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JP5914968B2 - Power module substrate with heat sink and manufacturing method thereof - Google Patents

Power module substrate with heat sink and manufacturing method thereof Download PDF

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JP5914968B2 JP2011003644A JP2011003644A JP5914968B2 JP 5914968 B2 JP5914968 B2 JP 5914968B2 JP 2011003644 A JP2011003644 A JP 2011003644A JP 2011003644 A JP2011003644 A JP 2011003644A JP 5914968 B2 JP5914968 B2 JP 5914968B2
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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及びその製造方法に関する。 The present invention, high-current, relates Ruhi sink with a power module substrate and a manufacturing method thereof used in a semiconductor device for controlling the high voltage.

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 an aluminum metal layer serving as a heat dissipation layer is formed and a heat sink is joined to the metal layer.

この種のパワーモジュールとしては、例えば、特許文献1記載のパワーモジュールが知られている。特許文献1記載のパワーモジュールにおいては、セラミックス基板に接合されるヒートシンクとして、金属部材に櫛歯状の放熱フィンが形成されている。このような放熱フィンは、例えば、アルミニウム合金の鍛造、鋳造、押出成形等により形成されており、金属部材の全面に、複数の放熱フィンが均一に立設されている。
しかしながら、ヒートシンクを押出成形等によって製造する場合は、大掛かりな装置が必要であり、また、金属部材と放熱フィンとを同一材料で形成しなくてはならない等、設計の自由度が小さい。
As this type of power module, for example, a power module described in Patent Document 1 is known. In the power module described in Patent Document 1, comb-like heat radiation fins are formed on a metal member as a heat sink to be bonded to the ceramic substrate. Such radiating fins are formed by, for example, forging, casting, extrusion molding or the like of an aluminum alloy, and a plurality of radiating fins are erected uniformly over the entire surface of the metal member.
However, when the heat sink is manufactured by extrusion molding or the like, a large-scale apparatus is required, and the degree of freedom in design is small, for example, the metal member and the heat radiation fin must be formed of the same material.

そこで、特許文献2及び特許文献3には、金属部材の表面に棒状又は板状の放熱フィンをかしめたヒートシンクが提案されており、このようなヒートシンクを用いたパワーモジュールが知られている。
この場合、金属部材に設けた凹部に放熱フィンの端部をかしめて一体化したヒートシンクを形成するので、安価に形成できる。また、金属部材の任意の箇所に放熱フィンを立設することができる、金属部材と放熱フィンとを異種金属によって形成できる等、設計の自由度も高い。
また、特許文献4には、扁平コイルフィン部材を伝熱基板の嵌合溝にろう付けするヒートシンクが知られている。
Therefore, Patent Documents 2 and 3 propose heat sinks in which bar-shaped or plate-shaped heat radiation fins are caulked on the surface of a metal member, and power modules using such heat sinks are known.
In this case, the heat sink integrated by caulking the end portions of the radiating fins in the recesses provided in the metal member is formed, so that it can be formed at low cost. Moreover, the heat radiation fin can be erected at an arbitrary position of the metal member, and the metal member and the heat radiation fin can be formed of different metals.
Patent Document 4 discloses a heat sink that brazes a flat coil fin member to a fitting groove of a heat transfer substrate.

特開平11−204700号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-204700 特開2006−310486号公報JP 2006-310486 A 特開2002−26550号公報JP 2002-26550 A 特開2010−27998号公報JP 2010-27998 A

しかしながら、特許文献2及び特許文献3記載のヒートシンクにおいては、金属部材に形成した凹部に放熱フィンの端部をかしめて機械的に固定しているので、かしめ部分の密着性が悪く、熱抵抗が大きくなって、冷却性能が低くなり易い。また、かしめ部分の隙間に腐食が生じた場合には、金属部材に孔が開いて冷却液がヒートシンクから漏れ出る等の問題がある。また、特許文献4記載のヒートシンクにおいては、伝熱基板と扁平コイルフィン部材間でのフィレット部が、さらなる熱抵抗の低減化という点で課題があった。   However, in the heat sinks described in Patent Document 2 and Patent Document 3, since the end portions of the radiating fins are caulked and mechanically fixed to the recesses formed in the metal member, the adhesion of the caulking portions is poor, and the thermal resistance is low. It becomes large and the cooling performance tends to be low. Further, when corrosion occurs in the caulking portion, there is a problem that a hole is formed in the metal member and the coolant leaks from the heat sink. Moreover, in the heat sink of patent document 4, the fillet part between a heat-transfer board | substrate and a flat coil fin member had the subject at the point of the reduction of the further thermal resistance.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、設計自由度が高く、簡単に製造できるとともに、冷却性能を向上させることができるヒートシンクを用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法を提供する。 The present invention has been made in view of such circumstances, has a high degree of design freedom, can be easily manufactured, and has a heat module with a heat sink that uses a heat sink that can improve cooling performance, and its A manufacturing method is provided.

本発明は、ヒートシンクと、セラミックス基板を有するパワーモジュール用基板と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であって、前記ヒートシンクは、金属部材に複数の凹部が形成されるとともに、その凹部の周縁部に、前記金属部材の表面が盛り上がってなる隆起部が前記凹部を囲むように形成され、前記凹部に一部嵌合したフィン材がろう付けされてなり、前記金属部材と前記フィン材との間のフィレット部が、前記隆起部を含んで形成されてなり、前記金属部材の前記フィン材とは反対側の面が前記パワーモジュール用基板に接合されていることを特徴とする。 The present invention includes a heat sink, a substrate for a power module with a heat sink to the power module substrate is joined with a ceramic substrate, the heat sink, together with the recess of the multiple is formed on the metal member, the recess A raised portion formed by raising the surface of the metal member is formed so as to surround the concave portion, and a fin material partially fitted in the concave portion is brazed, and the metal member and the fin material A fillet portion between the metal member and the fin member is formed so as to include the raised portion, and a surface of the metal member opposite to the fin material is bonded to the power module substrate.

これにより、金属部材とフィン材とがろう材によって隙間なく接合されるとともに、金属部材とフィン材との間のフィレット部が、金属部材の隆起部により接合部を長く形成することができるので、金属部材とフィン材との間の熱抵抗を小さくして、ヒートシンクの冷却効率を向上させることができる。   As a result, the metal member and the fin material are joined without a gap by the brazing material, and the fillet portion between the metal member and the fin material can be formed long by the raised portion of the metal member. The thermal resistance between the metal member and the fin material can be reduced, and the cooling efficiency of the heat sink can be improved.

また、本発明において、前記フィン材は、その表面の少なくとも一部が、前記金属部材よりも腐食電位の低い材料で形成されているとよい。
フィン材の表面を金属部材よりも腐食電位の低い材料で形成することにより、フィン材を構成する腐食電位の低い材料部分が犠牲的に腐食して、金属部材の腐食を抑制することができる。金属部材よりも先にフィン材が腐食することにより、金属部材の孔食を防止して冷却液のパワーモジュール用基板側への漏洩を防ぐことができる。
Further, Oite this onset bright, the fin material, may at least part of its surface, than the metal member is formed of a low corrosion potential material.
By forming the surface of the fin material with a material having a lower corrosion potential than that of the metal member, the material portion having the lower corrosion potential that constitutes the fin material is sacrificially corroded, and the corrosion of the metal member can be suppressed. Since the fin material corrodes before the metal member, the metal member can be prevented from pitting and leakage of the coolant to the power module substrate side can be prevented.

さらに、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、芯材の表面にろう材が貼り合わされた金属部材に、プレス加工によって前記ろう材を底面に配置した複数の凹部を形成するとともに、その凹部の加工により前記凹部の周縁部に、前記金属部材の表面が盛り上がってなる隆起部を前記凹部を囲むように形成した後、フィン材を前記凹部に一部嵌合させ、前記金属部材の前記フィン材とは反対側の面にセラミックス基板を有するパワーモジュール用基板をろう材を介して積層した状態で厚さ方向に加圧しつつ加熱することにより、前記金属部材と前記フィン材とをろう付けしてヒートシンクを形成し、かつ前記金属部材を前記パワーモジュール用基板に接合することを特徴とする。 Furthermore, in the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention, a metal member in which a brazing material is bonded to the surface of the core material is formed with a plurality of concave portions in which the brazing material is arranged on the bottom surface by pressing, a peripheral portion of the concave portion by the processing of the concave portion, wherein after the ridge is formed by raised surface of the metallic member is formed to surround the recess, by fitting a portion of the full fin material in the recess, the metal By heating while pressing in the thickness direction in a state where a power module substrate having a ceramic substrate is laminated via a brazing material on a surface opposite to the fin material of the member, the metal member and the fin material The heat sink is formed by brazing , and the metal member is bonded to the power module substrate .

プレス加工により金属部材に凹部を形成すると、材料が流動して凹部の周縁部に隆起部が形成される。金属部材にはろう材が貼り合わされているので、凹部の底面にも、ろう材が配置される。この凹部にフィン材を一部嵌合させて加圧、加熱すると、凹部底面とフィン材との間に介在する溶融したろう材が押し出されて、凹部とフィン材との隙間に流れるとともに、金属部材表面のろう材も表面張力によって引き込まれて、その隙間に充填される。さらに、凹部の隆起部に案内されて、金属部材とフィン材との接合部でろう材がフィン材の表面に立ち上がり、フィレット部を形成することができる。
また、プレス加工による金属部材への凹部の成形においては、パワーモジュール用基板の直下に配置される部分のみに凹部を形成することができ、フィン材配置の設計自由度が高いうえに、このようなヒートシンクを簡単に製造することができる。
When the concave portion is formed in the metal member by press working, the material flows and a raised portion is formed at the peripheral portion of the concave portion. Since the brazing material is bonded to the metal member, the brazing material is also disposed on the bottom surface of the recess. When a part of the fin material is fitted into the recess and pressed and heated, the molten brazing material interposed between the bottom of the recess and the fin material is pushed out and flows into the gap between the recess and the fin material, and the metal The brazing material on the surface of the member is also drawn by the surface tension and filled in the gap. Further, the brazing material rises on the surface of the fin material at the joint portion between the metal member and the fin material and is guided by the raised portion of the concave portion, so that a fillet portion can be formed.
Moreover, in the formation of the concave portion on the metal member by press working, the concave portion can be formed only in the portion arranged directly under the power module substrate, and the degree of freedom in designing the fin material arrangement is high. A simple heat sink can be manufactured.

の場合、ヒートシンクを構成する金属部材とフィン材とのろう付け時に、金属部材とパワーモジュール用基板とを同時に接合することができるので、一度の加熱でヒートシンク付きパワーモジュール用基板を製造することが可能であり、作業効率に優れる。
In this case, during brazing of the metal member and the fin material constituting the heat sink, it is possible to simultaneously bond the substrate metal member and the power module, to produce a power module substrate with a heat sink in a single heating Is possible, and the work efficiency is excellent.

本発明によれば、金属部材とフィン材とを隙間なく、かつフィレット部の長い接合部によって接合することができるので、冷却性能を向上させることができる。   According to the present invention, the metal member and the fin material can be joined without a gap and by a joining portion having a long fillet portion, so that the cooling performance can be improved.

本発明の実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the board | substrate for power modules with a heat sink of embodiment of this invention. ヒートシンクの要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of a heat sink. ヒートシンクを構成する金属部材を説明する図であり、(a)が加工前のクラッド材、(b)が縦断面図、(c)が正面図である。It is a figure explaining the metal member which comprises a heat sink, (a) is the clad material before a process, (b) is a longitudinal cross-sectional view, (c) is a front view. ヒートシンクの製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of a heat sink. 腐食電位の低い被覆材のクラッド材によるフィン材を用いたヒートシンクの要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of the heat sink using the fin material by the clad material of the coating | covering material with a low corrosion potential. フィン材の先端部のみ腐食電位の低い被覆材で形成したヒートシンクの要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of the heat sink formed only with the coating | coated material with a low corrosion potential only at the front-end | tip part of a fin material.

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は、この発明により製造されるパワーモジュール1を示している。この図1のパワーモジュール1は、セラミックス等からなるセラミックス基板2を有するパワーモジュール用基板3と、この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、パワーモジュール用基板3に接合されたヒートシンク5とから構成される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a power module 1 manufactured according to the present invention. The power module 1 of FIG. 1 includes a power module substrate 3 having a ceramic substrate 2 made of ceramics, an electronic component 4 such as a semiconductor chip mounted on the surface of the power module substrate 3, and a power module substrate. 3 and a heat sink 5 joined to 3.

パワーモジュール用基板3は、セラミックス基板2の両面に金属層6,7が積層されており、その一方の金属層6が回路層となり、その表面に電子部品4が接合される。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。   In the power module substrate 3, metal layers 6 and 7 are laminated on both surfaces of the ceramic substrate 2, one of the metal layers 6 becomes a circuit layer, and the electronic component 4 is bonded to the surface thereof. The other metal layer 7 is a heat radiating layer, and the heat sink 5 is attached to the surface thereof.

セラミックス基板2は、例えば、AlN(窒化アルミニウム)、Si(窒化珪素)等の窒化物系セラミックス、もしくはAl(アルミナ)等の酸化物系セラミックスにより形成される。
両金属層6,7は、いずれも純度99.90質量%以上のアルミニウムが用いられ、JIS規格では、1N90(純度99.90質量%以上:いわゆる3Nアルミニウム)又は1N99(純度99.99質量%以上:いわゆる4Nアルミニウム)を用いることができる。
The ceramic substrate 2 is formed of, for example, nitride ceramics such as AlN (aluminum nitride) and Si 3 N 4 (silicon nitride), or oxide ceramics such as Al 2 O 3 (alumina).
Both metal layers 6 and 7 are made of aluminum having a purity of 99.90% by mass or more. According to JIS standards, 1N90 (purity 99.90% by mass or more: so-called 3N aluminum) or 1N99 (purity 99.99% by mass). Above: so-called 4N aluminum) can be used.

セラミックス基板2及び両金属層6,7の平面状の大きさや厚さについての個々の寸法は特に限定されるものではないが、両金属層6,7の一辺が約250mmの略正方形に形成され、セラミックス基板2は、両金属層6,7より若干大きい矩形に形成される。また、セラミックス基板2の厚さは例えば635μm、両金属層6,7の厚さは600μmとされる。
また、両金属層6,7は、それぞれプレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板2に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板2に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。
The individual dimensions of the ceramic substrate 2 and the two metal layers 6 and 7 with respect to the planar size and thickness are not particularly limited, but one side of both metal layers 6 and 7 is formed in a substantially square shape of about 250 mm. The ceramic substrate 2 is formed in a rectangular shape slightly larger than both metal layers 6 and 7. The thickness of the ceramic substrate 2 is, for example, 635 μm, and the thicknesses of both metal layers 6 and 7 are 600 μm.
Further, both metal layers 6 and 7 are bonded to the ceramic substrate 2 by punching them into a desired outer shape by pressing, or after joining a flat plate to the ceramic substrate 2, the desired layers are etched by etching. Either of the methods can be adopted.

また、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、Al−Si系、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系またはAl−Mn系等のろう材によりろう付けされている。   Further, the ceramic substrate 2 and the metal layers 6 and 7 serving as the circuit layer and the heat dissipation layer are made of brazing material such as Al—Si, Al—Ge, Al—Cu, Al—Mg, or Al—Mn It is brazed.

なお、金属層6と電子部品4との接合には、Sn−Cu系,Sn−Ag系,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、アルミニウム等からなるボンディングワイヤ(図示略)により接続される。   For joining the metal layer 6 and the electronic component 4, a solder material such as Sn—Cu, Sn—Ag, Sn—Ag—Cu, Zn—Al, or Pb—Sn is used. Reference numeral 8 in the figure indicates the solder joint layer. The electronic component 4 and the terminal portion of the metal layer 6 are connected by a bonding wire (not shown) made of aluminum or the like.

一方、ヒートシンク5は、金属部材50に複数のフィン材55を固着して形成される。
金属部材50は、フィン材55を接合する前の状態では、図3に示すように、アルミニウム板の芯材51の両面にろう材52を貼り合わせて形成されたクラッド材であり、芯材51は純度99質量%(いわゆる2Nアルミニウム)以下のアルミニウムにより形成され、例えば、JIS規格における3000系合金のアルミニウムが使用される。また、ろう材52は、Al−Si系、Al−Si−Mg系等が使用される。芯材51の厚さは例えば900μm、両面のろう材52の厚さは50μmとされ、金属部材50は厚さ1mmに形成されている。
On the other hand, the heat sink 5 is formed by fixing a plurality of fin materials 55 to the metal member 50.
As shown in FIG. 3, the metal member 50 is a clad material formed by adhering a brazing material 52 to both surfaces of a core material 51 of an aluminum plate before the fin material 55 is joined. Is formed of aluminum having a purity of 99% by mass (so-called 2N aluminum) or less. For example, aluminum of 3000 series alloy in JIS standard is used. The brazing material 52 is made of Al—Si, Al—Si—Mg, or the like. The thickness of the core material 51 is, for example, 900 μm, the thickness of the brazing material 52 on both sides is 50 μm, and the metal member 50 is formed with a thickness of 1 mm.

また、この金属部材50の片面には、図3に示すように、フィン材55が固着される複数の凹部53がプレス加工により形成されており、その凹部53の周縁部には、プレス時に材料が流動することにより表面が盛り上がって形成される隆起部54が、凹部53を囲むように形成されている。
ここで、当該隆起部54の高さは、フィレット部によるフィン材55と金属部材50の接合部を長く形成するために50μm以上が望ましく、また、ろう材が隆起部54を確実に這い上がるために150μm以下が望ましい。
フィン材55は、金属部材50の凹部55に嵌合するピン状に形成されており、例えばワイヤ部材を一定の長さに切断することにより、直径1mm、高さ8〜10mmに形成され、金属部材50の表面に3mm程度のピッチで垂直に固着されている。また、このフィン材55は、その表面の少なくとも一部が、金属部材50(芯材51)よりも腐食電位の低い材料で形成される。図1から図4に示す例では、フィン材55の全体が金属部材50より腐食電位が低い材料として、純度99質量%以下のアルミニウムである7000系合金によって形成されている。
また、この他に3000系合金のアルミニウムからなる金属部材50に対し、金属部材50より腐食電位が低い材料として、フィン材の少なくとも一部の表面を4000系合金のアルミニウムで形成することができる。
Further, as shown in FIG. 3, a plurality of concave portions 53 to which the fin material 55 is fixed are formed on one side of the metal member 50 by pressing, and the peripheral portion of the concave portion 53 is made of a material at the time of pressing. Is formed so as to surround the concave portion 53.
Here, the height of the raised portion 54 is desirably 50 μm or more in order to form a long joint portion between the fin member 55 and the metal member 50 by the fillet portion, and the brazing material surely crawls up the raised portion 54. The thickness is preferably 150 μm or less.
The fin material 55 is formed in a pin shape that fits into the concave portion 55 of the metal member 50. For example, the fin member 55 is formed to have a diameter of 1 mm and a height of 8 to 10 mm by cutting a wire member into a certain length. The surface of the member 50 is fixed vertically at a pitch of about 3 mm. Further, at least a part of the surface of the fin material 55 is formed of a material having a lower corrosion potential than that of the metal member 50 (core material 51). In the example shown in FIGS. 1 to 4, the entire fin material 55 is formed of a 7000 series alloy that is aluminum having a purity of 99% by mass or less as a material having a lower corrosion potential than the metal member 50.
In addition, at least a part of the surface of the fin material can be formed of aluminum of 4000 series alloy as a material having a lower corrosion potential than that of the metal member 50 with respect to the metal member 50 made of 3000 series alloy aluminum.

次に、このように構成した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、図3(a)に示すように、アルミニウム板の芯材51の両面にろう材52を貼り合わせて形成されたクラッド材を用意する。このクラッド材にプレス加工により、パンチ9を押圧して複数の凹部53を形成する。図3(b)に示すように、プレス加工により形成されるこれらの凹部53の周縁部には、プレス加工時に隆起部54が形成される。なお、確実に隆起部54を形成するために、凹部53に対応した凸部及びその凸部の周縁部に隆起部54に対応した凹部が形成された上型を用いてコイニング加工を施すことが望ましい。
ここで、ろう材52は、金属部材50の表面だけでなく、凹部53の底面にも配置された状態となっている。
Next, a method for manufacturing the power module substrate with a heat sink configured as described above will be described.
First, as shown in FIG. 3A, a clad material formed by bonding a brazing material 52 to both surfaces of a core material 51 of an aluminum plate is prepared. A plurality of recesses 53 are formed by pressing the punch 9 by pressing the clad material. As shown in FIG. 3B, a bulge 54 is formed at the peripheral edge of these recesses 53 formed by pressing during pressing. In order to reliably form the raised portion 54, coining may be performed using a convex portion corresponding to the concave portion 53 and an upper mold in which a concave portion corresponding to the raised portion 54 is formed on the peripheral edge portion of the convex portion. desirable.
Here, the brazing material 52 is arranged not only on the surface of the metal member 50 but also on the bottom surface of the recess 53.

次に、このようにして金属部材50の片面に設けられた各凹部53に、図4に示すように、フラックス56を塗布したフィン材55を一部嵌合させた状態とするとともに、金属部材50の反対面に、予めセラミックス基板2の両面に金属層を接合したパワーモジュール用基板3を積層状態に保持する。この保持状態で、これらを厚さ方向に0.5×10〜5×10Paで加圧しつつ、例えば真空中で610℃のろう付け温度で数分間加熱することにより、金属部材50と各フィン材55とがろう付けされるとともに、金属部材50とパワーモジュール用基板3の金属層7とがろう付けされる。
この場合、凹部53にフィン材55を一部嵌合させて加圧、加熱することにより、凹部53の底面とフィン材55との間に介在する溶融したろう材52が押し出されて、凹部53とフィン材55との隙間に流れるとともに、金属部材50の表面のろう材52も表面張力によって引き込まれて、その隙間に充填される。さらに、凹部53の隆起部54に案内されて、金属部材50とフィン材55との接合部でろう材52がフィン材55の表面に立ち上がり、図2に示すようなフィレット部57が形成される。
Next, as shown in FIG. 4, the fin material 55 to which the flux 56 is applied is partially fitted in each of the recesses 53 provided on one side of the metal member 50 in this manner, and the metal member On the opposite surface of 50, the power module substrate 3 in which metal layers are bonded to both surfaces of the ceramic substrate 2 in advance is held in a laminated state. In this holding state, while pressing them at 0.5 × 10 5 to 5 × 10 5 Pa in the thickness direction, for example, by heating in a vacuum at a brazing temperature of 610 ° C. for several minutes, The fin members 55 are brazed, and the metal member 50 and the metal layer 7 of the power module substrate 3 are brazed.
In this case, by partially fitting the fin material 55 to the recess 53 and pressurizing and heating, the molten brazing material 52 interposed between the bottom surface of the recess 53 and the fin material 55 is pushed out, and the recess 53 And the brazing material 52 on the surface of the metal member 50 are drawn by the surface tension and filled in the gap. Further, the brazing material 52 rises on the surface of the fin material 55 at the joint portion between the metal member 50 and the fin material 55 by being guided by the raised portion 54 of the recess 53, and a fillet portion 57 as shown in FIG. 2 is formed. .

これにより、金属部材50とフィン材55とがろう材52によって隙間なく接合されるとともに、金属部材50とフィン材55との間のフィレット部57によって、その接合部を長く形成することができるので、金属部材50とフィン材55との間の熱抵抗を小さくして、ヒートシンク5の冷却効率を向上させることができる。
また、ヒートシンク5を構成する金属部材50とフィン材55とのろう付けと同時に、金属部材50とパワーモジュール用基板3を構成する金属層7とを同時に接合することができるので、一度の加熱でヒートシンク付きパワーモジュール用基板を製造することが可能であり、作業効率に優れる。
具体的には、芯材51にろう材52がクラッドされた金属部材50の一方の表面にプレス加工によって凹部53を形成し、その凹部53にフィン材55を嵌合する。次に、他の表面に金属層7、Al−Siろう箔(図示略)、セラミックス基板2、Al−Siろう箔(図示略)、金属層6を順次積層し、この積層体を厚さ方向に0.5×10〜5×10Paで加圧しながら真空中で600〜650℃で約1時間加熱することにより、同時に接合した。
As a result, the metal member 50 and the fin material 55 are joined together without any gap by the brazing material 52, and the joint portion can be formed long by the fillet portion 57 between the metal member 50 and the fin material 55. The thermal resistance between the metal member 50 and the fin material 55 can be reduced, and the cooling efficiency of the heat sink 5 can be improved.
In addition, since the metal member 50 and the fin material 55 constituting the heat sink 5 can be brazed at the same time, the metal member 50 and the metal layer 7 constituting the power module substrate 3 can be joined at the same time. It is possible to manufacture a power module substrate with a heat sink, and the work efficiency is excellent.
Specifically, a recess 53 is formed on one surface of a metal member 50 in which a brazing material 52 is clad on a core material 51, and a fin material 55 is fitted into the recess 53. Next, a metal layer 7, an Al—Si brazing foil (not shown), a ceramic substrate 2, an Al—Si brazing foil (not shown), and a metal layer 6 are sequentially laminated on the other surface, and this laminate is laminated in the thickness direction. Were simultaneously bonded by heating at 600 to 650 ° C. for about 1 hour in a vacuum while being pressurized at 0.5 × 10 5 to 5 × 10 5 Pa.

また、上記のヒートシンク5においては、フィン材55は、金属部材50よりも腐食電位の低い材料で形成されていることから、フィン材55を構成する腐食電位の低い材料部分が犠牲的に腐食して、金属部材50の腐食を抑制することができるとともに、金属部材50よりも先にフィン材55が腐食することにより、金属部材50の孔食を防止して冷却液のパワーモジュール用基板3側への漏洩を防ぐことができる。   In the heat sink 5 described above, since the fin material 55 is formed of a material having a lower corrosion potential than the metal member 50, the material portion having the low corrosion potential that constitutes the fin material 55 is sacrificially corroded. Thus, the corrosion of the metal member 50 can be suppressed, and the fin material 55 is corroded before the metal member 50, thereby preventing pitting corrosion of the metal member 50, and the power module substrate 3 side of the coolant. Leakage can be prevented.

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、フィン材は金属部品の全面に設けてもよいが、パワーモジュール用基板の金属部材の直下に配置される部分のみに設けてもよい。
また、上記実施形態では、金属部品は、芯材の両面にろう材を貼り合わせたクラッド材としていたが、凹部が形成される片面側だけにろう材を貼り合わせたクラッド材を用いてもよく、その場合は、金属部材とパワーモジュール用基板との間にろう材箔を介して接合すればよい。
さらに、フィン材の形状はピン状(棒状)に限定されることはなく、板状の形状にも対応可能である。その場合、図5に示すように、フィン材70を、金属部材51と同じ材料の芯材71(例えば、3000系合金のアルミニウム)と、芯材71よりも腐食電位の低い被覆材72(例えば、7000系合金のアルミニウム)とのクラッド材により、角柱状又は板状に構成してもよいし、図6に示すように、フィン材80の先端部のみ腐食電位の低い被覆材82で形成する構成としてもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, the fin material may be provided on the entire surface of the metal part, but may be provided only on a portion disposed immediately below the metal member of the power module substrate.
Moreover, in the said embodiment, although the metal component was made into the clad material which bonded the brazing material on both surfaces of the core material, you may use the clad material which bonded the brazing material only to the single side | surface side in which a recessed part is formed. In this case, the metal member and the power module substrate may be joined via a brazing material foil.
Furthermore, the shape of the fin material is not limited to a pin shape (bar shape), and can correspond to a plate shape. In this case, as shown in FIG. 5, the fin material 70 is composed of a core material 71 (for example, aluminum of 3000 series alloy) made of the same material as the metal member 51 and a coating material 72 (for example, a corrosion potential lower than that of the core material 71). , 7000 series alloy aluminum) may be formed into a prismatic or plate shape, or only the tip of the fin material 80 is formed with a coating material 82 having a low corrosion potential, as shown in FIG. It is good also as a structure.

また、パワーモジュール用基板を構成するセラミックス基板と金属層との接合は、ろう付けに限らず、拡散接合等によるものであってもよい。
そして、上記の実施形態においては、予めセラミックス基板を有するパワーモジュール用基板及びヒートシンクを別々に形成してから、それぞれを接合していたが、セラミックス基板に金属層を積層した積層体と、その放熱層にヒートシンクを構成する金属部材を積層し、一度の加熱でヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する構成としてもよい。
また、上記実施形態では、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構成として説明し、その金属層のうちの放熱層にヒートシンクを取り付ける構成としていたが、放熱層を設けずにセラミックス基板の裏面とヒートシンクとを直接接合してもよい。
Further, the bonding between the ceramic substrate and the metal layer constituting the power module substrate is not limited to brazing but may be diffusion bonding or the like.
In the above embodiment, the power module substrate having the ceramic substrate and the heat sink are separately formed and then bonded together. However, the laminated body in which the metal layer is laminated on the ceramic substrate, and the heat dissipation thereof. It is good also as a structure which laminates | stacks the metal member which comprises a heat sink on a layer, and manufactures the board | substrate for power modules with a heat sink by heating once.
Moreover, in the said embodiment, although the board | substrate for power modules demonstrated as the structure by which the metal layer was laminated | stacked on both surfaces of the ceramic substrate, it was set as the structure which attaches a heat sink to the heat radiating layer of the metal layer, but provided the heat radiating layer. Alternatively, the back surface of the ceramic substrate and the heat sink may be directly joined.

1 パワーモジュール
2 セラミックス基板
3 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 金属層
8 はんだ接合層
9 パンチ
50 金属部材
51,71 芯材
52 ろう材
53 凹部
54 隆起部
55,70,80 フィン材
56 フラックス
57 フィレット部
72,82 被覆材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power module 2 Ceramic substrate 3 Power module substrate 4 Electronic component 5 Heat sink 6,7 Metal layer 8 Solder joint layer 9 Punch 50 Metal member 51,71 Core material 52 Brazing material 53 Concave part 54 Protrusion part 55,70,80 Fin material 56 Flux 57 Fillet 72,82 Covering material

Claims (3)

ヒートシンクと、セラミックス基板を有するパワーモジュール用基板と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であって、
前記ヒートシンクは、金属部材に複数の凹部が形成されるとともに、その凹部の周縁部に、前記金属部材の表面が盛り上がってなる隆起部が前記凹部を囲むように形成され、前記凹部に一部嵌合したフィン材がろう付けされてなり、前記金属部材と前記フィン材との間のフィレット部が、前記隆起部を含んで形成されてなり、
前記金属部材の前記フィン材とは反対側の面が前記パワーモジュール用基板に接合されてい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。
A power module substrate with a heat sink formed by bonding a heat sink and a power module substrate having a ceramic substrate,
The heat sink with the recess of the multiple is formed on the metal member, the periphery of the recess, the raised portion formed by raised surface of the metal member is formed so as to surround the recess, a portion in the recess The fin material fitted is brazed, and a fillet portion between the metal member and the fin material is formed including the raised portion,
A power module substrate with a heat sink, wherein a surface of the metal member opposite to the fin member is bonded to the power module substrate.
前記フィン材は、その表面の少なくとも一部が、前記金属部材よりも腐食電位の低い材料で形成されてい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。   2. The power module substrate with a heat sink according to claim 1, wherein at least a part of a surface of the fin material is made of a material having a lower corrosion potential than the metal member. 芯材の表面にろう材が貼り合わされた金属部材に、プレス加工によって前記ろう材を底面に配置した複数の凹部を形成するとともに、その凹部の加工により前記凹部の周縁部に、前記金属部材の表面が盛り上がってなる隆起部を前記凹部を囲むように形成した後、フィン材を前記凹部に一部嵌合させ、前記金属部材の前記フィン材とは反対側の面にセラミックス基板を有するパワーモジュール用基板をろう材を介して積層した状態で厚さ方向に加圧しつつ加熱することにより、前記金属部材と前記フィン材とをろう付けしてヒートシンクを形成し、かつ前記金属部材を前記パワーモジュール用基板に接合す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。   A plurality of recesses in which the brazing material is disposed on the bottom surface is formed by pressing on a metal member having a brazing material bonded to the surface of the core material, and at the periphery of the recess by processing the recesses, A power module having a raised portion having a raised surface so as to surround the concave portion, and then partially fitting a fin material into the concave portion, and having a ceramic substrate on the surface of the metal member opposite to the fin material The metal member and the fin material are brazed to form a heat sink by heating while pressing in the thickness direction in a state where the substrate is laminated via the brazing material, and the metal member is used as the power module A method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, characterized in that the substrate is bonded to a substrate.
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