JP7243201B2 - ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法及びヒートシンク付き絶縁回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板等の絶縁回路基板に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の製造方法及びヒートシンク付き絶縁回路基板に関する。

パワーモジュール用基板として、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アルミニウムやアルミニウム合金からなる回路層が形成され、他方の面に金属層が形成された絶縁回路基板に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。このようなヒートシンク付き絶縁回路基板は、通常、回路層とは反対側の体積が回路層の体積に比べて大きく、かつ、ヒートシンクが回路層を構成するアルミニウムよりも硬いアルミニウム合金や銅により構成されている。このため、このようなヒートシンク付き絶縁回路基板は、回路層側に凸状に反る。

このようなヒートシンク付き絶縁回路基板の反りを改善する方法として、例えば、特許文献１に記載のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法が知られている。この製造方法では、ヒートシンクを金属層に対し降伏応力の高い材料により形成し、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合時において、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との積層体を、その積層方向のヒートシンクとは反対側から見て凹状の反りを生じさせた状態とし、加熱した状態で所定時間保持した後に冷却することにより、反りを低減したヒートシンク付きパワーモジュール用基板を得ることとしている。

特開２０１５－７６５５１号公報

上述した特許文献１に記載のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法により製造されるヒートシンク付きパワーモジュール用基板は、反りが小さいため、これを用いたパワーモジュールのモジュール性能に与える影響はわずかであった。しかしながら、電子部品としてＬＥＤ素子を用い、ヒートシンク付き絶縁回路基板が配光制御機能を持つＬＥＤ放熱モジュールとして用いられる場合、回路層における実装面へのＬＥＤ素子の実装位置やその角度は、極めて精密に制御する必要があるため、パワーモジュールとして用いる場合には問題とならなかったわずかな凸状の反りも各光源の光軸をずらす要因となり、ＬＥＤ放熱モジュールとしての使用が難しい場合があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、電子部品等の実装面となる回路層の平坦度を向上できるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法及びヒートシンク付き絶縁回路基板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の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層が接合された絶縁回路基板の前記回路層とは反対側の面にヒートシンクを接合させ、さらに接合した前記絶縁回路基板及び前記ヒートシンクの全体を前記回路層側に凸状に反らせる接合工程と、前記接合工程後に前記回路層の凸状表面における外周部の内側に位置する中心部を研磨して平坦な実装面を形成する研磨工程と、を備える。

ここで、ヒートシンク付き絶縁回路基板が回路層側に凸状に反っている場合、この回路層にＬＥＤ素子等を実装してＬＥＤ放熱モジュールとして用いた場合、ＬＥＤ素子（ＬＥＤ光源）から放射される光の光軸がずれ、配光制御機能が低下する。これに対し、本発明では、ヒートシンク付き絶縁回路基板は、接合工程により絶縁回路基板にヒートシンクを接合した後、回路層の凸状表面を研磨することで平坦な実装面を形成するので、ＬＥＤ素子等が実装される実装面の平坦度を向上できる。しかも、回路層の凸状表面を研磨する簡単な方法で、実装面の平坦度を向上できる。

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た絶縁回路基板の前記回路層とは反対側の面にヒートシンクが配置されたヒートシンク付き絶縁回路基板であって、前記ヒートシンク付き絶縁回路基板の全体が前記回路層側に凸状に沿った形状であり、さらに前記回路層の凸状表面における外周部の内側に位置する中心部に平坦な実装面が形成されている。

本発明では、ヒートシンクが凸曲面状に構成される、すなわち、ヒートシンク付き絶縁回路基板全体が回路層側に凸状に反っている。このようにヒートシンク付き絶縁回路基板全体が凸状に反っていても、回路層の凸状表面の少なくとも中心部に平坦な実装面が形成されているので、ＬＥＤ素子等の電子部品を適切に実装でき、好適に使用できる。

本発明によれば、電子部品等の実装面となる回路層の平坦度を向上できる。

本発明の一実施形態に係るヒートシンク付き絶縁回路基板にＬＥＤ素子が取り付けられたＬＥＤモジュールを示す断面図である。 上記実施形態のＬＥＤモジュールの製造工程を示す図である。 上記実施形態の一変形例に係るＬＥＤモジュールを示す断面図である。 上記実施形態の他の変形例に係るＬＥＤモジュールを示す断面図である。

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。図１は、本実施形態におけるＬＥＤモジュール４０の断面図であり、図２は、ＬＥＤモジュール４０の製造工程を示す図である。

［ＬＥＤモジュールの概略構成］
本実施形態に係るＬＥＤモジュール４０は、図１に示すように、ヒートシンク付き絶縁回路基板１にＬＥＤ素子３０を装着することにより構成される。このようなＬＥＤモジュール４０は、筐体（図示省略）に取り付けられることにより構成され、例えば、自動車のヘッドランプ等に用いられる。

［ヒートシンク付き絶縁回路基板の構成］
このヒートシンク付き絶縁回路基板１は、絶縁回路基板１０にヒートシンク２０が接合されたものである。具体的には、絶縁回路基板１０は、いわゆるパワーモジュール用基板であり、絶縁回路基板１０の上面には、図１に示すように、１つのＬＥＤ素子３０が搭載され、ＬＥＤモジュール４０となる。なお、本実施形態では、ＬＥＤ素子３０が設けられているが、これに限らず、例えば、半導体を備えた電子部品であり、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子が選択される。

この場合、ＬＥＤ素子３０は、図示を省略するが、上部に上部電極部が設けられ、下部に下部電極部が設けられており、下部電極部が回路層１２の凸状表面１２１にはんだ等により接合されることで、ＬＥＤ素子３０が回路層１２の凸状表面１２１に搭載される。例えば、本実施形態では、回路層１２の凸状表面１２１における外周部Ａｒ１の内側に位置する実装面Ａｒ２に４つ搭載されている。また、ＬＥＤ素子３０の上部電極部は、はんだ等で接合されたリードフレーム等を介して回路層１２の回路電極部等に接続され、ＬＥＤモジュール４０が製造される。

［絶縁回路基板の構成］
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（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）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に接合されている。この回路層１２は、純度９９質量％以上の純アルミニウム（例えば、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）や、Ａ６０６３系等のアルミニウム合金等を用いることができ、その厚さは０．０５ｍｍ～０．２ｍｍに設定されている。また、無酸素銅などの純銅、又は、銅合金を用いることも可能である。
この回路層１２の凸状表面１２１の中心部に位置する実装面１２２は、平面視で矩形状に形成され、平坦面により構成されている。例えば、実装面１２２は、１３ｍｍ角の矩形状に形成され、その反り量が１０μｍ以下に設定されている。なお、実装面１２２のサイズは、１３ｍｍ角の矩形状としたが、これに限らず、例えば５０ｍｍ角の矩形状等であってもよい。この場合も、反り量は１０μｍ以下に設定される。すなわち、実装面１２２のサイズにかかわらず、反り量は、１０μｍ以下に設定されることが好ましい。

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、その厚さは０．６ｍｍ～１．６ｍｍに設定されている。また、無酸素銅などの純銅、又は、銅合金を用いることも可能である。

そして、これら回路層１２及び金属層１３は、回路層１２、セラミックス基板１１、及び金属層１３の順に、例えば、Ａｌ－Ｓｉ系やＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系のろう材を介して積層され、これらを積層方向に加圧して加熱することにより接合されて絶縁回路基板１０となる。

［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を鍛造により成形することにより形成される。このヒートシンク２０の上面に絶縁回路基板１０の金属層１３が、Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系のろう材を介して積層され、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が接合されて、ヒートシンク付き絶縁回路基板１となる。
なお、本実施形態では、ヒートシンク付き絶縁回路基板１全体が回路層１２側に凸状に反っている。すなわち、ヒートシンク２０の絶縁回路基板１０とは反対側の面は、凸曲面状に形成されている。

次に、本実施形態のヒートシンク付き絶縁回路基板１（ＬＥＤモジュール４０）の製造方法について説明する。
このようなヒートシンク付き絶縁回路基板１は、絶縁回路基板１０のセラミックス基板１１の回路層１２とは反対側の面にヒートシンク２０を接合する接合工程と、接合工程後に回路層１２の凸状表面１２１を研磨してその中心部に平坦な実装面１２２を形成する研磨工程と、を備えている。

［接合工程］
接合工程では、図２（ａ）に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２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の金属層１３にヒートシンク２０を接合する。具体的には、ヒートシンク２０の上面にＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系のろう材を塗布し、その上に絶縁回路基板１０の金属層１３が位置するように積層し、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が接合されて、ヒートシンク付き絶縁回路基板１となる。
なお、接合工程では、絶縁回路基板１０及びヒートシンク２０を加圧して加熱する際には、反っておらず平坦状であるが、接合後、これらの温度が低下し常温となった際には、図２（ｂ）に示すように、ヒートシンク付き絶縁回路基板１全体が回路層１２側に凸状に沿った形状となる。

［研磨工程］
接合工程後、ヒートシンク付き絶縁回路基板１が常温となった後、図２（ｃ）に示すように、回路層１２の凸状表面の少なくとも中心部を研磨して平坦な実装面を形成する研磨工程を実行する。この研磨工程では、回路層１２の中心部を研磨紙や研磨布により研磨する。例えば、２００番～４０００番のエメリー紙により、加圧力０Ｎ以上５Ｎ以下で湿式研磨する。これにより、実装面１２２の反り量を１０μｍ以下とする。この際、エメリー紙が２００番未満であるとエメリー紙が粗すぎて実装面１２２を均一に平坦とすることが難しく、４０００番を超えるとエメリー紙が細かすぎて実装面１２２を平坦とするのに時間がかかる。また、エメリー紙を押圧する加圧力が５Ｎを超えると、その加圧力が大き過ぎるので、実装面１２２を均一に平坦とすることが難しい。また、本実施形態では、湿式研磨により回路層１２を研磨するので、回路層１２を冷却しながら研磨及び加工でき、エメリー紙と回路層１２との双方の焼けを防止できる。

なお、本実施形態では、エメリー紙を用いることとしたが、サンド紙等を用いてもよい。また、本実施形態では、湿式研磨としたが、乾式研磨であってもよい。すなわち、上記実装面１２２の反り量を１０μｍ以下とすることができれば、その方法は問わない。

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の実装面１２２に対して、ＬＥＤ素子３０を実装することにより、図１に示すＬＥＤモジュール４０となる。

本実施形態では、ヒートシンク付き絶縁回路基板１は、接合工程により絶縁回路基板１０にヒートシンク２０を接合した後、回路層１２の凸状表面１２１の中心部を研磨することで、平坦な実装面１２２を形成するので、回路層１２におけるＬＥＤ素子３０が実装される実装面１２２の平坦度を向上できる。しかも、回路層１２の凸状表面１２１を研磨する簡単な方法で、実装面１２２の平坦度を向上できる。また、ヒートシンク付き絶縁回路基板１全体が凸状に反っていても、回路層１２の凸状表面１２１の少なくとも中心部に平坦な実装面１２２が形成されているので、ＬＥＤ素子３０を適切に実装でき、好適に使用できる。

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、回路層１２の実装面１２２には、ＬＥＤ素子３０を搭載することとしたが、これに限らず、その他の電子部品を搭載してもよい。すなわち、本発明は、ＬＥＤモジュールに限らず、パワーモジュール等にも適用できる。

上記実施形態では、絶縁回路基板１０は、セラミックス基板１１と回路層１２と金属層１３とにより構成されることとしたが、これに限らない。例えば、回路層１２Ａは、図３に示すように、セラミックス基板１１に接合するアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第一回路層１４と、第一回路層１４上に接合される銅又は銅合金からなる第二回路層１５と、からなることとしてもよい。

上記実施形態では、絶縁回路基板１０は、金属層１３を備えることとしたが、これに限らない。例えば、図４に示すように、絶縁回路基板１０は、金属層１３を備えなくてもよい。この場合、セラミックス基板１１の回路層１２とは反対側の面に、ヒートシンク２０が直接接合されればよい。また、ヒートシンク２０は、絶縁回路基板１０とは反対側の面から突出する複数のピン状フィンを有していてもよい。

絶縁回路基板として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により形成された平面視で２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板の一方の面にＡ６０６３系のアルミニウム合金からなる回路層、他方の面に４Ｎアルミからなる金属層を接合したものを用い、これに、外径が５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍのヒートシンクを接合したヒートシンク付き絶縁回路基板を製造した。なお、これらの接合については、回路層、セラミックス基板、金属層をＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材を介して積層し、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を製造し、これにヒートシンクをＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系のろう材を介して積層し、これらを積層方向に加圧して加熱することにより接合し、ヒートシンク付き絶縁回路基板を製造した。実施例１では、回路層の中心部に対して、１０００番のエメリー紙を用いて、０．５Ｎの加圧力で３０秒間、湿式研磨して１３ｍｍ×１３ｍｍの平坦な実装面を形成し、その実装面の中央に４つのＬＥＤ光源を縦２つ、横２つ（２×２）となるよう搭載し、ＬＥＤモジュールとした。

一方、比較例１では、上記方法により製造されたヒートシンク付き絶縁回路の回路層に対して何の処置も施さず、回路層の中央に４つの単ＬＥＤ光源を縦２つ、横２つ（２×２）となるよう搭載してＬＥＤモジュールとした。
このようにして製造された実施例１及び比較例１のＬＥＤモジュールについて、全光量に対する直進した光量の比率（光量比）を評価した。

（回路層（実装面）の反り量）
実装面の反り量は、回路層の上面における外周部の内側に位置する実装面（１３ｍｍ×１３ｍｍ）を測定面とし、ＡｋｒｏＭｅｔｒｉｘ社製Ｔｈｅｒｍｏｉｒｅ ＰＳ２００を用い、測定面のプロファイルから最小二乗面を求め、その最小二乗面を基準として、最高点と最低点の差分を反り量として測定した。

（光量比）
光量比は、全光量に対する直進した光量の比率であり、照度計（アズワン社製ＬＭ３３１）を用いて、測定した。具体的には、ＬＥＤ光源の先端から照度計の検出部までの距離を１０００ｍｍとし、ＬＥＤ光源の直径を１０ｍｍ、検出部の直径も１０ｍｍとした。この条件下において、ＬＥＤ光源の全光量に対するＬＥＤ光源から直進した光（検出部により検出された光）の光量の比率を算出した。結果を表１に示す。

表１から明らかなように、回路層の中心部を研磨して平坦な実装面を形成した実施例１は、実装面の反り量が５μｍと小さいため、光量比が３３．２％と高かった。また、実施例２も、実施例１に比べて反り量が大きいものの、１０μｍと小さいため、光量比が２０．６％と高かった。一方、回路層を研磨しなかった比較例１では、回路層の中心部の反り量が３０μｍと大きいため、光量比が１２．１％と低かった。このため、回路層の中心部を研磨して平坦な実装面を形成することにより、実装面の反り量を小さくでき、ＬＥＤモジュールとして適切に使用できることがわかった。

１ 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 １２Ａ 回路層
１２１ 凸状表面
１２２ 実装面
１３ 金属層
１４ 第一回路層
１５ 第二回路層
２０ ヒートシンク
３０ ＬＥＤ素子
４０ ＬＥＤモジュール

Claims (2)

1. セラミックス基板の一方の面に回路層が接合された絶縁回路基板の前記回路層とは反対側の面にヒートシンクを接合させ、さらに接合した前記絶縁回路基板及び前記ヒートシンクの全体を前記回路層側に凸状に反らせる接合工程と、
   前記接合工程後に前記回路層の凸状表面における外周部の内側に位置する中心部を研磨して平坦な実装面を形成する研磨工程と、を備えることを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
2. セラミックス基板の一方の面に回路層が形成された絶縁回路基板の前記回路層とは反対側の面にヒートシンクが配置されたヒートシンク付き絶縁回路基板であって、
   前記ヒートシンク付き絶縁回路基板の全体が前記回路層側に凸状に沿った形状であり、
   さらに前記回路層の凸状表面における外周部の内側に位置する中心部に平坦な実装面が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。
   

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