JP2016167548A

JP2016167548A - 放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法

Info

Publication number: JP2016167548A
Application number: JP2015047104A
Authority: JP
Inventors: 拓也松尾; Takuya Matsuo
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2035-03-10
Also published as: JP6361532B2

Abstract

【課題】複数のパワーモジュール用基板を一枚の放熱板に接合した放熱板付パワーモジュール用基板に生じる反りを低減することができ、放熱性能を良好に維持する。
【解決手段】ろう付け工程は、回路層１２側に配置される上側加圧板１２０Ａと、放熱板２０側に配置される下側加圧板１２０Ｂとからなる一対の加圧板の間に積層体Ｓを挟むことにより押圧しており、上側加圧板１２０Ａは、回路層１２表面を押圧する小球凸面２１ｓと、放熱板２０を押圧する大球凸面２２ｓとを有し、下側加圧板１２０Ｂは、小球凸面２１ｓに対面する位置に小球凸面２１ｓに対応する曲率半径で形成された小球凹面２３ｓと、大球凸面２２ｓに対面する位置に大球凸面２２ｓに対応する曲率半径で形成された大球凹面２４ｓとを有し、積層体Ｓに全体として回路層１２側を上側とする凹状の反りを生じさせた状態で加圧する。
【選択図】図３

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放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法に関する。

パワーモジュールには、一般に、絶縁基板であるセラミックス基板の一方の面に回路層を形成する金属板が接合されるとともに、他方の面に放熱層を形成する金属板を介して放熱板が接合された放熱板付パワーモジュール用基板が用いられ、この放熱板付パワーモジュール用基板の回路層上にはんだ材を介してパワー素子等の半導体チップが搭載され、パワーモジュールが製造される。

このようなパワーモジュールにおいては、パワーモジュール用基板のセラミックス基板と放熱板との線膨張係数差に起因する反りが生じることにより、冷却器等との密着性が阻害され、放熱性能が低下することが課題である。また、従来は、一枚の放熱板に一個のパワーモジュール用基板を接合したものが使用されてきたが、複数のパワーモジュール用基板を一体として取り扱えるようにするため、一枚の放熱板に複数のパワーモジュール用基板を接合することが行われており、この場合においても、放熱板付パワーモジュール用基板に生じる反りが課題となっている。

この点、特許文献１では、反り対策として、パワーモジュール用基板（金属‐セラミックス接合基板）毎に凹のＲ面を有する治具を放熱板（放熱器）に接触させるとともに、パワーモジュール用基板毎に凸のＲ面を有する治具を回路層（金属回路板）に接触させて、複数の凹のＲ面を有する治具と複数の凸のＲ面を有する治具とで加圧しながら、１枚の放熱板と複数のパワーモジュール用基板とを接合することが記載されている。

特開２０１３‐１９７２４６号公報

ところが、特許文献１に記載される方法により製造される放熱板付パワーモジュール用基板においては、回路層の表面と放熱板の表面とがそれぞれ治具に設けられた複数のＲ面で加圧されるが、その他の部分は治具に設けられた平面により加圧されることにより、放熱板の表面が波打ちを生じた状態に変形する。このため、全体としての反りの低減を図ることが可能であっても、放熱板付パワーモジュール用基板を冷却器等に締結した際に、放熱板の波打ち面と冷却器表面との間で隙間を生じさせることとなり、放熱性能を低下させることが懸念される。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複数のパワーモジュール用基板を一枚の放熱板に接合した放熱板付パワーモジュール用基板に生じる反りを低減することができ、放熱性能を良好に維持することができる放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に放熱層が配設されてなるパワーモジュール用基板を、一枚の放熱板に面方向に間隔をあけて複数接合する放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法であって、各パワーモジュール用基板を前記放熱板に重ねて配置した積層体を、その積層方向に加圧しながら加熱することにより、前記パワーモジュール用基板と前記放熱板とをろう付けするろう付け工程を有し、前記ろう付け工程は、前記回路層側に配置される上側加圧板と、前記放熱板側に配置される下側加圧板とからなる一対の加圧板の間に前記積層体を挟むことにより該積層体を押圧しており、前記上側加圧板は、前記回路層表面を押圧する小球凸面と、該小球凸面よりも大きな曲率半径で形成されてなり前記放熱板を押圧する大球凸面とを有し、前記下側加圧板は、前記小球凸面に対面する位置に該小球凸面に対応する曲率半径で形成された小球凹面と、前記大球凸面に対面する位置に該大球凸面に対応する曲率半径で形成された大球凹面とを有し、前記積層体に全体として前記回路層側を上側とする凹状の反りを生じさせた状態で加圧する。

放熱板付パワーモジュール（パワーモジュール）の使用時においては、放熱板付パワーモジュール用基板と冷却器との密着性を良好に維持する観点から、全体として反りを生じさせることなく放熱板の表面が平面に維持されることが望ましいが、反りが生じる場合であっても、密着性維持の観点では、冷却器側に対して凹状の反り（回路層側に凸状の反り）であることよりも、凸状の反りであることが望まれる。
この点、本発明のパワーモジュール用基板においては、放熱板とパワーモジュール用基板との接合時において、これらの積層体について各パワーモジュール用基板が積層された部分を上側加圧板の小球凸面と下側加圧板の小球凹面との間で挟むとともに、それ以外の部分を上側加圧板の大球凸面と下側加圧板の大球凹面との間で挟むこととしている。すなわち、小球凸面及び小球凹面、大球凸面及び大球凹面のそれぞれの位置において、積層体に積層方向の回路層側を上側とする凹状の反りを生じさせた状態とし、ろう材が溶融する温度以上で所定時間保持した後に冷却することで、積層方向の加圧状態を開放した後に、パワーモジュール用基板に起因する反りと放熱板に起因する反りとの両方の反りを低減することができ、放熱板の表面を平坦とした状態、あるいは回路層を上側として凹状に反った状態の放熱板付パワーモジュール用基板を得ることができる。
すなわち、このように製造された放熱板付パワーモジュール用基板においては、複数のパワーモジュール用基板を一枚の放熱板に接合する構成とされているにもかかわらず、複雑な反りを生じさせることなく、また、回路層を上側として凹状に反った場合であっても、その反り量を低減させることができる。したがって、冷却器等との密着性を良好に維持することができるので、放熱性能を良好に維持することができる。

本発明の放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法において、前記上側加圧板の前記前記小球凸面と前記大球凸面との境界は分離されており、前記小球凸面と前記大球凸面とが相対移動可能に設けられているとよい。

上側加圧板の小球凸面と大球凸面とを、それぞれ相対移動可能に設けることで、放熱板とパワーモジュール用基板との積層体について各パワーモジュール用基板が積層された部分は、小球凸面と小球凹面との間で個別に挟み込んで押圧力を負荷することができ、それ以外の部分については、大球凸面と大球凹面との間で個別に挟み込んで押圧力を負荷することができる。したがって、小球凸面及び小球凹面、大球凸面及び大球凹面のそれぞれの位置において、押圧力にばらつきを生じさせることなく積層体を均一に加圧することができ、放熱板付パワーモジュール用基板に生じる反りを確実に低減することができる。

本発明によれば、複数のパワーモジュール用基板を一枚の放熱板に接合した放熱板付パワーモジュール用基板に生じる反りを低減することができ、冷却器等と放熱板付パワーモジュール用基板との密着性の向上を図ることができるので、放熱板付パワーモジュール用基板と冷却器等との間の密着性を良好に維持して、放熱性能を良好に維持することができる。

放熱板付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。本発明に係る放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法を説明する断面図であり、（ａ）がパワーモジュール用基板と放熱板との接合前、（ｂ）が接合後の状態を示す。本発明に係る放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法に用いる治具を説明する側面図である。

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。
本発明に係る放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法により製造される放熱板付パワーモジュール用基板１００は、図１に示すように、複数（図示例では２個）のパワーモジュール用基板１０と、これらのパワーモジュール用基板１０が接合された一枚の放熱板２０とを備える。そして、この放熱板付パワーモジュール用基板１００の表面に半導体チップ等の半導体素子６０が搭載されることにより、パワーモジュール１００Ａが製造される。

放熱板付パワーモジュール用基板１００の製造工程においては、まず、図２（ａ）に示すように、パワーモジュール用基板１０を製造し、パワーモジュール用基板１０と放熱板２０とをろう付けすることにより、図２（ｂ）に示すような放熱板付パワーモジュール用基板１００を製造する。

各パワーモジュール用基板１０は、図１に示すように、セラミックス基板１１と、回路層１２と、放熱層１３とを備え、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２を接合するとともに、そのセラミックス基板１１の他方の面に放熱層１３を接合した構成とされる。
このパワーモジュール用基板１０を構成する第１セラミックス基板１１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用いることができ、厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。

また、回路層１２は、純アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板を第１セラミックス基板１１に接合することにより形成される。本実施形態においては、例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．１ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定された金属板が用いられる。
放熱層１３は、純アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板を第１セラミックス基板１１に接合することにより形成される。本実施形態においては、例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．１ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内に設定された金属板が用いられ、この金属板を第１セラミックス基板１１にろう付けすることにより形成されている。

放熱板２０は、パワーモジュール１１０の熱を放散するためのものであり、例えばアルミニウム合金（Ａ３００３、Ａ６０６３合金等）からなり、本実施形態では、Ａ６０６３合金からなる厚さが１．０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内に設定された平板状に形成される。なお、放熱板２０の形状は特に限定されるものではなく、例えば、水等の冷却媒体が流通するボックス状に形成することもできる。

そして、この放熱板付パワーモジュール用基板１００の各回路層１２の表面に、半導体素子６０がはんだ付けされて、パワーモジュール１１０となる。
なお、必要とされる機能に応じてＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（ＦｒｅｅＷｈｅｅｌｉｎｇＤｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子６０が選択される。そして、半導体素子６０を接合するはんだ材は、例えばＳｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされる。

次に、このような構成の放熱板付パワーモジュール用基板１００を製造する方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、パワーモジュール用基板１０と放熱板２０とを用意する。
パワーモジュール用基板１０は、例えば、セラミックス基板１１の一方の面にろう材を介して回路層１２となる金属板を積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面にろう材を介して放熱層１３となる金属板を積層して、これらを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気中で接合温度に加熱することにより、各層をろう付け接合して形成される。
これら各層を接合するろう材は、Ａｌ‐Ｓｉ系等の合金の箔の形態で用いるとよい。また、ろう付け接合時の加圧力としては、例えば０．１ＭＰａ以上４．３ＭＰａ以下、接合温度としては６１０℃以上６５０℃以下、加熱時間としては１分以上６０分以下とされる。

そして、このように構成されたパワーモジュール用基板１０を放熱板２０に接合するには、放熱板２０の上面に、ろう材を介してパワーモジュール用基板１０を２個並べた積層体Ｓを、例えば図３に示す治具１１０を用いて積層方向に加圧した状態とする。

この治具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の上端部に上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１３とを備え、これらベース板１１１と押圧板１１３との間に積層体Ｓを挟む一対の加圧板１２０Ａ，１２０Ｂが配置される。また、ガイドポスト１１２の上端に切られた螺子部に締結部材１１４が締結され、加圧板１２０Ａと押圧板１１３との間にクッションシート１１５が配設されており、一対の加圧板１２０Ａ，１２０Ｂによる加圧力は、締結部材１１３の締め付けによって調整される。

一対の加圧板１２０Ａ，１２０Ｂは、それぞれステンレス鋼材の表面にカーボン板が積層されたものであり、パワーモジュール用基板１０と放熱板２０との積層体Ｓの回路層１２側に配置される上側加圧板１２０Ａと、放熱板２０側に配置される下側加圧板１２０Ｂとからなる。そして、上側加圧板１２０Ａは、回路層１２表面を押圧する小球凸面２１ｓと、その小球凸面２１ｓよりも大きな曲率半径で形成されてなり放熱板２０を押圧する大球凸面２２ｓとを有する構成とされる。一方、下側加圧板１２０Ｂは、小球凸面２１ｓに対面する位置にその小球凸面２１ｓに対応する曲率半径で形成された小球凹面２３ｓと、大球凸面２２ｓに対面する位置にその大球凸面２２ｓに対応する曲率半径で形成された大球凹面２４ｓとを有する構成とされる。

すなわち、対向する小球凸面２１ｓと小球凹面２３ｓとにより積層体Ｓのパワーモジュール用基板１０と放熱板２０とが積層された部分を挟んで、回路層１２側を上側とする凹状の反りを生じさせた状態に押圧できる。一方、対向する大球凸面２２ｓと大球凹面２４ｓとにより積層体Ｓのパワーモジュール用基板１０と放熱板２０との積層部分以外の部分（放熱板２０のみの部分）を挟んで、回路層１２側を上側とする凹状の反りを生じさせた状態に押圧できるようになっている。したがって、上側加圧板１２０Ａと下側加圧板１２０Ｂとの間に積層体Ｓを挟み込むことにより、図３に示すように、積層体Ｓが全体として回路層１２側を上側とする凹状の反りを生じさせた状態に保持される。

また、上側加圧板１２０Ａの小球凸面２１ｓと大球凸面２２ｓとは、その境界で分離された構成とされており、小球凸面２１ｓと大球凸面２２ｓとが上下方向に相対移動可能に設けられている。具体的には、図３に示すように、大球凸面２２ｓが形成された放熱板押圧部１２１に、小球凸面２１ｓが形成された基板押圧部１２２が挿通可能な挿通孔１２１ｈを設けることにより、放熱板押圧部１２１と基板押圧部１２２とを相対移動可能に設けている。また、上側加圧板１２０Ａと押圧板１１３との間に配置されるクッションシート１１５も、これに対応して、放熱板押圧部１２１と基板押圧部１２２との境界で分離して設けており、放熱板押圧部１２１と基板押圧部１２２とを個々に押圧可能となっている。

これにより、放熱板２０とパワーモジュール用基板１０との積層体Ｓについて、各パワーモジュール用基板１０が積層された部分は、小球凸面２１ｓと小球凹面２３ｓとの間で個別に挟み込んで押圧力を負荷することができ、それ以外の部分については、大球凸面２２ｓと大球凹面２４ｓとの間で個別に挟み込んで押圧力を負荷することができる。したがって、小球凸面２１ｓ及び小球凹面２３ｓ、大球凸面２２ｓ及び大球凹面２４ｓのそれぞれの位置において、押圧力にばらつきを生じさせることなく積層体Ｓを均一に加圧することができる。

なお、小球凸面２１ｓと小球凹面２３ｓとは、同一の曲率半径により形成することが好ましく、この曲率半径Ｒ１は３５０ｍｍ以上５５０ｍｍ以下とされる。また、大球凸面２２ｓと大球凹面２４ｓも、同一の曲率半径により形成することが好ましく、その曲率半径Ｒ２が６００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下とされる。このように、曲率半径Ｒ２は曲率半径Ｒ１よりも大きな曲率半径を有していることから、図３に示すように、大球凸面２２ｓ及び大球凹面２４ｓは、小球凸面２１ｓ及び小球凹面２３ｓよりも緩やかな曲面で形成される。

そして、本実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法においては、パワーモジュール用基板１０と放熱板２０との積層体Ｓを治具１１０に取り付けた状態とすることにより、製造時において放熱板付パワーモジュール用基板１００に発生する反りを抑制することができる。

具体的には、まず、冶具１１０の下側に配置される下側加圧板１２０Ｂの上に一枚の放熱板２０を載置し、その放熱板２０の面方向に間隔をあけてＡｌ‐Ｓｉ系ろう材箔（図示略）を介して複数のパワーモジュール用基板１０を重ねて載置する。そして、これら放熱板２０とパワーモジュール用基板１０との積層体Ｓの回路層１２側に上側加圧板１２０Ａを接触させて、締結部材１１４を締め込むことにより、下側加圧板１２０Ｂと上側加圧板１２０Ａとの間に積層体Ｓを挟んだ状態とする。この際、放熱板２０と各パワーモジュール用基板１０との積層体Ｓは、一対の加圧板１２０Ａ，１２０Ｂとにより厚み方向（積層方向）に加圧されることで、積層体Ｓにおいて各パワーモジュール用基板１０と放熱板２０とが積層された部分が小球凸面２１ｓと小球凹面２３ｓとの間で挟み込まれるとともに、それ以外の部分（放熱板２０のみの部分）を大球凸面２２ｓと大球凹面２４ｓとの間で挟み込まれることで、それぞれの位置において、積層方向の回路層１２側を上側とする凹状の反りを生じさせた状態に保持される。そして、この加圧状態で積層体Ｓを加熱することにより、パワーモジュール用基板１０の放熱層１３と放熱板２０とをろう付けにより接合する。
なお、本実施形態では、ろう付けは、Ａｌ‐１０％Ｓｉ系ろう材を用いてろう付けが行われ、真空雰囲気中で、荷重０．１ＭＰａ〜３ＭＰａ、加熱温度５８０℃〜６２０℃の条件で行われる。

次に、これらパワーモジュール用基板１０と放熱板２０との接合体を、冶具１１０に取り付けた状態、つまり、変形を生じさせた状態で、常温（２５℃）まで冷却する。この場合、パワーモジュール用基板１０と放熱板２０との接合体は、治具１１２によって厚み方向に加圧され、全体として凹状の反りとする変形を生じさせた状態で拘束されている。このため、冷却に伴うパワーモジュール用基板１０と放熱板２０との接合体の形状は見かけ上は変化がないように見えるが、応力に抗して加圧され、冷却時に反りとしての変形が出来ない状態に拘束されている結果、塑性変形が生じることとなる。

このようにして製造された放熱板付パワーモジュール用基板１００においては、パワーモジュール用基板１０に起因する反りと放熱板２０に起因する反りとの両方の反りを低減することができ、放熱板２０の表面を平坦とした状態、あるいは図２（ｂ）に示すように、回路層１２側を上側として凹状に反った状態でも反り量が小さくなり、製造時に生じる反りが低減される。
このように、本実施形態の製造方法により製造される放熱板付パワーモジュール用基板においては、複数のパワーモジュール用基板１０を一枚の放熱板２０に接合する構成とされているにもかかわらず、複雑な反りを生じさせることなく、また、回路層１２を上側として凹状に反った場合であっても、その反り量を低減させることができる。したがって、冷却器等との密着性を良好に維持することができるので、放熱性能を良好に維持することができる。

なお、本発明は、上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、上記実施形態においては、一枚の放熱板２０に２個のパワーモジュール用基板１０を接合した場合について説明を行ったが、放熱板２０上に接合されるパワーモジュール用基板１０は、２個以上であってもよい。

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
１３放熱層
２０放熱板
２１ｓ小球凸面
２２ｓ大球凸面
２３ｓ小球凹面
２４ｓ大球凹面
６０半導体素子
１００放熱板付パワーモジュール用基板
１００Ａパワーモジュール
１１０治具
１１１ベース板
１１２ガイドポスト
１１３押圧板
１１４締結部材
１１５クッションシート
１２０Ａ上側加圧板
１２０Ｂ下側加圧板
１２１放熱板押圧部
１２１ｈ挿通孔
１２２基板押圧部
Ｓ積層体

Claims

セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に放熱層が配設されてなるパワーモジュール用基板を、一枚の放熱板に面方向に間隔をあけて複数接合する放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
各パワーモジュール用基板を前記放熱板に重ねて配置した積層体を、その積層方向に加圧しながら加熱することにより、前記パワーモジュール用基板と前記放熱板とをろう付けするろう付け工程を有し、
前記ろう付け工程は、前記回路層側に配置される上側加圧板と、前記放熱板側に配置される下側加圧板とからなる一対の加圧板の間に前記積層体を挟むことにより該積層体を押圧しており、
前記上側加圧板は、前記回路層表面を押圧する小球凸面と、該小球凸面よりも大きな曲率半径で形成されてなり前記放熱板を押圧する大球凸面とを有し、
前記下側加圧板は、前記小球凸面に対面する位置に該小球凸面に対応する曲率半径で形成された小球凹面と、前記大球凸面に対面する位置に該大球凸面に対応する曲率半径で形成された大球凹面とを有し、
前記積層体に全体として前記回路層側を上側とする凹状の反りを生じさせた状態で加圧する放熱板付パワーモジュール用基板。
前記上側加圧板の前記前記小球凸面と前記大球凸面との境界は分離されており、前記小球凸面と前記大球凸面とが相対移動可能に設けられている請求項１に記載の放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法。