JP7485129B2 - ヒートシンク付き絶縁回路基板及びパワーモジュール - Google Patents
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Description
本発明は、ヒートシンク付き絶縁回路基板及びこれを用いたパワーモジュールに関する。
絶縁回路基板として、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板からなる絶縁層の一方の面に回路層が接合されるとともに、他方の面に金属層を介してヒートシンクが接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板が知られている。
例えば、特許文献１に開示されているヒートシンク付き絶縁回路基板は、セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層を介してヒートシンクが接合されてなり、ヒートシンクの天板部には、絶縁回路基板が収容される収容凹部が形成されている。
例えば、特許文献１に開示されているヒートシンク付き絶縁回路基板は、セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層を介してヒートシンクが接合されてなり、ヒートシンクの天板部には、絶縁回路基板が収容される収容凹部が形成されている。
ところで、上記特許文献１に開示されている絶縁回路基板をヒートシンクに接合する際に、マグネシウムを含むアルミニウム合金クラッド材（ろう材）を用いて接合すると、余剰な溶融ろうがヒートシンクにおける収容凹部の底部から該収容凹部の内側側面を這い上がり、収容凹部の外周に位置する周壁部の天面にまで達することがある。この内側側面及び周壁部の天面に這い上がった溶融ろうは、これらの表面で固化する。この固化した溶融ろう（以下、残存ろうという）は、周囲の周壁部とその組成が異なるため、外観不良が生じる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ヒートシンク付き絶縁回路基板におけるヒートシンクの周壁部の外観を向上できるヒートシンク付き絶縁回路基板及びパワーモジュールを提供することを目的とする。
本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板は、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成されているとともに、前記セラミックス基板の他方の面に金属層が形成されている絶縁回路基板における前記金属層と、中央部に前記絶縁回路基板の少なくとも一部が収容される収容凹部が形成されたヒートシンクにおける前記収容凹部の底面とがろう付けされたヒートシンク付き絶縁回路基板であって、前記収容凹部の外周に位置する前記ヒートシンクの周壁部の内側側面の少なくとも一部にろう溜まり凹部が形成されている。
本発明では、ヒートシンクにおける収容凹部の底面と絶縁回路基板の金属層とをろう材を用いて接合する際に生じる余剰な溶融ろうが周壁部の内側側面に形成されたろう溜まり凹部に溜まる。これにより、ヒートシンクの周壁部の上面に溶融ろうが這い上がることを抑制でき、ヒートシンクの周壁部の外観を向上できる。
本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の好ましい態様としては、前記ろう溜まり凹部は、前記周壁部の内側側面の全周にわたって形成されているとよい。
上記態様では、ろう溜まり凹部が周壁部の内側側面の全周にわたって形成されているので、ヒートシンクにおける収容凹部の底面と絶縁回路基板の金属層とをろう材を用いて接合する際に生じる余剰な溶融ろうをろう溜まり凹部に確実に溜めることができ、ヒートシンクの周壁部の外観を確実に向上できる。
上記態様では、ろう溜まり凹部が周壁部の内側側面の全周にわたって形成されているので、ヒートシンクにおける収容凹部の底面と絶縁回路基板の金属層とをろう材を用いて接合する際に生じる余剰な溶融ろうをろう溜まり凹部に確実に溜めることができ、ヒートシンクの周壁部の外観を確実に向上できる。
本発明のパワーモジュールは、上記ヒートシンク付き絶縁回路基板と、前記絶縁回路基板の前記回路層上に設けられる半導体チップと、前記半導体チップ上及び前記収容凹部内にモールドされた樹脂材と、を備える。
本発明では、ろう溜まり凹部に残存ろうが溜まることから、収容凹部の内側側面と樹脂との密着性を高めることができ、信頼性の高いパワーモジュールを提供できる。
本発明によれば、ヒートシンク付き絶縁回路基板におけるヒートシンクの周壁部の外観を向上でき、かつ、信頼性の高いパワーモジュールを提供できる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
［ヒートシンク付き絶縁回路基板の概略構成］
本発明に係るヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法により製造されるヒートシンク付き絶縁回路基板１は、図１に示すように、絶縁回路基板１０に、複数のフィンが立設されたフィン一体型のヒートシンク２０が接合されたものである。
本発明に係るヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法により製造されるヒートシンク付き絶縁回路基板１は、図１に示すように、絶縁回路基板１０に、複数のフィンが立設されたフィン一体型のヒートシンク２０が接合されたものである。
［パワーモジュールの構成］
そして、このヒートシンク付き絶縁回路基板１の表面に半導体チップ等の電子部品３０が搭載され、その上に樹脂材６０がモールドされることにより、パワーモジュール１００が製造される。
なお、フィン一体型のヒートシンク２０を備えるパワーモジュール１００は、例えば図５に示すようなケース４０に取り付けられた状態で使用される。このケース４０は、複数のピン状フィン２５を内部に挿入状態として取り付けるための開口部４１が形成されるとともに、その開口部４１の周囲を囲むようにパッキン収容溝４２が形成されている。そして、パッキン収容溝４２の外側にねじ穴４３が形成されており、ヒートシンク２０をピン状フィン２５が下方を向くように配置することにより開口部４１内に挿入し、開口部４１の周囲にパッキン５０を介して密接させ、ねじ止めにより固定する構成とされる。
図５に示す例では、２個のヒートシンク付き絶縁回路基板１（パワーモジュール１００）が取り付けられるようになっており、白抜き矢印で示すように、ケース４０の内部に冷却媒体が流通して挿入状態のピン状フィン２５を冷却するようになっている。
そして、このヒートシンク付き絶縁回路基板１の表面に半導体チップ等の電子部品３０が搭載され、その上に樹脂材６０がモールドされることにより、パワーモジュール１００が製造される。
なお、フィン一体型のヒートシンク２０を備えるパワーモジュール１００は、例えば図５に示すようなケース４０に取り付けられた状態で使用される。このケース４０は、複数のピン状フィン２５を内部に挿入状態として取り付けるための開口部４１が形成されるとともに、その開口部４１の周囲を囲むようにパッキン収容溝４２が形成されている。そして、パッキン収容溝４２の外側にねじ穴４３が形成されており、ヒートシンク２０をピン状フィン２５が下方を向くように配置することにより開口部４１内に挿入し、開口部４１の周囲にパッキン５０を介して密接させ、ねじ止めにより固定する構成とされる。
図５に示す例では、２個のヒートシンク付き絶縁回路基板１（パワーモジュール１００）が取り付けられるようになっており、白抜き矢印で示すように、ケース４０の内部に冷却媒体が流通して挿入状態のピン状フィン２５を冷却するようになっている。
［絶縁回路基板の構成］
ヒートシンク付き絶縁回路基板を構成する絶縁回路基板１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に形成された金属層１３とを備える。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３の間の電気的接続を防止する絶縁材であって、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等により形成され、その板厚は０．２ｍｍ～１．２ｍｍである。
ヒートシンク付き絶縁回路基板を構成する絶縁回路基板１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に形成された金属層１３とを備える。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３の間の電気的接続を防止する絶縁材であって、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等により形成され、その板厚は０．２ｍｍ～１．２ｍｍである。
回路層１２は、セラミックス基板１１に接合された第１回路層１２１と、第１回路層１２１の上面に接合された第２回路層１２２とを備えている。
これらのうち第１回路層１２１は、純度９９質量％以上の純アルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では１０００番台の純アルミニウム、特に１Ｎ９０（純度９９．９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。一方、第２回路層１２２は、Ａ６０６３系等のアルミニウム合金が用いられている。例えば、第１回路層１２１の厚さは、０．４ｍｍ～１．６ｍｍに設定され、第２回路層１２１の厚さは、０．５ｍｍ～１．５ｍｍに設定されている。
なお、本実施形態では、第２回路層１２２は、Ａ６０６３系等のアルミニウム合金が用いられることとしたが、これに限らず、銅又は銅合金を用いてもよい。また、回路層１２は、第１回路層１２１及び第２回路層１２２を備えることとしたが、これに限らず、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる１つの回路層により構成されてもよい。
これらのうち第１回路層１２１は、純度９９質量％以上の純アルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では１０００番台の純アルミニウム、特に１Ｎ９０（純度９９．９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。一方、第２回路層１２２は、Ａ６０６３系等のアルミニウム合金が用いられている。例えば、第１回路層１２１の厚さは、０．４ｍｍ～１．６ｍｍに設定され、第２回路層１２１の厚さは、０．５ｍｍ～１．５ｍｍに設定されている。
なお、本実施形態では、第２回路層１２２は、Ａ６０６３系等のアルミニウム合金が用いられることとしたが、これに限らず、銅又は銅合金を用いてもよい。また、回路層１２は、第１回路層１２１及び第２回路層１２２を備えることとしたが、これに限らず、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる１つの回路層により構成されてもよい。
金属層１３は、純度９９質量％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられ、ＪＩＳ規格では１０００番台のアルミニウム、特に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。例えば、金属層１３の厚さは、０．４ｍｍ～１．６ｍｍに設定されている。
［ヒートシンクの構成］
この絶縁回路基板１０に接合されるヒートシンク２０は、Ａ６０６３系等のアルミニウム合金からなる板材により形成される。そして、金属層１３に接合されるヒートシンクの中央部２１に、絶縁回路基板１０の少なくとも一部が収容される収容凹部２２が形成され、収容凹部２２の外周側に厚肉部分が残されることにより周壁部２３が形成されている。この収容凹部２２の底面に絶縁回路基板１０の金属層１３が、アルミニウム系ろう材箔を介して積層し、これらを積層方向に加圧して加熱することにより絶縁回路基板１０にヒートシンク２０が接合される。
例えば、ヒートシンク２０の中央部２１は、平面視で７７ｍｍ×６７ｍｍ、周壁部２３の外径は、平面視で１００ｍｍ×８０ｍｍとされ、絶縁回路基板１０は、平面視で７５ｍｍ×６５ｍｍとされている。
この絶縁回路基板１０に接合されるヒートシンク２０は、Ａ６０６３系等のアルミニウム合金からなる板材により形成される。そして、金属層１３に接合されるヒートシンクの中央部２１に、絶縁回路基板１０の少なくとも一部が収容される収容凹部２２が形成され、収容凹部２２の外周側に厚肉部分が残されることにより周壁部２３が形成されている。この収容凹部２２の底面に絶縁回路基板１０の金属層１３が、アルミニウム系ろう材箔を介して積層し、これらを積層方向に加圧して加熱することにより絶縁回路基板１０にヒートシンク２０が接合される。
例えば、ヒートシンク２０の中央部２１は、平面視で７７ｍｍ×６７ｍｍ、周壁部２３の外径は、平面視で１００ｍｍ×８０ｍｍとされ、絶縁回路基板１０は、平面視で７５ｍｍ×６５ｍｍとされている。
また、ヒートシンク２０は、中央部２１の厚み寸法（収容凹部２２の底面部分の厚み寸法）が周壁部２３の厚み寸法よりも薄く形成されている。本実施形態においては、ヒートシンク２０がＡ６０６３系アルミニウム合金からなる総厚２．１ｍｍ～６．８ｍｍの板材により形成され、周壁部２３の厚み寸法が２．１ｍｍ～６．８ｍｍ、収容凹部２２の底面部分の厚み寸法が０．５ｍｍ～１．５ｍｍに設定されている。このヒートシンク２０の中央部２１の下面２１ｂには、複数のピン状フィン２５が立設され、このピン状フィン２５の先端位置は水平面上に揃えられ、下面２１ｂの表面からほぼ等しい立設高さとなるように形成されている。
さらに、ヒートシンク２０の収容凹部２２の外周に位置する周壁部２３の内側側面２３０にろう溜まり凹部２３１が形成されている。このろう溜まり凹部２３１は、図１及び２に示すように、内側側面２３０における中腹部より上側（収容凹部２２の開口端部側）に位置し、図４に示すように、周壁部２３の内側側面２３０の全周にわたって形成される溝部により構成されている。このろう溜まり凹部２３１の縦幅ｗ１は、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０とを接合する際に用いられるろう材箔１４（図３（ａ）参照）の厚さよりも大きく形成され、例えば、その厚さは０．０５ｍｍ～０．５ｍｍに設定されている。このろう溜まり凹部２３１の縦幅ｗ１がろう材箔１４の厚さより小さいと、余剰なろう材を保持できなくなる可能性がある。
また、ろう溜まり凹部２３１は、ヒートシンク２０に絶縁回路基板１０をろう付けする際に生じた余剰な溶融ろうを溜めおく必要があるため、その深さｈ１は、例えば、０．０５ｍｍ～１０ｍｍに設定されている。
また、ろう溜まり凹部２３１は、ヒートシンク２０に絶縁回路基板１０をろう付けする際に生じた余剰な溶融ろうを溜めおく必要があるため、その深さｈ１は、例えば、０．０５ｍｍ～１０ｍｍに設定されている。
例えば、図３（ａ）に示すろう材箔１４の平面視における縦寸法がＸｍｍ、横寸法がＹｍｍに形成され、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０との接合に最低必要なろう材箔１４の厚さが０．０１ｍｍであると推定される場合、上記接合に必要なろう材箔１４の体積は、０．０１ＸＹｍｍ２となる。この場合において、接合に用いられるろう材箔１４の厚さが０．０３ｍｍである場合、余剰となるろう材の体積は０．０２ＸＹｍｍ２となる。このため、ろう溜まり凹部２３１の体積は、０．０２ＸＹｍｍ２以上であることが好ましい。
この場合、接合に必要なろう材箔の厚さより大きい厚さである０．０３ｍｍの厚さのろう材箔１４を用いるのは、最低必要な厚さである０．０１ｍｍであるとした場合、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０との接合が安定せず、これらの接合率が低下するおそれがあるためである。
このろう溜まり凹部２３１には、図２に示すように、上記ろう付けの際に周壁部２３の内側側面２３０を這い上がった溶融ろうが固化した残存ろう１４ａが固定されている。
この場合、接合に必要なろう材箔の厚さより大きい厚さである０．０３ｍｍの厚さのろう材箔１４を用いるのは、最低必要な厚さである０．０１ｍｍであるとした場合、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０との接合が安定せず、これらの接合率が低下するおそれがあるためである。
このろう溜まり凹部２３１には、図２に示すように、上記ろう付けの際に周壁部２３の内側側面２３０を這い上がった溶融ろうが固化した残存ろう１４ａが固定されている。
なお、このようなヒートシンク２０の外周縁には、例えば図５に示すように、ケース４０等の各種機器への取り付けの際にねじ止めを行うための締結穴２６が形成されている。
また、ヒートシンク２０に立設されるフィンの形状は特に限定されるものではなく、本実施形態のようなピン状フィン２５の他、ひし形フィンや帯板状のフィン等を形成することもできる。
また、ヒートシンク２０に立設されるフィンの形状は特に限定されるものではなく、本実施形態のようなピン状フィン２５の他、ひし形フィンや帯板状のフィン等を形成することもできる。
なお、パワーモジュール１００を構成する電子部品３０は、必ずしも限定されるものではないが、回路層１２の表面に形成されたＮｉめっき（不図示）上に、Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系、Ｚｎ‐Ａｌ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｓｂ系もしくはＰｂ‐Ｓｎ系等のはんだ材を用いて接合される。また、電子部品３０と回路層１２の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ（不図示）により接続される。
［ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法］
次に、本実施形態のヒートシンク付き絶縁回路基板１の製造方法について説明する。
その製造方法は、セラミックス基板１１に回路層１２及び金属層１３を接合して絶縁回路基板１０を形成する絶縁回路基板形成工程と、絶縁回路基板１０にヒートシンク２０を接合するヒートシンク接合工程とからなる。以下、この工程順に説明する。
次に、本実施形態のヒートシンク付き絶縁回路基板１の製造方法について説明する。
その製造方法は、セラミックス基板１１に回路層１２及び金属層１３を接合して絶縁回路基板１０を形成する絶縁回路基板形成工程と、絶縁回路基板１０にヒートシンク２０を接合するヒートシンク接合工程とからなる。以下、この工程順に説明する。
（絶縁回路基板形成工程）
第１回路層１２１、セラミックス基板１１、金属層１３を、それぞれＡｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｍｎ系、又はＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材箔を介して積層し、その積層体を積層方向に加圧した状態で加熱した後、冷却することにより、セラミックス基板１１の一方の面１１ａに第１回路層１２１、他方の面１１ｂに金属層１３が接合される。
このときの接合条件は、必ずしも限定されるものではないが、真空雰囲気中で、積層方向の加圧力が０．３ＭＰａ～１．５ＭＰａで、６３０℃以上６５５℃以下の加熱温度に２０分以上１２０分以下保持するのが好適である。
第１回路層１２１、セラミックス基板１１、金属層１３を、それぞれＡｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｍｎ系、又はＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材箔を介して積層し、その積層体を積層方向に加圧した状態で加熱した後、冷却することにより、セラミックス基板１１の一方の面１１ａに第１回路層１２１、他方の面１１ｂに金属層１３が接合される。
このときの接合条件は、必ずしも限定されるものではないが、真空雰囲気中で、積層方向の加圧力が０．３ＭＰａ～１．５ＭＰａで、６３０℃以上６５５℃以下の加熱温度に２０分以上１２０分以下保持するのが好適である。
そして、第１回路層１２１上にアルミニウム系ろう材箔１４を介して積層し、その積層体を積層方向に加圧した状態で加熱した後、冷却することにより、第１回路層１２１と第２回路層１２２とを強固に接合する。このろう材箔１４は、例えば、Ａｌ－Ｓｉ系やＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材箔を用いることもできるが、好適には、Ａ３００３等のアルミ合金の両面にＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材（一例として、Ａｌ－１０．５質量％Ｓｉ－１．５質量％Ｍｇ）が形成されたアルミニウム合金クラッド材を用いるとよい。このような、クラッド材を用いると、比較的固相線温度の低いアルミニウム合金からなる第２回路層１２２を比較的低温で接合することができる。この積層方向の加圧力は、０．１ＭＰａ～０．５ＭＰａで、５９０℃以上６１５℃以下の加熱温度に３分以上２０分以下保持するのが好適である。
これにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２（第１回路層１２１及び第２回路層１２２）が接合され、他方の面に金属層１３が接合された絶縁回路基板１０が形成される。
これにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２（第１回路層１２１及び第２回路層１２２）が接合され、他方の面に金属層１３が接合された絶縁回路基板１０が形成される。
（ヒートシンク接合工程）
そして、図３（ａ）に示すように、絶縁回路基板１０の金属層１３の下面と、ヒートシンク２０の収容凹部２２の底面（中央部２１）との間にアルミニウム系ろう材箔１４を介在させ、積層方向に加圧した状態で加熱することにより、金属層１３とヒートシンク２０とを接合する。なお、アルミニウム系ろう材箔としては、上述したものと同様のものを利用でき、ヒートシンクが比較的の固相線温度が低いアルミニウム合金から構成されることから、アルミニウム合金クラッド材を用いることが好適な点も同様である。
これにより、絶縁回路基板１０にヒートシンク２０が接合され、図３（ｂ）に示すヒートシンク付き絶縁回路基板１が形成される。
なお、この積層方向の加圧力は、０．１ＭＰａ～０．５ＭＰａで、５９０℃以上６１５℃以下の加熱温度に３分以上２０分以下保持するのが好適である。
そして、図３（ａ）に示すように、絶縁回路基板１０の金属層１３の下面と、ヒートシンク２０の収容凹部２２の底面（中央部２１）との間にアルミニウム系ろう材箔１４を介在させ、積層方向に加圧した状態で加熱することにより、金属層１３とヒートシンク２０とを接合する。なお、アルミニウム系ろう材箔としては、上述したものと同様のものを利用でき、ヒートシンクが比較的の固相線温度が低いアルミニウム合金から構成されることから、アルミニウム合金クラッド材を用いることが好適な点も同様である。
これにより、絶縁回路基板１０にヒートシンク２０が接合され、図３（ｂ）に示すヒートシンク付き絶縁回路基板１が形成される。
なお、この積層方向の加圧力は、０．１ＭＰａ～０．５ＭＰａで、５９０℃以上６１５℃以下の加熱温度に３分以上２０分以下保持するのが好適である。
ここで、ヒートシンク接合工程において、アルミニウム系ろう材箔１４を用いて絶縁回路基板１０をヒートシンク２０に接合すると、余剰な溶融ろうがヒートシンク２０における収容凹部２２の底面から周壁部２３の内側側面２３０を這い上がる。特に、アルミニウム系ろう材箔にＭｇを含む場合や、上述した、Ａ３００３等のアルミ合金の両面にＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材が形成されたアルミニウム合金クラッド材を用いた場合には、ろう材が溶融しやすいため、このような這い上がりが顕著に生じる。この点、本実施形態では、内側側面２３０にろう溜まり凹部２３１が形成されているので、図２に示すように、ヒートシンク２０における収容凹部２２の底面と絶縁回路基板１０の金属層１３とを上記ろう材を用いて接合する際に生じる余剰な溶融ろうが周壁部２３の内側側面２３０に形成されたろう溜まり凹部２３１に溜まる。そして、積層体の加熱が終了して、これが冷却されると、溶融ろうが固化して残存ろう１４ａとなり、この残存ろう１４ａが内側側面２３０の一部及びろう溜まり凹部２３１内に固定される。これにより、ヒートシンク２０の周壁部２３の上面２４に溶融ろうが這い上がることを抑制している。
なお、第１回路層１２１と第２回路層１２２との接合と、ヒートシンク接合工程は同時に行うことが可能である。この場合、同じアルミニウム系ろう材箔１４を用いることが好ましい。すなわち、第１回路層１２１とセラミックス基板１１と金属層１３の接合体に対し、第１回路層１２１上にアルミニウム系ろう材箔１４を介して第２回路層１２２を積層するとともに、ヒートシンク２０上にアルミニウム系ろう材箔１４を介して金属層１３が接触するように積層し、この積層体を積層方向に加圧しながら加熱して、第１回路層１２１と第２回路層１２２とを接合するとともに、ヒートシンク２０と金属層１３とを接合してヒートシンク付き絶縁回路基板１を製造することができる。なお、この積層方向の加圧力は、０．１ＭＰａ～０．５ＭＰａで、５９０℃以上６１５℃以下の加熱温度に３分以上２０分以下保持するのが好適である。
そして、上記製造方法により製造されたヒートシンク付き絶縁回路基板１の回路層１２の表面に半導体チップ等の電子部品３０が搭載され、その上に樹脂材６０がモールドされることにより、パワーモジュール１００が製造される。
上記実施形態のヒートシンク付き絶縁回路基板１では、ヒートシンク２０における収容凹部２２の底面と絶縁回路基板１０の金属層１３とをろう材箔１４を用いて接合する際に生じる余剰な溶融ろうが周壁部２３の内側側面２３０に形成されたろう溜まり凹部２３１に溜まるので、ヒートシンク２０の周壁部２３の上面２４に溶融ろうが這い上がることを抑制でき、ヒートシンク２０の周壁部２３の外観を向上できる。
また、ヒートシンク付き絶縁回路基板１を用いたパワーモジュール１００は、ろう溜まり凹部２３１に残存ろう１４ａが溜まることから、周壁部２３の内側側面２３０と樹脂との密着性を高めることができ、信頼性の高いパワーモジュールを提供できる。
また、ヒートシンク付き絶縁回路基板１を用いたパワーモジュール１００は、ろう溜まり凹部２３１に残存ろう１４ａが溜まることから、周壁部２３の内側側面２３０と樹脂との密着性を高めることができ、信頼性の高いパワーモジュールを提供できる。
その他、細部構成は実施形態の構成のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、ろう溜まり凹部２３１は、周壁部２３の内側側面２３０における中腹部よりも収容凹部２２の開口端側に形成することとしたが、これに限らない。
例えば、上記実施形態では、ろう溜まり凹部２３１は、周壁部２３の内側側面２３０における中腹部よりも収容凹部２２の開口端側に形成することとしたが、これに限らない。
［実施形態の第１変形例］
図６は、上記実施形態の第１変形例に係るヒートシンク付き絶縁回路基板１Ａを示す断面図である。本変形例では、ろう溜まり凹部２３１Ａは、周壁部２３の内側側面２３０における収容凹部２２の底面側の端部に形成されている。具体的には、収容凹部２２の底面とろう溜まり凹部２３１Ａの底面とが一致している。このため、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０とを接合する際に生じた余剰な溶融ろうは、収容凹部２２の底面を伝って、直接ろう溜まり凹部２３１Ａへと流入し、ろう溜まり凹部２３１Ａ内に溜められることとなる。
図６は、上記実施形態の第１変形例に係るヒートシンク付き絶縁回路基板１Ａを示す断面図である。本変形例では、ろう溜まり凹部２３１Ａは、周壁部２３の内側側面２３０における収容凹部２２の底面側の端部に形成されている。具体的には、収容凹部２２の底面とろう溜まり凹部２３１Ａの底面とが一致している。このため、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０とを接合する際に生じた余剰な溶融ろうは、収容凹部２２の底面を伝って、直接ろう溜まり凹部２３１Ａへと流入し、ろう溜まり凹部２３１Ａ内に溜められることとなる。
ここで、上記実施形態のように、ろう溜まり凹部２３１が周壁部２３の内側側面２３０における中間部や収容凹部２２の底面とは反対側（開口端側）に形成されている場合、内側側面２３０におけるろう溜まり凹部２３１に達するまでの領域には、残存ろう１４ａが固定されることとなる。
これに対し、本変形例では、ろう溜まり凹部２３１Ａが周壁部２３の内側側面２３０における底面側の端部に形成されているので、溶融ろうの内側側面２３０の這い上がりを確実に抑制でき、周壁部２３の内側側面２３０の外観を向上できる。また、内側側面２３０の大部分に残存ろう１４ａが固定されることがないので、収容凹部２２内に樹脂材６０をモールドした際における樹脂密着性を向上できる。
これに対し、本変形例では、ろう溜まり凹部２３１Ａが周壁部２３の内側側面２３０における底面側の端部に形成されているので、溶融ろうの内側側面２３０の這い上がりを確実に抑制でき、周壁部２３の内側側面２３０の外観を向上できる。また、内側側面２３０の大部分に残存ろう１４ａが固定されることがないので、収容凹部２２内に樹脂材６０をモールドした際における樹脂密着性を向上できる。
上記実施形態では、ろう溜まり凹部２３１は、周壁部２３の内側側面２３０の全周にわたって形成される溝部により構成されていることとしたが、これに限らない。例えば、ろう溜まり凹部２３１は、周壁部２３の内側側面２３０の全周にわたって連続して形成されなくてもよく、断続的に形成されるものでもよい。
［実施形態の第２変形例］
図７は、上記実施形態の第２変形例に係るヒートシンク付き絶縁回路基板１Ｂの一部を拡大して示す断面図であり、図８は、上記実施形態の第２変形例に係るヒートシンク付き絶縁回路基板１Ｂの側面を示す側面図である。
本変形例では、ろう溜まり凹部２３１Ｂは、上記実施形態と同様に周壁部２３の内側側面２３０における中腹部より若干収容凹部２２の開口端側に形成されている。このろう溜まり凹部２３１Ｂは、複数（例えば、２０個）の細長い溝部からなり、例えば、１つの溝部の縦幅ｗ１が０．２ｍｍ、横寸法ｗ２が５ｍｍ、深さ寸法ｈ１が５ｍｍとされる。これら複数の溝部のそれぞれは、所定の間隔をあけて断続的に配置され、隣り合う溝部の間隔ｗ３は、例えば、０．０５ｍｍ～１０ｍｍとされる。また、このろう溜まり凹部２３１Ｂを構成する複数の溝部の体積の総和は、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０とを接合する際に生じた余剰な溶融ろうの体積よりも大きく設定されている。
図７は、上記実施形態の第２変形例に係るヒートシンク付き絶縁回路基板１Ｂの一部を拡大して示す断面図であり、図８は、上記実施形態の第２変形例に係るヒートシンク付き絶縁回路基板１Ｂの側面を示す側面図である。
本変形例では、ろう溜まり凹部２３１Ｂは、上記実施形態と同様に周壁部２３の内側側面２３０における中腹部より若干収容凹部２２の開口端側に形成されている。このろう溜まり凹部２３１Ｂは、複数（例えば、２０個）の細長い溝部からなり、例えば、１つの溝部の縦幅ｗ１が０．２ｍｍ、横寸法ｗ２が５ｍｍ、深さ寸法ｈ１が５ｍｍとされる。これら複数の溝部のそれぞれは、所定の間隔をあけて断続的に配置され、隣り合う溝部の間隔ｗ３は、例えば、０．０５ｍｍ～１０ｍｍとされる。また、このろう溜まり凹部２３１Ｂを構成する複数の溝部の体積の総和は、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０とを接合する際に生じた余剰な溶融ろうの体積よりも大きく設定されている。
このため、本変形例においても絶縁回路基板１０とヒートシンク２０とを接合する際に生じた余剰な溶融ろうは、収容凹部２２の底面及び周壁部２３を伝って、ろう溜まり凹部２３１Ｂ（複数の溝部）へと流入し、ろう溜まり凹部２３１Ｂ内に溜められることとなることから、溶融ろうの内側側面２３０の這い上がりを抑制して、周壁部２３の外観を向上できる。
［実施形態の第３変形例］
図９は、上記実施形態の第２変形例に係るヒートシンク付き絶縁回路基板１Ｃの一部を拡大して示す断面図であり、図１０は、上記実施形態の第３変形例に係るヒートシンク付き絶縁回路基板１Ｃの側面を示す側面図である。
本変形例では、ろう溜まり凹部２３２は、周壁部２３の内側側面２３０における中腹部より若干収容凹部２２の開口端側に形成されている。このろう溜まり凹部２３２は、複数（例えば、３２個）の貫通孔からなり、例えば、１つの貫通孔の径ｗ１が０．２ｍｍとされる。これら複数の貫通孔のそれぞれは、所定の間隔をあけて断続的に配置され、隣り合う貫通孔の間隔ｗ４は、例えば、０．０５ｍｍ～１０ｍｍとされる。
なお、本変形例では、ろう溜まり凹部２３２が複数の貫通孔により構成されているため、複数の貫通孔の体積の総和は、絶縁回路基板１とヒートシンク２０とを接合する際に生じた余剰な溶融ろうの体積よりも大きくする必要はない。
図９は、上記実施形態の第２変形例に係るヒートシンク付き絶縁回路基板１Ｃの一部を拡大して示す断面図であり、図１０は、上記実施形態の第３変形例に係るヒートシンク付き絶縁回路基板１Ｃの側面を示す側面図である。
本変形例では、ろう溜まり凹部２３２は、周壁部２３の内側側面２３０における中腹部より若干収容凹部２２の開口端側に形成されている。このろう溜まり凹部２３２は、複数（例えば、３２個）の貫通孔からなり、例えば、１つの貫通孔の径ｗ１が０．２ｍｍとされる。これら複数の貫通孔のそれぞれは、所定の間隔をあけて断続的に配置され、隣り合う貫通孔の間隔ｗ４は、例えば、０．０５ｍｍ～１０ｍｍとされる。
なお、本変形例では、ろう溜まり凹部２３２が複数の貫通孔により構成されているため、複数の貫通孔の体積の総和は、絶縁回路基板１とヒートシンク２０とを接合する際に生じた余剰な溶融ろうの体積よりも大きくする必要はない。
このため、本変形例では、絶縁回路基板１０とヒートシンク２０とを接合する際に生じた余剰な溶融ろうは、収容凹部２２の底面及び周壁部２３を伝って、ろう溜まり凹部２３２（複数の貫通孔）へと流入し、ろう溜まり凹部２３２内に溜まるか、若しくは、周壁部２３の外周面側へと流れ出ることから、溶融ろうの内側側面２３０の這い上がりを抑制して、周壁部２３の外観を向上できる。
なお、上記第２変形例及び第３変形例においても、第１変形例と同様に、ろう溜まり凹部２３１Ｂ，２３２を周壁部２３の内側側面２３０における収容凹部２２の底面側の端部に形成してもよい。
また、上記実施形態では、図１に示すように回路層１２が２個に分かれている構成としたが、これに限らず、２個以上の複数、例えば６個や１２個等に分かれている構造としてもよい。
また、上記実施形態では、図１に示すように回路層１２が２個に分かれている構成としたが、これに限らず、２個以上の複数、例えば６個や１２個等に分かれている構造としてもよい。
１ １Ａ １Ｂ １Ｃ ヒートシンク付き絶縁回路基板
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１２１ 第１回路層
１２２ 第２回路層
１３ 金属層
２０ ヒートシンク
２１ 中央部
２２ 収容凹部
２３ 周壁部
２３０ 内側側面
２３１ ２３１Ａ ２３１Ｂ ろう溜まり凹部
２３２ ろう溜まり凹部
２４ 上面
２４Ａ 下面
２５ ピン状フィン
２６ 締結穴
３０ 電子部品
４０ ケース
４１ 開口部
４２ パッキン収容溝
４３ ねじ穴
５０ パッキン
６０ 樹脂材
１００ パワーモジュール
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１２１ 第１回路層
１２２ 第２回路層
１３ 金属層
２０ ヒートシンク
２１ 中央部
２２ 収容凹部
２３ 周壁部
２３０ 内側側面
２３１ ２３１Ａ ２３１Ｂ ろう溜まり凹部
２３２ ろう溜まり凹部
２４ 上面
２４Ａ 下面
２５ ピン状フィン
２６ 締結穴
３０ 電子部品
４０ ケース
４１ 開口部
４２ パッキン収容溝
４３ ねじ穴
５０ パッキン
６０ 樹脂材
１００ パワーモジュール
Claims (3)
- セラミックス基板の一方の面に電子部品を搭載するための回路層が接合されるとともに、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が接合されてなる絶縁回路基板における前記金属層と、中央部に前記絶縁回路基板の少なくとも一部が収容される収容凹部が形成されたアルミニウム合金からなるヒートシンクにおける前記収容凹部の底面とがアルミニウム系ろう材によりろう付けされたヒートシンク付き絶縁回路基板であって、
前記収容凹部の外周に位置する前記ヒートシンクの周壁部の内側側面の少なくとも一部にろう溜まり凹部が形成されており、
平面視で、前記ヒートシンクの前記収容凹部は前記絶縁回路基板の前記セラミックス基板より大きく形成され、
前記ろう溜まり凹部は、前記ヒートシンクの前記周壁部の上面より下方位置に形成されていることを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板。 - 前記ろう溜まり凹部は、前記周壁部の内側側面の全周にわたって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板。
- 請求項１又は２に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板と、
前記絶縁回路基板の前記回路層上に設けられる半導体チップと、
前記半導体チップ上及び前記収容凹部内にモールドされた樹脂材と、を備えることを特徴とするパワーモジュール。
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