JP2011029319A - パワーモジュール用基板の製造方法および製造中間体 - Google Patents

Abstract

【課題】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ろうこぶの除去作業を不要とし、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するとともに、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および製造中間体を提供する。
【解決手段】一対の略矩形の加圧板６０間で加熱することにより、セラミックス基板２０の表面に金属板３０の裏面をろう付け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３０の表面に、１つの角部を形成する２辺に沿って、加圧板６０から離間する所定幅の逃げ面３２を設け、接合工程において、セラミックス基板２０、ろう材４０および加圧板６０の各１つの角部を金属板３０の角部に一致させるようにこれらを積層するとともに、加圧板６０の表面と金属板３０の逃げ面３２との間にろう溜まり空間５２を形成する。
【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および製造中間体に関する。

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。

これに対して、エッチング工程を行わずに回路基板を製造する方法として、例えば特許文献２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が提案されている。

特開２００４−３５６５０２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する場合、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て、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。接合が十分でない場合には、セラミックス基板の反りによって接合部分が剥離し、後工程で形成された回路層がはがれたり、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たりするおそれがある。

一方、ろう材の量が過剰である場合、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、金属板とセラミックス基板とを接合する際に、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する場合があり、さらにエッチング処理においても同様の位置決め方法を用いて回路層を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に接合する場合、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端面が面一となる。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端面や加圧板の端面および表面にも付着し、積層体の面方向および積層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。このろうこぶによって、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。

これに対し、特許文献２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の場合、基板端面でのろうこぶの形成は抑制されるが、回路パターンからろう材がはみ出しやすく、回路パターン表面にろう材が付着したり、はみ出したろう材による短絡が生じたりするおそれがある。

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を確実に接合でき、ろうこぶの形成を抑制してろうこぶの除去作業を不要とし、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するとともに、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および製造中間体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、略矩形の金属板、およびろう材を積層してなる積層体を、一対の略矩形の加圧板間で加熱することにより、前記セラミックス基板の表面に前記金属板の裏面をろう付け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、前記金属板の表面に、１つの角部を形成する２辺に沿って、前記加圧板から離間する所定幅の逃げ面を設け、前記接合工程において、前記セラミックス基板、前記ろう材および前記加圧板の各１つの角部を前記金属板の前記角部に一致させるようにこれらを積層するとともに、前記加圧板の表面と前記金属板の前記逃げ面との間にろう溜まり空間を形成する。

本発明によれば、金属板とセラミックス基板との間から流出した溶融ろうをろう溜まり空間に流れ込ませることにより、積層体の端面にろうこぶが形成されるのを防止できる。

また本発明は、略矩形のセラミックス基板の表面に略矩形の金属板の裏面がろう付けされてなるパワーモジュール用基板の製造中間体であって、中央部に設定された製品部と、この製品部の外周を囲む枠状のダミー部とを有し、前記ダミー部に、前記製造中間体の１つの角部を形成する２辺に沿って、前記金属板の厚さを縮小させることにより形成された逃げ面が設けられ、前記角部を形成する各端面および前記逃げ面に、薄膜状のろう染みが形成されている。

この製造中間体によれば、ダミー部の逃げ面や端面に溶融ろうの余剰分が薄いろう染みとして付着することにより、端面でのろうこぶの形成が抑制されているので、端面におけるろうこぶの除去作業が不要であり、また回路パターンを形成するためのスクリーン印刷等の後工程における位置決めを正確に行うことができる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法および製造中間体によれば、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の端面にろう材が溜まりにくいので、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。

本発明に係るパワーモジュール用基板の製造中間体を示す斜視図である。 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造装置の要部を示す斜視図である。 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法を示す斜視図である。 図２のＩＩ−ＩＩ線に沿う部分断面図である。 パワーモジュールの全体構成例を示す縦断面図である。 本発明に係る加圧板の他の形状例を示す断面図である。

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、パワーモジュール用基板１００の製造中間体１０を示す。パワーモジュール用基板１００は、この製造中間体１０に対して各種加工を行い、個片に分割することによって製造される。製造中間体１０は、略矩形のセラミックス基板２０の表面に略矩形の金属板３０がろう付けされてなり、中央部に設定された製品部１０Ａと、この製品部１０Ａの外周を囲む枠状のダミー部１０Ｂとを有する。
このダミー部１０Ｂには、製造中間体１０の１つの角部（位置決め角部）１１を形成する２辺に沿って、金属板３０の厚さを縮小させることにより形成された逃げ面３２が設けられている。つまり本実施形態では、製品部１０Ａの外周を囲むように厚さの小さいダミー部１０Ｂが設けられ、このダミー部１０Ｂの表面が逃げ面３２となっている。

この製造中間体１０は、位置決め角部１１を形成する端面１１ａ，１１ｂおよび反対側の角部１２を形成する端面１２ａ，１２ｂから逃げ面３２にかけて、すなわちダミー部１０Ｂの表面に、薄膜状のろう染み４３が形成されているとともに、位置決め角部１１を形成する２辺に沿う端面１１ａ，１１ｂにろうこぶが形成されていない。
ここで、ろう染みとは、厚さが０．１ｍｍ以下であって、凹凸の小さい薄膜状の付着物を呼ぶ。また、ろうこぶとは、部分的に突出する厚さ１ｍｍ以上のこぶ状の付着物を呼ぶ。

この製造中間体１０において、ダミー部１０Ｂは、各製造工程におけるハンドリング等に用いられた後、最終的に取り除かれる。すなわち、ダミー部１０Ｂを把持して製造中間体１０をハンドリングしながら、製造中間体１０に所定の回路パターンＰを形成し（図５参照）、また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１００が形成される。このような加工を行う際に、ろうこぶが形成されていない端面１１ａ，１１ｂを用いて、製造中間体１０の位置決めを行うことができる。このとき、ろう染み４３は極めて薄い平坦な付着物であり、製造中間体１０の位置決めを妨げないので、除去する必要がない。
一方、部分的に突出するろうこぶが位置決め角部１１の端面１１ａ，１１ｂに付着していた場合には、正確な位置決めを行うためにろうこぶを除去する必要が生じ、その除去作業時にセラミックス基板２０が損傷するおそれがある。しかしながら、角部１２を形成する２辺に沿う端面１２ａ，１２ｂは位置決めに利用されないので、たとえこれら端面１２ａ，１２ｂにろうこぶが形成されていても、除去する必要はない。

セラミックス基板２０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２０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２０に接合される金属板３０は、Ａｌ，アルミニウム合金等により形成されている。
セラミックス基板２０と金属板３０とを接合するろう材４０は、略矩形箔状であり、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４０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。

図２に、製造中間体１０の接合工程を行う製造装置７０を示す。この製造装置７０は、金属板２０、セラミックス基板３０、およびろう材４０を積層した積層体５０を積層方向に挟んで加熱しながら加圧する複数の加圧板６０と、この加圧板６０および積層体５０を保持する４本の断面Ｌ字状の支柱７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄとを有する。加圧板６０は、位置決め角部６１を支柱７１ａに当接させることにより位置決めされている。なお、この製造装置７０においては、複数の加圧板６０と積層体５０とを交互に積層することにより、複数の製造中間体１０が同時に製造される。加圧板６０としては、平面度および熱伝導性に優れる、たとえばカーボンプレートを用いることができる。カーボンプレートのような多孔質材を加圧板６０として用いる場合には、溶融ろうが染み込まない材料であることが好ましい。

この製造装置７０において、各セラミックス基板２０は、位置決め角部２１を形成する２つの端面２１ａ，２１ｂのうち、端面２１ａを支柱７１ａ，７１ｂに当接させるとともに、端面２１ｂを支柱７１ｂ，７１ｄに当接させるように、位置決め角部２１を用いて加圧板６０に対して位置決めされる。同様に、各金属板３０は、各逃げ面３２が積層体５０の外面となるように配置され、位置決め角部３１を形成する端面３１ａを支柱７１ａ，７１ｂに当接させるとともに端面３１ｂを支柱７１ｂ，７１ｄに当接させるように、位置決め角部３１を用いて位置決めされる。また各ろう材４０も、位置決め角部４１を形成する端面４１ａを支柱７１ａ，７１ｂに当接させるとともに端面４１ｂを支柱７１ｂ，７１ｄに当接させるように、位置決め角部４１を用いて位置決めされる。
つまり、各積層体５０において、各端面２１ａ，３１ａ，４１ａが加圧板６０の端面６１ａに重なるとともに、各端面２１ｂ，３１ｂ，４１ｂが加圧板６０の端面６１ｂに重なるように、各部材が積層される。

なお、加圧板６０の面積は、積層体５０（セラミックス基板２０、金属板３０、ろう材４０）の面積よりも大きく設定されている。したがって、積層体５０において、位置決めに用いられていない各端面は、加圧板６０の各端面よりも内側に位置している。

図３および図４に示すように、積層体５０と加圧板６０とが積層されることにより、加圧板６０の表面と積層体５０の逃げ面３２の表面との間に、ろう溜まり空間５２が形成される。
たとえば本実施形態では、金属板３０の厚さは０．６ｍｍ、セラミックス基板２０の厚さは０．６３５ｍｍ、加圧板６０の厚さは１ｍｍに設定され、金属板３０６０の逃げ面３２は深さ０．１ｍｍ、幅４ｍｍの大きさで設けられる。

この製造装置７０を用いて、セラミックス基板２０、金属板３０、およびろう材４０を積層してなる積層体５０を一対の加圧板６０間で加熱することにより、セラミックス基板２０の表面に金属板３０をろう付けする接合工程を行う。このとき、溶融してセラミックス基板２０と金属板３０とを接合したろう材の余剰分は、図４に矢印Ａで示すように、セラミックス基板２０と金属板３０との間から押し出されて、各端面２１ｂ，３１ｂを通じてろう溜まり空間５２へと流れ込む。これにより、ろう溜まり空間５２には、余剰ろうの量に応じて厚さの小さいろう染み４３が形成される。このように、ろう溜まり空間５２が余剰ろうを引き込むことにより、各端面２１ａ，２１ｂ，３１ａ，３１ｂにはろうこぶが形成されることがない。

このように製造された製造中間体１０に対して、ろうこぶが形成されていない角部１１の各端面１１ａ，１１ｂ（各端面２１ａ，２１ｂ，３１ａ，３１ｂ）を用いて位置決めしながら加工することにより、図５に示すように所望の回路パターンＰ等が正確な位置に形成されたパワーモジュール用基板１００を製造することができる。

パワーモジュール用基板１００の回路パターンＰは、セラミックス基板２０の表面に接合された回路層用の金属板３０をエッチングすることにより形成され、その表面には、めっき被膜１１４が形成される。また、セラミックス基板２０の裏面に接合された放熱層用の金属板３０も、エッチングによって必要な大きさ、形状に形成される。

このパワーモジュール用基板１００に対して、冷却器１１３の接合、電子部品１１１のはんだ付け、ワイヤボンディング等が行われることにより、パワーモジュール１１０が形成される。パワーモジュール１１０は、パワーモジュール用基板１００と、このパワーモジュール用基板１００の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品１１１と、パワーモジュール用基板１００の裏面に接合された冷却器１１３とから構成される。図５に、パワーモジュール用基板１００が用いられたパワーモジュール１１０を示す。

このパワーモジュール１１０において、電子部品１１１は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材１１２によってパワーモジュール用基板１００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１１３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１１３ａが形成されている。この冷却器１１３とパワーモジュール用基板１００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。

以上説明したように、本発明によれば、パワーモジュール用基板の製造中間体の端面にろうこぶが形成されるのを防止できるので、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。
たとえば、前記実施形態では、金属板３０の逃げ面３２を製品部１０Ａの表面に対して平行に設けているが、図６に示すように、製品部１０Ａの表面に対して斜めに逃げ面３２Ａを設け、断面三角形のろう溜まり空間５２Ａを形成してもよい。これにより、製造中間体１０のダミー部１０Ｂにろう染み４３が形成された場合であっても、ろう染み４３は製品部１０Ａに近い部分ほど薄くなる。したがって、スクリーン印刷やロールコータを用いてレジストを形成する場合、ろう染み４３に邪魔されることなく、広範囲にレジストを形成でき、製品部１０Ａ全体を無駄なく利用することができる。
また、前記実施形態では逃げ面３２を金属板３０の外周を囲むように設けたが、位置決め角部２１に沿ってＬ字状に設けてもよい。

１０ 製造中間体
１０Ａ 製品部
１０Ｂ ダミー部
１１ 角部（位置決め角部）
１１ａ，１１ｂ 端面
２０ セラミックス基板
２１ 位置決め角部
２１ａ，２１ｂ 端面
３０ 金属板
３１ 位置決め角部
３１ａ，３１ｂ 端面
３２，３２Ａ 逃げ面
４０ ろう材
４１ 位置決め角部
４１ａ，４１ｂ 端面
４３ ろう染み
５０ 積層体
５２，５２Ａ ろう溜まり空間
６０ 加圧板
６１ 位置決め角部
６１ａ，６１ｂ 端面
７０ 製造装置
７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ 支柱
１００ パワーモジュール用基板
１１０ パワーモジュール
１１１ 電子部品
１１２ はんだ材
１１３ 冷却器
１１３ａ 流路
１１４ めっき被膜
Ｐ 回路パターン

Claims (2)

1. 略矩形のセラミックス基板、略矩形の金属板、およびろう材を積層してなる積層体を、一対の略矩形の加圧板間で加熱することにより、前記セラミックス基板の表面に前記金属板の裏面をろう付け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、
   前記金属板の表面に、１つの角部を形成する２辺に沿って、前記加圧板から離間する所定幅の逃げ面を設け、
   前記接合工程において、前記セラミックス基板、前記ろう材および前記加圧板の各１つの角部を前記金属板の前記角部に一致させるようにこれらを積層するとともに、前記加圧板の表面と前記金属板の前記逃げ面との間にろう溜まり空間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。
2. 略矩形のセラミックス基板の表面に略矩形の金属板の裏面がろう付けされてなるパワーモジュール用基板の製造中間体であって、
   中央部に設定された製品部と、この製品部の外周を囲む枠状のダミー部とを有し、
   前記ダミー部に、前記製造中間体の１つの角部を形成する２辺に沿って、前記金属板の厚さを縮小させることにより形成された逃げ面が設けられ、
   前記角部を形成する各端面および前記逃げ面に、薄膜状のろう染み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。

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