JP6127852B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法 - Google Patents
ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6127852B2 JP6127852B2 JP2013190829A JP2013190829A JP6127852B2 JP 6127852 B2 JP6127852 B2 JP 6127852B2 JP 2013190829 A JP2013190829 A JP 2013190829A JP 2013190829 A JP2013190829 A JP 2013190829A JP 6127852 B2 JP6127852 B2 JP 6127852B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- heat sink
- circuit layer
- power module
- ceramic substrate
- thickness
- 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.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims description 125
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 11
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 69
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 46
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 46
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 16
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 8
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 74
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 15
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 8
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 8
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 7
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 3
- 229910018125 Al-Si Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018520 Al—Si Inorganic materials 0.000 description 2
- ORTQZVOHEJQUHG-UHFFFAOYSA-L copper(II) chloride Chemical compound Cl[Cu]Cl ORTQZVOHEJQUHG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021578 Iron(III) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229960003280 cupric chloride Drugs 0.000 description 1
- RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K iron trichloride Chemical compound Cl[Fe](Cl)Cl RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
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ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法に関する。
従来のヒートシンク付パワーモジュール用基板として、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面に、回路層となる金属板が積層され、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板が形成され、この放熱層を介してヒートシンクが接合された構成のものが知られている。
この種のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、回路層となる金属板に電気的特性に優れる銅を用い、放熱層となる金属板には、セラミックス基板との間の熱応力を緩和する目的でアルミニウムを用いる場合がある。
この場合、回路層を銅で形成することにより、アルミニウムを用いる場合と比べて電子部品で発生する熱を速やかに放熱することができる。また、電子部品の発熱分を放熱し易くするためには、回路層の厚みを厚くすることが有効であるが、回路層の厚みを厚くすると、セラミックス基板との熱膨張差が大きいことから熱伸縮による反りが生じ、セラミックス基板にクラックが生じるおそれある。
この場合、回路層を銅で形成することにより、アルミニウムを用いる場合と比べて電子部品で発生する熱を速やかに放熱することができる。また、電子部品の発熱分を放熱し易くするためには、回路層の厚みを厚くすることが有効であるが、回路層の厚みを厚くすると、セラミックス基板との熱膨張差が大きいことから熱伸縮による反りが生じ、セラミックス基板にクラックが生じるおそれある。
このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを抑制する方法として、例えば、特許文献１から４では、以下のような対策がなされている。
特許文献１には、ろう材の一部を回路層（金属板）の外周から外部にはみ出すように配置し、回路層の縁部の内側に、その縁部に沿った溝を形成することが記載されている。また、特許文献２には、少なくとも回路層の縁部（端部）に３段以上の段差を設けることが提案されている。そして、特許文献３には、回路層（金属回路）の縁部からろう材をはみ出させて設けるとともに、回路層及び金属層（金属放熱板）の縁部にいずれもステップ部とこのステップ部に連続したスロープ部とで構成された段差構造を設けることが記載されている。さらに、特許文献４には、パワーモジュール用基板の回路層となる金属板の外周縁部やその外周縁部内側に薄肉部を設けることが提案されている。
このように、特許文献１から４においては、回路層の縁部に特定の形状を形成することにより、セラミックス基板に生じる応力を緩和させることが記載されており、セラミックス基板に生じるクラックを抑制できることから、接合信頼性が高められる。
特許文献１には、ろう材の一部を回路層（金属板）の外周から外部にはみ出すように配置し、回路層の縁部の内側に、その縁部に沿った溝を形成することが記載されている。また、特許文献２には、少なくとも回路層の縁部（端部）に３段以上の段差を設けることが提案されている。そして、特許文献３には、回路層（金属回路）の縁部からろう材をはみ出させて設けるとともに、回路層及び金属層（金属放熱板）の縁部にいずれもステップ部とこのステップ部に連続したスロープ部とで構成された段差構造を設けることが記載されている。さらに、特許文献４には、パワーモジュール用基板の回路層となる金属板の外周縁部やその外周縁部内側に薄肉部を設けることが提案されている。
このように、特許文献１から４においては、回路層の縁部に特定の形状を形成することにより、セラミックス基板に生じる応力を緩和させることが記載されており、セラミックス基板に生じるクラックを抑制できることから、接合信頼性が高められる。
しかしながら、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に搭載される電子部品から発生する熱量はますます増加しており、より一層の放熱特性の向上のために回路層の厚肉化が顕著になっている。このため、熱伸縮による反り対策がさらに求められている。
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、優れた放熱特性を有するとともに、熱伸縮による反りを低減してクラック等の発生を防止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を提供することを目的とする。
本発明は、セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に積層される銅又は銅合金からなる回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に積層されるアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層とを有するパワーモジュール用基板が、アルミニウム合金からなるヒートシンクに接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンクの厚みが５ｍｍ以上に設定され、前記回路層の厚みが１．０ｍｍ以上１．５ｍｍ未満に設定され、前記金属層の厚みが０．４ｍｍ以上２．１ｍｍ以下に設定され、前記回路層の前記セラミックス基板との接合面と反対面に、少なくとも前記セラミックス基板の短手側に位置する前記回路層の端部に沿って凹溝が形成されており、該凹溝の幅方向の中心位置は、前記回路層の厚みをｔｍｍとした場合に、前記端部から（０．７９ｔ＋０．０１）ｍｍ以上（０．７９ｔ＋１．０１）ｍｍ以下の位置に形成されていることを特徴とする。
金属層に比べてヒートシンク及び回路層の剛性が高いことから、パワーモジュール用基板の金属層にヒートシンクを接合する際に、セラミックス基板はヒートシンク及び回路層の熱伸縮の影響を大きく受ける。この際、セラミックス基板に生じる応力は、セラミックス基板の短手側に位置する回路層の端部から（０．７９ｔ＋０．０１）ｍｍ以上（０．７９ｔ＋１．０１）ｍｍ以下の位置に対応するセラミックス基板の位置において最大となる。そこで、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、最大応力が生じる位置に対応する回路層の接合面の反対面に凹溝を設けることにより、セラミックス基板に生じる応力を緩和している。
したがって、銅からなる回路層により良好な放熱特性を確保することができるとともに、セラミックス基板に生じる応力集中を緩和することができ、反りを低減してクラック等の発生を防止することができる。
したがって、銅からなる回路層により良好な放熱特性を確保することができるとともに、セラミックス基板に生じる応力集中を緩和することができ、反りを低減してクラック等の発生を防止することができる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記凹溝は、前記回路層の厚みの１／６以上３／５以下の深さで形成されているとよい。
上記のような凹溝を設けることで、回路層の熱拡散効果を損なわずに、セラミックス基板に生じる応力集中を緩和することができる。
凹溝の深さが、回路層の厚みの１／６未満では、十分な応力緩和効果が得られない。凹溝の深さが増すにつれて応力緩和効果を増加させることができるが、凹溝を回路層の厚みの３／５を超えて深く形成した場合には、回路層に薄肉部ができ、新たな応力集中箇所が発生しやすくなるとともに、凹溝によって回路層の面内熱拡散が阻害され、放熱性が低下する。
上記のような凹溝を設けることで、回路層の熱拡散効果を損なわずに、セラミックス基板に生じる応力集中を緩和することができる。
凹溝の深さが、回路層の厚みの１／６未満では、十分な応力緩和効果が得られない。凹溝の深さが増すにつれて応力緩和効果を増加させることができるが、凹溝を回路層の厚みの３／５を超えて深く形成した場合には、回路層に薄肉部ができ、新たな応力集中箇所が発生しやすくなるとともに、凹溝によって回路層の面内熱拡散が阻害され、放熱性が低下する。
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、上記のヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記凹溝は、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとの接合前に形成されることを特徴とする。
パワーモジュール用基板にヒートシンクを接合する前に凹溝を形成しておくことで、金属層にヒートシンクを接合する際にセラミックス基板が受けるヒートシンク及び回路層の熱伸縮の影響を低減することができる。
パワーモジュール用基板にヒートシンクを接合する前に凹溝を形成しておくことで、金属層にヒートシンクを接合する際にセラミックス基板が受けるヒートシンク及び回路層の熱伸縮の影響を低減することができる。
本発明によれば、銅からなる回路層により良好な放熱特性を確保することができるとともに、セラミックス基板に生じる応力集中を緩和することができるので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを低減してクラック等の発生を防止することができる。
以下、本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法の実施形態について説明する。
図１に示すヒートシンク付パワーモジュール１０Ａ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に接合されたヒートシンク３０とから構成されている。
図１に示すヒートシンク付パワーモジュール１０Ａ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に接合されたヒートシンク３０とから構成されている。
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、そのセラミックス基板１１の一方の面に積層された銅からなる回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に積層されたアルミニウムからなる金属層１３とを有している。
セラミックス基板１１は、厚さ０．２ｍｍ〜１．５ｍｍのＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＣ等からなる。
回路層１２は、厚さ１．０ｍｍ以上１．５ｍｍ未満の純銅板又は銅合金板（好ましくは無酸素銅）により形成されている。図１及び図２に示すパワーモジュール１００においては、回路層１２は、エッチング等により所定の回路パターン状に成形されており、その上に電子部品２０がはんだ材等によって接合されている。
金属層１３は、厚さ０．４ｍｍ以上２．１ｍｍ以下の純アルミニウム板又はアルミニウム合金板（好ましくは純度９９．００質量％以上のＡｌ板）により形成されている。また、金属層１３の表面にヒートシンク３０がろう付けによって接合されており、ヒートシンク３０は、回路層１２よりも厚く、厚さが５ｍｍ以上のアルミニウム合金板により形成されている。
セラミックス基板１１は、厚さ０．２ｍｍ〜１．５ｍｍのＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＣ等からなる。
回路層１２は、厚さ１．０ｍｍ以上１．５ｍｍ未満の純銅板又は銅合金板（好ましくは無酸素銅）により形成されている。図１及び図２に示すパワーモジュール１００においては、回路層１２は、エッチング等により所定の回路パターン状に成形されており、その上に電子部品２０がはんだ材等によって接合されている。
金属層１３は、厚さ０．４ｍｍ以上２．１ｍｍ以下の純アルミニウム板又はアルミニウム合金板（好ましくは純度９９．００質量％以上のＡｌ板）により形成されている。また、金属層１３の表面にヒートシンク３０がろう付けによって接合されており、ヒートシンク３０は、回路層１２よりも厚く、厚さが５ｍｍ以上のアルミニウム合金板により形成されている。
そして、回路層１２のセラミックス基板１１との接合面と反対面１４には、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とを接合する際に、セラミックス基板１１に生じる最大応力の位置に対応する位置に、凹溝１５が設けられている。すなわち、凹溝１５は、反対面１４の少なくともセラミックス基板１２の短手側に位置する反対面１４の端部１４ａに沿って配置されており、凹溝１５の幅方向の中心位置は、回路層１２の厚みをｔｍｍとした場合に、端部１４ａから（０．７９ｔ＋０．０１）ｍｍ以上（０．７９ｔ＋１．０１）ｍｍ以下の位置（図１に示す符号Ｌ）に形成されている。そして、凹溝１５の幅ｗは、１ｍｍ以上４ｍｍ以下に設定され、回路層１２の端部に立設される立壁部１２ａは残されることが望ましい。
また、凹溝１５の深さｄは、回路層１２の厚みｔｍｍの１／６以上３／５以下の深さで形成されている。
また、凹溝１５の深さｄは、回路層１２の厚みｔｍｍの１／６以上３／５以下の深さで形成されている。
回路層１２の反対面１４に形成する凹溝１５の形成位置について、説明する。
図３に示すような、凹溝を有しない回路層１２により構成された従来のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ｂにおいては、金属層１３に比べてヒートシンク１０と回路層１２の剛性が高いことから、パワーモジュール用基板１０の金属層１３にヒートシンク３０を接合する際に、セラミックス基板１１は両側のヒートシンク３０と回路層１２の熱伸縮の影響を大きく受ける。そこで、図３に示すようなヒートシンク付パワーモジュール用基板のモデルを用いて、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とのろう付け接合時に生じる応力を確認する解析を行った。基準となる解析モデル（基準モデル）の条件は、以下のように設定した。
図３に示すような、凹溝を有しない回路層１２により構成された従来のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ｂにおいては、金属層１３に比べてヒートシンク１０と回路層１２の剛性が高いことから、パワーモジュール用基板１０の金属層１３にヒートシンク３０を接合する際に、セラミックス基板１１は両側のヒートシンク３０と回路層１２の熱伸縮の影響を大きく受ける。そこで、図３に示すようなヒートシンク付パワーモジュール用基板のモデルを用いて、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とのろう付け接合時に生じる応力を確認する解析を行った。基準となる解析モデル（基準モデル）の条件は、以下のように設定した。
〔基準モデルの条件〕
回路層：無酸素銅（３７ｍｍ×３７ｍｍで厚み１．４８ｍｍ）
セラミックス基板：ＡｌＮ（４０ｍｍ×４０ｍｍで厚み０．６３５ｍｍ）
金属層：純アルミニウム（純度９９．９９質量％）（３７ｍｍ×３７ｍｍで厚み１．６ｍｍ）
ヒートシンク：アルミニウム合金（Ａ６０６３）（５０ｍｍ×５０ｍｍで厚み５ｍｍ）
回路層：無酸素銅（３７ｍｍ×３７ｍｍで厚み１．４８ｍｍ）
セラミックス基板：ＡｌＮ（４０ｍｍ×４０ｍｍで厚み０．６３５ｍｍ）
金属層：純アルミニウム（純度９９．９９質量％）（３７ｍｍ×３７ｍｍで厚み１．６ｍｍ）
ヒートシンク：アルミニウム合金（Ａ６０６３）（５０ｍｍ×５０ｍｍで厚み５ｍｍ）
この基準モデルについて、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とのろう付け温度（ろう付け時の最大加熱温度６００℃）まで加熱後、２０℃まで冷却した場合に生じる応力を解析した。その結果、図４（ａ）に矢印で示すように、セラミックス基板（ＡｌＮ）の短手側の端部から少し内側に入った箇所（回路層の端部から１．６９ｍｍの位置）に応力が最大となる部分が生じることを確認することができた。なお、基準モデルに生じる最大応力値は１８４ＭＰａであった。
〔セラミックス基板に生じる最大応力位置の検討〕
次に、基準モデルに対して、ヒートシンク３０の厚みのみを変量した場合、金属層１３の厚みのみを変量した場合、回路層１２の厚みのみを変量した場合のモデルを形成し、基準モデルの解析と同様の条件で応力解析を行い、セラミックス基板１１に生じる最大応力の位置（最大応力位置）の変化と、最大応力値の変化を確認した。図５から図８に結果を示す。なお、図８には、実線で示す回路層１２の厚みのみを変量した場合の他に、回路層１２に凹溝を設けた場合の結果を破線で示している。この凹溝を形成したモデルの結果については、後述する。
次に、基準モデルに対して、ヒートシンク３０の厚みのみを変量した場合、金属層１３の厚みのみを変量した場合、回路層１２の厚みのみを変量した場合のモデルを形成し、基準モデルの解析と同様の条件で応力解析を行い、セラミックス基板１１に生じる最大応力の位置（最大応力位置）の変化と、最大応力値の変化を確認した。図５から図８に結果を示す。なお、図８には、実線で示す回路層１２の厚みのみを変量した場合の他に、回路層１２に凹溝を設けた場合の結果を破線で示している。この凹溝を形成したモデルの結果については、後述する。
図５（ａ）からわかるように、ヒートシンク３０の厚みを変量しても、セラミックス基板１１に生じる最大応力の位置は殆ど変化しない。また、いずれの変量モデルにおいても、図５（ｂ）に示されるように、最大応力値は１８５ＭＰａ程度であり、５ｍｍ以上の厚みを有するヒートシンク３０においては、ヒートシンク３０の厚みは、最大応力値の増減や最大応力位置の変化に大きな影響を与えていないことがわかる。
また、図６（ａ）からわかるように、金属層１３の厚みを変量した場合、最大応力位置は殆ど変化しないが、最大応力値は１８５〜２１０ＭＰａ程度で変動していることがわかる。よって、金属層１３の厚みは、最大応力値に影響は与えるものの、最大応力位置の変化には大きな影響を与えていないことがわかる。
また、図６（ａ）からわかるように、金属層１３の厚みを変量した場合、最大応力位置は殆ど変化しないが、最大応力値は１８５〜２１０ＭＰａ程度で変動していることがわかる。よって、金属層１３の厚みは、最大応力値に影響は与えるものの、最大応力位置の変化には大きな影響を与えていないことがわかる。
ところが、図７からわかるように、回路層１２の厚みを変量すると、回路層１２の厚みを増すにつれて最大応力位置がセラミックス基板１１の内側に移動する。また、図８からわかるように、回路層１２の厚みを増すごとに最大応力値が増加する傾向にあることがわかる。すなわち、回路層１２の厚みに応じて最大応力位置や最大応力値が変化することがわかる。
また、金属層１３の厚みを変量した場合における最大応力値は、前述したように１８５〜２１０ＭＰａ程度で変動するが、回路層１２の厚みを変量した場合は、１４０〜１８５ＭＰａ程度で変動する。
よって、回路層１２の厚さは、最大応力値やその位置の変位に最も大きな影響を与えることがわかる。
また、金属層１３の厚みを変量した場合における最大応力値は、前述したように１８５〜２１０ＭＰａ程度で変動するが、回路層１２の厚みを変量した場合は、１４０〜１８５ＭＰａ程度で変動する。
よって、回路層１２の厚さは、最大応力値やその位置の変位に最も大きな影響を与えることがわかる。
〔最大応力値の低減化検討〕
そこで、最大応力値やその位置の変位に最も大きな影響を与える回路層１２の反対面１４に、図１に示すような凹溝１５を形成することにより、セラミックス基板１１に生じる最大応力値を低減する検討を行った。
検討モデルには、基準モデルに深さ０．５ｍｍ×幅２ｍｍの凹溝を設けたモデル（図４（ｂ）参照）を用いた。そして、基準モデルの応力解析結果により得られた最大応力位置（図４（ａ）の矢印で示す位置）の直上位置に凹溝を配置した場合と、直上位置から端部側又は内部側に移動させた場合とについて応力解析を行った。結果を図９に示す。
図９からわかるように、最大応力位置の直上位置に凹溝を設けた場合（凹溝の位置０）が、最も最大応力値を低くすることができる。また、最大応力位置の直上位置から多少ずれた位置に凹溝が設けられた場合でも、回路層に凹溝を設けない場合（最大応力値１８４ＭＰａ）と比べて大幅に最大応力値を低くでき、凹溝を設けることにより良好な応力緩和効果を得られることがわかる。
そこで、最大応力値やその位置の変位に最も大きな影響を与える回路層１２の反対面１４に、図１に示すような凹溝１５を形成することにより、セラミックス基板１１に生じる最大応力値を低減する検討を行った。
検討モデルには、基準モデルに深さ０．５ｍｍ×幅２ｍｍの凹溝を設けたモデル（図４（ｂ）参照）を用いた。そして、基準モデルの応力解析結果により得られた最大応力位置（図４（ａ）の矢印で示す位置）の直上位置に凹溝を配置した場合と、直上位置から端部側又は内部側に移動させた場合とについて応力解析を行った。結果を図９に示す。
図９からわかるように、最大応力位置の直上位置に凹溝を設けた場合（凹溝の位置０）が、最も最大応力値を低くすることができる。また、最大応力位置の直上位置から多少ずれた位置に凹溝が設けられた場合でも、回路層に凹溝を設けない場合（最大応力値１８４ＭＰａ）と比べて大幅に最大応力値を低くでき、凹溝を設けることにより良好な応力緩和効果を得られることがわかる。
以上の検討結果から、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とをろう付け接合する際に、セラミックス基板１１に生じる最大応力位置に対応する位置に、凹溝１５を設けておくことにより、セラミックス基板１１に生じる応力集中を緩和できることがわかる。また、最大応力位置は回路層１２の厚みに応じて変化することから、回路層１２の厚みのみを変量した場合についての応力解析結果（図８）に基づいて凹溝１５の形成位置を決定することとした。具体的には、図８に示すデータ（５点）に対し、最小二乗フィッティングを行い、求めた計算式の切片値と製造公差を加味して範囲を設定した。これにより、凹溝１５の形成位置は、回路層の厚みをｔｍｍとした場合に、端部１４ａから（０．７９ｔ＋０．０１）ｍｍ以上（０．７９ｔ＋１．０１）ｍｍ以下とした。また、凹溝１５の幅ｗは、１ｍｍ以上４ｍｍ以下に設定することが望ましい。
なお、最大応力が発生する最大応力位置は、回路層１２とセラミックス基板１１との接合面に起因し、回路層１２の端部１４ａよりも突出して設けられるセラミックス基板１１の端部の突出量の大きさには影響を受けない。
なお、最大応力が発生する最大応力位置は、回路層１２とセラミックス基板１１との接合面に起因し、回路層１２の端部１４ａよりも突出して設けられるセラミックス基板１１の端部の突出量の大きさには影響を受けない。
〔凹溝の深さの検討〕
次に、反対面１４に形成する凹溝１５の深さの検討を行った。
検討モデルには、基準モデルに幅２ｍｍの凹溝を設けたモデル（図９参照）を用いた。そして、凹溝の深さを変量して、応力解析を行った。なお、応力解析は、基準モデルの解析と同様の条件で行った。図１０に応力解析の結果を示す。
次に、反対面１４に形成する凹溝１５の深さの検討を行った。
検討モデルには、基準モデルに幅２ｍｍの凹溝を設けたモデル（図９参照）を用いた。そして、凹溝の深さを変量して、応力解析を行った。なお、応力解析は、基準モデルの解析と同様の条件で行った。図１０に応力解析の結果を示す。
図１０からわかるように、回路層の厚み（１．４８ｍｍ）の１／６（０．２５ｍｍ）以上３／５（０．９ｍｍ）以下の深さの凹溝を設けることで、凹溝を設けていない基準モデルの最大応力値（１８４ＭＰａ）よりも最大応力値を低減することができる。
最大応力値は、回路層の厚みの１／６（０．２５ｍｍ）以上１３／５（０．９ｍｍ）以下の範囲においては、凹溝の深さが大きくなるにつれて減少する傾向がみられたが、回路層の厚みの２／３（１．０ｍｍ）に設定した場合には最大応力値が増加し、回路層の厚みの３／５（０．９ｍｍ）で最小となった。この結果から、凹溝の深さを回路層の厚みの１／６未満に設定した場合、もしくは回路層の厚みの２／３を超えて形成した場合には、最大応力値がさらに大きくなり、十分な応力緩和効果が得られないことが予測される。
したがって、凹溝は、回路層の厚みの１／６以上３／５以下の深さで形成することにより、セラミックス基板に生じる応力集中を円滑に緩和することができる。
最大応力値は、回路層の厚みの１／６（０．２５ｍｍ）以上１３／５（０．９ｍｍ）以下の範囲においては、凹溝の深さが大きくなるにつれて減少する傾向がみられたが、回路層の厚みの２／３（１．０ｍｍ）に設定した場合には最大応力値が増加し、回路層の厚みの３／５（０．９ｍｍ）で最小となった。この結果から、凹溝の深さを回路層の厚みの１／６未満に設定した場合、もしくは回路層の厚みの２／３を超えて形成した場合には、最大応力値がさらに大きくなり、十分な応力緩和効果が得られないことが予測される。
したがって、凹溝は、回路層の厚みの１／６以上３／５以下の深さで形成することにより、セラミックス基板に生じる応力集中を円滑に緩和することができる。
次に、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａの製造方法について説明する。
〔回路層とセラミックス基板の接合〕
図１１（ａ）に示すように、セラミックス基板１１の回路層１２側の表面（本発明でいう、一方の面）に、予めスクリーン印刷等によって銅部材接合用ペースト１７（Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ及び有機物を含有するものである。）を塗布して乾燥させておく。そして、乾燥させた銅部材接合用ペースト１７上に回路パターン状に成形した回路層１２を積層し、回路層１２及びセラミックス基板１１をその積層方向に０．１ＭＰａ〜３．４ＭＰａで加圧した状態で真空加熱炉（図示略）に装入して、７９０℃〜８５０℃の加熱温度で加熱する。この際、回路層１２の接合部は、ＣｕとＡｇとの反応によって溶融する。そして、この回路層１２とセラミックス基板１１の積層体を冷却することにより溶融金属を凝固させて、回路層１２とセラミックス基板１１とを接合する。
〔回路層とセラミックス基板の接合〕
図１１（ａ）に示すように、セラミックス基板１１の回路層１２側の表面（本発明でいう、一方の面）に、予めスクリーン印刷等によって銅部材接合用ペースト１７（Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ及び有機物を含有するものである。）を塗布して乾燥させておく。そして、乾燥させた銅部材接合用ペースト１７上に回路パターン状に成形した回路層１２を積層し、回路層１２及びセラミックス基板１１をその積層方向に０．１ＭＰａ〜３．４ＭＰａで加圧した状態で真空加熱炉（図示略）に装入して、７９０℃〜８５０℃の加熱温度で加熱する。この際、回路層１２の接合部は、ＣｕとＡｇとの反応によって溶融する。そして、この回路層１２とセラミックス基板１１の積層体を冷却することにより溶融金属を凝固させて、回路層１２とセラミックス基板１１とを接合する。
〔凹溝の形成〕
次に、回路層１２の接合面とは反対面１４に、凹溝１５を形成する部分を残してエッチングレジストインキ４０をスクリーン印刷によって塗布し、紫外線を照射してパターニングを行う。なお、エッチングレジストインキ４０を塗布する代わりに、ドライフィルムレジストを貼り付けてもよい。
そして、塩化第二銅や塩化第二鉄等の水溶液を用いてエッチング処理を行い、凹溝１５を形成する（図１１（ｂ））。エッチングレジスト４０は、凹溝１５の形成後に水酸化ナトリウムで剥離する。
次に、回路層１２の接合面とは反対面１４に、凹溝１５を形成する部分を残してエッチングレジストインキ４０をスクリーン印刷によって塗布し、紫外線を照射してパターニングを行う。なお、エッチングレジストインキ４０を塗布する代わりに、ドライフィルムレジストを貼り付けてもよい。
そして、塩化第二銅や塩化第二鉄等の水溶液を用いてエッチング処理を行い、凹溝１５を形成する（図１１（ｂ））。エッチングレジスト４０は、凹溝１５の形成後に水酸化ナトリウムで剥離する。
〔セラミックス基板と金属層の接合〕
図１１（ｃ）に示すように、金属層１３をセラミックス基板１１の下面（本発明でいう、他方の面）側に、厚さ５μｍ〜５０μｍのろう材箔１８（Ａｌ‐Ｓｉ系ろう材箔）を介して積層し、回路層１２とセラミックス基板１１の積層体と金属層１３とをその積層方向に０．１ＭＰａ〜３．４ＭＰａ（１ｋｇｆ／ｃｍ２〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）で加圧した状態で真空加熱炉（図示略）に装入して、５５０℃〜６５０℃の加熱温度で加熱する。この際、ろう材箔１８と金属層１３の一部とが溶融する。そして、回路層１２、セラミックス基板１１及び金属層１３の積層体を冷却することにより溶融金属を凝固させ、セラミックス基板１１と金属層１３とを接合して、パワーモジュール用基板１０が製造される。
図１１（ｃ）に示すように、金属層１３をセラミックス基板１１の下面（本発明でいう、他方の面）側に、厚さ５μｍ〜５０μｍのろう材箔１８（Ａｌ‐Ｓｉ系ろう材箔）を介して積層し、回路層１２とセラミックス基板１１の積層体と金属層１３とをその積層方向に０．１ＭＰａ〜３．４ＭＰａ（１ｋｇｆ／ｃｍ２〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）で加圧した状態で真空加熱炉（図示略）に装入して、５５０℃〜６５０℃の加熱温度で加熱する。この際、ろう材箔１８と金属層１３の一部とが溶融する。そして、回路層１２、セラミックス基板１１及び金属層１３の積層体を冷却することにより溶融金属を凝固させ、セラミックス基板１１と金属層１３とを接合して、パワーモジュール用基板１０が製造される。
〔金属層とヒートシンクの接合〕
図１１（ｄ）に示すように、ヒートシンク３０を金属層１３の下面側に、厚さ５μｍ〜５０μｍのろう材箔１８（Ａｌ‐Ｓｉ系ろう材箔）を介して積層し、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とをその積層方向に０．１ＭＰａ〜３．４ＭＰａで加圧した状態で真空加熱炉（図示略）に装入して、５５０℃〜６５０℃の加熱温度で加熱する。この際、ろう材箔１８と金属層１３の一部とが溶融する。そして、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０の積層体を冷却することにより溶融金属を凝固させ、金属層１３とヒートシンク３０とを接合して、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａが製造される。
図１１（ｄ）に示すように、ヒートシンク３０を金属層１３の下面側に、厚さ５μｍ〜５０μｍのろう材箔１８（Ａｌ‐Ｓｉ系ろう材箔）を介して積層し、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とをその積層方向に０．１ＭＰａ〜３．４ＭＰａで加圧した状態で真空加熱炉（図示略）に装入して、５５０℃〜６５０℃の加熱温度で加熱する。この際、ろう材箔１８と金属層１３の一部とが溶融する。そして、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０の積層体を冷却することにより溶融金属を凝固させ、金属層１３とヒートシンク３０とを接合して、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａが製造される。
このパワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とのろう付け接合時においては、セラミックス基板１１に最大応力が生じる位置に対応する回路層１２の接合面とは反対面１４に凹溝１５が設けられているので、セラミックス基板１１に生じる応力が緩和される。
このように、銅からなる回路層１２により良好な放熱特性を確保することができるとともに、セラミックス基板１１に生じる応力集中を緩和することができるので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａの反りを低減でき、クラック等の発生を防止することができる。また、このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａは、低温状態と高温状態とが繰り返される冷熱サイクル環境において使用された場合でも、セラミックス基板１１に生じる熱応力を低減できることから、セラミックス基板１１と回路層１２の接合信頼性を維持することができる。
このように、銅からなる回路層１２により良好な放熱特性を確保することができるとともに、セラミックス基板１１に生じる応力集中を緩和することができるので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａの反りを低減でき、クラック等の発生を防止することができる。また、このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａは、低温状態と高温状態とが繰り返される冷熱サイクル環境において使用された場合でも、セラミックス基板１１に生じる熱応力を低減できることから、セラミックス基板１１と回路層１２の接合信頼性を維持することができる。
なお、上記実施形態のように、回路層１２の回路パターンは、セラミックス基板１１との接合前に打抜き加工等の機械加工により形成することもできるし、セラミックス基板１１との接合後にエッチング処理によって形成する構成としてもよい。また、凹溝１５の形成を、エッチング処理により行う場合、回路層の回路パターン形成時に同時に形成することも可能である。さらに、凹溝は、セラミックス基板が受けるヒートシンク及び回路層の熱伸縮の影響を低減するために、少なくともパワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合前に形成しておけば良いことから、上記実施形態のように、セラミックス基板と金属層の接合前に形成する構成としても良いし、セラミックス基板と金属層との接合後に形成する構成としてもよい。また、回路層をセラミックス基板に接合する前に凹溝を形成してもよく、この場合には機械加工により凹溝を形成してもよい。
また、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合時においては、回路層１２の端部に設けられた立壁部１２ａによって、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０との接合面の端部まで確実に加圧して接合することができる。これにより、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０との接合面が全面にわたって良好に接合された状態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａを製造することができ、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａの良好な放熱特性を維持することができる。
また、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合時においては、回路層１２の端部に設けられた立壁部１２ａによって、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０との接合面の端部まで確実に加圧して接合することができる。これにより、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０との接合面が全面にわたって良好に接合された状態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａを製造することができ、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａの良好な放熱特性を維持することができる。
ところで、図１及び図２に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａにおいては、セラミックス基板１１上に１つの回路層１２が接合された構成とされていたが、本発明は、図１２に示すように、セラミックス基板１１上に複数の回路層１２が形成されたヒートシンク付パワーモジュール用基板５０Ａに適用することもできる。この場合においても、少なくともセラミックス基板１１の短手側の端部に沿って凹溝１５を形成しておくことにより、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とのろう付け接合時において、セラミックス基板１１に生じる応力集中を緩和することができる。
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、凹溝１５の形状は特に限定されるものではなく、スリット形状等でもよい。
例えば、凹溝１５の形状は特に限定されるものではなく、スリット形状等でもよい。
１０ パワーモジュール用基板
１０Ａ，１０Ｂ，５０Ａ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１２ａ 立壁部
１３ 金属層
１４ 反対面
１４ａ 端部
１５ 凹溝
１７ 銅部材接合用ペースト
１８ ろう材箔
２０ 電子部品
３０ ヒートシンク
４０ エッチングレジストインキ
１０Ａ，１０Ｂ，５０Ａ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１２ａ 立壁部
１３ 金属層
１４ 反対面
１４ａ 端部
１５ 凹溝
１７ 銅部材接合用ペースト
１８ ろう材箔
２０ 電子部品
３０ ヒートシンク
４０ エッチングレジストインキ
Claims (3)
- セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に積層される銅又は銅合金からなる回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に積層されるアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層とを有するパワーモジュール用基板が、アルミニウム合金からなるヒートシンクに接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンクの厚みが５ｍｍ以上に設定され、前記回路層の厚みが１．０ｍｍ以上１．５ｍｍ未満に設定され、前記金属層の厚みが０．４ｍｍ以上２．１ｍｍ以下に設定され、前記回路層の前記セラミックス基板との接合面と反対面に、少なくとも前記セラミックス基板の短手側に位置する前記回路層の端部に沿って凹溝が形成されており、該凹溝の幅方向の中心位置は、前記回路層の厚みをｔｍｍとした場合に、前記端部から（０．７９ｔ＋０．０１）ｍｍ以上（０．７９ｔ＋１．０１）ｍｍ以下の位置に形成されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 前記凹溝は、前記回路層の厚みの１／６以上３／５以下の深さで形成されていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 請求項１又は２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記凹溝は、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとの接合前に形成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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013190829A JP6127852B2 (ja) | 2013-09-13 | 2013-09-13 | ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013190829A JP6127852B2 (ja) | 2013-09-13 | 2013-09-13 | ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2015056616A JP2015056616A (ja) | 2015-03-23 |
| JP6127852B2 true JP6127852B2 (ja) | 2017-05-17 |
Family
ID=52820763
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013190829A Expired - Fee Related JP6127852B2 (ja) | 2013-09-13 | 2013-09-13 | ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6127852B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| HUE055979T2 (hu) * | 2015-05-27 | 2022-01-28 | Ngk Electronics Devices Inc | Szubsztrát teljesítménymodulokhoz, szubsztrátegység teljesítménymodulokhoz, valamint eljárás szubsztrát gyártására teljesítménymodulokhoz |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06152078A (ja) * | 1992-11-02 | 1994-05-31 | Sumitomo Kinzoku Ceramics:Kk | セラミック回路基板 |
| JP4649027B2 (ja) * | 1999-09-28 | 2011-03-09 | 株式会社東芝 | セラミックス回路基板 |
| JP5957848B2 (ja) * | 2011-11-02 | 2016-07-27 | 三菱マテリアル株式会社 | パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュール用基板の製造方法 |
| JP2013179263A (ja) * | 2012-02-01 | 2013-09-09 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法 |
| JP6010926B2 (ja) * | 2012-02-29 | 2016-10-19 | 三菱マテリアル株式会社 | 接合材料、パワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法 |
| JP6183166B2 (ja) * | 2013-01-30 | 2017-08-23 | 三菱マテリアル株式会社 | ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法 |
-
2013
- 2013-09-13 JP JP2013190829A patent/JP6127852B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2015056616A (ja) | 2015-03-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4524716B2 (ja) | ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法、並びに、ヒートシンク付パワーモジュール、パワーモジュール用基板 | |
| WO2014034245A1 (ja) | パワーモジュール用基板及びパワーモジュール | |
| JP5067187B2 (ja) | ヒートシンク付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 | |
| JP2006240955A (ja) | セラミック基板、セラミック回路基板及びそれを用いた電力制御部品。 | |
| JP2013065918A5 (ja) | ||
| JP2008235852A (ja) | セラミックス基板及びこれを用いた半導体モジュール | |
| JP6146242B2 (ja) | パワーモジュール用基板の製造方法 | |
| JP6183166B2 (ja) | ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法 | |
| JP2017084921A (ja) | パワーモジュール | |
| JP2004022973A (ja) | セラミック回路基板および半導体モジュール | |
| JP2008277654A (ja) | ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール | |
| JP6149654B2 (ja) | パワーモジュール用基板の製造方法 | |
| JP6330951B2 (ja) | パワーモジュール用基板製造のための接合体 | |
| JP6702800B2 (ja) | 回路基板集合体、電子装置集合体、回路基板集合体の製造方法および電子装置の製造方法 | |
| JP2006351988A (ja) | セラミック基板、セラミック回路基板及びそれを用いた電力制御部品。 | |
| JP6127852B2 (ja) | ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法 | |
| WO2019181428A1 (ja) | 絶縁回路基板、及び、絶縁回路基板の製造方法 | |
| JP2010238965A (ja) | パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール | |
| JP2017063127A (ja) | 発光モジュール用基板、発光モジュール、冷却器付き発光モジュール用基板、および発光モジュール用基板の製造方法 | |
| JP6565735B2 (ja) | パワーモジュール用基板及びパワーモジュール並びにパワーモジュール用基板の製造方法 | |
| JP2010238963A (ja) | パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール | |
| JP6317178B2 (ja) | 回路基板および電子装置 | |
| JP6201297B2 (ja) | 銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法 | |
| JP4992302B2 (ja) | パワー半導体モジュール | |
| JP2013211288A (ja) | ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160331 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20170227 |
|
| 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: 20170314 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170327 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6127852 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |