JP4786302B2 - パワーモジュール用ベースの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、パワーモジュールを構成するパワーモジュール用ベースの製造方法に関する。

この明細書および特許請求の範囲において、「アルミニウム」という用語には、「窒化アルミニウム」、「酸化アルミニウム」および「純アルミニウム」と表現する場合を除いて、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

たとえばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子からなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールにおいては、半導体素子から発せられる熱を効率良く放熱して、半導体素子の温度を所定温度以下に保つ必要がある。

そこで、従来、一面に配線層が形成されるとともに、他面に伝熱層が形成されたセラミックス製絶縁基板と、絶縁基板の伝熱層に接合されたアルミニウム製放熱基板と、放熱基板における絶縁基板に接合された側と反対側の面にろう付されたアルミニウム製放熱フィンとを備えたパワーモジュール用ベースが用いられていた。このようなパワーモジュール用ベースは、絶縁基板、放熱基板および放熱フィンを一括してろう付することにより製造される。

しかしながら、上述した方法でパワーモジュール用ベースを製造するにあたっては、ろう付の際の加熱時に絶縁基板、放熱基板および放熱フィンが熱膨張するとともに熱膨張した状態でろう付され、加熱終了後絶縁基板、放熱基板および放熱フィンが熱収縮する。ところが、放熱基板および放熱フィンの線膨張係数が、絶縁基板の線膨張係数よりも大きいので、放熱基板および放熱フィンの熱膨張の度合は絶縁基板よりも大きく、その結果放熱基板および放熱フィンの熱収縮の度合も絶縁基板よりも大きくなる。このため、何も対策を講じなければ、ろう付終了後常温まで冷却された際に絶縁基板、放熱基板および放熱フィンが熱収縮した場合、収縮の度合が絶縁基板よりも放熱基板および放熱フィンの方が大きくなって、放熱基板における絶縁基板にろう付された面が絶縁基板により拘束され、これにより放熱基板が反る。

そこで、放熱基板が、アルミニウム、銅などの高熱伝導性材料からなる１対の板状基板本体と、両基板体本体間に介在させられたインバー合金などの低熱膨張材とよりなるパワーモジュール用ベースが提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１記載のパワーモジュール用ベースによれば、放熱基板の線膨張係数が比較的小さくなり、その結果製造時に、上述した放熱基板の反りが発生することが抑制されるようになっている。

しかしながら、特許文献１記載の放熱装置においては、高熱伝導性材料と低熱膨張材とからなる放熱基板を用いる必要があるので、材料コストが高くなるという問題がある。
特開２００４−１５３０７５号公報（段落００３６、図７）

この発明の目的は、上記問題を解決し、放熱基板に反りが発生することなく、しかも簡単かつ安価にパワーモジュール用ベースを製造しうる方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。

1)高熱伝導性材料からなる放熱基板と、放熱基板の一面に接合された絶縁基板と、絶縁基板における放熱基板に接合された側と反対側の面に設けられた配線層と、高熱伝導性材料からなりかつ放熱基板の他面に接合された放熱フィンとを備えたパワーモジュール用ベースを製造する方法であって、
高熱伝導性材料からなる放熱フィン形成部材を挟んで２枚の放熱基板を配置し、放熱基板における放熱フィン形成部材側を向いた面とは反対側の面に、絶縁基板を、配線層が放熱基板とは反対側を向くように積層し、さらに放熱フィン形成部材よりも外側の部分において、両放熱基板間に補助反り防止部材を配置しておき、この状態で、放熱基板と補助反り防止部材とがろう付されないように、放熱フィン形成部材と両放熱基板、および両放熱基板と両絶縁基板とをそれぞれ同時にろう付することを含むパワーモジュール用ベースの製造方法。

2)放熱フィン形成部材が、波頂部、波底部および波頂部と波底部とを連結する連結部とからなるコルゲート状である上記1)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。

3)２枚の放熱基板の材質、大きさおよび厚みが同じである上記1)または2)記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。

4)２枚の絶縁基板の材質、大きさおよび厚みが同じである上記1)〜3)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。

5)絶縁基板が、セラミックスにより形成されており、当該セラミックスが窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたは窒化ケイ素からなる上記1)〜4)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。

6)絶縁基板における配線層が設けられた面とは反対側の面に、高熱伝導性材料からなる伝熱層を設けておき、当該伝熱層と放熱基板とをろう付する上記1)〜5)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。

7)放熱フィン形成部材、放熱基板および絶縁基板を積層した際に、放熱フィン形成部材の高さ方向の中心を対称中心として、両放熱基板および両絶縁基板を対称に配置する上記1)〜6)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。

8)放熱フィン形成部材、放熱基板および補助反り防止部材がアルミニウム製であり、補助反り防止部材の表面に離型剤を塗布しておくことにより、放熱基板と補助反り防止部材とのろう付を防ぐ上記1)〜7)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。

9)放熱フィン形成部材および放熱基板がアルミニウム製であり、補助反り防止部材がステンレス鋼製である上記1)〜7)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。

10)放熱フィン形成部材と両放熱基板、および両放熱基板と両絶縁基板とをそれぞれろう付した後、放熱フィン形成部材をその高さ方向の中間部で切断することにより、放熱基板と、放熱基板の一面に接合された絶縁基板と、絶縁基板における放熱基板に接合された側と反対側の面に設けられた配線層と、放熱基板の他面に接合された放熱フィンとからなる２つのパワーモジュール用ベースを同時に製造する上記1)〜9)のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。

11)上記1)〜9)のうちのいずれかに記載された方法により製造されており、互いに間隔をおいて配置された２枚の放熱基板と、放熱フィン形成部材の全体からなり、かつ両放熱基板間に配置されて両放熱基板にろう付された放熱フィンと、放熱基板における放熱フィンとは反対側の面にろう付された絶縁基板と、絶縁基板における放熱基板に接合された側と反対側の面に設けられた配線層とを備えており、放熱フィンの高さ方向の中心を中心として両放熱基板および両絶縁基板が対称となっているパワーモジュール用ベース。

12)上記10)記載の方法により製造されており、放熱基板と、放熱基板の一面にろう付された絶縁基板と、絶縁基板における放熱基板に接合された側と反対側の面に設けられた配線層と、放熱フィン形成部材を高さ方向の中間部で分断したような形状であり、かつ放熱基板の他面に並列状に配置されて放熱基板にろう付された複数の放熱フィンとを備えたパワーモジュール用ベース。

13)上記11)または12)記載のパワーモジュール用ベースと、パワーモジュール用ベースの絶縁基板の配線層上に装着されたパワーデバイスとを備えているパワーモジュール。

上記1)〜7)の製造方法によれば、ろう付の際の加熱時に放熱フィン形成部材、両放熱基板および両絶縁基板が熱膨張するとともに熱膨張した状態でろう付され、加熱終了後放熱フィン形成部材、放熱基板および絶縁基板が熱収縮する。ここで、放熱フィン形成部材および放熱基板の線膨張係数が、絶縁基板の線膨張係数よりも大きいので、放熱フィン形成部材および放熱基板の熱膨張の度合は絶縁基板よりも大きく、その結果放熱フィン形成部材および放熱基板の熱収縮の度合も絶縁基板よりも大きくなる。したがって、ろう付終了後常温まで冷却された際に絶縁基板、放熱フィン形成部材および放熱基板が熱収縮すると、収縮の度合が絶縁基板よりも放熱フィン形成部材および放熱基板の方が大きくなって、各放熱基板における絶縁基板の両側部分が、他の放熱基板側に反ろうとする。しかしながら、両放熱基板間に放熱フィン形成部材を配置しているので、両放熱基板が、それぞれ放熱フィン形成部材を介して他方の放熱基板を反らそうとする力を受けることになり、製造されたパワーモジュール用ベースにおいて、放熱基板に反りが発生することが防止される。また、特許文献１記載のパワーモジュール用ベースのように特殊な材料を使用する必要がないから安価に実施することができ、しかも放熱フィン形成部材、２枚の放熱基板および２枚の絶縁基板を上述したように配置してろう付するだけであるから簡単に実施することができる。したがって、放熱基板に反りが発生することなく、しかも簡単かつ安価にパワーモジュール用ベースを製造することができる。

上記1)、8)および9)の製造方法によれば、放熱基板への反りの発生を確実に防止することができる。しかも、補助反り防止部材が放熱基板にろう付されないので、ろう付終了後には補助反り防止部材を簡単に取り除くことができる。

上記10)の製造方法によれば、同時に２つのパワーモジュール用ベースを製造することができるので、生産性が向上する。

上記11)のパワーモジュール用ベースによれば、両絶縁基板の配線層上にパワーデバイスを実装することができるので、パワーモジュールの小型化を実現することができる。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、全図面を通じて同一部分および同一物には同一符号を付して重複する説明を省略する。

また、以下の説明において、各図面の上下、左右を上下、左右というものとする。

実施形態１
この実施形態は図１および図２に示すものである。

図１はこの発明の方法により製造されたパワーモジュール用ベースを備えたパワーモジュールを示し、図２はその製造方法を示す。

図１において、パワーモジュール用ベース(1)は、放熱基板(2)と、放熱基板(2)の上面に接合された絶縁基板(3)と、放熱基板(2)の下面に接合された放熱フィン(4)とを備えている。

放熱基板(2)は、アルミニウム、銅（銅合金も含む。以下、同様）などの高熱伝導性材料、ここではアルミニウムで形成されている。

絶縁基板(3)は、必要とされる絶縁特性、熱伝導率および機械的強度を満たしていれば、どのような絶縁材料から形成されていてもよいが、たとえばセラミックから形成される場合、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などが用いられる。絶縁基板(3)の肉厚は０．１〜１ｍｍであることが好ましい。絶縁基板(3)上面に配線層(5)が設けられるとともに下面に伝熱層(6)が設けられている。配線層(5)は、導電性に優れたアルミニウム、銅などの金属により形成されるが、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかも半導体素子とのはんだ付け性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。伝熱層(6)は、熱伝導性に優れたアルミニウム、銅などの金属により形成されるが、熱伝導率が高く、変形能が高く、しかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好ましい。また、配線層(5)および伝熱層(6)は同一材料で形成されていることが好ましい。そして、伝熱層(6)が放熱基板(2)にろう付されている。なお、配線層(5)および伝熱層(6)が予め設けられた絶縁基板(3)としては、ＤＢＡ(Direct Brazed Alminum、登録商標)基板や、ＤＢＣ(Direct Bonded Copper、登録商標)基板などを用いることができる。

放熱フィン(4)は、アルミニウム、銅などの高熱伝導性材料、ここではアルミニウムで形成された複数のフィン構成部材(7)からなる。フィン構成部材(7)は、１対の対向壁および対向壁の上端どうしを一体に連結する連結部とからなる横断面逆Ｕ字状であり、左右方向に間隔をおいて配置され、連結部が放熱基板(1)にろう付されている。

上述したパワーモジュール用ベース(1)においては、絶縁基板(3)の配線層(5)上にパワーデバイス(P)が、たとえばはんだ付で接合されることにより装着され、パワーモジュールが構成される。

以下、パワーモジュール用ベース(1)の製造方法を、図２を参照して説明する。

すなわち、２枚の放熱基板(2)を、アルミニウム製放熱フィン形成部材(8)を間に挟んで配置し、各放熱基板(2)と放熱フィン形成部材(8)との間に、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金などからなるシート状アルミニウムろう材（図示略）を介在させておく。２枚の放熱基板(2)の材質、大きさおよび厚みは同一である。放熱フィン形成部材(8)は、高熱伝導性材料、ここではアルミニウムにより形成されたものであり、波頂部(8a)、波底部(8b)および波頂部(8a)と波底部(8b)とを連結する連結部(8c)とからなるコルゲート状である。

ついで、各放熱基板(2)における放熱フィン形成部材(8)側を向いた面とは反対側の面に、絶縁基板(3)を、配線層(5)が放熱基板(2)とは反対側を向くように積層し（図２参照）、各絶縁基板(3)の伝熱層(6)と各放熱基板(2)との間に、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金などからなるシート状アルミニウムろう材（図示略）を介在させておく。２枚の放熱基板(2)の材質、大きさおよび厚みと、２枚の絶縁基板(3)の材質、大きさおよび厚みと、２枚の絶縁基板(3)の配線層(5)および伝熱層(6)の材質、大きさおよび厚みとは、それぞれ同一である。

ここで、放熱フィン形成部材(8)の高さ方向の中心(O)に位置する水平面を対称中心として、両放熱基板(2)および両絶縁基板(3)を上下対称としておく。

また、図２に示すように、放熱フィン形成部材(8)の左右両側において、両放熱基板(2)の左右両側縁部間に、それぞれ補助反り防止部材(9)を配置する。ここで、補助反り防止部材(9)をアルミニウムで形成し、その表面に離型剤を塗布しておくことにより、放熱基板(2)と補助反り防止部材(9)とのろう付を防ぐようにする。また、これに代えて、補助反り防止部材(9)をステンレス鋼で形成することにより、放熱基板(2)と補助反り防止部材(9)とのろう付を防ぐようにしてもよい。

ついで、両放熱基板(2)、放熱フィン形成部材(8)、両絶縁基板(3)および両補助反り防止部材(9)を適当な治具で仮止めし、接合面に適当な荷重を加えながら、真空雰囲気中または不活性ガス雰囲気中において、５７０〜６００℃に加熱することによって、両放熱基板(2)と放熱フィン形成部材(8)、および両絶縁基板(3)の伝熱層(6)と両放熱基板(2)とをそれぞれ同時にろう付する。

上述したろう付の際の加熱時には、絶縁基板(3)、配線層(5)、伝熱層(6)および放熱基板(2)が熱膨張するとともに、熱膨張した状態でろう付され、加熱終了後これらは熱収縮する。ここで、放熱フィン形成部材(8)および放熱基板(2)の線膨張係数が、絶縁基板(3)の線膨張係数よりも大きいので、放熱フィン形成部材(8)および放熱基板(2)の熱膨張の度合は絶縁基板(3)よりも大きく、その結果放熱フィン形成部材(8)および放熱基板(2)の熱収縮の度合も絶縁基板(3)よりも大きくなる。したがって、ろう付終了後常温まで冷却された際に絶縁基板(3)、放熱フィン形成部材(8)および放熱基板(2)が熱収縮すると、収縮の度合が絶縁基板(3)よりも放熱フィン形成部材(8)および放熱基板(2)の方が大きくなって、各放熱基板(2)における絶縁基板(3)の両側部分が、他の放熱基板(2)側に反ろうとする（図２鎖線参照）。しかしながら、両放熱基板(2)間に放熱フィン形成部材(8)および補助反り防止部材(9)を配置しているので、両放熱基板(2)が、それぞれ放熱フィン形成部材(8)および補助反り防止部材(9)を介して他方の放熱基板(2)を反らそうとする力を受けることになり、その結果各放熱基板(2)における反りの発生が防止される。

最後に、補助反り防止部材(9)を取り除くとともに、放熱フィン形成部材(8)を上下の中央部において切断する。こうして、パワーモジュール用ベース(1)が製造される。

図３および図４はこの発明の方法により製造されるパワーモジュール用ベースの変形例を示す。

図３に示すパワーモジュール用ベース(10)の場合、絶縁基板(3)の下面には伝熱層(6)は形成されておらず、絶縁基板(3)が直接放熱基板(2)にろう付されている。

このパワーモジュール用ベース(10)は、図１に示すパワーモジュール用ベース(1)と同様な方法で製造される。

図４に示すパワーモジュール用ベース(20)は、互いに間隔をおいて配置された２枚の放熱基板(2)と、放熱フィン形成部材(8)の全体からなり、かつ両放熱基板(2)間に配置されて両放熱基板(2)にろう付された放熱フィン(21)と、放熱基板(2)における放熱フィン(21)とは反対側の面にろう付された絶縁基板(3)と、絶縁基板(3)における放熱基板(2)に接合された側と反対側の面に設けられた配線層(5)とを備えており、放熱フィンの高さ方向の中心を中心として両放熱基板(2)および両絶縁基板(3)が対称となっている。

このパワーモジュール用ベース(20)は、図１に示すパワーモジュール用ベース(1)を製造する方法における、放熱フィン形成部材(8)を切断することを除いた方法で製造される。

なお、図４に示すパワーモジュール用ベース(20)において、図３に示すパワーモジュール用ベース(10)の場合と同様に、少なくともいずれか一方の絶縁基板(3)の下面には伝熱層(6)は形成されておらず、絶縁基板(3)が直接放熱基板(2)にろう付されていてもよい。

この発明による方法により製造されたパワーモジュール用ベースを用いたパワーモジュールの垂直断面図である。 図１に示すパワーモジュール用ベースを製造する方法における途中の段階を示す垂直断面図である。 この発明による方法により製造されたパワーモジュール用ベースを用いたパワーモジュールの変形例を示す垂直断面図である。 この発明による方法により製造されたパワーモジュール用ベースを用いたパワーモジュールの他の変形例を示す垂直断面図である。

(1)(10)(20)：パワーモジュール用ベース
(2)：放熱基板
(3)：絶縁基板
(4)：放熱フィン
(5)：配線層
(6)：伝熱層
(7)：フィン構成部材
(8)：放熱フィン形成部材
(8a)：波頂部
(8b)：波底部
(8c)：連結部
(9)：補助反り防止部材

Claims (13)

1. 高熱伝導性材料からなる放熱基板と、放熱基板の一面に接合された絶縁基板と、絶縁基板における放熱基板に接合された側と反対側の面に設けられた配線層と、高熱伝導性材料からなりかつ放熱基板の他面に接合された放熱フィンとを備えたパワーモジュール用ベースを製造する方法であって、
   高熱伝導性材料からなる放熱フィン形成部材を挟んで２枚の放熱基板を配置し、放熱基板における放熱フィン形成部材側を向いた面とは反対側の面に、絶縁基板を、配線層が放熱基板とは反対側を向くように積層し、さらに放熱フィン形成部材よりも外側の部分において、両放熱基板間に補助反り防止部材を配置しておき、この状態で、放熱基板と補助反り防止部材とがろう付されないように、放熱フィン形成部材と両放熱基板、および両放熱基板と両絶縁基板とをそれぞれ同時にろう付することを含むパワーモジュール用ベースの製造方法。
2. 放熱フィン形成部材が、波頂部、波底部および波頂部と波底部とを連結する連結部とからなるコルゲート状である請求項１記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
3. ２枚の放熱基板の材質、大きさおよび厚みが同じである請求項１または２記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
4. ２枚の絶縁基板の材質、大きさおよび厚みが同じである請求項１〜３のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
5. 絶縁基板が、セラミックスにより形成されており、当該セラミックスが窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたは窒化ケイ素からなる請求項１〜４のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
6. 絶縁基板における配線層が設けられた面とは反対側の面に、高熱伝導性材料からなる伝熱層を設けておき、当該伝熱層と放熱基板とをろう付する請求項１〜５のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
7. 放熱フィン形成部材、放熱基板および絶縁基板を積層した際に、放熱フィン形成部材の高さ方向の中心を対称中心として、両放熱基板および両絶縁基板を対称に配置する請求項１〜６のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
8. 放熱フィン形成部材、放熱基板および補助反り防止部材がアルミニウム製であり、補助反り防止部材の表面に離型剤を塗布しておくことにより、放熱基板と補助反り防止部材とのろう付を防ぐ請求項１〜７のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
9. 放熱フィン形成部材および放熱基板がアルミニウム製であり、補助反り防止部材がステンレス鋼製である請求項１〜７のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
10. 放熱フィン形成部材と両放熱基板、および両放熱基板と両絶縁基板とをそれぞれろう付した後、放熱フィン形成部材をその高さ方向の中間部で切断することにより、放熱基板と、放熱基板の一面に接合された絶縁基板と、絶縁基板における放熱基板に接合された側と反対側の面に設けられた配線層と、放熱基板の他面に接合された放熱フィンとからなる２つのパワーモジュール用ベースを同時に製造する請求項１〜９のうちのいずれかに記載のパワーモジュール用ベースの製造方法。
11. 請求項１〜９のうちのいずれかに記載の方法により製造されており、互いに間隔をおいて配置された２枚の放熱基板と、放熱フィン形成部材の全体からなり、かつ両放熱基板間に配置されて両放熱基板にろう付された放熱フィンと、放熱基板における放熱フィンとは反対側の面にろう付された絶縁基板と、絶縁基板における放熱基板に接合された側と反対側の面に設けられた配線層とを備えており、放熱フィンの高さ方向の中心を中心として両放熱基板および両絶縁基板が対称となっているパワーモジュール用ベース。
12. 請求項１０記載の方法により製造されており、放熱基板と、放熱基板の一面にろう付された絶縁基板と、絶縁基板における放熱基板に接合され
    た側と反対側の面に設けられた配線層と、放熱フィン形成部材を高さ方向の中間部で分断したような形状であり、かつ放熱基板の他面に並列状に配置されて放熱基板にろう付された複数の放熱フィンとを備えたパワーモジュール用ベース。
13. 請求項１１または１２記載のパワーモジュール用ベースと、パワーモジュール用ベースの絶縁基板の配線層上に装着されたパワーデバイスとを備えているパワーモジュール。

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