JP5407303B2 - 分割体の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属層を有するセラミックス板を小片に分割して、個々のセラミックス基板を製造する方法及びその製造装置に関する。

半導体素子などの電子部品を搭載するための基板をセラミックスを用いて製造する場合、例えば、これら基板を複数形成可能な広い面積を有するセラミックス平板の表面に、これを各セラミックス基板毎に区画するように分割溝をあらかじめ設けておき、この分割溝によって区画される領域にそれぞれ回路層となる金属層を形成した後、その分割溝に沿って分割することにより、個々のセラミックス基板として製造する方法がある。

また、このセラミックス平板を分割する技術として、従来では、凹面、凸面を有する一組の型の間でセラミックス平板を湾曲させる方法（特許文献１参照）、ベルトによって挟んだ状態でベルト毎曲げる方法（特許文献２参照）などがある。また、回路面を汚さないように、櫛歯状の型によって分割予定部を押圧して分割する方法（特許文献３参照）も提案されている。
特開平８−２０６９９９号公報 特開２００２−１８８３０号公報 特開２００６−２８１３２４号公報

ところで、電子部品として、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、発熱量の増大、接合部材の薄肉化のための剛性低下により、使用状況下でこれまで以上の熱応力にさらされ、相手部材の歪みによりセラミックス基板が曲げ変形を受け、セラミックス基板の割れを生じることがある。この割れは、これまで問題にならなかった分割時に発生する小さな欠け（チッピング）が起点となっていると考えられており、そのような欠けが生じないように分割することが望まれている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、薄肉で剛性の低いセラミックスでも欠けが生じることなく分割して、高品質のセラミックス基板を製造することができ、パワーモジュール用基板の製造に好適な製造方法及び製造装置の提供を目的とする。

本発明のセラミックス基板製造方法は、セラミックス平板の表面に分割溝が形成されるとともに、前記分割溝とは反対側であって、該分割溝の形成部位の両側方位置にそれぞれ金属層が設けられてなる基板素材を作成しておき、該基板素材の前記セラミックス平板を湾曲させることにより、前記分割溝から前記セラミックス平板を分割して複数のセラミックス基板を製造する方法であって、前記分割溝の形成部位の両側方位置で両金属層の側縁部を押圧することにより前記セラミックス平板を湾曲させることを特徴とする。

また、本発明のセラミックス基板製造装置は、セラミックス平板の表面に分割溝が形成されるとともに、前記分割溝とは反対側であって、該分割溝の形成部位の両側方位置にそれぞれ金属層が設けられてなる基板素材の前記セラミックス平板を湾曲させることにより、前記分割溝から前記セラミックス平板を分割して複数のセラミックス基板を製造する装置であって、前記セラミックス平板を押圧して湾曲させる際に前記分割溝の形成部位の両側方位置で各金属層の側縁部に当接して押圧力を前記セラミックス平板に伝達する凸条部が備えられていることを特徴とする。

すなわち、基板素材を湾曲させるときに、セラミックス平板を押圧するのではなく、金属層の側縁部を押圧することにより湾曲させるのであり、セラミックス平板には、分割溝の形成部位の両側方位置に金属層の側縁部を介して押圧力がそれぞれ作用する。この状態は、いわゆる単純支持はりの２箇所に押圧力を作用させた状態に相当しており、これら押圧力の作用点の間では、せん断力は０で、一様な曲げモーメントが作用することになる。分割溝の形成部位を直接押圧する方法であると、その作用点で曲げモーメントが最大になるが、その作用点が、分割溝の形成部位から少しでもずれると、分割溝に作用する曲げモーメントも減少する。このため、凸条部の先端形状やセラミックス板の厚さむらや反り等のばらつきにより、分割溝に作用する曲げモーメントがばらつき、分割形状が不均一になるおそれがある。
これに対して、金属層を押圧する方法の場合は、その押圧力の作用点間では曲げモーメントが一定であるので、凸条部の先端形状やセラミックス板の厚さむらや反り等のばらつきに左右されずに、分割形状を均一にすることができる。特に、複数の分割溝を一度に分割する場合、個々の分割形状のばらつきをなくして、均一な品質のセラミックス基板を製造することができる。

また、本発明のセラミックス基板製造方法において、前記基板素材の両面に可撓性材料からなる一対の当て板部材を配置するとともに、該当て板部材の一部を前記分割溝の形成部位の両側方位置で両金属層の側縁部に当接させておき、両当て板部材により前記セラミックス平板を挟持した状態で該当て板部材を撓ませることにより両当て板部材の間で前記セラミックス平板を分割するとよい。
本発明のセラミックス基板製造装置においては、前記基板素材の両面に配置される可撓性材料からなる一対の当て板部材が備えられ、前記凸条部は、前記当て板部材に形成されているとよい。
可撓性材料からなる当て板部材を基板素材の両面に配置して、これら当て板部材を撓ませることにより、当て板部材を介して基板素材が湾曲させられる。当て板部材は、その可撓性により基板素材の表面を全面的に押圧することになるとともに、セラミックス平板が分割されるときも両当て板部材により両面から拘束された状態となり、セラミックス平板が分割時にあばれることはない。

さらに、本発明のセラミックス基板製造装置において、前記凸条部における各金属層への当接部の間に、該凸条部が前記金属層に当接したときに両金属層の間に配置されるガイド突起が形成され、該ガイド突起の突出高さは、両金属層の厚さよりも小さいものとするとよい。
凸条部により金属層を押圧する前に、ガイド突起が両金属層の間に侵入することにより、セラミックス平板と凸条部とが位置合わせされ、作業性が良い。この場合、前述したように、両押圧力の作用点の間では曲げモーメントが一定であるので、ガイド突起による位置決めは概略的でよい。

本発明のセラミックス基板製造方法及び製造装置によれば、分割溝の形成部位の両側方位置で両金属層の側縁部を押圧することによりセラミックス平板を湾曲させて分割溝から分割する構成としたから、押圧力の作用点間に生じる曲げモーメントを一様にすることができ、分割部の欠けや分割形状のばらつきの発生を防止して、高品質のセラミックス基板を製造することができる。

以下、本発明に係るセラミックス基板製造方法及び製造装置の実施形態を図面を参照しながら説明する。
この実施形態の製造方法によって製造されるセラミックス基板を用いたパワーモジュールについて説明しておくと、このパワーモジュール１は、図４に示すように、セラミックス基板２と、該セラミックス基板２の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品３とから構成される。セラミックス基板２は、セラミックス板４の表面に回路層用金属層５が積層されるとともに、セラミックス板４の裏面に放熱層用金属層６が積層されており、回路層用金属層５の上に電子部品３が搭載され、放熱層用金属層６にヒートシンク７が取り付けられる構成である。

セラミックス板４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矩形状に形成されている。回路層用金属層５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、プレス加工により回路パターンの外形に成形されている。放熱層用金属層６は、純度９９．０ｗｔ％以上の純アルミニウムにより、セラミックス板４より若干小さい矩形状に形成されている。また、これらセラミックス板４、両金属層５，６の相互間はろう付けによって接合されており、そのろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等が使用される。

そして、回路層用金属層５の上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材８によって電子部品３が接合される。なお、電子部品３と金属層５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、ヒートシンク７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、セラミックス基板２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におけるセラミックス基板２の製造方法について説明する。
まず、複数のセラミックス板４を形成可能な大きさのセラミックス平板１１を用意し、その片面に、レーザ加工やダイヤモンドホイールによる切削加工等によって各セラミックス板４に分割するための分割溝１２を形成しておく。図１に示す例では、放熱層用金属層６が設けられている側の面に分割溝１２が形成される。この分割溝１２は、矩形のセラミックス板４に合わせて縦方向及び横方向にそれぞれ一定の間隔で配置されることにより全体として格子状に形成される。また、分割溝１２によって区画された領域内に、その両面に金属層５，６がろう付けによって貼り付けられることにより、基板素材１３が構成される。

図１は、この基板素材１３を分割してセラミックス基板２を製造するための製造装置２０の実施形態を示している。この実施形態の製造装置２０は、基板素材１３の両面に配置される一対の当て板部材２１と、これら当て板部材２１を上下に挟持するように押圧する凸型２２及び凹型２３とを備える構成とされている。

当て板部材２１は、脆性材料であるセラミックス平板１１よりも大きい可撓性を有する合成樹脂、例えば塩化ビニル樹脂（常温での弾性係数が約３ＧＰａ）により構成され、矩形の板状部２４と、この板状部２４の片面に櫛歯状に形成された複数の凸条部２５とを備える構成とされている。その板状部２４は、セラミックス平板１１の全面をカバーできるようにセラミックス平板１１よりも大きい面積に形成され、全体として均等に湾曲できるように凸条部２５を除き均一な肉厚に形成されている。

また、凸条部２５は、当て板部材２１を基板素材１３の表面に配置させたときに基板素材１３における分割溝１２の形成部位の両側方位置で各金属層５，６の側縁部に分割溝１２に沿って当接させられるものであり、板状部２１の表面に、一定の幅で垂直に立ち上がるように形成されている。凸条部２５の先端の幅は、分割溝１２を介して並ぶ両回路層用金属層５又は両放熱層用金属層６の離間間隔よりも大きく、これらの各側縁部間を掛け渡すように当接する寸法に設定される。

また、この凸条部２５の先端面に、さらに突出するガイド突起２６が形成されている。このガイド突起２６の幅は、分割溝１２の形成部位を介して並ぶ両回路層用金属層５又は両放熱層用金属層６の離間間隔より小さく、また高さは回路層用金属層５又は放熱層用金属層６の厚さより小さく設定されており、凸条部２５が両回路層用金属層５又は放熱層用金属層６に当接したときに、ガイド突起２６が両回路層用金属層５又は放熱層用金属層６の間に侵入するようになっている。また、この侵入状態では、ガイド突起２６の先端面はセラミックス平板１１の表面から離間している。なお、分割溝１２は格子状に形成されているが、この凸条部２５は、格子の縦方向及び横方向の少なくともいずれかに沿って形成され、隣接する凸条部２５どうしは、分割溝１２と同じ相互間隔で平行に形成されている。

そして、この当て板部材２１は、図１（ａ）に示すように、基板素材１３を両面から挟むように一対設けられ、その場合に、両当て板部材２１の凸条部２５を対向させ、これら凸条部２５によって分割溝１２の形成部位の両側方位置で両回路層用金属層５又は放熱層用金属層６の側縁部に当接して、セラミックス平板１１の両面の金属層５，６を挟むように保持する構成とされている。

一方、凸型２２及び凹型２３は、凹型２３を下方に、凸型２２を上方に配置した状態で上下に対向され、その対向面に、凸面２２ａ又は凹面２３ａが形成されたものであり、その凸面２２ａによって当て板部材２１を押圧しながら、凸面２２ａと凹面２３ａとの間で両当て板部材２１を撓ませることにより、これら当て板部材２１間の基板素材１３のセラミックス平板１１を湾曲させる構成である。この場合、凸型２２の凸面２２ａ及び凹型２３の凹面２３ａは、基板素材１３を挟持した両当て板部材２１を湾曲させたときに、その湾曲状態の両当て板部材２１の外面全面に均一に接触されるように、これら両当て板部材２１の外面間の高さ寸法だけ曲率半径が異なる同心状の円弧面に形成されている。

次に、このように構成した製造装置２０を使用して、セラミックス基板２を製造する方法について説明する。
あらかじめセラミックス平板１１の片面に格子状に分割溝１２を形成し、この分割溝１２により囲まれた領域の両面に金属層５，６をろう付けにより貼り付けることにより、基板素材１３を作成しておく。

そして、この基板素材１３の両面に当て板部材２１を接触させる。このとき、前述したように、当て板部材２１の凸条部２５におけるガイド突起２６が分割溝１２の両側方位置に配置されている両金属層５，６の間から侵入し、その両側で凸条部２５の両側部が両金属層５，６の側縁部の表面にそれぞれ当接する。
このようにして両当て板部材２１を基板素材１３の両面に配置した状態で、これらを図１（ａ）に示すように凹型２３の上に載置する。この図１に示す例では、凹型２３が上方に凹面２３ａを向けて配置され、基板素材１３は、分割溝１２を下方に向けた状態で載置される。そして、上方から凸型２２を下降することにより、その凸面２２ａで当て板部材２１の上面を押圧しながら、両当て板部材２１及びセラミックス平板１１を湾曲させ、両型２２，２３の凸面２２ａ及び凹面２３ａ間に挟持すると、図１（ｂ）に示すように、脆性材料であるセラミックス平板１１が分割溝１２に沿って分割される。

この場合、当て板部材２１の凸条部２５は、基板素材１３の分割溝１２の両側方位置の両金属層５，６の側縁部に両面から当接しており、当て板部材２１のほぼ全面にわたって分割溝１２と同じ一定の間隔をおいて相互に平行に形成されていることから、基板素材１３のほぼ全面にわたって接触している。また、両当て板部材２１は、同じ材料により形成されていることから、同じ量だけ湾曲変形する。したがって、これら両当て板部材２１及び基板素材１３が凸条部２５の当接状態を維持したまま一体のものとして変形することになる。

そして、これら当て板部材２１及び基板素材１３のセラミックス平板１１のうち、当て板部材２１はセラミックス平板１１に比べて可撓性が高いことから大きく湾曲変形させられていくのに対して、セラミックス平板１１は、脆性材料であり、当て板部材２１の湾曲変形にある程度までは追従して変形するが、そのうち追従できずに分割溝１２から分割することになる。
その分割時の状態を示したのが図１（ｂ）であり、セラミックス平板１１が分割に至る際にも、当て板部材２１はまだ弾性域の範囲内にあり、その凸条部２５の間に基板素材１３を挟んだ状態を維持しながら湾曲変形している。

この場合、当て板部材２１の凸条部２５を分割溝１２の形成部位に接触させるのではなく、その両側方位置の金属層５，６の側縁部に接触させることとしたのは、図２に凸条部２５の付近を拡大して示したように、分割溝１２の形成部位Ｘの両側の２箇所に押圧力を作用させるためである。つまり、凸条部２５は、分割溝１２の形成部位Ｘの両側の金属層（この実施形態の場合は回路層用金属層）５の側縁部にそれぞれ当接することにより、これら当接部Ｙから各回路層用金属層５の側縁部を介してセラミックス平板１１に破線矢印で示すようにそれぞれ押圧力が作用し、セラミックス平板１１は、分割溝１２の形成部位Ｘの両側の２箇所で押圧されることになる。この場合、図２に示すように、凸条部２５の先端面は、回路層用金属層５に所定の幅Ｗで接触するため、その幅Ｗの範囲で応力が作用することになるが、その幅Ｗは小さいので、図２ではその幅Ｗの中心位置に破線矢印で示すように押圧力が作用するものとして示している。これに対して、分割溝１２の形成部位Ｘを直接押圧する場合であると、作用点が１点となり、その作用点がわずかでもずれると分割形状がばらつくことになる。

これを図３のモデル図によって説明する。この図３は、図２に示す部分を両端支持の単純支持はりとして図示したものであり、上段の荷重作用形態に対して、中断がせん断力図、下段が曲げモーメント図を示している。Ａ欄が本実施形態の場合、Ｂ欄が分割溝の形成部位を直接押圧する場合を示している。
この図３のＢ欄に示すように、分割溝１２の形成部位Ｘを１点で押圧する構造は、両端支持の単純はりの支点間の１箇所に集中荷重Ｐが作用した状態であり、その１点で曲げモーメントＭが最大になる。そして、その作用点が、分割溝１２の形成部位Ｘである場合には、最大の曲げモーメントを作用させることができるが、その部位Ｘから少しでもずれると、分割溝１２に作用する曲げモーメントも減少することになり、せん断力Ｓも、ずれの方向によっては作用方向が逆になる。このため、押圧力を作用させる凸条部の先端形状やセラミックス板の表面状態等のばらつきに起因するわずかなずれにより、分割溝に作用する曲げモーメントがばらつき、バリが発生したり、斜めに割れたり、分割ラインが乱れたりするなど、分割形状が不均一になるおそれがある。

本実施形態の場合は、図３のＡ欄に示すように、両端支持の単純はりの支点間の２箇所に同一の荷重（押圧力）Ｐが作用した状態であり、その押圧力Ｐの作用点の間は一様な曲げモーメントＭが作用することになる。つまり、回路層用金属層５の側縁部を押圧する場合は、その押圧力の作用点間では曲げモーメントＭが一定となるので、分割溝１２の形成部位Ｘに常に一定の曲げモーメントを作用させることができる。

このように、分割溝１２の形成部位Ｘを介して両側に配置される両回路層用金属層５の間で一定の曲げモーメントが作用し、しかも両当て板部材２１の間に挟まれて全体が一様に湾曲されていることから、どの分割溝１２も一定の曲げモーメントで曲げられることになる。しかも、両面を当て板部材２１によって挟持された状態で湾曲されるから、その分割溝１２の全部がほぼ同じタイミングで一度に分割されることになり、分割時にセラミックス基板２があばれることも防止される。したがって、各分割溝１２の分割形状を均一にして、欠け等の発生を確実に防止し、均一で高品質なセラミックス基板２を製造することができる。このように金属層５間での曲げモーメントを一様にして分割するために、分割溝１２の形成部位Ｘから回路層用金属層５の側縁までのセラミックス平板１１の面方向の距離Ｌを片側で０．５〜６ｍｍに設定するとよい。また、この凸条部２５の先端面において回路層用金属層５に接触する部分の幅Ｗは、該金属層５の側縁から０．５〜５ｍｍに設定するとよい。

そして、この製造装置２０を用いて分割する場合、両回路層用金属層５の間で一様な曲げモーメントが作用することから、厳密な位置決め精度を要せず、回路層用金属層５の回路パターンに位置ずれが生じていたり、凸条部２５の押圧位置が若干ずれたとしても、安定した形状で分割することができる。また、当て板部材２１の加工にも高精度なものが要求されないとともに、セラミックスではなく金属層のみに接触するため、摩耗も少なく、材料、加工の両面で低コスト化することができる。

なお、実施形態では、格子状に形成した分割溝１２のうち、縦方向に沿う分割溝１２に沿ってセラミックス平板１１を分割する方法を述べたが、横方向に沿う分割溝に対しては、その横方向に沿って凸条部を形成した別の当て板部材を用意し、縦方向に沿う分割溝１２からの分割によって形成された短冊状の板状素材に対して同様の方法で分割することができる。

また、本発明は上記実施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、上記実施形態では、二つの当て板部材を塩化ビニル樹脂で形成したが、分割対象のセラミックスより大きい可撓性を有するものであれば、他の材料で形成してもよい。また、各実施形態では二つの当て板部材とも同じ材料によって同じ形状、同じ寸法に形成し、したがってその可撓性も同じ程度に形成されているが、セラミックス平板が変形して分割されるまでの間、及び分割後においても両当て板部材の間に基板素材又はセラミックス基板を保持できるものであれば、必ずしも両方が同じ特性でなくてもよい。さらに、当て板部材の板状部と凸条部との材料を変えてもよく、板状部は可撓性を有する材料により構成し、凸条部は基板素材に当接するため耐摩耗性材料として硬質プラスチック等により構成するようにしてもよい。また、板状素材の片面にのみ分割溝を形成した例を示したが、両面に分割溝を形成したものに適用してもよい。また、基板素材を湾曲させる手段として、実施形態の凸型と凹型との間で押圧する方法以外にも、従来の技術で挙げたベルトによって挟んだ状態でベルト毎曲げる方法や、両当て板部材の端部を拘束して曲げモーメントを作用させる方法等を採用することができる。また、セラミックス基板としてセラミックス板の両面に回路層用金属層及び放熱層用金属層を設けた例を示したが、セラミックス板の片面に回路層用金属層のみを設けたものにも適用することができる。その他、本発明は、パワーモジュール用基板以外にも、各種半導体基板等を分割して製造する場合に適用することができる。

本発明に係るセラミックス基板製造装置の一実施形態を示す断面図であり、（ａ）が基板素材を湾曲させる前の状態を示し、（ｂ）が基板素材を湾曲させて分割した状態を示している。 図１における分割溝付近の拡大断面図である。 図１の実施形態の製造装置によって分割する場合と分割溝を直接押圧して分割する場合とを単純支持はりにモデル化して比較した図であり、Aが実施形態の場合、Bが分割溝を直接押圧する場合を示す。 図１の製造装置によって製造されるセラミックス基板を用いたパワーモジュールの例を示す断面図である。

符号の説明

１ パワーモジュール
２ セラミックス基板
４ セラミックス板
５ 回路層用金属層
６ 放熱層用金属層
１１ セラミックス平板
１２ 分割溝
１３ 基板素材
２０ 製造装置
２１ 当て板部材
２２ 凸型
２２ａ 凸面
２３ 凹型
２３ａ 凹面
２４ 板状部
２５ 凸条部
２６ ガイド突起

Claims (5)

1. セラミックス平板の表面に分割溝が形成されるとともに、前記分割溝とは反対側であって、該分割溝の形成部位の両側方位置にそれぞれ金属層が設けられてなる基板素材を作成しておき、該基板素材の前記セラミックス平板を湾曲させることにより、前記分割溝から前記セラミックス平板を分割して複数のセラミックス基板を製造する方法であって、
   前記分割溝の形成部位の両側方位置で両金属層の側縁部を押圧することにより前記セラミックス平板を湾曲させることを特徴とするセラミックス基板製造方法。
2. 前記基板素材の両面に可撓性材料からなる一対の当て板部材を配置するとともに、該当て板部材の一部を前記分割溝の形成部位の両側方位置で両金属層の側縁部に当接させておき、両当て板部材により前記セラミックス平板を挟持した状態で該当て板部材を撓ませることにより両当て板部材の間で前記セラミックス平板を分割することを特徴とする請求項１記載のセラミックス基板製造方法。
3. セラミックス平板の表面に分割溝が形成されるとともに、前記分割溝とは反対側であって、該分割溝の形成部位の両側方位置にそれぞれ金属層が設けられてなる基板素材の前記セラミックス平板を湾曲させることにより、前記分割溝から前記セラミックス平板を分割して複数のセラミックス基板を製造する装置であって、
   前記セラミックス平板を押圧して湾曲させる際に前記分割溝の形成部位の両側方位置で各金属層の側縁部に当接して押圧力を前記セラミックス平板に伝達する凸条部が備えられていることを特徴とするセラミックス基板製造装置。
4. 前記基板素材の両面に配置される可撓性材料からなる一対の当て板部材が備えられ、前記凸条部は、前記当て板部材に形成されていることを特徴とする請求項３記載のセラミックス基板製造装置。
5. 前記凸条部における各金属層への当接部の間に、該凸条部が前記金属層に当接したときに両金属層の間に配置されるガイド突起が形成され、該ガイド突起の突出高さは、両金属層の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項３又は４記載のセラミックス基板製造装置。

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