JP6435945B2 - Power module board 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きパワーモジュール用基板に関する。   The present invention relates to a power module substrate with a heat sink used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.

パワーモジュールには、一般に、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板の一方の面に回路層を形成する金属板が接合されるとともに、他方の面に放熱層を形成する金属板を介して放熱板（ヒートシンク）が接合されたヒートシンク付きパワーモジュール用基板が用いられ、このヒートシンク付きパワーモジュール用基板の回路層上にはんだ材を介してパワー素子等の半導体チップが搭載され、パワーモジュールが製造される。   In general, a power module is bonded to a metal plate that forms a circuit layer on one surface of a ceramic substrate such as aluminum nitride, and a heat radiating plate (via a metal plate that forms a heat radiating layer on the other surface). A power module substrate with a heat sink to which a heat sink is bonded is used, and a semiconductor chip such as a power element is mounted on a circuit layer of the power module substrate with a heat sink via a solder material to manufacture a power module.

例えば特許文献１には、ヒートシンクの天板部に、放熱層（金属層）の少なくとも一部が収容される収容凹部が形成され、放熱層の表面と収容凹部の底面とが接合されており、放熱層が天板部よりも変形抵抗の小さい金属で構成されたヒートシンク付きパワーモジュール用基板が提案されている。この特許文献１に記載のヒートシンク付きパワーモジュール用基板においては、放熱層の表面と収容凹部の底面とが接合されているので、絶縁基板の他方側に配置される放熱層及びヒートシンクの天板部の厚みを薄くすることができ、熱サイクルによる熱応力を低減できることが記載されている。また、絶縁基板とヒートシンクの天板部との間に位置する放熱層が、天板部よりも変形抵抗の小さい金属で構成されているので、ヒートシンクの天板部と放熱層とを接合する２次接合において熱応力が作用する場合に変形抵抗の小さな放熱層が変形することによって天板部の変形を抑えされることが記載されている。さらに、天板部が変形抵抗の大きな金属で構成されるので、ヒートシンク自体の剛性を確保することができることが記載されている。   For example, in Patent Document 1, an accommodation recess in which at least a part of the heat dissipation layer (metal layer) is accommodated is formed in the top plate portion of the heat sink, and the surface of the heat dissipation layer and the bottom surface of the accommodation recess are joined. There has been proposed a power module substrate with a heat sink in which a heat dissipation layer is made of a metal having a deformation resistance smaller than that of the top plate. In the power module substrate with a heat sink described in Patent Document 1, since the surface of the heat dissipation layer and the bottom surface of the housing recess are joined, the heat dissipation layer disposed on the other side of the insulating substrate and the top plate of the heat sink It is described that the thickness of the film can be reduced and the thermal stress due to the thermal cycle can be reduced. Further, since the heat dissipation layer located between the insulating substrate and the top plate portion of the heat sink is made of a metal having a lower deformation resistance than the top plate portion, the heat sink top plate portion and the heat dissipation layer are joined 2. It is described that the deformation of the top plate portion can be suppressed by deformation of the heat dissipation layer having a small deformation resistance when thermal stress is applied in the next bonding. Further, it is described that the rigidity of the heat sink itself can be ensured because the top plate portion is made of a metal having a large deformation resistance.

特開２００８‐２７７６５４号公報JP 2008-277654 A

ところが、特許文献１に記載のヒートシンク付きパワーモジュール用基板のように、ヒートシンクの天板部に収容凹部を形成した場合には、放熱層の直下、すなわちセラミックス基板の直下のヒートシンクが薄く形成されるが、収容凹部よりも外周側の周縁部は厚く形成されていることから、その周縁部の剛性によって変形抵抗が大きくなり、使用時にセラミックス基板に負荷がかかることでセラミックス基板に割れを生じさせるおそれがある。   However, as in the case of the power module substrate with a heat sink described in Patent Document 1, when the housing recess is formed in the top plate portion of the heat sink, the heat sink directly below the heat dissipation layer, that is, directly below the ceramic substrate is formed thin. However, since the peripheral edge on the outer peripheral side is thicker than the housing recess, deformation resistance increases due to the rigidity of the peripheral edge, and a load is applied to the ceramic substrate during use, which may cause cracks in the ceramic substrate. There is.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、使用時においてもセラミックス基板にかかる負荷を低減させることができ、セラミックス基板に割れが生じない、接合信頼性の高いヒートシンク付き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 can reduce the load applied to the ceramic substrate even in use, and the ceramic substrate is not cracked. An object is to provide a substrate.

本発明のヒートシンク付きパワーモジュール用基板は、
セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、前記セラミックス基板の他方の面に放熱層を介してヒートシンクが接合されてなり、
前記ヒートシンクの天板部には、前記放熱層の少なくとも一部が収容される収容凹部が形成され、
該収容凹部の底面には、前記放熱層の表面の周縁部に沿って凹溝部が形成されており、
前記放熱層の表面の前記周縁部が前記凹溝部の幅の途中位置まで突出して設けられ、該周縁部を除く内側部分と前記収容凹部の底面の前記凹溝部で囲まれた台座部の表面とが接合されており、
前記回路層は、前記セラミックス基板に接合された第一金属層と、該第一金属層よりも平面サイズが小さく形成され前記セラミックス基板とは反対の面の中央部に接合された第二金属層とを有し、
前記放熱層は、前記第一金属層と同一の材料により同一の平面サイズに形成され、
前記天板部は、前記第二金属層と同一の材料により形成され、前記台座部の表面が前記第二金属層と同一の平面サイズに形成されている。 The substrate for a power module with a heat sink of the present invention,
A circuit layer is bonded to one surface of the ceramic substrate, and a heat sink is bonded to the other surface of the ceramic substrate via a heat dissipation layer,
The top plate portion of the heat sink is formed with an accommodation recess for accommodating at least a part of the heat dissipation layer,
On the bottom surface of the housing recess, a recessed groove is formed along the peripheral edge of the surface of the heat dissipation layer,
The peripheral edge of the surface of the heat dissipation layer is provided so as to protrude to a middle position of the width of the concave groove, and the inner portion excluding the peripheral edge and the surface of the pedestal surrounded by the concave groove on the bottom surface of the housing recess, Are joined ,
The circuit layer includes a first metal layer bonded to the ceramic substrate and a second metal layer formed in a plane size smaller than the first metal layer and bonded to a central portion of the surface opposite to the ceramic substrate. And
The heat dissipation layer is formed in the same plane size with the same material as the first metal layer,
The top plate portion is formed of the same material as the second metal layer, and the surface of the pedestal portion is formed in the same plane size as the second metal layer.

収容凹部の底面に凹溝部を形成したので、加熱時等において、その凹溝部の外周側の剛性の高い部分（天板部の周縁部分）によって、内側の台座部が受ける影響を低減することができる。これにより、加熱時等における台座部の変形抵抗を小さくできるので、セラミックス基板にかかる熱応力を低減させることができ、セラミックス基板に割れが生じることを防ぐことができる。また、放熱層の周縁部を凹溝部の幅の途中位置まで突出させ、その突出させた周縁部を除く内側部分を台座部に接合することにより、確実にセラミックス基板にかかる熱応力を低減することができる。
したがって、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合後の初期反りのみならず、使用環境においてもセラミックス基板の反りを低減することができ、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の接合信頼性を高めることができる。 Since the concave groove portion is formed on the bottom surface of the housing concave portion, it is possible to reduce the influence of the inner pedestal portion due to the highly rigid portion (periphery portion of the top plate portion) on the outer peripheral side of the concave groove portion during heating or the like. it can. Thereby, since the deformation resistance of the pedestal portion during heating or the like can be reduced, the thermal stress applied to the ceramic substrate can be reduced, and the ceramic substrate can be prevented from being cracked. Further, the thermal stress applied to the ceramic substrate can be reliably reduced by projecting the peripheral portion of the heat dissipation layer to the middle position of the width of the concave groove portion and joining the inner portion excluding the projected peripheral portion to the pedestal portion. Can do.
Therefore, not only the initial warping after joining the power module substrate and the heat sink, but also the warpage of the ceramic substrate can be reduced in the usage environment, and the joining reliability of the power module substrate with the heat sink can be improved.

また、回路層を第一金属層と第二金属層との積層構造とし、放熱層と第一金属層及びヒートシンクの天板部と第二金属層によりセラミックス基板を中心として対称構造が形成されるので、加熱時等にセラミックス基板の両面に作用する応力に偏りが生じにくく、反りが発生しにくくなる。したがって、加熱時等にセラミックス基板にかかる熱応力を低減させることができ、割れが生じることを防ぐことができ、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合後の初期反りのみならず、使用環境においてもセラミックス基板の反りを低減することができ、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の接合信頼性を高めることができる。Also, the circuit layer is a laminated structure of the first metal layer and the second metal layer, and a symmetric structure is formed around the ceramic substrate by the heat dissipation layer, the first metal layer, the top plate portion of the heat sink and the second metal layer. Therefore, the stress acting on both surfaces of the ceramic substrate during heating or the like is less likely to be biased, and warping is less likely to occur. Therefore, it is possible to reduce the thermal stress applied to the ceramic substrate at the time of heating, etc., to prevent the occurrence of cracks, and not only in the initial warping after joining the power module substrate and the heat sink, but also in the usage environment The warpage of the ceramic substrate can be reduced, and the bonding reliability of the power module substrate with a heat sink can be increased.

本発明によれば、使用環境においてもセラミックス基板にかかる熱応力を低減させることができ、セラミックス基板に割れが生じないヒートシンク付きパワーモジュール用基板を提供することができる。さらに、セラミックス基板を中心として対称構造が形成されることによって、ヒートシンクとの接合後の初期反りのみならず、使用環境においてもセラミックス基板の反りを低減することができ、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の接合信頼性を高めることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the thermal stress concerning a ceramic substrate can be reduced also in a use environment, and the board | substrate for power modules with a heat sink which does not produce a crack in a ceramic substrate can be provided. Furthermore, since the symmetrical structure is formed around the ceramic substrate, not only the initial warpage after joining to the heat sink but also the warpage of the ceramic substrate can be reduced in the usage environment. Bonding reliability can be improved.

本発明のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の第１実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 1st Embodiment of the board | substrate for power modules with a heat sink of this invention. 図１に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの断面図である。It is sectional drawing of the power module using the board | substrate for power modules with a heat sink shown in FIG. 図１に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法を工程毎に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink shown in FIG. 本発明の第２実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the board | substrate for power modules with a heat sink of 2nd Embodiment of this invention. ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の解析モデルを説明する図であり、（ａ）が実施例、（ｂ）が比較例、（ｃ）が従来例を示す。It is a figure explaining the analysis model of the board | substrate for power modules with a heat sink, (a) is an Example, (b) shows a comparative example, (c) shows a prior art example. ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の解析モデルを説明する図であり、（ａ）が実施例、（ｃ）が従来例を示す。It is a figure explaining the analysis model of the board | substrate for power modules with a heat sink, (a) shows an Example, (c) shows a prior art example. ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造に用いる加圧装置の正面図である。It is a front view of the pressurization apparatus used for manufacture of the substrate for power modules with a heat sink.

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１に本発明の第１実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａを示す。また、図２に本発明の第１実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａを用いたパワーモジュール１００示す。このパワーモジュール１００は、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａと、このヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａに接合された半導体素子６０と、外部接続用リードフレーム７０とを備え、半導体素子６０とヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａとが樹脂モールド４０により樹脂封止されたものである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a power module substrate 10A with a heat sink according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a power module 100 using the power module substrate 10A with a heat sink according to the first embodiment of the present invention. The power module 100 includes a power module substrate 10A with a heat sink, a semiconductor element 60 bonded to the power module substrate 10A with a heat sink, and a lead frame 70 for external connection. The substrate 10 </ b> A is sealed with a resin mold 40.

そして、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａは、図１に示すように、ヒートシンクの天板部３０Ａに、パワーモジュール用基板１５が接合されたものである。また、パワーモジュール用基板１５は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面にろう付けにより接合された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面にろう付けにより接合された放熱層１３とを備える。   As shown in FIG. 1, the power module substrate 10A with a heat sink is obtained by bonding the power module substrate 15 to the top plate portion 30A of the heat sink. The power module substrate 15 includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 bonded to one surface of the ceramic substrate 11 by brazing, and a heat dissipation layer 13 bonded to the other surface of the ceramic substrate 11 by brazing. With.

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を用いることができる。また、セラミックス基板１１の厚みは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定することができる。本実施形態においては、セラミックス基板１１はＳｉ３Ｎ４により形成され、その厚みは０．３２ｍｍとされる。 For the ceramic substrate 11, for example, nitride ceramics such as AlN (aluminum nitride) and Si 3 N 4 (silicon nitride), or oxide ceramics such as Al 2 O 3 (alumina) can be used. Moreover, the thickness of the ceramic substrate 11 can be set within a range of 0.2 mm to 1.5 mm. In the present embodiment, the ceramic substrate 11 is made of Si 3 N 4 and has a thickness of 0.32 mm.

回路層１２は、例えば純アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、厚みが０．１ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内に設定される板材を、セラミックス基板１１に接合することにより形成される。本実施形態においては、回路層１２は、純度９９．９９質量％以上で、ＪＩＳ規格では１Ｎ９９（純度９９，９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）の厚み０．６ｍｍのアルミニウム板により形成され、セラミックス基板１１にろう付けされている。   The circuit layer 12 is made of, for example, pure aluminum or an aluminum alloy, and is formed by bonding a plate material whose thickness is set within a range of 0.1 mm to 3.0 mm to the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by an aluminum plate having a purity of 99.99% by mass or more and a JIS standard of 1N99 (purity 99,99% by mass or more: so-called 4N aluminum) having a thickness of 0.6 mm. It is brazed to the substrate 11.

放熱層１３は、回路層１２と同一材料により形成され、また回路層１２と同一（ほぼ同じの意味）の平面サイズ、厚みに形成される。本実施形態においては、放熱層１３は、回路層１２と同一の純度９９．９９質量％以上の厚み０．６ｍｍに形成されたアルミニウム板を、セラミックス基板１１にろう付けすることにより形成される。   The heat dissipation layer 13 is formed of the same material as the circuit layer 12 and has the same planar size and thickness as the circuit layer 12 (substantially the same meaning). In the present embodiment, the heat dissipation layer 13 is formed by brazing an aluminum plate having the same purity as the circuit layer 12 and having a thickness of 0.6 mm or more to a thickness of 0.6 mm to the ceramic substrate 11.

また、このパワーモジュール用基板１５に接合されるヒートシンクは、Ａ３００３系等のアルミニウム合金からなる板材により形成される。そして、放熱層１３に接合されるヒートシンクの天板部３０Ａに、放熱層１３の少なくとも一部が収容される収容凹部３１が形成され、収容凹部３１の外周側に厚肉部分が残されることによりフランジ部３２が形成されている。また、収容凹部３１の底面には、放熱層１３の表面の周縁部１３ａに沿って凹溝部３３Ａが形成され、収容凹部３１の底面において凹溝部３３Ａで囲まれた台座部３４Ａが形成されている。そして、この台座部３４Ａの表面と、放熱層１３の表面の周縁部１３ａを除く内側部分とがろう付けされることにより、パワーモジュール用基板１５とヒートシンクの天板部３０Ａとが接合されている。   The heat sink bonded to the power module substrate 15 is formed of a plate material made of an aluminum alloy such as A3003. And the accommodation recessed part 31 in which at least one part of the thermal radiation layer 13 is accommodated is formed in the top-plate part 30A of the heat sink joined to the thermal radiation layer 13, and a thick part is left on the outer peripheral side of the accommodation concave part 31. A flange portion 32 is formed. Further, a concave groove portion 33A is formed along the peripheral edge portion 13a of the surface of the heat radiation layer 13 on the bottom surface of the housing concave portion 31, and a pedestal portion 34A surrounded by the concave groove portion 33A is formed on the bottom surface of the housing concave portion 31. . Then, the power module substrate 15 and the top plate portion 30A of the heat sink are joined together by brazing the surface of the pedestal portion 34A and the inner portion excluding the peripheral edge portion 13a of the surface of the heat dissipation layer 13. .

また、凹溝部３３Ａは、図１に示すように、放熱層１３の周縁部１３ａの直下に一定の幅Ｗを有して形成されており、放熱層１３の周縁部１３ａよりも内側にかかってその周縁部１３ａよりも外側まで、すなわち放熱層１３の周縁部１３ａに跨って形成されるように幅Ｗを有して形成されている。これにより、放熱層１３の周縁部１３ａが凹溝部３３Ａの幅Ｗの途中位置まで突出して配置され、その周縁部１３ａを除く内側部分と台座部３４Ａの表面とが接合される。   Further, as shown in FIG. 1, the recessed groove portion 33 </ b> A is formed with a certain width W immediately below the peripheral edge portion 13 a of the heat radiating layer 13, and extends inside the peripheral edge portion 13 a of the heat radiating layer 13. It is formed with a width W so as to be formed outside the peripheral edge portion 13 a, that is, across the peripheral edge portion 13 a of the heat radiation layer 13. As a result, the peripheral edge portion 13a of the heat radiation layer 13 is disposed so as to protrude to the middle position of the width W of the concave groove portion 33A, and the inner portion excluding the peripheral edge portion 13a and the surface of the pedestal portion 34A are joined.

このように、天板部３０Ａは、収容凹部３１の底面部分の厚み（厚みｔ１）がフランジ部３２よりも薄く形成され、さらにその収容凹部３１の底面に凹溝部３３Ａを設けて、さらに板厚を薄くした部分（厚みｔ２）が設けられる。本実施形態においては、天板部３０ＡがＡ３００３系アルミニウム合金からなる総厚４．０ｍｍの板材により形成され、フランジ部３２が厚みｔ０が４．０ｍｍ、収容凹部３１の底面の厚みｔ１が１．２ｍｍ、凹溝部３３Ａの厚みｔ２が０．６ｍｍに形成されている。   As described above, the top plate portion 30A is formed such that the thickness (thickness t1) of the bottom surface portion of the housing recess 31 is thinner than the flange portion 32, and further, the recess groove portion 33A is provided on the bottom surface of the housing recess 31 to further increase the plate thickness. A portion (thickness t2) in which is made thinner is provided. In the present embodiment, the top plate portion 30A is formed of a plate material having a total thickness of 4.0 mm made of an A3003 aluminum alloy, the flange portion 32 has a thickness t0 of 4.0 mm, and the bottom t1 of the housing recess 31 has a thickness of t1. The thickness t2 of the recessed groove portion 33A is 2 mm and 0.6 mm.

そして、このヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａを構成するパワーモジュール用基板１５の回路層１２の表面に、図２に示すように半導体素子６０がはんだ付けされ、この半導体素子６０や回路層１２に外部接続用リードフレーム７０が接続される。そして、半導体素子６０とヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａとが樹脂封止されることにより一体化されており、外部接続用リードフレーム７０は、その一部が樹脂モールド４０の外部へと突出するように設けられる。   Then, as shown in FIG. 2, a semiconductor element 60 is soldered to the surface of the circuit layer 12 of the power module substrate 15 constituting the power module substrate 10A with a heat sink, and the semiconductor element 60 and the circuit layer 12 are externally connected. A connecting lead frame 70 is connected. The semiconductor element 60 and the power module substrate 10A with a heat sink are integrated by being sealed with resin, and the external connection lead frame 70 partially protrudes to the outside of the resin mold 40. Is provided.

なお、半導体素子６０は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子が選択される。そして、半導体素子６０を接合するはんだ材は、例えばＳｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされる。
また、外部接続用リードフレーム７０は、例えば銅又は銅合金により形成され、超音波接合やはんだ付け等により接続される。
モールド樹脂４０は、例えばＳｉＯ２フィラー入りのエポキシ系樹脂等を用いることができ、例えばトランスファーモールドにより成形される。 The semiconductor element 60 is an electronic component including a semiconductor, and an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a MOSFET (Metal Oxide Field Transistor Transistor), a FWD (FelDW, etc.), depending on the function required. Various semiconductor elements are selected. The solder material for joining the semiconductor element 60 is, for example, a Sn—Sb, Sn—Ag, Sn—Cu, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material (so-called lead-free solder material). It is said.
The external connection lead frame 70 is formed of, for example, copper or a copper alloy, and is connected by ultrasonic bonding or soldering.
As the mold resin 40, for example, an epoxy resin containing a SiO 2 filler can be used, and the mold resin 40 is formed by, for example, transfer molding.

次に、このように構成されるヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａを製造する方法について一例を説明する。
まず、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２を積層し、他方の面に放熱層１３を積層して、これらを一体に接合する。これらの接合には、Ａｌ‐Ｓｉ系等の合金のろう材（図示略）が用いられ、例えばろう材箔２５を介してセラミックス基板１１と回路層１２及び放熱層１３とをそれぞれ積層し、この積層体を図７に示す加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧した状態とする。 Next, an example of a method for manufacturing the power module substrate with heat sink 10A configured as described above will be described.
First, as shown in FIGS. 3A and 3B, the circuit layer 12 is laminated on one surface of the ceramic substrate 11, the heat radiation layer 13 is laminated on the other surface, and these are integrally joined. For these joining, a brazing material (not shown) made of an alloy such as Al—Si is used. For example, the ceramic substrate 11, the circuit layer 12, and the heat dissipation layer 13 are laminated via a brazing material foil 25. Let the laminated body be the state pressurized by the lamination direction using the pressurization apparatus 110 shown in FIG.

この図７に示す加圧装置１１０は、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とを備えている。
固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されており、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体Ｓが配置される。積層体Ｓの両面には加圧を均一にするためにカーボンシート１１６が配設される。
この加圧装置１１０により加圧した状態で、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設
置し、真空雰囲気下でろう付け温度に加熱してろう付けする。この場合の加圧力としては例えば０．６８ＭＰａ（７ｋｇｆ／ｃｍ２）、加熱温度としては例えば６４０℃とされる。 The pressure device 110 shown in FIG. 7 includes a base plate 111, guide posts 112 that are vertically attached to the four corners of the upper surface of the base plate 111, a fixed plate 113 that is fixed to the upper ends of the guide posts 112, Between the base plate 111 and the fixed plate 113, a pressing plate 114 supported by the guide post 112 so as to be movable up and down, and provided between the fixed plate 113 and the pressing plate 114, the pressing plate 114 is urged downward. And an urging means 115 such as a spring.
The fixed plate 113 and the pressing plate 114 are arranged in parallel to the base plate 111, and the above-described laminate S is arranged between the base plate 111 and the pressing plate 114. Carbon sheets 116 are disposed on both sides of the laminate S to make the pressure uniform.
In a state where the pressure is applied by the pressure device 110, the pressure device 110 and the pressure device 110 are installed in a heating furnace (not shown) and brazed by heating to a brazing temperature in a vacuum atmosphere. In this case, the applied pressure is, for example, 0.68 MPa (7 kgf / cm 2 ), and the heating temperature is, for example, 640 ° C.

そして、図３（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２及び放熱層１３とが接合されたパワーモジュール用基板１５に、ヒートシンクの天板部３０Ａを接合する。まず、パワーモジュール用基板１５の放熱層１３にろう材２６を介してヒートシンクの天板部３０Ａを積層する。そして、これらの積層体を、図７と同様の加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧した状態で、加圧装置１１０ごと真空雰囲気下又は不活性雰囲気下で加熱して、放熱層１３及ヒートシンクの天板部３０Ａをろう付けする。この場合のろう材２６としては、例えば、Ａ３００３系アルミニウム合金からなる芯材の両面にＡｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系のろう材層が形成された両面ろうクラッド材を用いるとよく、この両面ろうクラッド材を用いたフラックスレスろう付け法により、パワーモジュール用基板１５の放熱層１３とヒートシンクの天板部３０Ａとを接合する。この場合、例えば０．００１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下に加圧し、窒素等の不活性雰囲気下で接合温度５５９℃以上６２５℃以下で加熱することにより、放熱層１３と天板部３０Ａとが接合され、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａが得られる。   Then, as shown in FIG. 3B, the top plate portion 30A of the heat sink is joined to the power module substrate 15 to which the ceramic substrate 11, the circuit layer 12, and the heat dissipation layer 13 are joined. First, the heat sink top plate 30 </ b> A is laminated on the heat dissipation layer 13 of the power module substrate 15 via the brazing material 26. Then, these laminated bodies are heated in a vacuum atmosphere or an inert atmosphere together with the pressurizing device 110 in a state where the pressurizing device 110 similar to that in FIG. The top plate portion 30A of the heat sink is brazed. As the brazing material 26 in this case, for example, a double-sided brazing clad material in which an Al—Si—Mg based brazing material layer is formed on both surfaces of a core material made of an A3003 series aluminum alloy may be used. The heat radiation layer 13 of the power module substrate 15 and the top plate portion 30A of the heat sink are joined together by a fluxless brazing method using In this case, for example, pressurizing to 0.001 MPa or more and 0.5 MPa or less, and heating at a joining temperature of 559 ° C. or more and 625 ° C. or less in an inert atmosphere such as nitrogen, the heat dissipation layer 13 and the top plate portion 30A are joined. Thus, a power module substrate 10A with a heat sink is obtained.

そして、このようにして製造されたヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａの回路層１２に、半導体素子６０をはんだ付け（ダイボンド）する。また、この半導体素子６０及び回路層１２に外部接続用リードフレーム７０を超音波接合や、はんだ付け等の方法により接続した後、半導体素子６０と放熱板付パワーモジュール用基板１０Ａとを、樹脂モールド４０によるトランスファーモールド成形により樹脂封止する。   Then, the semiconductor element 60 is soldered (die-bonded) to the circuit layer 12 of the power module substrate 10A with a heat sink manufactured as described above. Further, after the external connection lead frame 70 is connected to the semiconductor element 60 and the circuit layer 12 by a method such as ultrasonic bonding or soldering, the semiconductor element 60 and the power module substrate 10A with a heat sink are connected to the resin mold 40. Resin sealing is performed by transfer molding.

上記のようにして製造される第１実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａでは、ヒートシンクの天板部３０Ａに収容凹部３１を設けるとともに、その収容凹部３１の底面に凹溝部３３Ａを形成したので、加熱時等において、その凹溝部３３Ａの外周側の剛性の高いフランジ部３２によって、内側の台座部３４Ａが受ける影響を低減することができる。これにより、加熱時等における台座部３４Ａの変形抵抗を小さくできるので、セラミックス基板１１にかかる熱応力を低減させることができ、セラミックス基板１１に割れが生じることを防ぐことができる。また、放熱層１３の周縁部１３ａを凹溝部３３Ａの幅Ｗの途中位置まで突出させ、その突出させた周縁部１３ａを除く内側部分を天板部３０Ａの台座部３４Ａに接合することにより、確実にセラミックス基板１１にかかる熱応力を低減することができる。   In the power module substrate with heat sink 10A of the first embodiment manufactured as described above, the housing recess 31 is provided in the top plate portion 30A of the heat sink, and the groove 33A is formed in the bottom surface of the housing recess 31. During heating, the influence of the inner pedestal portion 34A can be reduced by the highly rigid flange portion 32 on the outer peripheral side of the concave groove portion 33A. Thereby, since the deformation resistance of the pedestal portion 34A at the time of heating or the like can be reduced, the thermal stress applied to the ceramic substrate 11 can be reduced, and the ceramic substrate 11 can be prevented from being cracked. Further, the peripheral edge portion 13a of the heat radiation layer 13 is protruded to the middle position of the width W of the concave groove portion 33A, and the inner portion excluding the protruding peripheral edge portion 13a is joined to the pedestal portion 34A of the top plate portion 30A. In addition, the thermal stress applied to the ceramic substrate 11 can be reduced.

図４は、本発明の第２実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０Ａを示している。
この図４に示す第２実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０Ａは、回路層１２が、セラミックス基板１１に接合された第一金属層１７と、この第一金属層１７に接合された第二金属層１８とを有する積層構造とされる。そして、第二金属層１８は、第一金属層１７よりも平面サイズが小さく形成され、第一金属層１７のセラミックス基板１１とは反対の面の中央部に接合される。 FIG. 4 shows a power module substrate 20A with a heat sink according to a second embodiment of the present invention.
In the power module substrate 20A with a heat sink of the second embodiment shown in FIG. 4, the circuit layer 12 is bonded to the ceramic substrate 11 and the second metal layer 17 is bonded to the first metal layer 17. A laminated structure having the metal layer 18 is formed. The second metal layer 18 is formed to have a smaller planar size than the first metal layer 17 and is bonded to the center of the surface of the first metal layer 17 opposite to the ceramic substrate 11.

放熱層１３は、回路層１２の第一金属層１７と同一の材料により同一の平面サイズに形成される。また、ヒートシンクの天板部３０Ａは、第二金属層１８と同一の材料により形成され、台座部３４Ａの表面が第二金属層１８の表面と同一の平面サイズに形成される。
そして、回路層１２の第一金属層１７の厚みと放熱層１３との厚みとが同一の厚みに設定され、回路層１２の第二金属層１８の厚みと天板部３０Ａの台座部３４Ａの厚みとが同一の厚みに設定されており、セラミックス基板１１を中心とした対称構造を構成している。 The heat dissipation layer 13 is formed in the same plane size with the same material as the first metal layer 17 of the circuit layer 12. The top plate portion 30 </ b> A of the heat sink is formed of the same material as the second metal layer 18, and the surface of the pedestal portion 34 </ b> A is formed in the same planar size as the surface of the second metal layer 18.
The thickness of the first metal layer 17 of the circuit layer 12 and the thickness of the heat dissipation layer 13 are set to the same thickness, and the thickness of the second metal layer 18 of the circuit layer 12 and the pedestal portion 34A of the top plate portion 30A. The thickness is set to the same thickness, and a symmetrical structure with the ceramic substrate 11 as the center is formed.

具体的には、セラミックス基板１１はＳｉ３Ｎ４により形成され、その厚みは０．３２ｍｍとされる。回路層１２を構成する第一金属層１７と放熱層１３とは、いずれも純度９９．９９質量％以上で、ＪＩＳ規格では１Ｎ９９（純度９９，９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）の厚み０．６ｍｍのアルミニウム板により形成され、セラミックス基板１１にろう付けされている。また、第二金属層１８は、Ａ３００３系のアルミニウム合金からなる厚み１．２ｍｍの板材により形成される。そして、ヒートシンクの天板部３０Ａは、Ａ３００３系アルミニウム合金からなる総厚４．０ｍｍの板材により形成され、フランジ部３２が厚みｔ０が４．０ｍｍ、収容凹部３１の底面の厚みｔ１が１．２ｍｍ、凹溝部３３Ａの厚みｔ２が０．６ｍｍに形成されている。なお、図４に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０Ａにあっては、フランジ部３２の表面と、回路層１２の表面とがほぼ同じ高さに配置されている。 Specifically, the ceramic substrate 11 is made of Si 3 N 4 and has a thickness of 0.32 mm. The first metal layer 17 and the heat dissipation layer 13 constituting the circuit layer 12 both have a purity of 99.99% by mass or more, and the JIS standard has a thickness of 1N99 (purity 99,99% by mass or more: so-called 4N aluminum). A 6 mm aluminum plate is formed and brazed to the ceramic substrate 11. The second metal layer 18 is formed of a plate material having a thickness of 1.2 mm made of an A3003 aluminum alloy. The top plate portion 30A of the heat sink is formed of a plate material having a total thickness of 4.0 mm made of an A3003 series aluminum alloy, the flange portion 32 has a thickness t0 of 4.0 mm, and the bottom surface thickness t1 of the housing recess 31 has a thickness of 1.2 mm. The thickness t2 of the concave groove portion 33A is formed to be 0.6 mm. In the power module substrate 20A with a heat sink shown in FIG. 4, the surface of the flange portion 32 and the surface of the circuit layer 12 are arranged at substantially the same height.

このように、第２実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０Ａでは、回路層１２を第一金属層１７と第二金属層１８との積層構造とし、放熱層１３と第一金属層１７、及びヒートシンクの天板部３０Ａと第二金属層１８により、セラミックス基板１１を中心として対称構造が形成されるので、加熱時等にセラミックス基板１１の両側に作用する応力に偏りが生じにくく、反り等の変形を発生しにくくすることができる。したがって、各層の積層時における初期反りのみならず、半導体素子の実装工程時や使用環境においても反りの発生を抑制することができ、良好な放熱性を発揮させることができる。   Thus, in the power module substrate with heat sink 20A of the second embodiment, the circuit layer 12 has a laminated structure of the first metal layer 17 and the second metal layer 18, and the heat dissipation layer 13, the first metal layer 17, and Since the top plate portion 30A of the heat sink and the second metal layer 18 form a symmetrical structure with the ceramic substrate 11 as the center, stress acting on both sides of the ceramic substrate 11 during heating or the like is less likely to be biased, and warping, etc. Deformation can be made difficult to occur. Therefore, not only the initial warpage at the time of laminating each layer, but also the occurrence of warpage can be suppressed during the mounting process of the semiconductor element and in the usage environment, and good heat dissipation can be exhibited.

なお、第２実施形態では、回路層１２に使用する金属板の組合せを、第一金属層１７は純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）で、第二金属層１８はＡ３００３系アルミニウム合金とする組合せで使用され、これら第一金属層１７と第二金属層１８に対称となるように、放熱層１３とヒートシンクの天板部３０Ａを、それぞれ第一金属層１７と第二金属層１８と同一の材料により形成していたが、本発明の構成はこの組合せに限定するものではない。例えば、第一金属層１７と放熱層１３とを純度９９．９９質量％以上のアルミニウムにより形成し、第二金属層１８とヒートシンクの天板部３０Ａとを、Ａ６０６３系等の他のアルミニウム合金や、純度９９．９６質量％以上の銅（無酸素銅）、純度９９．９０質量％以上の銅（タフピッチ銅）、三菱伸銅株式会社製のＺＣ合金（Ｃｕ９９．９８質量％−Ｚｒ０．０２質量％）等の金属板により形成し、これらを組合せることとしてもよい。
なお、第二金属層１８とヒートシンクの天板部３０Ａとを、銅又は銅合金で形成した場合には、第一金属層１７と第二金属層１８、放熱層１３とヒートシンクの天板部３０Ａとの接合方法は、固相拡散接合により接合可能である。 In the second embodiment, the combination of the metal plates used for the circuit layer 12 is such that the first metal layer 17 is aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more, and the second metal layer 18 is A3003 series. The heat dissipation layer 13 and the top plate portion 30A of the heat sink are used for the first metal layer 17 and the second metal so that the first metal layer 17 and the second metal layer 18 are symmetrical. Although the layer 18 is formed of the same material, the configuration of the present invention is not limited to this combination. For example, the first metal layer 17 and the heat dissipation layer 13 are made of aluminum having a purity of 99.99% by mass or more, and the second metal layer 18 and the top plate portion 30A of the heat sink are made of other aluminum alloys such as A6063 series, , Copper having a purity of 99.96% by mass or more (oxygen-free copper), copper having a purity of 99.90% by mass or more (tough pitch copper), ZC alloy manufactured by Mitsubishi Shindoh Co., Ltd. (Cu 99.98% by mass-Zr0.02 mass) %) Etc., and these may be combined.
When the second metal layer 18 and the top plate portion 30A of the heat sink are formed of copper or copper alloy, the first metal layer 17, the second metal layer 18, the heat radiation layer 13, and the top plate portion 30A of the heat sink. Can be bonded by solid phase diffusion bonding.

以上のいずれの組合せにおいても、上記の第１実施形態及び第２実施形態で示したように、ヒートシンクの天板部３０Ａに収容凹部３１を形成するとともに、その収容凹部３１の底面に凹溝部３３Ａを形成することで、加熱時等において、その凹溝部３３Ａの外周側の剛性の高いフランジ部３２によって、内側の台座部３４Ａが受ける影響を低減することができる。このため、加熱時等における台座部３４Ａの変形抵抗を小さくでき、セラミックス基板１１にかかる熱応力を低減させることができ、セラミックス基板１１に割れが生じることを防ぐことができる。また、放熱層１３の周縁部１３ａを凹溝部３３Ａの幅Ｗの途中位置まで突出させ、その突出させた周縁部１３ａを除く内側部分を台座部３４Ａに接合することにより、確実にセラミックス基板１１にかかる熱応力を低減することができる。
なお、ヒートシンクとしては、平板状のもの、熱間鍛造等によって多数のピン状フィンを一体に形成したもの、押出し成形によって相互に平行な帯状フィンを一体に形成したもの等、適宜の形状のものを採用することができる。 In any of the above combinations, as shown in the first and second embodiments, the housing recess 31 is formed in the top plate portion 30A of the heat sink, and the groove 33A is formed on the bottom surface of the housing recess 31. By forming the above, it is possible to reduce the influence of the inner pedestal portion 34A due to the highly rigid flange portion 32 on the outer peripheral side of the concave groove portion 33A during heating or the like. For this reason, the deformation resistance of the pedestal portion 34A during heating or the like can be reduced, the thermal stress applied to the ceramic substrate 11 can be reduced, and the ceramic substrate 11 can be prevented from cracking. Further, the peripheral edge portion 13a of the heat radiation layer 13 is projected to a middle position of the width W of the concave groove portion 33A, and the inner portion excluding the projected peripheral edge portion 13a is joined to the pedestal portion 34A, so that the ceramic substrate 11 is surely attached. Such thermal stress can be reduced.
The heat sink has a suitable shape such as a flat plate, one in which a large number of pin-shaped fins are integrally formed by hot forging, etc., and one in which strip-like fins are formed integrally by extrusion. Can be adopted.

次に、本発明の効果を確認するために行った解析結果について説明する。
図５（ｃ）及び図６（ｂ）に示すような、凹溝部を有しないヒートシンクの天板部３０Ｃにより形成された従来のヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ｃ，２０Ｃにおいては、収容凹部３１を形成し、放熱層１３の直下の収容凹部３１部分の厚みｔ１をフランジ部３２の厚みｔ０よりも薄く形成した場合であっても、使用時においてフランジ部３２の剛性の影響を大きく受ける。このため、使用時における変形抵抗が大きくなり、セラミックス基板１１に負荷がかかる。 Next, the analysis result performed in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.
As shown in FIGS. 5 (c) and 6 (b), in the conventional power module substrates 10C and 20C with a heat sink formed by the top plate portion 30C of the heat sink that does not have a concave groove portion, an accommodation recess 31 is formed. Even when the thickness t1 of the accommodating recess 31 immediately below the heat radiation layer 13 is formed to be thinner than the thickness t0 of the flange portion 32, it is greatly affected by the rigidity of the flange portion 32 during use. For this reason, the deformation resistance during use increases, and a load is applied to the ceramic substrate 11.

そこで、図５（ａ）〜（ｃ）に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａ〜１０Ｃの解析モデルと、図６（ａ），（ｂ）に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０Ａ，２０Ｃの解析モデルを用いて、収容凹部３１に凹溝部３３Ａ，３３Ｂを形成した場合と、凹溝部を形成しない場合とについて、使用時に生じる応力の違いを確認する解析を行った。   Therefore, an analysis model of the power module substrates 10A to 10C with heat sinks shown in FIGS. 5A to 5C and an analysis model of the power module substrates 20A and 20C with heat sinks shown in FIGS. 6A and 6B. Was used, and the analysis which confirms the difference in the stress which arises at the time of using the groove part 33A, 33B in the accommodation recessed part 31 and the case where a groove part is not formed was performed.

なお、図５（ａ）〜（ｃ）は、各ヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０Ａ〜１０Ｃを構成するパワーモジュール用基板１５の回路層１２を一層で形成した第１実施形態に対応する解析モデルである。また、図６（ａ），（ｂ）は、各ヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０Ａ，２０Ｃを構成するパワーモジュール用基板１６の回路層１２を第一金属層１７と第二金属層１８との積層構造により形成した第２実施形態に対応する解析モデルである。   5A to 5C are analysis models corresponding to the first embodiment in which the circuit layer 12 of the power module substrate 15 constituting each of the power module substrates 10A to 10C with the heat sink is formed as a single layer. is there. 6 (a) and 6 (b) show that the circuit layer 12 of the power module substrate 16 constituting each of the power module substrates 20A and 20C with heat sink is formed by laminating the first metal layer 17 and the second metal layer 18. It is an analysis model corresponding to 2nd Embodiment formed with the structure.

図５（ａ）及び図６（ａ）は、放熱層１３の周縁部１３ａを跨いで、すなわち放熱層１３の直下に凹溝部３３Ａを形成し、周縁部１３ａを凹溝部３３Ａの幅の途中位置まで突出させた本発明の実施例のモデルである。図５（ｂ）は、放熱層１３の周縁部１３ａを突出させることなく、周縁部１３ａ位置からその外周側にかけて凹溝部３３Ｂを形成した比較例の解析モデルである。また、図５（ｃ）及び図６（ｂ）は、凹溝部を有しない従来例の解析モデルである。
各解析モデルの条件は、以下のように設定した。 5 (a) and 6 (a), the groove portion 33A is formed across the peripheral edge portion 13a of the heat radiating layer 13, that is, directly below the heat radiating layer 13, and the peripheral edge portion 13a is positioned in the middle of the width of the concave groove portion 33A. It is the model of the Example of this invention made to project to. FIG. 5B is an analysis model of a comparative example in which the groove 33B is formed from the position of the peripheral edge 13a to the outer peripheral side without protruding the peripheral edge 13a of the heat dissipation layer 13. FIG. 5C and FIG. 6B are analysis models of a conventional example that does not have a concave groove.
Conditions for each analysis model were set as follows.

〔解析モデル条件〕
１．回路層及び第一金属層、放熱層；純アルミニウム（純度９９．９９質量％）
平面サイズ；７０ｍｍ×７０ｍｍ
厚み；０．６ｍｍ
２．セラミックス基板；Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）
平面サイズ；７２ｍｍ×７２ｍｍ
厚み；０．３２ｍｍ
３．第二金属層；Ａ３００３系アルミニウム合金
平面サイズ；６６ｍｍ×６６ｍｍ
厚み；１．２ｍｍ
４．ヒートシンクの天板部；Ａ３００３系アルミニウム合金
平面サイズ；８０ｍｍ×１００ｍｍ
総厚（フランジ部の厚みｔ０）；４．０ｍｍ
収容凹部の厚みｔ１；１．２ｍｍ
凹溝部の厚みｔ２；０．６ｍｍ
５．放熱層と台座部との接合領域の大きさ
実施例（図５（ａ），図６（ａ））；６６ｍｍ×６６ｍｍ
比較例（図５（ｂ））；７０ｍｍ×７０ｍｍ
従来例（図５（ｂ），図６（ｃ））；７０ｍｍ×７０ｍｍ [Analysis model conditions]
1. Circuit layer and first metal layer, heat dissipation layer; pure aluminum (purity 99.99 mass%)
Plane size: 70mm x 70mm
Thickness: 0.6mm
2. Ceramic substrate; Si 3 N 4 (silicon nitride)
Plane size: 72mm x 72mm
Thickness: 0.32mm
3. Second metal layer; A3003 series aluminum alloy Plane size; 66mm x 66mm
Thickness: 1.2mm
4). Heat sink top plate; A3003 series aluminum alloy Plane size; 80mm x 100mm
Total thickness (flange thickness t0); 4.0 mm
Thickness of housing recess t1; 1.2 mm
Thickness t2 of the groove portion: 0.6 mm
5. The size of the joining area between the heat dissipation layer and the pedestal Example (FIGS. 5A and 6A); 66 mm × 66 mm
Comparative example (FIG. 5B); 70 mm × 70 mm
Conventional example (FIGS. 5B and 6C); 70 mm × 70 mm

これらの各解析モデルについて、半導体素子の実装工程での加熱温度に近い３００℃まで加熱した場合に、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板に生じる変形、及びセラミックス基板１１の一方の面（回路層側の表面）と多方の面（放熱層側の表面）に生じる応力を解析した。解析結果を表１に示す。なお、各解析モデルの解析は、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の平面視で図形中心を通る直交に直線で四等分した一つの領域について行った。   About each of these analysis models, when heated to 300 ° C., which is close to the heating temperature in the semiconductor element mounting process, deformation that occurs in the power module substrate with a heat sink, and one surface of the ceramic substrate 11 (surface on the circuit layer side) ) And the stress generated on many surfaces (surface on the heat dissipation layer side). The analysis results are shown in Table 1. The analysis of each analysis model was performed for one region that was divided into four equal straight lines orthogonal to the figure center in plan view of the power module substrate with a heat sink.

Figure 0006435945
Figure 0006435945

表１の結果からわかるように、天板部に凹溝部３３Ａ，３３Ｂを形成することにより、凹溝部を形成しない場合と比較して解析モデルに生じる最大主応力を低減することができる。また、図５（ｂ）に示す比較例の解析モデルのように、放熱層１３の直下にかからないように、放熱層１３の周縁部１３ａ位置からその外周側にかけて凹溝部３３Ｂを形成した場合と比べ、図５（ａ）に示す実施例の解析モデルのように、放熱層１３の周縁部１３ａの直下に凹溝部３３Ａを形成し、周縁部１３ａを凹溝部３３Ａの幅の途中位置まで突出させて、周縁部１３ａを除く内側部分と台座部３４Ａの表面とを接合した場合は、最大主応力を大幅に低減させることができた。
さらに、図６（ａ），（ｂ）に示す解析モデルのように、回路層１２を第一金属層１７と第二金属層１８との積層構造し、セラミックス基板１１を中心として対称構造を形成することにより、さらに最大主応力を低減させることができることが確認できた。
このように、ヒートシンクの天板部３０Ａに収容凹部３１を形成するとともに、その収容凹部３１の底面に凹溝部３３Ａを形成することで、セラミックス基板の反りを低減することができる。 As can be seen from the results in Table 1, by forming the concave groove portions 33A and 33B in the top plate portion, the maximum principal stress generated in the analysis model can be reduced as compared with the case where the concave groove portions are not formed. Further, as in the analysis model of the comparative example shown in FIG. 5B, compared to the case where the concave groove portion 33B is formed from the position of the peripheral portion 13a of the heat radiation layer 13 to the outer peripheral side so as not to be directly under the heat radiation layer 13. As shown in the analysis model of the embodiment shown in FIG. 5A, the groove 33A is formed immediately below the peripheral edge 13a of the heat radiation layer 13, and the peripheral edge 13a is protruded to the middle position of the width of the concave groove 33A. When the inner part excluding the peripheral part 13a and the surface of the pedestal part 34A were joined, the maximum principal stress could be greatly reduced.
Further, as in the analysis model shown in FIGS. 6A and 6B, the circuit layer 12 is formed by laminating the first metal layer 17 and the second metal layer 18, and a symmetrical structure is formed around the ceramic substrate 11. As a result, it was confirmed that the maximum principal stress could be further reduced.
Thus, by forming the housing recess 31 in the top plate portion 30A of the heat sink and forming the groove 33A on the bottom surface of the housing recess 31, warpage of the ceramic substrate can be reduced.

１０Ａ〜１０Ｃ ヒートシンク付き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 放熱層
１５，１６ パワーモジュール用基板
１７ 第一金属層
１８ 第二金属層
２０Ａ，２０Ｂ ヒートシンク付きパワーモジュール用基板
３０Ａ〜３０Ｃ ヒートシンクの天板部
３１ 収容凹部
３２ フランジ部
３３Ａ，３３Ｂ 凹溝部
３４Ａ，３４Ｂ 台座部
４０ モールド樹脂
６０ 半導体素子
７０ 外部接続用リードフレーム 10A-10C Power module substrate with heat sink 11 Ceramic substrate 12 Circuit layer 13 Heat radiation layer 15, 16 Power module substrate 17 First metal layer 18 Second metal layer 20A, 20B Power module substrate with heat sink 30A-30C Heat sink top Plate part 31 Housing recess 32 Flange parts 33A, 33B Groove parts 34A, 34B Base 40 Mold resin 60 Semiconductor element 70 External connection lead frame

Claims (1)

セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、前記セラミックス基板の他方の面に放熱層を介してヒートシンクが接合されてなり、
前記ヒートシンクの天板部には、前記放熱層の少なくとも一部が収容される収容凹部が形成され、
該収容凹部の底面には、前記放熱層の表面の周縁部に沿って凹溝部が形成されており、
前記放熱層の表面の前記周縁部が前記凹溝部の幅の途中位置まで突出して設けられ、該周縁部を除く内側部分と前記収容凹部の底面の前記凹溝部で囲まれた台座部の表面とが接合されており、
前記回路層は、前記セラミックス基板に接合された第一金属層と、該第一金属層よりも平面サイズが小さく形成され前記セラミックス基板とは反対の面の中央部に接合された第二金属層とを有し、
前記放熱層は、前記第一金属層と同一の材料により同一の平面サイズに形成され、
前記天板部は、前記第二金属層と同一の材料により形成され、前記台座部の表面が前記第二金属層と同一の平面サイズに形成されているヒートシンク付きパワーモジュール用基板。 A circuit layer is bonded to one surface of the ceramic substrate, and a heat sink is bonded to the other surface of the ceramic substrate via a heat dissipation layer,
The top plate portion of the heat sink is formed with an accommodation recess for accommodating at least a part of the heat dissipation layer,
On the bottom surface of the housing recess, a recessed groove is formed along the peripheral edge of the surface of the heat dissipation layer,
The peripheral edge of the surface of the heat dissipation layer is provided so as to protrude to a middle position of the width of the concave groove, and the inner portion excluding the peripheral edge and the surface of the pedestal surrounded by the concave groove on the bottom surface of the housing recess, Are joined ,
The circuit layer includes a first metal layer bonded to the ceramic substrate and a second metal layer formed in a plane size smaller than the first metal layer and bonded to a central portion of the surface opposite to the ceramic substrate. And
The heat dissipation layer is formed in the same plane size with the same material as the first metal layer,
The top plate portion is formed of the same material as the second metal layer, and the power module substrate with a heat sink in which the surface of the pedestal portion is formed in the same plane size as the second metal layer .
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