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JP6020256B2 - Manufacturing method of power module substrate with heat sink - Google Patents

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JP6020256B2 JP2013039346A JP2013039346A JP6020256B2 JP 6020256 B2 JP6020256 B2 JP 6020256B2 JP 2013039346 A JP2013039346 A JP 2013039346A JP 2013039346 A JP2013039346 A JP 2013039346A JP 6020256 B2 JP6020256 B2 JP 6020256B2
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Description

本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.

従来、パワーモジュール用基板として、セラミックス基板の一方の面に回路層が積層状態に接合されるとともに、他方の面に放熱層が積層状態に接合されたものが知られており、回路層の上に半導体チップ(パワー素子)等の電子部品がはんだ付けされ、放熱層にヒートシンクが接合されることにより、パワーモジュールとして供される。   Conventionally, a power module substrate is known in which a circuit layer is bonded to one surface of a ceramic substrate in a laminated state and a heat dissipation layer is bonded to the other surface in a stacked state. An electronic component such as a semiconductor chip (power element) is soldered and a heat sink is joined to the heat dissipation layer to provide a power module.

このようなパワーモジュール用基板において、セラミックス基板に回路層や放熱層となる金属層を積層状態に接合する方法として、たとえば特許文献1では、Al−Si系またはAl−Ge系のろう材を介在させてセラミックス基板とアルミニウム金属層とを重ね合わせ、その積層体を加圧、加熱することにより、ろう材を溶融させてセラミックス基板とアルミニウム金属層とを接合している。
この種のパワーモジュール用基板として、セラミックス基板両面の金属層の厚みや材質が異なる場合などには、ろう付のための加熱処理を経由すると熱応力によって反りが生じるという問題がある。
この反りを解消するための方法として、出願人は特許文献2により、複数枚のセラミックス基板と金属層とを交互に積層して接合した後に、金属層を厚さ方向の途中位置で面方向に沿って切断することにより、セラミックス基板の両面に所定厚さの金属層を形成した、反りが抑制されたパワーモジュール用基板の製造方法を提案している。
In such a power module substrate, as a method of joining a ceramic layer with a metal layer serving as a circuit layer or a heat dissipation layer in a laminated state, for example, in Patent Document 1, an Al—Si based or Al—Ge based brazing material is interposed. Then, the ceramic substrate and the aluminum metal layer are overlaid, and the laminate is pressurized and heated to melt the brazing material and join the ceramic substrate and the aluminum metal layer.
As a substrate for this type of power module, when the thickness and material of the metal layers on the both sides of the ceramic substrate are different, there is a problem that warping occurs due to thermal stress through a heat treatment for brazing.
As a method for eliminating this warp, the applicant described in Patent Document 2 that a plurality of ceramic substrates and metal layers are alternately stacked and joined, and then the metal layers are arranged in the plane direction in the middle of the thickness direction. The manufacturing method of the board | substrate for power modules by which the metal layer of predetermined thickness was formed on both surfaces of the ceramic substrate by the cutting | disconnection along, and the curvature was suppressed is proposed.

特開2008−311296号公報JP 2008-311296 A 特開2012−109457号公報JP 2012-109457 A

ところで、前述したようにパワーモジュール用基板は、使用時の電子部品からの熱を放散するために、セラミックス基板の片面の放熱層にヒートシンクが接合されるが、このヒートシンクの接合時もろう付等の場合は加熱処理が施されるため、反りが生じ易い。この反りは回路層側を凸とする形状であり、その上に搭載される電子部品のはんだ付け性を損なうおそれがある。   By the way, as described above, in the power module substrate, a heat sink is bonded to the heat radiation layer on one side of the ceramic substrate in order to dissipate heat from the electronic components in use. In this case, since heat treatment is performed, warping is likely to occur. This warp has a shape with a convex circuit layer side, which may impair the solderability of electronic components mounted thereon.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反りの問題を解消し、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる方法の提供を目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a method capable of solving the problem of warpage and manufacturing a highly reliable power module substrate with a heat sink.

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層、他方の面に放熱層が接合されるとともに、前記放熱層にヒートシンクが接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層の2倍以上の厚さを有し前記回路層と同じ材質からなる金属板の両側表面にそれぞれ前記セラミックス基板、前記放熱層、前記ヒートシンクをこの順に積層し、接合した接合体を形成する接合工程と、前記接合工程で得られた接合体における前記金属板を厚さ方向の途中位置で面方向に沿って切断する切断工程とを備えることを特徴とする。   The method for producing a power module substrate with a heat sink according to the present invention includes a circuit layer on one surface of a ceramic substrate, a heat dissipation layer bonded to the other surface, and a heat module with a heat sink bonded to the heat dissipation layer. A method for manufacturing a circuit board, wherein the ceramic substrate, the heat dissipation layer, and the heat sink are arranged in this order on both side surfaces of a metal plate having a thickness that is at least twice that of the circuit layer and made of the same material as the circuit layer. A bonding step of forming a laminated and bonded bonded body, and a cutting step of cutting the metal plate in the bonded body obtained in the bonding step along the surface direction at a midway position in the thickness direction. And

この発明によれば、接合工程において、金属板を中心として、その両側にセラミックス基板、放熱層、ヒートシンクを対称に配置して積層し、その積層体を加熱して接合するので、接合時に生じる熱伸縮が金属板の両側で等しくなる。また、比較的硬いヒートシンクが最も外側に配置されることから、このヒートシンクにより全体の剛性が支配されて反りにくくなる。
そして、接合後に、中央の金属板の厚さ方向の途中位置から二分することにより、二組のヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
このヒートシンク付パワーモジュール用基板は反りが抑制されているので、回路層の平面精度が高く、半導体素子の搭載作業を容易にするとともに、その接合信頼性を向上させることができる。
なお、ヒートシンクは、一の面に放熱層との接合面を有するものであれば、平板状のもの、片面に多数のフィンを有するもの、冷却器の天板であって、他の部材と組み合わせることにより水冷あるいは空冷の冷却器を構成するものなど、形状は限定されない。
According to the present invention, in the joining process, the ceramic substrate, the heat radiation layer, and the heat sink are symmetrically arranged and laminated on both sides of the metal plate as a center, and the laminate is heated and joined. The stretch is equal on both sides of the metal plate. In addition, since the relatively hard heat sink is arranged on the outermost side, the overall rigidity is governed by this heat sink, and it becomes difficult to warp.
And after joining, it bisects from the middle position of the thickness direction of a center metal plate, and two sets of power module substrates with a heat sink are manufactured.
Since the warpage of the power module substrate with a heat sink is suppressed, the planar accuracy of the circuit layer is high, the semiconductor element mounting operation can be facilitated, and the bonding reliability can be improved.
The heat sink is a flat plate, one having a large number of fins on one side, or a top plate of a cooler as long as it has a bonding surface with a heat dissipation layer on one surface, and is combined with other members. Therefore, the shape of the water-cooled or air-cooled cooler is not limited.

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、前記回路層が銅からなるとともに、前記放熱層がアルミニウムからなり、前記接合工程は、前記金属板の両側表面に前記セラミックス基板を一枚ずつ積層した状態で加熱することにより前記金属板と前記セラミックス基板とを接合する第1接合工程と、第1接合工程により前記金属板に接合された前記セラミックス基板の外側表面に前記放熱層をそれぞれ積層した状態で加熱することにより前記放熱層を前記セラミックス基板にそれぞれ接合する第2接合工程と、第2接合工程で前記セラミックス基板に接合された前記放熱層の外側表面に前記ヒートシンクをそれぞれ積層した状態で加熱することにより前記放熱層と前記ヒートシンクとを接合する第3接合工程とを備える方法とすることができる。   In the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention, the circuit layer is made of copper, the heat dissipation layer is made of aluminum, and the bonding step includes placing the ceramic substrates one by one on both side surfaces of the metal plate. A first joining step for joining the metal plate and the ceramic substrate by heating in a laminated state, and laminating the heat dissipation layer on the outer surface of the ceramic substrate joined to the metal plate by the first joining step. A second bonding step in which the heat dissipation layer is bonded to the ceramic substrate by heating in a heated state, and a state in which the heat sink is laminated on the outer surface of the heat dissipation layer bonded to the ceramic substrate in the second bonding step. A third joining step for joining the heat dissipation layer and the heat sink by heating at It can be a way.

第1接合工程から第3接合工程のいずれの接合工程においても、金属板を中心として対称に積層して、その積層体を加熱して接合するので、金属板を切断して得られるヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板の両面に異なる材質の金属層が設けられるにもかかわらず、反りを小さく抑えることができ、銅製回路層により電子部品への高い接合信頼性を確保し、またアルミニウム製放熱層によりヒートサイクル環境下での使用においてもセラミックス基板の割れや接合部の剥がれ等が生じにくく、良好な品質を維持することができる。
この場合、前記金属板が2mm以上8mm以下の厚さであり、前記放熱層が0.5mm以上2mm以下の厚さであるものに適用すると、銅製回路層とアルミニウム製放熱層とによるヒートシンク付パワーモジュール用基板において反りを有効に抑制することができる。
In any of the joining steps from the first joining step to the third joining step, the metal plate is symmetrically laminated and the laminated body is heated and joined. Therefore, the power with heat sink obtained by cutting the metal plate The module substrate is capable of suppressing warpage despite the fact that metal layers of different materials are provided on both sides of the ceramic substrate, ensuring high bonding reliability to electronic components with a copper circuit layer, and aluminum Even when used in a heat cycle environment due to the heat dissipation layer, cracking of the ceramic substrate, peeling of the joints, and the like are unlikely to occur, and good quality can be maintained.
In this case, when the metal plate has a thickness of 2 mm or more and 8 mm or less and the heat dissipation layer has a thickness of 0.5 mm or more and 2 mm or less, the power with a heat sink by the copper circuit layer and the aluminum heat dissipation layer Warpage can be effectively suppressed in the module substrate.

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、前記ヒートシンクは、JIS7000番台のアルミニウム合金であるとよい。
JIS7000番台のアルミニウム合金は、耐力が大きく、反りをより小さく抑制することができる。
In the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention, the heat sink may be a JIS 7000 series aluminum alloy.
Aluminum alloys in the JIS 7000 range have high yield strength and can suppress warpage to a smaller extent.

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、接合時の熱による反りを抑えることができるので、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。   According to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention, warpage due to heat at the time of joining can be suppressed, so that a highly reliable power module substrate with a heat sink can be manufactured.

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の一実施形態において、金属板の両面にセラミックス基板を接合する工程を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the process of joining a ceramic substrate to both surfaces of a metal plate in one Embodiment of the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink of this invention. 図1に示す工程後に両セラミックス基板の外表面に放熱層を接合する工程を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the process of joining a thermal radiation layer to the outer surface of both ceramic substrates after the process shown in FIG. 図2に示す工程後に両放熱層の外表面にヒートシンクを接合する工程を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the process of joining a heat sink to the outer surface of both heat radiating layers after the process shown in FIG. 図3に示す工程後に金属板の厚さ方向の中央部を切断する工程を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the process of cut | disconnecting the center part of the thickness direction of a metal plate after the process shown in FIG. 一実施形態の方法により得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板の断面図である。It is sectional drawing of the board | substrate for power modules with a heat sink obtained by the method of one Embodiment. 本発明の他の実施形態の方法において、ピン状フィンを有するヒートシンクを接合する工程を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the process of joining the heat sink which has a pin-shaped fin in the method of other embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
まず、一実施形態の製造方法により製造されるヒートシンク付パワーモジュール用基板を説明すると、図5に示すように、このヒートシンク付パワーモジュール用基板10は、セラミックス基板20と、このセラミックス基板20の一方の面に接合された回路層30と、セラミックス基板20の他方の面に接合された放熱層40と、この放熱層40のセラミックス基板20とは反対側の表面に接合されたヒートシンク50とを備える。この場合、放熱層40は矩形平板状に形成されるが、回路層30は、エッチング等により所望の回路パターンに形成される。
Hereinafter, the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink which concerns on embodiment of this invention is demonstrated.
First, a power module substrate with a heat sink manufactured by the manufacturing method of one embodiment will be described. As shown in FIG. 5, the power module substrate with a heat sink 10 includes a ceramic substrate 20 and one of the ceramic substrates 20. A circuit layer 30 bonded to the surface of the ceramic substrate 20, a heat dissipation layer 40 bonded to the other surface of the ceramic substrate 20, and a heat sink 50 bonded to the surface of the heat dissipation layer 40 opposite to the ceramic substrate 20. . In this case, the heat dissipation layer 40 is formed in a rectangular flat plate shape, but the circuit layer 30 is formed in a desired circuit pattern by etching or the like.

そして、このヒートシンク付パワーモジュール用基板10に、図5の二点鎖線で示すように、回路層30の上に半導体チップ等の電子部品101がはんだ層102により接合され、この電子部品101と回路層40との間がボンディングワイヤ(図示略)によって接続されるなどにより、パワーモジュールが構成される。また、必要に応じてモールド樹脂(図示略)により全体が封止される。はんだ層102は、Sn−Cu系、Sn−Ag−Cu系、Zn−Al系若しくはPb−Sn系等のはんだにより形成される。   Then, as shown by a two-dot chain line in FIG. 5, an electronic component 101 such as a semiconductor chip is joined to the circuit board 30 by a solder layer 102 on the power module substrate 10 with a heat sink. The power module is configured by connecting the layer 40 with a bonding wire (not shown). Further, the whole is sealed with a mold resin (not shown) as necessary. The solder layer 102 is formed of solder such as Sn—Cu, Sn—Ag—Cu, Zn—Al, or Pb—Sn.

セラミックス基板20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、若しくはAl(アルミナ)等の酸化物系セラミックスを母材として矩形状に形成されている。セラミックス基板20の厚さは0.3mm〜1.0mmとされる。
回路層30は、無酸素銅やタフピッチ銅等の純銅又は銅合金(本発明では単に銅と称す)により形成され、板材をプレスで打ち抜くことにより、あるいは板材をセラミックス基板20に接合後にエッチングすることにより、所望の回路パターンに形成されている。回路層30の厚さは1mm〜4mmとされる。
放熱層40は、純度99.90%以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金(本発明では単にアルミニウムと称す)により形成され、厚さ0.5mm〜2mmで、通常はセラミックス基板10より小さい矩形の平板状に形成される。
ヒートシンク50は、回路層30や放熱層40より硬いJIS6000番台、7000番台等のアルミニウム合金により3mm〜5mmの厚さに形成される。図示例では平板状に形成されている。
The ceramic substrate 20 is formed in a rectangular shape using, for example, a nitride ceramic such as AlN (aluminum nitride) or Si 3 N 4 (silicon nitride) or an oxide ceramic such as Al 2 O 3 (alumina) as a base material. ing. The thickness of the ceramic substrate 20 is 0.3 mm to 1.0 mm.
The circuit layer 30 is formed of pure copper such as oxygen-free copper or tough pitch copper, or a copper alloy (simply referred to as copper in the present invention), and is etched by stamping the plate material with a press or bonding the plate material to the ceramic substrate 20. Thus, a desired circuit pattern is formed. The thickness of the circuit layer 30 is 1 mm to 4 mm.
The heat radiation layer 40 is formed of pure aluminum or aluminum alloy having a purity of 99.90% or more (in the present invention, simply referred to as aluminum), has a thickness of 0.5 mm to 2 mm, and is generally a rectangular flat plate smaller than the ceramic substrate 10. Formed.
The heat sink 50 is formed to a thickness of 3 mm to 5 mm by an aluminum alloy such as JIS 6000 series and 7000 series which is harder than the circuit layer 30 and the heat dissipation layer 40. In the illustrated example, it is formed in a flat plate shape.

次に、このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板10の製造方法について説明する。
まず、回路層30については、その厚さの2倍以上の厚さを有し同じ材質の金属板31を用意する。具体的には、回路層30の二枚分に後述する切断代を加えた厚さの金属板31とする。セラミックス基板20、放熱層40及びヒートシンク50は、製品厚さのものを用意する。これら金属板31とセラミックス基板20、放熱層40、ヒートシンク50を以下のように3回の工程に分けて接合する。
Next, a manufacturing method of the power module substrate 10 with a heat sink configured as described above will be described.
First, for the circuit layer 30, a metal plate 31 having the same thickness as that of the same material is prepared. Specifically, the metal plate 31 has a thickness obtained by adding a cutting allowance described later to two circuit layers 30. The ceramic substrate 20, the heat radiation layer 40, and the heat sink 50 are prepared with product thickness. The metal plate 31, the ceramic substrate 20, the heat radiation layer 40, and the heat sink 50 are joined in three steps as follows.

(第1接合工程)
図1に示すように、金属板31の両面に接合材61を介してセラミックス基板20をそれぞれ積層する。図1に示す例では、接合材61はペーストにより構成され、セラミックス基板20の片面にスクリーン印刷によって塗布され乾燥されている。これら金属板31とセラミックス基板20との接合には、接合材61としてAg−Ti、Ag−Cu−Ti等の活性ろう材を用いた活性金属ろう付け法が適用される。金属板31とセラミックス基板20との間に接合材(活性ろう材)61を配置し、これらを一対の当て板71により挟んで矢印で示すように積層方向に加圧した状態で真空中で加熱することにより、セラミックス基板20の表面に、ろう材中の活性金属であるTiがセラミックス基板20に含まれるN、O又はCと反応して窒化物や酸化物、炭化物等を形成するとともに、Agが金属板31のCuとの共晶反応により溶融金属層を形成し、これが冷却凝固することによりAg‐Cu共晶層を介して銅金属板31とセラミックス基板20とが接合される。
(First joining process)
As shown in FIG. 1, the ceramic substrates 20 are laminated on both surfaces of the metal plate 31 via a bonding material 61. In the example shown in FIG. 1, the bonding material 61 is composed of a paste, and is applied to one side of the ceramic substrate 20 by screen printing and dried. For joining the metal plate 31 and the ceramic substrate 20, an active metal brazing method using an active brazing material such as Ag—Ti or Ag—Cu—Ti as the joining material 61 is applied. A bonding material (active brazing material) 61 is disposed between the metal plate 31 and the ceramic substrate 20, and these are sandwiched between a pair of contact plates 71 and heated in a vacuum while being pressed in the stacking direction as indicated by arrows. As a result, Ti, which is an active metal in the brazing material, reacts with N, O, or C contained in the ceramic substrate 20 to form nitrides, oxides, carbides, and the like on the surface of the ceramic substrate 20, and Ag. Forms a molten metal layer by eutectic reaction of the metal plate 31 with Cu, and is cooled and solidified to bond the copper metal plate 31 and the ceramic substrate 20 via the Ag-Cu eutectic layer.

具体的には、Ag、Ti、分散剤、可塑剤、還元剤を含有する接合材61を用い、金属板31、接合材61、セラミックス基板20の積層体を積層方向に10N/mm(1kgf/mm)〜334N/mm(35kgf/mm)の圧力で加圧する。当て板71は、この接合工程時に積層体に固着しないようにカーボンにより構成される。そして、この加圧状態で全体を真空加熱炉に装入し、790℃〜850℃で加熱して冷却する。
なお、ろう材は、ペーストの他、箔の形態で用いてもよい。
この第1接合工程により、金属板31の両面にセラミックス基板20が接合された第1接合体71が製造される。
Specifically, a joining material 61 containing Ag, Ti, a dispersant, a plasticizer, and a reducing agent is used, and a laminate of the metal plate 31, the joining material 61, and the ceramic substrate 20 is 10 N / mm 2 (1 kgf) in the laminating direction. / Mm 2 ) to 334 N / mm 2 (35 kgf / mm 2 ). The backing plate 71 is made of carbon so that it does not adhere to the laminate during this joining step. And in this pressurization state, the whole is inserted into a vacuum heating furnace, heated at 790 ° C. to 850 ° C. and cooled.
The brazing material may be used in the form of a foil in addition to the paste.
By this first bonding step, a first bonded body 71 in which the ceramic substrate 20 is bonded to both surfaces of the metal plate 31 is manufactured.

(第2接合工程)
図2に示すように、第1接合体81の両側、つまりセラミックス基板20の外側表面にそれぞれ放熱層40を接合材62を介して積層する。この場合の接合材62は、Al−Si系、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系またはAl−Mn系等のろう材が使用されるが、融点降下元素であるSiを含有したAl−Si系ろう材が好適であり、厚さ5μm〜50μmの箔の形態で用いられる。また、接合方法としては、放熱層40とセラミックス基板20との間に接合材(ろう材箔)62を介在させて積層する、あるいは放熱層40を形成するためのアルミニウム板に接合材62を仮止めしておき、プレスで打ち抜くことにより、接合材62が仮止めされた放熱層40を形成し、その放熱層40の接合材62側をセラミックス基板20に重ねて積層する、などの方法とすることができる。
(Second joining process)
As shown in FIG. 2, the heat dissipation layer 40 is laminated on both sides of the first bonded body 81, that is, on the outer surface of the ceramic substrate 20 via a bonding material 62. As the bonding material 62 in this case, a brazing material such as Al—Si, Al—Ge, Al—Cu, Al—Mg, or Al—Mn is used, but contains Si which is a melting point lowering element. The Al—Si brazing material is suitable and is used in the form of a foil having a thickness of 5 μm to 50 μm. As a bonding method, a bonding material (brazing material foil) 62 is interposed between the heat dissipation layer 40 and the ceramic substrate 20 and laminated, or the bonding material 62 is temporarily attached to an aluminum plate for forming the heat dissipation layer 40. The heat dissipation layer 40 temporarily bonded with the bonding material 62 is formed by punching with a press, and the bonding material 62 side of the heat dissipation layer 40 is stacked on the ceramic substrate 20 and stacked. be able to.

そして、この接合材62を介して放熱層40を積層した積層体をカーボン製の当て板71を介して矢印で示す積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内で加熱することにより、ろう材62と放熱層40の一部のアルミニウムを溶融させ、冷却凝固することによりセラミックス基板20に放熱層40を接合する。加圧力は10N/mm(1kgf/mm)〜334N/mm(35kgf/mm)、加熱温度は550℃〜650℃とされる。加圧の際に、カーボンからなる当て板が用いられるのは、第1接合工程と同様である。
この第2接合工程により、金属板31の両面にセラミックス基板20、セラミックス基板20の外側表面に放熱層40がそれぞれ接合された第2接合体82が得られる。
Then, the brazing material is heated in a vacuum heating furnace in a state where the laminated body in which the heat radiation layer 40 is laminated through the bonding material 62 is pressurized in the laminating direction indicated by the arrow through the carbon backing plate 71. The aluminum layer 62 and a part of the aluminum layer 40 are melted and cooled and solidified to bond the heat dissipation layer 40 to the ceramic substrate 20. Pressure is 10N / mm 2 (1kgf / mm 2) ~334N / mm 2 (35kgf / mm 2), the heating temperature is set to 550 ° C. to 650 ° C.. The pressing plate made of carbon is used during the pressurization, as in the first joining step.
By this second bonding step, the ceramic substrate 20 is bonded to both surfaces of the metal plate 31, and the second bonded body 82 in which the heat dissipation layer 40 is bonded to the outer surface of the ceramic substrate 20 is obtained.

(第3接合工程)
図3に示すように、第2接合体82の両側、つまり放熱層40の外側表面にそれぞれヒートシンク50を接合材63を介して積層する。この場合の接合材63も第2接合工程において用いたろう材と同種のろう材を用いることができ、特にAl−Si系ろう材が好適であり、厚さ5μm〜50μmの箔の形態で用いられる。
そして、この接合材63を介してヒートシンク50を積層した積層体を当て板71を介して矢印で示す積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内で加熱することにより、ろう材63と放熱層40及びヒートシンク50の一部のアルミニウムを溶融させ、冷却凝固することにより放熱層40にヒートシンク50を接合する。加圧力は10N/mm(1kgf/mm)〜334N/mm(35kgf/mm)、加熱温度は550℃〜650℃とされる。
この第2接合工程により、図4に示すように、金属板31の両面にセラミックス基板20、セラミックス基板20の外側表面に放熱層40、その放熱層40の外側表面にヒートシンク50がそれぞれ接合された第3接合体83が得られる。
(Third joining step)
As shown in FIG. 3, heat sinks 50 are laminated on both sides of the second bonded body 82, that is, on the outer surface of the heat dissipation layer 40 via bonding materials 63. In this case, the bonding material 63 can be the same type of brazing material as that used in the second bonding step, and an Al—Si based brazing material is particularly suitable and is used in the form of a foil having a thickness of 5 μm to 50 μm. .
Then, the brazing material 63 and the heat dissipation layer are heated by heating the laminated body in which the heat sink 50 is laminated through the bonding material 63 in a vacuum heating furnace in a state of being pressed in the laminating direction indicated by the arrow through the contact plate 71. The heat sink 50 is joined to the heat dissipation layer 40 by melting a part of aluminum of the heat sink 40 and the heat sink 50 and solidifying by cooling. Pressure is 10N / mm 2 (1kgf / mm 2) ~334N / mm 2 (35kgf / mm 2), the heating temperature is set to 550 ° C. to 650 ° C..
In this second bonding step, as shown in FIG. 4, the ceramic substrate 20 is bonded to both surfaces of the metal plate 31, the heat dissipation layer 40 is bonded to the outer surface of the ceramic substrate 20, and the heat sink 50 is bonded to the outer surface of the heat dissipation layer 40. A third joined body 83 is obtained.

(切断工程)
第3接合体83の中央に配置される金属板31の厚さ方向の中央位置を図4の一点鎖線Cで示すように面方向に切断する。高精度かつ小さい切断代で切断するには、ダイシングソー、ワイヤソーなど、シリコンウエハに用いられている切断手段を応用することが好ましい。例えば、シリコンウエハ切断用ダイシングブレードの切断代の厚さは一般的には100μm程度である。
この切断工程により、金属板31が厚さ方向の中央位置で分離して、二枚の回路層30となり、この回路層30を有する二組のヒートシンク付パワーモジュール用基板10が製造される。
(Cutting process)
The center position in the thickness direction of the metal plate 31 disposed in the center of the third joined body 83 is cut in the surface direction as indicated by a one-dot chain line C in FIG. In order to cut with high precision and a small cutting margin, it is preferable to apply cutting means used for silicon wafers such as a dicing saw and a wire saw. For example, the thickness of the cutting allowance of a silicon wafer cutting dicing blade is generally about 100 μm.
By this cutting step, the metal plate 31 is separated at the center position in the thickness direction to form two circuit layers 30, and two sets of power module substrates 10 with heat sinks having the circuit layers 30 are manufactured.

このようにして製造されたヒートシンク付パワーモジュール用基板10は、第1接合工程、第2接合工程、第3接合工程とも、金属板31を中心として両面側にセラミックス基板20、放熱層40、ヒートシンク50が対称に配置された状態で接合されるので、金属板31の両面で生じる熱伸縮が等しく、熱の影響による反りを抑制することができる。また、最後の第3接合工程においては、硬いヒートシンク50が両側に配置されるので、全体の剛性が高くなり、より曲がりにくくなり、一層反りが生じにくいものとなっている。   The power module substrate 10 with a heat sink manufactured in this way has the ceramic substrate 20, the heat dissipation layer 40, the heat sink on both sides with the metal plate 31 as the center in both the first joining step, the second joining step, and the third joining step. Since 50 are joined in a symmetrically arranged state, thermal expansion and contraction generated on both surfaces of the metal plate 31 is equal, and warpage due to the influence of heat can be suppressed. In the final third joining step, since the hard heat sink 50 is disposed on both sides, the overall rigidity is increased, the bending is less likely, and the warpage is less likely to occur.

なお、金属板31を切断して個別のヒートシンク付パワーモジュール用基板10を得た後、たとえば研磨ブラシ等を用いて回路層30のバリ取りを行い、その後、表面処理により回路層30表面の加工歪みを除去し、平滑化する処理を施すとよい。表面処理としては、たとえば水酸化ナトリウム5%水溶液に80秒〜160秒浸漬するアルカリエッチングや、硝酸30%水溶液に20秒〜40秒浸漬する酸処理等を適用することが可能である。   In addition, after cutting the metal plate 31 to obtain the power module substrate 10 with the heat sink, the circuit layer 30 is deburred using, for example, a polishing brush, and then the surface of the circuit layer 30 is processed by surface treatment. A process of removing distortion and smoothing may be performed. As the surface treatment, for example, alkali etching immersed in a 5% aqueous solution of sodium hydroxide for 80 seconds to 160 seconds, or acid treatment immersed in a 30% aqueous solution of nitric acid for 20 seconds to 40 seconds can be applied.

このように、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、各接合工程において金属板31を中心に対称に配置した部材を接合するので、各部材間の熱伸縮の差による反りの発生がほとんどなく、最後に金属板31を切断することにより、反りが抑制された信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板10を製造することができる。
この場合、金属板31の厚さや切断位置を適宜に設定することにより、回路層と放熱層との厚さが異なるヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することも可能であり、その場合も、接合工程においては、金属板の両側で対称な接合体を形成するので、反りの発生の少ないヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。
As described above, according to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, the members arranged symmetrically around the metal plate 31 are joined in each joining step, and thus warpage occurs due to the difference in thermal expansion and contraction between the members. By cutting the metal plate 31 last, a highly reliable power module substrate 10 with a heat sink in which warpage is suppressed can be manufactured.
In this case, by appropriately setting the thickness and cutting position of the metal plate 31, it is also possible to manufacture a power module substrate with a heat sink in which the circuit layer and the heat dissipation layer have different thicknesses. In the process, a symmetrical joined body is formed on both sides of the metal plate, so that a power module substrate with a heat sink with less warpage can be manufactured.

図6は本発明の他の実施形態を示している。前述の一実施形態と共通要素には同一符号を付して説明を簡略化する。
第1接合体及び第2接合体は一実施形態と同様の構成であり、前述と同様に形成される。図6は、第2接合体82にヒートシンク55を接合する工程を示している。このヒートシンク55は、平板部56の片面に複数の相互に平行なピン状フィン57が一体に形成されており、これらフィン57が形成されている側とは反対側の表面が放熱層40に接合される。
このため、このヒートシンク55を放熱層40に接合する際に用いられる当て板75は、二点鎖線で示すように、フィン57を避けて平板部56を押圧できるようにフィン57を挿入可能な複数の孔部76が形成される。
このように、ヒートシンクは、一実施形態のように平板状のもの、図6に示すようにピン状フィン56を有するもの、ピン状以外のフィンを有するもの、あるいは、他の部材と結合することにより空冷または水冷のための流路を形成するものなど、種々の形状のものを適用することができ、放熱層40との接合のための表面を有していればよい。
FIG. 6 shows another embodiment of the present invention. The same elements as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals to simplify the description.
The first joined body and the second joined body have the same configuration as that of the embodiment, and are formed in the same manner as described above. FIG. 6 shows a process of joining the heat sink 55 to the second joined body 82. In this heat sink 55, a plurality of mutually parallel pin-shaped fins 57 are integrally formed on one surface of the flat plate portion 56, and the surface opposite to the side where these fins 57 are formed is joined to the heat dissipation layer 40. Is done.
For this reason, as shown by a two-dot chain line, the backing plate 75 used when joining the heat sink 55 to the heat radiation layer 40 is a plurality of fins 57 into which the fins 57 can be inserted so as to avoid the fins 57 and press the flat plate portion 56. The hole 76 is formed.
As described above, the heat sink has a flat plate shape as in the embodiment, has a pin-shaped fin 56 as shown in FIG. 6, has a fin other than the pin shape, or is combined with other members. Various shapes such as those for forming a flow path for air cooling or water cooling can be applied, and it is only necessary to have a surface for joining to the heat dissipation layer 40.

実施例として、31mm四方×厚さ2mmの銅製回路層、33mm四方×厚さ0.635mmの窒化アルミニウム製セラミックス基板、31mm四方×厚さ1.6mmのアルミニウム製放熱層、50mm四方×厚さ3mmのJIS規格のA6063アルミニウム合金製平板状ヒートシンクを有するヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する場合の反りをシミュレーションにより求めた。銅製回路層2枚分に切断代0.5mmとして厚さ4.5mmの金属板を用いて、前述の実施形態で説明したように3回に分けて接合した後、金属板を銅製回路層の厚さが2mmとなるように切断するものとした。
比較例として、金属板以外は実施例と同様のセラミックス基板、放熱層、ヒートシンクを用い、まず厚さ2mmの回路層とセラミックス基板とを1枚ずつ積層して接合した後、そのセラミックス基板の反対面に放熱層を接合し、その放熱層にヒートシンクを接合する従来の接合方法により製造したヒートシンク付パワーモジュール用基板についても反りを求めた。
その結果、ヒートシンクの下面の反りが従来例の場合に750μmであったのに対して、本実施例の場合は250μmに抑制された。
As an example, a 31 mm square x 2 mm thick copper circuit layer, a 33 mm square x 0.635 mm aluminum nitride ceramic substrate, a 31 mm square x 1.6 mm thick aluminum heat dissipation layer, a 50 mm square x 3 mm thick The warp in the case of manufacturing a power module substrate with a heat sink having a flat heat sink made of JIS standard A6063 aluminum alloy was obtained by simulation. After using a metal plate having a thickness of 4.5 mm as a cutting allowance of 0.5 mm for two copper circuit layers, the metal plate is bonded to the copper circuit layer in three steps as described in the previous embodiment. Cutting was performed so that the thickness was 2 mm.
As a comparative example, except for the metal plate, the same ceramic substrate, heat dissipation layer, and heat sink as in the example were used. First, a circuit layer and a ceramic substrate having a thickness of 2 mm were laminated and bonded one by one, and then the opposite of the ceramic substrate. Warpage was also obtained for a power module substrate with a heat sink manufactured by a conventional bonding method in which a heat dissipation layer was bonded to the surface and a heat sink was bonded to the heat dissipation layer.
As a result, the warpage of the lower surface of the heat sink was 750 μm in the conventional example, but was suppressed to 250 μm in the present example.

また、金属板の厚さの違いによる影響を調べるため、放熱層、セラミックス基板及びヒートシンクは、先の実施例と同じ寸法のものを使用し、回路層について平面形状は先の実施例と同じであるが、厚さが1mm(金属板の厚さ2mm)、2mm(金属板の厚さ4mm)、3mm(金属板の厚さ6mm)、4mm(金属板の厚さ8mm)の四種類作製し、同様に接合した後、金属板の厚さの中央で切断して反りを求めた。
結果を表1に示す。
In order to investigate the influence of the difference in the thickness of the metal plate, the heat dissipation layer, the ceramic substrate and the heat sink have the same dimensions as the previous embodiment, and the planar shape of the circuit layer is the same as the previous embodiment. There are four types of thicknesses: 1 mm (metal plate thickness 2 mm), 2 mm (metal plate thickness 4 mm), 3 mm (metal plate thickness 6 mm), 4 mm (metal plate thickness 8 mm). After joining in the same manner, the warp was obtained by cutting at the center of the thickness of the metal plate.
The results are shown in Table 1.

Figure 0006020256
Figure 0006020256

表1に示す通り、回路層の厚さが1mmの場合に270μmの反りであった他は、すべて250μmの反りであり、回路層の厚さの違いによる反りの影響はほとんどないと言える。   As shown in Table 1, when the thickness of the circuit layer is 1 mm, all the warpages are 250 μm except for the warpage of 270 μm.

また、回路層、セラミックス基板及びヒートシンクは、先の実施例と同じ寸法のものを使用し、放熱層について厚さを0.5mm、1.0mm、1.6mm、2.0mmと変え、その厚さの違いによる反りへの影響を調べた。いずれも、平面形状については先の実施例と同一とした。
結果を表2に示す。
In addition, the circuit layer, the ceramic substrate, and the heat sink have the same dimensions as the previous examples, and the thickness of the heat dissipation layer is changed to 0.5 mm, 1.0 mm, 1.6 mm, and 2.0 mm. We investigated the effect of warpage on warpage. In all cases, the planar shape was the same as in the previous example.
The results are shown in Table 2.

Figure 0006020256
Figure 0006020256

表2に示す通り、放熱層の厚さの違いにより反りもわずかに異なったが、実用上、大きく反りに影響するというほどではないと言える。 As shown in Table 2, although the warpage was slightly different depending on the thickness of the heat dissipation layer, it can be said that it does not greatly affect the warp in practice.

また、回路層、セラミックス基板、放熱層は、先の実施例と同じ平面形状、寸法のものを使用し、ヒートシンクをJIS規格のA7001アルミニウム合金に変えて反りを求めた。
その結果、反りが220μmに低減された。A6063アルミニウム合金の耐力は50MPaであるのに対して、A7001アルミニウム合金の耐力は150MPaであり、この耐力の大きい7000番台のアルミニウム合金を用いることにより、反りの低減効果が大きいことがわかる。
The circuit layer, the ceramic substrate, and the heat dissipation layer used had the same planar shape and dimensions as the previous examples, and the warp was obtained by changing the heat sink to a JIS standard A7001 aluminum alloy.
As a result, the warpage was reduced to 220 μm. The proof stress of A6063 aluminum alloy is 50 MPa, whereas the proof stress of A7001 aluminum alloy is 150 MPa, and it can be seen that the effect of reducing warpage is great by using this 7000 series aluminum alloy with high proof strength.

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、回路層を銅製としたが、アルミニウム製の回路層にも適用することができる。その場合、回路層として99.90%以上の純アルミニウムを用いることにより、回路層と放熱層とが同種の材質になるので、回路層の2倍以上の厚さを有するアルミニウム製金属板、セラミックス基板及び放熱層を前述したAl−Si系、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系またはAl−Mn系等のろう材からなる接合材を介して一度に接合することが可能である。
ヒートシンクについては、JIS6000番台、あるいは7000番台のアルミニウム合金を用いる場合は、純アルミニウムに比べて融点が低いので、回路層や放熱層の接合工程とは別の工程で接合した方がよいが、回路層、放熱層及びヒートシンクを近い材質のものを用いる場合には、これら回路層、放熱層、ヒートシンクをろう材によって一度に接合することも可能である。
また、実施形態では、二組のヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する場合について説明したが、二組ずつを複数積み重ねることにより、4組あるいは6組以上の偶数組のヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造するようにしてもよい。その場合、各組の間には、カーボンからなる当て板を介在させた状態で積層して加圧、加熱するとよい。
In addition, this invention is not limited to the thing of the structure of the said embodiment, In a detailed structure, it is possible to add a various change in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, although the circuit layer is made of copper, it can also be applied to an aluminum circuit layer. In that case, since 99.90% or more of pure aluminum is used as the circuit layer, the circuit layer and the heat dissipation layer are made of the same kind of material. Therefore, an aluminum metal plate having a thickness more than twice that of the circuit layer, ceramics It is possible to bond the substrate and the heat dissipation layer at once through the bonding material made of the brazing material such as Al-Si, Al-Ge, Al-Cu, Al-Mg, or Al-Mn. is there.
For heat sinks, when using JIS 6000 or 7000 series aluminum alloys, the melting point is lower than that of pure aluminum, so it is better to join the circuit layer and heat dissipation layer in a separate process. When the layers, the heat dissipation layer, and the heat sink are made of similar materials, the circuit layer, the heat dissipation layer, and the heat sink can be joined at once by a brazing material.
Further, in the embodiment, the case where two sets of power module substrates with heat sinks are manufactured has been described. However, by multiply stacking two sets each, four sets or even six sets or more sets of power module substrates with heat sinks are formed. You may make it manufacture. In that case, it is good to laminate | stack in the state which interposed the contact plate which consists of carbon between each group, and to pressurize and heat.

10 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
20 セラミックス基板
30 回路層
31 金属板
40 放熱層
50,55 ヒートシンク
56 ピン状フィン
61〜63 接合材
71 当て板
75 当て板
76 孔部
81 第1接合体
82 第2接合体
83 第3接合体
101 電子部品
102 はんだ層
10 Power Module Substrate with Heat Sink 20 Ceramic Substrate 30 Circuit Layer 31 Metal Plate 40 Heat Dissipation Layers 50 and 55 Heat Sink 56 Pin-shaped Fins 61 to 63 Bonding Material 71 Patch Plate 75 Patch Plate 76 Hole 81 First Bonded Body 82 Second Bond Body 83 Third bonded body 101 Electronic component 102 Solder layer

Claims (4)

セラミックス基板の一方の面に回路層、他方の面に放熱層が接合されるとともに、前記放熱層にヒートシンクが接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層の2倍以上の厚さを有し前記回路層と同じ材質からなる金属板の両側表面にそれぞれ前記セラミックス基板、前記放熱層、前記ヒートシンクをこの順に積層し、接合した接合体を形成する接合工程と、
前記接合工程で得られた接合体における前記金属板を厚さ方向の途中位置で面方向に沿って切断する切断工程と
を備えることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
A method for producing a power module substrate with a heat sink, wherein a circuit layer is bonded to one surface of a ceramic substrate, a heat dissipation layer is bonded to the other surface, and a heat sink is bonded to the heat dissipation layer,
The ceramic substrate, the heat dissipation layer, and the heat sink are respectively laminated in this order on both side surfaces of a metal plate having a thickness more than twice that of the circuit layer and made of the same material as the circuit layer to form a joined body. A joining process to perform,
And a cutting step of cutting the metal plate in the joined body obtained in the joining step along the plane direction at a midway position in the thickness direction.
前記回路層が銅からなるとともに、前記放熱層がアルミニウムからなり、
前記接合工程は、前記金属板の両側表面に前記セラミックス基板を一枚ずつ積層した状態で加熱することにより前記金属板と前記セラミックス基板とを接合する第1接合工程と、第1接合工程により前記金属板に接合された前記セラミックス基板の外側表面に前記放熱層をそれぞれ積層した状態で加熱することにより前記放熱層を前記セラミックス基板にそれぞれ接合する第2接合工程と、第2接合工程で前記セラミックス基板に接合された前記放熱層の外側表面に前記ヒートシンクをそれぞれ積層した状態で加熱することにより前記放熱層と前記ヒートシンクとを接合する第3接合工程と
を備えることを特徴とする請求項1記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
The circuit layer is made of copper, and the heat dissipation layer is made of aluminum.
The joining step includes a first joining step of joining the metal plate and the ceramic substrate by heating in a state where the ceramic substrates are laminated one by one on both side surfaces of the metal plate, and the first joining step A second bonding step of bonding the heat dissipation layer to the ceramic substrate by heating in a state where the heat dissipation layer is laminated on the outer surface of the ceramic substrate bonded to the metal plate; and the ceramic in the second bonding step. 2. A third joining step for joining the heat-radiating layer and the heat sink by heating in a state where the heat sink is laminated on the outer surface of the heat-radiating layer joined to the substrate. Of manufacturing a power module substrate with a heat sink.
前記金属板が2mm以上8mm以下の厚さであり、前記放熱層が0.5mm以上2mm以下の厚さであることを特徴とする請求項2記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。   The method of manufacturing a power module substrate with a heat sink according to claim 2, wherein the metal plate has a thickness of 2 mm or more and 8 mm or less, and the heat dissipation layer has a thickness of 0.5 mm or more and 2 mm or less. 前記ヒートシンクは、JIS7000番台のアルミニウム合金であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。   The said heat sink is a JIS7000 series aluminum alloy, The manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink as described in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned.
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