JP2012049436A - パワーモジュール用基板およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フラックスろう付法を適用してもセラミックス基板と金属板との接合部に剥離を生じさせず、接合信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】側面１３ａに高酸素濃度部１７を有する金属板１３とセラミックス基板１１とを積層状態にろう付する第１ろう付工程と、金属板１３とヒートシンク１４とをフラックス１６を用いたろう付法により接合する第２ろう付工程とを有し、第２ろう付工程において、金属板１３とヒートシンク１４との間からはみ出したフラックス１６と金属板１３の高酸素濃度部１７とを反応させるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、パワーモジュール用基板およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関する。

従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に回路層となるアルミニウム金属板が積層され、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付されるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となるアルミニウム金属板が積層され、この放熱層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。

このようなパワーモジュールを製造する方法として、たとえば、特許文献１および特許文献２に記載された方法が知られている。この製造方法では、まずセラミックス基板の一方の面にＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を介して回路層となる金属板を積層し、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して放熱層となる金属板を積層して、これらを積層方向に加圧するとともに加熱し、セラミックス基板と各金属板とを接合する。次いで、放熱層の、セラミックス基板が接合されている面とは反対側の面に、ろう材を介してヒートシンクの天板部を積層し、この積層方向に加圧するとともに加熱して放熱層とヒートシンクとを接合することにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。

従来、このような場合に用いられるろう付法として、フラックスを用いずに真空中で行われる真空ろう付法や、真空雰囲気を必要とせずにフラックスを用いるノコロックろう付法が知られている。ノコロックろう付法は、フッ化物系のフラックスをろう材面に塗布してろう材面の酸化物を除去し、非酸化性雰囲気中で加熱して接合するろう付法であり、高価な設備が不要で、比較的容易に安定したろう付が可能であるので、金属板とヒートシンクとの接合に適用することが検討されている。

特開２００７−３１１５２７号公報 特開２００２−００９２１２号公報

パワーモジュール用基板の製造過程において、セラミックス基板と金属板とのろう付時に、接合に寄与しない余剰分のろう材が接合部から押し出され、金属板の側面に付着する場合がある。このような状態で金属板（放熱層）とヒートシンクとをノコロックろう付すると、フラックスの余剰分が放熱層の側面部を伝って、放熱層の側面部に付着したろう材と接触してしまう。ろう材と接触したフラックスは、セラミックス基板と放熱層との接合部界面に引き込まれ、セラミックス基板と放熱層との接合部に侵食してしまう。これにより接合部にクラックが生じ、セラミックス基板と放熱層との剥離が生じやすくなるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セラミックス基板と金属板との接合部に剥離を生じさせることなく、金属板とヒートシンクとをフラックスを用いてろう付し、接合信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することを目的とする。

本発明は、側面に高酸素濃度部を有する金属板とセラミックス基板とを積層状態にろう付する第１ろう付工程と、前記金属板とヒートシンクとをフラックスを用いたろう付法により接合する第２ろう付工程とを有し、前記第２ろう付工程において、前記金属板と前記ヒートシンクとの間からはみ出した前記フラックスと前記金属板の前記高酸素濃度部とを反応させるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法である。

ここで、高酸素濃度部とは、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂などからなり、酸化物を除去する機能を有するフラックスと反応しやすい部分である。この製造方法によれば、フラックスを用いる第２ろう付工程において、金属板とヒートシンクとの間から漏れたフラックスを高酸素濃度部で酸化物やＳｉと反応させることにより、金属板とセラミックス基板との間の接合部分にフラックスが到達するのを防止し、フラックスの侵食による接合部分の剥離を防止することができる。

この製造方法において、前記金属板の前記高酸素濃度部を、前記セラミックス基板から間隔を空けて設けておくことが好ましい。この場合、接合部分と高酸素濃度部とが離れているので、フラックスが接合部分に到達するのをより確実に防止することができる。

また、本発明のパワーモジュール用基板は、金属板とセラミックス基板とが積層状態でろう付されてなり、前記金属板の側面に、前記セラミックス基板から間隔を空けて設けられた高酸素濃度部が備えられている。

このパワーモジュール用基板によれば、フラックスと反応しやすい高酸素濃度部を金属板の側面に備えているので、フラックスを用いて金属板にヒートシンクをろう付する場合にも、フラックスをセラミックス基板と金属板との接合部に到達させず、フラックスの侵食による接合部における剥離を防止することができる。特に、高酸素濃度部がセラミックス基板から離間しているので、フラックスがセラミックス基板と金属板との接合部分に到達するのを確実に防止でき、フラックスの侵食による剥離を発生させずに、フラックスを用いたヒートシンクのろう付を可能にする。

このパワーモジュール用基板において、前記金属板の前記側面に、前記高酸素濃度部を備える溝部が設けられていることが好ましい。この場合、この溝部の中にたとえばＡｌ₂Ｏ₃等からなるメッシュやワイヤ、ペースト等が埋め込まれることにより高酸素濃度部が形成されるので、セラミックス基板に対して確実に離間した位置でフラックスを反応させることができる。

あるいは、このパワーモジュール用基板において、前記金属板の前記側面に凹凸形状が形成されていることが好ましい。この場合、金属板の側面の表面積が大きいので、高酸素濃度部が大きく、より多くのフラックスを確実に反応させることができる。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、フラックスろう付を適用してもセラミックス基板と金属板との接合部に剥離を生じさせず、接合信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。

パワーモジュールを示す断面図である。 本発明に係るパワーモジュール用基板の要部を示す断面図である。 本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、図２に示すパワーモジュール用基板にヒートシンクをろう付する状態を示す断面図である。 本発明に係るパワーモジュール用基板において、ワイヤを用いて高酸素濃度部を設けた実施例を示す断面図である。 本発明に係るパワーモジュール用基板において、メッシュを用いて高酸素濃度部を設けた実施例を示す断面図である。 本発明に係るパワーモジュール用基板において、金属板の側面に凹凸形状が形成された実施例を示す断面図である。

以下、本発明に係るパワーモジュール用基板およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。図１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１から製造されたパワーモジュール１００の断面図である。パワーモジュール１００は、パワーモジュール用基板１０にヒートシンク１４が接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１と、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１に形成された回路層２１に搭載された半導体チップ等の電子部品２０とから構成される。

パワーモジュール用基板１０は、図２に示すように、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の両面に積層された金属板１２，１３とを備える。

セラミックス基板１１は、たとえばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ₃Ｎ₄（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成されている。このセラミックス基板１１は、たとえば厚さ０．６２５ｍｍ、一辺３０ｍｍの矩形状である。

金属板１２は、純度９９．９ｗｔ％以上（ＪＩＳ規格で１Ｎ９０（純度９９．９ｗｔ％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）または１Ｎ９９（純度９９．９９ｗｔ％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム））のアルミニウムにより形成されている。金属板１２は、たとえば厚さ０．６ｍｍ、一辺３０ｍｍの矩形状であり、所定の形状にエッチングされて回路層２１となる。

一方、放熱層となる金属板１３は、金属板１２と同じアルミニウム材からなり、たとえば厚さ１．６ｍｍ、一辺３０ｍｍの矩形状であり、側面１３ａに高酸素濃度部１７を有している。この高酸素濃度部１７は、金属板１３の側面１３ａにおいて厚さ方向中央部に、全周にわたって帯状に設けられている。したがって、セラミックス基板１１やヒートシンク１４に金属板１２が接合された状態では、この高酸素濃度部１７はこれらセラミックス基板１１やヒートシンク１４から離間するように配置される。

なお、本実施形態のパワーモジュール用基板１０における高酸素濃度部１７は、図２に示すように、金属板１３の側面１３ａに設けられた溝部１３ｂに、Ａｌ₂Ｏ₃またはＳｉＯ₂などの酸化物粉末をオクタンジオール等の溶剤に混合したペースト状のものを塗り込めることにより形成されている。このペースト状のものを塗った後に乾燥させてもよいが、溶剤は後のろう付け工程において揮発するので塗布して濡れた状態のままでもよい。
図２には、理解の便宜のため、高酸素濃度部１７、側面１３ａ、溝部１３ｂについては、断面視の部分と正面視の部分との両方に符号を付した（以下の図４〜図６においても同様）。

このパワーモジュール用基板１０にヒートシンク１４が接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１は、金属板１２，１３とセラミックス基板１１とを積層状態にろう付する第１ろう付工程と、金属板１３とヒートシンク１４とをフラックスを用いたろう付法により接合する第２ろう付工程とを行うことにより製造される。ヒートシンク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。

そして、この製造方法では、第２ろう付工程において、金属板１３とヒートシンク１４との間からはみ出したフラックスと金属板１３の高酸素濃度部１７とを反応させることにより、余剰分のフラックスを高酸素濃度部１７で消費させている。なお、各金属板１２，１３とセラミックス基板１１とを接合するろう材は、たとえば厚さ２０μｍのろう箔である。

より具体的には、まず第１ろう付工程において、Ａｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金ろう材を用いて、セラミックス基板１１と金属板１２，１３とをろう付する。この工程は真空、約６１０℃の雰囲気中で行われる。セラミックス基板１１と金属板１２，１３との間を確実に接合するために、十分な量のろう材を供給することが好ましい。このため、接合に寄与しない余剰ろう材１５が生じてセラミックス基板１１と金属板１２，１３との間から押し出され、金属板１３の側面１３ａやセラミックス基板１１の表面に付着する場合がある。

すなわち、この第１ろう付工程において、セラミックス基板１１と金属板１２，１３との間で、ろう材は金属板１２，１３中に拡散する。しかしながら、接合に寄与しない余剰分ろう材１５は、金属板１２，１３中に拡散せずにセラミックス基板１１との間からはみ出して付着する。このため、この余剰ろう材１５は、ろう材に含まれるＳｉ成分を多く含有し、Ｓｉリッチとなっている。

次いで、第２ろう付工程において、フラックスを用いて金属板１３とヒートシンク１４とをろう付する。より具体的には、たとえば、フッ化物系（ＫＡｌＦ₄，Ｋ₂ＡｌＦ₄，Ｋ₃ＡｌＦ₆等）のフラックスをろう材面に塗布してろう材面の酸化物を除去し、非酸化性雰囲気中で加熱して接合する（ノコロックろう付法）。このとき、余剰分のフラックス１６が金属板１３とヒートシンク１４との間から流れ出し、金属板１３の側面１３ａの表面に付着する（図３参照）。

この第２ろう付工程において、Ｓｉリッチ相すなわち余剰ろう材１５が側面１３ａに付着していた場合、余剰ろう材１５が再溶融すると、金属板１３とヒートシンク１４との間からはみ出したフラックス１６が余剰ろう材１５中のＳｉや酸化物と反応して金属板１３とセラミックス基板１１との接合界面に引き込まれ、この接合部に剥離を生じさせるおそれがある。

しかしながら、この製造方法においては、金属板１３の側面１３ａに高酸素濃度部１７が設けられているので、金属板１３とヒートシンク１４との間からはみ出したフラックス１６はまずこの高酸素濃度部１７で酸化物等と反応して消費されてしまい、余剰ろう材１５にまで到達しない。したがって、フラックスが接合界面を侵食するのを防止でき、すでにろう付されたセラミックス基板１１と金属板１３とを剥離させることなく、金属板１３とヒートシンク１４とをろう付することができる。

以上説明したように、本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、接合面にフラックスを引き込む原因となる余剰ろう材１５にフラックス１６が到達しないように、フラックス１６と反応する高酸素濃度部１７を設けておいてフラックスろう付を行うので、セラミックス基板１１と金属板１３との接合部に剥離を生じさせることなく、金属板１３とヒートシンク１４とを低コストで安定してろう付して、接合信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を提供することができる。

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、高酸素濃度部１７の形状は、金属板１３の側面１３ａに、セラミックス基板１１から間隔を空けて、より好ましくはヒートシンク１４からも間隔を空けるように設けられていればよい（図４〜図６参照）。すなわち、アルミニウム材からなる金属板１３の側面１３ａは自然酸化して酸化物が形成されるが、セラミックス基板１１近傍およびヒートシンク１４近傍の酸化物については、レーザークリーニング等により除去されていることが好ましい。高酸素濃度部１７がヒートシンク１４から離間していることにより、ヒートシンク１４と金属板１３とが接合された隅部分（フィレット形成部）にフィレットが形成されやすくなる可能性があり、ヒートシンク１４と金属板１３とをより確実に接合できる。

たとえば、図４は、金属板１３の側面１３ａに設けられた溝部１３ｂの内部にＡｌ₂Ｏ₃またはＳｉＯ₂からなるワイヤが配置されることにより、高酸素濃度部１７が形成されているパワーモジュール用基板１０の例である。

図５は、金属板１３の側面１３ａにＡｌ₂Ｏ₃またはＳｉＯ₂からなるメッシュが固着されることにより、高酸素濃度部１７が形成されているパワーモジュール用基板１０の例である。この場合、メッシュによって凹凸形状が形成されるので、側面１３ａにおける高酸素濃度部１７の表面積が大きくなり、はみ出たフラックスを高酸素濃度部１７で十分に反応させることができる。

図６は、金属板１３の側面１３ａに凹凸形状が形成され、その表面が酸化されることにより高酸素濃度部１７が形成されているパワーモジュール用基板１０の例である。凹凸形状は、フラックス１６を金属酸化物と十分に反応させるために、金属板１３の側面１３ａにおける高酸素濃度部１７の表面積を大きくする形状が好ましく、たとえば図６に示すような綾目ローレット、平目ローレット、多条溝などにより形成することができる。

また、セラミックス基板１１から離間するように高酸素濃度部１７を設けるには、レジストマスクを用いて酸化処理を施すなどの方法を採用することができる。酸化処理は、たとえばセラミックス基板１１と金属板１３とを真空ろう付した後に、４５０℃程度で大気開放することにより可能である。また、金属板１３の側面１３ａに酸化処理を施した後に、ヒートシンク１４との接合部近傍をエッチングして、フィレット形成部の酸化物を除去しておいてもよい。

１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２，１３ 金属板
１３ａ 側面
１３ｂ 溝部
１４ ヒートシンク
１５ 余剰ろう材
１６ フラックス
１７ 高酸素濃度部
１８ ワイヤ
１００ パワーモジュール
１０１ ヒートシンク付パワーモジュール用基板

Claims (5)

1. 側面に高酸素濃度部を有する金属板とセラミックス基板とを積層状態にろう付する第１ろう付工程と、
   前記金属板とヒートシンクとをフラックスを用いたろう付法により接合する第２ろう付工程とを有し、
   前記第２ろう付工程において、前記金属板と前記ヒートシンクとの間からはみ出した前記フラックスと前記金属板の前記高酸素濃度部とを反応させることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
2. 前記金属板の前記高酸素濃度部を、前記セラミックス基板から間隔を空けて設けておくことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
3. 金属板とセラミックス基板とが積層状態でろう付されてなるパワーモジュール用基板であって、
   前記金属板の側面に、前記セラミックス基板から間隔を空けて設けられた高酸素濃度部が備えられていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
4. 前記金属板の前記側面に、前記高酸素濃度部を備える溝部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用基板。
5. 前記金属板の前記側面に凹凸形状が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用基板。

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