JP2020092239A - Heat sink, semiconductor module, and manufacturing method of heat sink - Google Patents
Heat sink, semiconductor module, and manufacturing method of heat sink Download PDFInfo
- Publication number
- JP2020092239A JP2020092239A JP2018230369A JP2018230369A JP2020092239A JP 2020092239 A JP2020092239 A JP 2020092239A JP 2018230369 A JP2018230369 A JP 2018230369A JP 2018230369 A JP2018230369 A JP 2018230369A JP 2020092239 A JP2020092239 A JP 2020092239A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal
- heat sink
- metal plate
- fin portion
- copper
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Description
この発明は、金属板の表面上にフィン部分を設けてなるヒートシンク、半導体モジュール及び、ヒートシンクの製造方法に関するものであり、特に、優れた放熱性能を実現することのできる技術を提案するものである。 The present invention relates to a heat sink having a fin portion provided on the surface of a metal plate, a semiconductor module, and a method for manufacturing the heat sink, and particularly proposes a technique capable of realizing excellent heat dissipation performance. ..
ヒートシンクには、熱交換効率を上げることを目的として、伝熱面積を広げるための種々の形状のフィン部分を、金属板の表面上に設けたものがある。
このようなフィン部分を有するヒートシンクはアルミニウム製のものが多く、一般に、押出成形により、アルミニウム製の金属板とフィン部分とを一体に形成した後、必要に応じて、板状等のフィン部分に所定の加工を施すことで製造される。
Some heat sinks are provided with fin portions of various shapes on the surface of a metal plate for increasing the heat transfer area for the purpose of increasing heat exchange efficiency.
Most heat sinks having such a fin portion are made of aluminum, and in general, a metal plate made of aluminum and the fin portion are integrally formed by extrusion molding, and then, if necessary, a fin portion such as a plate is formed. It is manufactured by performing a predetermined process.
なお、この種のヒートシンクの製造に関する技術としては、たとえば特許文献1に記載されたものがある。特許文献1には、「基板上に間隔を開けて垂直に立設した複数のフィンを有するアルミ押出形材のフィンに、押出し方向に直交する横方向に切れ目を基板に食い込むように形成して各フィンを押出方向に複数列に分断し、同列の複数のフィンを高さ方向の一定の範囲に亘って同時に囲む加工型をフィン先端側から嵌め、加工型を押出方向に直交する横方向に一定距離だけ移動させることで、フィンの根元から加工型までの間の部分のみを斜めに曲げることを特徴とするアルミ押出形材製ヒートシンクのフィン加工方法」が記載されている。
Note that, as a technique related to the manufacturing of this type of heat sink, for example, there is one described in
ところで近年は、機電一体型等の車載用その他の半導体モジュール等で、そこに用いるヒートシンクの放熱性能を大きく高めることが要求されている。この要求を満たすには、ヒートシンクの材質を、アルミニウムよりも放熱性に優れる銅もしくは銅合金に変更することが有効であると考えられる。 By the way, in recent years, it has been required to greatly improve the heat dissipation performance of a heat sink used in a vehicle-mounted or other semiconductor module such as an electromechanical integrated type. In order to meet this requirement, it is considered effective to change the material of the heat sink to copper or a copper alloy, which has better heat dissipation than aluminum.
しかるに、銅もしくは銅合金は、アルミニウムに比して加工性に劣る。それ故に、押出成形により、銅もしくは銅合金からなる金属板及びフィン部分を有するヒートシンクを一体に形成することは困難である。したがって、これまでは、金属板及びフィン部分を有するヒートシンクを銅もしくは銅合金製として放熱性能の向上を図ることは、容易には実現し得なかった。 However, copper or a copper alloy is inferior to aluminum in workability. Therefore, it is difficult to integrally form a heat sink having a fin portion and a metal plate made of copper or a copper alloy by extrusion molding. Therefore, up to now, it has not been easy to realize a heat sink having a metal plate and a fin portion made of copper or a copper alloy to improve the heat radiation performance.
この発明は、このような問題を解決することを課題とするものであり、その目的は、優れた放熱性能を有するヒートシンク、半導体モジュール及び、ヒートシンクの製造方法を提供することにある。 The present invention has an object to solve such a problem, and an object thereof is to provide a heat sink having excellent heat dissipation performance, a semiconductor module, and a method for manufacturing the heat sink.
この発明のヒートシンクは、銅又は銅合金からなる金属板と、前記金属板の表面上に設けられ、銅又は銅合金からなるフィン部分と、前記金属板の表面とフィン部分との間に介在し、フィン部分を前記金属板に接合する金属接合層とを有してなるものである。 The heat sink of the present invention includes a metal plate made of copper or a copper alloy, a fin portion provided on the surface of the metal plate, made of copper or a copper alloy, and interposed between the surface of the metal plate and the fin portion. A metal bonding layer for bonding the fin portion to the metal plate.
この発明のヒートシンクでは、前記金属接合層が、前記金属板側に向けて末広がりになる形状を有することが好ましい。
また、この発明のヒートシンクは、複数個のフィン部分と、前記金属板の表面と各フィン部分との間に介在し、各フィン部分を前記金属板に接合する金属接合層とを有することが好ましい。この場合、前記金属板の厚み方向の断面にて、各フィン部分を前記金属板に接合する各金属接合層が、少なくとも前記金属板から最も離れた位置で、互いに間隔をおいて配置されていることが好ましい。
In the heat sink of this invention, it is preferable that the metal bonding layer has a shape that widens toward the metal plate side.
Further, it is preferable that the heat sink of the present invention has a plurality of fin portions and a metal joining layer interposed between the surface of the metal plate and each fin portion and joining each fin portion to the metal plate. .. In this case, in the cross section in the thickness direction of the metal plate, the metal bonding layers that bond the fin portions to the metal plate are arranged at intervals at least at positions farthest from the metal plate. Preferably.
この発明のヒートシンクでは、前記金属接合層が銅を含有すること、前記金属接合層が焼結体からなること、前記金属接合層が空隙を含むこと、前記金属接合層が炭素を含有することがそれぞれ好適である。
前記金属接合層が空隙を含む場合、前記金属接合層の空隙率は、0.5未満であることが好ましい。
In the heat sink of the present invention, the metal bonding layer contains copper, the metal bonding layer is made of a sintered body, the metal bonding layer contains voids, and the metal bonding layer contains carbon. Each is suitable.
When the metal bonding layer includes voids, the porosity of the metal bonding layer is preferably less than 0.5.
なお、この発明のヒートシンクでは、前記フィン部分が、前記金属板の表面に立てた状態で設けられた柱状を有することが好ましい。 In the heat sink of the present invention, it is preferable that the fin portion has a column shape provided on the surface of the metal plate in an upright state.
この発明の半導体モジュールは、上述したいずれかのヒートシンクを有するものである。 The semiconductor module of the present invention has any one of the heat sinks described above.
この発明のヒートシンクの製造方法は、銅又は銅合金からなる金属板、銅又は銅合金からなるフィン部分、ならびに、金属粉ペーストを用意し、前記金属板の表面及び/又は前記フィン部分の端面に、金属粉ペーストを塗布するペースト塗布工程と、前記金属板の表面上に、前記金属粉ペーストを介してフィン部分を配置するフィン配置工程と、前記金属板の表面とフィン部分との間に介在する金属粉ペーストを加熱して焼結させる加熱工程とを含むものである。 The method for manufacturing a heat sink of the present invention provides a metal plate made of copper or a copper alloy, a fin portion made of copper or a copper alloy, and a metal powder paste, and the surface of the metal plate and/or the end face of the fin portion is provided. A paste applying step of applying a metal powder paste, a fin arranging step of arranging a fin portion on the surface of the metal plate via the metal powder paste, and an intervening step between the surface of the metal plate and the fin portion. The heating step of heating and sintering the metal powder paste is performed.
この発明のヒートシンクの製造方法では、前記ペースト塗布工程で、複数個のフィン部分を用意し、前記加熱工程で、前記金属板の表面と各フィン部分との間に介在する金属粉ペーストを加熱して焼結させることが好適である。 In the heat sink manufacturing method of the present invention, a plurality of fin portions are prepared in the paste applying step, and the metal powder paste interposed between the surface of the metal plate and each fin portion is heated in the heating step. It is preferable to sinter.
この発明のヒートシンクの製造方法では、ペースト塗布工程にて、前記金属板の表面及び前記フィン部分の端面のうち、前記金属板の表面における、フィン配置工程でフィン部分を配置するフィン配置領域のみに、金属粉ペーストを塗布することができる。
あるいは、ペースト塗布工程にて、前記金属板の表面及び前記フィン部分の端面のうち、フィン部分の端面に、金属粉ペーストを塗布することができる。
In the method for manufacturing a heat sink of the present invention, in the paste applying step, only the fin placement region in which the fin portion is placed in the fin placement step on the surface of the metal plate, of the surface of the metal plate and the end surface of the fin portion, is formed. , A metal powder paste can be applied.
Alternatively, in the paste applying step, the metal powder paste can be applied to the end surface of the fin portion among the surface of the metal plate and the end surface of the fin portion.
この発明のヒートシンクの製造方法では、前記金属粉ペーストが、銅又は銅合金からなる銅含有粉末を含み、前記銅含有粉末の平均粒径D50が1.0μm未満であり、加熱工程で、前記金属粉ペーストを400℃以上の温度に加熱することが好ましい。 In the heat sink manufacturing method of the present invention, the metal powder paste contains a copper-containing powder made of copper or a copper alloy, and the average particle diameter D50 of the copper-containing powder is less than 1.0 μm. It is preferable to heat the powder paste to a temperature of 400° C. or higher.
この発明によれば、ヒートシンクが、金属板の表面とフィン部分との間に介在して各フィン部分を金属板に接合する金属接合層を有することにより、金属板及びフィン部分を銅もしくは銅合金製とすることができ、これにより優れた放熱性能を実現することができる。 According to the present invention, the heat sink has the metal bonding layer which is interposed between the surface of the metal plate and the fin portion to bond each fin portion to the metal plate, so that the metal plate and the fin portion are made of copper or copper alloy. It can be manufactured, and thereby excellent heat dissipation performance can be realized.
以下に図面を参照しながら、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
(ヒートシンクの概要)
図1に例示するヒートシンク1は、平板その他の板状をなす金属板2と、該ヒートシンク1を設ける図示しない半導体モジュールの半導体チップ等の発熱による熱を放散するため、伝熱面積が増大するように、金属板2の表面上に設けられたフィン部分3とを有するものである。
なおここで、図示の金属板2は、平面輪郭形状がほぼ正方形状をなす平板状としているが、長方形状もしくはその他の多角形状等の様々な平面輪郭形状を有するもの、屈曲ないし湾曲部分を含むもの等といったような種々の板状とすることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Outline of heat sink)
The
Here, the illustrated
またここで、このヒートシンク1では、金属板2の表面に対して実質的に垂直に立てた状態で設けられた柱状、より具体的には円柱状の一個以上のフィン部分3を、互いに所定の間隔をおいて配置している。このような柱状のフィン部分3は、冷却水等の冷却媒体が複数個のフィン部分3の間を通過して循環することから、放熱性に優れている。
但し、フィン部分は表面積が大きくなる形状であれば、これに限定されない。たとえば、図2に示すところでは、複数個の薄肉直方体の平板状のフィン部分3aを、金属板2の表面上にて、互いに等間隔で平行に並べて配置している。平板を湾曲させた形状のフィン部分もある。また図示は省略するが、一又は複数の羽根を有する一個のフィン部材としてもよい。
ここでは、主として、図1に示すフィン部分3を例として説明する。
Further, here, in this heat sink 1, one or more
However, the fin portion is not limited to this as long as the shape has a large surface area. For example, as shown in FIG. 2, a plurality of thin-walled rectangular parallelepiped plate-shaped fin portions 3a are arranged on the surface of the
Here, the
ここにおいて、ヒートシンク1が有する金属板2及びフィン部分3は、銅又は銅合金からなるものとする。これにより、アルミニウム製のものに比して、優れた放熱性能を発揮することができる。その結果として、放熱性能に対する要求が厳しい機電一体型等の車載用その他の半導体モジュール等で、ヒートシンク1を好適に用いることができる。
金属板2及びフィン部分3を構成する銅又は銅合金としては、具体的には、無酸素銅、タフピッチ銅、高純度銅又は、錫含有銅やジルコニウム含有銅、銀含有銅、クロム含有銅等を挙げることができる。なかでも、無酸素銅は、高温で水素脆性が起こらないという観点から特に好ましい。
Here, the
Specific examples of the copper or copper alloy forming the
しかるに、銅又は銅合金はアルミニウムよりも加工性に劣るものであることから、押出成形等により、金属板及びフィン部分を一体に形成することは困難である。また銅又は銅合金の鋳塊等を削り出して、金属板及びフィン部分を形成することは、生産性及び材料歩留まりが著しく低い。
そこで、この実施形態の製造方法では、金属粉ペーストを用いて、金属板2とフィン部分3とを接合することとする。このことによれば、所要の強度で金属板2とフィン部分3とを接合できるとともに、優れた放熱性能を有するヒートシンク1を比較的容易に製造することができる。
However, since copper or a copper alloy is inferior to aluminum in workability, it is difficult to integrally form the metal plate and the fin portion by extrusion molding or the like. Further, when a copper or copper alloy ingot or the like is carved out to form the metal plate and the fin portion, the productivity and the material yield are remarkably low.
Therefore, in the manufacturing method of this embodiment, the
(製造方法)
このようなヒートシンク1の製造方法を詳説すると、はじめに、銅又は銅合金からなる金属板2、銅又は銅合金からなる一個以上、たとえば複数個のフィン部分3、ならびに、金属粉ペーストを用意する。
このうち、金属板2及びフィン部分3については、各々が比較的単純な形状であることから、それらをそれぞれ、たとえば、プレス加工や、引抜き加工及び線材切断加工、切削加工、ヘッダー加工等により容易に作製することができる。
(Production method)
To describe the method of manufacturing the
Of these, the
金属粉ペーストとしては、特に制約はなく公知のものを使用することができるが、低温で焼結可能であるものであれば、ヒートシンク1の製造がさらに容易になる。金属粉ペーストは、たとえば、金属粉、溶媒およびバインダー樹脂を含み、場合によってはさらに添加剤を含むことがある。これらの溶媒、バインダー樹脂及び添加剤は、焼結によって、できる限り除去され得る化合物を使用することが好ましい。
As the metal powder paste, a publicly known one can be used without particular limitation, but if it can be sintered at a low temperature, the
金属粉ペーストに含まれる金属粉は、放熱性およびコストの観点から、銅又は銅合金からなる銅含有粉末を含むことが好適である。金属板2及びフィン部分3と同様に銅又は銅合金からなる銅含有粉末を含む金属粉ペーストを用いて、ヒートシンク1を製造することにより、金属板2とフィン部分3との間の後述する金属接合層での熱伝導の変化を小さく抑えることができて、放熱性能の更なる向上を実現することができる。
銅含有粉末としては、たとえば、純CuやCu−Ag合金からなる粉末、CuからなりAgで被覆された粉末等を挙げることができる。また、これらの粉末は、所定のカップリング剤で表面処理されていてもよい。
From the viewpoint of heat dissipation and cost, the metal powder contained in the metal powder paste preferably contains copper-containing powder made of copper or a copper alloy. The
As the copper-containing powder, for example, a powder made of pure Cu or a Cu-Ag alloy, a powder made of Cu and coated with Ag, and the like can be mentioned. Moreover, these powders may be surface-treated with a predetermined coupling agent.
金属粉ペーストに含まれる金属粉の平均粒径D50は、1.0μm未満とすることが好ましい。これにより、金属板2とフィン部分3との間の金属接合層の空隙率を小さくすることができて、放熱性能を大きく高めることができる。金属粉の平均粒径D50は、たとえば0.1μm〜0.9μm、好ましくは0.2μm〜0.6μmとすることができる。金属粉の平均粒径D50は、一例として、レーザ回折法により得られる粒度分布(体積基準)から求めることができるメジアン径として測定する。
なお、金属粉の形状は特に問わないが、たとえば、球状もしくは回転楕円体状または、これらが扁平となった形状、あるいは、これらの形状が混合されたものとすることができる。
The average particle diameter D50 of the metal powder contained in the metal powder paste is preferably less than 1.0 μm. As a result, the porosity of the metal bonding layer between the
The shape of the metal powder is not particularly limited, but may be, for example, a spherical shape, a spheroidal shape, a flattened shape thereof, or a mixture of these shapes.
金属粉ペーストに含まれる溶媒としては、金属粉ペーストに用いるものとして公知のものを使用することができる。このような溶媒には、たとえば、α−テルピネオール、プチルカルピトール等がある。また、バインダー樹脂としては、金属粉ペーストに用いるものとして公知のものを使用することができる。バインダー樹脂は、所定の加熱温度で分解するものであることが好適であり、例えばセルロース系、アクリル系、エポキシ系、フェノール系等のバインダー樹脂を挙げることができる。このようなバインダー樹脂のさらに具体例としては、ポリビニールプチラール樹脂、エチルセルロースを挙げることができる。 As the solvent contained in the metal powder paste, those known as those used in the metal powder paste can be used. Examples of such a solvent include α-terpineol, pentylcarpitol and the like. As the binder resin, those known as those used for metal powder paste can be used. The binder resin is preferably one that decomposes at a predetermined heating temperature, and examples thereof include cellulose-based, acrylic-based, epoxy-based, and phenol-based binder resins. Further specific examples of such a binder resin include polyvinyl propylal resin and ethyl cellulose.
上述したような金属粉ペーストを用いて、ペースト塗布工程を行う。
ペースト塗布工程では、金属粉ペースト4を、図3(a)に示すように金属板2の表面に塗布するか、又は、図3(b)に示すようにフィン部分3の端面に塗布するか、あるいは、図示は省略するが、金属板2の表面及びフィン部分3の端面の両方に塗布する。金属粉ペースト4を用いることにより、所定の領域に比較的均一に金属粉を存在させることが
できるので、放熱性能の向上、所要の接合強度の確保を実現することができる。
The paste applying step is performed using the metal powder paste as described above.
In the paste application step, whether the
なお、金属粉ペースト4は高価なものである場合が多いので、その使用量は必要最小限とすることが、コスト増大抑制の観点から望ましい。それ故に、金属粉ペースト4を金属板2の表面に塗布する場合は、金属粉ペースト4を、金属板2の表面全体に塗布することも可能であるが、金属板2の表面で、後述のフィン配置工程にてフィン部分3を配置するフィン配置領域のみに塗布するほうが好適である。このことは、たとえば、金属板2の表面のフィン配置領域のみを露出させるように、メッシュないしマスクとしてのシートを、金属板2の表面上に配置した状態で、金属粉ペースト4の塗布を行うこと等により実現可能である。
Since the
金属粉ペースト4は、金属板2の表面及び/又はフィン部分3の端面上に、最大厚みが、好ましくは0.03mm〜0.2mmになるように塗布する。より好ましくは、最大厚みが0.15mm以下になるように塗布する。金属粉ペースト4の塗布厚みが薄すぎると、金属板2とフィン部分3との接合強度が不足する懸念があり、この一方で、塗布厚みが厚すぎると、製品としてのヒートシンク1で、ひび割れが発生するおそれがある他、多量の金属粉ペースト4の使用によってコストの増大を招くという不都合がある。
The
柱状等のフィン部分3で当該フィン部分3の端面に金属粉ペースト4を塗布する場合、図示しない揺動式振込機もしくは自動整列機等にフィン部分3を投入し、複数個のフィン部分3を、その揺動式振込機等の振込冶具内で所定の配置態様に整列させ、振込冶具からフィン部分3の端面を露出させた状態で、当該塗布を行うことができる。
When the
次いで、フィン配置工程を行う。フィン配置工程では、図3に矢印で示すように、金属粉ペーストを塗布した金属板2の表面及び/又はフィン部分3の端面を互いに接近させて、金属板2の表面上の所定位置に、金属粉ペースト4を介して複数個のフィン部分3を配置する。
Then, the fin placement step is performed. In the fin arranging step, as shown by an arrow in FIG. 3, the surface of the
このような金属板2の表面上への複数個のフィン部分3の配置は、先述の振込冶具の嵌合穴に複数個のフィン部分3が嵌り込んで整列した状態で、当該フィン部分3を振込冶具とともに、金属板2の表面に接近させて行うことが、作業性向上の点で有利である。
Such arrangement of the plurality of
そしてその後は、加熱工程を行う。より詳細には、この加熱工程では、たとえば、複数個のフィン部分3の端面を、所定の加圧力の作用下で金属板2の表面に押し付けた状態で、それらの端面と表面との間に介在する金属粉ペースト4を加熱することにより、金属粉ペーストの溶媒等を気化させて除去するとともに、複数個の各フィン部分3と金属板2との間で金属粉を焼結させる。揺動式振込機等を用いた場合は、複数個のフィン部分3を保持するその振込冶具ごと加熱することができる。
And after that, a heating process is performed. More specifically, in this heating step, for example, in the state where the end faces of the plurality of
金属粉ペースト4は、200℃以上、さらに400℃以上の温度に加熱することが好ましい。たとえば、D50が0.4μm程度の所定の小さな粒径の銅含有粉末等の金属粉では、たとえば400℃以上、より好ましくは600℃以上、さらに好ましくは800℃以上に加熱する。このような高温で加熱することにより、金属粉ペースト4が、空隙率の小さく密な金属接合層となり、それによってさらに優れた放熱性能を得ることができる。
一方、加熱温度が高すぎると、それに耐え得る設備の使用等が必要になって、製造の容易さが損なわれる懸念がある。それ故に、金属粉ペーストの加熱温度は、好ましくは200℃〜900℃とする。
他方、加熱温度が低すぎるとバインダー樹脂が十分に分解されず、金属接合層におけるバインダー樹脂由来成分の割合が増えることに起因して、ヒートシンク1の放熱性が悪化し得る。また、加熱温度が低すぎると、金属粉間の焼結が十分に進行せず、空隙率が高くなることに起因して、ヒートシンク1の放熱性が悪化し得る。
The
On the other hand, if the heating temperature is too high, it is necessary to use equipment capable of withstanding the heating temperature, which may impair the ease of manufacturing. Therefore, the heating temperature of the metal powder paste is preferably 200°C to 900°C.
On the other hand, if the heating temperature is too low, the binder resin is not sufficiently decomposed and the proportion of the binder resin-derived component in the metal bonding layer increases, which may deteriorate the heat dissipation of the
なお加熱工程は、用いるペースト組成に応じて、二段階以上の加熱過程を含むことができる。これにより、ペーストの厚みを均一化できるという利点がある。一例として、D50が0.4μm程度の銅含有粉末を用いる場合は、加熱工程は三段階の加熱工程を含むことができる。係る場合、一段目の加熱過程は、主として金属粉ペーストの溶媒等の除去を目的として行うものであり、100℃〜150℃で0.05時間〜0.5時間にわたって加熱することができる。二段目の加熱過程は、バインダー樹脂の脱離を目的として行うものであり、350℃〜450℃で0.25時間〜1.5時間にわたって加熱することができる。三段目の加熱工程は、金属粉の焼結を目的として行うものであり、550〜900℃で、0.25時間〜1.5時間にわたって加熱することができる。 The heating process may include two or more heating processes depending on the paste composition used. This has the advantage that the thickness of the paste can be made uniform. As an example, when a copper-containing powder having a D50 of about 0.4 μm is used, the heating process may include three heating processes. In such a case, the first heating process is performed mainly for the purpose of removing the solvent and the like of the metal powder paste, and can be heated at 100°C to 150°C for 0.05 hours to 0.5 hours. The second heating process is performed for the purpose of desorbing the binder resin, and can be performed at 350° C. to 450° C. for 0.25 hours to 1.5 hours. The third heating step is performed for the purpose of sintering the metal powder, and can be heated at 550 to 900° C. for 0.25 hours to 1.5 hours.
加熱時には、各フィン部分3を金属板2に対して、たとえば0MPa〜1.5MPa、好ましくは0MPa〜1.0MPaで加圧することができる。これにより、金属接合層における空隙の割合を低減せしめ、ヒートシンク1の放熱性の向上、およびフィン部分3を金属板2の表面上に強固に接合することができる。なお、この加圧力が大きすぎると、銅を含むフィン部分3が変形することが懸念される。加圧力は0MPaとすること、つまり加圧しないことも可能である。
また金属粉ペースト4が、表面酸化物が不安定であるAg等の金属を含む場合、加熱は大気雰囲気下で行うことができるが、表面酸化物が安定であるCu等の金属を含む場合は、不活性ガス雰囲気又は還元ガス雰囲気下で加熱することが好ましい。また、還元ガス雰囲気下(例えば、2〜5%の水素を含む窒素ガス)で加熱することで、金属粉の焼結を促進させる、つまり、焼結体における空隙率を低減し得る。
At the time of heating, each
When the
但し、ここでは種々の金属粉ペースト4を使用することができ、その使用する金属粉ペースト4に応じて適宜、適切な温度及び時間等の条件を設定することができる。
However, various metal powder pastes 4 can be used here, and appropriate conditions such as temperature and time can be set according to the
(ヒートシンク)
上述したような加熱工程を経ることにより、金属板2とフィン部分3との間の金属粉ペーストは、図4及び5に断面図で示すように、金属接合層4aとなる。そして、一般には金属粉ペーストに含まれていた金属粉の焼結体からなる該金属接合層4aは、金属板2とフィン部分3とを所要の強度で接合するべく機能する。
したがって、この実施形態のヒートシンク1は、先に述べた金属板2及び一個以上のフィン部分3の他、さらに、金属板2の表面とフィン部分3との間に介在し、フィン部分3を金属板2に接合する金属接合層4aを有するものである。
(heatsink)
Through the heating process as described above, the metal powder paste between the
Therefore, the
金属接合層4aは、銅を含有することが好ましい。これにより、金属板2及びフィン部分3と同様に銅を含むことから、金属接合層4aでの材質の相違による熱伝導の変化を抑制することができ、放熱性能をより有効に高めることができる。また、銅はマイグレーションの影響が少ないので、使用に伴う放熱性能の低下を抑制することができる。金属粉ペーストに銅含有粉末が含まれる場合は通常、金属接合層4aは銅を含有するものになる。
The
金属接合層4aは、金属粉が焼結されて溶融時に連結されたことによって網目構造になって空隙を含むことがある。但し、金属接合層4aの空隙率は、0.5未満であることが好ましい。金属接合層4aの空隙率が低いと、金属接合層4aの密度が高いことになるので、放熱性能がより一層高まる。この観点から、金属接合層4aの空隙率は、0.1未満であることが一層好ましい。
The
金属接合層4aは、金属粉ペーストに含まれていたバインダー樹脂等の成分が残留したことにより、炭素を含有することがある。炭素は、金属接合層4aの上記空隙中に残留し得る。
図7は、金属接合層4aの断面のSEM画像の一例である。図7に示されるように、金属接合層4aの大部分は焼成された銅(色が薄い灰色部分)であって、その一部に空隙を含む。より具体的には、図7の二点破線部に示される部分(色が濃い黒色部分)が、炭素が残留していない空隙部に対応し、一点破線部に示される部分(銅よりも濃く、炭素が残留していない空隙部よりも薄い部分)が、炭素が残留している空隙部に対応する。金属接合層4aの空隙部(一点破線部に示される部分)に炭素が残留していることは、例えばEPMAを用いた成分分析を行うことにより、確認できる。
The
FIG. 7 is an example of an SEM image of a cross section of the
金属接合層4aの空隙率は、金属接合層4aを金属板2の厚み方向に沿って切断した断面を、走査電子顕微鏡(SEM)により観察し、金属接合層4a中の空隙である黒色領域(炭素が残留している空隙を含む)の面積と、金属で充填されている灰色領域の面積の総和に占める、空隙である黒色領域の面積の割合として算出する。
For the porosity of the
金属接合層4aにより接合された金属板2とフィン部分3は、その接合強度が、1MPa〜20MPa、さらに2MPa〜15MPaであることが好ましい。例えば、ヒートシンク1が水冷式である場合(フィン部分3の少なくとも一部が水に浸される場合)は、その水圧に耐えるために、金属板2とフィン部分3との接合強度が5MPa以上であることが好ましい。接合強度は、フィン部分3の中央部のシェア強度として測定する。
以下に、シェア強度の測定条件の一例を示す。
装置:精密荷重測定器
掃引速度:5mm/min
ツール押して位置:金属板2のフィン部分3と接合される面を基準として、フィン部分3の高さ4mmの位置
The
An example of the shear strength measurement conditions is shown below.
Device: Precision load measuring device Sweep speed: 5 mm/min
Position where the tool is pressed: Position of the
金属接合層4aの厚みTcは、金属板2の厚み方向に沿って測って、好ましくは0.01mm〜0.15mm、より好ましくは0.05mm〜0.1mmである。金属接合層4aの厚みTcが薄すぎると、金属板2とフィン部分3とを十分強固に接合できないことが懸念される。一方、金属接合層4aの厚みTcが厚すぎると、放熱性の低下及びひび割れが生じ得る。
The thickness Tc of the
なお、ヒートシンク1は、上述した製造時の加熱工程にてフィン部分3を所定の加圧力で金属板2に向けて押し付けたことに起因して、図5に例示するように、金属接合層4aが、金属板2側に向けて末広がりになる形状を有することがある。図5では、円柱状のフィン部分3を金属板2に接合するこの金属接合層4aは、その直径が、円柱状のフィン部分3側から金属板2側に向かうに従って次第に大きくなる形状を有するものとなっている。言い換えれば、金属接合層4aは、金属板2から離れるに従って横断面積が減少して先細りになるテーパ形状である。
The
金属接合層4aの末広がり形状は、図5に示すような、金属板2の厚み方向の断面で直線状になるものに限らず、図6(a)に示すような、同様の断面にて内側に括れた曲線状で末広がりになる形状の金属接合層14aとなる場合もある。
あるいは、加熱工程での加圧により、図6(b)に示すように、フィン部分3の端面を含む先端部が金属接合層24aに埋まり込み、フィン部分3の先端部の周囲を取り囲む金属接合層24aになることもある。
The divergent shape of the
Alternatively, as shown in FIG. 6B, the tip portion including the end face of the
金属接合層4a、14a、24aは、金属板2の厚み方向の断面にて、少なくとも金属板2から最も離れた位置Pa(図5及び6に破線で示す。)で、互いに間隔Dcをおいて配置されていることが好ましい。これは、先述したペースト塗布工程で、フィン部分3と金属板2との間にのみ金属粉ペーストを介在させたことによるものであり、これにより高価な金属粉ペーストの使用量を減らすことができて製造コストを低減することができる。
図5並びに図6(a)及び(b)に示す金属接合層4a、14a、24aは、金属板2から最も離れた位置Paだけでなく、隣り合うもの同士がその全体にわたって離隔しており、各々が独立したものになっている。一方、図6(c)に示す金属接合層34aでは、隣り合うもの同士が、金属板2から最も離れた位置Paでは互いに間隔Dcをおいているが、金属板2に近接する位置では互いに接触して一体化している。
The
The
また、図6(d)に示すように、フィン配置領域に予め凹部13を設けた金属板12を用いた場合、その凹部13内で、該凹部13に若干挿入されたフィン部分3と、金属板12との間に、金属接合層44aが介在するとともに、フィン部分3の先端部の周囲で、金属接合層44aが金属板12側に向けて末広がりになる形状となることがある。
Further, as shown in FIG. 6( d ), when the
(半導体モジュール)
上述したヒートシンク1は、たとえば、半導体チップを取り付けた絶縁基板の裏側に配置されて、半導体モジュールの一部をなすものとすることができ、この場合、水冷等により半導体チップを冷却するために用いられる。
(Semiconductor module)
The
1 ヒートシンク
2、12 金属板
3、3a フィン部分
4 金属粉ペースト
4a、14a、24a、34a、44a 金属接合層
13 凹部
Tc 金属接合層の厚み
Pa 金属板から最も離れた位置
Dc 金属板から最も離れた位置での金属接合層間の間隔
DESCRIPTION OF
Claims (16)
銅又は銅合金からなる金属板、銅又は銅合金からなるフィン部分、ならびに、金属粉ペーストを用意し、前記金属板の表面及び/又は前記フィン部分の端面に、金属粉ペーストを塗布するペースト塗布工程と、前記金属板の表面上に、前記金属粉ペーストを介してフィン部分を配置するフィン配置工程と、前記金属板の表面とフィン部分との間に介在する金属粉ペーストを加熱して焼結させる加熱工程とを含む、ヒートシンクの製造方法。 A method of manufacturing a heat sink, comprising:
Prepare a metal plate made of copper or a copper alloy, a fin portion made of copper or a copper alloy, and a metal powder paste, and apply the metal powder paste to the surface of the metal plate and/or the end face of the fin portion. A fin placing step of arranging a fin portion on the surface of the metal plate via the metal powder paste, and heating and baking the metal powder paste interposed between the surface of the metal plate and the fin portion. A method of manufacturing a heat sink, including a heating step of binding.
加熱工程で、前記金属粉ペーストを400℃以上の温度に加熱する、請求項12〜15のいずれか一項に記載のヒートシンクの製造方法。 The metal powder paste contains a copper-containing powder made of copper or a copper alloy, and the average particle diameter D50 of the copper-containing powder is less than 1.0 μm,
The method for manufacturing a heat sink according to claim 12, wherein the metal powder paste is heated to a temperature of 400° C. or higher in the heating step.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018230369A JP2020092239A (en) | 2018-12-07 | 2018-12-07 | Heat sink, semiconductor module, and manufacturing method of heat sink |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018230369A JP2020092239A (en) | 2018-12-07 | 2018-12-07 | Heat sink, semiconductor module, and manufacturing method of heat sink |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2020092239A true JP2020092239A (en) | 2020-06-11 |
Family
ID=71013864
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2018230369A Pending JP2020092239A (en) | 2018-12-07 | 2018-12-07 | Heat sink, semiconductor module, and manufacturing method of heat sink |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2020092239A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2023074714A (en) * | 2021-11-18 | 2023-05-30 | Dowaメタルテック株式会社 | Metal-ceramic bonded substrate and manufacturing method thereof |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04199737A (en) * | 1990-11-29 | 1992-07-20 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
| JPH0750369A (en) * | 1993-08-04 | 1995-02-21 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Ceramic heat radiator for semiconductor and method of manufacturing the same |
| JPH0883871A (en) * | 1994-09-14 | 1996-03-26 | Sumitomo Metal Ind Ltd | Channel type heat radiation fin and manufacturing method thereof |
| JP2001298136A (en) * | 2000-04-17 | 2001-10-26 | Sumitomo Metal Electronics Devices Inc | Heat sink and wiring board with the heat sink |
| CN1567579A (en) * | 2003-06-16 | 2005-01-19 | 台达电子工业股份有限公司 | Heat sink fins and fin components |
| JP2007115937A (en) * | 2005-10-21 | 2007-05-10 | Mitsubishi Materials Corp | Cooler and method for manufacturing cooler |
| US20070277959A1 (en) * | 2006-06-02 | 2007-12-06 | Si Jing Harng Co., Ltd. | Heat dissipating device |
| JP2010082636A (en) * | 2008-09-30 | 2010-04-15 | Allied Material Corp | Welding method of pillar-like member, method of manufacturing heat radiation member, and heat radiation member |
| JP2010283105A (en) * | 2009-06-04 | 2010-12-16 | Hitachi Metals Ltd | Wiring board cooling mechanism, manufacturing method thereof, bonded structure, and manufacturing method thereof |
| JP2013131756A (en) * | 2012-12-19 | 2013-07-04 | Seiko Epson Corp | Heat sink with bonding film, bonding method of bonded body and heat sink, and display device |
| WO2017140572A1 (en) * | 2016-02-19 | 2017-08-24 | Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG | Heat spreading plate having at least one cooling fin, method for producing a heat spreading plate having at least one cooling fin, electronic module |
-
2018
- 2018-12-07 JP JP2018230369A patent/JP2020092239A/en active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04199737A (en) * | 1990-11-29 | 1992-07-20 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
| JPH0750369A (en) * | 1993-08-04 | 1995-02-21 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Ceramic heat radiator for semiconductor and method of manufacturing the same |
| JPH0883871A (en) * | 1994-09-14 | 1996-03-26 | Sumitomo Metal Ind Ltd | Channel type heat radiation fin and manufacturing method thereof |
| JP2001298136A (en) * | 2000-04-17 | 2001-10-26 | Sumitomo Metal Electronics Devices Inc | Heat sink and wiring board with the heat sink |
| CN1567579A (en) * | 2003-06-16 | 2005-01-19 | 台达电子工业股份有限公司 | Heat sink fins and fin components |
| JP2007115937A (en) * | 2005-10-21 | 2007-05-10 | Mitsubishi Materials Corp | Cooler and method for manufacturing cooler |
| US20070277959A1 (en) * | 2006-06-02 | 2007-12-06 | Si Jing Harng Co., Ltd. | Heat dissipating device |
| JP2010082636A (en) * | 2008-09-30 | 2010-04-15 | Allied Material Corp | Welding method of pillar-like member, method of manufacturing heat radiation member, and heat radiation member |
| JP2010283105A (en) * | 2009-06-04 | 2010-12-16 | Hitachi Metals Ltd | Wiring board cooling mechanism, manufacturing method thereof, bonded structure, and manufacturing method thereof |
| JP2013131756A (en) * | 2012-12-19 | 2013-07-04 | Seiko Epson Corp | Heat sink with bonding film, bonding method of bonded body and heat sink, and display device |
| WO2017140572A1 (en) * | 2016-02-19 | 2017-08-24 | Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG | Heat spreading plate having at least one cooling fin, method for producing a heat spreading plate having at least one cooling fin, electronic module |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2023074714A (en) * | 2021-11-18 | 2023-05-30 | Dowaメタルテック株式会社 | Metal-ceramic bonded substrate and manufacturing method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102422064B1 (en) | Bonded body, substrate for power module with heat sink, heat sink, method for producing bonded body, method for producing substrate for power module with heat sink, and method for producing heat sink | |
| JP5614485B2 (en) | Power module substrate with heat sink, power module with heat sink, and method for manufacturing power module substrate with heat sink | |
| JP6127833B2 (en) | Manufacturing method of joined body and manufacturing method of power module substrate | |
| KR102422607B1 (en) | Bonded body, substrate for power module with heat sink, heat sink, method for producing bonded body, method for producing substrate for power module with heat sink, and method for producing heat sink | |
| JP6462899B2 (en) | Heat dissipation plate material for high output elements | |
| KR102272865B1 (en) | Joined body, substrate for power module provided with heat sink, heat sink, method for manufacturing joined body, method for manufacturing substrate for power module provided with heat sink, and method for manufacturing heat sink | |
| CN102498564B (en) | Manufacturing method of substrate for power module with heat sink, substrate for power module with heat sink, and power module | |
| JP5991102B2 (en) | Power module substrate with heat sink, power module with heat sink, and method for manufacturing power module substrate with heat sink | |
| CN109690760B (en) | Heat sink and method for manufacturing the same | |
| JP5736807B2 (en) | Power module substrate with heat sink, manufacturing method of power module substrate with heat sink, and power module | |
| US9984951B2 (en) | Sintered multilayer heat sinks for microelectronic packages and methods for the production thereof | |
| EP3358615B1 (en) | Silicon nitride circuit board and semiconductor module using same | |
| WO2011049067A1 (en) | Substrate for power module, substrate with heat sink for power module, power module, method for producing substrate for power module, and method for producing substrate with heat sink for power module | |
| JP5991103B2 (en) | Power module substrate with heat sink, power module with heat sink, and method for manufacturing power module substrate with heat sink | |
| CN106796925B (en) | Aluminum-silicon carbide composite and its manufacturing method | |
| JP5741793B2 (en) | Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, method for manufacturing power module substrate, and method for manufacturing power module substrate with heat sink | |
| JP5853724B2 (en) | Manufacturing method of power module substrate with heat sink | |
| JP2020092239A (en) | Heat sink, semiconductor module, and manufacturing method of heat sink | |
| TW201637153A (en) | Heat sink substrate | |
| JP2022165046A (en) | Copper/ceramic assembly and insulation circuit board | |
| WO2016167217A1 (en) | Bonded body, substrate for power module with heat sink, heat sink, method for producing bonded body, method for producing substrate for power module with heat sink, and method for producing heat sink | |
| WO2025134898A1 (en) | Ceramic circuit board and manufacturing method therefor | |
| CN102646604B (en) | Carry the power module substrate of radiator and manufacture method thereof and power model | |
| JP2022165045A (en) | Copper/ceramic assembly and insulation circuit board | |
| JP2025133206A (en) | Method for manufacturing heat dissipation structure |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20191101 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20201007 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20201110 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20210106 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210305 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20210601 |
|
| C60 | Trial request (containing other claim documents, opposition documents) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C60 Effective date: 20210810 |
|
| C22 | Notice of designation (change) of administrative judge |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C22 Effective date: 20220222 |
|
| C22 | Notice of designation (change) of administrative judge |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C22 Effective date: 20220405 |
|
| C13 | Notice of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C13 Effective date: 20220517 |
|
| C22 | Notice of designation (change) of administrative judge |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C22 Effective date: 20220705 |
|
| C23 | Notice of termination of proceedings |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C23 Effective date: 20220816 |
|
| C03 | Trial/appeal decision taken |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C03 Effective date: 20220913 |
|
| C30A | Notification sent |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C3012 Effective date: 20220913 |