JP2018056275A - Circuit board-attached heat sink and method for manufacturing the same - Google Patents
Circuit board-attached heat sink and method for manufacturing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018056275A JP2018056275A JP2016189560A JP2016189560A JP2018056275A JP 2018056275 A JP2018056275 A JP 2018056275A JP 2016189560 A JP2016189560 A JP 2016189560A JP 2016189560 A JP2016189560 A JP 2016189560A JP 2018056275 A JP2018056275 A JP 2018056275A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- plate
- circuit board
- heat sink
- low expansion
- intermediate plate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Description
本発明は、回路基板付きヒートシンク及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a heat sink with a circuit board and a manufacturing method thereof.
インバータやコンバータ等の電力変換装置には、セラミックス板の両面に金属板が接合された回路基板と、回路基板における一方の金属板に接合されたヒートシンクとを有する回路基板付きヒートシンクが組み込まれている。回路基板における他方の金属板には、電力回路を構成する半導体素子などがはんだ付により搭載されている。これらの金属板としては、銅材(同及び銅合金を含む。以下同様。)が多用されている。また、ヒートシンクは、軽量化を目的として、アルミニウム材(アルミニウム及びアルミニウム合金を含む。以下同様。)から構成されていることがある。 Power converters such as inverters and converters incorporate a heat sink with a circuit board having a circuit board in which metal plates are bonded to both surfaces of a ceramic plate and a heat sink bonded to one metal plate in the circuit board. . On the other metal plate of the circuit board, a semiconductor element constituting the power circuit is mounted by soldering. As these metal plates, copper materials (including the same and copper alloys; the same shall apply hereinafter) are frequently used. The heat sink may be made of an aluminum material (including aluminum and an aluminum alloy; the same applies hereinafter) for the purpose of weight reduction.
この種の回路基板付きヒートシンクにおいて、異種金属を接合する場合には、接合の信頼性の観点から、拡散接合が適用されることがある(特許文献1)。拡散接合においては、ヒートシンクと回路基板とを重ね合わせて被処理物を組み立てた後、回路基板をヒートシンク側に押圧しながら被処理物を加熱することにより、金属板とヒートシンクとを接合している。 In this type of heat sink with a circuit board, when bonding dissimilar metals, diffusion bonding may be applied from the viewpoint of bonding reliability (Patent Document 1). In diffusion bonding, a metal plate and a heat sink are joined by heating the workpiece while pressing the circuit board against the heat sink after assembling the workpiece by superimposing the heat sink and the circuit board. .
しかし、回路基板におけるセラミックス板の熱膨張係数と、ヒートシンクを構成するアルミニウム材の熱膨張係数とは大きく異なっている。そのため、金属板とヒートシンクとの接合が完了した後に被処理物を冷却すると、セラミックス板とヒートシンクとの収縮量に差が生じる。その結果、拡散接合が完了した後の回路基板付きヒートシンクにおいて、セラミックス板に反り及び残留応力が発生する。 However, the thermal expansion coefficient of the ceramic plate in the circuit board is greatly different from the thermal expansion coefficient of the aluminum material constituting the heat sink. Therefore, when the object to be processed is cooled after the joining of the metal plate and the heat sink is completed, a difference occurs in the amount of contraction between the ceramic plate and the heat sink. As a result, warping and residual stress are generated in the ceramic plate in the heat sink with a circuit board after diffusion bonding is completed.
また、拡散接合後の回路基板は、拡散層を介してヒートシンクに拘束されている。そのため、例えば半導体素子のはんだ付作業の際や、半導体素子の発熱等により回路基板及びヒートシンクの温度が上昇した際に、セラミックス板の中心付近に引張応力が生じるとともに、セラミックス板に反りが生じる。そして、これらの引張応力や反りが過度に大きい場合には、セラミックス板に割れが発生するおそれがある。 The circuit board after diffusion bonding is constrained by a heat sink via a diffusion layer. For this reason, for example, when the temperature of the circuit board and the heat sink rises due to the soldering operation of the semiconductor element or due to heat generation of the semiconductor element, a tensile stress is generated near the center of the ceramic plate and the ceramic plate is warped. And when these tensile stress and curvature are too large, there exists a possibility that a crack may generate | occur | produce in a ceramic board.
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、長期間に亘ってセラミックス板の割れを抑制することができる回路基板付きヒートシンク及びその製造方法を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such a background, and an object of the present invention is to provide a heat sink with a circuit board capable of suppressing cracking of a ceramic plate over a long period of time and a method for manufacturing the same.
本発明の一態様は、平板状を呈するベース部を備えたアルミニウム材よりなるヒートシンク本体と、
銅材よりも低い線膨張係数を有し、上記ベース部上に接合された低膨張板と、
上記低膨張板上に接合されたアルミニウム材よりなる中間板と、
上記中間板上に配置された回路基板とを有しており、
上記回路基板は、
上記中間板上に接合された銅材からなる裏面金属層と、
上記裏面金属層上に積層されたセラミックス板と、
上記セラミックス板上に積層された銅材からなる回路金属層とを有しており、
上記ベース部と上記低膨張板との接合部、上記低膨張板と上記中間板との接合部及び上記中間板と上記裏面金属層との接合部は、被接合部材を構成する元素を含む拡散層を有している、回路基板付きヒートシンクにある。
One aspect of the present invention is a heat sink body made of an aluminum material provided with a base portion having a flat plate shape,
A low expansion plate having a linear expansion coefficient lower than that of the copper material and bonded onto the base portion;
An intermediate plate made of an aluminum material joined on the low expansion plate;
A circuit board disposed on the intermediate plate,
The circuit board is
A back metal layer made of a copper material joined on the intermediate plate;
A ceramic plate laminated on the back metal layer;
A circuit metal layer made of a copper material laminated on the ceramic plate,
The joint part between the base part and the low expansion plate, the joint part between the low expansion plate and the intermediate plate, and the joint part between the intermediate plate and the back metal layer are diffusions containing an element constituting the member to be joined. A heat sink with a circuit board having a layer.
本発明の他の態様は、上記の態様の回路基板付きヒートシンクの製造方法であって、
上記ベース部、上記低膨張板、上記中間板及び上記裏面金属層の表面に存在する自然酸化膜を除去する表面処理を行い、
上記ベース部と、該ベース部上に載置された上記低膨張板と、該低膨張板上に載置された上記中間板と、該中間板と上記裏面金属層とが当接するように載置された上記回路基板とを有する被処理物を組み立て、
上記回路基板を上記ベース部側に押圧しつつ上記被処理物を加熱して、拡散接合により隣り合う部材の境界に一括して上記拡散層を形成する、回路基板付きヒートシンクの製造方法にある。
Another aspect of the present invention is a method of manufacturing a heat sink with a circuit board according to the above aspect,
Performing a surface treatment to remove the natural oxide film present on the surfaces of the base portion, the low expansion plate, the intermediate plate and the back surface metal layer;
The base portion, the low expansion plate placed on the base portion, the intermediate plate placed on the low expansion plate, and the intermediate plate and the back metal layer are in contact with each other. Assembling an object to be processed having the circuit board placed thereon,
In the method of manufacturing a heat sink with a circuit board, the object to be processed is heated while pressing the circuit board toward the base portion, and the diffusion layer is collectively formed at the boundary between adjacent members by diffusion bonding.
上記回路基板付きヒートシンク(以下、「ヒートシンク」という。)における上記ベース部上には、上記低膨張板、上記中間板、上記裏面金属層、上記セラミックス板及び上記回路金属層が順次積層されている。即ち、上記ヒートシンクは、上述した積層構造における最も外側に、アルミニウム材からなる上記ベース部と銅材からなる上記回路金属層とが配置されており、その内側に、銅材よりも線膨張係数が低い上記低膨張板と上記セラミックス板とが配置されている。そして、上記低膨張板と上記セラミックス板との間には、アルミニウム材からなる中間板と裏面金属層とが配置されている。 The low expansion plate, the intermediate plate, the back metal layer, the ceramic plate, and the circuit metal layer are sequentially laminated on the base portion of the heat sink with a circuit board (hereinafter referred to as “heat sink”). . That is, the heat sink has the base portion made of an aluminum material and the circuit metal layer made of a copper material arranged on the outermost side in the laminated structure described above, and has a linear expansion coefficient on the inner side than the copper material. The low low expansion plate and the ceramic plate are disposed. An intermediate plate made of an aluminum material and a back metal layer are disposed between the low expansion plate and the ceramic plate.
このように、アルミニウム材や銅材からなる層と、これらの材料よりも低い線膨張係数を有する材料からなる層とが対称的に配置された積層構造においては、温度が変化した際に上記セラミックス板に生じる反りの向きが、上記低膨張板に生じる反りの向きとは反対方向となる。そして、両者の反りが相殺される結果、接合完了時の上記セラミックス板の反りを低減するとともに、その後の温度変化によって生じる上記セラミックス板の反りを低減することができる。その結果、長期間に亘ってセラミックス板の割れを抑制することができる。 As described above, in a laminated structure in which a layer made of an aluminum material or a copper material and a layer made of a material having a lower linear expansion coefficient than these materials are arranged symmetrically, the above ceramics can be used when the temperature changes. The direction of the warp generated in the plate is opposite to the direction of the warp generated in the low expansion plate. As a result of canceling out the warpage of the two, it is possible to reduce the warpage of the ceramic plate at the time of completion of joining, and to reduce the warpage of the ceramic plate caused by the subsequent temperature change. As a result, cracking of the ceramic plate can be suppressed over a long period of time.
また、上記の態様の製造方法においては、上述した部品を重ね合わせて上記被処理物を組み立てた後、一括して拡散接合を行う。これにより、上記ヒートシンクを容易に作製することができる。 Moreover, in the manufacturing method of said aspect, after superposing | stacking the components mentioned above and assembling the said to-be-processed object, diffusion bonding is performed collectively. Thereby, the said heat sink can be produced easily.
上記ヒートシンクにおいて、ヒートシンク本体は、平板状を呈するベース部を有している。ベース部の厚み方向における一方側には、拡散層を介して低膨張板が接合されている。また、ベース部の厚み方向における他方側には、ヒートシンク本体とは別体に構成されたピンフィンやプレートフィン、コルゲートフィン等の放熱フィンが取り付けられていてもよい。これらの放熱フィンはヒートシンク本体と一体的に形成することもできる。 In the heat sink, the heat sink body has a flat base portion. A low expansion plate is joined to one side of the base portion in the thickness direction via a diffusion layer. Further, a heat radiating fin such as a pin fin, a plate fin, or a corrugated fin, which is configured separately from the heat sink main body, may be attached to the other side in the thickness direction of the base portion. These heat radiation fins can also be formed integrally with the heat sink body.
上記ベース部の厚みは、上記回路金属層の厚みの1.0〜1.5倍であることが好ましい。このように、回路金属層の厚みとベース部の厚みとを同程度にすることにより、上記セラミックス板に生じる反りと、上記低膨張板に生じる反りとをより効果的に相殺することができる。その結果、上記セラミックス板の反りをより効果的に低減することができる。 The thickness of the base portion is preferably 1.0 to 1.5 times the thickness of the circuit metal layer. In this way, by making the thickness of the circuit metal layer and the thickness of the base portion approximately the same, the warpage occurring in the ceramic plate and the warpage occurring in the low expansion plate can be more effectively offset. As a result, the warpage of the ceramic plate can be more effectively reduced.
セラミックス板の反りをより効果的に低減するためには、ベース部の厚みを回路金属層の厚みに近付けることが好ましい。かかる観点からは、ベース部の厚みを回路金属層の厚みの1.0〜1.3倍とすることがより好ましく、1.0〜1.2倍とすることがさらに好ましい。 In order to more effectively reduce the warpage of the ceramic plate, it is preferable to bring the thickness of the base portion close to the thickness of the circuit metal layer. From this viewpoint, the thickness of the base portion is more preferably 1.0 to 1.3 times the thickness of the circuit metal layer, and further preferably 1.0 to 1.2 times.
また、ヒートシンク本体は、さらに、ベース部の外周端縁から立設され、低膨張板、中間板及び回路基板の周囲に配置された外枠部を有していてもよい。外枠部は、上記ヒートシンクの製造過程において、ベース部上に載置した低膨張板、中間板及び回路基板の位置ずれを容易に抑制することができる。 The heat sink body may further include an outer frame portion that is provided upright from the outer peripheral edge of the base portion and is disposed around the low expansion plate, the intermediate plate, and the circuit board. The outer frame portion can easily suppress the displacement of the low expansion plate, the intermediate plate, and the circuit board placed on the base portion in the manufacturing process of the heat sink.
上記外枠部の高さは、上記回路金属層の高さに対して0.9〜1.1倍であることが好ましい。外枠部の高さを上記特定の範囲とすることにより、上記ヒートシンクを作製する際に、低膨張板等の位置ずれをより抑制することができる。また、回路基板上に半導体素子等を搭載する作業における作業性をより向上させることができる。ここで、外枠部の高さ及び回路金属層の高さは、ベース部における、低膨張板が配置された板面の裏面を基準として計測した高さとする。 The height of the outer frame portion is preferably 0.9 to 1.1 times the height of the circuit metal layer. By setting the height of the outer frame portion within the specific range, it is possible to further suppress the displacement of the low expansion plate or the like when the heat sink is manufactured. In addition, the workability in the work of mounting a semiconductor element or the like on the circuit board can be further improved. Here, the height of the outer frame portion and the height of the circuit metal layer are heights measured with reference to the back surface of the plate surface on which the low expansion plate is disposed in the base portion.
外枠部の高さが回路金属層の高さに対して0.9倍未満の場合には、上記ヒートシンクの製造過程において、回路基板等の位置がずれ易くなるおそれがある。外枠部の高さが回路金属層の高さに対して1.1倍を超える場合には、ヒートシンク本体の質量増大を招くおそれがある。また、この場合には、回路基板上に半導体素子等を搭載する作業において、外枠部の存在により作業性が低下するおそれがある。 When the height of the outer frame portion is less than 0.9 times the height of the circuit metal layer, the position of the circuit board or the like may be easily displaced in the manufacturing process of the heat sink. When the height of the outer frame portion exceeds 1.1 times the height of the circuit metal layer, there is a risk of increasing the mass of the heat sink body. In this case, in the work of mounting a semiconductor element or the like on the circuit board, workability may be reduced due to the presence of the outer frame portion.
ヒートシンク本体の材質は、要求される機械的特性や耐食性、加工性等に応じて公知のアルミニウム及びアルミニウム合金の中から適宜選択することができる。 The material of the heat sink body can be appropriately selected from known aluminum and aluminum alloys according to required mechanical properties, corrosion resistance, workability, and the like.
例えば、ヒートシンク本体は、6000系アルミニウム合金から構成されていてもよい。6000系アルミニウム合金は高いクリープ強さを有している。そのため、この場合には、ヒートシンク本体のクリープ変形をより抑制することができる。その結果、上記ヒートシンクの形状の変化をより効果的に抑制することができ、ひいては上記ヒートシンクの信頼性をより向上させることができる。 For example, the heat sink body may be made of a 6000 series aluminum alloy. The 6000 series aluminum alloy has a high creep strength. Therefore, in this case, creep deformation of the heat sink body can be further suppressed. As a result, a change in the shape of the heat sink can be suppressed more effectively, and as a result, the reliability of the heat sink can be further improved.
低膨張板は、拡散層を介してベース部に接合されている。低膨張板の厚みは、上記セラミックス板の厚みの0.5〜2.0倍であることが好ましい。このように、セラミックス板の厚みと低膨張板の厚みとを同程度にすることにより、上記セラミックス板に生じる反りと、上記低膨張板に生じる反りとをより効果的に相殺することができる。その結果、上記セラミックス板の反りを効果的に低減することができる。 The low expansion plate is joined to the base portion via the diffusion layer. The thickness of the low expansion plate is preferably 0.5 to 2.0 times the thickness of the ceramic plate. Thus, by making the thickness of the ceramic plate and the thickness of the low expansion plate approximately the same, it is possible to more effectively offset the warpage generated in the ceramic plate and the warp generated in the low expansion plate. As a result, the warp of the ceramic plate can be effectively reduced.
セラミックス板の反りをより効果的に低減するためには、低膨張板の厚みをセラミックス板の厚みに近付けることが好ましい。かかる観点からは、低膨張板の厚みをセラミックス板の厚みの1.0〜2.0倍とすることがより好ましく、1.25〜1.75倍とすることがさらに好ましく、1.5〜1.6倍とすることが特に好ましい。 In order to more effectively reduce the warpage of the ceramic plate, it is preferable to bring the thickness of the low expansion plate close to the thickness of the ceramic plate. From this viewpoint, the thickness of the low expansion plate is more preferably 1.0 to 2.0 times the thickness of the ceramic plate, further preferably 1.25 to 1.75 times, and more preferably 1.5 to A ratio of 1.6 times is particularly preferable.
低膨張板及びセラミックス板の線膨張係数は、2〜10ppm/Kであることが好ましい。この場合には、回路基板のセラミックス板と同程度の線膨張係数となるため、セラミックス板に生じる反りと、低膨張板に生じる反りとを効果的に相殺することができる。その結果、セラミックス板の反りを効果的に低減し、セラミックス板の割れを長期間に亘って抑制することができる。セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制する観点からは、低膨張板及びセラミックス板の線膨張係数を2〜9ppm/Kとすることがより好ましく、3〜8ppm/Kとすることがさらに好ましい。 The linear expansion coefficient of the low expansion plate and the ceramic plate is preferably 2 to 10 ppm / K. In this case, since the coefficient of linear expansion is the same as that of the ceramic plate of the circuit board, the warp generated in the ceramic plate and the warp generated in the low expansion plate can be effectively offset. As a result, the warpage of the ceramic plate can be effectively reduced and cracking of the ceramic plate can be suppressed over a long period of time. From the viewpoint of suppressing cracking of the ceramic plate for a longer period, the linear expansion coefficient of the low expansion plate and the ceramic plate is more preferably 2 to 9 ppm / K, and further preferably 3 to 8 ppm / K. preferable.
上記特定の範囲の線膨張係数を有する材料としては、例えば、タングステン(W)、タングステン合金、モリブデン(Mo)、モリブデン合金、鉄(Fe)−ニッケル(Ni)36%合金等の金属;タングステンやモリブデン等の線膨張係数の低い金属層と銅層とが積層された積層材料;ダイヤモンド分散複合銅材料やセラミック分散銅材料等の複合材料を採用することができる。 Examples of the material having a linear expansion coefficient in the specific range include metals such as tungsten (W), tungsten alloy, molybdenum (Mo), molybdenum alloy, and iron (Fe) -nickel (Ni) 36% alloy; A laminated material in which a metal layer having a low linear expansion coefficient such as molybdenum and a copper layer are laminated; a composite material such as a diamond dispersed composite copper material or a ceramic dispersed copper material can be employed.
低膨張板は、複数の金属層が積層された多層構造を有していることが好ましい。この場合には、ベース部または中間板に接合される板面にアルミニウム材と容易に拡散接合が可能な金属層を配置することにより、低膨張板による反りの低減効果を得つつ、ベース部及び中間板との拡散接合をより容易に行うことができる。 The low expansion plate preferably has a multilayer structure in which a plurality of metal layers are laminated. In this case, by arranging a metal layer that can be easily diffusion-bonded to the aluminum material on the plate surface to be bonded to the base portion or the intermediate plate, the base portion and Diffusion bonding with the intermediate plate can be performed more easily.
多層構造を有する低膨張板としては、例えば、タングステンやモリブデン等の線膨張係数の低い金属層の片面または両面に銅層が積層された積層材料を採用することができる。 As the low expansion plate having a multilayer structure, for example, a laminated material in which a copper layer is laminated on one side or both sides of a metal layer having a low linear expansion coefficient such as tungsten or molybdenum can be employed.
また、上記低膨張板の線膨張係数は、上記セラミックス板の線膨張係数の0.85〜2.3倍であることがさらに好ましい。この場合には、接合時及び接合後にセラミックス板に生じる応力や反りをより効果的に相殺することができる。その結果、セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制することができる。 The linear expansion coefficient of the low expansion plate is more preferably 0.85 to 2.3 times the linear expansion coefficient of the ceramic plate. In this case, stress and warpage generated in the ceramic plate during and after bonding can be more effectively offset. As a result, cracking of the ceramic plate can be suppressed over a longer period.
セラミックス板の反りをより効果的に低減するためには、低膨張板の線膨張係数をセラミックス板の線膨張係数に近付けることが好ましい。かかる観点からは、低膨張板の線膨張係数をセラミックス板の線膨張係数の1.0〜1.75倍とすることがより好ましく、1.1〜1.5倍とすることがさらに好ましく、1.2〜1.3倍とすることが特に好ましい。 In order to more effectively reduce the warpage of the ceramic plate, it is preferable to bring the linear expansion coefficient of the low expansion plate closer to the linear expansion coefficient of the ceramic plate. From this viewpoint, the linear expansion coefficient of the low expansion plate is more preferably 1.0 to 1.75 times the linear expansion coefficient of the ceramic plate, and even more preferably 1.1 to 1.5 times. It is especially preferable to set it as 1.2 to 1.3 times.
低膨張板の形状は、外枠部の内側に配置可能な形状であれば、特に限定されることはない。例えば、低膨張板は、正方形状あるいは長方形状を呈していてもよい。この場合、低膨張板の厚み方向から視た平面視において、低膨張板の外周端縁における角部が円弧状を呈するように、角部を丸めることもできる。この場合には、接合時及び接合後に生じるセラミックス板の角部への応力集中をより効果的に緩和することができる。その結果、セラミックス板の割れをより長期間に亘って抑制することができる。 The shape of the low expansion plate is not particularly limited as long as it is a shape that can be arranged inside the outer frame portion. For example, the low expansion plate may have a square shape or a rectangular shape. In this case, in a plan view as viewed from the thickness direction of the low expansion plate, the corner portion can be rounded so that the corner portion at the outer peripheral edge of the low expansion plate has an arc shape. In this case, the stress concentration on the corners of the ceramic plate that occurs during and after joining can be more effectively mitigated. As a result, cracking of the ceramic plate can be suppressed over a longer period.
また、低膨張板は、格子状の構造を有していてもよい。この場合には、低膨張板をより軽量化することができ、ひいては上記ヒートシンクをより軽量化することができる。 The low expansion plate may have a lattice structure. In this case, the low expansion plate can be further reduced in weight, and thus the heat sink can be further reduced in weight.
中間板は、拡散層を介して低膨張板に接合されている。中間板は、例えば、純度99.0〜99.85%のアルミニウムから構成されていてもよい。低膨張板の純度を99.0%以上とすることにより、中間板の熱伝導率をより高くすることができる。その結果、上記ヒートシンクの冷却性能をより向上させることができる。一方、低膨張板の純度が過度に高くなると、材料コストの増大を招く。低膨張板の純度を99.85%以下とすることにより、材料コストの増大を回避することができる。 The intermediate plate is joined to the low expansion plate via the diffusion layer. For example, the intermediate plate may be made of aluminum having a purity of 99.0 to 99.85%. By setting the purity of the low expansion plate to 99.0% or more, the thermal conductivity of the intermediate plate can be further increased. As a result, the cooling performance of the heat sink can be further improved. On the other hand, when the purity of the low expansion plate becomes excessively high, the material cost increases. By setting the purity of the low expansion plate to 99.85% or less, an increase in material cost can be avoided.
また、中間板は、6000系アルミニウム合金から構成されていてもよい。6000系アルミニウム合金は、高いクリープ強さを有している。そのため、この場合には、セラミックス基板から受ける応力による中間板のクリープ変形をより効果的に抑制することができる。その結果、上記ヒートシンクの形状の変化をより効果的に抑制することができ、ひいては上記ヒートシンクの信頼性をより向上させることができる。 The intermediate plate may be made of a 6000 series aluminum alloy. The 6000 series aluminum alloy has a high creep strength. Therefore, in this case, creep deformation of the intermediate plate due to stress received from the ceramic substrate can be more effectively suppressed. As a result, a change in the shape of the heat sink can be suppressed more effectively, and as a result, the reliability of the heat sink can be further improved.
中間板上には回路基板が配置されている。回路基板は、回路金属層、セラミックス板及び裏面金属層が順次積層された3層構造を有している。裏面金属層は、拡散層を介して中間板に接合されている。回路金属層及び裏面金属層としては、公知の銅または銅合金から構成された板材を採用することができる。 A circuit board is disposed on the intermediate plate. The circuit board has a three-layer structure in which a circuit metal layer, a ceramic plate, and a back metal layer are sequentially laminated. The back metal layer is joined to the intermediate plate via the diffusion layer. As the circuit metal layer and the back metal layer, a plate material made of known copper or copper alloy can be employed.
回路金属層の厚みと裏面金属層の厚みとは、同一であってもよく、異なっていてもよい。回路金属層の厚み及び裏面金属層の厚みは、0.1〜1.0mmの範囲内であることが好ましい。これらの厚みを0.1mm以上とすることにより、回路基板に搭載された発熱体の熱を効率よく拡散することができる。その結果、ヒートシンクの冷却性能をより向上させることができる。一方、これらの厚みが過度に厚い場合には、寸法精度の低下を招くおそれがある。寸法精度の低下を回避する観点から、回路金属層の厚み及び裏面金属層の厚みは1.0mm以下であることが好ましい。 The thickness of the circuit metal layer and the thickness of the back surface metal layer may be the same or different. The thickness of the circuit metal layer and the thickness of the back metal layer are preferably in the range of 0.1 to 1.0 mm. By setting these thicknesses to 0.1 mm or more, the heat of the heating element mounted on the circuit board can be efficiently diffused. As a result, the cooling performance of the heat sink can be further improved. On the other hand, when these thicknesses are excessively large, there is a risk of dimensional accuracy being lowered. From the viewpoint of avoiding a decrease in dimensional accuracy, the thickness of the circuit metal layer and the thickness of the back surface metal layer are preferably 1.0 mm or less.
セラミックス板は、2〜10ppm/Kの線膨張係数を有するセラミックス材料から構成されている。セラミックス板の材質としては、具体的には、アルミナ等の酸化物系セラミックスや、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物系セラミックスを採用することができる。 The ceramic plate is made of a ceramic material having a linear expansion coefficient of 2 to 10 ppm / K. Specifically, oxide ceramics such as alumina, and nitride ceramics such as aluminum nitride and silicon nitride can be employed as the material of the ceramic plate.
上記中間板の外周端縁は上記裏面金属層の外周端縁よりも外方に延出しており、上記低膨張板の外周端縁は上記中間板の外周端縁よりも外方に延出しており、上記中間板の外周端縁及び上記低膨張板の外周端縁は、それぞれ、上記回路基板側に突出した突出部を有していてもよい。この場合には、上記ヒートシンクの製造過程において、低膨張板上に中間板及び回路基板を重ね合わせる際の位置決めをより容易に行うことができる。その結果、上記ヒートシンクをより容易に製造することができる。また、低膨張板と中間板との隙間及び中間板と裏面金属層との隙間を小さくすることができるため、冷却性能の更なる向上という効果も期待することができる。 The outer peripheral edge of the intermediate plate extends outward from the outer peripheral edge of the back metal layer, and the outer peripheral edge of the low expansion plate extends outward from the outer peripheral edge of the intermediate plate. And the outer periphery edge of the said intermediate | middle board and the outer periphery edge of the said low expansion board may each have the protrusion part which protruded in the said circuit board side. In this case, in the manufacturing process of the heat sink, positioning when the intermediate plate and the circuit board are overlaid on the low expansion plate can be performed more easily. As a result, the heat sink can be manufactured more easily. Moreover, since the clearance gap between a low expansion board and an intermediate board and the clearance gap between an intermediate board and a back surface metal layer can be made small, the effect of the further improvement of cooling performance can also be anticipated.
上記突出部は、中間板及び低膨張板の製造工程中に突出部を形成するための工程を追加することにより、中間板及び低膨張板の外周端縁に積極的に形成されたものであってもよい。また、例えば中間板及び低膨張板の製造過程において生じるバリ等を上記突出部とすることもできる。 The protrusion is positively formed on the outer peripheral edge of the intermediate plate and the low expansion plate by adding a step for forming the protrusion during the manufacturing process of the intermediate plate and the low expansion plate. May be. Further, for example, burrs or the like generated in the manufacturing process of the intermediate plate and the low expansion plate can be used as the protruding portion.
即ち、上記ヒートシンクを製造するに当たっては、まず、上述した各構成部品を常法により準備する。ここで、低膨張板及び中間板の準備においては、これらの元板に、所定の寸法となるようにプレス打ち抜き加工を行う、あるいは、シャー切断加工を行うことがある。これらの加工は、生産性が高く、加工コストも低いという利点がある一方、加工後に低膨張板や中間板の外周端縁にバリが発生する。このようなバリは、その後の工程において製造上あるいは品質上のトラブルの原因となるおそれがある。しかし、バリを除去するための加工を追加すると、生産性や加工コストの面での利点が損なわれるおそれがある。 That is, in manufacturing the heat sink, first, the above-described components are prepared by a conventional method. Here, in the preparation of the low expansion plate and the intermediate plate, press punching processing or shear cutting processing may be performed on these base plates so as to have a predetermined dimension. While these processes have the advantages of high productivity and low processing cost, burrs are generated at the outer peripheral edges of the low expansion plate and the intermediate plate after processing. Such burrs may cause troubles in manufacturing or quality in subsequent processes. However, when processing for removing burrs is added, there is a possibility that advantages in terms of productivity and processing cost are impaired.
そこで、中間板の外周端縁が裏面金属層の外周端縁よりも外方に延出し、かつ、低膨張板の外周端縁が中間板の外周端縁よりも外方に延出するように、低膨張板及び中間板を作製することにより、これらの問題を回避することができる。この場合には、低膨張板及び中間板のバリを上記突出部として構成し、低膨張板及び中間板のバリと、これらの部品上に積層される部品との接触を回避することができる。その結果、バリによる製造上あるいは品質上のトラブルを回避しつつ、プレス打ち抜き加工等による利点を得ることができる。さらに、この場合には、上述した突出部による作用効果を奏することもできる。 Therefore, the outer peripheral edge of the intermediate plate extends outward from the outer peripheral edge of the back surface metal layer, and the outer peripheral edge of the low expansion plate extends outward from the outer peripheral edge of the intermediate plate. These problems can be avoided by producing a low expansion plate and an intermediate plate. In this case, the burr of the low expansion plate and the intermediate plate can be configured as the protruding portion, and contact between the burr of the low expansion plate and the intermediate plate and the components stacked on these components can be avoided. As a result, it is possible to obtain an advantage of press punching or the like while avoiding problems in manufacturing or quality due to burrs. Furthermore, in this case, it is also possible to achieve the operational effects of the above-described protrusions.
上記の作用効果を十分に得るためには、低膨張板の外周端縁の突出量、即ち、中間板の外周端縁から低膨張板の外周端縁までの距離は、0.1mm以上であればよい。同様に、中間板の外周端縁の突出量、即ち、裏面金属層の外周端縁から中間板の外周端縁までの距離は、0.1mm以上であればよい。 In order to sufficiently obtain the above effect, the protrusion amount of the outer peripheral edge of the low expansion plate, that is, the distance from the outer peripheral edge of the intermediate plate to the outer peripheral edge of the low expansion plate should be 0.1 mm or more. That's fine. Similarly, the protrusion amount of the outer peripheral edge of the intermediate plate, that is, the distance from the outer peripheral edge of the back metal layer to the outer peripheral edge of the intermediate plate may be 0.1 mm or more.
これらの突出量の上限は特に限定されるものではないが、ヒートシンクの小型化の観点からは、突出量を4.0mm以下とすることが好ましい。 Although the upper limit of these protrusion amount is not specifically limited, From a viewpoint of size reduction of a heat sink, it is preferable that protrusion amount shall be 4.0 mm or less.
また、上記製造方法においては、常法により各部品を準備した後、ベース部、低膨張板、中間板及び裏面金属層の表面に存在する自然酸化膜を除去する表面処理を行う。表面処理としては、例えば、これらの表面を酸により洗浄する方法を適用することができる。自然酸化膜を除去することにより、後の拡散接合の工程において、上記拡散層を容易に形成することができる。 Moreover, in the said manufacturing method, after preparing each component by a conventional method, the surface treatment which removes the natural oxide film which exists in the surface of a base part, a low expansion board, an intermediate | middle board, and a back surface metal layer is performed. As the surface treatment, for example, a method of washing these surfaces with an acid can be applied. By removing the natural oxide film, the diffusion layer can be easily formed in the subsequent diffusion bonding step.
上述の表面処理を行った後、各部品を順次重ね合わせて被処理物を組み立てる。その後、回路基板を上記ベース部側に押圧しつつ被処理物を加熱して拡散接合を行う。上記被処理物を真空中において加熱すると、被接合部材同士が当接している部分において、各部材を構成する原子が相互に拡散する。 After performing the surface treatment described above, the parts to be processed are assembled by sequentially superimposing the parts. Thereafter, the object to be processed is heated to perform diffusion bonding while pressing the circuit board toward the base portion. When the object to be processed is heated in a vacuum, the atoms constituting each member diffuse to each other in the portion where the members to be bonded are in contact with each other.
この相互拡散により、ベース部と低膨張板との間に、被接合部材を構成する元素、即ち、ベース部を構成する元素と低膨張板を構成する元素との両方を含む拡散層が形成される。また、低膨張板と中間板との間及び中間板と裏面金属層との間にも、上記と同様に、被接合部材を構成する元素を含む拡散層が形成される。以上の結果、拡散接合が完了した状態においては、拡散層を介して隣り合う被接合部材が接合される。 By this interdiffusion, a diffusion layer including an element constituting the member to be joined, that is, an element constituting the base portion and an element constituting the low expansion plate is formed between the base portion and the low expansion plate. The Further, similarly to the above, a diffusion layer containing an element constituting the member to be joined is formed between the low expansion plate and the intermediate plate and between the intermediate plate and the back surface metal layer. As a result, in the state where diffusion bonding is completed, adjacent members to be bonded are bonded via the diffusion layer.
拡散接合における加熱条件は、被接合部材の材質等に応じて公知の条件から適宜選択することができる。例えば、銅材とアルミニウム材との拡散接合を行う場合には、加熱時の真空度を10-1Pa以下、加熱温度を400〜545℃、保持時間を0.5〜6時間とすることができる。 The heating conditions in the diffusion bonding can be appropriately selected from known conditions according to the material of the member to be bonded. For example, when performing diffusion bonding between a copper material and an aluminum material, the degree of vacuum during heating is set to 10 −1 Pa or less, the heating temperature is set to 400 to 545 ° C., and the holding time is set to 0.5 to 6 hours. it can.
また、上記ヒートシンクの製造に当たっては、ベース部と低膨張板との間、低膨張板と中間板との間または中間板と裏面金属層との間に、必要に応じてインサート金属を介在させ、インサート金属を介して各部品の拡散接合を行ってもよい。この場合には、拡散接合の際に、被接合部材とインサート金属との当接部において、両者を構成する原子が相互に拡散する。 Further, in manufacturing the heat sink, an insert metal is interposed between the base portion and the low expansion plate, between the low expansion plate and the intermediate plate or between the intermediate plate and the back surface metal layer, if necessary. Diffusion bonding of each component may be performed via an insert metal. In this case, at the time of diffusion bonding, atoms constituting both are diffused to each other at the contact portion between the member to be bonded and the insert metal.
そのため、拡散接合後にインサート金属が残存している場合には、被接合部材とインサート金属との間に、被接合部材を構成する元素とインサート金属を構成する元素との両方を含む拡散層が形成される。また、拡散接合後にインサート金属が消失している場合には、隣り合う被接合部材の間に、被接合部材を構成する元素とインサート金属を構成する元素との両方を含む拡散層が形成される。以上の結果、拡散接合が完了した状態において、拡散層を介して上記各部品が接合される。 Therefore, when the insert metal remains after diffusion bonding, a diffusion layer containing both the element constituting the member to be joined and the element constituting the insert metal is formed between the member to be joined and the insert metal. Is done. In addition, when the insert metal disappears after diffusion bonding, a diffusion layer including both the element constituting the member to be joined and the element constituting the insert metal is formed between adjacent members to be joined. . As a result, in the state where the diffusion bonding is completed, the respective components are bonded via the diffusion layer.
インサート金属としては、例えば、金、銀、銅またはチタンなどを用いることができる。これらのインサート金属は、コールドスプレー、イオンプレーティング、真空蒸着またはスパッタリング等により上記各部材の表面に形成してもよく、インサート金属の箔を各部材の間に挟み込んでもよい。インサート金属の厚みは、例えば、0.1〜1.0μmとすることができる。 As the insert metal, for example, gold, silver, copper or titanium can be used. These insert metals may be formed on the surface of each member by cold spray, ion plating, vacuum deposition, sputtering, or the like, and an insert metal foil may be sandwiched between the members. The thickness of the insert metal can be set to 0.1 to 1.0 μm, for example.
上記回路基板付きヒートシンクの実施例を、以下に説明する。なお、本発明の回路基板付きヒートシンク及びその製造方法の態様は以下の態様に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲において適宜構成を変更することができる。 Examples of the heat sink with the circuit board will be described below. In addition, the aspect of the heat sink with a circuit board of this invention and its manufacturing method is not limited to the following aspects, A structure can be changed suitably in the range which does not impair the meaning of this invention.
(実施例1)
本例のヒートシンク1は、図1及び図2に示すように、ヒートシンク本体2と、低膨張板3と、中間板4と、回路基板5とを有している。図2に示すように、ヒートシンク本体2は、アルミニウム材から構成されており、平板状を呈するベース部21を有している。低膨張板3は、銅材よりも低い線膨張係数を有し、ベース部21上に接合されている。中間板4は、アルミニウム材から構成されており、低膨張板3上に接合されている。
Example 1
As shown in FIGS. 1 and 2, the heat sink 1 of this example includes a
回路基板5は、中間板4上に配置されている。また、回路基板5は、銅材からなり、中間板4上に接合された裏面金属層51と、裏面金属層51上に積層されたセラミックス板52と、銅材からなり、セラミックス板52上に積層された回路金属層53とを有している。ベース部21と低膨張板3との接合部、低膨張板3と中間板4との接合部及び中間板4と裏面金属層51との接合部は、被接合部材を構成する元素を含む拡散層20、30、40を有している。
The
図1及び図2に示すように、本例のヒートシンク本体2は、ベース部21と、外枠部22と、放熱フィン23とを有している。図1に示すように、ヒートシンク本体2は、ベース部21の厚み方向から視た平面視において、長方形状を呈している。本例のヒートシンク本体2における縦方向(長辺方向)の寸法は110mmであり、横方向(短辺方向)の寸法は90mmである。また、本例のベース部21の厚みは0.4mmである。また、本例のヒートシンク本体2は、JIS A3003合金から構成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図2に示すように、ベース部21における一方の板面211上には、拡散層20を介して低膨張板3が接合されている。また、ベース部21の他方の板面、即ち、低膨張板3が積層されている板面211の裏面212には、多数の放熱フィン23が立設されている。本例の放熱フィン23は、直径1.5mm、高さ10mmの円柱状を呈している。また、放熱フィン23は、ベース部21の厚み方向から視た平面視において、一辺75mmの正方形状の領域内に配置されている。
As shown in FIG. 2, the
外枠部22は、ベース部21の外周縁部213に立設されており、図1及び図2に示すように、低膨張板3、中間板4及び回路基板5の周囲に配置されている。
The
本例においては、ベース部21の裏面212を基準としたときの外枠部22の高さH1は、回路金属層53の高さH2の1.0倍である。具体的には、本例のヒートシンク1における外枠部22の高さH1及び回路金属層53の高さH2は、いずれも3.0mmである。
In this example, the height H1 of the
図2に示すように、ベース部21上には、拡散層20を介して低膨張板3が接合されている。本例の低膨張板3は、厚み0.64mmのニッケル板である。なお、ニッケルの典型的な線膨張係数は13.3ppm/Kであり、銅材の典型的な線膨張係数(16〜17ppm/K)よりも低い線膨張係数を有する。また、拡散層20には、ベース部21を構成するアルミニウムと、低膨張板3を構成するニッケルとが含まれている。
As shown in FIG. 2, the
低膨張板3上には、拡散層30を介して中間板4が積層されている。拡散層30には、低膨張板3を構成するニッケルと、中間板4を構成するアルミニウムとが含まれている。
An intermediate plate 4 is laminated on the
中間板4上には、拡散層40を介して、回路基板5の裏面金属層51が積層されている。本例の回路基板5は、銅材からなる厚み0.4mmの裏面金属層51、窒化ケイ素からなる厚み0.32mmのセラミックス板52及び銅材からなる厚み0.4mmの回路金属層53が順次積層された3層構造を有している。また、拡散層40には、中間板4を構成するアルミニウムと、裏面金属層51を構成する銅とが含まれている。
On the intermediate plate 4, a
本例においては、表1に示すように、JIS A3003合金板、純アルミニウム板(純度99.50%)及びJIS A6063合金板のいずれかを中間板4として用い、3種のヒートシンク1(試験体A1〜A3)を作製した。試験体の作製は、以下の方法により行った。 In this example, as shown in Table 1, any one of JIS A3003 alloy plate, pure aluminum plate (purity 99.50%) and JIS A6063 alloy plate is used as the intermediate plate 4, and three types of heat sinks 1 (test body) A1 to A3) were prepared. The test specimen was produced by the following method.
まず、A3003合金の板材に鍛造加工を施して放熱フィン23を立設した。次いで、放熱フィン23を立設した面と反対側の板面に切削加工を施して深さ2.6mmの凹部を形成し、ヒートシンク本体2を作製した。また、厚み0.64mmのニッケル板を裏面金属層51と同じ寸法に切断することにより、低膨張板3を作製した。
First, the A3003 alloy plate material was forged and the radiating
厚み0.82mmのA3003合金板、純アルミニウム板及びA6063合金板を低膨張板3と同じ寸法に切断することにより、中間板4を作製した。回路基板5には、市販品を採用した。
An intermediate plate 4 was produced by cutting an A3003 alloy plate, a pure aluminum plate, and an A6063 alloy plate having a thickness of 0.82 mm into the same dimensions as the
次に、これらの部品を希塩酸で3分間洗浄し、ベース部21、低膨張板3、中間板4及び裏面金属層51の表面に存在する自然酸化膜を除去する表面処理を行った。そして、ベース部21上に、低膨張板3、中間板4及び回路基板5をこの順に載置し、被処理物を組み立てた。この被処理物に治具を取り付け、回路基板5をベース部21側に押圧した状態で、真空中で被処理物を450℃まで加熱した。被処理物の温度が450℃に達した後、その温度を1時間保持し、拡散接合により隣り合う被接合部材の境界に一括して拡散層20、30、40を形成した。以上により試験体A1〜A3を作製した。
Next, these components were washed with dilute hydrochloric acid for 3 minutes, and surface treatment was performed to remove the natural oxide films present on the surfaces of the
また、本例においては、試験体A1〜A3との比較のため、回路基板5がベース部21上に直接接合された試験体Rを作製した。試験体Rは、低膨張板3及び中間板4を有しない点以外は、試験体A1〜A3と同一の構成を有している。
In this example, for comparison with the test bodies A1 to A3, a test body R in which the
これらの試験体A1〜A3及び試験体Rについて、拡散接合後の回路基板5の反り、はんだ付時の回路基板5の反り、冷却性能及び耐久性の評価を行った。
About these test bodies A1-A3 and test body R, the curvature of the
・拡散接合後の回路基板5の反り
拡散接合後の試験体を治具から取り外した後、回路基板5の中央部と外周端部との高さの差を測定し、これを回路基板5の反り量とした。拡散接合後の回路基板5は、ベース部21と回路基板5との積層方向における回路基板5側が凸となるように湾曲していた。拡散接合後の回路基板5の反り量は、表1に示したとおりであった。
-Warping of the
・はんだ付時の回路基板5の反り
回路基板5へのはんだ付作業を想定し、試験体を270℃に加熱した状態での回路基板5の反り量を測定した。270℃に加熱された状態においては、回路基板5の反りの向きが加熱前とは逆向きとなり、ベース部21と回路基板5との積層方向におけるベース部21側が凸となるように湾曲していた。この状態での回路基板5の反り量は、表1に示したとおりであった。
-Warpage of the
・冷却性能
各試験体の放熱フィン23側に水冷ジャケットを取り付け、この水冷ジャケット内に一定の流量で冷媒を流した。そして、回路金属層53上に発熱体を載置し、一定の出力で熱を発生させた。なお、冷媒としてはLLC(Long-Life Coolant)50%を使用し、流量は12L/minとした。また、発熱体の発熱量は800Wとした。
-Cooling performance A water cooling jacket was attached to the side of the radiating
この状態を保持し、定常状態に到達したときの発熱体の温度を計測した。そして、試験体Rにおける発熱体の温度をTr(K)、試験体A1〜A3における発熱体の温度をTs(K)とし、下記の式により、冷却性能の低下率R(%)を算出した。冷却性能の低下率Rは、表1に示した通りであった。
R=(Ts−Tr)/Tr×100
This state was maintained, and the temperature of the heating element when the steady state was reached was measured. Then, the temperature of the heating element in the test body R is Tr (K), the temperature of the heating element in the test bodies A1 to A3 is Ts (K), and the cooling performance reduction rate R (%) is calculated by the following equation. . The reduction rate R of the cooling performance was as shown in Table 1.
R = (Ts−Tr) / Tr × 100
・耐久性
温度サイクル試験機を用い、150℃に30分間保持する加熱ステップと、−50℃に30分間保持する冷却ステップとからなるサイクルを1000サイクル繰り返して温度サイクル試験を行った。温度サイクル試験後の回路基板5の反り量を測定し、温度サイクル試験前の回路基板5の反り量からの変化を算出した。温度サイクル試験による反り量の変化は表1に示した通りであった。
-Durability Using a temperature cycle tester, a temperature cycle test was performed by repeating 1000 cycles of a heating step held at 150 ° C for 30 minutes and a cooling step held at -50 ° C for 30 minutes. The amount of warpage of the
表1から理解できるように、アルミニウム材や銅材からなる層と、これらの材料よりも低い線膨張係数を有する材料からなる層とが対称的に配置された積層構造を有する試験体A1〜A3は、拡散接合後の反り量が小さく、270℃に加熱した際にセラミックス板52の割れは発生しなかった。また、試験体A3は、材料強度の高いA6063合金板を中間板4としたため、温度サイクル試験後の反り量の変化が小さく、特に優れた耐久性を示した。
As can be understood from Table 1, specimens A1 to A3 having a laminated structure in which a layer made of an aluminum material or a copper material and a layer made of a material having a lower linear expansion coefficient than these materials are symmetrically arranged. The warpage after diffusion bonding was small, and cracking of the
一方、試験体Rは、低膨張板3を有していないため、270℃に加熱した際にセラミックス板52に割れが発生した。
On the other hand, since the test body R does not have the
(実施例2)
本例は、セラミックス板52の材質を種々変更した例である。なお、本実施例以降において用いる符号のうち、既出の実施例において用いた符号と同一のものは、特に説明のない限り、既出の実施例における構成要素等と同様の構成要素等を表す。
(Example 2)
In this example, the material of the
本例においては、低膨張板3として、複数の金属層が積層された積層材料を使用した。具体的には、本例の低膨張板3は、厚み0.80mmのモリブデン層の両面に厚み0.05mmの銅層が積層された3層構造を有している。
In this example, a laminated material in which a plurality of metal layers are laminated is used as the
低膨張板3に上記の積層材料を使用し、中間板4及びセラミックス板52の構成を表2に示すように変更した以外は実施例1と同様の方法により試験体B1〜B10を作製した。なお、表2中には、低膨張板3の線膨張係数として、その値とともに、セラミックス板52の線膨張係数を1倍としたときの倍率を記載した。
Specimens B1 to B10 were produced in the same manner as in Example 1 except that the above-described laminated material was used for the
そして、これらの試験体について、実施例1と同様の手順により評価を行った。評価結果は表3に示す通りであった。 These specimens were evaluated by the same procedure as in Example 1. The evaluation results are as shown in Table 3.
本例の低膨張板3は、銅層とモリブデン層とを有する3層構造の積層材料である。銅及びモリブデンは、ニッケルに比べて高い熱伝導率を有している。そのため、試験体B1〜B10は、表2及び表3に示すように、試験体A1〜A3(表1参照)に比べて冷却性能が向上した。
The
また、これらの試験体のうち、試験体B1〜B3及びB6〜B8は、低膨張板3の線膨張係数がセラミックス板52の線膨張係数の0.85〜2.3倍である。そのため、低膨張板3の線膨張係数が上記の範囲外である試験体A1(表1参照)やB4等に比べて、はんだ付時の回路基板5の反り量を低減することができた。
Among these test bodies, the test bodies B1 to B3 and B6 to B8 have a linear expansion coefficient of the
(実施例3)
本例は、低膨張板3の各金属層の厚みを種々変更した例である。本例においては、ヒートシンク本体2における外枠部22の高さH1を3.5mmに変更し、低膨張板3、中間板4及びセラミックス板52の構成を表4に示すように変更した以外は、実施例2と同様の方法により試験体C1〜C5を作製した。なお、表4中には、低膨張板3の厚みとして、その値とともに、セラミックス板52の厚みを1倍としたときの倍率を記載した。また、中間板4の厚みは、回路金属層53の高さH2が3.5mmとなるように調整されている。
(Example 3)
In this example, the thickness of each metal layer of the
これらの試験体について、実施例1と同様の手順により評価を行った。評価結果は表5に示す通りであった。 These specimens were evaluated by the same procedure as in Example 1. The evaluation results are as shown in Table 5.
試験体C1〜C5は、低膨張板3の線膨張係数がセラミックス板52の線膨張係数の0.7〜2.0倍であるため、はんだ付時の反り量を、試験体B1〜B10(表3参照)と同等以上に抑制することができた。
In the test bodies C1 to C5, the linear expansion coefficient of the
また、表4及び表5に示したように、試験体C1、C2及びC4は、低膨張板3の厚みがセラミックス板52の厚みの0.5〜2.0倍である。そのため、これらの試験体は、セラミックス板52の厚みが上記の範囲外である試験体C3等よりもさらに回路基板5の反り量を低減することができた。
Further, as shown in Tables 4 and 5, in the test bodies C1, C2, and C4, the thickness of the
(実施例4)
本例は、ベース部21の厚みを種々変更した例である。本例においては、低膨張板3として厚み1.0mmのモリブデン板(線膨張係数5.0ppm/K)、セラミックス板52として厚み0.64mmの窒化アルミニウム板(線膨張係数4.5ppm/K)を採用し、ヒートシンク本体2及び中間板4の構成を表6に示すように変更した。また、モリブデンについては、60℃以上の湯洗により表面に存在する自然酸化膜を除去することができる。そのため、本例においては、希塩酸に替えて、60℃以上の湯により低膨張板3を3分間洗浄した。これらの点以外は、実施例1と同様の方法により試験体D1〜D5を作製した。なお、本例の低膨張板3は、表6中には、ベース部21の厚みとして、その値とともに、回路金属層53の厚みを1倍としたときの倍率を記載した。また、中間板4の厚みは、回路金属層53の高さH2が3.5mmとなるように調整されている。
Example 4
In this example, the thickness of the
これらの試験体について、実施例1と同様の手順により評価を行った。評価結果は表7に示す通りであった。 These specimens were evaluated by the same procedure as in Example 1. The evaluation results are as shown in Table 7.
試験体D1〜D5は、低膨張板3の線膨張係数がセラミックス板52の線膨張係数の0.85〜2.3倍であるため、はんだ付時の反り量を試験体B1〜B10(表3参照)と同等以上に抑制することができた。
In the test bodies D1 to D5, since the linear expansion coefficient of the
また、表6及び表7に示したように、試験体D2〜D4は、ベース部21の厚みが回路金属層53の厚みの1.0〜1.5倍である。そのため、これらの試験体は、ベース部21の厚みが上記の範囲外である試験体D1等よりもさらに回路基板5の反り量を低減することができた。
Moreover, as shown in Table 6 and Table 7, in the test bodies D2 to D4, the thickness of the
(実施例5)
本例は、突出部31、41を備えた低膨張板305及び中間板405を有するヒートシンク105の例である。本例においては、以下のようにして試験体E1及びE2を作製した。
(Example 5)
This example is an example of the
まず、A6063合金の板材に鍛造加工を施して放熱フィン23を立設し、次いで、放熱フィン23を立設した面と反対側の板面に切削加工を施して深さ2.6mmの凹部を形成することにより、ヒートシンク本体2を作製した。次に、厚み0.82mmの純アルミニウム板にプレス打ち抜き加工を施して中間板4、405を作製するとともに、厚み1.0mmのモリブデン板にプレス打ち抜き加工を施して低膨張板3、305を作製した。
First, the A6063 alloy plate material is forged to dispose the
より具体的には、試験体E1に用いる中間板4及び低膨張板3については、裏面金属層51と同じ寸法となるようにプレス打ち抜き加工を行った。一方、試験体E2に用いる中間板405については、裏面金属層51よりもわずかに寸法が大きくなるようにプレス打ち抜き加工を行った。また、試験体E2に用いる低膨張板305については、中間板405よりもわずかに寸法が大きくなるようにプレス打ち抜き加工を行った。これらのプレス打ち抜き加工により、本例の中間板4、405及び低膨張板3、305の外周端縁にバリが形成された。
More specifically, the stamping process was performed so that the intermediate plate 4 and the
回路基板5としては、市販品を採用した。
As the
各部品を酸または60℃以上の湯により洗浄して表面に存在する自然酸化膜を除去した後、試験体E1については、ベース部21上に、低膨張板3、中間板4及び回路基板5をこの順に載置し、被処理物を組み立てた(図示略)。
After each part is washed with acid or hot water of 60 ° C. or more to remove the natural oxide film existing on the surface, the low-
一方、試験体E2については、図3に示すように、バリがベース部21と回路基板5との積層方向における回路基板5側に突出するようにして、低膨張板305、中間板405及び回路基板5を順次重ね合わせて被処理物を組み立てた。その後、実施例1と同様の方法により拡散接合を行い、試験体E1及びE2を作製した。
On the other hand, for the test body E2, as shown in FIG. 3, the
拡散接合後の試験体E2は、図3に示すように、中間板405の外周端縁411が裏面金属層51の外周端縁511よりも外方に延出するとともに、低膨張板305の外周端縁311が中間板405の外周端縁411よりも外方に延出していた。また、中間板405の外周端縁411及び低膨張板305の外周端縁311は、それぞれ、回路基板5側に突出した突出部31、41を有していた。
As shown in FIG. 3, the test body E <b> 2 after diffusion bonding has the outer
より具体的には、中間板405の外周端縁411は、裏面金属層51の外周端縁511よりも0.1mm外方に延出していた。また、低膨張板305の外周端縁311は、中間板405の外周端縁411よりも0.1mm外方に延出していた。また、突出部31、41は、プレス打ち抜き加工の際に低膨張板305及び中間板405の外周端縁311、411に形成されたバリである。
More specifically, the outer
以上により得られた試験体E1及びE2を用い、実施例1と同様の方法により評価を行った。評価結果は、表8に示した通りであった。 Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 using the specimens E1 and E2 obtained as described above. The evaluation results were as shown in Table 8.
表8に示したように、試験体E1及びE2は、低膨張板3の線膨張係数がセラミックス板52の線膨張係数の0.85〜2.3倍であるため、はんだ付時の反り量を、試験体B1〜B10(表3参照)と同等以上に抑制することができた。さらに、試験体E2は、図3に示すように、低膨張板305及び中間板405の突出部31、41が、これらの上部に積層される材料と接触することなく、ベース部21と回路基板5との積層方向における回路基板5側に突出している。そのため、試験体E1に比べて、低膨張板305と中間板405との隙間及び中間板405と裏面金属層51との隙間を小さくすることができた。以上の結果、試験体E2は、試験体E1に比べて冷却性能を向上させることができたと考えられる。
As shown in Table 8, in the test bodies E1 and E2, the linear expansion coefficient of the
1、105 回路基板付きヒートシンク
2 ヒートシンク本体
20 拡散層
21 ベース部
3、305 低膨張板
30 拡散層
4、405 中間板
40 拡散層
5 回路基板
51 裏面金属層
52 セラミックス板
53 回路金属層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,105 Heat sink with a
Claims (11)
銅材よりも低い線膨張係数を有し、上記ベース部上に接合された低膨張板と、
上記低膨張板上に接合されたアルミニウム材よりなる中間板と、
上記中間板上に配置された回路基板とを有しており、
上記回路基板は、
上記中間板上に接合された銅材からなる裏面金属層と、
上記裏面金属層上に積層されたセラミックス板と、
上記セラミックス板上に積層された銅材からなる回路金属層とを有しており、
上記ベース部と上記低膨張板との接合部、上記低膨張板と上記中間板との接合部及び上記中間板と上記裏面金属層との接合部は、被接合部材を構成する元素を含む拡散層を有している、回路基板付きヒートシンク。 A heat sink body made of an aluminum material provided with a base portion having a flat plate shape;
A low expansion plate having a linear expansion coefficient lower than that of the copper material and bonded onto the base portion;
An intermediate plate made of an aluminum material joined on the low expansion plate;
A circuit board disposed on the intermediate plate,
The circuit board is
A back metal layer made of a copper material joined on the intermediate plate;
A ceramic plate laminated on the back metal layer;
A circuit metal layer made of a copper material laminated on the ceramic plate,
The joint part between the base part and the low expansion plate, the joint part between the low expansion plate and the intermediate plate, and the joint part between the intermediate plate and the back metal layer are diffusions containing an element constituting the member to be joined. A heat sink with a circuit board having a layer.
上記ベース部、上記低膨張板、上記中間板及び上記裏面金属層の表面に存在する自然酸化膜を除去する表面処理を行い、
上記ベース部と、該ベース部上に載置された上記低膨張板と、該低膨張板上に載置された上記中間板と、該中間板と上記裏面金属層とが当接するように載置された上記回路基板とを有する被処理物を組み立て、
上記回路基板を上記ベース部側に押圧しつつ上記被処理物を加熱して、拡散接合により隣り合う被接合部材の境界に一括して上記拡散層を形成する、回路基板付きヒートシンクの製造方法。 A method for manufacturing a heat sink with a circuit board according to any one of claims 1 to 9,
Performing a surface treatment to remove the natural oxide film present on the surfaces of the base portion, the low expansion plate, the intermediate plate and the back surface metal layer;
The base portion, the low expansion plate placed on the base portion, the intermediate plate placed on the low expansion plate, and the intermediate plate and the back metal layer are in contact with each other. Assembling an object to be processed having the circuit board placed thereon,
A method of manufacturing a heat sink with a circuit board, wherein the object to be processed is heated while pressing the circuit board toward the base part, and the diffusion layer is collectively formed at a boundary between adjacent members to be bonded by diffusion bonding.
上記ベース部、上記低膨張板、上記中間板及び上記裏面金属層の表面に存在する自然酸化膜を除去する表面処理を行い、
上記ベース部と、該ベース部上に配置された上記低膨張板と、該低膨張板上に配置された上記中間板と、該中間板上に配置された上記回路基板とを有するとともに、上記ベース部と上記低膨張板との間、上記低膨張板と上記中間板との間及び上記中間板と上記裏面金属層との間のうち少なくとも1か所にインサート金属を介在させた被処理物を組み立て、
上記回路基板を上記ベース部側に押圧しつつ上記被処理物を加熱して、拡散接合により一括して上記拡散層を形成する、回路基板付きヒートシンクの製造方法。 A method for manufacturing a heat sink with a circuit board according to any one of claims 1 to 9,
Performing a surface treatment to remove the natural oxide film present on the surfaces of the base portion, the low expansion plate, the intermediate plate and the back surface metal layer;
The base portion, the low expansion plate disposed on the base portion, the intermediate plate disposed on the low expansion plate, and the circuit board disposed on the intermediate plate, An object to be processed with an insert metal interposed in at least one of the base portion and the low expansion plate, between the low expansion plate and the intermediate plate, and between the intermediate plate and the back metal layer. Assembled,
A method of manufacturing a heat sink with a circuit board, wherein the object to be processed is heated while pressing the circuit board toward the base portion, and the diffusion layer is formed collectively by diffusion bonding.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016189560A JP2018056275A (en) | 2016-09-28 | 2016-09-28 | Circuit board-attached heat sink and method for manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016189560A JP2018056275A (en) | 2016-09-28 | 2016-09-28 | Circuit board-attached heat sink and method for manufacturing the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018056275A true JP2018056275A (en) | 2018-04-05 |
Family
ID=61834350
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016189560A Pending JP2018056275A (en) | 2016-09-28 | 2016-09-28 | Circuit board-attached heat sink and method for manufacturing the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2018056275A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021118256A (en) * | 2020-01-27 | 2021-08-10 | 三菱マテリアル株式会社 | Insulated circuit board with heat sink |
WO2022009169A1 (en) * | 2020-07-09 | 2022-01-13 | 3M Innovative Properties Company | Cold plate made via 3d printing |
-
2016
- 2016-09-28 JP JP2016189560A patent/JP2018056275A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021118256A (en) * | 2020-01-27 | 2021-08-10 | 三菱マテリアル株式会社 | Insulated circuit board with heat sink |
JP7524545B2 (en) | 2020-01-27 | 2024-07-30 | 三菱マテリアル株式会社 | Insulated circuit board with heat sink |
WO2022009169A1 (en) * | 2020-07-09 | 2022-01-13 | 3M Innovative Properties Company | Cold plate made via 3d printing |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6488917B2 (en) | Power module substrate with heat sink and power module | |
CN110383468B (en) | Substrate with radiating fin for power module | |
US9786577B2 (en) | Power module substrate, heat-sink-attached power-module substrate, and heat-sink-attached power module | |
JP4524716B2 (en) | Power module substrate with heat sink and method for manufacturing the same, power module with heat sink, and substrate for power module | |
JP6359455B2 (en) | Semiconductor circuit board, semiconductor device using the same, and method for manufacturing semiconductor circuit board | |
JP2018133350A (en) | Heat sink with circuit board and manufacturing method thereof | |
JP6446011B2 (en) | Copper alloy plate for heat dissipation parts and heat dissipation parts | |
JP6455056B2 (en) | Manufacturing method and pressure device for power module substrate with heat sink | |
JP2008235852A (en) | Ceramic substrate and semiconductor module using the same | |
JP2017069275A (en) | Substrate for power module with radiator plate, and power module | |
JP6011552B2 (en) | Power module substrate with heat sink and manufacturing method thereof | |
JP2019176152A (en) | Insulated circuit board with heat sink | |
JP6028497B2 (en) | Power module substrate and manufacturing method thereof | |
JP2018056275A (en) | Circuit board-attached heat sink and method for manufacturing the same | |
JP5786569B2 (en) | Power module substrate manufacturing method | |
JP2011230954A (en) | Method for manufacturing bonded body of ceramic member and finned heat dissipation member | |
WO2017217236A1 (en) | Heat sink with circuit board and method for producing same | |
JP5914968B2 (en) | Power module substrate with heat sink and manufacturing method thereof | |
JP6330951B2 (en) | Joints for manufacturing power module substrates | |
JP6020256B2 (en) | Manufacturing method of power module substrate with heat sink | |
JP2019176015A (en) | Heat sink with circuit board and manufacturing method thereof | |
JP6264822B2 (en) | Power module substrate with heat sink and manufacturing method thereof | |
JP2017183533A (en) | Heat sink with circuit board and manufacturing method therefor | |
JP2018046106A (en) | Copper/titanium/aluminum conjugate, insulation circuit board, insulation circuit board with heat sink, power module, led module, and electro-thermal module | |
JP6798354B2 (en) | Manufacturing method of ceramic plate and manufacturing method of substrate for power module |