JP2012109457A - Manufacturing method of substrate for power module - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.
従来、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層を積層し、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けされるとともに、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層が形成され、この放熱層にヒートシンクが接合されたパワーモジュールが知られている。 Conventionally, an aluminum metal layer serving as a circuit layer is laminated on one surface of a ceramic substrate, and an electronic component such as a semiconductor chip is soldered on the circuit layer, and a heat dissipation layer is formed on the other surface of the ceramic substrate. There is known a power module in which an aluminum metal layer is formed and a heat sink is bonded to the heat dissipation layer.
このようなセラミックス基板に回路層または放熱層となるアルミニウム金属層を積層状態に形成する方法として、たとえば特許文献1では、Al−Si系またはAl−Ge系のろう材を介在させてセラミックス基板とアルミニウム金属層とを重ね合わせ、その積層体を加圧、加熱することにより、ろう材を溶融させてセラミックス基板とアルミニウム金属層とを接合している。 As a method of forming an aluminum metal layer serving as a circuit layer or a heat dissipation layer in such a ceramic substrate in a laminated state, for example, in Patent Document 1, an Al—Si based or Al—Ge based brazing material is interposed to By superposing the aluminum metal layer and pressurizing and heating the laminated body, the brazing material is melted to join the ceramic substrate and the aluminum metal layer.
従来、パワーモジュールは、回路層および放熱層とも同じ板厚で形成されるのが一般的であったが、近年では放熱層とヒートシンクとの間の熱膨張差による熱応力を緩和するための応力緩衝機能を放熱層自体に持たせるために、放熱層を厚肉に形成することが検討されている。しかしながら、回路層と放熱層との厚さに差があると、ろう付のための加熱処理を経由すると熱応力により全体に反りが生じて、その後のヒートシンクへの接合を阻害するという問題が生じる。 Conventionally, a power module is generally formed with the same thickness for both the circuit layer and the heat dissipation layer. However, in recent years, the stress for relieving the thermal stress due to the difference in thermal expansion between the heat dissipation layer and the heat sink. In order to give the heat dissipation layer itself a buffer function, it has been studied to form the heat dissipation layer thick. However, if there is a difference between the thickness of the circuit layer and the heat dissipation layer, there is a problem in that when the heat treatment for brazing is performed, the entire substrate is warped due to thermal stress, thereby hindering subsequent bonding to the heat sink. .
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反りの問題を解消し、信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to solve the problem of warping and to provide a highly reliable power module substrate.
本発明は、セラミックス基板と所定の厚さを有する金属板とを交互に積層して接合した後、前記金属板を厚さ方向の途中位置で面方向に沿って切断することにより、前記セラミックス基板の両面にそれぞれ所定厚さの第1金属層および第2金属層を形成するパワーモジュール用基板の製造方法である。 In the present invention, the ceramic substrate and the metal plate having a predetermined thickness are alternately laminated and bonded, and then the metal plate is cut along the plane direction at a midway position in the thickness direction. This is a method for manufacturing a power module substrate in which a first metal layer and a second metal layer having a predetermined thickness are formed on both surfaces of the substrate.
この発明によれば、セラミックス基板の両面に金属板を接合するときに同じ板厚の金属板をセラミックス基板の間に介在させるので、各セラミックス基板の両面で生じる熱伸縮が等しく、接合時の熱の影響による反りを抑制することができる。しかも、セラミックス基板と金属板とを複数層積層するので、その積層体は厚さ方向に大きなブロック状となり、反りが生じにくくなる。そして、この積層体における金属板を厚さ方向に切り分けることにより第1金属層および第2金属層を形成するので、第1金属層および第2金属層の厚さが異なっていても、反りの発生が略抑制されたパワーモジュール用基板を製造することができる。 According to the present invention, when the metal plates are bonded to both surfaces of the ceramic substrate, the metal plates having the same thickness are interposed between the ceramic substrates. Warpage due to the influence of the can be suppressed. In addition, since the ceramic substrate and the metal plate are laminated in a plurality of layers, the laminated body has a large block shape in the thickness direction, and is less likely to warp. Since the first metal layer and the second metal layer are formed by cutting the metal plate in the laminated body in the thickness direction, even if the thicknesses of the first metal layer and the second metal layer are different from each other, A power module substrate in which generation is substantially suppressed can be manufactured.
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、接合時の熱応力による反りが生じにくいので、前記第1金属層の厚さと前記第2金属層の厚さとが異なる場合にも好適である。 The method for manufacturing a power module substrate according to the present invention is suitable for the case where the thickness of the first metal layer and the thickness of the second metal layer are different because warpage due to thermal stress during bonding hardly occurs.
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属板の接合時の熱による反りを抑えることができるので、反りの問題を解消して信頼性の高いパワーモジュール用基板を製造することができる。 According to the method for manufacturing a power module substrate of the present invention, it is possible to suppress warpage due to heat at the time of joining metal plates, and thus it is possible to solve the problem of warpage and manufacture a highly reliable power module substrate. it can.
以下、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
まず、パワーモジュール用基板10は、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第1金属層30と、セラミックス基板20に接合された回路層用の第2金属層40とを備える。
Hereinafter, the manufacturing method of the board | substrate for power modules which concerns on this invention is demonstrated.
First, the
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100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101およびヒートシンク102を取り付けて製造される。パワーモジュール100において、電子部品101は、第2金属層40からエッチング処理等により形成された回路パターン41の上に、Sn−Cu系、Sn−Ag−Cu系、Zn−Al系若しくはPb−Sn系等のはんだ材103によって接合される。電子部品101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104により接続される。
A
ヒートシンク102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102aが形成されている。ヒートシンク102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。
The
セラミックス用基板20は、例えば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、若しくはAl2O3(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。放熱層用の第1金属層30および回路層用の第2金属層40は、純アルミニウムまたはJIS1000番台のアルミニウム合金により形成される。
The
パワーモジュール用基板10において、第1金属層30および第2金属層40は、図2に示すように、複数枚のセラミックス基板20と所定の厚さを有する金属板50を交互に積層して接合した後、金属板50を厚さ方向の途中位置で面方向に沿って切断することにより形成される。
In the
具体的には、まず、金属板50とセラミックス基板20との間を、ろう材によりろう付する。たとえば図2に示すように、ろう材を介在させて5枚のセラミックス基板20と6枚の金属板50とを交互に積層し、この積層体60を厚さ方向に加圧および加熱して、各セラミックス基板20と各金属板50とをろう付する。ろう材としては、たとえばAl−Si系、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系またはAl−Mn系等を用いることができる。このように、セラミックス基板20の両面に対して同じ厚さの金属板50がろう付けされるので、セラミックス基板20の両面で生じる熱伸縮が等しく、熱の影響による反りを抑制することができる。また、積層体60は厚さが大きく曲がりにくいので、一層反りが生じにくいものとなっている。
Specifically, first, the
この積層体60において、セラミックス基板20に接合された金属板50を、厚さ方向に分割するように切断する。金属板50は、第1金属層30の厚さt1、第2金属層40の厚さt2、および切断代の厚さt3を合計した厚さTを有している。したがって、各金属板50について、一方の面からの距離t1の位置で切断代がt3となるように切断することにより、各セラミックス基板20の表裏面にそれぞれ厚さt1の第1金属層30と厚さt2の第2金属層40とが接合されてなるパワーモジュール用基板10を形成することができる。
In this laminated
このとき、金属板50の厚さTや金属板50の切断位置を変更することにより、任意の厚さを有する第1金属層30および第2金属層40を形成することができる。これら第1金属層30と第2金属層40とがろう付時に熱伸縮が等しい状態で接合されているため、これら金属層30,40の各厚さが異なっていても、パワーモジュール用基板10はほとんど反ることがない。
At this time, the
パワーモジュール用基板10において、第1金属層30の厚さt1はたとえば0.6mm、第2金属層40の厚さt2はたとえば1.6mmである。このような薄い金属板50を高精度かつ小さい切断代で切断するためには、ダイシングソー、ワイヤソー等、シリコンウェハの切断手段を応用することが好ましい。たとえば、シリコンウェハ切断用のダイシングブレードの切断代の厚さt3は一般的には100μm程度である。切断装置の一例として、図2に、複数枚のブレード111を備えるダイシングソー110を示す。
In the
なお、図2に示すように積層体60において、複数枚のブレード111によって複数の金属板50を同時に切断して多数(図示例では5個)のパワーモジュール用基板10を同時に製造する場合、切断終了時にパワーモジュール用基板10がばらばらに落下しないように、積層体60における各セラミックス基板20を確実に保持しておく必要がある。一方、1枚のブレードによって金属板50を1個ずつ切断し、パワーモジュール用基板10を1個ずつ製造してもよい。この場合、多数を同時に切断する場合に比較して製造時間が増大するが、簡易な保持構造により積層体60を保持できるので、製造装置のコスト増大を抑えることができる。
As shown in FIG. 2, in the laminated
このように積層体60から金属板50を切断して個別のパワーモジュール用基板10を得た後、たとえば研磨ブラシ等を用いて各金属層30,40のバリ取りを行う。さらに、各金属層30,40の表面処理を行い、表面の加工歪みを除去し、平滑化する。表面処理としては、たとえば水酸化ナトリウム5%水溶液に80秒〜160秒浸漬するアルカリエッチングや、硝酸30%水溶液に20秒〜40秒浸漬する酸処理等が可能である。パワーモジュール用基板10について、バリ取りおよび表面処理を行った後、エッチング等により第2金属層40から回路パターン41を形成し、電子部品101およびヒートシンク102を取り付けることにより、パワーモジュール100を製造することができる。
Thus, after cutting the
以上説明したパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板20の両面においてろう付時の各金属板50の熱伸縮の差がほとんどないので、金属板50を適宜位置で切断することにより、厚さの異なる各金属層30,40がセラミックス基板20に接合されてなり、反りなく信頼性の高いパワーモジュール用基板10を製造することができる。
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。
According to the method for manufacturing a power module substrate described above, there is almost no difference in thermal expansion and contraction of each
In addition, this invention is not limited to the thing of the structure of the said embodiment, In a detailed structure, it is possible to add a various change in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
10 パワーモジュール用基板
20 セラミックス基板
30 第1金属層
40 第2金属層
41 回路パターン
50 金属板
60 積層体
100 パワーモジュール
101 電子部品
102 ヒートシンク
102a 流路
103 はんだ材
104 ボンディングワイヤ
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