JP2013191641A - 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

ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】金属層とヒートシンクとの接合界面へのフラックスの侵入を防止するための侵食防止剤を接合部の外周部に確実に保持させ、ろう付け時のフラックスの侵入を防止して、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、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】金属層の基板接合面と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、一次ろう付工程と二次ろう付工程との間に、金属層の側壁の少なくとも一部に、二次ろう付工程時の加熱温度に達するまでの間にSiOを生成することが可能なSiO前駆体を溶剤中に含有した侵食防止剤を塗布する塗布工程を設けた。
【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層とを接合し、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、真空ろう付け、はんだ付け、ねじ止め、フラックスを用いた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フラックスを用いてろう付する際に、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、フラックスの侵入を防止できることが提案されている。
しかし、ホウ素や酸化チタンを塗布した場合、その後の搬送等の取り扱いに脱落しないよう注意する必要がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、金属層とヒートシンクとの接合界面へのフラックスの侵入を防止するための侵食防止剤を接合部の外周部に確実に保持させ、ろう付け時のフラックスの侵入を防止して、接合部に剥離を生じさせることなく、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、前記金属層のヒートシンク接合面と前記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、前記一次ろう付工程と前記二次ろう付工程との間に、前記金属層の側壁の少なくとも一部に、前記二次ろう付工程時の加熱温度に達するまでの間にSiOを生成することが可能なSiO前駆体を溶剤中に含有した溶液からなる侵食防止剤を塗布する塗布工程を設けた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である。
この製造方法に用いられるSiO前駆体としては、ポリシラザン、シリコンアルキシド等が挙げられる。酸化チタン等を塗布する場合、酸化チタンの粉末をペースト状にして塗布することが一般的であるが、本発明のSiO前駆体を溶剤中に含有させた侵食防止剤は、液体であるので、ペーストに比べて取り扱い性が容易で塗布し易く、また、塗布後に生成したSiOの脱落も生じにくく、接合部の外周部にSiOを確実に保持させることができる。また、ペーストの場合は塗布厚が厚くなるため、二次ろう付工程後においても残渣が生じ易いが、本発明のSiO前駆体を含有した溶液からなる侵食防止剤は液体であるため、薄く塗ることが可能であり、必要に応じて重ね塗りするなど、その塗布厚の制御も容易である。
そして、二次ろう付工程時の加熱温度に達するまでの間にSiOを生成させることによって、二次ろう付工程時には、そのSiOがフラックスと反応することにより、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ことを防止することができる。
本発明の製造方法において、前記塗布工程と前記二次ろう付工程との間に、前記金属層の側壁の少なくとも一部に塗布された前記侵食防止剤の塗布層を水分を含む雰囲気中で乾燥するとよい。
水分を含む雰囲気としては大気で十分であり、SiO前駆体は、水分が取り込まれると、加水分解反応によりSiOの酸化膜に転化する。このSiO酸化膜は液体を塗布して乾燥させたものであるので、薄膜に形成することができ、脱落も生じにくく、二次ろう付工程においてセラミックス基板と金属層との接合部へのフラックスの侵入を確実に防止することができる。
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、セラミックス基板と金属層との接合部の外周部にSiOを確実に保持させることができるので、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のフラックスの接合部への侵入を防止して、そ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回路層12及び金属層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回路層12は、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、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)、Si(窒化珪素)等の窒化物系セラミックス、もしくはAl(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。
回路層12及び金属層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。回路層12及び金属層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、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、これら回路層12及び金属層13とセラミックス基板11とは、それぞれ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。
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、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、回路層12及び金属層13と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、回路層12及び金属層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、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、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回路層12を積層する。この場合、ろう材は、回路層12及び金属層13をシート材からプレス加工により打ち抜く際にシート材にろう材箔を貼付しておき、このろう材箔ごと打ち抜くことにより、ろう材箔が貼付された回路層12及び金属層13を形成するとよい。そして、これら積層したセラミックス基板11および回路層12、金属層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および回路層12、金属層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と回路層12及び金属層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。
次に、この一次ろう付工程後のパワーモジュール用基板10の金属層13の側壁の少なくとも一部にSiO前駆体を含有する溶液からなる侵食防止剤を塗布する。
この侵食防止剤は、SiO前駆体としてポリシラザン又はシリコンアルコキシドを用いたものであり、これらのSiO前駆体を溶媒に溶解して溶液としたものである。
ポリシラザン溶液は、溶媒としてキシレン、ミネラルターペン、高沸点芳香族溶媒が用いられ、ポリシラザン濃度としては0.05〜50質量%、好ましくは0.5〜20質量%である。ポリシラザンの濃度が0.05質量%未満ではアミン交換速度が遅く、また逆に50質量%超過では分子間重合が著しくなり、好ましくない。
一方、シリコンアルコキシドとしては、シリカエアロゲルの原料として従来より公知の各種のものを用いることができるものであり、2官能シリコンアルコキシド、3官能シリコンアルコキシド、4官能シリコンアルコキシドがある。2官能シリコンアルコキシドとしては例えば、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、メチルフェニルジエトキシシラン、メチルフェニルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン等を、3官能シリコンアルコキシドとしては例えば、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトシキシラン等を、4官能シリコンアルコキシドとしては例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン等をそれぞれ挙げることができる。
このシリコンアルコキシド溶液としては、シリコンアルコキシドと、シリコンアルコキシドの加水分解重合反応触媒と、水と、溶剤を配合することにより得られ、その配合比率は、シリコンアルコキシド100質量部に対して、シリコンアルコキシドの加水分解重合反応触媒を0.001〜10質量部、水を10〜200質量部、溶剤を10〜1000質量部の範囲に設定するのが好ましい。
これらポリシラザン又はシリコンアルコキシドを含有する溶液からなる侵食防止剤を金属層13の側壁の少なくとも一部に塗布することにより、接合部の外周部に侵食防止剤の塗布層が薄く形成される。これを必要に応じて重ね塗りするなどにより、所望の厚さの塗布層とする。
次に、この侵食防止剤の塗布層を形成したパワーモジュール用基板10の金属層13とヒートシンク30とをフラックスを用いたろう付法(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)。このろう付け法は、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N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、KAlF、KAlF、KAlF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、接合部の外周部に侵食防止剤の塗布層を形成しておいたことにより、二次ろう付工程時のろう付温度に達するまでの間に、空気に触れた侵食防止剤中のSiO前駆体が加熱によってSiOに転化して、図4に示すように、そのSiO膜40が金属層13の側壁の少なくとも一部に形成され、金属層13とヒートシンク30との間から流出するフラックスがセラミックス基板11と金属層13との接合部に達する前にSiOと接触することにより反応して不活性化される。これによりセラミックス基板11と金属層13との接合部内にフラックスが侵食して剥離を生じさせること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。
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、金属層13の側壁の少なくとも一部に、SiO前駆体を溶剤中に含有した溶液からなる侵食防止剤を塗布しているので、塗布剥がれ等を生じることなく、容易に塗布層を形成することができる。そして、その後、二次ろう付工程時のろう付温度に達するまでの間に侵食防止剤がSiOに転化して、SiO膜40が形成される。この場合、SiO前駆体からSiOへの転化は加水分解反応を伴うので、水分を含む雰囲気に触れさせることが必要である。通常は、侵食防止剤の塗布工程から二次ろう付工程のろう付温度に達するまでの間に大気に接触することで十分である。
このようにして形成されたSiO膜40により、ヒートシンク30とパワーモジュール用基板10とを接合する際のフラックスの接合部への侵入を防止して、そ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、酸化チタン等をペーストによって塗布する場合はヒートシンク接合後に残る残渣を除去する作業が必要であるが、本発明により形成されるSiO膜40は薄膜であるので、ヒートシンク30を接合した後に残渣として残ることが少なく、残渣除去等の後処理を不要にすることができる。
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。
先の実施形態では、二次ろう付工程時の加熱によって侵食防止剤内のSiO前駆体をSiOに転化させるようにしたが、侵食防止剤を塗布した後に乾燥工程を設け、その乾燥工程中にSiO前駆体をSiOに転化させるようにしてもよい。この場合、SiO前駆体の加水分解反応を生じさせるために、大気中など、水分を含む雰囲気中で乾燥する。通常は、大気中で常温(20℃±15℃)〜150℃の温度範囲で1時間〜24時間乾燥すればよい。
この乾燥により、侵食防止剤中のSiO2前駆体はSiOに転化し、SiO膜40となって接合部の外周部に形成される。このSiO膜40は薄い酸化膜であり、金属層13の側壁の少なくとも一部に形成される。したがって、その後の二次ろう付工程までの取り扱い中に脱落することなく保持され、二次ろう付工程において前述の実施形態のようにフラックスの接合部への侵入を防止する。
一次ろう付工程から二次ろう付工程までの時間が長い場合や、その間に搬送等が生じる場合などに、この侵食防止剤の乾燥工程を設けることにより、取り扱いを容易にすることができる。
図4に示す例では、金属層13の側壁の4面全部にSiO膜40を形成した例としたが、4面のうちの2面に形成するなど、側壁の全周でなくともよい。また、セラミックス基板11と金属層13との接合部の外周を覆うようにSiO膜40を形成しているが、必ずしも接合部の外周でなくともよく、金属層13の側壁の少なくとも一部に形成すればよい。
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。
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作製した。ろう付け条件は、真空中で640℃、加圧力0.49MPa(5kgf/cm)で行った。
このパワーモジュール基板の金属層の全側壁に塗布したものと、溝14の開口部を有する側壁(2面)に塗布したものとを作製した。また、表1に示す二種類の侵食防止剤を塗布した。塗布は刷毛を用いて行った。比較のため、侵食防止剤を塗布しないものも用意した。
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のヒートシンクに接合した。
これらヒートシンクを接合したパワーモジュール用基板に冷熱サイクル試験(−40℃〜125℃×3000サイクル)を施し、その前後でセラミックス基板と放熱層とのAlN/Al界面の初期剥離率および冷熱サイクル試験後の剥離率を評価した。これらの平均初期剥離率および冷熱サイクル試験後の平均剥離率を表1に示す。
なお、剥離率は、超音波探傷装置を用いて接合部を評価し、剥離率=剥離面積/初期接合面積の式から算出した。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。
Figure 2013191641
表1に示される通り、セラミックス基板と金属層との接合部に侵食防止剤を塗布した実施例1〜4の場合は、初期剥離率は0%であり、冷熱サイクル試験後の剥離率も実用上問題ない程度に良好な結果が得られた。一方、侵食防止剤を塗布しなかった従来例では、初期剥離率および冷熱サイクル試験後の剥離率はともに実施例1〜4より悪い結果となった。
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
40 SiO
100 パワーモジュール

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、前記金属層のヒートシンク接合面と前記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、前記一次ろう付工程と前記二次ろう付工程との間に、前記金属層の側壁の少なくとも一部に、前記二次ろう付工程時の加熱温度に達するまでの間にSiOを生成することが可能なSiO前駆体を溶剤中に含有した溶液からなる侵食防止剤を塗布する塗布工程を設けた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. 前記塗布工程と前記二次ろう付工程との間に、前記金属層の側壁の少なくとも一部に塗布された前記侵食防止剤の塗布層を水分を含む雰囲気中で乾燥することを特徴とする請求項1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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