JP2014072365A - Manufacturing method of substrate for power module - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To easily manufacture a substrate for a power module whose warpage amount is small.SOLUTION: A manufacturing method of a substrate for a power module comprises: a substrate manufacturing process for manufacturing a substrate for a power module by respectively bonding metal layers to both sides of a ceramic substrate; a vacuum packaging process for forming a vacuum package in a state where the substrate for a power module is pressed against a holding surface formed on a tray by mounting the substrate for a power module on the holding surface of the tray and vacuum packing the substrate for a power module and the tray with a plastic film; and a cooling process for cooling the vacuum package to a temperature lower than a normal temperature.

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.

従来のパワーモジュール用基板として、セラミックス基板の一方の面に、アルミニウムもしくは銅等からなる回路層が積層されセラミックス基板の他方の面にアルミニウムもしくは銅等からなる放熱層が形成された構成のものが知られている。そして、この回路層上に半導体チップ等の電子部品がハンダ付けされるとともに、放熱層にヒートシンクが接合されている。   A conventional power module substrate has a structure in which a circuit layer made of aluminum or copper or the like is laminated on one surface of a ceramic substrate, and a heat dissipation layer made of aluminum or copper or the like is formed on the other surface of the ceramic substrate. Are known. An electronic component such as a semiconductor chip is soldered on the circuit layer, and a heat sink is bonded to the heat dissipation layer.

この種のパワーモジュール用基板においては、電子部品から発生する熱がヒートシンクによって放散される。近年では、パワーモジュール用基板の放熱性の向上とともに、ヒートサイクルおよびパワーサイクルに対する耐性の要求が一段と高まっており、回路層および放熱層の厚みもしくは材質が異なるパワーモジュール用基板が検討されている。   In this type of power module substrate, heat generated from the electronic components is dissipated by the heat sink. In recent years, along with the improvement in heat dissipation of power module substrates, demands for heat cycle and power cycle resistance have further increased, and power module substrates having different thicknesses or materials of circuit layers and heat dissipation layers have been studied.

しかし、回路層と放熱層とで板材の厚さや材質が異なる場合、セラミックス基板との接合のための加熱処理を経由することにより、パワーモジュール用基板に反りが生じ、ヒートシンクへの取付が阻害される。   However, if the thickness and material of the plate material differ between the circuit layer and the heat dissipation layer, the power module substrate is warped by passing through the heat treatment for bonding to the ceramic substrate, and the mounting to the heat sink is hindered. The

そこで、特許文献１には、セラミックス基板と金属層との接合体（パワーモジュール用基板）を−２０℃以下の雰囲気に接触させてうねり矯正を行うことが提案されている。また、特許文献２には、接合体を−７０℃よりさらに低温の−１１０℃以下で冷却処理することにより、反り量をより緩和できることが掲載されている。また、冷却方法として、接合体を真空パックしてドライアイス、液体窒素等に接触させることが記載されている。   Therefore, Patent Document 1 proposes that undulation correction is performed by bringing a bonded body (power module substrate) of a ceramic substrate and a metal layer into contact with an atmosphere of −20 ° C. or lower. Patent Document 2 describes that the amount of warpage can be further relaxed by cooling the joined body at a temperature lower than -110 ° C, which is lower than -70 ° C. As a cooling method, it is described that the bonded body is vacuum-packed and brought into contact with dry ice, liquid nitrogen, or the like.

特許第３４１９６２０号公報Japanese Patent No. 3419620 特許第３９２２５３８号公報Japanese Patent No. 3922538

特許文献１および２に記載のように、セラミックス基板と金属層との接合後に冷却処理を施すことでパワーモジュール用基板の反り量をある程度緩和できるが、パワーモジュール用基板が単体のまま真空パックされていることから、加圧力が不足するという課題があった。また、その冷却工程での取扱性向上のために、さらなる改善が求められている。   As described in Patent Documents 1 and 2, the amount of warpage of the power module substrate can be alleviated to some extent by performing a cooling process after bonding the ceramic substrate and the metal layer. However, the power module substrate is vacuum packed as a single unit. Therefore, there was a problem that the applied pressure was insufficient. Further improvement is required to improve handling in the cooling process.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反り量の小さいパワーモジュール用基板を容易に製造することを目的とする。   This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at manufacturing easily the board | substrate for power modules with a small curvature amount.

本発明は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属層を接合することによりパワーモジュール用基板を作製する基板作製工程と、前記パワーモジュール用基板をトレーに設けられた保持面上に載置し、これらパワーモジュール用基板およびトレーを樹脂製フィルムで真空包装することにより、前記パワーモジュール用基板が前記トレーの前記保持面に押圧された状態の真空包装体を形成する真空包装工程と、前記真空包装体を常温よりも低い温度まで冷却する冷却工程とを有するパワーモジュール用基板の製造方法である。   The present invention is a substrate manufacturing step of manufacturing a power module substrate by bonding a metal layer to at least one surface of the ceramic substrate, and placing the power module substrate on a holding surface provided on a tray, A vacuum packaging step of forming a vacuum package in a state where the power module substrate is pressed against the holding surface of the tray by vacuum packaging the power module substrate and the tray with a resin film, and the vacuum packaging And a cooling process for cooling the body to a temperature lower than room temperature.

この製造方法によれば、パワーモジュール用基板を保持したトレーごと真空包装することにより、パワーモジュール用基板を平坦な保持面に押圧した状態に維持することができる。そして、パワーモジュール用基板を平坦に保持している真空包装体を常温よりも低い温度まで冷却することにより、パワーモジュール用基板の反りを低減することができる。   According to this manufacturing method, the power module substrate can be kept pressed against the flat holding surface by vacuum-packaging the tray holding the power module substrate together. And the curvature of the power module board | substrate can be reduced by cooling the vacuum packaging body which has hold | maintained the power module board | substrate flatly to temperature lower than normal temperature.

また、この製造方法の冷却工程において、０℃以下−４０℃以上にまで冷却することが好ましい。冷却温度を０℃以下に設定することにより、パワーモジュール用基板の反りを効果的に低減することができる。一方、冷却温度を−４０℃以上に設定することにより、無駄なく効果的に反りを制御することができる。   Moreover, it is preferable to cool to 0 degreeC or less -40 degreeC or more in the cooling process of this manufacturing method. By setting the cooling temperature to 0 ° C. or lower, the warpage of the power module substrate can be effectively reduced. On the other hand, by setting the cooling temperature to −40 ° C. or higher, warpage can be effectively controlled without waste.

本発明の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を接合してパワーモジュール用基板を作製した後に、トレーおよび樹脂製フィルムを用いて真空包装して冷却することによって、基板を加圧するための加圧装置などを用いることなく、反り量の小さいパワーモジュール用基板を容易に製造することができる。   According to the method for manufacturing a power module substrate of the present invention, after a ceramic substrate and a metal layer are joined to produce a power module substrate, by vacuum packaging and cooling using a tray and a resin film, A power module substrate with a small amount of warpage can be easily manufactured without using a pressurizing device for pressurizing the substrate.

本発明に係るパワーモジュール用基板を用いて製造されたパワーモジュールを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the power module manufactured using the board | substrate for power modules which concerns on this invention. パワーモジュール用基板を保持するトレーを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the tray holding the board | substrate for power modules. トレーの保持面とパワーモジュール用基板の凹状の面が当接する形態において、樹脂製フィルムを用いて真空包装する状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state vacuum-packed using a resin film in the form which the holding surface of a tray and the concave surface of a power module substrate contact | abut. トレーの保持面とパワーモジュール用基板の凸状の面が当接する形態において、樹脂製フィルムを用いて真空包装する状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state vacuum-packed using a resin film in the form which the holding surface of a tray and the convex surface of the board | substrate for power modules contact | abut.

以下、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の実施形態について説明する。図１に示すパワーモジュール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、パワーモジュール用基板１０の裏面に接合されたヒートシンク３０とから構成されている。   Embodiments of a method for manufacturing a power module substrate according to the present invention will be described below. A power module 100 shown in FIG. 1 includes a power module substrate 10, an electronic component 20 such as a semiconductor chip mounted on the surface of the power module substrate 10, and a heat sink 30 bonded to the back surface of the power module substrate 10. It is composed of

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１の一方の面に回路層用金属板（金属層）１２が厚さ方向に積層され、他方の面に放熱層用金属板（金属層）１３が厚さ方向に積層され、Ａｌよりも低融点のろう材（好ましくはＡｌ−Ｓｉ系ろう材）によって接合されてなる。   In the power module substrate 10, a circuit layer metal plate (metal layer) 12 is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 in the thickness direction, and a heat radiation layer metal plate (metal layer) 13 is formed on the other surface. Laminated in the direction and joined by a brazing material having a lower melting point than Al (preferably an Al—Si brazing material).

セラミックス基板１１は、厚さ０．５ｍｍ〜１．０ｍｍのＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＣ等からなる。回路層用金属板１２は、厚さ０．１ｍｍ〜１．１ｍｍの純アルミニウム板（好ましくは純度９９．９９質量％以上の４Ｎ−Ａｌ板）からなる。パワーモジュール１００においては、回路層用金属板１２はエッチング等により所定の回路パターン状に成形されており、その上に電子部品２０がはんだ材等によって接合されている。放熱層用金属板１３は、回路層用金属板１２よりも厚く、厚さ０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの純アルミニウム板（好ましくは純度９９．０質量％以上のＡｌ板）からなる。パワーモジュール１００においては、この放熱層用金属板１３の表面にヒートシンク３０がろう付等によって接合されている。なお、各金属板１２，１３には、純アルミニウム板の他、アルミニウム合金板、銅板または銅合金板を用いることもできる。 The ceramic substrate 11 is made of AlN, Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , SiC, or the like having a thickness of 0.5 mm to 1.0 mm. The circuit layer metal plate 12 is made of a pure aluminum plate having a thickness of 0.1 mm to 1.1 mm (preferably a 4N-Al plate having a purity of 99.99% by mass or more). In the power module 100, the circuit layer metal plate 12 is formed into a predetermined circuit pattern by etching or the like, and the electronic component 20 is joined thereto by a solder material or the like. The heat radiation layer metal plate 13 is made of a pure aluminum plate (preferably an Al plate having a purity of 99.0% by mass or more) having a thickness of 0.1 mm to 5.0 mm, which is thicker than the circuit layer metal plate 12. In the power module 100, the heat sink 30 is joined to the surface of the heat radiating layer metal plate 13 by brazing or the like. The metal plates 12 and 13 may be pure aluminum plates, aluminum alloy plates, copper plates, or copper alloy plates.

本実施形態のパワーモジュール用基板１０においては、（回路層用金属板１２の厚さ）／（放熱層用金属板１３の厚さ）の比率は０．０４〜０．８７５に設定され、例えば、各部材の厚さは回路層用金属板１２が０．６ｍｍ、放熱層用金属板１３が１．６ｍｍ、セラミックス基板１１が０．６３５ｍｍに設定される。   In the power module substrate 10 of the present embodiment, the ratio of (thickness of the circuit layer metal plate 12) / (thickness of the heat dissipation layer metal plate 13) is set to 0.04 to 0.875. The thickness of each member is set to 0.6 mm for the circuit layer metal plate 12, 1.6 mm for the heat dissipation layer metal plate 13, and 0.635 mm for the ceramic substrate 11.

本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０の製造方法は、セラミックス基板１１の両面にそれぞれ金属板１２，１３を接合することによりパワーモジュール用基板１０を作製する基板作製工程と、このパワーモジュール用基板１０をトレー４０に設けられた略平坦な保持面４１上に載置し、これらパワーモジュール用基板１０およびトレー４０を樹脂製フィルム５０で真空包装することにより、パワーモジュール用基板１０がトレー４０の保持面４１に押圧された状態の真空包装体６０を形成する真空包装工程と、真空包装体６０を常温よりも低い冷却温度まで冷却する冷却工程とを有する。   The method for manufacturing the power module substrate 10 according to the present embodiment includes a substrate manufacturing process for manufacturing the power module substrate 10 by bonding the metal plates 12 and 13 to both surfaces of the ceramic substrate 11, respectively, and the power module substrate. 10 is placed on a substantially flat holding surface 41 provided on the tray 40, and the power module substrate 10 and the tray 40 are vacuum-packaged with a resin film 50, so that the power module substrate 10 is attached to the tray 40. It has the vacuum packaging process which forms the vacuum packaging body 60 of the state pressed by the holding surface 41, and the cooling process which cools the vacuum packaging body 60 to the cooling temperature lower than normal temperature.

（基板作製工程）
まず、セラミックス基板１１の両面に回路層用金属板１２および放熱層用金属板１３を積層し、これらをろう付、過渡液相接合法（ＴＬＰ接合法：Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）などにより接合してパワーモジュール用基板１０を作製する。作製されたパワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と各金属板１２，１３とを接合した際の熱収縮により反りが生じている場合が多い。 (Substrate manufacturing process)
First, the circuit layer metal plate 12 and the heat dissipation layer metal plate 13 are laminated on both surfaces of the ceramic substrate 11, and these are joined by brazing, a transient liquid phase bonding method (TLP bonding method: Transient Liquid Phase Bonding), or the like. Thus, the power module substrate 10 is manufactured. The produced power module substrate 10 is often warped by thermal contraction when the ceramic substrate 11 and the metal plates 12 and 13 are joined.

例えばＴＬＰ接合法では、金属板１２，１３の表面に蒸着させた銅層を、金属板１２，１３とセラミックス基板１１との界面に介在させて、加熱する。加熱により、金属板１２，１３のアルミニウム中に銅が拡散し、金属板１２，１３の銅層近傍の銅濃度が上昇して融点が低下し、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基板１１と反応するとともに、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し、温度を一定に保持した状態で凝固が進行する。これにより、金属板１２，１３とセラミックス基板１１との強固な接合が得られる。   For example, in the TLP bonding method, a copper layer deposited on the surfaces of the metal plates 12 and 13 is heated by being interposed at the interface between the metal plates 12 and 13 and the ceramic substrate 11. By heating, copper diffuses into the aluminum of the metal plates 12 and 13, the copper concentration in the vicinity of the copper layer of the metal plates 12 and 13 increases and the melting point decreases, and the bonding interface in the eutectic region of aluminum and copper A metal liquid phase is formed. If the temperature is kept constant in a state where the metal liquid phase is formed, the metal liquid phase reacts with the ceramic substrate 11 and copper further diffuses into the aluminum, so that the copper in the metal liquid phase The concentration gradually decreases and the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. Thereby, strong joining of the metal plates 12 and 13 and the ceramic substrate 11 is obtained.

あるいは、セラミックス基板１１と銅製の回路層用金属板１２とを、活性金属ろう材を用いて接合する方法を採用することもできる。例えば、活性金属であるＴｉを含む活性金属ろう材（Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉ）を用い、銅製の回路層用金属板１２とセラミックス基板１１との積層体を加圧した状態のまま真空中８４０℃で加熱し、活性金属であるＴｉをセラミックス基板１１に優先的に拡散させて、Ａｇ−Ｃｕ合金を介して回路層用金属板１２とセラミックス基板１１とを接合することができる。   Alternatively, a method of joining the ceramic substrate 11 and the copper circuit layer metal plate 12 using an active metal brazing material may be employed. For example, an active metal brazing material (Ag-27.4 mass% Cu-2.0 mass% Ti) containing Ti which is an active metal is used, and a laminate of a copper circuit layer metal plate 12 and a ceramic substrate 11 is formed. While being pressurized, it is heated at 840 ° C. in a vacuum, and Ti, which is an active metal, is preferentially diffused into the ceramic substrate 11, and the circuit layer metal plate 12 and the ceramic substrate 11 are bonded via the Ag—Cu alloy. Can be joined.

また、セラミックス基板１１とアルミニウム製の回路層用金属板１２とを、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合する方法を採用することもできる。例えば、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉからなるろう材を用い、アルミニウム製の回路層用金属板１２とセラミックス基板１１との積層体を加圧した状態のまま真空中６４０℃で加熱することで回路層用金属板１２とセラミックス基板１１とを接合することができる。   Alternatively, a method of joining the ceramic substrate 11 and the aluminum circuit layer metal plate 12 using an Al—Si brazing material may be employed. For example, a brazing material made of Al-7.5 mass% Si is used, and the laminated body of the aluminum circuit layer metal plate 12 and the ceramic substrate 11 is heated in a vacuum at 640 ° C. while being pressed. The layer metal plate 12 and the ceramic substrate 11 can be joined.

（真空包装工程）
次に、作製したパワーモジュール用基板１０をトレー４０の保持面４１上に載置し、樹脂製フィルム５０で真空包装して真空包装体６０を形成する。図２に、パワーモジュール用基板１０を保持するトレー４０を示す。 (Vacuum packaging process)
Next, the produced power module substrate 10 is placed on the holding surface 41 of the tray 40 and vacuum packaged with the resin film 50 to form the vacuum package 60. FIG. 2 shows a tray 40 that holds the power module substrate 10.

トレー４０は、例えば、曲げ弾性率（ＩＳＯ １７８）２１５０ＭＰａ以上、曲げ強さ（ＩＳＯ １７８）５８ＭＰａ以上の物性を備えるＡＡＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ−Ｓｔｙｒｅｎｅ−Ａｃｒｙｌａｔｅ）樹脂ベース持続性帯電防止材料からなる。本実施形態のトレー４０には、図２に示すように、パワーモジュール用基板１０が載置される保持面４１を底面に有する凹部４２が形成されており、各保持面４１にはパワーモジュール用基板１０の保持を阻害しない程度の大きさの貫通孔４１ａが形成されている。このトレー４０は、冷却温度（本実施形態では−２０℃）において曲げ弾性率が１５００ＭＰａ以上、曲げ強さが４０ＭＰａ以上とするのが好ましい。   The tray 40 is made of, for example, an AAS (Acrylonitrile-Styrene-Acrylate) resin-based persistent antistatic material having physical properties of flexural modulus (ISO 178) of 2150 MPa or more and flexural strength (ISO 178) of 58 MPa or more. As shown in FIG. 2, the tray 40 of the present embodiment is formed with a recess 42 having a holding surface 41 on which the power module substrate 10 is placed on the bottom surface. A through hole 41 a having a size that does not hinder the holding of the substrate 10 is formed. The tray 40 preferably has a bending elastic modulus of 1500 MPa or more and a bending strength of 40 MPa or more at a cooling temperature (−20 ° C. in the present embodiment).

トレー４０とともにパワーモジュール用基板１０を真空包装する樹脂製フィルム５０としては、ガスバリア性、低温強度等に優れ、冷却温度（本実施形態では−２０℃）における引張強度が２００ＭＰａ以上、引張破断伸度が７０％以上であるフィルム、例えばカウパック株式会社製ＳＰＮ−１１（厚さ１８μｍのバリアＯＮＹ（二軸延伸ナイロンフィルム）に厚さ６７μｍのＬＬＤＰＥ（直鎖状低密度ポリエチレンフィルム）を押し出して圧着したもの）を用いることができる。   The resin film 50 for vacuum packaging the power module substrate 10 together with the tray 40 is excellent in gas barrier properties, low-temperature strength, etc., has a tensile strength of 200 MPa or more at a cooling temperature (−20 ° C. in this embodiment), and a tensile elongation at break. A film having a thickness of 70% or more, for example, SPN-11 manufactured by Cowpack Co., Ltd. (extrusion of LLDPE (linear low density polyethylene film) of 67 μm into a barrier ONY (biaxially stretched nylon film) of 18 μm) Can be used.

図３に示すように、このトレー４０の各保持面４１にパワーモジュール用基板１０を載置して三方が閉じられた袋状の樹脂製フィルム５０に収容し、この袋内を例えば真空包装体６０の真空度が７６ｍｍＨｇ（約１０ｋＰａ）以下となるように真空吸引し、樹脂製フィルム５０の開口部をシールして真空包装体６０を形成する。   As shown in FIG. 3, the power module substrate 10 is placed on each holding surface 41 of the tray 40 and accommodated in a bag-shaped resin film 50 that is closed on three sides. Vacuum suction is performed so that the degree of vacuum of 60 is 76 mmHg (about 10 kPa) or less, and the opening of the resin film 50 is sealed to form the vacuum package 60.

このとき、パワーモジュール用基板１０は、表面が凸状となっている面を保持面４１に当接させてもよいが（図４参照）、表面が凹状となっている面を保持面４１に当接させる（図３参照）ことがより好ましい。このように配置することにより、樹脂製フィルム５０が凸状の回路層用金属板１２の略全面に押し付けられるので、真空吸引による樹脂製フィルム５０の圧力をパワーモジュール用基板１０に効率よく作用させ、反りの矯正効果を高めることができる。   At this time, the power module substrate 10 may have a surface having a convex surface abutting on the holding surface 41 (see FIG. 4), but the surface having a concave surface on the holding surface 41. It is more preferable to make it contact (refer FIG. 3). By arranging in this way, the resin film 50 is pressed against substantially the entire surface of the convex circuit layer metal plate 12, so that the pressure of the resin film 50 by vacuum suction is efficiently applied to the power module substrate 10. , Can improve the warping correction effect.

（冷却工程）
次に、真空包装体６０を常温よりも低い冷却温度（本実施形態では−２０℃）まで冷却して保持する（本実施形態では２０分間）。このときパワーモジュール用基板１０は、トレー４０と樹脂製フィルム５０との間で拘束されることによって接合時の反りとは逆方向の応力が生じている状態であり、さらに冷却による熱収縮で接合時とは逆方向に反ろうとするので、この応力が増大する。しかしながら、トレー４０および樹脂製フィルム５０によって拘束されているため、パワーモジュール用基板１０には見かけ上の変形がほとんど生じないまま、各金属板１２，１３に塑性変形を生じさせることができる。 (Cooling process)
Next, the vacuum package 60 is cooled to a cooling temperature lower than room temperature (−20 ° C. in the present embodiment) and held (20 minutes in the present embodiment). At this time, the power module substrate 10 is in a state in which a stress in a direction opposite to the warping at the time of bonding is generated by being constrained between the tray 40 and the resin film 50, and further bonded by heat shrinkage due to cooling. This stress increases because it tends to warp in the opposite direction. However, since the power module substrate 10 is restrained by the tray 40 and the resin film 50, the metal plates 12, 13 can be plastically deformed with almost no apparent deformation.

すなわち、接合時に反ったパワーモジュール用基板１０をトレー４０および樹脂製フィルム５０によって拘束した状態で冷却することにより、接合時とは逆方向の応力をパワーモジュール用基板１０に生じさせる。そして、その状態で各金属板１２，１３が塑性変形した後にパワーモジュール用基板１０を常温に戻すと、接合時の反りが相殺される。これにより、パワーモジュール用基板１０の反りを緩和することができる。   That is, by cooling the power module substrate 10 warped at the time of bonding while being constrained by the tray 40 and the resin film 50, a stress in the direction opposite to that at the time of bonding is generated in the power module substrate 10. And if each metal plate 12 and 13 plastically deforms in that state, if the board | substrate 10 for power modules is returned to normal temperature, the curvature at the time of joining will be canceled. Thereby, the curvature of the board | substrate 10 for power modules can be relieve | moderated.

なお、冷却後のパワーモジュール用基板１０をさらに、例えば６０℃で２０分間保持することにより、パワーモジュール用基板１０を常温に戻す時間を短縮することができ、樹脂製フィルムの開放時に結露の発生を防ぐことができる。   In addition, the time for returning the power module substrate 10 to room temperature can be shortened by holding the cooled power module substrate 10 at, for example, 60 ° C. for 20 minutes, and condensation occurs when the resin film is opened. Can be prevented.

（実施例）
以下、本発明の効果確認試験を行った。
まず、パワーモジュール用基板として、次の構成を有するものを製作した。
本発明例１から４および比較例については、回路層用金属板として２７ｍｍ×２７ｍｍ×０．６ｍｍの純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム板を、セラミックス基板として３０ｍｍ×３０ｍｍ×０．６３５ｍｍのＡｌＮ板を、放熱層用金属板として２８ｍｍ×２８ｍｍ×１．６ｍｍの純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム板を、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉのろう材をそれぞれの板材に介して、ろう付けにより接合した。ろう付け接合の条件は、真空雰囲気中で６４０℃、荷重３．５ｋｇｆ／ｃｍ2とした。 (Example)
Hereinafter, the effect confirmation test of the present invention was performed.
First, a power module substrate having the following configuration was manufactured.
In the inventive examples 1 to 4 and the comparative example, a 4N aluminum plate having a purity of 99.99% or more of 27 mm × 27 mm × 0.6 mm is used as the metal plate for the circuit layer, and an AlN of 30 mm × 30 mm × 0.635 mm is used as the ceramic substrate. By brazing a 4N aluminum plate with a purity of 99.99% or more of 28 mm × 28 mm × 1.6 mm as a metal plate for a heat dissipation layer, and a brazing material of Al-7.5 mass% Si through each plate material Joined. The conditions for brazing were 640 ° C. and a load of 3.5 kgf / cm 2 in a vacuum atmosphere.

また、本発明例５は、２７ｍｍ×２７ｍｍ×０．３ｍｍの無酸素銅板を、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉのろう材ペーストを用いて、３０ｍｍ×３０ｍｍ×０．６３５ｍｍのＡｌＮ板に活性金属ろう付け法により接合した。ろう付け接合の条件は、真空雰囲気中で８４０℃、荷重３．５ｋｇｆ／ｃｍ2とした。その後、ＡｌＮの他方の面に２８ｍｍ×２８ｍｍ×０．６ｍｍの純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム板を、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉのろう材を用いて、ろう付けにより接合した。ろう付け接合の条件は、真空雰囲気中で６４０℃、荷重３．５ｋｇｆ／ｃｍ2とした。 In addition, Example 5 of the present invention uses an oxygen-free copper plate of 27 mm × 27 mm × 0.3 mm and a brazing paste of Ag-27.4 mass% Cu-2.0 mass% Ti, 30 mm × 30 mm × 0.00 mm. It joined to the 635 mm AlN board by the active metal brazing method. The conditions for brazing were 840 ° C. and a load of 3.5 kgf / cm 2 in a vacuum atmosphere. Thereafter, a 4N aluminum plate having a purity of 99.99% or more of 28 mm × 28 mm × 0.6 mm was joined to the other surface of AlN by brazing using a brazing material of Al-7.5 mass% Si. The conditions for brazing were 640 ° C. and a load of 3.5 kgf / cm 2 in a vacuum atmosphere.

以上説明した基板作製工程により作製したパワーモジュール用基板１０について、表１に記載のとおり、トレー４０に対するパワーモジュール用基板１０の配置方向およびトレー４０の有無等の条件を変更し、真空包装体６０の真空度を６５ｍｍＨｇとし、真空包装体６０を作製した。本実施例では、トレー４０として、ＡＡＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ−Ｓｔｙｒｅｎｅ−Ａｃｒｙｌａｔｅ）樹脂ベース持続性帯電防止材料からなるトレーを用い、樹脂製フィルム５０としては、カウパック株式会社製ＳＰＮ−１１を用い、パワーモジュール用基板１０の反りの変化を比較する実験を行った。   For the power module substrate 10 manufactured by the substrate manufacturing process described above, as shown in Table 1, the conditions such as the arrangement direction of the power module substrate 10 with respect to the tray 40 and the presence or absence of the tray 40 are changed, and the vacuum package 60 The vacuum degree was set to 65 mmHg, and a vacuum package 60 was produced. In this embodiment, a tray made of an AAS (Acrylonitrile-Styrene-Acrylate) resin-based persistent antistatic material is used as the tray 40, and a SPN-11 manufactured by Cowpack Co., Ltd. is used as the resin film 50. An experiment was conducted to compare changes in warpage of the substrate 10.

前記真空包装体６０を表１記載の冷却温度まで冷却し、２０分間保持した後に６０℃で２０分間保持したのち、真空包装体６０からパワーモジュール用基板１０を取り出した。パワーモジュール用基板１０の反りは、冷却前後のパワーモジュール用基板について、Ｍｉｔｓｕｔｏｙｏ製のＱｕｉｃｋＳｃｏｐｅ（三次元測定器）を用いて、平面度を測定することによって評価した。また、「平面度」は、パワーモジュール用基板１０の回路層側を上に凸状に反りが生じている状態をプラスの値とし、パワーモジュール用基板１０板の回路層側を上に凹状に反りが生じている状態をマイナスの値で表示した。   The vacuum package 60 was cooled to the cooling temperature shown in Table 1, held for 20 minutes, and then held at 60 ° C. for 20 minutes, and then the power module substrate 10 was taken out of the vacuum package 60. The warpage of the power module substrate 10 was evaluated by measuring the flatness of the power module substrate before and after cooling using a QuickScope (three-dimensional measuring instrument) manufactured by Mitsutoyo. The “flatness” is a positive value when the circuit layer side of the power module substrate 10 is convex upward, and the circuit layer side of the power module substrate 10 plate is concave upward. The state where the warp has occurred is displayed as a negative value.

Figure 2014072365
Figure 2014072365

これら本発明例１〜５および比較例から、樹脂製フィルム５０で真空包装して冷却保持することによってパワーモジュール用基板１０の反りを低減できるが、トレー４０を用いると反りの低減効果がより高く、さらにパワーモジュール用基板１０の凹側をトレー４０の保持面４１に当接させることが効果的であることがわかった。   From these inventive examples 1 to 5 and the comparative example, the warp of the power module substrate 10 can be reduced by vacuum packaging with the resin film 50 and cooling and holding. However, when the tray 40 is used, the warp reduction effect is higher. Further, it has been found that it is effective to bring the concave side of the power module substrate 10 into contact with the holding surface 41 of the tray 40.

以上説明したように、本発明の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を接合してパワーモジュール用基板を作製した後に、これをトレーおよび樹脂製フィルムを用いて真空包装して冷却することによって、基板を加圧するための加圧装置などを用いることなく、反り量の小さいパワーモジュール用基板を容易に製造することができる。   As described above, according to the method for manufacturing a power module substrate of the present invention, after a ceramic substrate and a metal layer are joined to produce a power module substrate, this is vacuumed using a tray and a resin film. By packaging and cooling, a power module substrate with a small amount of warpage can be easily manufactured without using a pressurizing device for pressurizing the substrate.

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。   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.

前記実施形態では、１枚のトレー４０にパワーモジュール用基板１０を保持させたものを樹脂製フィルム５０で真空包装して真空包装体６０を作製したが、それぞれパワーモジュール用基板１０を保持させた複数枚のトレー４０を厚さ方向に積層し、樹脂製フィルム５０で一括して真空包装して真空包装体を作製してもよい。この場合、最上層のパワーモジュール用基板１０以外は、パワーモジュール用基板１０の両面がトレー４０の保持面４１に押圧されるので、反りの矯正効果をより高めることができる。   In the above embodiment, the vacuum module 60 is produced by vacuum packaging the resin module 50 with the power module substrate 10 held on one tray 40, but each of the power module substrates 10 is held. A plurality of trays 40 may be stacked in the thickness direction and vacuum packaged together with the resin film 50 to produce a vacuum package. In this case, since both surfaces of the power module substrate 10 other than the uppermost power module substrate 10 are pressed against the holding surface 41 of the tray 40, the warp correction effect can be further enhanced.

また、前記実施形態ではパワーモジュール用基板１０を保持する凹部４２を備えるトレー４０を用いたが、パワーモジュール用基板を保持するトレーは略平坦な保持面を有していればよく、したがってトレーは単なる板状部材であってもよい。しかしながら、保持面とパワーモジュール用基板との間に真空吸引時のエアの抜け道を設けることが好ましいため、前記実施形態のように保持面に貫通孔を設けたり、保持面を複数の凸条によりパワーモジュール用基板を保持する形状としたりしてもよい。   In the above embodiment, the tray 40 having the recess 42 for holding the power module substrate 10 is used. However, the tray for holding the power module substrate only needs to have a substantially flat holding surface. It may be a simple plate member. However, since it is preferable to provide a passage for air during vacuum suction between the holding surface and the power module substrate, a through hole is provided in the holding surface as in the above embodiment, or the holding surface is formed by a plurality of ridges. It may be shaped to hold the power module substrate.

また、前記実施形態では、６０℃で２０分間保持する処理を行ったが、これはパワーモジュール用基板を常温まで戻す時間を短縮するためのものであって、この処理を省くことも可能である。   Moreover, in the said embodiment, although the process hold | maintained at 60 degreeC for 20 minutes was performed, this is for shortening the time which returns the board | substrate for power modules to normal temperature, and it is also possible to omit this process. .

１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層用金属板（金属層）
１３ 放熱層用金属板（金属層）
２０ 電子部品
３０ ヒートシンク
４０ トレー
４１ 保持面
４１ａ 貫通孔
４２ 凹部
５０ 樹脂製フィルム
１００ パワーモジュール 10 Power Module Substrate 11 Ceramic Substrate 12 Metal Plate for Circuit Layer (Metal Layer)
13 Metal plate for heat dissipation layer (metal layer)
20 Electronic component 30 Heat sink 40 Tray 41 Holding surface 41a Through hole 42 Recess 50 Resin film 100 Power module

Claims (2)

セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属層を接合することによりパワーモジュール用基板を作製する基板作製工程と、
前記パワーモジュール用基板をトレーに設けられた保持面上に載置し、これらパワーモジュール用基板およびトレーを樹脂製フィルムで真空包装することにより、前記パワーモジュール用基板が前記トレーの前記保持面に押圧された状態の真空包装体を形成する真空包装工程と、
前記真空包装体を常温よりも低い温度まで冷却する冷却工程と
を有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。 A substrate manufacturing step of manufacturing a power module substrate by bonding a metal layer to at least one surface of the ceramic substrate;
The power module substrate is placed on a holding surface provided on a tray, and the power module substrate and the tray are vacuum-packed with a resin film so that the power module substrate is placed on the holding surface of the tray. A vacuum packaging process for forming a pressed vacuum package;
And a cooling step for cooling the vacuum package to a temperature lower than room temperature. 前記冷却工程において、０℃以下−４０℃以上に冷却することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The method for manufacturing a power module substrate according to claim 1, wherein in the cooling step, cooling is performed to 0 ° C. or lower to −40 ° C. or higher.
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