JP6020256B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関する。
従来、パワーモジュール用基板として、セラミックス基板の一方の面に回路層が積層状態に接合されるとともに、他方の面に放熱層が積層状態に接合されたものが知られており、回路層の上に半導体チップ（パワー素子）等の電子部品がはんだ付けされ、放熱層にヒートシンクが接合されることにより、パワーモジュールとして供される。
このようなパワーモジュール用基板において、セラミックス基板に回路層や放熱層となる金属層を積層状態に接合する方法として、たとえば特許文献１では、Ａｌ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｇｅ系のろう材を介在させてセラミックス基板とアルミニウム金属層とを重ね合わせ、その積層体を加圧、加熱することにより、ろう材を溶融させてセラミックス基板とアルミニウム金属層とを接合している。
この種のパワーモジュール用基板として、セラミックス基板両面の金属層の厚みや材質が異なる場合などには、ろう付のための加熱処理を経由すると熱応力によって反りが生じるという問題がある。
この反りを解消するための方法として、出願人は特許文献２により、複数枚のセラミックス基板と金属層とを交互に積層して接合した後に、金属層を厚さ方向の途中位置で面方向に沿って切断することにより、セラミックス基板の両面に所定厚さの金属層を形成した、反りが抑制されたパワーモジュール用基板の製造方法を提案している。
この種のパワーモジュール用基板として、セラミックス基板両面の金属層の厚みや材質が異なる場合などには、ろう付のための加熱処理を経由すると熱応力によって反りが生じるという問題がある。
この反りを解消するための方法として、出願人は特許文献２により、複数枚のセラミックス基板と金属層とを交互に積層して接合した後に、金属層を厚さ方向の途中位置で面方向に沿って切断することにより、セラミックス基板の両面に所定厚さの金属層を形成した、反りが抑制されたパワーモジュール用基板の製造方法を提案している。
ところで、前述したようにパワーモジュール用基板は、使用時の電子部品からの熱を放散するために、セラミックス基板の片面の放熱層にヒートシンクが接合されるが、このヒートシンクの接合時もろう付等の場合は加熱処理が施されるため、反りが生じ易い。この反りは回路層側を凸とする形状であり、その上に搭載される電子部品のはんだ付け性を損なうおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反りの問題を解消し、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる方法の提供を目的とする。
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は、セラミックス基板の一方の面に回路層、他方の面に放熱層が接合されるとともに、前記放熱層にヒートシンク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の製造方法であって、前記回路層の２倍以上の厚さを有し前記回路層と同じ材質からなる金属板の両側表面にそれぞれ前記セラミックス基板、前記放熱層、前記ヒートシンクをこの順に積層し、接合した接合体を形成する接合工程と、前記接合工程で得られた接合体における前記金属板を厚さ方向の途中位置で面方向に沿って切断する切断工程とを備えることを特徴とする。
この発明によれば、接合工程において、金属板を中心として、その両側にセラミックス基板、放熱層、ヒートシンクを対称に配置して積層し、その積層体を加熱して接合するので、接合時に生じる熱伸縮が金属板の両側で等しくなる。また、比較的硬いヒートシンクが最も外側に配置されることから、このヒートシンクにより全体の剛性が支配されて反りにくくなる。
そして、接合後に、中央の金属板の厚さ方向の途中位置から二分することにより、二組のヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
このヒートシンク付パワーモジュール用基板は反りが抑制されているので、回路層の平面精度が高く、半導体素子の搭載作業を容易にするとともに、その接合信頼性を向上させることができる。
なお、ヒートシンクは、一の面に放熱層との接合面を有するものであれば、平板状のもの、片面に多数のフィンを有するもの、冷却器の天板であって、他の部材と組み合わせることにより水冷あるいは空冷の冷却器を構成するものなど、形状は限定されない。
そして、接合後に、中央の金属板の厚さ方向の途中位置から二分することにより、二組のヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
このヒートシンク付パワーモジュール用基板は反りが抑制されているので、回路層の平面精度が高く、半導体素子の搭載作業を容易にするとともに、その接合信頼性を向上させることができる。
なお、ヒートシンクは、一の面に放熱層との接合面を有するものであれば、平板状のもの、片面に多数のフィンを有するもの、冷却器の天板であって、他の部材と組み合わせることにより水冷あるいは空冷の冷却器を構成するものなど、形状は限定されない。
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おいて、前記回路層が銅からなるとともに、前記放熱層がアルミニウムからなり、前記接合工程は、前記金属板の両側表面に前記セラミックス基板を一枚ずつ積層した状態で加熱することにより前記金属板と前記セラミックス基板とを接合する第１接合工程と、第１接合工程により前記金属板に接合された前記セラミックス基板の外側表面に前記放熱層をそれぞれ積層した状態で加熱することにより前記放熱層を前記セラミックス基板にそれぞれ接合する第２接合工程と、第２接合工程で前記セラミックス基板に接合された前記放熱層の外側表面に前記ヒートシンクをそれぞれ積層した状態で加熱することにより前記放熱層と前記ヒートシンクとを接合する第３接合工程とを備える方法とすることができる。
第１接合工程から第３接合工程のいずれの接合工程においても、金属板を中心として対称に積層して、その積層体を加熱して接合するので、金属板を切断して得られるヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板の両面に異なる材質の金属層が設けられるにもかかわらず、反りを小さく抑えることができ、銅製回路層により電子部品への高い接合信頼性を確保し、またアルミニウム製放熱層によりヒートサイクル環境下での使用においてもセラミックス基板の割れや接合部の剥がれ等が生じにくく、良好な品質を維持することができる。
この場合、前記金属板が２ｍｍ以上８ｍｍ以下の厚さであり、前記放熱層が０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚さであるものに適用すると、銅製回路層とアルミニウム製放熱層とによるヒートシンク付パワーモジュール用基板において反りを有効に抑制することができる。
この場合、前記金属板が２ｍｍ以上８ｍｍ以下の厚さであり、前記放熱層が０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚さであるものに適用すると、銅製回路層とアルミニウム製放熱層とによるヒートシンク付パワーモジュール用基板において反りを有効に抑制することができる。
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おいて、前記ヒートシンクは、ＪＩＳ７０００番台のアルミニウム合金であるとよい。
ＪＩＳ７０００番台のアルミニウム合金は、耐力が大きく、反りをより小さく抑制することができる。
ＪＩＳ７０００番台のアルミニウム合金は、耐力が大きく、反りをより小さく抑制することができる。
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、接合時の熱による反りを抑えることができるので、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。
以下、本発明の実施形態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ついて説明する。
まず、一実施形態の製造方法により製造されるヒートシンク付パワーモジュール用基板を説明すると、図５に示すように、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板２０と、このセラミックス基板２０の一方の面に接合された回路層３０と、セラミックス基板２０の他方の面に接合された放熱層４０と、この放熱層４０のセラミックス基板２０とは反対側の表面に接合されたヒートシンク５０とを備える。この場合、放熱層４０は矩形平板状に形成されるが、回路層３０は、エッチング等により所望の回路パターンに形成される。
まず、一実施形態の製造方法により製造されるヒートシンク付パワーモジュール用基板を説明すると、図５に示すように、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板２０と、このセラミックス基板２０の一方の面に接合された回路層３０と、セラミックス基板２０の他方の面に接合された放熱層４０と、この放熱層４０のセラミックス基板２０とは反対側の表面に接合されたヒートシンク５０とを備える。この場合、放熱層４０は矩形平板状に形成されるが、回路層３０は、エッチング等により所望の回路パターンに形成される。
そして、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１０に、図５の二点鎖線で示すように、回路層３０の上に半導体チップ等の電子部品１０１がはんだ層１０２により接合され、この電子部品１０１と回路層４０との間がボンディングワイヤ（図示略）によって接続されるなどにより、パワーモジュールが構成される。また、必要に応じてモールド樹脂（図示略）により全体が封止される。はんだ層１０２は、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだにより形成される。
セラミックス基板２０は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを母材として矩形状に形成されている。セラミックス基板２０の厚さは０．３ｍｍ〜１．０ｍｍとされる。
回路層３０は、無酸素銅やタフピッチ銅等の純銅又は銅合金（本発明では単に銅と称す）により形成され、板材をプレスで打ち抜くことにより、あるいは板材をセラミックス基板２０に接合後にエッチングすることにより、所望の回路パターンに形成されている。回路層３０の厚さは１ｍｍ〜４ｍｍとされる。
放熱層４０は、純度９９．９０％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金（本発明では単にアルミニウムと称す）により形成され、厚さ０．５ｍｍ〜２ｍｍで、通常はセラミックス基板１０より小さい矩形の平板状に形成される。
ヒートシンク５０は、回路層３０や放熱層４０より硬いＪＩＳ６０００番台、７０００番台等のアルミニウム合金により３ｍｍ〜５ｍｍの厚さに形成される。図示例では平板状に形成されている。
回路層３０は、無酸素銅やタフピッチ銅等の純銅又は銅合金（本発明では単に銅と称す）により形成され、板材をプレスで打ち抜くことにより、あるいは板材をセラミックス基板２０に接合後にエッチングすることにより、所望の回路パターンに形成されている。回路層３０の厚さは１ｍｍ〜４ｍｍとされる。
放熱層４０は、純度９９．９０％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金（本発明では単にアルミニウムと称す）により形成され、厚さ０．５ｍｍ〜２ｍｍで、通常はセラミックス基板１０より小さい矩形の平板状に形成される。
ヒートシンク５０は、回路層３０や放熱層４０より硬いＪＩＳ６０００番台、７０００番台等のアルミニウム合金により３ｍｍ〜５ｍｍの厚さに形成される。図示例では平板状に形成されている。
次に、このように構成されるヒートシンク付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。
まず、回路層３０については、その厚さの２倍以上の厚さを有し同じ材質の金属板３１を用意する。具体的には、回路層３０の二枚分に後述する切断代を加えた厚さの金属板３１とする。セラミックス基板２０、放熱層４０及びヒートシンク５０は、製品厚さのものを用意する。これら金属板３１とセラミックス基板２０、放熱層４０、ヒートシンク５０を以下のように３回の工程に分けて接合する。
まず、回路層３０については、その厚さの２倍以上の厚さを有し同じ材質の金属板３１を用意する。具体的には、回路層３０の二枚分に後述する切断代を加えた厚さの金属板３１とする。セラミックス基板２０、放熱層４０及びヒートシンク５０は、製品厚さのものを用意する。これら金属板３１とセラミックス基板２０、放熱層４０、ヒートシンク５０を以下のように３回の工程に分けて接合する。
（第１接合工程）
図１に示すように、金属板３１の両面に接合材６１を介してセラミックス基板２０をそれぞれ積層する。図１に示す例では、接合材６１はペーストにより構成され、セラミックス基板２０の片面にスクリーン印刷によって塗布され乾燥されている。これら金属板３１とセラミックス基板２０との接合には、接合材６１としてＡｇ−Ｔｉ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ等の活性ろう材を用いた活性金属ろう付け法が適用される。金属板３１とセラミックス基板２０との間に接合材（活性ろう材）６１を配置し、これらを一対の当て板７１により挟んで矢印で示すように積層方向に加圧した状態で真空中で加熱することにより、セラミックス基板２０の表面に、ろう材中の活性金属であるＴｉがセラミックス基板２０に含まれるＮ、Ｏ又はＣと反応して窒化物や酸化物、炭化物等を形成するとともに、Ａｇが金属板３１のＣｕとの共晶反応により溶融金属層を形成し、これが冷却凝固することによりＡｇ‐Ｃｕ共晶層を介して銅金属板３１とセラミックス基板２０とが接合される。
図１に示すように、金属板３１の両面に接合材６１を介してセラミックス基板２０をそれぞれ積層する。図１に示す例では、接合材６１はペーストにより構成され、セラミックス基板２０の片面にスクリーン印刷によって塗布され乾燥されている。これら金属板３１とセラミックス基板２０との接合には、接合材６１としてＡｇ−Ｔｉ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ等の活性ろう材を用いた活性金属ろう付け法が適用される。金属板３１とセラミックス基板２０との間に接合材（活性ろう材）６１を配置し、これらを一対の当て板７１により挟んで矢印で示すように積層方向に加圧した状態で真空中で加熱することにより、セラミックス基板２０の表面に、ろう材中の活性金属であるＴｉがセラミックス基板２０に含まれるＮ、Ｏ又はＣと反応して窒化物や酸化物、炭化物等を形成するとともに、Ａｇが金属板３１のＣｕとの共晶反応により溶融金属層を形成し、これが冷却凝固することによりＡｇ‐Ｃｕ共晶層を介して銅金属板３１とセラミックス基板２０とが接合される。
具体的には、Ａｇ、Ｔｉ、分散剤、可塑剤、還元剤を含有する接合材６１を用い、金属板３１、接合材６１、セラミックス基板２０の積層体を積層方向に１０Ｎ／ｍｍ２（１ｋｇｆ／ｍｍ２）〜３３４Ｎ／ｍｍ２（３５ｋｇｆ／ｍｍ２）の圧力で加圧する。当て板７１は、この接合工程時に積層体に固着しないようにカーボンにより構成される。そして、この加圧状態で全体を真空加熱炉に装入し、７９０℃〜８５０℃で加熱して冷却する。
なお、ろう材は、ペーストの他、箔の形態で用いてもよい。
この第１接合工程により、金属板３１の両面にセラミックス基板２０が接合された第１接合体７１が製造される。
なお、ろう材は、ペーストの他、箔の形態で用いてもよい。
この第１接合工程により、金属板３１の両面にセラミックス基板２０が接合された第１接合体７１が製造される。
（第２接合工程）
図２に示すように、第１接合体８１の両側、つまりセラミックス基板２０の外側表面にそれぞれ放熱層４０を接合材６２を介して積層する。この場合の接合材６２は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材が使用されるが、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系ろう材が好適であり、厚さ５μｍ〜５０μｍの箔の形態で用いられる。また、接合方法としては、放熱層４０とセラミックス基板２０との間に接合材（ろう材箔）６２を介在させて積層する、あるいは放熱層４０を形成するためのアルミニウム板に接合材６２を仮止めしておき、プレスで打ち抜くことにより、接合材６２が仮止めされた放熱層４０を形成し、その放熱層４０の接合材６２側をセラミックス基板２０に重ねて積層する、などの方法とすることができる。
図２に示すように、第１接合体８１の両側、つまりセラミックス基板２０の外側表面にそれぞれ放熱層４０を接合材６２を介して積層する。この場合の接合材６２は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材が使用されるが、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系ろう材が好適であり、厚さ５μｍ〜５０μｍの箔の形態で用いられる。また、接合方法としては、放熱層４０とセラミックス基板２０との間に接合材（ろう材箔）６２を介在させて積層する、あるいは放熱層４０を形成するためのアルミニウム板に接合材６２を仮止めしておき、プレスで打ち抜くことにより、接合材６２が仮止めされた放熱層４０を形成し、その放熱層４０の接合材６２側をセラミックス基板２０に重ねて積層する、などの方法とすることができる。
そして、この接合材６２を介して放熱層４０を積層した積層体をカーボン製の当て板７１を介して矢印で示す積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内で加熱することにより、ろう材６２と放熱層４０の一部のアルミニウムを溶融させ、冷却凝固することによりセラミックス基板２０に放熱層４０を接合する。加圧力は１０Ｎ／ｍｍ２（１ｋｇｆ／ｍｍ２）〜３３４Ｎ／ｍｍ２（３５ｋｇｆ／ｍｍ２）、加熱温度は５５０℃〜６５０℃とされる。加圧の際に、カーボンからなる当て板が用いられるのは、第１接合工程と同様である。
この第２接合工程により、金属板３１の両面にセラミックス基板２０、セラミックス基板２０の外側表面に放熱層４０がそれぞれ接合された第２接合体８２が得られる。
この第２接合工程により、金属板３１の両面にセラミックス基板２０、セラミックス基板２０の外側表面に放熱層４０がそれぞれ接合された第２接合体８２が得られる。
（第３接合工程）
図３に示すように、第２接合体８２の両側、つまり放熱層４０の外側表面にそれぞれヒートシンク５０を接合材６３を介して積層する。この場合の接合材６３も第２接合工程において用いたろう材と同種のろう材を用いることができ、特にＡｌ−Ｓｉ系ろう材が好適であり、厚さ５μｍ〜５０μｍの箔の形態で用いられる。
そして、この接合材６３を介してヒートシンク５０を積層した積層体を当て板７１を介して矢印で示す積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内で加熱することにより、ろう材６３と放熱層４０及びヒートシンク５０の一部のアルミニウムを溶融させ、冷却凝固することにより放熱層４０にヒートシンク５０を接合する。加圧力は１０Ｎ／ｍｍ２（１ｋｇｆ／ｍｍ２）〜３３４Ｎ／ｍｍ２（３５ｋｇｆ／ｍｍ２）、加熱温度は５５０℃〜６５０℃とされる。
この第２接合工程により、図４に示すように、金属板３１の両面にセラミックス基板２０、セラミックス基板２０の外側表面に放熱層４０、その放熱層４０の外側表面にヒートシンク５０がそれぞれ接合された第３接合体８３が得られる。
図３に示すように、第２接合体８２の両側、つまり放熱層４０の外側表面にそれぞれヒートシンク５０を接合材６３を介して積層する。この場合の接合材６３も第２接合工程において用いたろう材と同種のろう材を用いることができ、特にＡｌ−Ｓｉ系ろう材が好適であり、厚さ５μｍ〜５０μｍの箔の形態で用いられる。
そして、この接合材６３を介してヒートシンク５０を積層した積層体を当て板７１を介して矢印で示す積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内で加熱することにより、ろう材６３と放熱層４０及びヒートシンク５０の一部のアルミニウムを溶融させ、冷却凝固することにより放熱層４０にヒートシンク５０を接合する。加圧力は１０Ｎ／ｍｍ２（１ｋｇｆ／ｍｍ２）〜３３４Ｎ／ｍｍ２（３５ｋｇｆ／ｍｍ２）、加熱温度は５５０℃〜６５０℃とされる。
この第２接合工程により、図４に示すように、金属板３１の両面にセラミックス基板２０、セラミックス基板２０の外側表面に放熱層４０、その放熱層４０の外側表面にヒートシンク５０がそれぞれ接合された第３接合体８３が得られる。
（切断工程）
第３接合体８３の中央に配置される金属板３１の厚さ方向の中央位置を図４の一点鎖線Ｃで示すように面方向に切断する。高精度かつ小さい切断代で切断するには、ダイシングソー、ワイヤソーなど、シリコンウエハに用いられている切断手段を応用することが好ましい。例えば、シリコンウエハ切断用ダイシングブレードの切断代の厚さは一般的には１００μｍ程度である。
この切断工程により、金属板３１が厚さ方向の中央位置で分離して、二枚の回路層３０となり、この回路層３０を有する二組のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０が製造される。
第３接合体８３の中央に配置される金属板３１の厚さ方向の中央位置を図４の一点鎖線Ｃで示すように面方向に切断する。高精度かつ小さい切断代で切断するには、ダイシングソー、ワイヤソーなど、シリコンウエハに用いられている切断手段を応用することが好ましい。例えば、シリコンウエハ切断用ダイシングブレードの切断代の厚さは一般的には１００μｍ程度である。
この切断工程により、金属板３１が厚さ方向の中央位置で分離して、二枚の回路層３０となり、この回路層３０を有する二組のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０が製造される。
このようにして製造されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１０は、第１接合工程、第２接合工程、第３接合工程とも、金属板３１を中心として両面側にセラミックス基板２０、放熱層４０、ヒートシンク５０が対称に配置された状態で接合されるので、金属板３１の両面で生じる熱伸縮が等しく、熱の影響による反りを抑制することができる。また、最後の第３接合工程においては、硬いヒートシンク５０が両側に配置されるので、全体の剛性が高くなり、より曲がりにくくなり、一層反りが生じにくいものとなっている。
なお、金属板３１を切断して個別のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０を得た後、たとえば研磨ブラシ等を用いて回路層３０のバリ取りを行い、その後、表面処理により回路層３０表面の加工歪みを除去し、平滑化する処理を施すとよい。表面処理としては、たとえば水酸化ナトリウム５％水溶液に８０秒〜１６０秒浸漬するアルカリエッチングや、硝酸３０％水溶液に２０秒〜４０秒浸漬する酸処理等を適用することが可能である。
このように、こ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、各接合工程において金属板３１を中心に対称に配置した部材を接合するので、各部材間の熱伸縮の差による反りの発生がほとんどなく、最後に金属板３１を切断することにより、反りが抑制された信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板１０を製造することができる。
この場合、金属板３１の厚さや切断位置を適宜に設定することにより、回路層と放熱層との厚さが異なるヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することも可能であり、その場合も、接合工程においては、金属板の両側で対称な接合体を形成するので、反りの発生の少ないヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。
この場合、金属板３１の厚さや切断位置を適宜に設定することにより、回路層と放熱層との厚さが異なるヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することも可能であり、その場合も、接合工程においては、金属板の両側で対称な接合体を形成するので、反りの発生の少ないヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。
図６は本発明の他の実施形態を示している。前述の一実施形態と共通要素には同一符号を付して説明を簡略化する。
第１接合体及び第２接合体は一実施形態と同様の構成であり、前述と同様に形成される。図６は、第２接合体８２にヒートシンク５５を接合する工程を示している。このヒートシンク５５は、平板部５６の片面に複数の相互に平行なピン状フィン５７が一体に形成されており、これらフィン５７が形成されている側とは反対側の表面が放熱層４０に接合される。
このため、このヒートシンク５５を放熱層４０に接合する際に用いられる当て板７５は、二点鎖線で示すように、フィン５７を避けて平板部５６を押圧できるようにフィン５７を挿入可能な複数の孔部７６が形成される。
このように、ヒートシンクは、一実施形態のように平板状のもの、図６に示すようにピン状フィン５６を有するもの、ピン状以外のフィンを有するもの、あるいは、他の部材と結合することにより空冷または水冷のための流路を形成するものなど、種々の形状のものを適用することができ、放熱層４０との接合のための表面を有していればよい。
第１接合体及び第２接合体は一実施形態と同様の構成であり、前述と同様に形成される。図６は、第２接合体８２にヒートシンク５５を接合する工程を示している。このヒートシンク５５は、平板部５６の片面に複数の相互に平行なピン状フィン５７が一体に形成されており、これらフィン５７が形成されている側とは反対側の表面が放熱層４０に接合される。
このため、このヒートシンク５５を放熱層４０に接合する際に用いられる当て板７５は、二点鎖線で示すように、フィン５７を避けて平板部５６を押圧できるようにフィン５７を挿入可能な複数の孔部７６が形成される。
このように、ヒートシンクは、一実施形態のように平板状のもの、図６に示すようにピン状フィン５６を有するもの、ピン状以外のフィンを有するもの、あるいは、他の部材と結合することにより空冷または水冷のための流路を形成するものなど、種々の形状のものを適用することができ、放熱層４０との接合のための表面を有していればよい。
実施例として、３１ｍｍ四方×厚さ２ｍｍの銅製回路層、３３ｍｍ四方×厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム製セラミックス基板、３１ｍｍ四方×厚さ１．６ｍｍのアルミニウム製放熱層、５０ｍｍ四方×厚さ３ｍｍのＪＩＳ規格のＡ６０６３アルミニウム合金製平板状ヒートシンクを有するヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する場合の反りをシミュレーションにより求めた。銅製回路層２枚分に切断代０．５ｍｍとして厚さ４．５ｍｍの金属板を用いて、前述の実施形態で説明したように３回に分けて接合した後、金属板を銅製回路層の厚さが２ｍｍとなるように切断するものとした。
比較例として、金属板以外は実施例と同様のセラミックス基板、放熱層、ヒートシンクを用い、まず厚さ２ｍｍの回路層とセラミックス基板とを１枚ずつ積層して接合した後、そのセラミックス基板の反対面に放熱層を接合し、その放熱層にヒートシンクを接合する従来の接合方法により製造したヒートシンク付パワーモジュール用基板についても反りを求めた。
その結果、ヒートシンクの下面の反りが従来例の場合に７５０μｍであったのに対して、本実施例の場合は２５０μｍに抑制された。
比較例として、金属板以外は実施例と同様のセラミックス基板、放熱層、ヒートシンクを用い、まず厚さ２ｍｍの回路層とセラミックス基板とを１枚ずつ積層して接合した後、そのセラミックス基板の反対面に放熱層を接合し、その放熱層にヒートシンクを接合する従来の接合方法により製造したヒートシンク付パワーモジュール用基板についても反りを求めた。
その結果、ヒートシンクの下面の反りが従来例の場合に７５０μｍであったのに対して、本実施例の場合は２５０μｍに抑制された。
また、金属板の厚さの違いによる影響を調べるため、放熱層、セラミックス基板及びヒートシンクは、先の実施例と同じ寸法のものを使用し、回路層について平面形状は先の実施例と同じであるが、厚さが１ｍｍ（金属板の厚さ２ｍｍ）、２ｍｍ（金属板の厚さ４ｍｍ）、３ｍｍ（金属板の厚さ６ｍｍ）、４ｍｍ（金属板の厚さ８ｍｍ）の四種類作製し、同様に接合した後、金属板の厚さの中央で切断して反りを求めた。
結果を表１に示す。
結果を表１に示す。
表１に示す通り、回路層の厚さが１ｍｍの場合に２７０μｍの反りであった他は、すべて２５０μｍの反りであり、回路層の厚さの違いによる反りの影響はほとんどないと言える。
また、回路層、セラミックス基板及びヒートシンクは、先の実施例と同じ寸法のものを使用し、放熱層について厚さを０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．６ｍｍ、２．０ｍｍと変え、その厚さの違いによる反りへの影響を調べた。いずれも、平面形状については先の実施例と同一とした。
結果を表２に示す。
結果を表２に示す。
表２に示す通り、放熱層の厚さの違いにより反りもわずかに異なったが、実用上、大きく反りに影響するというほどではないと言える。
また、回路層、セラミックス基板、放熱層は、先の実施例と同じ平面形状、寸法のものを使用し、ヒートシンクをＪＩＳ規格のＡ７００１アルミニウム合金に変えて反りを求めた。
その結果、反りが２２０μｍに低減された。Ａ６０６３アルミニウム合金の耐力は５０ＭＰａであるのに対して、Ａ７００１アルミニウム合金の耐力は１５０ＭＰａであり、この耐力の大きい７０００番台のアルミニウム合金を用いることにより、反りの低減効果が大きいことがわかる。
その結果、反りが２２０μｍに低減された。Ａ６０６３アルミニウム合金の耐力は５０ＭＰａであるのに対して、Ａ７００１アルミニウム合金の耐力は１５０ＭＰａであり、この耐力の大きい７０００番台のアルミニウム合金を用いることにより、反りの低減効果が大きいことがわかる。
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、回路層を銅製としたが、アルミニウム製の回路層にも適用することができる。その場合、回路層として９９．９０％以上の純アルミニウムを用いることにより、回路層と放熱層とが同種の材質になるので、回路層の２倍以上の厚さを有するアルミニウム製金属板、セラミックス基板及び放熱層を前述したＡｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材からなる接合材を介して一度に接合することが可能である。
ヒートシンクについては、ＪＩＳ６０００番台、あるいは７０００番台のアルミニウム合金を用いる場合は、純アルミニウムに比べて融点が低いので、回路層や放熱層の接合工程とは別の工程で接合した方がよいが、回路層、放熱層及びヒートシンクを近い材質のものを用いる場合には、これら回路層、放熱層、ヒートシンクをろう材によって一度に接合することも可能である。
また、実施形態では、二組のヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する場合について説明したが、二組ずつを複数積み重ねることにより、４組あるいは６組以上の偶数組のヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造するようにしてもよい。その場合、各組の間には、カーボンからなる当て板を介在させた状態で積層して加圧、加熱するとよい。
例えば、回路層を銅製としたが、アルミニウム製の回路層にも適用することができる。その場合、回路層として９９．９０％以上の純アルミニウムを用いることにより、回路層と放熱層とが同種の材質になるので、回路層の２倍以上の厚さを有するアルミニウム製金属板、セラミックス基板及び放熱層を前述したＡｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材からなる接合材を介して一度に接合することが可能である。
ヒートシンクについては、ＪＩＳ６０００番台、あるいは７０００番台のアルミニウム合金を用いる場合は、純アルミニウムに比べて融点が低いので、回路層や放熱層の接合工程とは別の工程で接合した方がよいが、回路層、放熱層及びヒートシンクを近い材質のものを用いる場合には、これら回路層、放熱層、ヒートシンクをろう材によって一度に接合することも可能である。
また、実施形態では、二組のヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する場合について説明したが、二組ずつを複数積み重ねることにより、４組あるいは６組以上の偶数組のヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造するようにしてもよい。その場合、各組の間には、カーボンからなる当て板を介在させた状態で積層して加圧、加熱するとよい。
１０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
２０ セラミックス基板
３０ 回路層
３１ 金属板
４０ 放熱層
５０，５５ ヒートシンク
５６ ピン状フィン
６１〜６３ 接合材
７１ 当て板
７５ 当て板
７６ 孔部
８１ 第１接合体
８２ 第２接合体
８３ 第３接合体
１０１ 電子部品
１０２ はんだ層
２０ セラミックス基板
３０ 回路層
３１ 金属板
４０ 放熱層
５０，５５ ヒートシンク
５６ ピン状フィン
６１〜６３ 接合材
７１ 当て板
７５ 当て板
７６ 孔部
８１ 第１接合体
８２ 第２接合体
８３ 第３接合体
１０１ 電子部品
１０２ はんだ層
Claims (4)
- セラミックス基板の一方の面に回路層、他方の面に放熱層が接合されるとともに、前記放熱層にヒートシンク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の製造方法であって、
前記回路層の２倍以上の厚さを有し前記回路層と同じ材質からなる金属板の両側表面にそれぞれ前記セラミックス基板、前記放熱層、前記ヒートシンクをこの順に積層し、接合した接合体を形成する接合工程と、
前記接合工程で得られた接合体における前記金属板を厚さ方向の途中位置で面方向に沿って切断する切断工程と
を備え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。 - 前記回路層が銅からなるとともに、前記放熱層がアルミニウムからなり、
前記接合工程は、前記金属板の両側表面に前記セラミックス基板を一枚ずつ積層した状態で加熱することにより前記金属板と前記セラミックス基板とを接合する第１接合工程と、第１接合工程により前記金属板に接合された前記セラミックス基板の外側表面に前記放熱層をそれぞれ積層した状態で加熱することにより前記放熱層を前記セラミックス基板にそれぞれ接合する第２接合工程と、第２接合工程で前記セラミックス基板に接合された前記放熱層の外側表面に前記ヒートシンクをそれぞれ積層した状態で加熱することにより前記放熱層と前記ヒートシンクとを接合する第３接合工程と
を備えることを特徴とする請求項１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。 - 前記金属板が２ｍｍ以上８ｍｍ以下の厚さであり、前記放熱層が０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚さであることを特徴とする請求項２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、ＪＩＳ７０００番台のアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項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。
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