JP5786569B2

JP5786569B2 - パワーモジュール用基板の製造方法

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Publication number: JP5786569B2
Application number: JP2011192754A
Authority: JP
Inventors: 慎介青木; 長瀬　敏之; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2031-09-05
Also published as: JP2013055237A

Description

本発明は、セラミックス基板の両面に異なる厚さの金属層を積層したパワーモジュール用基板の製造方法に関する。

従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に、回路層となるアルミニウム金属層が積層され、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となるアルミニウムの金属層が形成され、この金属層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。

また、このようなセラミックス基板に回路層又は放熱層となるアルミニウム金属層を積層状態に形成する方法として、セラミックス基板に、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材を介在させてアルミニウム金属層を重ね合わせ、その積層体を加圧、加熱することにより、ろう材を溶融させて、セラミックス基板とアルミニウム金属層とを接合することが知られている。
この場合、回路層及び放熱層とも同じ板材で形成されるのが一般的であったが、放熱層とヒートシンクとの間の熱伸縮を緩和するための緩衝機能を放熱層自身に持たせるべく、放熱層を肉厚に形成することが検討されている。

特許文献１には、セラミックス基板の両面に厚さの異なる金属層を積層したパワーモジュール用基板が提案されており、体積が大きい金属層側を凹とする（体積が小さい金属層側を凸とする）反りが生じることが開示されている。
また、特許文献２には、反り防止対策として、厚い金属層を薄い金属層より変形抵抗の小さい材料で構成することが開示されている。例えば、厚肉の金属層を純度９９．９９〜９９．９９９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム〜６Ｎアルミニウム）で構成し、薄肉の金属層をそれより純度の低い純度９９〜９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム〜４Ｎアルミニウム）で構成することにより、反りを低減させている。

特開２００２−２５２４３３号公報特開２０１０−９３２２５号公報

このように、両金属層とも同じ組成、同じ性状であるとすると、回路層と放熱層との厚さの差から、ろう付けのための加熱処理を経由するとパワーモジュール用基板の全体に反りが生じて、その後のヒートシンクとの接合が困難になるという問題があった。
また、特許文献２記載の技術では、２枚の金属層の材料を変えなければならず、同じ材料のものを用いる場合には適用でき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あって、セラミックス基板の両面に異なる厚さの金属層を積層する場合に、接合時に発生する反りを低減することができ、接合の信頼性を高めることができ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。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の両面に異なる厚さの金属層が積層されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、両金属層を前記セラミックス基板の両面に配置し、これらを加熱して接合した後に、その接合体を平行な板の間で厚さ方向に加圧した状態で冷却することにより前記金属層に塑性変形を生じさせ、その後、常温まで戻してから加圧を解くことを特徴とする。

厚さを異ならせた金属層では熱伸縮の差が大きいので、これらをセラミックス基板の両面に接合した場合は、加熱接合後の冷却過程において薄肉の金属層側を凸とする反りを生じさせる応力が発生する。本発明においては、両金属層とセラミックス基板との接合後において、厚さ方向に加圧した状態で冷却されることにより、反りの発生が抑制される。両金属層とセラミックス基板との接合後において、常温以下の低温まで冷却を進めると、厚肉の金属層の熱収縮による応力が大きくなるが、両金属層とセラミックス基板とは加圧されて拘束された状態であるので、反りとしては変形できなくなる。これをさらに冷却すると、金属層に塑性変形が生じる。この塑性変形は、反りとは逆方向の変形であり、その塑性変形領域まで冷却した後に常温まで戻すと、塑性変形した分、反りが相殺されて、冷却前の常温時に生じていた反りよりも小さくなる。
このように、両金属層とセラミックス基板とを厚さ方向に加圧した状態で冷却することで、両金属層に、熱伸縮による反りと逆向きの塑性変形を生じさせることができ、パワーモジュール用基板全体の反りを低減することができる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記セラミックス基板の両面に積層される厚みの厚い金属層に対する薄い金属層の厚さの比率を０．２以上０．９以下で構成し、厚さ方向に９．８×１０^４Ｐａ以上３４３×１０^４Ｐａ以下で加圧した状態で−５℃以下−７０℃以上の範囲内に冷却するとよい。
このように、両金属層の厚さの比率に合わせて加圧と冷却の条件を設定することにより、冷却過程において生じる反りの発生を防止して、パワーモジュール用基板の接合信頼性を向上させることができる。

本発明によれば、セラミックス基板の両面に異なる厚さの金属層を積層する場合に、接合により発生する反りを低減することができ、接合の信頼性を高めることができるパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。また、両金属層が同じ材料であっても適用できることから、種々のパワーモジュール用基板の製造に応用することができる。

本発明の実施形態のパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの全体構成を示す縦断面図である。本発明の製造方法で用いられる加圧装置の例を示す正面図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態のパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示している。このパワーモジュール１は、セラミックス等からなるセラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４と、パワーモジュール用基板３の裏面に接合されたヒートシンク５とから構成される。

パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の両面に金属層６，７が積層されており、その一方の金属層６が回路層となり、その表面に電子部品４がはんだ付けされる。また、他方の金属層７は放熱層とされ、その表面にヒートシンク５が取り付けられる。
セラミックス基板２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、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスやＳｉＣ（炭化珪素）等の炭化物系セラミックスにより形成され、その厚さは例えば０．６３５ｍｍとされる。
金属層６，７は、いずれも純度９９．９０質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１Ｎ９０（純度９９．９０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）を用いることができる。なお、金属層６，７には、アルミニウムの他、Ｃｕを用いることもできる。
このパワーモジュール用基板３は、放熱層となる金属層７に緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属層６よりも肉厚に形成されたものを用いている。

この場合、回路層及び放熱層となる金属層６，７の厚さは、その金属層７に対する金属層６の厚さの比率（金属層６の厚さ／金属層７の厚さ）が０．２以上０．９以下となるように形成されている。
本実施形態のパワーモジュール用基板３においては、例えば、回路層となる金属層６の厚さは０．６ｍｍとされ、放熱層となる金属層７の厚さが１．６ｍｍとされており、その厚さの比率は０．３７５となる。
これら金属層６，７は、プレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板２に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板２に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。

なお、本実施形態のパワーモジュール用基板３は、放熱層となる金属層７の厚さの方が回路層となる金属層６の厚さよりも厚い例であるが、逆の形態として、放熱層となる金属層７の厚さの方が回路層となる金属層６の厚さよりも薄く設けられるものであってもよい。
以下、特に指定しない限り、金属層７の厚さの方が金属層６の厚さよりも厚いものとして説明する。
また、両金属層６，７の厚さは、上述の厚さに限定されることはなく、例えば、０．６ｍｍよりも薄いものや、１．６ｍｍよりも厚いものも用いられる。

セラミックス基板２と回路層及び放熱層となる金属層６，７とは、ろう付けにより積層されている。ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金が使用される。

なお、金属層６と電子部品４との接合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｚｎ−Ａｌ系もしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。図中符号８がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と金属層６の端子部との間は、アルミニウム等からなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。

また、ヒートシンク５は、平板状のもの、熱間鍛造等によって多数のピン状フィンを一体に形成したもの、押出成形によって相互に平行な帯状フィンを一体に形成したもの等、適宜の形状のものを採用することができる。
放熱層となる金属層７とヒートシンク５との間の接合法としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金のろう材によるろう付け法や、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材にフラックスを用いたノコロックろう付け法、金属層およびヒートシンクにＮｉめっきを施し、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−ＡｌもしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によりはんだ付けする方法が用いられ、あるいは、シリコングリースによって密着させた状態でねじによって機械的に固定される。

このように構成される本実施形態のパワーモジュール１は、以下のようにして製造される。
まず、セラミックス基板２の一方の面に回路層となる金属層６をろう材箔を介して積層し、セラミックス基板２の他方の面に放熱層となる金属層７もろう材箔を介して積層する。そして、この積層体Ｓを図２に示す加圧装置１１０に設置する。
この加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備えている。
固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されており、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体Ｓが配置される。積層体Ｓの両面に加圧を均一にするためにカーボンシート１１６が配設される。
この加圧装置１１０により積層体Ｓを加圧した状態で、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設置し、真空雰囲気中で例えば６３０℃のろう付け温度に加熱してろう付けを行うことにより、パワーモジュール用基板３を製造する。

図１に示すパワーモジュール用基板３のように、回路層及び放熱層となる金属層６，７の厚さを異ならせた場合、ろう付け時の加熱による熱伸縮の差が大きいので、接合後の冷却過程で発生する残留応力のために、常温まで戻して加圧状態を解放すると薄肉の金属層６側を凸とする反りが生じる。冷却過程において、常温以下の低温までさらに冷却を進めると、熱収縮による変形（反り量）は、さらに増加することとなる。
本実施形態においては、この金属層６側を凸とする反りが生じたパワーモジュール用基板に対して、反りを矯正するように荷重を負荷し、厚さ方向に加圧した状態で冷却を行う。その際、９．８×１０^４Ｐａ（１ｋｇ／ｃｍ^２）以上３４３×１０^４Ｐａ（３５ｋｇ／ｃｍ^２）以下で加圧した状態で−５℃以下−７０℃以上の範囲内に冷却することが好ましい。加圧状態のパワーモジュール用基板を冷却する場合、図２に示す加圧装置ごと冷却器に投入すると、通常５分程度でパワーモジュール用基板も雰囲気温度に到達することから、保持時間としては、パワーモジュール用基板をその冷却温度まで冷却するために、冷却器へ投入後５分程度放置するとよい。より好ましくは、−１０℃〜−２０℃で１０分間の冷却を行うとよい。

この場合、両金属層６，７とセラミックス基板２とは厚さ方向に加圧され、反りが生じないように拘束されていることから、冷却時において見かけ上は変化がないように見えるが、応力に抗して加圧されていることにより金属層６，７に塑性変形が生じる。両金属層６，７の塑性変形は、反りとは逆方向の変形であり、その塑性変形領域まで冷却した後に常温まで戻すと、塑性変形した分、反りが相殺されて、冷却前の常温時に生じていた反りよりも、冷却後の常温時の反りの方が小さくなる。したがって、冷却前の常温時の応力よりも、冷却後の常温時の応力の方が小さくなる。
このように、両金属層６，７とセラミックス基板２とを厚さ方向に加圧した状態で冷却することにより、両金属層６，７に、熱伸縮による反りと逆向きの塑性変形を生じさせ、パワーモジュール用基板３の全体の反りを低減させることができる。

次に、本発明の効果を確認するために行った実施例および比較例について説明する。
回路層及び放熱層ともにアルミニウム純度９９．９９質量％の２８ｍｍ角の金属層を用い、回路層となる金属層６の厚さは０．６ｍｍ、放熱層となる金属層７の厚さは１．６ｍｍとした。これらの金属層の厚さの比率（回路層の厚さ／放熱層の厚さ）は０．３７５である。セラミックス基板２には、ＡｌＮを用い、厚さ０．６３５ｍｍとした。これら金属層６，７とセラミックス基板２とは、厚さ１０μｍ〜１５μｍのＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合した。
このように構成されたパワーモジュール用基板の製造には、まず、金属層６の裏面とセラミックス基板２の表面、および金属層７の表面とセラミックス基板２の裏面を、それぞれろう材を挟んで当接させ、これらを積層したセラミックス基板２および金属層６，７を厚さ方向に加圧しながら、真空雰囲気中、６００℃〜６５０℃で約１時間加熱することにより、セラミックス基板２と両金属層６，７とをろう付け接合し、試料１〜１５のパワーモジュール用基板を製造した。

その後、セラミックス基板２と金属層６，７とを加圧した状態で常温まで冷却し、加圧を解放した。この状態では、薄肉の金属層６側を凸とする反りが認められた。そして、これら接合後のパワーモジュール用基板について全体の反りを測定した。これらの測定結果を接合後の反り量として２８ｍｍ長さ当たりの平面度を表１に示す。
次に、各試料１〜１５について、平面度改善のために３種類の処理を実施し、これらの平面度改善後の各試料１〜１５の反り量について測定を行った。試料１〜５については、接合後に５３．９×１０^４Ｐａ（５．５ｋｇ／ｃｍ^２）で厚さ方向に加圧し、その加圧状態を２０分間保持した後に加圧を解く方法で平面度改善を行った。試料６〜１０については、接合後に加圧を解いた状態で−７０℃まで冷却し、全体の温度が一定となるように２０分間保持した後に、再度−７０℃から常温まで戻す方法で行った。また、試料１１〜１５については、接合後に５３．９×１０^４Ｐａ（５．５ｋｇ／ｃｍ^２）で厚さ方向に加圧し、その加圧状態で−７０℃まで冷却し、冷却および加圧を２０分間保持した後に、再度−７０℃から常温まで戻し、加圧を解く方法で行った。これら試料１〜１５の平面度改善後の反り量の測定結果を表１に示す。
なお、平面度は、定盤上にパワーモジュール用基板を載置し、上部よりレーザー変位計で測定した。また、平面度変化率Ｚは、接合後の平面度をＸとし、平面度改善後の平面度をＹとした場合に、Ｚ＝（Ｘ−Ｙ）／Ｘ×１００（％）により算出される値である。

表１からわかるように、試料１１〜１５については、所定の荷重を付加し、その加圧状態で冷却を行うことにより、平面度改善前と比べて反り量が大幅に低減された。平面度改善の方法として加圧のみ行う場合（試料１〜５）や、冷却のみ行う場合（試料６〜１０）においても反り量は低減されたが、加圧と冷却とを同時に行う場合（試料１１〜１５）と比べて、効果は小さかった。
なお、上記においては、セラミックス基板と両金属層とを−７０℃まで冷却したが、金属層に塑性変形が生じる温度領域まで冷却すればよい。どの程度まで冷却するかは、パワーモジュール用基板の面積、板厚、材質等によって生じる反り量の程度に応じて設定すればよい。例えば、少なくとも−１０℃〜−２０℃まで冷却し、その状態を１０分間保持することが好ましい。

なお、本発明は上記実施形態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、上記実施形態においては、セラミックス基板と両金属層との接合後に一度加圧を解放し、冷却過程において再度の加圧を行っていたが、接合後に加圧を解放せずに、そのまま連続して冷却を行ってもよい。

また、セラミックス基板と金属層との接合は、ろう付け以外にもはんだ付けも可能である。また、ＴＬＰ接合法（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＢｏｎｄｉｎｇ）と称される過渡液相接合法によって接合してもよい。この過渡液相接合法においては、金属層の表面に蒸着させた銅層を、金属層とセラミックス基板との界面に介在させて行う。加熱により、金属層のアルミニウム中に銅が拡散し、金属層の銅層近傍の銅濃度が上昇して融点が低下し、アルミニウムと銅との共晶域にて接合界面に金属液相が形成される。この金属液相が形成された状態で温度を一定に保持しておくと、金属液相がセラミックス基板と反応するとともに、銅がさらにアルミニウム中に拡散することに伴い、金属液相中の銅濃度が徐々に低下して融点が上昇し、温度を一定に保持した状態で凝固が進行する。これにより、金属層とセラミックス基板との強固な接合が得られる。
また、セラミックス基板と金属層とを、活性金属ろう材を用いて接合する方法を採用することもできる。例えば、活性金属であるＴｉを含む活性金属ろう材（Ａｇ‐２７．４質量％Ｃｕ‐２．０質量％Ｔｉ）を用い、金属層とセラミックス基板との積層体を加圧した状態で真空中で加熱し、活性金属であるＴｉをセラミックス基板に優先的に拡散させて、Ａｇ‐Ｃｕ合金を介して金属層とセラミックス基板とを接合できる。

１パワーモジュール
２セラミックス基板
３パワーモジュール用基板
４電子部品
５ヒートシンク
６，７金属層
８はんだ接合層
１１０加圧装置
１１１ベース板
１１２ガイドポスト
１１３固定板
１１４押圧板
１１５付勢手段
１１６カーボンシート

Claims

セラミックス基板の両面に異なる厚さの金属層が積層されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、両金属層を前記セラミックス基板の両面に配置し、これらを加熱して接合した後に、その接合体を平行な板の間で厚さ方向に加圧した状態で冷却することにより前記金属層に塑性変形を生じさせ、その後、常温まで戻してから加圧を解くことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記セラミックス基板の両面に積層される厚みの厚い金属層に対する薄い金属層の厚さの比率を０．２以上０．９以下で構成し、厚さ方向に９．８×１０^４Ｐａ以上３４３×１０^４Ｐａ以下で加圧した状態で−５℃以下−７０℃以上の範囲内に冷却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。