JP4677948B2

JP4677948B2 - パワーモジュール用基板の製造方法

Info

Publication number: JP4677948B2
Application number: JP2006141512A
Authority: JP
Inventors: 慎介青木; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2026-05-22
Also published as: JP2007311702A

Description

この発明は、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に関するものである。

この種のパワーモジュールは一般に、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４若しくはＳｉＣ等からなるセラミックス板の表面に、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、セラミックス板の裏面側に設けられた放熱体と、回路層の表面に配設された半導体チップと、放熱体の表面に配設された冷却シンク部とを備え、半導体チップからの熱を放熱体および冷却シンク部を介して外部へ放散させるようになっている。近年では、パワーモジュール用基板の高効率生産や小型化に対する要望に応えるために、例えば下記特許文献１に示されるような、セラミックス板の表面に、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、このろう材箔の表面に前記表面張力によって、母材から打ち抜かれた回路層を仮固定して積層体を形成した後に、この積層体を積層方向に加圧して加熱し、前記揮発性有機媒体を揮発させるとともに、ろう材箔を溶融させることによってパワーモジュール用基板を形成する方法が提案されている。
特開２００６−５９８５９号公報

しかしながら、前記従来のパワーモジュール用基板の製造方法では、回路層とろう材箔との間、およびこのろう材箔とセラミックス板の表面との間にそれぞれ揮発性有機媒体を介在させていたので、前記加熱時に揮発した揮発性有機媒体を加熱炉内から排気する必要があった。このため、加熱炉に排気装置を設けたことにより装置の複雑化や大型化を招いたり、パワーモジュール用基板を製造する工程において、排気工程を接合工程とは別に設ける必要があったりする等、パワーモジュール用基板の低コスト化を図ることが困難であるという問題があった。
また、前記揮発した揮発性有機媒体が加熱炉内から十分に排気されずこの加熱炉内に残存していた場合には、接合工程時に加熱炉にかかる負担が大きくなり、そのランニングコストが増大してパワーモジュール用基板の低コスト化を図ることがさらに困難になるという問題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、揮発性有機媒体の使用量を低減することによりパワーモジュール用基板の低コスト化を図ることができる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。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス板の表面にろう材箔を介して回路層を載置して積層体を形成する積層工程と、この積層体を積層方向に加圧して加熱することにより、セラミックス板の表面に回路層をろう付けしてパワーモジュール用基板を形成する接合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って、前記積層工程は、回路層を、セラミックス板の表面においてこの回路層が配置される位置に向けて開口し、かつ回路層の外周縁と同形同大の内周面形状とされた位置決め孔に嵌めた状態で、セラミックス板の表面にろう材箔を介して載置することにより前記積層体を形成し、前記接合工程は、回路層を前記位置決め孔に嵌めた状態で、前記積層体を積層方向に加圧して加熱しパワーモジュール用基板を形成することを特徴とする。
この発明によれば、積層工程時および接合工程時それぞれにおいて、前記位置決め孔の内周面で回路層の側面をその全周にわたって支持するので、セラミックス板の表面とろう材箔との間、およびろう材箔と回路層との間のうち少なくとも一方には、揮発性有機媒体を介在させなくても、前記積層体において、回路層をセラミックス板の表面にその表面に沿った方向に位置決めして固定した状態で載置することができる。したがって、揮発性有機媒体の使用量を低減することが可能になり、パワーモジュール用基板の低コスト化を図ることができる。

ここで、前記位置決め孔は、前記接合工程時に回路層の表面に当接して前記積層体を積層方向に加圧する加圧板と、セラミックス板の表面との間に設けられたテンプレートの表面に形成された貫通孔とされてもよい。
または、これに代えて、前記位置決め孔は、前記接合工程時に回路層の表面に当接して前記積層体を積層方向に加圧する加圧板の表面に形成された凹み部とされてもよい。
これらの場合、前述の作用効果が容易かつ確実に奏効されることになる。

この発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法によれば、揮発性有機媒体の使用量を低減することによりパワーモジュール用基板の低コスト化を図ることができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。パワーモジュール用基板１１は、図１および図２に示されるように、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４若しくはＳｉＣ等からなるセラミックス板１２の表面に回路層１３がろう付けされるとともに、セラミックス板１２の裏面に金属層１４がろう付けされている。回路層１３および金属層１４はともに、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金により形成されるとともに、セラミックス板１２に、Ａｌ−Ｓｉ系（例えばＡｌ：９３重量％、Ｓｉ：７重量％、厚さ１０μｍ〜１５μｍ）若しくはＡｌ−Ｇｅ系のろう材箔を加熱して溶融することにより接合されている。

そして、このパワーモジュール用基板１１は、回路層１３の表面に半導体チップがはんだ接合されるとともに、金属層１４の表面に放熱体がはんだ接合、若しくはろう付けや拡散接合され、さらに、この放熱体の表面に、内部に冷却液や冷却空気等の冷媒が通過する流通孔が形成された冷却シンク部が配設されて用いられる。なお、冷却シンク部と放熱体とは、例えば図示されないねじにより締結される。
以上より、半導体チップからの熱が放熱体および冷却シンク部を介して外部へ放散されるようになっている。

次に、パワーモジュール用基板１１の製造方法について図１および図２に基づいて説明する。
まず、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる母材の表面に、揮発性有機媒体を介在させてろう材箔を配置しておく。これにより、母材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。次に、この母材における回路層１３の形成予定部の表面に向けて打ち抜きパンチを前進移動し、この母材における回路層１３の形成予定部をその表面側から押圧して、このパンチの前進移動を、回路層１３の形成予定部の外周縁を母材の厚さ方向全域でせん断変形させて破断するまで継続することにより母材から打ち抜くことによって、表面にろう材箔が揮発性有機媒体の表面張力により仮固定された回路層１３を形成する。
一方、金属層１４についても回路層１３を形成するのと同様にして形成する。

次に、セラミックス板１２の表面にろう材箔を介して回路層１３を載置するとともに、セラミックス板１２の裏面にろう材箔を介して金属層１４を載置して積層体を形成した後に、これらを積層方向に加圧した状態で加熱して、セラミックス板１２の表面に回路層１３をろう付けするとともに、セラミックス板１２の裏面に金属層１４をろう付けしてパワーモジュール用基板１１を形成する。
ここで、前記積層体を形成し、さらにその後、この積層体を積層方向に加圧する装置について説明する。

この装置２０は、平面視四角形とされた一対の加圧板２２ａ、２２ｂと、これらの加圧板２２ａ、２２ｂ同士の間に配置された平面視四角形の一対のテンプレート２３ａ、２３ｂと、これらの加圧板２２ａ、２２ｂおよびテンプレート２３ａ、２３ｂが順次配置されている方向に延在し、加圧板２２ａ、２２ｂおよびテンプレート２３ａ、２３ｂそれぞれの隅部における側面を支持する複数の柱部２１（本実施形態では４つ）とを備え、この装置２０全体はその上面視が四角形とされている。なお、加圧板２２ａ、２２ｂおよびテンプレート２３ａ、２３ｂそれぞれの平面視形状は同形同大とされている。また、加圧板２２ａ、２２ｂおよびテンプレート２３ａ、２３ｂはそれぞれ、後述する接合工程時にガスが発生しない材質により形成され、加圧板２２ａ、２２ｂは例えばカーボンにより形成され、テンプレート２３ａ、２３ｂは例えばカーボン若しくはステンレス鋼により形成されている。

各柱部２１は、上面視四角形とされたこの装置２０における４つの頂部それぞれに配置されており、この四角形の内方における対角線方向に向けて開口するような上面視Ｌ字状とされている。そして、これらの柱部２１の側面のうち前記のように開口した内側側面２１ａに、加圧板２２ａ、２２ｂおよびテンプレート２３ａ、２３ｂそれぞれの隅部における側面が摺接しながら、加圧板２２ａ、２２ｂおよびテンプレート２３ａ、２３ｂが柱部２１の延在する上下方向に昇降可能に設けられている。

そして、本実施形態では、一対のテンプレート２３ａ、２３ｂのうち、上方に配置された上側テンプレート２３ａの表面には、回路層１３の外周縁と同形同大の内周面形状とされた位置決め孔２４が形成され、また、一対のテンプレート２３ａ、２３ｂのうち、下方に配置された下側テンプレート２３ｂの表面には、金属層１４の外周縁と同形同大の内周面形状とされた位置決め孔２５が形成されている。これらの位置決め孔２４、２５は貫通孔とされるとともに、上側テンプレート２３ａの厚さは回路層１３の厚さよりも薄く、また、下側テンプレート２３ｂの厚さは金属層１４の厚さよりも薄くなっている。
なお、柱部２１の前記内側側面２１ａは、セラミックス板１２の隅部における側面うち、このセラミックス板１２の表面に沿った方向で互いに対向する一対の側面のみに接触し、残りの一対の側面とは非接触とされている。

ここで、一対のテンプレート２３ａ、２３ｂの互いに対向する表面の各外周縁部において、それぞれの表面に沿った方向で互いに対向する一対の外縁部には凸部２６、２７が突設され、これらのテンプレート２３ａ、２３ｂが互いに接近移動したときに、各凸部２６、２７において、前記上下方向で互いに対向する上面同士が当接するとともに、各テンプレート２３ａ、２３ｂの表面に沿った方向で対向する内側側面２６ａ、２７ａがそれぞれ、セラミックス板１２の前記残りの一対の側面に当接するようになっている。

このように構成された装置２０において、まず、下側テンプレート２３ｂの表裏面から金属層１４を突出させた状態でこの金属層１４を位置決め孔２５に嵌め、この位置決め孔２５の内周面により金属層１４の外周面を支持させる。この際、下側テンプレート２３ｂの表面から突出した金属層１４の表面にはろう材箔が揮発性有機媒体の表面張力により仮固定されている。なお、この揮発性有機媒体としては、例えば、粘度が１×１０^−３Ｐａ・ｓ以上、好ましくは２０×１０^−３Ｐａ・ｓ以上１５００×１０^−３Ｐａ・ｓ以下、表面張力が８０×１０^−３Ｎ／ｍ以下、好ましくは２０×１０^−３Ｎ／ｍ以上６０×１０^−３Ｎ／ｍ以下の材質であって、温度がろう材箔の溶融温度以下、具体的には４００℃以下、好ましくは３００℃以下になったときに揮発する材質とされ、例えば２〜３価の多価アルコール、オクタンジオール等が挙げられる。

次に、下側テンプレート２３ｂの表面から突出した金属層１４の表面に前記ろう材箔を介してセラミックス板１２を載置する。ここで、セラミックス板１２を金属層１４の表面に向けて下降させる過程において、セラミックス板１２は、その隅部における側面のうちこのセラミックス板１２の表面に沿った方向で互いに対向する一対の側面のみが柱部２１の内側側面２１ａに摺接し、残りの一対の側面は柱部２１の内側側面２１ａと非接触とされる。その後、上側テンプレート２３ａの凸部２６と下側テンプレート２３ｂの凸部２７とが当接するまで、上側テンプレート２３ａを下降させる。そして、前記両凸部２６、２７が当接したときに、これらの凸部２６、２７の前記内側側面２６ａ、２７ａ、および柱部２１の前記内側側面２１ａが、セラミックス板１２の全ての隅部における側面に当接することにより、セラミックス板１２が、位置決め孔２５に対して、このセラミックス板１２の表面に沿った方向に位置決めされる。さらにこの際、金属層１４の表面に前記仮固定されたろう材箔の表裏面のうち、セラミックス板１２の表面に当接している表面には、前記揮発性有機媒体が塗布されていないので、セラミックス板１２がその表面に沿った方向に移動して位置決め孔２５に対して位置決めされる過程において、抵抗少なくスムーズにろう材箔にしわを生じさせたりすることなく移動することになる。なお、前述したように前記両テンプレート２３ａ、２３ｂの凸部２６、２７の上面同士が当接することにより、これらの両テンプレート２３ａ、２３ｂとセラミックス板１２の表裏面との間には、回路層１３および金属層１４それぞれの厚さよりも小さい隙間が設けられる。

次に、上側テンプレート２３ａの位置決め孔２４に回路層１３を嵌め、セラミックス板１２の表面に回路層１３を載置する。なお、この回路層１３は、上側テンプレート２３ａの表裏面から突出している。また、回路層１３は、その表裏面のうち揮発性有機媒体の表面張力によりろう材箔が仮固定されている表面側から上側テンプレート２３ａの位置決め孔２４に嵌められる。
以上より、回路層１３を、セラミックス板１２の表面においてこの回路層１３が配置される位置に向けて開口し、かつ回路層１３の外周縁と同形同大の内周面形状とされた位置決め孔２４に嵌めた状態で、セラミックス板１２の表面にろう材箔を介して載置するとともに、金属層１４を、セラミックス板１２の裏面においてこの金属層１４が配置される位置に向けて開口し、かつ金属層１４の外周縁と同形同大の内周面形状とされた位置決め孔２５に嵌めた状態で、セラミックス板１２の裏面にろう材箔を介して載置することによって、積層体を形成する（積層工程）。

そして、一対の加圧板２２ａ、２２ｂのうち上方に配置された上側加圧板２２ａを下降して、この上側加圧板２２ａにより回路層１３の表面を押圧させるとともに、一対の加圧板２２ａ、２２ｂのうち下方に配置された下側加圧板２２ｂにより金属層１４の表面を押圧させ（０．２３ＭＰａ〜０．３５ＭＰａ）、この状態でこれら全体を加熱（６００℃〜６５０℃）してろう材箔を溶融させ、セラミックス板１２の表面に回路層１３をろう付けするとともに、セラミックス板１２の裏面に金属層１４をろう付けする。すなわち、上側テンプレート２３ａの位置決め孔２４の内周面で回路層１３の側面をその全周にわたって支持するとともに、下側テンプレート２３ｂの位置決め孔２５の内周面で金属層１４の側面をその全周にわたって支持した状態で、前記積層体を積層方向に加圧して加熱しパワーモジュール用基板１１を形成する（接合工程）。

以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール用基板１１の製造方法によれば、積層工程時および接合工程時それぞれにおいて、位置決め孔２４の内周面で回路層１３の側面をその全周にわたって支持するので、セラミックス板１２の表面とろう材箔との間、およびろう材箔と回路層１３との間のうち少なくとも一方には、揮発性有機媒体を介在させなくても、前記積層体において、回路層１３をセラミックス板１２の表面にその表面に沿った方向に位置決めして固定した状態で載置することができる。したがって、揮発性有機媒体の使用量を低減することが可能になり、パワーモジュール用基板１１の低コスト化を図ることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、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、前記実施形態では、パワーモジュール用基板１１として、セラミックス板１２の裏面に金属層１４が設けられた構成を示したが、金属層１４を有しない構成においても適用可能である。
また、前記実施形態では、ろう材箔と回路層１３および金属層１４との間にそれぞれ揮発性有機媒体を介在させてその表面張力によってこれらを仮固定したが、これに代えて、例えばろう材箔とセラミックス板１２の表裏面との間にのみ揮発性有機媒体を介在させてもよいし、あるいは揮発性有機媒体を全く使用しないでパワーモジュール用基板１１を形成するようにしてもよい。

さらに、前記実施形態に代えて、図３および図４に示されるように、前記装置２０にテンプレート２３ａ、２３ｂを設けずに、位置決め孔２４、２５を、一対の加圧板２２ａ、２２ｂの互いに対向する表面にそれぞれ形成した凹み部としてもよい。
この場合、まず、下側加圧板２２ｂの位置決め孔２５に、表面にろう材箔が揮発性有機媒体の表面張力により仮固定された金属層１４の裏面側を嵌めた後に、この金属層１４の表面に前記ろう材箔を介してセラミックス板１２を載置し、その後、このセラミックス板１２の表面に回路層１３をろう材箔を介して配置する。ここで、セラミックス板１２の表面に回路層１３を配置する前に予め、回路層１３の裏面とろう材箔との間に揮発性有機媒体を介在させて、その表面張力により回路層１３とろう材箔とを仮固定しておく。

次に、上側加圧板２２ａを下降させ、この加圧板２２ａの位置決め孔２４に回路層１３の表面側を嵌める。以上より、回路層１３は、セラミックス板１２の表面においてこの回路層１３が配置される位置に向けて開口し、かつ回路層１３の外周縁と同形同大の内周面形状とされた位置決め孔２４に嵌められた状態で、セラミックス板１２の表面にろう材箔を介して載置されるとともに、金属層１４は、セラミックス板１２の裏面においてこの金属層１４が配置される位置に向けて開口し、かつ金属層１４の外周縁と同形同大の内周面形状とされた位置決め孔２５に嵌められた状態で、セラミックス板１２の裏面にろう材箔を介して載置されることによって積層体が形成される。そして、前記実施形態と同様にして前記接合工程を経るようにしてもよい。なお、図示の例では、柱部２１の前記内側側面２１ａは、セラミックス板１２の全ての隅部における側面を支持するようになっている。

揮発性有機媒体の使用量を低減することによりパワーモジュール用基板の低コスト化を図ることができる。

この発明の第１実施形態として示したパワーモジュール用基板の製造方法を実施するための装置およびパワーモジュール用基板の概略図である。図１に示す装置を用いて積層工程および接合工程を実施している状態を示す概略図である。この発明の第２実施形態として示したパワーモジュール用基板の製造方法を実施するための装置およびパワーモジュール用基板の概略図である。図３に示す装置を用いて積層工程および接合工程を実施している状態を示す概略図である。

符号の説明

１１パワーモジュール用基板
１２セラミックス板
１３回路層
２２ａ、２２ｂ加圧板
２３ａ、２３ｂテンプレート
２４、２５位置決め孔

Claims

セラミックス板の表面にろう材箔を介して回路層を載置して積層体を形成する積層工程と、この積層体を積層方向に加圧して加熱することにより、セラミックス板の表面に回路層をろう付けしてパワーモジュール用基板を形成する接合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って、
前記積層工程は、回路層を、セラミックス板の表面においてこの回路層が配置される位置に向けて開口し、かつ回路層の外周縁と同形同大の内周面形状とされた位置決め孔に嵌めた状態で、セラミックス板の表面にろう材箔を介して載置することにより前記積層体を形成し、
前記接合工程は、回路層を前記位置決め孔に嵌めた状態で、前記積層体を積層方向に加圧して加熱しパワーモジュール用基板を形成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。
請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、
前記位置決め孔は、前記接合工程時に回路層の表面に当接して前記積層体を積層方向に加圧する加圧板と、セラミックス板の表面との間に設けられたテンプレートの表面に形成された貫通孔とされてい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。
請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、
前記位置決め孔は、前記接合工程時に回路層の表面に当接して前記積層体を積層方向に加圧する加圧板の表面に形成された凹み部とされてい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。