JP5131205B2

JP5131205B2 - パワーモジュール用基板の製造方法

Info

Publication number: JP5131205B2
Application number: JP2009004495A
Authority: JP
Inventors: 雅博柳田; 敏之長瀬; 慎介青木
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2009-01-13
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2029-01-13
Also published as: JP2010165720A

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、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、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。

特開２００４−３５６５０２号公報特開２００７−５３３４９号公報

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。

また、それぞれの一つの角部を一致させることにより位置決めされてセラミックス基板と金属板とが接合され、さらにエッチング処理においても同様に位置決めされて回路層が形成される場合がある。セラミックス基板および金属板をこのような配置で接合する場合、これらセラミックス基板および金属板は、同様に角部を一致させることにより位置決めされた加圧板間で積層方向に加圧されながら加熱される。このとき、加圧板も同様に角部において位置決めされていることから、この角部を構成する辺縁部では加圧板、セラミックス基板および金属板の側面が面一となるため、加熱によって溶融したろう材の余剰分は、積層されたセラミックス基板および金属板から押し出されてその側面や加圧板の側面および表面にも付着し、積層体の面方向および厚さ方向に突出するこぶ状に固まって、いわゆるろうこぶを形成するおそれがある。このため、エッチング処理時の積層体の位置決めが妨げられ、精密な回路層の形成が困難になるという問題が生じる。また、このようなろうこぶを除去する作業が必要となるために生産性が低下し、さらに除去時にセラミックス基板に負荷がかかるため、セラミックス基板が破損するおそれもある。

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、ろうこぶの除去作業を削減して精密な加工を可能にす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、略矩形のセラミックス基板の表面に略矩形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、前記加圧板、前記セラミックス基板および前記金属板の位置決めを、前記加圧板の一つの角部、前記金属板の一つの角部および前記セラミックス基板の一つの角部を一致させることにより行い、前記セラミックス基板の前記角部を構成する辺縁部近傍に、前記金属板との間にろう溜まり空間を形成するろう溜まり形成部が設けられている。

この方法によれば、位置決めを行う角部を構成する辺縁部近傍にろう溜まり空間が設けられることにより、余剰のろう材がこのろう溜まり空間に保持されるので、角部の側面に余剰のろう材が付着することを抑制できる。また、ろう溜まり空間は、セラミックス基板および金属板の辺縁部近傍に設けられているので、セラミックス基板および金属板を切除することにより、容易に除去できる。

この製造方法において、前記ろう溜まり形成部は、前記セラミックス基板を貫通する貫通孔であってもよい。この場合、セラミックス基板を介在させた金属板間にろう溜まり空間が形成されるので、セラミックス基板の両面にそれぞれ金属板が積層される場合に好適である。このろう溜まり空間には、セラミックス基板の両面から生じた余剰のろう材を集めることができる。

また、前記ろう溜まり形成部は、前記セラミックス基板の表面に設けられた凹部であってもよい。この場合、ろう溜まり空間はセラミックス基板と金属板との間に形成されるので、セラミックス基板の片面のみに金属板が積層される場合にも、余剰のろう材をろう溜まり空間に集めることができる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、ろう溜まり空間に余剰のろう材を集中させることにより、セラミックス基板および金属板の側面へのろう材の付着を抑制できるので、ろうこぶの除去作業を削減できるとともに、精密な加工による基板の製造が可能となる。

本発明に係る製造方法を用いて製作されるパワーモジュールの全体構成例を示す縦断面図である。パワーモジュール用基板となる積層体の断面図である。図２に示す積層体の平面図である。パワーモジュール用基板となる積層体の他の例を示す断面図である。図４に示す積層体の平面図である。

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４２が形成されたパワーモジュール用基板１２と、このパワーモジュール用基板１２の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品１４と、パワーモジュール用基板１２の裏面に接合される冷却器１６とから構成される。

電子部品１４は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材１４ａによってパワーモジュール用基板１２の回路パターン４２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４２の表面には、ニッケルめっき等のめっき被膜１５が形成される。

冷却器１６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１６ａが形成されている。この冷却器１６とパワーモジュール用基板１２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１２は、セラミックス基板２０の両面にろう材３０によって金属板４０，７０が接合されてなる積層体５０を加工することにより形成される。すなわち、積層体５０に所定の回路パターン４２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１２が形成される。

セラミックス基板２０は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ_２Ｏ_３（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２０の表面に接合される金属板４０は、エッチング処理によって回路パターン４２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２０の裏面に接合される金属板７０は、冷却器１６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３０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４２は、回路層用の金属板４０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７０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４２表面にはめっき被膜１５が形成される。

さらに、回路パターン４２が形成されたパワーモジュール用基板１２に対して、冷却器１６の接合、電子部品１４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２０の表裏面に金属板４０，７０を加圧板６０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４０，７０をセラミックス基板２０の両面にろう材３０を介在させて積層してなる積層体５０を、セラミックス基板２０および金属板４０，７０の全面を覆う２枚の加圧板６０間で加熱しながら厚さ方向に加圧する。

セラミックス基板２０および金属板４０，７０は矩形状板であり、図３に示すように、それぞれの一つの角部２１，４１，７１を一致させることにより位置決めされた状態で積層される。加圧板６０は、セラミックス基板２０および金属板４０，７０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２０および金属板４０，７０の全面を覆うように配置され、一つの角部６１を各角部２１，４１，７１に一致させることによりセラミックス基板２０および金属板４０，７０と同様に位置決めされる。

セラミックス基板２０は金属板４０，７０よりも大きい略矩形状板であって、位置決めに用いた角部２１を構成する辺縁部２０ａ，２０ｂに沿って複数の貫通孔（ろう溜まり形成部）２２が設けられている。貫通孔２２は、積層体５０において２枚の金属板４０，７０の間に挟まれることにより、各金属板４０，７０との間にろう溜まり空間Ａを形成している。

このようにセラミックス基板２０および金属板４０を積層した積層体５０を加圧板６０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３０を溶融させることによって、両金属板４０，７０をセラミックス基板２０にろう付けする。

この接合工程において、ろう材３０は接合に十分な量であるので、セラミックス基板２０と各金属板４０，７０とは確実に接合されるが、圧縮されたセラミックス基板２０と各金属板４０，７０との間から余剰ろう材３０ａが押し出される。この余剰ろう材３０ａは、積層体５０の端面に向かって移動し、辺縁部２０ａ，２０ｂ近傍においてはろう溜まり空間Ａに流れ込んでここに保持される。したがって、この辺縁部２０ａ，２０ｂの近傍には、ろうこぶがほとんど形成されず、他の部分における余剰ろう材３０ａの漏出も減少する。

このように、余剰ろう材３０ａがろう溜まり空間Ａに保持されることにより、積層体５０の端面ではろうこぶの形成が抑制されるので、回路パターン４２を形成するエッチングや印刷等の際に、積層体５０の角部を用いて位置決めすることができる。そして、積層体５０を個片に分割する際にろう溜まり空間Ａを含む部分を切り落とすことにより、余剰ろう材３０ａを容易に除去することができる。

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空間に集めることができるので、余剰ろう材の漏出によるろうこぶの形成を低減し、余剰ろう材の除去作業を容易にできるとともに、後加工における位置決めを容易にでき、精密な加工による基板の製造が可能となる。

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、セラミックス基板２０の両面に金属板４０，７０を接合する前記実施形態ではろう溜まり形成部として貫通孔２２を設けて、貫通孔２２と金属板４０，７０との間にろう溜まり空間を形成したが、ろう溜まり形成部は貫通孔に限らず、図４および図５に示すようにセラミックス基板２０の表面に設けられた凹部２３であってもよい。この場合、セラミックス基板２０の片面に接合される金属板４０と凹部２３との間に、ろう溜まり空間Ａを形成することができる。なお、ろう溜まり形成部としての凹部は、図５に示すような直線状の溝に限らず、曲線状の溝や複数の円形凹部等、余剰ろう材を保持するのに適した種々の形状に形成することができる。

１０パワーモジュール
１２パワーモジュール用基板
１４電子部品
１４ａはんだ材
１５めっき被膜
１６冷却器
１６ａ流路
２０セラミックス基板
２０ａ，２０ｂ辺縁部
２１角部
２２貫通孔（ろう溜まり形成部）
２３凹部（ろう溜まり形成部）
３０ろう材
３０ａ余剰ろう材
４０，７０金属板
４１，７１角部
４２回路パターン
５０積層体
６０加圧板
Ａろう溜まり空間

Claims

略矩形のセラミックス基板の表面に略矩形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、前記加圧板、前記セラミックス基板および前記金属板の位置決めを、前記加圧板の一つの角部、前記金属板の一つの角部および前記セラミックス基板の一つの角部を一致させることにより行い、
前記セラミックス基板の前記角部を構成する辺縁部近傍に、前記金属板との間にろう溜まり空間を形成するろう溜まり形成部が設けられてい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。
前記ろう溜まり形成部は、前記セラミックス基板を貫通する貫通孔であることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
前記ろう溜まり形成部は、前記セラミックス基板の表面に設けられた凹部であることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。