JP2019087607A - ヒートシンク付パワーモジュール用基板およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この場合、金属層が、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板、あるいは銅又は銅合金からなる銅板で構成されているので、熱導電性が高く、回路層に実装された半導体素子にて発生した熱を効率よくヒートシンクに伝達させることができる。
この場合、アルミニウム板(金属層)の絶縁基板とは反対側の面には銀めっき層又は金めっき層が形成されているので、金属層と接合層(銀粒子の焼結体)との接合力が高くなる。
図1は、発明の一実施形態であ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の概略説明図である。
図1において、パワーモジュール1は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板10と、ヒートシンク付パワーモジュール用基板10の一方側(図1において上側)の面にはんだ層2を介して接合された半導体素子3とを備えている。ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材(いわゆる無鉛はんだ材)とされている。
図2は、本発明の一実施形態であ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フロー図である。本発実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、ペースト状接合材組成物層形成工程S01と、積層工程S02と、加熱工程S03と、を備える。
ペースト状接合材組成物層形成工程S01では、パワーモジュール用基板の金属層の絶縁基板とは反対側の面およびヒートシンクのうちの少なくとも一方の表面に、ペースト状接合材組成物の層を形成する。ペースト状接合材組成物の層を形成する方法としては、塗布法、浸漬法などの方法を用いることができる。後述の加熱工程S03において、ペースト状接合材組成物層が加熱されることによって接合層30が生成する。
ペースト状接合材組成物の溶媒は、後述の加熱工程S03において、蒸発除去できるものであれば特に制限はない。溶媒としては、例えば、アルコール系溶媒、グリコール系溶媒、アセテート系溶媒、炭化水素系溶媒、アミン系溶媒を用いることができる。アルコール系溶媒の例としては、α−テルピネオール、イソプロピルアルコールが挙げられる。グリコール系溶媒の例としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコールが挙げられる。アセテート系溶媒の例としては、酢酸ブチルトールカルビテートが挙げられる。炭化水素系溶媒の例としては、デカン、ドデカン、テトラデカンが挙げられる。アミン系溶媒の例としては、ヘキシルアミン、オクチルアミン、ドデシルアミンが挙げられる。これらの溶媒は1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組合せて使用してもよい。
積層工程S02では、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを、ペースト状接合材組成物層形成工程S01で形成したペースト状接合材組成物層を介して積層する。積層されたパワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に介在するペースト状接合材組成物層の厚さは均一であることが好ましい。
加熱工程S03では、積層工程S02で積層されたパワーモジュール用基板とヒートシンクとの積層体を加熱する。
積層体の加熱温度は、150℃以上300℃以下、好ましくは170℃以上270℃以下の温度である。加熱温度が150℃未満であると、ペースト状接合材組成物層の銀粒子が焼結しにくくなり、接合層を形成できなくなるおそれがある。一方、加熱温度が300℃を超えると、ペースト状接合材組成物層の銀粒子の焼結が過剰に進行して、生成する接合層の相対密度が高くなりすぎるおそれがある。
例えば、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板10では、回路層22に半導体素子3が実装されているが、これに限定されることはなく、例えば、LEDなどの半導体素子以外の電子部品が実装されていてもよい。
(1)パワーモジュール用基板の作製
絶縁基板に回路層と金属層とを接合して、パワーモジュール用基板を作製した。絶縁基板の材質は窒化アルミニウム(AlN)とした。回路層の材質は無酸素銅とした。金属層の材質はA1050とした。絶縁基板のサイズは40mm×40mm、回路層のサイズは37mm×37mm、金属層のサイズは37mm×37mmとした。
エチレングリコール(EG)と平均粒径0.5μmの銀粉とを用意した。EGを15質量部、銀粉を85質量部の割合で、混練機を用いて混練してペースト状接合材組成物を調製した。混練機による混練は、2000rpmの回転速度で5分間、3回行なった。
ヒートシンクとして、50mm×60mm×5mmtのA3003合金製で、内部に冷却媒体の流路を有するアルミニウム板を準備した。
パワーモジュール用基板の回路層および金属層の材質とめっき層の種類、ペースト状接合材組成物の接合材の種類、溶媒と接合材の配合量、ヒートシンクのめっき層の種類を、下記の表1に示すように変更し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際の接合条件、接合層の厚さを下記の表2に示すように変更したこと以外は、本発明例1と同様にしてヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造した。なお、比較例11のペースト状接合材組成物の接合材として用いたSACはんだは、Sn−Ag−Cu系はんだ材である。
本発明例1〜9および比較例1〜11で製造したヒートシンク付パワーモジュール用基板について、接合層の厚さと相対密度を下記の方法により測定した、また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、下記の方法により冷熱サイクル試験を行ない、冷熱サイクル後の基板の割れと冷熱サイクル前後の熱抵抗変化率を測定した。その結果を表2に示す。
マイクロメーター(精密測長器)を用いて、パワーモジュール用基板とヒートシンクの厚さを予め測長し、接合後のヒートシンク付パワーモジュール用基板全体の厚さを測長した。ヒートシンク付パワーモジュール用基板全体の厚さから予め測長したパワーモジュール用基板とヒートシンクの厚さを差し引いた値を、接合層の厚さとした。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板から接合層を採取した。採取した接合層のサイズを計測し、計測したサイズと上記の方法により測定した接合層の厚さから採取した接合層の体積を求めた。次いで、その採取した接合層を、硝酸を用いて溶解した。得られた溶解液の体積と銀濃度から、採取した接合層に含まれる銀の質量を求めた。
そして、採取した接合層の体積と銀の質量を用いて、接合層の相対密度を下記の式より算出した。
接合層の相対密度(%)={(銀の質量/接合層の体積)/銀の真密度}×100
冷熱サイクル試験は、下記の条件で行った。3000サイクル後の絶縁基板の割れの有無を評価した。その結果を表2に示す。
評価装置:エスペック株式会社製TSB−51
液相:フロリナート
温度条件:−40℃×5分 ←→ 125℃×5分
ヒートシンク付パワーモジュール用基板の回路層にヒータチップを取り付け、ヒートシンクの流路に冷却媒体[エチレングリコール:水=9:1(質量比)]を流通させた。次いで、ヒータチップを100Wの電力で加熱した。熱電対を用いてヒータチップの温度と、ヒートシンクを流通する冷却媒体の温度を測定した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。冷熱サイクル試験の前後で、熱抵抗の変化率が5%以下であるものを「○」とし、5%を超えたものを「×」と判定した。その判定結果を表2に示す。なお、測定条件を以下に示す。
温度差:80℃
温度範囲:55℃〜135℃(IGBT素子内の温度センスダイオードで測定)
通電時間:6秒
冷却時間:4秒
ヒートシンク付パワーモジュール用基板を、積層方向に沿って切断し、接合層の切断面を、SEM(走査型電子顕微鏡)を用いて観察した。
図3に、本発明例9で製造したヒートシンク付パワーモジュール用基板の接合層の断面のSEM写真を示す。図3のSEM写真から、接合層は、銀粒子の焼結体であって、多数の気孔を有する多孔質体であることが確認された。なお、本発明例1〜8で製造したヒートシンク付パワーモジュール用基板の接合層についても同様に、銀粒子の焼結体であって、多数の気孔を有する多孔質体であることが確認された。
以上のことから、本発明例によれば、冷熱サイクルの負荷による熱抵抗の増加や絶縁基板の割れの発生を長期間にわたって抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能であることが確認された。
(1)パワーモジュール用基板の作製
絶縁基板に回路層と金属層とを接合して、パワーモジュール用基板を作製した。絶縁基の材質は窒化ケイ素(Si3N4)とした。回路層の材質は無酸素銅とした。金属層の材質は純度99.9999質量%以上の高純度銅(6N−Cu)とした。絶縁基板のサイズは40mm×40mm、回路層のサイズは37mm×37mm、金属層のサイズは37mm×37mmとした。
本発明例1と同様にして、エチレングリコール(EG)15質量部と、平均粒径0.5μmの銀粉85質量部とを含むペースト状接合材組成物を調製した。
ヒートシンクとして、50mm×60mm×5mmtのA3003合金製で、内部に冷却媒体が流路を有するアルミニウム板を準備した。
パワーモジュール用基板の回路層の材質、ペースト状接合材組成物の接合材の種類、溶媒と接合材の配合量、ヒートシンクのめっき層の種類を、下記の表3に示すように変更し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際の接合条件、接合層の厚さを下記の表4に示すように変更したこと以外は、本発明例10と同様にしてヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造した。なお、本発明例11では、金属層にめっき層を形成しなかった。
本発明例10〜18および比較例12〜24で製造したヒートシンク付パワーモジュール用基板について、接合層の厚さと相対密度、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の冷熱サイクル試験後の熱抵抗変化率と基板割れを、本発明例1と同様にして測定した。その結果を表4に示す。
図4に、本発明例17で製造したヒートシンク付パワーモジュール用基板の接合層の断面のSEM写真を示す。図4のSEM写真から、接合層は、銀粒子の焼結体であって、多数の気孔を有する多孔質体であることが確認された。なお、本発明例10〜16、18で製造したヒートシンク付パワーモジュール用基板の接合層についても同様に、銀粒子の焼結体であって、多数の気孔を有する多孔質体であることが確認された。
以上のことから、本発明例によれば、冷熱サイクルの負荷による熱抵抗の増加や絶縁基板の割れの発生を長期間にわたって抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能であることが確認された。
2 はんだ層
3 半導体素子
10 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
20 パワーモジュール用基板
21 絶縁基板
22 回路層
22A 搭載面
23 金属層
23A 接合面
30 接合層
40 ヒートシンク
41 天板部
42 流路
Claims (4)
- 絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層とを備えたパワーモジュール用基板と、前記パワーモジュール用基板の前記金属層の前記絶縁基板とは反対側の面に接合層を介して接合されたヒートシンクとを備えてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記接合層は、銀粒子の焼結体であって、相対密度が60%以上90%以下の範囲内にある多孔質体であり、厚さが10μm以上500μm以下の範囲内にあ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。 - 前記金属層が、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板、あるいは銅又は銅合金からなる銅板で構成されていることを特徴とする請求項1に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 前記金属層が、前記アルミニウム板で構成され、前記アルミニウム板の前記絶縁基板とは反対側の面に銀めっき層又は金めっき層が形成されていることを特徴とする請求項2に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 請求項1に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であって、
絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層とを備えたパワーモジュール用基板の前記金属層の前記絶縁基板とは反対側の面およびヒートシンクのうちの少なくとも一方の表面に、平均粒径が0.1μm以上1μm以下の範囲内にある銀粒子を70質量%以上95質量%以下の範囲内の量にて含むペースト状接合材組成物の層を形成するペースト状接合材組成物層形成工程と、
前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを、前記ペースト状接合材組成物の層を介して積層する積層工程と、
積層された前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを、積層方向に1MPa以下の圧力下で、150℃以上300℃以下の温度にて加熱する加熱工程と、
を備え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。
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