワーモジュール用基板をパワーモジュールとして使用した場合には、熱サイクルが負荷され、熱サイクルに応じて絶縁層及びヒートシンクが膨張と収縮を繰り返すこととなる。このとき、絶縁層とヒートシンクとの熱膨張係数の差に起因して、絶縁層には熱応力が生じ、割れが発生することがある。この絶縁層に生じる熱応力を低減して絶縁層に発生する割れを抑制するために、できるだけヒートシンクを薄肉化して剛性を低くすることが求められている。

しかしながら、ヒートシンクを薄肉化すると、ヒートシンクの剛性が低下するため、放熱フィンを加工する際にヒートシンクに反りやうねり等の変形が生じるおそれがある。このような変形が生じると、ヒートシンクを金属層と接合した際に、ヒートシンクと金属層の接合部に隙間が生じるため、パワーモジュールとして使用した場合に、熱の伝達が空気を介することとなり、ヒートシンクと金属層との接合部において熱抵抗が大きくなる問題がある。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、ヒートシンク付パワーモジュール用基板において、ヒートシンクを薄肉化した場合であっても、放熱フィンの作製時にヒートシンクに反りやうねり等の変形が発生することを抑制可能な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ことを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、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は、絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、放熱フィンを有するヒートシンクと、を備えた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って、パワーモジュール用基板の他方の面側に金属板を接合した後に、前記放熱フィンを前記金属板の表面に機械加工を用いて起立成形することにより、前記放熱フィンを有する前記ヒートシンクを形成することを特徴としている。

こ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、パワーモジュール用基板の他方の面側に金属板を接合した後に、放熱フィンを金属板の表面に機械加工を用いて起立成形することにより、放熱フィンを有するヒートシンクを形成する。こうすることによって、金属板がパワーモジュール用基板に支持されるため、パワーモジュール用基板と金属板が一体となり全体の剛性が上昇するので、機械加工を用いて放熱フィンを起立成形する際に、ヒートシンクに反りやうねり等の変形が発生することを抑制することができる。
また、金属板の表面を機械加工により放熱フィンを形成する時点でパワーモジュール用基板と金属板が一体となり剛性が上昇する分、ヒートシンクを薄肉化することができるので、低コストでヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することが可能である。
さらに、このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板をパワーモジュールに適用した場合には、ヒートシンクを薄肉化してヒートシンクの剛性を低くできるので、熱サイクルが負荷された場合であっても絶縁層に割れが発生することを抑制することが可能となる。

また、前記絶縁層の他方の面に金属層の一方の面を接合し、前記金属層の他方の面側に前記金属板を接合した後に、前記放熱フィンを有する前記ヒートシンクを形成しても良い。
このような構成によれば、絶縁層とヒートシンクとの間に金属層を介在させることによって、熱サイクルが負荷された場合に、絶縁層に割れが生じることを抑制することが可能となる。

本発明によれば、ヒートシンク付パワーモジュール用基板において、ヒートシンクを薄肉化した場合であっても、放熱フィンの作製時にヒートシンクに反りやうねり等の変形が発生することを抑制可能な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ことができる。

本発明の実施形態に係るパワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の概略説明図である。一実施形態に係るパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。一実施形態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の概略説明図である。一実施形態に係るヒートシンクの作製方法の概略説明図である。絶縁層とヒートシンクとが接合されている場合のヒートシンク付パワーモジュール用基板の概略説明図である。

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
まず、本発明の第一の実施形態に係るパワーモジュール１について説明する。このパワーモジュール１は、図１で示すように、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２と、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２に接合された半導体素子１０（電子部品）と、を備えている。

ヒートシンク付パワーモジュール用基板２は、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に接合されたヒートシンク１１と、を備えている。
そして、パワーモジュール用基板３は、絶縁層１２と、絶縁層１２の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１３と、絶縁層１２の他方の面（図１において下面）に接合された金属層１４と、を備えている。

絶縁層１２は、回路層１３と金属層１４との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、絶縁層１２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。

回路層１３は、絶縁層１２の一方の面に、導電性を有する金属板が接合されることにより、形成されている。本実施形態においては、回路層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が、絶縁層１２に接合されることにより形成されている。

金属層１４は、絶縁層１２の他方の面に、金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１４は、回路層１３と同様に、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が、絶縁層１２に接合されることにより形成されている。

ヒートシンク１１は、天板１５と天板１５の下方に向けて垂設された放熱フィン１６とを有しており、金属層１４の絶縁層１２が接合されていない側の面に、天板１５が接合されている。このヒートシンク１１は、半導体素子１０からヒートシンク付パワーモジュール用基板２側へと伝熱された熱を放熱し、半導体素子１０を冷却するためのものである。

ヒートシンク１１は、一方の面が金属層１４と接合された金属板で形成され、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
本実施形態において、天板１５の厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下が好ましいとされている。特に好ましい範囲として、０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下とされている。

放熱フィン１６は、天板１５の面（図１において下面）から突出しており、天板１５と同種の金属で構成されている。この放熱フィン１６は、放熱面積を大きくし、冷却効率を向上させるために設けられるものである。
本実施形態においては、放熱フィン１６の高さは３ｍｍ以上１０ｍｍ以下、間隔は０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下とされている。放熱フィン１６は、板形状をしており、天板１５の面から下方向に延在し、その途中で屈曲してさらに斜め下方へと延在している。

半導体素子１０は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。本実施形態では、ＩＧＢＴ素子とされている。この半導体素子１０に電流が流れると半導体素子１０自体が発熱する。また、このパワーモジュール１は、エンジンルーム等の高温環境下で使用されることがある。ここで、半導体素子１０の使用温度が所定の温度を超えた場合、性能が落ちたり、破損したりすることがある。このため、半導体素子１０の機能を十分に発揮させるには、十分な放熱を行い、適正な温度で動作させる必要がある。
本実施形態においては、半導体素子１０とヒートシンク付パワーモジュール用基板２は、はんだ１７を介して接合されている。

次に、本実施形態であるパワーモジュール１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２、パワーモジュール用基板３の製造方法について、図２に示すフロー図を参照して説明する。
まず、回路層１３となるアルミニウム板２３及び金属層１４となるアルミニウム板２４と、ヒートシンク１１となるアルミニウム合金板２１（金属板）を準備する。なお、本実施形態において、このヒートシンク１１となるアルミニウム合金板２１（金属板）の厚さは２ｍｍとされている。

次に、回路層１３、金属層１４となるアルミニウム板２３、２４を、図３で示すように、絶縁層１２の一方の面及び他方の面にそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、アルミニウム板２３、２４と絶縁層１２とを接合する（金属層及び回路層接合工程Ｓ１１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板３が製造される。

次に、金属層１４の絶縁層１２と接合されていない側の面に、図４で示すように、ヒートシンク１１となるアルミニウム合金板２１（金属板）の一方の面を対向配置し、ろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、金属層１４とアルミニウム合金板２１（金属板）とを接合する（金属板接合工程Ｓ１２）。

そして、アルミニウム合金板２１（金属板）の他方の面には、切り出し加工やロール加工等の機械加工を用いて図１で示した放熱フィン１６を起立成形することにより、放熱フィン１６を有するヒートシンク１１を形成する（ヒートシンク形成工程Ｓ１３）。本実施形態では、切り出し加工（機械加工）を用いており、図５で示すように、アルミニウム合金板２１（金属板）の面に対して斜め方向（図５の矢印方向）に刃３０を、アルミニウム合金板２１（金属板）の厚さ（図５において厚さｔ１）が１ｍｍになる位置まで侵入させ、切り出した面をアルミニウム合金板２１（金属板）の面に対して垂直方向に掘り起こして起立成形させ、カールした板形状の放熱フィン１６と天板１５とを有するヒートシンク１１を形成した。
なお、ロール加工を用いる場合には、凹凸を有する刃を備えたロールをアルミニウム合金板２１（金属板）の他方の面に押付け、放熱フィン１６を起立成形させて形成すれば良い。
こうして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板２が製造される。

さらに、回路層１３の表面に、はんだを介して半導体素子１０を接合する。このはんだ付けの温度は、２５０℃以上３５０℃以下に設定されている（半導体素子接合工程Ｓ１４）。このようにして、本実施形態であるパワーモジュール１が製造される。

次に、このパワーモジュール１の熱の流れを説明する。半導体素子１０から発生した熱は、パワーモジュール用基板３側へと伝熱され、さらにヒートシンク１１へと熱が伝熱されることとなる。そして、放熱フィン１６を通じて熱が放熱される。

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール１及びヒートシンク付パワーモジュール用基板２の製造方法によれば、絶縁層１２と接合された金属層１４の他方の面側にアルミニウム合金板２１（金属板）を接合した後に、放熱フィン１６を有するヒートシンク１１を形成する。こうすることによって、パワーモジュール用基板３にアルミニウム合金板２１（金属板）が支持されてパワーモジュール用基板３とアルミニウム合金板２１（金属板）とが一体となり、全体としての剛性を上昇させることができる。そして、剛性が上昇するので、放熱フィン１６を機械加工によって形成する際に、ヒートシンク１１に生じる反りやうねり等の変形の発生を抑制することができる。

また、アルミニウム合金板２１（金属板）の表面を機械加工により放熱フィン１６を形成する際に、パワーモジュール用基板３とアルミニウム合金板２１（金属板）とが一体となり全体の剛性が上昇する分、天板１５を薄肉化することができるので、低コストでヒートシンク付パワーモジュール用基板２を製造することができる。

また、天板１５に反りやうねり等の変形が生じることが抑制されるので、金属層１４と天板１５との間に隙間が生じ難くなり、金属層１４とヒートシンク１１の接合部における熱抵抗を低下させることができる。

また、金属層１４の他方の面にアルミニウム合金板２１をろう付けしてアルミニウム金属板２１（金属板）を接合した後に、放熱フィン１６を形成するので、予め放熱フィンを有するヒートシンクを金属層に接合する場合と異なり、放熱フィンが変形したり、破壊されたりすることをなくすことができる。

また、回路層１３、金属層１４をろう付けし、さらに金属層１４の他方の面にアルミニウム合金板２１（金属板）をろう付けした後に、放熱フィン１６を形成するので、ろう付けの際の押圧によって放熱フィン１６が変形したり、破壊されたりすることをなくすことができる。

また、本実施形態においては、切り出し加工によって放熱フィン１６を形成し、天板１５を薄肉化することができるので、低コストでヒートシンク付パワーモジュール用基板２を製造することが可能である。

また、本実施形態においては、天板１５の好ましい厚さが０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下とされているので、天板１５が十分に薄く、剛性を低減することができる。
パワーモジュール１に熱サイクルが負荷される場合、熱サイクルに応じて絶縁層１２及びヒートシンク１１が膨張と収縮を繰り返すこととなる。この際に、絶縁層１２とヒートシンク１１の熱膨張係数の差に起因して、絶縁層１２には熱応力が生じ、絶縁層１２が割れる場合があるが、天板１５の厚みを上記の範囲に設定することによって天板１５の剛性を低減し絶縁層１２の割れを確実に抑制することが可能となる。天板１５の厚さが１ｍｍを超える場合には、天板１５の剛性の低減効果が得られないことがあり、０．１ｍｍ未満の場合には放熱フィン１６を形成することが困難であるため上記の範囲に設定されている。

また、本実施形態においては、天板１５の好ましい高さが、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下、間隔が０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下の放熱フィン１６を形成する構成とされているので、確実に放熱フィン１６を形成することができる。そして、このような放熱フィン１６を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板２をパワーモジュール１に適用した場合に、熱を十分に放熱することが可能である。

放熱フィン１６の高さが１０ｍｍを超える場合には、切り出し加工（機械加工）により放熱フィン１６を形成することが困難であり、３ｍｍ未満の場合には、パワーモジュール１に適用した場合に放熱性が不十分とされることがあるため、上記の範囲に設定されている。
また、放熱フィン１６の間隔が、２ｍｍを超える場合には、パワーモジュール１に適用した場合に放熱性が不十分とされることがあり、０．３ｍｍ未満の場合には、放熱フィン１６の製造が困難となるため、上記の範囲に設定されている。

また、本実施形態であるパワーモジュール用基板３によれば、天板１５が薄肉化されており剛性が低くなっているので、パワーモジュール１として使用した場合に熱サイクルを負荷されても、絶縁層１２とヒートシンク１１の熱膨張係数の差に起因して生じる熱応力が低く、絶縁層１２が割れることを抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

なお、本実施形態では、金属層１４とヒートシンク１１となるアルミニウム合金板２１を接合する構成について説明したが、図６で示すように、金属層を絶縁層１２に接合せず、絶縁層１２とヒートシンク１１１となるアルミニウム合金板を直接接合しても良い。このような場合においても、天板１１５が薄く剛性が低いので、パワーモジュールとして用いた際にも絶縁層１２に割れが発生することを抑制することができる。また、金属層をろう付けしないのでコストを低減できる。この金属層が接合されない場合において、放熱フィン１１６形成後の天板１１５の厚さは、０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下とされている。

また、本実施形態では、ヒートシンクはＡ６０６３（アルミニウム合金）で構成される場合について説明したが、他のアルミニウム合金や純アルミニウム、純銅、銅合金などの熱伝導性が良好な金属を用いても良い。

また、本実施形態では、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板で構成されるものとして説明したが、これに限定されることはなく、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよい。また、回路層及び金属層を構成する金属板を、純銅、または、銅合金で構成されたものとしてもよい。

また、本実施形態では、天板の下方に放熱フィンが設けられる構成について説明したが、放熱フィンの下方にさらに冷却器を接合する構成としても良い。

また、本実施形態では、回路層と半導体素子をはんだで接合する場合について説明したが、Ａｇペーストを用いて接合しても良い。

また、本実施形態では、回路層と絶縁層をろう付けにて接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、過渡液相接合法（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＢｏｎｄｉｎｇ）、鋳造法等を適用してもよい。
さらに、回路層を銅又は銅合金で構成した場合には、銅又は銅合金からなる金属板を絶縁層に接合する際に、直接接合法（ＤＢＣ法）、活性金属法、鋳造法等を適用することができる。

また、本実施形態では、上述の実施形態では、絶縁層としてＡｌＮを用いたが、これに限定されることはなく、Ｓｉ_３Ｎ_４やＡｌ_２Ｏ_３等を用いてもよいし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。

２ヒートシンク付パワーモジュール用基板
３パワーモジュール用基板
１１、１１１ヒートシンク
１２絶縁層
１３回路層
１４金属層
１５、１１５天板
１６、１１６放熱フィン
２１アルミニウム合金板（金属板）

Claims

絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、放熱フィンを有するヒートシンクと、を備えた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って、
パワーモジュール用基板の他方の面側に金属板を接合した後に、前記放熱フィンを前記金属板の表面に機械加工を用いて起立成形することにより、前記放熱フィンを有する前記ヒートシンクを形成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。
前記絶縁層の他方の面に金属層の一方の面を接合し、前記金属層の他方の面側に前記金属板を接合した後に、前記放熱フィンを有する前記ヒートシンクを形成することを特徴とする請求項１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。