JP4765889B2 - パワーモジュール用基板の製造方法およびパワーモジュール用基板の製造装置 - Google Patents

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およびパワーモジュール用基板の製造装置に関するものである。

この種のパワーモジュール用基板の製造方法として、例えば下記特許文献１および２に示されるように、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、を有する方法が知られている。そして、接合工程では、前記積層体を接合炉内に配置して、この接合炉の内部を例えば真空引きする等した後に、この接合炉内全体を加熱しろう材箔を溶融させて、セラミックス板の表面に回路層をろう付けしている。
特開２００４−２８８８２９号公報 特開２００５−７２０３６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、接合工程時に接合炉内全体を加熱していたので、ろう材箔をその全域にわたって均等な温度に加熱するのが困難であるとともに、加熱開始後ろう付けが完了するまでに長時間かかり、さらに、装置が大型で高コストであ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、ろう材箔をその全域にわたって均等な温度に加熱することが可能になるとともに、加熱開始後ろう付けが完了するまでの時間を短縮することができ、しかも装置の小型化および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およびパワーモジュール用基板の製造装置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、前記接合工程は、一対の加圧板によって、前記積層体における回路層の表面に黒体板を圧接させつつ前記積層体を積層方向に加圧した状態で、前記黒体板をその側方から第１ハロゲンヒータで加熱し、この熱を、黒体板および回路層の各内部を伝導させることにより前記ろう材箔を溶融し、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ことを特徴とする。
この発明によれば、接合工程時に、接合炉内全体を加熱するのではなく、黒体板をその側方から第１ハロゲンヒータで加熱し、この熱を、黒体板および回路層の各内部を伝導させることにより、ろう材箔を溶融させるので、ろう材箔をその全域にわたって均等な温度に加熱することが可能になるとともに、加熱開始後ろう付けが完了するまでの時間を短縮することができる。
すなわち、接合工程時に、近赤外線の吸収率が約１００％と非常に高い黒体板を第１ハロゲンヒータで加熱するので、この第１ハロゲンヒータが発する近赤外線を黒体板に高効率に吸収させることが可能になり、この黒体板を、第１ハロゲンヒータと対向している側面側、および沿面方向における内側の別を問わず、その全域にわたって加熱開始後即座に高温に加熱することができる。したがって、この黒体板と圧接している回路層も、その全域にわたって加熱開始後即座に高温に加熱されることになり、加熱を開始した直後であってもろう材箔をその全域にわたって均等な温度に加熱することが可能になるとともに、加熱開始後ろう付けが完了するまでの時間を短縮することができる。これにより、例えばロット間で接合強度を安定させることが可能になる等、パワーモジュール用基板の接合品質を向上させることができるとともに、製造効率を向上させることができる。また、接合工程時に、接合炉内全体を加熱するのではなく黒体板を加熱するので、接合工程時の使用電力量を低減することも可能になり、製造コストを下げることができる。

ここで、前記加圧板は、前記積層体を回路層の表面側から積層方向に加圧するように設けられ、この加圧板において前記回路層と対応する部分に、複数の貫通孔が形成されており、前記接合工程は、前記黒体板をその側方から第１ハロゲンヒータで加熱する際、前記貫通孔を通して前記黒体板をその表面側から第２ハロゲンヒータで加熱し、この熱を、前記黒体板および回路層の各内部をこの順に伝導させることにより、前記ろう材箔を溶融し前記パワーモジュール用基板を形成してもよい。
この場合、黒体板を、その側方から第１ハロゲンヒータで加熱するのみならず、表面側からも第２ハロゲンヒータで加熱するので、前記の作用効果をより一層確実に奏効させることが可能になる。

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造装置は、セラミックス板の表面にろう材箔を介して回路層が載置された積層体を、その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パワーモジュール用基板の製造装置であって、前記積層体を積層方向に加圧する加圧板と、この加圧板による積層体の加圧時に前記回路層の表面に圧接する黒体板と、前記回路層の表面に圧接した黒体板をその側方から加熱する第１ハロゲンヒータと、これらの加圧板、黒体板および第１ハロゲンヒータが内部に設けられた接合炉と、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、ろう材箔をその全域にわたって均等な温度に加熱することが可能になるとともに、加熱開始後ろう付けが完了するまでの時間を短縮することができる。したがって、パワーモジュール用基板の接合品質および製造効率をともに向上させることができる。
しかも、この装置を用いた接合工程では、接合炉内全体を加熱するのではなく、接合炉内に設けられた第１ハロゲンヒータで黒体板を加熱するため、接合炉にその内部空間を加熱するための加熱手段を設けなくてもよいので、この装置の小型化および低コスト化を図ることができる。さらに、このように接合炉に加熱手段を設けなくてもよいことから、例えば真空度などといった接合炉内の接合環境を高精度かつ短時間に設定することが可能になり、パワーモジュール用基板の接合品質および製造効率をより一層向上させることができる。

ここで、前記加圧板は、前記積層体を回路層の表面側から積層方向に加圧するように設けられ、この加圧板において前記回路層と対応する部分に、複数の貫通孔が形成され、これらの貫通孔を通して前記黒体板をその表面側から加熱する第２ハロゲンヒータが設けられてもよい。

また、前記加圧板は、前記貫通孔がこの加圧板の平面視で正六角形とされたハニカム構造体とされてもよい。
この場合、加圧板の平面度を長期にわたって維持することが可能になり、その長寿命化を図ることができる。

この発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法およびパワーモジュール用基板の製造装置によれば、ろう材箔をその全域にわたって均等な温度に加熱することが可能になるとともに、加熱開始後ろう付けが完了するまでの時間を短縮することができ、しかも装置の小型化および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。まず、パワーモジュール用基板の概略構成について説明する。
パワーモジュール用基板１１は、図１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で形成されている。また、セラミックス板１２と回路層１３および金属層１４とをろう付けするろう材は、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系若しくはＡｌ−Ｇｅ系のろう材とされている。さらに、これらの回路層１３および金属層１４はともに、同形同大とされている。

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る等して用いられる。

次に、パワーモジュール用基板の製造装置２０について図１および図２に基づいて説明する。
この装置２０は、互いに平行に設けられ、後述する積層体１５を積層方向に加圧する一対の加圧板２１ａ、２１ｂと、これらの加圧板２１ａ、２１ｂのうち上側加圧板２１ａの上方に、この上側加圧板２１ａと平行に設けられた支持板２２と、一対の加圧板２１ａ、２１ｂのうち下側加圧板２１ｂの表面に立設されて、上側加圧板２１ａおよび支持板２２を貫くガイドシャフト２３と、このガイドシャフト２３の外周面に形成された雄ねじ部において支持板２２の上方に位置する部分に螺合された蝶ねじ２４と、支持板２２と上側加圧板２１ａとの間に設けられたコイルスプリング２５と、を備えている。なお、上側加圧板２１ａおよび支持板２２はそれぞれ、ガイドシャフト２３により沿面方向の移動が規制された状態で上下動自在に設けられている。

そして、本実施形態では、一対の加圧板２１ａ、２１ｂによる前記積層体１５の加圧時に、この積層体１５の回路層１３の表面、および金属層１４の表面にそれぞれ圧接する一対の黒体板２６ａ、２６ｂが設けられている。これらの黒体板２６ａ、２６ｂは、一対の加圧板２１ａ、２１ｂ同士の間に、それぞれが互いに平行になるように設けられている。ここで、前記加圧時に、これらの黒体板２６ａ、２６ｂのうち、上側黒体板２６ａが前記積層体１５の回路層１３の表面に圧接し、下側黒体板２６ｂが前記積層体１５の金属層１４の表面に圧接するようになっている。

なお、これらの黒体板２６ａ、２６ｂは、例えばカーボン製の板状体、またはＡｌ合金製の板状体にアルマイト処理を施したものとなっている。また、これらの黒体板２６ａ、２６ｂは、回路層１３および金属層１４の各表面に圧接したときに、これらの回路層１３および金属層１４の外周縁が、黒体板２６ａ、２６ｂの外周縁よりも沿面方向内方に位置されるような大きさとされている。さらに、一対の黒体板２６ａ、２６ｂはそれぞれ平面視矩形とされ、その４隅が図示されない支柱に形成された溝部に支持されて、このうち上側黒体板２６ａがその沿面方向の移動が規制された状態で上下動できるようになっている。

また、本実施形態では、前述のように一対の黒体板２６ａ、２６ｂが前記回路層１３および金属層１４の各表面にそれぞれ圧接した状態で、これらの黒体板２６ａ、２６ｂをその側方から加熱する第１ハロゲンヒータ２７が備えられている。図示の例では、第１ハロゲンヒータ２７は、一対の黒体板２６ａ、２６ｂをその両側方から挟む互いに対向する位置にそれぞれ設けられている。また、本実施形態では、第１ハロゲンヒータ２７は、一対の黒体板２６ａ、２６ｂのみならず、これらの黒体板２６ａ、２６ｂが前述のように圧接している前記積層体１５を含む全体を、これらの側方から加熱するようになっている。

ここで、加圧板２１ａ、２１ｂおよび支持板２２それぞれにおいて、前記積層体１５の回路層１３または金属層１４と対応する対応部分に、複数の貫通孔２８が形成されている。なお、加圧板２１ａ、２１ｂおよび支持板２２それぞれにおいて、前記対応部分から沿面方向外方に向けて張り出す外周部に、ガイドシャフト２３が位置されている。また、前記コイルスプリング２５は、上側加圧板２１ａおよび支持板２２それぞれの前記外周部に配置されている。さらに、複数の貫通孔２８はそれぞれ正六角形とされて、加圧板２１ａ、２１ｂおよび支持板２２はハニカム構造体となっている。

また、本実施形態では、支持板２２の上方に、上側加圧板２１ａおよび支持板２２にそれぞれ形成された貫通孔２８を通して、上側黒体板２６ａをその上方、つまり表面側から加熱する第２ハロゲンヒータ２９が設けられている。さらに、本実施形態では、下側加圧板２１ｂの下方にも、この下側加圧板２１ｂに形成された貫通孔２８を通して、下側黒体板２６ｂをその下方、つまり表面側から加熱する第２ハロゲンヒータ２９が設けられている。
そして、以上の、加圧板２１ａ、２１ｂ、支持板２２、ガイドシャフト２３、黒体板２６ａ、２６ｂ、第１ハロゲンヒータ２７、および第２ハロゲンヒータ２９等が、図示されない接合炉内に設けられている。

次に、以上のように構成されたパワーモジュール用基板の製造装置２０を用いて、パワーモジュール用基板１１を形成する方法について説明する。
まず、セラミックス板１２の表面に、図示されない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、前記ろう材箔を介して金属層１４を載置して積層体１５を形成する（積層工程）。

次に、この積層体１５を一対の黒体板２６ａ、２６ｂ同士の間に挟んだ後に、蝶ねじ２４を下方にねじ込み、コイルスプリング２５による上方付勢力に抗して、支持板２２をガイドシャフト２３の延在する方向に沿って下方に移動させる。これにより、一対の加圧板２１ａ、２１ｂによって、上側黒体板２６ａを回路層１３の表面に圧接させるとともに、下側黒体板２６ｂを金属層１４の表面に圧接させた状態で、積層体１５を積層方向に加圧する。このように積層体１５を積層方向に加圧した状態で接合炉の内部を真空引きし、所定の真空度になったときに、第１、第２ハロゲンヒータ２７、２９による加熱を開始する。

すなわち、第１ハロゲンヒータ２７により、黒体板２６ａ、２６ｂをその側方から積層体１５とともに加熱し、この熱を、黒体板２６ａ、２６ｂ、回路層１３および金属層１４の各内部を伝導させて、セラミックス板１２と回路層１３との間に配置された前記ろう材箔、およびセラミックス板１２と金属層１４との間に配置された前記ろう材箔にそれぞれ至らせる。

これと同時に、支持板２２の上方に設けられた第２ハロゲンヒータ２９により、支持板２２の貫通孔２８および上側加圧板２１ａの貫通孔２８をこの順に通して、上側黒体板２６ａをその上方から加熱し、この熱を、この上側黒体板２６ａおよび回路層１３の各内部をこの順に伝導させて、回路層１３とセラミックス板１２との間に配置された前記ろう材箔に至らせる。また、下側加圧板２１ｂの下方に設けられた第２ハロゲンヒータ２９により、下側加圧板２１ｂの貫通孔２８を通して、下側黒体板２６ｂをその下方から加熱し、この熱を、この下側黒体板２６ｂおよび金属層１４の各内部をこの順に伝導させて、金属層１４とセラミックス板１２との間に配置された前記ろう材箔に至らせる。

以上より、第１、第２ハロゲンヒータ２７、２９双方からの熱を、前記ろう材箔にそれぞれ伝導させて、これらのろう材箔を溶融することにより、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（接合工程）。

ここで、前述した製造方法の具体的な実施例について説明する。
まず、材質については、回路層１３および金属層１４を純度が９９．５％のＡｌ合金、回路層１３および金属層１４とセラミックス板１２とを接合するろう材をＡｌ−Ｓｉ系（Ａｌが９２．５ｗｔ％、Ｓｉが７．５ｗｔ％）、セラミックス板１２をＡｌＮによりそれぞれ形成した。厚さについては、回路層１３および金属層１４をそれぞれ約０．６ｍｍ、ろう材箔を約３０μｍ、セラミックス板１２を約０．６３５ｍｍとした。なお、回路層１３、金属層１４およびろう材箔は平面視四角形とされ、縦および横の寸法はそれぞれ、約３０ｍｍとした。
次に、前記接合炉内は、不活性雰囲気、還元雰囲気、または真空（真空度１×１０^−５Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^−３Ｐａ）以下）にした。また、積層体１５は、積層方向に０．０９８ＭＰａ〜０．２９４ＭＰａで加圧した。さらに、第１、第２ハロゲンヒータ２７、２９（それぞれ１０００Ｗ〜１００００Ｗ）により前記ろう材箔を５７７℃以上６６０℃以下までに約３分間で加熱して溶融させ、セラミックス板１２と回路層１３および金属層１４とをろう付けした。

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、接合工程時に、接合炉内全体を加熱するのではなく、黒体板２６ａ、２６ｂをその側方から第１ハロゲンヒータ２７、２７で加熱し、この熱を、黒体板２６ａ、２６ｂ、回路層１３および金属層１４の各内部を伝導させることにより、ろう材箔を溶融させるので、ろう材箔をその全域にわたって均等な温度に加熱することが可能になるとともに、加熱開始後ろう付けが完了するまでの時間を短縮することができる。

すなわち、接合工程時に、近赤外線の吸収率が約１００％と非常に高い黒体板２６ａ、２６ｂを第１ハロゲンヒータ２７、２７で加熱するので、この第１ハロゲンヒータ２７、２７が発する近赤外線を黒体板２６ａ、２６ｂに高効率に吸収させることが可能になり、この黒体板２６ａ、２６ｂを、第１ハロゲンヒータ２７、２７と対向している側面側、および沿面方向における内側の別を問わず、その全域にわたって加熱開始後即座に高温に加熱することができる。

したがって、この黒体板２６ａ、２６ｂと圧接している回路層１３および金属層１４も、その全域にわたって加熱開始後即座に高温に加熱されることになり、加熱を開始した直後であっても各ろう材箔をその全域にわたって均等な温度に加熱することが可能になるとともに、加熱開始後ろう付けが完了するまでの時間を短縮することができる。これにより、例えばロット間で接合強度を安定させることが可能になる等、パワーモジュール用基板１１の接合品質を向上させることができるとともに、製造効率を向上させることができる。また、接合工程時に、接合炉内全体を加熱するのではなく、黒体板２６ａ、２６ｂを加熱するので、接合工程時の使用電力量を低減することも可能になり、製造コストを下げることができる。

さらに、本実施形態では、接合工程時に、黒体板２６ａ、２６ｂをその側方から第１ハロゲンヒータ２７、２７で加熱するのみならず、上側黒体板２６ａではその上方から、下側黒体板２６ｂではその下方からそれぞれ、第２ハロゲンヒータ２９で加熱するので、前記の作用効果をより一層確実に奏効させることが可能になる。

また、本実施形態によるパワーモジュール用基板の製造装置２０によれば、前述したように、接合工程時に、接合炉内全体を加熱するのではなく、接合炉内に設けられた第１、第２ハロゲンヒータ２７、２９でろう材箔を加熱するため、接合炉にその内部空間を加熱するための加熱手段を設けなくてもよいので、この装置２０の小型化および低コスト化を図ることができる。

さらに、前述のように接合炉に加熱手段を設けなくてもよいことから、例えば真空度などといった接合炉内の接合環境を高精度かつ短時間に設定することが可能になり、パワーモジュール用基板１１の接合品質および製造効率をより一層向上させることができる。
また、本実施形態では、加圧板２１ａ、２１ｂおよび支持板２２がそれぞれ前記ハニカム構造体とされているので、これら２１ａ、２１ｂ、２２の平面度を長期にわたって維持することが可能になり、その長寿命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を有しないパワーモジュール用基板においても適用可能である。
また、前記実施形態では、支持板２２と上側加圧板２１ａとの間にコイルスプリング２５を設けたが、これに代えて、例えば皿ばねを設けてもよい。
さらに、積層体１５を積層方向に加圧する構成は、前記実施形態に限らず、例えばコイルスプリング２５または皿ばねを介さずに、直接、加圧板を上下動させて積層体１５を加圧するようにしてもよい。

ろう材箔をその全域にわたって均等な温度に加熱することが可能になるとともに、加熱開始後ろう付けが完了するまでの時間を短縮することができ、しかも装置の小型化および低コスト化を図ることができる。

この発明の一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に示す加圧板、および支持板の一部を示す平面図である。

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
１５ 積層体
２１ａ、２１ｂ 加圧板
２６ａ、２６ｂ 黒体板
２７ 第１ハロゲンヒータ
２８ 貫通孔
２９ 第２ハロゲンヒータ

Claims (5)

1. 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、
   前記接合工程は、一対の加圧板によって、前記積層体における回路層の表面に黒体板を圧接させつつ前記積層体を積層方向に加圧した状態で、前記黒体板をその側方から第１ハロゲンヒータで加熱し、この熱を、黒体板および回路層の各内部を伝導させることにより前記ろう材箔を溶融し、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ことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
   
2. 請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法であって、
   前記加圧板は、前記積層体を回路層の表面側から積層方向に加圧するように設けられ、この加圧板において前記回路層と対応する部分に、複数の貫通孔が形成されており、
   前記接合工程は、前記黒体板をその側方から第１ハロゲンヒータで加熱する際、前記貫通孔を通して前記黒体板をその表面側から第２ハロゲンヒータで加熱し、この熱を、前記黒体板および回路層の各内部をこの順に伝導させることにより、前記ろう材箔を溶融し前記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。
   
3. セラミックス板の表面にろう材箔を介して回路層が載置された積層体を、その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パワーモジュール用基板の製造装置であって、
   前記積層体を積層方向に加圧する加圧板と、
   この加圧板による積層体の加圧時に前記回路層の表面に圧接する黒体板と、
   前記回路層の表面に圧接した黒体板をその側方から加熱する第１ハロゲンヒータと、
   これらの加圧板、黒体板および第１ハロゲンヒータが内部に設けられた接合炉と、を備えることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造装置。
4. 請求項３記載のパワーモジュール用基板の製造装置であって、
   前記加圧板は、前記積層体を回路層の表面側から積層方向に加圧するように設けられ、この加圧板において前記回路層と対応する部分に、複数の貫通孔が形成され、
   これらの貫通孔を通して前記黒体板をその表面側から加熱する第２ハロゲンヒータが設けら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装置。
5. 請求項４記載のパワーモジュール用基板の製造装置であって、
   前記加圧板は、前記貫通孔がこの加圧板の平面視で正六角形とされたハニカム構造体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装置。

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