JP2015130431A

JP2015130431A - 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: JP2015130431A
Application number: JP2014001721A
Authority: JP
Inventors: 拓也松尾; Takuya Matsuo; 石塚　博弥; Hiroya Ishizuka; 博弥石塚
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2015-07-16
Anticipated expiration: 2034-01-08
Also published as: JP6287216B2

Abstract

【課題】ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造時に生じる反りを低減でき、セラミックス基板の割れの発生を防止することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供する。【解決手段】セラミックス基板２の一方の面にそのセラミックス基板２より平面積の大きいヒートシンク３が配設され、他方の面に回路層４が配設されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１の製造方法であって、セラミックス基板２の両面にそれぞれろう材を介在させて回路層４及びヒートシンク３を積層してなる積層体１０を形成し、複数組の積層体１０を積み重ねた状態で積層方向に加圧しながら加熱することにより、セラミックス基板２と回路層４及びヒートシンク３とをろう付けするろう付け工程を有し、ろう付け工程において、積層体１０は、ヒートシンク３の背面に、そのヒートシンク３と同等以上の曲げ剛性を有する補強板６が積層された状態で加圧される。【選択図】図２

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。

ヒートシンク付パワーモジュール用基板として、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面にアルミニウム板等の回路層が接合されるとともに、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板等の放熱層を介してアルミニウム系の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用基板においては、セラミックス基板に回路層等をろう付けで接合することにより製造されるが、その際、各部材の熱伸縮差により反りが生じるという問題がある。
そこで、特許文献１には、パワーモジュール用基板の反り量を緩和するために、ろう材を介して各部材を積層した積層体を形成し、その積層体を、回路層用金属板同士または放熱層用金属板同士がクッションシートを介して隣接するように複数積み重ねた状態とし、その状態で積層方向に加圧しながら加熱することにより、ろう付け接合することが提案されている。この場合、反りを生じさせる応力の方向が隣接する積層体間で逆向きとなり、その逆向きの応力が相互に干渉しあうことで一部相殺され、反りの量を小さくできることが記載されている。

特開２０１２‐４９４３７号公報

特許文献１に記載されたパワーモジュール用基板にヒートシンクをろう付けによって接合すると、高温で接合するため、得られるヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りが大きくなる。

一方、放熱性能を向上させるために、緩衝効果を有する放熱層を介さずにセラミックス基板とヒートシンクとを直接接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が用いられるようになってきている。
このセラミックス基板をヒートシンクに直接接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、放熱層による緩衝効果が得られないために、接合時の反りが大きくなりやすくなる結果、セラミックス基板に割れを生じさせることがあった。また、セラミックス基板とヒートシンクとを直接接合する構成おいては、特許文献１に記載されるような方法を用いても、セラミックス基板の割れの発生を完全に防止することができなった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造時に生じる反りを低減でき、セラミックス基板の割れの発生を防止することができる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。

本発明は、セラミックス基板の一方の面に該セラミックス基板より平面積の大きいヒートシンクが配設され、他方の面に回路層が配設さ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であって、前記セラミックス基板の両面にそれぞれろう材を介在させて回路層及びヒートシンクを積層してなる積層体を形成し、複数組の前記積層体を積み重ねた状態で積層方向に加圧しながら加熱することにより、前記セラミックス基板と前記回路層及び前記ヒートシンクとをろう付けするろう付け工程を有し、前記ろう付け工程において、前記積層体は、前記ヒートシンクの背面に、該ヒートシンクと同等以上の曲げ剛性を有する補強板が積層された状態で加圧されることを特徴とする。

ヒートシンク上にセラミックス基板が直接接合された構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、セラミックス基板よりもヒートシンクの平面積が大きくなっている。なお、セラミックス基板上に配設される回路層は、厚みが薄く、純アルミニウム等の曲げ剛性の低い材料により形成されることから、ヒートシンク及びセラミックス基板の反りに追従する。
このため、ろう付け工程において、セラミックス基板とヒートシンクとが接合された状態で冷却されると、その熱伸縮差により回路層側を凸として反りが生じやすくなる。また、セラミックス基板よりヒートシンクの平面積が大きく、セラミックス基板の周縁よりもヒートシンクが張り出しているので、セラミックス基板の周縁部に応力が集中しやすく、周縁部でのセラミックス基板の割れが生じやすくなる。

そこで、反りを低減し、セラミックス基板の割れを防止する方法の一つとして、複数の積層体を同じ姿勢で積み重ねた状態（順積層）で接合する方法が考えられる。しかしながら、順積層で接合した場合、一方の積層体の回路層上に、他方の積層体のヒートシンクが積み重ねられるので、平面積が小さい回路層でヒートシンクが積層方向に押圧されることとなり、この部分に荷重が集中して、より反りを助長する。このため、ヒートシンクよりも靱性が小さいセラミックス基板に割れが生じやすくなっていた。
そこで、本発明においては、ヒートシンクの背面をヒートシンクと同等以上の曲げ剛性を有する補強板により補強することにより、ヒートシンクの背面全体に荷重を均一化させて押圧することとした。これにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に生じる反りを低減させることができ、セラミックス基板の割れを確実に防止することができる。

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おいて、複数の前記積層体は、前記ヒートシンクの背面同士が対向するように積み重ねられることにより、各ヒートシンクが互いを補強する前記補強板として作用する構成とされているとよい。
各積層体の同一平面積のヒートシンク同士を対向させて積層することにより、各積層体のヒートシンクが互いを補強して、別途補強板を設けることなく、反りを低減させた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できる。

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の製造時に生じる反りを抑制でき、セラミックス基板の割れの発生を防止することができる。

ヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。本発明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第１実施形態（回路層合わせ）を説明する側面図である。本発明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第２実施形態（ヒートシンク合わせ）を説明する側面図である。従来のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法（順積層）を説明する側面図である。ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを説明する断面図である。

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。
本発明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により製造されるヒートシンク付パワーモジュール用基板１は、図１に示すように、セラミックス基板２と、セラミックス基板２の一方の面に配設されたヒートシンク３と、セラミックス基板２の他方の面に配設された回路層４とを備え、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１の回路層４の表面に半導体チップ等の電子部品５が搭載されることにより、パワーモジュール１１が製造される。

セラミックス基板２は、例えばＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックス又はＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＳｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックスにより形成される。そして、セラミックス基板２の厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。本実施形態では、Ａｌ_２Ｏ_３を用い、厚さ０．３８ｍｍに設定されている。
また、回路層４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）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、その厚さは０．２ｍｍ〜３．０ｍｍに設定される。また、アルミニウム以外にもアルミニウム合金や、銅又は銅合金を用いることもできる。本実施形態においては、回路層４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とされ、その厚さは０．９ｍｍとされている。

ヒートシンク３は、アルミニウム合金により形成されており、例えばＡ１０５０、Ａ３００３、Ａ５０５２、Ａ６０６３、Ａ７０７５合金等のヤング率（縦弾性係数）が７０ＭＰａ以上の材料を用いることができ、その厚さは１ｍｍ以上４ｍｍ未満に設定され、セラミックス基板２よりも平面積が大きく形成されている。ここで、ヒートシンク３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。本実施形態においては、ヒートシンク３は、Ａ１０５０のアルミニウム合金により形成された冷却器とされ、その冷却器の天板部分をセラミックス基板２と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１を構成している。なお、冷却器の天板部分の厚さは３ｍｍに設定されている。

そして、これらセラミックス基板２と回路層４、及びセラミックス基板２とヒートシンク３とは、ろう付けにより接合される。ろう材としては、Ａｌ‐Ｓｉ系、Ａｌ‐Ｇｅ系、Ａｌ‐Ｃｕ系、Ａｌ‐Ｍｇ系又はＡｌ‐Ｍｎ系等の合金が使用される。

なお、パワーモジュール１１を構成する電子部品５は、回路層４の表面に形成されたＮｉめっき（不図示）上に、Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系、Ｚｎ‐Ａｌ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｓｂ系もしくはＰｂ‐Ｓｎ系等のはんだ材を用いて接合される。図１中の符号５１が、そのはんだ接合層を示す。また、電子部品５と回路層４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（不図示）により接続される。

次に、第１実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を説明する。
図２に示すように、セラミックス基板２の他方の面に、回路層４となる４Ｎアルミニウム板をろう材（不図示）を介して積層するとともに、セラミックス基板２の一方の面に、ヒートシンク３となるアルミニウム合金（Ａ１０５０）板をろう材（不図示）を介して積層することにより、回路層４、セラミックス基板２、ヒートシンク３を積層してなる積層体１０を複数形成する（図２では、積層体１０を２つ形成している）。
そして、これら複数組の積層体１０を積み重ねた状態で、図２に白抜き矢印で示すように、その積層方向に加圧しながら加熱することにより、セラミックス基板２と４Ｎアルミニウム板（回路層４）及びアルミニウム合金（Ａ１０５０）板（ヒートシンク３）とを接合する（ろう付け工程）。

このろう付け工程において、各積層体１０の積層方向への加圧は、例えば図２に示すように、二枚の加圧板１１０とその四隅に設けられた支柱１１１によって構成された治具１１２を用いて行われ、この加圧板１１０間に各積層体１０を積み重ねた状態で載置することにより加圧が行われる。この際、各積層体１０を、回路層４同士を対向させて積層するとともに、各積層体１０のヒートシンク３の背面に補強板６を重ねた状態として各ヒートシンク３の背面を全面にわたって補強する。また、各積層体１０の回路層４の間には、ろう付け時のろう材の染み出しにより互いが接合されることを回避するために、カーボングラファイトシート７が配置される。

なお、補強板６には、耐熱性を有し、ヒートシンク３の曲げ剛性と同等以上の曲げ剛性を有する材料を好適に用いることができる。本実施形態では、補強板６は厚さ２０ｍｍの等方性黒鉛材（東海カーボン株式会社製のＧ３４７）により形成されており、その特性値は、熱膨張係数が５．５×１０^−６／Ｋ、熱伝導度が１１６Ｗ／ｍＫ、ヤング率が１０．８ＧＰａ、ショア硬度が５８ＨＳとされ、厚さ２０ｍｍにおけるビッカース硬度は４２４ＨＶとされる。

そして、これら積層体１０の回路層４同士を対向させて積層するとともに、各積層体１０のヒートシンク３の背面に補強板６を重ねた状態で、その積層方向に０．１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下で加圧しながら、５８０℃以上６６０℃以下で加熱することにより、各部材がろう付けされ、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１が製造される。

なお、治具１１２の二枚の加圧板１１０はステンレス鋼材により形成され、この加圧板１１０を挟むように、両端に螺子が切られた支柱１１１にナット１１３が締結されている。また、支柱１１１に支持された天板１１４と加圧板１１０との間に、加圧板１１０を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５が備えられており、積層体１０の積層方向の加圧力は、この付勢手段１１５とナット１１３の締付けによって調整される。

また、ろう付け工程においては、セラミックス基板２に対してヒートシンク３が大きく熱膨張及び収縮してろう付けされるために、熱応力が生じ、各ヒートシンク付パワーモジュール用基板１には、図５に示すように回路層４側を凸とする反りが生じる。ところが、本実施形態においては、積層体１０のヒートシンク３の背面が、その全面にわたって補強板６を介して押圧された状態とされることから、ヒートシンク３の背面全体に荷重を均一化させて押圧することができ、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１に生じる反りを低減させることができる。したがって、反りによるセラミックス基板２の割れを確実に防止することができる。

なお、上記第１実施形態においては、補強板６としてカーボン材料（等方性黒鉛材）を用いていたが、補強板６には、ヒートシンク３を構成する板材と同じアルミニウム合金板を用いることもできる。この場合においても、各積層体１０のヒートシンク３の背面全体に荷重を均一化させて押圧することが可能であり、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１に生じる反りを十分に低減させることができる。

また、上記第１実施形態においては、各積層体１０のヒートシンク３を補強板６により補強することとしたが、図３に示す第２実施形態の製造方法のように、２つの積層体１０のヒートシンク３同士を対向するように積み重ねることにより、各ヒートシンク３を、互いを補強する補強板として作用させることも可能である。
この図３に示すように、各積層体１０を、ヒートシンク３同士を対向させて積層した場合には、各積層体１０のヒートシンク３が、対向する同一平面積のヒートシンク３によって互いに押圧されることから、各積層体１０のヒートシンク３が互いを補強し合い、各々のヒートシンク３の背面全体に荷重を均一化させて押圧することが可能となる。このため、第１実施形態の製造方法のように、別途の補強板を設けることなく、反りを低減させたヒートシンク付パワーモジュール用基板１を製造することができる。
なお、ヒートシンク３の表面には、窒化ホウ素（ＢＮ）を塗布することにより、ヒートシンク同士を接合させることなく、ろう付けを行うことができる。また、その他構成は第１実施形態のものと同様であり、同一符号を付して説明は省略する。

また、上記第１及び第２実施形態においては、２つの積層体１０を積み重ねて、２つのヒートシンク付パワーモジュール用基板１を製造する方法について説明を行ったが、２つ以上の積層体１０を積み重ねた状態で、ろう付けを行うこともできる。この場合、各積層体１０の回路層４同士又はヒートシンク３同士を対向させて、積層体１０を表裏交互に複数積層した状態とし、ヒートシンク３が露出する箇所に補強板６を添えて積層することで、各ヒートシンク付パワーモジュール用基板１の反りを低減し、セラミックス基板２の割れを防止することができる。さらに、複数の積層体を積み重ねてろう付けを行うことにより、複数のヒートシンク付パワーモジュール用基板を一回の接合で製造することができる。

次に、本発明の効果を確認するために行った実施例及び比較例について説明する。
実施例として、図２に示すように各積層体１０の回路層４同士を対向させた状態で接合した場合（回路層合わせ）、及び図３に示すように各積層体１０のヒートシンク３同士を対向させた状態で接合した場合（ヒートシンク合わせ）のヒートシンク付パワーモジュール用基板の試料を製造した。また、比較例として、図４に示すように各積層体１０を同じ姿勢で積み重ねた順積層の状態で接合した場合（順積層）のヒートシンク付パワーモジュール用基板の試料を製造した。

また、各試料は、８０ｍｍ×２６ｍｍ、厚さ０．９ｍｍの４Ｎ‐Ａｌからなる回路層と、８４ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．３８ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板と、９６ｍｍ×４２ｍｍ、厚さを２〜４ｍｍで変量したＡ１０５０アルミニウム合金からなるヒートシンクとを、Ａｌ‐Ｓｉ系ろう材により接合して作製した。また、「回路層合わせ」において使用する補強板は、７６．９ｍｍ×１６４ｍｍ、厚さ２０ｍｍの等方性黒鉛材（東海カーボン株式会社製のＧ３４７）により形成した。なお、補強板の曲げ剛性は、ヒートシンクの曲げ剛性よりも十分に大きいものであり、各部材の曲げ剛性は、下記の表１に示すとおりである。また、曲げ剛性は、各材料のヤング率と断面二次モーメントとの積により算出されるものである。

そして、これらのヒートシンク付パワーモジュール用基板の試料に生じた反り量Ｚをそれぞれ評価した。反り量Ｚの測定は、図５に示すように、回路層４側に凸状の変形を正の反り量とし、２５℃の常温時において、ヒートシンク３の背面の平面度の変化を、モアレ式三次元形状測定機を使用して測定したものを反り量Ｚとして評価した。また、超音波探傷装置にてセラミックス基板とヒートシンクの接合界面を測定することで、セラミックス基板の割れの有無を評価した。割れの無かったものを「○」、割れの有ったものを「×」と評価した。
表２に結果を示す。

表２からわかるように、実施例１及び実施例２の試料においては、順積層で接合した比較例１の試料と比べて、大幅に反り量Ｚを小さくすることができた。

なお、本発明は、上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、銅製の回路層とセラミックス基板とのろう付けには、活性金属ろう材を用いて接合する方法を採用することもできる。例えば、活性金属であるＴｉを含む活性金属ろう材（Ａｇ‐２７．４質量％Ｃｕ‐２．０質量％Ｔｉ）を用い、銅製の回路層とセラミックス基板との積層体を加圧した状態のまま真空中で加熱し回路層とセラミックス基板とを接合できる。

１ヒートシンク付パワーモジュール用基板
２セラミックス基板
３ヒートシンク
４回路層
５電子部品
６補強板
７カーボングラファイトシート
１０積層体
５１はんだ接合層
１１０加圧板
１１１支柱
１１２治具
１１３ナット
１１４天板
１１５付勢手段

Claims

セラミックス基板の一方の面に該セラミックス基板より平面積の大きいヒートシンクが配設され、他方の面に回路層が配設さ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であって、
前記セラミックス基板の両面にそれぞれろう材を介在させて回路層及びヒートシンクを積層してなる積層体を形成し、複数組の前記積層体を積み重ねた状態で積層方向に加圧しながら加熱することにより、前記セラミックス基板と前記回路層及び前記ヒートシンクとをろう付けするろう付け工程を有し、
前記ろう付け工程において、前記積層体は、前記ヒートシンクの背面に、該ヒートシンクと同等以上の曲げ剛性を有する補強板が積層された状態で加圧され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。
複数の前記積層体は、前記ヒートシンクの背面同士が対向するように積み重ねられることにより、各ヒートシンクが互いを補強する前記補強板として作用する構成とされることを特徴とする請求項１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。