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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
結果を表1に示す。
結果を表2に示す。
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。
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。
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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