JP2018041867A - 放熱基板、及び放熱基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱された際に生じる反り変形を抑制することができる放熱基板、及び放熱基板の製造方法を提供する。
【解決手段】Cu層１２と、金属Aからなる金属A層１４とが、交互に積層された放熱基板１０において、前記Cu層１２と前記金属A層１４とが厚さ方向に対称に合計３、５、９又は１３層積層され、側面において、前記金属A層１４の少なくとも一部が前記Cu１２層によって覆われており、800〜850℃で5〜20分間加熱後の反り変形量が、10mm当たり0.05mm以下であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品に適用される放熱基板、及び放熱基板の製造方法に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車や風力発電では、電力制御用の部品としてパワーモジュールが用いられる。パワーモジュールは、セラミックスで形成された絶縁基板と、金属で形成された放熱基板がろう付けされていると共に、接合材を介して半導体デバイス、特に、大電力で動作するLSI、IC、パワートランジスタ等が接合されている。大電力で動作する半導体デバイスは、使用時において熱を発生する。

放熱基板は、これらの半導体デバイスから発生する熱を効率よく拡散・放熱することが要求される。ところが、パワーモジュールは、上記の通り、異種材料からなる接合体であるため、製造時における温度変化によって内部応力が発生する。この内部応力によって、放熱基板が変形してしまうという問題がある。そのため、放熱基板は、高い機械的強度と高い熱伝導率とを備えることが望まれる。

これに対して、例えば特許文献１には、３層構造からなる放熱基板としてCu層、Mo層、Cu層を順に積層したクラッド材が開示されている。この３層構造のクラッド材におけるMoの体積比を20％から99.6％の範囲で変化させることにより、熱伝導率と熱膨張係数を制御し、Mo単体よりも高い熱伝導率と、Cu単体よりも小さい熱膨張係数とを得ている。

また、特許文献２にはCu層、Mo層、Cu層を順に積層した３層構造のクラッド材の熱膨張係数とCuの体積比の関係が開示されている。この構造のクラッド材においては、Mo層が１層の場合には、例えば熱膨張係数を12×10^-6/K以下とするためには、熱伝導率が低いMoの使用量を全体の質量の20％以上としなければならない。そのため、このクラッド材の厚さ方向における熱伝導率は、230W/(m・K)程度にとどまる。

さらに特許文献３には、Cu層と、Mo層とが交互に５層以上積層されたクラッド材が開示されている。この場合、５層以上積層することにより、熱膨張係数がより小さく、かつ熱伝導率がより高いクラッド材を得ることができる。

特開平２−１０２５５１号公報 特開平６−２６８１１５号公報 特開２００７−１１５７３１号公報

しかしながら、放熱基板を所定の形状に打ち抜き加工により切り出す際に、放熱基板には不均一な内部歪みが生じる。放熱基板は、この不均一な内部歪みにより、セラミックス基板及びリードフレームを接合する際や、半導体とセラミックス基板上のリードフレームを接合する際、加熱されると反り変形が生じる。放熱基板が反り変形することにより、パワーモジュールの形状精度が不良となるという問題があった。

本発明は、加熱された際に生じる反り変形を抑制することができる放熱基板、及び放熱基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る放熱基板は、Cu層と、金属Aからなる金属A層とが、交互に積層された放熱基板において、前記Cu層と前記金属A層とが厚さ方向に対称に合計３、５、９又は１３層積層され、側面において、前記金属A層の少なくとも一部が前記Cu層によって覆われており、800〜850℃で5〜20分間加熱後の反り変形量が、10mm当たり0.05mm以下であることを特徴とする。

本発明に係る放熱基板の製造方法は、Cu層と、金属Aからなる金属A層とが、交互に積層された放熱基板の製造方法において、厚さ方向に対称に合計３、５、９又は１３層積層された前記Cu層と前記金属A層とを一体化する工程と、打ち抜き加工により所定の大きさの積層体を切り出す工程と、切り出された前記積層体に対し、前記打ち抜き加工によって生じた反り変形と対称となる変形量を加える工程と、対称となる変形量が加えられた前記積層体を平坦にする工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、内部歪みが均一化されているので、加熱された際に生じる反り変形を抑制することができる。したがって放熱基板は、放熱基板上にセラミックス基板やリードフレームを接合する際、加熱されることで生じる反り変形が抑制されるので、パワーモジュールの形状精度を向上することができる。

本実施形態に係る放熱基板の構成を模式的に示す斜視図である。 本実施形態に係る放熱基板の部分拡大図である。 本実施形態に係る放熱基板の製造方法を段階的に説明する図であり、図３Ａは打ち抜き加工後、図３Ｂは内部歪み均一化、図３Ｃは平坦化前、図３Ｄは平坦化後の状態を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１に示す放熱基板１０は、矩形状であって、Cu又はCu合金からなるCu層１２と、金属Aからなる金属A層１４とが、交互に積層されている。放熱基板１０は、厚さ方向に見て、４辺がそれぞれ直線状である。本図の場合、放熱基板１０は、厚さ方向の中央にCu層１２、当該Cu層１２の両側に金属A層１４、さらに外表面にそれぞれCu層１２が積層され、合計５層で形成されている。金属Aは、Mo又はWである。

中央のCu層１２と、外表面に積層されたCu層１２の厚さは適宜選択することができ、同じ厚さでも、異なる厚さでもよい。なお、放熱基板１０は、厚さ方向に対称に形成されている。すなわち放熱基板１０は、厚さ方向の中心から数えて同じ位置にある層は、同じ厚さである。また金属A層１４は互いに同じ厚さである。Cu層１２の厚さは、例えば、0.15〜0.5mmとすることができる。また金属A層１４の厚さは、0.03〜0.10mmとすることができる。

図２に示すように、放熱基板１０は、端部１６において厚さ方向の一方の肩部１８が他方の肩部１９に向かって下がった形状となっている。放熱基板１０の一方の肩部１８が下がった形状となっているのは、放熱基板１０が打ち抜き加工によって所定の大きさに切り出されたことに起因する。放熱基板１０は、端部１６において、金属A層１４の少なくとも一部が、当該金属A層１４の上側、すなわち下がった形状となっている一方の肩部１８側のCu層１２によって、覆われている。

次に上記のように構成された放熱基板１０の製造方法について説明する。放熱基板１０は、Cu板と金属A板を接合する工程と、積層体を切り出す工程と、内部歪みを均一化する工程と、平坦化する工程とにより製造することができる。

Cu板と金属A板を接合する工程は、Cu板と金属A板を交互に５層重ねて高温で１軸方向に加圧する熱間プレス加工を施す。具体的には、圧力1〜10MPa、温度925〜1025℃の条件で、プレス機を用いて行う。熱間プレス加工中の雰囲気は、Cuの酸化を防ぐため、酸素を含まない雰囲気であるのが好ましく、例えば、還元ガス雰囲気、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、ヘリウム雰囲気、又は真空中であるのが好ましい。上記の工程により、Cu層１２と金属A層１４が交互に重なった５層からなる接合体が得られる。

次いで、積層体を切り出す工程について説明する。本工程では、上記のようにして得られた接合体から、打ち抜き加工により、所定の大きさの積層体を切り出す。すなわち接合体の最下層に雄型を接触させ、接合体の最上層に雌型を接触させ、雄型を雌型方向に移動することによって、接合体を打ち抜く。図３Ａに示すように、打ち抜かれた積層体２４は、中央から端部１６へいくにしたがって、厚さ方向に反り変形が生じている。本図の場合、積層体２４は、下側表面２０が凹、上側表面２２が凸となっている。また反り変形は、放熱基板１０の長手方向だけでなく短手方向においても生じる。

続いて、内部歪みを均一化する工程について説明する。本工程では、上記打ち抜き加工によって積層体２４に生じた反り変形と対称となる変形を加える。具体的には、積層体２４に生じた反り変形と対称となるプレス面を有する金型２６により、積層体２４にプレス加工を施す（図３Ｂ）。これにより、積層体２４は、下側表面２０が凸、上側表面２２が凹となる。

最後に、積層体２４を平坦化する工程について説明する。上記内部歪みを均一化する工程によって、下側表面２０が凸、上側表面２２が凹となった積層体２４に、平坦なプレス面を有する金型２８により、プレス加工を施す（図３Ｃ）。これにより、平らな積層体、すなわち放熱基板１０が得られる（図３Ｄ）。

なお、平坦化する工程は、室温又は850〜1000℃に加熱した状態で行ってもよい。ただし、高温でプレス加工中の雰囲気は、Cuの酸化を防ぐため、酸素を含まない雰囲気であるのが好ましく、例えば、還元ガス雰囲気、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、ヘリウム雰囲気、又は真空中であるのが好ましい。850〜1000℃に加熱した状態で平坦化することにより、放熱基板１０の内部歪みを除去することができる。

上記のように製造された放熱基板１０は、内部歪みが均一化されているので、加熱された際に生じる反り変形を抑制することができる。したがって放熱基板１０は、放熱基板１０上にセラミックス基板やリードフレームを接合する際、加熱されることで生じる反り変形が抑制されるので、パワーモジュールの形状精度を向上することができる。また、平坦化する工程において、850〜1000℃に加熱した状態で平坦化することにより内部歪みが除去された放熱基板１０は、加熱された際に生じる反り変形をより確実に抑制することができる。

通常、放熱基板１０は、放熱基板１０上に枠状のセラミックス基板とリードフレームを銀ロウによって接合する際、800℃〜830℃に加熱される。

因みに従来の放熱基板は、加熱されると、不均一な内部歪みによって、中央から端部へいくにしたがって、厚さ方向に反り変形が生じる。さらに加熱温度が800℃以上になると、銀ロウが溶解し、放熱基板とセラミックス基板、セラミックス基板とリードフレームの間にそれぞれ流れ込み、固化することで放熱基板とセラミックス基板、セラミックス基板とリードフレームを接合する。しかしながら、厚さ方向に生じている反り変形が大きいと、放熱基板とセラミックス基板の間に銀ロウが存在しない隙間が生じてしまう。

これに対し本実施形態に係る放熱基板１０は、内部歪みが均一化されているため、セラミックス基板及びリードフレームを接合する際に加熱されても、厚さ方向に生じる反り変形が抑制される。したがって放熱基板１０は、セラミックス基板との間に、銀ロウが存在しない隙間が生じない。

本実施形態に係る放熱基板１０は、800〜850℃に5〜20分間加熱後に生じる反り変形量が10mm当たり0.05mm以下である。この場合、反り変形量は、接触式表面粗さ計等により測定した放熱基板１０の半導体デバイスに接合される面の高さプロファイルから、始点と終点を結んだ線を基準として最大高さを求め、始点と終点間の距離を用いて10mmあたりの高さとなるよう正規化した値とする。

より具体的には、800〜850℃に加熱した非酸化雰囲気炉に放熱基板１０を10分間保持した後、冷却し、放熱基板１０の表面温度が室温（23℃）となった時点において、反り変形量を測定する。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

上記実施形態の場合、放熱基板１０は、５層である場合について説明したが、本発明はこれに限らず、３層、９層、１３層でもよい。いずれの場合も最表面は、Cu層であるのが好ましい。

上記実施形態の場合、放熱基板は、矩形状である場合について説明したが、本発明はこれに限られず、正方形でもよい。

１０ 放熱基板
１２ Cu層
１４ 金属A層

Claims (5)

1. Cu層と、金属Aからなる金属A層とが、交互に積層された放熱基板において、
   前記Cu層と前記金属A層とが厚さ方向に対称に合計３、５、９又は１３層積層され、
   側面において、前記金属A層の少なくとも一部が前記Cu層によって覆われており、
   800〜850℃で5〜20分間加熱後の反り変形量が、10mm当たり0.05mm以下であることを特徴とする放熱基板。
2. 前記金属Aが、Mo又はWであることを特徴とする請求項１記載の放熱基板。
3. Cu層と、金属Aからなる金属A層とが、交互に積層された放熱基板の製造方法において、
   厚さ方向に対称に合計３、５、９又は１３層積層された前記Cu層と前記金属A層とを一体化する工程と、
   打ち抜き加工により所定の大きさの積層体を切り出す工程と、
   切り出された前記積層体に対し、前記打ち抜き加工によって生じた反り変形と対称となる変形量を加える工程と、
   対称となる変形量が加えられた前記積層体を平坦にする工程と
   を備えることを特徴とする放熱基板の製造方法。
4. 前記積層体を平坦にする工程は、850〜1000℃で加熱しながら行うことを特徴とする請求項３記載の放熱基板の製造方法。
5. 前記金属Aが、Mo又はWであることを特徴とする請求項３又は４記載の放熱基板の製造方法。
   

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