JP2013207237A

JP2013207237A - ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法

Info

Publication number: JP2013207237A
Application number: JP2012077402A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Ohiraki; 智哉大開; Toshiyuki Nagase; 敏之長瀬; Akira Muranaka; 亮村中
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2013-10-07
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: JP5966512B2

Abstract

【課題】ヒートシンク天板の反りを低減して、効率のよい冷却が可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】セラミックス基板の表面に金属層が接合されてなるパワーモジュール用基板と、ヒートシンクとを接合してヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクの天板とを固着する接合工程と、前記固着工程で接合された前記天板および前記パワーモジュール用基板を厚さ方向に加圧しながら０℃以下の冷却温度まで冷却する冷却工程と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関する。

従来、大電流、高電圧を制御する半導体装置であるパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に回路層となるアルミニウム金属層が積層され、この回路層の上に半導体チップ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放熱層となるアルミニウム金属層が形成され、この放熱層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。

この種のパワーモジュールとしては、たとえば、特許文献１記載のパワーモジュールが知られている。特許文献１記載のパワーモジュールにおいて、セラミックス基板に接合されるヒートシンクには、金属部材に櫛歯状の放熱フィンが形成されている。このような放熱フィンは、たとえば、アルミニウム合金の鍛造、鋳造、押出成形等により、金属部材の全面に均一に立設されている。

特許文献２には、冷却媒体が流通する流路を有するヒートシンクに、パワーモジュール用基板が接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板が記載されている。このヒートシンクは、熱伝導性が良好なアルミニウム合金で形成され、上部が開放された樋状のジャケットとこのジャケットの上部を塞ぐ天板とが接合されることにより内部に流路が設けられている。天板の内面には複数の放熱フィンが形成されており、冷却水等の冷却媒体が流路を流通してこの放熱フィンを冷却することにより、天板およびパワーモジュール用基板を効果的に冷却することができる。

また、特許文献３および４には、セラミックス基板の表面および裏面に金属板をろう付けし、その表面の金属板をエッチングによって回路パターンを形成した接合体を形成し、その接合体を冷却して、接合体の反りまたはうねりを矯正する方法が記載されている。

特開平１１−２０４７００号公報特開２０１０−２３８９３２号公報特許第３９２２５３８号公報特許第３４１９６２０号公報

パワーモジュールの高出力化に伴い、パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクにおける冷却能力の向上が求められる場合、特許文献１に記載されたような空冷式のヒートシンクよりも、特許文献２に記載されたような液冷式のヒートシンクが好適である。

ヒートシンク内部の流路に冷却液を流通させるためにはジャケットと天板とを隙間なく接合しなければならないが、天板の平面度が低い場合には流路の密封が損なわれ、冷却媒体が漏れ出るおそれもある。

これに対して、たとえばヒートシンクの天板を厚くすることにより反りを低減させることはできるが、天板が厚すぎるとパワーモジュール用基板を速やかに冷却することが困難になるとともに、使用時の冷熱サイクルによりセラミックス基板に対する負担が大きくなり、割れ等を発生させるおそれがあるため、過度に厚い天板を用いることは好ましくない。

また、特許文献３および４に記載されたセラミックス回路基板は、その反り又はうねりが改善したとしても、その後にヒートシンクに固着された場合、ヒートシンクとセラミックス回路基板の熱膨張差により、セラミックス回路基板およびヒートシンクに反りを生じてしまうという問題がある。また、セラミックス回路基板およびヒートシンクの反りによって、冷熱サイクル時の接合信頼性を低下させてしまうおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際にヒートシンク天板およびパワーモジュール用基板の反りを低減して、効率のよい冷却が可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することを目的とする。

本発明は、セラミックス基板の表面に金属層が接合されてなるパワーモジュール用基板と、ヒートシンクとを接合してヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクの天板とを固着する接合工程と、接合された前記天板および前記パワーモジュール用基板を厚さ方向に加圧しながら０℃以下に冷却保持する冷却工程と、を有する。

本発明の製造方法によれば、パワーモジュール用基板とヒートシンクの天板とが固着されているので、ヒートシンクの天板にパワーモジュール用基板が接合された状態において、ヒートシンクの天板の反りおよびパワーモジュール用基板の反りを低減することができる。また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板は、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合する際の加熱後の熱収縮によって、ヒートシンク側に凹状の反りが生じる。この製造方法では、接合されたパワーモジュール用基板およびヒートシンクを加圧して平坦に保持するように拘束したまま０℃以下に冷却することにより、ヒートシンクに生じる熱収縮を加圧によって拘束することにより、ヒートシンクに逆方向の塑性変形を生じさせ、常温に戻した状態におけるヒートシンク付パワーモジュール用基板反りを低減させることができる。

なお、本発明の製造方法において、前記冷却工程の後は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板をたとえば室温に放置することにより常温に戻すことが望ましいが、ファンなどにより常温に戻す時間を短縮することもできる。

また、この製造方法において、１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下で前記天板および前記パワーモジュール用基板を厚さ方向に加圧することが好ましい。圧力が１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下とすることによって、確実に反りの低減効果を得ながら、金属の変形またはセラミックスの割れ等の不測の事態を回避することができる。

また、この製造方法において、前記ヒートシンクはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されており、前記天板の厚さが３ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましい。天板の厚さが３ｍｍ以上の場合、取り付け強度を向上させることができる。また、厚さが８ｍｍ以下の場合、ヒートシンクの反りの低減効果が大きくなる。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、パワーモジュール基板とヒートシンクとを接合する際にヒートシンク天板の反りおよびパワーモジュール用基板の反りを低減して、効率のよい冷却が可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。

本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の実施形態を示す断面図である。図１のヒートシンクのうち、天板を接合した状態のパワーモジュール用基板を示す断面図である。図２のパワーモジュール用基板を加圧装置内に配置した状態を示す正面図である。本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の他の実施形態を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００を示す。このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０に接合されたヒートシンク３０とから構成される。このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００に対して、さらにパワーモジュール用基板１０の表面に半導体チップ等の電子部品２０が搭載されることにより、パワーモジュールが製造される。

このパワーモジュール１００の製造工程においては、まず、パワーモジュール用基板１０を製造し、このパワーモジュール用基板１０をヒートシンク３０の天板３２にろう付することによりヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する。

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の両面に積層された金属層１２，１３とを備える。このパワーモジュール用基板１０において、セラミックス基板１１の一方の表面に積層された金属層１２は回路層となり、その表面に電子部品２０がはんだ付けされる。また、他方の金属層１３は放熱層とされ、その表面にはヒートシンク３０が取り付けられる。

セラミックス基板１１は、たとえば、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により形成され、その厚さは０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では０．６３５ｍｍに設定されている。

金属層１２は、純度９９質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１０００番台のアルミニウム、特に１Ｎ９０（純度９９．９質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）または１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。金属層１３は、純度９９質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１０００番台のアルミニウム、特に１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。本実施形態においては、金属層１２，１３は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板である。

このパワーモジュール用基板１０においては、放熱層となる金属層１３に熱サイクル時のセラミックス基板１１とヒートシンク３０との間の熱伸縮差に対する緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属層１２よりも肉厚に形成されたものを用いている。たとえば、金属層１２の厚さは６００μｍ、金属層１３の厚さは１６００μｍである。また、放熱層となる金属層１３には、純度の高いアルミニウム（例えば１Ｎ９９）を用いるのが好ましい。

そして、これら金属層１２，１３とセラミックス基板１１とは、ろう付けにより接合されている。ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金が使用される。

なお、パワーモジュールを構成する電子部品２０は、回路層となる金属層１２の表面に形成されたＮｉめっき（不図示）上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｚｎ−Ａｌ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ系もしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材を用いて接合される。図１中符号２１がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品２０と金属層１２の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ２２により接続される。

パワーモジュール用基板１０に接合されるヒートシンク３０は、熱伝導が良好なアルミニウム合金が望ましく、本実施形態では、Ａ６０６３などのアルミニウム合金を用いている。本実施形態のヒートシンク３０は、アルミニウム合金により形成された樋状のジャケット３１およびこのジャケット３１の上部を塞ぐ天板３２が、たとえばパッキンを介してねじ止めにより接合されてなる。接合されたジャケット３１と天板３２との間に形成された空間は、冷却媒体（例えば冷却水）を流通させるための流路３０ａとなる。天板３２の内面には複数の放熱フィン３２ａが設けられており、流路３０ａ中に配設された放熱フィン３２ａが冷却水によって冷却されることにより天板３２が冷却され、この天板３２に接合された金属層１３を通じてパワーモジュール用基板１０が冷却される。

ここで、ヒートシンクとしては、板状の放熱板、内部に冷媒が流通する冷却器、フィンが形成された液冷、空冷放熱器、ヒートパイプなど、熱の放散によって温度を下げることを目的とした金属部品が含まれる。ヒートシンクの天板は、パワーモジュール用基板との接合面を有する板状部分をいうが、その天板の厚みは最も薄い部分の厚みで定義される。図２に示す天板３２においては、放熱フィン３２ａを除く基部３２ｂの厚さｔが相当する。この天板３２の厚さｔは、３ｍｍから８ｍｍの範囲が望ましい。

次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００の製造方法を説明する。
まず、回路層となる金属層１２および放熱層となる金属層１３として、それぞれ９９．９９質量％以上の純アルミニウム圧延板を準備し、これらの純アルミニウム圧延板を、セラミックス基板１１の一方の面および他方の面にそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱することによって、セラミックス基板１１の両面に純アルミニウム圧延板が接合されたパワーモジュール用基板１０を製出する。なお、このろう付けの温度は、６００℃〜６７０℃に設定される。

次に、ヒートシンク３０の天板３２とパワーモジュール用基板１０の金属層１３とを、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金ろう材を用いたろう付けにより固着する（接合工程）。このろう付けは、真空雰囲気中、荷重：０．３ＭＰａ〜１０ＭＰａ、加熱温度：５５０℃〜６５０℃の条件で行う。ヒートシンク３０は、アルミニウム合金が用いられ、本実施形態では、Ａ６０６３を用いている。

本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００の製造工程では、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とが接合工程により接合された後、冷却工程により天板３２の反りが矯正される。

まず、図３に示すとおり、２枚の加圧板１１０とその四隅に設けられた支柱１１１によって構成された治具１１２を用いて、加圧板１１０間にヒートシンク付パワーモジュール用基板１００を配置する。支柱１１１の両端には螺子が切られており、加圧板１１０を挟むようにナットが締結されている。加圧力は、このナットの締め付けによって調整する。本実施形態では、加圧力を１ＭＰａ〜５０ＭＰａの範囲で調整した。加圧力を１Ｍｐａ以上５０ＭＰａ以下とすることによって、確実に反りの低減効果を得ながら、金属の変形またはセラミックスの割れ等の不測の事態を回避することができる。

次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００をこの治具に取り付けた状態、つまり、ヒートシンクの天板３２およびパワーモジュール用基板１０を厚さ方向に加圧しながら、０℃以下の所定の冷却温度まで冷却する（冷却工程）。なお、−６０℃を超えて低温側に冷却しても効果が飽和し、冷却のためのコストが上昇することから、−６０℃以上がより望ましい。

ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００は、図２に二点鎖線で示すような反りが、接合工程における熱収縮により生じる場合がある。冷却工程においては、冷却によって反りがより大きくなるように変形しようとするヒートシンク付パワーモジュール用基板１００を加圧して平坦に保持するように拘束する。これにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００は、反りとしての変形ができない状態に拘束され、その状態で冷却される結果、反りとは逆方向に塑性変形することになり、常温に戻した状態でのヒートシンク付パワーモジュール用基板１００は、塑性変形した分、反りが相殺され、冷却前に生じていた反りを低減させることができる。

（実施例および比較例）
ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを、加圧のみにより矯正する方法、冷却のみにより矯正する方法、および加圧および冷却により矯正する方法によって矯正し、パワーモジュール用基板１０の金属層１２およびヒートシンク３０の天板３２の各平面度の変化量および変化率を比較する実験を行った。

各実験には、接合工程後のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００を用いた。このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００におけるパワーモジュール用基板１０は、２９ｍｍ×２９ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの４Ｎ−Ａｌからなる金属層１２と、２９ｍｍ×２９ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの４Ｎ−Ａｌからなる金属層１３とが、３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板１１に接合されたものを用いた。

また、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００において、ヒートシンク３０の天板３２として、裏面に放熱フィン３２ａが設けられていないＡ６０６３からなる６０ｍｍ×５０ｍｍの矩形板を用いた。

比較例のサンプル１〜２は加圧のみ、比較例のサンプル３〜４は冷却のみの処理を行った。また、比較例のサンプル５は、加圧および冷却の処理を両方行ったが、ヒートシンク３０の天板３２に板厚の大きいものを用いた。

一方、実施例のサンプル１〜１２は、接合工程後のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００を加圧しながら冷却したものである。比較例および実施例の各サンプルについて、実験の諸条件、実験前後の平面度の変化および変化率を表１に示す。

表１に示すように、加圧のみ、あるいは冷却のみの処理によってもある程度は平面度が向上したが、加圧および冷却を行った場合にはばらつきも少なく、有意であることが確認できた。ヒートシンクの天板厚さは、特に８ｍｍ以下の場合に加圧および冷却処理による矯正が効果的である。冷却温度は、０℃以下であれば天板３２に塑性変形を生じさせるのに十分であり、平面度が向上することが確認できた。荷重については、１ＭＰａ以上加えれば十分である。

以上説明したように、本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、パワーモジュール基板とヒートシンクとを接合する際にヒートシンク天板の反りを低減して、効率のよい冷却が可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。

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。例えば、金属板としてアルミニウム以外に銅または銅合金も使用可能である。金属板が銅または銅合金の場合、接合にはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系等のろう材を用いることができる。

また、前記実施形態ではジャケット３１と天板３２とを組み合わせてなるヒートシンク３０を用いたが、たとえば、図４に示すように、アルミニウム合金の押出成形によって天板３３ａと隔壁３３ｂとが一体に形成され、内部に冷却水を流通させるための複数の流路３３ｃを有するヒートシンク３３を用いてもよい。この場合も、天板３３ａの厚さｔ２は３ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましい。

また、前記実施形態では、パワーモジュール用基板の放熱層となる金属層とヒートシンクの天板とをろう付けによって固着したが、ろう付けに限らずはんだ付け、拡散接合などによって固着しても構わない。

さらに、セラミックス基板と金属板との接合、金属板とヒートシンクとの接合は、ろう付け以外にもはんだ付けも可能である。また、ＴＬＰ接合法（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＤｉｆｆｕｓｉｏｎＢｏｎｄｉｎｇ）と称される過渡液相接合法によって接合してもよい。

この過渡液相接合法においては、金属板の表面に蒸着させた銅層を、金属板とセラミックス基板との界面、あるいは金属板とヒートシンクとの界面に介在させて行う。加熱により、金属板のアルミニウム中に銅が拡散し、金属板の銅層近傍の銅濃度が上昇して融点が低下し、アルミニウムと銅との共晶域にて接合界面に金属液相が形成される。この金属液相が形成された状態で温度を一定に保持しておくと、金属液相がセラミックス基板またはヒートシンクと反応するとともに、銅がさらにアルミニウム中に拡散することに伴い、金属液相中の銅濃度が徐々に低下して融点が上昇し、温度を一定に保持した状態で凝固が進行する。これにより、金属板とセラミックス基板、あるいは金属板とヒートシンクとの強固な接合が得られる。

１０パワーモジュール用基板
１１セラミックス基板
１２，１３金属層
２０電子部品
２１はんだ接合層
２２ボンディングワイヤ
３０，３３ヒートシンク
３０ａ流路
３１ジャケット
３２，３３ａ天板
３２ａ放熱フィン
３３ｂ隔壁
１００ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１０加圧板
ｔ，ｔ２天板の厚さ

Claims

セラミックス基板の表面に金属層が接合されてなるパワーモジュール用基板と、ヒートシンクとを接合してヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する方法であって、
前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクの天板とを固着する接合工程と、
前記接合工程で接合された前記天板および前記パワーモジュール用基板を厚さ方向に加圧しながら、０℃以下に冷却する冷却工程と
を有することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下で前記天板および前記パワーモジュール用基板を厚さ方向に加圧することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
前記ヒートシンクは、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されており、前記天板の厚さが３ｍｍ以上８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。