JP4487881B2 - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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Description
このように構成されたパワーモジュール用基板では、半導体チップ4の発熱量が比較的多いため、半導体チップ4が発生した熱は第2はんだ層5b,回路層6,絶縁基板2,金属層7,第1はんだ層5a及び放熱板8を通って水冷シンク部9に伝わり、冷却水通路9bを通過する冷却水9aが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板1外に持ち去るので、パワーモジュール用基板1が過熱しないようになっている。
また、上記従来のパワーモジュール用基板1では、絶縁基板2及び放熱板8の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板2及び放熱板8の変形の相違により第1はんだ層5aの熱サイクル寿命が短くなる問題点もあった。
更に、上記従来のパワーモジュール用基板1では、回路層6及び金属層7の絶縁基板2への積層接着とは別の工程で金属層7を第1はんだ層5aを介して放熱板8に接着しなければならず、組立工数が増大する問題点もあった。
これらの点を解消するために、図6に示すように、絶縁基板2の上面及び下面に回路層6及び金属層7をそれぞれ積層接着したろう付け用箔(図示せず)と同一のろう付け用箔を用いて金属層7及び放熱板8を接着したパワーモジュール用基板1が開示されている。
このように構成されたパワーモジュール用基板1では、絶縁基板2及び放熱板8の接着に第1はんだ層を用いていないため、第1はんだ層の熱サイクル寿命が短くなるという問題点を解消でき、また回路層6及び金属層7の絶縁基板2への積層接着と同時に金属層7を放熱板8に接着することができる。
本発明の目的は、絶縁基板の熱応力による負荷を抑制することができ、製造コストを低減することができ、更に生産性を向上することができる、パワーモジュール用基板の製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、ヒートシンクによる冷却効率を向上することができ、半導体チップを回路層に取付けるためのはんだ層の劣化を抑制することができる、パワーモジュール用基板の製造方法を提供することにある。
この請求項1に記載の方法により得られるパワーモジュール用基板では、絶縁基板12及び放熱板18の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板12及び放熱板18の変形の相違が緩衝層14により吸収されるので、絶縁基板12に発生する内部応力が小さくなり、絶縁基板12の熱応力による負荷を抑制することができる。
また、放熱板18がAlにより形成されるので、放熱板が高価なAlSiCにより形成される従来のパワーモジュール用基板より製造コストを低減することができる。
この請求項2に記載の方法により得られるパワーモジュール用基板では、絶縁基板12及び放熱板18の熱膨張係数の相違に基づく絶縁基板12及び放熱板18の変形の相違が緩衝層14により確実に吸収されるので、絶縁基板12の熱応力による負荷を確実に抑制することができる。
この請求項3に記載の方法により得られるパワーモジュール用基板では、緩衝層14を水冷シンク部19に近付けることができるので、熱が緩衝層14から放熱板48を通って速やかに水冷シンク部19に伝わる。この結果、水冷シンク部19の冷却水通路19bを通過する冷却水19aが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板41外に持ち去るので、その冷却効率を向上することができ、パワーモジュール用基板41が過熱することはない。
この請求項4に記載の方法により得られるパワーモジュール用基板71では、緩衝層14を水冷式ヒートシンク73に直接積層接着するので、熱が緩衝層14から水冷式ヒートシンク73に速やかに伝わる。この結果、水冷式ヒートシンク73を通過する冷却水73aが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板71外に持ち去るので、冷却効率を更に向上することができ、パワーモジュール用基板71が過熱することはない。
この場合、放熱板と緩衝層と金属層と絶縁基板と回路層がそれぞれAl−Si系箔を介してロー付けされたものであるため、それらの積層接着を1回の熱処理で行うことができ、その製造コストを低減してその生産性を向上することができる。また、絶縁基板がAlN,Si3N4又はAl2O3により形成され、緩衝層がAlSiC、カーボン板又はAlC複合材により形成されたものであるため、その製造コストを更に低減してその生産性を向上することができる。
また、放熱板に取付けられ内部に冷却水が通過する冷却水通路が形成された水冷シンク部を更に備え、放熱板の表面に緩衝層を嵌入可能な溝又は凹部が形成され、緩衝層が溝又は凹部に嵌入された状態で放熱板に接着されたものであれば、緩衝層を水冷シンク部に近付けることができるので、熱が緩衝層から放熱板を通って速やかに水冷シンク部に伝わり、水冷シンク部の冷却水通路を通過する冷却水が上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板外に持ち去るので、その冷却効率を向上することができ、パワーモジュール用基板が過熱することはない。
一方、放熱板は内部に冷却水が通過する冷却水通路が形成された水冷式ヒートシンクであれば、緩衝層を水冷式ヒートシンクに直接積層接着するので、熱が緩衝層から水冷式ヒートシンクに速やかに伝わる。この結果、水冷式ヒートシンクを通過する冷却水が上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板外に持ち去るので、冷却効率を更に向上することができ、パワーモジュール用基板が過熱することはない。
図1に示すように、本発明のパワーモジュール用基板11は絶縁基板12と、ヒートシンク13と、絶縁基板12とヒートシンク13との間に積層接着された緩衝層14とを備える。絶縁基板12はAlN,Si3N4又はAl2O3により形成され、絶縁基板12の上面及び下面には回路層16及び金属層17がそれぞれ積層接着される。回路層16及び金属層17はAlにより厚さ0.1〜0.5mmに形成される。またヒートシンク13は放熱板18と、この放熱板18に雄ねじ部材21(例えば、なべ小ねじ等)により取付けられた水冷シンク部19とを有する。放熱板18はAlにより形成され、絶縁基板12の表面積の1〜3倍の表面積を有し、かつ絶縁基板12の厚さの1.5〜50倍の厚さを有する。水冷シンク部19はAl,Cu等により形成され、内部に冷却水19aが通過する冷却水通路19bが形成され、放熱板18と略同一の表面積を有する。
回路層16,金属層17及び放熱板18がAlにより形成されるので、先ず放熱板18の上にAl−Si系箔(図示せず),緩衝層14,Al−Si系箔,金属層17,Al−Si系箔,絶縁基板12,Al−Si系箔及び回路層16を重ねた状態で、これらに荷重0.5〜5kgf/cm2を加え、真空中で600〜650℃に加熱することにより積層体を作製する。このように放熱板18,緩衝層14,金属層17,絶縁基板12及び回路層16を一体として1回の熱処理で積層体を作製することができるので、パワーモジュール用基板11の生産性を向上することができる。次にこの積層体の回路層16をエッチング法により所定のパターンの回路に形成した後に、上記積層体の回路層16にはんだ層22を介して半導体チップ23を搭載する。更にこの積層体を水冷シンク部19に載せて放熱板18を雄ねじ部材21により水冷シンク部19に取付ける。
この実施の形態では、ヒートシンク43の放熱板48表面に緩衝層14を嵌入可能な溝48aが形成され、緩衝層14がこの溝48aに嵌入された状態で放熱板48に接着されるように構成される。上記以外は第1の実施の形態と同一に構成される。
このように構成されたパワーモジュール用基板41では、緩衝層14を水冷シンク部19に近付けることができるので、半導体チップ23が発生した熱が緩衝層14から放熱板48を通って速やかに水冷シンク部19に伝わる。この結果、水冷シンク部19を通過する冷却水19aが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板41外に持ち去るので、ヒートシンク43による冷却効率を向上することができる。従って、パワーモジュール用基板41が過熱することはない。上記以外の動作は第1の実施の形態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。
この実施の形態では、ヒートシンク63の放熱板68表面に緩衝層64を嵌入可能な溝68aが形成され、この溝68aの底面に凹凸68bが形成され、更にこの溝68aに嵌入される緩衝層64の底面に上記溝68a底面の凹凸68bに相応する凹凸64aが形成される。上記以外は第2の実施の形態と同一に構成される。
このように構成されたパワーモジュール用基板61では、緩衝層64と放熱板68との接触面積が増大するので、半導体チップ23にて発生した熱が緩衝層64から放熱板68に速やかに伝わる。上記以外の動作は第2の実施の形態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。
なお、上記第2及び第3の実施の形態では、ヒートシンクの表面に緩衝層を嵌入可能な溝を形成し、緩衝層を溝に嵌入した状態でヒートシンクに接着したが、ヒートシンクの表面に緩衝層を嵌入可能な凹部を形成し、緩衝層を凹部に嵌入した状態でヒートシンクに接着してもよい。
この実施の形態では、放熱板として、内部に冷却水73aが通過する冷却水通路73bが形成された水冷式ヒートシンク73が使用される。この水冷式ヒートシンク73はAlにより形成され、絶縁基板12の表面積の1〜3倍の表面積を有し、かつ絶縁基板12の厚さの1.5〜50倍の厚さを有する。緩衝層14はこの水冷式ヒートシンク73にろう付け用箔(図示せず)を介して直接積層接着される。ろう付け用箔としては87.0〜96.0重量%のAlと4.0〜13.0重量%のSiとの合金であるAl−Si系箔を用いることが好ましい。上記以外は第1の実施の形態と同一に構成される。
このように構成されたパワーモジュール用基板71では、緩衝層14が水冷式ヒートシンク73に直接積層接着されるので、半導体チップ23が発生した熱が緩衝層14から速やかに水冷式ヒートシンク73に伝わる。この結果、水冷式ヒートシンク73を通過する冷却水73aが上記熱を受け取ってパワーモジュール用基板71外に持ち去るので、ヒートシンク73による冷却効率を更に向上することができる。上記以外の動作は第1の実施の形態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。
12 絶縁基板
14,64 緩衝層
16 回路層
17 金属層
18,48,68 放熱板
19 水冷シンク部
19a 冷却水
19b 冷却水通路
22 はんだ層
23 半導体チップ
48a,68a 溝
73 水冷式ヒートシンク(ヒートシンク)
73a 冷却水
73b 冷却水通路
Claims (4)
- 放熱板(18)と緩衝層(14,64)と金属層(17)と絶縁基板(12)と回路層(16)がこの順序で積層接着され、
前記絶縁基板(12)がAlN,Si 3 N 4 又はAl 2 O 3 により形成され、
前記放熱板(18)と前記金属層(17)と前記回路層(16)がそれぞれAlから構成され、
前記緩衝層(14,64)が前記絶縁基板(12)の熱膨張係数と前記放熱板(18)の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有するAlSiC、カーボン板又はAlC複合材により形成されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、
前記放熱板(18)の上に,前記緩衝層(14),前記金属層(17),前記絶縁基板(12)及び前記回路層(16)をそれぞれAl−Si系箔を介して重ねた状態で、これらに荷重を加え、真空中で加熱することにより積層体を作製する工程と、
この積層体の回路層(16)を所定のパターンの回路に形成した後に、上記積層体の回路層(16)にはんだ層(22)を介して半導体チップ(23)を搭載する工程と
を含むことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 - 緩衝層(14,64)の表面積が前記絶縁基板(12)の表面積の1〜3倍であり、前記緩衝層(14,64)の厚さが絶縁基板(12)の厚さの1.5〜50倍である請求項1記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 放熱板(48,68)に取付けられ内部に冷却水(19a)が通過する冷却水通路(19b)が形成された水冷シンク部(19)を更に備え、放熱板(48,68)の表面に緩衝層(14,64)を嵌入可能な溝(48a,68a)又は凹部が形成され、前記緩衝層(14,64)が前記溝(48a,68a)又は前記凹部に嵌入された状態で前記放熱板(48,68)に接着された請求項1又は2記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 放熱板は内部に冷却水(73a)が通過する冷却水通路(73b)が形成された水冷式ヒートシンク(73)である請求項1又は2記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
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