JP2014160763A - Insulation substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発熱体(例:半導体素子)がはんだ付される面を有する絶縁基板、絶縁基板を具備する放熱装置、絶縁基板を具備する半導体モジュール、絶縁基板の製造方法、放熱装置の製造方法、及び、半導体モジュールの製造方法に関する。 The present invention relates to an insulating substrate having a surface to which a heating element (eg, semiconductor element) is soldered, a heat dissipation device including the insulating substrate, a semiconductor module including the insulating substrate, a method for manufacturing the insulating substrate, and a method for manufacturing the heat dissipation device. And a method of manufacturing a semiconductor module.
なお、本発明に係る絶縁基板の上下方向は限定されるものではないが、本明細書及び特許請求の範囲では、絶縁基板の構成を理解し易くするため、絶縁基板における発熱体がはんだ付される面側を上面側、その反対側を下面側と定義する。さらに、本明細書では、「板」の語は「箔」も含む意味で用いられる。 Although the vertical direction of the insulating substrate according to the present invention is not limited, in the present specification and claims, a heating element in the insulating substrate is soldered for easy understanding of the configuration of the insulating substrate. The surface side is defined as the upper surface side, and the opposite side as the lower surface side. Further, in the present specification, the term “plate” is used to include “foil”.
発熱体として例えば半導体素子と半導体素子の熱を放出する放熱器との間に配置される絶縁基板は、一般的に電気的な絶縁層を具備しており、絶縁層の上面には金属回路層が積層されている。そして、半導体素子が金属回路層の上面にはんだ付される(例えば、特許文献1〜6参照)。 For example, an insulating substrate disposed between a semiconductor element and a radiator that emits heat of the semiconductor element as a heating element generally includes an electrical insulating layer, and a metal circuit layer is formed on the upper surface of the insulating layer. Are stacked. And a semiconductor element is soldered on the upper surface of a metal circuit layer (for example, refer patent documents 1-6).
金属回路層としては、近年、アルミニウム(その合金を含む。)で形成されたアルミニウム回路層が用いられている。その理由は、アルミニウム回路層は優れた電気特性及び熱特性を有しているし、絶縁基板の製造コストの引下げを図り得るからである。 In recent years, an aluminum circuit layer formed of aluminum (including an alloy thereof) has been used as the metal circuit layer. The reason is that the aluminum circuit layer has excellent electrical and thermal characteristics and can reduce the manufacturing cost of the insulating substrate.
しかし、アルミニウム回路層の上面ははんだ付性が悪い。そこで、回路層の上面にはんだ付性を改善する金属層を回路層に対して積層状に配置し、回路層の上面に金属層の下面をろう材層を介してろう付することが考えられる。 However, the upper surface of the aluminum circuit layer has poor solderability. Therefore, it is conceivable that a metal layer for improving solderability is disposed on the upper surface of the circuit layer in a laminated manner with respect to the circuit layer, and the lower surface of the metal layer is brazed to the upper surface of the circuit layer via a brazing material layer. .
しかし、ろう付の際にろう材層の余剰ろう材が金属層の上面にしみ上がったり、更には金属層の上面にしみ上がった余剰ろう材により金属層の上面にろう材溜まりが発生したりすることがあった。このようになると、金属層の上面のはんだ付性が低下するという問題が発生する。 However, when brazing, the excess brazing material of the brazing material layer oozes up to the upper surface of the metal layer, and further, the brazing material pool is generated on the upper surface of the metal layer due to the surplus brazing material swelled to the upper surface of the metal layer. There was a thing. If it becomes like this, the problem that the solderability of the upper surface of a metal layer falls will generate | occur | produce.
本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、絶縁層の上面に積層されたアルミニウム回路層の上面に、はんだ付性を改善する上面を有する金属層の下面がろう材層を介してろう付された絶縁基板であって、金属層の上面の良好なはんだ付性を維持することができる絶縁基板を提供することにある。本発明の更なる目的は、前記絶縁基板を具備する放熱装置、前記絶縁基板を具備する半導体モジュール、前記絶縁基板の製造方法、放熱装置の製造方法、及び、半導体モジュールの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described technical background, and its object is to provide a lower surface of a metal layer having an upper surface for improving solderability on an upper surface of an aluminum circuit layer laminated on an upper surface of an insulating layer. An object of the present invention is to provide an insulating substrate that is brazed via a material layer and that can maintain good solderability of the upper surface of a metal layer. Still another object of the present invention is to provide a heat dissipation device including the insulating substrate, a semiconductor module including the insulating substrate, a method for manufacturing the insulating substrate, a method for manufacturing the heat dissipation device, and a method for manufacturing the semiconductor module. It is in.
本発明は以下の手段を提供する。 The present invention provides the following means.
[1] 絶縁層の上面に積層されたアルミニウム回路層の上面に、前記回路層に対して積層状に配置された金属層の下面がろう材層を介してろう付されており、
前記金属層の上面は、前記回路層の上面よりも良好なはんだ付性を有するとともに、発熱体がはんだ付されるものであり、
前記回路層の上面は、前記金属層の下面で隠蔽されずに露出した露出部を備えており、
前記金属層は、前記回路層の上面の前記露出部に対して立上り状に配置された立上り面を備えており、
前記回路層の上面の前記露出部と前記金属層の前記立上り面との間の隅部に前記ろう材層の余剰ろう材が充填されていることを特徴とする絶縁基板。
[1] The lower surface of the metal layer disposed in a laminated manner with respect to the circuit layer is brazed to the upper surface of the aluminum circuit layer laminated on the upper surface of the insulating layer via a brazing material layer,
The upper surface of the metal layer has better solderability than the upper surface of the circuit layer, and the heating element is soldered.
The upper surface of the circuit layer includes an exposed portion exposed without being concealed by the lower surface of the metal layer,
The metal layer includes a rising surface arranged in a rising manner with respect to the exposed portion of the upper surface of the circuit layer;
An insulating substrate, wherein an excess brazing material of the brazing material layer is filled in a corner portion between the exposed portion of the upper surface of the circuit layer and the rising surface of the metal layer.
[2] 前記金属層の前記立上り面は、前記金属層の外周側面を含んでおり、
前記回路層の上面の前記露出部は、前記金属層の前記外周側面の外側で露出した第1露出部を含んでおり、
前記ろう材層の余剰ろう材は、前記隅部として、前記回路層の上面の前記第1露出部と前記金属層の前記外周側面との間の第1隅部に充填されている前項1記載の絶縁基板。
[2] The rising surface of the metal layer includes an outer peripheral side surface of the metal layer,
The exposed portion of the upper surface of the circuit layer includes a first exposed portion exposed outside the outer peripheral side surface of the metal layer;
The excess brazing filler metal of the brazing filler metal layer is filled in the first corner between the first exposed portion on the upper surface of the circuit layer and the outer peripheral side surface of the metal layer as the corner. Insulating substrate.
[3] 前記金属層の下面の外周縁が前記回路層の上面の外周縁に部分的に一致して沿う状態にして、前記回路層の上面に前記金属層の下面が前記ろう材層を介してろう付されている前項1又は2記載の絶縁基板。 [3] With the outer peripheral edge of the lower surface of the metal layer partially aligned with the outer peripheral edge of the upper surface of the circuit layer, the lower surface of the metal layer passes through the brazing material layer on the upper surface of the circuit layer. 3. The insulating substrate according to 1 or 2 above, which is brazed.
[4] 前記回路層の上面の外周縁形状は、複数の角部及び複数の辺部を有する多角形状であり、
前記金属層の下面の外周縁形状は、前記回路層の上面の外周縁形状に対応し且つ前記複数の角部のうち少なくとも一つの角部が取れた形状であり、
前記金属層の下面の外周縁の各辺部が前記回路層の上面の外周縁の各辺部に一致して沿う状態にして、前記回路層の上面に前記金属層の下面が前記ろう材層を介してろう付されており、
前記回路層の上面の前記第1露出部は、前記回路層の上面における前記少なくとも一つの角部の領域を含んでいる前項2記載の絶縁基板。
[4] The outer peripheral shape of the upper surface of the circuit layer is a polygonal shape having a plurality of corners and a plurality of sides.
The outer peripheral edge shape of the lower surface of the metal layer corresponds to the outer peripheral edge shape of the upper surface of the circuit layer and is a shape in which at least one corner portion is removed among the plurality of corner portions,
The sides of the outer peripheral edge of the lower surface of the metal layer are aligned with the sides of the outer peripheral edge of the upper surface of the circuit layer, and the lower surface of the metal layer is on the upper surface of the circuit layer. Is brazed through,
3. The insulating substrate according to
[5] 前記金属層の上面は、前記発熱体がはんだ付されるはんだ付予定部と、前記発熱体がはんだ付されない非はんだ付予定部とを有しており、
前記金属層の上面の前記非はんだ付予定部には、前記金属層の下面側へ貫通した貫通孔が設けられており、
前記金属層の前記立上り面は、前記金属層の前記貫通孔の内周側面を含んでおり、
前記回路層の上面の前記露出部は、前記金属層の前記貫通孔の前記内周側面の内側で露出した第2露出部を含んでおり、
前記ろう材層の余剰ろう材は、前記隅部として、前記回路層の上面の前記第2露出部と前記金属層の前記貫通孔の前記内周側面との間の第2隅部に充填されている前項1〜4のいずれかに記載の絶縁基板。
[5] The upper surface of the metal layer has a soldering scheduled part to which the heating element is soldered and a non-soldering scheduled part to which the heating element is not soldered.
The non-soldered portion on the upper surface of the metal layer is provided with a through hole penetrating to the lower surface side of the metal layer,
The rising surface of the metal layer includes an inner peripheral side surface of the through hole of the metal layer,
The exposed portion of the upper surface of the circuit layer includes a second exposed portion exposed inside the inner peripheral side surface of the through hole of the metal layer,
The excess brazing filler metal of the brazing filler metal layer is filled in the second corner between the second exposed portion on the upper surface of the circuit layer and the inner peripheral side surface of the through hole of the metal layer as the corner. 5. The insulating substrate according to any one of 1 to 4 above.
[6] 前記金属層はNi層を含むとともに、前記金属層の上面が前記Ni層の上面で形成されている前項1〜5のいずれかに記載の絶縁基板。 [6] The insulating substrate according to any one of [1] to [5], wherein the metal layer includes a Ni layer, and an upper surface of the metal layer is formed on an upper surface of the Ni layer.
[7] 前記金属層はAl層を含むとともに、前記金属層の下面が前記Al層の下面で形成されている前項6記載の絶縁基板
[8] 前記金属層は、前記Ni層と前記Al層との間に配置されたTi層を含むとともに、前記Ni層と前記Ti層と前記Al層とが積層状に接合一体化されたものである前項7記載の絶縁基板。
[7] The insulating substrate according to [6], wherein the metal layer includes an Al layer, and a lower surface of the metal layer is formed by a lower surface of the Al layer. [8] The metal layer includes the Ni layer and the Al layer. The insulating substrate according to
[9] 前項1〜8のいずれかに記載の絶縁基板と、
前記絶縁基板の下面側に配置された放熱器と、を具備していることを特徴とする放熱装置。
[9] The insulating substrate according to any one of 1 to 8 above,
And a radiator disposed on the lower surface side of the insulating substrate.
[10] 前項1〜8のいずれかに記載の絶縁基板と、
前記絶縁基板の下面側に配置された放熱器と、
前記絶縁基板の金属層の上面にはんだ付された発熱体としての半導体素子と、を具備していることを特徴とする半導体モジュール。
[10] The insulating substrate according to any one of 1 to 8 above,
A radiator disposed on the lower surface side of the insulating substrate;
And a semiconductor element as a heating element soldered to the upper surface of the metal layer of the insulating substrate.
[11] アルミニウム回路層の上面に、前記回路層に対して積層状に配置される金属層の下面をろう材層を介してろう付するろう付工程を含んでおり、
前記金属層の上面は、前記回路層の上面よりも良好なはんだ付性を有するとともに、発熱体がはんだ付されるものであり、
前記回路層の上面は、前記金属層の下面で隠蔽されずに露出する露出部を備えており、
前記金属層は、前記回路層の上面の前記露出部に対して立上り状に配置される立上り面を備えており、
前記ろう付工程では、前記回路層の上面に前記金属層の下面を前記ろう材層を介してろう付することにより、前記回路層の上面の前記露出部と前記金属層の前記立上り面との間の隅部に前記ろう材層の余剰ろう材を充填することを特徴とする絶縁基板の製造方法。
[11] A brazing step of brazing the lower surface of the metal layer disposed on the upper surface of the aluminum circuit layer in a stacked manner with respect to the circuit layer via the brazing material layer,
The upper surface of the metal layer has better solderability than the upper surface of the circuit layer, and the heating element is soldered.
The upper surface of the circuit layer includes an exposed portion that is exposed without being hidden by the lower surface of the metal layer,
The metal layer includes a rising surface arranged in a rising manner with respect to the exposed portion of the upper surface of the circuit layer,
In the brazing step, the lower surface of the metal layer is brazed to the upper surface of the circuit layer via the brazing material layer, so that the exposed portion of the upper surface of the circuit layer and the rising surface of the metal layer are A method for manufacturing an insulating substrate, comprising: filling a surplus brazing material of the brazing material layer in the corners between them.
[12] 前記金属層の前記立上り面は、前記金属層の外周側面を含んでおり、
前記回路層の上面の前記露出部は、前記金属層の前記外周側面の外側で露出した第1露出部を含んでおり、
前記ろう付工程では、前記回路層の上面に前記金属層の下面を前記ろう材層を介してろう付することにより、前記ろう材層の余剰ろう材を、前記隅部として、前記回路層の上面の前記第1露出部と前記金属層の前記外周側面との間の第1隅部に充填する前項11記載の絶縁基板の製造方法。
[12] The rising surface of the metal layer includes an outer peripheral side surface of the metal layer,
The exposed portion of the upper surface of the circuit layer includes a first exposed portion exposed outside the outer peripheral side surface of the metal layer;
In the brazing step, by brazing the lower surface of the metal layer to the upper surface of the circuit layer via the brazing material layer, the surplus brazing material of the brazing material layer is used as the corner portion of the circuit layer. 12. The method for manufacturing an insulating substrate according to 11 above, wherein a first corner between the first exposed portion on the upper surface and the outer peripheral side surface of the metal layer is filled.
[13] 前記ろう付工程では、前記金属層の下面の外周縁が前記回路層の上面の外周縁に部分的に一致して沿う状態にして、前記回路層の上面に前記金属層の下面を前記ろう材層を介してろう付する前項11又は12記載の絶縁基板の製造方法。 [13] In the brazing step, the lower peripheral surface of the metal layer is placed on the upper surface of the circuit layer with the outer peripheral edge of the lower surface of the metal layer partially aligned with the outer peripheral edge of the upper surface of the circuit layer. 13. The method for producing an insulating substrate according to 11 or 12 above, wherein the brazing is performed through the brazing material layer.
[14] 前記回路層の上面の外周縁形状は、複数の角部及び複数の辺部を有する多角形状であり、
前記金属層の下面の外周縁形状は、前記回路層の上面の外周縁形状に対応し且つ前記複数の角部のうち少なくとも一つの角部が取れた形状であり、
前記ろう付工程では、前記金属層の下面の外周縁の各辺部が前記回路層の上面の外周縁の各辺部に一致して沿う状態にして、前記回路層の上面に前記金属層の下面を前記ろう材層を介してろう付するものとし、
前記回路層の上面の前記第1露出部は、前記回路層の上面における前記少なくとも一つの角部の領域を含んでいる前項12記載の絶縁基板の製造方法。
[14] The outer peripheral shape of the upper surface of the circuit layer is a polygonal shape having a plurality of corners and a plurality of sides.
The outer peripheral edge shape of the lower surface of the metal layer corresponds to the outer peripheral edge shape of the upper surface of the circuit layer and is a shape in which at least one corner portion is removed among the plurality of corner portions,
In the brazing step, the sides of the outer peripheral edge of the lower surface of the metal layer are aligned with the sides of the outer peripheral edge of the upper surface of the circuit layer, and the metal layer is formed on the upper surface of the circuit layer. The lower surface is brazed via the brazing material layer,
13. The method for manufacturing an insulating substrate according to item 12, wherein the first exposed portion on the upper surface of the circuit layer includes the region of the at least one corner portion on the upper surface of the circuit layer.
[15] 前記金属層の上面は、前記発熱体がはんだ付されるはんだ付予定部と、前記発熱体がはんだ付されない非はんだ付予定部とを有しており、
前記金属層の上面の前記非はんだ付予定部には、前記金属層の下面側へ貫通した貫通孔が設けられており、
前記金属層の前記立上り面は、前記金属層の前記貫通孔の内周側面を含んでおり、
前記回路層の上面の前記露出部は、前記金属層の前記貫通孔の前記内周側面の内側で露出した第2露出部を含んでおり、
前記ろう付工程では、前記回路層の上面に前記金属層の下面を前記ろう材層を介してろう付することにより、前記ろう材層の余剰ろう材を、前記隅部として、前記回路層の上面の前記第2露出部と前記金属層の前記貫通孔の前記内周側面との間の第2隅部に充填する前項11〜14のいずれかに記載の絶縁基板の製造方法。
[15] The upper surface of the metal layer has a soldering scheduled part to which the heating element is soldered and a non-soldering scheduled part to which the heating element is not soldered,
The non-soldered portion on the upper surface of the metal layer is provided with a through hole penetrating to the lower surface side of the metal layer,
The rising surface of the metal layer includes an inner peripheral side surface of the through hole of the metal layer,
The exposed portion of the upper surface of the circuit layer includes a second exposed portion exposed inside the inner peripheral side surface of the through hole of the metal layer,
In the brazing step, by brazing the lower surface of the metal layer to the upper surface of the circuit layer via the brazing material layer, the surplus brazing material of the brazing material layer is used as the corner portion of the circuit layer. 15. The method for manufacturing an insulating substrate according to any one of the
[16] 前記金属層はNi層を含むとともに、前記金属層の上面が前記Ni層の上面で形成されている前項11〜15のいずれかに記載の絶縁基板の製造方法。 [16] The method for manufacturing an insulating substrate according to any one of [11] to [15], wherein the metal layer includes a Ni layer, and an upper surface of the metal layer is formed on an upper surface of the Ni layer.
[17] 前記金属層はAl層を含むとともに、前記金属層の下面が前記Al層の下面で形成されている前項16記載の絶縁基板の製造方法。 [17] The method for manufacturing an insulating substrate according to [16], wherein the metal layer includes an Al layer, and a lower surface of the metal layer is formed by a lower surface of the Al layer.
[18] 前記金属層は、前記Ni層と前記Al層との間に配置されたTi層を含むとともに、前記Ni層と前記Ti層と前記Al層とが積層状に接合一体化されたものである前項17記載の絶縁基板の製造方法。 [18] The metal layer includes a Ti layer disposed between the Ni layer and the Al layer, and the Ni layer, the Ti layer, and the Al layer are joined and integrated in a stacked manner. 18. The method for manufacturing an insulating substrate according to 17 above.
[19] 前項1〜8のいずれかに記載の絶縁基板の下面に放熱器を固定することを特徴とする放熱装置の製造方法。
[19] A method for manufacturing a heat dissipation device, comprising fixing a heatsink to the lower surface of the insulating substrate according to any one of
[20] 前項1〜8のいずれかに記載の絶縁基板の下面に放熱器を固定するとともに、
前記絶縁基板の金属層の上面に発熱体としての半導体素子をはんだ付することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
[20] While fixing the radiator to the lower surface of the insulating substrate according to any one of 1 to 8 above,
A method of manufacturing a semiconductor module, comprising: soldering a semiconductor element as a heating element to an upper surface of a metal layer of the insulating substrate.
本発明は以下の効果を奏する。 The present invention has the following effects.
前項[1]の絶縁基板によれば、アルミニウム回路層の上面の露出部と金属層の立上り面との間の隅部にろう材層の余剰ろう材が充填されているので、回路層の上面に金属層の下面をろう材層を介してろう付する際にろう材層の余剰ろう材が金属層の上面にしみ上がるのを防止することができる。これにより、金属層の上面の良好なはんだ付性を維持することができ、その結果、金属層の上面に発熱体を良好にはんだ付することができる。 According to the insulating substrate of [1], the brazing filler metal surplus brazing material is filled in the corner between the exposed portion of the upper surface of the aluminum circuit layer and the rising surface of the metal layer. In addition, when the lower surface of the metal layer is brazed via the brazing material layer, it is possible to prevent the excess brazing material of the brazing material layer from oozing up to the upper surface of the metal layer. Thereby, the favorable solderability of the upper surface of a metal layer can be maintained, As a result, a heat generating body can be favorably soldered to the upper surface of a metal layer.
前項[2]では、回路層の上面の露出部は、金属層の外周側面よりも外側で露出した第1露出部を含んでおり、ろう材層の余剰ろう材が回路層の上面の第1露出部と金属層の外周側面との間の第1隅部に充填されている。したがって、ろう材層の余剰ろう材が充填される隅部を容易に形成することができる。 In the preceding item [2], the exposed portion of the upper surface of the circuit layer includes a first exposed portion exposed outside the outer peripheral side surface of the metal layer, and the surplus brazing material of the brazing material layer is the first exposed portion of the upper surface of the circuit layer. The first corner between the exposed portion and the outer peripheral side surface of the metal layer is filled. Therefore, the corner filled with the excess brazing filler metal of the brazing filler metal layer can be easily formed.
前記[3]では、金属層の下面の外周縁が回路層の上面の外周縁に部分的に一致して沿う状態にして、回路層の上面に金属層の下面がろう材層を介してろう付されている。したがって、回路層の上面に金属層の下面をろう付するに際して、金属層の下面の外周縁を回路層の上面の外周縁に部分的に一致させて沿う状態にして金属層の下面を回路層の上面に配置することにより、回路層の上面に対する金属層の下面の位置を決定できる。したがって、金属層の下面の位置の決定を容易に行うことができる。 In the above [3], the outer peripheral edge of the lower surface of the metal layer is aligned with the outer peripheral edge of the upper surface of the circuit layer, and the lower surface of the metal layer is brazed with the brazing material layer on the upper surface of the circuit layer. It is attached. Therefore, when the lower surface of the metal layer is brazed to the upper surface of the circuit layer, the outer peripheral edge of the lower surface of the metal layer is partially aligned with the outer peripheral edge of the upper surface of the circuit layer so that the lower surface of the metal layer is connected to the circuit layer. By disposing on the upper surface, the position of the lower surface of the metal layer relative to the upper surface of the circuit layer can be determined. Therefore, the position of the lower surface of the metal layer can be easily determined.
前項[4]では、金属層の下面の外周縁の各辺部が回路層の上面の外周縁の各辺部に一致して沿う状態にして、回路層の上面に金属層の下面がろう材層を介してろう付されている。したがって、回路層の上面に金属層の下面をろう付するに際して、金属層の下面の外周縁の各辺部を回路層の上面の外周縁の各辺部に一致させて沿う状態にして金属層の下面を回路層の上面に配置することにより、回路層の上面に対する金属層の下面の位置を非常に正確に決定できる。したがって、金属層の下面の位置の決定を容易に且つ非常に正確に行うことができる。 In the preceding item [4], the sides of the outer peripheral edge of the lower surface of the metal layer are aligned with the sides of the outer peripheral edge of the upper surface of the circuit layer, and the lower surface of the metal layer is brazed on the upper surface of the circuit layer. Brazed through layers. Therefore, when the lower surface of the metal layer is brazed to the upper surface of the circuit layer, the metal layer is placed in a state in which the sides of the outer peripheral edge of the lower surface of the metal layer are aligned with the sides of the outer peripheral edge of the upper surface of the circuit layer. By arranging the lower surface of the metal layer on the upper surface of the circuit layer, the position of the lower surface of the metal layer with respect to the upper surface of the circuit layer can be determined very accurately. Therefore, the position of the lower surface of the metal layer can be easily and very accurately determined.
前項[5]では、金属層の上面の非はんだ付予定部に金属層の下面側へ貫通した貫通孔が設けられることにより、回路層の上面の露出部の面積を増やすことができる。これにより、ろう材層の余剰ろう材が充填される隅部を増やすことができ、そのため余剰ろう材のしみ上がりを確実に防止できる。 In the preceding item [5], by providing a through hole penetrating to the lower surface side of the metal layer in the non-soldered portion on the upper surface of the metal layer, the area of the exposed portion on the upper surface of the circuit layer can be increased. Thereby, the corner part with which the excess brazing filler metal of a brazing filler metal layer is filled can be increased, and, therefore, the excess brazing filler metal can be prevented reliably.
さらに、貫通孔が設けられることにより、ろう付面積を減らすことができるとともに、ろう材層の余剰ろう材の隅部への排出を促進することができる。これにより、金属層の下面を回路層の上面に良好にろう付することができる。 Furthermore, by providing the through holes, it is possible to reduce the brazing area and promote the discharge of the brazing material layer to the corners of the surplus brazing material. Thereby, the lower surface of the metal layer can be satisfactorily brazed to the upper surface of the circuit layer.
しかも、貫通孔は、金属層の上面のはんだ付予定部ではなく非はんだ付予定部に設けられているので、発熱体の熱の回路層側への伝導が貫通孔によって阻害されるのを防止することができる。これにより、発熱体の熱を回路層側へ良好に伝導させることができ、その結果、発熱体の熱を迅速に放出することができる。 Moreover, since the through hole is provided in the non-soldered portion on the upper surface of the metal layer, the conduction of heat from the heating element to the circuit layer side is prevented by the through hole. can do. Thereby, the heat of the heating element can be conducted well to the circuit layer side, and as a result, the heat of the heating element can be quickly released.
前項[6]は次のような効果を奏する。一般的にNiはアルミニウムよりも良好なはんだ付性を有している。したがって、金属層の上面がNi層の上面で形成されることにより、金属層の上面に発熱体を良好にはんだ付することができる。 The preceding item [6] has the following effects. In general, Ni has better solderability than aluminum. Therefore, when the upper surface of the metal layer is formed from the upper surface of the Ni layer, the heating element can be satisfactorily soldered to the upper surface of the metal layer.
さらに、一般的にNiはAlと反応して金属間化合物を形成する。したがって、金属層がNi層を含んでいると、Ni層中のNiがろう材層のろう材中のAlと反応して金属間化合物を形成することによりろう材層の余剰ろう材が消費される。これにより、余剰ろう材のしみ上がりを確実に防止できる。 In general, Ni reacts with Al to form an intermetallic compound. Therefore, if the metal layer includes a Ni layer, Ni in the Ni layer reacts with Al in the brazing material of the brazing material layer to form an intermetallic compound, thereby consuming excess brazing material in the brazing material layer. The As a result, it is possible to reliably prevent the excess brazing material from seeping up.
前項[7]では、金属層の下面がAl層の下面で形成されることにより、金属層の下面を回路層の上面に強固にろう付することができる。 In the preceding item [7], the lower surface of the metal layer is formed by the lower surface of the Al layer, whereby the lower surface of the metal layer can be firmly brazed to the upper surface of the circuit layer.
前項[8]は次のような効果を奏する。一般的にTiはAlと反応して金属間化合物を形成する。したがって、金属層がTi層を含んでいると、Ti層中のTiがろう材層のろう材中のAlと反応して金属間化合物を形成することによりろう材層の余剰ろう材が更に消費される。これにより、余剰ろう材のしみ上がりを更に確実に防止できる。 The preceding item [8] has the following effects. In general, Ti reacts with Al to form an intermetallic compound. Therefore, when the metal layer includes a Ti layer, Ti in the Ti layer reacts with Al in the brazing material of the brazing material layer to form an intermetallic compound, thereby further consuming excess brazing material in the brazing material layer. Is done. Thereby, it is possible to more reliably prevent the excess brazing material from spreading.
その上、Ti層がNi層とAl層との間に配置されるとともに、Ni層とTi層とAl層とが積層状に接合一体化されることにより、優れた強度的信頼性を有する絶縁基板を得ることができる。そのため、絶縁基板について冷熱サイクル試験を行ったときに絶縁基板に剥離や割れが生じるのを防止できる。 In addition, the Ti layer is disposed between the Ni layer and the Al layer, and the Ni layer, the Ti layer, and the Al layer are joined and integrated in a laminated manner, so that insulation having excellent strength and reliability is achieved. A substrate can be obtained. Therefore, it is possible to prevent the insulating substrate from being peeled off or cracked when a thermal cycle test is performed on the insulating substrate.
前項[9]では、上記[1]〜[8]のいずれかの効果を奏する絶縁基板を具備した放熱装置を提供できる。 In the preceding item [9], it is possible to provide a heat dissipation device including an insulating substrate that exhibits any one of the effects [1] to [8].
前項[10]では、上記[1]〜[8]のいずれかの効果を奏する絶縁基板を具備した半導体モジュールを提供できる。 In the preceding item [10], it is possible to provide a semiconductor module including an insulating substrate that exhibits any of the effects [1] to [8].
前項[11]〜[18]では、上記[1]〜[8]のいずれかの効果を奏する絶縁基板を得ることができる。 In the previous items [11] to [18], it is possible to obtain an insulating substrate that exhibits any of the effects [1] to [8].
前項[19]では、上記[1]〜[8]のいずれかの効果を奏する絶縁基板を具備した放熱装置を得ることができる。 In the previous item [19], it is possible to obtain a heat radiating device including an insulating substrate that exhibits any one of the effects [1] to [8].
前項[20]では、上記[1]〜[8]のいずれかの効果を奏する絶縁基板を具備した半導体モジュールを得ることができる。 In the preceding item [20], a semiconductor module including an insulating substrate that exhibits any of the effects [1] to [8] can be obtained.
本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。 Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1〜3は、本発明の第1実施形態に係る絶縁基板及び半導体モジュールの構成を説明する図である。なお、図1は、図2中のX−X線に対応する半導体モジュールの断面図である。 1-3 is a figure explaining the structure of the insulated substrate and semiconductor module which concern on 1st Embodiment of this invention. FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor module corresponding to line XX in FIG.
図1に示すように、本第1実施形態の半導体モジュール32は、例えばパワーモジュールであり、具体的には、IGBTモジュール、MOSFETモジュール、サイリスタモジュール、ダイオードモジュールなどである。この半導体モジュール32は、発熱体としての半導体素子22、本第1実施形態の放熱装置31などを具備している。
As shown in FIG. 1, the
半導体素子22は、IGBTチップ、MOSFETチップ、サイリスタチップ、ダイオードチップなどである。
The
放熱装置31は、本第1実施形態の絶縁基板30、放熱器20などを具備しており、半導体素子22の熱を絶縁基板30を介して放熱器20に伝導させて放出しこれにより半導体素子22を冷却するためのものである。
The
絶縁基板30は、半導体素子22と放熱器20との間に配置されたものであり、電気的な絶縁層17、アルミニウム回路層10、金属層1、第1応力緩和層18、第2応力緩和層19などを備えている。本実施形態では、これらの層17、10、1、18、19は、いずれも平面視方形状であり、更に、互いに水平状に且つ積層状に配置されて接合一体化されている。
The insulating
絶縁層17は例えばセラミックで形成されており、詳述するとセラミック板で形成されている。セラミックとしては、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ケイ素(Si3N4)、アルミナ(Al203)、炭化ケイ素(SiC)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化カルシウム(CaO)、窒化ホウ素(BN)、酸化ベリリウム(BeO)等が用いられる。絶縁層17の厚さは例えば200〜1200μmに設定される。
The insulating
アルミニウム回路層10は、アルミニウム(その合金を含む)で形成されており、詳述するとアルミニウム板で形成されている。この回路層10を形成するアルミニウムとしては、例えば、純度が99.99%以上の高純度アルミニウム又はA1000系やA3000系のアルミニウムが用いられる。そして、この回路層10が絶縁層17の上面に積層されてろう付等により固定状態に接合されている。回路層10の厚さは例えば200〜1000μmに設定される。回路層10はアルミニウムで形成されているので、回路層10の上面11ははんだ付性が悪い。
The
金属層1は回路層10の上面11に回路層10に対して積層状に配置されており、更に、金属層1の下面3が回路層10の上面11の略中央部にろう材層9を介して面接触状態にろう付されている。この金属層1ははんだ付性を改善するための層であり、すなわち金属層1の上面2は回路層10の上面11よりも良好なはんだ付性を有している。そして、金属層1の上面2の略中央部に半導体素子22が常法に従ってはんだ付されている。本実施形態では、金属層1は、複数の層1a、1b、1cが積層状に接合一体化されて形成されたものであり、その構成の詳細については後述する。
The
ろう材層9は、金属層1の下面3を回路層10の上面11にろう付した層であり、Al系ろう材(例:Al−Si系ろう材)などで形成されている。このろう材層9の厚さは、金属層1の下面3が回路層10の上面11にろう付された状態で例えば5〜50μmに設定されている。回路層10の融点はこのろう材層9のろう材の融点よりも高く設定されている。なお図面では、ろう材層9及びその余剰ろう材9aは、他の層と区別し易くするためドットハッチングで図示されている。
The
第1応力緩和層18は、絶縁基板30に発生した熱応力等の応力を緩和するための層であり、絶縁層17の下面に積層されてろう付等により固定状態に接合されている。第1応力緩和層18は金属(例:アルミニウム)で形成されており、詳述すると金属板(例:アルミニウム板)で形成されている。この第1応力緩和層18を形成する金属としては、例えば、純度が99.99%以上の高純度アルミニウム又はA1000系やA3000系のアルミニウムが用いられる。第1応力緩和層18の厚さは例えば200〜3000μmに設定される。
The first
第2応力緩和層19は、第1応力緩和層18と同じく絶縁基板30に発生した熱応力等の応力を緩和するための層であり、第1応力緩和層18の下面に積層されてろう付等により固定状態に接合されている。第2応力緩和層19は金属で形成されており、詳述すると複数の孔19aを有するパンチングメタル板で形成されている。この第2応力緩和層19を形成する金属としては、例えば、純度が99.99%以上の高純度アルミニウム又はA1000系やA3000系のアルミニウムが用いられる。第2応力緩和層19の厚さは例えば200〜3000μmに設定される。
The second stress relaxation layer 19 is a layer for relaxing stresses such as thermal stress generated in the insulating
放熱器20は、絶縁基板30の下面側に配置された金属製(例えばアルミニウム製)のものであり、半導体素子22から絶縁基板30を介して伝導されてきた熱を放出するものである。放熱器20の放熱方式は液冷式(例:水冷式)や空冷式などである。本実施形態では、放熱器20は、金属製上板部20aの両側縁部と金属製下板部20bの両側縁部とが互いに接合されて筐体が形成されるとともに、筐体の内部に複数の冷媒通路20dを形成する金属製コルゲートフィン20cが配置されたものである。そして、この放熱器20の上面が絶縁基板30の下面としての第2応力緩和層19の下面にろう付等により固定状態に接合されている。
The
次に金属層1の構成について以下に説明する。
Next, the configuration of the
金属層1は、Ni層1aとTi層1bとAl層1cとを備えている。そして、上から順にNi層1aとTi層1bとAl層1cとが積層状に配置されて接合一体化され、これにより金属層1が形成されている。したがって、金属層1の上面2はNi層1aの上面で形成されており、金属層1の下面3はAl層1cの下面で形成されており、Ti層1bはNi層1aとAl層1cとの間に配置されてNi層1aとAl層1cとにそれぞれ接合されている。金属層1の上面2は、Ni層1aの上面で形成されているので回路層10の上面11よりも良好なはんだ付性を有している。
The
金属層1のNi層1aは、ニッケル(その合金を含む)で形成されており、詳述するとニッケル板で形成されている。本実施形態では、Ni層1aは例えば純ニッケル板で形成されている。Ni層1aの厚さは例えば5〜100μmに設定される。
The
金属層1のTi層1bは、チタン(そのチタン合金を含む)で形成されており、詳述するとチタン板で形成されている。本実施形態では、Ti層1bは例えば純チタン板で形成されている。Ti層1bの厚さは例えば2〜100μmに設定される。
The
金属層のAl層1cは、アルミニウム(その合金を含む)で形成されており、詳述するとアルミニウム板で形成されている。Al層1cを形成するアルミニウムとしては限定されるものではなく、例えば、純度99.99%以上の高純度アルミニウム又はA1000系やA3000系のアルミニウムが用いられ、特に、A1000系(例:A1050、A1100)やA3000系(例:A3003)のアルミニウムを用いることが回路層10の上面11に強固にろう付できる点などで望ましい。Al層1cの厚さは例えば20〜1200μmに設定される。さらに、Al層1cの融点はろう材層9のろう材の融点よりも高く設定されている。
The
Ni層1aとTi層1bは、拡散接合等により互いに接合一体化されており、本実施形態では拡散接合としてのクラッド圧延により互いに接合一体化されている。これにより、図3に示すようにNi層1aとTi層1bとの接合界面にはNi層1a中のNiとTi層1b中のTiとが合金化してなるNi−Ti合金層1dが形成されている。この合金層1dの厚さは限定されるものではないが、0.1〜10μmであることが特に望ましい。クラッド圧延の条件は限定されるものではないが、クラッド温度10〜500℃及び圧下率20〜70%であることが特に望ましい。こうすることにより、Ni層1aとTi層1bとを強固に接合することができる。
The
Ti層1bとAl層1cは、拡散接合等により互いに接合一体化されており、本実施形態では拡散接合としてのクラッド圧延により互いに接合一体化されている。クラッド圧延の条件は限定されるものではないが、クラッド温度10〜500℃及び圧下率20〜70%であることが特に望ましい。こうすることにより、Ti層1bとAl層1cとを強固に接合することができる。
The
而して、図1に示すように、回路層10の上面11は、金属層1の下面3で隠蔽されずに露出した露出部15を備えている。また、金属層1は、回路層10の上面11の露出部15に対して略垂直に立上り状に配置された立上り面7を備えている。また、金属層1の上面2は、半導体素子22がはんだ付されるはんだ付予定部2aと、半導体素子22がはんだ付されない非はんだ付予定部2bとから構成されている。
Thus, as shown in FIG. 1, the
本第1実施形態では、金属層1の立上り面7は、金属層1の外周側面4である。回路層10の上面11の露出部15は、回路層10の上面11における金属層1の外周側面4(即ち立上り面7)の外側で露出した部分であり、このような露出部15を特に「第1露出部15a」という。また、回路層10の上面11の第1露出部15aと金属層1の外周側面4との間の隅部8を特に「第1隅部8a」という。
In the first embodiment, the rising
ここで、図2では、金属層1は二点鎖線で図示されており、半導体素子22は一点鎖線で図示されている。さらに、回路層10の上面11の露出部15はクロスハッチングで図示されている。
Here, in FIG. 2, the
図1及び2に示すように、金属層1の上面2のはんだ付予定部2aは、金属層1の上面2の略中央部である。一方、金属層1の上面2の非はんだ付予定部2bは、金属層1の上面2のはんだ付予定部2aを除いた部分であり、すなわち金属層1の上面2の外周部である。
As shown in FIGS. 1 and 2, the soldered
回路層10の上面11の面積に対して回路層10の上面11の露出部15の面積が占める割合は限定されるものではないが、特に、回路層10の上面11の露出部15の面積は回路層10の上面11の面積に対して1〜50%に設定されるのが望ましい。
The ratio of the area of the exposed
次に、回路層10と金属層1とのろう付状態について以下に詳述する。
Next, the brazing state between the
回路層10の上面11の外周縁11a形状は、図2に示すように、多角形状としての方形状(詳述すると正方形状)であり、したがって四つの角部及び四つの辺部を有している。回路層10の上面11の縦及び横の寸法は限定されるものではなく、例えば、それぞれ5〜50mmに設定される。
As shown in FIG. 2, the shape of the outer
金属層1の下面3の外周縁3a形状は、回路層10の上面11の外周縁11a形状と相似の形状(即ち方形状)である。さらに、金属層1の下面3の縦及び横の寸法は、回路層10の上面11の縦及び横の寸法よりもそれぞれ若干小さく設定されており、好ましくは、回路層10の上面11の縦及び横の寸法に対してそれぞれ0.3〜10%小さく設定されるのが良い。そして、上述したように金属層1の下面3は回路層10の上面11の略中央部にろう材層9を介してろう付されている。したがって、本第1実施形態では、回路層10の上面11の第1露出部15aは、回路層10の上面11における金属層1の外周側面4の全周の外側の部分である。
The shape of the outer
さらに、図1に示すように、回路層10の上面11の第1露出部15aと金属層1の外周側面4との間の第1隅部8aには、ろう材層9の余剰ろう材9aがろう材層9のフィレット部として金属層1の外周側面4の全周に亘って充填されている。
Further, as shown in FIG. 1, an
さらに、金属層1の上面2のはんだ付予定部2aに半導体素子22がはんだ付されている。
Furthermore, the
次に、本第1実施形態の絶縁基板30の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the insulating
図3に示すように、Ni層1aとTi層1bとAl層1cとが積層状に接合一体化されて形成された金属層1を準備する。さらに、この金属層1の下面3にはろう材層9がクラッド圧延により予め接合されている。
As shown in FIG. 3, a
回路層10の上面11の第1露出部15a(露出部15)が金属層1の下面3で隠蔽されずに露出するように、回路層10の上面11上に金属層1の下面3をろう材層9を介して配置する。そしてこの状態で回路層10の上面11に金属層1の下面3をろう材層9を介してろう付する。この工程を「ろう付工程」という。この際のろう付手段は限定されるものではないが、真空ろう付であることが特に望ましい。この場合、そのろう付の条件は限定されるものではないが、真空度1×10−3〜1×10−5Pa、ろう付温度590〜610℃、その保持時間3〜60minであることが特に望ましい。
The lower surface 3 of the
このようにろう付を行うことにより、回路層10の上面11に金属層1の下面3がろう材層9を介してろう付されると同時に、図1に示すように回路層10の上面11の第1露出部15aと金属層1の外周側面4との間の第1隅部8aにろう材層9の余剰ろう材9aが金属層1の外周側面4の全周に亘って充填される。
By brazing in this way, the lower surface 3 of the
なお、このろう付工程では、回路層10の上面11に金属層1の下面3をろう付するのと同時に、絶縁基板30の構成するその他の層(17、18、19)についても一括してろう付をしても良いし、更に放熱器20についても一括してろう付をしても良い。
In this brazing process, the lower surface 3 of the
本第1実施形態の絶縁基板30を用いて放熱装置31を製造する場合には、絶縁基板30の下面としての第2応力緩和層19の下面に放熱器20の上面がろう付等により接合される。これにより、放熱器20が絶縁基板30の下面に固定される。
When manufacturing the
本第1実施形態の絶縁基板30を用いて半導体モジュール32を製造する場合には、金属層1の上面2のはんだ付予定部2aに半導体素子22が常法に従ってはんだ付される。
When the
本第1実施形態の絶縁基板30及びその製造方法は次のような利点がある。
The insulating
アルミニウム回路層10の上面11の第1露出部15a(露出部15)と金属層1の外周側面4(立上り面7)との間の第1隅部8a(隅部8)にろう材層9の余剰ろう材9aが充填されているので、回路層10の上面11に金属層1の下面3をろう付する際にろう材層9の余剰ろう材9aが金属層1の上面2にしみ上がるのを防止できるし、更には金属層1の上面2にしみ上がった余剰ろう材9aによって金属層1の上面2にろう材溜まりが発生するのを防止できる。これにより、金属層1の上面2の良好なはんだ付性を維持することができ、その結果、金属層1の上面2に半導体素子22(発熱体)を良好にはんだ付することができる。さらに、第1隅部8aにろう材層9の余剰ろう材9aがろう材層9のフィレット部として充填されているので、回路層10の上面11と金属層1の下面3との間のろう付強度が非常に高い。
The brazing
さらに、ろう材層9の余剰ろう材9aが充填される隅部8は、回路層10の上面11の第1露出部15aと金属層1の外周側面4との間の第1隅部8aであるから、隅部8を容易に形成することができる。
Further, the
さらに、金属層1の上面2がNi層1aの上面(即ちNi)で形成されているので、金属層1の上面2に半導体素子22を良好にはんだ付することができる。
Furthermore, since the
また、一般的にNiはAlと反応して金属間化合物を形成する。したがって、金属層1がNi層1aを含んでいると、Ni層1a中のNiがろう材層9のろう材中のAlと反応して金属間化合物を形成することによりろう材層9の余剰ろう材9aが消費される。これにより、余剰ろう材9aのしみ上がりを確実に防止できる。
In general, Ni reacts with Al to form an intermetallic compound. Accordingly, when the
さらに、金属層1の下面3がAl層1cの下面で形成されることにより、金属層1の下面3を回路層10の上面11に強固にろう付することができる。
Furthermore, the lower surface 3 of the
また、一般的にTiはAlと反応して金属間化合物を形成する。したがって、金属層1がTi層1bを含んでいると、Ti層1b中のTiがろう材層9のろう材中のAlと反応して金属間化合物を形成することによりろう材層9の余剰ろう材9aが更に消費される。これにより、余剰ろう材9aのしみ上がりを更に確実に防止できる。
In general, Ti reacts with Al to form an intermetallic compound. Therefore, if the
その上、Ti層1bがNi層1aとAl層1cとの間に配置されるとともに、Ni層1aとTi層1bとAl層1cとが積層状に接合一体化されている。そのため、冷熱サイクル試験などによって絶縁基板30に生じた熱歪みは、Ni、Ti及びAlの線膨張係数差によって緩和される。これにより、絶縁基板30に剥離や割れが生じるのを防止でき、したがって優れた強度的信頼性を有する絶縁基板30を得ることができる。
In addition, the
本発明は、上記第1実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。変更した幾つかの実施形態を以下に示す。 The present invention is not limited to the first embodiment and can be variously modified without departing from the gist of the present invention. Some modified embodiments are shown below.
図4は、本発明の第2実施形態に係る絶縁基板130に用いられるアルミニウム回路層110の平面図である。同図では、上記第1実施形態の絶縁基板30と同等の構成要素にはその符号に100を加算した符号が付されている。図4では、図2と同様に、金属層101は二点鎖線で図示されており、半導体素子122は一点鎖線で図示されている。さらに、回路層110の上面111の露出部115はクロスハッチングで図示されている。
FIG. 4 is a plan view of the
図4に示すように、第2実施形態では、金属層101の下面の外周縁103aの一辺部がアルミニウム回路層110の上面111の外周縁111aの一辺部の中間部に一致して沿う状態にして、回路層110の上面111に金属層101の下面がろう材層を介してろう付される。一方、金属層101の下面の外周縁103aのその他の部分は回路層110の上面111の外周縁111aに一致していない。
As shown in FIG. 4, in the second embodiment, the one side portion of the outer
本第2実施形態では、回路層110の上面111に金属層101の下面をろう付するに際して、金属層101の下面の外周縁103aの一辺部を回路層110の上面111の外周縁111aの一辺部の中間部に一致させて沿う状態にして金属層101の下面を回路層110の上面111に配置する。これにより、回路層110の上面111に対する金属層101の下面の位置が決定される。そのため、金属層101の下面の位置の決定を容易に行うことができる。
In the second embodiment, when brazing the lower surface of the
図5は、本発明の第3実施形態に係る絶縁基板230に用いられるアルミニウム回路層210の平面図である。同図では、上記第1実施形態の絶縁基板30と同等の構成要素にはその符号に200を加算した符号が付されている。図5では、図2と同様に、金属層201は二点鎖線で図示されており、半導体素子222は一点鎖線で図示されている。さらに、回路層210の上面211の露出部215(第1露出部215a)はクロスハッチングで図示されている。
FIG. 5 is a plan view of the
図5に示すように、本第3実施形態では、金属層201の下面の外周縁203a形状は、アルミニウム回路層210の上面211の外周縁211a形状に対応し且つ各角部が取れた形状である。具体的に説明すると、金属層201の下面の縦及び横の寸法は回路層210の上面211の縦及び横の寸法とそれぞれ等しく設定され、且つ、金属層201の下面の各角部の曲率半径は回路層210の上面211の各角部の曲率半径よりも大きく設定されている。そして、金属層201の下面の外周縁203aの各辺部が回路層210の上面211の外周縁211aの各辺部に一致して沿う状態にして、回路層210の上面211に金属層201の下面がろう材層を介してろう付される。一方、金属層201の下面の外周縁203aの各角部は回路層210の上面211の外周縁211aの各角部に一致していない。そのため、回路層210の上面211における各角部領域215aaは、金属層201の下面で隠蔽されずに露出している。したがって、回路層210の上面211の第1露出部215aは、回路層210の上面211における露出した四つの角部領域215aaから構成される。
As shown in FIG. 5, in the third embodiment, the shape of the outer
本第3実施形態によれば、回路層210の上面211に金属層201の下面をろう付するに際して、金属層201の下面の外周縁203aの各辺部を回路層210の上面211の外周縁211aの各辺部に一致させて沿う状態にして、金属層201の下面を回路層210の上面211に配置する。これにより、回路層210の上面211に対する金属層201の下面の位置が非常に正確に決定される。そのため、金属層201の下面の位置の決定を容易に且つ非常に正確に行うことができる。
According to the third embodiment, when brazing the lower surface of the
図6は、本発明の第4実施形態に係る絶縁基板330に用いられるアルミニウム回路層310の平面図である。同図では、上記第1実施形態の絶縁基板30と同等の構成要素にはその符号に300を加算した符号が付されている。図6では、図2と同様に、金属層301は二点鎖線で図示されており、半導体素子322は一点鎖線で図示されている。さらに、回路層310の上面311の露出部315はクロスハッチングで図示されている。
FIG. 6 is a plan view of an
図6に示すように、本第4実施形態では、金属層301の下面の外周縁303a形状は、アルミニウム回路層310の上面311の外周縁311aに対して外側に部分的に張り出す形状になっている。この場合、金属層301の下面の外周縁303aの一辺部だけが回路層310の上面311の外周縁311aの一辺部の中間部に一致して沿う状態にして、回路層310の上面311に金属層301の下面がろう材層を介してろう付される。回路層310の上面311の第1露出部315aは、回路層310の上面311における二つの角部領域315aaを含んでいる。
As shown in FIG. 6, in the fourth embodiment, the shape of the outer
図7は、本発明の第5実施形態に係る絶縁基板430に用いられるアルミニウム回路層410の平面図である。同図では、上記第1実施形態の絶縁基板30と同等の構成要素にはその符号に400を加算した符号が付されている。図7では、図2と同様に、金属層401は二点鎖線で図示されており、半導体素子422は一点鎖線で図示されている。さらに、回路層410の上面411の露出部415はクロスハッチングで図示されている。
FIG. 7 is a plan view of the
図7に示すように、本第5実施形態では、金属層401の下面の外周縁403aの三辺部は波状に形成されており、これにより、金属層401の下面の外周縁403a形状は、アルミニウム回路層410の上面411の外周縁411aに対して外側に部分的に張り出し且つ内側に部分的に凹んだ形状になっている。この場合、金属層401の下面の外周縁403aの一辺部だけが回路層410の上面411の外周縁411aの一辺部の中間部に一致して沿う状態にして、回路層410の上面411に金属層401の下面がろう材層を介してろう付される。回路層410の上面411の第1露出部415aは、二つの角部領域415aaを含んでいる。
As shown in FIG. 7, in the fifth embodiment, the three sides of the outer
図8及び9は、本発明の第6実施形態に係る絶縁基板530及び半導体モジュール532を説明する図である。これらの同図では、上記第1実施形態の絶縁基板30と同等の構成要素にはその符号に500を加算した符号が付されている。なお、図8は、図9中のY−Y線に対応する半導体モジュールの主要部の断面図である。
8 and 9 are diagrams illustrating an insulating
本第6実施形態では、図9に示すように金属層501の下面503の外周縁503a形状は、図5に示した上記第3実施形態と同様に、アルミニウム回路層510の上面511の外周縁511a形状に対応し且つ各角部が取れた形状である。具体的に説明すると、金属層501の下面の縦及び横の寸法は回路層510の上面511の縦及び横の寸法とそれぞれ等しく設定され、且つ、金属層501の下面の各角部の曲率半径は回路層510の上面511の各角部の曲率半径よりも大きく設定されている。
In the sixth embodiment, as shown in FIG. 9, the outer
図8に示すように、複数の半導体素子としての2つの半導体素子522、522は、絶縁基板530の金属層501の上面502に互いに離間してそれぞれはんだ付されている。したがって、金属層501の上面502は、2つ半導体素子522、522がはんだ付される互いに離間した2つのはんだ付予定部502a、502aを有している。これらのはんだ付予定部502a、502aは、図9に示すように金属層501の上面502の略中央部を挟んだ両側に位置している。一方、金属層501の上面502の略中央部は、2つの半導体素子522、522がはんだ付されない非はんだ付予定部502bの一部を構成しており、当該略中央部には金属層501の下面503側へ貫通した平面視略長円状の貫通孔505が穿設されている。この貫通孔505は、回路層510の上面511の露出部515の面積を増やすための孔である。
As shown in FIG. 8, two
本第6実施形態では、金属層501の下面503の外周縁503aの各辺部が回路層510の上面511の外周縁511aの各辺部に一致して沿う状態にして、回路層510の上面511に金属層501の下面503がろう材層509を介してろう付される。一方、金属層501の下面503の外周縁503aの各角部は回路層510の上面511の外周縁511aの各角部に一致していない。そのため、回路層510の上面511における各角部領域515aaは、金属層501の下面503で隠蔽されずに露出している。したがって、回路層510の上面511の第1露出部515aは、回路層510の上面511における露出した四つの角部領域515aaから構成されている。
In the sixth embodiment, the top surface of the
さらに、金属層501の上面502は、金属層501の貫通孔505の内周側面505aの内側で露出した第2露出部515bを露出部515として備えている。金属層501の貫通孔505の内周側面505aは、第2露出部515bに対して略垂直に立上り状に配置されている。したがって、金属層501の立上り面507は、金属層501の外周側面504だけではなく更に金属層501の貫通孔505の内周側面505aを含んでいる。
Furthermore, the
ここで、金属層501の上面502の第2露出部515bと金属層501の貫通孔505の内周側面505aとの間の隅部508を特に「第2隅部508b」という。
Here, the
回路層510の上面511に金属層501の下面503がろう材層509を介してろう付された状態において、ろう材層9の余剰ろう材9aは、回路層510の上面511の第1露出部515a(即ち角部領域515aa)と金属層501の外周側面504との間の第1隅部508aに充填されており、さらに、余剰ろう材9aは、図8に示すように回路層510の上面511の第2露出部515bと金属層501の貫通孔505の内周側面505aとの間の第2隅部508bに内周側面505aの全周に亘って充填されている。
In a state where the
本第6実施形態の絶縁基板530の製造方法では、上記第1実施形態と同じ手順で回路層510の上面511に金属層501の下面503をろう材層509を介してろう付する。これにより、回路層510の上面511に金属層501の下面503がろう材層509を介してろう付されると同時に、第1隅部508aと第2隅部508bとにそれぞれろう材層509の余剰ろう材509aが充填される。
In the manufacturing method of the insulating
本第6実施形態によれば、金属層501の上面502の略中央部(非はんだ付予定部502b)に金属層501の下面503側へ貫通した貫通孔505が穿設されることにより、回路層510の上面511の露出部515の面積を増やすことができる。これにより、ろう材層509の余剰ろう材509aが充填される隅部508を増やすことができ、そのため余剰ろう材509aのしみ上がりを確実に防止できる。
According to the sixth embodiment, the through
さらに、貫通孔505が穿設されることにより、ろう付面積を減らすことができるとともに、ろう材層509の余剰ろう材509aの隅部508への排出を促進することができる。これにより、金属層501の下面503を回路層510の上面511に良好にろう付することができる。
Further, by forming the through
しかも、貫通孔505は、金属層501の上面502のはんだ付予定部502aではなく非はんだ付予定部502bに穿設されるので、半導体素子522の熱の回路層510側への伝導が貫通孔505によって阻害されるのを防止することができる。これにより、半導体素子522の熱を回路層510側へ良好に伝導させることができ、その結果、半導体素子522の熱を迅速に放出することができる。
Moreover, since the through-
さらに、金属層501の下面503の外周縁503aの各辺部が回路層510の上面511の外周縁511aの各辺部に一致して沿う状態にして、金属層501の下面503が回路層510の上面511にろう付されているので、このろう付の際に回路層510の上面511に対する金属層501の下面503の位置が非常に正確に決定される。そのため、金属層501の下面503の位置の決定を容易に且つ非常に正確に行うことができる。
Further, the respective sides of the outer
以上で本発明の幾つかの実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で更に様々に変更可能である。 Although several embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、本発明では、金属層の上面は上記実施形態のようにNiで形成されていることが特に望ましいが、その他にCu等で形成されていても良い。 For example, in the present invention, the upper surface of the metal layer is particularly preferably formed of Ni as in the above embodiment, but may be formed of Cu or the like.
さらに、本発明は、上記第1〜第6実施形態で適用された技術的思想を2つ以上組み合わせても良い。 Furthermore, the present invention may combine two or more technical ideas applied in the first to sixth embodiments.
次に、本発明の具体的な実施例及び比較例を以下に示す。 Next, specific examples and comparative examples of the present invention are shown below.
<実施例>
図1〜3に示した上記第1実施形態の絶縁基板30を製造するため、次のような金属層1及びアルミニウム回路層10を準備した。
<Example>
In order to produce the insulating
金属層1は、Ni層1aとTi層1bとAl層1cとが積層状に接合一体化されて形成されたものであり、さらに、金属層1の下面3にろう材層9がクラッド圧延により接合されている。Ni層1aはJIS(日本工業規格)1種の純ニッケル板で形成されたものであり、Ni層1aの厚さは30μmである。Ti層1bはJIS1種の純チタン板で形成されたものであり、Ti層1bの厚さは20μmである。Al層1cはA3003のアルミニウム板で形成されたものであり、Al層1cの厚さは100μmである。したがって、金属層1の厚さは150μmである。ろう材層9のろう材はAl−Siろう材であり、ろう材層9の厚さは20μmである。金属層1の下面3の縦及び横の寸法はそれぞれ29.5mmである。
The
アルミニウム回路層10は、純度が99.99%の高純度アルミニウム板で形成されている。回路層10の厚さは600μmである。回路層10の上面11の縦及び横の寸法はそれぞれ30mmである。
The
次いで、回路層10の上面11の丁度中央部に金属層1の下面3をろう材層9を介して真空ろう付によってろう付した。回路層10の上面11の第1露出部15aは、回路層10の上面11における金属層1の外周側面4(立上り面7)の全周の外側の部分であり、その幅は0.25mmである。また、このろう付工程で適用したろう付の条件は、真空度1×10−4Pa、ろう付温度600℃、その保持時間10minである。
Next, the lower surface 3 of the
そして、回路層10と金属層1を目視及びマイクロスコープもしくは実体顕微鏡にて観察した。その結果、ろう材層9の余剰ろう材9aが回路層10の上面11の第1露出部15aと金属層1の外周側面4との間の第1隅部8aに外周側面4の全周に亘って充填されていた。さらに、余剰ろう材9aは金属層1の上面2に殆どしみ上がっておらず、更に、金属層1の上面2にろう材溜まりは発生していなかった。したがって、金属層1の上面2は良好なはんだ付性を維持していることを確認し得た。
And the
<比較例>
金属層の下面の外周縁形状をアルミニウム回路層の上面の外周縁形状と同じ形状にするとともに、更に、金属層の下面の縦及び横の寸法を回路層の上面の縦及び横の寸法とそれぞれ等しく設定した。そして、金属層の下面の外周縁を回路層の上面の外周縁に全部一致させた状態にして回路層の上面に金属層の下面をろう材層を介して真空ろう付によってろう付した。その際のろう付条件は実施例1と同じである。
<Comparative example>
The outer peripheral shape of the lower surface of the metal layer is made the same shape as the outer peripheral shape of the upper surface of the aluminum circuit layer, and the vertical and horizontal dimensions of the lower surface of the metal layer are set to the vertical and horizontal dimensions of the upper surface of the circuit layer, respectively. Set equal. Then, the outer peripheral edge of the lower surface of the metal layer was made to coincide with the outer peripheral edge of the upper surface of the circuit layer, and the lower surface of the metal layer was brazed to the upper surface of the circuit layer by vacuum brazing via the brazing material layer. The brazing conditions at that time are the same as those in Example 1.
そして、回路層と金属層を目視及びマイクロスコープもしくは実体顕微鏡にて観察した。その結果、ろう材層の余剰ろう材が金属層の上面にしみ上がっており、更に、金属層の上面にろう材溜まりが発生していた。したがって、金属層の上面のはんだ付性が悪くなっていることを確認し得た。 And the circuit layer and the metal layer were observed visually and with a microscope or a stereomicroscope. As a result, surplus brazing material in the brazing material layer oozes up to the upper surface of the metal layer, and further, brazing material pooling occurs on the upper surface of the metal layer. Therefore, it was confirmed that the solderability of the upper surface of the metal layer was deteriorated.
本発明は、発熱体(例:半導体素子)がはんだ付される面を有する絶縁基板、絶縁基板を具備する放熱装置、絶縁基板を具備する半導体モジュール、絶縁基板の製造方法、放熱装置の製造方法、及び、半導体モジュールの製造方法に利用可能である。 The present invention relates to an insulating substrate having a surface to which a heating element (eg, semiconductor element) is soldered, a heat dissipation device including the insulating substrate, a semiconductor module including the insulating substrate, a method for manufacturing the insulating substrate, and a method for manufacturing the heat dissipation device. And can be used in a method for manufacturing a semiconductor module.
1:金属層
1a:Ni層
1b:Ti層
1c:Al層
2:金属層の上面
3:金属層の下面
4:金属層の外周側面(金属層の立上り面)
7:金属層の立上り面
8:隅部
8a:第1隅部
8b:第2隅部
9:ろう材層
9a:余剰ろう材
10:アルミニウム回路層
11:回路層の上面
15:露出部
15a:第1露出部
15b:第2露出部
17:絶縁層
20:放熱器
22:半導体素子(発熱体)
30:絶縁基板
31:放熱装置
32:半導体モジュール
1:
7: rising
30: Insulating substrate 31: Heat dissipation device 32: Semiconductor module
Claims (20)
前記金属層の上面は、前記回路層の上面よりも良好なはんだ付性を有するとともに、発熱体がはんだ付されるものであり、
前記回路層の上面は、前記金属層の下面で隠蔽されずに露出した露出部を備えており、
前記金属層は、前記回路層の上面の前記露出部に対して立上り状に配置された立上り面を備えており、
前記回路層の上面の前記露出部と前記金属層の前記立上り面との間の隅部に前記ろう材層の余剰ろう材が充填されていることを特徴とする絶縁基板。 The upper surface of the aluminum circuit layer laminated on the upper surface of the insulating layer is brazed to the lower surface of the metal layer arranged in a laminated form with respect to the circuit layer via a brazing material layer,
The upper surface of the metal layer has better solderability than the upper surface of the circuit layer, and the heating element is soldered.
The upper surface of the circuit layer includes an exposed portion exposed without being concealed by the lower surface of the metal layer,
The metal layer includes a rising surface arranged in a rising manner with respect to the exposed portion of the upper surface of the circuit layer;
An insulating substrate, wherein an excess brazing material of the brazing material layer is filled in a corner portion between the exposed portion of the upper surface of the circuit layer and the rising surface of the metal layer.
前記回路層の上面の前記露出部は、前記金属層の前記外周側面の外側で露出した第1露出部を含んでおり、
前記ろう材層の余剰ろう材は、前記隅部として、前記回路層の上面の前記第1露出部と前記金属層の前記外周側面との間の第1隅部に充填されている請求項1記載の絶縁基板。 The rising surface of the metal layer includes an outer peripheral side surface of the metal layer;
The exposed portion of the upper surface of the circuit layer includes a first exposed portion exposed outside the outer peripheral side surface of the metal layer;
The surplus brazing filler metal of the brazing filler metal layer is filled in the first corner between the first exposed portion on the upper surface of the circuit layer and the outer peripheral side surface of the metal layer as the corner. The insulating substrate described.
前記金属層の下面の外周縁形状は、前記回路層の上面の外周縁形状に対応し且つ前記複数の角部のうち少なくとも一つの角部が取れた形状であり、
前記金属層の下面の外周縁の各辺部が前記回路層の上面の外周縁の各辺部に一致して沿う状態にして、前記回路層の上面に前記金属層の下面が前記ろう材層を介してろう付されており、
前記回路層の上面の前記第1露出部は、前記回路層の上面における前記少なくとも一つの角部の領域を含んでいる請求項2記載の絶縁基板。 The outer peripheral edge shape of the upper surface of the circuit layer is a polygonal shape having a plurality of corners and a plurality of sides,
The outer peripheral edge shape of the lower surface of the metal layer corresponds to the outer peripheral edge shape of the upper surface of the circuit layer and is a shape in which at least one corner portion is removed among the plurality of corner portions,
The sides of the outer peripheral edge of the lower surface of the metal layer are aligned with the sides of the outer peripheral edge of the upper surface of the circuit layer, and the lower surface of the metal layer is on the upper surface of the circuit layer. Is brazed through,
The insulating substrate according to claim 2, wherein the first exposed portion on the upper surface of the circuit layer includes the region of the at least one corner portion on the upper surface of the circuit layer.
前記金属層の上面の前記非はんだ付予定部には、前記金属層の下面側へ貫通した貫通孔が設けられており、
前記金属層の前記立上り面は、前記金属層の前記貫通孔の内周側面を含んでおり、
前記回路層の上面の前記露出部は、前記金属層の前記貫通孔の前記内周側面の内側で露出した第2露出部を含んでおり、
前記ろう材層の余剰ろう材は、前記隅部として、前記回路層の上面の前記第2露出部と前記金属層の前記貫通孔の前記内周側面との間の第2隅部に充填されている請求項1〜4のいずれかに記載の絶縁基板。 The upper surface of the metal layer has a planned soldering part to which the heating element is soldered and a non-soldering scheduled part to which the heating element is not soldered,
The non-soldered portion on the upper surface of the metal layer is provided with a through hole penetrating to the lower surface side of the metal layer,
The rising surface of the metal layer includes an inner peripheral side surface of the through hole of the metal layer,
The exposed portion of the upper surface of the circuit layer includes a second exposed portion exposed inside the inner peripheral side surface of the through hole of the metal layer,
The excess brazing filler metal of the brazing filler metal layer is filled in the second corner between the second exposed portion on the upper surface of the circuit layer and the inner peripheral side surface of the through hole of the metal layer as the corner. The insulating substrate according to claim 1.
前記絶縁基板の下面側に配置された放熱器と、を具備していることを特徴とする放熱装置。 An insulating substrate according to any one of claims 1 to 8,
And a radiator disposed on the lower surface side of the insulating substrate.
前記絶縁基板の下面側に配置された放熱器と、
前記絶縁基板の金属層の上面にはんだ付された発熱体としての半導体素子と、を具備していることを特徴とする半導体モジュール。 An insulating substrate according to any one of claims 1 to 8,
A radiator disposed on the lower surface side of the insulating substrate;
And a semiconductor element as a heating element soldered to the upper surface of the metal layer of the insulating substrate.
前記金属層の上面は、前記回路層の上面よりも良好なはんだ付性を有するとともに、発熱体がはんだ付されるものであり、
前記回路層の上面は、前記金属層の下面で隠蔽されずに露出する露出部を備えており、
前記金属層は、前記回路層の上面の前記露出部に対して立上り状に配置される立上り面を備えており、
前記ろう付工程では、前記回路層の上面に前記金属層の下面を前記ろう材層を介してろう付することにより、前記回路層の上面の前記露出部と前記金属層の前記立上り面との間の隅部に前記ろう材層の余剰ろう材を充填することを特徴とする絶縁基板の製造方法。 A brazing step of brazing the lower surface of the metal layer disposed in a stacked manner with respect to the circuit layer on the upper surface of the aluminum circuit layer via a brazing material layer;
The upper surface of the metal layer has better solderability than the upper surface of the circuit layer, and the heating element is soldered.
The upper surface of the circuit layer includes an exposed portion that is exposed without being hidden by the lower surface of the metal layer,
The metal layer includes a rising surface arranged in a rising manner with respect to the exposed portion of the upper surface of the circuit layer,
In the brazing step, the lower surface of the metal layer is brazed to the upper surface of the circuit layer via the brazing material layer, so that the exposed portion of the upper surface of the circuit layer and the rising surface of the metal layer are A method for manufacturing an insulating substrate, comprising: filling a surplus brazing material of the brazing material layer in the corners between them.
前記回路層の上面の前記露出部は、前記金属層の前記外周側面の外側で露出した第1露出部を含んでおり、
前記ろう付工程では、前記回路層の上面に前記金属層の下面を前記ろう材層を介してろう付することにより、前記ろう材層の余剰ろう材を、前記隅部として、前記回路層の上面の前記第1露出部と前記金属層の前記外周側面との間の第1隅部に充填する請求項11記載の絶縁基板の製造方法。 The rising surface of the metal layer includes an outer peripheral side surface of the metal layer;
The exposed portion of the upper surface of the circuit layer includes a first exposed portion exposed outside the outer peripheral side surface of the metal layer;
In the brazing step, by brazing the lower surface of the metal layer to the upper surface of the circuit layer via the brazing material layer, the surplus brazing material of the brazing material layer is used as the corner portion of the circuit layer. The method for manufacturing an insulating substrate according to claim 11, wherein a first corner portion between the first exposed portion on the upper surface and the outer peripheral side surface of the metal layer is filled.
前記金属層の下面の外周縁形状は、前記回路層の上面の外周縁形状に対応し且つ前記複数の角部のうち少なくとも一つの角部が取れた形状であり、
前記ろう付工程では、前記金属層の下面の外周縁の各辺部が前記回路層の上面の外周縁の各辺部に一致して沿う状態にして、前記回路層の上面に前記金属層の下面を前記ろう材層を介してろう付するものとし、
前記回路層の上面の前記第1露出部は、前記回路層の上面における前記少なくとも一つの角部の領域を含んでいる請求項12記載の絶縁基板の製造方法。 The outer peripheral edge shape of the upper surface of the circuit layer is a polygonal shape having a plurality of corners and a plurality of sides,
The outer peripheral edge shape of the lower surface of the metal layer corresponds to the outer peripheral edge shape of the upper surface of the circuit layer and is a shape in which at least one corner portion is removed among the plurality of corner portions,
In the brazing step, the sides of the outer peripheral edge of the lower surface of the metal layer are aligned with the sides of the outer peripheral edge of the upper surface of the circuit layer, and the metal layer is formed on the upper surface of the circuit layer. The lower surface is brazed via the brazing material layer,
13. The method for manufacturing an insulating substrate according to claim 12, wherein the first exposed portion on the upper surface of the circuit layer includes the region of the at least one corner portion on the upper surface of the circuit layer.
前記金属層の上面の前記非はんだ付予定部には、前記金属層の下面側へ貫通した貫通孔が設けられており、
前記金属層の前記立上り面は、前記金属層の前記貫通孔の内周側面を含んでおり、
前記回路層の上面の前記露出部は、前記金属層の前記貫通孔の前記内周側面の内側で露出した第2露出部を含んでおり、
前記ろう付工程では、前記回路層の上面に前記金属層の下面を前記ろう材層を介してろう付することにより、前記ろう材層の余剰ろう材を、前記隅部として、前記回路層の上面の前記第2露出部と前記金属層の前記貫通孔の前記内周側面との間の第2隅部に充填する請求項11〜14のいずれかに記載の絶縁基板の製造方法。 The upper surface of the metal layer has a planned soldering part to which the heating element is soldered and a non-soldering scheduled part to which the heating element is not soldered,
The non-soldered portion on the upper surface of the metal layer is provided with a through hole penetrating to the lower surface side of the metal layer,
The rising surface of the metal layer includes an inner peripheral side surface of the through hole of the metal layer,
The exposed portion of the upper surface of the circuit layer includes a second exposed portion exposed inside the inner peripheral side surface of the through hole of the metal layer,
In the brazing step, by brazing the lower surface of the metal layer to the upper surface of the circuit layer via the brazing material layer, the surplus brazing material of the brazing material layer is used as the corner portion of the circuit layer. The method for manufacturing an insulating substrate according to claim 11, wherein the second corner between the second exposed portion on the upper surface and the inner peripheral side surface of the through hole of the metal layer is filled.
前記絶縁基板の金属層の上面に発熱体としての半導体素子をはんだ付することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。 While fixing a radiator to the lower surface of the insulating substrate according to any one of claims 1 to 8,
A method of manufacturing a semiconductor module, comprising: soldering a semiconductor element as a heating element to an upper surface of a metal layer of the insulating substrate.
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