CN106575639A - 功率模块用基板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的功率模块用基板的制造方法，以在金属板与陶瓷基板的接合性不受损的情况下，抑制焊斑的产生，并提高半导体芯片的焊接接合性为目的，将通过金属原料板的冲压加工来冲切成型的金属板层叠于陶瓷基板的一个面并通过钎焊进行接合，该功率模块用基板的制造方法中，将所述金属板的毛边的高度设为0.021mm以下，破裂面厚度设为0.068mm以上，以产生有所述毛边的一侧的表面重叠于陶瓷基板的一个面的方式，将所述金属板层叠并钎焊于所述陶瓷基板上。

Description

功率模块用基板的制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制大电流、高电压的半导体装置中的功率模块用基板的制造方法。
本申请主张基于2014年8月5日于日本申请的专利申请2014-159337号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
车辆用功率模块中使用在以氮化铝为首的陶瓷基板上层叠有金属板的功率模块用基板。该金属板层叠于陶瓷基板的两面，其中一金属板成为电路层，另一金属板成为散热层。通常在电路层中使用铜板或铝板，在散热层中使用铝板。
例如，在专利文献1及专利文献2中公开有一种电路基板，其在陶瓷基板的一个面接合有铜板，另一个面接合有铝板。此时，陶瓷基板与铜板通过Ag-Cu-Ti系的使用活性金属的焊料来接合，陶瓷基板与铝板通过Al-Si系焊料来接合。
如下制造该功率模块用基板。首先，在陶瓷基板的一个面，隔着适合陶瓷与铜板接合的Ag-Cu-Ti等活性金属焊料层叠铜板，以规定的压力进行加压，并加热至焊料熔融的温度以上，由此接合陶瓷基板与铜板。接着，在陶瓷基板的另一面，隔着适合陶瓷与铝板接合的Al-Si系焊料层叠铝板，以规定的压力进行加压，并加热至焊料熔融的温度以上，由此接合陶瓷基板与铝板。
这种功率模块用基板在铜板上隔着焊接材料搭载有功率元件的半导体芯片。
专利文献1：日本专利公开2003-197826号公报
专利文献2：日本专利公开2013-229579号公报
此类功率模块用基板中，用于铜板与陶瓷基板的接合中的活性金属焊料以浆料的形式被供给，由该焊接浆料与铜的母材产生Ag-Cu熔融焊料。该熔融焊料从铜板与陶瓷基板之间渗出并沿着铜板的侧面产生爬升的现象。爬升到表面的熔融焊料成为所谓的焊斑，不仅有损外观，还有可能导致接合半导体芯片时所使用的焊接材料的润湿性恶化。在电路层中使用铝板时也同样会有由熔融焊料的爬升引起的焊斑的问题。若欲抑制该焊斑的产生，则有可能接合性受损。
发明内容
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于在金属板与陶瓷基板的接合性不受损的情况下，抑制焊斑的产生，并提高半导体芯片的焊接接合性。
以冲压对金属板进行冲切制作，则会因冲压模具的间隙而产生毛边。得知若该毛边以规定的高度产生，则会有抑制焊斑的产生效果。此时，在侧面中产生有毛边的一侧成为表面粗糙度较大的破裂面。因此，认为通过使该破裂面接近陶瓷基板，从而熔融焊料难以在金属板爬升。并且，还认为因毛边而金属板的边缘较强地压焊于陶瓷基板，从而能够抑制熔融焊料从接合面向外部流出。通过适当地设定这些毛边的高度和破裂面的厚度，可在接合性不受损的情况下抑制焊斑。
即，本发明的功率模块用基板的制造方法将通过金属原料板的冲压加工来冲切成型的金属板层叠于陶瓷基板的一个面并通过钎焊进行接合，其中，将所述金属板通过所述冲切成型产生的毛边的高度设为0.021mm以下，并将破裂面的厚度设为0.068mm以上，以将产生有所述毛边的一侧的表面(毛边面)重叠于所述陶瓷基板的一个面的方式层叠并钎焊。
此时，若毛边的高度超过0.021mm，则高度的偏差变大而有可能熔融焊料的一部分流出，并且接合时的加压力不会完全发挥作用而有可能接合性受损。并且，金属板的侧面的破裂面的厚度(冲切方向的尺寸)形成为0.068mm以上，由此即使熔融焊料稍微露出，也会因破裂面的表面粗糙度较大而防止其爬升。若破裂面的厚度小于0.068mm，则难以抑制焊斑的产生。
毛边的高度为测量金属板的边缘的多个位置而得到的最大值，破裂面的厚度为测量金属板的侧面的多个位置而得到的最小值。另外，将粗糙度曲线要素的平均高度Rc为5μm以上的部分设为破裂面。
本发明的功率模块用基板的制造方法中，通过冲压加工从所述金属原料板冲切成型所述金属板时，将冲切的所述金属板推回到冲切后的所述金属原料板的冲孔内，之后从所述冲孔压出所述金属板即可。
或者，通过所述冲压加工从所述金属原料板冲切成型所述金属板时，也可以将所述金属原料板从半冲切的状态推回之后，从所述金属原料板冲切所述金属板。
与通过单方向的冲切而成型金属板的情况相比，通过所谓的推回来成型金属板，能够适当地控制毛边及破裂面的尺寸。因此，通过适当地设定半冲切工序或推回，能够轻松地将毛边的高度控制为0.021mm以下、破裂面的厚度控制为0.068mm以上。
此时，对于推回，在完全冲切金属板之后，可以使整个厚度嵌合于冲孔，也可以使一部分厚度嵌合于冲孔。并且，还可以使之成为冲压至金属原料板的一半左右的厚度的半冲切状态后，将其推回。
所述金属板可任意适用铜板或铝板。
金属板使用铜板时，通过Ag-Ti、Ag-Cu-Ti等活性金属焊料来接合于陶瓷基板。金属板使用铝板时，通过Al-Si系等焊料来接合。
根据本发明，在金属板与陶瓷基板的接合性不受损的情况下，抑制了熔融焊料在金属板的侧面爬升的现象，抑制了焊斑的产生，且搭载于金属板上的半导体芯片的焊接接合性也得到了提高。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的功率模块用基板的侧视图。
图2是以从(a)到(c)的顺序表示金属板的成型工序的一部分的剖视图。
图3是示意性地表示将金属板接合于陶瓷基板时的重叠状态的剖视图。
图4是表示本发明的制造方法中所使用的加压夹具的例子的侧视图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。
功率模块用基板10中，如图1所示，成为电路层的铜板(金属板)12在厚度方向上层叠于陶瓷基板11的一个面，成为散热层的铝板(金属板)13在厚度方向上层叠于陶瓷基板11的另一个面，这些通过焊料来接合。在铜板12的表面通过焊接搭载有半导体芯片14，在铝板13接合有散热片15。
陶瓷基板11由氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)等，例如形成为0.25mm～1.0mm的厚度。并且，铜板12由无氧铜、韧铜等纯铜或铜合金形成，铝板13由纯度99.00％以上的纯铝或铝合金形成。这些铜板12及铝板13的厚度例如为0.1mm～10mm。
作为本实施方式的功率模块用基板10的优选的组合例，例如陶瓷基板11由厚度0.635mm的AlN构成，铜板12由厚度0.3mm的纯铜板构成，铝板13由厚度1.6mm的4N-铝板构成。
陶瓷基板11与铜板12的接合中使用Ag-Ti系或Ag-Cu-Ti系的活性金属焊料，例如Ag-27.4质量％Cu-2.0质量％Ti的焊料。陶瓷基板11与铝板13的接合中使用Al-Si系或Al-Ge系的焊料。
以下，对接合这些陶瓷基板11、铜板12及铝板13而制造功率模块用基板10的方法进行说明。
＜金属板成型工序＞
铜板12及铝板13通过冲压加工来进行冲切成型。因均相同的方法，所以在该成型工序中，将铜板12及铝板13作为金属板50进行说明。
准备能够形成金属板50的尺寸的线圈状的金属原料板51，将其金属原料板51从线圈陆续间断地搬运同时送入冲压机。如图2的(a)所示，冲压机中设有：具有成型孔61的冲模62和冲头63，所述成型孔61用于将金属原料板51成型为金属板50的外形；及推回模64，嵌于冲模62的成型孔61内。该图2中，符号65表示在冲模62的表面按压金属原料板的压板器。
并且，如图2的(a)所示，若冲模62与冲头63之间送入金属原料板51，则冲头63下降，压下冲模62的成型孔61内的推回模64，并如图2的(b)所示在冲模62的成型孔61的内边缘之间冲切金属原料板51。冲切后，推回模64以追随冲头63的上升的方式上升，如图2的(c)所示将冲切的金属板50压回原来的金属原料板51的冲孔52内(形成有该冲孔52之后的金属原料板51称为骨架)。此时，如图2的(c)箭头所示，冲切的金属板50被推回与冲切方向相反的方向，通过金属原料板(骨架)51的冲孔52的内周面与冲切的金属板50的外周面互相摩擦而产生修面(シェービング)作用。由此，因冲切而在金属板50的外边缘所产生的毛边被冲孔52的内周面削除而减少。
被压回到金属原料板(骨架)51的冲孔52的金属板50，在之后从冲孔52压出。
通过如此冲压加工金属板50，金属板50的一个面的边缘部成为塌边面55，在另一个面的边缘产生毛边56。并且，侧面中，塌边面55侧成为表面粗糙度较小的切割面57，产生有毛边56的一侧成为表面粗糙度较大的破裂面58。而且，在该金属板50中，在金属板50的边缘的多处测量得到的毛边56的高度设为0.021mm以下，破裂面58的厚度(冲切的尺寸)设为0.068mm以上。
另外，从金属原料板51冲切金属板50时，如图2的(b)所示，可以将冲头63的前端插入冲模62的成型孔61内而使冲头63下降至金属板50完全脱离金属原料板51，但也可以在冲头63的前端未到达冲模62的成型孔61的开口端的阶段(半冲切状态)停止冲头63的下降，通过使冲头63进入金属原料板51的板厚的大部分也能够使金属板50从金属原料板51断裂，并在其状态下压回。
＜铜板接合工序＞
将通过所述金属板成型工序制作的金属板50中的铜板12介于浆料或由箔构成的活性金属焊料而层叠于陶瓷基板11的一个面。此时，将金属板成型工序中产生有毛边56的一侧的表面重合于陶瓷基板11的表面。图3中示意性地示出将上述金属板50层叠于陶瓷基板11时状态。将金属板50的产生有毛边56的一面重合于陶瓷基板11的焊料层59，从而形成陶瓷基板11、焊料层59及铜板12的层叠体40。
而且，将多个层叠体40分别夹在由碳石墨等构成的板状的缓冲垫片30之间并重叠，使之成为由如图4所示的加压夹具110向层叠方向以例如0.05MPa～1.0MPa加压的状态。
该加压夹具110具备：底座板111；导向柱112，垂直安装于底座板111的上表面的四个角；固定板113，固定于这些导向柱112的上端部；按压板114，在这些底座板111与固定板113之间以上下移动自如的方式被导向柱112支撑；及弹簧等施力机构115，设置于固定板113与按压板114之间并将按压板114向下方施力，在底座板111与按压板114之间配设有所述层叠体40。
而且，以由该加压夹具110加压层叠体40的状态，连同加压夹具110设置于加热炉(省略图示)内，在真空气氛下以800℃以上且930℃以下的温度加热1分钟～60分钟，由此钎焊陶瓷基板11与铜板12。
陶瓷基板11与铜板12的钎焊为使用活性金属焊料的接合，焊料中的活性金属Ti优先扩散于陶瓷基板11形成TiN，通过Ag-Cu合金接合铜板12与陶瓷基板11。
＜铝板接合工序＞
在接合铜板12之后的陶瓷基板11的与铜板接合面的相反面，根据需要通过酸洗等进行清洗之后，以介于焊料的状态在其表面层叠通过所述金属板成型工序制作的铝板13。将多个接合了铜板12的陶瓷基板11、焊料及铝板13的层叠体分别夹在上述缓冲垫片30之间并重叠，通过加压夹具110在层叠方向上以例如0.3MPa～1.0MPa加压。此时，也将铝板13(金属板50)的产生有毛边56的一侧的表面重合于陶瓷基板11。
而且，在通过该加压夹具110加压层叠体的状态下，连同加压夹具110设置于加热炉(省略图示)内，在真空气氛下以630℃以上且650℃以下的温度加热1分钟～60分钟，由此钎焊陶瓷基板11与铝板13。
如此制造出的功率模块用基板10中，将产生有毛边56的一面朝向陶瓷基板11而接合铜板12及铝板13，因此在各自的接合工序中，毛边56的部分被较强地按压，通过毛边56来防止作为接合材的焊料在熔融时从接合界面向外部流出，并且即使一部分的熔融焊料流出至外部，由于配置成铜板12及铝板13的从金属原料板51切割时的破裂面58分别接触陶瓷基板11的表面，因此能够抑制熔融焊料爬升该破裂面58。因此，能够抑制在与铜板12及铝板13的接合面相反侧的表面产生焊斑。
从而，尤其抑制在成为电路层的铜板12的表面的焊斑，由此能够提升搭载于其上的半导体芯片14的焊接接合性。另外，将毛边56的高度抑制为0.021mm以下，因此也不会损失铜板12及铝板13与陶瓷基板11之间的接合性。
实施例
接着，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验进行说明。
作为陶瓷基板使用了30mm×30mm的矩形、厚度0.635mm的氮化铝板，作为通过金属原料板(无氧铜板)的冲压加工来冲切成型的金属板(铜板)使用了27mm×27mm的矩形、厚度0.3mm的铜板。对于铜板，如表1所示，制作了冲压至半冲切状态之后进行推回的试样，及不进行推回而以一次冲压来冲切的试样。表1中示出各实施例、比较例中的推回的半冲切量(对金属原料板的冲头的推入量)。
观察冲切后的铜板的侧面形状，用激光显微镜测量破裂面的最小厚度，对各实施例、比较例，从5个试样算出了平均值。并且，观察铜板的表面，用激光显微镜测量了最大毛边高度，从各5个试样算出了平均值。
而且，在氮化铝板的表面形成了由Ag-8.8质量％Ti构成的焊料层。关于焊料，以相对于铜板周长大0.2mm左右的方式形成。将铜板的产生有毛边的一侧重合于氮化铝板的焊料层的表面而层叠这些部件，以1kgf/cm2(约0.1MPa)的压力进行加压的状态下，以830℃保持了30分钟。
在此，焊斑为由从接合界面沿侧面扩散至铜板的表面上而形成的Ag-Cu熔融液相凝固而成，由于厚度小于5μm，因此无法作为表面上的凹凸而测量。因此，将以能够用肉眼确认的、从铜板的边缘为宽1mm以上的斑痕作为焊斑而进行计数，若其产生率为0％则为良好，只要能够稍微确认到焊斑则为不良。
并且，对于铜板与陶瓷板的接合性，通过超声波图像测量仪观察铜板与陶瓷板的接合界面，测量接合界面中的空隙(空洞)的面积，将相对于应接合面积(铜板的面积)的空隙的共计面积作为空隙率而计算出，将空隙率小于2％的情况设为良好，超过2％的情况设为不良。
将其结果示于表1。
[表1]
从表1明确可知，若铜板的毛边的高度为0.021mm以下则接合性良好，若破裂面的厚度为0.068mm以上则焊斑的产生得到抑制。
另外，本发明并不限定于上述实施方式的结构，详细结构只要在不脱离本发明宗旨的范围内可进行各种变更。
在上述实施方式中，将电路层设为铜板，将放热层设为铝板，但并不限定于该组合。可将电路层及放热层也设为同一种金属板，例如铝板。此时，可通过一次的接合工序，对陶瓷基板的两面接合金属板。
产业上的可利用性
在金属板与陶瓷基板接合性不受损的情况下，抑制焊斑的产生，并提高半导体芯片的焊接接合性。
符号说明
10-功率模块用基板，11-陶瓷基板，12-铜板(金属板)，13-铝板(金属板)，14-半导体芯片，15-散热片，40-层叠体，30-缓冲垫片，50-金属板，51-金属原料板，52-冲孔，55-塌边面，56-毛边，57-切割面，58-破裂面，59-焊料层，61-成型孔，62-冲模，63-冲头，64-推回模，65-压板器，110-加压夹具，111-底座板，112-导向柱，113-固定板，114-按压板，115-施力机构。

Claims (4)

1.一种功率模块用基板的制造方法，该方法将通过金属原料板的冲压加工来冲切成型的金属板层叠于陶瓷基板的一个面并通过钎焊进行接合，该方法的特征在于，
将所述金属板的通过所述冲切成型来形成的毛边高度设为0.021mm以下，并且将破裂面的厚度设为0.068mm以上，以产生有所述毛边的一侧的表面重叠于所述陶瓷基板的一个面的方式层叠并钎焊。
2.根据权利要求1所述的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
在通过所述冲压加工从所述金属原料板冲切成型所述金属板时，将冲切的所述金属板推回到冲切后的所述金属原料板的冲孔内，之后从所述冲孔压出所述金属板。
3.根据权利要求1所述的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
在通过所述冲压加工从所述金属原料板冲切成型所述金属板时，将所述金属原料板从半冲切状态推回之后，从所述金属原料板冲切出所述金属板。
4.根据权利要求1所述的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
所述金属板为铜板或铝板。
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