JP2014003133A - Manufacturing method of substrate for power module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、大電流、大電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large current and a large voltage, and a power module substrate.
従来の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、アルミニウム等からなる回路層が積層され、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アルミニウム等からなる放熱層が形成され、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。 As a conventional power module, a circuit layer made of aluminum or the like is laminated on one surface of a ceramic substrate, and an electronic component such as a semiconductor chip is soldered on the circuit layer, and on the other surface of the ceramic substrate. A structure in which a heat dissipation layer made of aluminum or the like is formed and a heat sink is joined to the heat dissipation layer is known.
この種のパワーモジュールにおいては、電子部品から発生する熱がヒートシンクによって放散される。従来、パワーモジュールにおいては回路層及び放熱層とも同じ板材で形成されるのが一般的であったが、近年では、放熱層の熱伸縮によってセラミックス基板に生じる熱応力を緩和するために、放熱層を肉厚に形成して緩衝機能を持たせることが検討されている。 In this type of power module, heat generated from the electronic components is dissipated by the heat sink. Conventionally, in a power module, the circuit layer and the heat dissipation layer are generally formed of the same plate material. However, in recent years, in order to relieve the thermal stress generated in the ceramic substrate due to the thermal expansion and contraction of the heat dissipation layer, the heat dissipation layer It has been studied to form a thick wall with a buffer function.
しかし、回路層と放熱層とで、板材の厚さや形状が異なる場合、ろう付けのための加熱処理を経由することにより、薄肉側(回路層側)を凸とする反りが生じる。この場合、ヒートシンクへの取り付けが阻害される。
そこで、特許文献1には、セラミックス基板と金属層との接合体(パワーモジュール用基板)を−20℃以下(−80℃〜−20℃)の雰囲気に接触させてうねり矯正を行うことが提案されている。また、特許文献2には、接合体を−70℃よりさらに低温の−110℃以下で冷却処理することで、反り量をより緩和できることが記載されている。
However, when the thickness and shape of the plate material are different between the circuit layer and the heat dissipation layer, a warp with the thin side (circuit layer side) being convex occurs through the heat treatment for brazing. In this case, attachment to the heat sink is hindered.
Therefore, Patent Document 1 proposes that undulation correction is performed by bringing a joined body (substrate for a power module) of a ceramic substrate and a metal layer into contact with an atmosphere of −20 ° C. or lower (−80 ° C. to −20 ° C.). Has been.
特許文献1及び2に記載のように、セラミックス基板と金属層との接合後に冷却処理を施すことでパワーモジュール用基板の反り量を緩和できるが、取扱性向上のためにさらなる改善が求められている。
As described in
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反り量が小さく、製造が容易なパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the board | substrate for power modules with a small curvature amount and easy manufacture.
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に、ろう材を介在させて回路層用金属板を厚さ方向に積層し、前記セラミックス基板の他方の面に、該回路層用金属板よりも厚い放熱層用金属板をろう材を介在させて厚さ方向に積層してなる基板積層体を形成し、該基板積層体をその積層方向に加圧した状態で加熱することにより、前記セラミックス基板と各金属板とをろう付けして接合体を形成する接合工程と、前記加圧した状態で前記接合体を常温よりも低い温度にまで冷却する冷却工程とを備える。 The method for manufacturing a power module substrate according to the present invention includes laminating a brazing material on one surface of a ceramic substrate in the thickness direction, and forming the circuit on the other surface of the ceramic substrate. A substrate laminate is formed by laminating a heat dissipation layer metal plate thicker than the layer metal plate in the thickness direction with a brazing material interposed therebetween, and the substrate laminate is heated in a state of being pressurized in the lamination direction. By this, the joining process which brazes the said ceramic substrate and each metal plate and forms a joined body, and the cooling process which cools the said joined body to temperature lower than normal temperature in the said pressurized state are provided.
基板積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、セラミックス基板と各金属板とを接合した後、その接合体を加圧状態で常温よりも低い温度にまで冷却することにより、製造されるパワーモジュール用基板の反り量を小さくでき、ヒートシンクとの接合を容易にして取り扱い性を向上させることができる。 It is manufactured by heating the substrate laminate in a state of being pressurized in the lamination direction, joining the ceramic substrate and each metal plate, and then cooling the joined body to a temperature lower than normal temperature in a pressurized state. The amount of warpage of the power module substrate can be reduced, the joining with the heat sink can be facilitated, and the handleability can be improved.
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記接合工程には、前記基板積層体をその積層方向に加圧する加圧治具が用いられ、前記冷却工程における冷却は、前記加圧治具ごと冷却するとよい。
接合工程で使用した加圧治具ごと冷却することにより、接合工程開始から冷却工程終了まで確実に加圧状態を維持でき、パワーモジュール用基板の反り量を小さくすることができる。また、作業工程を簡略化でき、作業性を向上させることができる。
In the method for manufacturing a power module substrate of the present invention, a pressure jig that pressurizes the substrate laminate in the laminating direction is used in the joining step, and cooling in the cooling step is performed for each pressure jig. Cool.
By cooling the pressure jig used in the joining process, the pressurized state can be reliably maintained from the start of the joining process to the end of the cooling process, and the warpage amount of the power module substrate can be reduced. In addition, the work process can be simplified and workability can be improved.
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記冷却工程は、0℃〜−40℃に冷却するとよい。
冷却温度を−40℃以上に抑えることで、冷却時間及び冷却後に常温まで昇温させる際の昇温時間を短縮することができる。したがって、冷却工程におけるサイクルタイムを短縮でき、作業性を向上させることができる。
In the method for manufacturing a power module substrate of the present invention, the cooling step is preferably cooled to 0 ° C. to −40 ° C.
By suppressing the cooling temperature to −40 ° C. or higher, it is possible to shorten the cooling time and the heating time when the temperature is raised to room temperature after cooling. Therefore, the cycle time in the cooling process can be shortened and workability can be improved.
本発明によれば、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に金属板をろう付けすることにより生じる反りを抑え、平面度が高いパワーモジュール用基板を容易に製造することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the curvature which arises by brazing a metal plate to the one surface and the other surface of a ceramic substrate can be suppressed, and a power module substrate with high flatness can be easily manufactured.
以下、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の実施形態について説明する。
図1に示すパワーモジュール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の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品20と、パワーモジュール用基板10の裏面に接合されたヒートシンク30とから構成されている。
Embodiments of a method for manufacturing a power module substrate according to the present invention will be described below.
A
パワーモジュール用基板10は、セラミックス基板11の一方の面に、回路層用金属板12が厚さ方向に積層され、セラミックス基板11の他方の面に放熱層用金属板13が厚さ方向に積層され、Alよりも低融点のろう材(好ましくはAl‐Si系ろう材)によって接合されてなる。
In the
セラミックス基板11は、厚さ0.5mm〜1.0mmのAlN,Si3N4,Al2O3,SiC等からなる。
また、回路層用金属板12は、厚さ0.1mm〜1.1mmの純アルミニウム板(好ましくは純度99.99質量%以上の4N‐Al板)からなる。パワーモジュール100においては、回路層用金属板12はエッチング等により所定の回路パターン状に成形されており、その上に電子部品20がはんだ材等によって接合されている。
放熱層用金属板13は、回路層用金属板12よりも厚く、厚さ0.1mm以上5.0mm以下の純アルミニウム板(好ましくは純度99.0質量%以上のAl板)からなる。パワーモジュール100においては、この放熱層用金属板13の表面13aにヒートシンク30がろう付け等によって接合されている。
なお、各金属板12,13には、Al板の他、Cu板を用いることもできる。
The
The circuit
The heat radiation
The
本実施形態のパワーモジュール用基板10においては、各部材の厚さは、例えばセラミックス基板11が0.635mm、回路層用金属板12が0.6mm、放熱層用金属板13が1.6mmに設定される。このパワーモジュール用基板10において、(回路層用金属板12の厚さ)/(放熱層用金属板13の厚さ)の比率は、0.04〜0.875に設定される。
In the
本実施形態に係るパワーモジュール用基板10の製造方法について説明する。
(接合工程)
まず、セラミックス基板11の両面にろう材を介在させて、回路層用金属板12及び放熱層用金属板13を積層して、基板積層体40を形成する(図3参照)。この基板積層体40を、比較的剛性の高いカーボン製板材からなるカーボン板41と、クッション性を有する板状のクッションシート42との間に挟んだ状態とし、図2及び図3に示すように、複数の基板積層体40を加圧治具110によって積層方向に0.34MPa〜0.54MPa(3.5kgf/cm2〜5.5kgf/cm2)で加圧した状態とする。
この加圧治具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、ベース板111と押圧板114との間に前述の基板積層体40が配設される。
そして、この加圧治具110により基板積層体40を加圧した状態で、加圧治具110ごと加熱炉(図示略)内に設置し、真空雰囲気中で例えば630℃のろう付け温度に加熱することによりセラミックス基板11と両金属板12,13とを接合した接合体40aを製造する。
A method for manufacturing the
(Joining process)
First, the substrate layered
The pressurizing
Then, in a state where the
(冷却工程)
次に、接合体40aを加圧治具110により厚み方向に加圧された状態のまま加熱炉から取り出し、その加圧を解除することなく加圧治具110ごと冷却器に投入して常温よりも低い温度にまで冷却する。冷却器内に投入された加圧治具110及び接合体40aに、エアークーラーによって乾燥空気(冷風)を吹き付けて冷却が行われる。
この場合、接合体40aを0.34MPa〜0.54MPa(3.5kgf/cm2〜5.5kgf/cm2)で加圧した状態で、0℃〜−40℃に冷却することが好ましい。例えば、0℃に冷却された冷却器内に加圧治具110ごと投入すると、通常10分程度で接合体40aも雰囲気温度に到達することから、接合体40aをその冷却温度まで冷却するために、冷却器への投入後10分程度放置するとよい。
(Cooling process)
Next, the
In this case, it is preferable to cool to 0 ° C. to −40 ° C. in a state where the
加圧治具110により、セラミックス基板11と両金属板12,13とは厚さ方向に加圧され、反りが生じないように拘束されている。一方、冷却により両金属板12,13に熱収縮による応力が発生する。この冷却を進めていくと見かけ上は変化がないように見えるが、応力に抗して加圧されていることから両金属板12,13に塑性変形が生じる。両金属板12,13の塑性変形は、反りとは逆方向の変形であり、その塑性変形領域まで冷却した後に常温まで戻すと、塑性変形が生じた分だけ反りが相殺されて、接合工程後に常温まで自然冷却した場合の反り量と比べて、冷却工程を介した場合の反り量の方が小さくなる。
The
このように、基板積層体40を積層方向に加圧した状態で加熱し、セラミックス基板11と各金属板12,13とを接合した後、その接合体40aを加圧状態で常温よりも低い温度にまで冷却することにより、製造されるパワーモジュール用基板10の反り量を小さくできる。したがって、ヒートシンクとの接合を容易にして取り扱い性を向上させることができる。
また、接合体40aを、接合工程で使用した加圧治具110ごと冷却することにより、接合工程開始から冷却工程終了まで確実に加圧状態を維持でき、作業工程を簡略化でき、作業性を向上させることができる。
また、冷却工程において、冷却温度を−40℃以上とすることで、冷却時間及び冷却後に常温まで昇温させる際の昇温時間を短縮することができる。したがって、冷却工程におけるサイクルタイムを短縮でき、作業性を向上させることができる。
As described above, the
Moreover, by cooling the joined
In the cooling step, by setting the cooling temperature to −40 ° C. or higher, the cooling time and the temperature raising time when raising the temperature to room temperature after cooling can be shortened. Therefore, the cycle time in the cooling process can be shortened and workability can be improved.
ところで、接合工程で使用されるカーボン板41やクッションシート42等は吸湿しやすいため、冷却時や冷却後に常温まで昇温させる際に結露が生じると、その水分を吸湿してしまうことから作業性が低下する。
本実施形態においては、冷却器内では、加圧治具110に乾燥空気を吹き付けることで、接合体40aの冷却を促進するとともに、カーボン板41やクッションシート42への結露の発生を防止できる。また、接合体40aの冷却温度を−40℃以上とすることで、冷却時間及び冷却後に常温まで昇温させる際の昇温時間を短縮できるとともに、冷却器から取り出した際に生じる結露を防止することができる。
By the way, since the
In the present embodiment, in the cooler, by blowing dry air to the pressurizing
次に、上記において説明した本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法において、その効果を確認するために実験を行った。
厚さ0.6mmで26mm×26mm(26mm角)の回路層用金属板12、厚さ1.6mmで28mm×28mm(28mm角)の放熱層用金属板13、厚さ0.635mmで30mm×30mm(30mm角)のセラミックス基板11を準備し、回路層用金属板12とセラミックス基板11との間、及びセラミックス基板11と放熱層用金属板13との間に厚さ15μmのAl‐7.5質量%Siのろう材箔を介在させて積層した基板積層体40について、下記に示す条件で作製したパワーモジュール用基板10の平面度(反り量)を測定した。
Next, an experiment was performed to confirm the effect of the method for manufacturing a power module substrate according to the present invention described above.
26 mm × 26 mm (26 mm square) circuit
まず、基板積層体40を加圧治具110により加圧した状態で、加圧治具110ごと加熱炉内に設置し、真空雰囲気中で600℃〜650℃で約1時間加熱することにより、セラミックス基板11と両金属板12,13とをろう付けして接合体40aを作製した(接合工程)。そして、その接合体40aを加圧治具110ごと冷却器に投入し、20分間保持(冷却工程)することにより、パワーモジュール用基板10を作製した。
接合工程では、加圧治具110による加圧を0.34MPa,0.44MPa,0.54MPaに変化させ、加圧条件の異なる3種類の接合体40aを作製した。また、冷却工程では、冷却温度25℃,0℃,−25℃,−50℃に設定された冷却器の中に加圧治具により加圧された状態の各接合体を加圧治具ごと投入し、冷却条件の異なる4種類のパワーモジュール用基板10を作製した。
図4に測定結果を示す。
First, in a state where the
In the joining step, the pressure applied by the
FIG. 4 shows the measurement results.
なお、「平面度」は、Mitsutoyo製のQuickScope(三次元測定器)を用いて測定したものであり、放熱層用金属板13の表面の28mm長さ当たりの平面度を示す。また、「平面度」は、パワーモジュール用基板10の回路層側を上に凸状に反りが生じている状態をプラスの値とし、パワーモジュール用基板10板の回路層側を上に凹状に反りが生じている状態をマイナスの値で表示した。
The “flatness” is measured using a QuickScope (three-dimensional measuring instrument) manufactured by Mitsutoyo, and indicates the flatness per 28 mm length of the surface of the heat dissipation
図4に示されるように、基板積層体40を積層方向に加圧した状態で加熱し、セラミックス基板11と各金属板12,13とを接合した後、その接合体40aを加圧状態で冷却することにより、パワーモジュール用基板10の平面度を100μm(絶対値)以下に抑え、平面度が高いパワーモジュール用基板とすることができる。また、5℃以下に冷却することで、平面度をさらに70μm以下に抑えることができる。
また、冷却工程において冷却温度を低く設定する程、平面度を小さくすることができるが、冷却温度−40℃付近を境界として、パワーモジュール用基板の反りの方向が逆転し、回路層側を上に凹状の反りが生じる。このように凹状の反りが生じた場合には、ヒートシンクとの接合時に位置すれが生じ易くなるため、大きな凹状の反りが生じない−40℃以上の冷却温度とすることが好ましい。
As shown in FIG. 4, the
In addition, the lower the cooling temperature is set in the cooling process, the smaller the flatness can be. However, the warping direction of the power module substrate is reversed around the cooling temperature of −40 ° C. and the circuit layer side is raised. A concave warp occurs in the surface. When a concave warp is generated in this way, it is easy to cause displacement at the time of joining with a heat sink. Therefore, it is preferable to set a cooling temperature of −40 ° C. or higher so that a large concave warp does not occur.
以上説明したように、本発明の製造方法によれば、セラミックス基板の両面に金属板をろう付けすることにより生じる反りを抑え、平面度が高いパワーモジュール用基板を容易に製造することができる。 As described above, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to easily manufacture a power module substrate having high flatness while suppressing warpage caused by brazing metal plates on both surfaces of the ceramic substrate.
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、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、上記実施形態においては、接合体40aを加圧治具110ごと冷却することで、基板積層体40の接合時と接合体40aの冷却時とで加圧力を変化させることなくパワーモジュール用基板10を製造したが、接合時と冷却時とで加圧力を変化させて行うこととしてもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, in the above-described embodiment, by cooling the bonded
10 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
12 回路層用金属板
13 放熱層用金属板
13a 表面
20 電子部品
30 ヒートシンク
40 基板積層体
40a 接合体
41 カーボン板
42 クッションシート
100 パワーモジュール
110 加圧治具
111 ベース板
112 ガイドポスト
113 固定板
114 押圧板
115 付勢手段
10
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