JP5532601B2

JP5532601B2 - パワーモジュール用基板およびその製造方法

Info

Publication number: JP5532601B2
Application number: JP2008325564A
Authority: JP
Inventors: 慎介青木; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2028-12-22
Also published as: JP2010147398A

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。このような回路基板は、例えば特許文献２に示されるように、予め回路パターン状に打ち抜き加工された金属板を、ろう材を用いてセラミックス基板に接合することにより製造することができる。この回路基板は、回路パターン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）が搭載されて、パワーモジュールとなる。

金属板とセラミックス基板とは、例えば特許文献３に示されるように、ろう材を介在させて高温状態で積層方向に加圧することにより接合できる。
特開２００４−３５６５０２号公報特開２００８−１０８９５７号公報特開平１０−１５８０７３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、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、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、回路パターン上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。

したがって、回路パターン表面にろう材を付着させずにセラミックス基板と金属板とを確実に接合できるように、ろう材の量を適切に設定するとともに、積層したセラミックス基板および金属板を均一に加圧して接合する必要があるが、複雑な回路パターン状に形成された金属板を均一に加圧するのは困難である。さらに、セラミックス基板および金属板を加圧する加圧板の平面度、平行度、セラミックス基板および金属板の各厚さ等を精密に形成することは困難であり、これらのばらつきのため、回路面へのろう材の付着をなくしきれないという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、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できるパワーモジュール用基板およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、このセラミックス基板にＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材によってろう付けされ回路パターンをなすＡｌからなる金属層とを有し、前記金属層は、２枚の金属板と、この金属板の同質材からなり前記金属板間に接合された緩衝性多孔質層とを備え、前記緩衝性多孔質層の表面および端面近傍には、前記ろう材の余剰分が吸収保持されている。

また、本発明は、前記パワーモジュール用基板の製造方法であって、第１金属板および第２金属板と、これら金属板の同質材からなり前記金属板間に挟まれた緩衝性多孔質層と、この緩衝性多孔質層と前記第１金属板との間または前記緩衝性多孔質層と前記第２金属板との間の少なくともいずれか一方に配置された第１ろう材層と、前記第２金属板の外面に配置された第２ろう材層とを有する金属積層体を形成する金属積層工程と、前記第２ろう材層を前記セラミックス基板に接触させるように前記セラミックス基板と前記金属層積層体とを積層し、これらを厚さ方向に加圧しながら加熱することにより、前記金属積層体の前記各金属板と前記緩衝性多孔質層とを接合するとともに、前記第２金属板と前記セラミックス基板とを接合して、前記セラミックス基板に前記金属層を接合する接合工程とを有する。

この発明によれば、金属層とセラミックス基板とを接合するろう材の余剰分は、表面張力によってセラミックス基板側から回路パターン側へ向かって広がる際に緩衝性多孔質層に毛管現象によって吸収されるので、金属板の回路パターン面には到達しない。また、緩衝性多孔質層が金属板間に配置されることにより、金属層およびセラミックス基板の厚さや加圧板の平面度にばらつきがあっても、金属層とセラミックス基板との加圧を均一にすることができる。したがって、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、回路面へのろう材の付着が防止されたパワーモジュール用基板を得ることができる。

このパワーモジュール用基板の製造方法において、前記金属積層工程において、前記緩衝性多孔質層と前記第１金属板との間または前記緩衝性多孔質層と前記第２金属板との間の他方に、さらに第３ろう材層を配置することが好ましい。
この場合、金属層とセラミックス基板とを接合するろう材の余剰分が少なくても、各層間を確実にろう付けすることができる。

本発明のパワーモジュール用基板およびその製造方法によれば、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、回路面へのろう材の付着が防止された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Ｐ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１１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１３とから構成される。

電子部品１１は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材１２によってパワーモジュール用基板２０の回路パターンＰ上に接合され、回路端子部に対してアルミニウムからなるボンディングワイヤ（図示略）により接続されている。なお、回路パターンＰの表面には、ニッケルめっき等のめっき被膜１４が形成されている。

冷却器１３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１３ａが形成されている。この冷却器１３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。

このように、パワーモジュール用基板２０に対して、冷却器１３の接合、電子部品１１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。

次に、パワーモジュール用基板２０の製造方法について説明する。パワーモジュール用基板２０は、金属層２４となる金属積層体３０とセラミックス基板２２とを積層し（金属積層工程）、これらを高温状態で加熱して金属層２４とセラミックス基板２２とを接合する（接合工程）ことにより製造される。
ここで、セラミックス基板２２は、本実施形態ではＡｌＮ（窒化アルミニウム）を母材として形成されている。なお、このセラミックス基板２２は、例えばＡｌＮ、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から形成されていてもよい。

まず、セラミックス基板２２上に配置する金属積層体３０を形成する（金属積層工程）。
金属積層体３０は、図２に示すように、第１金属板３１および第２金属板３２と、これら金属板３１，３２間に配置された緩衝性多孔質層３３と、この緩衝性多孔質層３３と第１金属板３１との間に配置された第１ろう材層３４と、第２金属板３２の外面に配置された第２ろう材層３５と、緩衝性多孔質層３３と第２金属板３２との間に配置された第３ろう材層３６とを備える。
なお、セラミックス基板２２の表面に接合される回路層用の金属積層体３０は、パワーモジュール１０の回路パターンＰの形状に形成されており、セラミックス基板２２の裏面に接合される放熱層用の金属積層体３０も、必要な大きさ、形状に形成されているが、ここでは詳細な形状の図示は省略する。

第１金属板３１、第２金属板３２および緩衝性多孔質層３３は、本実施形態ではＡｌにより形成されているが、例えばアルミニウム合金から形成されていてもよい。緩衝性多孔質層３３は、Ａｌ粉末を焼結して製造された焼結シート材である。
各ろう材層３４，３５，３６に用いられるろう材は、本実施形態ではＡｌ−Ｓｉ系合金であるが、たとえばＡｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金であってもよい。

次に、図２に示すように、第２ろう材層３５をセラミックス基板２２に接触させるように金属積層体３０とセラミックス基板２２とを積層し、これらを厚さ方向に加圧しながら加熱して、セラミックス基板２２に金属層２４を接合する（接合工程）。
この接合工程においては、セラミックス基板２２の両面に金属積層体３０を配置した積層体が、面方向に複数個並べられ、一対の加圧板４０間に配置される。加圧板４０はカーボンからなり、ばね等の手段によって互いに近接する方向に付勢されている。

金属積層体３０は、加圧板４０間で厚さ方向に加圧されることにより、緩衝性多孔質層３３が変形可能となっている。緩衝性多孔質層３３の変形によって、金属積層体３０、セラミックス基板２２の厚さ、加圧板４０の平面度等のばらつきが吸収されるので、金属積層体３０に対して加えられる圧力は均一となる。

第１金属板３１および第２金属板３２間の第１ろう材層３４および第３ろう材層３６は、加圧板４０間で加圧および加熱されることにより溶融し、緩衝性多孔質層３３と第１金属板３１および緩衝性多孔質層３３と第２金属板３２をろう付けする。第１ろう材層３４および第３ろう材層３６は、このろう付けに十分な量が用いられている。このため、第１ろう材層３４および第３ろう材層３６の余剰ろう材が緩衝性多孔質層３３に毛管現象によって吸収され、図３に示すように、緩衝性多孔質層３３の両面にＡｌの中実層３３ａが形成される。

さらに、セラミックス基板２２に接触している第２ろう材層３５は、溶融してセラミックス基板２２と第２金属板３２とをろう付けする。第２ろう材層３５は、このろう付けに十分な量が用いられているので、余剰ろう材３５ａがセラミックス基板２２と第２金属板３２との間から押し出される。このとき、セラミックス基板２２に比較して、第２金属板３２の方が溶融状態のろう材に対するぬれ性が高いため、余剰ろう材３５ａはその量が十分に多い場合には第２金属板３２の端面に沿って流れて緩衝性多孔質層３３に到達し、毛管現象によってここに吸収される。

このとき、緩衝性多孔質層３３の変形によって、金属積層体３０には均一な圧力が加えられる。したがって、溶融状態の各余剰ろう材は、各金属板３１，３２、緩衝性多孔質層３３およびセラミックス基板２２間の特定の部分に集中することなく、均一に流出する。したがって、緩衝性多孔質層３３で吸収しきれない余剰ろう材が第１金属板３１の表面にしみ出すことがない。

以上のように、金属積層工程および接合工程を行うことにより、図４に示すパワーモジュール用基板２０が製造される。このパワーモジュール用基板２０においては、金属層２４は２枚の金属板３１，３２と、これら金属板３１，３２間に接合された緩衝性多孔質層３３とを備えている。緩衝性多孔質層３３の表面および端面近傍には、金属層３０内の各層の接合に用いられたろう材の余剰分が吸収保持されており、これにより中実層３３ａが形成されている。なお、余剰ろう材の量が少ない場合、緩衝性多孔質層３３の中心部には、ろう材を吸収保持していない多孔質部３３ｂが形成される。

余剰ろう材を回路パターンＰの表面にしみ出させないためには、余剰ろう材の量に対して緩衝性多孔質層３３の吸収保持能力が十分であることが必要である。また、多孔質部３３ｂがあると、パワーモジュール用基板２０の耐衝撃性を向上できる。したがって、各ろう材層３４，３５，３６におけるろう材の量は、緩衝性多孔質層３３の吸収保持能力に応じて、余剰分が確実に緩衝性多孔質層３３に吸収され、パワーモジュール用基板２０に求められる性能に応じて、適宜設定される。

以上説明したように、本発明によれば、余剰ろう材の吸収および圧力に応じた変形が可能な緩衝性多孔質層３３が金属層２４に含まれているので、ろう付け時に金属積層体３０に加えられる圧力が面方向に均一になり、余剰ろう材が局部的に大量に生じることを防止できるとともに、余剰ろう材を緩衝性多孔質層３３（すなわち金属層２４）に保持させることができる。したがって、漏出した余剰ろう材を緩衝性多孔質層３３全体に効率よく吸収させ、回路パターンＰの回路面へのろう材の付着を防止することができる。また、金属層２４に与えられる厚さ方向の圧力を面方向に均一にできるので、複数のパワーモジュール用基板２０を面方向に並べてろう付けを行うことができる。したがって、加圧板４０を含む接合装置を厚さ方向に大型化せずに、パワーモジュール用基板２０を効率よく量産することができる。

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、緩衝性多孔質層を焼結シート材としたが、たとえば粉末焼結材、線材を編んだメッシュ材、不織布等、接合圧力に対する変形と溶融ろう材の吸収保持が可能な材料であればよい。

本発明に係るパワーモジュール用基板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断面図である。本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法において、金属層（金属積層体）をセラミックス基板に接合する工程を示す断面図である。余剰ろう材が緩衝性多孔質層に吸収される状態を示す断面図である。本発明に係るパワーモジュール用基板を示す断面図である。

符号の説明

１０パワーモジュール
１１電子部品
１２はんだ材
１３冷却器
１３ａ流路
１４めっき被膜
２０パワーモジュール用基板
２２セラミックス基板
２４金属層
３０金属積層体
３１第１金属板
３２第２金属板
３３緩衝性多孔質層
３３ａ中実層
３４第１ろう材層
３５第２ろう材層
３５ａ余剰ろう材
３６第３ろう材層
４０加圧板
Ｐ回路パターン

Claims

セラミックス基板と、このセラミックス基板にＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材によってろう付けされ回路パターンをなすＡｌからなる金属層とを有し、
前記金属層は、２枚の金属板と、この金属板の同質材からなり前記金属板間に接合された緩衝性多孔質層とを備え、
前記緩衝性多孔質層の表面および端面近傍には、前記ろう材の余剰分が吸収保持されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法であって、
第１金属板および第２金属板と、これら金属板の同質材からなり前記金属板間に挟まれた緩衝性多孔質層と、この緩衝性多孔質層と前記第１金属板との間または前記緩衝性多孔質層と前記第２金属板との間の少なくともいずれか一方に配置された第１ろう材層と、前記第２金属板の外面に配置された第２ろう材層とを有する金属積層体を形成する金属積層工程と、
前記第２ろう材層を前記セラミックス基板に接触させるように前記セラミックス基板と前記金属層積層体とを積層し、これらを厚さ方向に加圧しながら加熱することにより、前記金属積層体の前記各金属板と前記緩衝性多孔質層とを接合するとともに、前記第２金属板と前記セラミックス基板とを接合して、前記セラミックス基板に前記金属層を接合する接合工程とを有す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。
前記金属積層工程において、前記緩衝性多孔質層と前記第１金属板との間または前記緩衝性多孔質層と前記第２金属板との間の他方に、さらに第３ろう材層を配置することを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。