JP5077102B2

JP5077102B2 - パワーモジュール用基板及びその製造方法

Info

Publication number: JP5077102B2
Application number: JP2008170447A
Authority: JP
Inventors: 慎介青木; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP2010010561A

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及びその製造方法に関する。

一般に、半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、このパワーモジュール用基板としては、例えば特許文献１に示されるように、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等からなるセラミックス基板上にアルミニウム板等の金属板をＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を介して接合させたものが用いられている。この金属板は、後工程のエッチング処理によって所望パターンの回路が形成されて回路層となる。そして、エッチング後は、この回路層の表面にはんだ材を介して電子部品（半導体チップ等のパワー素子）が搭載され、パワーモジュールとなるのである。
また、特許文献２には、予め金属板にろう材の層を形成しておき、これをプレス加工で所定の回路パターンに打ち抜き成形してセラミックス基板上にろう付け接合する技術が開示されている。
特開２００４−３５６５０２号公報特開２００５−２１３１０７号公報

ところで、特許文献１記載の技術のように、エッチング処理によって回路層を形成するのでは、レジスト層の印刷工程を伴うため、コスト増となり易い。これに対して、特許文献２に記載のように、金属板を打ち抜き成形して回路パターンを形成することにより、コスト低減を図ることができる。この打ち抜き成形によって回路パターンを形成する場合は、金属板とろう材の層とが同一の形状に成形される。
一方、ろう付け作業は、ろう材の層を形成した金属板をセラミックス基板に積層し、その積層体をカーボン等の当て板を介して複数組重ね合わせた状態として、これらを加圧、加熱することにより行われる。このとき、当て板がいわゆる片当たり状態となるなど、ろう付け条件が不均一になると、回路層の周縁部において、溶融したろう材が回路層の側面を伝って表面まで回り込む現象が生じ、回路層の表面に接続される電子部品のボンディングワイヤの接着性を損なうという問題が生じる。この場合、使用するろう材を少なくすると、セラミックス基板と回路層との間の接合部のろう材が不足し、特に周縁部において、接合性低下の原因となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、回路パターンを金属板の打ち抜き成形により形成してコスト低下を図るとともに、ろう材の回り込みを規制して、セラミックス基板と金属板との接合性を維持しつつワイヤボンディングの信頼性を向上させることを目的とする。

金属板にろう材層を形成して、回路パターンに打ち抜き成形する場合、ろう材の層の平面上の面積は金属板の回路パターンの面積と同一となる。このろう材の量を加減する場合は、層の厚さもしくは単位面積当たりの重量を調整するのが一般的である。
しかしながら、平面上の面積は同じでも、回路パターンの形状の相違によって、その外形線の長さは異なってくる。ろう材が金属板の表面まで回り込む現象は、この外形線によって形成される金属板の側面を溶融したろう材が這い上がることにより生じる。すなわち、この外形線によって形成される面、つまり金属板の側面の面積が小さいほど金属板の表面にろう材が回り込み易く、逆に大きいほど回り込み難くなる。このような知見の下、本発明者は以下の解決手段を採用した。

本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の表面にろう材層を介在させて金属板を積層し、これらを加熱することにより前記ろう材層を溶融して前記セラミックス基板の表面に前記金属板がろう付け接合されてなるパワーモジュール用基板において、
前記ろう材層を形成した前記金属板を前記セラミックス基板に重ね合わせた積層ユニットを複数組製作し、二枚のカーボン板の間にグラファイト板を挟んだクッションシートを介して前記積層ユニットを積み重ね、これら積層ユニット及び前記クッションシートの積層体を加圧して加熱することにより製造されたものであり、前記金属板の側面に、該金属板と前記セラミックス基板との接合面から前記金属板の板厚の１／８〜１／６の範囲でろう材が露出していることを特徴とする。

すなわち、金属板の側面における接合面からの距離、言い換えればろう材の這い上がり高さを規制した。その這い上がり高さを金属板の板厚の１／８〜１／６の範囲としたのは、金属板の板厚の１／８未満の場合は、ろう付け部の周縁部の一部に欠落が生じるおそれがあるからであり、金属板の板厚の１／６を超えると、ろう材が金属板の表面に局部的に回り込むおそれがあるからである。
この場合、ろう付け時において、クッションシートのクッション性により、セラミックス基板及び金属板が片当たりすることなく、面方向に均一に加圧され、したがって、その間の溶融ろう材が金属板の周縁からほぼ均等にはみ出してくるのである。

本発明のパワーモジュール用絶縁基板の製造方法は、請求項１記載のパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記金属板は平板から打ち抜き成形されることにより形成され、前記ろう材層は、前記平板の片面に予め形成され、前記金属板の打ち抜き成形により同時に成形されたものであり、前記ろう材層を形成した前記金属板を前記セラミックス基板に重ね合わせた積層ユニットを複数組製作し、二枚のカーボン板の間にグラファイト板を挟んだクッションシートを介して前記積層ユニットを積み重ね、これら積層ユニット及び前記クッションシートの積層体を加圧して加熱することを特徴とする。
ろう材層と金属板とを回路パターンに同時に成形することができ、生産性がよい。そして、このろう材層は、打ち抜き成形された金属板の側面積に対して上記比率の体積とされることにより、金属板と同一の平面形状に形成されても、金属板表面への回り込みや接合部での欠落の問題が生じない。

本発明によれば、金属板の側面に露出したろう材の範囲を規制したことにより、回路パターンの形状に応じて適切にろう材の量を設定することができ、したがって、どのような回路パターンであっても、金属板表面へのろう材の回り込みや接合部でのろう材の欠落を確実に防止することができ、セラミックス基板と金属板との接合性を維持しつつワイヤボンディングの信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
最初に、本発明に係るパワーモジュール用絶縁基板が用いられるパワーモジュールについて図１により説明しておくと、このパワーモジュール１は、セラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、該パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４と、パワーモジュール用基板３の裏面に接合される冷却器５とから構成されている。

パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の表面側に電子部品４を搭載するための回路層用金属板６が積層され、セラミックス基板２の裏面側に放熱層用金属板７が積層され、この放熱層用金属板７に冷却器５が取り付けられる構成である。
また、セラミックス基板２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、若しくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを母材として形成されている。回路層用金属板６は、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、放熱層用金属板７は、純度９９．０ｗｔ％以上の純アルミニウムにより形成されている。

また、これらセラミックス基板２、回路層用金属板６、放熱層用金属板７の相互間はろう付けによって接合されており、これら両金属板６，７のうち、放熱層用金属板７はセラミックス基板２より若干小さい矩形状に形成されるが、回路層用金属板６は、所望の回路パターンに形成されている。また、この回路層用金属板６は、その表面に、ニッケルめっき等のめっき被膜（図示略）が形成される。

そして、回路層用金属板６の上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によって電子部品４が接合される。図中符号８がそのはんだ接合層を示す。なお、電子部品４と回路層用金属板６の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。
一方、冷却器５は、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、その長さ方向に沿って冷却水を流通させるための多数の流路９が形成されており、パワーモジュール用基板３との間はろう付け、はんだ付け、ボルト等によって接合される。

次に、このように構成されるパワーモジュール１を製造する方法について説明する。
まず、セラミックス基板２の製作に際して、これを複数個形成し得る広い面積のセラミックス平板１１を製作しておく（図３参照）。
一方、回路層用金属板６及び放熱層用金属板７は、セラミックス基板２と同様に、複数個形成し得る広い面積の金属平板１２をそれぞれ用意し、これを打ち抜いて回路層用金属板６及び放熱層用金属板７として製作される（図３には回路層用金属板６のみ示す）。このとき、金属平板１２の片面に予めろう材箔１３を貼付しておく。

このろう材箔１３は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等が用いられ、金属平板１２の片面に樹脂コーティング層を介して貼付される。この樹脂コーティング層の有機物樹脂としてはオクタンジオールが用いられる。このオクタンジオールは、可塑剤等として用いられているもので、常温で液体（融点−４０℃以下）であるので、コーティングし易く、また、沸点も２４４℃であり、その後のろう付け温度（例えば６４０℃）で完全に脱脂される。
これら金属平板１２とろう材箔１３とは、例えばロール状のものを繰り出し、金属平板１２に有機物樹脂をコーティングしながらろう材箔１３を重ね合わせる方法により製作される。また、使用されるろう材箔１３の厚さとしては、打ち抜かれる金属板１２の側面積に対してろう材層１３ａの体積が０．２０〜０．２２倍となるように、金属板６，７の平面積に応じて設定される。

そして、このろう材箔１３を貼付した各金属平板１２から回路層用金属板６及び放熱層用金属板７の外形にそれぞれ打ち抜き成形し、これら回路層用金属板６及び放熱層用金属板７のろう材層側をセラミックス平板１１の両面にそれぞれ重ね合わせる。この場合、いわゆるプッシュバック法により、金属平板１２から打ち抜いた回路層用金属板６及び放熱層用金属板７を再度金属平板１２の打ち抜き穴内に押し戻して、これら回路層用金属板６及び放熱層用金属板７を各金属平板１２の打ち抜き穴の中に保持させた状態としておき、これらをセラミックス平板１１の両面に配置した状態で、各金属平板１２から回路層用金属板６及び放熱層用金属板７を押し出してセラミックス平板１１に重ね合わせる方法とすることもできる。

このようにしてセラミックス平板１１の両面に回路層用金属板６及び放熱層用金属板７を重ね合わせた積層ユニット１４を複数組製作し、これらを図４に示すように、クッションシート１５を介して積み重ねた状態とする。クッションシート１５としては、耐熱性を有するカーボン板又はグラファイト板、あるいはこれらの積層板を用いることができる。図４に示す例では、クッションシート１５として二枚のカーボン板１５ａの間にグラファイト板１５ｂを挟んだ構成とされている。そして、これら積層ユニット１４及びクッションシート１５の積層体を加圧装置２１を使用して加圧状態としてろう付けする。

この加圧装置２１は、積層体が載置されるベース２２と、このベース２２上に垂直に固定したガイドポスト２３によってベース２２と平行に配置される加圧板２４と、ガイドポスト２３の上端に固定された固定板２５と、該固定板２５と加圧板２４との間に配置されたばね等の付勢手段２６とを備えた構成とされている。そして、ベース２２の上に積層体を載置し、加圧板２４によって矢印で示すように所定の加圧力を付与した状態とし、この加圧装置２１ごと、加熱炉（図示略）内に配置して加熱することにより、ろう材を溶融させてろう付けする。

このろう付け工程においては、クッションシート１５のクッション性により、セラミックス平板１１及び両金属板６，７が片当たりすることなく、面方向に均一に加圧され、したがって、その間の溶融ろう材が金属板６，７の周縁からほぼ均等にはみ出してくる。
このようにしてセラミックス平板１１に両金属板６，７をろう付けした後、セラミックス平板１１を１個ずつに切断分割すると、セラミックス基板２の両面に回路層用金属板６及び放熱層用金属板７がろう付けにより固着したパワーモジュール用基板３が製作される。

このパワーモジュール用基板３においては、各金属板６，７の側面に、図２に示すようにセラミックス基板２との間からはみ出したろう材が所定の高さ範囲Ｈで露出した状態となっている（図２には金属板６についてのみ示す）。この場合の金属板６，７とセラミックス基板２との接合面からのろう材Ｂの露出範囲Ｈは、前述したろう材層１３ａの体積が金属板６，７の側面積の０．２０〜０．２２倍としたときに、金属板６，７の板厚の１／８〜１／６の範囲とされる。金属板が６０ｍｍ×３０ｍｍで板厚が例えば０．６ｍｍの場合、ろう材Ｂの露出部分の高さ範囲は、接合面から７５〜１００μｍの範囲とされる。この場合、接合面に残るろう材Ｂの厚みは９μｍとされる。

すなわち、このパワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２と金属板６，７との間のろう材が金属板６，７の側面にその周方向にわたってほぼ均等に露出していることにより、これらセラミックス基板２と金属板６，７との間にろう材の欠落がなく、両者の接合面全体に必要かつ十分に行き渡っており、しかも、金属板６，７の板厚の１／８〜１／６の範囲の高さまでの露出範囲とされていることにより、金属板６，７の表面までろう材が回り込むこともない。その後、回路層用金属板６にはめっき被膜が形成され、冷却器５への接合、電子部品４のはんだ付け、ワイヤボンディング等を経て、パワーモジュール１として完成する。
このようにして製造されるパワーモジュール１は、セラミックス基板２と金属板６，７とが強固に接合されるとともに、回路層用金属板６の表面へのろう材の回り込みもないので、電子部品４のボンディングワイヤも強固に固着することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、前記実施形態では、セラミックス基板の両面に金属板をろう付け接合したが、回路層用金属板のみ接合し、反対面にはセラミックス基板に冷却器を直接ろう付けする構成としてもよい。また、樹脂コーティング層の有機物樹脂としてはオクタンジオールが好適であるが、ろう材箔を貼付した状態で仮止めすることができ、ろう付け時の熱によってろう材箔の溶融前に脱脂し得るものであれば、他の樹脂を適用してもよい。

本発明に係るパワーモジュール用基板を用いて製作されるパワーモジュールの全体構成例を示す縦断面図である。図１におけるパワーモジュール用基板のセラミックス基板と金属板との接合部付近の拡大断面図である。パワーモジュール用基板を製造する途中の段階を示す縦断面図である。パワーモジュール用基板の製造に使用される加圧装置の例を示す縦断面図である。

符号の説明

１パワーモジュール
２セラミックス基板
３パワーモジュール用基板
４電子部品
５冷却器
６回路層用金属板
７放熱層用金属板
８はんだ接合層
９流路
１１セラミックス平板
１２金属平板
１３ろう材箔
１３ａろう材層
Ｂろう材

Claims

セラミックス基板の表面にろう材層を介在させて金属板を積層し、これらを加熱することにより前記ろう材層を溶融して前記セラミックス基板の表面に前記金属板がろう付け接合されてなるパワーモジュール用基板において、
前記ろう材層を形成した前記金属板を前記セラミックス基板に重ね合わせた積層ユニットを複数組製作し、二枚のカーボン板の間にグラファイト板を挟んだクッションシートを介して前記積層ユニットを積み重ね、これら積層ユニット及び前記クッションシートの積層体を加圧して加熱することにより製造されたものであり、前記金属板の側面に、該金属板と前記セラミックス基板との接合面から前記金属板の板厚の１／８〜１／６の範囲でろう材が露出していることを特徴とするパワーモジュール用基板。
請求項１記載のパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記金属板は平板から打ち抜き成形されることにより形成され、前記ろう材層は、前記平板の片面に予め形成され、前記金属板の打ち抜き成形により同時に成形されたものであり、前記ろう材層を形成した前記金属板を前記セラミックス基板に重ね合わせた積層ユニットを複数組製作し、二枚のカーボン板の間にグラファイト板を挟んだクッションシートを介して前記積層ユニットを積み重ね、これら積層ユニット及び前記クッションシートの積層体を加圧して加熱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。