JP5884291B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニット - Google Patents

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御するパワーモジュールを構成するヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニットに関する。

従来、大電流、高電圧を制御する半導体装置として、半導体チップ等の電子部品をパワーモジュール用基板上に搭載した構成のパワーモジュールが知られている。パワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面に電子部品が搭載される回路層用の金属層、他方の面に放熱層用の金属層が積層形成されてなる。放熱層には、電子部品から発生した熱を逃がすヒートシンクが、ろう付やはんだ付けにより取り付けられる。

特許文献１に記載のパワーモジュールにおいては、パワーモジュール用基板に接合されるヒートシンクに凹部を設け、放熱層を有するパワーモジュール用基板をこのヒートシンクの凹部にはめ込む構造を採用し、パワーモジュール用基板に対するヒートシンクの位置決め性および接合強度を向上させている。

特許文献２に記載のパワーモジュールにおいては、パワーモジュール用基板の放熱層とヒートシンクとに互いに係合する凹凸形状を接合面に設け、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの位置決め精度を向上させている。

特開２０１０−６２２０３号公報 特開２００９−１８８３２７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているようにヒートシンクの凹部にパワーモジュール用基板をはめ込む構造の場合、ろう付時に、ろう材表面の酸化被膜がヒートシンクとパワーモジュール用基板との間に残って外部に排出されず、接合不良が生じることがある。また、特許文献２に記載されているように接合面に設けた凹凸形状を係合させる構造の場合、基板とヒートシンクとの間隔が安定せず、ろう付時にろう箔が部分的に不足したりはみ出したりして接合不良が生じるおそれがある。

また、特許文献１に記載されているようにヒートシンクにパワーモジュール用基板をはめ込む凹部が形成される場合、アルミ材の表面にろう材が積層されたクラッド材を用いることができず、接合の作業性を向上させることが困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合に際し、位置決め性および接合性を向上できるとともに、作業性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することを目的とする。

本発明は、表面から隆起した外縁部を有する複数の凹部が形成されている金属板状の放熱層とセラミックス基板とが接合されてなるパワーモジュール用基板と、前記凹部の深さよりも高さが低くこの凹部に係合する複数の凸部を有する金属板状の天板を備えるヒートシンクとを備え、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとが、前記凹部と前記凸部とが係合して前記外縁部を前記天板の表面に当接させることにより、前記放熱層と前記天板との間に隙間を空けた状態で積層されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニットである。

このヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニットによれば、放熱層の凹部とヒートシンクの凸部とが係合することにより、パワーモジュール用基板と天板とが位置決めされた状態で積層されているので、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを所望の相対位置で接合することができる。また、凹凸形状の係合により、放熱層と天板との接合作業においてもパワーモジュール用基板とヒートシンクとの相対位置が安定するので、接合作業性も良好である。なお、凹部の形状としては、穴、溝などを採用することができる。

さらに、放熱層の表面から隆起している外縁部が天板に当接することにより、この外縁部の高さに応じて放熱層と天板との間に隙間が形成されるので、この隙間にろう材などの接合材が均一に供給され、確実な接合が可能になる。

このヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニットにおいて、前記凹部の前記外縁部の高さが、前記放熱層の前記表面から５０μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましい。外縁部の高さをこのように設定することにより、放熱層と天板との間の隙間の大きさが適切になるので、パワーモジュール用基板とヒートシンクとが安定して接合される。

また、このヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニットにおいて、前記パワーモジュール用基板の前記放熱層と前記ヒートシンクの前記天板との間に接合材が介装されていることが好ましい。たとえば、この接合材がろう箔である場合には、凹凸形状によって所定の位置関係に保たれた状態で加熱できるので、放熱層と天板とを正確な位置にろう付することが可能になる。

さらに、このヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニットにおいて、前記接合材の厚さが１００μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。この場合、十分な接合材によって、放熱層と天板との間が確実に接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を得ることができる。

また、このヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニットにおいて、前記天板の前記凸部は、前記放熱層の前記凹部に対応する形状に前記天板に形成された略半球状の凹部と、この天板の凹部に係合するように配置されたボールとによって設けられること、あるいは、前記天板の前記凸部は、前記放熱層の前記凹部に対応する形状に前記天板に形成された略帯状の凹部と、この天板の凹部に係合するように配置されたワイヤとによって設けられることが好ましい。これらの場合、天板に凸形状を形成する代わりに、凹部を形成してボールやワイヤを配置することにより、容易に凸部を形成できる。

また本発明は、表面から隆起した外縁部を有する複数の凹部が形成されている金属板状の放熱層とセラミックス基板とが接合されてなるパワーモジュール用基板と、前記凹部の深さよりも高さが低くこの凹部に係合する複数の凸部を有する金属板状の天板を備えるヒートシンクと、前記パワーモジュール用基板の前記放熱層と前記ヒートシンクの前記天板との間に設けられた接合層とを備え、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとが、前記凹部と前記凸部とが係合して前記外縁部を前記天板の表面に当接させた状態で、前記パワーモジュール用基板の前記放熱層と前記ヒートシンクの前記天板とが接合されているヒートシンク付パワーモジュール用基板である。

この場合、外縁部の高さに応じて放熱層と天板との間に所定の隙間が形成されているので、放熱層と天板とが傾きなく接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を得ることができる。

本発明によれば、凹凸形状の係合により放熱層と天板との相対位置が安定するので、たとえばパワーモジュール用基板とヒートシンクとを仮接合して移動する際等の位置ずれが防止され、作業性および位置決め性のよいユニットが実現される。また、放熱層と天板との間に均一な隙間が形成されるので、ろう材等の接合材が部分的に不足したりはみ出したりすることが防止され、ヒートシンクが確実かつ正確に接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を実現できる。さらに、ノコロックろう付けのようにフラックスを用いるろう付け又ははんだ付けの場合、接合時に上記隙間からフラックスが速やかに排出され、ボイドなどの接合不良を防ぐことができる。

本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニットの一実施形態を示す要部断面図である。 図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニットを構成する放熱層の製造方法を示す断面図である。 図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニットにおいてヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合材を示す要部断面図である。 本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板を示す断面図である。 ヒートシンクと放熱層との係合構造の他の例を示す断面図である。 ヒートシンクと放熱層との係合構造のさらに別の例を示す断面図である。 本発明におけるヒートシンクと放熱層との接合材の構成例を示す断面図である。

以下、本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニット、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の実施形態について説明する。
このヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニット１０は、図１に示すように、金属板状の放熱層２１とセラミックス基板２２とが接合されてなるパワーモジュール用基板２０と、金属板状の天板３１を備えるヒートシンク３０とが、放熱層２１と天板３１との間に隙間１１を空けた状態で積層されてなる。

より具体的には、パワーモジュール用基板２０は、セラミックス基板２２の両面に金属板状の放熱層２１および回路層２３が接合されてなる。回路層２３の表面には、電子部品（図示せず）が接合される。セラミックス基板２２は、たとえば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ₃Ｎ₄（窒化ケイ素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）等の酸化物系セラミックスから形成されている。

放熱層２１および回路層２３を構成する金属板としては、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。このパワーモジュール用基板２０において、セラミックス基板２２と放熱層２１および回路層２３とは、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材によるろう付けや、拡散接合によって接合されている。

ろう付の場合、セラミックス基板２２の両面にろう材箔を介して放熱層２１および回路層２３をそれぞれ積層し、この積層体を不活性ガス雰囲気、還元ガス雰囲気又は真空雰囲気において積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させることによって放熱層２１および回路層２３がそれぞれセラミックス基板２２に接合される。

拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）の場合、たとえば、放熱層２１および回路層２３にスパッタリングによってＡｇを含有する固着層を形成した後、その固着層をセラミックス基板２２に接触させた状態で積層し、この積層体を加圧、加熱することにより、Ａｇが放熱層２１および回路層２３に拡散して放熱層２１および回路層２３の固着層近傍の融点を低下させ、セラミックス基板２２と放熱層２１および回路層２３との各界面に溶融金属層を形成する。さらに、拡散が進むと、溶融金属層のＡｇ濃度が低下して融点が上昇することにより凝固して、セラミックス基板２２と放熱層２１および回路層２３とが接合される。

放熱層２１には、図１に示すように、表面から隆起した外縁部２１ａを有する複数の凹部２１ｂが形成されている。この凹部２１ｂは、セラミックス基板２２に接合される前の放熱層２１に、たとえば図２に示すように、ダイス４０とパンチ４１とを用いたコイニング加工により所望の形状に形成される。この凹部２１ｂの外縁部２１ａの高さは、放熱層２１の表面から５０μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましい。また、凹部２１ａは直径０．４ｍｍ程度の点状、幅０．４ｍｍ程度の帯状などに形成される。

パワーモジュール用基板２０に積層されるヒートシンク３０は、その形状は特に限定されないが、たとえば構造材として強度が比較的高いアルミニウム（ＪＩＳ規格でＡ６０６３など）の押し出し成形によって形成される。このヒートシンク３０において、板状に形成された天板３１の背面に、その長さ方向に沿って冷却水を流通させるための流路（図示せず）が形成されている。

このヒートシンク３０において、天板３１には、パワーモジュール用基板２０の放熱層２１に設けられた凹部２１ｂの深さよりも高さが低くこの凹部２１ｂに係合する複数の凸部３１ａが形成されている。凸部３１ａは、たとえば天板３１を板状部材で構成し、この板状部材に対して板金加工を施すことにより形成することができる。

このパワーモジュール用基板２０の放熱層２１とヒートシンク３０の天板３１との隙間１１には、接合材Ｂが介装されている。接合材Ｂは、たとえば図３に示すように放熱層２１の表面に塗布されたろう材、隙間１１に介装されたハンダ箔、ろう箔などであって、厚さが外縁部２１ａの高さよりも大きい１００μｍ以上２００μｍ以下となるように設けられている。接合材Ｂが設けられたパワーモジュール用基板２０を、凸部３１ａと凹部２１ｂとを係合させるように積層することにより、外縁部２１ａが放熱版３１の表面に当接して、所定の大きさの隙間１１を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニット１０が形成される。したがって、この隙間１１には接合材Ｂが充填された状態となる（図１参照）。

以上説明したように、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニット１０は、表面から隆起した外縁部２１ａを有する複数の凹部２１ｂが形成されている金属板状の放熱層２１とセラミックス基板２２とが接合されてなるパワーモジュール用基板２０と、凹部２１ｂの深さよりも高さが低くこの凹部２１ｂに係合する複数の凸部３１ａを有する金属板状の天板３１を備えるヒートシンク３０とを備えている。

そして、パワーモジュール用基板２０とヒートシンク３０とが、複数組の凹部２１ｂと凸部３１ａとを係合させるとともに外縁部２１ａを天板３１の表面に当接させることにより、放熱層２１と天板３１との間に隙間１１を空けた状態で積層されている。さらに、パワーモジュール用基板２０の放熱層２１とヒートシンク３０の天板３１との間には、接合材Ｂが介装されている。

外縁部２１ａの高さは放熱層２１の表面から５０μｍ以上１５０μｍ以下である一方、接合材Ｂの厚さは１００μｍ以上２００μｍ以下であることから、パワーモジュール用基板２０とヒートシンク３０との隙間１１には、十分な量の接合材Ｂが充填された状態となる。

なお、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ユニット１０は、パワーモジュール用基板２０の放熱層２１とヒートシンク３０の天板３１との間が溶剤等により仮接合された状態で搬送される場合がある。このような場合、パワーモジュール用基板２０とヒートシンク３０との接合力が弱いため、搬送時の振動等によって接合位置がずれるおそれがあるが、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニット１０は凹部２１ｂと凸部３１ａとが係合しているので、ずれが生じにくい。

このように構成されたヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニット１０は、接合材Ｂを用いてパワーモジュール用基板２０とヒートシンク３０とが接合されることにより、図４に示すようにヒートシンク付パワーモジュール用基板５０となる。このヒートシンク付パワーモジュール用基板５０においては、パワーモジュール用基板２０の放熱層２１の表面から突出する複数の外縁部２１ａが天板３１の表面に当接していることにより、放熱層２１とヒートシンク３０の天板３１との間隔が均一となっている。このため、部分的な接合材Ｂの不足などが生じにくく、ヒートシンク３０とパワーモジュール用基板２０とが正確な位置に確実に接合されている。

なお、放熱層２１と天板３１との接合に用いられるろう付法として、フラックスを用いずに真空中で行われる真空ろう付法や、真空雰囲気を必要とせずにフラックスを用いるノコロックろう付法が知られている。ノコロックろう付法は、フッ化物系のフラックスをろう材面に塗布してろう材面の酸化物を除去し、非酸化性雰囲気中で加熱して接合するろう付法であり、高価な設備が不要で、比較的容易に安定したろう付が可能である。この場合、接合時に、フラックスが放熱層２１とヒートシンク３０の天板３１の間に形成される隙間から外部に速やかに排出されるため、ボイドなどの発生を防ぐことができる。

以上説明したように、本発明によれば、凹凸形状の係合により放熱層と天板との相対位置が安定するので、たとえばパワーモジュール用基板とヒートシンクとを仮接合して移動する際等の位置ずれが防止され、作業性および位置決め性のよいユニットが実現される。また、放熱層と天板との間に均一な隙間が形成されるので、ろう材等の接合材が部分的に不足したりはみ出したりすることが防止され、ヒートシンクが確実かつ正確に接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を実現できる。

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。

ヒートシンク３０の天板３１に設けられる凸部３１ａの形状は、上記実施形態に限定されず、種々の構成を採用することができる。たとえば、放熱層２１とヒートシンク３０とがハンダにより接合される場合、図５に示すように、放熱層２１に直径０．４ｍｍ程度の点状の凹部２１ｃを形成するとともに、この凹部２１ｃに対応する直径０．４ｍｍ程度の点状の凹部３１ｂを天板３１にも形成し、直径０．４ｍｍ程度のＮｉ製またはＣｕ製のボール４２を凹部２１ｃ，３１ｂに係合するように配置する構成としてもよい。

あるいは、放熱層２１とヒートシンク３０とがろう付により接合される場合、図６に示すように、放熱層２１に帯状の凹部２１ｄを形成するとともに、この凹部２１ｄに対応する帯状の凹部３１ｃを天板３１にも形成し、アルミワイヤ４３をこれら凹部２１ｄ，３１ｃに係合させる構成を採用することもできる。

また、放熱層２１とヒートシンク３０の天板とは、上記実施形態ではろう材を接合材Ｂとして接合したが、接合材Ｂはろう箔、ハンダ箔等以外であってもよい。たとえば、図７に示すように、ろう材３２とアルミニウム材３３とのクラッド材をヒートシンク３０の天板３４に採用し、このクラッド材のろう材３２を接合材とすることにより、接合材を配置する工程を省き、作業性を向上させることができる。この場合も、放熱層２１の凹部２１ｂに係合する凸部３４ａは、板金加工等によりクラッド材（天板３４）に形成することができる。

１０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニット
１１ 隙間
２０ パワーモジュール用基板
２１ 放熱層
２１ａ 外縁部
２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ 凹部
２２ セラミックス基板
２３ 回路層
３０ ヒートシンク
３１，３４ 天板
３１ａ，３４ａ 凸部
３１ｂ，３１ｃ 凹部
３２ ろう材
３３ アルミニウム材
４０ ダイス
４１ パンチ
４２ ボール
５０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
Ｂ 接合材

Claims (7)

1. 表面から隆起した外縁部を有する複数の凹部が形成されている金属板状の放熱層とセラミックス基板とが接合されてなるパワーモジュール用基板と、
   前記凹部の深さよりも高さが低くこの凹部に係合する複数の凸部を有する金属板状の天板を備えるヒートシンクと、
   を備え、
   前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとが、前記凹部と前記凸部とが係合して前記外縁部を前記天板の表面に当接させることにより、前記放熱層と前記天板との間に隙間を空けた状態で積層されてな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ユニット。
2. 前記凹部の前記外縁部の高さが、前記放熱層の前記表面から５０μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニット。
3. 前記パワーモジュール用基板の前記放熱層と前記ヒートシンクの前記天板との間に接合材が介装されていることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニット。
4. 前記接合材の厚さが１００μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニット。
5. 前記天板の前記凸部は、前記放熱層の前記凹部に対応する形状に前記天板に形成された略半球状の凹部と、この天板の凹部に係合するように配置されたボールとによって設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニット。
6. 前記天板の前記凸部は、前記放熱層の前記凹部に対応する形状に前記天板に形成された略帯状の凹部と、この天板の凹部に係合するように配置されたワイヤとによって設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板ユニット。
7. 表面から隆起した外縁部を有する複数の凹部が形成されている金属板状の放熱層とセラミックス基板とが接合されてなるパワーモジュール用基板と、
   前記凹部の深さよりも高さが低くこの凹部に係合する複数の凸部を有する金属板状の天板を備えるヒートシンクと、
   前記パワーモジュール用基板の前記放熱層と前記ヒートシンクの前記天板との間に設けられた接合層とを備え、
   前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとが、前記凹部と前記凸部とが係合して前記外縁部を前記天板の表面に当接させた状態で、前記パワーモジュール用基板の前記放熱層と前記ヒートシンクの前記天板とが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。

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