JP5181922B2

JP5181922B2 - パワーモジュール用基板の製造装置及びパワーモジュール用基板の製造方法

Info

Publication number: JP5181922B2
Application number: JP2008211717A
Authority: JP
Inventors: 敏之長瀬; 雅博柳田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-08-22
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: JP2009071297A

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を製造するための製造装置及び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用基板として、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配設されたものやセラミックス基板の他方の面にも金属板が配設されたものが広く提案されている。
このようなパワーモジュール用基板は、例えば特許文献１及び特許文献２に示されるように、セラミックス基板の一方の面又は両面にろう材を介して金属板を載置して積層体を形成し、この積層体をその積層方向に加圧した状態で真空炉内で加熱してセラミックス基板と金属板とをろう付けすることにより製造される。

従来は、特許文献１，２に示すように、複数の積層体をクッション性のあるシート材を介して積み重ねて、これらを加圧手段によって積層方向に加圧した状態で真空炉内に装入し、真空炉内全体を加熱してろう材を溶融することで、大量のパワーモジュール用基板を製造している。
特開２００４−２８８８２９号公報特開２００５−７２０３６号公報

ところで、前述のパワーモジュール用基板の製造方法では、大型の真空炉全体を加熱してろう材を溶融しているので、真空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とになる。このため、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炉内に滞留させておく必要があった。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。

また、複数の積層板を積み重ねて加圧して大型の真空炉で処理しているので、装置自体が大型化してしまうとともに、小ロット生産に対応することは困難であった。また、真空炉内に積層体を装入して真空炉内全体を加熱しているので、セラミックス基板もろう材と同様に加熱され、熱負荷が大きくなるといった問題があった。
さらに、長時間にわたって高温で維持されるので、セラミックス基板や金属板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、短時間でセラミックス基板と金属板とを確実にろう付け可能なパワーモジュール用基板の製造装置及び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装置は、セラミックス基板と金属板とを接合してパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造装置であって、前記セラミックス基板の一方の面にろう材箔を介して第１の金属板を載置するとともに、前記セラミックス基板の他方の面にろう材箔を介して第２の金属板を載置して積層した積層体を収容する装置本体と、前記積層体に密着させられる一対の加圧板を備えて前記積層体をその積層方向に加圧する加圧手段と、前記装置本体の内部を真空雰囲気とする排気手段と、前記金属板及び前記ろう材の少なくとも一方を加熱する誘導加熱手段と、を有し、前記誘導加熱手段は、前記一対の加圧板に埋設された一の誘導加熱手段と他の誘導加熱手段を有しており、前記一の誘導加熱手段と前記他の誘導加熱手段によって前記ろう材を溶融し、前記セラミックス基板と前記第１の金属板、前記セラミックス基板と前記第２の金属板を接合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装置によれば、誘導加熱手段によって前記金属板及び前記ろう材の少なくとも一方を局所的に加熱することでろう材を溶融できるので、セラミックス基板への熱負荷が小さくなる。また、加熱する部分が小さいため、均一にろう材を溶融させることができるとともに、加熱及び冷却の時間を短縮できる。また、誘導加熱であるので、誘導加熱手段が積層体から離れた位置にあっても前記金属板及び前記ろう材の少なくとも一方を確実に加熱することができる。
また、積層体が収容される装置本体内部を真空雰囲気とする排気手段を備えているので、真空雰囲気でろう材又は金属板を加熱することでこれらの酸化等を防止することができ、高品質のパワーモジュール用基板を製造することができる。

ここで、前記加圧板に、前記誘導加熱手段を埋設してもよい。
この場合、積層体に密着させられる加圧板に誘導加熱手段を埋設することで、この製造装置の小型化を図ることができる。また、積層体の近傍に誘導加熱手段を配置することが可能となり、効率的に金属板及びろう材の少なくとも一方を加熱することができる。

さらに、前記装置本体を、内部に収容される前記積層体の積層方向に２分割するものとし、この２分割された前記装置本体の内面にそれぞれ前記加圧板を配設してもよい。
この場合、２分割された装置本体の一方に積層体を載置し、その上から装置本体の他方を積み重ねることで、装置本体内部に積層体を収容することができるとともに、装置本体の内面に設けられた加圧板を介して積層体を積層方向に加圧することができる。また、加圧板を装置本体の内面に配設することにより、製造装置の小型化を図ることができる。

また、一対の加圧板にそれぞれ誘導加熱手段を設け、一の誘導加熱手段と他の誘導加熱手段を選択的に用いて金属板及びろう材の少なくとも一方を加熱するようにしてもよい。
例えば、セラミックス基板の一方の面にのみ金属板をろう付けする際には、この金属板に密着させられる加圧板側の誘導加熱手段を用いて金属板及びろう材の少なくとも一方を加熱することができる。このように、製造するセラミックス基板に応じてろう付け条件を適宜設定することができ、小ロット生産に適した製造装置を提供することが可能となる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と金属板とを接合してパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板の一方の面にろう材箔を介して第１の金属板を載置するとともに、前記セラミックス基板の他方の面にろう材箔を介して第２の金属板を載置して積層体を形成し、前記積層体に密着させられる一対の加圧板を介して前記積層体をその積層方向に加圧するとともに、少なくとも前記積層体の周囲を真空状態とし、前記一対の加圧板に埋設された一の誘導加熱手段と他の誘導加熱手段によって前記金属板及び前記ろう材の少なくとも一方を加熱し、前記セラミックス基板と前記第１の金属板、前記セラミックス基板と前記第２の金属板を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によれば、均一にしかも短時間でろう材を溶融させることができ、ろう付け作業を効率的に行うことができる。

本発明に係るパワーモジュール用基板の製造装置及びパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板と金属板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。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２は、図１に示されるように、セラミックス基板３の一方の面に回路層４となる第１の金属板１１がろう付けされ、他方の面に金属層５となる第２の金属板１２がろう付けされている。

セラミックス基板３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４及び金属層５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。本実施形態では、回路層４及び金属層５は互いに同形同大とされている。
このような構成とされたパワーモジュール用基板２には、回路層４の表面に半導体チップ６がはんだ接合されるとともに、金属層５の表面に放熱体７（ヒートシンク）が接合され、図１に示すパワーモジュール１が成形される。

次に、本実施形態であるパワーモジュール用基板２の製造装置２０について説明する。
この製造装置２０は、セラミックス基板３と第１、第２の金属板１１、１２とがろう材箔１４、１５を介して積層された積層体１０を内部に収容する装置本体２１と、装置本体２１内部を真空雰囲気とする排気手段２２と、積層体１０をその積層方向に加圧する加圧手段２３と、誘導加熱コイル２４Ａ、２４Ｂを備えている。

本実施形態では、装置本体２１は、その内部に収容される積層体１０の積層方向に２分割可能な構成とされており、上部本体２１Ａと下部本体２１Ｂとを備えている。上部本体２１Ａ及び下部本体２１Ｂの内面には、それぞれ積層体１０に密着させられる加圧板２５Ａ、２５Ｂが配設されている。なお、本実施形態では、図２に示すように、上部本体２１Ａと加圧板２５Ａ、下部本体２１Ｂと加圧板２５Ｂとがそれぞれ一体に成形されている。
また、この加圧板２５Ａ、２５Ｂの周囲にそれぞれ溝部２６Ａ、２６Ｂが形成され、溝部２６Ａ、２６Ｂの外周側に上部本体２１Ａと下部本体２１Ｂとがシール部材２８を介して互いに当接させられる当接面部２７Ａ、２７Ｂがそれぞれ形成されている。

これら上部本体２１Ａと下部本体２１Ｂとを、内部に収容される積層体１０の積層方向に向けて、互いに近接するように押圧する加圧部材２９が設けられている。加圧板２５Ａ、２５Ｂとこの加圧部材２９とが、加圧手段２３を構成している。
さらに、下部本体２１Ｂに設けられた溝部２６Ｂに連通する排気管３０が配設され、この排気管３０には真空ポンプ３１が接続されている。これら排気管３０及び真空ポンプ３１が排気手段２２を構成している。

そして、上部本体２１Ａ及び下部本体２１Ｂに配設された加圧板２５Ａ、２５Ｂにそれぞれ誘導加熱コイル２４Ａ、２４Ｂが埋設されている。ここで、誘導加熱コイル２４Ａ、２４Ｂが埋設された加圧板２５Ａ、２５Ｂは、第１、第２の金属板１１、１２及びろう材箔１４、１５よりも電気抵抗が極めて高い絶縁体で構成されている。なお、これらの誘導加熱コイル２４Ａ、２４Ｂは、それぞれ独立して通電可能な構成とされている。

以下に、前述した本実施形態であるパワーモジュール用基板２の製造装置２０を用いたパワーモジュール用基板２の製造方法について説明する。
まず、セラミックス基板３の一方の面（図３において上面）にろう材箔１４を介して回路層４を構成する第１の金属板１１を載置するとともに、セラミックス基板３の他方の面（図３において下面）にろう材箔１５を介して金属層５を構成する第２の金属板１２を載置して積層体１０を形成する（積層工程Ｓ１）。
ここで、ろう材箔１４、１５は、厚さ１０〜３０μｍのＡｌ系（例えば、Ａｌ−７ｗｔ％Ｓｉ）のろう材で形成されている。

次に、この積層体１０を下部本体２１Ｂの加圧板２５Ｂと金属層５（第２の金属板１２）の表面とが密着するように載置する。そして、上部本体２１Ａの加圧板２５Ａが回路層４（第１の金属板１１）の表面の上に載置される。ここで、上部本体２１Ａの当接面部２７Ａ及び下部本体２１Ｂの当接面部２７Ｂとの間にシール部材２８が配設される。この状態で、加圧部材２９によって上部本体２１Ａと下部本体２１Ｂとを互いに近接するように加圧する。これにより、装置本体２１の内部に収容された積層体１０は、加圧板２５Ａ、２５Ｂによってその積層方向に加圧される（加圧工程Ｓ２）。

前述のようにして装置本体２１内部に収容された積層体１０の周囲には、上部本体２１Ａ及び下部本体２１Ｂにそれぞれ設けられた溝部２６Ａ、２６Ｂによって空間Ｓが形成されている。この空間Ｓには、排気管３０を通じて真空ポンプ３１が接続されており、この真空ポンプ３１によって装置本体２１内部が真空状態とされる（排気工程Ｓ３）。なお、本実施形態では、装置本体２１内部は、１．３３×１０^−３Ｐａ以下の真空状態とされている。

このように積層体１０を加圧するとともに装置本体２１内部を真空状態とした上で、それぞれの加圧板２５Ａ、２５Ｂに埋設された誘導加熱コイル２４Ａ、２４Ｂに通電する。上部本体２１Ａの加圧板２５Ａに埋設された誘導加熱コイル２４Ａに通電することにより、回路層４（第１の金属板１１）又はろう材箔１４に渦電流が発生し、この渦電流によるジュール熱でろう材箔１４を溶融する。一方、下部本体２１Ｂの加圧板２５Ｂに埋設された誘導加熱コイル２４Ｂに通電することにより、金属層５（第２の金属板１２）又はろう材箔１５に渦電流が発生し、この渦電流によるジュール熱でろう材箔１５を溶融する（誘導加熱工程Ｓ４）。

そして、この積層体１０を冷却してろう材を凝固させ、回路層４（第１の金属板１１）とセラミックス基板３、金属層５（第２の金属板１２）とセラミックス基板３とをそれぞれろう付けする（冷却工程Ｓ５）。
このようにして、パワーモジュール用基板２が製造される。

本実施形態であるパワーモジュール用基板２の製造装置２０及びこれを用いた製造方法によれば、上部本体２１Ａの加圧板２５Ａに埋設された誘導加熱コイル２４Ａに通電することによって、回路層４（第１の金属板１１）及びろう材箔１４に渦電流を発生させて加熱し、ろう材箔１４を溶融することができる。一方、下部本体２１Ｂの加圧板２５Ｂに埋設された誘導加熱コイル２４Ｂに通電することによって、金属層５（第２の金属板１２）及びろう材箔１５に渦電流を発生させて加熱して、ろう材箔１５を溶融することができる。このように、セラミックス基板３を直接加熱することなく、回路層４（第１の金属板１１）、金属層５（第２の金属板１２）をろう付けすることが可能となり、セラミックス基板３への熱負荷を抑えることができる。

また、回路層４（第１の金属板１１）及びろう材箔１４、金属層５（第２の金属板１２）及びろう材箔１５を局所的に加熱することができるので、均一にろう材箔１４、１５を溶融させることができるとともに、ろう材箔１４，１５を溶融するための加熱時間及び溶融したろう材を凝固させるための冷却時間をそれぞれ短縮することができ、パワーモジュール用基板２を効率良く製造することができる。
さらに、誘導加熱コイル２４Ａ、２４Ｂを備えているので、加圧板２５Ａ、２５Ｂを回路層４（第１の金属板１１）及び金属層５（第２の金属板１２）に密着させて積層体１０を積層方向に加圧しても、回路層４（第１の金属板１１）及びろう材箔１４、金属層５（第２の金属板１２）及びろう材箔１５が誘導加熱コイル２４Ａ、２４Ｂに直接接触させることなく加熱することが可能となり、ろう付けを確実に行うことができる。

また、装置本体２１内部に収容された積層体１０の周囲に形成された空間Ｓに連通する排気管３０とこの排気管３０に接続された真空ポンプ３１とからなる排気手段２２を備えているので、真空雰囲気でろう材箔１４，１５を溶融することが可能となり、高品質のパワーモジュール用基板２を製造することができる。

さらに、本実施形態では、装置本体２１が上部本体２１Ａと下部本体２１Ｂとからなり、これら上部本体２１Ａ及び下部本体２１Ｂの内面にそれぞれ加圧板２５Ａ、２５Ｂが配設されているので、下部本体２１Ｂに積層体１０を載置するとともに積層体１０の上に上部本体２１Ａを載置し、加圧部材２９によって上部本体２１Ａと下部本体２１Ｂとを互いに近接させることで、装置本体２１内に積層体１０を収容するとともに加圧板２５Ａ、２５Ｂによって積層体１０をその積層方向に加圧することができる。

また、本実施形態では、積層体１０の回路層４（第１の金属板１１）、金属層５（第２の金属板１２）に密着させられる加圧板２５Ａ、２５Ｂに誘導加熱コイル２４Ａ、２４Ｂが埋設されているので、積層体１０の近傍に誘導加熱コイル２４Ａ、２４Ｂを配置することができ、効率的に回路層４（第１の金属板１１）、金属層５（第２の金属板１２）及びろう材箔１４、１５を加熱することができる。さらに、この製造装置２０の小型化を図ることができる。

また、上部本体２１Ａの加圧板２５Ａに埋設された誘導加熱コイル２４Ａと下部本体２１Ｂの加圧板２５Ｂに埋設された誘導加熱コイル２４Ｂとが、それぞれ独立に通電可能な構成とされているので、例えば、回路層４（第１の金属板１１）のみをセラミックス基板３にろう付けする場合にも、この製造装置２０を用いることができる。また、局所的に加熱することができるので、セラミックス基板３の一方の面に回路層４（第１の金属板１１）をろう付けした状態で、セラミックス基板３の他方の面に金属層５（第２の金属板１２）をろう付けすることも可能となる。さらに、回路層４（第１の金属板１１）のろう付け条件と金属層５（第２の金属板１２）のろう付け条件をそれぞれ個別に設定することもできる。このように、製造するパワーモジュール用基板２に応じてろう付け条件を適宜設定することができる。

特に、本実施形態では、セラミックス基板３にそれぞれ回路層４（第１の金属板１１）、金属層５（第２の金属板１２）をろう材箔１４、１５を介して積層させた積層体１０を１つのみ装置本体２１内に収容してろう付けしているので、パワーモジュール用基板２の小ロット生産に対応することができる。
また、本実施形態では、加圧板２５Ａ、２５Ｂがそれぞれ上部本体２１Ａ、下部本体２１Ｂに一体に成形されているので、この製造装置２０の一層の小型化を図ることが可能となる。

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。
セラミックス基板、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。

また、誘導加熱コイルを上部本体及び下部本体に埋設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、上部本体及び下部本体の外側に誘導加熱コイルを別途設けてもよい。
さらに、装置本体を上部本体と下部本体に２分割され、その内面に加圧板が一体に成形された構成として説明したが、これに限定されることはなく、装置本体の内部に加圧手段が別途設けられていてもよい。
また、一対の誘導加熱コイルを備えたものとして説明したが、どちらか一方の誘導加熱コイルを備えたものであってもよい。

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装置で製造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説明図である。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装置を示す説明図である。図２に示すパワーモジュール用基板の製造装置に収容される積層体の説明図である。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フロー図である。

符号の説明

１パワーモジュール
２パワーモジュール用基板
３回路層
４金属層
１０積層体
１１第１の金属板
１２第２の金属板
１４、１５ろう材箔（ろう材）
２０製造装置（パワーモジュール用基板の製造装置）
２１装置本体
２２排気手段
２３加圧手段
２４Ａ、２４Ｂ誘導加熱コイル
２５Ａ、２５Ｂ加圧板

Claims

セラミックス基板と金属板とを接合してパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造装置であって、
前記セラミックス基板の一方の面にろう材箔を介して第１の金属板を載置するとともに、前記セラミックス基板の他方の面にろう材箔を介して第２の金属板を載置して積層した積層体を収容する装置本体と、
前記積層体に密着させられる一対の加圧板を備えて前記積層体をその積層方向に加圧する加圧手段と、
前記装置本体の内部を真空雰囲気とする排気手段と、
前記金属板及び前記ろう材の少なくとも一方を加熱する誘導加熱手段と、を有し、
前記誘導加熱手段は、前記一対の加圧板に埋設された一の誘導加熱手段と他の誘導加熱手段を有しており、
前記一の誘導加熱手段と前記他の誘導加熱手段によって前記ろう材を溶融し、前記セラミックス基板と前記第１の金属板、前記セラミックス基板と前記第２の金属板を接合す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。
請求項１に記載のパワーモジュール用基板の製造装置であって、
前記装置本体は、内部に収容される前記積層体の積層方向に２分割され、この２分割された前記装置本体の内面にそれぞれ前記加圧板が配設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。
セラミックス基板と金属板とを接合してパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板の一方の面にろう材箔を介して第１の金属板を載置するとともに、前記セラミックス基板の他方の面にろう材箔を介して第２の金属板を載置して積層体を形成し、
前記積層体に密着させられる一対の加圧板を介して前記積層体をその積層方向に加圧するとともに、
少なくとも前記積層体の周囲を真空状態とし、
前記一対の加圧板に埋設された一の誘導加熱手段と他の誘導加熱手段によって前記金属板及び前記ろう材の少なくとも一方を加熱し、前記セラミックス基板と前記第１の金属板、前記セラミックス基板と前記第２の金属板を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。