JP5966790B2 - Manufacturing method of power module substrate with heat sink - Google Patents
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Description
この発明は、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, which includes a power module substrate and a heat sink.
各種の半導体素子のうちでも、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板として、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板（絶縁層）の一方の面及び他方の面に回路層及び金属層を形成したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。
また、金属層側に、半導体素子及びパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が提供されている。
このようなパワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板は、その回路層上に、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子（電子部品）が搭載され、パワーモジュールとされる。
Among various semiconductor elements, a power element for high power control used for controlling an electric vehicle, an electric vehicle, and the like has a large amount of heat generation. Therefore, as a substrate on which this element is mounted, for example, AlN (aluminum nitride) 2. Description of the Related Art Conventionally, a power module substrate in which a circuit layer and a metal layer are formed on one surface and the other surface of a ceramic substrate (insulating layer) made of or the like has been widely used.
Further, there is provided a power module substrate with a heat sink in which a semiconductor element and a heat sink for cooling the power module substrate are bonded to the metal layer side.
Such a power module substrate and a power module substrate with a heat sink have a semiconductor element (electronic component) as a power element mounted on the circuit layer via a solder material to form a power module.
上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板としては、例えば、特許文献１、２に開示されたものが提案されている。
特許文献１、２に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板は、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板の両面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板（回路層及び金属層）が接合されたパワーモジュール用基板と、アルミニウムからなるヒートシンクとが、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いたろう付けによって接合されている。
As the above-mentioned power module substrate with a heat sink, for example, those disclosed in Patent Documents 1 and 2 have been proposed.
The power module substrate with heat sink described in Patent Documents 1 and 2 is a power module in which metal plates (circuit layer and metal layer) made of aluminum or aluminum alloy are bonded to both surfaces of a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride). The substrate for use and the heat sink made of aluminum are joined by brazing using an Al—Si based brazing material.
ここで、ヒートシンクとしては、例えばＡ６０６３合金、Ａ６０６１合金等のＭｇを含有したアルミニウム合金によって構成されたものが用いられることがある。
Ｍｇを含有したアルミニウム合金からなるヒートシンクとパワーモジュール用基板とを、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合した際には、例えば図５に示すように、ヒートシンクの表面に微小な突起物が形成されることがある。
このような微小な突起物が広範囲及び多量に観察された場合には、外観不良品と判断されてしまい、製品として用いられないおそれがあった。
Here, as a heat sink, what was comprised by aluminum alloys containing Mg, such as A6063 alloy and A6061 alloy, for example may be used.
When a heat sink made of an aluminum alloy containing Mg and a power module substrate are joined using an Al—Si brazing material, for example, as shown in FIG. 5, minute protrusions are formed on the surface of the heat sink. May be.
When such minute protrusions are observed in a wide range and in a large amount, it is determined that the appearance is a defective product and may not be used as a product.
また、この微小な突起物をＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）によって分析を行った結果、Ｓｉ及びＭｇの含有量が多く、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材に起因するものであると推測される。すなわち、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材が接合界面の外部に滲み出したことによってヒートシンクの表面に微小な突起物が発生していると考えられる。
さらに、ヒートシンクの表面に微小な突起物が発生した場合には、接合界面に存在するろう材が不足することなり、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合信頼性が低下するおそれがあった。
Moreover, as a result of analyzing this minute projection by EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy), it is presumed that the content of Si and Mg is large and is caused by the Al—Si based brazing material. The That is, it is considered that minute protrusions are generated on the surface of the heat sink as a result of the Al—Si brazing material oozing out of the bonding interface.
Furthermore, when minute protrusions are generated on the surface of the heat sink, the brazing material present at the bonding interface is insufficient, and the bonding reliability between the power module substrate and the heat sink may be reduced.
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、Ｍｇを含有したアルミニウム合金からなるヒートシンクとパワーモジュール用基板とを、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合した場合であっても、ヒートシンク表面に微小な突起物が生成することを抑制でき、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合信頼性を向上させることができる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を目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances described above, and even when a heat sink made of an aluminum alloy containing Mg and a power module substrate are joined using an Al-Si brazing material. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a power module substrate with a heat sink that can suppress the formation of minute protrusions on the surface of the heat sink and can improve the bonding reliability between the power module substrate and the heat sink. .
ここで、Ｍｇは、Ｓｉと同様にアルミニウムの融点を降下させる作用効果を有する元素である。また、ヒートシンクにろう材を用いてパワーモジュール用基板の金属層を接合する際、Ｍｇがヒートシンクの表面に濃縮する傾向があることが判った。このヒートシンク表面のＭｇの影響によって、接合界面に介在するＡｌ−Ｓｉ系ろう材の流動性が高まり、接合界面の外部にろう材が滲み出しやすくなり、Ｍｇ及びＡｌ−Ｓｉろう材によりヒートシンク表面に微小な突起物が生成したと推測される。
本発明者らが、鋭意研究した結果、パワーモジュール用基板の金属層とＭｇを含有するアルミニウム合金からなるヒートシンクとをろう付けする前に、このヒートシンクに対して熱処理を実施することにより、ＭｇのＡｌ−Ｓｉ系ろう材への影響を抑制できるとの知見を得た。
Here, Mg is an element having an effect of lowering the melting point of aluminum as with Si. Further, it has been found that when the metal layer of the power module substrate is bonded to the heat sink using a brazing material, Mg tends to concentrate on the surface of the heat sink. Due to the influence of Mg on the surface of the heat sink, the fluidity of the Al-Si brazing material intervening at the bonding interface is increased, and the brazing material is likely to exude outside the bonding interface. It is presumed that minute protrusions were generated.
As a result of intensive studies by the inventors, before brazing the metal layer of the power module substrate and the heat sink made of an aluminum alloy containing Mg, heat treatment is performed on the heat sink, thereby The knowledge that the influence on the Al—Si brazing material can be suppressed was obtained.
本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁基板の一方の面に回路層及び、前記絶縁基板の他方の面に金属層が配設され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に接合されたヒートシンクと、を備えた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、前記金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、前記ヒートシンクは、０．２質量％以上４質量％以下のＭｇを含有するアルミニウム合金で構成されており、前記ヒートシンクに対して、熱処理を実施するヒートシンク熱処理工程と、前記ヒートシンク熱処理工程を実施した前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板の金属層とをＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して接合する接合工程と、を備えており、前記ヒートシンク熱処理工程は、温度が４５０℃以上、かつ、前記ヒートシンクを構成するアルミニウム合金の固相線温度以下の条件で実施されることを特徴としている。 The present invention was made based on the above findings, the manufacturing method of the substrate for a power module with a heat sink of the present invention, the circuit layer on one surface of the insulating substrate and, on the other surface of the insulating substrate A method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, comprising: a power module substrate on which a metal layer is disposed; and a heat sink bonded to the power module substrate, wherein the metal layer is made of aluminum or an aluminum alloy. The heat sink is made of an aluminum alloy containing 0.2 mass% or more and 4 mass% or less of Mg, and a heat sink heat treatment step for performing heat treatment on the heat sink, and the heat sink heat treatment step The heat sink and the metal layer of the power module substrate that have been subjected to heat treatment are interposed through an Al-Si brazing material. And and a bonding step of bonding the heat sink heat treatment step, the temperature is 450 ° C. or higher, and is characterized by being carried out in the solidus temperature following conditions of the aluminum alloy constituting said heat sink Te .
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、０．２質量％以上４質量％以下のＭｇを含有するアルミニウム合金で構成されたヒートシンクに対して、熱処理を実施するヒートシンク熱処理工程を備えているので、接合工程を実施する時点において、ヒートシンク内部におけるＭｇの分散状態が変化することになる。
これにより、ＭｇのＡｌ−Ｓｉ系ろう材への影響を抑制でき、ろう材が接合界面から滲み出すことを抑制することが可能となる。したがって、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合に寄与するろう材を確保することができ、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合信頼性を向上させることができる。また、ヒートシンク表面に微小な突起物が生成することを抑えることができ、外観不良の発生を抑制することができる。
なお、ヒートシンクが複数の部材で構成されている場合には、前記パワーモジュール用基板に接合される部材が０．２質量％以上４質量％以下のＭｇを含有するアルミニウム合金で構成されていればよく、少なくとも当該部材を上述のように熱処理すればよい。
The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink having this configuration includes a heat sink heat treatment step for performing heat treatment on a heat sink composed of an aluminum alloy containing 0.2 mass% to 4 mass% of Mg. Therefore, at the time when the joining process is performed, the dispersion state of Mg in the heat sink changes.
Thereby, the influence of Mg on the Al—Si brazing material can be suppressed, and the brazing material can be prevented from oozing out from the bonding interface. Therefore, it is possible to secure the brazing material that contributes to the bonding between the heat sink and the power module substrate, and it is possible to improve the bonding reliability between the heat sink and the power module substrate. Moreover, generation | occurrence | production of a microprojection on the heat sink surface can be suppressed, and generation | occurrence | production of an external appearance defect can be suppressed.
In the case where the heat sink is composed of a plurality of members, if the member joined to the power module substrate is composed of an aluminum alloy containing 0.2 mass% or more and 4 mass% or less of Mg. The member may be heat-treated at least as described above.
ここで、前記ヒートシンク熱処理工程は、時間が５ｍｉｎ以上１８０ｍｉｎ以下の条件で実施されることが好ましい。
この場合、ヒートシンクにおけるＭｇの分散状態を確実に変化させることができ、ろう材への影響を抑制することができる。また、ヒートシンクの一部が溶融してしまうことを確実に抑制することができる。
Here, the heat sink heat treatment step is preferably time is carried out at 180min following conditions over 5min.
In this case, the dispersion state of Mg in the heat sink can be reliably changed, and the influence on the brazing material can be suppressed. Moreover, it can suppress reliably that a part of heat sink fuse | melts.
また、前記ヒートシンク熱処理工程は、圧力１×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気中で実施されることが好ましい。
この場合、ヒートシンク熱処理工程において、ヒートシンクの表面に厚い酸化被膜が形成されることを抑制できる。
The heat sink heat treatment step is preferably performed in a vacuum atmosphere having a pressure of 1 × 10 −2 Pa or less.
In this case, it is possible to suppress the formation of a thick oxide film on the surface of the heat sink in the heat sink heat treatment step.
本発明によれば、Ｍｇを含有したアルミニウム合金からなるヒートシンクとパワーモジュール用基板とを、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合した場合であっても、ヒートシンクの表面に微小な突起物が生成することを抑制でき、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合信頼性を向上させることができる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となる。 According to the present invention, even when a heat sink made of an aluminum alloy containing Mg and a power module substrate are joined using an Al—Si brazing material, minute protrusions are generated on the surface of the heat sink. Therefore, it is possible to provide a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink that can improve the bonding reliability between the power module substrate and the heat sink.
以下に、本発明の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について、添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の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によって製造された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を示す。
このパワーモジュール１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板４０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（電子部品）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系のはんだ材とされている。
Below, the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink which is embodiment of this invention is demonstrated with reference to attached drawing.
FIG. 1 shows a power module using a power module substrate with a heat sink manufactured by the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to an embodiment of the present invention.
This power module 1 includes a power module substrate 40 with a heat sink, and a semiconductor element (electronic component) bonded to one surface (upper side in FIG. 1) of the power module substrate 40 with a heat sink via a solder layer 2. 3 is provided.
Here, the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material.
ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０を冷却するヒートシンク４１と、を備えている。
パワーモジュール用基板１０は、絶縁基板１１と、この絶縁基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、絶縁基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
The power module substrate 40 with a heat sink includes a power module substrate 10 and a heat sink 41 that cools the power module substrate 10.
The power module substrate 10 includes an insulating substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface of the insulating substrate 11 (upper surface in FIG. 1), and the other surface (lower surface in FIG. 1) of the insulating substrate 11. And a disposed metal layer 13.
絶縁基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、ＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、絶縁基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６３５ｍｍに設定されている。 The insulating substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is, for example, AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), Al 2 O 3 (alumina). In this embodiment, it is made of AlN (aluminum nitride). Further, the thickness of the insulating substrate 11 is set within a range of 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, and is set to 0.635 mm in the present embodiment.
回路層１２は、絶縁基板１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２を構成する銅板として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。 The circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate made of copper or a copper alloy to one surface of the insulating substrate 11. In the present embodiment, an oxygen-free copper rolled plate is used as the copper plate constituting the circuit layer 12. A circuit pattern is formed on the circuit layer 12, and one surface (the upper surface in FIG. 1) is a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted.
金属層１３は、絶縁基板１１の他方の面に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が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３を構成するアルミニウム板として、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板が用いられている。 The metal layer 13 is formed by bonding an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the insulating substrate 11. In the present embodiment, as the aluminum plate constituting the metal layer 13, a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more is used.
本実施形態におけるヒートシンク４１は、パワーモジュール用基板１０と接合される放熱板４２と、この放熱板４２に積層配置される冷却部材４３と、を備えている。冷却部材４３の内部には、冷却媒体が流通する流路４４が形成されている。
ここで、放熱板４２と冷却部材４３とは、固定ネジ４５によって連結される構造とされている。このため、放熱板４２には、固定ネジ４５をねじ込んでも容易に変形しないように剛性を確保する必要がある。そこで、本実施形態では、放熱板４２を、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成し、その厚さを２ｍｍ以上としている。
The heat sink 41 in the present embodiment includes a heat radiating plate 42 joined to the power module substrate 10 and a cooling member 43 stacked on the heat radiating plate 42. A flow path 44 through which a cooling medium flows is formed inside the cooling member 43.
Here, the heat radiating plate 42 and the cooling member 43 are connected by a fixing screw 45. For this reason, it is necessary to ensure the rigidity of the heat radiating plate 42 so that it does not easily deform even if the fixing screw 45 is screwed. Therefore, in the present embodiment, the heat radiating plate 42 is made of a metal material having a proof stress of 100 N / mm 2 or more, and the thickness thereof is 2 mm or more.
具体的には、パワーモジュール用基板１０と接合される放熱板４２は、０．２質量％以上４質量％以下のＭｇを含有するアルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、放熱板４２は、Ａ６０６３合金（Ａｌ−０．７質量％Ｍｇ−０．４質量％Ｓｉ）で構成されている。 Specifically, the heat sink 42 bonded to the power module substrate 10 is made of an aluminum alloy containing 0.2 mass% to 4 mass% of Mg, and in the present embodiment, the heat sink 42 is used. Is made of A6063 alloy (Al-0.7 mass% Mg-0.4 mass% Si).
次に、このヒートシンク付パワーモジュール用基板４０の製造方法について、図２のフロー図を参照して説明する。
まず、回路層１２となる銅板と、絶縁基板１１とを接合し、回路層１２を形成する（回路層形成工程Ｓ０１）。絶縁基板１１の一方の面に、活性ろう材を介して銅板を積層し、いわゆる活性金属ろう付け法によって、銅板と絶縁基板１１とを接合する。本実施形態では、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉからなる活性ろう材を用いて、１０−３Ｐａの真空中にて、積層方向に９．８×１０４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ２）以上３４３×１０４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ２）以下の範囲で加圧し、８５０℃で１０分加熱することによって、絶縁基板１１と銅板とを接合している。
Next, a method for manufacturing the power module substrate 40 with a heat sink will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, the copper plate used as the circuit layer 12 and the insulating substrate 11 are joined, and the circuit layer 12 is formed (circuit layer formation process S01). A copper plate is laminated on one surface of the insulating substrate 11 via an active brazing material, and the copper plate and the insulating substrate 11 are joined by a so-called active metal brazing method. In the present embodiment, an active brazing material made of Ag-27.4 mass% Cu-2.0 mass% Ti is used, and the vacuum is 10 −3 Pa, and 9.8 × 10 4 Pa ( 1 kgf / cm 2) or more 343 × 10 4 Pa (35kgf / cm 2) or less of a pressurized range, by heating 10 minutes at 850 ° C., which bonds the insulating substrate 11 and the copper plate.
次に、絶縁基板１１の他方の面側に金属層１３となるアルミニウム板を接合し、金属層１３を形成する（金属層形成工程Ｓ０２）。
絶縁基板１１の他方の面側に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔（本実施形態では、Ａｌ−７質量％Ｓｉ）を介してアルミニウム板を積層し、１０−３Ｐａの真空中にて、積層方向に９．８×１０４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ２）以上３４３×１０４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ２）以下の範囲で加圧し、６５０℃で９０分加熱することによって、アルミニウム板と絶縁基板１１とを接合する。これにより、パワーモジュール用基板１０が製出される。
Next, an aluminum plate to be the metal layer 13 is bonded to the other surface side of the insulating substrate 11 to form the metal layer 13 (metal layer forming step S02).
An aluminum plate is laminated on the other surface side of the insulating substrate 11 via an Al—Si based brazing material foil (Al-7 mass% Si in this embodiment), and in a vacuum of 10 −3 Pa, stacking direction 9.8 × 10 4 Pa (1kgf / cm 2) or more 343 × 10 4 Pa (35kgf / cm 2) or less of a pressurized range, by heating 90 minutes at 650 ° C., insulated from the aluminum plate substrate 11 is joined. As a result, the power module substrate 10 is produced.
そして、パワーモジュール用基板１０と放熱板４２を接合する前に、放熱板４２に対して熱処理を実施する（ヒートシンク熱処理工程Ｓ０３）。
このヒートシンク熱処理工程Ｓ０３においては、放熱板４２を、圧力１×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気中、温度：４５０℃以上６２０℃（Ａ６０６３合金の固相線温度）以下、時間：５ｍｉｎ以上１８０ｍｉｎ以下の条件で、熱処理を行う。
And before joining the power module board | substrate 10 and the heat sink 42, heat processing is implemented with respect to the heat sink 42 (heat sink heat treatment process S03).
In this heat sink heat treatment step S03, the heat sink 42 is placed in a vacuum atmosphere at a pressure of 1 × 10 −2 Pa or less, temperature: 450 ° C. or more and 620 ° C. (solidus temperature of A6063 alloy) or less, time: 5 minutes or more and 180 min or less. The heat treatment is performed under the conditions.
次に、ヒートシンク熱処理工程Ｓ０３を実施した放熱板４２と、パワーモジュール用基板１０と、を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）。
まず、パワーモジュール用基板１０の金属層１３と放熱板４２との間にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介在させて、パワーモジュール用基板１０と放熱板４２とを積層する（積層工程Ｓ４１）。ここで、本実施形態では、Ｓｉの含有量が５．５質量％以上１１．０質量％以下、厚さが５μｍ以上１００μｍ以下のろう材箔を用いた。
Next, the heat sink 42 that has been subjected to the heat sink heat treatment step S03 and the power module substrate 10 are joined (heat sink joining step S04).
First, the power module substrate 10 and the heat radiating plate 42 are laminated with an Al—Si brazing material interposed between the metal layer 13 of the power module substrate 10 and the heat radiating plate 42 (lamination step S41). Here, in the present embodiment, a brazing material foil having a Si content of 5.5% by mass to 11.0% by mass and a thickness of 5 μm to 100 μm is used.
パワーモジュール用基板１０と放熱板４２とを積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、非酸化雰囲気とした雰囲気炉内に装入して加熱する（加熱工程Ｓ４２）。ここで、本実施形態では、圧力１×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気とした。また、加熱温度は５９０℃以上６３０℃以下とした。すると、金属層１３と放熱板４２との接合界面には、ろう材箔、金属層１３の一部及び放熱板４２の一部が溶融することによって、溶融金属領域が形成されることになる。
そして、雰囲気炉の炉内温度を下げることによって、金属層１３と放熱板４２との接合界面に形成された溶融金属領域を凝固させて、金属層１３と放熱板４２とを接合する（溶融金属凝固工程Ｓ４３）。
このようにして、本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４０が製出される。
In a state where the power module substrate 10 and the heat radiating plate 42 are pressurized in the stacking direction (pressure 1 to 5 kgf / cm 2 ), they are placed in a non-oxidizing atmosphere furnace and heated (heating step S42). Here, in this embodiment, it was set as the vacuum atmosphere of the pressure of 1 * 10 <-2 > Pa or less. The heating temperature was set to 590 ° C. or more and 630 ° C. or less. Then, a molten metal region is formed at the bonding interface between the metal layer 13 and the heat sink 42 by melting the brazing material foil, a part of the metal layer 13 and a part of the heat sink 42.
And the molten metal area | region formed in the joining interface of the metal layer 13 and the heat sink 42 is solidified by lowering | hanging the furnace temperature of an atmospheric furnace, and the metal layer 13 and the heat sink 42 are joined (molten metal). Solidification step S43).
In this way, the power module substrate with heat sink 40 according to the present embodiment is produced.
なお、本実施形態においては、ヒートシンク熱処理工程Ｓ０３における温度及び保持条件と、ヒートシンク接合工程Ｓ０４の加熱工程Ｓ４２における温度及び保持条件と、を一致させることによって、一のヒートシンク付パワーモジュール用基板４０においてヒートシンク４１（放熱板４２）とパワーモジュール用基板１０とをろう付けする際に用いる雰囲気炉内に、他のヒートシンク付パワーモジュール用基板４０において用いるヒートシンク４１（放熱板４２）を装入して熱処理している。
すなわち、一のヒートシンク付パワーモジュール用基板４０におけるヒートシンク接合工程Ｓ０４の加熱工程Ｓ４２と、他のヒートシンク付パワーモジュール用基板４０におけるヒートシンク熱処理工程Ｓ０３とを同時に実施しているのである。
In the present embodiment, the temperature and holding conditions in the heat sink heat treatment step S03 and the temperature and holding conditions in the heating step S42 in the heat sink bonding step S04 are matched to each other in the power module substrate 40 with a heat sink. The heat sink 41 (heat radiating plate 42) used in another power module substrate 40 with a heat sink is inserted into an atmosphere furnace used when brazing the heat sink 41 (heat radiating plate 42) and the power module substrate 10 and heat treatment is performed. doing.
That is, the heating step S42 of the heat sink joining step S04 in one power module substrate 40 with a heat sink and the heat sink heat treatment step S03 in another power module substrate 40 with a heat sink are performed simultaneously.
上述のような構成とされた本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によれば、ヒートシンク４１のうちパワーモジュール用基板１０に接合される放熱板４２が０．２質量％以上４質量％以下のＭｇを含有するアルミニウム合金で構成されており、ヒートシンク接合工程Ｓ０４の前に、上述の放熱板４２に対して熱処理を実施するヒートシンク熱処理工程Ｓ０３を備えているので、ヒートシンク接合工程Ｓ０４においてＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いてヒートシンク４１（放熱板４２）とパワーモジュール用基板１０とを接合する際には、ヒートシンク４１（放熱板４２）におけるＭｇの分散状態を変化させることができる。 According to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present embodiment having the above-described configuration, the heat dissipation plate 42 bonded to the power module substrate 10 in the heat sink 41 is 0.2 mass% or more 4. Since it is made of an aluminum alloy containing Mg of less than mass% and includes a heat sink heat treatment step S03 for performing heat treatment on the heat sink 42 before the heat sink joining step S04, the heat sink joining step S04. When joining the heat sink 41 (heat radiating plate 42) and the power module substrate 10 using an Al—Si brazing material, the dispersion state of Mg in the heat sink 41 (heat radiating plate 42) can be changed.
これにより、ヒートシンク接合工程Ｓ０４において、放熱板４２のＭｇのＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔への影響を抑制することができ、ろう材が接合界面から滲み出すことを抑制することが可能となる。
したがって、ヒートシンク４１（放熱板４２）とパワーモジュール用基板１０との接合に寄与するろう材を確保することができ、ヒートシンク４１（放熱板４２）とパワーモジュール用基板１０との接合信頼性を向上させることができる。また、ヒートシンク４１表面に微小な突起物が生成することを抑えることができ、外観不良の発生を抑制することができる。
Thereby, in heat sink joining process S04, the influence of the heat sink 42 on the Al—Si brazing material foil of Mg can be suppressed, and the brazing material can be prevented from exuding from the joining interface.
Therefore, it is possible to secure a brazing material that contributes to the bonding between the heat sink 41 (heat radiating plate 42) and the power module substrate 10, and to improve the bonding reliability between the heat sink 41 (heat radiating plate 42) and the power module substrate 10. Can be made. Moreover, generation | occurrence | production of a microprojection on the heat sink 41 surface can be suppressed, and generation | occurrence | production of an external appearance defect can be suppressed.
また、本実施形態においては、ヒートシンク熱処理工程Ｓ０３を、圧力１×１０−２ Ｐａ以下の真空雰囲気中で実施する構成としているので、ヒートシンク熱処理工程Ｓ０４において、ヒートシンク４１（放熱板４２）の表面に厚い酸化被膜が形成されることを抑制でき、表面処理等を行うことなく、ヒートシンク４１（放熱板４２）とパワーモジュール用基板１０との接合を実施することが可能となる。
さらに、本実施形態においては、ヒートシンク熱処理工程Ｓ０３の条件を、温度：４５０℃以上６２０℃以下、時間：５ｍｉｎ以上１８０ｍｉｎ以下、に設定しているので、ヒートシンク４１（放熱板４２）におけるＭｇの分散状態を確実に変化させることができるとともに、ヒートシンク４１（放熱板４２）の一部が溶融することを防止することができる。
In the present embodiment, the heat sink heat treatment step S03 is performed in a vacuum atmosphere having a pressure of 1 × 10 −2 Pa or less. Therefore, in the heat sink heat treatment step S04, the surface of the heat sink 41 (heat sink 42) is formed. The formation of a thick oxide film can be suppressed, and the heat sink 41 (heat radiating plate 42) and the power module substrate 10 can be joined without performing a surface treatment or the like.
Furthermore, in the present embodiment, the conditions of the heat sink heat treatment step S03 are set to the temperature: 450 ° C. or more and 620 ° C. or less, and the time: 5 min or more and 180 min or less, so that the Mg dispersion in the heat sink 41 (heat sink 42) While being able to change a state reliably, it can prevent that a part of heat sink 41 (heat radiating plate 42) fuse | melts.
また、本実施形態においては、ヒートシンク熱処理工程Ｓ０３における温度及び保持条件と、ヒートシンク接合工程Ｓ０４における加熱工程Ｓ４２の温度及び保持条件と、を一致させることによって、一のヒートシンク付パワーモジュール用基板４０においてヒートシンク４１（放熱板４２）とパワーモジュール用基板１０とをろう付けする際に用いる雰囲気炉内に、他のヒートシンク付パワーモジュール用基板４０において用いるヒートシンク４１（放熱板４２）を装入して熱処理しているので、ヒートシンク４１（放熱板４２）の熱処理のために新たな設備を設ける必要がなく、ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０を効率よく製造することが可能となる。 Further, in the present embodiment, by matching the temperature and holding condition in the heat sink heat treatment step S03 with the temperature and holding condition in the heating step S42 in the heat sink bonding step S04, in the power module substrate 40 with a heat sink, The heat sink 41 (heat radiating plate 42) used in another power module substrate 40 with a heat sink is inserted into an atmosphere furnace used when brazing the heat sink 41 (heat radiating plate 42) and the power module substrate 10 and heat treatment is performed. Therefore, it is not necessary to provide new equipment for the heat treatment of the heat sink 41 (heat radiating plate 42), and the power module substrate 40 with a heat sink can be efficiently manufactured.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層を銅又は銅合金で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成したものであってもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, although the circuit layer has been described as being composed of copper or a copper alloy, the circuit layer is not limited to this and may be composed of aluminum or an aluminum alloy.
また、本実施形態では、ヒートシンク（放熱板）を、Ａ６０６３合金で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ａ３００４合金、Ａ５０００系合金、Ａ６０００系合金等の０．２質量％以上４質量％以下のＭｇを含有するアルミニウム合金であればよい。 In the present embodiment, the heat sink (heat sink) is described as being composed of an A6063 alloy. However, the present invention is not limited to this, and 0.2 mass of an A3004 alloy, an A5000 alloy, an A6000 alloy, or the like. It may be an aluminum alloy containing Mg in an amount of not less than 4% and not more than 4% by mass.
さらに、本発明の実施形態においては、ヒートシンクとして、放熱板と冷却部材とを備えたもので説明したが、これに限定されることはなく、例えば、冷却部材を直接パワーモジュール用基板に接合するものとしてもよい。さらに、ヒートシンクとしてフィンが形成された液冷、空冷放熱器、ヒートパイプなどを用いてもよい。 Furthermore, in the embodiment of the present invention, the heat sink is described as including the heat radiating plate and the cooling member. However, the present invention is not limited to this. For example, the cooling member is directly bonded to the power module substrate. It may be a thing. Furthermore, a liquid cooling, an air cooling radiator, a heat pipe, or the like in which fins are formed may be used as a heat sink.
また、銅又は銅合金からなる回路層と絶縁基板とを、活性金属ろう付け法によって接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、ＤＢＣ法等の他の方法で接合したものであってもよい。
さらに、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層と絶縁基板とを、ろう付け法によって接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、拡散接合等の他の方法で接合したものであってもよい。
In addition, although it has been described that the circuit layer made of copper or copper alloy and the insulating substrate are joined by the active metal brazing method, it is not limited to this, but is joined by another method such as the DBC method. It may be.
Furthermore, although it has been described that the metal layer made of aluminum or aluminum alloy and the insulating substrate are joined by a brazing method, the invention is not limited to this, and it is joined by other methods such as diffusion joining. May be.
また、本実施形態では、金属層を構成するアルミニウム板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよい。
さらに、絶縁基板としてＡｌＮからなるセラミックス板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４等からなるセラミックス板を用いても良い。
In the present embodiment, the aluminum plate constituting the metal layer has been described as a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99%. However, the present invention is not limited to this, and aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% is used. There may be.
Further, it is described that uses a ceramic plate made of AlN as an insulating substrate is not limited to this, Al 2 O 3, Si 3 N may be used a ceramic plate made of 4 like.
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
３０ｍｍ×３０ｍｍ×０．６３５ｍｍのＡＩＮからなる絶縁基板と、この絶縁基板の一方の面に２８ｍｍ×２８ｍｍ×０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムの圧延板を接合して形成された回路層と、絶縁基板の他方の面に２８ｍｍ×２８ｍｍ×１．６ｍｍの４Ｎアルミニウムの圧延板を接合して形成された金属層と、を有するパワーモジュール用基板を準備した。なお、回路層となるアルミニウム板と絶縁基板、及び、絶縁基板と金属層となるアルミニウム板との接合は、次の条件で実施した。回路層となるアルミニウム板と絶縁基板をＡｌ−７質量％Ｓｉのろう材箔を介して積層し、前記絶縁基板と金属層となるアルミニウム板を前記ろう材箔を介して積層し、積層方向に３ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で、圧力１×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気で、６５０℃、４０ｍｉｎの条件で加熱することによって、セラミックス基板の両面に純アルミニウム圧延板が接合されたパワーモジュール用基板を製出した。
Below, the result of the confirmation experiment performed in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.
An insulating substrate made of 30 mm × 30 mm × 0.635 mm AIN, a circuit layer formed by bonding a rolled plate of 4 mm aluminum of 28 mm × 28 mm × 0.6 mm to one surface of the insulating substrate, and an insulating substrate A power module substrate having a metal layer formed by bonding a rolled plate of 4N aluminum of 28 mm × 28 mm × 1.6 mm to the other surface was prepared. In addition, joining of the aluminum plate used as the circuit layer and the insulating substrate, and the bonding between the insulating substrate and the aluminum plate used as the metal layer was performed under the following conditions. An aluminum plate to be a circuit layer and an insulating substrate are laminated through a brazing foil of Al-7 mass% Si, and an aluminum plate to be the insulating substrate and a metal layer are laminated through the brazing material foil, in the laminating direction. Power in which a pure aluminum rolled sheet is bonded to both surfaces of a ceramic substrate by heating at 650 ° C. for 40 min in a vacuum atmosphere at a pressure of 1 × 10 −2 Pa or less under a pressure of 3 kgf / cm 2. A module substrate was produced.
ヒートシンクとして、Ａ６０６３合金からなる５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのアルミニウム合金板を準備した。
本発明例では、ヒートシンクを、圧力１×１０−２Ｐａ以下の真空雰囲気で、６００℃、３０ｍｉｎの条件で、熱処理を実施した。
A 50 mm × 50 mm × 5 mm aluminum alloy plate made of A6063 alloy was prepared as a heat sink.
In the present invention example, heat treatment was performed on the heat sink in a vacuum atmosphere at a pressure of 1 × 10 −2 Pa or less under the conditions of 600 ° C. and 30 minutes.
そして、このパワーモジュール用基板とヒートシンク（放熱板）とを、次の条件で接合した。パワーモジュール用基板とヒートシンクとを、Ａｌ−１０質量％Ｓｉのろう材箔を介して積層し、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、６００℃で３０分加熱することによって、接合した。 The power module substrate and the heat sink (heat sink) were joined under the following conditions. A power module substrate and a heat sink are laminated via a brazing foil of Al-10 mass% Si, and charged in a vacuum heating furnace in a state of being pressurized at 5 kgf / cm 2 in the laminating direction. By heating for 30 minutes.
得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板について、ヒートシンク表面の観察、表面粗さの測定を行った。
ヒートシンク表面の観察は、光学顕微鏡観察、走査型電子顕微鏡観察、ＥＤＸ分析、を実施した。
表面粗さの測定は、株式会社ミツトヨ製小形表面粗さ測定機サーフテストＳＪ−２１０を用いて実施した。
About the obtained power module substrate with a heat sink, the heat sink surface was observed and the surface roughness was measured.
Observation of the heat sink surface was performed by optical microscope observation, scanning electron microscope observation, and EDX analysis.
The surface roughness was measured using a small surface roughness measuring machine Surf Test SJ-210 manufactured by Mitutoyo Corporation.
また、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合率を評価した。具体的には、接合工程後において、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとの界面の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち金属層面積とした。超音波探傷像において非接合部は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を非接合部面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（非接合部面積）｝／（初期接合面積）×１００
Further, the bonding rate between the power module substrate and the heat sink was evaluated. Specifically, after the joining process, the joining rate at the interface between the metal layer of the power module substrate and the heat sink was evaluated using an ultrasonic flaw detector and calculated from the following equation. Here, the initial bonding area is an area to be bonded before bonding, that is, a metal layer area. In the ultrasonic flaw detection image, the non-joined part is indicated by a white part in the joined part, and thus the area of the white part is defined as the non-joined part area.
(Joining rate) = {(initial joining area) − (non-joining area)} / (initial joining area) × 100
本発明例の観察結果を図３及び図４に示す。従来例の観察結果を図５及び図６に示す。なお、図４及び図６において、（ａ）はＳＥＭ像、（ｂ）は視野内の分析結果である。
また、表面粗さ及び接合率の評価結果を表１に示す。なお、接合率の評価は、本発明例及び従来例として、それぞれ５個ずつの試験片の平均値とした。
The observation results of the example of the present invention are shown in FIGS. The observation results of the conventional example are shown in FIGS. 4 and 6, (a) is an SEM image, and (b) is an analysis result in the visual field.
Table 1 shows the evaluation results of the surface roughness and the bonding rate. In addition, evaluation of the joining rate was made into the average value of five test pieces each as an example of this invention and a prior art example.
ヒートシンクの熱処理を実施しなかった従来例においては、図５に示すように、ヒートシンクの表面全体に微小な突起物の生成が認められた。なお、ヒートシンクの表面粗さを測定した結果、算術平均高さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２００１）が１７．５μｍ、最大高さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２００１）が７１．２μｍであった。
この突起物のＡｌ、Ｍｇ、Ｓｉの濃度をＥＤＸ分析により求めた結果、図６に示すように、ＳｉとＭｇを多く含有しており、ろう材が接合界面から滲みだしてヒートシンクの表面に微小な突起物が発生したと推測される。このため、接合に寄与するろう材が充分に確保されず、接合率も８９．３％と低くなったと推測される。
In the conventional example in which the heat treatment of the heat sink was not performed, as shown in FIG. 5, formation of minute protrusions was observed on the entire surface of the heat sink. As a result of measuring the surface roughness of the heat sink, the arithmetic average height Ra (JIS B0601 2001) was 17.5 μm, and the maximum height Rz (JIS B0601 2001) was 71.2 μm.
As a result of obtaining the Al, Mg, and Si concentrations of the protrusions by EDX analysis, as shown in FIG. 6, a large amount of Si and Mg is contained, and the brazing material oozes out from the joint interface and is minutely formed on the surface of the heat sink. It is presumed that a large protrusion was generated. For this reason, it is presumed that the brazing material contributing to the bonding is not sufficiently secured and the bonding rate is as low as 89.3%.
一方、ヒートシンクの熱処理を実施した本発明例においては、図３に示すように、ヒートシンクの表面全体には微小な突起物が認められなかった。ヒートシンクのうちパワーモジュール用基板の周縁部を観察した結果、微小な突起物も認められなかった。なお、ヒートシンクの表面粗さを測定した結果、算術平均高さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２００１）が０．８９ｍ、最大高さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２００１）が５．７３μｍであった。
ヒートシンクのうちパワーモジュール用基板の周縁部のＡｌ、Ｍｇ、Ｓｉの濃度をＥＤＸ分析により求めた結果、図４に示すように、ＳｉとＭｇは多く検出されておらず、ろう材が接合界面から滲み出していないことが確認された。このため、接合に寄与するろう材が充分に確保されており、接合率も９７．０％と高くなった。
On the other hand, in the example of the present invention in which the heat treatment of the heat sink was performed, as shown in FIG. 3, no minute protrusions were observed on the entire surface of the heat sink. As a result of observing the periphery of the power module substrate in the heat sink, no minute protrusions were observed. As a result of measuring the surface roughness of the heat sink, the arithmetic average height Ra (JIS B0601 2001) was 0.89 m, and the maximum height Rz (JIS B0601 2001) was 5.73 μm.
As a result of obtaining the concentration of Al, Mg, and Si at the peripheral edge of the power module substrate in the heat sink by EDX analysis, as shown in FIG. 4, a large amount of Si and Mg was not detected, and the brazing material was removed from the bonding interface. It was confirmed that there was no oozing. For this reason, the brazing filler metal which contributes to joining is sufficiently secured, and the joining rate is as high as 97.0%.
以上のことから、本発明例によれば、ヒートシンクの表面に微小な突起物が生成することを抑制でき、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを確実に接合することができる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。 From the above, according to the example of the present invention, it is possible to suppress the formation of minute protrusions on the surface of the heat sink, and the power module substrate with a heat sink that can reliably bond the power module substrate and the heat sink. It was confirmed that it was possible to provide a manufacturing method.
１ パワーモジュール
１０ パワーモジュール用基板
１１ 絶縁基板
１２ 回路層
１３ 金属層
４０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
４１ ヒートシンク
４２ 放熱板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power module 10 Power module board | substrate 11 Insulation board | substrate 12 Circuit layer 13 Metal layer 40 Power module board | substrate 41 with a heat sink Heat sink 42 Heat sink
Claims (3)
前記金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、
前記ヒートシンクは、０．２質量％以上４質量％以下のＭｇを含有するアルミニウム合金で構成されており、
前記ヒートシンクに対して、熱処理を実施するヒートシンク熱処理工程と、
前記ヒートシンク熱処理工程を実施した前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板の金属層とをＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して接合する接合工程と、
を備えており、
前記ヒートシンク熱処理工程は、温度が４５０℃以上、かつ、前記ヒートシンクを構成するアルミニウム合金の固相線温度以下の条件で実施され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。 Circuit layer on one surface of the insulating substrate and the a substrate insulating substrate power module on the other surface metal layer is disposed of, the heat sink with a power having a power and a heat sink bonded to the module substrate, the A method of manufacturing a module substrate,
The metal layer is made of aluminum or an aluminum alloy,
The heat sink is composed of an aluminum alloy containing 0.2 mass% or more and 4 mass% or less of Mg,
A heat sink heat treatment step for performing heat treatment on the heat sink;
A bonding step of bonding the heat sink subjected to the heat sink heat treatment step and the metal layer of the power module substrate via an Al-Si brazing material;
With
The method of manufacturing a power module substrate with a heat sink, wherein the heat sink heat treatment step is performed under conditions of a temperature of 450 ° C. or more and a solidus temperature of an aluminum alloy constituting the heat sink.
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