JP4605009B2 - パワーモジュールの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、大電流、大電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュールの製造方法に関するものである。

このような液冷ヒートシンクは、セラミックス基板の表面側に導体パターンが設けられたパワーモジュール用基板の裏面側に設けられ、その内部に一端から他端に向けて延び、冷却液が通過可能な流通孔が形成されることにより、導体パターンの表面側に設けられた半導体チップ等の発熱体の熱を、導体パターンおよびセラミックス基板を介して液冷ヒートシンクに伝導させ、前記冷却液によりこの熱を回収できるようになっている。このような液冷ヒートシンクは、例えば下記特許文献１に示されるように、例えば純アルミニウム若しくはアルミニウム合金等の展伸材の押出し成形により形成されている。
特開２００２−０９８４５４号公報

ところで、近年では、パワーモジュールに対してさらに大きな電流を流しても耐え得る仕様が要求されており、これに伴い、液冷ヒートシンクに対してさらなる放熱効率の向上が要求されている。このような要求に応えるための手段として、冷却液と接触する流通孔の内面の表面積を大きくすることが考えられるが、前記のように液冷ヒートシンクを押出し成形により形成する場合には、このような手段を実現することが技術的に困難であるばかりか敢えて実現しようとすると液冷ヒートシンクの製造コストを増大させるという問題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、放熱効率の向上された液冷ヒートシンクを容易に形成することができるパワーモジュールの製造方法を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュールの製造方法は、セラミックス基板の表面側に導体パターンが設けられたパワーモジュール用基板の裏面側に液冷ヒートシンクが設けられ、この液冷ヒートシンクの内部に冷却液が通過可能な流通孔が形成されたパワーモジュールの製造方法であって、前記液冷ヒートシンクを製造するに際し、前記流通孔と、この流通孔を画成する内面に当該流通孔の延びる方向に延在して形成された嵌合凹部とを備える本体部を展伸材の押出し成形により形成する押出し工程と、表面にろう材箔が配置されたフィン部材を前記嵌合凹部に嵌合する嵌合工程と、このフィン部材が嵌合凹部に嵌合された本体部を加熱して、フィン部材を嵌合凹部に接合する接合工程とを有し、前記接合工程において、母材から打ち抜かれた導体パターン部材を前記セラミックス基板の表面にろう材箔を介して配置するとともに、このセラミックス基板を液冷ヒートシンクの本体部の表面側にろう材箔を介して配置し、その後、前記導体パターン部材の表面と前記本体部の裏面とを挟み込んだ状態で加熱することにより、パワーモジュール用基板を形成するのと同時に、フィン部材と嵌合凹部とを接合して液冷ヒートシンクを形成してパワーモジュールを形成することを特徴とする。

この発明によれば、嵌合工程でフィン部材を流通孔の内面に形成された嵌合凹部に嵌合し、その後、接合工程でフィン部材を嵌合凹部に接合するので、押出し成形時における製造上の制約を受けることなく容易に流通孔の内面の冷却液との接触面積を増大させ、この液冷ヒートシンクの放熱効率を向上させることが可能になる。しかも、嵌合工程においてフィン部材を嵌合凹部に嵌合しているので、フィン部材を流通孔内に高精度に位置決めして配置することが可能になり、前記のように放熱効率の優れた液冷ヒートシンクを高精度に形成することができる。
また、この場合、一度の接合工程を経ることにより、液冷ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを形成してパワーモジュールを形成することが可能になり、加熱によりフィン部材を嵌合凹部に接合したことによって、パワーモジュールの各構成要素が熱劣化したり、生産効率が低下するのを防ぐことができる。

ここで、前記嵌合凹部は、前記流通孔を画成する内面のうち、前記パワーモジュール用基板が設けられる前記本体部の表面側に位置する上面に形成され、前記接合工程は、前記フィン部材を、前記上面に対向する前記流通孔の下面と非接触にした状態で、前記上面に形成された前記嵌合凹部にのみ接合してもよい。

この場合、フィン部材を、流通孔の下面に非接触とした状態で、上面に形成された嵌合凹部にのみ接合しているので、流通孔の内面にフィン部材を接合したことにより液冷ヒートシンク全体の曲げ剛性が高められてその柔軟性が低下するのを防ぐことが可能になる。これにより、冷却液との接触面積が向上された流通孔を有し、しかもパワーモジュール用基板を接合したときに、この基板と液冷ヒートシンクとの熱膨張係数差に起因した反りの発生が抑制された液冷ヒートシンクを形成することができる。

この発明に係る液冷ヒートシンクの製造方法およびパワーモジュールの製造方法によれば、放熱効率の向上された液冷ヒートシンクを容易に形成することができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。まず、この発明の第１実施形態に係る液冷ヒートシンクの製造方法により形成された液冷ヒートシンクを有するパワーモジュールについて図４に基づいて説明する。
このパワーモジュール１０は、セラミックス基板１２の表面に導体パターン１２が設けられるとともに、裏面に金属層１４が設けられたパワーモジュール用基板１１と、このパワーモジュール用基板１１の裏面に放熱体２１を介して設けられた液冷ヒートシンク２２と、導体パターン１２の表面に設けられた半導体チップ（発熱体）２３とを備えている。

セラミックス基板１２は、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４若しくはＳｉＣ等により形成され、導体パターン１３および金属層１４はともに、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金により形成されるとともに、セラミックス基板１２に、Ａｌ−Ｓｉ系（例えばＡｌ：９３重量％、Ｓｉ：７重量％、厚さ１３μｍ）若しくはＡｌ−Ｇｅ系のろう材箔を加熱して溶融することにより接合されている。

そして、導体パターン１３の表面に半導体チップ２３がはんだ層１６を介して接合されている。また、金属層１４の下面に放熱体２１が配設されており、これら１４、２１ははんだ付け、若しくはろう付けにより接合されている。さらに、放熱体２１の下面には、内部に冷却液が通過可能な流通孔１５が形成された液冷ヒートシンク２２が配設されている。流通孔１５は、図示されない冷媒循環手段に連結され、冷却液を供給および回収できるようになっている。

これにより、半導体チップ２３からの熱を放熱体２１および液冷ヒートシンク２２を介して外部へ放散できるようになっている。また、液冷ヒートシンク２２と放熱体２１とは、ろう付け、若しくははんだ付けにより接合されたり、あるいは締結部材により締結されている。
本実施形態では、金属層１４と放熱体２１とは前記ろう材箔を加熱して溶融することによりろう付けされ、放熱体２１と液冷ヒートシンク２２とは図示されないねじ等の締結部材により締結されている。

ここで、液冷ヒートシンク２２は、内部に流通孔１５が形成された本体部２４と、図１に示されるように、流通孔１５を画成する内面に、流通孔１５が延在し冷却液が流れる方向に延在して形成された嵌合凹部１５ａに嵌合されて接合されたフィン部材２５とを備えている。流通孔１５および嵌合凹部１５ａは、セラミックス基板１２、導体パターン１３および放熱体２１等が積層された方向、言い換えると半導体チップ２３の熱が液冷ヒートシンク２２に向けて伝導する伝熱方向に対して直交する方向に延在して形成されている。

また、流通孔１５には、本体部２４と一体的に形成された仕切り壁１５ｄが、流通孔１５が延在し冷却液が流れる方向、および前記積層された方向の双方に直交する方向、つまりこの流通孔１５の幅方向に、所定の間隔をあけて複数形成されており、この仕切り壁１５ｄにより流通孔１５がその幅方向で複数に分割されている。すなわち、流通孔１５は、仕切り壁１５ｄを介して前記幅方向に流路１５ｅが複数連設された構成とされている。

本実施形態では、嵌合凹部１５ａは、各流路１５ｅの内面のうち、セラミックス基板１２が設けられる本体部２４の表面側に位置する上面１５ｂと、この上面１５ｂと対向する下面１５ｃとにそれぞれ形成されている。これらの上面１５ｂおよび下面１５ｃにそれぞれ形成された嵌合凹部１５ａは、互いに対向する位置に開口して形成されている。そして、これらの互いに対向する位置に形成された一対の嵌合凹部１５ａに、平面視矩形状とされたフィン部材２５の両端部が嵌合されて接合されている。これにより、各流路１５ｅがさらに前記幅方向でフィン部材２５により２つに仕切られている。

本実施形態では、フィン部材２５は、本体部２４と同一の材質からなる板状体の表裏面に前記ろう材箔が配置されたいわゆるクラッド材が嵌合凹部１５ａに前記のように嵌合された状態で加熱されることにより、このろう材箔が溶融して嵌合凹部１５ａに接合されている。

次に、以上のように構成されたパワーモジュール１０の製造方法について説明する。まず、液冷ヒートシンク２２の製造方法について説明する。
例えば純アルミニウム若しくはアルミニウム合金（６０６３材、１０５０材）等からなる展伸材を押出し成形して、内部に仕切り壁１５ｄにより前記幅方向で仕切られた複数の流路１５ｅを有する流通孔１５と、各流路１５ｅにおける上面１５ｂおよび下面１５ｃにそれぞれ形成された前記一対の嵌合凹部１５ａとを有する本体部２４を形成する（押出し工程）。なお、流通孔１５および嵌合凹部１５ａがそれぞれ延在する方向は、押出し成形時の押出し方向と同じ方向とされている。

次に、本体部２４と同一の材質からなる板状体で、かつその表裏面に前記ろう材箔が配置されたフィン部材２５の両端部を、前記一対の嵌合凹部１５ａに嵌合し、このフィン部材２５を流通孔１５や嵌合凹部１５ａが延びる方向に延在させて配置する（嵌合工程）。これにより、各流路１５ｅがさらに前記幅方向でフィン部材２５によって２つに仕切られる。

一方、セラミックス基板１２の表面に前記ろう材箔を介して図示されない母材から打ち抜かれた導体パターン部材を配置するとともに、裏面に前記ろう材箔を介して図示されない母材から打ち抜かれた金属層部材を配置し、さらに、この金属層部材の下面に前記ろう材箔を介して放熱体２１を配置し、これらを仮固定した積層体を形成する。ここで、この積層体は、セラミックス基板１２の表裏面、導体パターン部材の裏面、金属層部材の上下面および放熱体２１の上面にそれぞれ揮発性有機媒体を塗布しておき、この揮発性有機媒体の表面張力によって各構成部材を仮固定する。

ここで、前記揮発性有機媒体としては、粘度が１×１０^−３Ｐａ・ｓ以上、好ましくは２０×１０^−３Ｐａ・ｓ以上１５００×１０^−３Ｐａ・ｓ以下、表面張力が８０×１０^−３Ｎ／ｍ以下、好ましくは２０×１０^−３Ｎ／ｍ以上６０×１０^−３Ｎ／ｍ以下とされ、また、温度がろう材箔１５ａの溶融温度以下、具体的には４００℃以下、好ましくは３００℃以下になったときに揮発する材質とされ、例えば２〜３価の多価アルコール、オクタンジオール等が挙げられる。

そして、前記積層体の放熱体２１の下面を本体部２４の表面に載置した状態で、放熱体２１と本体部２４とをねじ等の締結部材で締結する。次に、これらを約３００℃の雰囲気下で加熱し、前記揮発性有機媒体を揮発させるとともに、約６００℃〜６５０℃の雰囲気下で、前記導体パターン部材の表面および本体部２４の裏面を挟み込んで積層方向に約１時間、約０．２３ＭＰａ〜０．３５ＭＰａで加圧して、前述の各部に配置された全てのろう材箔を同時に溶融することにより、フィン部材２５が嵌合凹部１５ａにろう付けされて液冷ヒートシンク２２が形成されるとともに、パワーモジュール用基板１１が形成されてパワーモジュール１０が形成される（接合工程）。

以上説明したように、本実施形態による液冷ヒートシンク２２の製造方法によれば、嵌合工程でフィン部材２５を流通孔１５の内面に形成された嵌合凹部１５ａに嵌合し、その後、接合工程でフィン部材２５を嵌合凹部１５ａに接合するので、押出し成形時における製造上の制約を受けることなく容易に流通孔１５の内面の冷却液との接触面積を増大させ、この液冷ヒートシンク２２の放熱効率を向上させることが可能になる。しかも、嵌合工程においてフィン部材２５を嵌合凹部１５ａに嵌合しているので、フィン部材２５を流通孔１５内に高精度に位置決めして配置することが可能になり、前記のように放熱効率の優れた液冷ヒートシンク２２を高精度に形成することができる。

本実施形態では、流通孔１５が、仕切り壁１５ｄを介して前記幅方向に流路１５ｅが複数連設された構成とされ、各流路１５ｅの上面１５ｂおよび下面１５ｃにおいて互いに対向する位置に嵌合凹部１５ａが形成され、この対向する一対の嵌合凹部１５ａにフィン部材２５の幅方向両端部が嵌合されて接合されているので、流通孔１５の内面の冷却液との接触面積を効率的に増大させることが可能になり、この液冷ヒートシンク２２の放熱効率を確実に向上させることができる。

また、本実施形態では、一度の接合工程を経ることにより、液冷ヒートシンク２２とパワーモジュール用基板１１とを形成してパワーモジュール１０を形成するので、加熱してフィン部材２５を嵌合凹部１５ａに接合したことによって、パワーモジュール１０を構成する各構成要素が熱劣化したり、生産効率が低下するのを防ぐことができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では、仕切り壁１５ｄにより仕切られた各流路１５ｅに嵌合凹部１５ａを形成し、これらの流路１５ｅをフィン部材２５で仕切る構成を示したが、これに代えて、例えば、図２に示されるように、本体部３１の内部に形成された流通孔３２にこの本体部３１と一体的に形成された仕切り壁１５ｄが設けられておらず、この流通孔３２を画成する上面３２ａおよび下面３２ｂのうち、図１における仕切り壁１５ｄの配設位置と対応する位置にも嵌合凹部１５ａを形成し、これらの嵌合凹部１５ａにそれぞれ前記実施形態と同様にしてフィン部材２５を嵌合して接合するようにしてもよい。すなわち、図１に示す実施形態に代えて、流通孔３２が全てフィン部材２５で仕切られた液冷ヒートシンク３０を採用してもよい。

また、前記各実施形態では、フィン部材２５を、流通孔１５、３２の上面１５ｂ、３２ａおよび下面１５ｃ、３２ｂの双方に形成された前記一対の嵌合凹部１５ａに嵌合させたが、これに代えて、図３に示すように、流通孔４２を画成する内面のうち上面４２ａに形成された嵌合凹部１５ａにのみフィン部材２５を嵌合して接合し、フィン部材２５のうち、流通孔４２を画成する内面のうち下面４２ｂ側に位置する幅方向一端部２５ａは、この下面４２ｂと非接触として隙間を設けるようにしてもよい。

この場合、フィン部材２５を、流通孔４２の下面４２ｂに非接触とした状態で、上面４２ａに形成された嵌合凹部１５ａにのみ接合しているので、流通孔１５を画成する内面にフィン部材２５を接合したことにより液冷ヒートシンク４０全体の曲げ剛性が高められてその柔軟性が低下するのを防ぐことが可能になる。これにより、冷却液との接触面積が向上された流通孔４２を有し、しかもパワーモジュール用基板１１を接合したときに、この基板１１と本体部４１との熱膨張係数差に起因した反りの発生が抑制された液冷ヒートシンク４０を提供することができる。

さらにこの場合において、流通孔４２の下面４２ｂ側に位置するフィン部材２５の幅方向一端部２５ａを、前記ろう材箔が配置された表裏面を切削する等して、この端縁に向かうに従い漸次厚さが薄くされた先細り形状とすると、接合工程時に前記ろう材箔が溶融してろう材が下面４２ｂに付着するのを防ぐことが可能になり、流通孔４２の下面４２ｂとフィン部材２５との非接触を確実に実現することができる。

また、前記実施形態では、液冷ヒートシンク２２を形成する際、同時にパワーモジュール用基板１１を形成してパワーモジュール１０を形成したが、液冷ヒートシン２２およびパワーモジュール用基板１１を別個に形成しておき、その後、これら２２、１１を接合、あるいは前記締結してパワーモジュール１０を形成するようにしてもよい。この場合において、金属層１４と放熱体２１とははんだ付けにより接合してもよい。

さらに、前記各実施形態では、フィン部材２５として板状体を示したが、これに代えて、例えば横断面視Ｕ字状の部材を採用し、この部材のＵ字状をなす開口両端部を、流通孔１５、３２、４２の前記幅方向で隣合う２つの嵌合凹部１５ａに嵌合して接合するようにしてもよく、その形態は特に限られるものではない。
さらにまた、フィン部材２５の表面を例えば波状にしたり、粗面化処理を施したり、あるいは凹部若しくは貫通孔を形成する等して表面積が大きくされたフィン部材２５を採用してもよい。この場合、液冷ヒートシンク２２、３０、４０の放熱効率をさらに向上させることができる。

また、前記実施形態では、パワーモジュール用基板１１として、セラミックス基板１２の裏面に金属層１４が設けられ、金属層１４の下面に放熱体２１が設けられた構成を示したが、金属層１４や放熱体２１を有しない構成においても適用可能である。例えば、金属層１４を有して放熱体２１を有しない構成では、金属層１４と液冷ヒートシンク２２、３０、４０とをはんだ付け若しくはろう付けにより接合してもよい。
さらに、前記実施形態では、本体部２４、３１、４１の材質とフィン部材２５の材質とを同じにしたが、これに代えて、例えばフィン部材２５を本体部２４、３１、４１の材質よりも高い熱伝導率を有する材質により形成してもよい。

放熱効率の向上された液冷ヒートシンクを容易に形成することができる。

この発明の第１実施形態に係るパワーモジュールの製造方法における液冷ヒートシンクの製造方法において、（ａ）押出し工程により形成された本体部の一部横断面図、および（ｂ）嵌合工程によりフィン部材を嵌合凹部に嵌合した状態を示す一部横断面図を示すものである。 この発明の第２実施形態に係るパワーモジュールの製造方法における液冷ヒートシンクの製造方法において、（ａ）押出し工程により形成された本体部の一部横断面図、および（ｂ）嵌合工程によりフィン部材を嵌合凹部に嵌合した状態を示す一部横断面図を示すものである。 この発明の第３実施形態に係るパワーモジュールの製造方法における液冷ヒートシンクの製造方法において、嵌合工程によりフィン部材を嵌合凹部に嵌合した状態を示す一部横断面図を示すものである。 図１から図３に示す製造方法より形成された液冷ヒートシンクを適用したパワーモジュールの一実施形態を示す概略構成図である。

符号の説明

１０ パワーモジュール
１１ パワーモジュール用基板
１２ セラミックス基板
１３ 導体パターン
１５、３２、４２ 流通孔
１５ａ 嵌合凹部
１５ｂ、３２ａ、４２ａ 上面
１５ｃ、３２ｂ、４２ｂ 下面
２２、３０、４０ 液冷ヒートシンク
２３ 半導体チップ（発熱体）
２４、３１、４１ 本体部
２５ フィン部材

Claims (2)

1. セラミックス基板の表面側に導体パターンが設けられたパワーモジュール用基板の裏面側に液冷ヒートシンクが設けられ、この液冷ヒートシンクの内部に冷却液が通過可能な流通孔が形成されたパワーモジュールの製造方法であって、
   前記液冷ヒートシンクを製造するに際し、
   前記流通孔と、この流通孔を画成する内面に当該流通孔の延びる方向に延在して形成された嵌合凹部とを備える本体部を展伸材の押出し成形により形成する押出し工程と、
   表面にろう材箔が配置されたフィン部材を前記嵌合凹部に嵌合する嵌合工程と、
   このフィン部材が嵌合凹部に嵌合された本体部を加熱して、フィン部材を嵌合凹部に接合する接合工程とを有し、
   前記接合工程において、母材から打ち抜かれた導体パターン部材を前記セラミックス基板の表面にろう材箔を介して配置するとともに、このセラミックス基板を液冷ヒートシンクの本体部の表面側にろう材箔を介して配置し、その後、前記導体パターン部材の表面と前記本体部の裏面とを挟み込んだ状態で加熱することにより、パワーモジュール用基板を形成するのと同時に、フィン部材と嵌合凹部とを接合して液冷ヒートシンクを形成してパワーモジュールを形成することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
2. 請求項１記載のパワーモジュールの製造方法において、
   前記嵌合凹部は、前記流通孔を画成する内面のうち、前記パワーモジュール用基板が設けられる前記本体部の表面側に位置する上面に形成され、
   前記接合工程は、前記フィン部材を、前記上面に対向する前記流通孔の下面と非接触にした状態で、前記上面に形成された前記嵌合凹部にのみ接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。

Images