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JP5954371B2 - パワーモジュール用基板及びその製造方法 - Google Patents

パワーモジュール用基板及びその製造方法 Download PDF

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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及びその製造方法に関する。
車載用パワーモジュールには、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板の上に金属板が積層されたパワーモジュール用基板が用いられる。この金属板は、セラミックス基板の両面に積層され、その一方が回路層となり、他方が放熱層となる。回路層には銅板又はアルミニウム板が用いられ、放熱層にはアルミニウム板が用いられるのが一般的である。
例えば、特許文献１及び特許文献２には、セラミックス基板の一方の面に銅板が接合され、他方の面にはアルミニウム板が接合された回路基板が開示されている。この場合、セラミックス基板と銅板とはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の活性金属を用いたろう材により接合され、セラミックス基板とアルミニウム板とはＡｌ−Ｓｉ系ろう材により接合される。
このパワーモジュール用基板を製造する場合は以下のようにして行われる。まず、セラミックス基板の一方の面に、セラミックスと銅板との接合に適するろう材としてＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ等の活性金属ろう材を介して銅板を積層し、所定の圧力で加圧しながら、ろう材が溶融する温度以上に加熱し、これによりセラミックス基板と銅板とを接合する。次に、セラミックス基板の他方の面に、セラミックスとアルミニウム板との接合に適するＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介してアルミニウム板を積層し、所定の圧力で加圧しながら、ろう材が溶融する温度以上に加熱し、これによりセラミックス基板とアルミニウム板とを接合する。
このようなパワーモジュール用基板は、銅板の上にはんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。
特開２００３−１９７８２６号公報 特開２０１３‐２２９５７９号公報
このようなパワーモジュール用基板において、銅板とセラミックス基板との接合に用いられる活性金属ろうはペーストの形態で供給されるが、このろうペーストと銅の母材とによってＡｇ−Ｃｕ溶融ろうを発生させ、この溶融ろうが銅板の表面に染み出して銅板の側面を伝って這い上がる現象が生じる。表面に這い上がった溶融ろうはいわゆるろうシミとなり、外観を損なう問題だけでなく、半導体チップを接合する際に用いるはんだ材の濡れ性の悪化につながることが懸念される。回路層にアルミニウム板を用いる場合も同様に、溶融ろうの這い上がりによるろうシミの問題がある。このろうシミの発生を抑制しようとすると、接合性を損なうおそれがある。
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の接合性を損なうことなく、ろうシミの発生を抑制し、半導体チップのはんだ接合性を高めることを目的とする。
金属板をプレスで打ち抜き作製すると、プレス金型のクリアランスによりバリが発生する。このバリが所定の高さで発生していると、ろうシミの発生を抑制する効果があることがわかった。この場合、バリが生じている側の側面は、表面粗さの大きい破断面となる。このため、この破断面をセラミックス基板に近接させることにより、溶融ろうが這い上がりにくくなるものと考えられる。また、バリによって銅板の周縁がセラミックス基板に強く圧接されることにより、接合面から外部への溶融ろうの流出も抑制されるものと考えられる。これらバリの高さと破断面の厚さとを適切に設定することにより、接合性を損なうことなくろうシミを抑制することができることを見出した。
すなわち、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、プレス加工により打ち抜き成形された金属板をセラミックス基板の一方の面に積層してろう付けにより接合するパワーモジュール用基板の製造方法であって、プレス加工により打ち抜き成形された前記金属板のバリの高さを０．０２１ｍｍ以下とするとともに、破断面の厚さを０．０６８ｍｍ以上とし、前記バリが生じている側の表面をろう材を介在させて前記セラミックス基板の一方の面に重ねるように積層して、これらを積層方向に加圧して前記バリを前記セラミックス基板に押圧した状態でろう付けすることを特徴とする。
この場合、バリの高さが０．０２１ｍｍを超えると、高さのばらつきが大きくなって溶融ろうの一部が流出するおそれがあるとともに、接合時の加圧力が全面的に作用しなくなることにより接合性を損なうおそれがある。また、金属板の側面の破断面の厚さが０．０６８ｍｍ以上形成されることにより、わずかに溶融ろうがはみ出したとしても破断面の表面粗さが大きいことにより這い上がりが防止される。破断面の厚さが０．０６８ｍｍ未満であると、ろうシミの発生を抑制することが困難になる。
バリの高さは、金属板の周縁の複数個所を測定して得られる最大値であり、破断面の厚さは、金属板の側面の複数個所を測定して得られる最小値である。なお、破断面の粗さ曲線要素の平均高さＲｃは５μｍ以上とされている。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、プレス加工により前記金属板を打ち抜き成形する際に、打ち抜いた前記金属板を打ち抜き後のスケルトンの打ち抜き孔内にプッシュバックした後、前記打ち抜き孔から前記金属板を抜き出すとよい。
いわゆるプッシュバックにより金属板を成形することにより、一方向の打ち抜きにより金属板を成形する場合に比べて、バリ及び破断面を適切に制御することができる。したがって、このプッシュバックを適切に設定することにより、バリの高さを０．０２１ｍｍ以下、破断面の厚さを０．０６８ｍｍ以上に容易に制御することができる。
この場合、プッシュバックは、金属板を完全に打ち抜いた後、厚さの全体が打ち抜き孔に嵌合するようにしてもよいし、厚さの一部が嵌合するようにしてもよい。また、金属板の厚さの半分程度を打ち抜く半抜き状態にして、これを再度押し戻すようにしてもよい。
前記金属板は、銅板又はアルミニウム板のいずれも適用することができる。
金属板に銅板を用いる場合は、Ａｇ−Ｔｉ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ等の活性金属ろう材によりセラミックス基板に接合され、金属板にアルミニウム板を用いる場合は、Ａｌ−Ｓｉ系等のろう材により接合される。
本発明によれば、金属板とセラミックス基板との接合性を損なうことなく、金属板の側面に溶融ろうが這い上がる現象が抑制され、ろうシミの発生が抑制され、金属板上に搭載される半導体チップのはんだ接合性も向上する。
本発明の一実施形態のパワーモジュール用基板の側面図である。 金属板の成形工程の一部を（ａ）から（ｃ）の順に示す断面図である。 金属板をセラミックス基板に接合する際の重ね合わせ状態を模式的に示した断面図である。 本発明の製造方法で用いられる加圧治具の例を示す側面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
パワーモジュール用基板１０は、図１に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層となる銅板１２が厚さ方向に積層され、セラミックス基板１１の他方の面に放熱層となるアルミニウム板１３が厚さ方向に積層され、これらがろう材によって接合されている。銅板１２の表面にははんだ付けにより半導体チップ１４が搭載され、アルミニウム板１３にはヒートシンク１５が接合される。
セラミックス基板１１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等により、例えば０．２５ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さに形成される。また、銅板１２は無酸素銅やタフピッチ銅等の純銅又は銅合金により形成され、アルミニウム板１３は純度９９．００％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金により形成されている。これら銅板１２及びアルミニウム板１３の厚さは、例えば０．１ｍｍ〜１０ｍｍとされる。
本実施形態のパワーモジュール用基板１０の好ましい組合せ例としては、例えばセラミックス基板１１が厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ、銅板１２が厚み０．３ｍｍの純銅板、アルミニウム板１３が厚み１．６ｍｍの４Ｎ−アルミニウム板で構成される。
これらセラミックス基板１１、銅板１２及びアルミニウム板１３の接合材としては、セラミックス基板１１と銅板１２との接合には、Ａｇ−Ｔｉ系又はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の活性金属ろう材、例えばＡｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉのろう材が用いられ、セラミックス基板１１とアルミニウム板１３との接合には、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材が用いられる。
以下、これらセラミックス基板１１、銅板１２及びアルミニウム板１３を接合してパワーモジュール用基板１０を製造する方法について説明する。
＜金属板成形工程＞
銅板１２及びアルミニウム板１３は、プレス加工により打ち抜き成形される。いずれも同じ方法であるので、この成形工程においては、銅板１２及びアルミニウム板１３を金属板５０として説明する。
これら金属板５０を形成し得る大きさのコイル状の金属素板５１を用意し、その金属素板５１をコイルから繰り出して間欠的に搬送しながらプレス機に送り込む。プレス機では、図２（ａ）に示すように、金属素板５１を金属板５０の外形に成形するための成形孔６１を有するダイ６２及びパンチ６３と、ダイ６２の成形孔６１内に嵌合したプッシュバック型６４とが設けられている。この図２において符号６５は、ダイの６２表面で金属素板を押さえる板押さえを示す。
そして、図２（ａ）に示すようにダイ６２とパンチ６３との間に金属素板５１が送り込まれると、パンチ６３が下降し、ダイ６２の成形孔６１内のプッシュバック型６４を押し下げながら金属素板５１を図２（ｂ）に示すようにダイ６２の成形孔６１の内周縁との間で打ち抜き、その打ち抜き後、パンチ６３の上昇に追従するようにプッシュバック型６４が上昇して、図２（ｃ）に示すように打ち抜いた金属板５０を元の金属素板５１の打ち抜き孔５２内に押し戻す（この打ち抜き孔５２が形成された後の金属素板５１をスケルトンと称す）。このとき、打ち抜かれた金属板５０は、図２（ｃ）に矢印で示すように、打ち抜き方向とは逆方向に押し上げられるとともに、金属素板（スケルトン）５１の打ち抜き孔５２の内周面と打ち抜かれた金属板５０の外周面とが擦れ合うことによるシェービング作用が生じ、打ち抜きにより金属板５０の外周縁に生じていたバリが、プッシュバック型６４で押し潰されかつ打ち抜き孔５２の内周面で削り取られて、削減する。
金属素板（スケルトン）５１の打ち抜き孔５２に押し戻された金属板５０は、その後、打ち抜き孔５２から抜き出される。
このようにして金属板５０をプレス加工することにより、金属板５０の一方の面（パンチにより押圧された面）の周縁部はだれ面５５となり、他方の面の周縁にはバリ５６が発生する。また、側面において、だれ面側は表面粗さの小さいせん断面５７、バリ５６が発生している側は表面粗さの大きい破断面５８となる。そして、この金属板５０では、バリ５６を金属板５０の周縁の複数個所で測定して得られるバリの高さが０．０２１ｍｍ以下とされ、破断面５８の厚さが０．０６８ｍｍ以上とされる。
なお、金属素板５１から金属板５０を打ち抜く際に、図２（ｂ）に示すように、パンチ６３の先端をダイ６２の成形孔６１内に挿入して金属板５０を金属素板５１から完全に切り離すまで打ち抜いてもよいが、パンチ６３の先端がダイ６２の成形孔６１の開口端まで到達しない段階でパンチ６３の下降を停止し、金属素板５１の板厚の大部分までパンチ６３を食い込ませることによっても金属板５０を金属素板５１から破断することが可能であり、その状態で押し戻すようにしてもよい。
＜銅板接合工程＞
銅板１２を、ペースト又は箔からなる活性金属ろう材を介在させてセラミックス基板１１の一方の面に積層する。このとき、金属板成形工程においてバリが発生している側の表面をセラミックス基板１１の表面に重ね合わせる。図に前述した金属板５０をセラミックス基板１１に積層する状態を模式的に示しており、金属板５０のバリ５６が生じている面をセラミックス基板１１のろう材層５９に重ね合わせる。
そして、この積層体４０をカーボングラファイト等からなる板状のクッションシート３０の間に挟んだ状態として、複数組積み重ね、図３に示すような加圧治具１１０によって積層方向に例えば０．０５ＭＰａ〜１．０ＭＰａで加圧した状態とする。
この加圧治具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、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体４０が配設される。
そして、この加圧治具１１０により積層体４０を加圧した状態で、加圧治具１１０ごと加熱炉（図示略）内に設置し、真空雰囲気中で８００℃以上９３０℃以下の温度で１分〜６０分加熱することによりセラミックス基板１１と銅板１２とをろう付けする。
このろう付けは、活性金属ろう材を用いた接合であり、ろう材中の活性金属であるＴｉがセラミックス基板１１に優先的に拡散してＴｉＮを形成し、Ａｇ−Ｃｕ合金を介して銅板１２とセラミックス基板１１とを接合する。
＜アルミニウム板接合工程＞
銅板１２を接合した後のセラミックス基板１１の銅板接合面とは反対面を必要に応じて酸洗等により清浄にした後、その表面にろう材を介在させた状態でアルミニウム板１３を積層し、この積層体を前述したクッションシート３０の間に挟んだ状態として複数組積み重ね、加圧治具１１０により積層方向に例えば０．３ＭＰａ〜１．０ＭＰａで加圧した状態とする。このときも、アルミニウム板１３のバリ５６が発生している側の表面をセラミックス基板１１に重ね合わせる。
そして、この加圧治具１１０により積層体を加圧した状態で、加圧治具１１０ごと加熱炉（図示略）内に設置し、真空雰囲気中で６３０℃以上６５０℃以下の温度で１分〜６０分加熱することによりセラミックス基板１１とアルミニウム板１３とをろう付けする。
このようにして製造されるパワーモジュール用基板１０は、銅板１２及びアルミニウム板１３が、バリ５６が生じていた面をセラミックス基板１１に向けて接合されるので、それぞれの接合工程において、バリ５６の部分が強く押圧され、接合材であるろう材が溶融時に接合界面から外部に流出することがバリ５６によって妨げられるとともに、一部の溶融ろうが外部に流出したとしても銅板１２及びアルミニウム板１３の切断時の破断面５８がセラミックス基板１１の表面に接触するように配置されているため、この破断面５８を溶融ろうが這い上がることが抑制される。このため、銅板１２及びアルミニウム板１３の接合面とは反対側の表面にろうシミが生じることを防止することができる。
したがって、特に回路層となる銅板１２の表面のろうシミが抑制されることから、その上に搭載される半導体チップ１４のはんだ接合性を向上させることができる。なお、バリの高さを０．０２１ｍｍ以下に抑えているので、銅板１２及びアルミニウム板１３とセラミックス基板１１との間の接合性を損なうこともない。
次に、本発明の効果を確認するために行った確認実験について説明する。
セラミックス基板として３０ｍｍ四方の矩形状で、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム板と、銅板として２７ｍｍ四方の矩形状で厚さ０．３ｍｍの打抜き無酸素銅板を用いた。プレス方式として表１に示すように、プッシュバックによるもの、プッシュバックしないで１回で打抜いたものの両方の試料を作製した。また、プッシュバックによる打抜きの場合は半抜き状態まで打ち抜いて押し戻した。その半抜き量を表１に示す。なお、表１においてプレス方式の欄で示した上向き矢印は、上の欄に記載の方法と同じであることを示す。
そして、打ち抜いた銅板の側面形状を観察し、レーザー顕微鏡にて破断面の最小厚さを測定し、５個の試料から平均値を算出した。また、銅板のバリ面側表面を観察し、レーザー顕微鏡で最大バリ高さを測定し、５個の試料から平均値を算出した。
そして、窒化アルミニウム板の表面にＡｇ−８．８質量％Ｔｉからなるろう材層を形成した。なお、ろう材は銅板に対し全周が０．２ｍｍ程大きくなるように形成した。銅板のバリが生じている側を窒化アルミニウム板のろう材層の表面に重ねてこれら部材を積層し、１ｋｇｆ／ｃｍ２（約０．１ＭＰａ）の圧力で加圧したまま、８３０℃で３０分保持した。
ここでろうシミは、接合界面から側面をつたって銅板の表面上に廻り込み形成されたＡｇ−Ｃｕ溶融液相が凝固したものであり、厚さが５μｍ未満であるため、表面上の凹凸としては測定できない。このため、肉眼で把握できる銅板の周縁から幅１ｍｍ以上のシミをろうシミとしてカウントし、その発生率が０％であれば〇、ろうシミが少しでも認められたものは×とした。
また、銅板とセラミックス板との接合性については、超音波画像測定機により、銅板とセラミックス板との接合界面を観察して、接合界面におけるボイド（空孔）の面積を測定し、接合すべき面積（銅板の面積）に対するボイドの合計面積をボイド率として算出し、ボイド率が２％未満であったものを〇、２％を超えるものを×とした。
これらの結果を表１に示す。
Figure 0005954371
表１から明らかなように、銅板のバリの高さが０．０２１ｍｍ以下であると接合性が良好であり、破断面の厚さが０．０６８ｍｍ以上であると、ろうシミの発生が押さえられた。
なお、本発明は、上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。
実施形態では、回路層を銅板、放熱層をアルミニウム板としたが、この組み合わせに限定されるものではない。回路層及び放熱層ともに同種の金属板、例えばアルミニウム板とすることも可能である。その場合は、セラミックス基板の両面に対して金属板を１回の接合工程で接合することが可能である。
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 銅板
１３ アルミニウム板
１４ 半導体チップ
１５ ヒートシンク
４０ 積層体
３０ クッションシート
５０ 金属板
５１ 金属素板
５２ 打ち抜き孔
５５ だれ面
５６ バリ
５７ せん断面
５８ 破断面
５９ ろう材層
６１ 成形孔
６２ ダイ
６３ パンチ
６４ プッシュバック型
６５ 板押さえ
１１０ 加圧治具
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

Claims (3)

  1. プレス加工により打ち抜き成形された金属板をセラミックス基板の一方の面に積層してろう付けにより接合するパワーモジュール用基板の製造方法であって、プレス加工により打ち抜き成形された前記金属板のバリの高さを０．０２１ｍｍ以下とするとともに、破断面の厚さを０．０６８ｍｍ以上とし、前記バリが生じている側の表面をろう材を介在させて前記セラミックス基板の一方の面に重ねるように積層して、これらを積層方向に加圧して前記バリを前記セラミックス基板に押圧した状態でろう付け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。
  2. 前記プレス加工により前記金属板を打ち抜き成形する際に、打ち抜いた前記金属板を打ち抜き後のスケルトンの打ち抜き孔内にプッシュバックした後、前記打ち抜き孔から前記金属板を抜き出すことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
  3. 前記金属板は銅板又はアルミニウム板であることを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
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