JP6264822B2 - Power module substrate with heat sink and manufacturing method thereof - Google Patents
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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。 The present invention relates to a power module substrate with a heat sink used in a semiconductor device for controlling a large current and a high voltage, and a method for manufacturing the same.
パワーモジュールとして、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板上にアルミニウム板が接合されるとともに、他方の片側にアルミニウム板を介してアルミニウム系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用いられている。 As a power module, a power module substrate with a heat sink in which an aluminum plate is bonded onto a ceramic substrate such as aluminum nitride and an aluminum heat sink is bonded to the other side through an aluminum plate is used. .
従来、ヒートシンク付パワーモジュール用基板は、次のように製造されてきた。
まず、セラミックス基板表面に、セラミックス基板とアルミニウム板との接合に適するろう材を介して、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルミニウム板を積層し、所定の圧力で加圧しながら、ろう材が溶融する温度以上まで加熱し冷却することにより、セラミックス基板と両面のアルミニウム板とを接合してパワーモジュール用基板を製造する。
Conventionally, a power module substrate with a heat sink has been manufactured as follows.
First, an aluminum plate is laminated on one surface and the other surface of the ceramic substrate via a brazing material suitable for joining the ceramic substrate and the aluminum plate to the surface of the ceramic substrate, and the brazing material is pressed with a predetermined pressure. The power module substrate is manufactured by joining the ceramic substrate and the aluminum plates on both sides by heating and cooling to a temperature equal to or higher than the temperature at which the material melts.
次に、パワーモジュール用基板の他方の面側のアルミニウム板に、そのアルミニウム板とヒートシンクとの接合に適するろう材を介してヒートシンクを積層し、所定の圧力で加圧しながら、ろう材が溶融する温度以上まで加熱し冷却する。これにより、アルミニウム板とヒートシンクとを接合してヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。
また、このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板の一方の面側に接合されたアルミニウム板は、回路層として形成され、この回路層上にはんだ材を介してパワー素子等の電子部品が搭載される。
Next, a heat sink is laminated on the aluminum plate on the other side of the power module substrate via a brazing material suitable for joining the aluminum plate and the heat sink, and the brazing material is melted while being pressed at a predetermined pressure. Heat to above temperature and cool. Thereby, an aluminum plate and a heat sink can be joined and a power module substrate with a heat sink can be manufactured.
In addition, the aluminum plate bonded to one surface side of the power module substrate with a heat sink thus configured is formed as a circuit layer, and electronic components such as power elements are placed on the circuit layer via a solder material. Installed.
ところが、セラミックス基板とアルミニウム板のような熱膨張係数の異なる部材の接合においては、接合後の冷却時における熱収縮により反りが発生する。
この反り対策として、特許文献1では、チップや端子、放熱板等のはんだ付け等をするときの高温時における反り量と、セラミックス回路基板を室温に戻したときの反り量を制御することが記載されている。
However, in the joining of members having different thermal expansion coefficients such as a ceramic substrate and an aluminum plate, warpage occurs due to thermal contraction during cooling after joining.
As a countermeasure against this warp, Patent Document 1 describes controlling the warp amount at high temperature when soldering a chip, a terminal, a heat sink, etc., and the warp amount when the ceramic circuit board is returned to room temperature. Has been.
また、特許文献2では、セラミックス基板をたわませながら回路用金属板と金属放熱板とを接合し、回路用金属板が凹面となる反りを有する回路基板を製造することとしている。一般的に、回路用基板を用いてモジュールを形成する際には、モジュールを平面的になるようにヒートシンクに接合し、固定部品に固定して用いられる。そこで、回路基板の回路用金属板側に凹面となる反りを形成しておくことで、回路基板を平坦に固定した際に回路基板に圧縮応力が残留し、モジュールへの組立時やその実使用下においてクラックの発生、成長を低減することができることが記載されている。 Further, in Patent Document 2, a circuit board having a warp in which the circuit metal plate becomes a concave surface is manufactured by joining the circuit metal plate and the metal heat sink while bending the ceramic substrate. In general, when a module is formed using a circuit board, the module is joined to a heat sink so as to be planar and fixed to a fixing component. Therefore, by forming a concave warp on the circuit metal plate side of the circuit board, when the circuit board is fixed flat, compressive stress remains on the circuit board, and when assembled into a module or under actual use Describes that the generation and growth of cracks can be reduced.
さらに、特許文献3には、セラミックス回路基板とヒートシンクとのはんだリフロー時に生じる反りは、金属放熱板と金属回路板の体積比、及び厚さ比が主たる支配要因であり、これらの構成を適当な範囲とすることで加熱中に好ましい反り形状を実現することができることが記載されている。
このように、回路基板に生じる反りは、セラミックス基板を中立軸として金属層を形成するヒートシンク側のアルミニウム板とヒートシンクの板厚の調整により、抑制できる。
Further, in Patent Document 3, warpage occurring during solder reflow between a ceramic circuit board and a heat sink is mainly governed by the volume ratio and the thickness ratio of the metal heat sink and metal circuit board. It is described that a preferable warp shape can be realized during heating by setting the range.
As described above, the warpage generated in the circuit board can be suppressed by adjusting the thickness of the heat sink side aluminum plate and the heat sink that form the metal layer with the ceramic substrate as the neutral axis.
しかし、パワーモジュール用基板に望まれるのは、パワーモジュールとしての要求仕様を満たすための反りを低減することである。特許文献1に記載のように、パワーモジュール用基板として反りを制御したとしても、パワーモジュールとして反りを低減できなければならない。また、パワーモジュール用基板とヒートシンクとが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、通常の製造時は、回路層を上側として凸状の反りが発生する。
ところが、使用時においては、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を冷却器にグリース等を介して締結する際に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板と冷却器との密着性を良好に維持する観点から、冷却器側に対して凹状の反り(回路層側に凸状の反り)であることよりも、凸状の反りであることが望まれる。また、冷却器への締結後においても、半導体素子のはんだ付け等の熱処理過程において、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反り変形が少ないことが望まれる。
However, what is desired for a power module substrate is to reduce warpage to satisfy the required specifications of the power module. As described in Patent Document 1, even if the warpage is controlled as a power module substrate, the warpage must be reduced as a power module. Further, in a power module substrate with a heat sink in which the power module substrate and the heat sink are joined, a convex warp occurs with the circuit layer on the upper side during normal manufacturing.
However, in use, when the power module substrate with a heat sink is fastened to the cooler via grease or the like, from the viewpoint of maintaining good adhesion between the power module substrate with the heat sink and the cooler, the cooler It is desired that the warp is a convex warp rather than a concave warp (convex warp on the circuit layer side). In addition, even after the fastening to the cooler, it is desired that the power module substrate with a heat sink is less warped and deformed in the heat treatment process such as soldering of the semiconductor element.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板製造時に生じる反りを低減するとともに、熱処理過程における反りの発生を抑制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及びそ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 such circumstances, and while reducing the warpage that occurs during the manufacture of a power module substrate with a heat sink and suppressing the occurrence of warpage in the heat treatment process, It aims at providing the manufacturing method.
本発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に純度99%以上のアルミニウムからなる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の前記金属層に接合され、該金属層より降伏応力の大きいアルミニウム合金により平板状に形成されてなるヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンクの最大長さをLとし、前記ヒートシンクの反り量をZとし、前記ヒートシンクの接合面側に凸状の変形を正の反り量とした場合に、25℃におけるLとZの比率Z/Lが−0.005以上0.005以下の範囲内とされ、280℃まで加熱した際における前記比率Z/Lが−0.005以上0.005以下の範囲とされ、その加熱後25℃まで冷却した際の前記比率Z/Lが−0.005以上0.005以下の範囲内とされることを特徴とする。 The present invention provides a power module substrate in which a circuit layer is disposed on one surface of a ceramic substrate, and a metal layer made of aluminum having a purity of 99% or more is disposed on the other surface of the ceramic substrate, and the power module A power module substrate with a heat sink, comprising: a heat sink that is bonded to the metal layer of the substrate and is formed in a flat plate shape using an aluminum alloy having a yield stress greater than that of the metal layer, the maximum length of the heat sink Is L, the ratio of warpage of the heat sink is Z, and the convex deformation on the joining surface side of the heat sink is the positive amount of warpage, the ratio Z / L of L to Z at 25 ° C. is −0.005. The ratio Z / L when heated to 280 ° C. is in the range of −0.005 or more and 0.005 or less. The ratio Z / L at the time of cooling to 25 ° C. after heating is in the range of −0.005 to 0.005.
比率Z/Lが、上記温度設定時において−0.005未満又は0.005を超える場合では、半導体素子等の電子部品を回路層へはんだ付けする工程において、はんだや半導体素子の位置ずれを引き起こしやすい。また、半導体素子自体の破壊や熱サイクルによるはんだ接合部や基板の信頼性低下を招くおそれがある。
一方、比率Z/Lが、上記温度設定時において−0.005以上0.005以下の範囲内にあるヒートシンク付パワーモジュール用基板は、製造時に生じる反りが低減され、熱処理過程によるパワーモジュールの反り変形が抑制されていることから、半導体素子のはんだ付け工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。
If the ratio Z / L is less than -0.005 or exceeds 0.005 when the temperature is set, the solder or semiconductor element may be misaligned in the process of soldering the electronic component such as a semiconductor element to the circuit layer. Cheap. In addition, there is a risk that the reliability of the solder joint or the substrate due to the destruction of the semiconductor element itself or thermal cycle may be caused.
On the other hand, the power module substrate with a heat sink in which the ratio Z / L is in the range of −0.005 or more and 0.005 or less at the time of the above temperature setting reduces the warpage that occurs at the time of manufacture, and the warpage of the power module due to the heat treatment process. Since deformation is suppressed, it is possible to improve the workability in the soldering process of the semiconductor element and to improve the board reliability due to the heat cycle load.
また、金属層が比較的変形抵抗の小さい純度99%以上のアルミニウムで形成されているので、熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板に発生する熱応力を緩和することができ、セラミックス基板に割れが生じることを抑制できる。 In addition, since the metal layer is made of aluminum having a relatively low deformation resistance and a purity of 99% or more, the thermal stress generated in the ceramic substrate under a thermal cycle load can be relaxed, and the ceramic substrate is cracked. Can be suppressed.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、25℃から280℃まで温度変化させた場合において、前記比率Z/Lの最大値と最小値との差ΔZ/Lが0.005以下とされるとよい。
25℃から280℃までの温度変化において比率Z/Lの最大値と最小値との差ΔZ/Lが0.005以下とされ、変形が抑制されているので、より一層、半導体素子のはんだ付け工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。
In the power module substrate with a heat sink of the present invention, when the temperature is changed from 25 ° C. to 280 ° C., the difference ΔZ / L between the maximum value and the minimum value of the ratio Z / L is 0.005 or less. Good.
Since the difference ΔZ / L between the maximum value and the minimum value of the ratio Z / L in the temperature change from 25 ° C. to 280 ° C. is 0.005 or less and deformation is suppressed, the soldering of the semiconductor element is further improved. It is possible to improve workability in the process and to improve the substrate reliability due to thermal cycle load.
本発明は、上記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、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを接合する際に、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを積層し、この積層体を曲率半径1000mm以上6000mm以下の凸面又は凹面が対向面に形成された二枚の加圧板の対向面間に挟んで0.3MPa〜10MPaで加圧することにより前記ヒートシンクの接合面を凹状の反りとする変形を生じさせた状態で加熱し、前記変形を生じさせた状態で冷却することを特徴とする。 The present invention is a method of manufacturing a power module substrate with a heat sink, wherein the power module substrate and the heat sink are laminated when the power module substrate and the heat sink are joined, and the laminate is provided. Is pressed between 0.3 MPa and 10 MPa between the opposing surfaces of the two pressure plates formed with convex surfaces or concave surfaces having a curvature radius of 1000 mm or more and 6000 mm or less on the opposing surfaces, and the joint surface of the heat sink becomes a concave warp. It heats in the state which produced the deformation | transformation to perform, and cools in the state which produced the said deformation | transformation.
ヒートシンクを金属層に対し降伏応力の高い材料により形成し、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合時において、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との積層体を、その積層方向のヒートシンクとは反対側を上側とする凹状の反りを生じさせた状態とし、ろう材が溶融する温度以上で所定時間保持した後に冷却することで、凹状に沿った形状でろう材を固め、積層方向の加圧状態を開放した後も、回路層を上側として凹状に反る、あるいは凸状でも反り量が小さい接合体が得られる。この場合、ろう材の接合温度域において、各部材が最大限膨張した状態で凹状の変形を生じさせることができる。
そして、このようにして接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、製造時に生じる反り変形を低減することができるとともに、熱処理過程における反り変形を抑制することができ、素子はんだ付け工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。これにより、構造の自由度が増大し、さらにパワーモジュール全体の薄肉化に寄与することができる。
The heat sink is formed of a material having a high yield stress with respect to the metal layer, and when the heat sink and the power module substrate are joined, the laminate of the heat sink and the power module substrate is placed on the side opposite to the heat sink in the stacking direction. In a state in which a concave warp is generated and cooled after holding for a predetermined time at a temperature equal to or higher than the temperature at which the brazing material melts, the brazing material is solidified in a shape along the concave shape, and the pressure state in the stacking direction is released. Thereafter, a bonded body having a circuit layer as an upper side and warping in a concave shape or having a small warping amount even in a convex shape can be obtained. In this case, in the joining temperature range of the brazing material, it is possible to cause a concave deformation in a state where each member is expanded to the maximum extent.
And, in the power module substrate with a heat sink bonded in this way, it is possible to reduce the warpage deformation that occurs at the time of manufacture, and to suppress the warpage deformation during the heat treatment process, and the workability in the element soldering process. And the reliability of the substrate due to thermal cycle load can be improved. Thereby, the freedom degree of a structure increases and it can further contribute to thickness reduction of the whole power module.
本発明によれば、ヒートシンク付パワーモジュール用基板製造時に生じる反りを低減するとともに、熱処理過程における反りの発生を抑制することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while reducing the curvature which arises at the time of manufacture of the board | substrate for power modules with a heat sink, generation | occurrence | production of the curvature in the heat processing process can be suppressed.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1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100を示す。このヒートシンク付パワーモジュール用基板100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とから構成される。
また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板100は、図1又は図2に示すように、ヒートシンクの最大長さをLとし、ヒートシンクの反り量をZとし、前記ヒートシンクの接合面側に凸状の変形を正の反り量とした場合に、LとZとの比率Z/Lが−0.005以上0.005以下の範囲内とされ、280℃まで加熱した際における比率Z/Lが−0.005以上0.005以下の範囲とされ、その加熱後25℃まで冷却した際の比率Z/Lが−0.005以上0.005以下の範囲内とされるものである。比率Z/Lについての詳細は、後述する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In FIG. 1, the board |
In addition, as shown in FIG. 1 or 2, the
そして、このヒートシンク付パワーモジュール用基板100に対して、図3に示すように、さらにパワーモジュール用基板10の表面に半導体チップ等の電子部品20が搭載されることにより、パワーモジュールが製造される。
Then, with respect to the
ヒートシンク付パワーモジュール用基板100の製造工程においては、まずパワーモジュール用基板10を製造し、このパワーモジュール用基板10をヒートシンク30の天板32にろう付けすることにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板100を製造する。
In the manufacturing process of the
パワーモジュール用基板10は、セラミックス基板11と、セラミックス基板11に積層された回路層12、金属層13とを備える。そして、パワーモジュール用基板の回路層12の表面に電子部品20がはんだ付けされる。また、他方の金属層13の表面にはヒートシンク30が取り付けられる。
The
セラミックス基板11は、例えばAlN(窒化アルミニウム)、Si3N4(窒化珪素)等の窒化物系セラミックス、もしくはAl2O3(アルミナ)等の酸化物系セラミックスにより形成され、本実施形態ではAlNを用いた。また、セラミックス基板11の厚さは0.2〜1.5mm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
回路層12は、純度99質量%以上のアルミニウムが用いられ、JIS規格では1000番台のアルミニウム、特に1N90(純度99.9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。また、アルミニウム以外にもアルミニウム合金や、銅又は銅合金を用いることもできる。
金属層13は、純度99質量%以上のアルミニウムが用いられ、JIS規格では1000番台のアルミニウム、特に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。
本実施形態においては、回路層12及び金属層13は、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)の圧延板からなるアルミニウム板とされ、その厚さは0.2mm〜3.0mmに設定されており、回路層12が0.6mm、金属層13が2.1mmの厚さとされている。
The
The
In this embodiment, the
そして、これら回路層12及び金属層13とセラミックス基板11とは、例えばろう付けにより接合される。ろう材としては、Al‐Si系、Al‐Ge系、Al‐Cu系、Al‐Mg系又はAl‐Mn系等の合金が使用される。
The
なお、パワーモジュールを構成する電子部品20は、回路層12の表面に形成されたNiめっき(不図示)上に、Sn‐Ag‐Cu系、Zn‐Al系、Sn‐Ag系、Sn‐Cu系、Sn‐Sb系もしくはPb‐Sn系等のはんだ材を用いて接合される。図1中の符号21が、そのはんだ接合層を示す。また、電子部品20と回路層12の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ(不図示)により接続される。
In addition, the
パワーモジュール用基板10に接合されるヒートシンク30は、金属層13に対し降伏応力の高いアルミニウム合金とされており、例えば、A3003、A5052、A6063、A7075等が用いられる。また、金属層13が4Nアルミニウムとされる場合には、A1050合金等が用いられる。本実施形態ではA6063のアルミニウム合金を用いている。
ここで、ヒートシンクとしては、板状の放熱板、内部に冷媒が流通する冷却器、フィンが形成された冷液、空冷放熱器、ヒートパイプなど、熱の放散によって温度を下げることを目的とした金属部品が含まれる。
The
Here, as the heat sink, a plate-like heat sink, a cooler in which a refrigerant circulates inside, a cold liquid with fins formed thereon, an air-cooled heat radiator, a heat pipe, and the like intended to lower the temperature by heat dissipation Metal parts are included.
次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板100の製造方法を説明する。
まず、回路層12及び金属層13として、それぞれ99.99質量%以上の純アルミニウム圧延板を準備し、これらの純アルミニウム圧延板を、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面にそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱することによって、セラミックス基板11の一方の面及び他方の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10を製造する。なお、このろう付け温度は、600℃〜655℃に設定される。
Next, a method for manufacturing the
First, as the
このように構成されたパワーモジュール用基板10にヒートシンク30を接合するには、まず、図4に示すように、二枚の加圧板110とその四隅に設けられた支柱111によって構成された治具112を用いて、加圧板110間にヒートシンク30及びパワーモジュール用基板10を配置する。
治具112の二枚の加圧板110は、ステンレス鋼材の表面にカーボン板が積層されたものであり、それぞれ加圧板110の対向する面110a,110bが、ヒートシンク30のパワーモジュール用基板10との接合面30aを凹状とするような曲率半径Rが1000mm以上6000mm以下とされる曲面を有する凹面又は凸面に形成されている。本実施形態では、曲率半径Rが1000mm以上6000mm以下とされているので、製造時に生じる反りが低減され、熱処理過程によるパワーモジュールの反り変形を抑制することが可能である。
そして、支柱111の両端には螺子が切られており、加圧板110を挟むようにナット113が締結されている。また、支柱111に支持された天板114と加圧板110と間に加圧板110を下方に付勢するばね等の付勢手段115が備えられており、加圧力は、この付勢手段115とナット113の締付けによって調整される。
To join the
The two
And the screw | thread is cut at the both ends of the support |
そして、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造工程においては、パワーモジュール用基板10及びヒートシンク30を治具112に取り付けた状態とすることにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板100に発生する反りを抑制することができる。
In the manufacturing process of the power module substrate with a heat sink according to the present embodiment, the warpage generated in the
まず、下側に配置される凹面110aを有する加圧板110の上にヒートシンク30を載置し、その上にAl‐Si系ろう材箔(図示略)を介してパワーモジュール用基板10を重ねて載置して、これらヒートシンク30とパワーモジュール用基板10との積層体を凸面110bを有する加圧板110との間で挟んだ状態とする。この際、ヒートシンク30とパワーモジュール用基板10との積層体は、加圧板110の凹凸面により厚み方向に加圧され、ヒートシンク30の接合面30aを凹状の反りとする変形を生じさせた状態とされる。そして、ヒートシンク30とパワーモジュール用基板10との積層体を加圧状態で加熱することにより、ヒートシンク30とパワーモジュール用基板10の金属層13とをろう付けにより固着する。
なお、ろう付けは、真空雰囲気中で、荷重0.3MPa〜10MPa、加熱温度550℃〜650℃の条件で行う。
First, the
Note that brazing is performed in a vacuum atmosphere under conditions of a load of 0.3 MPa to 10 MPa and a heating temperature of 550 ° C. to 650 ° C.
次に、これらヒートシンク30とパワーモジュール用基板10との接合体を、治具112に取り付けた状態、つまり、変形を生じさせた状態で、常温(25℃)まで冷却する。
この場合、ヒートシンク30とパワーモジュール用基板10との接合体は、治具112によって厚み方向に加圧され、ヒートシンク30の接合面30aを凹状の反りとする変形を生じさせた状態で拘束されている。このため、冷却に伴う接合体の形状は見かけ上は変化がないように見えるが、応力に抗して加圧され、冷却時に反りとしての変形が出来ない状態に拘束されている結果、塑性変形が生じることとなる。
Next, the joined body of the
In this case, the joined body of the
このようにして製造されたヒートシンク付パワーモジュール用基板100は、ヒートシンク30が金属層13に対し降伏応力の高い材料により形成されていることから反りが抑制され、ヒートシンク30の最大長さをLとし、ヒートシンク30の反り量をZとし、ヒートシンク30の接合面30a側に凸状の変形を正の反り量とした場合に、25℃におけるLとZの比率Z/Lが−0.005以上0.005以下の範囲内とされ、280℃まで加熱した際における比率Z/Lが−0.005以上0.005以下の範囲とされ、その加熱後25℃まで冷却した際の比率Z/Lが−0.005以上0.005以下の範囲内とされる。
In the
比率Z/Lが、上記温度設定時において−0.005未満又は0.005を超える場合では、半導体素子を回路層12へはんだ付けする工程において、はんだや半導体素子の位置ずれを引き起こしやすい。また、半導体素子自体の破壊や熱サイクルによるはんだ接合部や基板の信頼性低下を招くおそれがある。
一方、比率Z/Lが、上記温度設定時において−0.005以上0.005以下の範囲内にあるヒートシンク付パワーモジュール用基板は、製造時に生じる反りが低減され、熱処理過程によるパワーモジュールの反り変形が抑制されることから、半導体素子のはんだ付け工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。
When the ratio Z / L is less than −0.005 or exceeds 0.005 when the temperature is set, the solder and the semiconductor element are likely to be misaligned in the process of soldering the semiconductor element to the
On the other hand, the power module substrate with a heat sink in which the ratio Z / L is in the range of −0.005 or more and 0.005 or less at the time of the above temperature setting reduces the warpage that occurs at the time of manufacture, and the warpage of the power module due to the heat treatment process. Since deformation is suppressed, it is possible to improve the workability in the soldering process of the semiconductor element and to improve the board reliability due to the heat cycle load.
このように、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、ヒートシンク30を金属層13に対し降伏応力の高い材料により形成し、ヒートシンク30とパワーモジュール用基板10との接合時において、ヒートシンク30とパワーモジュール用基板10との積層体を、その積層方向のヒートシンク30とは反対側を上側とする凹状の反りを生じさせた状態とし、ろう材が溶融する温度以上で所定時間保持した後に冷却することで、凹状に沿った形状でろう材を固め、厚み方向(積層方向)の加圧状態を開放した後も、回路層12を上側として凹状に反る、あるいは凸状でも反り量が小さい接合体が得られる。この場合、ろう材の接合温度域において、各部材が最大限膨張した状態で凹状の変形を生じさせることができる。なお、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、25℃から280℃の温度領域において、反り量が直線的に変化する。
このようにして接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板100においては、製造時に生じる反り変形を低減することができるとともに、熱処理過程における反り変形を抑制することができ、半導体素子をはんだ付けする工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。これにより、構造の自由度が増大し、さらにパワーモジュール全体の薄肉化に寄与することができる。
As described above, in the power module substrate with a heat sink of the present embodiment, the
In the
次に、本発明の効果を確認するために行った実施例及び比較例について説明する。
前述したヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造工程において、パワーモジュール用基板とヒートシンクの積層方向への加圧荷重をそれぞれ変更し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板の試料を複数製造した。各試料の接合条件は、実施例1〜7及び比較例3〜5では、凹凸面の曲率半径Rが表1に記載の加圧板を用い、比較例1,2では平板の加圧板を用いて接合を行った。
また、各ヒートシンク付パワーモジュール用基板を構成するパワーモジュール用基板10としては、68mm×68mm、厚み0.6mmの4N‐Alからなる回路層12と、68mm×68mm、厚み2.1mmの表1に記載の材質からなる金属層13とが、70mm×70mm、厚み0.635mmのAlNからなるセラミックス基板11にAl‐Si系ろう材により接合されたものを用いた。ヒートシンク30は、表1に記載の材質からなる80mm×80mm、厚み5mmの矩形板を用いた。
Next, examples and comparative examples performed for confirming the effects of the present invention will be described.
In the manufacturing process of the power module substrate with a heat sink described above, a sample of the power module substrate with a heat sink in which the pressing load in the stacking direction of the power module substrate and the heat sink is changed and the power module substrate and the heat sink are joined. Several were manufactured. As for the bonding conditions of each sample, in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 3 to 5, the curvature radius R of the concavo-convex surface uses a pressure plate described in Table 1, and in Comparative Examples 1 and 2, a flat pressure plate is used. Bonding was performed.
The
そして、これらのヒートシンク付パワーモジュール用基板の試料について、「温度変化による反り量の変化」、「はんだ位置ずれ」、「素子位置ずれ」、「素子割れ」をそれぞれ評価した。
また、反り量の測定は、25℃(常温)時、280℃加熱時及び280℃まで加熱後の25℃冷却時(25℃冷却時)に測定を行った。そして、各時点におけるヒートシンク裏面の平面度の変化を、モアレ式三次元形状測定機を使用して計測したものを反り量として評価した。反り量は、ヒートシンク30の接合面30a側に凸状の変形を正の反り量とした。
And about the sample of the board | substrate for power modules with a heat sink, "change of the curvature amount by a temperature change", "solder position shift", "element position shift", and "element crack" were evaluated, respectively.
Further, the amount of warpage was measured at 25 ° C. (normal temperature), at 280 ° C. heating, and at 25 ° C. cooling after heating to 280 ° C. (at 25 ° C. cooling). And the change of the flatness of the back surface of the heat sink at each time point was evaluated as a warpage amount measured using a moire type three-dimensional shape measuring machine. The amount of warpage was defined as a positive amount of warpage that is convex on the side of the
はんだ位置ずれは、各試料の回路層12上に、はんだ(Sn‐Ag‐Cu系、融点約220℃)を載せて、融点直下(200℃)まで加熱することにより、はんだの載置位置の変化の有無を、各試料を30個ずつ製作して確認した。この場合、0.2mm以上の位置ずれが生じた場合を「NG」とし、0.2mm未満の位置ずれの場合は「OK」と評価した。
また、素子位置ずれは、素子を回路層12にはんだ付けした後に、そのはんだ付け位置を計測することにより、位置ずれ発生の有無を確認した。そして、0.2mm以上の位置ずれが生じた場合を「NG」とし、0.2mm未満の位置ずれの場合は「OK」と評価した。
素子割れは、素子を回路層12にはんだ付けした後、配線を施し、素子が正常動作するか否かを確認した。
表1に結果を示す。表1において「◎」は「OK」比率100%、「○」はOK比率90%以上、「×」は「OK」比率90%未満であることを示す。
The solder position shift is determined by placing solder (Sn—Ag—Cu system, melting point about 220 ° C.) on the
In addition, the element position deviation was confirmed by measuring the soldering position after the element was soldered to the
For element cracking, the element was soldered to the
Table 1 shows the results. In Table 1, “◎” indicates that the “OK” ratio is 100%, “◯” indicates that the OK ratio is 90% or more, and “×” indicates that the “OK” ratio is less than 90%.
表1からわかるように、25℃における比率Z/Lが−0.005以上0.005以下の範囲内とされ、280℃まで加熱した際における比率Z/Lが−0.005以上0.005以下の範囲とされ、その加熱後25℃まで冷却した際の比率Z/Lが−0.005以上0.005以下の範囲内とされる実施例1〜6の試料においては、「はんだ位置ずれ」、「素子位置ずれ」、「素子割れ」のいずれの評価においても良好な結果が得られた。
また、比率Z/Lの最大値と最小値との差ΔZ/Lが0.006となった実施例7においても、「はんだ位置ずれ」と「素子割れ」の評価は良好であったが、素子の位置ずれが若干発生した。
一方、低荷重の加圧を行った比較例1においては、25℃、280℃、25℃冷却時における比率Z/Lが、−0.005以上0.005以下の範囲から外れる結果となった。
また、平板を用いた比較例2及び加圧板の曲率半径Rを8000mmとした比較例3では、25℃における比率Z/Lが−0.005以上0.005以下の範囲から外れる結果となり、はんだの位置ずれが多く発生した。さらに、280℃における比率Z/Lが−0.005以上0.005以下の範囲から外れた比較例4では、素子割れが多く発生した。
As can be seen from Table 1, the ratio Z / L at 25 ° C. is in the range of −0.005 to 0.005, and the ratio Z / L when heated to 280 ° C. is −0.005 to 0.005. In the samples of Examples 1 to 6, in which the ratio Z / L when cooled to 25 ° C. after the heating is within the range of −0.005 or more and 0.005 or less is “solder position shift” Good results were obtained in any of the evaluations of "", "element position deviation", and "element crack".
In Example 7 where the difference ΔZ / L between the maximum value and the minimum value of the ratio Z / L was 0.006, the evaluation of “solder position shift” and “element crack” was good. Some element misalignment occurred.
On the other hand, in Comparative Example 1 in which a low load was applied, the ratio Z / L during cooling at 25 ° C., 280 ° C., and 25 ° C. was outside the range of −0.005 to 0.005. .
Further, in Comparative Example 2 using a flat plate and Comparative Example 3 in which the radius of curvature R of the pressure plate is 8000 mm, the ratio Z / L at 25 ° C. falls outside the range of −0.005 or more and 0.005 or less. A lot of misalignment occurred. Further, in Comparative Example 4 in which the ratio Z / L at 280 ° C. was out of the range of −0.005 or more and 0.005 or less, many element cracks occurred.
以上説明したように、本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板100においては、製造時に生じる反り変形を低減することができるとともに、熱処理過程における反り変形を抑制することができ、素子はんだ付け工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。
As described above, in the
なお、通常、反りは三次元的に生じるため、矩形板の場合、対角線の長さが最大長さLである。また、反り量Zは、その最大長さの部分のZ方向の最大値と最小値との差である。 In general, since warping occurs three-dimensionally, the diagonal length is the maximum length L in the case of a rectangular plate. Further, the warpage amount Z is the difference between the maximum value and the minimum value in the Z direction of the portion of the maximum length.
なお、本発明は、上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、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、上記実施形態では、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとをろう付けによって固着したが、ろう付けに限らずはんだ付け、拡散接合などによって固着する構成としても構わない。
さらに、セラミックス基板と回路層及び、セラミックス基板と金属層との接合、金属層とヒートシンクとの接合を、TLP接合法(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)と称される過渡液相接合法によって接合してもよい。
この過渡液相接合法においては、回路層又は金属層の表面に蒸着させた銅層を、回路層又は金属層とセラミックス基板との界面、あるいは金属層とヒートシンクとの界面に介在させて行う。加熱により、回路層又は金属層とアルミニウム中に銅が拡散し、回路層又は金属層の銅層近傍の銅濃度が上昇して融点が低下し、アルミニウムと銅との共晶域にて接合界面に金属液相が形成される。この金属液相が形成された状態で温度を一定に保持しておくと、金属液相がセラミックス基板又はヒートシンクと反応するとともに、銅がさらにアルミニウム中に拡散することに伴い、金属液相中の銅濃度が徐々に低下して融点が上昇し、温度を一定に保持した状態で凝固が進行する。これにより、回路層又は金属層とセラミックス基板、あるいは金属層とヒートシンクとの強固な接合が得られる。
In addition, this invention is not limited to the thing of the structure of the said embodiment, In a detailed structure, it is possible to add a various change in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, in the above embodiment, the metal layer of the power module substrate and the heat sink are fixed by brazing. However, the present invention is not limited to brazing, and may be fixed by soldering, diffusion bonding, or the like.
Further, the ceramic substrate and the circuit layer, the ceramic substrate and the metal layer, and the metal layer and the heat sink are bonded by a transient liquid phase bonding method called a TLP bonding method (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding). Also good.
In this transient liquid phase bonding method, the copper layer deposited on the surface of the circuit layer or the metal layer is interposed between the interface of the circuit layer or the metal layer and the ceramic substrate, or the interface of the metal layer and the heat sink. By heating, copper diffuses in the circuit layer or metal layer and aluminum, the copper concentration in the vicinity of the copper layer of the circuit layer or metal layer increases, the melting point decreases, and the bonding interface in the eutectic region of aluminum and copper A metal liquid phase is formed. If the temperature is kept constant in a state in which this metal liquid phase is formed, the metal liquid phase reacts with the ceramic substrate or the heat sink, and copper further diffuses into the aluminum. The copper concentration gradually decreases, the melting point increases, and solidification proceeds with the temperature kept constant. As a result, a strong bond between the circuit layer or metal layer and the ceramic substrate or between the metal layer and the heat sink can be obtained.
さらに、上記実施形態では、ヒートシンクとパワーモジュール用基板の接合を、Al‐Si系ろう材を用いて接合したが、Al‐Si‐Mg系ろう材を用いて接合することもできる。この場合、真空雰囲気で接合を行う必要がなく、窒素等の不活性雰囲気下でろう付けを行うことができ、簡便にヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合することができる。 Furthermore, in the above-described embodiment, the heat sink and the power module substrate are joined using the Al—Si brazing material, but may be joined using an Al—Si—Mg brazing material. In this case, it is not necessary to perform bonding in a vacuum atmosphere, brazing can be performed in an inert atmosphere such as nitrogen, and the heat sink and the power module substrate can be simply bonded.
10 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
12 回路層
13 金属層
20 電子部品
21 はんだ接合層
30 ヒートシンク
30a 接合面
100 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
110 加圧板
110a 凹面
110b 凸面
111 支柱
112 治具
113 ナット
114 天板
115 付勢手段
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