JP2018041868A - Heat dissipation substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子部品に適用される放熱基板に関する。 The present invention relates to a heat dissipation substrate applied to an electronic component.
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接合されていると共に、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ろう付けされる。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。 In electric vehicles, hybrid vehicles and wind power generation, power modules are used as power control components. In power modules, an insulating substrate made of ceramics and a heat dissipation substrate made of metal are joined together, and semiconductor devices, especially LSIs, ICs, power transistors, etc. that operate at high power are connected via a joining material. It is brazed. Semiconductor devices that operate with high power generate heat during use.
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、製造時だけでなく、使用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。 The heat dissipation substrate is required to efficiently diffuse and dissipate heat generated from these semiconductor devices. However, since the power module is a joined body made of different materials as described above, an internal stress is generated not only at the time of manufacture but also by temperature change at the time of use. There is a problem that the heat dissipation substrate is deformed by the internal stress. Therefore, it is desired that the heat dissipation substrate has high mechanical strength and high thermal conductivity.
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。 On the other hand, for example, Patent Document 1 discloses a clad material in which a Cu layer, a Mo layer, and a Cu layer are sequentially laminated as a heat dissipation substrate having a three-layer structure. By changing the volume ratio of Mo in this three-layer clad material in the range of 20% to 99.6%, the thermal conductivity and thermal expansion coefficient are controlled, higher thermal conductivity than Mo alone, and higher than Cu alone. Also obtained with a small thermal expansion coefficient.
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。
Patent Document 2 discloses a relationship between a thermal expansion coefficient of a clad material having a three-layer structure in which a Cu layer, a Mo layer, and a Cu layer are sequentially laminated and a volume ratio of Cu. In the clad material having this structure, when the Mo layer is one layer, for example, in order to make the
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。 Further, Patent Document 3 discloses a clad material in which five or more Cu layers and Mo layers are alternately laminated. In this case, by laminating five or more layers, a clad material having a smaller thermal expansion coefficient and a higher thermal conductivity can be obtained.
放熱基板は、接合される半導体デバイスの信頼性を確保するため、半導体デバイスの動作温度である150℃付近の温度において半導体デバイスの熱膨張係数に近いことが必要である。そのため、放熱基板は、熱膨張係数が低い金属で構成された層が全体に占める体積比率を10%超にする必要がある。上記のように構成された放熱基板は、セラミックス基板より熱膨張係数が小さい。したがって放熱基板は、組立時のろう付けにおける加熱温度(例えば800℃)では、セラミックス基板の方がより大きく熱変形するため、冷却後において反り変形が生じる。 In order to ensure the reliability of the semiconductor device to be joined, the heat dissipation substrate needs to be close to the thermal expansion coefficient of the semiconductor device at a temperature around 150 ° C., which is the operating temperature of the semiconductor device. For this reason, the heat dissipation substrate needs to have a volume ratio exceeding 10% of the entire layer composed of a metal having a low thermal expansion coefficient. The heat dissipation substrate configured as described above has a smaller coefficient of thermal expansion than the ceramic substrate. Therefore, the heat dissipation substrate is warped and deformed after cooling because the ceramic substrate undergoes thermal deformation more greatly at the heating temperature (for example, 800 ° C.) during brazing during assembly.
本発明は、ろう付け後における反り変形を抑制することができる放熱基板を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the thermal radiation board which can suppress the curvature deformation after brazing.
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層が厚さ方向に非対称に積層されたことを特徴とする。 The heat dissipation substrate according to the present invention is characterized in that, in a heat dissipation substrate in which Cu layers and metal A layers made of metal A are alternately stacked, the Cu layers are stacked asymmetrically in the thickness direction.
本発明によれば、放熱基板は、Cu層が厚さ方向に非対称に積層されていることにより、銀ロウ付け後における反り変形が抑制される。 According to the present invention, since the Cu layer is laminated asymmetrically in the thickness direction, warpage deformation after silver brazing is suppressed in the heat dissipation substrate.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1に示す放熱基板10Aは、矩形状であって、Cu又はCu合金からなるCu層12,14,16と、金属Aからなる金属A層18とが、交互に積層されている。放熱基板10A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10Aは、厚さ方向の中央にCu層14、当該Cu層14の両側に金属A層18、さらに外表面にそれぞれCu層12,16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。
The
放熱基板10Aは、厚さ方向に非対称に形成されている。すなわち放熱基板10Aは、厚さ方向の中心から数えて同じ位置にあるCu層12,16が、異なる厚さである。本図の場合、一表面側に配置されるCu層12の厚さが、一表面と反対側の他表面側に配置されるCu層16の厚さより、厚い。また金属A層18は互いに同じ厚さである。Cu層12の厚さは、Cu層14,16の厚さより、少なくとも0.02mm厚いのが好ましい。Cu層12の厚さは、例えば、0.30〜0.60mm、Cu層14,16の厚さは、例えば、0.25〜0.55mmの範囲で選択とすることができる。Cu層12の厚さが、上記上限以下であれば、金属A層18による低熱膨張の効果が得られるので、信頼性が損なわれることもない。またCu層12の厚さが、上記下限以上であれば、十分な機械的強度が得られる。また金属A層18の厚さは、0.03〜0.10mmとすることができる。
The
次に上記のように構成された放熱基板10Aの製造方法について説明する。放熱基板10Aは、Cu板と金属A板を接合する工程と、放熱基板10Aを切り出す工程とにより製造することができる。
Next, a method for manufacturing the
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12,14,16と金属A層18が交互に重なった5層からなる接合体が得られる。
In the process of joining the Cu plate and the metal A plate, hot pressing is performed in which five layers of the Cu plate and the metal A plate are alternately stacked and pressed in a uniaxial direction at a high temperature. Specifically, it is performed using a press machine under conditions of a pressure of 1 to 10 MPa and a temperature of 925 to 1025 ° C. The atmosphere during hot pressing is preferably an atmosphere that does not contain oxygen in order to prevent Cu oxidation. For example, a reducing gas atmosphere, a nitrogen atmosphere, an argon atmosphere, a helium atmosphere, or a vacuum is preferred. . By the above-described process, a bonded body composed of five layers in which the
次いで、放熱基板10A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、所定の大きさの放熱基板10A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、放熱基板10Aを打ち抜く。
Next, a process of cutting out the
上記のように製造された放熱基板10Aは、図2に示すように、一表面側に銀ロウを含む接合部21を介してセラミックス基板20が接合される。通常、放熱基板10Aとセラミックス基板20を銀ロウによって接合する際、800℃〜830℃に加熱される。
As shown in FIG. 2, the
加熱されることによって、放熱基板10Aとセラミックス基板20は、熱膨張する。加熱温度が800℃以上になると、銀ロウが溶解し、放熱基板10Aとセラミックス基板20の間に流れ込み、固化することで放熱基板10Aとセラミックス基板20を接合する。
By being heated, the
冷却されると、放熱基板10Aとセラミックス基板20は、それぞれ熱収縮する。本実施形態の場合、放熱基板10Aは、Cu層12,14,16が厚さ方向に非対称に積層されていることにより、銀ロウ付け後における反り変形が抑制される。
When cooled, the
放熱基板10Aとセラミックス基板20の熱膨張率の差に応じ、放熱基板10Aとセラミックス基板20の間に熱応力が生じる。セラミックス基板20に接する一表面側のCu層12の厚さが、他表面側のCu層16より厚いので、放熱基板10Aは、一表面側の方が他表面側より熱膨張率が大きい。したがって放熱基板10Aは、厚さ方向に対称な従来の放熱基板10Aに比べ、一表面側においてセラミックス基板20との熱膨張差が小さいため、セラミックス基板20との間の熱応力が小さくなる。上記の通り放熱基板10Aは、セラミックス基板20との間の熱応力が小さいので、反りが抑制される。さらにCuは塑性変形しやすいため、Cu層12が塑性変形することにより、放熱基板10Aの反りが抑制されると考えられる。
A thermal stress is generated between the
本実施形態の場合、放熱基板10Aは、積層されたCu層12,14,16と金属A層18とを備えることにより、CuとMoとからなる複合合金を芯材として備える従来の放熱基板に比べ、より薄い金属A層18で高い機械的強度を得ることができる。したがって、放熱基板10Aは、金属A層18を薄くすることができるので、より高い熱伝導性を得ることができる。
In the case of the present embodiment, the
(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。
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed within the scope of the gist of the present invention.
上記実施形態の場合、金属A層18は、同じ厚さである場合について説明したが、本発明はこれに限らない。図1と同じ構成について同じ符号を付した図3を参照して変形例を説明する。本図に示すように、放熱基板10Bは、セラミックス基板が接合される一表面側に配置される前記金属A層18の厚さより、前記一表面と反対側の他表面側に配置される前記金属A層22の厚さが厚い。金属A層22の厚さは、金属A層18の厚さより、少なくとも0.02mm厚いのが好ましい。金属A層22の厚さは、例えば、0.05〜0.15mmの範囲で選択することができる。放熱基板10Bは、機械的剛性が高い前記金属A層22を他表面側に配置したことにより、反りをより抑制することができる。金属A層22の厚さが、上記上限以下であれば、放熱基板10Bとセラミックス基板の熱膨脹率差による反りを本発明の効果により抑制することができる。また金属A層22の厚さが、上記下限以上であれば、金属A層22による低熱膨張化の効果と高い機械的剛性の効果が得られる。
In the case of the above embodiment, the case where the
上記実施形態の場合、放熱基板10A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、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。放熱基板10Aは、5層であることにより、金属A層を2層以上含む。したがって変形例に示すように、一表面側と他表面側の金属A層18,22の厚さを変えることにより、反りをより抑制することができる。
In the case of the above-described embodiment, the case where the
10A,10B 放熱基板
12,14,16 Cu層
18,22 金属A層
20 セラミックス基板
10A, 10B
Claims (5)
The heat dissipation substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal A is Mo or W.
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