JP6471465B2 - Power module board with cooler - 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冷却器付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 cooler used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.
従来のパワーモジュール用基板としては、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、この回路層の上に半導体素子等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に金属層を介して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。このような構成のパワーモジュール用基板においては、各種構成部材の熱膨張係数の違いにより、反りが生じるという問題がある。 As a conventional power module substrate, a circuit layer is formed on one surface of a ceramic substrate serving as an insulating layer, and an electronic component such as a semiconductor element is soldered on the circuit layer. A power module substrate with a heat sink in which a heat sink is bonded to the surface via a metal layer is used. In the power module substrate having such a configuration, there is a problem that warpage occurs due to differences in thermal expansion coefficients of various components.
このような問題を受け、特許文献1では、絶縁層となる第一のセラミックス板に加え第二のセラミックス板を設け、その間に横方向へ熱を広げる熱拡散板(金属板)を設けた絶縁回路基板(パワーモジュール用基板)が開示されている。この絶縁回路基板は、熱拡散板との積層構造とすることで、剛性を高め、反りを抑制することが可能とされている。
一方、特許文献2では、絶縁層となる第一のセラミックス板に加え、セラミックス板からなる強化材をともに鋳型に設置し、アルミニウムからなる金属溶湯を流し込むことで金属−セラミックス接合基板(パワーモジュール用基板)を作製している。
In response to such problems, in Patent Document 1, in addition to the first ceramic plate serving as the insulating layer, a second ceramic plate is provided, and a heat diffusion plate (metal plate) that spreads heat in the lateral direction is provided therebetween. A circuit board (power module board) is disclosed. This insulating circuit board has a laminated structure with a heat diffusing plate, thereby increasing rigidity and suppressing warpage.
On the other hand, in Patent Document 2, a metal-ceramic bonding substrate (for a power module) is prepared by placing a reinforcing material made of a ceramic plate together with a first ceramic plate serving as an insulating layer in a mold and pouring a molten metal made of aluminum. Substrate).
しかし、特許文献1に記載のパワーモジュール用基板では、全ての金属層としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いた場合、セラミックス板を複数枚使用することから熱抵抗が上昇する問題があった。また、全ての金属層として銅または銅合金を用いた場合、実装工程の温度履歴を与えた際に、セラミックス板に割れが生じる問題があった。また、特許文献2に記載のパワーモジュール用基板では、回路層や絶縁層であるセラミックス基板の面積に対し、より大きい面積の強化材としてのセラミックス板を用いると、実装工程の温度履歴を与えた際に、強化材としてのセラミックス板が割れる問題がある。 However, in the power module substrate described in Patent Document 1, when aluminum or an aluminum alloy is used as all the metal layers, there is a problem in that the thermal resistance increases because a plurality of ceramic plates are used. Further, when copper or a copper alloy is used as all the metal layers, there is a problem that the ceramic plate is cracked when the temperature history of the mounting process is given. Further, in the power module substrate described in Patent Document 2, the use of a ceramic plate as a reinforcing material having a larger area than the area of the ceramic substrate that is a circuit layer or an insulating layer gave a temperature history of the mounting process. In this case, there is a problem that the ceramic plate as the reinforcing material breaks.
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、反りを抑制した上で、良好な放熱性能を持ち、セラミックス板の割れが生じない信頼性の高い冷却器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 highly reliable power module substrate with a cooler that has good heat dissipation performance and does not cause cracking of a ceramic plate while suppressing warpage. The purpose is to provide.
本発明の冷却器付パワーモジュール用基板は、パワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板が取り付けられた冷却器とを有する冷却器付パワーモジュール用基板であって、前記パワーモジュール用基板は、銅又は銅合金又はアルミニウム合金からなる放熱基板の両面に、第1金属層を介してセラミックス板がそれぞれ接合されるとともに、一方のセラミックス板の前記第1金属層とは反対面に回路層が接合され、他方のセラミックス板の前記第1金属層とは反対面に第2金属層が接合されてなり、前記放熱基板と前記第1金属層とが異種材料又は同種で異質な材料からなり、前記放熱基板又は前記回路層のいずれかが銅又は銅合金からなり、前記放熱基板、前記第1金属層、前記回路層又は前記第2金属層の内いずれかの組合せが異種材料であり、前記放熱基板の厚さが前記第1金属層及び前記第2金属層よりも厚く、前記セラミックス板の面積が前記放熱基板の面積より小さく形成されており、前記冷却器に、前記放熱基板において前記セラミックス板から外方に張り出している部分が固定されている。 The power module substrate with a cooler of the present invention is a power module substrate with a cooler having a power module substrate and a cooler to which the power module substrate is attached, and the power module substrate includes: A ceramic plate is bonded to both surfaces of a heat dissipation substrate made of copper, copper alloy, or aluminum alloy via a first metal layer, and a circuit layer is bonded to the opposite surface of the first ceramic plate to the first metal layer. A second metal layer is bonded to the opposite surface of the other ceramic plate to the first metal layer, and the heat dissipation substrate and the first metal layer are made of different materials or the same kind of different materials, Either the heat dissipation substrate or the circuit layer is made of copper or a copper alloy, and any combination of the heat dissipation substrate, the first metal layer, the circuit layer, and the second metal layer is provided. A seed material, wherein a thickness of the first metal layer of the radiating board and thicker than the second metal layer, the area of the ceramic plate is formed rather smaller than the area of the heat radiation substrate, the cooler The portion of the heat radiating board that protrudes outward from the ceramic plate is fixed.
本発明では、厚い放熱基板を有していることで、製造時の反りだけではなく半導体素子をはんだ付けする時の反りをも抑制でき、また、厚い放熱基板が熱拡散板として速やかに熱を拡散するので従来構造に比べ良好な放熱性能を持ち、さらに、厚い放熱基板に第1金属層を介して放熱基板より小さい面積のセラミックス板が接合されているので、セラミックス板へかかる応力が小さくセラミックス板の割れも発生しない。
なお、上述の同種で異質な材料とは、例えば純アルミニウムとアルミニウム合金の組合せや純銅と銅合金の組合せ等をさすものとする。
In the present invention, the thick heat dissipation board can suppress not only the warpage during manufacturing but also the warpage when soldering the semiconductor element, and the thick heat dissipation board can quickly heat as a heat diffusion plate. Because it diffuses, it has better heat dissipation performance than the conventional structure. Furthermore, since a ceramic plate with a smaller area than the heat dissipation substrate is bonded to the thick heat dissipation substrate via the first metal layer, the stress applied to the ceramic plate is small. There is no cracking of the plate.
Note that the above-mentioned same and different materials refer to, for example, a combination of pure aluminum and an aluminum alloy, a combination of pure copper and a copper alloy, or the like.
また本発明の冷却器付パワーモジュール用基板は、前記放熱基板が銅又は銅合金で形成され、前記第1金属層及び前記第2金属層及び前記回路層がアルミニウムで形成されているとよい。
このパワーモジュール用基板は、厚い放熱基板が銅又は銅合金よりなることで、全体の剛性が高くなり、銅は熱伝導性も良いので反りも少なく高い放熱性能が得られる。
Moreover, the board | substrate for power modules with a cooler of this invention WHEREIN: The said thermal radiation board | substrate is good to be formed with copper or a copper alloy, and it is good for the said 1st metal layer, the said 2nd metal layer, and the said circuit layer to be formed with aluminum.
In this power module substrate, the thick heat dissipation substrate is made of copper or a copper alloy, so that the overall rigidity is increased. Since copper has good thermal conductivity, warpage is small and high heat dissipation performance can be obtained.
また本発明の冷却器付パワーモジュール用基板は、前記放熱基板がアルミニウム合金で形成され、前記第1金属層及び前記第2金属層及び前記回路層が銅又は銅合金で形成されてもよい。
このパワーモジュール用基板は、半導体素子の直下に位置する回路層が銅又は銅合金で形成されているので、半導体素子で生じる熱を速やかに拡散放熱することができる。
Moreover, as for the board | substrate for power modules with a cooler of this invention, the said thermal radiation board | substrate may be formed with an aluminum alloy, and the said 1st metal layer, the said 2nd metal layer, and the said circuit layer may be formed with copper or a copper alloy.
In the power module substrate, since the circuit layer located immediately below the semiconductor element is formed of copper or a copper alloy, the heat generated in the semiconductor element can be quickly diffused and dissipated.
また本発明の冷却器付パワーモジュール用基板は、前記放熱基板がアルミニウム合金で形成され、前記第1金属層が純アルミニウムで形成され、前記第2金属層及び前記回路層が銅又は銅合金で形成されていてもよい。
このパワーモジュール用基板は、半導体素子の直下に位置する回路層が銅又は銅合金で形成されているので、半導体素子で生じる熱を速やかに拡散放熱することができる。また、厚い放熱基板と第1金属層とがアルミニウム金属同士であることから接合が容易となり製造コストを低く抑えることができる。
In the power module substrate with a cooler of the present invention, the heat dissipation substrate is formed of an aluminum alloy, the first metal layer is formed of pure aluminum, and the second metal layer and the circuit layer are copper or a copper alloy. It may be formed.
In the power module substrate, since the circuit layer located immediately below the semiconductor element is formed of copper or a copper alloy, the heat generated in the semiconductor element can be quickly diffused and dissipated. Further, since the thick heat dissipation substrate and the first metal layer are made of aluminum metal, the joining becomes easy and the manufacturing cost can be kept low.
本発明によれば、反りを抑制した上で良好な放熱性能を持ちセラミックス板の割れが生じない信頼性の高いパワーモジュール用基板を得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the board | substrate for power modules with high reliability which has favorable heat dissipation performance, the crack of a ceramic board does not arise, after suppressing curvature can be obtained.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
<第1実施形態>
図1(d)に示す第1実施形態のパワーモジュール用基板10は、回路用構造部11と放熱用構造部12と放熱基板13とを備えており、この回路用構造部11の表面に半導体素子等の電子部品14が搭載されることにより、パワーモジュール15が製造される。
回路用構造部11は、絶縁層としてのセラミックス板16と、セラミックス板16の一方の面に接合された回路層18と、セラミックス板16の他方の面に接合された第1金属層17とを備える。
放熱用構造部12は、セラミックス板21と、セラミックス板21の一方の面に接合された第2金属層20と、セラミックス板21の他方の面に接合された第1金属層19とを備える。
セラミックス板16,21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、厚さは0.2mm〜1.5mmの範囲内に設定することができる。
第1金属層17,19は、例えば、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)や純度99質量%以上のアルミニウム(いわゆる2Nアルミニウム)のアルミニウム板を用いることができ、厚さは0.1mm〜1.0mmの範囲内に設定することができる。
回路層18と第2金属層20も第1金属層17,19と同様に、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)や純度99質量%以上のアルミニウム(いわゆる2Nアルミニウム)のアルミニウム板を用いることができ、厚さは0.1mm〜1.0mmの範囲内に設定することができる。
放熱基板13は、無酸素銅、タフピッチ銅等の純銅又はCu−Zr系などの銅合金により形成され、放熱板として機能するものであるとともにパワーモジュール用基板10を冷却器30等に固定するための強度部材としても機能するので、上述した他のいずれの構成材よりも厚く0.3mm〜6.0mmの範囲内に設定されている。また、面積は、セラミックス板16,21よりも広く形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<First Embodiment>
A
The
The
The
For the
Similarly to the
The
また、回路用構造部11のセラミックス板16と、放熱用構造部12のセラミックス板21とは、面積比が1:0.8〜1.2の範囲内で、厚さはほぼ同じ厚さで形成されるとよい。上記面積比がこの範囲を外れると、面積がより大きいセラミックス板側の端部に応力がかかり、温度変化を与えられた際に、セラミックス板に割れが発生するおそれがある。
また放熱基板13に対する各セラミックス板16,21の接合位置のズレ量は、セラミックス基板16の各辺の長さをLmm及び板厚をtmmとした時の各辺におけるズレ量(mm)が0.2×L×t以下の範囲で接合されているとよい。上記ズレ量が0.2×L×tを超えると、ズレ量がより大きいセラミックス板側の端部に応力がかかり、温度変化を与えられた際に、セラミックス板に割れが発生するおそれがある。
さらに、回路用構造部11の第1金属層17と、放熱用構造部12の第1金属層19とは、同じ材料であり、ほぼ同じ厚さで、平面的な大きさは回路用構造部11ではセラミックス板16より第1金属層17がやや小さく形成されているのに対して、放熱用構造部12においてはセラミックス板21と第1金属層19は同じ大きさに形成されているので、第1金属層17の方が第1金属層19よりやや小さく形成されている。
同様に、回路用構造部11の回路層18と、放熱用構造部12の第2金属層20も、お互いに同じ材料、ほぼ同じ厚さであるが、平面的な大きさは回路層18が第2金属層20よりやや小さく形成されている。回路用構造部11の第1金属層17と回路層18がセラミックス板16より小さく形成されるのは、絶縁基板としての沿面距離を確保するためである。ただし、その寸法差は小さく、セラミックス板16の端面から第1金属層17及び回路層18の端面までの距離が0.5mm〜3.0mmとされている。このように回路用構造部11と放熱用構造部12とでわずかに寸法が異なる場合があるが、このパワーモジュール用基板10全体としては、中心の放熱基板13に対して上下ほぼ対称の構造であり、各構成部材は、ほぼ同じ大きさでほぼ同じ位置に配置され形成されている。
Further, the
Further, the displacement amount of the bonding position of each
Further, the
Similarly, the
次に、このように構成されるパワーモジュール用基板10を製造する方法について説明する。このパワーモジュール用基板10は、セラミックス板16と回路層18及び第1金属層17とを接合する回路用構造部接合工程、セラミックス板21と第1金属層19及び第2金属層20とを接合する放熱用構造部接合工程、回路用構造部接合工程及び放熱用構造部接合工程で製造された回路用構造部11と放熱用構造部12とを放熱基板13に接合する放熱基板接合工程により製造される。以下、これらの工程を説明する。
Next, a method for manufacturing the
(回路用構造部接合工程)
まず、セラミックス板16の一方の面にろう材22を介して回路層18を積層し、さらに、他方の面にろう材22を介して第1金属層17を積層して、これらを一体に接合する。
ろう材22は、Al−Si系等の合金で箔の形態で用いるとよい。
具体的には、セラミックス板16と回路層18及び第1金属層17とを図1(a)に示すようにろう材22を介して積層した積層体Sを図6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。
この加圧装置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クッションシート116が配設される。クッションシート116は、カーボンシートとグラファイトシートの積層板で形成されている。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、真空雰囲気下で接合温度に加熱してセラミックス板16に回路層18と第1金属層17をろう付け接合する。この場合の加圧力としては例えば0.1MPa以上3.4MPa以下、接合温度としては610℃以上650℃以下、加熱時間としては1分以上60分以下とされる。
(Circuit structure bonding process)
First, the
The
Specifically, a
The
The fixed
(放熱用構造部接合工程)
回路用構造部接合工程同様に、セラミックス板21の一方の面にろう材22を介して第1金属層19を積層し、他方の面にろう材22を介して第2金属層20を積層して、これらを一体に接合する。
具体的には、セラミックス板21と第1金属層19及び第2金属層20とを図1(b)に示すようにろう材22を介して積層した積層体Sを図4に示す加圧装置110を用いて積層方向に加圧した状態とし、回路用構造部接合工程と同様の加圧条件、温度条件によって接合される。
回路用構造部接合工程と放熱用構造部接合工程の順序は、いずれを先に行ってもよい。
あるいは回路用構造部11のための積層体Sと放熱用構造部12のための積層体Sとをクッションシート116を介して積み重ね、これらを加圧装置110で加圧して同時に接合することもできる。
(Heat dissipation structure bonding process)
Similar to the circuit structure bonding step, the
Specifically, a pressurizing apparatus shown in FIG. 4 is a laminate S in which a
Any order of the circuit structure bonding step and the heat dissipation structure bonding step may be performed first.
Alternatively, the laminate S for the
(放熱基板接合工程)
回路用構造部接合工程及び放熱用構造部接合工程により得られた回路用構造部11と放熱用構造部12とを放熱基板13の両側に図1(c)に示すように積層する。
そして、これらの積層体Sを図4に示す加圧装置110を用いて積層方向に0.1MPa以上3.4MPa以下に加圧し、真空雰囲気下で接合温度400℃以上548℃以下に1分以上60分以下加熱して放熱基板13を両第1金属層17,19と固相拡散接合する。
(Heat dissipation substrate bonding process)
As shown in FIG. 1C, the
And these laminated bodies S are pressurized to 0.1 MPa or more and 3.4 MPa or less in a lamination direction using the
このようにして製造されるパワーモジュール用基板10は、厚い放熱基板13が銅又は銅合金よりなることで全体の剛性が高くなり、また、銅又は銅合金は熱伝導性も良いので反りも少なく高い放熱性能が得られる。また、厚い放熱基板13は放熱板として機能するものであるとともに、パワーモジュール用基板10を冷却器30等に固定するための強度部材としても機能しており、放熱用構造部12の第2金属層20の下面に隙間無く接触させた冷却器30に、放熱用構造部12から外方に張り出している部分を図1(d)に鎖線で示すようにボルト35によって固定することができる。
The
<第2実施形態>
図2は第2実施形態を示している。この実施形態において図1の第1実施形態と共通要素には同一符号を付している(以下の各実施形態においても同様)。
なお、共通要素とは、機能として同じものであれば材料が違うものも含まれることとする。
図2(d)に示すパワーモジュール用基板10は、第1金属層17,19と回路層18と第2金属層20とが銅又は銅合金により形成され、例えば純度99.96質量%以上の銅(いわゆる無酸素銅)により形成される。放熱基板13はアルミニウム合金、例えばA1050、A3003合金により形成される。セラミックス板16,21は前述の第1実施形態と同様AIN(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が用いられる。そして、このパワーモジュール用基板10は以下の工程を経て製造される。
Second Embodiment
FIG. 2 shows a second embodiment. In this embodiment, the same reference numerals are given to the common elements as in the first embodiment of FIG. 1 (the same applies to the following embodiments).
Note that common elements include those having different materials as long as they have the same function.
In the
(回路用構造部接合工程)
図2(a)に示すようにセラミックス板16の両面にAg−Cu−Ti又はAg−Tiからなる活性金属を含有するペースト23を印刷し一方の面に回路層18を積層し、他方の面に第1金属層17を積層し、その積層体Sを図4に示す加圧装置110を用いて積層方向に0.1MPa以上3.4MPa以下に加圧し、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800℃以上930℃以下に1分以上60分以下加熱してセラミックス板16に回路層18と第1金属層17を活性金属ろう付け法によって接合する。
(Circuit structure bonding process)
As shown in FIG. 2 (a),
(放熱用構造部接合工程)
上述の回路用構造部接合工程同様に図2(b)に示すセラミックス板21の両面にペースト23を印刷し、一方の面に第1金属層19を積層し、他方の面に第2金属層20を積層して、これらを活性金属ろう付け法により一体に接合する。
(Heat dissipation structure bonding process)
Similar to the circuit structure bonding step described above, the
(放熱基板接合工程)
回路用構造部接合工程及び放熱用構造部接合工程により得られた回路用構造部11と放熱用構造部12とを放熱基板13の両側に図2(c)に示すように積層する。そして、これらの積層体Sを第1実施形態同様に図6に示す加圧装置110を用いて積層方向に0.1MPa以上3.4MPa以下に加圧し、加圧装置110ごと図示略の加熱炉内に設置し、真空雰囲気下で接合温度400℃以上548℃以下に1分以上60分以下加熱して固相拡散接合する。
(Heat dissipation substrate bonding process)
The
このようにして製造されるパワーモジュール用基板10は、半導体素子14の直下に位置する回路層18が銅又は銅合金で形成されているので、半導体素子14で生じる熱を速やかに拡散放熱することができる。
In the
<第3実施形態>
図3は第3実施形態を示している。
図3(f)に示す第3実施形態のパワーモジュール用基板10は、第1金属層17,19が純度99.99質量%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)や純度99質量%以上のアルミニウム(いわゆる2Nアルミニウム)の純アルミニウム板により形成される。回路層18と第2金属層20とは銅又は銅合金、例えば純度99.96質量%以上の銅(いわゆる無酸素銅)で形成される。放熱基板13はアルミニウム合金、例えばA1050、A3003合金の板により形成される。セラミックス板16,21は、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る。そして、このパワーモジュール用基板10は以下の工程を経て製造される。
<Third Embodiment>
FIG. 3 shows a third embodiment.
In the
(回路用構造部接合工程)
図3(a)に示すようにセラミックス板16の一方の面にペースト23を印刷しその面に回路層18を積層し、その積層体Sを図6に示す加圧装置110を用いて積層方向に加圧し、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800℃以上930℃以下に加熱してセラミックス板16に回路層18を活性金属ろう付け法によって接合する。
その後、図3(b)に示すように接合したセラミックス板16の他方の面にAl−Si系ろう材22を介して第1金属層17を積層し、加圧装置110を用いて積層方向に加圧し、真空雰囲気下で610℃以上650℃以下に加熱してろう付け接合する。
(Circuit structure bonding process)
As shown in FIG. 3 (a), the
After that, as shown in FIG. 3B, the
(放熱用構造部接合工程)
上述の回路用構造部接合工程と同様に図3(c)に示すセラミックス板21の一方の面に第2金属層20を活性金属ろう付け法によって接合した後、図3(d)に示すセラミックス板21の他方の面に第1金属層19をろう付け接合する。
(Heat dissipation structure bonding process)
The
(放熱基板接合工程)
回路用構造部接合工程及び放熱用構造部接合工程により得られた回路用構造部11と放熱用構造部12とを放熱基板13の両側に、芯材の両面にMg入りろう材層をクラッドした両面ろうクラッド材(芯材:A3003、ろう材層(両面):Al−Si−Mg合金)25を介して図3(e)に示すように積層し、図6に示す加圧装置110で積層方向に0.001MPa以上0.5MPa以下に加圧し、窒素雰囲気下で580℃以上650℃以下に1分以上10分以下加熱してろう付け接合する。
また、回路用構造部11と放熱用構造部12とを放熱基板13に接合する際に、固相拡散接合によって接合することもできる。
(Heat dissipation substrate bonding process)
The
Further, when the
このようにして製造されるパワーモジュール用基板10は、半導体素子14の直下に位置する回路層18が銅又は銅合金で形成されているので、半導体素子14で生じる熱を速やかに拡散放熱することができる。
また、厚い放熱基板13と第1金属層17,19との接合は、アルミニウム金属同士であることから接合が容易となり製造コストを低く抑えることができる。
In the
Moreover, since the joining of the thick
なお、上記実施形態では、第1金属層17,19は放熱基板13よりも面積が小さくなるよう形成されていたが、これに限らず、図4に示すように放熱基板13とほぼ同じ大きさとすることができる。
また、上記実施形態では、第2金属層20はセラミックス板21と同じ大きさとなるよう形成されていたが、これに限らず、図5に示すようにセラミックス板21よりも面積を小さくすることができる。
In the above-described embodiment, the
Moreover, in the said embodiment, although the
本発明の効果の確認のために行った試験について説明する。
(実施例1)
第1実施形態の実施例として、放熱基板13が無酸素銅(平面サイズ:150mm×60mm、厚さ:2.35mm)、セラミックス板16,21は窒化アルミニウム(平面サイズ:100mm×50mm、厚さ:0.635mm)、第1金属層17及び回路層18は純度99.99質量%以上の4Nアルミニウム(平面サイズ:96mm×46mm、厚さ:0.4mm)、第1金属層19及び第2金属層20は純度99.99質量%以上の4Nアルミニウム(平面サイズ:100mm×50mm、厚さ:0.4mm)とした。
回路用構造部接合工程と放熱用構造部接合工程では積層体を0.3MPaで加圧し、真空雰囲気中645℃で45分間加熱してそれぞれ接合した。放熱基板接合工程では積層体を1.0MPaで加圧し、真空雰囲気中540℃で60分間加熱して接合し作製した。
A test conducted for confirming the effect of the present invention will be described.
Example 1
As an example of the first embodiment, the
In the circuit structure bonding step and the heat dissipation structure bonding step, the laminate was pressurized at 0.3 MPa and heated at 645 ° C. in a vacuum atmosphere for 45 minutes for bonding. In the heat dissipation substrate bonding step, the laminate was pressurized at 1.0 MPa and heated and bonded at 540 ° C. for 60 minutes in a vacuum atmosphere.
(実施例2)
第2実施形態の実施例として、放熱基板13がA3003アルミニウム合金(平面サイズ:150mm×60mm、厚さ:2.5mm)、セラミックス板16,21は窒化アルミニウム(平面サイズ:100mm×50mm、厚さ:0.635mm)、第1金属層17及び回路層18は無酸素銅(平面サイズ:96mm×46mm、厚さ:0.3mm)、第1金属層19及び第2金属層20は無酸素銅(平面サイズ:100mm×50mm、厚さ:0.3mm)とした。
回路用構造部接合工程と放熱用構造部接合工程では積層体を0.1MPaで加圧し、真空雰囲気中825℃で30分間加熱してそれぞれを接合した。放熱基板接合工程では積層体を1.0MPaで加圧し、真空雰囲気中540℃で60分間加熱して接合し作製した。
(Example 2)
As an example of the second embodiment, the
In the circuit structure bonding step and the heat dissipation structure bonding step, the laminate was pressurized at 0.1 MPa and heated at 825 ° C. for 30 minutes in a vacuum atmosphere to bond them. In the heat dissipation substrate bonding step, the laminate was pressurized at 1.0 MPa and heated and bonded at 540 ° C. for 60 minutes in a vacuum atmosphere.
(実施例3)
第3実施形態の実施例として、放熱基板13がA3003アルミニウム合金(平面サイズ:150mm×60mm、厚さ:2.5mm)、セラミックス板16,21は窒化アルミニウム(平面サイズ:100mm×50mm、厚さ:0.635mm)、第1金属層17は純度99.99質量%以上の4Nアルミニウム(平面サイズ:96mm×46mm、厚さ:0.3mm)、第1金属層19は純度99.99質量%以上の4Nアルミニウム(平面サイズ:100mm×50mm、厚さ:0.3mm)、回路層18は無酸素銅(平面サイズ:96mm×46mm、厚さ:0.3mm)、第2金属層20は無酸素銅(平面サイズ:100mm×50mm、厚さ:0.3mm)とした。
回路用構造部接合工程と放熱用構造部接合工程のセラミックス板16,21と回路層18、第2金属層20との接合では積層体を0.1MPaで加圧し、真空雰囲気中825℃で30分間加熱してそれぞれを接合した。回路用構造部接合工程と放熱用構造部接合工程のセラミックス板16,21と第1金属層17,19との接合では積層体を0.3MPaで加圧し、真空雰囲気中645℃で45分間加熱してそれぞれを接合した。放熱基板接合工程では積層体を0.01MPaで加圧し、窒素雰囲気中610℃で5分間加熱して接合し作製した。
(Example 3)
As an example of the third embodiment, the
In the joining of the
(比較例1)
比較例1としては、純度99.5質量%以上のA1050アルミニウム板(平面サイズ:150mm×60mm、厚さ:3.0mm)の両面にセラミックス板(材質:窒化アルミニウム、平面サイズ:100mm×50mm、厚さ:0.635mm)をそれぞれ接合し、これらセラミックス板のアルミニウム板とは逆の面に、純度99.5質量%以上のA1050アルミニウム板(平面サイズ:100mm×50mm、厚さ:0.4mm)をそれぞれ接合した5層構造のパワーモジュール用基板とした。
接合方法は、アルミニウム板とセラミックス板の間にろう材(Al−Si系等の合金箔)を介して積層し、その積層体を0.3MPaで加圧し、真空雰囲気中645℃で45分間加熱した。
(Comparative Example 1)
As Comparative Example 1, a ceramic plate (material: aluminum nitride, plane size: 100 mm × 50 mm) on both sides of an A1050 aluminum plate (planar size: 150 mm × 60 mm, thickness: 3.0 mm) having a purity of 99.5% by mass or more, Thickness: 0.635 mm) are joined, and the A1050 aluminum plate (planar size: 100 mm × 50 mm, thickness: 0.4 mm) having a purity of 99.5% by mass or more is formed on the surface opposite to the aluminum plate of these ceramic plates. ) Were joined to each other as a power module substrate having a five-layer structure.
In the joining method, the aluminum plate and the ceramic plate were laminated via a brazing material (alloy foil such as Al—Si), the laminated body was pressurized at 0.3 MPa, and heated at 645 ° C. in a vacuum atmosphere for 45 minutes.
(比較例2)
比較例2としては、無酸素銅(平面サイズ:150mm×60mm、厚さ:3.0mm)の両面にセラミックス板(材質:窒化アルミニウム、平面サイズ:100mm×50mm、厚さ:0.635mm)をそれぞれ接合し、これらセラミックス板の銅板とは逆の面に、無酸素銅(平面サイズ:100mm×50mm、厚さ:0.3mm)をそれぞれ接合した5層構造のパワーモジュール用基板とした。
接合方法は、銅板とセラミックス板の間にろう材(Ag−Cu−Ti系ろう材)を介し積層し、その積層体を0.1MPaで加圧し、真空雰囲気中825℃で30分間加熱して一括で5層を接合した。
(Comparative Example 2)
As Comparative Example 2, ceramic plates (material: aluminum nitride, plane size: 100 mm × 50 mm, thickness: 0.635 mm) on both surfaces of oxygen-free copper (planar size: 150 mm × 60 mm, thickness: 3.0 mm) Each of the ceramic plates was bonded to a power module substrate having a five-layer structure in which oxygen-free copper (plane size: 100 mm × 50 mm, thickness: 0.3 mm) was bonded to the surface opposite to the copper plate.
The bonding method is to laminate by laminating a brazing material (Ag—Cu—Ti brazing material) between a copper plate and a ceramic plate, pressurizing the laminated body at 0.1 MPa, and heating at 825 ° C. for 30 minutes in a vacuum atmosphere. Five layers were joined.
(比較例3)
比較例3としては、セラミックス板(材質:窒化アルミニウム、平面サイズ:100mm×50mm、厚さ:0.635mm)の両面にそれぞれ同じ純度99.5質量%以上のA1050アルミニウム板(平面サイズ:96mm×46mm、厚さ:0.4mm)を接合し、一方のアルミニウム板のセラミックス板とは逆の面に純度99.5質量%以上のA1050アルミニウム板(平面サイズ:150mm×60mm、厚さ:3.0mm)を接合した4層構成のパワーモジュール用基板とした。製造方法は比較例1と同様ろう付け接合で作製した。
(Comparative Example 3)
As Comparative Example 3, an A1050 aluminum plate (planar size: 96 mmx) having the same purity of 99.5% by mass or more on both surfaces of a ceramic plate (material: aluminum nitride, planar size: 100 mm x 50 mm, thickness: 0.635 mm). 46 mm, thickness: 0.4 mm), an A1050 aluminum plate having a purity of 99.5% by mass or more (plane size: 150 mm × 60 mm, thickness: 3. 0 mm) was used as a power module substrate having a four-layer structure. The manufacturing method was the same as that of Comparative Example 1 and was prepared by brazing.
(比較例4)
比較例4としては、純度99.5質量%以上のA1050アルミニウム板(平面サイズ:150mm×60mm、厚さ:3.0mm)の一方の面に、100mm×50mmのセラミックス板を介して純度99.5質量%以上のA1050アルミニウム板(100mm×50mm、厚さ:0.4mm)を接合し、他方の面に150mm×60mmのセラミックス板を介して純度99.5質量%以上のA1050アルミニウム板(150×60mm、厚さ:0.4mm)を接合し、5層構造のパワーモジュール用基板とした。セラミックス板の材質は窒化アルミニウムを用い、厚さは0.635mmとした。
接合方法は、アルミニウム板とセラミックス板の間にろう材(Al−Si系の合金箔)を介して積層し、その積層体を0.3MPaで加圧し、真空雰囲気中645℃で45分間加熱した。
(Comparative Example 4)
As Comparative Example 4, the purity of 99.05% by mass or more of an A1050 aluminum plate (planar size: 150 mm × 60 mm, thickness: 3.0 mm) on one surface through a 100 mm × 50 mm ceramic plate. An A1050 aluminum plate (150 mm × 50 mm, thickness: 0.4 mm) of 5% by mass or more is bonded, and an A1050 aluminum plate (purity of 99.5% by mass or more through a ceramic plate of 150 mm × 60 mm on the other surface (150 × 60 mm, thickness: 0.4 mm) were joined to form a power module substrate having a five-layer structure. The material of the ceramic plate was aluminum nitride, and the thickness was 0.635 mm.
As a joining method, the aluminum plate and the ceramic plate were laminated via a brazing material (Al—Si alloy foil), the laminate was pressurized at 0.3 MPa, and heated at 645 ° C. for 45 minutes in a vacuum atmosphere.
試験結果を表1に示す。
なお、基板反り量は、回路層の長手方向の長さ100mmの間での反り量を室温と280℃とで測定し、室温での反り量を(A)欄に示し、280℃での反り量を(B)欄に示す。なお、反りの定義は、回路層が凸状になった場合を+、回路層が凹状になった場合を−とする。また、室温から280℃まで加熱し室温まで冷却した後に、回路層とセラミックス板との接合界面を超音波深傷により撮影し、セラミックス割れの有無を評価した。
熱抵抗の解析方法としては、放熱用構造部に冷却器を接合し、回路層に半導体素子(15mm×15mm、厚さ200μm)をはんだ付けにより搭載し、冷却器には65℃の一定温度に保持した冷却流体を用いた状態で、素子発熱量100W、ベース下面の熱伝達係数を8,000W/m2・Kの条件にて、半導体素子の温度を測定し冷却流体との温度差を求めた。
The test results are shown in Table 1.
Note that the amount of warpage of the circuit layer was measured at room temperature and 280 ° C., and the amount of warpage at room temperature is shown in the column (A), and the warpage at 280 ° C. was measured. The amount is shown in column (B). The definition of the warp is + when the circuit layer is convex, and-when the circuit layer is concave. Further, after heating from room temperature to 280 ° C. and cooling to room temperature, the interface between the circuit layer and the ceramic plate was photographed by ultrasonic flaws to evaluate the presence or absence of ceramic cracks.
As a thermal resistance analysis method, a cooler is joined to the heat dissipation structure, a semiconductor element (15 mm × 15 mm, thickness 200 μm) is mounted on the circuit layer by soldering, and the cooler is kept at a constant temperature of 65 ° C. In the state using the retained cooling fluid, the temperature of the semiconductor device is measured and the temperature difference from the cooling fluid is obtained under the condition of the element heating value of 100 W and the heat transfer coefficient of the lower surface of the base of 8,000 W / m 2 · K. It was.
以上の結果より実施例では、基板接合後の反り(A)だけではなく半導体素子をはんだ付けする時の反り(B)をも抑制できた。また、比較例2及び比較例4では、室温から280℃まで加熱し室温まで冷却した後に、セラミックス割れが確認されたが、実施例では、いずれも発生していない。これらセラミックス割れは、いずれもセラミックス板へかかる応力が大きいことが原因とされる。さらに、実施例では、半導体素子温度と冷却流体との温度差が、比較例1に比べて2.8%〜10.3%低く、熱抵抗が小さくなっていることが確認できた。 From the above results, in the examples, not only the warpage (A) after bonding the substrates but also the warpage (B) when soldering the semiconductor element could be suppressed. In Comparative Example 2 and Comparative Example 4, ceramic cracks were confirmed after heating from room temperature to 280 ° C. and cooling to room temperature, but none occurred in the examples. These ceramic cracks are caused by a large stress applied to the ceramic plate. Further, in the example, the temperature difference between the semiconductor element temperature and the cooling fluid was 2.8% to 10.3% lower than that in Comparative Example 1, and it was confirmed that the thermal resistance was reduced.
なお、本発明は前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。 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.
10…パワーモジュール用基板
11…回路用構造部
12…放熱用構造部
13…放熱基板
16…セラミックス板
17…第1金属層
18…回路層
19…第1金属層
20…第2金属層
21…セラミックス板
30…冷却器
110…加圧装置
116…クッションシート
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記パワーモジュール用基板は、銅又は銅合金又はアルミニウム合金からなる放熱基板の両面に、第1金属層を介してセラミックス板がそれぞれ接合されるとともに、一方のセラミックス板の前記第1金属層とは反対面に回路層が接合され、他方のセラミックス板の前記第1金属層とは反対面に第2金属層が接合されてなり、前記放熱基板と前記第1金属層とが異種材料又は同種で異質な材料からなり、前記放熱基板又は前記回路層のいずれかが銅又は銅合金からなり、前記放熱基板、前記第1金属層、前記回路層又は前記第2金属層の内いずれかの組合せが異種材料であり、前記放熱基板の厚さが前記第1金属層及び前記第2金属層よりも厚く、前記セラミックス板の面積が前記放熱基板の面積より小さく形成されており、
前記冷却器に、前記放熱基板において前記セラミックス板から外方に張り出している部分が固定されていることを特徴とする冷却器付パワーモジュール用基板。 A power module substrate with a cooler having a power module substrate and a cooler to which the power module substrate is attached,
In the power module substrate, ceramic plates are respectively bonded to both surfaces of a heat dissipation substrate made of copper, a copper alloy, or an aluminum alloy via a first metal layer, and the first metal layer of one ceramic plate is A circuit layer is bonded to the opposite surface, a second metal layer is bonded to the opposite surface of the other ceramic plate to the first metal layer, and the heat dissipation substrate and the first metal layer are made of different materials or the same kind. Made of a different material, either the heat dissipation board or the circuit layer is made of copper or a copper alloy, and any combination of the heat dissipation board, the first metal layer, the circuit layer, or the second metal layer is a heterogeneous material, the thickness of the heat dissipation substrate is thicker than the first metal layer and the second metal layer, the area of the ceramic plate is formed rather smaller than the area of the heat dissipation substrate,
The power module substrate with a cooler , wherein a portion of the heat dissipation substrate that protrudes outward from the ceramic plate is fixed to the cooler .
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