JP2018041868A

JP2018041868A - 放熱基板

Info

Publication number: JP2018041868A
Application number: JP2016175698A
Authority: JP
Inventors: 石川　信二; Shinji Ishikawa; 信二石川
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Materials Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2018-03-15

Abstract

【課題】ろう付け後における反り変形を抑制することができる放熱基板を提供する。【解決手段】Cu層１２，１４，１６と、金属Aからなる金属A層１８とが、交互に積層された放熱基板１０Ａにおいて、前記Cu層１２，１４，１６が厚さ方向に非対称に積層されたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品に適用される放熱基板に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車や風力発電では、電力制御用の部品としてパワーモジュールが用いられる。パワーモジュールは、セラミックスで形成された絶縁基板と、金属で形成された放熱基板が接合されていると共に、接合材を介して半導体デバイス、特に、大電力で動作するLSI、IC、パワートランジスタ等がろう付けされる。大電力で動作する半導体デバイスは、使用時において熱を発生する。

放熱基板は、これらの半導体デバイスから発生する熱を効率よく拡散・放熱することが要求される。ところが、パワーモジュールは、上記の通り、異種材料からなる接合体であるため、製造時だけでなく、使用時における温度変化によって内部応力が発生する。この内部応力によって、放熱基板が変形してしまうという問題がある。そのため、放熱基板は、高い機械的強度と高い熱伝導率とを備えることが望まれる。

これに対して、例えば特許文献１には、３層構造からなる放熱基板としてCu層、Mo層、Cu層を順に積層したクラッド材が開示されている。この３層構造のクラッド材におけるMoの体積比を20％から99.6％の範囲で変化させることにより、熱伝導率と熱膨張係数を制御し、Mo単体よりも高い熱伝導率と、Cu単体よりも小さい熱膨張係数とを得ている。

また、特許文献２にはCu層、Mo層、Cu層を順に積層した３層構造のクラッド材の熱膨張係数とCuの体積比の関係が開示されている。この構造のクラッド材においては、Mo層が１層の場合には、例えば熱膨張係数を12×10^-6/K以下とするためには、熱伝導率が低いMoの使用量を全体の質量の20％以上としなければならない。そのため、このクラッド材の厚さ方向における熱伝導率は、230W/(m・K)程度にとどまる。

さらに特許文献３には、Cu層と、Mo層とが交互に５層以上積層されたクラッド材が開示されている。この場合、５層以上積層することにより、熱膨張係数がより小さく、かつ熱伝導率がより高いクラッド材を得ることができる。

特開平２−１０２５５１号公報特開平６−２６８１１５号公報特開２００７−１１５７３１号公報

放熱基板は、接合される半導体デバイスの信頼性を確保するため、半導体デバイスの動作温度である150℃付近の温度において半導体デバイスの熱膨張係数に近いことが必要である。そのため、放熱基板は、熱膨張係数が低い金属で構成された層が全体に占める体積比率を10％超にする必要がある。上記のように構成された放熱基板は、セラミックス基板より熱膨張係数が小さい。したがって放熱基板は、組立時のろう付けにおける加熱温度（例えば800℃）では、セラミックス基板の方がより大きく熱変形するため、冷却後において反り変形が生じる。

本発明は、ろう付け後における反り変形を抑制することができる放熱基板を提供することを目的とする。

本発明に係る放熱基板は、Cu層と、金属Aからなる金属A層とが、交互に積層された放熱基板において、前記Cu層が厚さ方向に非対称に積層されたことを特徴とする。

本発明によれば、放熱基板は、Cu層が厚さ方向に非対称に積層されていることにより、銀ロウ付け後における反り変形が抑制される。

本実施形態に係る放熱基板の構成を模式的に示す斜視図である。本実施形態に係る放熱基板の使用状態を示す側面図である。変形例に係る放熱基板の構成を模式的に示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１に示す放熱基板１０Ａは、矩形状であって、Cu又はCu合金からなるCu層１２，１４，１６と、金属Aからなる金属A層１８とが、交互に積層されている。放熱基板１０Ａは、厚さ方向に見て、４辺がそれぞれ直線状である。本図の場合、放熱基板１０Ａは、厚さ方向の中央にCu層１４、当該Cu層１４の両側に金属A層１８、さらに外表面にそれぞれCu層１２，１６が積層され、合計５層で形成されている。金属Aは、Mo又はWである。

放熱基板１０Ａは、厚さ方向に非対称に形成されている。すなわち放熱基板１０Ａは、厚さ方向の中心から数えて同じ位置にあるCu層１２，１６が、異なる厚さである。本図の場合、一表面側に配置されるCu層１２の厚さが、一表面と反対側の他表面側に配置されるCu層１６の厚さより、厚い。また金属A層１８は互いに同じ厚さである。Cu層１２の厚さは、Cu層１４，１６の厚さより、少なくとも0.02mm厚いのが好ましい。Cu層１２の厚さは、例えば、0.30〜0.60mm、Cu層１４，１６の厚さは、例えば、0.25〜0.55mmの範囲で選択とすることができる。Cu層１２の厚さが、上記上限以下であれば、金属A層１８による低熱膨張の効果が得られるので、信頼性が損なわれることもない。またＣｕ層１２の厚さが、上記下限以上であれば、十分な機械的強度が得られる。また金属A層１８の厚さは、0.03〜0.10mmとすることができる。

次に上記のように構成された放熱基板１０Ａの製造方法について説明する。放熱基板１０Ａは、Cu板と金属A板を接合する工程と、放熱基板１０Ａを切り出す工程とにより製造することができる。

Cu板と金属A板を接合する工程は、Cu板と金属A板を交互に５層重ねて高温で１軸方向に加圧する熱間プレス加工を施す。具体的には、圧力1〜10MPa、温度925〜1025℃の条件で、プレス機を用いて行う。熱間プレス加工中の雰囲気は、Cuの酸化を防ぐため、酸素を含まない雰囲気であるのが好ましく、例えば、還元ガス雰囲気、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、ヘリウム雰囲気、又は真空中であるのが好ましい。上記の工程により、Cu層１２，１４，１６と金属A層１８が交互に重なった５層からなる接合体が得られる。

次いで、放熱基板１０Ａを切り出す工程について説明する。本工程では、上記のようにして得られた接合体から、打ち抜き加工により、所定の大きさの放熱基板１０Ａを切り出す。すなわち接合体の最下層に雄型を接触させ、接合体の最上層に雌型を接触させ、雄型を雌型方向に移動することによって、放熱基板１０Ａを打ち抜く。

上記のように製造された放熱基板１０Ａは、図２に示すように、一表面側に銀ロウを含む接合部２１を介してセラミックス基板２０が接合される。通常、放熱基板１０Ａとセラミックス基板２０を銀ロウによって接合する際、800℃〜830℃に加熱される。

加熱されることによって、放熱基板１０Ａとセラミックス基板２０は、熱膨張する。加熱温度が800℃以上になると、銀ロウが溶解し、放熱基板１０Ａとセラミックス基板２０の間に流れ込み、固化することで放熱基板１０Ａとセラミックス基板２０を接合する。

冷却されると、放熱基板１０Ａとセラミックス基板２０は、それぞれ熱収縮する。本実施形態の場合、放熱基板１０Ａは、Cu層１２，１４，１６が厚さ方向に非対称に積層されていることにより、銀ロウ付け後における反り変形が抑制される。

放熱基板１０Ａとセラミックス基板２０の熱膨張率の差に応じ、放熱基板１０Ａとセラミックス基板２０の間に熱応力が生じる。セラミックス基板２０に接する一表面側のCu層１２の厚さが、他表面側のCu層１６より厚いので、放熱基板１０Ａは、一表面側の方が他表面側より熱膨張率が大きい。したがって放熱基板１０Ａは、厚さ方向に対称な従来の放熱基板１０Ａに比べ、一表面側においてセラミックス基板２０との熱膨張差が小さいため、セラミックス基板２０との間の熱応力が小さくなる。上記の通り放熱基板１０Ａは、セラミックス基板２０との間の熱応力が小さいので、反りが抑制される。さらにCuは塑性変形しやすいため、Cu層１２が塑性変形することにより、放熱基板１０Ａの反りが抑制されると考えられる。

本実施形態の場合、放熱基板１０Ａは、積層されたCu層１２，１４，１６と金属A層１８とを備えることにより、CuとMoとからなる複合合金を芯材として備える従来の放熱基板に比べ、より薄い金属A層１８で高い機械的強度を得ることができる。したがって、放熱基板１０Ａは、金属A層１８を薄くすることができるので、より高い熱伝導性を得ることができる。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

上記実施形態の場合、金属A層１８は、同じ厚さである場合について説明したが、本発明はこれに限らない。図１と同じ構成について同じ符号を付した図３を参照して変形例を説明する。本図に示すように、放熱基板１０Ｂは、セラミックス基板が接合される一表面側に配置される前記金属A層１８の厚さより、前記一表面と反対側の他表面側に配置される前記金属A層２２の厚さが厚い。金属A層２２の厚さは、金属A層１８の厚さより、少なくとも0.02mm厚いのが好ましい。金属A層２２の厚さは、例えば、0.05〜0.15mmの範囲で選択することができる。放熱基板１０Ｂは、機械的剛性が高い前記金属A層２２を他表面側に配置したことにより、反りをより抑制することができる。金属A層２２の厚さが、上記上限以下であれば、放熱基板１０Ｂとセラミックス基板の熱膨脹率差による反りを本発明の効果により抑制することができる。また金属A層２２の厚さが、上記下限以上であれば、金属A層２２による低熱膨張化の効果と高い機械的剛性の効果が得られる。

上記実施形態の場合、放熱基板１０Ａは、５層である場合について説明したが、本発明はこれに限らず、９層、１３層でもよい。いずれの場合も最表面は、Cu層であるのが好ましい。放熱基板１０Ａは、５層であることにより、金属A層を２層以上含む。したがって変形例に示すように、一表面側と他表面側の金属A層１８，２２の厚さを変えることにより、反りをより抑制することができる。

１０Ａ，１０Ｂ放熱基板
１２，１４，１６ Cu層
１８，２２金属A層
２０セラミックス基板

Claims

Cu層と、金属Aからなる金属A層とが、交互に積層された放熱基板において、前記Cu層が厚さ方向に非対称に積層されたことを特徴とする放熱基板。
前記Cu層と前記金属A層とが厚さ方向に合計５、９又は１３層積層されたことを特徴とする請求項１記載の放熱基板。
セラミックス基板が接合される一表面側に配置される前記Cu層の厚さが、前記一表面と反対側の他表面側に配置される前記Cu層の厚さより、厚いことを特徴とする請求項１又は２記載の放熱基板。
前記他表面側に配置される前記金属A層の厚さが、前記一表面側に配置される前記金属A層の厚さより、厚いことを特徴とする請求項３記載の放熱基板。
前記金属Aが、Mo又はWであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の放熱基板。