JP5589637B2 - Power module substrate and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、パワーモジュール用基板およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a power module substrate and a manufacturing method thereof.
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、回路層となるアルミニウム金属層が積層され、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となるアルミニウムの金属層が形成され、この金属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, an aluminum metal layer as a circuit layer 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 the other surface of the ceramic substrate. There is known a structure in which a metal layer of aluminum serving as a heat dissipation layer is formed and a heat sink is joined to the metal layer.
このようなパワーモジュールを製造する方法として、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されるような製造方法が知られている。
この製造方法では、まずセラミックス基板の一方の面にＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を介して回路層となる金属層を積層し、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して放熱層となる金属層を積層して、これを積層方向に加圧するとともに加熱し、セラミックス基板と回路層及び放熱層とを接合する。
次に、放熱層のセラミックス基板が接合されている面とは反対側の面に、ろう材を介してヒートシンクの天板部を積層し、積層方向に加圧するとともに加熱して、放熱層とヒートシンクとを接合するようにしている。
一方、放熱層とヒートシンクとの間の接合方法としては、高価な設備が不要で比較的容易に安定したろう付けが可能なフラックスろう付け法として、ノコロックろう付け法の適用が検討されている。
As a method for manufacturing such a power module, for example, manufacturing methods as described in Patent Document 1 and
In this manufacturing method, first, a metal layer to be a circuit layer is laminated on one surface of a ceramic substrate via a brazing material such as an Al—Si system, and a heat dissipation layer is formed on the other surface of the ceramic substrate via a brazing material. A metal layer is laminated and pressed in the laminating direction and heated to join the ceramic substrate, the circuit layer, and the heat dissipation layer.
Next, the top plate portion of the heat sink is laminated on the surface of the heat dissipation layer opposite to the surface to which the ceramic substrate is bonded through the brazing material, and the heat dissipation layer and the heat sink are heated in the laminating direction by applying pressure and heating. And are to be joined.
On the other hand, as a bonding method between the heat radiation layer and the heat sink, application of the Nocolok brazing method is being studied as a flux brazing method that does not require expensive equipment and can be stably brazed relatively easily.
ところで、セラミックス基板と放熱層との接合時に、接合に寄与しない余剰分のろう材が接合部から押し出され放熱層の側面部に付着することがあるが、この場合にノコロックろう付け法を用いると、放熱層とヒートシンクとの接合に用いられるフラックスの余剰分が放熱層の側面部を伝って再溶融した余剰分のろう材と接触し、セラミックス基板及び放熱層の接合部界面に引き込まれる、あるいは余剰分のフラックスが蒸発してその蒸気が接合部界面に接触する、などにより、フラックスがセラミックス基板と放熱層との接合部を侵食し、接合部に剥離を生じさせるおそれがある。そのため、セラミックス基板と放熱層との剥離が生じ易くなるという問題がある。 By the way, at the time of joining the ceramic substrate and the heat dissipation layer, an excessive amount of brazing material that does not contribute to the joining may be pushed out from the joining portion and adhere to the side surface portion of the heat dissipation layer. The surplus of the flux used for joining the heat-dissipating layer and the heat sink is brought into contact with the surplus brazing material re-melted along the side surface of the heat-dissipating layer, and is drawn into the interface between the ceramic substrate and the heat-dissipating layer, or The flux may erode the joint between the ceramic substrate and the heat dissipation layer due to evaporation of excess flux and the vapor coming into contact with the joint interface. Therefore, there is a problem that peeling between the ceramic substrate and the heat dissipation layer is likely to occur.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく金属層とヒートシンクとを接合して、接合信頼性を高めることができるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and it is possible to increase the bonding reliability by bonding the metal layer and the heat sink without causing separation at the bonding portion between the ceramic substrate and the metal layer. It aims at providing the board | substrate for power modules, and its manufacturing method.
本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の両面に金属層が積層されるとともに、その一方の金属層にヒートシンクが接合されたパワーモジュール用基板であって、前記一方の金属層の側面部に沿って該金属層を囲む多孔質部が全周にわたって設けられていることを特徴とする。 The power module substrate of the present invention is a power module substrate in which a metal layer is laminated on both surfaces of a ceramic substrate, and a heat sink is bonded to one of the metal layers. A porous portion surrounding the metal layer is provided along the entire circumference.
フラックスの余剰分が金属層とヒートシンクとの間からはみ出したとしても、金属層の側面部を伝わる際に金属層の側面部に設けられた多孔質部に毛管現象によって吸収されるので、セラミックス基板及び金属層の接合部にフラックスが到達することを防ぐことができる。これにより、ろう材とフラックスとの反応を防ぎ、セラミックス基板と金属層との剥離を防止することができるので、接合信頼性を高めることができる。 Even if the excess flux protrudes from between the metal layer and the heat sink, the ceramic substrate is absorbed by the porous part provided on the side surface of the metal layer by capillary action when traveling along the side surface of the metal layer. And it can prevent that a flux reaches | attains the junction part of a metal layer. Thereby, the reaction between the brazing material and the flux can be prevented, and the peeling between the ceramic substrate and the metal layer can be prevented, so that the joining reliability can be improved.
また、本発明のパワーモジュール用基板において、前記多孔質部は、前記セラミックス基板と離間して設けられているとよい。
多孔質部をセラミックス基板から離間して設けることで、多孔質部に吸収されたフラックスがセラミックス基板と金属層との接合部に接することが抑制されるので、これらの接合部の間にフラックスが入り込むことを確実に防ぐことができる。
In the power module substrate of the present invention, the porous portion may be provided apart from the ceramic substrate.
By providing the porous portion apart from the ceramic substrate, the flux absorbed in the porous portion is prevented from coming into contact with the joint between the ceramic substrate and the metal layer, so that the flux is between these joints. It can be surely prevented from entering.
そして、本発明のパワーモジュールは、上記のパワーモジュール用基板の前記ヒートシンクが接合された金属層とは反対側の金属層に電子部品が接合されていることを特徴とする。 The power module of the present invention is characterized in that an electronic component is bonded to a metal layer opposite to the metal layer to which the heat sink of the power module substrate is bonded.
また、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両面にろう材を介して金属層を重ね合わせ加圧するとともに加熱し接合した後、一方の金属層とヒートシンクとをノコロック接合法により接合するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記一方の金属層と前記ヒートシンクとを接合する前に、前記一方の金属層の側面部に沿って該金属層を囲む多孔質部を全周にわたって設けておくことを特徴とする。 In the method for manufacturing a power module substrate according to the present invention, a metal layer is superimposed and pressed on both sides of a ceramic substrate via a brazing material, heated and bonded, and then one metal layer and a heat sink are bonded by a nocolok bonding method. A method of manufacturing a power module substrate to be bonded, wherein a porous part surrounding the metal layer is formed along a side surface of the one metal layer before bonding the one metal layer and the heat sink. It is characterized by being provided over.
また、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の両面に金属層が積層されたパワーモジュール用基板であって、一方の金属層の側面部に沿って該金属層を囲む多孔質部が全周にわたって設けられていることを特徴とする。 The power module substrate of the present invention is a power module substrate in which metal layers are laminated on both sides of a ceramic substrate, and the porous portion surrounding the metal layer along the side surface of one metal layer is entirely present. It is provided over the circumference.
本発明によれば、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく金属層とヒートシンクとを接合して、接合信頼性を高めることができるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the metal module and heat sink are joined without producing peeling in the junction part of a ceramic substrate and a metal layer, and the board | substrate for power modules which can improve joining reliability, and its manufacturing method are provided. can do.
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態のパワーモジュール用基板３を用いたパワーモジュール１を示している。この図１のパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板３と、パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４とから構成される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a power module 1 using a
パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２と、セラミックス基板２の両面に積層された金属層６，７と、金属層７の裏面に接合されたヒートシンク５とを備える。セラミックス基板２の表面に積層された金属層６が回路層となり、その表面に電子部品４がはんだ付けされる。また、他方の金属層７は放熱層とされ、その表面にヒートシンク５が取り付けられる。
セラミックス基板２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、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成され、その厚さは例えば６３５μｍとされる。
The
The
金属層６，７は、いずれも純度９９．９ｗｔ％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１Ｎ９０（純度９９．９ｗｔ％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９ｗｔ％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。そして、金属層６，７は一辺が３０ｍｍの四角形の平面状に形成されている。
このパワーモジュール用基板３においては、放熱層となる金属層７に緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属層６よりも肉厚に形成されたものを用いている。例えば、金属層６の厚さは６００μｍ、金属層７の厚さは１６００μｍとされる。
Both the
In the
また、放熱層となる金属層７の側面部７ａの厚さ方向の中央部には、全周にわたって枠状の溝部７ｂが形成されており、この溝部７ｂに多孔質材を嵌め込み多孔質部９を構成している。
多孔質材は、例えば、多数の発泡孔により三次元網目構造をなす発泡金属を用いることができる。発泡金属は、例えば平均粒径０．５〜５μｍのＮｉ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ａｌ等の金属粉末、炭素数５〜８の非水溶性炭化水素系有機溶剤であるネオベンタン、ヘキサン、ヘプタン等の発泡剤、メチルセルロースやヒドロキシプロピルメチルセルロース等の樹脂バインダ、溶媒（水等）等を混合したスラリーをシート状に成形して乾燥させたものを焼結することにより、例えば気孔率９５〜９９％の多孔質に形成されている。本実施形態の場合、多孔質材には、Ａｌ粉末を焼結して製造された発泡金属を用いるとよく、多孔質部９は、金属層７の厚さの１／３相当の厚さで形成される。
Further, a frame-
As the porous material, for example, a foam metal having a three-dimensional network structure with a large number of foam holes can be used. The foam metal is, for example, metal powder such as Ni, Cu, Ti, Al or the like having an average particle diameter of 0.5 to 5 μm, foam of neobentan, hexane, heptane or the like, which is a water-insoluble hydrocarbon organic solvent having 5 to 8 carbon atoms. By sintering a slurry obtained by molding a slurry obtained by mixing an agent, a resin binder such as methylcellulose or hydroxypropylmethylcellulose, and a solvent (water, etc.) into a sheet, for example, a porosity of 95 to 99% porosity Is formed. In the case of the present embodiment, a foamed metal manufactured by sintering Al powder may be used as the porous material, and the
ヒートシンク５は、その形状等は特に限定されないが、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、パワーモジュール用基板３に接合される筒体１５と、この筒体１５の内部を複数の流路１６に区画する縦壁１７とが一体に形成された構成とされている。筒体１５の天板部１５ａは、パワーモジュール用基板３の金属層７よりも大きい四角形の平面形状を有しており、各縦壁１７は、筒体１５の幅方向に等間隔で相互に平行に並べられ、筒体１５の長さ方向に沿って設けられている。
The shape of the
そして、これらセラミックス基板２と回路層及び放熱層となる金属層６，７とは、ろう付けにより積層されている。ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系合金が好適であるが、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金であってもよい。
なお、金属層６と電子部品４との接合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｚｎ−Ａｌ系もしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。図中符号８がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と金属層６の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。
The
For joining the
このように構成したパワーモジュール用基板３を製造するには、まず、金属層６の裏面とセラミックス基板２の表面、及び金属層７の表面とセラミックス基板２の裏面を、それぞれろう材を挟んで当接させ、これら積層したセラミックス基板２及び金属板６，７を厚さ方向に加圧しながら加熱することにより、ろう付けする。
In order to manufacture the
次に、金属層７とヒートシンク５とをノコロックろう付け法により接合する。
ノコロックろう付け法は、ろう材面にフッ化物系のフラックスを塗布して、非酸化性雰囲気中で加熱して、ろう付けする方法である。
フラックスには、ＫＡｌＦ４、Ｋ２ＡｌＦ５、Ｋ３ＡｌＦ６等が用いられ、これらのフラックスがはんだ表面の酸化物を除去する働きをする。
Next, the
The Nocolok brazing method is a method in which a fluoride-based flux is applied to the brazing material surface and heated in a non-oxidizing atmosphere for brazing.
As the flux, KAlF 4 , K 2 AlF 5 , K 3 AlF 6 or the like is used, and these fluxes function to remove oxides on the solder surface.
本実施形態においては、図２に示すように金属層７の側面部７ａに多孔質部９が設けられており、余剰分のフラックスＦは毛管現象によって多孔質部９で吸収される。このとき、多孔質部９は余剰分のフラックスＦのセラミックス基板２側への流出を防ぐために、接合面からはみ出すフラックスＦの量に対して十分な吸収保持能力を有するようにその大きさが設定されている。例えば、厚さ０．５〜１．０ｍｍ、幅０．５〜１．０ｍｍの多孔質部９とされる。そのため、フラックスＦは多孔質部９を超えて、セラミックス基板２と金属層７との接合部を侵食することはない。
なお、金属層７を積層構造にして、その間に多孔質層を介在させた構造であっても、側面からフラックスを吸収できると考えられるが、セラミックス基板２からヒートシンク５に流れる熱の放熱能力が多孔質層によって阻害されてしまうので、多孔質部は金属層７の側面部７ａのみに設けられる。
In this embodiment, as shown in FIG. 2, the
Even if the
以上説明したように、本実施形態によれば、金属層７の側面部７ａの厚さ方向の中央部に余剰分のフラックスＦを吸収する多孔質部９が設けられているので、金属層７の側面部７ａを伝ってフラックスＦがセラミックス基板２と金属層７との接合部まで到達することを防ぐことができる。これにより、ろう材とフラックスＦとの反応が防止され、セラミックス基板２と金属層７との剥離を防止することができ、接合信頼性を高めることができる。
As described above, according to the present embodiment, the
図３は、本発明の第２実施形態を示している。第１実施形態は、金属層７の側面部７ａの厚さ方向の中央部に形成された溝部７ｂに多孔質材を嵌めこんで多孔質部９が構成されていたが、第２実施形態のパワーモジュール用基板３０は、金属層７０の側面部７０ａに沿って金属層７０を囲むように多孔質材を配置することで多孔質部９０を構成している。
多孔質部９０は、図３に示すように、Ａｌ粉末を焼結して製造された薄肉の発泡金属のシート材を積層して、厚さ０．５〜１．０ｍｍ、幅０．５〜１．０ｍｍの枠状に形成されたものが設けられている。また、多孔質部９０の下端はヒートシンク５の上面に接しているが、多孔質部９０の上端はセラミックス基板２から離間して設けられている。
FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. In the first embodiment, the
As shown in FIG. 3, the
この場合、金属層７０とヒートシンク５との接合部を含む側面部の外側を多孔質部９０で囲っているので、接合部からはみ出したフラックスは瞬時に吸収され、多孔質部９０内にフラックスが閉じ込められる。これにより、金属層７０の側面部７０ａをフラックスが伝うのを抑制するとともに、雰囲気中にフラックスが蒸発することが抑制される。そのため、セラミックス基板２と金属層７０との界面にフラックスが入り込むことを抑制でき、接合部の剥離を確実に防止することができる。
また、多孔質部９０は、フラックスが吸収される下部に十分な吸収保持能力があれば、セラミックス基板２の裏面に接していてもよいが、本実施形態のように多孔質部９０をセラミックス基板２から離間して設ける方が、セラミックス基板２と金属層７０との間にフラックスが入り込むことを確実に防ぐことができるので、好適である。
その他の構成は、第１実施形態のものと同じであり、共通部分に同一符号を付して説明を省略する。
In this case, since the
In addition, the
Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the same reference numerals are given to common portions, and descriptions thereof are omitted.
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、上述の実施形態では、多孔質材を、Ａｌ粉末等を焼結して製造された発泡金属のシート材としたが、線材を編んだメッシュ材や不織布等のフラックスの吸収保持が可能な材料であればよい。
また、パワーモジュール用基板を、セラミックス基板、金属層及びヒートシンクが接合されたものとして説明したが、本発明のパワーモジュール用基板には、セラミックス基板の両面に金属層が積層され、その一方の金属層の側面部にフラックスを吸収可能な多孔質部が設けられた状態のものでヒートシンクを有しない構成のものも含まれる。
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, the porous material is a foamed metal sheet material manufactured by sintering Al powder or the like. However, it is possible to absorb and retain flux such as a mesh material woven with a wire material or a nonwoven fabric. Any material can be used.
In addition, the power module substrate has been described as a ceramic substrate, a metal layer, and a heat sink bonded. However, in the power module substrate of the present invention, a metal layer is laminated on both sides of the ceramic substrate, and one of the metals The thing of the state where the porous part which can absorb a flux was provided in the side part of a layer, and it does not have a heat sink is also contained.
１ パワーモジュール
２ セラミックス基板
３，３０ パワーモジュール用基板
４ 電子部品
５ ヒートシンク
６，７，７０ 金属層
７ａ，７０ａ 側面部
７ｂ 溝部
８ はんだ接合層
９，９０ 多孔質部
１５ 筒体
１５ａ 天板部
１６ 流路
１７ 縦壁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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| JP2010164357A JP5589637B2 (en) | 2010-07-21 | 2010-07-21 | Power module substrate and manufacturing method thereof |
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