JP2010147068A

JP2010147068A - パワーモジュール用基板の製造方法

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Publication number: JP2010147068A
Application number: JP2008319595A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Aoki; 慎介青木; Toshiyuki Nagase; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2028-12-16
Also published as: JP5146296B2

Abstract

【課題】金属板とセラミックス基板とを確実に接合し、ろうこぶの形成を抑制してセラミックス基板の破損を防止するとともに、ろうこぶの除去作業を削減して精密な加工を可能にする。
【解決手段】略矩形のセラミックス基板２２の表面にこのセラミックス基板２２より小さい略矩形の金属板２６を接合する接合工程を有するパワーモジュール用基板の製造方法であって、金属板２６とこの金属板２６よりも小さい略矩形のろう材２４とを、各第１角部２６ａ，２４ａを一致させて位置決めした状態で仮接合して接合体３０を形成し、金属板２６の第１角部２６ａの対角に位置する接合体３０の第２角部３０ａとセラミックス基板２２の１つの角部３０ａとを一致させて位置決めした状態で重ね、これらを加熱しながら厚さ方向に加圧することにより、ろう材２４を溶融させて金属板２６とセラミックス基板２２とをろう付けする。
【選択図】図４

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。

金属板とセラミックス基板とは、例えば特許文献２に示されるように、箔状のろう材を介在させて高温状態で積層方向に加圧することにより接合できる。

また、例えば特許文献３に示されるように、予め回路パターン状に打ち抜き加工された金属板を、ろう材を用いてセラミックス基板に接合することにより、エッチング工程を行わずに回路基板を製造する方法も提案されている。
特開２００４−３５６５０２号公報特開２００７−５３３４９号公報特開２００８−１０８９５７号公報

上述のようにセラミックス基板と金属板とを接合した場合、ろう材の量が不足すると、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、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。

一方、十分な量のろう材を用いると、特許文献２に示されるように、溶融したろう材の余剰分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。また、余剰のろう材を除去する際にセラミックス基板が破損するおそれがある。

また、それぞれの一つの角部を一致させることにより位置決めされてセラミックス基板と金属板とが接合され、さらにエッチング処理においても同様に位置決めされて回路層が形成される場合がある。セラミックス基板および金属板をこのような配置で接合する場合、これらセラミックス基板および金属板は、同様に角部を一致させることにより位置決めされた加圧板間で積層方向に加圧されながら加熱される。このとき、加圧板も同様に角部において位置決めされていることから、この角部を構成する辺縁部では加圧板、セラミックス基板および金属板の側面が面一となる。このため、加熱によって溶融したろう材の余剰分は、積層されたセラミックス基板および金属板から押し出されてその側面や加圧板の側面および表面にも付着し、積層体の面方向および厚さ方向に突出するこぶ状に固まって、いわゆるろうこぶを形成するおそれがある。このため、エッチング処理時の積層体の位置決めが妨げられ、精密な回路層の形成が困難になるという問題が生じる。また、このようなろうこぶを除去する作業が必要となるために生産性が低下し、さらに除去時にセラミックス基板に負荷がかかるため、セラミックス基板が破損するおそれもある。

特許文献３に示されるように、回路パターン状の金属板をセラミックス基板に接合する方法であれば、基板端面にろうこぶが形成されることはない。しかしながら、特許文献３に示されるように金属板の形状とろう材の塗布パターンとを一致させた場合、セラミックス基板と金属板とを厚さ方向に加圧すると回路パターンからろう材がはみ出しやすい。

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を確実に接合でき、ろうこぶの形成を抑制してセラミックス基板の破損を防止するとともに、ろうこぶの除去作業を削減して精密な加工を可能にするパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、略矩形のセラミックス基板の表面に前記セラミックス基板より小さい略矩形の金属板を接合する接合工程を有するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記接合工程は、前記金属板とこの金属板よりも小さい略矩形のろう材とを、各第１角部を一致させて位置決めした状態で仮接合して接合体を形成する第１接合工程と、前記金属板の前記第１角部の対角に位置する前記接合体の第２角部と前記セラミックス基板の１つの角部とを一致させて位置決めした状態で重ね、これらを加熱しながら厚さ方向に加圧することにより、前記ろう材を溶融させて前記金属板と前記セラミックス基板とをろう付けする第２接合工程と、を有する。

この製造方法によれば、金属板とろう材とを位置決めする第１角部と、これらを仮接合した接合体とセラミックス基板とを位置決めする角部とが対角に位置するので、ろう材はセラミックス基板の端面から離れた位置に配置される。したがって、溶融したろう材が加圧されてもセラミックスの端面から流出しにくいので、端面でのろうこぶの形成を防止できる。

この製造方法では、前記第１接合工程において、前記金属板と前記ろう材とは超音波接合により仮接合されることが好ましい。この場合、金属板とセラミックス基板との間に不純物が残存せず、金属板とセラミックス基板とを確実に接合できる。

また、前記第１接合工程において、前記金属板と前記ろう材とは有機溶剤により仮接合され、この有機溶剤は前記第２接合工程において揮発する構成としてもよい。この場合、ろう材を溶融する加熱によって有機溶剤が揮発するので、金属板とセラミックス基板との間に不純物が残存せず、金属板とセラミックス基板とを確実に接合できる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属板とセラミックス基板とを位置合わせする角部近傍にろう材が漏れ出しにくいので、ろうこぶの形成を防止でき、ろうこぶの除去作業によるセラミックス基板の破損を防止できる。

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。
図１に、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を示す。パワーモジュール１０は、表面に回路パターンＰが形成されたパワーモジュール用基板２０と、このパワーモジュール用基板２０の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品１１と、パワーモジュール用基板２０の裏面に接合される冷却器１３とから構成される。

電子部品１１は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材１２によってパワーモジュール用基板２０の回路パターンＰ上に接合され、回路端子部に対してアルミニウムからなるボンディングワイヤ（図示略）により接続されている。なお、回路パターンＰの表面には、ニッケルめっき等のめっき被膜１４が形成されている。

冷却器１３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１３ａが形成されている。この冷却器１３とパワーモジュール用基板２０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２０は、セラミックス基板２２の両面にろう材２４によって金属板２６が接合されてなる積層体５０を加工することにより形成される。すなわち、積層体５０に所定の回路パターンＰ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２０が形成される。

セラミックス基板２２は、本実施形態ではＡｌＮ（窒化アルミニウム）を母材として形成された略矩形板である。なお、このセラミックス基板２２は、例えばＡｌＮ、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から形成されていてもよい。

セラミックス基板２２に接合される金属板２６は、セラミックス基板２２よりも小さい略矩形板であり、本実施形態ではＡｌにより形成されている。この金属板２６は、例えばアルミニウム合金から形成されていてもよい。

セラミックス基板２２と金属板２６とを接合するろう材２４は、金属板２６よりも小さい略矩形箔であり、本実施形態ではＡｌ−Ｓｉ系合金により形成されている。このろう材２４は、たとえばＡｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金であってもよい。

パワーモジュール１０の回路パターンＰは、セラミックス基板２２の表面に接合された回路層用の金属板２６をエッチングすることにより形成される。また、セラミックス基板２２の裏面に接合された放熱層用の金属板２６も、エッチングによって必要な大きさ、形状に形成される。エッチングによりパターン形状に形成された回路パターンＰ表面には、めっき被膜１４が形成される。

このように回路パターンＰが形成されたパワーモジュール用基板２０に対して、冷却器１３の接合、電子部品１１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。

ここで、セラミックス基板２２の表裏面に金属板２６を接合して積層体５０を形成する接合工程について説明する。接合工程においては、金属板２６とろう材２４とを仮接合して接合体３０を形成し（第１接合工程）、この接合体３０とセラミックス基板２２とを加熱しながら厚さ方向に加圧してろう付けする（第２接合工程）。

第１接合工程においては、図２に示すように、金属板２６とろう材２４とを重ねて位置決め部材４０に当接させることにより、金属板２６の第１角部２６ａとろう材２４の第１角部２４ａとが一致するように位置決めして配置する。そして、図２に斜線で示す仮接合領域Ａを、超音波接合あるいは有機溶剤により部分的あるいは全面的に接合し、接合体３０を形成する。なお、本実施形態のように、セラミックス基板２２の両面に金属板２６を接合する場合には、金属板２６およびろう材２４の配置を反転させた接合体３０も形成しておく。

金属板２６とろう材２４とを超音波接合した場合には、金属板２６とセラミックス基板２２との間にはろう材２４のみが介在するので、不純物による接合不良の問題は生じない。一方、有機溶剤を用いた場合には、不純物の残留を防止するために、第２接合工程での加熱によって揮発するオクタンジオール等を用いる。また、第２接合工程での加熱によって熱分解される材質の接着剤（たとえばシアノアクリル酸エステル、ポリイソブチルメタクリレート系接着剤など）を用いてもよい。

仮接合領域Ａは、回路パターンＰが形成されず、積層体５０から切除されてパワーモジュール用基板２０には含まれない部分である。したがって、仮接合における接合箇所をこの仮接合領域Ａとすれば、有機溶剤や接着剤を用いた場合に、第２接合工程における有機溶剤の揮発や接着剤の熱分解が不十分で不純物が残留したとしても、回路パターンＰにおける金属板２６とセラミックス基板２２との接合性を低下させるおそれがない。

次に、第２接合工程においては、図３に示すように、金属板２６の第１角部２６ａの対角に位置する接合体３０の第２角部３０ａとセラミックス基板２２の角部２２ａとが一致するように、これらを重ねて位置決め部材４２に当接させ、加熱してろう材２４を溶融させながら厚さ方向に加圧して、各金属板２６とセラミックス基板２２とをろう付けし、積層体５０を形成する（図４）。

この積層体５０では、ろう材２４が溶融して加圧されることによって、ろう材２４の付着部分が図４に斜線で示す溶融前の略矩形状よりも拡大している。しかしながら、ろう材２４がセラミックス基板２２の端部から離れて内部に位置しているため、溶融して拡大したろう材２４は積層体５０の端部へはほとんど到達せず、端面へのろう材２４の漏出はほぼ抑止されている。このため、積層体５０の端面にろうこぶが形成されず、ろうこぶを除去する作業が不要であるので、セラミックス基板２２の破損が防止される。さらに、この積層体５０に対するエッチング加工等のための位置決めを正確に行うことができ、精密かつ正確な回路パターンＰが形成される。

また、この積層体５０において、パワーモジュール用基板２０として利用されるのは図４に示す斜線部分のみであり、接合体３０におけるろう材２４の配置面積よりも小さい。つまり、ろう材２４による接合が不確実な積層体５０の周辺部は、回路パターンＰを形成等した後に切除される。したがって、パワーモジュール用基板２０において、金属板２６とセラミックス基板２２との間はろう材２４によって確実に接合されている。

以上説明したように、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、ろう材が積層体の端面から流出しにくいので、ろうこぶの形成を抑制し、ろうこぶの除去時のセラミックス基板の破損を防止できるとともに、後加工における位置決めを容易にでき精密な加工による基板の製造が可能となる。

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。

本発明に係る製造方法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を構成する金属板とろう材とを仮接合する際の配置を示す平面図である。仮接合された金属板およびろう材をセラミックス基板に接合する際の配置を示す斜視図である。パワーモジュール用基板となる積層体を示す平面図である。

符号の説明

１０パワーモジュール
１１電子部品
１２はんだ材
１３冷却器
１３ａ流路
１４めっき被膜
２０パワーモジュール用基板
２２セラミックス基板
２２ａ角部
２４ろう材
２４ａ第１角部
２６金属板
２６ａ第１角部
３０接合体
３０ａ第２角部
４０，４２位置決め部材
５０積層体
Ａ仮接合領域
Ｐ回路パターン

Claims

略矩形のセラミックス基板の表面に前記セラミックス基板より小さい略矩形の金属板を接合する接合工程を有するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記接合工程は、
前記金属板とこの金属板よりも小さい略矩形のろう材とを、各第１角部を一致させて位置決めした状態で仮接合して接合体を形成する第１接合工程と、
前記金属板の前記第１角部の対角に位置する前記接合体の第２角部と前記セラミックス基板の１つの角部とを一致させて位置決めした状態で重ね、これらを加熱しながら厚さ方向に加圧することにより、前記ろう材を溶融させて前記金属板と前記セラミックス基板とをろう付けする第２接合工程と、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。
前記第１接合工程において、前記金属板と前記ろう材とは超音波接合により仮接合され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方法。
前記第１接合工程において、前記金属板と前記ろう材とは有機溶剤により仮接合され、この有機溶剤は前記第２接合工程において揮発す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方法。