JP5887939B2 - ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法及び製造装置に関する。

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、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が積層され、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アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が形成され、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。

このようなパワーモジュールを製造する方法として、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されるような製造方法が知られている。
この製造方法では、まずセラミックス基板の一方の面にＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を介して回路層を積層し、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して金属層を積層して、これを積層方向に加圧するとともに加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを接合する。
次に、金属層のセラミックス基板が接合されている面とは反対側の面に、ろう材を介してヒートシンクの天板部を積層し、積層方向に加圧するとともに加熱して、金属層とヒートシンクとを接合するようにしている。
一方、金属層とヒートシンクとの間の接合方法としては、特許文献３に記載されているようにフラックスをろう材面に塗布してろう材面の酸化物を除去し、非酸化性雰囲気中で加熱して接合するろう付け法の適用が検討されている。

特開２００７‐３１１５２７号公報 特開２００２‐００９２１２号公報 特開２００９‐１０５１６６号公報

ところで、セラミックス基板と金属層との接合時に、接合に寄与しない余剰分のろう材が接合部から押し出され金属層の側面部に付着することがあるが、この場合にノコロックろう付け法を用いると、金属層とヒートシンクとの接合に用いられるフラックスの余剰分が金属層の側面部を伝って再溶融した余剰分のろう材と接触し、セラミックス基板及び金属層の接合部界面に引き込まれる、あるいは余剰分のフラックスが蒸発してその蒸気が接合部界面に接触する、などにより、フラックスがセラミックス基板と金属層との接合部を侵食し、接合部に剥離を生じさせるおそれがある。そのため、セラミックス基板と金属層との剥離が生じ易くなるという問題がある。

このような問題に対して、特許文献３では、セラミックス基板と金属層との接合端部にホウ素や酸化チタン等にて構成された接触防止材を塗布することが提案されている。しかし、この場合には、接触防止材をヒートシンクとの接合前に予め塗布しておくことが必要となり、コスト上昇の要因になるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合時にフラックスがセラミックス基板と金属層との接合部に侵食することを防止することによって、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく金属層とヒートシンクとを接合して、接合信頼性を高めることができるヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、セラミックス基板に金属層が接合されたパワーモジュール用基板の前記金属層とヒートシンクとをフラックスを用いたろう付けにより接合するヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層と前記ヒートシンクとを積み重ねた状態で面方向に位置決めするガイド枠の内面に、前記金属層の側面部との間に、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合時に流出するフラックスを収納可能な隙間を設けておき、前記金属層及び前記ヒートシンクを加圧した状態で加熱することにより接合することを特徴とする。

金属層の側面部とガイド枠との間に、フラックスを収納可能な僅かな隙間を設けておくことで、毛細管現象によりフラックスがその隙間に侵入するとともに、その隙間に保持される。そのため、セラミックス基板と金属層との接合部にフラックスが侵入することを防止することができ、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることを防ぐことができる。これにより、パワーモジュール用基板の接合信頼性を高めることができる。

本発明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おいて、前記隙間が１０μｍ以上２００μｍ以下であるとよい。
隙間を１０μｍ以上２００μｍ以下に設定することで、金属層の側面部との間に、その金属層とヒートシンクとの接合時に流出するフラックスを収納することができる。なお、この隙間は、確実にフラックスを収納する観点から２０μｍ以上５０μｍ以下がより望ましい。

本発明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おいて、予め前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面に複数の溝を形成しておき、前記隙間を、前記金属層の側面部のうち、少なくとも前記溝の長手方向端部に位置する側面部に対向する位置に設けておくとよい。
フラックスは金属層に設けられた溝に沿って流れ易いため、少なくとも溝の長手方向端部に配置される側面部に対向するように隙間を設けておくことで、セラミックス基板と金属層との接合部にフラックスが侵入することを防止することができる。
なお、金属層の接合面に溝を形成しておくことで、接合面の表面積を増やすことができるので、金属層とヒートシンクとの接合信頼性を高めることができる。

本発明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おいて、前記ガイド枠には、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合部の周縁部に、前記隙間より大きい空間を形成する切欠部が設けられているとよい。
ガイド枠に切欠部を設けておくことで、金属層とヒートシンクとの接合時に、接合部の周縁部においてフラックスの流動を確保する空間を設けることができ、これら接合部の周縁部に溶融ろう材が供給され、接合部の周縁部にフィレット形状を形成して金属層とヒートシンクとを接合することができる。このように、フィレット形状の形成を阻害することがないため、金属層とヒートシンクとの接合信頼性を高めることができる。

本発明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おいて、前記ガイド枠は、カーボン又はＴｉＯ_２若しくはＳｉＯ_２により形成されているとよい。
ガイド枠にフラックスと反応する部材を用いることで、セラミックス基板と金属層との接合部へフラックスが到達する前に、フラックスを反応させてセラミックス基板と金属層との接合部の剥離を確実に防止することができる。

本発明のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造装置は、セラミックス基板に金属層が接合されたパワーモジュール用基板とヒートシンクとをフラックスを用いたろう付け法により接合して、パワーモジュール用基板を製造する装置であって、前記パワーモジュール用基板を構成する金属層とヒートシンクとを積み重ねた状態で面方向に位置決めするガイド枠と、該ガイド枠により位置決めされたパワーモジュール用基板及びヒートシンクを加圧する加圧手段とを備え、前記ガイド枠は、前記金属層の側面部との間に、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合時に流出するフラックスを収納可能な隙間を有しており、前記ガイド枠には、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合部の周縁部に、前記隙間より大きい空間を形成する切欠部が設けられていることを特徴とする。

本発明のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造装置において、前記隙間が１０μｍ以上２００μｍ以下であるとよい。
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造装置において、前記ガイド枠は、カーボン又はＴｉＯ_２若しくはＳｉＯ_２により形成されているとよい。

本発明によれば、セラミックス基板と金属層との接合部にフラックスが侵入することを防止することができる。このため、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく金属層とヒートシンクとを接合することができ、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の接合信頼性を高めることができる。

ヒートシンク付き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。 本発明の第１実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造装置を示す縦断面図である。 図２に示す製造装置の要部拡大図であり、フラックスの状態を説明する図である。 図２に示す製造装置の要部拡大図であり、ろう材によるフィレット成形を説明する図である。 図２に示す製造装置を構成するガイド枠の組立方法を説明する上面図であり、（ａ）が組立前、（ｂ）が組立後である。 図５（ｂ）の製造装置の要部を示すＡ矢視図である。 本発明のヒートシンク付き第２実施形態のパワーモジュール用基板の製造装置を示す縦断面図である。 図７に示すＸ−Ｘ断面の要部拡大図である。

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３を用いたパワーモジュール１を示している。この図１のパワーモジュール１は、ヒートシンク付き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とから構成される。

ヒートシンク付きパワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の一方の面に回路層６を接合し、他方の面に金属層７が接合されたパワーモジュール用基板３０にヒートシンク５を接合することにより形成されている。そして、パワーモジュール用基板３０のセラミックス基板２の一方の面に接合される回路層６の表面に電子部品４がはんだ付けされる。また、セラミックス基板２の他方の面に接合される金属層７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る。
また、回路層６及び金属層７は、純度９９．００質量％以上のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）を用いることができる。特に、純度９９．９０質量％以上のアルミニウムが望ましく、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、回路層６及び金属層７には、アルミニウムの他、アルミニウム合金、銅及び銅合金を用いることもできる。

そして、パワーモジュール用基板３０は、回路層６及び金属層７とセラミックス基板２とを、ろう付け接合することにより形成される。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、パワーモジュール用基板３０は、回路層６の裏面とセラミックス基板２の表面、及び金属層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、これら積層したセラミックス基板２と回路層６及び金属層７とを厚さ方向に加圧しながら加熱することによりろう付けして形成することができる。
また、これら回路層６及び金属層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、回路層６と電子部品４との接合には、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ｓｂ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と回路層６の端子部との間は、アルミニウム等からなるワイヤ及びリボンボンディング等（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。図１に示すヒートシンク５においては、アルミニウム合金の押出成形によって形成されており、内部に冷却水を流通させるための複数の流路５１が形成されている。

次に、第１実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造装置について、説明する。
第１実施形態のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造装置１００は、セラミックス基板２の一方の面に回路層６及び他方の面に金属層７が接合されたパワーモジュール用基板３０とヒートシンク５とを接合して、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板３を製造する装置である。この製造装置１００は、図２に示すように、パワーモジュール用基板３０を構成する金属層７とヒートシンク５とを積み重ねた状態で面方向に位置決めするガイド枠１０と、そのガイド枠１０により位置決めされたパワーモジュール用基板３０及びヒートシンク５を厚さ方向に加圧する加圧手段２０（図２では矢印で示す。）とを備える。

ガイド枠１０は、カーボン、ＴｉＯ_２又はＳｉＯ_２により形成されており、図５及び図６に示すように、一対のＬ字型のガイドフレーム１１を組み合わせることにより四角形に構成されている。そして、これらガイドフレーム１１の間に、パワーモジュール用基板３０及びヒートシンク５を嵌め込むことで面方向に位置決めする構成とされている。
さらに、ガイド枠１０は、カーボンの基材にＴｉＯ_２又はＳｉＯ_２がコーティングされていることがより望ましい。フラックスがＴｉＯ_２又はＳｉＯ_２に接触することによって、フラックスが不活性化し、セラミックス基板２と金属層７との接合部に侵食することを防止することができる。

ガイドフレーム１１の対向する内周面には、図２から図４に示すように、高さの異なる複数の段状の位置決め部が形成されている。ガイドフレーム１１の上側内周面１２ａは、パワーモジュール用基板３０の位置決め部とされ、セラミックス基板２の側面部２ａを支持する構成とされている。また、下側内周面１３ｂは、ヒートシンク５の位置決め部とされ、ヒートシンク５の側面部５ｂを支持する構成とされている。そして、中央内周面１４ｃは、金属層７の側面部７ｃから僅かに離れて形成されており、金属層７の側面部７ｃとの間に、その金属層７とヒートシンク５との接合時に流出するフラックスを収納可能な１０μｍ以上２００μｍ以下の隙間１５が形成されている。この隙間１５は、確実にフラックスを収納する観点から２０μｍ以上５０μｍ以下がより望ましい。また、ガイドフレーム１１の中央内周面１４ｃの下端部には、金属層７とヒートシンク５との接合部の周縁部に、隙間１５より大きい空間を形成する切欠部１６が形成され、中央内周面１４ｃの上端部には、金属層７の側面部７ｃとの間に隙間１５よりも小さい微小間隙を設けて爪部１７が形成されている。爪部１７は、金属層７の側面部７ｃに接触してもよい。

また、加圧手段２０は、例えば重りによって構成されるが、特にこれに限定されることなく、バネ、液圧、エア圧方式による手段など、その他適宜の手段を用いることができる。

次に、上述した製造装置１００を用いてヒートシンク付きパワーモジュール用基板を製造する方法について説明する。
セラミックス基板２の両面にろう材を介して回路層６及び金属層７を重ね合わせ加圧するとともに加熱し接合することによりパワーモジュール用基板３０を形成した後、このパワーモジュール用基板３０の金属層７とヒートシンク５とをフラックスを用いたろう付け法により接合する。
フラックスを用いたろう付け法は、ろう材面にフッ化物系のフラックスを塗布して、非酸化性雰囲気中で加熱することにより、ろう付けする方法である。ろう材には、例えばＡｌ‐Ｓｉ系の合金のろう材が使用される。また、フラックスには、ＫＡｌＦ_４、Ｋ_２ＡｌＦ_５、Ｋ_３ＡｌＦ_６等が用いられ、これらのフラックスがはんだ表面の酸化物を除去する働きをする。

図５（ａ）に示すように、ヒートシンク５の表面にパワーモジュール用基板３０を積み重ねた状態で、ガイドフレーム１１を側方から近接させ、図５（ｂ）に示すように、これらヒートシンク５とパワーモジュール用基板３０とを面方向に位置決めする。そして、ガイド枠１０により位置決めされたパワーモジュール用基板３０及びヒートシンク５を加圧手段２０により厚さ方向に加圧した状態で加熱する。

図３に示すように、金属層７の側面部７ｃとガイド枠１０との間には隙間１５が設けられており、金属層７とヒートシンク５との接合時に流出するフラックスＦは、毛細管現象によって隙間１５に侵入するとともに、その隙間１５に保持される。そのため、フラックスＦが、隙間１５を超えてセラミックス基板２と金属層７との接合部に侵入することを防止でき、その接合部に剥離を生じさせることを防ぐことができる。また、隙間１５の上方位置には、金属層７の側面部７ｃとの間に隙間１５よりも小さい微小間隙を設けて爪部１７が形成されており、フラックスＦが、セラミックス基板２と金属層７との接合部に侵入することを二重に防止している。したがって、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板３の接合信頼性を高めることができる。

また、ガイド枠１０は、フラックスＦと反応するカーボン、ＴｉＯ_２又はＳｉＯ_２により形成されていることから、セラミックス基板２と金属層７との接合部へフラックスＦが到達する前に、フラックスＦを反応させてセラミックス基板２と金属層７との接合部の剥離を確実に防止することができる。

また、ガイド枠１０には、金属層７とヒートシンク５との接合部の周縁部に、隙間１５より大きい空間を形成する切欠部１６が設けられており、その接合部の周縁部においてフラックスＦの流動を確保する空間が設けられている。そのため、これら接合部の周縁部に溶融ろう材が供給され、図４に示すように、接合部の周縁部にフィレット形状１８を形成して金属層７とヒートシンク５とを接合することができる。このように、フィレット形状１８の形成を阻害することがないため、金属層７とヒートシンク５との接合信頼性を高めることができる。

図７及び図８は、本発明の第２実施形態を示している。
第２実施形態では、図８に示すように、予め金属層７０のヒートシンク５との接合面に複数の溝７１が形成されている。
この場合、金属層７０とガイド枠１０Ａとの間に設ける隙間１５は、金属層７０の四方に配置される側面部７０ｃのうち、少なくとも溝７１の長手方向端部に位置する側面部７２に対向する位置に設けておけばよい。フラックスは、金属層７０に設けられた溝７１に沿って流れ易いため、少なくとも溝７１の長手方向端部に配置される側面部７２に対向するように隙間を設けておくことで、セラミックス基板２と金属層７０との接合部にフラックスが侵入することを防止することができる。
また、金属層７０の接合面に溝７１を形成しておくことで、接合面の表面積を増やすことができるので、金属層７０とヒートシンク５との接合信頼性を高めることができ、好適である。
その他の構成は、第１実施形態のものと同じであり、共通部分に同一符号を付して説明を省略する。

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。

１ パワーモジュール
２ セラミックス基板
２ａ 側面部
３ ヒートシンク付きパワーモジュール用基板
４ 電子部品
５ ヒートシンク
５ｂ 側面部
６ 回路層
７，７０ 金属層
７ｃ，７０ｃ 側面部
８ はんだ接合層
１０，１０Ａ ガイド枠
１１ ガイドフレーム
１２ａ 上側内周面
１３ｂ 下側内周面
１４ｃ 中央内周面
１５ 隙間
１６ 切欠部
１７ 爪部
１８ フィレット形状
２０ 加圧手段
３０ パワーモジュール用基板
７１ 溝
７２ 溝の長手方向端部に位置する側面部
１００，２００ パワーモジュール用基板の製造装置

Claims (8)

1. セラミックス基板に金属層が接合されたパワーモジュール用基板の前記金属層とヒートシンクとをフラックスを用いたろう付けにより接合するヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層と前記ヒートシンクとを積み重ねた状態で面方向に位置決めするガイド枠の内面に、前記金属層の側面部との間に、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合時に流出するフラックスを収納可能な隙間を設けておき、前記金属層及び前記ヒートシンクを加熱することにより接合することを特徴とするヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法。
2. 前記隙間が１０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１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。
3. 予め前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面に複数の溝を形成しておき、前記隙間を、前記金属層の側面部のうち、少なくとも前記溝の長手方向端部に位置する側面部に対向する位置に設けておくことを特徴とする請求項１又は２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。
4. 前記ガイド枠には、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合部の周縁部に、前記隙間より大きい空間を形成する切欠部が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項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。
5. 前記ガイド枠は、カーボン、ＴｉＯ_２又はＳｉＯ_２により形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項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。
6. セラミックス基板に金属層が接合されたパワーモジュール用基板とヒートシンクとをフラックスを用いたろう付け法により接合して、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板を製造する装置であって、前記パワーモジュール用基板を構成する金属層とヒートシンクとを積み重ねた状態で面方向に位置決めするガイド枠と、該ガイド枠により位置決めされたパワーモジュール用基板及びヒートシンクを加圧する加圧手段とを備え、前記ガイド枠の内面には、前記金属層の側面部との間に、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合時に流出するフラックスを収納可能な隙間を有しており、前記ガイド枠には、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合部の周縁部に、前記隙間より大きい空間を形成する切欠部が設けられていることを特徴とするヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造装置。
7. 前記隙間が１０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項６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装置。
8. 前記ガイド枠は、カーボン、ＴｉＯ_２又はＳｉＯ_２により形成されていることを特徴とする請求項６又は７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装置。

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