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JP2006294971A - Substrate for power module and its production process - Google Patents

Substrate for power module and its production process Download PDF

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JP2006294971A JP2005115563A JP2005115563A JP2006294971A JP 2006294971 A JP2006294971 A JP 2006294971A JP 2005115563 A JP2005115563 A JP 2005115563A JP 2005115563 A JP2005115563 A JP 2005115563A JP 2006294971 A JP2006294971 A JP 2006294971A
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浩太 大年
Eiji Kono
栄次 河野
Masahiko Kanehara
雅彦 金原
Hideto Kubo
秀人 久保
Takashi Fuji
敬司 藤
Katsuaki Tanaka
勝章 田中
Nobuhiro Wakabayashi
信弘 若林
Shintaro Nakagawa
信太郎 中川
Yuichi Furukawa
裕一 古川
Shinobu Yamauchi
忍 山内
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Toyota Industries Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate for power module in which heat dissipation performance and durability are enhanced. <P>SOLUTION: The substrate 1 for power module comprises: an insulating circuit board 10; a heat sink 20; and a restriction member 30. The insulating circuit board 10 comprises: a wiring layer 11 mounting a power device 7; an insulating substrate 12 bonded to the rear surface of the wiring layer 11; and a heat dissipation layer 12 bonded to the rear surface of the insulating substrate 12. The heat sink 20 is bonded to the rear surface side of the insulating circuit board 10, and a channel 20a for conducting cooling medium 29 is formed internally so that heat of the power device 7 is dissipated. The restriction member 30 is bonded to the rear surface of the heat sink 20 and restricts warping of the heat sink 20 due to difference in linear expansion coefficient between the insulating substrate 12 and the heat sink 20. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明はパワーモジュール用基板に関する。   The present invention relates to a power module substrate.

特許文献１に従来のパワーモジュール用基板が開示されている。このパワーモジュール用基板は、絶縁回路基板と、この絶縁回路基板の他方の面に接合された放熱板と、この放熱板の他方の面に接合されたヒートシンクとからなる。   Patent Document 1 discloses a conventional power module substrate. The power module substrate includes an insulating circuit substrate, a heat sink bonded to the other surface of the insulating circuit substrate, and a heat sink bonded to the other surface of the heat sink.

絶縁回路基板は、アルミニウム製の配線層と、配線層の他方の面に接合された絶縁性セラミック製の絶縁基板と、絶縁基板の他方の面に接合されたアルミニウム製の放熱層とからなる。配線層には、このパワーモジュール用基板が使用される際、半導体チップ等のパワーデバイスが実装される。   The insulating circuit board includes an aluminum wiring layer, an insulating ceramic insulating board bonded to the other surface of the wiring layer, and an aluminum heat dissipation layer bonded to the other surface of the insulating substrate. When the power module substrate is used, a power device such as a semiconductor chip is mounted on the wiring layer.

放熱板は厚さが３〜１０ｍｍ程度のアルミニウム合金製の板材である。絶縁回路基板と放熱板とは、絶縁回路基板の放熱層が放熱板の上面に直接ロウ付けされることにより接合されている。また、放熱板とヒートシンクとは、複数本の固定ねじによって接合されている。   The heat sink is a plate made of aluminum alloy having a thickness of about 3 to 10 mm. The insulating circuit board and the heat radiating plate are joined together by brazing the heat radiating layer of the insulating circuit board directly to the upper surface of the heat radiating plate. Moreover, the heat sink and the heat sink are joined by a plurality of fixing screws.

一般的なヒートシンクはアルミニウムや銅の合金からなる。このヒートシンクは、内部に水等の冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されており、パワーデバイスの熱を放冷することが可能とされている。より詳しくは、ヒートシンクは横長の矩形断面をなしており、その内部には横長の矩形断面をなす冷媒流路が形成されている。冷媒流路内には上下方向に延びる複数のフィンが形成され、これらによって冷却媒体と接触する冷媒流路の内面積が増やされている。   A typical heat sink is made of an alloy of aluminum or copper. This heat sink is formed with a coolant channel through which a cooling medium such as water is circulated, so that the heat of the power device can be cooled. More specifically, the heat sink has a horizontally long rectangular cross section, and a coolant channel having a horizontally long rectangular cross section is formed therein. A plurality of fins extending in the vertical direction are formed in the refrigerant flow path, thereby increasing the inner area of the refrigerant flow path in contact with the cooling medium.

このような構成である従来のパワーモジュール用基板は、配線層の一方の面にパワーデバイスが実装されてパワーモジュールとなる。そして、このパワーモジュールは、例えば、電動モータを駆動源の一部とするハイブリッドカー等の移動体のインバータ回路に適用されることにより、移動体の運転状況に応じて電動モーター等に供給する電力を制御する。そして、このパワーモジュールでは、パワーデバイスが発する高熱を配線層、絶縁基板、放熱層及び放熱板を介してヒートシンクに伝え、冷媒流路内を流通する冷却媒体によりその熱を放冷する。   A conventional power module substrate having such a structure is a power module in which a power device is mounted on one surface of a wiring layer. The power module is applied to an inverter circuit of a moving body such as a hybrid car having an electric motor as a drive source, for example, so that the power supplied to the electric motor or the like according to the operating state of the moving body To control. In this power module, high heat generated by the power device is transmitted to the heat sink via the wiring layer, the insulating substrate, the heat dissipation layer, and the heat dissipation plate, and the heat is cooled by the cooling medium flowing in the refrigerant flow path.

この際、放熱板やヒートシンクは、パワーデバイスの発熱により高温となるため、熱膨張しようとする傾向を示す。特に、比較的熱伝導のよいアルミニウム合金等からなる放熱板やヒートシンクは、線膨張係数が比較的大きい（アルミニウム合金の線膨張係数は、約２３×１０-6／°Ｃ）ため、この傾向が顕著となる。他方、絶縁基板は、セラミックからなるため、ヒートシンクに比べて線膨張係数が小さく（窒化アルミニウムの線膨張係数は、約３．２×１０-6／°Ｃ）、パワーデバイスの発熱により高温となっても、それほど熱膨張する傾向がない。 At this time, the heat radiating plate and the heat sink have a high temperature due to the heat generated by the power device, and thus tend to thermally expand. In particular, a heat sink or heat sink made of an aluminum alloy or the like having a relatively good thermal conductivity has a relatively large linear expansion coefficient (the linear expansion coefficient of an aluminum alloy is about 23 × 10 −6 / ° C.). Become prominent. On the other hand, since the insulating substrate is made of ceramic, the linear expansion coefficient is smaller than that of the heat sink (the linear expansion coefficient of aluminum nitride is about 3.2 × 10 −6 / ° C.), and the temperature rises due to the heat generated by the power device. However, there is no tendency for thermal expansion.

このため、何も対策を講じなければ、放熱板及びヒートシンクと絶縁基板との熱膨張差により、放熱板やヒートシンクが絶縁基板に引っ張られて反ることとなり、その結果、絶縁回路基板の絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面に剥離が生じたりし、耐久性の低下を生じてしまう。この点、このパワーモジュール用基板では、比較的厚い放熱板を採用すること等により、放熱板やヒートシンクの反りを抑制し、これによって耐久性の向上を図っている。   For this reason, if no measures are taken, the heat sink and heat sink are pulled and warped by the heat sink due to the difference in thermal expansion between the heat sink and heat sink and the insulating substrate. Cracks occur in the surface and peeling occurs on each joint surface, resulting in a decrease in durability. In this respect, the power module substrate suppresses warpage of the heat sink and heat sink by adopting a relatively thick heat sink, thereby improving durability.

特開２００３−８６７４４号公報JP 2003-86744 A

しかし、上記従来のパワーモジュール用基板では、絶縁基板とヒートシンクとの間に厚い放熱板を介在させなければならず、これによって熱伝導の経路が長くなり、放熱性能の向上が難しい。   However, in the above-described conventional power module substrate, a thick heat sink must be interposed between the insulating substrate and the heat sink, which increases the heat conduction path and makes it difficult to improve the heat dissipation performance.

かといって、放熱板をなくし、絶縁基板を直接に又は放熱層を介してヒートシンクに接合するとすれば、厚い放熱板による反り抑制の効果がなくなるので、ヒートシンクに反りが生じ、耐久性の低下の問題が生じてしまう。   However, if the heat sink is eliminated and the insulating substrate is joined to the heat sink directly or via the heat dissipation layer, the effect of suppressing the warp by the thick heat sink is lost, so the heat sink warps and the durability decreases. Problems arise.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、放熱性能及び耐久性の向上を実現可能なパワーモジュール用基板を提供することを解決すべき課題としている。   This invention is made | formed in view of the said conventional situation, Comprising: It is set as the problem which should be solved to provide the board | substrate for power modules which can implement | achieve the improvement of heat dissipation performance and durability.

本発明のパワーモジュール用基板は、一方の面にパワーデバイスが実装される配線層と、
該配線層の他方の面に接合された絶縁基板と、
該絶縁基板の他方の面側に接合され、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されて該パワーデバイスの熱を放冷するヒートシンクと、
該ヒートシンクの他方の面に接合され、該絶縁基板と該ヒートシンクとの線膨張係数の差に起因する該ヒートシンクの反りを拘束する拘束部材とを備えていることを特徴とする。 The power module substrate of the present invention has a wiring layer on which a power device is mounted on one surface;
An insulating substrate bonded to the other surface of the wiring layer;
A heat sink that is bonded to the other surface side of the insulating substrate and forms a refrigerant flow path for circulating a cooling medium therein to cool the power device;
A restraining member that is bonded to the other surface of the heat sink and restrains the warpage of the heat sink due to a difference in linear expansion coefficient between the insulating substrate and the heat sink is provided.

このような構成である本発明のパワーモジュール用基板は、配線層の一方の面に半導体チップ等のパワーデバイスが実装されてパワーモジュールとなる。そして、このパワーモジュールは、例えば電動モータを駆動源の一部とするハイブリッドカー等の移動体に適用されることにより、移動体の運転状況に応じて電動モーター等に供給する電力を制御する。そして、このパワーモジュールでは、パワーデバイスが発する高熱を少なくとも配線層及び絶縁基板を介してヒートシンクに伝え、冷媒流路内を流通する冷却媒体によりその熱を放冷する。   The power module substrate of the present invention having such a configuration is a power module in which a power device such as a semiconductor chip is mounted on one surface of a wiring layer. And this power module controls the electric power supplied to an electric motor etc. according to the driving | running state of a moving body by applying to mobile bodies, such as a hybrid car which uses an electric motor as a part of drive source, for example. In this power module, high heat generated by the power device is transmitted to the heat sink via at least the wiring layer and the insulating substrate, and the heat is cooled by the cooling medium flowing in the refrigerant flow path.

この際、ヒートシンクは、パワーデバイスの発熱により高温（例えば、１５０°Ｃ程度）となるため、熱膨張しようとする傾向を示す。特に、ヒートシンクが比較的熱伝導のよいアルミニウム等からなる場合には、線膨張係数が比較的大きいため、この傾向が顕著となる。他方、絶縁基板は、絶縁性セラミック等の絶縁材料からなるため、ヒートシンクに比べて線膨張係数が小さく、パワーデバイスの発熱により高温となっても、それほど熱膨張する傾向がない。本発明のパワーモジュール用基板は、この使用時において、絶縁基板とヒートシンクとのこの線膨張係数の差に起因してヒートシンクが絶縁基板の拘束の下で伸びようとしても、ヒートシンクの他方の面に接合された拘束部材がヒートシンクの反りを拘束し、その結果として、ヒートシンクの反りが抑制される。   At this time, since the heat sink becomes a high temperature (for example, about 150 ° C.) due to heat generated by the power device, it tends to thermally expand. In particular, when the heat sink is made of aluminum or the like having a relatively good heat conductivity, this tendency becomes remarkable because the linear expansion coefficient is relatively large. On the other hand, since the insulating substrate is made of an insulating material such as an insulating ceramic, the coefficient of linear expansion is smaller than that of the heat sink, and there is no tendency for thermal expansion even when the power device is heated due to heat generation. When the power module substrate of the present invention is used, even if the heat sink tries to extend under the restraint of the insulating substrate due to the difference in coefficient of linear expansion between the insulating substrate and the heat sink, The joined restraining member restrains the warpage of the heat sink, and as a result, the warpage of the heat sink is suppressed.

なお、本発明のパワーモジュール用基板は、低温環境下に長時間放置された時において、線膨張係数の差に起因してヒートシンクが絶縁基板の拘束の下で縮もうとしても、その拘束部材がヒートシンクの逆方向の反りを拘束し、その結果として、ヒートシンクの反りが抑制される。例えば、このパワーモジュール用基板がハイブリッドカー等の移動体のインバータ回路に適用され、その移動体が氷点下の極低温（例えば、−５０°Ｃ程度）の屋外に長時間放置されるような場合が相当する。   When the power module substrate of the present invention is left in a low temperature environment for a long time, even if the heat sink tries to shrink under the constraint of the insulating substrate due to the difference in linear expansion coefficient, The warping in the reverse direction of the heat sink is restrained, and as a result, the warping of the heat sink is suppressed. For example, this power module substrate may be applied to an inverter circuit of a moving body such as a hybrid car, and the moving body may be left outdoors for a long period of time at a cryogenic temperature (eg, about −50 ° C.) below freezing. Equivalent to.

このため、このパワーモジュール用基板は、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面に剥離が生じたりする不具合が発生し難く、高い耐久性を発揮することができる。   For this reason, this power module substrate is less likely to cause problems such as cracks in the insulating substrate and peeling off at each bonding surface, and can exhibit high durability.

また、本発明のパワーモジュール用基板は、従来のパワーモジュール用基板のように、絶縁基板とヒートシンクとの間に厚い放熱板を介在させていないことから、熱伝導の経路を短くすることができ、高い放熱性能を発揮することもできる。   In addition, unlike the conventional power module substrate, the power module substrate of the present invention does not include a thick heat sink between the insulating substrate and the heat sink, so that the heat conduction path can be shortened. High heat dissipation performance can also be demonstrated.

したがって、本発明のパワーモジュール用基板は、放熱性能及び耐久性の向上を実現することができる。   Therefore, the power module substrate of the present invention can realize improvement in heat dissipation performance and durability.

本発明のパワーモジュール用基板は、配線層と絶縁基板とヒートシンクと拘束部材とを備えている。配線層及び絶縁基板は従来公知の絶縁回路基板であってもよい。従来公知の絶縁回路基板は、配線層と、配線層の他方の面に接合された絶縁基板と、絶縁基板の他方の面に接合された放熱層とからなる。   The power module substrate of the present invention includes a wiring layer, an insulating substrate, a heat sink, and a restraining member. The wiring layer and the insulating substrate may be a conventionally known insulating circuit substrate. A conventionally known insulating circuit board includes a wiring layer, an insulating substrate bonded to the other surface of the wiring layer, and a heat dissipation layer bonded to the other surface of the insulating substrate.

配線層は、一方の面に半導体チップ等のパワーデバイスがワイヤーボンディング等の手段により実装されるものである。この配線層は、厚さ０．４ｍｍ程度の薄いアルミニウム、銅等からなる層により構成され得る。   In the wiring layer, a power device such as a semiconductor chip is mounted on one surface by means such as wire bonding. This wiring layer can be composed of a thin layer of aluminum, copper or the like having a thickness of about 0.4 mm.

絶縁基板は配線層の他方の面に接合されている。この絶縁基板は、厚さ１〜３ｍｍ程度の薄い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）等の絶縁性セラミックからなる板により構成され得る。好適な熱伝導性の観点から、窒化アルミニウム製のものであることが好ましい。 The insulating substrate is bonded to the other surface of the wiring layer. This insulating substrate can be constituted by a plate made of an insulating ceramic such as thin aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ) or the like having a thickness of about 1 to 3 mm. From the viewpoint of suitable thermal conductivity, it is preferably made of aluminum nitride.

ヒートシンクは、絶縁基板の他方の面側に接合され、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されてパワーデバイスの熱を放冷するものである。このヒートシンクは、アルミニウムや銅の合金からなり得る他、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のセラミック、炭化ケイ素とアルミニウム系金属との複合材料（ＡｌＳｉＣ：Aluminum Silicon Carbide）、インバー（Invar）合金（ニッケルと鉄を主成分とした合金）、インバー合金とアルミニウム系金属との複合材料、銅とモリブデンとの合金、酸化銅と銅との複合材料、金属含浸炭素複合材（ＭＩＣＣ：Metal Impregnated Carbon Composites）等からなり得る。熱伝導性が良く、低膨張の材料からなることが好ましい。   The heat sink is bonded to the other surface side of the insulating substrate, and a refrigerant flow path through which a cooling medium is circulated is formed to cool the heat of the power device. This heat sink can be made of aluminum or copper alloy, ceramic such as aluminum nitride, alumina, silicon nitride, silicon carbide (SiC), composite material of silicon carbide and aluminum metal (AlSiC: Aluminum Silicon Carbide), invar (Invar) alloys (alloys composed mainly of nickel and iron), composite materials of Invar alloys and aluminum-based metals, alloys of copper and molybdenum, composite materials of copper oxide and copper, metal-impregnated carbon composites (MICC) : Metal Impregnated Carbon Composites). It is preferably made of a material having good thermal conductivity and low expansion.

拘束部材は、ヒートシンクの他方の面に接合され、絶縁基板とヒートシンクとの線膨張係数の差に起因するヒートシンクの反りを拘束するものであれば、どのようなものであってもよい。拘束部材を構成する材料としては、少なくとも線膨張係数がヒートシンクを構成する材料よりも小さいことが好ましく、絶縁基板と同程度であることがより好ましい。   The restraining member may be any member as long as it is bonded to the other surface of the heat sink and restrains the warpage of the heat sink caused by the difference in linear expansion coefficient between the insulating substrate and the heat sink. As a material constituting the restraining member, it is preferable that at least the linear expansion coefficient is smaller than that of the material constituting the heat sink, and it is more preferable that the material is the same as that of the insulating substrate.

本発明のパワーモジュール用基板において、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの間には放熱層が備えられていることが好ましい。すなわち、配線層、絶縁基板及び放熱層からなる従来公知の絶縁回路基板を採用することが好ましい。   In the power module substrate of the present invention, it is preferable that a heat dissipation layer is provided between the insulating substrate and the heat sink. That is, it is preferable to employ a conventionally known insulating circuit board including a wiring layer, an insulating substrate, and a heat dissipation layer.

この場合、放熱層とヒートシンクとの接合をロウ付け等により容易に実施することが可能となる。また、絶縁基板より熱伝導率が高い放熱層であれば、パワーデバイスから伝わる熱が放熱層において面方向に拡散されるので、放熱性能を一層向上させることができる。   In this case, the joining of the heat dissipation layer and the heat sink can be easily performed by brazing or the like. Further, if the heat dissipation layer has a higher thermal conductivity than the insulating substrate, the heat transmitted from the power device is diffused in the surface direction in the heat dissipation layer, so that the heat dissipation performance can be further improved.

放熱層は、厚さ０．４ｍｍ程度の薄いアルミニウム、銅等からなる層により構成され得る。   The heat dissipation layer can be composed of a thin layer of aluminum, copper or the like having a thickness of about 0.4 mm.

従来公知の絶縁回路基板としては、ＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum、登録商標）基板、ＤＢＣ（Direct Bonded Cupper、登録商標）基板等を採用することが可能である。   As a conventionally known insulating circuit board, a DBA (Direct Brazed Aluminum (registered trademark)) substrate, a DBC (Direct Bonded Cupper (registered trademark)) substrate, or the like can be adopted.

本発明のパワーモジュール用基板において、前記拘束部材は前記ヒートシンクの膨張を拘束可能な剛性を有することが好ましい。   In the power module substrate of the present invention, it is preferable that the restraining member has a rigidity capable of restraining expansion of the heat sink.

この場合、拘束部材は、ヒートシンクが反ろうとする際に作用するヒートシンクの他方の面を伸ばそうとする力に対して、より確実に耐えることができる。   In this case, the restraining member can withstand more reliably the force that tries to stretch the other surface of the heat sink that acts when the heat sink tries to warp.

本発明のパワーモジュール用基板において、前記拘束部材は、前記絶縁基板に対して前記ヒートシンクを間に挟んで対称に配置されていることが好ましい。   In the power module substrate of the present invention, it is preferable that the restraining member is disposed symmetrically with respect to the insulating substrate with the heat sink interposed therebetween.

この場合、ヒートシンクが熱膨張又は熱収縮しようとする際に、一方の面に接合された絶縁基板と、他方の面に接合された拘束部材とによって、一方の面と他方の面とがほぼ均等に引っ張られたり、押し付けられたりするようになる。このため、このパワーモジュール用基板は、ヒートシンクの反りを確実に抑制することができる。   In this case, when the heat sink is going to thermally expand or contract, the one surface and the other surface are almost equal by the insulating substrate bonded to one surface and the restraining member bonded to the other surface. It will be pulled or pressed by. For this reason, this power module substrate can reliably suppress warping of the heat sink.

本発明のパワーモジュール用基板において、前記拘束部材は前記絶縁基板と同一材料からなり得る。   In the power module substrate of the present invention, the restraining member may be made of the same material as the insulating substrate.

この場合、拘束部材は絶縁基板と線膨張係数やヤング率が同じ材料からなる。このため、ヒートシンクが熱膨張又は熱収縮しようとする際に、一方の面に接合された絶縁基板と、他方の面に接合された拘束部材とによって、一方の面と他方の面とがほぼ均等に引っ張られたり、押し付けられたりする。例えば、拘束部材として、絶縁基板自体を採用すれば、一方の面と他方の面とが均等に引っ張られたり、押し付けられたりする。このため、このパワーモジュール用基板は、ヒートシンクの反りを一層確実に抑制することができる。   In this case, the restraining member is made of a material having the same linear expansion coefficient and Young's modulus as the insulating substrate. For this reason, when the heat sink tries to thermally expand or contract, the one surface and the other surface are substantially evenly divided by the insulating substrate bonded to one surface and the restraining member bonded to the other surface. It is pulled or pressed by For example, when the insulating substrate itself is employed as the restraining member, one surface and the other surface are evenly pulled or pressed. For this reason, this power module substrate can more reliably suppress the heat sink warpage.

本発明のパワーモジュール用基板において、前記拘束部材は、アルミナ、電磁軟鉄又はインバー合金からなり得る。これらの材料は、線膨張係数が比較的低く、ヤング率が比較的高いので、これらの材料を採用すれば、本発明の効果を顕著に奏することができる。   In the power module substrate of the present invention, the restraining member may be made of alumina, electromagnetic soft iron, or Invar alloy. Since these materials have a relatively low coefficient of linear expansion and a relatively high Young's modulus, the effects of the present invention can be remarkably exhibited when these materials are employed.

本発明のパワーモジュール用基板は、一方の面に第１パワーデバイスが実装される第１配線層と、該第１配線層の他方の面に接合された第１絶縁基板と、該第１絶縁基板の他方の面側に接合された前記ヒートシンクとを備え、
前記拘束部材は、該ヒートシンクの他方の面側に接合された第２絶縁基板と、該第２絶縁基板の他方の面に接合され、他方の面に第２パワーデバイスが実装される第２配線層とを有し得る。 The power module substrate according to the present invention includes a first wiring layer on which a first power device is mounted on one surface, a first insulating substrate bonded to the other surface of the first wiring layer, and the first insulation. The heat sink joined to the other surface side of the substrate,
The restraining member includes a second insulating substrate joined to the other surface side of the heat sink, and a second wiring that is joined to the other surface of the second insulating substrate and the second power device is mounted on the other surface. Layer.

この場合には、本発明の効果を奏しつつ、ヒートシンクの他方の面にもパワーデバイスを実装することが可能となる。このため、パワーモジュールの小型化が可能となる。   In this case, the power device can be mounted on the other surface of the heat sink while achieving the effects of the present invention. For this reason, the power module can be miniaturized.

本発明のパワーモジュール用基板において、前記第２絶縁基板と前記ヒートシンクとの間には、放熱層が備えられていることが好ましい。すなわち、ヒートシンクの他方の面側においても、ヒートシンクの一方の面側と同様、第２配線層、第２絶縁基板及び第２放熱層からなる従来公知の絶縁回路基板を採用することが好ましい。   In the power module substrate of the present invention, it is preferable that a heat dissipation layer is provided between the second insulating substrate and the heat sink. That is, on the other surface side of the heat sink, similarly to the one surface side of the heat sink, it is preferable to adopt a conventionally known insulating circuit substrate including the second wiring layer, the second insulating substrate, and the second heat dissipation layer.

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、パワーデバイスが実装される配線層と、絶縁基板と、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されて該パワーデバイスの熱を放冷するヒートシンクと、該絶縁基板と該ヒートシンクとの線膨張係数の差に起因する該ヒートシンクの反りを拘束する拘束部材とを少なくとも用意し、少なくとも該配線層、該絶縁基板、該ヒートシンク及び該拘束部材をこの順番で積層して積層体とする積層工程と、
該積層体を焼成し、少なくとも該配線層、該絶縁基板、該ヒートシンク及び該拘束部材を接合する接合工程とを備えていることを特徴とする。 The method for manufacturing a power module substrate according to the present invention includes a wiring layer on which a power device is mounted, an insulating substrate, and a heat sink that cools the power device by forming a coolant channel through which a cooling medium flows. And at least a restraining member that restrains warpage of the heat sink caused by a difference in linear expansion coefficient between the insulating substrate and the heat sink, and at least the wiring layer, the insulating substrate, the heat sink, and the restraining member A laminating step of laminating in order to form a laminate;
The laminated body is fired and includes at least a bonding step of bonding the wiring layer, the insulating substrate, the heat sink, and the restraining member.

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、積層工程と接合工程とを備える。   The manufacturing method of the board | substrate for power modules of this invention is equipped with a lamination process and a joining process.

積層工程では、まず配線層、絶縁基板、ヒートシンク及び拘束部材を少なくとも用意する。次に、少なくとも配線層、絶縁基板、ヒートシンク及び拘束部材をこの順番で積層して積層体とする。この際、上記各部材の間には、例えばロウ付け材料等の接合材料を介在させることができる。また、積層体を治具等により挟持することが好ましい。   In the laminating step, first, at least a wiring layer, an insulating substrate, a heat sink, and a restraining member are prepared. Next, at least a wiring layer, an insulating substrate, a heat sink, and a restraining member are laminated in this order to form a laminated body. At this time, a bonding material such as a brazing material can be interposed between the above members. Moreover, it is preferable to clamp a laminated body with a jig | tool etc.

接合工程では、積層体を焼成し、少なくとも配線層、絶縁基板、ヒートシンク及び拘束部材を接合する。この際、加熱温度は、各部材を構成する材料や接合材料によって設定されるが、ロウ付けの場合には６００°Ｃ程度である。   In the joining step, the laminate is fired, and at least the wiring layer, the insulating substrate, the heat sink, and the restraining member are joined. At this time, the heating temperature is set according to the material constituting each member and the bonding material, but is about 600 ° C. in the case of brazing.

このような手順により製造されるパワーモジュール用基板では、接合工程において積層体が焼成される際に、積層体を構成する配線層、絶縁基板、ヒートシンク及び拘束部材が各々熱膨張しようとする傾向を示す。特に、ヒートシンクが比較的熱伝導のよいアルミニウム等からなる場合には、線膨張係数が比較的大きいため、この傾向が顕著となる。他方、絶縁基板は、絶縁性セラミック等の絶縁材料からなるため、ヒートシンクに比べて線膨張係数が小さく、焼成される際にもそれほど熱膨張する傾向がない。   In the power module substrate manufactured by such a procedure, when the laminate is baked in the joining process, the wiring layer, the insulating substrate, the heat sink, and the restraining member constituting the laminate tend to thermally expand each. Show. In particular, when the heat sink is made of aluminum or the like having a relatively good heat conductivity, this tendency becomes remarkable because the linear expansion coefficient is relatively large. On the other hand, since the insulating substrate is made of an insulating material such as an insulating ceramic, the coefficient of linear expansion is smaller than that of the heat sink, and it does not tend to thermally expand even when fired.

このため、何も対策を講じなければ、積層体の焼成中に、ヒートシンクと絶縁基板との熱膨張差が生じたまま、配線層、絶縁基板、ヒートシンク及び拘束部材が接合されてしまう。そして、積層体の焼成終了後に、積層体の温度が常温まで低下すれば、高温により熱膨張していたヒートシンクが収縮するが、この際、ヒートシンクの一方の面は絶縁基板と接合されているので、収縮が拘束され、ヒートシンクの他方の面側に反ろうとする傾向を示す。このため、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面に剥離が生じたりし、生産収率の低下を生じてしまう。   For this reason, if no countermeasure is taken, the wiring layer, the insulating substrate, the heat sink, and the restraining member are joined while the thermal expansion difference between the heat sink and the insulating substrate is generated during firing of the laminate. And after the firing of the laminate, if the temperature of the laminate drops to room temperature, the heat sink that was thermally expanded due to the high temperature will shrink, but at this time, because one surface of the heat sink is bonded to the insulating substrate , Shrinkage is constrained and tends to warp to the other side of the heat sink. For this reason, a crack arises in an insulated substrate or peeling arises in each joining surface, and the fall of a production yield will arise.

この点、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁基板とヒートシンクとの線膨張係数の差に起因するヒートシンクの反りを拘束する拘束部材をヒートシンクの他方の面に接合するものである。このため、積層体の焼成終了後に積層体の温度が常温まで低下して、ヒートシンクが上記のように反ろうとする際、拘束部材がヒートシンクの他方の面において収縮しないように拘束する。このため、このパワーモジュール用基板は、ヒートシンクの反りが抑制され、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面に剥離が生じたりする不具合が発生し難くなる。   In this regard, the power module substrate manufacturing method of the present invention is to join a restraining member that restrains the heat sink warpage caused by the difference in linear expansion coefficient between the insulating substrate and the heat sink to the other surface of the heat sink. For this reason, when the temperature of a laminated body falls to normal temperature after completion | finish of baking of a laminated body, and a heat sink tries to warp as mentioned above, it restrains so that a restraint member may not shrink | contract on the other surface of a heat sink. For this reason, in this power module substrate, warpage of the heat sink is suppressed, and it is difficult to cause a problem that a crack occurs in the insulating substrate or peeling occurs on each bonding surface.

したがって、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、生産収率を向上させることもできる。   Therefore, the method for manufacturing a power module substrate of the present invention can also improve the production yield.

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記積層体は、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの間に放熱層を有することが好ましい。   In the method for manufacturing a power module substrate of the present invention, it is preferable that the laminate has a heat dissipation layer between the insulating substrate and the heat sink.

この場合、絶縁基板とヒートシンクとの接合をロウ付け等により容易に実施することが可能となる。また、配線層、絶縁基板及び放熱層からなる従来公知の絶縁回路基板を採用することもできる。   In this case, the insulating substrate and the heat sink can be easily joined by brazing or the like. Also, a conventionally known insulated circuit board composed of a wiring layer, an insulating substrate and a heat dissipation layer can be adopted.

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記積層体は、少なくとも第１配線層と第１絶縁基板と前記ヒートシンクと第２絶縁基板と第２配線層とがこの順番で積層されたものであり得る。   In the method for manufacturing a power module substrate according to the present invention, the laminate includes at least a first wiring layer, a first insulating substrate, the heat sink, a second insulating substrate, and a second wiring layer stacked in this order. possible.

この場合には、本発明の効果を奏しつつ、ヒートシンクの他方の面にもパワーデバイスを実装することが可能なパワーモジュール用基板を製造することができる。このため、製造コストを低廉化しつつ、パワーモジュールを小型化することが可能となる。   In this case, a power module substrate capable of mounting the power device on the other surface of the heat sink while producing the effects of the present invention can be manufactured. For this reason, it is possible to reduce the size of the power module while reducing the manufacturing cost.

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記積層体は、前記第２絶縁基板と前記ヒートシンクとの間に放熱層を有するものであり得る。   In the method for manufacturing a power module substrate according to the present invention, the laminate may include a heat dissipation layer between the second insulating substrate and the heat sink.

この場合、第２絶縁基板とヒートシンクとの接合をロウ付け等により容易に実施することが可能となる。また、第２絶縁基板より熱伝導率が高い放熱層であれば、パワーデバイスから伝わる熱が放熱層において面方向に拡散されるので、放熱性能を一層向上させることができる。そして、ヒートシンクの他方の面側においても、ヒートシンクの一方の面側と同様、第２配線層、第２絶縁基板及び第２放熱層からなる従来公知の絶縁回路基板を採用することができる。   In this case, the second insulating substrate and the heat sink can be easily joined by brazing or the like. Further, if the heat dissipation layer has a higher thermal conductivity than the second insulating substrate, the heat transmitted from the power device is diffused in the surface direction in the heat dissipation layer, so that the heat dissipation performance can be further improved. And also on the other surface side of the heat sink, similarly to the one surface side of the heat sink, a conventionally known insulating circuit substrate composed of the second wiring layer, the second insulating substrate, and the second heat radiation layer can be adopted.

以下、本発明を具体化した実施例１〜４を図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において、上側を表面、下側を裏面とする。また、各図面のヒートシンク２０の表面及び裏面に記載されている一対の矢印は、それぞれヒートシンク２０の表面及び裏面の延びを概念的に示している。   Embodiments 1 to 4 embodying the present invention will be described below with reference to the drawings. In each drawing, the upper side is the front surface and the lower side is the back surface. Moreover, a pair of arrows described on the front surface and the back surface of the heat sink 20 in each drawing conceptually show the extension of the front surface and the back surface of the heat sink 20, respectively.

（実施例１）
図１に示すように、実施例１のパワーモジュール用基板１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の裏面に接合されたヒートシンク２０と、ヒートシンク２０の裏面に接合された拘束部材３０とを備える。 Example 1
As shown in FIG. 1, the power module substrate 1 of Example 1 includes an insulating circuit board 10, a heat sink 20 bonded to the back surface of the insulating circuit board 10, and a restraining member 30 bonded to the back surface of the heat sink 20. With.

絶縁回路基板１０は、配線層１１と、配線層１１の裏面に接合された絶縁基板１２と、絶縁基板１２の裏面に接合された放熱層１３とからなる。   The insulated circuit board 10 includes a wiring layer 11, an insulating substrate 12 bonded to the back surface of the wiring layer 11, and a heat dissipation layer 13 bonded to the back surface of the insulating substrate 12.

配線層１１は、厚さ０．４ｍｍ程度の薄いアルミニウムからなる層により構成されている。配線層１１には、このパワーモジュール用基板１を使用する際、半導体チップ等のパワーデバイス７がワイヤーボンディング等の手段により実装される。   The wiring layer 11 is composed of a thin aluminum layer having a thickness of about 0.4 mm. When the power module substrate 1 is used, a power device 7 such as a semiconductor chip is mounted on the wiring layer 11 by means such as wire bonding.

絶縁基板１２は、絶縁性と好適な熱伝導性が要求されるため、絶縁性セラミック製であり、厚さ１ｍｍ程度の薄い窒化アルミニウムからなる板により構成されている。窒化アルミニウムの線膨張係数は３．２×１０-6／°Ｃであるため、絶縁基板１２は、熱膨張し難い特性を有している。 Since the insulating substrate 12 is required to have insulating properties and suitable thermal conductivity, the insulating substrate 12 is made of an insulating ceramic and is made of a thin aluminum nitride plate having a thickness of about 1 mm. Since the linear expansion coefficient of aluminum nitride is 3.2 × 10 −6 / ° C., the insulating substrate 12 has a characteristic that it is difficult to thermally expand.

放熱層１３は、厚さ０．４ｍｍ程度の薄いアルミニウムからなる層により構成されている。   The heat dissipation layer 13 is composed of a thin aluminum layer having a thickness of about 0.4 mm.

実施例１のパワーモジュール用基板１では、このような構成である絶縁回路基板１０として、配線層１１、絶縁基板１２及び放熱層１３が予め接合されたＤＢＡ基板が採用されている。この絶縁回路基板１０は、縦が約３０ｍｍ、横が約３０ｍｍの矩形とされている。   In the power module substrate 1 of Example 1, a DBA substrate in which the wiring layer 11, the insulating substrate 12, and the heat dissipation layer 13 are bonded in advance is employed as the insulating circuit substrate 10 having such a configuration. The insulated circuit board 10 has a rectangular shape with a length of about 30 mm and a width of about 30 mm.

ヒートシンク２０はアルミニウム合金からなる。このヒートシンク２０は、厚みが１０ｍｍ程度である横長の矩形断面をなしており、その内部には横長の矩形断面をなす冷媒流路２０ａが形成されている。そして、冷媒流路２０ａの内部に水等の冷却媒体２９を流通させることにより、パワーデバイス７の熱を放冷することが可能とされている。また、冷媒流路２０ａ内には上下方向に延びる複数のフィン２０ｂが形成され、これらによって冷却媒体２９と接触する冷媒流路２０ａの内面積が増やされ、冷却性能の向上が図られている。   The heat sink 20 is made of an aluminum alloy. The heat sink 20 has a horizontally long rectangular cross section having a thickness of about 10 mm, and a refrigerant flow path 20a having a horizontally long rectangular cross section is formed therein. And it is made possible to cool the heat of the power device 7 by circulating the cooling medium 29 such as water in the refrigerant flow path 20a. In addition, a plurality of fins 20b extending in the vertical direction are formed in the refrigerant flow path 20a, thereby increasing the inner area of the refrigerant flow path 20a in contact with the cooling medium 29 and improving the cooling performance.

拘束部材３０は、厚さ１ｍｍ程度のアルミナからなる板材により構成されている。アルミナの線膨張係数は、約５．２×１０-6／°Ｃであるため、拘束部材３０も、絶縁基板１２と同様、熱膨張し難い特性を有している。 The restraining member 30 is made of a plate material made of alumina having a thickness of about 1 mm. Since the linear expansion coefficient of alumina is about 5.2 × 10 −6 / ° C., like the insulating substrate 12, the constraining member 30 has a characteristic that hardly causes thermal expansion.

また、拘束部材３０を構成するアルミナのヤング率は約３８０ＧＰａであり、絶縁基板１２を構成する窒化アルミニウムのヤング率（約３１０ＧＰａ）と同程度である。なお、ヒートシンク２０を構成するアルミニウム合金のヤング率は７０ＧＰａ程度であるので、アルミナのヤング率のほうが大幅に優れている。こうして拘束部材３０は、絶縁基板１２と同程度以上の剛性を有している。   Further, the Young's modulus of alumina constituting the restraining member 30 is about 380 GPa, which is about the same as the Young's modulus (about 310 GPa) of aluminum nitride constituting the insulating substrate 12. Since the Young's modulus of the aluminum alloy constituting the heat sink 20 is about 70 GPa, the Young's modulus of alumina is significantly superior. In this way, the restraining member 30 has a rigidity equal to or higher than that of the insulating substrate 12.

さらに、この拘束部材３０は、絶縁基板１２に対して、ヒートシンク２０を間に挟んで対称に配置されている。つまり、拘束部材３０は、厚さだけでなく、縦横の寸法も絶縁基板１２とほぼ同じ矩形とされており、ヒートシンク２０を間に挟んで、絶縁基板の真裏に配置されている。   Further, the restraining member 30 is disposed symmetrically with respect to the insulating substrate 12 with the heat sink 20 interposed therebetween. That is, the restraining member 30 is not only thick but also has the same vertical and horizontal dimensions as the insulating substrate 12 and is disposed directly behind the insulating substrate with the heat sink 20 interposed therebetween.

これら絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０を備える実施例１のパワーモジュール用基板１は、例えば下記のように製造される。   The power module substrate 1 according to the first embodiment including the insulating circuit substrate 10, the heat sink 20, and the restraining member 30 is manufactured as follows, for example.

まず、ＤＢＡ基板である絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０を用意し、図１に示すように、絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０をこの順番で積層する。この際、上記各部材の間に、常温から百数十°Ｃ程度で硬化する液状又はシート状の接着材料（例えば、エポキシ樹脂系接着剤等）を介在させ、積層した各部材を硬化温度に加熱して、接着層４１、４２を形成する。これにより、各部材が接合されたパワーモジュール用基板１が得られる。この際、硬化温度がそれ程高くなければ、線膨張係数の比較的小さな絶縁回路基板１０及び拘束部材３０と、線膨張係数の比較的大きなヒートシンク２０との熱膨張差もそれほど顕著な問題とはならない。   First, an insulating circuit board 10, which is a DBA board, a heat sink 20, and a restraining member 30 are prepared. As shown in FIG. 1, the insulating circuit board 10, the heat sink 20 and the restraining member 30 are stacked in this order. At this time, a liquid or sheet-like adhesive material (for example, an epoxy resin adhesive) that cures at a temperature from room temperature to about a few hundred degrees Celsius is interposed between the above members, and the laminated members are brought to the curing temperature. The adhesive layers 41 and 42 are formed by heating. Thereby, the board | substrate 1 for power modules to which each member was joined is obtained. At this time, if the curing temperature is not so high, the difference in thermal expansion between the insulating circuit board 10 and the restraining member 30 having a relatively small linear expansion coefficient and the heat sink 20 having a relatively large linear expansion coefficient is not a significant problem. .

このような構成である実施例１のパワーモジュール用基板１は、配線層１１にパワーデバイス７が実装されてパワーモジュールとなる。そして、このパワーモジュールは、例えば電動モータを駆動源の一部とするハイブリッドカー等の移動体に適用されることにより、移動体の運転状況に応じて電動モーター等に供給する電力を制御する。そして、このパワーモジュールでは、パワーデバイス７が発する高熱を絶縁回路基板１０を介してヒートシンク２０に伝え、冷媒流路２０ａ内を流通する冷却媒体２９によりその熱を放冷する。   The power module substrate 1 of the first embodiment having such a configuration is a power module in which the power device 7 is mounted on the wiring layer 11. And this power module controls the electric power supplied to an electric motor etc. according to the driving | running state of a moving body by applying to mobile bodies, such as a hybrid car which uses an electric motor as a part of drive source, for example. In this power module, high heat generated by the power device 7 is transmitted to the heat sink 20 via the insulating circuit board 10, and the heat is allowed to cool by the cooling medium 29 flowing in the refrigerant flow path 20 a.

この際、ヒートシンク２０は、パワーデバイス７の発熱により高温（例えば、１５０°Ｃ程度）となるため、熱膨張しようとする傾向を示す。特に、実施例１では、ヒートシンク２０が比較的熱伝導のよいアルミニウム合金製であるので、線膨張係数が比較的大きく、この傾向が顕著となっている。他方、絶縁基板１２は、窒化アルミニウムからなるため、ヒートシンク２０に比べて線膨張係数が小さく、パワーデバイス７の発熱により高温となっても、それほど熱膨張する傾向がない。   At this time, the heat sink 20 has a high temperature (for example, about 150 ° C.) due to heat generated by the power device 7, and thus tends to thermally expand. In particular, in Example 1, since the heat sink 20 is made of an aluminum alloy having relatively good thermal conductivity, the linear expansion coefficient is relatively large, and this tendency is remarkable. On the other hand, since the insulating substrate 12 is made of aluminum nitride, the coefficient of linear expansion is smaller than that of the heat sink 20, and even if the power device 7 is heated to a high temperature, it does not tend to expand so much.

このため、図２に示すように、仮に拘束部材３０を備えていなければ、絶縁基板１２とヒートシンク２０とのこの線膨張係数の差に起因してヒートシンク２０が絶縁基板１２の拘束の下で伸びようとして、ヒートシンク２０が反ろうとする。   For this reason, as shown in FIG. 2, if the restraining member 30 is not provided, the heat sink 20 extends under the restraint of the insulating substrate 12 due to the difference in the linear expansion coefficient between the insulating substrate 12 and the heat sink 20. As such, the heat sink 20 tends to warp.

しかしながら、実施例１のパワーモジュール用基板１は、図１に示すように、拘束部材３０を備えている。このため、このパワーモジュール用基板１は、この使用時において、絶縁基板１２とヒートシンク２０との線膨張係数の差に起因してヒートシンク２０が絶縁基板１２の拘束の下で伸びようとしても、ヒートシンク２０の裏面に接合された拘束部材３０がヒートシンク２０の反りを拘束する。その結果、ヒートシンク２０の反りが抑制されることとなる。   However, the power module substrate 1 according to the first embodiment includes a restraining member 30 as shown in FIG. For this reason, the power module substrate 1 can be used even when the heat sink 20 tends to expand under the restraint of the insulating substrate 12 due to the difference in linear expansion coefficient between the insulating substrate 12 and the heat sink 20 during use. The restraining member 30 joined to the back surface of the 20 restrains the warp of the heat sink 20. As a result, warpage of the heat sink 20 is suppressed.

また、実施例１のパワーモジュール用基板１は、低温環境下に長時間放置された時において、図３に示すように、仮に拘束部材３０を備えていなければ、線膨張係数の差に起因してヒートシンク２０が絶縁基板１２の拘束の下で縮もうとする。   Further, when the power module substrate 1 of Example 1 is left in a low temperature environment for a long time, as shown in FIG. 3, if the restraint member 30 is not provided, it is caused by a difference in linear expansion coefficient. Thus, the heat sink 20 tries to shrink under the restraint of the insulating substrate 12.

この場合においても、実施例１のパワーモジュール用基板１は、その拘束部材３０がヒートシンク２０の逆方向の反りを拘束する。その結果、ヒートシンク２０の反りが抑制されることとなる。例えば、このパワーモジュール用基板１がハイブリッドカー等の移動体のインバータ回路に適用され、その移動体が氷点下の極低温（例えば、−５０°Ｃ程度）の屋外に長時間放置されるような場合が相当する。   Even in this case, in the power module substrate 1 according to the first embodiment, the restraining member 30 restrains the heat sink 20 from warping in the reverse direction. As a result, warpage of the heat sink 20 is suppressed. For example, when the power module substrate 1 is applied to an inverter circuit of a moving body such as a hybrid car, and the moving body is left outdoors for a long time at a cryogenic temperature (eg, about −50 ° C.) below freezing. Corresponds.

このため、このパワーモジュール用基板１は、絶縁基板１２にクラックが生じたり、各接合面に剥離が生じたりする不具合が発生し難くなっており、高い耐久性を発揮することができる。   For this reason, this power module substrate 1 is less likely to cause a problem that a crack occurs in the insulating substrate 12 or peeling occurs on each bonding surface, and can exhibit high durability.

また、実施例１のパワーモジュール用基板１は、従来のパワーモジュール用基板のように、絶縁基板１２とヒートシンク２０との間に厚い放熱板を介在させていないことから、パワーデバイス７と冷媒流路２０ａとの距離を短くできている。このため、このパワーモジュール用基板１は、熱伝導の経路を短くすることができており、高い放熱性能を発揮することもできる。   In addition, unlike the conventional power module substrate, the power module substrate 1 of Example 1 does not include a thick heat sink between the insulating substrate 12 and the heat sink 20, so that the power device 7 and the refrigerant flow The distance from the road 20a can be shortened. For this reason, this power module substrate 1 can shorten the heat conduction path, and can also exhibit high heat dissipation performance.

したがって、実施例１のパワーモジュール用基板１は、放熱性能及び耐久性の向上を実現することができる。   Therefore, the power module substrate 1 according to the first embodiment can realize improvement in heat dissipation performance and durability.

また、このパワーモジュール用基板１において、絶縁基板１２とヒートシンク２０との間には絶縁基板１２より熱伝導率が高い放熱層１３が備えられているので、パワーデバイス７から伝わる熱が放熱層１３において面方向に拡散されるようになっており、放熱性能を一層向上させることができている。   Further, in the power module substrate 1, the heat dissipation layer 13 having higher thermal conductivity than the insulating substrate 12 is provided between the insulating substrate 12 and the heat sink 20, so that heat transmitted from the power device 7 is dissipated. In this case, the heat radiation performance can be further improved.

さらに、このパワーモジュール用基板１において、拘束部材３０は、ヒートシンク２０よりも大幅に優れたヤング率を有するアルミナで構成され、絶縁基板１２と同程度以上の剛性を有している。このため、拘束部材３０は、ヒートシンク２０の膨張を拘束可能な剛性を有しており、その結果、ヒートシンク３０が反ろうとする際に作用するヒートシンク２０の裏面を伸ばそうとする力に対して、より確実に耐えることができている。   Further, in the power module substrate 1, the restraining member 30 is made of alumina having a Young's modulus that is significantly superior to that of the heat sink 20, and has rigidity equal to or higher than that of the insulating substrate 12. For this reason, the restraining member 30 has a rigidity capable of restraining the expansion of the heat sink 20, and as a result, the restraining member 30 is more resistant to the force of extending the back surface of the heat sink 20 acting when the heat sink 30 warps. It can withstand reliably.

なお、実施例１では、拘束部材３０としてアルミナを採用してるが、線膨張係数が比較的低く、ヤング率が比較的高い電磁軟鉄又はインバー合金を採用した場合でも、上述した理由により、同様の効果を奏することができる。   In Example 1, alumina is used as the restraining member 30, but even when electromagnetic soft iron or Invar alloy having a relatively low linear expansion coefficient and a relatively high Young's modulus is used, the same reason is used for the reason described above. There is an effect.

（実施例２）
また、実施例２のパワーモジュール用基板１ａとして、図４に示すように、拘束部材３０の代わりに、絶縁回路基板１０と全く同じものである第２絶縁回路基板１０２を採用することができる。 (Example 2)
Further, as shown in FIG. 4, a second insulating circuit board 102 that is exactly the same as the insulating circuit board 10 can be used as the power module substrate 1 a of the second embodiment, instead of the restraining member 30.

実施例２のパワーモジュール用基板１ａにおいて、ヒートシンク２０の表面側には、第１配線層１１１と、第１絶縁基板１２１と、第１放熱層１３１とからなる第１絶縁回路基板１０１が接合されている。他方、ヒートシンク２０の裏面側には、第２配線層１１２と、第２絶縁基板１２２と、第２放熱層１３２とからなる第２絶縁回路基板１０２が接合されている。   In the power module substrate 1a of the second embodiment, the first insulating circuit substrate 101 including the first wiring layer 111, the first insulating substrate 121, and the first heat dissipation layer 131 is bonded to the surface side of the heat sink 20. ing. On the other hand, the second insulating circuit substrate 102 including the second wiring layer 112, the second insulating substrate 122, and the second heat radiation layer 132 is bonded to the back surface side of the heat sink 20.

この場合には、本発明の効果を奏することができるとともに、第１絶縁回路基板１０１の第１配線層１１１にパワーデバイス７１を実装し、第２絶縁回路基板１０２の第２配線層１１２にパワーデバイス７２を実装することができるので、パワーモジュールの小型が実現できる。   In this case, the effects of the present invention can be achieved, and the power device 71 is mounted on the first wiring layer 111 of the first insulating circuit board 101 and the power is applied to the second wiring layer 112 of the second insulating circuit board 102. Since the device 72 can be mounted, the power module can be miniaturized.

（実施例３）
実施例１のパワーモジュール用基板１では、接着材料により絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０が接合されるのに対して、図５に示す実施例３のパワーモジュール用基板２では、ロウ付けにより絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０が接合される点が異なる。その他の構成は実施例１のパワーモジュール用基板１と同様であるので、説明は省く。 (Example 3)
In the power module substrate 1 of the first embodiment, the insulating circuit substrate 10, the heat sink 20 and the restraining member 30 are bonded by an adhesive material, whereas in the power module substrate 2 of the third embodiment shown in FIG. The difference is that the insulating circuit board 10, the heat sink 20, and the restraining member 30 are joined together. Other configurations are the same as those of the power module substrate 1 of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

実施例３のパワーモジュール用基板２では、アルミニウムのロウ付けが採用されているため、製造方法が下記の通り、積層工程と、ロウ付けによる接合工程とを備える。   Since the power module substrate 2 of the third embodiment employs brazing of aluminum, the manufacturing method includes a laminating process and a joining process by brazing as follows.

積層工程では、まず絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０を用意する。次に、図６に示すように、絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０をこの順番で積層して積層体２ａとする。この際、上記各部材の間には、アルミニウムのロウ付け用材料５１ａ、５２ａを介在させる。また、積層体２ａを治具等（図示しない）により挟持する。   In the laminating step, first, the insulating circuit board 10, the heat sink 20, and the restraining member 30 are prepared. Next, as illustrated in FIG. 6, the insulating circuit board 10, the heat sink 20, and the restraining member 30 are stacked in this order to form a stacked body 2 a. At this time, aluminum brazing materials 51a and 52a are interposed between the respective members. Further, the laminate 2a is sandwiched by a jig or the like (not shown).

ロウ付けによる接合工程では、高温炉９内に積層体２ａを配置した上で、約６００°Ｃの高温まで加熱する。これにより、積層体２ａが焼成され、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０との間、及びヒートシンク２０と拘束部材３０の間にロウ付け層５１、５２が形成される。こうして、絶縁回路基板１０、ヒートシンク２０及び拘束部材３０がロウ付けにより接合されたパワーモジュール用基板２が完成する。   In the joining step by brazing, the laminated body 2a is disposed in the high temperature furnace 9, and then heated to a high temperature of about 600 ° C. Thereby, the laminated body 2 a is fired, and brazing layers 51 and 52 are formed between the insulating circuit substrate 10 and the heat sink 20 and between the heat sink 20 and the restraining member 30. Thus, the power module substrate 2 in which the insulating circuit substrate 10, the heat sink 20, and the restraining member 30 are joined by brazing is completed.

このような手順により製造される実施例３のパワーモジュール用基板２では、接合工程において積層体２ａが焼成される際に、積層体２ａを構成する配線層１１、絶縁基板１２、放熱層１３、ヒートシンク２０及び拘束部材３０が各々熱膨張しようとする傾向を示す。特に、実施例３では、ヒートシンク２０が比較的熱伝導のよいアルミニウム合金からなるので、線膨張係数が比較的大きく、この傾向が顕著となる。他方、絶縁基板１２は、窒化アルミニウムからなるため、ヒートシンク２０に比べて線膨張係数が小さく、焼成される際にもそれほど熱膨張する傾向がない。   In the power module substrate 2 of Example 3 manufactured by such a procedure, when the multilayer body 2a is baked in the bonding step, the wiring layer 11, the insulating substrate 12, the heat dissipation layer 13, and the multilayer body 2a. The heat sink 20 and the restraining member 30 each show a tendency to thermally expand. In particular, in Example 3, since the heat sink 20 is made of an aluminum alloy having relatively good thermal conductivity, the linear expansion coefficient is relatively large, and this tendency becomes remarkable. On the other hand, since the insulating substrate 12 is made of aluminum nitride, the coefficient of linear expansion is smaller than that of the heat sink 20, and there is no tendency for thermal expansion when firing.

このため、図７に示すように、仮に拘束部材３０を備えていなければ、積層体２ａの焼成中に、ヒートシンク２０と絶縁基板１２との熱膨張差が生じたまま、配線層１１、絶縁基板１２、放熱層１３、ヒートシンク２０及び拘束部材３０が接合されてしまう。そして、積層体２ａの焼成終了後に、積層体２ａの温度が常温まで低下すれば、図８に示すように、高温により熱膨張していたヒートシンク２０が収縮するが、この際、ヒートシンク２０の表面は絶縁基板１２と接合されているので、収縮が拘束され、ヒートシンク２０の裏面側に反ろうとする傾向を示す。このため、絶縁基板にクラックが生じたり、各接合面に剥離が生じたりし、生産収率の低下を生じてしまう。   For this reason, as shown in FIG. 7, if the restraining member 30 is not provided, the wiring layer 11, the insulating substrate, while the thermal expansion difference between the heat sink 20 and the insulating substrate 12 remains during firing of the laminate 2 a. 12, the heat radiation layer 13, the heat sink 20, and the restraining member 30 are joined. Then, if the temperature of the laminated body 2a is lowered to room temperature after the completion of the firing of the laminated body 2a, the heat sink 20 that has been thermally expanded due to the high temperature contracts as shown in FIG. Since it is bonded to the insulating substrate 12, the shrinkage is constrained and tends to warp on the back side of the heat sink 20. For this reason, a crack arises in an insulated substrate or peeling arises in each joining surface, and the fall of a production yield will arise.

この点、実施例３のパワーモジュール用基板２の製造方法は、図５に示すように、絶縁基板１２とヒートシンク２０との線膨張係数の差に起因するヒートシンク２０の反りを拘束する拘束部材３０をヒートシンク２０の裏面に接合するものである。このため、図６に示すように、積層体２ａの焼成終了後に、積層体２ａの温度が常温まで低下してヒートシンク２０が上記のように反ろうとする際も、拘束部材３０がヒートシンク２０の裏面において収縮しないように拘束する。その結果、このパワーモジュール用基板２は、ヒートシンク２０の反りが抑制され、絶縁基板１２にクラックが生じたり、各接合面に剥離が生じたりする不具合が発生し難くなっている。   In this regard, as shown in FIG. 5, the method for manufacturing the power module substrate 2 of Example 3 is a restraining member 30 that restrains the warp of the heat sink 20 due to the difference in linear expansion coefficient between the insulating substrate 12 and the heat sink 20. Is bonded to the back surface of the heat sink 20. Therefore, as shown in FIG. 6, even when the temperature of the laminated body 2 a is lowered to the normal temperature and the heat sink 20 tends to warp as described above after the firing of the laminated body 2 a, the restraining member 30 remains on the back surface of the heat sink 20. In order not to shrink, it is restrained. As a result, in the power module substrate 2, warpage of the heat sink 20 is suppressed, and it is difficult for a problem that a crack occurs in the insulating substrate 12 or a separation occurs on each bonding surface.

したがって、実施例３のパワーモジュール用基板２の製造方法は、生産収率を向上させることもできる。   Therefore, the manufacturing method of the power module substrate 2 of Example 3 can also improve the production yield.

また、このパワーモジュール用基板２の製造方法において、積層体２ａは絶縁基板１２とヒートシンクとの間に放熱層１３を有しているので、絶縁基板１２とヒートシンク２０との接合をロウ付けにより容易に実施することができている。   In the method for manufacturing the power module substrate 2, the laminate 2 a has the heat dissipation layer 13 between the insulating substrate 12 and the heat sink, so that the insulating substrate 12 and the heat sink 20 can be easily joined by brazing. Can be implemented.

さらに、こうして得られたパワーモジュール用基板２は、上述した本発明の製品とのしての効果も奏することができている。   Furthermore, the power module substrate 2 obtained in this way can also exhibit the effect as the product of the present invention described above.

（実施例４）
実施例３のパワーモジュール用基板２の製造方法において、積層体２ａは、図４に示すように、第１絶縁基板１０１と、ヒートシンク２０と、第２絶縁基板１０２とがこの順番で積層されたものであって、製造方法が、接着材料による接合工程の代わりに、ロウ付けによる接合方法を備えるものであってもよい。 Example 4
In the method for manufacturing the power module substrate 2 of Example 3, as shown in FIG. 4, in the laminate 2 a, the first insulating substrate 101, the heat sink 20, and the second insulating substrate 102 were stacked in this order. The manufacturing method may include a joining method by brazing instead of the joining step by the adhesive material.

この場合には、本発明の効果を奏しつつ、ヒートシンク２０の裏面にもパワーデバイス７を実装することが可能なパワーモジュール用基板を製造することができる。このため、製造コストを低廉化しつつ、パワーモジュールを小型化することが可能となる。   In this case, a power module substrate capable of mounting the power device 7 on the back surface of the heat sink 20 while producing the effects of the present invention can be manufactured. For this reason, it is possible to reduce the size of the power module while reducing the manufacturing cost.

以上において、本発明を実施例１〜４に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜４に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。   In the above, the present invention has been described with reference to the first to fourth embodiments. However, the present invention is not limited to the first to fourth embodiments, and can be appropriately modified and applied without departing from the spirit of the present invention. Needless to say.

例えば、実施例１のパワーモジュール用基板１において、ヒートシンク１０の表面側に、複数の絶縁回路基板１０が接合され、各々の絶縁回路基板１０に対応する複数の拘束部材３０がヒートシンク１０の裏面側に接合されていてもよい。また、各実施例における寸法は一例であり、必要に応じて変更しても良い。   For example, in the power module substrate 1 of the first embodiment, a plurality of insulating circuit boards 10 are joined to the front surface side of the heat sink 10, and a plurality of restraining members 30 corresponding to the respective insulating circuit boards 10 are provided on the back side of the heat sink 10. It may be joined to. Moreover, the dimension in each Example is an example, You may change as needed.

本発明はパワーモジュール用基板に利用可能である。   The present invention is applicable to a power module substrate.

実施例１のパワーモジュール用基板の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a power module substrate of Example 1. FIG. 実施例１のパワーモジュール用基板に係り、仮に拘束部材を備えていない場合のヒートシンクの反りを示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the curvature of the heat sink when it concerns on the board | substrate for power modules of Example 1, and is not provided with the restraint member temporarily. 実施例１のパワーモジュール用基板に係り、仮に拘束部材を備えていない場合のヒートシンクの反りを示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the curvature of the heat sink when it concerns on the board | substrate for power modules of Example 1, and is not provided with the restraint member temporarily. 実施例２のパワーモジュール用基板の概略断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of a power module substrate of Example 2. FIG. 実施例３のパワーモジュール用基板の概略断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of a power module substrate of Example 3. FIG. 実施例３のパワーモジュール用基板の製造方法を示す概略断面図である。6 is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing a power module substrate of Example 3. FIG. 実施例３のパワーモジュール用基板に係り、仮に拘束部材を備えていない場合の製造方法を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which concerns on the board | substrate for power modules of Example 3, and shows the manufacturing method when not providing the restraint member temporarily. 実施例３のパワーモジュール用基板に係り、仮に拘束部材を備えていない場合のヒートシンクの反りを示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the curvature of the heat sink when it concerns on the board | substrate for power modules of Example 3, and is not provided with the restraint member temporarily.

符号の説明Explanation of symbols

１、１ａ、２…パワーモジュール用基板
７、７１、７２…パワーデバイス
１１、１１１、１１２…配線層（１１１…第１配線層、１１２…第２配線層）
１２、１２１、１２２…絶縁基板（１２１…第１絶縁基板、１２２…第２絶縁基板）
１３、１３１、１３２…放熱層（１３１…第１放熱層、１３２…第２放熱層）
２０…ヒートシンク
２０ａ…冷媒流路
２９…冷却媒体
３０…拘束部材
４１、４２…接着層
５１、５２…ロウ付け層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 2 ... Power module substrate 7, 71, 72 ... Power device 11, 111, 112 ... Wiring layer (111 ... 1st wiring layer, 112 ... 2nd wiring layer)
12, 121, 122 ... Insulating substrate (121 ... First insulating substrate, 122 ... Second insulating substrate)
13, 131, 132 ... heat dissipation layer (131 ... first heat dissipation layer, 132 ... second heat dissipation layer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Heat sink 20a ... Refrigerant flow path 29 ... Cooling medium 30 ... Restraint member 41, 42 ... Adhesive layer 51, 52 ... Brazing layer

Claims (12)

一方の面にパワーデバイスが実装される配線層と、
該配線層の他方の面に接合された絶縁基板と、
該絶縁基板の他方の面側に接合され、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されて該パワーデバイスの熱を放冷するヒートシンクと、
該ヒートシンクの他方の面に接合され、該絶縁基板と該ヒートシンクとの線膨張係数の差に起因する該ヒートシンクの反りを拘束する拘束部材とを備えていることを特徴とするパワーモジュール用基板。 A wiring layer on which power devices are mounted on one side;
An insulating substrate bonded to the other surface of the wiring layer;
A heat sink that is bonded to the other surface side of the insulating substrate and forms a refrigerant flow path for circulating a cooling medium therein to cool the power device;
A power module substrate comprising: a restraining member that is bonded to the other surface of the heat sink and restrains warpage of the heat sink caused by a difference in linear expansion coefficient between the insulating substrate and the heat sink. 前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの間には放熱層が備えられていることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板。   The power module substrate according to claim 1, wherein a heat dissipation layer is provided between the insulating substrate and the heat sink. 前記拘束部材は前記ヒートシンクの膨張を拘束可能な剛性を有することを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板。   The power module substrate according to claim 1, wherein the restraining member has rigidity capable of restraining expansion of the heat sink. 前記拘束部材は、前記絶縁基板に対して前記ヒートシンクを間に挟んで対称に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のパワーモジュール用基板。   4. The power module substrate according to claim 1, wherein the restraining member is disposed symmetrically with respect to the insulating substrate with the heat sink interposed therebetween. 5. 前記拘束部材は前記絶縁基板と同一材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のパワーモジュール用基板。   The power module substrate according to claim 1, wherein the restraining member is made of the same material as the insulating substrate. 前記拘束部材は、アルミナ、電磁軟鉄又はインバー合金からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のパワーモジュール用基板。   5. The power module substrate according to claim 1, wherein the restraining member is made of alumina, electromagnetic soft iron, or Invar alloy. 一方の面に第１パワーデバイスが実装される第１配線層と、該第１配線層の他方の面に接合された第１絶縁基板と、該第１絶縁基板の他方の面側に接合された前記ヒートシンクとを備え、
前記拘束部材は、該ヒートシンクの他方の面側に接合された第２絶縁基板と、該第２絶縁基板の他方の面に接合され、他方の面に第２パワーデバイスが実装される第２配線層とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のパワーモジュール用基板。 A first wiring layer on which one of the first power devices is mounted; a first insulating substrate bonded to the other surface of the first wiring layer; and a first insulating substrate bonded to the other surface of the first insulating substrate. Said heat sink,
The restraining member includes a second insulating substrate joined to the other surface side of the heat sink, and a second wiring that is joined to the other surface of the second insulating substrate and the second power device is mounted on the other surface. The power module substrate according to claim 1, further comprising a layer. 前記第２絶縁基板と前記ヒートシンクとの間には、放熱層が備えられていることを特徴とする請求項７記載のパワーモジュール用基板。   The power module substrate according to claim 7, wherein a heat dissipation layer is provided between the second insulating substrate and the heat sink. パワーデバイスが実装される配線層と、絶縁基板と、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路が形成されて該パワーデバイスの熱を放冷するヒートシンクと、該絶縁基板と該ヒートシンクとの線膨張係数の差に起因する該ヒートシンクの反りを拘束する拘束部材とを少なくとも用意し、少なくとも該配線層、該絶縁基板、該ヒートシンク及び該拘束部材をこの順番で積層して積層体とする積層工程と、
該積層体を焼成し、少なくとも該配線層、該絶縁基板、該ヒートシンク及び該拘束部材を接合する接合工程とを備えていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 A wiring layer on which a power device is mounted, an insulating substrate, a heat sink that forms a coolant flow path for circulating a cooling medium therein, and cools the power device, and linear expansion between the insulating substrate and the heat sink A stacking step of preparing at least a restraining member for restraining warpage of the heat sink caused by a difference in coefficient, and laminating at least the wiring layer, the insulating substrate, the heat sink and the restraining member in this order; ,
A method for manufacturing a power module substrate, comprising: firing the laminated body and joining at least the wiring layer, the insulating substrate, the heat sink, and the restraining member. 前記積層体は、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの間に放熱層を有することを特徴とする請求項９記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The method for manufacturing a power module substrate according to claim 9, wherein the laminate includes a heat dissipation layer between the insulating substrate and the heat sink. 前記積層体は、少なくとも第１配線層と第１絶縁基板と前記ヒートシンクと第２絶縁基板と第２配線層とがこの順番で積層されたものであることを特徴とする請求項９又は１０記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   11. The laminate according to claim 9, wherein at least the first wiring layer, the first insulating substrate, the heat sink, the second insulating substrate, and the second wiring layer are stacked in this order. Of manufacturing a power module substrate. 前記積層体は、前記第２絶縁基板と前記ヒートシンクとの間に放熱層を有することを特徴とする請求項１１記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The method for manufacturing a power module substrate according to claim 11, wherein the laminate includes a heat dissipation layer between the second insulating substrate and the heat sink.
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