JP2002252317A - Heat sink and module structure using it - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】高い放熱性を有し、信頼性に優れる、安価なモ
ジュール構造体を提供する。
【解決手段】６３０℃、４分の加熱処理後のビッカース
硬さが７０ＨＶ以上である銅合金からなるヒートシンク
と、それを用いた、セラミックス回路基板をろう材を介
してヒートシンクに一体化した構造を有するモジュール
構造体。(57) [Problem] To provide an inexpensive module structure having high heat dissipation and excellent reliability. A heat sink made of a copper alloy having a Vickers hardness of 70 HV or more after a heat treatment at 630 ° C. for 4 minutes, and a structure in which a ceramic circuit board using the heat sink is integrated with a heat sink through a brazing material. Module structure having.
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体分野におけ
るパワー素子を搭載してなるパワーモジュールに用いら
れるヒートシンクと、前記ヒートシンクとセラミックス
回路基板とを接合してなる、放熱性に優れ、高信頼性を
有するモジュール構造体に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat sink used for a power module in which a power element is mounted in a semiconductor field, and a heat sink and a ceramic circuit board which are joined to each other. And a module structure having:
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、パワーエレクトロニクスの進歩に
より、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴなどのパワーデバイス
により制御される機器が急速に増えつつある。中でも電
鉄、車両などの移動機器のパワーデバイス化が急速であ
り、注目されている。2. Description of the Related Art In recent years, with the advance of power electronics, devices controlled by power devices such as IGBTs and MOS-FETs are rapidly increasing. In particular, the use of mobile devices such as electric railways and vehicles as power devices has been rapid and attracting attention.
【０００３】また、環境問題への関心の高まりと共に電
気自動車やガソリンエンジンと電気モーターを併用する
ハイブリッドカーが市販され初めており、それらに搭載
されるパワーモジュールの需要の伸びが期待されてい
る。前記車両用途に用いられるパワーモジュールには、
その使用目的から、ことに高い信頼性が要求される。[0003] In addition, with increasing interest in environmental issues, electric vehicles and hybrid cars using both gasoline engines and electric motors are being marketed for the first time, and demand for power modules mounted on them is expected to increase. The power module used for the vehicle application includes:
High reliability is required especially for the purpose of use.
【０００４】従来公知のパワーモジュールは、セラミッ
クス回路基板と無酸素銅などの高純度の銅からなる銅製
ヒートシンクとを半田付けした構造を有しており、半導
体素子の動作に伴う繰り返しの熱サイクルや、動作環境
における温度変化等でセラミックス回路基板とヒートシ
ンクとの間の半田層にクラックが発生してしまう問題が
ある。クラックの存在は、半導体素子で発生した熱の放
散性を低下させ、半導体素子の温度が上昇し、その結
果、半導体素子の劣化が惹き起こされ、パワーモジュー
ル全体の信頼性が低下させてしまう。Conventionally known power modules have a structure in which a ceramic circuit board and a copper heat sink made of high-purity copper such as oxygen-free copper are soldered. In addition, there is a problem that cracks occur in the solder layer between the ceramic circuit board and the heat sink due to a temperature change in an operating environment or the like. The presence of the cracks reduces the heat dissipation of the heat generated in the semiconductor element, and increases the temperature of the semiconductor element. As a result, the semiconductor element is deteriorated, and the reliability of the entire power module is reduced.
【０００５】半田層にクラックが発生することを避ける
ために、熱膨張率が銅に比べてセラミックス基板に近い
Ａｌ−ＳｉＣ複合材あるいはＣｕ−Ｍｏ複合材をヒート
シンクに用いることが検討されている。[0005] In order to avoid the occurrence of cracks in the solder layer, the use of an Al-SiC composite material or a Cu-Mo composite material having a thermal expansion coefficient closer to that of a ceramic substrate than that of copper has been studied.
【０００６】しかし、前記複合材からなるヒートシンク
は、複合材の製法が特殊なために、銅製ヒートシンクと
比べはるかに高価となってしまう欠点がある。更に、銅
製ヒートシンクの熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫであるのに
対して、前記複合材からなるヒートシンクは熱伝導率が
２００Ｗ／ｍＫ程度であるために、放熱性が悪いことが
特性上の大きな欠点である。However, the heat sink made of the composite material has a drawback that it is much more expensive than a copper heat sink due to the special manufacturing method of the composite material. Furthermore, the heat conductivity of the copper heat sink is 400 W / mK, whereas the heat sink made of the composite material has a heat conductivity of about 200 W / mK. It is.
【０００７】そこで、高い信頼性を維持しかつ低価格で
あることとを両立させる目的で、セラミックス回路基板
と銅製ヒートシンクとの間の接合材料に半田に代えてろ
う材を用いて、セラミックス回路基板を銅製ヒートシン
クに接合する構造を有するモジュール構造体の検討が進
められている。Therefore, in order to maintain high reliability and at the same time to be inexpensive, a ceramic circuit board is replaced by a brazing material instead of a solder as a bonding material between the ceramic circuit board and the copper heat sink. A module structure having a structure in which is bonded to a copper heat sink is being studied.
【０００８】また、半導体装置の高集積化、大電力化に
伴って、益々高い放熱性が求められているとともに、環
境汚染の面から半田が鉛フリー組成であることが望まれ
ている。このため、いわゆる代用半田が用いられ初めて
はいるものの、現在多用されているＰｂ−Ｓｎ系半田に
比べて信頼性が劣っている問題がある。従って、セラミ
ックス回路基板とヒートシンクとを半田を用いることな
く接合したモジュール構造体がますます熱望されてい
る。Further, with the increase in the degree of integration and power of semiconductor devices, higher heat dissipation is required, and it is desired that the solder has a lead-free composition from the viewpoint of environmental pollution. For this reason, although a so-called substitute solder is used for the first time, there is a problem that its reliability is inferior to that of a Pb-Sn-based solder which is frequently used now. Therefore, a module structure in which a ceramic circuit board and a heat sink are joined without using solder is increasingly desired.
【０００９】しかし、車両用途に用いられている現状の
パワーモジュールは、まずセラミックス回路基板の回路
面上に高温半田等を介して半導体素子を搭載した後、前
記セラミックス回路基板を銅からなる金属製ヒートシン
ク上に半田付けしモジュール化することで得られている
が、前記製造の過程において、銅製ヒートシンクに半田
付けした後の冷却過程において、セラミックス回路基板
とヒートシンクの熱膨張係数の差に起因する反りが発生
する問題がある。However, in the current power module used for a vehicle, a semiconductor element is first mounted on a circuit surface of a ceramic circuit board via a high-temperature solder or the like, and then the ceramic circuit board is made of a metal made of copper. It is obtained by soldering on a heat sink to make a module, but in the above-mentioned manufacturing process, in the cooling process after soldering to a copper heat sink, warpage caused by a difference in thermal expansion coefficient between the ceramic circuit board and the heat sink. There is a problem that occurs.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】一方、ろう材を用いて
接合したモジュール構造体は、セラミックス回路基板と
ヒートシンクとをろう材を用いて接合した後に、セラミ
ックス回路基板上の回路面の上に半導体素子を半田付け
することで製造されるが、ろう材を用いてセラミックス
回路基板と金属製ヒートシンクとを接合したモジュール
構造体において、金属製ヒートシンクがセラミックス回
路基板との接合時の加熱処理により焼鈍され、軟化して
いるために、半導体素子を半田付けする際の反りも大き
くなるという問題がある。更に、半田付け後、冷却する
過程においては、前記反りが大きく変化するという現象
が起こり、酷いときには半導体素子の破損をもたらすこ
とがある。On the other hand, in a module structure joined by using a brazing material, a ceramic circuit board and a heat sink are joined by using a brazing material, and then a semiconductor is mounted on a circuit surface on the ceramic circuit board. It is manufactured by soldering elements, but in a module structure where a ceramic circuit board and a metal heat sink are joined using a brazing material, the metal heat sink is annealed by heat treatment at the time of joining with the ceramic circuit board. However, since the semiconductor element is softened, there is a problem that the warpage when soldering the semiconductor element also increases. Further, in the process of cooling after soldering, a phenomenon occurs in which the warp greatly changes, and in severe cases, the semiconductor element may be damaged.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の事情
に鑑みて、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンク
とをろう材を用いて接合してなるモジュール構造体につ
いて、いろいろ検討した結果、金属製ヒートシンクに特
定の性質を有するものを選択するときにのみ、前記課題
が解消され、高い放熱性を有し信頼性に優れ、しかも安
価なモジュール構造体が容易に得られることを見出し、
本発明に至ったものである。In view of the above circumstances, the present inventor has conducted various studies on a module structure formed by joining a ceramic circuit board and a metal heat sink using a brazing material. Only when selecting a heat sink made of a specific property, the above-mentioned problem is solved, it is found that the module structure having high heat dissipation and excellent reliability can be easily obtained at a low cost,
This has led to the present invention.
【００１２】即ち、本発明は、６３０℃、４分の加熱処
理後のビッカース硬さが７０ＨＶ０．０５（以下、単に
７０ＨＶと記す）以上である銅合金からなることを特徴
とするヒートシンクである。また、本発明は、前記銅合
金が、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ及びＡｇからなる群から
選ばれる１種類以上を０．３質量％〜５質量％含有する
ことを特徴とする前記のヒートシンクである。That is, the present invention is a heat sink characterized by comprising a copper alloy having a Vickers hardness of 70 HV0.05 (hereinafter simply referred to as 70 HV) or more after a heat treatment at 630 ° C. for 4 minutes. Further, the present invention provides the heat sink, wherein the copper alloy contains at least one kind selected from the group consisting of Cr, Fe, Ni, Zn and Ag in an amount of 0.3% by mass to 5% by mass. is there.
【００１３】また、本発明は、セラミックス回路基板を
ろう材を介してヒートシンクに一体化してなるモジュー
ル構造体であって、前記ヒートシンクが６３０℃、４分
の加熱処理後のビッカース硬さが７０ＨＶ以上である銅
合金からなることを特徴とするモジュール構造体であ
り、好ましくは、セラミックス回路基板とヒートシンク
との間にＡｌを主成分とする金属層が介在してなること
を特徴とする前記モジュール構造体であり、更に好まし
くは、前記ろう材が、Ｍｇと、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｉ
及びＳｎからなる群から選ばれる１種以上とを含有する
Ａｌ合金であることを特徴とする前記のモジュール構造
体である。The present invention also provides a module structure in which a ceramic circuit board is integrated with a heat sink via a brazing material, wherein the heat sink has a Vickers hardness of 70 HV or more after heat treatment at 630 ° C. for 4 minutes. A module structure characterized by being made of a copper alloy which is preferably a metal layer mainly composed of Al interposed between a ceramic circuit board and a heat sink. More preferably, the brazing material is Mg, Cu, Zn, Ge, Si
And an Al alloy containing at least one selected from the group consisting of Sn and Sn.
【００１４】[0014]
【発明の実施の形態】本発明のヒートシンクは、６３０
℃、４分の加熱処理後のビッカース硬さが７０ＨＶ以上
である銅合金からなることを特徴とする。然るに、前記
特徴を有するが故に、ろう材を用いてセラミックス回路
基板と金属製ヒートシンクとを接合したモジュール構造
体を製造するに際して、ろう接温度までの加熱履歴を受
けてもヒートシンクの硬度が低下せず、得られるモジュ
ール構造体の反りを小さくすることができ、半導体素子
の破損等の不具合の発生を防止することができるからで
ある。尚、本発明者の検討結果に基づけば、ビッカース
硬さが７０ＨＶ未満の場合には本発明の効果を十分には
達成することが出来ない。また、安価で熱放散性に優れ
るという理由で銅合金が選択される。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
It is characterized by comprising a copper alloy having a Vickers hardness of 70 HV or more after heat treatment at 4 ° C. for 4 minutes. However, due to the above characteristics, when manufacturing a module structure in which a ceramic circuit board and a metal heat sink are joined by using a brazing material, the hardness of the heat sink decreases even if it is subjected to a heating history up to the brazing temperature. This is because the warpage of the obtained module structure can be reduced, and problems such as breakage of the semiconductor element can be prevented. In addition, based on the study results of the present inventors, when the Vickers hardness is less than 70 HV, the effects of the present invention cannot be sufficiently achieved. Further, a copper alloy is selected because it is inexpensive and has excellent heat dissipation.
【００１５】本発明の銅合金としては、前記特性を有す
るものであればどの様なものであっても構わないが、本
発明者の検討結果に基づけば、銅にＣｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、
Ｚｎ或いはＡｇのいずれか１種以上を適当量添加した銅
合金が挙げられる。前記添加元素の銅合金中の含有量
は、前記の６３０℃、４分の加熱処理後のビッカース硬
さが７０ＨＶ以上であるという特性を達成するために、
０．３〜５質量％が選択される。前記の範囲外では、前
記特性を達成できないことがあるからである。また、本
発明に用いる銅合金は、前記特性を満たしている限り、
他の不可避的な不純物を含有していても構わない。更
に、前記銅合金がヒートシンク材の骨格を構成していれ
ば良く、ヒートシンク材の全てが前記銅合金である必要
はない。As the copper alloy of the present invention, any alloy having the above-mentioned characteristics may be used. However, based on the results of the study by the present inventor, copper, Cr, Fe, Ni,
A copper alloy to which an appropriate amount of one or more of Zn and Ag is added is exemplified. The content of the additive element in the copper alloy is such that the Vickers hardness after the heat treatment at 630 ° C. for 4 minutes is 70 HV or more.
0.3-5% by weight is selected. This is because the above characteristics may not be achieved outside the above range. Further, as long as the copper alloy used in the present invention satisfies the above characteristics,
It may contain other unavoidable impurities. Further, it is sufficient that the copper alloy forms the skeleton of the heat sink material, and it is not necessary that all of the heat sink material is the copper alloy.
【００１６】また、本発明は、セラミックス回路基板を
ろう材を介してヒートシンクに一体化してなるモジュー
ル構造体であって、前記ヒートシンクが６３０℃、４分
の加熱処理後のビッカース硬さが７０ＨＶ以上である銅
合金からなることを特徴としている。ヒートシンク材と
して、現在一般的に使用されている無酸素銅を用いたモ
ジュール構造体は、半導体素子を半田付けする際に大き
な反りが発生し、更に半田付け後、冷却する過程におい
てその反りが大きく変化するという現象が起こり、半導
体素子の破損の原因となるのに対し、本発明のモジュー
ル構造体は、ヒートシンクに前記特徴を有するものを用
いているので、半導体素子を半田付けする際に、反りが
大きく発生することを防止し、実用的に問題のない程度
にまで抑制することができ、その結果として、高い信頼
性を有するパワーモジュールを容易に、再現性高く得る
ことができる特徴がある。The present invention also provides a module structure in which a ceramic circuit board is integrated with a heat sink via a brazing material, wherein the heat sink has a Vickers hardness of 70 HV or more after heat treatment at 630 ° C. for 4 minutes. Characterized by being made of a copper alloy. A module structure using oxygen-free copper, which is currently generally used as a heat sink material, generates a large warp when soldering a semiconductor element, and the warp increases during the cooling process after soldering. While the phenomenon of change occurs and causes damage to the semiconductor element, the module structure of the present invention uses the heat sink having the above characteristics, so that when the semiconductor element is soldered, warpage occurs. Is large, and it can be suppressed to a practically acceptable level. As a result, a power module having high reliability can be easily obtained with high reproducibility.
【００１７】本発明のモジュール構造体においては、セ
ラミックス回路基板とヒートシンクとの間にＡｌを主成
分とする金属層が介在させることが好ましい。本構造を
採用するとき、Ａｌを主成分とする金属層が緩衝作用を
生じて、本発明の効果が一層得やすくなるからである。
前記Ａｌを主成分とする金属層としては、熱伝導率が高
く、しかも応力発生に際して塑性変形能が高いものが好
ましく、具体的には、Ａｌ純度が９９質量％以上のもの
が好ましく選択される。また、前記金属層の厚みについ
ては、本発明者の検討結果に基づけば、５００μｍ以下
のものが好ましく用いられる。前記厚みに関して、あま
りにも薄い場合には前記金属層を設けることで達成され
る効果に対して、該金属層をセラミックス回路基板或い
はヒートシンクに取り付けるための工程や手間が増える
ために、費用対効果の面から好ましくなく、実用上は５
０μｍ以上であるように選択される。一方、前記厚みの
上限に関しては、反り防止の観点からは制限されないも
のの、得られるモジュール構造体の熱放散性が高くな
り、用途上の制限を受けることがあることから、５００
μｍ以下が選択される。上記範囲の内１００〜４００μ
ｍが実用上より好ましい範囲として選択される。In the module structure of the present invention, it is preferable that a metal layer mainly composed of Al is interposed between the ceramic circuit board and the heat sink. This is because, when this structure is employed, the metal layer containing Al as a main component has a buffering effect, and the effects of the present invention can be more easily obtained.
As the metal layer containing Al as a main component, a layer having high thermal conductivity and high plastic deformability upon generation of stress is preferable, and specifically, a layer having an Al purity of 99% by mass or more is preferably selected. . The thickness of the metal layer is preferably 500 μm or less based on the result of the study by the present inventors. Regarding the thickness, if the thickness is too small, the effect achieved by providing the metal layer is more cost-effective because the steps and labor for attaching the metal layer to the ceramic circuit board or the heat sink are increased. Unfavorable from the viewpoint, practically 5
It is selected to be at least 0 μm. On the other hand, the upper limit of the thickness is not limited from the viewpoint of warpage prevention, but the heat dissipation of the obtained module structure is increased, and the upper limit of the thickness may be limited by 500.
μm or less is selected. 100-400μ within the above range
m is selected as a more preferable range for practical use.
【００１８】ヒートシンクとセラミックス回路基板とを
接合するろう材については、本発明者の検討に拠れば、
Ｍｇと、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｉ及びＳｎからなる群か
ら選ばれる１種以上とを含有するＡｌ合金が、ヒートシ
ンク並びにセラミックス回路基板との密着性に優れるこ
とから、好ましい。前記Ａｌ合金としては、例えばＪＩ
Ｓ呼称２０１７等のＡｌ合金が挙げられる。Regarding the brazing material for joining the heat sink and the ceramic circuit board, according to the study of the present inventors,
An Al alloy containing Mg and at least one selected from the group consisting of Cu, Zn, Ge, Si and Sn is preferred because of its excellent adhesion to a heat sink and a ceramic circuit board. Examples of the Al alloy include JI
An Al alloy such as S designation 2017 is given.
【００１９】前記Ａｌ合金において、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇ
ｅ、Ｓｉ及びＳｎは、Ａｌ合金の融点を低下させるのに
有効で、しかもＡｌ合金の熱伝導率をあまり低下させな
いことから選択され、そのＡｌ合金中での含有量は、そ
れぞれを単独で用いる場合には、Ｃｕが２〜１０質量
％、Ｚｎが０．１〜６質量％、Ｇｅが２〜２０質量％、
Ｓｉが４〜１４質量％、Ｓｎが０．１〜２質量％が好ま
しい範囲である。In the Al alloy, Cu, Zn, G
e, Si and Sn are effective in lowering the melting point of the Al alloy, and are selected because they do not significantly lower the thermal conductivity of the Al alloy. The content in the Al alloy is used alone. In the case, Cu is 2 to 10% by mass, Zn is 0.1 to 6% by mass, Ge is 2 to 20% by mass,
A preferred range is 4 to 14% by mass of Si and 0.1 to 2% by mass of Sn.
【００２０】前記Ａｌ合金において、Ｍｇが少量含有さ
れていることで、ヒートシンクとセラミックス回路基
板、或いはヒートシンクとＡｌを主成分とする金属層、
更にセラミックス回路基板とＡｌを主成分とする金属
層、の接合状態が一層良好になり、両者間の密着性が向
上できる。前記Ｍｇの含有割合は、本発明者の検討に拠
れば０．０５〜３質量％が好ましい。０．０５質量％未
満では添加効果が顕著でない場合があり、３質量％を超
えるときにはＡｌを主成分とする金属層の硬度を高める
うえ、接合時に多量に揮発して炉操業に支障をきたすこ
とがあるからである。同じ理由で、前記範囲のうちで
０．１〜１．０質量％がより好ましい範囲として選択さ
れる。なお、接合力が十分な接合層を形成することがで
きるのであれば、前記以外の成分を含んでいても構わな
い。In the Al alloy, a small amount of Mg is contained, so that a heat sink and a ceramic circuit board, or a heat sink and a metal layer mainly containing Al,
Further, the bonding state between the ceramic circuit board and the metal layer containing Al as a main component is further improved, and the adhesion between the two can be improved. The content ratio of Mg is preferably 0.05 to 3% by mass according to the study of the present inventors. If the content is less than 0.05% by mass, the effect of addition may not be remarkable. If the content exceeds 3% by mass, the hardness of the metal layer containing Al as a main component is increased, and a large amount is volatilized at the time of joining to hinder furnace operation. Because there is. For the same reason, 0.1 to 1.0% by mass of the above range is selected as a more preferable range. Note that other components may be included as long as a bonding layer having a sufficient bonding force can be formed.
【００２１】更に、本発明に用いられるセラミックス回
路基板は、セラミックス基板上に直接に或いは半田やろ
う材等の接合材を用いて回路を設けたものであり、前記
セラミックス基板としては、必要とされる絶縁特性や熱
伝導率あるいは機械的強度等の特性を満たしていればど
の様なものでもかまわないが、ＡｌＮ（窒化アルミニウ
ム）などの窒化物セラミックスが高熱伝導性を有するこ
とから好適である。また、前記回路を構成する材料とし
ては、良導電性の金属であればどの様なものでもかまわ
ないが、安価で熱伝導率が高いことからＣｕやＡｌが好
ましく用いられる。また、セラミックス回路基板上の回
路は、予め回路形成したものをセラミックス基板に接合
する方法であっても、セラミックス基板上に金属板を接
合し、その後エッチング等の手段を適用して回路形成す
る方法であって構わない。また、ヒートシンクにセラミ
ックス基板をろう材で接合後に、セラミックス基板上に
前記方法を適用して回路を設ける方法であっても構わな
い。Further, the ceramic circuit board used in the present invention is one in which a circuit is provided directly on the ceramic substrate or by using a bonding material such as solder or brazing material. Any material may be used as long as it satisfies such properties as insulation properties, thermal conductivity, and mechanical strength. However, nitride ceramics such as AlN (aluminum nitride) are preferable because they have high thermal conductivity. In addition, any material may be used as the material constituting the circuit as long as it is a metal having good conductivity, but Cu or Al is preferably used because of its low cost and high thermal conductivity. The circuit on the ceramic circuit board may be formed by joining a metal plate on the ceramic substrate and then applying a circuit such as etching, even if the circuit formed in advance is joined to the ceramic substrate. It does not matter. Alternatively, a method may be used in which after bonding the ceramic substrate to the heat sink with a brazing material, a circuit is provided on the ceramic substrate by applying the above method.
【００２２】[0022]
【実施例】〔実施例１、２、比較例〕表１に示す３種の
ヒートシンクを用い、以下の手順に従って、１０個の繰
り返し数で、モジュール構造体、更にモジュールを作
製、評価することで、本発明の実施例並びに比較例とし
た。Examples [Examples 1, 2 and Comparative Examples] By using the three types of heat sinks shown in Table 1, according to the following procedure, a module structure and further modules were manufactured and evaluated with 10 repetitions. , Examples of the present invention and Comparative Examples.
【００２３】セラミックス基板として、３４×３４×
０．６３５ｍｍの大きさで、レーザーフラッシュ法によ
る熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ、三点曲げ強さの平均値が
４００ＭＰａのＡｌＮ（窒化アルミニウム）基板を用意
した。また、回路となる金属板と前記ＡｌＮ基板のヒー
トシンクに対する面（以下、基板裏面という）に設けら
れる金属板として３０×３０×０．４ｍｍのＪＩＳ呼称
１０８５のＡｌ（アルミニウム）板を２枚用意した。As a ceramic substrate, 34 × 34 ×
An AlN (aluminum nitride) substrate having a size of 0.635 mm, a thermal conductivity of 180 W / mK by a laser flash method, and an average value of three-point bending strength of 400 MPa was prepared. In addition, two 30 × 30 × 0.4 mm JIS 1085 Al (aluminum) plates of 30 × 30 × 0.4 mm were prepared as metal plates to be provided on the surface of the AlN substrate with respect to the heat sink (hereinafter referred to as the back surface of the substrate). .
【００２４】前記ＡｌＮ基板の表裏両面に、ＪＩＳ呼称
２０１７Ａｌ箔（２０μｍ厚さ）を介して前記Ａｌ板を
重ね、垂直方向に１０ＭＰａで加圧した。そして、１０
-2Ｐａの真空中、温度６３０℃、２０分の条件下で加熱
しながらＡｌ板とＡｌＮ基板とを接合した。接合後、Ａ
ｌ板表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン
印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理すること
により回路パターンを形成し、セラミックス回路基板を
作製した。The Al plate was placed on both sides of the AlN substrate via JIS-designed 2017 Al foil (thickness: 20 μm) and pressed vertically at 10 MPa. And 10
The Al plate and the AlN substrate were joined while heating at 630 ° C. for 20 minutes in a vacuum of −2 Pa. After joining, A
An etching resist was screen-printed on a desired portion of the l-plate surface, and a circuit pattern was formed by etching with a ferric chloride solution, thereby producing a ceramic circuit board.
【００２５】次に、ヒートシンクとして、４６×４６×
３ｍｍサイズの表１に示す組成の銅板に、厚さ１０μm
の無電解法によるＮｉ（ニッケル）−Ｐ（リン）メッキ
を全面に施したものを用意した。そして前記セラミック
ス回路基板と前記ヒートシンクとの間に、厚さ２０μｍ
のＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔を入れ、黒鉛治具で垂直方
向に１０ＭＰａで加圧しながら１０-2Ｐａの真空中にお
いて６１０℃、４分の加熱処理を行いヒートシンクとセ
ラミックス回路基板とを接合した。最後に基板と放熱板
全面に無電解Ｎｉメッキを行い、モジュール構造体を得
た。Next, as a heat sink, 46 × 46 ×
A 10 mm thick copper plate having a composition shown in Table 1 with a size of 3 mm
A Ni (nickel) -P (phosphorus) plated by electroless method was prepared on the entire surface. And a thickness of 20 μm between the ceramic circuit board and the heat sink.
JIS No. 2017 Al foil was placed, and a heat treatment was performed at 610 ° C. for 4 minutes in a vacuum of 10 −2 Pa while applying a vertical pressure of 10 MPa with a graphite jig to join the heat sink and the ceramic circuit board. Finally, electroless Ni plating was performed on the entire surface of the substrate and the heat sink to obtain a module structure.
【００２６】作製したモジュール構造体のＡｌ回路面
に、裏がＡｕでメッキされた１３ｍｍ×１３ｍｍ×０．
４ｍｍのシリコンチップを、鉛と錫の質量割合がそれぞ
れ９０：１０である半田を用いて３５０℃で接合し、モ
ジュールを得た。A 13 mm.times.13 mm.times.0 .0 mm.
A 4 mm silicon chip was joined at 350 ° C. using solder having a mass ratio of lead and tin of 90:10, respectively, to obtain a module.
【００２７】前記操作で得たモジュールについて、半田
層のクラックの発生の有無を調べると共に、シリコンチ
ップの反り量を測定した。反り量は、シリコンチップの
対角線上の両端部と中央部の高さの差として評価した。
クラックの発生割合を表２に示した。また、シリコンチ
ップの反り量については、１０個の平均値を表３に示し
た。With respect to the module obtained by the above operation, the presence or absence of cracks in the solder layer was examined, and the warpage of the silicon chip was measured. The amount of warpage was evaluated as the difference between the heights of the diagonal ends and the center of the silicon chip.
Table 2 shows the rate of occurrence of cracks. Table 3 shows the average value of 10 pieces of the warpage of the silicon chip.
【００２８】[0028]
【表１】 [Table 1]
【００２９】[0029]
【表２】 [Table 2]
【００３０】[0030]
【表３】 [Table 3]
【００３１】[0031]
【発明の効果】本発明のヒートシンクは、一般的なろう
接温度である６３０℃に加熱されても軟化することなく
ビッカース硬度が７０以上である特徴を有するので、セ
ラミックス基板とヒートシンクとをろう材で接合してモ
ジュール構造体を得たときに、実用上問題のない程度ま
でに反りが抑制されたモジュール構造体を容易に再現性
高く得ることができ、産業上非常に有用である。The heat sink according to the present invention has a characteristic that the Vickers hardness is 70 or more without being softened even when heated to 630 ° C., which is a general brazing temperature. When a module structure is obtained by joining with the above, a module structure in which warpage is suppressed to a level that does not cause a practical problem can be easily obtained with high reproducibility, which is very useful in industry.
【００３２】また、本発明のモジュール構造体は、前記
特徴を有するヒートシンクを用いているので、反りが少
なく、熱放散性に優れ高信頼性のパワーモジュールを容
易に供給できる特徴があり、いろいろな用途のパワーモ
ジュール、特に移動用機器向けのパワーモジュールに好
適であり、産業上非常に有用である。Further, since the module structure of the present invention uses the heat sink having the above-mentioned features, it has a feature that it is easy to supply a highly reliable power module having little warpage and excellent heat dissipation. It is suitable for power modules for applications, particularly power modules for mobile devices, and is very useful in industry.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊吹山 正浩 東京都町田市旭町三丁目５番１号 電気化 学工業株式会社中央研究所内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BB01 BC06 BD01 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Masahiro Ibukiyama 3-5-1 Asahimachi, Machida-shi, Tokyo Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. Central Research Laboratory F-term (reference) 5F036 AA01 BB01 BC06 BD01
Claims (5)
硬さが７０ＨＶ以上である銅合金からなることを特徴と
するヒートシンク。1. A heat sink comprising a copper alloy having a Vickers hardness of 70 HV or more after heat treatment at 630 ° C. for 4 minutes.
ｇからなる群から選ばれる１種類以上を０．３質量％〜
５質量％含有することを特徴とする請求項１記載のヒー
トシンク。2. The method according to claim 1, wherein the copper alloy comprises Cr, Fe, Ni, Zn and A.
g of at least one selected from the group consisting of
The heat sink according to claim 1, wherein the heat sink is contained in an amount of 5% by mass.
ートシンクに接合してなるモジュール構造体であって、
前記ヒートシンクが６３０℃、４分の加熱処理後のビッ
カース硬さが７０ＨＶ以上である銅合金からなることを
特徴とするモジュール構造体。3. A module structure comprising a ceramic circuit board joined to a heat sink via a brazing material,
A module structure, wherein the heat sink is made of a copper alloy having a Vickers hardness of 70 HV or more after a heat treatment at 630 ° C. for 4 minutes.
間にＡｌを主成分とする金属層が介在してなることを特
徴とする請求項３記載のモジュール構造体。4. The module structure according to claim 3, wherein a metal layer mainly composed of Al is interposed between the ceramic circuit board and the heat sink.
ｉ及びＳｎからなる群から選ばれる１種以上とを含有す
るＡｌ合金であることを特徴とする請求項３又は請求項
４記載のモジュール構造体。5. A brazing material comprising Mg, Cu, Zn, Ge, S
The module structure according to claim 3, wherein the module structure is an Al alloy containing at least one selected from the group consisting of i and Sn.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001051713A JP2002252317A (en) | 2001-02-27 | 2001-02-27 | Heat sink and module structure using it |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1450401B1 (en) * | 2001-11-29 | 2011-04-06 | Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Module comprising a ceramic circuit board |
-
2001
- 2001-02-27 JP JP2001051713A patent/JP2002252317A/en active Pending
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|---|---|---|---|---|
| EP1450401B1 (en) * | 2001-11-29 | 2011-04-06 | Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Module comprising a ceramic circuit board |
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