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JP6550971B2 - 接合体の製造方法、多層接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

接合体の製造方法、多層接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 Download PDF

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JP6550971B2 JP2015130973A JP2015130973A JP6550971B2 JP 6550971 B2 JP6550971 B2 JP 6550971B2 JP 2015130973 A JP2015130973 A JP 2015130973A JP 2015130973 A JP2015130973 A JP 2015130973A JP 6550971 B2 JP6550971 B2 JP 6550971B2
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manufacturing
heat sink
temporary fixing
module substrate
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智哉 大開
宗太郎 大井
宗太郎 大井
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仁人 西川
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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用のパワーモジュール用基板を製造するために用いられる複数部材からなる接合体の製造方法、多層接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関する。
従来、パワーモジュール用基板として、セラミックス基板の一方の面に回路板が積層状態に接合されるとともに、他方の面に放熱板が積層状態に接合されたものが知られている。このパワーモジュール用基板は、回路板の上に半導体チップ（パワー素子）等の電子部品がはんだ付けされ、放熱板にヒートシンクが接合されることにより、パワーモジュールとして供される。
このようなパワーモジュール用基板において、セラミックス基板に回路板や放熱板となる金属板を積層状態に接合する方法として、たとえば特許文献１又は２に記載の技術がある。
特許文献１には、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層とを備えたパワーモジュール用基板の製造方法が開示されている。このパワーモジュール用基板の製造方法においては、絶縁層の一方の面にアルミニウム層を配設した後に、そのアルミニウム層に銅層を積層して回路層を形成する回路層形成工程を備えており、アルミニウム層と銅層とを、荷重を負荷した状態で加熱保持することにより固相拡散接合している。
特許文献２では、金属平板の片面に樹脂コーティング層（有機物樹脂としてオクタンジオールを含有）を介してろう材箔を貼り付けておき、これら金属平板とろう材箔とを重ね合わせたものを回路層の外形に打ち抜き成形して、回路層に貼り付けられたろう材箔をセラミックス平板に重ね合わせることにより、ろう材箔を介して回路層とセラミックス平板とを積層して接合している。
特開２０１３‐２２９５４５号公報 特開２０１０‐１０５６１号公報
特許文献１に記載のパワーモジュール用基板の製造方法では、絶縁層にアルミニウム層を接合した後に銅層を積層しているが、アルミニウム層と銅層とを直接積層するだけでは、加圧治具への組込や加圧の際に、これら金属同士が横方向に滑り、位置ずれが発生しやすい（横ずれ）。また、特許文献２に記載の方法のようにオクタンジオールを使用する場合では、オクタンジオールが常温では液体であることから、密着性を十分に確保できずに横ずれを生じるおそれがある。さらに、部材間における横ずれの問題は、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを積層する際（金属同士の積層）や、セラミックス基板等の絶縁層と金属との積層時にも起こりうる。
そして、この部材間で生じる横ずれによる積層位置精度の悪化は、放熱性能の低下（熱抵抗の増加）につながることから、位置ずれ防止の技術が望まれる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、金属板同士及び金属板とセラミックス板とを接合する際に、各部材の接合面同士の位置ずれを防止し、これらの接合体を効率的に製造できる接合体の製造方法を提供するとともに、これをパワーモジュール用基板に応用したパワーモジュール用基板の製造方法の提供を目的とする。
本発明は、金属板からなる第１部材と、１つ以上の金属板又はセラミックス板を含む第２部材とのいずれかに、飽和脂肪酸を主成分とする仮止め材を塗布しておき、前記仮止め材を溶融させた状態で前記仮止め材を介して前記第１部材と前記第２部材とを積層して位置合わせし、前記仮止め材を冷却することにより、積層された前記第１部材と前記第２部材とを仮止めした積層体を形成する積層工程と、前記積層体を積層方向に加圧して加熱することにより、前記第１部材と前記第２部材とを接合した接合体を形成する接合工程とを有し、前記接合工程では、前記仮止め材は加熱の初期段階で分解されて消失する。
この製造方法においては、飽和脂肪酸を主成分とする仮止め材により第１部材と第２部材とを仮止めするので、その後の接合工程においても、第１部材と第２部材とがずれることなく位置決めされた状態に保持される。したがって、その後の取り扱いを容易にして生産性が向上するとともに、各部材を正確に位置決めした状態で接合できる。
常温で固体の飽和脂肪酸を用いた仮止め材は、加熱により溶融して液化する。このため、第１部材と第２部材との積層後に、常温に冷却することにより仮止め材を固化させ、第１部材と第２部材とを容易に接着できる。また、接合工程においては、飽和脂肪酸は接合温度より十分低い温度にて速やかに分解されるので、第１部材と第２部材との接合面に影響を及ぼすこともない。
さらに、飽和脂肪酸は、液化された溶融状態では流動性が高く、第１部材と第２部材とを重ね合せることでこれらの間で速やかに濡れ広がり、密着させた状態で良好な接合性を維持できる。
したがって、金属板同士及び金属板とセラミックス板等により構成される第１部材と第２部材とを接合する際に、各部材の接合面同士の位置ずれを防止でき、これらの接合体を効率的に製造できる。
本発明の接合体の製造方法において、前記仮止め材の前記飽和脂肪酸は、炭素数が１０以上３０以下であるとよい。
炭素数１０未満では常温で液体となるため取り扱い性が悪く、３０を超えると融点が高くなるため、第１部材や第２部材への塗布作業性が悪くなる。炭素数が１０以上３０以下の飽和脂肪酸は、融点が３２℃〜９４℃程度であり、常温で固化した状態であるが、比較的低い加熱温度で液化させることが可能であるため、取り扱い性に優れる。
炭素数が１０以上３０以下とされる飽和脂肪酸としては、例えば炭素数１０のカプリン酸、炭素数１２のラウリン酸、炭素数１４のミリスチン酸、炭素数１６のパルミチン酸、炭素数１８のステアリン酸、炭素数３０のメリシン酸等が挙げられる。なお、これらの飽和脂肪酸は安価であり、入手も容易であるという利点もある。
本発明の接合体の製造方法において、前記第１部材又は前記第２部材のいずれかの表面に接合材層が形成されており、前記積層工程において前記接合材層および前記仮止め材を介して前記第１部材と前記第２部材とを積層するとよい。
前述した接合体の製造方法を適用した本発明に係る多層接合体の製造方法は、前記接合工程前に、前記積層工程により形成された前記積層体に金属板からなる第３部材を仮止めする第２積層工程を有し、前記第２積層工程において、前記積層体又は前記第３部材のいずれかに、前記仮止め材よりも低融点の飽和脂肪酸を主成分とする第２仮止め材を塗布しておき、前記積層体と前記第３部材とを積層する際に前記仮止め材の溶融温度よりも低い温度で前記第２仮止め材を溶融させ、前記積層体と前記第３部材とを位置合わせして積層した後に前記第２仮止め材を冷却することにより、前記積層体と前記第３部材とを仮止めした第２積層体を形成し、前記接合工程において、前記第２積層体をその積層方向に加圧して加熱することにより、前記第１部材と前記第２部材とを接合した前記接合体に対してさらに前記第３部材を接合した多層接合体を形成する。
本発明の多層接合体の製造方法においても、前記仮止め材の飽和脂肪酸は、炭素数が１０以上３０以下であるとよい。また、前記第１部材又は前記第２部材のいずれかの表面に接合材層が形成されており、前記積層工程において前記接合材層および前記仮止め材を介して前記第１部材と前記第２部材とを積層してもよい。さらに、前記積層体又は前記第３部材のいずれかの表面に第２接合材層が形成されており、前記第２積層工程において前記第２仮止め材および前記第２接合材層を介して前記積層体と前記第３部材とを積層するとよい。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、前述の多層接合体の製造方法を適用したヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記第１部材を銅又はアルミニウムからなる回路板とし、前記第２部材を、セラミックス板の両面にアルミニウム金属層を積層してなるセラミックス基板とし、前記第３部材を銅又はアルミニウムからなるヒートシンクとし、前記接合工程において、前記第１部材と一方の前記第２部材の前記アルミニウム金属層の一方とを接合するとともに、前記第２部材前記アルミニウム金属層の他方と前記第３部材とを接合して、前記多層接合体としてヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成する。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述の接合体の製造方法を適用したパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記第１部材を銅回路板とし、前記第２部材を、セラミックス板の両面にアルミニウム金属層を積層してなるセラミックス基板とし、前記接合工程において前記第２部材の前記アルミニウム金属層の一方と前記第１部材とを接合して、前記接合体としてパワーモジュール用基板を形成する。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、前述の接合体の製造方法を適用したヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記第１部材を銅又はアルミニウムからなるヒートシンクとし、前記第２部材を、セラミックス板の両面に金属層を積層してなるパワーモジュール用基板とし、前記接合工程において前記第２部材の前記金属層の一方と前記第１部材とを接合して、前記接合体としてヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成する。
このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、前記積層工程の前に、前記接合材層を、前記第１部材または前記第２部材のいずれかの表面に接合材層用仮止め材によって仮止めし、前記積層工程において、前記仮止め材は、前記接合材層が形成されていない前記第１部材または前記第２部材のいずれかに塗布してもよい。
本発明の製造方法を実施するために好適な積層体の製造装置は、金属板からなる第１部材と、少なくとも１つの金属板又はセラミックス板を含む第２部材とを、これら第１部材および第２部材のいずれか一方の上に形成された飽和脂肪酸を主成分とする仮止め材により、前記第１部材と前記第２部材とを重ね合せた状態に仮止めする積層体の製造装置であって、前記第１部材又は前記第２部材のうち前記仮止め材が形成された一方を他方の上に搬送して、前記第１部材と前記第２部材とを積層する積層手段と、前記第１部材と前記第２部材とを積層する際の前記仮止め材を溶融する加熱手段とを備えるとよい。
常温で固体の飽和脂肪酸を用いた仮止め材は、加熱により溶融するので、第１部材と第２部材とを積層する際に加熱状態とすることが必要である。このため、第１部材と第２部材とを積層する際に仮止め材を加熱する加熱手段を設けることで、効率的に第１部材と第２部材とを固定できる。
また、積層体の製造装置は、金属板からなる第１部材と、少なくとも１つの金属板又はセラミックス板を含む第２部材とを、これら第１部材および第２部材のいずれか一方の上に形成された飽和脂肪酸を主成分とする仮止め材により、前記第１部材と前記第２部材とを重ね合せた状態に仮止めする積層体の製造装置であって、前記第１部材または前記第２部材のうち前記仮止め材が形成された一方の上に他方を搬送して、前記第１部材と前記第２部材とを積層する積層手段と、前記第１部材と前記第２部材とを積層する際に前記仮止め材を溶融する加熱手段とを備えるものとしてもよい。
仮止め材の主成分である飽和脂肪酸は、液化された溶融状態では流動性が高いことから、仮止め材を形成した一方の板を搬送する場合には、溶融状態の仮止め材が接着箇所以外の不用な位置に付着することを防止するために、両部材を積層する直前まで仮止め材は固化させた状態とすることが望ましい。そこで、本発明の接合体の製造装置では、仮止め材を形成した一方の板ではなく、他方の板を搬送することにより、仮止め材が形成された一方の板を静止状態とすることができるので、仮止め材が不用な位置に付着することを防止できる。したがって、効率的に第１部材と第２部材とを固着できる。
上記の積層体の製造装置において、前記第１部材と前記第２部材との積層後に前記仮止め材を冷却する冷却手段を備えるとよい。
溶融状態の仮止め材を自然冷却によって固化させることで、第１部材と第２部材とを接着状態とすることができるが、冷却手段により積極的に冷却することで、第１部材と第２部材とを位置合わせした状態を即時に確定させることができる。
本発明によれば、金属板同士及び金属板とセラミックス板とを接合する際に、各部材の接合面同士の位置ずれを防止できるので、これらの接合体を効率的に製造できる。
本発明の第１実施形態において製造されるパワーモジュール用基板の断面図である。 図１のパワーモジュール用基板の製造工程を模式的に示した断面図である。 本発明に係る積層体の製造装置を説明する模式図である。 本発明の第２実施形態の製造方法を説明する模式図である。 本発明の第３実施形態の製造方法を説明する模式図である。 本発明の第４実施形態の製造方法を説明する模式図である。 本発明の第５実施形態の製造方法を説明する模式図である。
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態において製造されるパワーモジュール用基板１０を示している。
このパワーモジュール用基板（本発明の接合体）１０は、銅回路板（本発明の第１部材）３０と、セラミックス板２１の両面にアルミニウム金属層２２，２３を積層したセラミックス基板（本発明の第２部材）２０とを備え、セラミックス基板２０の一方のアルミニウム金属層２２と銅回路板３０とが接合されている。この場合、セラミックス基板２０のセラミックス板２１、アルミニウム金属層２２，２３及び銅回路板３０は矩形平面状に形成されている。
パワーモジュール用基板１０には、銅回路板３０の表面に半導体チップ等の電子部品６０がはんだ付けされ、銅回路板３０と反対側に配置されるアルミニウム金属層２３にヒートシンク５０が接合され、パワーモジュールとされる。
セラミックス板２１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを母材として矩形状に形成されている。セラミックス板２１の厚さは０．１２５ｍｍ〜１．０ｍｍとされる。
アルミニウム金属層２２，２３は、純度９９．９０％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金（単にアルミニウムと称す）により形成され、厚さ０．１ｍｍ〜３．０ｍｍで、通常はセラミックス板２１より小さい矩形の平板状に形成される。このアルミニウム金属層２２，２３は、セラミックス板２１にＡｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材を接合材として接合される。
銅回路板３０は、無酸素銅やタフピッチ銅等の純銅又は銅合金（本発明では単に銅と称す）により形成されている。銅回路板３０の厚さは０．１ｍｍ〜５．０ｍｍとされる。この銅回路板３０は、後述するように、固相拡散接合によりセラミックス基板２０のアルミニウム金属層２２と接合される。
次に、このように構成されるパワーモジュール用基板１０の製造に用いられる積層体の製造装置９０（図３参照）について説明する。
積層体の製造装置９０は、飽和脂肪酸を主成分とする仮止め材４０が形成された銅回路板（本発明の第１部材）３０を、セラミックス基板（本発明の第２部材）２０のアルミニウム金属層２２に仮止めした積層体８０を製造する。
本実施形態の積層体の製造装置９０は、図３に示すように、セラミックス基板２０を載置する基台９１と、仮止め材４０が形成された銅回路板３０を基台９１上に載置されたセラミックス基板２０上に搬送するとともに、セラミックス基板２０と位置合わせして銅回路板３０とセラミックス基板２０とを積層する積層手段９５と、銅回路板３０とセラミックス基板２０とを積層する際の仮止め材４０を溶融する加熱手段９６とを備える。
基台９１には、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、セラミックス基板２０の載置面に、セラミックス基板２０の側面を囲むように複数のガイドピン９２が間隔をおいて立設されており、これらガイドピン９２で囲まれた領域にセラミックス基板２０を載置することにより、セラミックス基板２０が基台９１上で位置決めされるようになっている。
積層手段９５は、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、例えばｘｙｚ軸方向に移動可能に設けられた積層用ピックアップシリンダにより構成できる。この積層手段９５は、付着面３０ａを下向きにした状態の銅回路板３０を、セラミックス基板２０が載置された基台９１上まで搬送し、銅回路板３０の付着面３０ａを基台９１上のセラミックス基板２０に重ねることにより、銅回路板３０とセラミックス基板２０とを積層する。具体的には、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、銅回路板３０の付着面３０ａとは反対側の上面を積層手段９５によってエアー吸着することにより、銅回路板３０を搬送する。
加熱手段９６は、図３Ａに示すように、例えばラバーヒータにより構成できる。このラバーヒータ（加熱手段）９６に銅回路板３０の付着面３０ａを対面させて配置することにより、付着面３０ａの仮止め材４０を加熱して溶融させることができる。
積層手段９５には、銅回路板３０の搬送時において、仮止め材４０の溶融状態を観測するための測温手段９７が備えられている。測温手段９７によって銅回路板３０の温度を測定することにより、加熱手段９６による銅回路板３０の加熱時、銅回路板３０とセラミックス基板２０との積層前後の各タイミングにおける仮止め材４０の溶融状態を確認できる。測温手段９７としては、例えば赤外線放射温度計が用いることができ、本実施形態では、積層手段９５に保持された銅回路板３０の温度を測定する。
積層体の製造装置９０には、銅回路板３０とセラミックス基板２０との積層後に、これらを冷却する冷却手段９８が設けられている。冷却手段９８は、図３Ｃに示すように、例えばエアーを吹き付ける冷却ノズルにより構成でき、積層手段９５に設けられている。
次に、上述した積層体の製造装置９０を用いて積層体８０を形成し、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。
（仮止め材塗布工程）
まず、銅回路板（第１部材）３０の片面に、図２Ａに示すように、飽和脂肪酸を主成分とする仮止め材４０を塗布する。この仮止め材４０には、炭素数１０以上３０以下とされ、常温（２５℃）で固体であり、比較的低融点で液体へと相変態する飽和脂肪酸が好適に用いられる。炭素数１０未満では常温で液体となるため取り扱い性が悪く、３０を超えると融点が高くなるため、銅回路板３０への塗布作業性が悪くなるためである。一方、炭素数が１０以上３０以下とされる飽和脂肪酸は、融点が３２℃〜９４℃程度とされ、常温で固化した状態とされるが、比較的低い加熱温度で液化させることが可能であるため、取り扱い性に優れる。
炭素数が１０以上３０以下とされる飽和脂肪酸としては、例えば炭素数１０のカプリン酸、炭素数１２のラウリン酸、炭素数１４のミリスチン酸、炭素数１６のパルミチン酸、炭素数１８のステアリン酸、炭素数３０のメリシン酸等が挙げられる。なお、これらの飽和脂肪酸は安価であり、入手も容易であるという利点もある。
仮止め材４０の銅回路板３０への塗布作業は、図示は省略するが、例えばホットシリンダを用いて行われる。ホットシリンダにおいて仮止め材４０を加温して溶融状態とし、その溶融状態の仮止め材４０を銅回路板３０の表面における隅部等の複数箇所に滴下する。そして、銅回路板３０に滴下した仮止め材４０を一旦常温まで冷却して固化させることにより、仮止め材４０が付着した銅回路板３０を形成する。
（積層工程）
次に、図２Ｂに示すように、予め仮止め材４０を塗布した銅回路板３０と、セラミックス基板２０のアルミニウム金属層２２とを重ね合せた状態として、この仮止め材４０によって銅回路板３０とセラミックス基板２０とを仮止めする。
銅回路板３０は、積層手段９５により基台９１上に搬送され（図３Ａ，３Ｂ）、基台９１に位置決め状態に載置されたセラミックス基板２０のアルミニウム金属層２２に重ねられる（図３Ｃ）。
銅回路板３０の搬入時には、塗布された仮止め材４０は固化している。積層手段９５による銅回路板３０の搬送経路の途中で、銅回路板３０の付着面３０ａをラバーヒータ９６に対面させて加熱することで、仮止め材４０を溶融させることができる。
そして、仮止め材４０が溶融した状態で、図２Ｂ及び図３Ｃに示すように、銅回路板３０をセラミックス基板２０に積層する。この際、銅回路板３０に付着した仮止め材４０は、セラミックス基板２０と積層されることにより、銅回路板３０とアルミニウム金属層２２との間で薄く延ばされて層状となり密着する。そして、仮止め材４０は、加熱されていないアルミニウム金属層２２に接触することにより冷却され、固化する。これにより、銅回路板３０とセラミックス基板２０とを正確に位置決めした状態で固着（仮止め）した積層体８０が得られる。
なお、仮止め材４０は、上述したように自然冷却によって固化させることもできるが、図３Ｃに示すように冷却手段９８により積極的に冷却して固化させることもできる。この場合、銅回路板３０とセラミックス基板２０とを位置合わせした状態を即時に確定させることができ、作業性を一層向上させることができる。
（接合工程）
そして、図２Ｃに示すように、銅回路板３０とセラミックス基板２０とが仮止めされた積層体８０をその積層方向に加圧し、銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱することにより、銅回路板３０とセラミックス基板２０のアルミニウム金属層２２とを、銅とアルミニウムとを相互に拡散させて固相拡散接合により接合し、パワーモジュール用基板１０を製造できる。具体的には、真空雰囲気中で、荷重０．３ＭＰａ〜１０ＭＰａ、加熱温度４００℃以上５４８℃未満で、５分〜２４０分保持することにより、銅回路板３０とセラミックス基板２０のアルミニウム金属層２２とを接合できる。なお、仮止め材４０は、この加熱の初期の段階で分解されて消失する。
このように、本実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法においては、接合工程の前に、積層工程において銅回路板（第１部材）３０とセラミックス基板２０とを仮止め材４０により仮止めした積層体８０を形成しておくので、その後の接合工程において銅回路板３０とセラミックス基板２０との位置ずれが生じることが防止され、銅回路板３０をセラミックス基板２０の所定位置に正確に位置決めした状態で接合できる。
したがって、パワーモジュール用基板１０を効率的に製造でき、生産性を向上させることができる。
前述の第１実施形態では、銅回路板３０に仮止め材４０を塗布しておき、その銅回路板４０を搬送してセラミックス基板２０のアルミニウム金属層２２に重ね合せるようにしていたが、セラミックス基板２０のアルミニウム金属層２２に仮止め材４０を塗布しておき、銅回路板３０を重ね合せるようにしてもよい。
この場合において、仮止め材４０を塗布したアルミニウム金属層２２の上に加熱した銅回路板３０を重ねることで、銅回路板３０の熱で仮止め材４０を溶融させて、銅回路板３０とアルミニウム金属層２２とを密着させた状態とすることができる。そして、その後にアルミニウム金属層２２によって仮止め材４０が冷却されて固化し、銅回路板３０とアルミニウム金属層２２とを固着させることができる。
この場合、仮止め材４０を形成したセラミックス基板２０ではなく、銅回路板３０を搬送することにより、仮止め材４０が形成されたセラミックス基板２０を静止状態とすることができる。これにより、溶融状態の仮止め材４０が接着箇所以外の不用な位置に付着することを防止できるので、効率的に銅回路板３０とセラミックス基板２０とを固着できる。
なお、仮止め材４０を塗布したセラミックス基板２０を積層手段９５によって吸着して、銅回路板３０が載置された基台９１上まで搬送し、この銅回路板３０にセラミックス基板２０を重ね合せることもできる。
また、第１実施形態では、銅回路板３０に滴下した仮止め材４０を一旦常温まで冷却して固化させておき、銅回路板３０をセラミックス基板２０に積層する際に加温して仮止め材４０を再溶融させることにより、銅回路板３０とセラミックス基板２０とを仮止めしていたが、銅回路板３０に滴下した仮止め材４０が冷却される前にセラミックス基板２０と重ね合せて、接着することも可能である。
図４は、本発明の第２実施形態を示しており、図４Ｃは、本発明により製造されるパワーモジュール用基板（本発明の接合体）１１を示している。このパワーモジュール用基板１１は、アルミニウム金属層（本発明の第１部材）３２と、このアルミニウム金属層３２に接合されたセラミックス板（本発明の第２部材）２５とを備える。この場合、アルミニウム金属層３２及びセラミックス板２５は、矩形平面状に形成されている。
このように構成されるパワーモジュール用基板１１を製造するには、アルミニウム金属層３２の片面に、図４Ａに示すように、超音波接合等により、ろう材箔を貼り付けた状態としておき、このろう材箔により接合材層３３を予め形成しておく。また、接合材層３３の表面に、第１実施形態における積層工程と同様に、飽和脂肪酸を主成分として含む仮止め材４１を塗布しておく。そして、仮止め材４１を溶融させた状態でアルミニウム金属層３２とセラミックス板２５とを接合材層３３を介して重ね合せることにより、溶融した仮止め材４１がセラミックス板２とアルミニウム金属層３２の接合材層３３との間で薄く延ばされて層状となり、セラミックス板２５とアルミニウム金属層３２とが密着する。次いで、セラミックス板２５とアルミニウム金属層３２とを位置決めした状態で仮止め材４１を冷却することにより、セラミックス板２５とアルミニウム金属層３２とが仮止めされた積層体８３を形成する（積層工程）。
そして、第１実施形態と同様に、セラミックス板２５とアルミニウム金属層３２との積層体を積層方向に加圧し、真空中で加熱することにより、セラミックス板２５とアルミニウム金属層３２とをその間に介在させた接合材層３３によりろう付けして、パワーモジュール用基板１１を製造できる（接合工程）。
なお、第２実施形態では、アルミニウム金属層３２の接合材層３３の表面に仮止め材４１を付着させていたが、セラミックス板２５の表面に仮止め材４１を付着させておくこともできる。
図５は、本発明の第３実施形態を示しており、図５Ｃは、本発明により製造されるヒートシンク付パワーモジュール用基板（本発明の接合体）１２を示している。このヒートシンク付パワーモジュール用基板１２は、ヒートシンク（本発明の第１部材）５１と、セラミックス板３６の両面にアルミニウム金属層３７，３８をろう付けしたパワーモジュール用基板（本発明の第２部材）３５とを備え、パワーモジュール用基板３５の一方のアルミニウム金属層３８とヒートシンク５１とを接合することにより製造される。ヒートシンク５１は、純度９９．９０％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金（単にアルミニウムと称す）により、矩形平板状に形成される。
このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板１２を製造するには、パワーモジュール用基板３５のアルミニウム金属層３８又はヒートシンク５１のいずれか一方に接合材層５５を予め形成しておく。接合材層５５としては、例えば３００３系アルミニウム合金板の両面にＡｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系ろう材を積層することにより三層に形成したクラッド材を採用できる。
図５Ａに示すように、アルミニウム金属層３８の表面に、飽和脂肪酸を主成分として含む接合材層用仮止め材４４を塗布しておき、その接合材層用仮止め材４４を溶融させた状態で接合材層５５を重ねることにより、接合材層用仮止め材４４を介してアルミニウム金属層３８と接合材層５５とを密着させる。そして、アルミニウム金属層３８と接合材層５５とを位置決めした状態で接合材層用仮止め材４４を冷却することにより、これらアルミニウム金属層３８と接合材層５５とを接着（仮止め）する。
さらに、ヒートシンク５１の表面にも接合材層用仮止め材４４と同じ仮止め材４２を塗布しておき、その仮止め材４２を溶融させた状態でヒートシンク５１上に、接合材層５５が接着されたパワーモジュール用基板３５を重ね合せることにより、パワーモジュール用基板３５とヒートシンク５１と密着させる。そして、これらパワーモジュール用基板３５とヒートシンク５１とを位置決めした状態で仮止め材４２を冷却することにより、パワーモジュール用基板３５とヒートシンク５１とを仮止めした積層体８４を形成する（積層工程）。
この積層体８４（パワーモジュール用基板３５およびヒートシンク５１）を積層方向に加圧した状態で窒素雰囲気中、大気圧下で加熱することにより、パワーモジュール用基板３５とヒートシンク５１とをその間に介在させた接合材層５５によりろう付けして、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１２を製造する（接合工程）。
図６は、本発明の第４実施形態を示しており、図６Ｃは、本発明により製造されるヒートシンク付パワーモジュール用基板（本発明の接合体）１３を示している。このヒートシンク付パワーモジュール用基板１３は、ヒートシンク（本発明の第１部材）５２と、セラミックス板４６の両面にアルミニウム金属層４７，４８をろう付けしたパワーモジュール用基板（本発明の第２部材）４５とを備え、パワーモジュール用基板４５の一方のアルミニウム金属層４８とヒートシンク５２とを接合することにより製造される。また、ヒートシンク５２は、純銅又は銅合金（単に銅と称す）により、矩形平板状に形成される。
このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板１３を製造するには、図６Ａに示すように、パワーモジュール用基板４５に、飽和脂肪酸を主成分として含む仮止め材４３を塗布しておき、その仮止め材４３を溶融させた状態でヒートシンク５２を重ねることにより、仮止め材４３を介してパワーモジュール用基板４５とヒートシンク５２とを密着させる。そして、パワーモジュール用基板４５とヒートシンク５２とを位置決めした状態で仮止め材４３を冷却することにより、これらパワーモジュール用基板４５とヒートシンク５２とを仮止め材４３により固着して仮止めした積層体８５を形成する（積層工程）。
第１実施形態と同様に、パワーモジュール用基板４５とヒートシンク５２とが仮止めされた状態で積層体８５をその積層方向に加圧し、銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱することにより、パワーモジュール用基板４５のアルミニウム金属層４８とヒートシンク５２とを、銅とアルミニウムとを相互に拡散させて固相拡散接合により接合し、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３を製造する（接合工程）。
図７は、本発明の第５実施形態を示しており、図７Ｄは、本発明により製造されるヒートシンク付パワーモジュール用基板（本発明の多層接合体）１４を示している。このヒートシンク付パワーモジュール用基板１４は、銅回路板（本発明の第１部材）７０と、セラミックス板７１の両面にアルミニウム金属層７２，７３を積層したセラミックス基板（本発明の第２部材）７５と、ヒートシンク（本発明の第３部材）５３とを備え、セラミックス基板７５の一方のアルミニウム金属層７２と銅回路板７０とを接合するとともに、他方のアルミニウム金属層７３とヒートシンク５３とを接合することにより製造される。ヒートシンク５３は、純銅又は銅合金（単に銅と称す。）により、矩形平板状に形成される。
このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板１４を製造するには、まず、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、銅回路板７０に、飽和脂肪酸を主成分として含む仮止め材８１を塗布しておき、その仮止め材８１を溶融させた状態でセラミックス基板７５を重ねることにより、仮止め材８１を介してセラミックス基板７５と銅回路板７０とを密着させる。そして、セラミックス基板７５と銅回路板７０とを位置決めした状態で仮止め材８１を冷却することにより、これらセラミックス基板７５と銅回路板７０とを仮止め材８１により固着して仮止めした積層体７６を形成する（積層工程）。
なお、仮止め材８１は、銅回路板７０ではなく、セラミックス基板７５（アルミニウム金属層７２）の表面に付着させておくこともできる。
次に、図７Ｂ及び図７Ｃに示すように、積層工程において形成されたセラミックス基板７５と銅回路板７０とを仮止めした積層体７６を、仮止め材８１よりも低融点の不飽和脂肪酸を主成分とする第２仮止め材８２によりヒートシンク（本発明の第３部材）５３に仮止めする（第２積層工程）。例えば、仮止め材８１としてステアリン酸（炭素数１８、融点約７０℃）を主成分とするものを用いた場合には、第２仮止め材８２としては、ステアリン酸よりも十分に融点が低いラウリン酸（炭素数１２、融点約４４℃）を主成分とするものを好適に用いることができる。
この積層体７６とヒートシンク５３とを積層する際には、積層体７６のアルミニウム金属層７３に第２仮止め材８２を塗布しておき、その第２仮止め材８２を仮止め材８１の溶融温度よりも低い温度で溶融させた状態とし、積層体７６とヒートシンク５３とを位置合わせして重ねることにより、第２仮止め材８２を介して積層体７６とヒートシンク５３とを密着させる。次いで、第２仮止め材８２を冷却することにより、積層体７６とヒートシンク５３とを第２仮止め材８２により固着して、積層体７６とヒートシンク５３とを仮止めした第２積層体７７を形成する（第２積層工程）。
なお、この第２積層工程においても、第２仮止め材８２は、積層体７６のアルミニウム金属層７３ではなく、ヒートシンク５３の表面に付着させておくこともできる。
この第２積層工程においては、銅回路板７０とセラミックス基板７５とを仮止めした仮止め材８１の溶融温度よりも低い溶融温度の第２仮止め材８２を用いることから、仮止め材８１を溶融させることなく、銅回路板７０とセラミックス基板７５とが固着された状態で、ヒートシンク５３の仮止めを行うことができる。すなわち、第２積層工程において銅回路板７０とセラミックス基板７５との位置ずれを生じさせることなく、これらを積層した積層体７６とヒートシンク５３との仮止めを行うことができる。したがって、銅回路板７０とセラミックス基板７５とヒートシンク５３との３つの部材を正確に位置決めして固着することができる。
そして、このようにして形成された銅回路板７０とセラミックス基板７５とヒートシンク５３とが仮止めされた第２積層体を、第１実施形態と同様に、その積層方向に加圧し、銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱することにより、銅とアルミニウムとを相互に拡散させて固相拡散接合により接合することができる（接合工程）。このように、第５実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法では、銅回路板７０とセラミックス基板７５とヒートシンク５３とを同時に接合することができるので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１４を効率的に製造することができる。
なお、上記の第５実施形態では、セラミックス基板７５の一方のアルミニウム金属層７２と銅回路板７０との間、および他方のアルミニウム金属層７３と銅製のヒートシンク５３との間を、銅とアルミニウムとの固相拡散接合によりそれぞれ接合して、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１４を製造したが、セラミックス基板７５のアルミニウム金属層７２にアルミニウムの回路板を接合し、アルミニウム金属層７３にアルミニウム製のヒートシンクを接合してもよい。この場合、セラミックス基板７５のアルミニウム金属層７２と回路板のいずれかと、アルミニウム金属層７３とヒートシンクのいずれかに、それぞれ接合材層を予め形成しておき、これらの部材の間を各接合材層を介して積層して仮止めを行う。なお、接合材層としては、例えば３００３系アルミニウム合金板の両面にＡｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系ろう材を積層することにより三層に形成したクラッド材を採用できる。
次に、本発明の効果を確認するために行った本発明例及び比較例について説明する。
（テスト１）
従来例および本発明例として、３０ｍｍ×３０ｍｍの矩形、厚み１．０ｍｍの銅板に、表１に示す仮止め材を滴下し、２５ｍｍ×２５ｍｍの矩形、厚み０．６ｍｍのアルミニウム板を積層して仮止めした積層体を形成した。そして、積層体の搬送状態を模して、各積層体の銅板を横に約３０ｍｍ／ｓの速度で振ってアルミニウム板に生じた横ずれを目視により確認することにより、仮止め状態にある各積層体の接合性を評価した。横ずれが１ｍｍ以下であったものを「優」（excellent）、１ｍｍを超え１０ｍｍ未満であったものを「良」（good）、１０ｍｍ以上横ずれが生じていたものを「不良」（bad）とした。
（テスト２）
各積層体について、真空雰囲気中で積層方向に１．０ＭＰａで加圧し、５４０℃で６０分間加熱し接合体を形成した。そして、接合体の使用状態を模して、各接合体に対し、接合後の初期状態、及び−４０℃と１００℃との間の冷熱サイクルを３０００回負荷した後の状態で、超音波画像測定器により、銅板とアルミニウム板との接合面における未接合部の有無を観察した。接合面に２％以上の未接合部が認められなかったものを「優」（excellent）、５％以上の未接合部または直径２ｍｍ以上のボイドが認められたものを「不良」（bad）とし、いずれにも該当しない軽微な未接合部が認められるものを「良」（good）とした。
これらの結果を表１に示す。
Figure 0006550971
表１からわかるように、本発明例１〜７においては、銅板とアルミニウム板とを仮止め材により接着することにより、積層体における銅板とアルミニウム板との横ずれが小さく、その後の取り扱い作業性が良好であることが確認できた。また、接合材層を剥離するなどの悪影響を及ぼさず、信頼性の高い接合面を得ることができる。
特に、炭素数１０以上の仮止め材を用いた本発明例２〜７では、横ずれがほとんどなく、接合材層を剥離するなどの悪影響を及ぼさず、信頼性の高い接合面を得ることができることが確認された。
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。
例えば、銅回路板とアルミニウム金属層、アルミニウム金属層とセラミックス基板を接合したパワーモジュール用基板を製造する場合の実施形態を説明したが、その他の構成のパワーモジュール用基板においても、金属板からなる第１部材と、金属板又はセラミックス板からなる第２部材とを接合する場合に本発明を適用することができる。
また、パワーモジュール用基板に限らず、パワーモジュール以外の用途に用いられる第１部材と第２部材との接合体を製造する場合に本発明を適用することができ、これらの積層体を加圧と加熱の両方を伴わずに接合する場合も含むものとする。
さらに、上記実施形態では、第１部材と第２部材とを一対一の関係として、接合体を製造していたが、これに限定されるものではなく、１個の第２部材に複数個の第１部材を接合する場合等、種々の積層体，接合体を製造する場合に本発明を適用することができる。
金属板同士及び金属板とセラミックス板とを接合する際に、各部材の接合面同士の位置ずれを防止できるので、これらの接合体を効率的に製造できる。
１０，１１ パワーモジュール用基板（接合体）
１２，１３ ヒートシンク付パワーモジュール用基板（接合体）
１４ ヒートシンク付パワーモジュール用基板（多層接合体）
２０，７５ セラミックス基板（第２部材）
２１，３６，４６，７１ セラミックス板
２２，２３，３７，３８，４７，４８，７２，７３ アルミニウム金属層
２５ セラミックス板（第２部材）
３０，７０ 銅回路板（第１部材）
３０ａ 付着面
３２ アルミニウム金属層（第１部材）
３３，５５ 接合材層
３５，４５ パワーモジュール用基板（第２部材）
４０，４１，４２，４３，８１ 仮止め材
４４ 接合材層用仮止め材
５０ ヒートシンク
５１，５２ ヒートシンク（第１部材）
５３ ヒートシンク（第３部材）
６０ 電子部品
７６，８０，８３，８４，８５ 積層体
７７ 第２積層体
８２ 第２仮止め材
９０ 製造装置
９１ 基台
９２ ガイドピン
９５ 積層手段
９６ 加熱手段（ラバーヒータ）
９７ 測温手段
９８ 冷却手段

Claims (18)

  1. 金属板からなる第１部材と、１つ以上の金属板又はセラミックス板を含む第２部材とのいずれかに、飽和脂肪酸を主成分とする仮止め材を塗布しておき、前記仮止め材を溶融させた状態で前記仮止め材を介して前記第１部材と前記第２部材とを積層して位置合わせし、前記仮止め材を冷却することにより、積層された前記第１部材と前記第２部材とを仮止めした積層体を形成する積層工程と、
    前記積層体を積層方向に加圧して加熱することにより、前記第１部材と前記第２部材とを接合した接合体を形成する接合工程と
    を有し、
    前記接合工程では、前記仮止め材は加熱の初期段階で分解されて消失することを特徴とする接合体の製造方法。
  2. 前記仮止め材の前記飽和脂肪酸は、炭素数が１０以上３０以下であることを特徴とする請求項１記載の接合体の製造方法。
  3. 前記第１部材又は前記第２部材のいずれかの表面に接合材層が形成されており、前記積層工程において前記接合材層および前記仮止め材を介して前記第１部材と前記第２部材とを積層することを特徴とする請求項１に記載の接合体の製造方法。
  4. 請求項１に記載の接合体の製造方法を適用した多層接合体の製造方法であって、
    前記接合工程前に、前記積層工程により形成された前記積層体に金属板からなる第３部材を仮止めする第２積層工程を有し、
    前記第２積層工程において、前記積層体又は前記第３部材のいずれかに、前記仮止め材よりも低融点の飽和脂肪酸を主成分とする第２仮止め材を塗布しておき、前記積層体と前記第３部材とを積層する際に前記仮止め材の溶融温度よりも低い温度で前記第２仮止め材を溶融させ、前記積層体と前記第３部材とを位置合わせして積層した後に前記第２仮止め材を冷却することにより、前記積層体と前記第３部材とを仮止めした第２積層体を形成し、
    前記接合工程において、前記第２積層体をその積層方向に加圧して加熱することにより、前記第１部材と前記第２部材とを接合した前記接合体に対してさらに前記第３部材を接合した多層接合体を形成することを特徴とする多層接合体の製造方法。
  5. 前記仮止め材の前記飽和脂肪酸は、炭素数が１０以上３０以下であることを特徴とする請求項４記載の多層接合体の製造方法。
  6. 前記第１部材又は前記第２部材のいずれかの表面に接合材層が形成されており、前記積層工程において前記接合材層および前記仮止め材を介して前記第１部材と前記第２部材とを積層することを特徴とする請求項４に記載の多層接合体の製造方法。
  7. 前記積層体又は前記第３部材のいずれかの表面に第２接合材層が形成されており、前記第２積層工程において前記第２仮止め材および前記第２接合材層を介して前記積層体と前記第３部材とを積層することを特徴とする請求項４に記載の多層接合体の製造方法。
  8. 請求項４に記載される多層接合体の製造方法を適用したヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
    前記第１部材を銅又はアルミニウムからなる回路板とし、
    前記第２部材を、セラミックス板の両面にアルミニウム金属層を積層してなるセラミックス基板とし、
    前記第３部材を銅又はアルミニウムからなるヒートシンクとし、
    前記接合工程において、前記第１部材と前記第２部材の前記アルミニウム金属層の一方とを接合するとともに、前記第２部材の前記アルミニウム金属層の他方と前記第３部材とを接合して、前記多層接合体としてヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
  9. 前記仮止め材の前記飽和脂肪酸は、炭素数が１０以上３０以下であることを特徴とする請求項８記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
  10. 前記第１部材又は前記第２部材のいずれかの表面に接合材層が形成されており、前記積層工程において前記接合材層および前記仮止め材を介して前記第１部材と前記第２部材とを積層することを特徴とする請求項８に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
  11. 前記第２積層体又は前記第３部材のいずれかの表面に第２接合材層が形成されており、前記第２積層工程において前記第２仮止め材および前記第２接合材層を介して前記積層体と前記第３部材とを積層することを特徴とする請求項８に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
  12. 請求項１に記載される接合体の製造方法を適用したパワーモジュール用基板の製造方法であって、
    前記第１部材を銅回路板とし、
    前記第２部材を、セラミックス板の両面にアルミニウム金属層を積層してなるセラミックス基板とし、
    前記接合工程において前記第２部材の前記アルミニウム金属層の一方と前記第１部材とを接合して、前記接合体としてパワーモジュール用基板を形成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。
  13. 前記仮止め材の前記飽和脂肪酸は、炭素数が１０以上３０以下であることを特徴とする請求項１２記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
  14. 前記第１部材又は前記第２部材のいずれかの表面に接合材層が形成されており、前記積層工程において前記接合材層および前記仮止め材を介して前記第１部材と前記第２部材とを積層することを特徴とする請求項１２記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
  15. 請求項１に記載される接合体の製造方法を適用したヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
    前記第１部材を銅又はアルミニウムからなるヒートシンクとし、
    前記第２部材を、セラミックス板の両面に金属層を積層してなるパワーモジュール用基板とし、
    前記接合工程において前記第２部材の前記金属層の一方と前記第１部材とを接合して、前記接合体としてヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
  16. 前記仮止め材の前記飽和脂肪酸は、炭素数が１０以上３０以下であることを特徴とする請求項１５記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
  17. 前記第１部材又は前記第２部材のいずれかの表面に接合材層が形成されており、前記積層工程において前記接合材層および前記仮止め材を介して前記第１部材と前記第２部材とを積層することを特徴とする請求項１５記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
  18. 前記積層工程の前に、前記接合材層を、前記第１部材または前記第２部材のいずれかの
    表面に接合材層用仮止め材によって仮止めし、
    前記積層工程において、前記仮止め材は、前記接合材層が形成されていない前記第１部材または前記第２部材のいずれかに塗布する
    ことを特徴とする請求項１７記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
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