JP6331867B2

JP6331867B2 - 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

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Publication number: JP6331867B2
Application number: JP2014166070A
Authority: JP
Inventors: 石塚　博弥; 博弥石塚
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2014-08-18
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2034-08-18
Also published as: JP2016042538A

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。

車載用パワーモジュールには、絶縁層の上にアルミニウム板又は銅板からなる金属層が積層された絶縁基板（パワーモジュール用基板）が用いられる。このパワーモジュール用基板は、その一方の金属層が回路層であり、他方の金属層が放熱層となる。そして、回路層に半導体素子が搭載され、放熱層にヒートシンクが接合されて、パワーモジュールが構成される。

この種のパワーモジュールとして特許文献１及び特許文献２に開示のものがある。これら特許文献開示のパワーモジュールにおいては、ヒートシンクは、板状部の一方の面に多数のフィンが設けられており、その板状部の他方の面が平坦面に形成され、この平坦面が放熱層にグリースを介して取り付けられている。

特開２００６−２５３１８３号公報特開２００８−３００４７６号公報

フィン付ヒートシンクは、多数のフィンを有するため放熱性に優れている。この場合、放熱層への接合面としては、放熱層と重ね合わせたときに隙間が生じないように、板状部の表面を平坦な表面とすることが求められる。また、パワーモジュール用基板からヒートシンクへの熱抵抗を低減し、かつ重量低減の観点から、板状部の薄肉化が求められる。
しかしながら、このヒートシンクを鍛造によって製造する場合には、フィン部分でより多くの材料が必要となるため、フィン部分の板状部表面側に楔形の引け巣が発生され易くなる。板状部が薄い場合には余肉が少なく、鍛造時の材料の通り道が細くなるため、引け巣解消は困難である。特許文献記載のように、フィン付ヒートシンクをそのままグリースや熱伝導シートを用いて放熱層に密着させる場合には、引け巣が熱抵抗の原因となるため、改善が求められる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、フィン付ヒートシンクと金属層との接合信頼性を向上させた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。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板の両面に金属層がそれぞれ接合されているとともに、その一方の金属層にヒートシンクが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、前記ヒートシンクは、鍛造により形成され、板状部の一方の面に複数のフィンが立設されるとともに、前記板状部の他方の面に、複数の凹部が形成されており、前記板状部の前記他方の面が前記金属層にろう材又ははんだ材からなる接合材によって接合され、前記金属層との接合界面における前記板状部の前記凹部内に前記接合材の一部が充填されて固化しており、前記凹部は各フィンの背面部に形成されている。

このヒートシンク付パワーモジュール用基板では、金属層との接合界面におけるヒートシンクの板状部の凹部内に、これら金属層とヒートシンクとを接合する接合材の一部が充填されて固化されているので、接合に寄与する面積が凹部内面積の分、大きくなるとともに、凹部内の接合材によるアンカー効果も伴って、ヒートシンクと金属層とがより強固に接合される。また、凹部内が接合材により埋められるので、パワーモジュール用基板からヒートシンクへの熱抵抗も低減することができる。
また、前記ヒートシンクは鍛造により形成され、前記凹部は各フィンの背面部に形成されている。

また、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、セラミックス基板の両面に金属層をそれぞれ接合してパワーモジュール用基板を形成した後、該パワーモジュール用基板の一方の金属層にヒートシンク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方法であって、前記ヒートシンクを、板状部の一方の面に複数のフィンが立設されるとともに、前記板状部の他方の面における各フィンの背面部に複数の凹部が形成された形状に鍛造により形成しておき、前記ヒートシンクの前記板状部を前記一方の金属層に重ねてろう材又ははんだ材からなる接合材を用いて接合することにより、前記板状部と前記一方の金属層との接合界面の前記凹部内に前記接合材を充填して固化させる方法である。

この場合、前記ヒートシンクの鍛造時に材料を流動させて前記凹部を形成するとよい。
凹部を含めたヒートシンクの全体容積を埋めるに足りる量よりも少ない体積の材料を用いて鍛造することにより、フィンの背部に容易に凹部を形成することができる。

本発明によれば、金属層との接合界面におけるヒートシンクの板状部の凹部内に接合材の一部が充填されて固化されているので、接合に寄与する面積が大きくなるとともに、凹部内の接合材によるアンカー効果も伴って、ヒートシンクと金属層とがより強固に接合され、ヒートシンクと金属層との接合信頼性が向上し、また、パワーモジュール用基板からヒートシンクへの熱抵抗も低減することができる。

本発明の一実施形態の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冷却器に取り付けた状態を示す断面図である。ヒートシンクにおける凹部の拡大断面図である。パワーモジュール用基板をヒートシンクに重ね合わせる工程を示す断面図である。パワーモジュール用基板とヒートシンクとを重ね合わせてクッションシートに挟持した状態を示す断面図である。セラミックス基板の両面に金属層を重ね合わせた積層体を複数組積み重ねて接合治具に取り付けた状態を示す断面図である。

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。
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１１の一方の面に、回路層となるアルミニウム板、銅板等の金属層１２が厚さ方向に積層され、セラミックス基板１１の他方の面に放熱層となるアルミニウム板等の金属層１３が厚さ方向に積層され、これらがろう材等によって接合されており、放熱層としての金属層１３にヒートシンク２０が接合されている。セラミックス基板１１の両面に金属層１２，１３が接合されたものをパワーモジュール用基板１０と称す。
そして、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１は、回路層としての金属層１２の表面にはんだ付けによりＩＧＢＴなどの半導体素子１５が搭載され、この半導体素子１５を覆うようにモールド樹脂１６により一体に封止されることにより、パワーモジュール３０が構成される。図１において符号１７は、半導体素子１５に接続された外部接続用リードである。
また、この図１は、パワーモジュール３０が冷却器４０に取り付けられており、その際にヒートシンク２０の周縁部が冷却器４０の表面にねじ止め等によって固定される。

セラミックス基板１１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等により、例えば０．２５ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さに形成される。また、回路層となる金属層１２は無酸素銅やタフピッチ銅等の純銅又は銅合金、純度９９．００％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金により、例えば０．１ｍｍ〜１０ｍｍの厚さの板状に形成される。放熱層となる金属層１３は、純度９９．００％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金により、例えば０．１ｍｍ〜１０ｍｍの厚さの板状に形成される。
本実施形態のパワーモジュール用基板１０の好ましい組合せ例としては、例えばセラミックス基板１１が厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ、金属層（回路層）１２が厚み０．３ｍｍの４Ｎ−アルミニウム板、金属層（放熱層）１３が厚み１．６ｍｍの４Ｎ−アルミニウム板で構成される。金属層（回路層）１２を厚み０．３ｍｍの純銅板で構成することもできる。

これらセラミックス基板１１、金属層１２，１３の接合材としては、金属層１２，１３がアルミニウム板の場合は、セラミックス基板１１とアルミニウム板との接合にＡｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材が用いられ、金属層１２が銅板の場合は、セラミックス基板１１と銅板との接合にＡｇ−Ｔｉ系又はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の活性金属ろう材、例えばＡｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉのろう材が用いられる。

ヒートシンク２０は、板状部２１の一方の面に複数のピン状のフィン２２が立設されるとともに、板状部２１の他方の面に、複数の凹部２３が形成された形状とされている。このヒートシンク２０は、Ａ６０６３等のアルミニウム合金板を鍛造成形することにより形成されており、板状部２１は、この板状部２１が接合されるパワーモジュール用基板１０の金属層（放熱層）１３よりも広い面積に形成され、この板状部２１の周縁部を除く中央部分に多数のフィン２２が形成されている。このフィン２２の形成領域も、金属層１３より広い面積に設けられる。これらフィン２２は、板状部２１の面方向と直交する垂直方向に突出して形成され、同じ高さに揃えられている。
例えば、板状部２１の厚さは０．３ｍｍ〜３．０ｍｍ、ピン状のフィン２２は、円柱状であり、直径が０．８ｍｍ〜５．０ｍｍ、高さが１．２ｍｍ〜１８ｍｍであり、１．２ｍｍ〜１０ｍｍのピッチで１６本〜１０００本形成される。

また、ヒートシンク２０は後述するように鍛造成形によって形成されており、板状部２１の背面には、各フィン２２に対応する位置に凹部２３が形成されている。この凹部２３は、ヒートシンク２０を鍛造したときの欠肉現象（引け）により形成することができる。具体的には、凹部２３を含めたヒートシンク２０の全体容積を埋めるに足りる量よりも少ない体積の材料を用いて鍛造することにより、板状部２１の一方の面ではフィン２２が突き出されて形成されるとともに、その反対側の板状部２１の背面部においては材料がフィン２２へと流動することにより、その分が欠肉して凹部２３が形成される。
この凹部２３は、図２に示したように、深さ方向の先端部分が円柱状をなし、これに連なるように浅い部分が開口端に向けて徐々に拡径する円錐状とされた、全体として楔状に形成されている。前者を円柱部分２３ａ、後者を円錐状部分２３ｂと称す。例えば、円柱状部分２３ａの直径ｄ１が０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ、深さｈ１が０．５ｍｍ〜３．５ｍｍ、円錐状部分２３ｂは開口端の直径ｄ２が０．５ｍｍ〜３．５ｍｍ、深さｈ２が０．２ｍｍ〜１．０ｍｍに形成される。後述するように、この凹部２３内にろう材が充填される。この際、開口部付近の円錐状部分２３ｂにはろう材が入り込み易いが、円柱状部分２３ａにはろう材が侵入し難いので、凹部２３の全体積中、円錐状部分２３ｂの体積が６０％以上あるとよい。

そして、パワーモジュール用基板１０の金属層（放熱層）１３に、ヒートシンク２０の板状部２１が接合されており、板状部２１の凹部２３内にろう材の一部が充填されて固化された状態で接合されている。これら金属層１３とヒートシンク２０との接合は、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系等のろう材が用いられる。接合材としてはんだを用いることも可能であり、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅ系はんだが好適に用いられる。
金属層１３とヒートシンク２０の板状部２１との接合界面における凹部２３の合計面積（開口面積）は、接合界面の面積の１％以上２０％以下とするとよい。接合界面に対する凹部２３の合計面積がこの範囲であれば、ろう材又ははんだによるアンカー効果を有効に発揮して、強固な接合状態を確保することができる。

また、図１に示すように、モールド樹脂１６は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなり、半導体素子１５を含めてヒートシンク２０の板状部２１の上面までのパワーモジュール用基板１０の全体を封止している。この場合、ヒートシンク２０の板状部２１はパワーモジュール用基板１０の金属層１３よりも大きい面積に形成され、板状部２１の周縁部が金属層１３の外側に張り出している。また、フィン２２の立設領域も金属層１３よりも大きい面積を有しており、このため、フィン２２の背面側に形成される凹部２３が板状部２１の張り出し部２１ａにも露出している。そして、モールド樹脂１６は、板状部２１の周縁部を除き張り出し部の上面まで設けられており、これにより、張り出し部２１ａにおける凹部２３内にモールド樹脂１６が充填された状態で固化されている。

次に、これらセラミックス基板１１、両金属層１２，１３、ヒートシンク２０を接合してヒートシンク付パワーモジュール用基板１を製造し、その後、半導体素子１５を搭載してパワーモジュール３０を製造する方法について説明する。

＜パワーモジュール用基板製造工程＞
まず、セラミックス基板１１と両金属層１２，１３とを接合してパワーモジュール用基板１０を製造する。
両金属層１２，１３ともアルミニウム板からなる場合は、セラミックス基板１１の両面にＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を介在させた状態で金属層１２，１３を積層し、この積層体５０を図５に示すような加圧治具１１０によって積層方向に例えば０．３ＭＰａ〜１．０ＭＰａで加圧した状態とする。
この加圧治具１１０は、図５に示すように、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備え、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体５０がカーボングラファイト等からなる板状のクッションシート１１６の間に挟んだ状態として複数組積み重ねられた状態で配設される。

そして、この加圧治具１１０により積層体５０を加圧した状態で、加圧治具１１０ごと加熱炉（図示略）内に設置し、真空雰囲気中で６３０℃以上６５５℃以下の温度で１分〜６０分加熱することによりセラミックス基板１１と金属層１２，１３とをろう付けする。
回路層となる金属層１２が銅板からなる場合は、まず金属層１２とセラミックス基板１１とを同様の加圧治具により加圧した状態で真空雰囲気中で８００℃以上９３０℃以下の温度で１分〜６０分加熱することによりろう付けする。この接合は、活性金属ろう材を用いた接合となり、ろう材中の活性金属であるＴｉがセラミックス基板１１に優先的に拡散して、セラミックス基板１１が窒化物の場合にはＴｉＮを形成し、Ａｇ−Ｃｕ合金を介して銅板からなる金属層１２とセラミックス基板１１とを接合する。
次いで、これらの接合体におけるセラミックス基板１１の反対面に、アルミニウム板からなる金属層１３を同様の加圧治具を用いて接合する。

＜ヒートシンク接合工程＞
ヒートシンク２０は前述したように鍛造により成形しておく。そして、パワーモジュール用基板１０の金属層（放熱層）１３とヒートシンク２０の板状部２１とろう材を介して重ね合わせる。このとき、ヒートシンク２０の凹部２３が上方を向くように配置する。
そして、図４に示すようにパワーモジュール用基板１０の回路層１２の上面とフィンの先端との間をクッションシート１１６Ａ，１１６Ｂにより挟んだ状態として、前述と同様の加圧治具により０．０５ＭＰａ〜１．０ＭＰａで加圧し、加圧治具ごと加熱炉内に設置し、例えば窒素等の非酸化性雰囲気、又は真空雰囲気中で５８０℃以上６５０℃以下の温度で１分〜６０分加熱することによりヒートシンク２０の板状部２１とパワーモジュール用基板１０の金属層１３とをろう付けする。
はんだ材を用いる場合は、窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気、又は水素３体積％以下で残部が窒素又はアルゴンガスである還元性雰囲気中で２５０℃以上３２０℃以下の温度で１分〜６０分加熱する。
このとき、ヒートシンク２０の凹部２３内に溶融ろう材又は溶融はんだ材が入り込んで固化される。以下では、これらろう材又ははんだ材を接合材と称す。

このようにして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３に示すように、ヒートシンク２０の板状部２１に形成されていた凹部２３内に接合材２５が充填されて固化されているので、接合に寄与する面積が、凹部２３内面に接合材２５が接触している面積の分、大きくなるとともに、凹部２３内の接合材２５によるアンカー効果も伴って、ヒートシンク２０と金属層１３とがより強固に接合される。また、凹部２３内が接合材２５により埋められるので、パワーモジュール用基板１０からヒートシンク２０への熱抵抗も低減することができる。
前述したように、凹部２３は円錐状部分と円柱状部分とにより構成され、その円柱状部分は先端が細くなっているため、その先端部において接合材が充填されない部分が生じる場合があるが、その場合でも、凹部２３の体積の６０％以上が充填されていることが望ましい。

＜パワーモジュール製造工程＞
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１の金属層（回路層）１２に、半導体素子１５をはんだ付けし、リード１７を取り付けた後、ヒートシンク２０の板状部２１の上方部分をモールド樹脂１６によって封止する。これにより、半導体素子１５を含めてヒートシンク２０の板状部２１の上面までのパワーモジュール用基板１０の全体がモールド樹脂１６により封止される。パワーモジュール用基板１０の全体がモールド樹脂１６により封止されることにより、セラミックス基板１１に割れ等が発生しにくくなる。
また、ヒートシンク２０の板状部２１が金属層１３より張り出しており、その張り出し部２１ａにおける凹部２３内にモールド樹脂１６が入り込むので、そのアンカー効果により、モールド樹脂１６がヒートシンク２０に強固に固着され、剥離しにくくなる。

次に、本発明の効果を確認するために行った確認実験について説明する。
セラミックス基板として４０ｍｍ四方の矩形状で、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム板と、金属層として３７ｍｍ四方の矩形状で厚さ０．６ｍｍの純度９９．９９％以上（４Ｎ）アルミニウム板とを用いてＡｌ−Ｓｉ系ろう材により接合してパワーモジュール用基板を作製した。
また、ヒートシンクとして、厚さ１３ｍｍのＡ６０６３アルミニウム板を鍛造加工して、厚さ１ｍｍの板状部の片面に、直径３ｍｍ、高さ９ｍｍのピン状フィンを６ｍｍピッチで縦列させた列を５ｍｍピッチで千鳥状に並べて形成した。このとき、鍛造型を半密閉型とし、余肉部分をばり状に周囲に逃がすようにして成形することで、ピン状フィンの背面側に凹部を形成した。凹部の断面を複数測定したところ、その平均で、円錐状部分の開口端の直径が１．４ｍｍ、深さが０．６ｍｍ、円柱状部分の直径が０．４ｍｍ、深さが１．４ｍｍであった。比較例として凹部を有しないものも作製した。

次いで、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅ系はんだ及びＡｌ−Ｓｉ系ろう材のいずれかの接合材を用いて、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクの板状部とを接合した。
接合条件としては、はんだ接合の場合は、水素３体積％で残部が窒素の雰囲気中に、３００℃の温度に加熱した。なお、はんだボイド低減及び凹部へのはんだ充填のために、加熱中に炉内を真空引きした後、常圧に戻す操作を行った。
ろう付けの場合は、真空雰囲気中で０．３ＭＰａの荷重をかけ、６００℃の温度に加熱した。
なお、はんだ接合の場合は、金属層及びヒートシンクとも事前に表面にＮｉめっきを施した。

（冷熱サイクル前後における接合率及び熱抵抗の測定）
得られたヒートシンク付パワーモジュール基板を−４０℃×５分保持した後に昇温して１２５℃×５分保持するというサイクルを１０００サイクル繰り返し、金属層とヒートシンクとの接合界面を超音波深傷により撮影し、その撮影像から接合率（接合率％＝（接合面積−剥離面積）／接合面積×１００）を測定した。接合面積は、接合前における接合すべき面積、すなわち金属層の面積とした。
熱抵抗は、次のようにして測定した。まず、得られたヒートシンク付パワーモジュール基板に半導体素子としてヒータチップを接合し、冷却器に固定した。そして、１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、冷却器を流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
その結果は表１に示す通りであった。

この表１から明らかなように、凹部を有するヒートシンクの場合、冷熱サイクル後において、はんだ接合では９５％（実施例１）、ろう付けによる接合の場合で９８％（実施例２）もの高い接合率が得られており、長期的な接合信頼性が高いことがわかる。また、熱抵抗についても、凹部を有するヒートシンクの場合、冷熱サイクル後にほとんど変化がなかった。

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。
実施形態では、ヒートシンクの板状部における凹部を鍛造成形時の材料の流動により形成したが、この板状部に接する鍛造金型の表面に、ピンを突出させておき、そのピンを板状部に食い込ませることにより凹部を形成してもよい。また、鍛造時に形成するものに限らず、例えば、鋳造によってヒートシンク２０を製造し、板状部にドリル等によって加工して凹部を形成してもよい。
また、本実施形態では、フィン２２の形状としてピン状としたが、これに限らず、円錐状、板状など種々の形状のものを用いることが可能である。

１ヒートシンク付パワーモジュール用基板
５空洞部
１０パワーモジュール用基板
１１セラミックス基板
１２金属層（回路層）
１３金属層（放熱層）
１５半導体素子
１６モールド樹脂
１７リード
２０ヒートシンク
２１板状部
２１ａ張り出し部
２２フィン
２３凹部
２５接合材
３０パワーモジュール
４０冷却器

Claims

セラミックス基板の両面に金属層がそれぞれ接合されているとともに、その一方の金属層にヒートシンクが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、前記ヒートシンクは、鍛造により形成され、板状部の一方の面に複数のフィンが立設されるとともに、前記板状部の他方の面に、複数の凹部が形成されており、前記板状部の前記他方の面が前記金属層にろう材又ははんだ材からなる接合材によって接合され、前記金属層との接合界面における前記板状部の前記凹部内に前記接合材の一部が充填されて固化しており、前記凹部は各フィンの背面部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。
セラミックス基板の両面に金属層をそれぞれ接合してパワーモジュール用基板を形成した後、該パワーモジュール用基板の一方の金属層にヒートシンク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方法であって、前記ヒートシンクを、板状部の一方の面に複数のフィンが立設されるとともに、前記板状部の他方の面における各フィンの背面部に複数の凹部が形成された形状に鍛造により形成しておき、前記ヒートシンクの前記板状部を前記一方の金属層に重ねてろう材又ははんだ材からなる接合材を用いて接合することにより、前記板状部と前記一方の金属層との接合界面の前記凹部内に前記接合材を充填して固化させ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。
前記ヒートシンクの鍛造時に材料を流動させて前記凹部を形成することを特徴とする請求項２記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。