JP2012235077A - パワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】セラミックス基板と金属板とを多層に積層し、セラミックス基板の両側の金属板を接続状態とすることができ、しかもセラミックス基板と金属板との間の剥離やセラミックス基板の割れ等が生じにくいパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】セラミックス基板２及び金属板４Ａ，４Ｃ，４Ｄ，５Ａ，６を積層する際に、セラミックス基板２の貫通孔１１内に、貫通孔１１よりも長い柱状の金属部材１２を挿入しておき、セラミックス基板及び金属板を接合する際に金属部材１２を加圧して塑性変形させ、金属部材１２と貫通孔１１の内周面との間に隙間を形成した状態で金属部材１２によりセラミックス基板２の両側の金属板５Ａ、４Ａ，４Ｄを接続状態とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、大電流、大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及びパワーモジュール用基板に関する。
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、導体パターン層を形成する金属板が積層され、この導体パターン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金属板が形成され、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。
このパワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の表面に金属板をろう付けにより接合している。例えば、特許文献１では、セラミックス基板の表面に揮発性有機媒体の表面張力によってろう材箔を仮固定するとともに、そのろう材箔の表面に基材から打ち抜かれた導体パターン層を仮固定した状態で加熱し、揮発性有機媒体を揮発させ、これらを厚さ方向に加圧することにより、金属板とセラミックス基板とをろう付けしたパワーモジュール用基板を形成している。
一方、この種のパワーモジュール用基板としては、絶縁基板としての機能、放熱基板としての機能の他に、近年の高集積化に伴い、配線基板としての機能も求められてきており、多層化することが検討されている。
例えば、特許文献２に開示の金属−セラミックス接合基板（パワーモジュール用基板）では、バイアホール用の貫通孔が形成された複数のセラミックス基板と、これらセラミックス基板の間に介在するアルミニウム製の金属板とが多層構造に設けられている。この場合、金属板は、鋳型の中で積み重ねたセラミックス基板に金属溶湯を流し込んで固化することにより形成されており、このため、セラミックス基板に形成しておいた貫通孔内にも金属溶湯が入り込んで固化され、その貫通孔内の金属を介してセラミックス基板の両側の金属板相互が電気的接続状態とされている。
特許第４３１１３０３号公報 特許第４５６５２４９号公報
しかしながら、金属溶湯を流し込んで製造する特許文献２記載の方法では、セラミックス基板の貫通孔に充満された金属が温度サイクルにより熱伸縮を繰り返すと、セラミックス基板との熱膨張係数の差により、両者の間で剥離が生じたり、セラミックス基板に割れが生じるなどの問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、セラミックス基板と金属板とを多層に積層し、セラミックス基板の両側の金属板を接続状態とすることができ、しかもセラミックス基板と金属板との間の剥離やセラミックス基板の割れ等が生じにくいパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
特許文献１記載のパワーモジュール用基板のように、セラミックス基板に金属板をろう付けにより接合する方法において、セラミックス基板に貫通孔を形成し、セラミックス基板の両側の金属板を貫通孔の内部を介して接続状態とする場合、貫通孔内に接続用の金属部材を配置して両金属板にろう付けすることが考えられる。しかしながら、セラミックス基板は焼結部品であり、焼結時の収縮による影響で、その寸法交差は金属製の部品に比べて相当に大きい。このため、このようなセラミックス基板に形成した貫通孔に金属部材を挿入して両金属板にろう付けする方法では、金属部材の長さとセラミックス基板の厚さとの寸法差のばらつきのため、安定した接合を得ることが難しい。このような見識のもと、本発明は、以下の解決手段とした。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、複数のセラミックス基板と金属板とを交互に積層して接合するとともに、セラミックス基板に形成した貫通孔を介して該セラミックス基板の両側の金属板を接続状態としたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板及び金属板を積層する際に、セラミックス基板の貫通孔内に、該貫通孔よりも長い柱状の金属部材を挿入しておき、前記セラミックス基板及び金属板を接合する際に前記金属部材を加圧して塑性変形させて、前記金属部材により前記セラミックス基板の両側の金属板を接合することを特徴とする。
セラミックス基板の貫通孔内に挿入した金属部材を塑性変形させて両金属板を接合することにより、セラミックス基板の厚さの寸法ばらつきを金属部材の塑性変形量によって調整することができ、安定した接合を得ることができる。したがって、熱応力の発生が軽減され、剥離や割れ等の発生が防止される。
また、本発明の製造方法において、前記金属部材と前記貫通孔の内周面との間に隙間を形成した状態で前記金属板を接合するのが望ましい。貫通孔の内周面と金属部材との間に隙間が形成され、貫通孔内を金属で充満させないので、温度サイクルにより熱伸縮を繰り返しても、金属部材とセラミックス基板との熱膨張係数の差を隙間により吸収することが可能である。
本発明の製造方法において、前記金属部材は、前記セラミックス基板の両側に配置される両金属板の一方の表面に予め一体に立設しておいてもよい。この場合は、金属部材は他方の金属板に接合される。
あるいは、前記金属部材は、前記セラミックス基板の両側に配置される両金属板のそれぞれの表面に予め一体に立設しておいてもよい。この場合、金属部材は二つの部材からなり、両金属板のそれぞれに立設され、貫通孔の長さの途中位置で接合される。
さらに、別の方法として、前記金属部材は、その長さ方向の両端に端面を有しており、前記セラミックス基板の両側に配置される両金属板にそれぞれ接合されるものとしてもよい。
本発明のパワーモジュール用基板は、複数のセラミックス基板と金属板とを交互に積層して接合するとともに、セラミックス基板に形成した貫通孔の内部を介して該セラミックス基板の両側の金属板を接続状態としたパワーモジュール用基板であって、前記貫通孔内に挿入された金属部材が塑性変形された状態で前記セラミックス基板の両側の金属板が接合されていることを特徴とする。
また、本発明のパワーモジュール用基板は、前記金属部材と前記貫通孔の内周面との間に隙間が形成されていることが望ましい。
本発明によれば、セラミックス基板の厚さの寸法ばらつきを金属部材の塑性変形量によって調整して、安定した接合を得ることができる。また、貫通孔の内周面と金属部材との間に隙間を形成した場合、温度サイクルにより熱伸縮を繰り返しても、金属部材とセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力の発生が軽減され、剥離や割れ等の発生が防止される。これにより、長期的に接合信頼性の高い多層のパワーモジュール用基板を得ることができる。
本発明のパワーモジュール用基板の第１実施形態を示す縦断面図であり、図４のＡ−Ａ線に沿う矢視図に相当する。 図１の接合部付近を示す拡大断面図である。 接合前のセラミックス基板の貫通孔と金属板の凸部との寸法関係を示す図２同様の拡大断面図である。 図１のパワーモジュール用基板の平面図である。 図１のＢ−Ｂ線に沿う矢視図である。 本発明の製造方法で用いられる加圧装置の例を示す正面図である。 金属板の真応力−真ひずみ線図である。 本発明のパワーモジュール用基板の第２実施形態を示す縦断面図であり、図１０のＣ−Ｃ線に沿う矢視図に相当する。 図８のパワーモジュール用基板の平面図である。 図８のＤ−Ｄ線に沿う矢視図である。 本発明のパワーモジュール用基板の第３実施形態を示す図１同様の縦断面図である。 図１１のパワーモジュール用基板の平面図である。 本発明のパワーモジュール用基板の第４実施形態の組立途中の状態を示す縦断面図である。 本発明のパワーモジュール用基板の第５実施形態の組立前の状態を示す縦断面図である。 本発明のパワーモジュール用基板の第６実施形態の組立途中の状態を示す縦断面図である。 本発明のパワーモジュール用基板の第３実施形態の組立途中の状態を示す縦断面図である。 接合部付近の他の例を示す図２同様の拡大断面図である。 接合部のさらに他の例を示す図２同様の拡大断面図である。
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
図１〜図５は第１実施形態のパワーモジュール用基板を示しており、このパワーモジュール用基板１は、複数のセラミックス基板２，３と金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６とが交互に積層され、相互にろう付けにより接合されており、最上段に配置される金属板４Ａ〜４Ｅの一部（図示例では４Ｄ，４Ｅ）に電子部品７が搭載され、最下段に配置される金属板６にヒートシンク８が接合される。
図示例ではセラミックス基板２，３が２枚用いられ、金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６が３層となるように配置されている。金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６は、最上段に５枚、両セラミックス基板の間に２枚、最下段に１枚それぞれ設けられている。最上段の５枚の金属板４Ａ〜４Ｅは、中間の位置に１枚（４Ｃ）、その両側にそれぞれ２枚ずつ（４Ａ，４Ｂと４Ｄ，４Ｅ）配置されている。両セラミックス基板２，３の間の金属板（以下、中央の金属板という）５Ａ，５Ｂは、図４及び図５に示すように、最上段の両側位置に配置されている金属板４Ａ，４Ｄ及び金属板４Ｂ，４Ｅをそれぞれ連結し得る長さの細長い帯板状に形成され、２枚が並んで平行に配置されている。そして、最上段における両側の金属板４Ａ，４Ｄ及び金属板４Ｂ，４Ｅが組になって、中間位置の金属板４Ｃの下方で連結するように、中央の金属板５Ａ，５Ｂを介して相互に電気的接続状態とされている。
その接続形態としては、セラミックス基板２に４個の貫通孔１１が形成され、前述の５枚の最上段の金属板４Ａ〜４Ｅのうちの中間位置の金属板４Ｃを除く４枚の金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅの片面にそれぞれ凸部（本発明の金属部材に相当）１２が円柱状に一体に形成され、これら凸部１２がそれぞれ貫通孔１１内に挿入し、両セラミックス基板２，３の間の中央の金属板５Ａ，５Ｂに接合された構造とされている。この場合後述するように、凸部１２は、中央の金属板５Ａ，５Ｂに接合され、中央の金属板５Ａ，５Ｂへの接合部Ｐと金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ及び４Ｅの下面との中間付近が塑性変形してわずかに拡径した状態とされているが、貫通孔１１の内周面との間には隙間Ｇが形成されている。
セラミックス基板２，３は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ等により、例えば０．３２ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さに形成され、金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６は、純アルミニウム又はアルミニウム合金により、例えば０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの厚さに形成され、これらを接合するろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材が用いられる。
次に、このように構成したパワーモジュール用基板１を製造する方法について説明する。
セラミックス基板２，３のうち、貫通孔１１を有するセラミックス基板２は、セラミックスの焼成前のグリーンシートにプレス加工により貫通孔を形成した後に焼成することにより得ることができる。その外形は焼成後に加工される。貫通孔を有しないセラミックス基板３は、グリーンシートを焼成した後に外形加工される。
金属板４Ｃ，５Ａ，５Ｂ，６は、ろう材箔１３（図３参照）をオクタンジオール等の揮発性有機媒体等により表面に仮固定しておき、プレス加工によって一体に打ち抜くことにより、ろう材箔を貼り付けた金属板としておく。この場合、最上段の金属板４Ｃ及び最下段の金属板６は片面にろう材箔が貼り付けられ、中央の金属板５Ａ，５Ｂには両面にろう材箔が貼り付けられる。
また、最上段の金属板４Ａ〜４Ｅのうち、凸部１２を有する金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅは、予めプレス加工により片面に凸部１２を成形しておき、その凸部１２を除くように穴をあけたろう材箔を凸部１２の周囲の平面に貼り付けることにより形成される。
このようにして成形される凸部１２は、貫通孔１１を有するセラミックス基板２の厚さよりも大きく、図３に示すように、貫通孔１１に挿入したときにセラミックス基板２からわずかに突出する長さに設定される。セラミックス基板２の厚さの寸法ばらつきを考慮して、その公差の最大値よりも０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍ大きい長さ、例えば０．０５ｍｍ大きい長さに設定される。また、凸部１２の外径Ｄ１とセラミックス基板２の貫通孔１１の内径Ｄ２とは、後述する加圧時に凸部１２が拡径するので、その拡径状態でも隙間Ｇが形成されるように凸部１２の外径Ｄ１は１．０ｍｍ〜２０ｍｍ、セラミックス基板２の貫通孔１１の内径Ｄ２は１．１ｍｍ〜２８ｍｍに形成される。例えば、凸部１２の外径Ｄ１が１０ｍｍ、貫通孔１１の内径Ｄ２は１３ｍｍとされる。
このようにして形成したセラミックス基板２，３と金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６とを交互に重ね合わせ、金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅの凸部１２を対応するセラミックス基板２の貫通孔１１に挿入した状態とし、その積層体Ｓを図６に示す加圧装置に設置する。
この加圧装置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に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備えている。
固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されており、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体Ｓが配置される。積層体Ｓの両面には加圧を均一にするためにカーボンシート１１６が配設される。
この加圧装置１１０により加圧した状態で、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設置し、例えば６３０℃のろう付け温度に加熱してろう付けする。
このろう付け時に金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅの凸部１２に降伏点以上の荷重が作用するように、予め付勢手段１１５の付勢力を設定しておく。図７は純度が９９．９９質量％のアルミニウムの６３０℃付近での真応力−真ひずみ線図であり、３．５ＭＰａ程度で降伏している。したがって、例えば、凸部１２の外径Ｄ１が１０ｍｍとすると、６３０℃の高温時に、凸部１２に２７０Ｎ以上の荷重が作用するように、常温での付勢手段１１５の付勢力を設定しておく。
このように付勢力を設定しておくことにより、ろう付け時に凸部１２が塑性変形して押しつぶされながら、中央の金属板５Ａ，５Ｂに接合するとともに、この凸部１２の周囲の金属板４Ａ〜４Ｅの平面がセラミックス基板２の表面に密接し、面方向に均一な接合状態を得ることができる。
また、接合した後の状態においても、凸部１２は部分的に拡径するが、前述したように拡径した状態で凸部１２と貫通孔１１の内周面との間に隙間Ｇが形成される設定であるので、凸部１２が貫通孔１１の内周面に圧迫されることはない。
このようにして製造されたパワーモジュール用基板１は、最上段の金属板４Ａ〜４Ｅの一部に電子部品７が搭載され、最下段の金属板６にヒートシンク８が取り付けられて使用に供される。凸部１２と貫通孔１１の内周面との間に隙間Ｇが形成されているので、使用時の温度サイクルにより熱伸縮が繰り返されても、貫通孔１１の部分での熱応力が軽減され、接合部の剥離やセラミックス基板２，３の割れ等が防止され、パワーモジュール用基板として高い信頼性を維持することができる。
また、最上段の金属板４Ｄ，４Ｅに搭載されている電子部品７で発生する熱は、その金属板４Ｄ，４Ｅから凸部１２を経由して中央の金属板５Ａ，５Ｂにも熱伝達されるが、凸部１２が電子部品７の直下に配置される場合は、金属板４Ｄ，４Ｅから凸部１２を介して直線的に中央の金属板５Ａ，５Ｂに熱伝達され、速やかに放熱することができる。この放熱性を高めるためには凸部１２の外径Ｄ１は大きい方がよく、例えば電子部品７の投影面積よりも大きい横断面積であると、凸部１２の延長上に電子部品７を搭載すれば優れた放熱性を発揮する。また、パワーモジュールとしても大電流が流れるので、大きい断面積の凸部１２の方が電流密度が小さくなるので好ましい。
なお、図５に示すように中央の複数の金属板５Ａ，５Ｂにより回路を分割して構成する場合、前述した特許文献２記載のように金属溶湯を流し込む方法では、製造上の困難性があるが、本発明の方法では中央の金属板により回路を分割する形態も容易に製造することができる。
＜第２実施形態＞
図８〜図１０は、本発明の第２実施形態のパワーモジュール用基板を示している。
このパワーモジュール用基板２１では、２枚のセラミックス基板と３層の金属板との積層構造である点は第１実施形態と同様であるが、両セラミック基板２，３の間に配置される中央の金属板２２Ａ，２２Ｂが、平面視Ｌ字状に屈曲成形され、その屈曲部分を対峙させるようにして並んでいる。
最上段の金属板２３Ａ〜２３Ｅは５枚配置され、そのうちの２枚ずつ（２３Ａと２３Ｂ、２３Ｃと２３Ｄ）が中央の金属板２２Ａ，２２Ｂを介して電気的接続状態とされ、その接続構造については、第１実施形態と同様であり、説明を省略する。
この第２実施形態のパワーモジュール用基板２１では、両セラミックス基板２，３の間に配置される中央の金属板２２Ａ，２２Ｂが、屈曲部を対峙させて並んでいるため、これらセラミックス基板２，３と金属板２２Ａ，２２Ｂとにより形成される空洞部２４がクランク状に屈曲状態に形成される。このため、前述した特許文献２記載のように金属溶湯を流し込む方式では製造することはできない。本発明の方法であれば、セラミックス基板２，３の間に配置される金属板２２Ａ，２２Ｂの枚数や形状も任意に設定することができ、設計の自由度が高まり、高集積化に有利である。
＜第３実施形態＞
図１１〜図１３は、本発明の第３実施形態のパワーモジュール用基板を示している。
このパワーモジュール用基板３１では、２枚のセラミックス基板２，３と３層の金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６との積層構造とされるとともに、最下段の金属板６にピンフィン付ヒートシンク３２が接合されている。各図の符号は第１実施形態と共通部分に同一符号をして説明する。
２枚のセラミックス基板２，３は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ等により、例えば０．６３５ｍｍの厚さに形成され、３層の金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６は、純度９９．９９質量％（４Ｎ）の純アルミニウムにより、厚さは、例えば最上段の回路層を構成する金属板４Ａ〜４Ｅが０．５ｍｍ、中間層の金属板５Ａ，５Ｂが０．５ｍｍ、下層の金属板６が２ｍｍに形成される。また、その中間層の金属板５Ａ，５Ｂの上面に凸部１２が一体に形成され、上側セラミックス基板２に形成した貫通孔１１内に凸部１２が挿入され、最上段の金属板４Ａ〜４Ｅに接合されている。
ヒートシンク３２は、例えばＡ６０６３アルミニウム合金の熱間鍛造により、板状部３３の片面に多数のピン状フィン３４が一体成形されたものであり、寸法的に限定されるものではないが、例えば、板状部３３は、５０ｍｍ角で厚さが５ｍｍの正方形板に形成され、各フィン３４は、直径３ｍｍ、高さ１５ｍｍに形成され、ピッチ６ｍｍの千鳥状に配列されている。
このような構造のパワーモジュール用基板３１を製造するには、セラミックス基板２，３を前述した第１実施形態と同様の方法によりグリーンシートを焼成して作製するとともに、各金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６をプレス加工により打ち抜き成形する。また、熱間鍛造により、板状部３３とフィン３４とを一体成形したヒートシンク３２を作製する。各金属板には、最上段の金属板４Ａ〜４Ｅの裏面及び中間層の金属板５Ａ，５Ｂの両面にそれぞれろう材箔を貼り付けた状態とする。
そして、２枚のセラミックス基板２，３と３層の金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６とを先に接合（一次接合）し、その後にヒートシンク３２を接合（二次接合）する。
一次接合では、３層の金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６と２枚のセラミックス基板２，３とを交互に積層して、金属板５Ａ，５Ｂの凸部１２をセラミックス基板２の貫通孔１１内に挿入した状態とし、その積層体を第１実施形態と同様、図６に示す加圧装置１１０に設置して加圧する。金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６に貼り付けておくろう材箔としては、例えばＡｌ−７．５質量％Ｓｉからなる１５μｍの厚さのものが使用される。これらの積層体を加圧した状態で真空中で加熱してろう付けする。加熱温度としては例えば６３０℃、加圧力としては例えば０．５ＭＰａ（５ｋｇ／ｃｍ２）とされ、６３０℃の高温時に、凸部１２に３．５ＭＰａ以上の荷重が作用するようにする。
この一次接合により、中間層の金属板５Ａ，５Ｂに形成した凸部１２が塑性変形しながら最上段の金属板４Ａ〜４Ｅに接合し、セラミックス基板２の貫通孔１１を経由して両層の金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂが接続状態となる。この場合も、塑性変形により拡径した凸部１２の外周面とセラミックス基板２の貫通孔１１の内周面との間には隙間が形成される。
二次接合では、一次接合体３１Ｘの最下段の金属板６とヒートシンク３２の板状部３３の上面との間にろう材箔３５を介在させ、これらを加圧した状態で真空中で加熱してろう付けする。この場合のろう材箔３５としては、例えばＡｌ−１０．５質量％Ｓｉからなる５０μｍ厚さのものが用いられる。加圧力としては例えば０．７ＭＰａ（７ｋｇ／ｃｍ２）、加熱温度としては例えば６１０℃とされる。この場合の加圧装置としても図６と同様のものが用いられるが、ヒートシンク３２にピン状にフィン３４が突出しているので、ヒートシンク３２に接するカーボンシートとしては、これらフィン３４を配置する穴のあいたカーボンシートが用いられ、フィン３４の周囲でヒートシンク３１の板状部３２を押さえるようにする。
このように製造することにより、セラミックス基板２，３を介して最上段の金属板４Ａ〜４Ｅと中間の金属板５Ａ，５Ｂとが接続状態とされ、第１実施形態と同様の電気的特性のものが得られるとともに、ヒートシンク３２と一体のパワーモジュール用基板３１として提供することができる。
＜第４実施形態＞
第３実施形態では、２枚のセラミックス基板２，３と３層の金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６とを先に接合した後にヒートシンク３２を接合したが、第４実施形態では、これらを同時に接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板４１を提供する。この第４実施形態では、各要素の符号は第３実施形態と同一として説明する。
このような構造のパワーモジュール用基板４１を製造するには、セラミックス基板２，３を前述した第１実施形態等と同様の方法によりグリーンシートを焼成して作製するとともに、各金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６をプレス加工により打ち抜き成形する。また、熱間鍛造により、板状部３３とフィン３４とを一体成形したヒートシンク３２を作製する。金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６については、図１４に示すように、セラミックス基板２，３との接合面及びヒートシンク３２との接合面、つまり、最上段の金属板４Ａ〜４Ｅは裏面、中間層の金属板５Ａ，５Ｂは凸部１２を除いて両面の平面部分、最下段の金属板６は両面に、それぞれ蒸着等により厚さ０．４μｍ程度の銅層４２を形成しておく。
そして、ヒートシンク３２の板状部３３の上面に、各金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６とセラミックス基板２，３とを交互に積層して、金属板５Ａ，５Ｂの凸部１２をセラミックス基板２の貫通孔１１内に挿入した状態とし、図６と同様の加圧装置１１０に設置して加圧する。第３実施形態で述べたように、ヒートシンク３２に接するカーボンシートは、フィン３４を配置する穴のあいたカーボンシートが用いられ、フィン３４の周囲でヒートシンク３２の板状部３３を押さえるようにする。加圧力としては、例えば０．６ＭＰａ（６ｋｇ／ｃｍ２）とし、６００℃の高温時に、凸部１２が降伏する以上の荷重が作用するようにする。この加圧状態で１０−３〜１０−６Ｐａの真空中で、６００℃で０．５時間加熱することにより、３層の金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６と２枚のセラミックス基板２，３及びヒートシンク３２とを同時に接合する。この接合法は、ＴＬＰ接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）と称される過渡液相接合法である。
この過渡液相接合法においては、金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６の表面に蒸着させた銅層４２が金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６とセラミックス基板２，３及びヒートシンク３２との界面に介在しており、加熱により、その銅がまず金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６のアルミニウム中に拡散し、その金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６の銅層近傍の銅濃度が上昇して融点が低下し、これにより、アルミニウムと銅との共晶域にて接合界面に金属液相が形成される。この金属液相が形成された状態で温度を一定に保持しておくと、金属液相がセラミックス２，３又はヒートシンク３２と一定温度で一定時間接触し反応するとともに、銅がさらにアルミニウム中に拡散することに伴い、金属液相中の銅濃度が徐々に低下して融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６とセラミックス基板２，３及びヒートシンク３２との強固な接合が得られ、凝固が進行した後に、常温にまで冷却する。
このような過渡液相接合法における加圧力により、中間層の金属板５Ａ，５Ｂに形成した凸部１２も塑性変形しながら最上段の金属板４Ａ〜４Ｅに接合し、セラミックス基板２の貫通孔１１を経由して両金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂが接続状態となる。この場合も、塑性変形により拡径した凸部１２の外周面とセラミックス基板２の貫通孔１１の内周面との間には隙間が形成される。
そして、セラミックス基板２を介して最上段の金属板４Ａ〜４Ｅと中間の金属板５Ａ，５Ｂとが接続状態とされるとともに、第３実施形態と同様に、ヒートシンク３２と一体のパワーモジュール用基板４１として提供することができる。
この製造方法によれば、セラミックス基板２，３、各金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６、ヒートシンク３２とを一度に接合でき、組立作業の効率がよい。
＜第５実施形態＞
以上の各実施形態では、基板としてセラミックス基板の両面の金属板にアルミニウムを用いた、いわゆるＤＢＡ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｒａｚｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ）基板の例を示したが、図１５に示す第５実施形態のパワーモジュール用基板５１では最上段の金属板５２Ａ〜５２Ｅ及び中間層の金属板５３Ａ，５３Ｂとして銅板が用いられる。また、図示例では、ヒートシンク５４としてはストレートフィン５５を有するヒートシンクが用いられる。なお、各金属板の平面形状及び平面上の配置は図４及び図５と同様とし、図１５は図１同様、図４のＡ−Ａ線に沿う断面に相当するものとし、各金属板５２Ａ〜５２Ｅ，５３Ａ，５３Ｂのうち、金属板５２Ａ，５２Ｃ，５２Ｄ，５３Ａが示されている。
最上段及び中間層の両金属板５２Ａ〜５２Ｅ，５３Ａ，５３Ｂとしては例えば０．３ｍｍ厚さのタフピッチ銅が用いられる。最下段の金属板６は前述の各実施形態と同様に例えば厚さ２．０ｍｍの９９．９９質量％純アルミニウム、セラミックス基板２，３としては厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮが用いられる。ヒートシンク５４は、例えばＡ６０６３アルミニウム合金の押出成形により形成される。図示例では、紙面に直交する方向に押し出され、その押出方向に沿って帯板状にストレートのフィン５５が形成される。寸法的に限定されるものではないが、例えば５０ｍｍ角で厚さ５ｍｍの板状部５６の片面に、押出方向に沿う厚さ４ｍｍ、高さ１５ｍｍのストレート状のフィン５５が複数形成されている。
この構造のパワーモジュール用基板５１を製造する場合、セラミックス基板２，３を前述した第１実施形態等と同様の方法によりグリーンシートを焼成して作製するとともに、各金属板５２Ａ〜５２Ｅ，５３Ａ，５３Ｂ，６をプレス加工により打ち抜き成形する。また、押出成形により、板状部５６とフィン５５とを一体成形したヒートシンク５４を作製する。
そして、これら金属板５２Ａ〜５２Ｅ，５３Ａ，５３Ｂ，６、セラミックス基板２，３、ヒートシンク５４を一次接合と二次接合との２回に分けて接合する。一次接合においては、２枚のセラミックス基板２，３と最上段及び中間層の金属板５２Ａ〜５２Ｅ，５３Ａ，５３Ｂとをろう材を介して積層する。このろう材には、例えばＡｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉの活性金属ろう材が用いられる。このろう材を介在させた積層体を加圧装置により８５０℃の高温時に、凸部１２が降伏する以上の荷重が作用するように加圧し、真空中で８５０℃で約１０分加熱する。
この一次接合では、ろう材中の活性金属であるＴｉが優先的にセラミックス基板２，３の表面に拡散してＴｉＮを形成し、Ａｇ−Ｃｕ合金を介して金属板５２Ａ〜５２Ｅ，５３Ａ，５３Ｂと接合する。そして、この一次接合時に中間層の金属板５３Ａ，５３Ｂの凸部１２がセラミックス基板２の貫通孔１２を介して最上段の金属板５２Ａ〜５２Ｅに接合する。
次いで、二次接合では、最下段を構成する金属板６の両面に蒸着等により厚さ０．４μｍ程度の銅層５７を形成しておき、ヒートシンクの板状部の上面に積層し、その上に一次接合体５１Ｘの下段側セラミックス基板３を積層して、これらを過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）により接合する。その際の加圧力としては９８ｋＰａ（１ｋｇ／ｃｍ２）〜３．４ＭＰａ（３５ｋｇ／ｃｍ２）、１０−３〜１０−６Ｐａの真空中で、６００℃で０．５時間加熱する。
＜第６実施形態＞
図１６に示す第６実施形態のパワーモジュール用基板６１は、金属板５２Ａ〜５２Ｅ，５３Ａ，５３Ｂ，６２が全て銅（例えばタフピッチ銅）により形成されるとともに、ヒートシンク６３も銅によって形成され、このヒートシンク６３と最下段の金属板６２との間がはんだ付けにより接合されている。セラミックス基板２，３は各実施形態と同様、ＡｌＮが用いられる。また、図示例ではヒートシンク６３は板状のものが用いられている。
このパワーモジュール用基板６１を製造するには、まず、２枚のセラミックス基板２，３と３層の金属板５２Ａ〜５２Ｅ，５３Ａ，５３Ｂ，６２とを活性金属接合により接合（一次接合）し、その後にヒートシンク６３を接合（二次接合）する。
一次接合では、ろう材に、例えばＡｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉの活性金属ろう材を用い、これら金属板とセラミックス基板との積層体を、８５０℃の高温時に凸部１２が降伏する以上の荷重が作用するように加圧し、真空中で８５０℃で約１０分加熱することにより、活性金属であるＴｉをセラミックス基板２，３に優先的に拡散させてＴｉＮを形成し、Ａｇ−Ｃｕ合金を介して金属板５２Ａ〜５２Ｅ，５３Ａ，５３Ｂ，６２と接合する。
次いで、二次接合では、一次接合体６１Ｘの最下段の金属板６２の裏面及びヒートシンク６３の上面にそれぞれ無電解メッキにより例えば５μｍ程度の厚さでニッケルメッキを形成しておき、これらの間にＳｎ−３．５質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕ等からなる厚さ２００μｍのはんだ箔６４を介在して、例えば３％水素による還元雰囲気中で２８０℃まで加熱することにより、はんだ箔６４をリフローさせ、冷却して接合する。
このパワーモジュール用基板６１は、金属板５２Ａ〜５２Ｅ，５３Ａ，５３Ｂ，６２がすべて銅により形成されているので、放熱性に優れている。
さらに、金属板に凸部を一体に形成した実施形態として説明したが、図１７に示すように、柱状の金属部材３１を金属板４，５とは別に形成しておき、セラミックス基板２の貫通孔１１内に金属部材３１を配置して、その両端面を両金属板４，５に接合させるものとしてもよい。この場合は、金属部材７１の両端面に接合部Ｐが形成される。
さらに、図１８に示すように、両金属板４，５にそれぞれ凸部（金属部材）１２Ａ，１２Ｂを形成しておき、セラミックス基板２の貫通孔１１の長さの途中位置で接合される構成としてもよい。この場合は、貫通孔１１の途中位置に接合部Ｐが形成される。
また、この金属部材は円柱状でなく、横断面多角形の柱状に形成し、貫通孔も同様の多角形とすることにより、貫通孔内で金属部材を回り止めすることが可能になり、多層構造とする場合の金属板の位置決めを容易にすることができる。
また、各実施形態ではセラミックス基板を２枚で金属板を３層構造としたが、これに限らず、セラミックス基板を３枚以上として金属板を積層してもよい。
さらに、本明細書では、ピンフィンやストレートフィンなどのフィン付のタイプに限らず、放熱板と呼ばれる板状のタイプも合わせてヒートシンクと定義する。
１ パワーモジュール用基板
２，３ セラミックス基板
４，５，４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６ 金属板
７ 電子部品
８ ヒートシンク
１１ 貫通孔
１２，１２Ａ，１２Ｂ 凸部（金属部材）
２１ パワーモジュール用基板
２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ〜２３Ｅ 金属板
２４ 空洞部
３１ パワーモジュール用基板
３１Ｘ 一次接合体
３２ ヒートシンク
３３ 板状部
３４ フィン
３５ ろう材箔
４１ パワーモジュール用基板
４２ 銅層
５１ パワーモジュール用基板
５２Ａ〜５２Ｅ，５３Ａ，５３Ｂ 金属板
５４ ヒートシンク
５５ フィン
６１ パワーモジュール用基板
６１Ｘ 一次接合体
６２ 金属板
６３ ヒートシンク
７１ 金属部材

Claims (7)

  1. 複数のセラミックス基板と金属板とを交互に積層して接合するとともに、セラミックス基板に形成した貫通孔を介して該セラミックス基板の両側の金属板を接続状態としたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板及び金属板を積層する際に、セラミックス基板の貫通孔内に、該貫通孔よりも長い柱状の金属部材を挿入しておき、前記セラミックス基板及び金属板を接合する際に前記金属部材を加圧して塑性変形させて、前記金属部材により前記セラミックス基板の両側の金属板を接合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. 前記金属部材と前記貫通孔の内周面との間に隙間を形成した状態で前記金属板を接合することを特徴とする請求項１記載のパワーモジユール用基板の製造方法。
  3. 前記金属部材は、前記セラミックス基板の両側に配置される両金属板の一方の表面に予め一体に立設しておくことを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
  4. 前記金属部材は、前記セラミックス基板の両側に配置される両金属板のそれぞれの表面に予め一体に立設しておくことを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
  5. 前記金属部材は、その長さ方向の両端に端面を有しており、前記セラミックス基板の両側に配置される両金属板にそれぞれ接合されることを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
  6. 複数のセラミックス基板と金属板とを交互に積層して接合するとともに、セラミックス基板に形成した貫通孔の内部を介して該セラミックス基板の両側の金属板を接続状態としたパワーモジュール用基板であって、前記貫通孔内に挿入された金属部材が塑性変形した状態で前記セラミックス基板の両側の金属板が接合されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
  7. 前記金属部材と前記貫通孔の内周面との間に隙間が形成されたことを特徴とする請求項６記載のパワーモジュール用基板。
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