JP2013157464A - 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

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Abstract

【課題】セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく、金属層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。
【解決手段】ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合してヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する方法であって、パワーモジュール用基板の金属層１３において、側面１３ｃにフラックスと反応する反応性粉末Ｐを塗布しておき、金属層の基板接合面１３ｂとセラミックス基板１１との間をろう材を用いてろう付けしてパワーモジュール用基板を形成する一次ろう付工程と、金属層のヒートシンク接合面１３ａとヒートシンクとをフラックスを用いたろう付により接合する二次ろう付工程とを有し、一次ろう付工程において、金属層の基板接合面とセラミックス基板との間から漏れ出たろう材に反応性粉末を保持させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御するパワーモジュールを構成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に関する。
従来、大電流、高電圧を制御する半導体装置として、半導体チップ等の電子部品をパワーモジュール用基板上に搭載した構成のパワーモジュールが知られている。パワーモジュールを製造する方法として、例えば、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。これらの製造方法では、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層を積層し、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層を積層して、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し、パワーモジュール用基板を製造する。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。
このヒートシンクとパワーモジュール用基板の金属層との間の接合方法としては、ろう付け、はんだ付け、ねじ止め、ノコロックろう付け法などが適用される。特許文献３では、ヒートシンクの天板とパワーモジュール用基板の金属層との接合方法として、フラックスを塗布したろう付法が記載されている。このろう付法は、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。
特開２００７−３１１５２７号公報 特開２００２−００９２１２号公報 特開２００９−１０５１６６号公報
しかしながら、パワーモジュールの製造過程において、金属層とヒートシンクとをノコロックろう付する際に、フラックスが金属層の側面を伝ってセラミックス基板と金属層との接合部界面に引き込まれ、セラミックス基板と金属層との接合部を侵食してしまうと、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金属層との剥離が生じやすくなるおそれがある。特許文献３では、この課題に対して、アルミ合金（Ａｌ−Ｓｉ等）と反応しない、ホウ素や酸化チタン等で構成された接触防止材をセラミックス基板と金属層との接合端部に塗布することによって、フラックスの侵入も防止できることが提案されている。
しかし、特許文献３では、セラミックス基板に金属層をろう付けした後、ヒートシンクの天板と前記金属層をろう付けする前に接触防止材を塗布しているため、接触防止材が外部に露出し、搬送等の取扱いに注意が必要となる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、フラックスと反応する反応性粉末をセラミックス基板と金属層との接合付近に確実に存在させることによって、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく、金属層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、ヒートシンクと、このヒートシンクに接合される金属層がセラミックス基板の表面に接合されてなるパワーモジュール用基板とを接合してヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記ヒートシンクに接合される前記金属層の側面にフラックスと反応するＴｉＯ2，ＳｉＯ2，ＭｇＯのいずれか一種または二種以上を含む反応性粉末を塗布する塗布工程と、前記塗布工程後に、前記金属層の基板接合面と前記セラミックス基板との間をろう材を用いてろう付けして前記パワーモジュール用基板を形成する一次ろう付工程と、前記一次ろう付工程後に、前記金属層のヒートシンク接合面と前記ヒートシンクとを前記フラックスを用いたろう付により接合する二次ろう付工程とを有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である。
この製造方法によれば、一次ろう付工程において、セラミックス基板と金属層とを接合するろう材が反応性粉末を保持した状態でパワーモジュール用基板を形成する。そして、二次ろう付工程において、ろう材に保持された反応性粉末とフラックスとを反応させることにより、フラックスがセラミックス基板と金属層との接合部に侵食して剥離を生じさせるのを防止することができる。また、反応性粉末がろう材により保持されるので、一次ろう付工程から二次ろう付工程の間での取り扱い中に反応性粉末が金属層の側面から脱落することを防止することができる。
この製造方法の塗布工程において、前記ヒートシンク接合面に複数の溝が形成された金属層を用いるとともに、少なくとも前記溝の開口部が設けられた側面に前記反応性粉末を塗布することが好ましい。溝を形成することにより、ヒートシンク接合面とヒートシンクとの間から円滑にフラックスガスを排出できるので、金属層とヒートシンクとを接合してボイド等の発生を防止できる。また、溝によってフラックスの排出方向を誘導できるので、溝の開口部が設けられた側面に反応性粉末を塗布しておくことにより、効果的にフラックスを不活性化することができる。
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、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合する際にフラックスを含有するろう付法を適用しても、セラミックス基板と金属層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。
本発明に係るパワーモジュールの全体構成を示す縦断面図である。 図１のパワーモジュール用基板に用いられている金属層を示す斜視図である。 パワーモジュール用基板のろう付け時の積層状態を示す正面図である。 接合されたセラミックス基板および金属層の要部を示す縦断面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る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を示している。このパワーモジュール１００は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品２０と、この電子部品２０とは反対面でパワーモジュール用基板１０に接合されたヒートシンク３０とから構成される。
パワーモジュール用基板１０は、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層１２，１３とを備える。このパワーモジュール用基板１０において、セラミックス基板１１の一方の表面に積層された金属層１２は回路層となり、その表面に電子部品２０がはんだ付けされる。また、他方の金属層１３は放熱層とされ、その表面にヒートシンク３０が取り付けられる。
セラミックス基板１１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、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、その厚さは例えば６３５μｍである。
金属層１２，１３は、いずれも純度９９質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１０００番台のアルミニウム、特に１Ｎ９０（純度９９．９質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）または１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。また、ＪＩＳ Ａ３００３，Ａ６０６３などのアルミニウム合金を用いることもできる。金属層１２，１３は、例えば一辺が３０ｍｍの四角形平板状に設けられている。
このパワーモジュール用基板１０においては、放熱層となる金属層１３に熱サイクル時のセラミックス基板１１とヒートシンク３０との間の熱伸縮差に対する緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属層１２よりも肉厚に形成されたものを用いている。例えば、金属層１２の厚さは６００μｍ、金属層１３の厚さは１６００μｍである。また、放熱層となる金属層１３には、純度の高いアルミニウム（例えば１Ｎ９９）を用いるのが好ましい。
そして、これら金属層１２，１３とセラミックス基板１１とは、ろう付けにより接合されている。ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金が使用される。
放熱層となる金属層１３の表面（ヒートシンク接合面）１３ａには、複数本の溝１４が相互に平行に形成されている。これら溝１４は、図２に示すように、平面視矩形の金属層１３の一方の側縁から他方の側縁にかけて平行に形成されている。溝１４は、例えばピッチ１．０〜５．０ｍｍ、深さ０．３〜０．６ｍｍで、横断面がＶ字状やＵ字状となっている。
ヒートシンク３０は、その形状等は特に限定されないが、熱伝導が良好な材質、例えばＡ６０００台のアルミニウム合金により形成され、冷却媒体（例えば冷却水）を流通させるための複数の流路３０ａが形成されている。このヒートシンク３０とパワーモジュール用基板１０の放熱層となる金属層１３とはろう付けにより接合され、ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金が用いられる。
なお、回路層となる金属層１２と電子部品２０との接合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｚｎ−Ａｌ系もしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。図１中符号２１がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品２０と金属層１２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２２により接続される。
このパワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と各金属層１２，１３を接合することにより形成され、その後で金属層１３にヒートシンク３０が接合される。具体的には、まず、金属層１２，１３を、シート材からプレス加工により形成する。この場合、回路層となる金属層１２は単にシート材から打ち抜くことにより形成される。一方、放熱層となる金属層１３は、シート材に複数の溝１４を形成した後に打ち抜き加工される。溝１４は、シート材の金属層１３となる領域をカバーする範囲にパンチを押圧することにより形成される。
次に、この金属層１３の側面１３ｃに、フラックスと反応する酸化チタン粉末（反応性粉末）Ｐを塗布する。酸化チタン（ＴｉＯ2）は、例えば粒径５０〜１００μｍのＴｉＯ2粉末をイソプロピルアルコール等の溶媒に分散させてスプレーまたは塗工するなどにより、側面１３ｃに付着させることができる（塗布工程）。反応性粉末Ｐの塗布量は、酸化チタン粉末の場合、３０ｍｍ×１．５ｍｍの側面１３ｃに対して、９０ｍｇとする。この反応性粉末Ｐがフラックスと反応することにより、フラックスが必要以上に拡がったり接合部に侵入したりするのを防止することができる。なお、反応性粉末Ｐは、側面１３ｃの全面に塗布してもよいが、側面１３ｃのうち、フラックスガスが流出する溝１４の開口部が形成された面に塗布して反応性粉末Ｐの塗布量を節減してもよい。
次に、溝１４を形成した金属層１３の溝１４が形成されていない表面（基板接合面）１３ｂにろう材を介してセラミックス基板１１を積層し、このセラミックス基板１１の上にろう材を介して他方の金属層１２を積層し、これら積層したセラミックス基板１１および各金属層１２，１３を厚さ方向に加圧しながら真空雰囲気中で加熱することによりろう付けする（一次ろう付工程）。
より具体的には、図３に示すように、セラミックス基板１１および両金属層１２，１３からなるユニットを多数組積層するとともに、各ユニットの間にカーボン板、グラファイト板等からなるクッション層２３を配置し、これらを積層状態で加圧、加熱する。この時の加圧力は０．１〜２．５ＭＰａ、加熱温度は６３０〜６５５℃、加熱時間は１〜６０分とする。このろう付け工程において、セラミックス基板１１と金属層１２，１３との間のろう材が溶融し、両者を固着する。これにより、金属層１３の基板接合面１３ｂとセラミックス基板１１との間をろう付けされて、パワーモジュール用基板１０が形成される。
この一次ろう付工程において、金属層１３とセラミックス基板１１との接合部の外周縁には、微小な隙間ｇが形成されており、この隙間ｇの近傍においてろう材が反応性粉末Ｐを保持した状態となる。すなわち、金属層１３がプレス打ち抜き加工により形成されているため、図４に示すように、金属層１３の外周縁にダレが生じている。このため、積層されたセラミックス基板１１と金属層１３の基板接合面１３ａとの間に隙間ｇが形成される。加熱により溶融したろう材は、金属層１３とセラミックス基板１１との間から漏れ出て、金属層１３の側面１３ｃに塗布された反応性粉末Ｐを取り込み、冷却後はこの隙間ｇを埋めるように固化する。このとき、ろう材に取り込まれた反応性粉末Ｐは、接合部の中央まで引き込まれることはなく、金属層１３とセラミックス基板１１との接合部の外周縁の隙間ｇの近傍にとどまる。
次に、反応性粉末Ｐが塗布された金属層１３とヒートシンク３０とをノコロックろう付け法により接合して、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とを接合する（二次ろう付工程）。ノコロックろう付け法は、ろう材面に金属表面の酸化物を除去するフッ化物系フラックスを塗布して、非酸化性雰囲気（例えばＮ2雰囲気）中で６００〜６１５℃に加熱して、ろう付けする方法である。
このフラックスには、ＫＡｌＦ4、Ｋ2ＡｌＦ5、Ｋ3ＡｌＦ6等が用いられる。金属層１３とヒートシンク３０とを接合するろう材は、例えばＡｉ−Ｓｉ系合金が用いられ、ヒートシンク３０の表面に予めクラッドされているか、ろう材箔の形態でヒートシンク３０に重ねることにより供給される。
この二次ろう付工程において、フラックスが金属層１３の側面１３ｃを這い上がって金属層１３とセラミックス基板１１との接合部を侵食すると、接合部にクラックが生じ、剥離が生じやすくなるおそれがある。しかしながら、ろう材が加熱により再溶融することにより、金属層１３とセラミック基板１１との接合部の外周縁の隙間ｇの近傍でろう材に保持されていた反応性粉末Ｐと反応してフラックスが不活性化される。これによりセラミックス基板１１と金属層１３との接合部の中央部にフラックスが侵食して剥離を生じさせるのを防止することができる。
また、ヒートシンク３０と接合される金属層１３のヒートシンク接合面１３ａに複数の溝１４が形成されていることにより、ろう付け時のフラックスの蒸発ガスは各溝１４を通って、ヒートシンク３０と金属層１３との間から外部に円滑に放出される。したがって、フラックスガスは金属層１３とヒートシンク３０との間に滞留することが抑制され、ろう付け後にボイドとして残存することが防止される。また、溝１４によってフラックスが誘導されるので、溝１４の開口部が設けられた側面１３ｃに塗布された反応性粉末Ｐによってフラックスを効率よく不活性化することができる。
以上説明したように、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、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合する際にフラックスを含有するろう付法を適用しても、セラミックス基板と金属層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。また、反応性粉末がろう材により保持されるので、一次ろう付工程から二次ろう付工程の間での取り扱い中に反応性粉末が金属層の側面から脱落するのを防止することができる。
また、金属層に溝を形成することにより、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合する際に、フラックスを溝に沿って流動させて速やかに接合部の外方に逃がすことができるので、接合部のボイドの発生を抑制して、接合信頼性を向上させることができる。さらに、溝によりフラックスを誘導して効率よく不活性化できるので、反応性粉末の塗布量を節減することができる。
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。例えば、フラックスと反応する反応性粉末としては、前述した酸化チタンの他にも、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などを用いることができる。酸化シリコンの場合は粒径３〜１０μｍの粉末を用いることが好ましい。
本発明の効果の確認実験を行った。本実施例では、セラミックス基板として３２ｍｍ×３２ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ板、回路層として３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのアルミニウム材（１Ｎ９９）、金属層として２８ｍｍ×２８ｍｍ、厚さ１．５ｍｍのアルミニウム材（１Ｎ９９）を用いた。
予め、表１に示す反応性粉末をイソプロピルアルコールに分散させて分散溶液を作成し、この分散溶液を金属層の側面全面に塗布した。塗布は刷毛を用いて行った。
次に、セラミックス板の両面に厚さ１５μｍのＡｌ−７．５ｗｔ％Ｓｉろう材を用いて回路層および金属層をろう付けしてパワーモジュール用基板を製出した。ろう付け条件は、真空中で６４０℃、加圧力０．４９ＭＰａ(５ｋｇｆ／ｃｍ2)で行った。
その後、上記パワーモジュール用基板の金属層をノコロックフラックス（森田化学製ＦＬ−７）とＡｌ−Ｓｉろう材を用いて窒素雰囲気中でノコロックろう付法により５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの放熱板に接合し、実施例１〜６とした。これに対して、比較例１では、一次ろう付工程後、表１に示す反応性粉末をイソプロピルアルコールに分散させた分散溶液を側面全面に塗布し、その後、二次ろう付を行った。また、従来例１では、回路層および放熱層の側面にフラックス反応部を設けずに上記パワーモジュール用基板を放熱板に接合した。比較例および従来例の一次ろう付および二次ろう付条件は、実施例１〜６と同一とした。
これらの実施例１〜６、比較例１および従来例１の条件で製造したヒートシンク付パワーモジュールを各々４個準備し、冷熱サイクル試験（−４０℃〜１２５℃×３０００サイクル）前後にセラミックス基板と放熱層とのＡｌＮ／Ａｌ界面の初期接合率および冷熱サイクル試験後の接合率を評価した。これらの平均初期接合率および冷熱サイクル試験後の平均接合率を表１に示す。
なお、接合率は、超音波探傷装置を用いて接合部を評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち放熱層の金属層面積とした。また、超音波探傷像において、剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
接合率＝（初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
Figure 2013157464
表１が示すとおり、金属層の側面にＴｉＯ2，ＳｉＯ2，ＭｇＯのいずれか一種または二種以上を含む反応性粉末を塗布した実施例１〜６においては、初期接合率および冷熱サイクル試験後の接合率ともに良好な結果が得られた。
一方、一次ろう付後に反応性粉末を塗布した比較例では、冷熱サイクル試験後の接合率は９０％を下回る結果となった。
また、反応性粉末をまったく塗布しなかった従来例でも、初期接合率および冷熱サイクル試験後の接合率はともに実施例１−６より低い結果となった。
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 金属層
１３ 金属層
１３ａ ヒートシンク接合面
１３ｂ 基板接合面
１３ｃ 側面
１４ 溝
２０ 電子部品
２１ はんだ接合層
２２ ボンディングワイヤ
２３ クッション層
３０ ヒートシンク
３０ａ 流路
１００ パワーモジュール
ｇ 隙間
Ｐ 反応性粉末

Claims (2)

  1. ヒートシンクと、このヒートシンクに接合される金属層がセラミックス基板の表面に接合されてなるパワーモジュール用基板とを接合してヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する方法であって、
    前記ヒートシンクに接合される前記金属層の側面にフラックスと反応するＴｉＯ2，ＳｉＯ2，ＭｇＯのいずれか一種または二種以上を含む反応性粉末を塗布する塗布工程と、
    前記塗布工程後に、前記金属層の基板接合面と前記セラミックス基板との間をろう材を用いてろう付けして前記パワーモジュール用基板を形成する一次ろう付工程と、
    前記一次ろう付工程後に、前記金属層のヒートシンク接合面と前記ヒートシンクとを前記フラックスを用いたろう付により接合する二次ろう付工程とを有す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. 前記塗布工程において、前記ヒートシンク接合面に複数の溝が形成された金属層を用いて、少なくとも前記溝の開口部が設けられた前記側面に前記反応性粉末を塗布する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。
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