JP2004296493A

JP2004296493A - Heat sink, method of manufacturing the same, power module, and method of manufacturing the same

Info

Publication number: JP2004296493A
Application number: JP2003083023A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Nagase; 敏之長瀬; Kazuaki Kubo; 和明久保; Yoshiyuki Nagatomo; 義幸長友
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-10-21

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat sink which can maintain high junction reliability even when the sink is placed under a temperature cycle when the sink is used, and to provide a power module, a method of manufacturing the heat sink, and a method of manufacturing the power module. <P>SOLUTION: The power module 10 is provided with an insulating circuit board 18 having an insulating substrate 14, the heat sink 17 provided on one surface of the circuit board 18, and a semiconductor chip 13 provided on the other surface of the circuit board 18. The insulating circuit board 18 is provided with a metallic layer 16 formed on one surface of the insulating substrate 14 and the heat sink 17 is provided with a main body 21 constituting at least the contacting surface with the insulating circuit board 18. The main body 21 of the heat sink 17 and metallic layer 16 are formed of pure Al, an Al alloy, pure Cu, or a Cu alloy. The heat sink 17 is joined to one surface of the insulating circuit board 18 through an intermetallic compound layer 19 containing Sn and Ni. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いられる放熱体及びパワーモジュール並びに放熱体の製造方法及びパワーモジュールの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のパワーモジュールにあっては、絶縁基板を有する絶縁回路基板（以下、「基板」という）と放熱体とが積層接合され、絶縁回路基板表面に半導体チップが接合された構成のものが一般的である。
従来から、このパワーモジュールを形成するに際しては、半導体チップの接合に対する高信頼性を確保するため３６０℃以上の高温で接合されるので、絶縁回路基板と放熱体との接合部の熱劣化を防止するため、まず、基板表面に半導体チップをはんだ接合した後に、この基板を２５０℃で放熱体にはんだ接合する方法が採用されている。
【０００３】
ところが、このパワーモジュールの製造方法においては、基板表面に半導体チップを接合した後に、これをさらに加熱し、基板と放熱体とを接合するため、形成されたパワーモジュールにおいて、半導体チップを接合するはんだ層の組織が粗大化する場合があった。このため、このパワーモジュールを実際に使用するに際して、半導体チップの発熱等に起因してこのはんだ層に付加される温度サイクルによって、当該はんだ層に亀裂が発生する場合等があり、この種のパワーモジュールの高い接合信頼性を確保することができないという問題があった。
【０００４】
この半導体チップと基板との接合部の組織の粗大化発生を抑制するための手段として、前記従来の製造方法とは逆に、まず、基板と放熱体とを接合しておき、その後、基板表面に半導体チップを接合する方法が考えられる。しかしながら、この場合、基板と放熱体との接合温度を基板と半導体チップとの接合温度より高くし、半導体チップを基板に接合する際に、基板と放熱体との接合部が破損等することがないようにする必要がある。
【０００５】
しかしながら、一般に、パワーモジュールにおいては、基板と放熱体とは熱膨張係数が大きく異なるので、この熱膨張係数差に起因して、基板と放熱体との接合温度を従来より高くすると、基板及び放熱体に反りや割れが発生する場合がある。従って、このような製造方法では、パワーモジュールの高い接合信頼性を確保できないという前記問題を解決することはできない。
【０００６】
ところで、従来から、前記接合部を金属間化合物化すると、それ自体の強度が高められることについては知られている（例えば特許文献１参照）。
しかしながら、この従来の前記接合部の金属間化合物化を適用して基板と放熱体とを接合したパワーモジュールを温度サイクル下に置くと、前述の従来の製造方法により形成したパワーモジュールにおいて発生していた前記接合部の破損が、この金属間化合物化された前記接合部においても同様に発生するという問題があった。すなわち、従来の前記接合部の金属間化合物化をパワーモジュールに適用しても、使用温度サイクルに対して、前記接合部の高い接合信頼性を確保できないという問題があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−００１５２０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、使用に際して温度サイクル下に置かれた場合においても、高い接合信頼性を維持できる放熱体及びパワーモジュール並びに放熱体の製造方法及びパワーモジュールの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、被放熱体からの熱を放熱する放熱体であって、放熱体本体部と、該放熱体本体部の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とを備え、前記放熱体本体部は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成され、前記放熱体本体部と前記低熱膨張材とは、Ｓｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層を介して接合されていることを特徴とする。
【００１０】
この発明に係る放熱体によれば、放熱体本体部と低熱膨張材とがＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層を介して接合されているので、この接合部自体の強度の高強度化を図ることができるとともに、放熱体が温度サイクル下で使用される場合においても、放熱体本体部と低熱膨張材との接合部が熱により劣化することが最小限に抑制される。従って、放熱体において、放熱体本体部と低熱膨張材との高い接合信頼性が実現されることになる。
さらに、放熱体本体部は前記材料で形成されているので、放熱体本体部の変形抵抗を小さくすることができる。従って、金属間化合物層と放熱体本体部との熱膨張係数が異なっていた場合において、この放熱体が温度サイクル下で使用された場合、以下の作用を奏することになる。すなわち、放熱体本体部表面のうち金属間化合物層との当接面では、熱による膨張，収縮変形が高強度の金属間化合物層により拘束されるが、この当接面以外では、金属間化合物層により略拘束されず膨張，収縮変形することになる。これにより、この放熱体が温度サイクル下おかれた状態でも、金属間化合物層と，放熱体本体部との接合界面に作用する負荷が最小限に抑制され、放熱体の放熱体本体部と低熱膨張材との接合に対する高信頼性が確実に実現される。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の放熱体において、前記低熱膨張材には、これを貫通する孔が穿設されていることを特徴とする。
【００１２】
この発明に係る放熱体によれば、低熱膨張材に孔が穿設されているので、この孔に、純Ａｌ等の高熱伝導材である放熱体本体部と同一材質からなる孔埋め材を配設する構成を実現することができる。従って、放熱体が、低熱膨張材と放熱体本体部とが積層した構成であっても、放熱体本体部は放熱体の積層方向に連通することになる。これにより、被放熱体からの熱が、低熱膨張材の孔を介して放熱体の積層方向に確実に伝導し、この熱が外部に良好に放熱されることになる。従って、放熱体の熱膨張係数の低下と，熱伝導率の低下抑制との双方が確実に実現されることになり、この放熱体が、この放熱体全体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の被放熱体に接合された構成において、この構成が温度サイクル下で使用された場合でも、被放熱体及び放熱体に反りが発生することが確実に抑制される。これにより、低熱膨張材と放熱体本体部との接合部に作用する負荷の低減化を図ることができるので、この接合部の高い接合信頼性がより確実に実現されることになる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項２記載の放熱体において、前記孔は、前記低熱膨張材において、前記被放熱体と対応する領域に設けられた断面積より、該対応領域の周辺領域に設けられた断面積を大きくさせていることを特徴とする。
【００１４】
この発明に係る放熱体によれば、低熱膨張材において、被放熱体との対応領域に穿設された孔の断面積が、その対応領域の周辺領域に設けられた孔の断面積より小さくなっているので、放熱体の前記対応領域における曲げ剛性の低下が最小限に抑制され、被放熱体からの熱の影響で前記対応領域に反りが発生することが確実に抑制される。一方、前記周辺領域に穿設された孔の断面積が、前記対応領域に穿設された孔の断面積より大きくなっているので、被放熱体からの熱が放熱体の積層方向に良好に伝導されることになる。
以上により、この放熱体が、この放熱体全体の熱膨張係数と異なる熱膨張係数の被放熱体に接合された構成において、この構成が温度サイクル下で使用された場合でも、被放熱体及び放熱体に反りが発生することが確実に抑制される。従って、低熱膨張材と放熱体本体部との接合部に作用する負荷の低減化を図ることができるので、この接合部の高い接合信頼性がより確実に実現されることになる。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項２または３に記載の放熱体において、前記孔は、前記放熱体本体部と同一材質の部材により孔埋めされていることを特徴とする。
【００１６】
この発明に係る放熱体によれば、低熱膨張材に設けられた貫通孔に、いわゆる高熱伝導材である放熱体本体部と同一材質の部材により孔埋めされているので、低熱膨張材と放熱体本体部とが積層した構成においても、放熱体本体部は放熱体の積層方向に連通することになる。これにより、被放熱体からの熱が、低熱膨張材の孔を介して放熱体の積層方向に確実に伝導し、この熱が外部に良好に放熱されることになる。従って、放熱体の熱膨張係数の低下と，熱伝導率の低下抑制との双方が確実に実現されることになる。
以上により、この放熱体が、この放熱体全体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の被放熱体に接合された構成において、この構成が温度サイクル下で使用された場合でも、被放熱体及び放熱体に反りが発生することが確実に抑制される。従って、低熱膨張材と放熱体本体部との接合部に作用する負荷の低減化を図ることができるので、この接合部の高い接合信頼性がより確実に実現されることになる。なお、前記孔埋めをするに際しては、孔に放熱体の本体部と同一材質でかつ低熱膨張材の厚さと略同一厚さの平板を嵌合する，又は粉末材料を低熱膨張材の厚さ分だけ充密する等の方法がある。
【００１７】
請求項５に係る発明は、絶縁基板を有する絶縁回路基板と，該絶縁回路基板の一方の面に設けられた放熱体と，前記絶縁回路基板の他方の面に設けられた半導体チップとを備えたパワーモジュールであって、前記絶縁回路基板は、前記絶縁基板の一方の面に設けられた金属層を備え、前記放熱体は、少なくとも前記絶縁回路基板との当接面を構成する放熱体本体部を備え、前記放熱体本体部及び前記金属層は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成され、前記放熱体は、前記絶縁回路基板の一方の面にＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層を介して接合されていることを特徴とする。
【００１８】
この発明に係るパワーモジュールによれば、絶縁回路基板と放熱体とがＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層を介して接合されているので、この接合部自体の強度の高強度化を図ることができるとともに、パワーモジュールが温度サイクル下で使用される場合においても、絶縁回路基板と放熱体との接合部が熱により劣化することが最小限に抑制される。従って、パワーモジュールにおいて、絶縁回路基板と放熱体との高い接合信頼性が実現されることになる。
さらに、放熱体本体部及び前記金属層は、前記材料により形成されているので、これらの変形抵抗を小さくすることができる。従って、金属間化合物層と、放熱体及び金属層との熱膨張係数が異なっていた場合において、このパワーモジュールが温度サイクル下で使用された場合、以下の作用を奏することになる。すなわち、放熱体及び金属層の表面のうち金属間化合物層との当接面では、熱による膨張，収縮変形が高強度の金属間化合物層により拘束されるが、この当接面以外では、金属間化合物層により略拘束されず膨張，収縮変形することになる。これにより、このパワーモジュールが温度サイクル下おかれた状態でも、金属間化合物層と，放熱体及び金属層との接合界面に作用する負荷が抑制され、パワーモジュールの放熱体と絶縁回路基板との接合に対する高信頼性が確実に実現される。
【００１９】
請求項６に係る発明は、請求項５記載のパワーモジュールにおいて、前記放熱体が、請求項１から４のいずれかに記載の放熱体であることを特徴とする。
【００２０】
請求項７係る発明は、被放熱体の熱を放熱する放熱体の製造方法であって、放熱体本体部と、該放熱体本体部の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とを備え、前記放熱体本体部及び前記低熱膨張材の外表面うち少なくとも前記低熱膨張材の接合面表面にＮｉめっき層を形成するＮｉめっき層形成工程と、少なくとも前記Ｎｉめっき層表面にＳｎ系のはんだ層またはめっき層を形成するＳｎ系材料層形成工程と、前記放熱体本体部及び前記低熱膨張材の各接合面を前記Ｓｎ系材料層を介して当接させた状態で、これらを０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱し、前記Ｓｎ系材料層をＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層とし、前記放熱体本体部と前記低熱膨張材とを接合する加圧加熱工程とを有することを特徴とする。
【００２１】
この発明に係る放熱体の製造方法によれば、低熱膨張性を備えた放熱体が確実に形成され、従って、低熱膨張材と放熱体本体部との接合部に作用する負荷が最小限に抑制されるので、高い接合信頼性を具備した放熱体を確実に形成することができる。
【００２２】
請求項８に係る発明は、請求項７記載の放熱体の製造方法において、前記低熱膨張材は、前記Ｎｉめっき層形成工程を経るに際し予め、前記低熱膨張材表面にこれを貫通する孔を穿設する孔穿設工程と、前記孔に前記放熱体本体の材質と同一材質からなる孔埋め材を配設する孔埋め工程とを経ることを特徴とする。
【００２３】
この発明に係る放熱体の製造方法によれば、低熱膨張性のみならず高熱膨張性をも兼ね備えた放熱体が確実に形成され、従って、低熱膨張材と放熱体本体部との接合部に作用する負荷が最小限に抑制されるので、高い接合信頼性を具備した放熱体をより確実に形成することができる。
【００２４】
請求項９に係る発明は、絶縁基板を有する絶縁回路基板と，該絶縁回路基板の一方の面に設けられた放熱体と，前記絶縁回路基板の他方の面に設けられた半導体チップとを備えたパワーモジュールの製造方法であって、前記絶縁回路基板及び前記放熱体の両者または一方の外表面のうち少なくとも接合面にＮｉめっき層を形成するＮｉめっき層形成工程と、少なくとも前記Ｎｉめっき層表面にＳｎ系のはんだ層またはめっき層を形成するＳｎ系材料層形成工程と、前記絶縁回路基板及び前記放熱体の前記各接合面を前記Ｓｎ系材料層を介して当接させた状態で、これらを０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱し、前記Ｓｎ系材料層をＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層とし、前記絶縁回路基板と前記放熱体とを接合する加圧加熱工程と、前記絶縁回路基板表面に半導体チップを接合する半導体チップ接合工程とを有することを特徴とする。
【００２５】
この発明に係るパワーモジュールの製造方法によれば、前記Ｓｎ系材料層を形成する際に、予め、前記接合面にＮｉめっき層を形成しておくので、Ｓｎ系材料の良好な濡れ性が実現され、前記加圧加熱工程おける絶縁回路基板と放熱体との接合不良発生が抑制される。また、前記加圧加熱工程においては、前記圧力，温度，及び時間で行うので、Ｓｎ系材料層は確実にＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層になる。
また、前記半導体チップ接合工程を経るに際し、予め、絶縁回路基板と放熱体とを金属間化合物層を介して接合しておくので、絶縁回路基板と放熱体との接合部が、前記半導体チップ接合工程における熱により劣化することが抑制される。従って、絶縁回路基板と放熱体との接合部が熱劣化していないパワーモジュールを形成することができるので、このパワーモジュールを温度サイクル下で使用した場合においても、前記接合部が容易に劣化することが回避される。
【００２６】
請求項１０に係る発明は、請求項７から９のいずれかに記載の放熱体の製造方法またはパワーモジュールの製造方法において、前記Ｎｉめっき層は、Ｐ濃度が１２．０重量％以上であることを特徴とする。
【００２７】
この発明に係る放熱体の製造方法またはパワーモジュールの製造方法によれば、Ｎｉめっき層のリンＰ濃度が１２．０重量％以上であるので、このＮｉめっき層表面において良好なはんだの濡れ性が実現され、接合不良発生を確実に抑制することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１はこの発明の第一実施形態に係る放熱体及びこの放熱体を有するパワーモジュールを示す全体図である。
本第一実施形態のパワーモジュール１０は、図１に示すように、絶縁回路基板１８と、この回路基板１８側からの熱を放熱する放熱体１７と、放熱体１７に伝導した熱を外部へ放出する冷却シンク部３１と、絶縁回路基板１８上面に設けられた半導体チップ１３とを備えている。
【００２９】
絶縁回路基板１８は、例えばＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｓｉ_３Ｎ_４等により所望の大きさに形成された絶縁基板１４と、この絶縁基板１４の上面に設けられた回路層１５と、絶縁基板１４の下面に設けられた金属層１６とを備えている。
回路層１５及び金属層１６はそれぞれ、図示しないろう材またははんだを介して絶縁基板１４に積層接合され，例えば純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成され、特に、金属層１６については、純度９９．９８％以上の純Ａｌ、または純度９９．９８％以上の純Ｃｕで形成されるのが好ましい。この構成において、回路層１５上面にはんだ層２０を介して半導体チップ１３が接合されている。
【００３０】
放熱体１７は、放熱体本体部２１と低熱膨張材２２とを備え、低熱膨張材２２は放熱体本体部２１同士の間に金属間化合物層１９を介して積層接合された構成となっている。すなわち、放熱体１７は二枚の放熱体本体部２１と一枚の低熱膨張材２２との三層構造であって、絶縁回路基板１８側と冷却シンク部３１側とにそれぞれ放熱体本体部２１が配設された構成となっている。この構成において、絶縁回路基板１８側の放熱体本体部２１上面と、絶縁回路基板１８の金属層１６下面とが、金属間化合物層１９を介して接合されている。
ここで、放熱体本体部２１は、純Ａｌ若しくはＡｌ合金，好ましくは純度９９．５％以上の純Ａｌ、又は純Ｃｕ若しくはＣｕ合金，好ましくは純度９９．９％以上の純Ｃｕのような熱伝導性の良好な材質，いわゆる高熱伝導材によって形成されている。高熱伝導材としては、熱伝導率が例えば、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上，好ましくは１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものである。
【００３１】
一方、低熱膨張材２２は平板とされ、放熱体本体部２１の熱膨張係数より低い熱膨張係数の材質からなっており、放熱体本体部２１に積層接合することで、放熱体１７全体の熱膨張係数と絶縁回路基板１８側の熱膨張係数との差が可及的に近づくようになっている。この低熱膨張材２２は、Ｆｅ―Ｎｉ系合金，例えばインバー合金からなり、熱膨張係数がおよそ２．０×１０^−６／℃以下である。
ここで、インバー合金とは、室温付近でほとんど熱膨張が生じない合金であって、Ｆｅが６４．６ｍｏｌ％で、Ｎｉが３５．４ｍｏｌ％の組成率となっている。但し、Ｆｅ中には、それ以外の不可避不純物が含まれたものもインバー合金と呼ばれている。
【００３２】
低熱膨張材２２の厚さＡは、放熱体本体部２１の厚さＢの０．３倍以上１．３倍以下で形成されている。これは、放熱体本体部２１に低熱膨張材２１を積層接合すると、それだけ放熱体１７自体の熱伝導率が低下するため、この熱伝導率の低下を極力抑えるためであるとともに、この熱伝導率の低下を抑えるために、徒に低熱膨張材２２の厚さＡを薄くすると、放熱体１７自体の熱膨張係数に寄与する低熱膨張材２２の影響が小さくなり、放熱体１７自体の熱膨張係数が放熱体本体部２１の熱膨張係数と略同一となることを回避するためである。
すなわち、低熱膨張材２２の厚さＡを放熱体本体部２１の厚さＢの０．３倍以上１．３倍以下とすることにより、放熱体１７自体の熱膨張係数の低下，すなわち放熱体１７の反り発生抑制と、放熱体１７自体の熱伝導率の低下抑制との双方を図る構成となっている。
【００３３】
従って、低熱膨張材２２の厚さＡ，及び放熱体本体部２１の厚さＢは、放熱体本体部２１の材質に応じて、前記設定範囲内で適宜選択される。例えば、放熱体本体部２１を純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成した場合、前記厚さＡは、前記厚さＢの０．３倍以上１．３倍以下で形成され、一方、放熱体本体部２１を純Ｃｕ若しくはＣｕ合金により形成した場合、前記厚さＡは、前記厚さＢの０．３倍以上０．８倍以下で形成される。前者の場合、例えば、放熱体本体部２１の厚さＢが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の場合、低熱膨張材２２の厚さＡは０．１５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下で形成され、後者の場合、放熱体本体部２１の厚さＢが０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の場合、低熱膨張材２２の厚さＡは０．０９ｍｍ以上１．２ｍｍ以下で形成される。
【００３４】
このように放熱体本体部２１の材質に応じて、前記厚さＡを前記厚さＢに対して適宜設定することにより、放熱体１７自体の剛性及び熱膨張係数を、半導体チップ１３の発熱量，及び絶縁基板１４の大きさ，熱膨張係数等に適合させることができ、放熱体１７に反りが発生することを確実に抑制できる構成となっている。
【００３５】
この構成において、放熱体１７が冷却シンク部３１に取り付けられて使用されると、この冷却シンク部３１内の冷却液（或いは冷却空気）３２により、半導体チップ１３から放熱体１７に伝導される熱が外部に放熱されるようになっている。この放熱体１７は、冷却シンク部３１に取付ねじ３３によって密着した状態で取り付けられている。
【００３６】
次に、以上のように構成されたパワーモジュール１０を形成する製造方法について説明する。
まず、絶縁基板１４の上面に回路層１５を，下面に金属層１６をそれぞれ、はんだ付け，またはろう付けにより積層接合し、絶縁回路基板１８を形成する。
【００３７】
また、放熱体１７においては、放熱体本体部２１及び低熱膨張材２２の各表面に厚さ４．０μｍ以上，好ましくは４．０μｍ以上２０μｍ以下のＮｉめっき層を形成し、その後、このＮｉめっき層表面のうち、放熱体本体部２１及び低熱膨張材２２の互いに接合し合う面（以下、「接合面」という）に、Ｓｎ―３．５ＡｇからなるＳｎ系材料層を形成する。すなわち、図１において、絶縁回路基板１８側の放熱体本体部２１の下面側にＳｎ系材料層を形成し、また、低熱膨張材２２の上下面側にＳｎ系材料層を形成し、また、冷却シンク部３１側の放熱体本体部２１の上面側にＳｎ系材料層を形成する。
ここで、Ｎｉめっき層のリンＰ濃度は１２．０重量％以上，より好ましくは１２．０重量％以上１５．０重量％以下とされ、また、Ｓｎ系材料層はＳｎの含有率が８０％以上，より好ましくは９０％以上とされている。
【００３８】
その後、放熱体本体部２１及び低熱膨張材２２の前記各接合面の表面側に形成された前記Ｓｎ系材料層同士を当接した後、この状態で、０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱し、前記各Ｓｎ系材料層の全てを、Ｓｎ及びＮｉを主成分として含有する金属間化合物層１９にすることにより、放熱体本体部２１及び低熱膨張材２２が積層接合され放熱体１７が形成される。
【００３９】
次に、以上のように形成された放熱体１７の絶縁回路基板１８側の表面，及び絶縁回路基板１８の金属層１６下面に前述と同様のＮｉめっき層を形成し、さらに、これら各Ｎｉめっき層表面に前述と同様のＳｎ系材料層を形成する。その後、これら放熱体１７及び絶縁回路基板１８に形成された前記Ｓｎ系材料層同士を当接した状態で、０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱し、前記各Ｓｎ系材料層の全てを、Ｓｎ及びＮｉを主成分として含有する金属間化合物層１９にすることにより、絶縁回路基板１８と放熱体１７とが金属間化合物層１９を介して積層接合される。
【００４０】
その後、積層接合された放熱体１７及び絶縁回路基板１８において、絶縁回路基板１８の回路層１５上面に半導体チップ１３を載置保持した状態で３６０℃以上で加熱して、Ｐｂ−５Ｓｎによりはんだ接合し、パワーモジュール１０が形成される。
【００４１】
以上説明したように、本第一実施形態によるパワーモジュール１０によれば、放熱体１７の本体部２１と低熱膨張材２２とが、及び放熱体１７と絶縁回路基板１８とがそれぞれ、Ｓｎ及びＮｉを主成分として含有する金属間化合層１９により接合された構成となっているので、このパワーモジュール１０に高い接合信頼性を具備させることができる。すなわち、パワーモジュール１０において、放熱体１７と絶縁回路基板１８，及び放熱体本体部２１と低熱膨張材２２の各接合が金属間化合層１９を介してなされているので、これら各接合部の熱による劣化の発生等を抑制することができる。ここで、半導体チップ１３と絶縁回路基板１８との接合部であるはんだ層２０は、一般に、Ｐｂ−５Ｓｎ等の比較的高い接合温度を要するはんだでなされるので、熱による劣化等は生じ難いようになっている。
以上により、半導体チップ１３の発熱によりこのパワーモジュール１０が加熱等されて使用される場合においても、前記各接合部の熱による劣化発生等が最小限に抑制されるので、高い接合信頼性を有するパワーモジュール１０を提供することができる。
【００４２】
また、金属間化合物層１９は、一般のはんだ層と比べると高強度となるので、この層１９の破断強度の向上，すなわち接合強度の向上を図ることができるが、その反面、この金属間化合物層１９の熱膨張係数が，この層１９により接合される部材（金属層１６，放熱体本体部２１，低熱膨張材２２）の熱膨張係数と異なっている構成において、これを温度サイクル下で使用すると、高強度の金属間化合物層１９が前記各部材１６，２１，２２の熱変形を拘束し、これらの接合部が破損することが考えられる。
【００４３】
しかしながら、本実施形態においては、金属間化合物層１９により接合される部材の少なくとも一方は、変形抵抗の小さい純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成されているので、パワーモジュール１０が温度サイクル下で使用される場合においても、放熱体本体部２１及び金属層１６の各表面において、金属間化合物層１９との接合部では熱による膨張，収縮変形が金属間化合物層１９により拘束されるが、この接合部以外では金属間化合物層１９により略拘束されずに膨張，収縮変形することになる。従って、パワーモジュール１０を温度サイクル下で使用した場合においても、金属間化合物層１９と前記各部材１６，２１，２２との接合界面に作用する負荷が最小限に抑制され、パワーモジュール１０を構成する各接合部に対する高信頼性を確実に実現することができる。
【００４４】
さらに、放熱体１７は低熱膨張材２２を備えているので、放熱体１７の熱膨張係数を可及的に小さくし、絶縁回路基板１８側の熱膨張係数に近づけることができる。従って、このパワーモジュール１０が温度サイクル下で使用された場合においても、絶縁回路基板１８及び放熱体１７に反りが発生することを抑制することができる。これにより、金属間化合物層１９と前記接合された部材１６，２１，２２との各接合界面に作用する負荷がより確実に抑制されるので、パワーモジュール１０を構成する各接合部に対する高信頼性をより確実に実現することができる。
【００４５】
また、低熱膨張材２２の厚さＡは、放熱体本体部２１の厚さＢの０．３倍以上１．３倍以下で形成されているため、放熱体１７自体の熱伝導率を低下させることなく、熱膨張係数の低下を図ることができる。
すなわち、低熱膨張材２２の厚さＡを、放熱体本体部２１の厚さＢの０．３倍以下で形成すると、放熱体１７自体の熱伝導率の低下を抑制することはできるが、放熱体１７自体の熱膨張係数に寄与する低熱膨張材２２の影響が小さくなり、放熱体１７自体の熱膨張係数が、高熱膨張材である放熱体本体部２１のものと略同一となる。また、低熱膨張材２２の厚さＡを、放熱体本体部２１の厚さＢの１．３倍以上で形成すると、放熱体１７自体の熱膨張係数の低下を図ることができるが、放熱体１７自体の熱伝導率が低下することになる。
以上により、低熱膨張材２２の厚さＡを放熱体本体部２１の厚さＢの０．３倍以上１．３倍以下で形成することにより、放熱体１７の熱膨張係数の低下，すなわち放熱体１７の反り発生抑制と、放熱体１７の熱伝導率の低下抑制とを両立させることができる。従って、金属間化合物層１９と前記接合された部材１６，２１，２２との接合界面に作用する負荷がより確実に抑制され、パワーモジュール１０を構成する各接合部に対する高信頼性をより確実に実現することができる。
【００４６】
また、放熱体本体部２１と低熱膨張材２２との接合、及び絶縁回路基板１８と放熱体１７との接合に際し、予め各接合面にリンＰ濃度が１２重量％濃度以上のＮｉめっき層を厚さ４．０μｍ以上で形成しておくので、前記各接合面側に良好なはんだの濡れ性を付与することができるとともに、前記Ｓｎ系材料層を確実にＮｉ及びＳｎを主成分として含有する金属間化合物層１９とすることができる。特に、本実施形態においては、Ｓｎ系材料層をＳｎの含有率が８０％以上のＳｎ―３．５Ａｇにより形成したので、前記良好なはんだの濡れ性，及び金属間化合物層１９の形成をより確実に実現することができ、前記各部材１６，２１，２２の接合不良発生を確実に抑制することができる。また、加圧加熱工程は前記圧力，温度，及び時間で行うので、Ｓｎ系材料層の全てを確実にＳｎ及びＮｉを主成分として含有する金属間化合物層１９にすることができる。
【００４７】
さらに、半導体チップ１３を絶縁回路基板１８に接合するに際し予め、放熱体本体部１７と低熱膨張材２２とを、及び絶縁回路基板１８と放熱体１７とをそれぞれ、金属間化合物層１９を介して接合するので、形成されたパワーモジュール１０を構成する各接合部の接合強度の低下発生を抑制することができる。
【００４８】
すなわち、半導体チップ１３と絶縁回路基板１８との接合は、Ｐｂ−５Ｓｎ等の比較的高い接合温度を要するはんだでなされるので、放熱体本体部２１と低熱膨張材２２とを、及び前記基板１８と放熱体１７とをそれぞれ、金属間化合物層１９の替わりにはんだ層またはろう材層を介して接合した後に、半導体チップ１３の前記はんだ接合を行うと、放熱体本体部２１と低熱膨張材２２、及び前記基板１８と放熱体１７の各接合部は、熱劣化，組織の粗大化等が発生する場合がある。しかしながら、これらの各接合部は金属間化合物層１９とされているので、半導体チップ１３接合時の高温加熱による熱劣化，組織の粗大化等の発生を抑制することができる。従って、このパワーモジュール１０を温度サイクル下で使用した場合においても、前記各接合部の接合信頼性が低下することを回避することができる。
特に、本実施形態においては、Ｓｎ系材料層の全ての部位を金属間化合物化しているので、前記各接合部の接合信頼性の向上を確実に図ることができる。
【００４９】
次に、本発明の第二実施形態について説明するが、前述の第一実施形態と同様の部位には、同一符号を付し、その説明を省略する。
本第二実施形態によるパワーモジュールにおいては、図２，図３に示すように、低熱膨張材２２にこれを貫通する孔４１が複数穿設されている。これらの孔４１には、放熱体本体部２１と同一材質でかつ低熱膨張材２２の厚さと略同一厚さの平板４２が嵌合され，又は粉末材料４２が低熱膨張材２２の厚さ分だけ充密され、この低熱膨張材２２の上下面に平板状の放熱体本体部２１が金属間化合物層１９を介して積層接合された構成となっている。
【００５０】
換言すれば、低熱膨張材２２表裏面に放熱体本体部２１が積層して設けられ、これら放熱体本体部２１は、孔４１に設けられた平板又は粉末材料４２を介して連通した構成となっている。すなわち、この孔４１は、放熱体１７に低熱膨張材２２を設けると、それだけ熱伝導率が低下するので、その熱伝導率が低下するのを極力抑えるようにするためのものである。また、孔４１は、図３に示すように、低熱膨張材２２において、絶縁回路基板１８と対応する領域Ｘには孔４１の穿設される数を少なくするとともに、前記対応領域Ｘの周辺領域Ｙには孔４１の穿設される数を多くしている。
【００５１】
つまり、低熱膨張材２２において絶縁回路基板１８との対応領域Ｘと、これを除く周辺領域Ｙとでは、孔４１の断面積の分布が異なった構成となっている。これは、対応領域Ｘにおける放熱体１７の曲げに対する剛性低下と、放熱体１７全体の熱伝導率の低下とを最小限に抑制するためのものである。ここで、低熱膨張材２２に穿設される孔４１の数が徒らに増えると、低熱膨張材としての機能を果たし難くなることから、低熱膨張材２２の表面積に対し、絶縁回路基板１８，放熱体本体部２１及び低熱膨張材２２の材質等に基づき、およそ３０％以上７０％以下の割合の面積で孔４１が形成される。このうち、前記対応領域Ｘにおいては、４０％以上７０％以下の割合で、前記周辺領域Ｙにおいては、３０％以上５０％以下の割合の面積で孔４１が形成される。なお、孔４１は、本実施形態では丸孔を示したが、その形状は任意である。
【００５２】
以上のように構成された本第二実施形態による放熱体の製造方法について説明する。
まず、低熱膨張材２２の表面にこれを貫通する孔４１を穿設する。その後、この孔４１に、放熱体本体部２１と同一材質の平板４２を嵌合，または粉末材料４２を充密する。この際、低熱膨張材２２の表面が面一になるように前記嵌合または充密を行う。以降、前記第一実施形態による放熱体の製造方法と同様にして、放熱体本体部２１及び低熱膨張材２２にＮｉめっき層形成，Ｓｎ系材料層形成を順じ施し、その後、これらを加圧加熱し、前記Ｓｎ系材料層を全て金属間化合物層１９にし、これら各部材２１，２２を接合して放熱体１７を形成する。さらに、前記第一実施形態と同様にして、放熱体１７と絶縁回路基板１８と接合し、パワーモジュール１０が形成される。
【００５３】
以上説明したように、本第二実施形態による放熱体によれば、低熱膨張材２２に複数の孔４１が設けられ、これらの孔４１は平板又は粉末材料４２により孔埋めされているので、いわゆる高熱膨張材が放熱体１７の積層方向に連通した構成を実現することができ、絶縁回路基板１８側の放熱体本体部２１から冷却シンク部３１側の放熱体本体部２１への熱伝導を良好に行うことができるので、放熱体１７本来の放熱効果を的確に果たすことができる。
【００５４】
しかも孔４１は、図３に示すように、絶縁回路基板１８との対応領域Ｘでは、その周辺領域Ｙより少ない個数で穿設され、孔４１の占有面積が周辺領域Ｙでのそれより少なくした構成となっているので、放熱体１７の対応領域Ｘにおける曲げに対する剛性低下を最小限に抑制することができる一方、周辺領域Ｙにおける孔４１の占有面積が対応領域Ａより大きくなることで、放熱体１７全体の熱伝導率の低下を最小限に抑制することができる。
さらに、孔４１は、低熱膨張材２２にこの表面積の３０％以上７０％以下を占有するように形成されているので、低熱膨張材２２の曲げ剛性の低下を確実に抑制することができるとともに、絶縁回路基板１８からの熱を放熱体１７の積層方向に確実に伝導することができる。
【００５５】
以上により、半導体チップ１３の発熱は、放熱体１７の厚さ方向に良好に伝導し放熱されるので、パワーモジュール１０自体が高温になることを確実に回避できるとともに、放熱体１７の曲げに対する剛性低下を最小限に抑制できる。従って、放熱体本体部２１と低熱膨張材２２，及び絶縁回路基板１８と放熱体１７の各接合部に作用する負荷を確実に低減することができ、さらに、これらの各接合は金属間化合物層１９によりなされているので、前記各接合部の接合信頼性の向上を確実に図ることができる。
【００５６】
なお、前述の第一，第二実施形態では、放熱体本体部２１に積層された低熱膨張材２２として、Ｆｅ―Ｎｉ系合金を用いた例を示したが、他の低熱膨張材、例えば高炭素鋼（Ｆｅ−Ｃ）、４２合金、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等で構成しても、同様の作用効果が得られる。
さらに、放熱体１７下面に冷却シンク部３１を設けた構成を示したが、この構成に限らず、コルゲートフィンを設けた構成としてもよい。すなわち、放熱体１７表面にろう材を介して接合された接合部と、接合部の一端に設けられ接合部と直交して立上がる立上がり部と、立上がり部の上端に設けられ接合部に平行且つ離間する方向に延びる平坦部と、平坦部の一端に設けられ平坦部に直交且つ放熱体１７に向かって折返る折返し部とを備えた突出部を、放熱体１７の沿面方向に沿って繰返し連続して設けた構成としてもよい。なお、この構成においては、立上がり部と平坦部と折返し部と放熱体１７表面とが空間を形成することになる。
【００５７】
また、前記第二実施形態においては、孔４１に、放熱体本体部２１と同一材質からなる平板又は粉末材料４２を配設し孔埋めをした構成を示したが、放熱体本体部２１と平板又は粉末材料４２とが互いに異種材質からなる構成であっても、特に、放熱体本体部２１を純Ａｌ又はＡｌ合金とし，平板又は粉末材料４２を純Ｃｕ又はＣｕ合金とした構成であってもよい。この場合は、放熱体本体部２１と平板又は粉末材料４２とを互いに異種材料としたときの不具合の発生を最小限に抑制することができるからである。
【００５８】
さらに、前記第一，第二実施形態においては、放熱体本体部２１と低熱膨張材２２とを接合するに際して、これらの各接合面にＮｉめっき層を形成したが、放熱体本体部２１を純ＣｕまたはＣｕ合金で形成した場合には、放熱体本体部２１の接合面にＮｉめっき層を形成しなくてもよい。純Ｃｕ及びＣｕ合金は、必要十分なはんだの濡れ性を確保することができるからである。
【００５９】
さらにまた、Ｓｎ系材料層の形成をいわゆる印刷法を適用して形成することで、高効率生産を実現することもでき、また、電解めっき処理を施すことによりＳｎ系材料層を形成してもよい。
また、放熱体１７を低熱膨張材２２を上下面から挟んで放熱体本体部２１を積層した３層構造を示したが、この構成に限らず、低熱膨張材２２を有さない構成でもよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るパワーモジュール及び放熱体並びにパワーモジュールの製造方法及び放熱体の製造方法によれば、接合部の高強度化を図ることができるとともに、パワーモジュール及び放熱体が温度サイクル下におかれた場合でも、接合部としての金属間化合物層に作用する負荷を最小限に抑制することができるので、この接合部に高い接合信頼性を具備させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第一実施形態に係る放熱体を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】この発明の第二実施形態に係る放熱体を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
【図３】図２に示す低熱膨張材の平面図である。
【符号の説明】
１０パワーモジュール
１３半導体チップ
１４絶縁基板
１５回路層
１６金属層
１７放熱体
１８絶縁回路基板
１９金属間化合物層
２１放熱体本体部
２２低熱膨張材
４１孔
４２平板または粉末材料（孔埋め材）
Ａ低熱膨張材の厚さ
Ｂ放熱体本体部の厚さ
Ｘ絶縁回路基板（被放熱体）と対応する領域
Ｙ周辺領域[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a radiator and a power module used in a semiconductor device for controlling a large voltage and a large current, a method for manufacturing a radiator, and a method for manufacturing a power module.
[0002]
[Prior art]
A conventional power module of this type has a configuration in which an insulated circuit board having an insulating board (hereinafter, referred to as a “substrate”) and a radiator are laminated and joined, and a semiconductor chip is joined to the surface of the insulated circuit board. Is common.
Conventionally, when forming this power module, it is bonded at a high temperature of 360 ° C. or more to ensure high reliability of bonding of the semiconductor chip, so that thermal deterioration of the bonding portion between the insulated circuit board and the radiator is prevented. To this end, a method has been adopted in which, first, a semiconductor chip is soldered to the surface of a substrate, and then the substrate is soldered to a radiator at 250 ° C.
[0003]
However, in this method of manufacturing a power module, after the semiconductor chip is bonded to the substrate surface, the semiconductor chip is further heated and bonded to the substrate and the heat radiator. In some cases, the structure of the layer became coarse. Therefore, when this power module is actually used, cracks may occur in the solder layer due to temperature cycles applied to the solder layer due to heat generation of the semiconductor chip, etc. There has been a problem that high joining reliability of the module cannot be ensured.
[0004]
As means for suppressing the occurrence of coarsening of the structure of the bonding portion between the semiconductor chip and the substrate, contrary to the conventional manufacturing method, the substrate and the heat radiator are first bonded, and then the substrate surface is A method of joining a semiconductor chip to a semiconductor device can be considered. However, in this case, when the bonding temperature between the substrate and the heat radiator is higher than the bonding temperature between the substrate and the semiconductor chip, and when the semiconductor chip is bonded to the substrate, the bonding portion between the substrate and the heat radiator may be damaged. Need not be.
[0005]
However, in general, in a power module, the substrate and the radiator have a large difference in thermal expansion coefficients. The body may be warped or cracked. Therefore, such a manufacturing method cannot solve the above-mentioned problem that high joining reliability of the power module cannot be secured.
[0006]
By the way, conventionally, it has been known that the strength of the joint itself is increased when the joint is formed into an intermetallic compound (for example, see Patent Document 1).
However, when the conventional power module in which the substrate and the heat radiator are bonded by applying the conventional intermetallic compounding of the bonding portion is subjected to a temperature cycle, this occurs in the power module formed by the above-described conventional manufacturing method. In addition, there has been a problem that the joint is damaged similarly in the intermetallic compounded joint. That is, even if the conventional intermetallic compounding of the joint is applied to the power module, there is a problem that high joint reliability of the joint cannot be ensured with respect to a use temperature cycle.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-001520
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such circumstances, and a radiator and a power module which can maintain high bonding reliability even when placed under a temperature cycle during use, a method of manufacturing the radiator, and a power supply. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a module.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention proposes the following means.
The invention according to claim 1 is a radiator that radiates heat from a radiator, comprising: a radiator main body; and a low thermal expansion material made of a material having a lower thermal expansion coefficient than the radiator main body. The radiator body is formed of pure Al, an Al alloy, pure Cu, or a Cu alloy, and the radiator body and the low thermal expansion material are joined via an intermetallic compound layer containing Sn and Ni. It is characterized by having been done.
[0010]
According to the radiator according to the present invention, since the radiator main body and the low thermal expansion material are joined via the intermetallic compound layer containing Sn and Ni, the strength of the joint itself can be increased. In addition to this, even when the radiator is used under a temperature cycle, the deterioration of the joint between the radiator body and the low thermal expansion material due to heat is suppressed to a minimum. Therefore, in the radiator, high bonding reliability between the radiator main body and the low thermal expansion material is realized.
Further, since the radiator body is formed of the above-described material, the deformation resistance of the radiator body can be reduced. Therefore, when the intermetallic compound layer and the radiator body have different coefficients of thermal expansion, when the radiator is used under a temperature cycle, the following effects are exerted. That is, expansion and contraction deformation due to heat are restrained by the high-strength intermetallic compound layer on the surface of the radiator main body surface that is in contact with the intermetallic compound layer. It is not substantially restrained by the layer and expands and contracts. This minimizes the load acting on the joint interface between the intermetallic compound layer and the radiator body even when the radiator is subjected to a temperature cycle, and reduces the heat dissipation of the radiator body. High reliability for joining with the expansion material is reliably realized.
[0011]
According to a second aspect of the present invention, in the heat radiator of the first aspect, the low thermal expansion material has a hole formed therethrough.
[0012]
According to the heat radiator of the present invention, since the hole is formed in the low thermal expansion material, a hole filling material made of the same material as the heat radiator body, which is a high heat conductive material such as pure Al, is provided in the hole. The configuration can be realized. Therefore, even if the heat radiator has a configuration in which the low thermal expansion material and the heat radiator main body are laminated, the heat radiator main body communicates in the laminating direction of the heat radiator. Thereby, the heat from the heat radiating body is reliably conducted in the laminating direction of the heat radiating body through the hole of the low thermal expansion material, and this heat is radiated well to the outside. Therefore, both the reduction of the thermal expansion coefficient of the radiator and the suppression of the reduction of the thermal conductivity are surely realized, and the radiator has a lower thermal expansion coefficient than that of the entire radiator. In the configuration joined to the heat radiator, even when this configuration is used under a temperature cycle, the warpage of the heat radiator and the heat radiator is reliably suppressed. As a result, the load acting on the joint between the low thermal expansion material and the radiator body can be reduced, so that high joining reliability of this joint can be realized more reliably.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, in the radiator according to the second aspect, the hole is formed in a peripheral region of the corresponding region from a cross-sectional area provided in the region corresponding to the radiator in the low thermal expansion material. It is characterized in that the provided cross-sectional area is increased.
[0014]
According to the radiator according to the present invention, in the low thermal expansion material, the cross-sectional area of the hole formed in the region corresponding to the radiator is smaller than the cross-sectional area of the hole provided in the peripheral region of the corresponding region. Therefore, a decrease in bending stiffness of the radiator in the corresponding region is suppressed to a minimum, and the occurrence of warpage in the corresponding region due to the influence of heat from the radiator is reliably suppressed. On the other hand, since the cross-sectional area of the hole formed in the peripheral region is larger than the cross-sectional area of the hole formed in the corresponding region, the heat from the radiator is favorably transferred in the stacking direction of the radiator. Will be conducted.
As described above, in a configuration in which this heat radiator is joined to a heat radiator having a thermal expansion coefficient different from that of the entire heat radiator, even when this configuration is used under a temperature cycle, the heat radiator and heat radiation The occurrence of warpage in the body is reliably suppressed. Therefore, it is possible to reduce the load acting on the joint between the low-thermal-expansion material and the radiator body, so that high joining reliability of this joint is more reliably realized.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, in the radiator according to the second or third aspect, the hole is filled with a member made of the same material as the radiator body.
[0016]
According to the radiator according to the present invention, since the through holes provided in the low thermal expansion material are filled with the same material as the radiator main body, which is a so-called high thermal conductive material, the low thermal expansion material and the radiator Even in the configuration in which the main body is laminated, the radiator main body communicates with the radiator in the laminating direction. Thereby, the heat from the heat radiating body is reliably conducted in the laminating direction of the heat radiating body through the hole of the low thermal expansion material, and this heat is radiated well to the outside. Therefore, both the reduction of the thermal expansion coefficient of the radiator and the suppression of the reduction of the thermal conductivity are reliably realized.
As described above, in a configuration in which this heat radiator is joined to a heat radiator having a thermal expansion coefficient lower than that of the entire heat radiator, even if this configuration is used under a temperature cycle, the heat radiator and heat radiation The occurrence of warpage in the body is reliably suppressed. Therefore, it is possible to reduce the load acting on the joint between the low-thermal-expansion material and the radiator body, so that high joining reliability of this joint is more reliably realized. When filling the hole, a flat plate of the same material as that of the main body of the heat radiator and having substantially the same thickness as that of the low thermal expansion material is fitted into the hole, or the powder material is added by the thickness of the low thermal expansion material. There is a method such as only compacting.
[0017]
The invention according to claim 5 includes an insulated circuit board having an insulated board, a radiator provided on one surface of the insulated circuit board, and a semiconductor chip provided on the other surface of the insulated circuit board. A power module, wherein the insulated circuit board includes a metal layer provided on one surface of the insulated board, and the radiator has a radiator body at least forming a contact surface with the insulated circuit board. A radiator body and the metal layer are formed of pure Al, an Al alloy, pure Cu, or a Cu alloy, and the radiator includes Sn and Ni on one surface of the insulating circuit board. Characterized in that they are joined via an intermetallic compound layer.
[0018]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the power module which concerns on this invention, since the insulated circuit board and the heat radiator are joined via the intermetallic compound layer containing Sn and Ni, the intensity | strength of this joint part itself is made high. In addition to the above, even when the power module is used under a temperature cycle, deterioration of the joint between the insulated circuit board and the heat radiator due to heat is minimized. Therefore, in the power module, high bonding reliability between the insulated circuit board and the radiator is realized.
Furthermore, since the radiator body and the metal layer are formed of the above-mentioned material, their deformation resistance can be reduced. Therefore, when the intermetallic compound layer and the heat radiator and the metal layer have different coefficients of thermal expansion, when the power module is used under a temperature cycle, the following effects are exerted. That is, on the surface of the heat dissipator and the metal layer that is in contact with the intermetallic compound layer, expansion and contraction deformation due to heat are restrained by the high-strength intermetallic compound layer. It is not substantially restricted by the inter-compound layer and expands and contracts. As a result, even when the power module is subjected to a temperature cycle, the load acting on the joint interface between the intermetallic compound layer, the heat radiator and the metal layer is suppressed, and the heat radiator of the power module and the insulated circuit board can be connected. High reliability for bonding is reliably achieved.
[0019]
According to a sixth aspect of the present invention, in the power module according to the fifth aspect, the radiator is the radiator according to any one of the first to fourth aspects.
[0020]
The invention according to claim 7 is a method for manufacturing a radiator for radiating heat of a radiator, comprising: a radiator main body; and a low thermal expansion material made of a material having a lower thermal expansion coefficient than the radiator main body. A Ni plating layer forming step of forming a Ni plating layer on at least a joining surface of the low thermal expansion material among the outer surfaces of the radiator body and the low thermal expansion material; and a Sn-based solder layer on at least the Ni plating layer surface. Alternatively, in a state where the Sn-based material layer forming step of forming a plating layer and the bonding surfaces of the radiator body and the low-thermal-expansion material are in contact with each other via the Sn-based material layer, these are 0.05 MPa or more. And pressurizing and heating at 230 ° C. or more and for 1 hour or more to form the Sn-based material layer as an intermetallic compound layer containing Sn and Ni, and to pressurize the radiator body and the low thermal expansion material. Heating step The features.
[0021]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the manufacturing method of the radiator of this invention, the radiator with low thermal expansion property is reliably formed, Therefore, the load which acts on the junction part of a low thermal expansion material and a radiator main body is suppressed to the minimum. Therefore, a radiator having high bonding reliability can be reliably formed.
[0022]
According to an eighth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a radiator according to the seventh aspect, the low thermal expansion material has a hole that penetrates the surface of the low thermal expansion material in advance before passing through the Ni plating layer forming step. And a hole filling step of disposing a hole filling material made of the same material as the material of the radiator body in the hole.
[0023]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the manufacturing method of the heat radiator which concerns on this invention, the heat radiator which has not only low thermal expansion property but high thermal expansion property is formed reliably, Therefore, it acts on the junction part of a low thermal expansion material and a radiator body part. Since the applied load is minimized, a radiator having high bonding reliability can be more reliably formed.
[0024]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided an insulated circuit board having an insulated board, a radiator provided on one surface of the insulated circuit board, and a semiconductor chip provided on the other surface of the insulated circuit board. A method for manufacturing a power module, comprising: a Ni plating layer forming step of forming a Ni plating layer on at least a bonding surface of both or one of outer surfaces of the insulating circuit board and the heat radiator; Forming an Sn-based solder layer or a plating layer on the Sn-based material layer; and forming the Sn-based material layer and the heat radiator in contact with each other via the Sn-based material layer. Is pressurized and heated at 0.05 MPa or more, 230 ° C. or more, and 1 hour or more, so that the Sn-based material layer is an intermetallic compound layer containing Sn and Ni. And pressurizing and heating step of joining, and having a semiconductor chip bonding step of bonding the semiconductor chip to the insulating circuit board surface.
[0025]
According to the method of manufacturing a power module according to the present invention, when forming the Sn-based material layer, a Ni plating layer is previously formed on the bonding surface, so that good wettability of the Sn-based material is realized. Thus, the occurrence of defective bonding between the insulating circuit board and the heat radiator in the pressure heating step is suppressed. In addition, since the pressure, temperature, and time are used in the pressurizing and heating step, the Sn-based material layer surely becomes an intermetallic compound layer containing Sn and Ni.
Further, when the semiconductor chip bonding step is performed, the insulated circuit board and the radiator are bonded in advance via an intermetallic compound layer, so that the bonding portion between the insulated circuit board and the radiator is formed by the semiconductor chip bonding. Deterioration due to heat in the process is suppressed. Therefore, it is possible to form a power module in which the junction between the insulated circuit board and the radiator is not thermally degraded. Even when this power module is used under a temperature cycle, the junction is easily deteriorated. Is avoided.
[0026]
According to a tenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a radiator or the power module according to any one of the seventh to ninth aspects, the Ni plating layer has a P concentration of 12.0% by weight or more. It is characterized by.
[0027]
According to the method for manufacturing a heat radiator or the method for manufacturing a power module according to the present invention, since the phosphorus P concentration of the Ni plating layer is 12.0% by weight or more, good solder wettability on the surface of the Ni plating layer. Therefore, it is possible to surely suppress the occurrence of defective bonding.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall view showing a radiator according to a first embodiment of the present invention and a power module having the radiator.
As shown in FIG. 1, the power module 10 according to the first embodiment includes an insulated circuit board 18, a radiator 17 for radiating heat from the circuit board 18, and a heat conducted to the radiator 17 to the outside. The semiconductor device includes a cooling sink part 31 for discharging and a semiconductor chip 13 provided on the upper surface of the insulating circuit board 18.
[0029]
The insulating circuit board 18 is made of, for example, AlN, Al ₂ O ₃ , Si ₃ N ₄ It has an insulating substrate 14 formed in a desired size by, for example, a circuit layer 15 provided on the upper surface of the insulating substrate 14, and a metal layer 16 provided on the lower surface of the insulating substrate 14.
The circuit layer 15 and the metal layer 16 are respectively laminated and joined to the insulating substrate 14 via a brazing material or solder (not shown), and are formed of, for example, pure Al, an Al alloy, pure Cu, or a Cu alloy. Is preferably formed of pure Al having a purity of 99.98% or more or pure Cu having a purity of 99.98% or more. In this configuration, the semiconductor chip 13 is joined to the upper surface of the circuit layer 15 via the solder layer 20.
[0030]
The radiator 17 includes a radiator main body 21 and a low thermal expansion material 22, and the low thermal expansion material 22 is configured to be laminated and joined between the radiator main bodies 21 via the intermetallic compound layer 19. . That is, the heat radiator 17 has a three-layer structure of two heat radiator body portions 21 and one low thermal expansion material 22, and the heat radiator body portions 21 are provided on the insulating circuit board 18 side and the cooling sink portion 31 side, respectively. Is arranged. In this configuration, the upper surface of the radiator body 21 on the side of the insulating circuit board 18 and the lower surface of the metal layer 16 of the insulating circuit board 18 are joined via the intermetallic compound layer 19.
Here, the radiator body 21 is made of heat such as pure Al or Al alloy, preferably pure Al having a purity of 99.5% or more, or pure Cu or Cu alloy, preferably pure Cu having a purity of 99.9% or more. It is formed of a material having good conductivity, a so-called high heat conductive material. The high thermal conductive material has a thermal conductivity of, for example, 100 W / m · K or more, preferably 150 W / m · K or more.
[0031]
On the other hand, the low thermal expansion material 22 is a flat plate and is made of a material having a lower thermal expansion coefficient than that of the radiator main body 21. The difference between the expansion coefficient and the thermal expansion coefficient on the insulating circuit board 18 side is made as close as possible. The low thermal expansion material 22 is made of a Fe—Ni alloy, for example, an invar alloy, and has a thermal expansion coefficient of about 2.0 × 10 ^-6 / ° C or lower.
Here, the invar alloy is an alloy that hardly undergoes thermal expansion near room temperature, and has a composition ratio of 64.6 mol% of Fe and 35.4 mol% of Ni. However, Fe containing other unavoidable impurities is also called an Invar alloy.
[0032]
The thickness A of the low thermal expansion material 22 is 0.3 to 1.3 times the thickness B of the radiator body 21. The reason for this is that when the low thermal expansion material 21 is laminated and joined to the radiator body 21, the thermal conductivity of the radiator 17 itself is reduced accordingly, so that the decrease in the thermal conductivity is suppressed as much as possible. If the thickness A of the low-thermal-expansion material 22 is reduced in order to suppress the decrease in the thermal expansion coefficient, the influence of the low-thermal-expansion material 22 contributing to the thermal expansion coefficient of the radiator 17 itself is reduced, and the thermal expansion coefficient of the radiator 17 itself is reduced. This is for avoiding that the heat expansion coefficient becomes substantially the same as the thermal expansion coefficient of the radiator body 21.
That is, by setting the thickness A of the low thermal expansion material 22 to 0.3 times or more and 1.3 times or less the thickness B of the radiator main body 21, the thermal expansion coefficient of the radiator 17 itself decreases, that is, the radiator The configuration is such that both the generation of the warp 17 and the reduction in the thermal conductivity of the radiator 17 itself are suppressed.
[0033]
Accordingly, the thickness A of the low thermal expansion material 22 and the thickness B of the radiator main body 21 are appropriately selected within the above-described setting range according to the material of the radiator main body 21. For example, when the radiator main body 21 is formed of pure Al or an Al alloy, the thickness A is formed to be 0.3 to 1.3 times the thickness B, while the radiator main body 21 is formed. Is formed of pure Cu or Cu alloy, the thickness A is formed to be 0.3 times or more and 0.8 times or less of the thickness B. In the former case, for example, when the thickness B of the radiator body 21 is 0.5 mm or more and 2.0 mm or less, the thickness A of the low thermal expansion material 22 is formed in the range of 0.15 mm or more and 1.5 mm or less. In this case, when the thickness B of the heat radiator body 21 is 0.3 mm or more and 1.5 mm or less, the thickness A of the low thermal expansion material 22 is formed to be 0.09 mm or more and 1.2 mm or less.
[0034]
By appropriately setting the thickness A with respect to the thickness B in accordance with the material of the radiator body 21 in this way, the rigidity and thermal expansion coefficient of the radiator 17 itself can be reduced by the heat generation amount of the semiconductor chip 13. , And the size of the insulating substrate 14, the coefficient of thermal expansion, and the like, so that the radiator 17 can be reliably prevented from warping.
[0035]
In this configuration, when the radiator 17 is used by being attached to the cooling sink 31, the heat conducted from the semiconductor chip 13 to the radiator 17 by the cooling liquid (or cooling air) 32 in the cooling sink 31. Is radiated to the outside. The heat radiator 17 is attached to the cooling sink portion 31 in a state of being in close contact with the attachment screw 33.
[0036]
Next, a method of manufacturing the power module 10 configured as described above will be described.
First, the circuit layer 15 is bonded to the upper surface of the insulating substrate 14 and the metal layer 16 is bonded to the lower surface thereof by soldering or brazing, thereby forming an insulating circuit substrate 18.
[0037]
In the radiator 17, a Ni plating layer having a thickness of 4.0 μm or more, preferably 4.0 μm or more and 20 μm or less is formed on each surface of the radiator body 21 and the low thermal expansion material 22. An Sn-based material layer made of Sn-3.5Ag is formed on a surface of the layer where the radiator body 21 and the low thermal expansion material 22 are bonded to each other (hereinafter, referred to as a “bonding surface”). That is, in FIG. 1, an Sn-based material layer is formed on the lower surface side of the radiator body 21 on the side of the insulating circuit board 18, and an Sn-based material layer is formed on the upper and lower surface sides of the low thermal expansion material 22. An Sn-based material layer is formed on the upper surface side of the radiator body 21 on the side of the cooling sink 31.
Here, the phosphorus P concentration of the Ni plating layer is 12.0% by weight or more, more preferably 12.0% by weight or more and 15.0% by weight or less, and the Sn-based material layer has a Sn content of 80%. Above, more preferably 90% or more.
[0038]
Thereafter, the Sn-based material layers formed on the surface side of each of the bonding surfaces of the radiator body 21 and the low thermal expansion material 22 are brought into contact with each other, and in this state, 0.05 MPa or more and 230 ° C. or more. Further, by applying pressure and heating for 1 hour or more to form all of the Sn-based material layers into the intermetallic compound layer 19 containing Sn and Ni as main components, the radiator body 21 and the low thermal expansion material 22 are formed. The radiator 17 is formed by lamination bonding.
[0039]
Next, the same Ni plating layer as described above is formed on the surface of the radiator 17 on the insulating circuit board 18 side and the lower surface of the metal layer 16 of the insulating circuit board 18 formed as described above. The same Sn-based material layer as described above is formed on the layer surface. Thereafter, in a state where the Sn-based material layers formed on the heat radiator 17 and the insulating circuit board 18 are in contact with each other, pressure heating is performed at 0.05 MPa or more, 230 ° C. or more, and 1 hour or more. By forming all of the Sn-based material layers as intermetallic compound layers 19 containing Sn and Ni as main components, the insulating circuit board 18 and the heat radiator 17 are laminated and joined via the intermetallic compound layers 19.
[0040]
Thereafter, in the laminated radiator 17 and the insulated circuit board 18, the semiconductor chip 13 is placed and held on the upper surface of the circuit layer 15 of the insulated circuit board 18, and heated at 360 ° C. or more, and soldered with Pb-5Sn Thus, the power module 10 is formed.
[0041]
As described above, according to the power module 10 of the first embodiment, the main body 21 and the low thermal expansion material 22 of the radiator 17 and the radiator 17 and the insulating circuit board 18 are formed of Sn and Ni, respectively. Is joined by the intermetallic compound layer 19 containing as a main component, the power module 10 can be provided with high joining reliability. That is, in the power module 10, since the radiator 17 and the insulated circuit board 18 and the radiator body 21 and the low-thermal-expansion material 22 are joined via the intermetallic compound layer 19, the heat of these joints is reduced. It is possible to suppress the occurrence of deterioration or the like due to the above. Here, since the solder layer 20 which is a joint between the semiconductor chip 13 and the insulating circuit board 18 is generally made of a solder such as Pb-5Sn which requires a relatively high joining temperature, deterioration by heat is unlikely to occur. It has become.
As described above, even when the power module 10 is used by being heated or the like due to the heat generated by the semiconductor chip 13, the occurrence of deterioration due to the heat of the respective joints is suppressed to a minimum, so that high joint reliability is achieved. A power module 10 can be provided.
[0042]
Further, since the intermetallic compound layer 19 has a higher strength as compared with a general solder layer, it is possible to improve the breaking strength of this layer 19, that is, to improve the bonding strength. In a configuration in which the thermal expansion coefficient of the layer 19 is different from the thermal expansion coefficient of the members (the metal layer 16, the radiator body 21, and the low thermal expansion material 22) joined by the layer 19, this is used under a temperature cycle. Then, it is conceivable that the high-strength intermetallic compound layer 19 restrains the thermal deformation of each of the members 16, 21, 22 and breaks a joint thereof.
[0043]
However, in the present embodiment, at least one of the members joined by the intermetallic compound layer 19 is formed of pure Al, Al alloy, pure Cu, or Cu alloy having low deformation resistance. Even when used under a temperature cycle, expansion and contraction deformation due to heat are restrained by the intermetallic compound layer 19 at the junction with the intermetallic compound layer 19 on each surface of the radiator body 21 and the metal layer 16. However, at portions other than the joint, expansion and contraction deformation occur without being substantially restricted by the intermetallic compound layer 19. Therefore, even when the power module 10 is used under a temperature cycle, the load acting on the bonding interface between the intermetallic compound layer 19 and each of the members 16, 21, 22 is minimized, and the power module 10 is configured. High reliability can be reliably achieved for each of the joints.
[0044]
Further, since the radiator 17 includes the low thermal expansion material 22, the thermal expansion coefficient of the radiator 17 can be made as small as possible, and can be close to the thermal expansion coefficient of the insulating circuit board 18 side. Therefore, even when the power module 10 is used under a temperature cycle, it is possible to suppress the occurrence of warpage of the insulated circuit board 18 and the radiator 17. As a result, the load acting on each joint interface between the intermetallic compound layer 19 and the joined members 16, 21, and 22 is more reliably suppressed, so that high reliability for each joint constituting the power module 10 is achieved. Can be realized more reliably.
[0045]
Further, since the thickness A of the low thermal expansion material 22 is formed to be 0.3 times or more and 1.3 times or less the thickness B of the heat radiator main body 21, the heat conductivity of the heat radiator 17 itself is reduced. Without this, the thermal expansion coefficient can be reduced.
That is, when the thickness A of the low thermal expansion material 22 is formed to be 0.3 times or less of the thickness B of the heat radiator main body 21, a decrease in the thermal conductivity of the heat radiator 17 itself can be suppressed. The effect of the low thermal expansion material 22 that contributes to the thermal expansion coefficient of the body 17 itself is reduced, and the thermal expansion coefficient of the heat radiator 17 itself becomes substantially the same as that of the heat radiator body 21 that is a high thermal expansion material. When the thickness A of the low thermal expansion material 22 is 1.3 times or more the thickness B of the radiator body 21, the thermal expansion coefficient of the radiator 17 itself can be reduced. The thermal conductivity of 17 itself will decrease.
As described above, by forming the thickness A of the low thermal expansion material 22 to be 0.3 times or more and 1.3 times or less the thickness B of the radiator main body 21, the thermal expansion coefficient of the radiator 17 is reduced, that is, the heat radiation is reduced. It is possible to achieve both the suppression of the warpage of the body 17 and the suppression of the decrease in the thermal conductivity of the radiator 17. Therefore, the load acting on the joint interface between the intermetallic compound layer 19 and the joined members 16, 21, and 22 is more reliably suppressed, and the high reliability of each joint constituting the power module 10 is more reliably achieved. Can be realized.
[0046]
In joining the radiator body 21 and the low thermal expansion material 22 and joining the insulated circuit board 18 and the radiator 17, a Ni plating layer having a phosphorus P concentration of 12% by weight or more is previously formed on each joint surface. Since it is formed to have a thickness of 4.0 μm or more, good solder wettability can be imparted to each of the bonding surfaces, and the Sn-based material layer is reliably formed of a metal containing Ni and Sn as main components. An inter-compound layer 19 can be formed. In particular, in the present embodiment, since the Sn-based material layer is formed of Sn-3.5Ag having a Sn content of 80% or more, the good solder wettability and the formation of the intermetallic compound layer 19 can be improved. This can be reliably realized, and the occurrence of defective bonding of the members 16, 21, 22 can be reliably suppressed. Further, since the pressurizing and heating step is performed at the above-mentioned pressure, temperature, and time, all of the Sn-based material layer can be reliably formed into the intermetallic compound layer 19 containing Sn and Ni as main components.
[0047]
Further, when the semiconductor chip 13 is joined to the insulating circuit board 18, the radiator body 17 and the low thermal expansion material 22 and the insulating circuit board 18 and the radiator 17 are interposed via the intermetallic compound layer 19 in advance. Since the bonding is performed, it is possible to suppress the occurrence of a decrease in the bonding strength of each of the bonding portions constituting the formed power module 10.
[0048]
That is, since the bonding between the semiconductor chip 13 and the insulating circuit board 18 is made by solder which requires a relatively high bonding temperature such as Pb-5Sn, the radiator body 21 and the low thermal expansion material 22 and the substrate 18 When the semiconductor chip 13 is soldered after bonding the semiconductor chip 13 and the radiator 17 via a solder layer or a brazing material layer instead of the intermetallic compound layer 19, respectively, the radiator body 21 and the low thermal expansion material 22 In addition, the joints between the substrate 18 and the heat radiator 17 may cause thermal deterioration, coarsening of the structure, and the like. However, since each of these joints is formed as the intermetallic compound layer 19, it is possible to suppress the occurrence of thermal deterioration, organization coarsening, and the like due to high-temperature heating when the semiconductor chip 13 is joined. Therefore, even when the power module 10 is used under a temperature cycle, it is possible to avoid a decrease in the joint reliability of each joint.
In particular, in the present embodiment, since all parts of the Sn-based material layer are made of intermetallic compounds, it is possible to reliably improve the bonding reliability of each of the above-mentioned bonding parts.
[0049]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
In the power module according to the second embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, a plurality of holes 41 penetrating the low thermal expansion material 22. A flat plate 42 made of the same material as the radiator body 21 and having substantially the same thickness as the thickness of the low thermal expansion material 22 is fitted into these holes 41, or the powder material 42 has a thickness corresponding to the thickness of the low thermal expansion material 22. The heat radiator main body 21 in the form of a flat plate is laminated and bonded to the upper and lower surfaces of the low thermal expansion material 22 via the intermetallic compound layer 19.
[0050]
In other words, the heat radiator main body 21 is provided in a stacked manner on the front and back surfaces of the low thermal expansion material 22, and the heat radiator main body 21 has a configuration in which the heat radiator main body 21 communicates via a flat plate or powder material 42 provided in the hole 41. ing. That is, since the thermal conductivity decreases when the low thermal expansion material 22 is provided in the heat dissipating body 17, the hole 41 is for suppressing the thermal conductivity from decreasing as much as possible. As shown in FIG. 3, the holes 41 are formed in the low thermal expansion material 22 in a region X corresponding to the insulated circuit board 18 by reducing the number of holes 41 formed in the region X and in the peripheral region of the corresponding region X. The number of holes 41 formed in Y is increased.
[0051]
That is, in the low thermal expansion material 22, the distribution of the cross-sectional area of the hole 41 is different between the region X corresponding to the insulating circuit board 18 and the peripheral region Y other than the region X. This is for minimizing a decrease in rigidity of the heat radiator 17 against bending in the corresponding region X and a decrease in the thermal conductivity of the entire heat radiator 17. Here, if the number of holes 41 formed in the low thermal expansion material 22 is increased unnecessarily, the function as the low thermal expansion material is difficult to be achieved. The hole 41 is formed in an area having a ratio of about 30% or more and 70% or less based on the material of the radiator body 21 and the low thermal expansion material 22. The holes 41 are formed in the corresponding region X at an area of 40% to 70%, and in the peripheral region Y, the holes 41 are formed at an area of 30% to 50%. Although the hole 41 is a round hole in the present embodiment, the shape is arbitrary.
[0052]
A method of manufacturing the heat radiator according to the second embodiment configured as described above will be described.
First, a hole 41 penetrating through the surface of the low thermal expansion material 22 is formed. Thereafter, a flat plate 42 of the same material as that of the radiator body 21 is fitted into the hole 41 or the powder material 42 is filled. At this time, the fitting or filling is performed so that the surface of the low thermal expansion material 22 is flush. Thereafter, in the same manner as in the method of manufacturing the radiator according to the first embodiment, the radiator main body 21 and the low thermal expansion material 22 are sequentially subjected to the formation of the Ni plating layer and the formation of the Sn-based material layer. By heating, the Sn-based material layer is entirely turned into an intermetallic compound layer 19, and these members 21 and 22 are joined to form a radiator 17. Further, the heat radiator 17 and the insulated circuit board 18 are joined to form the power module 10 in the same manner as in the first embodiment.
[0053]
As described above, according to the heat radiator according to the second embodiment, since the plurality of holes 41 are provided in the low thermal expansion material 22 and these holes 41 are filled with the flat plate or the powder material 42, so-called so-called A configuration in which the high thermal expansion material communicates with the radiator 17 in the laminating direction can be realized, and heat conduction from the radiator main body 21 on the insulating circuit board 18 side to the radiator main body 21 on the cooling sink unit 31 is good. Therefore, the original heat radiation effect of the heat radiator 17 can be accurately achieved.
[0054]
In addition, as shown in FIG. 3, the holes 41 are formed in a smaller number in the corresponding region X with the insulated circuit board 18 than in the peripheral region Y, and the occupied area of the holes 41 is smaller than that in the peripheral region Y. With this configuration, it is possible to minimize a decrease in the rigidity of the heat radiator 17 against bending in the corresponding region X, while the occupation area of the hole 41 in the peripheral region Y is larger than that of the corresponding region A, so that the heat radiation A decrease in the thermal conductivity of the entire body 17 can be minimized.
Further, since the holes 41 are formed so as to occupy 30% or more and 70% or less of the surface area of the low thermal expansion material 22, it is possible to reliably suppress a decrease in bending rigidity of the low thermal expansion material 22. Heat from the insulated circuit board 18 can be reliably conducted in the laminating direction of the radiator 17.
[0055]
As described above, the heat generated by the semiconductor chip 13 is satisfactorily conducted in the thickness direction of the radiator 17 and is radiated. Reduction can be minimized. Therefore, it is possible to surely reduce the loads acting on the joints between the radiator main body 21 and the low thermal expansion material 22 and between the insulating circuit board 18 and the radiator 17. 19, it is possible to reliably improve the joining reliability of each of the joining portions.
[0056]
In the first and second embodiments described above, an example in which an Fe—Ni-based alloy is used as the low thermal expansion material 22 laminated on the radiator body 21 has been described. The same function and effect can be obtained even if it is made of carbon steel (Fe-C), 42 alloy, molybdenum (Mo), tungsten (W), or the like.
Further, the configuration in which the cooling sink portion 31 is provided on the lower surface of the heat radiator 17 has been described. However, the configuration is not limited to this, and a configuration in which corrugated fins are provided may be employed. That is, a joining portion joined to the surface of the heat radiator 17 via a brazing material, a rising portion provided at one end of the joining portion and rising perpendicularly to the joining portion, and a joining portion provided at an upper end of the rising portion and parallel to the joining portion and A protruding portion having a flat portion extending in a direction in which the flat portion is provided and a folded portion provided at one end of the flat portion and orthogonal to the flat portion and turned toward the heat radiator 17 is continuously formed along the surface direction of the heat radiator 17. It is good also as composition provided. In this configuration, the rising portion, the flat portion, the folded portion, and the surface of the heat radiator 17 form a space.
[0057]
Further, in the second embodiment, the flat plate or the powder material 42 made of the same material as the radiator body 21 is disposed in the hole 41 and the hole is filled, but the radiator body 21 and the flat plate are used. Alternatively, even if the powder material 42 and the powder material 42 are made of different materials, the radiator body 21 may be made of pure Al or Al alloy, and the flat plate or the powder material 42 may be made of pure Cu or Cu alloy. Good. In this case, when the heat radiator body 21 and the flat plate or powder material 42 are made of different materials, it is possible to minimize the occurrence of troubles.
[0058]
Further, in the first and second embodiments, when the radiator body 21 and the low thermal expansion material 22 are joined, the Ni plating layers are formed on the respective joining surfaces. When formed of Cu or Cu alloy, it is not necessary to form a Ni plating layer on the joint surface of the heat radiator main body 21. This is because pure Cu and Cu alloy can ensure the necessary and sufficient solder wettability.
[0059]
Furthermore, by forming the Sn-based material layer by applying a so-called printing method, it is possible to realize high-efficiency production, and it is also possible to form the Sn-based material layer by performing electrolytic plating. Good.
Further, the heat sink 17 has a three-layer structure in which the heat radiator main body 21 is stacked with the low thermal expansion material 22 sandwiched from above and below, but the present invention is not limited to this configuration, and a configuration without the low thermal expansion material 22 may be employed.
[0060]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the power module and the radiator according to the present invention, and the method for manufacturing the power module and the method for manufacturing the radiator, it is possible to increase the strength of the bonding portion, Even when the heat radiator is subjected to a temperature cycle, the load acting on the intermetallic compound layer as the joint can be suppressed to a minimum, so that this joint can be provided with high joint reliability. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view showing a power module to which a heat radiator according to a first embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is an overall view showing a power module to which a heat radiator according to a second embodiment of the present invention is applied.
FIG. 3 is a plan view of the low thermal expansion material shown in FIG.
[Explanation of symbols]
10 Power module
13 Semiconductor chip
14 Insulating substrate
15 Circuit layer
16 Metal layer
17 Heat radiator
18 Insulated circuit board
19 Intermetallic compound layer
21 Heatsink body
22 Low thermal expansion material
41 holes
42 Flat plate or powder material (hole filling material)
A Thickness of low thermal expansion material
B Thickness of radiator body
X Area corresponding to insulated circuit board (heat radiating body)
Y surrounding area

Claims

被放熱体からの熱を放熱する放熱体であって、
放熱体本体部と、該放熱体本体部の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とを備え、
前記放熱体本体部は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成され、
前記放熱体本体部と前記低熱膨張材とは、Ｓｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層を介して接合されていることを特徴とする放熱体。A radiator that radiates heat from the radiator,
A radiator body portion, comprising a low thermal expansion material made of a material having a lower thermal expansion coefficient than the radiator body portion,
The radiator body is made of pure Al, Al alloy, pure Cu, or Cu alloy,
The radiator, wherein the radiator main body and the low thermal expansion material are joined via an intermetallic compound layer containing Sn and Ni.

請求項１記載の放熱体において、
前記低熱膨張材には、これを貫通する孔が穿設されていることを特徴とする放熱体。The radiator according to claim 1,
A heat radiator, wherein the low thermal expansion material has a hole penetrating therethrough.

請求項２記載の放熱体において、
前記孔は、前記低熱膨張材において、前記被放熱体と対応する領域に設けられた断面積より、該対応領域の周辺領域に設けられた断面積を大きくさせていることを特徴とする放熱体。The radiator according to claim 2,
The heat radiator, wherein the hole has a cross-sectional area provided in a peripheral region of the corresponding region larger than a cross-sectional area provided in a region corresponding to the heat radiator in the low thermal expansion material. .

請求項２または３に記載の放熱体において、
前記孔は、前記放熱体本体部と同一材質の部材により孔埋めされていることを特徴とする放熱体。The radiator according to claim 2 or 3,
The radiator is characterized in that the hole is filled with a member of the same material as the radiator body.

絶縁基板を有する絶縁回路基板と，該絶縁回路基板の一方の面に設けられた放熱体と，前記絶縁回路基板の他方の面に設けられた半導体チップとを備えたパワーモジュールであって、
前記絶縁回路基板は、前記絶縁基板の一方の面に設けられた金属層を備え、
前記放熱体は、少なくとも前記絶縁回路基板との当接面を構成する放熱体本体部を備え、
前記放熱体本体部及び前記金属層は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成され、
前記放熱体は、前記絶縁回路基板の一方の面にＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層を介して接合されていることを特徴とするパワーモジュール。A power module comprising: an insulated circuit board having an insulated board; a radiator provided on one surface of the insulated circuit board; and a semiconductor chip provided on the other surface of the insulated circuit board.
The insulated circuit board includes a metal layer provided on one surface of the insulated board,
The heat radiator includes a heat radiator main body constituting at least a contact surface with the insulated circuit board,
The radiator body and the metal layer are formed of pure Al, Al alloy, pure Cu, or Cu alloy,
The power module, wherein the radiator is joined to one surface of the insulated circuit board via an intermetallic compound layer containing Sn and Ni.

請求項５記載のパワーモジュールにおいて、
前記放熱体が、請求項１から４のいずれかに記載の放熱体であることを特徴とするパワーモジュール。The power module according to claim 5,
A power module, wherein the radiator is the radiator according to any one of claims 1 to 4.

被放熱体の熱を放熱する放熱体の製造方法であって、
放熱体本体部と、該放熱体本体部の熱膨張係数より低い材質からなる低熱膨張材とを備え、
前記放熱体本体部及び前記低熱膨張材の外表面うち少なくとも前記低熱膨張材の接合面表面にＮｉめっき層を形成するＮｉめっき層形成工程と、
少なくとも前記接合面の前記Ｎｉめっき層表面にＳｎ系のはんだ層またはめっき層を形成するＳｎ系材料層形成工程と、
前記放熱体本体部及び前記低熱膨張材の各接合面を前記Ｓｎ系材料層を介して当接させた状態で、これらを０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱し、前記Ｓｎ系材料層をＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層とし、前記放熱体本体部と前記低熱膨張材とを接合する加圧加熱工程とを有することを特徴とする放熱体の製造方法。A method of manufacturing a radiator that radiates heat of a radiator,
A radiator body portion, comprising a low thermal expansion material made of a material having a lower thermal expansion coefficient than the radiator body portion,
A Ni plating layer forming step of forming a Ni plating layer on at least the bonding surface of the low thermal expansion material among the outer surfaces of the heat radiator body and the low thermal expansion material;
Forming a Sn-based solder layer or a plated layer on at least the surface of the Ni-plated layer on the joint surface;
In a state where the joint surfaces of the radiator body and the low thermal expansion material are in contact with each other via the Sn-based material layer, they are pressurized and heated at 0.05 MPa or more, 230 ° C. or more, and 1 hour or more. And a pressurizing and heating step of bonding the Sn-based material layer to an intermetallic compound layer containing Sn and Ni, and joining the radiator body and the low thermal expansion material. Method.

請求項７記載の放熱体の製造方法において、
前記低熱膨張材は、前記Ｎｉめっき層形成工程を経るに際し予め、
前記低熱膨張材表面にこれを貫通する孔を穿設する孔穿設工程と、
前記孔に前記放熱体本体の材質と同一材質からなる孔埋め材を配設する孔埋め工程とを経ることを特徴とする放熱体の製造方法。The method for manufacturing a radiator according to claim 7,
When the low thermal expansion material is subjected to the Ni plating layer forming step,
A hole drilling step of drilling a hole through the low thermal expansion material surface,
A hole filling step of disposing a hole filling material made of the same material as the material of the heat radiator body in the hole.

絶縁基板を有する絶縁回路基板と，該絶縁回路基板の一方の面に設けられた放熱体と，前記絶縁回路基板の他方の面に設けられた半導体チップとを備えたパワーモジュールの製造方法であって、
前記絶縁回路基板及び前記放熱体の両者または一方の外表面のうち少なくとも接合面にＮｉめっき層を形成するＮｉめっき層形成工程と、
少なくとも前記接合面の前記Ｎｉめっき層表面にＳｎ系のはんだ層またはめっき層を形成するＳｎ系材料層形成工程と、
前記絶縁回路基板及び前記放熱体の前記各接合面を前記Ｓｎ系材料層を介して当接させた状態で、これらを０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱し、前記Ｓｎ系材料層をＳｎ及びＮｉを含有する金属間化合物層とし、前記絶縁回路基板と前記放熱体とを接合する加圧加熱工程と、
前記絶縁回路基板表面に半導体チップを接合する半導体チップ接合工程とを有することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。A method for manufacturing a power module, comprising: an insulated circuit board having an insulated board; a radiator provided on one surface of the insulated circuit board; and a semiconductor chip provided on the other surface of the insulated circuit board. hand,
A Ni plating layer forming step of forming a Ni plating layer on at least a bonding surface of both or one of the outer surfaces of the insulating circuit board and the radiator;
Forming a Sn-based solder layer or a plated layer on at least the surface of the Ni-plated layer on the joint surface;
In a state where the bonding surfaces of the insulating circuit board and the heat radiator are in contact with each other via the Sn-based material layer, they are pressurized and heated at 0.05 MPa or more, 230 ° C. or more, and 1 hour or more. A pressure heating step in which the Sn-based material layer is an intermetallic compound layer containing Sn and Ni, and the insulating circuit board and the radiator are joined;
Bonding a semiconductor chip to the surface of the insulated circuit board.

請求項７から９のいずれかに記載の放熱体の製造方法またはパワーモジュールの製造方法において、
前記Ｎｉめっき層は、Ｐ濃度が１２．０重量％以上であることを特徴とする放熱体の製造方法またはパワーモジュールの製造方法。The method for manufacturing a heat radiator or the method for manufacturing a power module according to claim 7,
The method for manufacturing a radiator or a power module, wherein the Ni plating layer has a P concentration of 12.0% by weight or more.