JP5131204B2 - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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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の製造方法に関する。
一般に、半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、このパワーモジュール用基板としては、例えば特許文献１に示されるように、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等からなるセラミックス基板上にアルミニウム板等の金属板をＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を介して接合させたものが用いられている。この金属板は、後工程のエッチング処理によって所望パターンの回路が形成されて回路層となる。そして、エッチング後は、この回路層の表面にはんだ材を介して電子部品（半導体チップ等のパワー素子）が搭載され、パワーモジュールとなる。
また、この金属板は、例えば特許文献２に示されるように、箔状のろう材をセラミックス基板と金属板との間に介在させて高温状態で積層方向に加圧することにより、溶融したろう材によってセラミックス基板に接合される。
上述のようにセラミックス基板と金属板とを接合した場合、ろう材の量が不足すると、金属板とセラミックス基板との間でろう材が不足する箇所が生じたり、セラミックス基板の反りによって接合部分が剥離したりして、後工程で形成した回路層がはがれる等の問題が生じるおそれがある。また、金属板全面にろう材が付着せず、セラミックス基板に対して金属板を確実に接合できないおそれがある。さらに、接合が十分でない場合、温度変化を繰り返す温度サイクル条件下において剥離が生じてしまう場合もある。
一方、十分な量のろう材を用いると、特許文献２に示されるように、溶融したろう材の余剰分がセラミックス基板および金属板の側面を経由して金属板の表面に付着し、この表面を変質させ、その後に固着される電子部品のボンディングワイヤの接着性が損なわれるという問題がある。また、余剰のろう材を除去する際にセラミックス基板が破損するおそれがある。
一方、十分な量のろう材を用いると、特許文献２に示されるように、溶融したろう材の余剰分がセラミックス基板および金属板の側面を経由して金属板の表面に付着し、この表面を変質させ、その後に固着される電子部品のボンディングワイヤの接着性が損なわれるという問題がある。また、余剰のろう材を除去する際にセラミックス基板が破損するおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、金属板とセラミックス基板とを確実に接合でき、回路面へのろう材の付着を防止しながら、セラミックス基板を破損せずに余剰のろう材の除去が可能であるパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、セラミックス基板の表面に、このセラミックス基板よりも小面積の金属板を接合する接合工程を有するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記接合工程は、ろう材を介在させて前記セラミックス基板と前記金属板とを積層した積層体を、前記セラミックス基板よりも大面積であってこのセラミックス基板および前記金属板全面を覆う２枚の加圧板間で加熱しながら厚さ方向に加圧する工程であり、前記接合工程において、前記セラミックス基板の辺部に対して前記金属板の角部の先端部がほぼ一致するように、これらセラミックス基板および金属板が配置される。
この製造方法によれば、積層体を構成するセラミックス基板の辺部と金属板の角部の先端部とがほぼ一致している部分に、各加圧板の各表面に挟まれた空間が形成される。この空間には金属板の角部が配置されており、接合工程において加熱溶融されて、加圧されたセラミックス基板と金属板との間から押し出されたろう材が流れ込みやすいので、この空間を接合工程におけるろう溜まりとすることができる。なお、セラミックス基板の辺部は直線状、曲線状等とすることができる。
また、本発明は、セラミックス基板の表面に、このセラミックス基板よりも小面積の金属板を接合する接合工程を有するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属板は略矩形状を有し、前記セラミックス基板は、一つの角部が切除されてなる切欠部と、この切欠部に対向する対角部とを有する略矩形状を有し、前記接合工程は、ろう材を介在させて前記セラミックス基板と前記金属板とを積層した積層体を、前記セラミックス基板よりも大面積であってこのセラミックス基板および前記金属板全面を覆う２枚の加圧板間で加熱しながら厚さ方向に加圧する工程であり、この接合工程において、前記金属板の一つの角部と前記セラミックス基板の前記対角部とを重ね合わせることにより前記金属板と前記セラミックス基板とを位置決めしておき、前記セラミックス基板の前記切欠部の辺部に対して前記金属板の他の角部をほぼ一致させる。
すなわち、略矩形状の金属板とセラミックス基板とを接合する場合、接合工程において１つの角部でこれら金属板とセラミックス基板とを位置決めするとともに、その対角部において金属板の角部がセラミックス基板の切欠部の辺部にほぼ一致させる。溶融したろう材の余剰分は金属板の角部から漏出しやすく、またこの角部および切欠部近傍の加圧板間においてセラミックス基板および金属板の厚さの合計に等しい厚さを有するろう溜まりが形成されるので、余剰ろう材をこのろう溜まりに集中して流れ込ませることができる。また、接合工程において、セラミックス基板に対して切欠部に対向する角部で位置決めされた状態で金属板が加熱され熱膨張するので、加熱されていない状態では角部を切欠部から突出させず、加熱状態では角部を切欠部に対してほぼ一致あるいは突出させることができる。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属板とセラミックス基板とを接合する際に、溶融して金属板とセラミックス基板との間から流れ出た余剰分のろう材を、セラミックス基板の切欠部近傍に形成されたろう溜まりに集めることができる。このろう溜まりに余剰のろう材を集中させることができるので、他の部分からのろう材の流出を減少させることができ、余剰ろう材の除去作業を削減できる。
また、このろう溜まりは金属板全面に当接する加圧板間に形成されているので、金属板の表面に対するろう材の付着を抑制できる。さらに、ろう溜まりに集められた余剰ろう材は、加圧板によって挟まれているため、積層体の厚さからはみ出すことがない。つまり、ろう溜まりに余剰ろう材が固化してもその厚さが積層体の厚さよりも小さいため、平面上に載置された積層体が傾くことがなく、後工程における作業性や加工精度の低下を防止することができる。
したがって、十分な量のろう材を使用して金属板をセラミックス基板に対して確実に接合しつつ、作業性や加工精度の低下を招くろうこぶの発生を防止することにより、余剰ろう材の除去作業におけるセラミックス基板の破損を防止できるパワーモジュール用基板を得ることができる。
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。
図１に、本発明に係るパワーモジュール用基板が用いられるパワーモジュール１０を示す。パワーモジュール１０は、表面に回路パターンが形成されたパワーモジュール用基板２０と、このパワーモジュール用基板２０の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品３０と、パワーモジュール用基板２０の裏面に接合される冷却器３３とから構成される。
図１に、本発明に係るパワーモジュール用基板が用いられるパワーモジュール１０を示す。パワーモジュール１０は、表面に回路パターンが形成されたパワーモジュール用基板２０と、このパワーモジュール用基板２０の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品３０と、パワーモジュール用基板２０の裏面に接合される冷却器３３とから構成される。
電子部品３０は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材３１によってパワーモジュール用基板２０の回路パターン上に接合され、回路端子部に対してはアルミニウムからなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。なお、回路パターンの表面には、ニッケルめっき等のめっき被膜３２が形成される。
冷却器３３は、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、その長さ方向に沿って冷却水を流通させるための多数の流路３３ａが形成されている。この冷却器３３とパワーモジュール用基板２０との間は、ろう付け、はんだ付け、ボルト等によって接合される。
パワーモジュール用基板２０は、セラミックス基板４１の両面にろう材４２によって金属板４３，４４が接合されてなる積層体４０を加工することにより形成される。すなわち、積層体４０に所定の回路パターンを形成し、必要に応じて個片に分割する等の加工を行うことにより、パワーモジュール用基板２０が形成される。
セラミックス基板４１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを母材として形成されている。
セラミックス基板４１の表面に接合される金属板４３は、エッチング処理によって回路パターンとなる回路層用金属板であり、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金により形成されている。
セラミックス基板４１の裏面に接合される金属板４４は、冷却器３３が接合される放熱層用金属板であり、純度９９．０ｗｔ％以上の純アルミニウムにより形成されている。
ろう材４２は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等により形成されている。
セラミックス基板４１の表面に接合される金属板４３は、エッチング処理によって回路パターンとなる回路層用金属板であり、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金により形成されている。
セラミックス基板４１の裏面に接合される金属板４４は、冷却器３３が接合される放熱層用金属板であり、純度９９．０ｗｔ％以上の純アルミニウムにより形成されている。
ろう材４２は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等により形成されている。
パワーモジュール１０の回路パターンは、回路層用の金属板４３をエッチングすることにより形成される。また、放熱層用の金属板４４も、エッチングによって必要な大きさ、形状に形成される。回路を形成した後に、回路パターン表面にはめっき被膜３２が形成される。
さらに、回路パターンが形成されたパワーモジュール用基板２０に対して、冷却器３３の接合、電子部品３０のはんだ付け、ワイヤボンディング等を行うことにより、パワーモジュール１０が製造される。
さらに、回路パターンが形成されたパワーモジュール用基板２０に対して、冷却器３３の接合、電子部品３０のはんだ付け、ワイヤボンディング等を行うことにより、パワーモジュール１０が製造される。
ここで、セラミックス基板４１の表裏面に金属板４３，４４を加圧板４５間で接合する接合工程について説明する。接合工程においては、図２に示すように、金属板４３，４４をセラミックス基板４１の両面にろう材４２を介在させて積層してなる積層体４０を、セラミックス基板４１および金属板４３，４４の全面を覆う２枚の加圧板４５間で加熱しながら厚さ方向に加圧する。
金属板４３，４４は、厚さ２５０μｍ、縦１３８ｍｍ、横１０７ｍｍの矩形状板である。セラミックス基板４１は、金属板４３，４４よりも大きく、厚さ６３５μｍ、縦１４０ｍｍ、横１０８ｍｍの略矩形状板であって、一つの角部が縦３ｍｍ、横３ｍｍに切除されてなる切欠部４１ａと、この切欠部４１ａに対向する対角部４１ｂとを有する。加圧板４５は、セラミックス基板４１および金属板４３，４４よりも大きい平面を有する板部材であって、接合工程においてはセラミックス基板４１および金属板４３，４４の全面を覆うように配置される。また、図２の鎖線で示すように、加熱前の金属板４３，４４の角部４３ｂ，４４ｂは、セラミックス基板４１の切欠部４１ａの辺部から距離ｓ（最大で０．１ｍｍ）だけ内側に入ったセラミックス基板４１上に配置される。そして、金属板４３，４４が加熱されて熱膨張することにより、角部４３ｂ，４４ｂは、セラミックス基板４１の切欠部４１ａの辺部に対してほぼ一致またはわずかに突出する。
図３に、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う部分断面図を示す。これらの図に示すように、接合工程において、金属板４３，４４およびセラミックス基板４１は、セラミックス基板４１の辺部に対して金属板４３，４４の角部の先端部がほぼ一致するように配置されている。
より具体的には、金属板４３，４４の一つの角部４３ａ，４４ａとセラミックス基板４１の対角部４１ｂとを重ね合わせることにより、金属板４３，４４とセラミックス基板４１とを位置決めしておく。切欠部４１ａは、この状態において金属板４３，４４の角部４３ａ，４４ａに対向する角部４３ｂ，４４ｂの先端がセラミックス基板４１の切欠部４１ａの辺部にほぼ一致するように設けられている。これにより、各加圧板４５の各表面４５ａと、セラミックス基板４１の切欠部４１ａの端面４１ｃとに囲まれた空間（ろう溜まり４６）が形成される。
なお、角部４３ｂ，４４ｂが切欠部４１ａに近接していることにより、角部４３ｂ，４４ｂから漏出するろう材４２はろう溜まり４６に流れ込みやすくなる。したがって、ろう付け時の金属板４３，４４の各角部４３ｂ，４４ｂの先端は、切欠部４１ａの端面にほぼ一致していることが好ましいが、切欠部４１ａからわずかに突出してもよい。
このようにセラミックス基板４１および金属板４３，４４を積層した積層体４０を加圧板４５間に配置して、不活性ガス雰囲気、還元ガス雰囲気または真空雰囲気に保持された熱処理炉内において厚さ方向に加圧した状態で加熱し、ろう材４２を溶融させることによって、両金属板４３，４４をセラミックス基板４１にろう付けする。
この接合工程において、ろう材４２は接合に十分な量であるので、セラミックス基板４１と各金属板４３，４４とは確実に接合されるが、圧縮されたセラミックス基板４１と各金属板４３，４４との間から余剰ろう材４２ａが漏出する。このとき、余剰ろう材４２ａは、各金属板４３，４４の端面４３ｃ，４４ｃ全体に漏出可能であるが、各金属板４３，４４が矩形状であることから角部から漏出しやすい。したがって、余剰ろう材４２ａを主に角部４３ａ，４４ａからろう溜まり４６に集中して漏出させ、その他の部分での漏出を減少させることができる。
ろう溜まり４６に漏出したろう材４２（余剰ろう材４２ａ）は、図２に示すように切欠部４１ａの外側において加圧板４５間に保持される。このため、図３に示すように、ろう溜まり４６における余剰ろう材４２ａの厚さは各加圧板４５によって規制されるのでこぶ状にならず、積層体４０は余剰ろう材４２ａまで含めて平板状に形成される。平板状の積層体４０は平面上に安定して載置することができるので、この積層体４０に対しては余剰ろう材４２ａを除去せずに後工程（たとえば回路パターンを形成するエッチングや印刷等）を行うことができる。
漏出し固化したろう材４２が金属板４３，４４の外表面に付着してしまうと、このろう材４２を除去する際に金属板４３，４４に曲げ応力が生じ、セラミックス基板４１にクラック等の破損を生じさせるおそれがあるが、本実施形態の積層工程では金属板４３，４４が加圧板４５間に保持されているため、余剰ろう材４２ａは金属板４３，４４の外表面には付着しない。したがって、金属板４３，４４に対して強い負荷を与えず、セラミックス基板４１の破損を抑制しながら、余剰ろう材４２ａを容易に取り除くことができる。
以上説明したように、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、余剰ろう材をろう溜まりに集めることができるので、他の部分でのろう材の漏出を低減し、余剰ろう材の除去作業を容易にできるとともに、厚さの大きいろうこぶの生成を抑制し、余剰ろう材除去時のセラミックス基板の破損を防止できる。
なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、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。たとえば、前記実施形態ではセラミックス基板４１の両面に金属板４３，４４を接合したが、図４に示すようにセラミックス基板４１の片面に金属板４３を接合するのみの構成であってもよい。
また、セラミックス基板の切欠部は、その辺部に対して金属板の角部がほぼ一致するように構成できればよいので、たとえば曲線状、屈曲線状等に形成されていてもよく、前記実施形態のように直線状に限定されない。
また、セラミックス基板の切欠部は、その辺部に対して金属板の角部がほぼ一致するように構成できればよいので、たとえば曲線状、屈曲線状等に形成されていてもよく、前記実施形態のように直線状に限定されない。
１０ パワーモジュール
２０ パワーモジュール用基板
３０ 電子部品
３１ はんだ材
３２ めっき被膜
３３冷却器
３３ａ 流路
４０ 積層体
４１ セラミックス基板
４１ａ 切欠部
４１ｂ 対角部
４１ｃ 端面
４２ ろう材
４２ａ 余剰ろう材
４３，４４ 金属板
４３ａ，４４ａ 角部
４３ｂ，４４ｂ 角部
４３ｃ，４４ｃ 端面
４５ 加圧板
４５ａ 表面
４６ ろう溜まり
２０ パワーモジュール用基板
３０ 電子部品
３１ はんだ材
３２ めっき被膜
３３冷却器
３３ａ 流路
４０ 積層体
４１ セラミックス基板
４１ａ 切欠部
４１ｂ 対角部
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４２ ろう材
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４３，４４ 金属板
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４３ｂ，４４ｂ 角部
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４５ 加圧板
４５ａ 表面
４６ ろう溜まり
Claims (2)
- セラミックス基板の表面に、このセラミックス基板よりも小面積の金属板を接合する接合工程を有するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記接合工程は、ろう材を介在させて前記セラミックス基板と前記金属板とを積層した積層体を、前記セラミックス基板よりも大面積であってこのセラミックス基板および前記金属板全面を覆う２枚の加圧板間で加熱しながら厚さ方向に加圧する工程であり、
前記接合工程において、前記セラミックス基板の辺部に対して前記金属板の角部の先端部がほぼ一致するように、これらセラミックス基板および金属板が配置されることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 - セラミックス基板の表面に、このセラミックス基板よりも小面積の金属板を接合する接合工程を有するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記金属板は略矩形状を有し、
前記セラミックス基板は、一つの角部が切除されてなる切欠部と、この切欠部に対向する対角部とを有する略矩形状を有し、
前記接合工程は、ろう材を介在させて前記セラミックス基板と前記金属板とを積層した積層体を、前記セラミックス基板よりも大面積であってこのセラミックス基板および前記金属板全面を覆う２枚の加圧板間で加熱しながら厚さ方向に加圧する工程であり、
前記接合工程において、前記金属板の一つの角部と前記セラミックス基板の前記対角部とを重ね合わせることにより前記金属板と前記セラミックス基板とを位置決めしておき、前記セラミックス基板の前記切欠部の辺部に対して前記金属板の他の角部をほぼ一致させることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009004494A JP5131204B2 (ja) | 2009-01-13 | 2009-01-13 | パワーモジュール用基板の製造方法 |
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