JP5251677B2

JP5251677B2 - 回路基板接合治具及び回路基板の製造方法

Info

Publication number: JP5251677B2
Application number: JP2009084987A
Authority: JP
Inventors: 宗太郎大井
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010238899A

Description

本発明は、回路基板の接合治具に係り、特に、パワーモジュール等に使用される回路基板の製作に有用なセラミック基板と金属板との接合体の製造に用いて好適な技術に関する。

従来、パワーモジュール等に利用される半導体装置においては、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミック基板の表裏面に、Ｃｕ、Ａｌ、それらの金属を成分とする合金等の金属回路や放熱板等の金属板がそれぞれ接合されてなる回路基板が用いられている。このような回路基板は、樹脂基板と金属基板との複合基板ないしは樹脂基板よりも、高絶縁性を安定して得ることができる。

このような回路基板においてセラミック基板と金属板とを接合するには、これらをろう材を介して接触させて積層構造体を形成した後、該積層構造体に一定の圧力をかけた状態で高温下に設置する手法が知られており、このような手法を行なう回路基板接合治具が、例えば特許文献１に開示されている。
この回路基板接合治具においては、上記積層構造体を一対の挟持部材で挟み込んで加圧状態とした後、一対の挟持部材を固定して積層構造体を拘束する。そして、回路基板接合治具ごと積層構造体を加熱炉中で加熱することで、ろう材を溶融させ、セラミック基板と金属板とを互いに接合させる。

ここで、積層構造体の加熱中にセラミック基板と金属板との間のろう材が溶融すると、積層構造体は、ろう材の厚さ分だけ厚みが減少していく。このように積層構造体の厚みが減少すると挟持部材の拘束が不十分になり、セラミック基板と金属板とを確実に接合することができない。この点、特許文献１に記載の回路基板接合治具においては、積層構造体を加圧・拘束する構造中に線膨張係数の大きい介装部材が介装されているため、高温時にこの介装部材が熱膨張にすることで積層構造体が加圧され、積層構造体の拘束状態を維持することができる。

特開２００７−２１６２６０号公報

ところで、上記のような回路基板接合治具においては、製造の効率化の観点から積層構造体を多数積層して、これら多数の積層構造体においてセラミック基板と金属板とに同時に接合処理を施すことが好ましい。しかしながら、この場合、ろう材の溶融による積層構造体の厚み減少の合計量が多くなるため、上記従来の回路基板接合治具のように介装部材の熱膨張を利用するのみでは、厚みの減少分を補うことができず、積層構造体の拘束が緩んでしまい、セラミック基板と金属板とを確実に接合することができない。

また、従来においてはセラミック基板と金属板とを接合した後エッチングにより金属板への回路パターンの成形が行なわれていたが、近年においては、プレスで打ち抜いた金属パターンをろう材を介してセラミック基板に直接的に接合する打抜き工法の回路基板が採用されている。

この回路基板においては、打ち抜いた金属パターンにバリが生じているため、上記回路基板接合治具を用いてセラミック基板と金属パターンとの接合を行なうと、高温にした際に金属パターンのバリが潰れてしまうことで隙間が生じてしまう。これにより、積層構造体の拘束が緩んで、セラミック基板と金属板との接合が不十分になってしまう。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、ろう材を介したセラミック基板と金属板との積層構造体を多重積層した場合や、打抜き工法の回路基板を製造する場合であっても、積層構造体の拘束力が緩むことなく、セラミック基板と金属板とを確実に接合することができる回路基板接合治具及び回路基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、この発明は以下の手段を提供している。
即ち、本発明に係る回路基板接合治具は、セラミック基板とプレスで打ち抜いた金属板とをろう材を介して接触させて積層構造体を形成するとともに、複数の前記積層構造体を高温下で加圧接合して回路基板を製造する回路基板接合治具であって、前記積層構造体を挟持する第１挟持部材及び第２挟持部材と、一端側が前記第２挟持部材に固定されるとともに、他端側が前記第１挟持部材を貫通する複数の支柱部材と、前記第１挟持部材よりも前記支柱部材の他端側に固定される固定部材と、前記第１挟持部材の前記固定部材側を向く面に配置された膨張部材と、前記固定部材と前記膨張部材との間に介装されたバネ部材とを備え、前記バネ部材がカーボンコンポジットからなり、前記膨張部材が前記支柱部材よりも線膨張係数の高い材料からなるとともに、前記第１挟持部材及び前記膨張部材は板状をなしており、前記膨張部材は、前記第１挟持部材の前記固定部材側を向く面に敷設され、前記固定部材と前記膨張部材との間に複数の前記バネ部材が介装されていることを特徴としている。

このような特徴の回路基板接合治具においては、積層構造体を第１挟持部材と第２挟持部材とに挟持し、固定部材をバネ部材が圧縮状態となる位置で固定することにより、該バネ部材による付勢力が膨張部材及び第１挟持部材を介して積層構造体に与えられ、これにより積層構造体が加圧状態にて拘束される。
また、積層構造体をこの拘束状態で加熱した際に、ろう材の溶融やバリが潰れることで積層構造体の厚みが減少したとしても、その厚みの減少分だけバネ部材が伸張して積層構造体を加圧するため、積層構造体の拘束力の減少を抑制することができる。さらに、バネ部材が線膨張係数の小さいカーボンコンポジットから形成されているため、加熱時にバネ部材のバネ定数が大きく変化することはなく、安定的かつ確実な加圧力を積層構造体に与えることができる。
さらにまた、上記バネ部材の加圧力に加えて、加熱時には支柱部材よりも線膨張係数の大きい膨張部材の熱膨張により第１挟持部材を加圧することができる。
したがって、これらバネ部材と膨張部材との加圧作用により、積層構造体の厚みの変化に関わらず、常時適正な加圧力を安定的に確保することが可能となる。
なお、高温下とは、ろう材を溶融させてセラミック基板と金属板とを接合する温度である、例えば６００〜６５０°の温度状態のことを示している。

また、本発明に係る回路基板接合治具においては、前記第１挟持部材、前記第２挟持部材、前記支柱部材及び固定部材の少なくとも一つが、カーボンコンポジットからなることを特徴としている。

このような特徴の回路基板接合治具によれば、バネ部材のみならず上記他の各部材までもが線膨張係数の小さいカーボンコンポジットから形成されているため、加熱時における各部材の膨張が抑制され、積層構造体の拘束力が緩んでしまうのをより確実に防止することができる。

本発明に係る回路基板の製造方法は、上記いずれかの回路基板接合治具を用いて前記積層構造体を加圧接合することを特徴とする。
このような特徴の回路基板の製造方法によれば、バネ部材と膨張部材との加圧作用により、積層構造体の厚みの変化に関わらず、常時適正な加圧力を安定的に確保して、セラミック基板と金属板とを確実に接合することができる。

本発明の回路基板接合治具及び回路基板の製造方法によれば、カーボンコンポジットからなるバネ部材と膨張係数の小さい膨張部材とを組み合わせて積層構造体を加圧する構成としたことにより、加熱時にろう材の溶融やバリが潰れることにより積層構造体の厚みが減少した場合であっても、バネ部材の付勢力及び膨張部材の熱膨張による加圧力を積層構造体に与えることができる。
これにより、積層構造体の厚みの変化に関わらず常時適正な加圧力を確保することができるため、例えば、多数の積層構造体に同時に接合処理を施す場合や、打抜き工法による回路基板を製造する場合であっても、加熱時に積層構造体の拘束力が緩むことはなく、セラミック基板と金属板とを確実に接合することができる。

実施形態の回路基板接合治具を示す側面図である。回路基板接合治具に積層構造体をセットする工程を示す側面図である。

以下、本発明に係る回路基板接合治具の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は実施形態の回路基板接合治具を示す側面図である。

この回路基板接合治具１０は金属板とセラミック基板とからなる積層構造体Ｗを接合して回路基板を製造する際に用いられる。この積層構造体Ｗは、板厚が例えば０．６３５ｍｍの窒化アルミからなるセラミック基板の両側にろう材としてのＡｌ−Ｓｉ合金の薄板とその外側にアルミニウム板（金属板）とを配置したものとされる。

回路基板接合治具１０は、図１に示すように、第１挟持板（第１挟持部材）１１と、第２挟持板（第２挟持部材）１２と、固定部材１３と、複数の支柱部材１４と、膨張部材１６と、複数のコイルバネ（バネ部材）１７とから構成されている。

第１挟持板１１及び第２挟持板１２は、それぞれ板状をなす部材であって、第２挟持板１２が下方に配置され、該第２挟持板１２の上方に第１挟持板１１が平行となるように配置されている。このような第１挟持板１１及び第２挟持板１２によって積層構造体Ｗが挟持される。

支柱部材１４は、鉛直方向に沿って延びる柱状の部材であって、下端側（一端側）が第２挟持板１２上に固定立設されているとともに、他端側が第１挟持板１１を貫通して上方に向かって延びている。これによって、第１挟持板１１及び第２挟持板１２が互いに平行状態を維持するようにその移動が規制され、第１挟持板１１が支柱部材１４の延在方向に沿ってスライド移動可能とされる。

固定部材１３は、固定板１３ａと締結部材１３ｂとから構成されている。
固定板１３ａは、板状をなす部材であって、第１挟持板１１を挟んで第２挟持板１２と反対側に、即ち、第１挟持板１１の上方に、これら第１挟持板１１及び第２挟持板１２と互いに平行となるように配置されている。さらに、この固定板１３ａは、第１挟持部材１１と同様に複数の支柱部材１４に貫通されており、これにより、該固定板１３ａは、第１挟持部材１１及び第２挟持部材１２との平行状態が維持され、さらに、支柱部材１４の延在方向に沿ってスライド移動可能とされている。
締結部材１３ｂは、支柱部材１４における第１挟持板１１及び固定板１３ａのさらに上方において、支柱部材１４に対して外嵌固定可能とされ、これにより、固定板１３ａの上方への移動を制限している。

膨張部材１６は、略板状をなす部材であって、第１挟持板１１における固定板１３ａ側を向く面上に敷設されている。

そして、コイルバネ１７は、ある程度大きなバネ定数を有し螺旋状に巻回されてなるバネであって、固定板１３ａと膨張部材１６との間に介装されるようにして、その伸縮方向を上下方向に向けて複数が設置されている。

このようにして、本実施形態の回路基板接合治具１０は、上方から順に、固定板１３ａ、コイルバネ１７、膨張部材１６、第１挟持板１１が積層され、その下方に第２挟持板１２が配置された構成をなしている。

ここで、コイルバネ１７はカーボンコンポジットを材料として形成されている。このカーボンコンポジットは線膨張係数が小さく、その値は、０．３×１０^−６／℃とされている。
また、本実施形態においては、第１挟持板１１、第２挟持板１２、固定部材１３、支柱部材１４の各部材も、コイルバネ１７と同様、カーボンコンポジットを材料として形成されている。なお、これら第１挟持板１１、第２挟持板１２、固定部材１３、支柱部材１４の各部材の全てが必ずしもカーボンコンポジットから形成されている必要はなく、これらの各部材のうち少なくとも一つがカーボンコンポジットから形成されているものであってもよい。

これに対し、膨張部材１６は、上記支柱部材１４、即ち、本実施形態においてはカーボンコンポジットよりも線膨張係数の大きい材料、例えばオーステナイト系ステンレスから形成されており、その線膨張係数の値は１７×１０^−６／℃とされている。

次に回路基板接合治具１０によって積層構造体Ｗを加圧接合して回路基板を製造する方法について順を追って説明する。まず、図２に示すように、回路基板接合治具１０から、第１挟持板１１、固定部材１３、膨張部材１６、コイルバネ１７の各部材を取り外す。そして、第２挟持板１２上に、積層構造体Ｗを、該積層構造体Ｗを構成するセラミック基板及び金属板の積層方向を上下方向に揃えてシートＳと交互に重ねて複数段配置する。
なお、シートＳとしては、例えばクッション性および耐熱性を有するようにカーボン（グラファイト）薄膜を雲母のように複数積層したものが用いられる。

そして、図２の矢印方向に沿って積層構造体Ｗに荷重を与えるべく、第１挟持部材１１、膨張部材１６、コイルバネ１７及び固定部材１３を元の通りに設置する。その後、固定板１３ａを下方に向かって変位させて、コイルバネ１７に荷重を加えて圧縮状態とし、締結部材１３ｂを支柱部材１４に外嵌固定することで該固定板の上方向への移動を制限する。これにより、コイルバネ１７の付勢力が膨張部材１６及び第１挟持板１１を介して積層構造体Ｗに与えられる。このようにして、積層構造体Ｗが加圧状態にて拘束される。

なお、このコイルバネ１７の付勢力により積層構造体Ｗに付与される加圧力は、固定板１３ａの位置によるコイルバネ１７の圧縮度合によって調整することができ、その加圧力の大きさは、例えば１〜５ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲となるように調整される。ここで、加圧力が上記の範囲より小さい場合には、充分な接合を得ることができないため好ましくなく、また、加圧力が上記の範囲より大きい場合には、セラミック基板に割れや破損等が生じる可能性があるため好ましくない。

そしてこのように積層構造体Ｗを加圧して拘束した状態に維持した回路基板接合治具１０を、６００〜６５０℃程度の温度条件とした熱処理炉等に入れて加熱接合をおこなう。

上記の積層構造体Ｗを加圧した状態で、熱処理炉等に入れることにより、セラミック基板と金属板との間のろう材が溶融し、これによってセラミック基板と金属板とがろう材を介して面内方向において均一に接合される。

ここで、上記のように積層構造体Ｗが加熱されてろう材が溶融すると、積層構造体Ｗはそのろう材の厚さ分だけ厚みが減少する。また、本実施形態においては積層構造体Ｗが複数段積層されているため、複数の積層構造体Ｗ全体での厚みの減少量は大きなものとなる。このように積層構造体Ｗの厚みが減少した場合、何ら対策を施さなければ、緩みが生じて拘束が不十分となってしまう。
また、特に、積層構造体Ｗが、プレスで打ち抜いた金属パターンをろう材を介してセラミック基板に直接的に接合する打抜き工法で形成されたものの場合には、金属パターンにバリが生じており、加熱時に該バリが潰れることによっても積層構造体Ｗの拘束が緩んでしまう。
このように積層構造体Ｗが適確に拘束されたないと、セラミック基板と金属板とを確実に接合することができない

この点、本実施形態の回路基板接合治具１０においては、上記構成をなしているため、積層構造体Ｗの当該不都合を解消することができる。
即ち、積層構造体Ｗを拘束状態で加熱した際に、ろう材の溶融やバリが潰れることで積層構造体Ｗの厚みが減少したとしても、その厚みの減少分だけコイルバネ１７が伸張して積層構造体Ｗを加圧するため、積層構造体Ｗの拘束力の減少を抑制することができる。

また、コイルバネ１７が線膨張係数の小さいカーボンコンポジットから形成されているため、加熱温度である６００〜６５０℃程度の温度ではコイルバネ１７のバネ定数が大きく変化することはなく、安定的に確実な加圧力を積層構造体Ｗに与えることができる。
さらに、上記コイルバネ１７の加圧力に加えて、加熱時には支柱部材１４よりも線膨張係数の大きい膨張部材１６が熱膨張することにより第１挟持部材１１を押圧し、積層構造体Ｗに対して加圧力を与えることができる。
したがって、このようなコイルバネ１７と膨張部材１６とによる加圧作用によって、積層構造体Ｗの厚みの変化に関わらず、常時適正な加圧力を安定的に確保することができる。よって、多数の積層構造体Ｗに同時に接合処理を施す場合や、打抜き工法による回路基板を製造する場合であっても、加熱時に積層構造体Ｗの拘束力が緩むことはなく、セラミック基板と金属板とを確実に接合することが可能となる。

また、第１挟持部材１１、前記第２挟持部材１２、支柱部材１４、固定部材１３がそれぞれコイルバネ１７と同様、線膨張係数の小さいカーボンコンポジットからなる場合においては、加熱時に各部材が膨張するのを抑制することができるため、積層構造体Ｗの拘束力が緩んでしまうのをより確実に防止することができる。

また、このように各部材が耐熱温度が１５００℃にもなるカーボンコンポジットから構成されていることで、６００〜６５０℃程度の温度では熱疲労による劣化を抑えることができる。よって、各部材の長寿強化及び省メンテナンス化を図ることができる。
さらに、カーボンコンポジット自体は重量が軽いため、回路基板接合治具１０の移動等の取り扱いを容易にすることができる他、熱容量が小さいため、加熱時間の短縮化を図ることができ、省エネルギーの観点からも好ましい。
また、カーボンコンポジットは黒色であるため、輻射加熱に有利であるとともに、冷却時の放射熱が大きく、加熱終了後に短時間で冷却することができる。

以上、本発明の実施の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、膨張部材１６の材料として実施形態においてはオーステナイト系ステンレスを用いているが、これに限定されることはなく、支柱部材１４の形成材料であるカーボンコンポジットよりもある程度大きな線膨張係数を有するならば、例えばマシナブルセラミックスやグラファイト等の他の材料から形成してもよい。

１０回路基板接合治具
１１第１挟持板（第１挟持部材）
１２第２挟持板（第２挟持部材）
１３固定部材
１３ａ固定板
１３ｂ締結部材
１４支柱部材
１６膨張部材
１７コイルバネ（バネ部材）
Ｗ積層構造体

Claims

セラミック基板とプレスで打ち抜いた金属板とをろう材を介して接触させて積層構造体を形成するとともに、複数の前記積層構造体を高温下で加圧接合して回路基板を製造する回路基板接合治具であって、
前記積層構造体を挟持する第１挟持部材及び第２挟持部材と、
一端側が前記第２挟持部材に固定されるとともに、他端側が前記第１挟持部材を貫通する複数の支柱部材と、
前記第１挟持部材よりも前記支柱部材の他端側に固定される固定部材と、
前記第１挟持部材の前記固定部材側を向く面に配置された膨張部材と、
前記固定部材と前記膨張部材との間に介装されたバネ部材とを備え、
前記バネ部材がカーボンコンポジットからなり、
前記膨張部材が前記支柱部材よりも線膨張係数の高い材料からなるとともに、
前記第１挟持部材及び前記膨張部材は板状をなしており、前記膨張部材は、前記第１挟持部材の前記固定部材側を向く面に敷設され、前記固定部材と前記膨張部材との間に複数の前記バネ部材が介装されていることを特徴とする回路基板接合治具。
前記第１挟持部材、前記第２挟持部材、前記支柱部材及び固定部材の少なくとも一つが、カーボンコンポジットからなることを特徴とする請求項１に記載の回路基板接合治具。
請求項１又は２のいずれか一項に記載の回路基板接合治具を用いて前記積層構造体を加圧接合する回路基板の製造方法。