JP2010114166A - パワーモジュール用基板の製造中間体およびパワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス基板と金属板とがろう付けにより確実に接合されつつ、回路形成面へのろう材の付着を防止できるパワーモジュール用基板の製造中間体およびパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。
【解決手段】パワーモジュール用基板の製造工程において、セラミックス基板１１と、ろう材１９によってセラミックス基板１１の表面に接合されている金属板１５とを有し、金属板１５には、セラミックス基板１１から面方向に突出する突出部１５ａが形成され、突出部１５ａのセラミックス基板１１側の表面に、セラミックス基板１１と金属板１５との間から漏出したろう材１９の余剰分が保持されている製造中間体を用いる。
【選択図】 図３

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を製造する際に形成される製造中間体およびパワーモジュール用基板の製造方法に関する。

一般に、半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、このパワーモジュール用基板としては、例えば特許文献１に示されるように、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等からなるセラミックス基板上にアルミニウム板等の金属板をＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を介して接合させたものが用いられている。この金属板は、後工程のエッチング処理によって所望パターンの回路が形成されて回路層となる。そして、エッチング後は、この回路層の表面にはんだ材を介して電子部品（半導体チップ等のパワー素子）が搭載され、パワーモジュールとなるのである。

また、この金属板は、例えば特許文献２に示されるように、箔状のろう材をセラミックス基板と金属板との間に介在させて高温状態で積層方向に加圧することにより、溶融したろう材によってセラミックス基板に接合される。
特開２００４−３５６５０２号公報 特開２００７−５３３４９号公報

上述のようにセラミックス基板に金属板を接合した場合、特許文献２に示されるように、溶融したろう材がセラミックス基板および金属板の側面を経由して金属板の表面に付着し、この表面を変質させ、その後に固着される電子部品のボンディングワイヤの接着性が損なわれるという問題がある。このようにろう材が余剰してはみ出すことを防ぐためには、箔状のろう材の厚さまたは面積を小さくして、ろう材の量を少なくすることが考えられる。
しかしながら、ろう材の量を少なくした場合には、金属板とセラミックス基板との間でろう材が不足する箇所が生じたり、またセラミックス基板の反りによって接合部分が剥離したりして、後工程で形成した回路層がはがれる等の問題が生じるおそれがある。また、金属板全面にろう材が付着せず、セラミックス基板に対して金属板を確実に接合できないおそれがある。さらに、接合が十分でない場合、温度変化を繰り返す温度サイクル条件下において剥離が生じてしまう場合もある。
また、セラミックス基板は、搬送する際の衝突時、チャックによる基板保持の時、余剰ろう材の除去作業時等に、端部が欠損するおそれがあり、これにより強度が低下する場合もある。

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、回路面へのろう材の付着がなく、金属板とセラミックス基板とが確実に接合されるパワーモジュール用基板の製造中間体およびそ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中間体は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の表面にろう材によって接合されている金属板とを有し、前記金属板には、前記セラミックス基板から面方向に突出する突出部が形成されている。
このパワーモジュール用基板の製造中間体によれば、この突出部をつかんで搬送することができる。

このパワーモジュール用基板の製造中間体において、前記金属板の前記突出部における前記セラミックス基板側の表面に、前記セラミックス基板と前記金属板との間から漏出した前記ろう材の余剰分が保持されている。
この場合、ろう材の余剰分が金属板の突出部に保持されているので、セラミックス基板と金属板とが確実に接合されるとともに、金属板の表面すなわち回路形成面へのろう材の付着を確実に阻止することができる。

このパワーモジュール用基板の製造中間体において、セラミックス基板の両面にそれぞれ金属板が接合され、これら金属板の突出部が互いに対向していることが好ましい。
この場合、突出部が対向していることにより、より確実にろう材の余剰分がこれら突出部間に保持される。また、両突出部間でろう材に表面張力が作用するので、ろう材は両突出部間から金属板表面に回り込みにくい。したがって、回路形成面へのろう材の付着を、より確実に阻止することができる。

また、このパワーモジュール用基板の製造中間体において、突出部の表面の面積が、金属板の表面の面積の４％以上であることが好ましい。
この場合、突出部の面積が十分に大きいことにより、確実にろう材の余剰分が突出部に保持されるので、回路形成面にろう材の付着がない製造中間体を得ることができる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板上に、外形がこのセラミックス基板よりも大きく該セラミックス基板から面方向に突出する突出部を有する金属板をろう材を介して重ねる積層工程と、前記セラミックス基板と前記金属板とを加熱状態で厚さ方向に圧縮してこれらを前記ろう材によって接合する加熱圧縮工程と、前記突出部を除去する除去工程と、を有する。
この製造方法によれば、セラミックス基板の表面全面に対してろう材を接触させるので、十分な量のろう材によってセラミックス基板と金属板とを確実に接合することができる。
この製造方法において、前記セラミックス基板を搬送する際に、前記突出部をチャックすることが好ましい。

この製造方法では、前記加熱圧縮工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との間から前記ろう材の余剰分を漏出させて前記突出部の表面に保持させ、前記除去工程において、前記突出部に保持された前記ろう材の余剰分を除去することが好ましい。
この場合、セラミックス基板と金属板との間にはみ出したろう材の余剰分をこの突出部に保持させることができる。そして、余剰分を保持した突出部を除去することにより、回路形成面にろう材の付着がないパワーモジュール用基板を容易に形成することができる。

この製造方法において、前記除去工程の前に前記金属板をエッチングして回路パターンを形成する回路形成工程と、前記回路パターンを位置基準として、互いに接合された前記セラミックス基板および前記金属板を所定寸法のパワーモジュール用基板に分割する分割加工工程と、を有することが好ましい。
この場合、回路パターンの位置に対して正確な外形を有するパワーモジュールを形成することができ、しかも、その回路表面にろう材が付着していないので、ボンディングワイヤを強固に接続することができる。

または、この製造方法において、前記加熱圧縮工程の後に前記金属板をエッチングして回路パターンを形成する回路形成工程を有し、この回路形成工程は前記除去工程を含み、前記回路パターンの形成時に前記突出部および前記余剰分を前記エッチングにより除去する工程であってもよい。
この場合、基板において不要な部分を、回路パターンの形成と同時に除去することができる。

本発明によれば、パワーモジュール用基板の製造中間体において、金属板の突出部をチャックして搬送できるので、セラミックス基板の損傷を防止できる。また、突出部にろう材の余剰分が保持されるので、十分な量のろう材によってセラミックス基板と金属板とが確実に接合され、また、この突出部を除去することにより回路形成面にろう材の付着がなく、ワイヤボンディングの接続信頼性を高めたパワーモジュール用基板を容易に得ることができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明に係るパワーモジュール用基板が用いられるパワーモジュール１０を図１に示す。パワーモジュール１０は、表面に回路パターンが形成されたパワーモジュール用基板１２と、このパワーモジュール用基板１２の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品１３と、パワーモジュール用基板１２の裏面に接合される冷却器１４とから構成されている。

電子部品１３は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材１８によって回路パターン上に接合され、回路端子部に対してはアルミニウムからなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。なお、回路パターンの表面には、ニッケルめっき等のめっき被膜１７が形成されている。
冷却器１４は、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、その長さ方向に沿って冷却水を流通させるための多数の流路１４ａが形成されている。この冷却器１４とパワーモジュール用基板１２との間は、ろう付け、はんだ付け、ボルト等によって接合される。

パワーモジュール用基板１２は、セラミックス基板１１と、ろう材１９によってその両面にそれぞれ接合された金属板１５，１６とを有する製造中間体２０を加工することにより形成される。すなわち、製造中間体２０に所定の回路パターンを形成し、必要に応じて個片に分割する等の加工を行うことにより、パワーモジュール用基板１２が形成される。
なお、セラミックス基板１１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、若しくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを母材として形成されている。ここで、セラミックス基板１１の表面に接合される金属板１５は、エッチング処理によって回路パターンとなる回路層用金属板１５であり、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金により形成されている。セラミックス基板１１の裏面に接合される金属板１６は、冷却器１４が接合される放熱層用金属板１６であり、純度９９．０ｗｔ％以上の純アルミニウムにより形成されている。ろう材１９は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等により形成されている。

図２および図３に示すように、製造中間体２０において、セラミックス基板１１には、金属板１５，１６がろう材１９によって接合されている。この場合、金属板１５，１６は、セラミックス基板１１よりも外形が大きく、このセラミックス基板１１から面方向に突出した突出部１５ａ，１６ａを有している。これら突出部１５ａ，１６ａは、セラミックス基板１１の４辺から突出して互いに対向しており、各金属板１５，１６の表面の面積の４％以上を占めている。互いに対向している突出部１５ａ，１６ａの間には、セラミックス基板１１と各金属板１５，１６との間から漏出したろう材１９が保持されている。

ここで、製造中間体２０を経由するパワーモジュール用基板１２の製造方法について説明する。
〈積層工程〉
まず、図４に示すように、セラミックス基板１１と金属板１５，１６とを、これらの間にろう材１９を配置した状態で積層する。ろう材１９は、セラミックス基板１１と同形状であり、ろう付けにおいて若干余剰分が生じる量を有する箔状である。このとき、各金属板１５，１６は、各突出部１５ａ，１６ａがセラミック基板１１の４辺から面方向に突出して互いに対向するように積層される。

〈加熱圧縮工程〉
次に、ろう材１９が挟まれているセラミックス基板１１および金属板１５，１６を、加熱状態で厚さ方向に圧縮し、これらを接合（ろう付け）して製造中間体２０とする。
具体的には、セラミックス基板１１の両面に、ろう材１９を介在させて各金属板１５，１６を積層して一つのユニットとし、そのユニットを間にカーボン等を介在させた状態で複数ユニット積層した状態に組み立てる。この積層体（図示略）を熱処理炉の中に入れ、不活性ガス雰囲気、還元ガス雰囲気又は真空雰囲気において積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材１９を溶融させることによって両金属板１５，１６をセラミックス基板１１にろう付けする。

この工程において、ろう材１９は接合に十分な量であるので、セラミックス基板１１と各金属板１５，１６とは確実に接合される。さらに、加熱圧縮によってこれらの間からろう材１９の余剰分が漏出するが、セラミックス基板１１の側面および各突出部１５ａ，１６ａ間に保持される。このとき、溶融状態のろう材１９には両突出部１５ａ，１６ａの間で表面張力が作用するので、各突出部１５ａ，１６ａ間から外方、すなわち各金属板１５，１６の各表面へと溶融状態のろう材１９が流れ出ることはない。以上のように形成された製造中間体２０においては、図３に示すように、各突出部１５ａ，１６ａのセラミック基板１１側の表面に、ろう材１９の余剰分が保持されている。なお、これら突出部１５ａ，１６ａは、パワーモジュール用基板１２としては不要な部分であるので、図３に示すように、この製造工程において搬送装用チャック３０でここをつかんで搬送することができる。

〈回路形成工程）
次に、製造中間体２０の回路層用金属板１５をエッチングすることにより、回路パターンを形成するとともに、放熱層用金属板１６もエッチングすることにより、必要な大きさ、形状に成形される。
また、回路を形成した後、回路パターン表面のメッキ被膜１７を形成する。
なお、この段階では、製造中間体２０の周辺部を残してパワーモジュール用基板としての製品部分のみエッチングすることにより、突出部１５ａ，１６ａは残された状態となっており、搬送等の際には、図３に示すようにこの突出部１５ａ，１６ａを搬送装用チャック３０で把持して取り扱うことができる。
〈除去工程・分割工程〉
次に、回路パターンが形成された製造中間体２０をレーザー加工やダイシング加工によって切断し、各突出部１５ａ，１６ａを除去する（除去工程）とともに、回路パターンに合わせた個片に分割し（分割工程）、各個片をパワーモジュール用基板１２とする。この切断加工の位置基準として、回路パターンの位置を利用することができる。

その後、冷却器１４への接合、電子部品１３のはんだ付け、ワイヤボンディング等を行うことにより、パワーモジュール１０が製造される。このとき、各金属板１５，１６の表面すなわち回路形成面や冷却器接合面にはろう材１９が付着していないので、これらを確実に接合することができる。

以上説明したように、セラミックス基板１１は、十分な量のろう材１９によってその全面が確実に各金属板１５，１６に接合される。さらに、これらの間から漏出したろう材１９の余剰分は、金属板１５，１６の表面に付着せず、突出部１５ａ，１６ａの内面に付着してここに保持されるので、電子部品１３や冷却器１４の接合を妨げることがない。また、製造工程における搬送時には突出部１５ａ，１６ａを搬送装用チャック３０でつかむことができるので、作業性がよく、回路形成面の損傷が防止される。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、前記回路形成工程において、突出部を除去する除去工程を同時に行うこともできる。すなわち、各突出部１５ａ，１６ａおよびこれらの間に保持されているろう材１９の余剰分を回路形成と同時にエッチングによって除去してもよい。
また、前記実施形態では、セラミックス基板１１の４辺において両面から突出部１５ａ，１６ａを突出させているが、例えば、冷却器１４をセラミックス基板１１に直接接合する場合等、図５（ａ）に示すように放熱層用金属板１６を設けない場合には、回路層用金属板１５にその面積の４％以上を占めるように突出部が設けられているだけでもよい。この場合、図５（ｂ）に示すように、金属板１５の突出部１５ａを搬送装用チャック３１でつかむことができる。

また、突出部は、金属板の面積の４％以上を占めるように、セラミックス基板１１の側面から部分的に突出するものであってもよい。例えば、セラミックス基板１１の一角部を囲むように２辺に突出部１５ｂを有する金属板１５が接合された製造中間体２１（図６）、セラミックス基板１１の対向する２辺に各突出部１５ｃを有する金属板１５が接合された製造中間体２２（図７）、セラミックス基板１１の１辺に突出部１５ｄを有する金属板１５が接合された製造中間体２３（図８）、セラミックス基板１１の４辺からそれぞれ部分的に突出する突出部１５ｅを有する金属板１５が接合された製造中間体２４（図９）、セラミックス基板１１の２辺からそれぞれ部分的に突出する突出部１５ｆを有する金属板１５が接合された製造中間体２５（図１０）等を用いることができる。このような場合、突出部の面積が小さく部分的であっても、ろう材の余剰分は突出部に集まりやすいので、金属板表面（回路形成面）へのろう材の付着は確実に抑制される。

本発明に係る製造中間体から形成されるパワーモジュール用基板を用いて製作されるパワーモジュールの全体構成例を示す縦断面図である。 パワーモジュール用基板となる製造中間体の一実施例を示す平面図である。 図２の製造中間体の側面図である。 図２の製造中間体の製造工程における側面図である。 本発明に係る製造中間体の他の例を示す側面図（ａ）およびこの製造中間体を把持する搬送状態を示す側面図（ｂ）である。 本発明に係る製造中間体の形状の変形例を示す側面図である。 本発明に係る製造中間体の形状の第２変形例を示す側面図である。 本発明に係る製造中間体の形状の第３変形例を示す側面図である。 本発明に係る製造中間体の形状の第４変形例を示す側面図である。 本発明に係る製造中間体の形状の第５変形例を示す側面図である。

符号の説明

１０ パワーモジュール
１１ セラミックス基板
１２ パワーモジュール用基板
１３ 電子部品
１４ 冷却器
１４ａ 流路
１５ 回路層用金属板
１６ 放熱層用金属板
１５ａ〜１５ｆ，１６ａ 突出部
１７ めっき被膜
１８ はんだ材
１９ ろう材
２０ 製造中間体
３０，３１ 搬送装用チャック

Claims (9)

1. パワーモジュール用基板の製造中間体であって、
   セラミックス基板と、該セラミックス基板の表面にろう材によって接合されている金属板とを有し、
   前記金属板には、前記セラミックス基板から面方向に突出する突出部が形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造中間体。
2. 前記金属板の前記突出部における前記セラミックス基板側の表面に、前記セラミックス基板と前記金属板との間から漏出した前記ろう材の余剰分が保持されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板の製造中間体。
3. 前記セラミックス基板の両面にそれぞれ前記金属板が接合され、これら金属板の前記突出部が互いに対向していることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール用基板の製造中間体。
4. 前記突出部の表面の面積が、前記金属板の表面の面積の４％以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の製造中間体。
5. パワーモジュール用基板の製造方法であって、
   セラミックス基板上に、外形がこのセラミックス基板よりも大きく該セラミックス基板から面方向に突出する突出部を有する金属板をろう材を介して重ねる積層工程と、
   前記セラミックス基板と前記金属板とを加熱状態で厚さ方向に圧縮してこれらを前記ろう材によって接合する加熱圧縮工程と、
   前記突出部を除去する除去工程と、
   を有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。
6. 前記セラミックス基板を搬送する際に、前記突出部を保持することを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
7. 前記加熱圧縮工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との間から前記ろう材の余剰分を漏出させて前記突出部の表面に保持させ、
   前記除去工程において、前記突出部に保持された前記ろう材の余剰分を除去することを特徴とする請求項５または６に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
8. 前記除去工程の前に前記金属板をエッチングして回路パターンを形成する回路形成工程と、
   前記回路パターンを位置基準として、互いに接合された前記セラミックス基板および前記金属板を所定寸法のパワーモジュール用基板に分割する分割加工工程と、
   を有することを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
9. 前記加熱圧縮工程の後に前記金属板をエッチングして回路パターンを形成する回路形成工程を有し、
   この回路形成工程は前記除去工程を含み、前記回路パターンの形成時に前記突出部および前記余剰分を前記エッチングにより除去する工程であることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の製造方法。

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