JP5640610B2 - Power module substrate manufacturing equipment - Google Patents

Power module substrate manufacturing equipment Download PDF

Info

Publication number
JP5640610B2
JP5640610B2 JP2010219569A JP2010219569A JP5640610B2 JP 5640610 B2 JP5640610 B2 JP 5640610B2 JP 2010219569 A JP2010219569 A JP 2010219569A JP 2010219569 A JP2010219569 A JP 2010219569A JP 5640610 B2 JP5640610 B2 JP 5640610B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
power module
cushion sheet
laminate
module substrate
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.)
Active
Application number
JP2010219569A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2012074612A (en
Inventor
慎介 青木
慎介 青木
長瀬 敏之
敏之 長瀬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
Priority to JP2010219569A priority Critical patent/JP5640610B2/en
Publication of JP2012074612A publication Critical patent/JP2012074612A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5640610B2 publication Critical patent/JP5640610B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321Disposition
    • H01L2224/32151Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation

Description

本発明は、大電流、高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用基板の製造装置および製造方法に関する。   The present invention relates to a manufacturing apparatus and a manufacturing method of a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.

従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に、回路層となる金属層が積層され、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となる金属層が形成され、この放熱層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。
また、特許文献1には、放熱層となる金属層を設けず、セラミックス基板に直接アルミニウム製のヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。
As a conventional power module, a metal layer serving as a circuit layer is laminated on one surface of a ceramic substrate, and an electronic component such as a semiconductor chip is soldered on the circuit layer, and on the other surface of the ceramic substrate. A structure in which a metal layer to be a heat dissipation layer is formed and a heat sink is joined to the heat dissipation layer is known.
Patent Document 1 proposes a power module substrate with a heat sink in which an aluminum heat sink is directly bonded to a ceramic substrate without providing a metal layer serving as a heat dissipation layer.

セラミックス基板に回路層又は放熱層となる金属層を積層状態に接合する場合、特許文献2に示されるように、セラミックス基板にろう材を介して金属層を積層した積層体とクッションシートとをその厚さ方向に交互に重ねて、ばね等の付勢力を加えて加圧しながら加熱することにより、セラミックス基板と金属層とをろう付けする方法が知られている。
クッションシートは、セラミックス基板と金属層との接合面に圧力を均等に作用させるために用いられ、グラファイト製クッション層の両面にカーボン製緻密層が形成されている。
また、このパワーモジュール用基板の製造装置においては、ベース板の四隅にガイドポストが垂直に固定されるとともに、これらガイドポストにベース板と平行な押圧板(加圧板)が上下移動自在に支持されており、押圧板とガイドポストの上端部に固定された固定板との間に、重ねられた積層体とクッションシートとを加圧するための複数のばねが設けられている。
When a metal layer to be a circuit layer or a heat dissipation layer is bonded to a ceramic substrate in a laminated state, as shown in Patent Document 2, a laminate in which a metal layer is laminated on a ceramic substrate via a brazing material and a cushion sheet There is known a method of brazing a ceramic substrate and a metal layer by alternately superimposing them in the thickness direction and heating them while applying pressure by applying a biasing force such as a spring.
The cushion sheet is used to apply pressure evenly to the joint surface between the ceramic substrate and the metal layer, and a dense carbon layer is formed on both surfaces of the graphite cushion layer.
In this power module substrate manufacturing apparatus, guide posts are vertically fixed at the four corners of the base plate, and a pressure plate (pressure plate) parallel to the base plate is supported by the guide posts so as to be movable up and down. A plurality of springs are provided between the pressing plate and the fixed plate fixed to the upper end portion of the guide post to pressurize the stacked laminate and the cushion sheet.

特開2008−205372号公報JP 2008-205372 A 特開2008−192823号公報JP 2008-192823 A

しかしながら、特許文献1記載のパワーモジュール用基板の製造装置においては、重ねて配置された積層体とクッションシートとを加圧するために、ベース板や押圧板の他に複数のばねや固定板を用いており、これらがパワーモジュール用基板の全面をカバーし得る大きさとなるため、装置全体の熱容量が大きくなっている。そのため、この製造装置を含めて、全ての積層体を均一に加熱状態とするまでに時間を要するという問題があった。   However, in the apparatus for manufacturing a power module substrate described in Patent Document 1, a plurality of springs and fixing plates are used in addition to the base plate and the pressing plate in order to pressurize the laminated body and the cushion sheet that are arranged in an overlapping manner. Since these are large enough to cover the entire surface of the power module substrate, the heat capacity of the entire apparatus is increased. Therefore, there is a problem that it takes time until all the laminated bodies including this manufacturing apparatus are uniformly heated.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、セラミックス基板と金属層とを短時間で接合することができるパワーモジュール用基板の製造装置および製造方法を提供する。   This invention is made | formed in view of such a situation, Comprising: The manufacturing apparatus and manufacturing method of the board | substrate for power modules which can join a ceramic substrate and a metal layer in a short time are provided.

本発明のパワーモジュール用基板の製造装置は、セラミックス基板に金属層を接合材を介して積層した積層体を高温下で加圧することにより接合してパワーモジュール用基板を製造するための装置であって、前記積層体の両面に配置されるクッションシートと、加熱
時の熱膨張に伴う前記積層体及び前記クッションシートの積層高さの増大を拘束する固定手段とを具備するとともに、前記クッションシートは、グラファイト層の両面にカーボン層が形成されてなり、前記固定手段は、前記積層体及び前記クッションシートが載置されるベース板と、前記ベース板の上面に上下方向に沿って取り付けた複数のガイドポストと、前記ベース板上に積み重ねられた前記積層体及び前記クッションシートの上に配置される押圧板と、前記ガイドポストの上端部に取り付けられて前記押圧板の上方への移動を規制するストッパとにより構成されていることを特徴とする。
The power module substrate manufacturing apparatus of the present invention is an apparatus for manufacturing a power module substrate by bonding a laminated body in which a metal layer is stacked on a ceramic substrate via a bonding material by pressing at a high temperature. The cushion sheet disposed on both sides of the laminate, and a fixing means for restraining an increase in the laminate height of the laminate and the cushion sheet accompanying thermal expansion during heating, , Ri Na with a carbon layer is formed on both surfaces of the graphite layers, wherein the fixing means comprises a base plate in which the laminate and the cushion sheet is placed, a plurality of mounted along the vertical direction on the upper surface of the base plate A guide post, a pressing plate disposed on the laminate and the cushion sheet stacked on the base plate, and the guide post Wherein the is attached to an upper end portion is constituted by a stopper for restricting the upward movement of the pressing plate.

クッションシートの内部には、熱膨張係数の大きいグラファイト層が設けられていることから、積層体の両面にクッションシートを積層した状態で保持したまま加熱すると、グラファイト層が熱膨張しようとするのに対し、その積層体及びクッションシートの積層高さは固定手段により拘束されているので、その熱膨張力により、積層体はその積層方向に加圧される。したがって、積層体を加圧状態で加熱することができ、強固に接合することができる。しかも、グラファイト層は比較的軟質でありクッション性を有しているので、セラミックス基板の局所的な厚みムラや表面凹凸に追従して積層体を均一に加圧することができる。
このように、ばね等の加圧手段を設けることなく、積層体及びクッションシートの熱膨張を固定手段で拘束するという構成であるから、例えば、ボルトとナット等を用いた簡易な構成とすることができる。このため、装置全体の熱容量を小さくして、接合に要する加熱時間を短縮することができ、セラミックス基板と金属層とを短時間で接合することができる。
なお、積層体に接触する表面はカーボン層により比較的硬質な表面とされており、積層体からの離脱を容易に行うことができる。
A graphite layer with a large coefficient of thermal expansion is provided inside the cushion sheet, so if you hold the cushion sheet laminated on both sides of the laminate and heat it while it is heated, the graphite layer will try to thermally expand. On the other hand, since the stacking height of the laminate and the cushion sheet is restrained by the fixing means, the laminate is pressed in the stacking direction by the thermal expansion force. Therefore, the laminate can be heated in a pressurized state and can be firmly bonded. In addition, since the graphite layer is relatively soft and has cushioning properties, the laminate can be uniformly pressed following local thickness unevenness and surface irregularities of the ceramic substrate.
Thus, since it is the structure which restrains the thermal expansion of a laminated body and a cushion sheet with a fixing means, without providing pressurizing means, such as a spring, it is set as a simple structure using a bolt, a nut, etc., for example. Can do. For this reason, the heat capacity of the entire apparatus can be reduced, the heating time required for bonding can be shortened, and the ceramic substrate and the metal layer can be bonded in a short time.
In addition, the surface which contacts a laminated body is made into the comparatively hard surface by the carbon layer, and can detach | leave from a laminated body easily.

さらに、本発明のパワーモジュール用基板の製造装置において、前記ガイドポストの上端部には雄ねじ部が形成されており、前記ストッパは、前記ガイドポストの雄ねじ部に螺合するナットにより構成されているとよい。   Further, in the power module substrate manufacturing apparatus of the present invention, a male screw portion is formed at the upper end portion of the guide post, and the stopper is constituted by a nut screwed into the male screw portion of the guide post. Good.

本発明によれば、製造装置全体としての熱容量を小さくすることができ、セラミックス基板と金属層との積層体を均一に加圧するとともに、速やかに加熱することができるので、セラミックス基板と金属層とを短時間で接合することができる。   According to the present invention, the heat capacity of the entire manufacturing apparatus can be reduced, and the laminate of the ceramic substrate and the metal layer can be uniformly pressed and heated quickly. Can be joined in a short time.

パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the power module using the board | substrate for power modules. 本発明のパワーモジュール用基板の製造装置を示す側面図である。It is a side view which shows the manufacturing apparatus of the board | substrate for power modules of this invention. クッションシートを示す断面図である。It is sectional drawing which shows a cushion sheet.

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は、この発明により製造されるパワーモジュール用基板3を適用したパワーモジュール1を示している。この図1のパワーモジュール1は、セラミックス基板2を有するパワーモジュール用基板3と、パワーモジュール用基板3の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品4と、パワーモジュール用基板3の裏面に接合されたヒートシンク5とから構成される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a power module 1 to which a power module substrate 3 manufactured according to the present invention is applied. The power module 1 in FIG. 1 is bonded to a power module substrate 3 having a ceramic substrate 2, an electronic component 4 such as a semiconductor chip mounted on the surface of the power module substrate 3, and the back surface of the power module substrate 3. The heat sink 5 is made up of.

パワーモジュール用基板3は、セラミックス基板2の両面に金属層6,7が積層されており、その一方の金属層6が回路層となり、その表面に電子部品4が接合される。また、他方の金属層7は放熱層とされ、その表面にヒートシンク5が取り付けられる。   In the power module substrate 3, metal layers 6 and 7 are laminated on both surfaces of the ceramic substrate 2, one of the metal layers 6 becomes a circuit layer, and the electronic component 4 is bonded to the surface thereof. The other metal layer 7 is a heat radiating layer, and the heat sink 5 is attached to the surface thereof.

セラミックス基板2は、例えば、AlN(窒化アルミニウム)、Si(窒化珪素)等の窒化物系セラミックス、もしくはAl(アルミナ)等の酸化物系セラミックスにより形成され、その厚さは例えば0.635mmとされる。
金属層6,7は、いずれも純度99.90質量%以上のアルミニウムが用いられ、JIS規格では、1N90(純度99.90質量%以上:いわゆる3Nアルミニウム)又は1N99(純度99.99質量%以上:いわゆる4Nアルミニウム)を用いることができる。
このパワーモジュール用基板3は、放熱層となる金属層7に緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属層6よりも肉厚に形成されたものを用いている。
The ceramic substrate 2 is made of, for example, nitride ceramics such as AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), or oxide ceramics such as Al 2 O 3 (alumina), and the thickness thereof is For example, it is set to 0.635 mm.
The metal layers 6 and 7 are each made of aluminum having a purity of 99.90% by mass or more. According to JIS standards, 1N90 (purity 99.90% by mass or more: so-called 3N aluminum) or 1N99 (purity 99.99% by mass or more). : So-called 4N aluminum) can be used.
The power module substrate 3 is formed so as to be thicker than the metal layer 6 serving as a circuit layer because the metal layer 7 serving as a heat dissipation layer has a buffer function.

本実施形態のパワーモジュール用基板3においては、例えば、回路層となる金属層6の厚さは0.6mmとされ、放熱層となる金属層7の厚さが1.5mmとされている。
これら金属層6,7は、プレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板2に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板2に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。
In the power module substrate 3 of the present embodiment, for example, the thickness of the metal layer 6 that is a circuit layer is 0.6 mm, and the thickness of the metal layer 7 that is a heat dissipation layer is 1.5 mm.
These metal layers 6 and 7 are formed into a desired external shape by etching after bonding a material punched into a desired external shape by pressing to the ceramic substrate 2 or joining a flat plate to the ceramic substrate 2. Either method can be employed.

セラミックス基板2と回路層及び放熱層となる金属層6,7とは、Al−Si系、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系またはAl−Mn系等のろう材によりろう付けされている。   The ceramic substrate 2 and the metal layers 6 and 7 serving as the circuit layer and the heat dissipation layer are brazed with a brazing material such as Al—Si, Al—Ge, Al—Cu, Al—Mg, or Al—Mn. Has been.

なお、金属層6と電子部品4との接合には、Sn−Ag−Cu系,Zn−Al系もしくはPb−Sn系等のはんだ材が用いられる。図中符号8がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品4と金属層6の端子部との間は、アルミニウム等からなるボンディングワイヤ(図示略)により接続される。   For joining the metal layer 6 and the electronic component 4, a solder material such as Sn—Ag—Cu, Zn—Al, or Pb—Sn is used. Reference numeral 8 in the figure indicates the solder joint layer. The electronic component 4 and the terminal portion of the metal layer 6 are connected by a bonding wire (not shown) made of aluminum or the like.

一方、ヒートシンク5は、その形状等は特に限定されないが、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、その長さ方向に沿って冷却水を流通させるための多数の流路16が形成されている。
放熱層となる金属層7とヒートシンク5との間の接合法としては、Al−Si系、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系またはAl−Mn系等の合金のろう材によるろう付け法や、Al−Si系のろう材にフラックスを用いたノコロックろう付け法、金属層およびヒートシンクにNiめっきを施し、Sn−Ag−Cu系、Zn−AlもしくはPb−Sn系等のはんだ材によりはんだ付けする方法が用いられ、あるいは、シリコングリースによって密着させた状態でねじによって機械的に固定される。図1では、ろう付けした例を示している。
On the other hand, the shape and the like of the heat sink 5 are not particularly limited, but are formed by extrusion molding of an aluminum alloy, and a large number of flow paths 16 are formed along the length direction for circulating cooling water.
As a joining method between the heat sink 5 and the metal layer 7 serving as a heat dissipation layer, an Al—Si based, Al—Ge based, Al—Cu based, Al—Mg based, or Al—Mn based alloy brazing material is used. Brazing method, Nocolok brazing method using flux for Al-Si based brazing material, Ni plating on metal layer and heat sink, Sn-Ag-Cu based, Zn-Al or Pb-Sn based solder A method of soldering with a material is used, or it is mechanically fixed with screws in a state of being in close contact with silicon grease. FIG. 1 shows a brazed example.

このパワーモジュール1に用いられているパワーモジュール用基板3の製造装置100について、本発明に係る実施形態を説明する。
図2に示すように、本実施形態のパワーモジュール用基板の製造装置100は、接合材であるろう材箔(図示略)を介してセラミックス基板2と金属層6,7とを積層してなる積層体30の両面に配置されるクッションシート40と、これら積層体30とクッションシート40とを積み重ねた状態で一定高さに保持するための固定手段110と、図示略の加熱炉とを備えた構成とされる。
An embodiment according to the present invention will be described for a manufacturing apparatus 100 for a power module substrate 3 used in the power module 1.
As shown in FIG. 2, the power module substrate manufacturing apparatus 100 of this embodiment is formed by laminating a ceramic substrate 2 and metal layers 6 and 7 via a brazing material foil (not shown) as a bonding material. A cushion sheet 40 disposed on both surfaces of the laminate 30, a fixing means 110 for holding the laminate 30 and the cushion sheet 40 in a stacked state, and a heating furnace (not shown). It is supposed to be configured.

固定手段110は、ベース板111と、ベース板111の上面の四隅に上下方向に沿って取り付けたガイドポスト112と、これらガイドポスト112の上端部に上下移動自在に支持された押圧板113と、ガイドポスト112の上端部に設けられた雄ねじ部112aに螺合して押圧板113の上方への移動を規制するストッパであるナット114とを備えている。
押圧板113は、ベース板111に対して平行に配置されている。そして、積層体30およびクッションシート40は、ベース板111と押圧板113との間に交互に積層されて、その厚さ方向(積層方向)は、ナット114の位置によって所定の間隔をもって保持される。
The fixing means 110 includes a base plate 111, guide posts 112 attached to the four corners of the upper surface of the base plate 111 along the vertical direction, and a pressing plate 113 supported on the upper ends of the guide posts 112 so as to be movable up and down. A nut 114 is provided that is a stopper that restricts the upward movement of the pressing plate 113 by screwing into a male screw portion 112 a provided at the upper end portion of the guide post 112.
The pressing plate 113 is disposed in parallel with the base plate 111. The laminate 30 and the cushion sheet 40 are alternately laminated between the base plate 111 and the pressing plate 113, and the thickness direction (stacking direction) is held at a predetermined interval depending on the position of the nut 114. .

具体的には、ベース板111の上にセラミックス基板2と金属層6,7との積層体30を、クッションシート40を介して積み重ねた後、その上に押圧板113を配置して、押圧板113の上に突出するガイドポスト112の雄ねじ部112aにナット114を螺合し、そのナット114の下面が押圧板113の上面に当接した位置、あるいは、その当接位置よりわずかにナット114を締めた状態とする。
なお、ガイドポスト112は、熱膨張係数が極めて小さいカーボンファイバーを含んだ複合材によって形成されている。
Specifically, after the laminated body 30 of the ceramic substrate 2 and the metal layers 6 and 7 is stacked on the base plate 111 via the cushion sheet 40, the pressing plate 113 is disposed thereon, and the pressing plate The nut 114 is screwed into the male threaded portion 112a of the guide post 112 protruding above the 113, and the nut 114 is slightly moved from the position where the lower surface of the nut 114 is in contact with the upper surface of the pressing plate 113 or from the contact position. The state is tightened.
The guide post 112 is formed of a composite material including carbon fiber having a very small thermal expansion coefficient.

クッションシート40は、図3に示すように、グラファイト層41の両面にカーボン層42をろう付けにより積層した状態に形成される。
グラファイト層41は、鱗片状のグラファイト薄膜が複数枚雲母のように貼りついて構成されたものであり、天然黒鉛を酸処理した後にシート状に成形してロール圧延してなるものである。この場合、グラファイト層41の熱膨張係数は、その表面に平行な方向では、5×10−6/℃程度であるが、表面に直交する方向(積層方向)では、およそ2×10−4/℃と大きいものである。
また、カーボン層42は、薄膜のカーボン板によって構成されており、3000℃程度の高温で焼成したものである。
As shown in FIG. 3, the cushion sheet 40 is formed in a state where carbon layers 42 are laminated on both surfaces of a graphite layer 41 by brazing.
The graphite layer 41 is formed by attaching scaly graphite thin films like a plurality of mica, and is formed by rolling natural graphite into a sheet shape after acid treatment. In this case, the thermal expansion coefficient of the graphite layer 41 is about 5 × 10 −6 / ° C. in the direction parallel to the surface, but is approximately 2 × 10 −4 / in the direction orthogonal to the surface (stacking direction). It is a big one with ℃.
The carbon layer 42 is formed of a thin carbon plate and is fired at a high temperature of about 3000 ° C.

つまり、クッションシート40は、未焼成のグラファイト層41の両面に、焼成してなるカーボン層42が配置された構成であり、内部のグラファイト層41はかさ密度が0.5Mg/m以上1.3Mg/m以下で軟質であるが、表面のカーボン層42はかさ密度が1.6Mg/m以上1.9Mg/m以下の比較的硬質で平滑な平面に形成される。
なお、グラファイト層41の厚みは0.5mm以上5.0mm以下とされ、両面のカーボン層42の厚みは0.5mm以上5.0mm以下とされる。
That is, the cushion sheet 40 has a configuration in which the fired carbon layer 42 is disposed on both sides of the unfired graphite layer 41, and the internal graphite layer 41 has a bulk density of 0.5 Mg / m 3 or more. Although it is soft at 3 Mg / m 3 or less, the carbon layer 42 on the surface is formed on a relatively hard and smooth plane having a bulk density of 1.6 Mg / m 3 or more and 1.9 Mg / m 3 or less.
In addition, the thickness of the graphite layer 41 shall be 0.5 mm or more and 5.0 mm or less, and the thickness of the carbon layer 42 of both surfaces shall be 0.5 mm or more and 5.0 mm or less.

そして、これらグラファイト層41とカーボン層42とのろう付けには、積層体30のろう付け時には溶融しない、積層体30のろう材箔よりも高融点のろう材が用いられる。このようなろう材としては、例えば融点が1273〜1373KのCu−Ni−Mn系ろう材、Cu−Ni−M(Si、Cr、Mg、Co)−Mn系ろう材などが例示される。M(Si、Cr、Mg、Co)は、Si、Cr、Mg、Coのうちの少なくとも一種を含むことを意味する。   For the brazing of the graphite layer 41 and the carbon layer 42, a brazing material having a melting point higher than that of the brazing material foil of the laminated body 30 that does not melt when the laminated body 30 is brazed is used. Examples of such a brazing material include a Cu—Ni—Mn brazing material having a melting point of 1273 to 1373K, and a Cu—Ni—M (Si, Cr, Mg, Co) —Mn brazing material. M (Si, Cr, Mg, Co) means containing at least one of Si, Cr, Mg, and Co.

このように形成されたクッションシート40と積層体30とを交互に積層し、これらを厚さ方向に保持する固定手段110ごと加熱炉に入れて所定のろう付け温度で加熱することにより、各積層体30のセラミックス基板2と金属層6,7とをろう付けして、パワーモジュール用基板3を製造することができる。   The cushion sheet 40 and the laminated body 30 thus formed are alternately laminated, and the fixing means 110 that holds them in the thickness direction are placed in a heating furnace and heated at a predetermined brazing temperature, whereby each laminated layer is obtained. The power module substrate 3 can be manufactured by brazing the ceramic substrate 2 of the body 30 and the metal layers 6 and 7.

この際、クッションシート40の内部には、熱膨張係数の大きいグラファイト層41が設けられていることから、積層体30の両面にクッションシート40を積層した状態で保持したまま加熱すると、グラファイト層41が熱膨張しようとするのに対し、積層体30及びクッションシート40の積層高さはナット114により拘束されているので、その熱膨張力により、積層体30はその積層方向に加圧されることとなる。したがって、積層体30を加圧状態で加熱することができ、強固に接合することができる。
また、グラファイト層41は、比較的軟質でありクッション性を有しているので、セラミックス基板2の局所的な厚みムラや表面凹凸に追従して積層体を均一に加圧することができる。
At this time, since the graphite layer 41 having a large thermal expansion coefficient is provided inside the cushion sheet 40, the graphite layer 41 is heated when the cushion sheet 40 is heated while being laminated on both surfaces of the laminate 30. However, since the stacking height of the laminate 30 and the cushion sheet 40 is restrained by the nut 114, the laminate 30 is pressed in the stacking direction by the thermal expansion force. It becomes. Therefore, the laminated body 30 can be heated in a pressurized state and can be firmly bonded.
In addition, since the graphite layer 41 is relatively soft and has cushioning properties, the laminated body can be uniformly pressed following local thickness unevenness and surface irregularities of the ceramic substrate 2.

このように、ばね等の加圧手段を設けることなく、積層体30及びクッションシート440の熱膨張をナット114で拘束するという簡易な構成とすることができるので、装置全体の熱容量を小さくして、接合に要する加熱時間を短縮することができ、セラミックス基板2と金属層6,7とを短時間で接合することができる。
また、積層体30に接触するクッションシート40の表面はカーボン層42により比較的硬質な表面とされており、積層体30からの離脱を容易に行うことができる。
Thus, since it can be set as the simple structure of restraining thermal expansion of the laminated body 30 and the cushion sheet 440 with the nut 114, without providing pressurizing means, such as a spring, the thermal capacity of the whole apparatus is made small. The heating time required for joining can be shortened, and the ceramic substrate 2 and the metal layers 6 and 7 can be joined in a short time.
In addition, the surface of the cushion sheet 40 that contacts the laminated body 30 is a relatively hard surface by the carbon layer 42, and can be easily detached from the laminated body 30.

本発明の効果確認のために、上述実施形態の構成を用いてパワーモジュール用基板を製造した。また、比較例として、特許文献1に提案されるようなばねによる付勢構造が設けられた製造装置を用いてパワーモジュール用基板を製造し、評価を行った。
比較例の製造装置においては、ベース板、ガイドポスト、押圧板の他に、ばねによる付勢構造として、ばねとばねの背部を支持する固定板とが備えられ、実施例の製造装置には、ばねと固定板による付勢構造に代えてナット114が設けられる。
In order to confirm the effect of the present invention, a power module substrate was manufactured using the configuration of the above-described embodiment. Further, as a comparative example, a power module substrate was manufactured using a manufacturing apparatus provided with a spring biasing structure as proposed in Patent Document 1, and evaluated.
In the manufacturing apparatus of the comparative example, in addition to the base plate, the guide post, and the pressing plate, as a biasing structure by the spring, a spring and a fixing plate that supports the back portion of the spring are provided. A nut 114 is provided instead of the biasing structure by the spring and the fixing plate.

積層体は、板厚0.635mmの窒化アルミニウムからなる一辺が30mmの正方形のセラミックス基板の両側に、Al−Si合金のろう材箔を介して28mm角のアルミニウム金属層(回路層の厚み0.6mm、放熱層の厚み1.5mm)を配置したものとした。また、クッションシートとしては、厚さ1mmのグラファイト層の両面に、厚さ1mmのカーボン層をろう付けした35mm角のものを用いた。そして、各積層体の両面にクッションシートを積層してベース板と押圧板との間に配置して加熱処理を施し、それぞれ15ユニットのパワーモジュール用基板を製造した。
なお、実施例の製造装置においては、常温時において積層体及びクッションシートが加圧されない程度にナットを締めつけて製造した。また、比較例の製造装置においては、ばねによる付勢力を作用させており、そのばねによる積層方向の押圧力は、0.5×10Pa〜5×10Paとなるものを用いた。
The laminated body is formed of a 28 mm square aluminum metal layer (circuit layer thickness 0. 0 mm) on both sides of a square ceramic substrate made of aluminum nitride having a plate thickness of 0.635 mm and a side of 30 mm with an Al-Si alloy brazing foil. 6 mm, the thickness of the heat radiation layer 1.5 mm). Further, as the cushion sheet, a 35 mm square sheet obtained by brazing a 1 mm thick carbon layer on both sides of a 1 mm thick graphite layer was used. And the cushion sheet | seat was laminated | stacked on both surfaces of each laminated body, it arrange | positioned between the base board and the press board, and the heat processing was performed, and the board | substrate for 15 units of power modules was manufactured, respectively.
In addition, in the manufacturing apparatus of the Example, it manufactured by tightening a nut to such an extent that a laminated body and a cushion sheet were not pressurized at normal temperature. In the manufacturing apparatus of the comparative example, the spring has to act an urging force by the pressing force in the stacking direction by the spring, was used as a 0.5 × 10 5 Pa~5 × 10 5 Pa.

その結果、比較例の製造装置では、適切に使用し得るパワーモジュール用基板の接合力を得るまで5〜6時間の加熱時間を要したところを、実施例の製造装置でパワーモジュール用基板を製造した場合には4時間程度に短縮できることがわかった。   As a result, in the manufacturing apparatus of the comparative example, the power module substrate was manufactured with the manufacturing apparatus of the example, where heating time of 5 to 6 hours was required until the bonding force of the power module substrate that can be used properly was obtained. In this case, it was found that the time can be shortened to about 4 hours.

なお、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、上記の実施形態においては、クッションシートは、板材のカーボン層をグラファイト層にろう付けして構成されていたが、グラファイト層の熱膨張を拘束せずに構成できるものであればよく、グラファイト層の表面にカーボン層をコーティングして構成しても良いし、その他の方法により構成してもよい。
また、クッションシートは、上記実施形態のように、グラファイト層の両面にそれぞれカーボン層を設けた三層構造のものだけではなく、さらに複数のグラファイト層とカーボン層とを交互に積層して、例えば五層構造等で構成してもよい。また、クッションシートを複数重ねる場合に、全てのクッションシートを同一構成のものとしなくてもよく、グラファイト層の厚いクッションシートや、グラファイト層の薄いクッションシート等が混在していてもよい。
また、固定手段として、ガイドポストの雄ねじ部にナットを締結する構造としたが、ナットに代えて、ガイドポストの任意の位置に固定可能なクランプ等を用いてもよい。
また、上記実施形態では、金属層に純度99.90%以上のアルミニウムを用いたが、純度99%以上のアルミニウム又はアルミニウム合金を用いてもよい。また、回路層及び放熱層となる金属層に同じ材質のものを用いたが、両金属層はこれに限定されるものではなく、回路層及び放熱層を別々の材質としてもよい。例えば、放熱層にアルミニウムを用い、回路層に銅を用いる構成とすることができる。
さらに、上記の実施形態においては、セラミックス基板の両面に回路層及び放熱層となる金属層を積層してパワーモジュール用基板を構成し、その放熱層にヒートシンクを取り付ける構成としていたが、放熱層を設けずにセラミックス基板の裏面に直接ヒートシンクをろう付け等により接合してパワーモジュール用基板を構成してもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, in the above embodiment, the cushion sheet is configured by brazing the carbon layer of the plate material to the graphite layer, but any cushion sheet can be used as long as it can be configured without restricting the thermal expansion of the graphite layer. The surface of the layer may be coated with a carbon layer, or may be formed by other methods.
In addition, the cushion sheet is not only a three-layer structure in which carbon layers are provided on both sides of the graphite layer, as in the above embodiment, but a plurality of graphite layers and carbon layers are alternately laminated, for example, You may comprise a five-layer structure. Further, when a plurality of cushion sheets are stacked, all the cushion sheets do not have to have the same configuration, and a cushion sheet having a thick graphite layer, a cushion sheet having a thin graphite layer, or the like may be mixed.
In addition, as the fixing means, a nut is fastened to the male thread portion of the guide post, but a clamp that can be fixed at an arbitrary position of the guide post may be used instead of the nut.
Further, in the above embodiment, aluminum having a purity of 99.90% or more is used for the metal layer, but aluminum or aluminum alloy having a purity of 99% or more may be used. Moreover, although the same material was used for the metal layer used as the circuit layer and the heat dissipation layer, both metal layers are not limited to this, and the circuit layer and the heat dissipation layer may be made of different materials. For example, aluminum can be used for the heat dissipation layer and copper can be used for the circuit layer.
Furthermore, in the above embodiment, a power module substrate is configured by laminating a metal layer serving as a circuit layer and a heat dissipation layer on both sides of the ceramic substrate, and a heat sink is attached to the heat dissipation layer. The power module substrate may be configured by bonding a heat sink directly to the back surface of the ceramic substrate by brazing or the like without providing it.

さらに、セラミックス基板と金属層とは、拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合してもよい。その接合方法について簡単に説明すると、金属層にスパッタリングによってAgを含有する固着層を形成した後、その固着層をセラミックス基板に接触させた状態で積層し、この積層体を加圧、加熱することにより、Agが金属層に拡散して金属層の固着層近傍の融点を低下させ、セラミックス基板と金属層との界面に溶融金属層を形成する。さらに、拡散が進むと、溶融金属層のAg濃度が低下して融点が上昇することにより凝固して、セラミックス基板と金属層とが接合される。   Further, the ceramic substrate and the metal layer may be bonded by diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding). The bonding method will be briefly described. After forming a fixed layer containing Ag on the metal layer by sputtering, the fixed layer is laminated in contact with the ceramic substrate, and the laminate is pressurized and heated. As a result, Ag diffuses into the metal layer and lowers the melting point in the vicinity of the fixed layer of the metal layer, thereby forming a molten metal layer at the interface between the ceramic substrate and the metal layer. Further, as diffusion proceeds, the Ag concentration of the molten metal layer decreases and the melting point increases, so that it solidifies, and the ceramic substrate and the metal layer are joined.

1 パワーモジュール
2 セラミックス基板
3 パワーモジュール用基板
4 電子部品
5 ヒートシンク
6,7 金属層(アルミニウム金属層)
8 はんだ接合層
16 流路
30 積層体
40 クッションシート
41 グラファイト層
42 カーボン層
100 パワーモジュール用基板の製造装置
110 固定手段
111 ベース板
112 ガイドポスト
112a 雄ねじ部
113 押圧板
114 ナット(ストッパ)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power module 2 Ceramic substrate 3 Power module substrate 4 Electronic component 5 Heat sink 6,7 Metal layer (aluminum metal layer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 Solder joint layer 16 Flow path 30 Laminate body 40 Cushion sheet 41 Graphite layer 42 Carbon layer 100 Power module board manufacturing apparatus 110 Fixing means 111 Base plate 112 Guide post 112a Male thread portion 113 Press plate 114 Nut (stopper)

Claims (2)

セラミックス基板に金属層を接合材を介して積層した積層体を高温下で加圧することにより接合してパワーモジュール用基板を製造するための装置であって、前記積層体の両面に配置されるクッションシートと、加熱時の熱膨張に伴う前記積層体及び前記クッションシートの積層高さの増大を拘束する固定手段とを具備するとともに、前記クッションシートは、グラファイト層の両面にカーボン層が形成されてなり、前記固定手段は、前記積層体及び前記クッションシートが載置されるベース板と、前記ベース板の上面に上下方向に沿って取り付けられカーボンファイバーを含んだ複合材により形成された複数のガイドポストと、前記ベース板上に積み重ねられた前記積層体及び前記クッションシートの上に配置される押圧板と、前記ガイドポストの上端部に取り付けられて前記押圧板の上方への移動を規制するストッパとにより構成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造装置。   A cushion for arranging a laminated body in which a metal layer is laminated on a ceramic substrate via a bonding material by pressurizing at a high temperature to produce a substrate for a power module, and disposed on both sides of the laminated body And a fixing means for restraining an increase in the stacking height of the laminate and the cushion sheet accompanying thermal expansion during heating, and the cushion sheet has a carbon layer formed on both sides of a graphite layer. The fixing means includes a base plate on which the laminate and the cushion sheet are placed, and a plurality of guides formed by a composite material including carbon fibers attached to the upper surface of the base plate along the vertical direction. A post, a pressing plate disposed on the laminated body and the cushion sheet stacked on the base plate, and the guide Apparatus for manufacturing a power module substrate, characterized in that attached to the upper end of strike is constituted by a stopper for restricting the upward movement of the pressing plate. 前記ガイドポストの上端部に雄ねじ部が形成されており、前記ストッパは、前記ガイドポストの雄ねじ部に螺合するナットにより構成されていることを特徴とする請求項に記載のパワーモジュール用基板の製造装置。 The male thread portion on the upper end portion of the guide post is formed, the stopper is a power module substrate according to claim 1, characterized in that it is constituted by a nut screwed onto the male threaded portion of the guide post Manufacturing equipment.
JP2010219569A 2010-09-29 2010-09-29 Power module substrate manufacturing equipment Active JP5640610B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010219569A JP5640610B2 (en) 2010-09-29 2010-09-29 Power module substrate manufacturing equipment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010219569A JP5640610B2 (en) 2010-09-29 2010-09-29 Power module substrate manufacturing equipment

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014174211A Division JP5900559B2 (en) 2014-08-28 2014-08-28 Power module substrate manufacturing method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012074612A JP2012074612A (en) 2012-04-12
JP5640610B2 true JP5640610B2 (en) 2014-12-17

Family

ID=46170469

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010219569A Active JP5640610B2 (en) 2010-09-29 2010-09-29 Power module substrate manufacturing equipment

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5640610B2 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014003133A (en) * 2012-06-18 2014-01-09 Mitsubishi Materials Corp Manufacturing method of substrate for power module
KR101376950B1 (en) 2012-12-28 2014-03-20 삼성전기주식회사 Double plate using in substrate pressing and method for pressing substrate
US10541152B2 (en) 2014-07-31 2020-01-21 Skyworks Solutions, Inc. Transient liquid phase material bonding and sealing structures and methods of forming same
US10568213B2 (en) 2014-07-31 2020-02-18 Skyworks Solutions, Inc. Multilayered transient liquid phase bonding
US10965269B2 (en) 2016-12-02 2021-03-30 Skyworks Solutions, Inc. Electronic devices formed in a cavity between substrates and including a via

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4978221B2 (en) * 2007-02-05 2012-07-18 三菱マテリアル株式会社 Circuit board manufacturing apparatus and manufacturing method, and cushion sheet used in the manufacturing method
JP2010168232A (en) * 2009-01-20 2010-08-05 Yamatake Corp Method of directly joining platinum foil to ceramic substrate

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012074612A (en) 2012-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105580131B (en) Substrate for power module with heat sink and method for manufacturing same
JP5892281B2 (en) Power module substrate with heat sink and power module
TWI521651B (en) Manufacturing method of substrate for power module having heatsink, substrate for power module having heatsink, and power module
JP6201827B2 (en) Manufacturing method of power module substrate with heat sink
WO2013147144A1 (en) Substrate for power module, substrate for power module with heat sink, power module, and method for manufacturing substrate for power module
JP6127540B2 (en) Power module substrate manufacturing method
JP6417834B2 (en) Power module substrate with cooler and method for manufacturing power module substrate with cooler
KR20150135285A (en) Substrate for power modules, substrate with heat sink for power modules, and power module
JP2016082234A (en) Substrate with cooler for power module and method for producing the same
JP5640610B2 (en) Power module substrate manufacturing equipment
JP4978221B2 (en) Circuit board manufacturing apparatus and manufacturing method, and cushion sheet used in the manufacturing method
JP6361532B2 (en) Manufacturing method of power module substrate with heat sink
JP6375818B2 (en) Manufacturing apparatus and manufacturing method for power module substrate with heat sink
JP5593936B2 (en) Manufacturing apparatus and manufacturing method for power module substrate
JP6201828B2 (en) Manufacturing method of power module substrate with heat sink
WO2018180159A1 (en) Method for producing insulated circuit board with heat sink
JP5987418B2 (en) Manufacturing method of power module substrate with heat sink
JP5786569B2 (en) Power module substrate manufacturing method
JP5772088B2 (en) Power module substrate manufacturing method and power module substrate
JP5900559B2 (en) Power module substrate manufacturing method
JP2010238963A (en) Substrate for power module, method for manufacturing substrate for power module, and power module
JP6264822B2 (en) Power module substrate with heat sink and manufacturing method thereof
JP5691580B2 (en) Manufacturing apparatus and manufacturing method for power module substrate
JP6471465B2 (en) Power module board with cooler
WO2016060079A1 (en) Substrate with cooler for power modules and method for producing same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130329

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20140128

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140204

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140402

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20140603

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140828

A911 Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20140905

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140930

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20141013

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5640610

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150