JP2012038825A - パワーモジュール用基板の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】取扱性に優れ、繰り返して使用することができるクッションシートを用いることにより、パワーモジュール用基板の製造を容易にする。
【解決手段】第１ろう材１１を介在させてセラミックス基板２０と金属板３０，４０とを積層してなる積層体１０１を、複数積み重ねた状態で厚さ方向に加圧する加圧装置１１０と、グラファイトシート１２１の両面にカーボンシート１２２が第２ろう材１２３によりろう付けされてなり、積み重ねられた複数の積層体１０１間に配置されるクッションシート１２０とを備え、セラミックス基板２０と金属板３０，４０とをろう付する製造装置１００。
【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の製造装置および製造方法に関する。

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。

パワーモジュール用基板の製造工程において、特許文献１に示されるように、セラミックス基板の両面に金属板を積層した回路基板ユニットとクッションシートとを交互に重ね、厚さ方向に加圧しながら加熱することにより、セラミックス基板と金属板とがろう付される。クッションシートは、セラミックス基板と金属板との接合面に圧力を均等に作用させるために用いられ、グラファイト製クッション層の両面にカーボン製緻密層が形成されている。

特開２００８−１９２８２３号公報

クッション層を形成するグラファイトは鱗片状の薄膜であり、脆く、金属板に付着しやすいなど取扱性が悪いという問題がある。このため、特許文献１に開示されているように、カーボン板を配置したりＣＶＤ法等によってカーボンコーティングしたりすることにより、グラファイト性クッション層の両面にカーボン製緻密層を形成している。しかしながら、カーボン板を用いる場合、カーボン板とグラファイト層とがずれるおそれがあるため、クリップや接着剤などで固定する必要があり、繰り返して使用することが困難であるなどの問題もあり、より作業性のよいクッションシートの実現が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、取扱性に優れ、繰り返して使用することができるクッションシートを用いることにより、パワーモジュール用基板の製造を容易にすることを目的とする。

本発明は、第１ろう材を介在させてセラミックス基板と金属板とを積層してなる積層体を複数積み重ねた状態で厚さ方向に加圧する加圧装置と、グラファイトシートの両面にカーボンシートが第２ろう材によりろう付けされてなり、積み重ねられた複数の前記積層体間に配置されるクッションシートとを備え、前記セラミックス基板と前記金属板とをろう付してパワーモジュール用基板を製造する装置である。

ここで、カーボンシートとは、たとえば、コークスやコールタールピッチ等を主原料として、静水圧成形法により形成され、等方的な構造と特性を持つものである。また、グラファイトシートとは、たとえば、酸処理した天然黒鉛を膨張化処理し、予備成形およびロール圧延することにより形成され、クッション性を有するものである。

このパワーモジュール用基板の製造装置によれば、クッションシートにおいてグラファイトシートとカーボンシートとが接合されているので、クッションシートの取扱性がよく、加圧装置に積層体とクッションシートとを積層する作業を容易に行うことができる。また、ろう付後のパワーモジュール用基板とクッションシートとを加圧装置から取り出す際にグラファイトシートとカーボンシートとがずれず、クッションシートが破損するおそれが小さいので、クッションシートを繰り返し使用することが可能になる。

このパワーモジュール用基板の製造装置において、前記第２ろう材の融点は、前記積層体のろう付温度よりも高いことが好ましい。たとえば、セラミックス基板と金属板とを８７３Ｋでろう付する場合、融点が９７３Ｋ以上である第２ろう材によってグラファイトシートとカーボンシートとがろう付けされていることが好ましい。この場合、積層体をろう付する際にクッションシートの第２ろう材が溶融しないので、グラファイトシートとカーボンシートとの接合を維持することができ、クッションシートを繰り返し使用することができる。

ここで、第２ろう材としては、たとえば、融点が１２７３Ｋ〜１３７３ＫのＣｕ−Ｎｉ−Ｍｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍ（Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃｏ）−Ｍｎ系ろう材などが例示される。

このパワーモジュール用基板の製造装置において、前記第２ろう材にマグネシウムが含まれていてもよい。この場合、積層体をろう付する際に、第２ろう材中のマグネシウムが蒸発し、金属板の外面に溶融状態のろう材による濡れ性を低下させるＭｇＯ膜が形成される。したがって、セラミックス基板と金属板との間からはみ出した第１ろう材が金属板の側面を伝って移動しにくくなり、金属板の表面、すなわち回路パターン表面にろう材が付着しにくくなる。

マグネシウムを含む第２ろう材としては、たとえば、Ｃｕ：１〜１５ｍａｓｓ％、Ｎｉ：５〜３５ｍａｓｓ％、ＭｇＯ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、残部がＭｎ及び不可避不純物からなるろう材などが挙げられる。

また、本発明は、第１ろう材を介在させてセラミックス基板と金属板とを積層した積層体と、グラファイトシートの両面にカーボンシートが第２ろう材によりろう付されてなるクッションシートとを交互に積層し、これらを厚さ方向に加圧および加熱することにより前記セラミックス基板と前記金属板とをろう付してパワーモジュール用基板を製造する方法である。

このパワーモジュール用基板の製造方法によれば、グラファイトシートとカーボンシートとが接合されているクッションシートを用いるので、クッションシートの取扱性がよく、加圧装置に積層体とクッションシートとを積層する作業を容易に行うことができる。また、ろう付後のパワーモジュール用基板とクッションシートとを加圧装置から取り出す際にグラファイトシートとカーボンシートとがずれにくく、クッションシートが破損するおそれが小さいので、クッションシートを繰り返し使用することが可能になる。

このパワーモジュール用基板の製造方法において、前記第２ろう材の融点は、前記積層体のろう付温度よりも高いことが好ましい。たとえば、セラミックス基板と金属板とを８７３Ｋのろう付温度でろう付する場合、融点が９７３Ｋ以上である第２ろう材によってグラファイトシートとカーボンシートとがろう付けされていることが好ましい。この場合、積層体をろう付する際にも、クッションシートの第２ろう材が溶融しないので、グラファイトシートとカーボンシートとの接合を維持することができ、クッションシートを繰り返し使用することができる。

このパワーモジュール用基板の製造方法において、前記第２ろう材にマグネシウムが含まれていてもよい。この場合、積層体をろう付する際に、金属板の外面に、溶融状態のろう材による濡れ性を低下させるＭｇＯ膜が形成される。したがって、セラミックス基板と金属板との間からはみ出した第１ろう材が金属板の側面を伝って移動しにくくなり、金属板の表面、すなわち回路パターン表面にろう材が付着するのを防止できる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造装置および製造方法によれば、取扱性に優れ、繰り返して使用することができるクッションシートを提供できるので、パワーモジュール用基板の製造を容易にすることができる。

パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。 本発明のパワーモジュール用基板の製造装置を示す側面図である。 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側面図である。 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造装置におけるクッションシートの製造方法を示す分解断面図である。 ＭｇＯ膜が形成されたパワーモジュール用基板を示す側面図である。

以下、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造装置および製造方法の実施形態について説明する。図１は、この発明により製造されるパワーモジュール用基板１０を適用したパワーモジュール５０を示す全体図である。

パワーモジュール用基板１０は、図１に示すように、セラミックス基板２０と、このセラミックス基板２０に接合された放熱層用の金属板３０と、セラミックス基板２０に接合された回路層用の金属板４０とを備える。

セラミックス用基板２０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矩形状に形成されている。放熱層用の金属板３０は、純アルミニウムにより形成される。回路層用の金属板４０は、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る。セラミックス基板２０と金属板３０，４０との相互間は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の第１ろう材１１によりろう付されている。

このパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール５０は、図１に示すように、パワーモジュール用基板１０に半導体チップ等の電子部品６０およびヒートシンク７０を取り付けて製造される。パワーモジュール５０において、電子部品６０は、金属板４０から形成された回路パターン４１の上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材６１によって接合される。電子部品６０と回路パターン４１の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ６２により接続される。

ヒートシンク７０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７０ａが形成されている。ヒートシンク７０は、ろう付、はんだ付、ボルト等によってパワーモジュール用基板１０に接合される。

このパワーモジュール５０に用いられているパワーモジュール用基板１０の製造装置１００について、本発明に係る実施形態を説明する。図２に示すように、パワーモジュール用基板１０の製造装置１００は、第１ろう材１１を介在させてセラミックス基板２０と金属板３０，４０とを積層してなる積層体１０１（図３参照）を複数積み重ねた状態で、図に矢印で示すように厚さ方向に加圧する加圧装置１１０と、グラファイトシート１２１の両面にカーボンシート１２２が第２ろう材１２３によりろう付けされてなり、複数の積層体１０１間に配置されるクッションシート１２０（図４参照）とを備える。

加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された加圧板１１４と、固定板１１３と加圧板１１４との間に設けられて加圧板１１４を下方に付勢するばね１１５とを備えている。固定板１１３および加圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されている。積層体１０１およびクッションシート１２０は、固定板１１３と加圧板１１４との間に交互に積層されて、ばね１１５の付勢力によって厚さ方向（積層方向）に加圧される。ばね１１５の付勢力による積層体１０１に対する押圧力は、０．５×１０^５〜５×１０^５Ｐａである。

クッションシート１２０は、加圧装置１１０における付勢力を均一に各積層体１０１に対して伝えるために配置される。クッションシート１２０は、図４に示すように、第２ろう材１２３を介して積層されたグラファイトシート１２１とカーボンシート１２２とを厚さ方向に加圧・加熱することにより、ろう付されてなる。

グラファイトシート１２１はクッション性を有し、たとえば、東洋炭素株式会社製黒鉛シート（製品名ＰＦ−ＵＨＰ，ＵＨＰＵ、厚さ０．２〜１．５ｍｍ）を用いることができる。また、カーボンシート１２２は比較的硬質で平滑な平面を有し、たとえば、東洋炭素株式会社製等方製黒鉛材（製品名ＴＴＫ−４、かさ密度１．７８Ｍｇ／ｍ^３、硬さ７２（ＨＳＤ））を用いて形成することができる。

第２ろう材１２３は、積層体１０１の前記ろう付温度（たとえば８７３Ｋ）よりも高い融点を有し、積層体１０１のろう付時には溶融しない材質である。このような第２ろう材１２３としては、たとえば融点が１２７３Ｋ〜１３７３ＫのＣｕ−Ｎｉ−Ｍｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍ（Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃｏ）−Ｍｎ系ろう材などが例示される。Ｍ（Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃｏ）は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃｏのうちの少なくとも一種を含むことを意味する。この第２ろう材１２３の厚みは、５〜５０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍである。第２ろう材１２３の厚みをこのように設定するのは、１０μｍより薄いと接合不良のおそれがあり、２０μｍより厚いと厚みばらつきの原因となるとともに積層段数が減るためである。

グラファイトシート１２１とカーボンシート１２２とが第２ろう材１２３によってろう付けされてなるクッションシート１２０は、内部（グラファイトシート１２１）の密度が０．５〜１．３Ｍｇ／ｍ^３であるのに対し、表面（カーボンシート１２２）の密度が１．６〜１．９Ｍｇ／ｍ^３であって、比較的軟質な内部に対して硬質で平滑な表面を有している。クッションシート１２０の厚さは０．５〜５．０ｍｍである。すなわち、クッションシート１２０は、クッション性を備えつつ、取扱性に優れる構造のシート材である。

このように形成されたクッションシート１２０と積層体１０１とを交互に積層し、これらを厚さ方向に加圧する加圧装置１１０を熱処理炉等に入れて所定のろう付温度で加熱することにより、各積層体１０１のセラミックス基板２０と金属板３０，４０とをろう付して、パワーモジュール用基板１０を製造することができる。

以上説明したように、本発明の一実施形態に係る製造装置１００および製造方法によれば、セラミックス基板２０と金属板３０，４０とのろう付の際、セラミックス基板２０に反り、うねり、表面凹凸、厚みの不均一等があっても、クッションシート１２０がクッション性を備えることにより、積層体１０１を均一に加圧できる。また、クッションシート１２０は耐熱性を有しているので、ろう付時の高温によってもクッション性が維持され、積層体１０１を均一に加圧した状態でろう付することができる。

また、クッションシート１２０は、脆く取扱性の悪いクッション層（グラファイトシート１２１）の両面に比較的硬質な緻密層（カーボンシート１２２）が一体に設けられた構造であるので、取扱性に優れ、繰り返して使用することも可能である。

なお、クッションシート１２０のグラファイトシート１２１とカーボンシート１２２とを接合している第２ろう材１２３は、マグネシウムが含まれる材質であってもよい。この場合、たとえばＣｕ：１〜１５ｍａｓｓ％、Ｎｉ：５〜３５ｍａｓｓ％、ＭｇＯ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、残部がＭｎ及び不可避不純物からなるろう材などが例示される。第２ろう材１２３に含まれるマグネシウムは、製造装置１００におけるろう付時に、金属板３０，４０の側面に蒸着され、雰囲気中等の酸素と結合してＭｇＯ膜１２を形成する（図５参照）。このＭｇＯ膜は、溶融状態のろう材の金属板３０，４０に対する濡れ性を低下させるので、ろう付時にセラミックス基板２０と金属板３０，４０との間からはみ出した第１ろう材１１が金属板３０，４０の側面を伝って表面に付着するのを防止できる。したがって、パワーモジュール５０における回路パターン４１に対する電子部品６０の接合信頼性を高め、外観品質を向上し、コンパクト化や低コスト化を図ることができる。

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、積層体のろう付温度よりも融点が低い第２ろう材を用いてもよい。この場合、グラファイトシートおよびカーボンシートの長辺寸法をｘ、短辺寸法をｙとして、第２ろう材の寸法は各シートよりも小さい長辺０．７〜０．９ｘ、短辺０．７〜０．９ｙに設定することが好ましい。

１０ パワーモジュール用基板
１１ 第１ろう材
１２ ＭｇＯ膜
２０ セラミックス基板
３０，４０ 金属板
４１ 回路パターン
５０ パワーモジュール
６０ 電子部品
６１ はんだ材
６２ ボンディングワイヤ
７０ ヒートシンク
７０ａ 流路
１００ 製造装置
１０１ 積層体
１１０ 加圧装置
１１１ ベース板
１１２ ガイドポスト
１１３ 固定板
１１４ 加圧板
１１５ ばね
１２０ クッションシート
１２１ グラファイトシート
１２２ カーボンシート
１２３ 第２ろう材

Claims (6)

1. 第１ろう材を介在させてセラミックス基板と金属板とを積層してなる積層体を、複数積み重ねた状態で厚さ方向に加圧する加圧装置と、
   グラファイトシートの両面にカーボンシートが第２ろう材によりろう付けされてなり、積み重ねられた複数の前記積層体間に配置されるクッションシートと
   を備え、前記セラミックス基板と前記金属板とをろう付することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造装置。
2. 前記第２ろう材の融点は、前記積層体のろう付温度よりも高い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装置。
3. 前記第２ろう材にマグネシウムが含まれ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装置。
4. 第１ろう材を介在させてセラミックス基板と金属板とを積層した積層体と、グラファイトシートの両面にカーボンシートが第２ろう材によりろう付されてなるクッションシートとを交互に積層し、
   これらを厚さ方向に加圧および加熱することにより前記セラミックス基板と前記金属板とをろう付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。
5. 前記第２ろう材の融点は、前記積層体のろう付温度よりも高いことを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
6. 前記第２ろう材にマグネシウムが含まれていることを特徴とする請求項４または５に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。

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