JP4905019B2

JP4905019B2 - パワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板並びにパワーモジュール

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Publication number: JP4905019B2
Application number: JP2006259026A
Authority: JP
Inventors: 雅博柳田; 義幸長友
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2026-09-25
Also published as: JP2008078566A

Description

この発明は、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及びパワーモジュール用基板並びにパワーモジュール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、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層の表面にはんだ接合された半導体チップとを備えている。このうちパワーモジュール用基板の製造方法としては、セラミックス母材の表面にレーザ光を照射して溝状のスクライブラインを形成するレーザ加工工程と、セラミックス母材の表面に回路層をろう付けするろう付け工程と、回路層がろう付けされたセラミックス母材を、前記スクライブラインに沿って分割する分割工程と、を有する方法が知られている。

ここで、ろう付け工程においては、例えば特許文献１及び特許文献２に示されるように、セラミックス母材の表面にろう材と回路層とを配置して積層体を形成し、加圧板によって前記積層体を積層方向に加圧した状態で、真空加熱炉内に装入してろう材を溶融させている。
特開２００４−２８８８２９号公報特開２００５−７２０３６号公報

ところで、前記従来のパワーモジュール用基板の製造方法では、セラミックス母材の表面にろう材と回路層とを配置して積層体を形成し、この積層体を加圧板によって積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入しているので、加熱炉内の熱が積層体の外周縁部から伝わって外周縁部のろう材から溶解し始め、その後、徐々に熱が内方に向けて伝導していき、ろう材の溶解が進行する。

これにより、ろう材を完全に溶融してろう付けするために、積層体を長時間にわたって真空加熱炉内に滞留させておく必要があった。また、長時間にわたって高温で維持されるので、セラミックス母材や回路層に含まれる元素が拡散し易くなり、パワーモジュール用基板の厚さ方向にこれらの元素の濃度勾配が形成されてしまう。
さらに、ろう材の外周縁部と内方部分とで温度差が生じてしまい、ろう材の溶融状態がばらついて、均一にろう付けできなくなるおそれがあった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、セラミックス母材と回路層とを、短時間で確実にろう付けすることができるパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板並びにパワーモジュール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、後の工程で除去される非製品部を備えたセラミックス母材の表面に回路層をろう付けするろう付け工程を有するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記ろう付け工程においては、前記セラミックス母材とろう材と前記回路層とが積層された積層体を、内部に導電部材が配設された加圧板により前記回路層の表面から積層方向に加圧し、前記加圧板の前記回路層との接触面に設けられるとともに前記導電部材と通電可能とされた複数の接点部を、前記回路層の前記非製品部の表面に位置する部分に当接させ、前記導電部材及び前記接点部を介して前記回路層に通電することにより、前記回路層自体を発熱させてろう付けすることを特徴としている。

この構成のパワーモジュール用基板の製造方法では、セラミックス母材とろう材と回路層とが積層された積層体を加圧板によって積層方向に加圧した状態で、回路層に通電して回路層自体を発熱させる、いわゆる抵抗加熱によってろう材を溶融させているので、ろう材近傍のみを局所的に加熱することになり、ろう付けを短時間で行うことができる。これにより、セラミックス母材や回路層に含まれる元素の拡散が抑制される。
さらに、複数の接点部が回路層に当接されているので、ろう材の外周縁部と内方部分とで温度差が生じにくく、ろう付けを均一に行うことができる。

また、内部に導電部材が配設されるとともに回路層との接触面に前記導電部材と通電可能な複数の接点部が設けられた加圧板によって積層体が積層方向に加圧され、前記回路層に前記接点部が当接されているので、接点部と回路層との接触安定性が向上し、回路層に確実に通電することができる。

なお、接点部と回路層との当接部分においては、接触抵抗が作用することで最も温度が上昇するため、この部分の回路層及びセラミックス母材の熱劣化が懸念されるが、本発明においては、接点部が、セラミックス母材のうち後の工程で除去される非製品部の表面に位置する回路層に当接されているので、最も温度が上昇して熱劣化し易い部分が、後の工程で除去されることになり、パワーモジュール用基板の品質向上を図ることができる。

ここで、前記回路層と前記加圧板の前記接点部が形成されていない部分との間に、クッション材を配設してもよい。
この場合、セラミックス母材、回路層及び加圧板に、反り、うねり、局所的な厚さムラ、表面の凹凸等が生じていても、加圧した際にクッション材に沿って圧力が均等になり、複数の接点部を回路層に確実に当接させて通電することができ、ろう付けを均一に行うことができる。

さらに、前記加圧板をカーボンによって構成し、前記導電部材を絶縁体によって被覆された状態で前記加圧板内に配設するとともに、前記接触面の前記接点部以外の部分に絶縁膜を形成してもよい。
この場合、加圧板がカーボンで構成されているので、高温でも劣化しにくく熱伝導性に優れており、ろう付けをさらに均一に行うことができる。また、雰囲気中の酸素濃度が低減され、パワーモジュール用基板の劣化を確実に防止できる。

また、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、この回路層の表面に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュール用基板であって、前述のパワーモジュール用基板の製造方法により形成されたことを特徴とする。

さらに、本発明のパワーモジュールは、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層の表面にはんだ接合された半導体チップとを備えたパワーモジュールであって、前記パワーモジュール用基板は、前述のパワーモジュール用基板の製造方法により形成されたことを特徴とする。

本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板並びにパワーモジュールによれば、セラミックス母材と回路層とを、短時間で確実にろう付けすることができる。

以下に本発明の実施の形態について添付した図面を参照して説明する。図１に本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法により成形されたパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、セラミックス板２の表面に回路層３がろう付けされたパワーモジュール用基板５と、回路層３の表面にはんだ層６を介してはんだ接合された半導体チップ７とを備えている。

本実施形態においては、パワーモジュール用基板５には、回路層３と同じ材質からなる金属層４が、セラミックス板２の裏面にろう付けされている。さらに、パワーモジュール１には、冷却器８が、前記金属層４の裏面にろう付けや拡散接合により接合されている。
なお、セラミックス板２は、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４若しくはＳｉＣ等で形成されている。回路層３及び金属層４はそれぞれ、例えば純Ａｌ若しくはＡｌ合金で形成されている。冷却器８は、純Ａｌ、純Ｃｕ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金で形成されている。また、はんだ層６は、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系若しくはＺｎ−Ａｌ系のはんだ材とされている。さらに、セラミックス板２と回路層３及び金属層４とは、厚さが例えば１０μｍ〜３０μｍのＡｌ系のろう材箔１５を用いてろう付けされている。

ここで、本実施形態では、回路層３及び金属層４はそれぞれ、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる板材の打ち抜き、あるいは鋳造により形成されており、回路層３及び金属層４のそれぞれの外表面のうち、セラミックス板２の表裏面から立ち上がる側面はそれぞれ、セラミックス板２の表裏面に対して略垂直に延在している。
さらに、セラミックス板２は、セラミックス母材１０を分割することにより形成されている。

次に、本実施形態であるパワーモジュール用基板５の製造方法について説明する。
まず、セラミックス母材１０の表面にレーザ光を照射して、図４に示すように溝状のスクライブライン１１を格子状に形成する。このセラミックス母材１０をスクライブライン１１に沿って分割することでセラミックス板２が形成される。ここで、セラミックス母材１０には、図４に示すように、セラミックス板２を形成する製品部１２と、後の工程で除去される非製品部１３とを備えている。

このセラミックス母材１０の表面に、Ａｌ系のろう材箔１５と回路層３とをこの順に配置するとともに、セラミックス母材１０の裏面に、Ａｌ系のろう材箔１５と金属層４とをこの順に配置して、積層体１８を構成する。
この積層体１８の両面、すなわち、回路層３の表面及び金属層４の表面に接するように、それぞれ加圧板２０、２０が配置される。

加圧板２０は、カーボンで構成されており、回路層３の表面及び金属層４の表面に接する面（接触面２０Ａ）には、絶縁性及びクッション性を備えたシート材２１が配設されている。
また、加圧板２０の内部には、図２及び図３に示すように、例えばゴムなどの絶縁性被膜２２Ａが設けられた導線２２が配線されており、その一端が加圧板２０の端面に露出されている。また、加圧板２０の前記接触面２０Ａには、前記導線２２と通電可能に接続される接点部２３が前記接触面２０Ａからわずかに突出するように設けられている。なお、本実施形態においては、複数の接点部２３が設けられており、これらの接点部２３には前記シート材２１が配設されていない。

このように配置された一対の加圧板２０、２０によって前記積層体１８をその積層方向に加圧する。これにより、前記接点部２３が回路層３の表面及び金属層４の表面に当接されることになる。ここで、図４に示すように、接点部２３は、セラミックス母材１０の非製品部１３の表面及び裏面に位置する回路層３及び金属層４に当接される。なお、本実施形態においては、複数の接点部２３が千鳥状に配置されている。

このような加圧状態において、積層体１８を真空チャンバ（図示なし）内に装入し、真空雰囲気中で導線２２に電源Ｐを接続して通電する。すると、電流が導線２２及び接点部２３を介して純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる回路層３及び金属層４に流れ、ジュール熱が発生する。このジュール熱によってろう材箔１５を溶融し、回路層３とセラミックス母材１０及び金属層４とセラミックス母材１０とをろう付けする。

そして、回路層３及び金属層４がろう付けされたセラミックス母材１０を、前記スクライブライン１１に沿って分割することにより、概略矩形平板状をなすパワーモジュール用基板５が成形される。

本実施形態であるパワーモジュール用基板５の製造方法によれば、セラミックス母材１０とろう材箔１５と回路層３及び金属層４とを積層した積層体１８を加圧板２０によって積層方向に加圧し、加圧板２０の接触面２０Ａから突出するように設けられた接点部２３を回路層３及び金属層４に当接させ、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる回路層３及び金属層４に通電して、ジュール熱によってろう材箔１５を溶融してろう付けしているので、ろう材箔１５が配置された部分のみを局所的に加熱することができ、ろう付けを短時間で行うことができる。これにより、セラミックス母材１０や回路層３に含まれる元素の拡散を抑制することができ、パワーモジュール用基板５の品質向上を図ることができる。

また、本実施形態においては、図４に示すように、複数の接点部２３が千鳥状に配置されているので、回路層３及び金属層４を均一に加熱することができ、積層体１８の外周縁部と内方部分とで温度差が生じることがなくなり、回路層３及び金属層４のろう付けを均一に行うことができる。

また、内部に導線２２が配線されるとともにこの導線２２と通電可能な複数の接点部２３が接触面２０Ａから突出するように設けられた加圧板２０によって積層体１８を積層方向に加圧して、回路層３及び金属層４の表面に接点部２３を当接しているので、接点部２３と回路層３及び金属層４との接触安定性が向上して回路層３及び金属層４に複数の接点部２３を確実に当接させて通電することができる。これにより、回路層３及び金属層４のろう付けをさらに均一に行うことができる。

さらに、本実施形態では、セラミックス母材１０の非製品部１３に位置する回路層３及び金属層４に接点部２３が当接されているので、接触抵抗等により最も温度上昇する接点部２３が後の工程で除去され、パワーモジュール用基板５のさらなる品質向上を図ることができる。

また、加圧板２０と回路層３及び金属層４との間に、クッション性を備えたシート材２１が配置されているので、セラミックス母材１０、回路層３、金属層４及び加圧板２０に、反り、うねり、局所的な厚さムラ、表面の凹凸等が生じていても、クッション性を有するシート材２１に沿って圧力が均等になり、複数の接点部２３を回路層３及び金属層４に確実に当接させて通電することができる。

また、加圧板２０がカーボンによって構成されているので、高温でも劣化しにくく、かつ、熱伝導性に優れており、ろう付けをさらに均一に行うことができる。また、雰囲気中の酸素濃度が低減されるので、このパワーモジュール用基板５の劣化を確実に防止できる。ここで、加圧板２０の内部に配線された導線２２に絶縁性被膜２２Ａが設けられているとともに、加圧板２０の接触面２０Ａに絶縁性を備えたシート材２１が配置されているので、導線２２に通電した際に加圧板２０自体に電流が流れることがない。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、パワーモジュール用基板として金属層を備えたものとして説明したが、この金属層を設けないものであってもよい。さらに、パワーモジュールとして冷却器を備えたものとして説明したが、この冷却器を設けないものであってもよい。

また、セラミックス母材、回路層及び金属層、ろう材の材質は、本実施形態に限定されることはなく、他の材質で構成されていてもよい。
さらに、加圧板をカーボンで構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、絶縁性のセラミックスで構成してもよい。この場合、加圧板に電流が流れることがなくなるので、導線に絶縁性被膜を設けたり、絶縁性のシート材を配置したりする必要がなく、構成が簡単となる。

また、一つの積層体を加圧してろう付けするものとして説明したが、これに限定されることはなく、複数の積層体と加圧板とを積層するように配置して、加圧及び通電してろう付けしてもよい。
さらに、絶縁性及びクッション性を備えたシート材を配置したものとして説明したが、シート材は配置されていなくてもよい。

本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法により成形されたパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す側面図である。本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す正面図である。本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す側面断面図である。セラミックス母材上での接点部の配置を示す配置図である。

符号の説明

１パワーモジュール
３回路層
５パワーモジュール用基板
７半導体チップ
１０セラミックス母材
１１スクライブライン
１３非製品部
１５ろう材箔（ろう材）
１８積層体
２０加圧板
２０Ａ接触面
２１シート材（クッション材、絶縁膜）
２２導線（導電部材）
２２Ａ絶縁性被膜
２３接点部

Claims

後の工程で除去される非製品部を備えたセラミックス母材の表面に回路層をろう付けするろう付け工程を有するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記ろう付け工程においては、
前記セラミックス母材とろう材と前記回路層とが積層された積層体を、内部に導電部材が配設された加圧板により前記回路層の表面から積層方向に加圧し、
前記加圧板の前記回路層との接触面に設けられるとともに前記導電部材と通電可能とされた複数の接点部を、前記回路層の前記非製品部の表面に位置する部分に当接させ、
前記導電部材及び前記接点部を介して前記回路層に通電することにより、前記回路層自体を発熱させてろう付け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に記載のパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層と前記加圧板の前記接点部が形成されていない部分との間に、クッション材が配置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または請求項２に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、カーボンによって構成され、前記導電部材は絶縁体によって被覆された状態で前記加圧板内に配設されるとともに、前記接触面の前記接点部以外の部分には、絶縁膜が形成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。
セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、この回路層の表面に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュール用基板であって、
請求項１から請求項３のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の製造方法により形成されたことを特徴とするパワーモジュール用基板。
セラミックス板の表面に回路層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層の表面にはんだ接合された半導体チップとを備えたパワーモジュールであって、
前記パワーモジュール用基板は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の製造方法により形成されたことを特徴とするパワーモジュール。