JP6287216B2 - Manufacturing method of power module substrate with heat sink - 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の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.
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アルミニウム板等の回路層が接合されるとともに、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板等の放熱層を介してアルミニウム系のヒートシンクが接合された構成のものが知られている。 As a power module substrate with a heat sink, a circuit layer such as an aluminum plate is bonded to one surface of a ceramic substrate serving as an insulating layer, and an aluminum-based material is connected to the other surface of the ceramic substrate via a heat dissipation layer such as an aluminum plate. The thing of the structure where the heat sink was joined is known.
この種のパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板に回路層等をろう付けで接合することにより製造されるが、その際、各部材の熱伸縮差により反りが生じるという問題がある。
そこで、特許文献1には、パワーモジュール用基板の反り量を緩和するために、ろう材を介して各部材を積層した積層体を形成し、その積層体を、回路層用金属板同士または放熱層用金属板同士がクッションシートを介して隣接するように複数積み重ねた状態とし、その状態で積層方向に加圧しながら加熱することにより、ろう付け接合することが提案されている。この場合、反りを生じさせる応力の方向が隣接する積層体間で逆向きとなり、その逆向きの応力が相互に干渉しあうことで一部相殺され、反りの量を小さくできることが記載されている。
This type of power module substrate is manufactured by joining a circuit layer or the like to a ceramic substrate by brazing, but at this time, there is a problem that warpage occurs due to a difference in thermal expansion and contraction of each member.
Therefore, in
特許文献1に記載されたパワーモジュール用基板にヒートシンクをろう付けによって接合すると、高温で接合するため、得られるヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りが大きくなる。
When the heat sink is joined to the power module substrate described in
一方、放熱性能を向上させるために、緩衝効果を有する放熱層を介さずにセラミックス基板とヒートシンクとを直接接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が用いられるようになってきている。
このセラミックス基板をヒートシンクに直接接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、放熱層による緩衝効果が得られないために、接合時の反りが大きくなりやすくなる結果、セラミックス基板に割れを生じさせることがあった。また、セラミックス基板とヒートシンクとを直接接合する構成おいては、特許文献1に記載されるような方法を用いても、セラミックス基板の割れの発生を完全に防止することができなった。
On the other hand, in order to improve the heat dissipation performance, a power module substrate with a heat sink in which a ceramic substrate and a heat sink are directly bonded without using a heat dissipation layer having a buffering effect has been used.
In a power module substrate with a heat sink in which this ceramic substrate is directly bonded to the heat sink, since the buffering effect by the heat dissipation layer cannot be obtained, the warping at the time of bonding tends to be large, resulting in cracks in the ceramic substrate. there were. Further, in the configuration in which the ceramic substrate and the heat sink are directly bonded, it is impossible to completely prevent the ceramic substrate from cracking even if a method as described in
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の製造時に生じる反りを低減でき、セラミックス基板の割れ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。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a power module substrate with a heat sink that can reduce warpage that occurs during the manufacture of a power module substrate with a heat sink and can prevent the occurrence of cracks in the ceramic substrate. The purpose is to provide.
本発明は、セラミックス基板の一方の面に該セラミックス基板より平面積の大きいヒートシンクが配設され、他方の面に回路層が配設され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、前記セラミックス基板の両面にそれぞれAl−Si系、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系及びAl−Mn系のいずれか(Al−Cu−Mg系を除く)のろう材を介在させて回路層及びヒートシンクを積層してなる積層体を形成し、複数組の前記積層体を積み重ねた状態で積層方向に加圧しながら加熱することにより、前記セラミックス基板と前記回路層及び前記ヒートシンクとをろう付けするろう付け工程を有し、前記ろう付け工程において、前記積層体は、前記回路層の表面同士が対向するように積み重ねられ、前記ヒートシンクの背面に、該ヒートシンクよりも高い曲げ剛性を有する補強板が積層された状態で加圧され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 a heat sink having a larger area than the ceramic substrate is disposed on one surface of the ceramic substrate, and a circuit layer is disposed on the other surface, Al—Si, Al—Ge, Al—Cu, Al—Mg, and Al—Mn brazing materials (excluding Al—Cu—Mg) are interposed on both sides of the ceramic substrate. A laminated body formed by laminating a circuit layer and a heat sink is formed, and the ceramic substrate, the circuit layer, and the heat sink are brazed by heating while pressing in the laminating direction in a state where a plurality of the laminated bodies are stacked. has a brazing step of attaching, in the brazing step, the laminate surfaces on each of the circuit layers are stacked so as to face said Hitoshi The back of the click, the reinforcing plate having a higher flexural rigidity than the heat sink, characterized in that the pressurized while being stacked.
ヒートシンク上にセラミックス基板が直接接合された構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、セラミックス基板よりもヒートシンクの平面積が大きくなっている。なお、セラミックス基板上に配設される回路層は、厚みが薄く、純アルミニウム等の曲げ剛性の低い材料により形成されることから、ヒートシンク及びセラミックス基板の反りに追従する。
このため、ろう付け工程において、セラミックス基板とヒートシンクとが接合された状態で冷却されると、その熱伸縮差により回路層側を凸として反りが生じやすくなる。また、セラミックス基板よりヒートシンクの平面積が大きく、セラミックス基板の周縁よりもヒートシンクが張り出しているので、セラミックス基板の周縁部に応力が集中しやすく、周縁部でのセラミックス基板の割れが生じやすくなる。
In a power module substrate with a heat sink having a structure in which a ceramic substrate is directly bonded on a heat sink, the plane area of the heat sink is larger than that of the ceramic substrate. Since the circuit layer disposed on the ceramic substrate is formed of a material having a small thickness and low bending rigidity such as pure aluminum, the circuit layer follows the warp of the heat sink and the ceramic substrate.
For this reason, in the brazing process, if the ceramic substrate and the heat sink are cooled in a joined state, warpage is likely to occur with the circuit layer side being convex due to the difference in thermal expansion and contraction. Further, since the heat sink has a larger flat area than the ceramic substrate and the heat sink protrudes beyond the peripheral edge of the ceramic substrate, stress tends to concentrate on the peripheral portion of the ceramic substrate, and the ceramic substrate is likely to crack at the peripheral portion.
そこで、反りを低減し、セラミックス基板の割れを防止する方法の一つとして、複数の積層体を同じ姿勢で積み重ねた状態(順積層)で接合する方法が考えられる。しかしながら、順積層で接合した場合、一方の積層体の回路層上に、他方の積層体のヒートシンクが積み重ねられるので、平面積が小さい回路層でヒートシンクが積層方向に押圧されることとなり、この部分に荷重が集中して、より反りを助長する。このため、ヒートシンクよりも靱性が小さいセラミックス基板に割れが生じやすくなっていた。
そこで、本発明においては、ヒートシンクの背面をヒートシンクと同等以上の曲げ剛性を有する補強板により補強することにより、ヒートシンクの背面全体に荷重を均一化させて押圧することとした。これにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に生じる反りを低減させることができ、セラミックス基板の割れを確実に防止することができる。
Therefore, as one method for reducing warpage and preventing cracking of the ceramic substrate, a method of joining a plurality of laminated bodies in a stacked state (in a normal lamination) can be considered. However, when joining by forward lamination, the heat sink of the other laminate is stacked on the circuit layer of one laminate, so that the heat sink is pressed in the lamination direction by a circuit layer with a small plane area. The load concentrates on the surface, further promoting warpage. For this reason, it was easy to produce a crack in the ceramic substrate whose toughness is smaller than a heat sink.
Therefore, in the present invention, the back surface of the heat sink is reinforced by a reinforcing plate having a bending rigidity equal to or higher than that of the heat sink, so that the load is uniformly pressed against the entire back surface of the heat sink. Thereby, the curvature which arises in the board | substrate for power modules with a heat sink can be reduced, and the crack of a ceramic substrate can be prevented reliably.
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の製造時に生じる反りを抑制でき、セラミックス基板の割れの発生を防止することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the curvature which arises at the time of manufacture of the board | substrate for power modules with a heat sink can be suppressed, and generation | occurrence | production of the crack of a ceramic substrate can be prevented.
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。
本発明に係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り製造されるヒートシンク付パワーモジュール用基板1は、図1に示すように、セラミックス基板2と、セラミックス基板2の一方の面に配設されたヒートシンク3と、セラミックス基板2の他方の面に配設された回路層4とを備え、このヒートシンク付パワーモジュール用基板1の回路層4の表面に半導体チップ等の電子部品5が搭載されることにより、パワーモジュール11が製造される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
A
セラミックス基板2は、例えばAl2O3(アルミナ)等の酸化物系セラミックス又はAlN(窒化アルミニウム)やSi3N4(窒化珪素)等の窒化物系セラミックスにより形成される。そして、セラミックス基板2の厚さは0.2mm〜1.5mmの範囲内に設定される。本実施形態では、Al2O3を用い、厚さ0.38mmに設定されている。
また、回路層4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、その厚さは0.2mm〜3.0mmに設定される。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。本実施形態においては、回路層4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0.9mmとされている。
The
The
ヒートシンク3は、アルミニウム合金により形成されており、例えばA1050、A3003、A5052、A6063、A7075合金等のヤング率(縦弾性係数)が70MPa以上の材料を用いることができ、その厚さは1mm以上4mm未満に設定され、セラミックス基板2よりも平面積が大きく形成されている。ここで、ヒートシンク3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。本実施形態においては、ヒートシンク3は、A1050のアルミニウム合金により形成された冷却器とされ、その冷却器の天板部分をセラミックス基板2と接合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1を構成している。なお、冷却器の天板部分の厚さは3mmに設定されている。
The
そして、これらセラミックス基板2と回路層4、及びセラミックス基板2とヒートシンク3とは、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11を構成する電子部品5は、回路層4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51が、そのはんだ接合層を示す。また、電子部品5と回路層4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。
The
次に、第1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方法を説明する。
図2に示すように、セラミックス基板2の他方の面に、回路層4となる4Nアルミニウム板をろう材(不図示)を介して積層するとともに、セラミックス基板2の一方の面に、ヒートシンク3となるアルミニウム合金(A1050)板をろう材(不図示)を介して積層することにより、回路層4、セラミックス基板2、ヒートシンク3を積層してなる積層体10を複数形成する(図2では、積層体10を2つ形成している)。
そして、これら複数組の積層体10を積み重ねた状態で、図2に白抜き矢印で示すように、その積層方向に加圧しながら加熱することにより、セラミックス基板2と4Nアルミニウム板(回路層4)及びアルミニウム合金(A1050)板(ヒートシンク3)とを接合する(ろう付け工程)。
Next, the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink of 1st Embodiment is demonstrated.
As shown in FIG. 2, a 4N aluminum plate serving as a
Then, in a state where these plural sets of laminated
このろう付け工程において、各積層体10の積層方向への加圧は、例えば図2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を用いて行われ、この加圧板110間に各積層体10を積み重ねた状態で載置することにより加圧が行われる。この際、各積層体10を、回路層4同士を対向させて積層するとともに、各積層体10のヒートシンク3の背面に補強板6を重ねた状態として各ヒートシンク3の背面を全面にわたって補強する。また、各積層体10の回路層4の間には、ろう付け時のろう材の染み出しにより互いが接合されることを回避するために、カーボングラファイトシート7が配置される。
In this brazing step, each
なお、補強板6には、耐熱性を有し、ヒートシンク3の曲げ剛性と同等以上の曲げ剛性を有する材料を好適に用いることができる。本実施形態では、補強板6は厚さ20mmの等方性黒鉛材(東海カーボン株式会社製のG347)により形成されており、その特性値は、熱膨張係数が5.5×10−6/K、熱伝導度が116W/mK、ヤング率が10.8GPa、ショア硬度が58HSとされ、厚さ20mmにおけるビッカース硬度は424HVとされる。
For the reinforcing
そして、これら積層体10の回路層4同士を対向させて積層するとともに、各積層体10のヒートシンク3の背面に補強板6を重ねた状態で、その積層方向に0.1MPa以上10MPa以下で加圧しながら、580℃以上660℃以下で加熱することにより、各部材がろう付けされ、ヒートシンク付パワーモジュール用基板1が製造される。
Then, the circuit layers 4 of the
なお、治具112の二枚の加圧板110はステンレス鋼材により形成され、この加圧板110を挟むように、両端に螺子が切られた支柱111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との間に、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、積層体10の積層方向の加圧力は、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。
Note that the two
また、ろう付け工程においては、セラミックス基板2に対してヒートシンク3が大きく熱膨張及び収縮してろう付けされるために、熱応力が生じ、各ヒートシンク付パワーモジュール用基板1には、図5に示すように回路層4側を凸とする反りが生じる。ところが、本実施形態においては、積層体10のヒートシンク3の背面が、その全面にわたって補強板6を介して押圧された状態とされることから、ヒートシンク3の背面全体に荷重を均一化させて押圧することができ、ヒートシンク付パワーモジュール用基板1に生じる反りを低減させることができる。したがって、反りによるセラミックス基板2の割れを確実に防止することができる。
Further, in the brazing process, the
なお、上記第1実施形態においては、補強板6としてカーボン材料(等方性黒鉛材)を用いていたが、補強板6には、ヒートシンク3を構成する板材と同じアルミニウム合金板を用いることもできる。この場合においても、各積層体10のヒートシンク3の背面全体に荷重を均一化させて押圧することが可能であり、ヒートシンク付パワーモジュール用基板1に生じる反りを十分に低減させることができる。
Although the carbon material (isotropic graphite material) is used as the reinforcing
また、上記第1実施形態においては、各積層体10のヒートシンク3を補強板6により補強することとしたが、図3に示す第2実施形態の製造方法のように、2つの積層体10のヒートシンク3同士を対向するように積み重ねることにより、各ヒートシンク3を、互いを補強する補強板として作用させることも可能である。
この図3に示すように、各積層体10を、ヒートシンク3同士を対向させて積層した場合には、各積層体10のヒートシンク3が、対向する同一平面積のヒートシンク3によって互いに押圧されることから、各積層体10のヒートシンク3が互いを補強し合い、各々のヒートシンク3の背面全体に荷重を均一化させて押圧することが可能となる。このため、第1実施形態の製造方法のように、別途の補強板を設けることなく、反りを低減させたヒートシンク付パワーモジュール用基板1を製造することができる。
なお、ヒートシンク3の表面には、窒化ホウ素(BN)を塗布することにより、ヒートシンク同士を接合させることなく、ろう付けを行うことができる。また、その他構成は第1実施形態のものと同様であり、同一符号を付して説明は省略する。
In the first embodiment, the
As shown in FIG. 3, when the
Note that by applying boron nitride (BN) to the surface of the
また、上記第1及び第2実施形態においては、2つの積層体10を積み重ねて、2つのヒートシンク付パワーモジュール用基板1を製造する方法について説明を行ったが、2つ以上の積層体10を積み重ねた状態で、ろう付けを行うこともできる。この場合、各積層体10の回路層4同士又はヒートシンク3同士を対向させて、積層体10を表裏交互に複数積層した状態とし、ヒートシンク3が露出する箇所に補強板6を添えて積層することで、各ヒートシンク付パワーモジュール用基板1の反りを低減し、セラミックス基板2の割れを防止することができる。さらに、複数の積層体を積み重ねてろう付けを行うことにより、複数のヒートシンク付パワーモジュール用基板を一回の接合で製造することができる。
In the first and second embodiments, the method of manufacturing the two
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。
実施例として、図2に示すように各積層体10の回路層4同士を対向させた状態で接合した場合(回路層合わせ)、及び図3に示すように各積層体10のヒートシンク3同士を対向させた状態で接合した場合(ヒートシンク合わせ)のヒートシンク付パワーモジュール用基板の試料を製造した。また、比較例として、図4に示すように各積層体10を同じ姿勢で積み重ねた順積層の状態で接合した場合(順積層)のヒートシンク付パワーモジュール用基板の試料を製造した。
Next, examples and comparative examples performed for confirming the effects of the present invention will be described.
As an example, when the circuit layers 4 of the
また、各試料は、80mm×26mm、厚さ0.9mmの4N‐Alからなる回路層と、84mm×30mm、厚さ0.38mmのAl2O3からなるセラミックス基板と、96mm×42mm、厚さを2〜4mmで変量したA1050アルミニウム合金からなるヒートシンクとを、Al‐Si系ろう材により接合して作製した。また、「回路層合わせ」において使用する補強板は、76.9mm×164mm、厚さ20mmの等方性黒鉛材(東海カーボン株式会社製のG347)により形成した。なお、補強板の曲げ剛性は、ヒートシンクの曲げ剛性よりも十分に大きいものであり、各部材の曲げ剛性は、下記の表1に示すとおりである。また、曲げ剛性は、各材料のヤング率と断面二次モーメントとの積により算出されるものである。 Each sample is composed of a circuit layer made of 4N-Al having a thickness of 80 mm × 26 mm and a thickness of 0.9 mm, a ceramic substrate made of Al 2 O 3 having a thickness of 84 mm × 30 mm and a thickness of 0.38 mm, and a thickness of 96 mm × 42 mm. A heat sink made of an A1050 aluminum alloy having a thickness of 2 to 4 mm was joined by an Al—Si brazing material. Further, the reinforcing plate used in “circuit layer matching” was formed of an isotropic graphite material (G347 manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.) having a thickness of 76.9 mm × 164 mm and a thickness of 20 mm. The bending rigidity of the reinforcing plate is sufficiently larger than the bending rigidity of the heat sink, and the bending rigidity of each member is as shown in Table 1 below. The bending rigidity is calculated by the product of the Young's modulus and the cross-sectional second moment of each material.
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生じた反り量Zをそれぞれ評価した。反り量Zの測定は、図5に示すように、回路層4側に凸状の変形を正の反り量とし、25℃の常温時において、ヒートシンク3の背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測定したものを反り量Zとして評価した。また、超音波探傷装置にてセラミックス基板とヒートシンクの接合界面を測定することで、セラミックス基板の割れの有無を評価した。割れの無かったものを「○」、割れの有ったものを「×」と評価した。
表2に結果を示す。
And the curvature amount Z which arose in the sample of the board | substrate for power modules with these heat sinks was evaluated, respectively. As shown in FIG. 5, the warpage amount Z is measured by setting the convex deformation on the
Table 2 shows the results.
表2からわかるように、実施例1及び実施例2の試料においては、順積層で接合した比較例1の試料と比べて、大幅に反り量Zを小さくすることができた。 As can be seen from Table 2, in the samples of Example 1 and Example 2, the warpage amount Z could be significantly reduced as compared with the sample of Comparative Example 1 joined by forward lamination.
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、銅製の回路層とセラミックス基板とのろう付けには、活性金属ろう材を用いて接合する方法を採用することもできる。例えば、活性金属であるTiを含む活性金属ろう材(Ag‐27.4質量%Cu‐2.0質量%Ti)を用い、銅製の回路層とセラミックス基板との積層体を加圧した状態のまま真空中で加熱し回路層とセラミックス基板とを接合できる。
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, a method of joining using an active metal brazing material may be employed for brazing a copper circuit layer and a ceramic substrate. For example, an active metal brazing material (Ag-27.4 mass% Cu-2.0 mass% Ti) containing Ti, which is an active metal, is used, and a laminate of a copper circuit layer and a ceramic substrate is pressed. The circuit layer and the ceramic substrate can be joined by heating in a vacuum.
1 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
2 セラミックス基板
3 ヒートシンク
4 回路層
5 電子部品
6 補強板
7 カーボングラファイトシート
10 積層体
51 はんだ接合層
110 加圧板
111 支柱
112 治具
113 ナット
114 天板
115 付勢手段
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記セラミックス基板の両面にそれぞれAl−Si系、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系及びAl−Mn系のいずれか(Al−Cu−Mg系を除く)のろう材を介在させて回路層及びヒートシンクを積層してなる積層体を形成し、複数組の前記積層体を積み重ねた状態で積層方向に加圧しながら加熱することにより、前記セラミックス基板と前記回路層及び前記ヒートシンクとをろう付けするろう付け工程を有し、
前記ろう付け工程において、前記積層体は、前記回路層の表面同士が対向するように積み重ねられ、前記ヒートシンクの背面に、該ヒートシンクよりも高い曲げ剛性を有する補強板が積層された状態で加圧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。
A method of manufacturing a power module substrate with a heat sink in which a heat sink having a larger plane area than the ceramic substrate is disposed on one surface of the ceramic substrate, and a circuit layer is disposed on the other surface,
Al—Si, Al—Ge, Al—Cu, Al—Mg, and Al—Mn brazing materials (excluding Al—Cu—Mg) are interposed on both sides of the ceramic substrate. Forming a laminate formed by laminating a circuit layer and a heat sink, and heating the ceramic substrate, the circuit layer, and the heat sink by applying pressure in the laminating direction in a state where a plurality of sets of the laminates are stacked. A brazing process for brazing,
In the brazing step, the laminated body is stacked such that the surfaces of the circuit layers face each other , and a pressure is applied in a state in which a reinforcing plate having higher bending rigidity than the heat sink is laminated on the back surface of the heat sink. A method for producing a power module substrate with a heat sink.
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