JP5423591B2

JP5423591B2 - パワーモジュール用基板およびその製造方法

Info

Publication number: JP5423591B2
Application number: JP2010138215A
Authority: JP
Inventors: 慎介青木; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: JP2012004356A

Description

本発明は、パワーモジュール用基板およびその製造方法に関する。

従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に、回路層となるアルミニウム金属層が積層され、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となるアルミニウムの金属層が形成され、この金属層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。

このようなパワーモジュールを製造する方法として、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されるような製造方法が知られている。
この製造方法では、まずセラミックス基板の一方の面にＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を介して回路層となる金属層を積層し、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して放熱層となる金属層を積層して、これを積層方向に加圧するとともに加熱し、セラミックス基板と回路層及び放熱層とを接合する。
次に、放熱層のセラミックス基板が接合されている面とは反対側の面に、ろう材を介してヒートシンクの天板部を積層し、積層方向に加圧するとともに加熱して、放熱層とヒートシンクとを接合するようにしている。
一方、放熱層とヒートシンクとの間の接合方法としては、高価な設備が不要で比較的容易に安定したろう付けが可能なフラックスろう付け法として、フッ化物系のフラックスをろう材面に塗布してろう材面の酸化物を除去し、非酸化性雰囲気中で加熱して接合するノコロックろう付け法の適用が検討されている。

ところで、セラミックス基板と放熱層との接合時に、接合に寄与しない余剰分のろう材が接合部から押し出され放熱層の側面部に付着することがあるが、この場合にノコロックろう付け法を用いると、放熱層とヒートシンクとの接合に用いられるフラックスの余剰分が放熱層の側面部を伝って再溶融した余剰分のろう材と接触し、セラミックス基板及び放熱層の接合部界面に引き込まれる、あるいは余剰分のフラックスが蒸発してその蒸気が接合部界面に接触する、などにより、フラックスがセラミックス基板と放熱層との接合部を侵食し、接合部にクラックを生じさせるおそれがある。そのため、セラミックス基板と放熱層との剥離が生じ易くなるという問題がある。

特開２００７−３１１５２７号公報特開２００２−００９２１２号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく金属層とヒートシンクとを接合して、接合信頼性を高めることができるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供することを目的とする。

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両面に金属層が積層されるとともに、その一方の金属層にヒートシンクが接合されたパワーモジュール用基板であって、前記一方の金属層の側面部から突出する突起部が前記側面部の全周にわたって設けられており、前記突起部は、菱形目形状によって構成されていることを特徴とする。

このパワーモジュール用基板では、セラミックス基板に金属層を接合するときは、余剰分のろう材がはみ出して金属層の側面部に付着することがあるが、この場合、金属層の側面部に設けられた突起部によって側面部の表面積が大きく形成され、その表面上の厚さ方向に沿う距離が長くなっているので、側面部を伝ってくるろう材が突起部の反対側へ回り込むことが防止され、突起部とセラミックス基板の表面との間で金属層の側面部に余剰分のろう材を保持させることができる。
また、金属層にヒートシンクを接合する場合にも、余剰分のフラックスがはみ出すことがあるが、同様に、フラックスが突出部の反対側へ回り込むことが防止され、突起部とヒートシンクの表面との間で金属層の側面部に余剰分のフラックスを保持させることができる。
これにより、金属層の側面部でろう材とフラックスとの接触を防止し、フラックスがセラミックス基板と金属層との間に到達することを防止することができるので、接合部でのろう材とフラックスとの反応を防いでセラミックス基板と金属層との剥離を防止することができ、接合信頼性を高めることができる。

また、金属層の側面部に設けられた複数の菱形目（又は、綾目ともいう）は、側面部の表面積を大きくするとともに、側面部の厚さ方向に沿う距離を長くするので、これら菱形目に余剰分のフラックス及びろう材を付着させて保持させることができ、セラミックス基板と金属層との接合部にフラックスが到達することを防ぐことができる。

そして、本発明のパワーモジュールは、上記のパワーモジュール用基板の前記ヒートシンクが接合された金属層とは反対側の金属層に電子部品が接合されていることを特徴とする。

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の両面にろう材を介して金属層を重ね合わせ加圧するとともに加熱し接合した後、一方の金属層とヒートシンクとをノコロック接合法により接合するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記一方の金属層として、その側面部から突出する突起部が全周にわたって設けられ、該突起部が菱形目形状によって構成されている金属層を用いることを特徴とする。

また、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の両面に、回路層となる金属層と、放熱層となる金属層とが積層されたパワーモジュール用基板であって、前記放熱層となる金属層の側面部から突出する突起部が前記側面部の全周にわたって設けられており、前記突起部は、菱形目形状によって構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく金属層とヒートシンクとを接合して、接合信頼性を高めることができるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態のパワーモジュールの全体構成を示す一部を断面とした正面図である。図１のパワーモジュール用基板の突起部を説明する断面図である。第２実施形態のパワーモジュールの構成を説明する図である。第３実施形態のパワーモジュールの構成を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態のパワーモジュール用基板３を用いたパワーモジュール１を示している。この図１のパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板３と、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とから構成される。

パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２と、セラミックス基板２の両面に積層された金属層６，７と、その一方の金属層７の裏面に接合されたヒートシンク５とを備える。セラミックス基板２の表面に積層された金属層６が回路層となり、その表面に電子部品４がはんだ付けされる。また、他方の金属層７は放熱層とされ、その表面にヒートシンク５が取り付けられる。
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、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成され、その厚さは例えば６３５μｍとされる。

金属層６，７は、いずれも純度９９．９ｗｔ％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１Ｎ９０（純度９９．９ｗｔ％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９ｗｔ％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。そして、金属層６，７は一辺が３０ｍｍの四角形の平面状に形成されている。
このパワーモジュール用基板３においては、放熱層となる金属層７に緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属層６よりも肉厚に形成されたものを用いている。例えば、金属層６の厚さは６００μｍ、金属層７の厚さは１６００μｍとされる。

また、放熱層となる金属層７の側面部７ａの厚さ方向の中央部には、フランジ状の突起部９がプレス加工により全周にわたって形成されている。この突起部９は、金属層７の厚さ方向に対して直交する方向に突出して、周方向に連続して設けられ、金属層７の上下に積層されるセラミックス基板２及びヒートシンク５の両積層面からは離間して設けられている。

ヒートシンク５は、その形状等は特に限定されないが、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、パワーモジュール用基板３に接合される筒体１５と、この筒体１５の内部を複数の流路１６に区画する縦壁１７とが一体に形成された構成とされている。筒体１５の天板部１５ａは、パワーモジュール用基板３の金属層７よりも大きい四角形の平面形状を有しており、各縦壁１７は、筒体１５の幅方向に等間隔で相互に平行に並べられ、筒体１５の長さ方向に沿って設けられている。

そして、これらセラミックス基板２と回路層及び放熱層となる金属層６，７とは、ろう付けにより積層されている。ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系合金が好適であるが、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金であってもよい。
なお、金属層６と電子部品４との接合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｚｎ−Ａｌ系もしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材等が用いられる。図中符号８がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と金属層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。

このように構成したパワーモジュール用基板３を製造するには、まず、金属層６の裏面とセラミックス基板２の表面、及び金属層７の表面とセラミックス基板２の裏面を、それぞれろう材を挟んで当接させ、これら積層したセラミックス基板２及び金属板６，７を厚さ方向に加圧しながら加熱することにより、ろう付けする。
このろう付けにおいては、図２に示すように、加圧によりセラミックス基板２と金属層７との間から余剰分のろう材Ｓが押し出されることがある。しかしながら、突起部９によってろう材を付着させることのできる側面部７ａ上の距離が長く設けられていることから、金属層７の側面部７ａを伝わる余剰分のろう材は突起部９を超えることが抑制され、突起部９の上方の範囲で、金属層７の側面部７ａに付着し保持される。

次に、金属層７とヒートシンク５とをノコロックろう付け法により接合する。
ノコロックろう付け法は、ろう材面にフッ化物系のフラックスを塗布して、非酸化性雰囲気中で加熱して、ろう付けする方法である。
フラックスには、ＫＡｌＦ_４、Ｋ_２ＡｌＦ_５、Ｋ_３ＡｌＦ_６等が用いられ、これらのフラックスがはんだ表面の酸化物を除去する働きをする。
金属層７とヒートシンク５とのろう付け時においても、余剰分のフラックスＦが接合部からはみ出すことがあるが、突起部９によってフラックスＦを付着させることのできる側面部７ａの表面積が大きく形成され、その厚さ方向に沿う表面上の距離が長く設けられているとともに、その突起部９によってフラックスＦの流れが塞き止められるので、余剰分のフラックスＦは突起部９より先に流れることが防止され、突起部９の下方の範囲で、金属層７の側面部７ａに付着し保持される。
このとき、突起部９は余剰分のフラックスＦ及び余剰分のろう材Ｓが互いに突起部９の反対側に回り込むことを防止するため、接合面からはみ出すフラックスＦ及びろう材Ｓの量に対して十分な保持能力を有するようにその大きさが設定されている。例えば、側面部７ａからの突出量ｈは０．１〜０．３ｍｍであり、突起部９の厚さｔは０．１〜０．５ｍｍとされる。そのため、フラックスＦ及びろう材Ｓが突起部９を超えて接触することはなく、フラックスＦがセラミックス基板２と金属層７との接合部を侵食することを防ぐことができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、金属層７の側面部７ａの厚さ方向の中央部にフランジ状の突起部９が設けられているので、側面部７ａの表面積が大きく形成され、厚さ方向に沿う表面上の距離を長くすることができるとともに、その突起部９によってフラックスＦの流れを塞き止めることができる。そして、余剰分のろう材Ｓ及びフラックスＦを金属層７の側面部７ａに付着させて保持させることができるので、側面部７ａの突起部９を超えてフラックスＦがセラミックス基板２と金属層７との接合部まで到達することを防ぐことができる。これにより、セラミックス基板２と金属層７との接合部でのろう材ＳとフラックスＦとの反応が防止され、セラミックス基板２と金属層７との剥離を防止することができ、接合信頼性を高めることができる。

図３は、本発明の第２実施形態を示している。第１実施形態は、金属層７の側面部７ａの厚さ方向の中央部に一条のフランジ状の突起部９を設けていたが、第２実施形態のパワーモジュール用基板３０は、金属層７０の側面部７０ａに溝加工し、周方向に連続する凸条を厚さ方向に等間隔に複数形成することにより突起部９０を構成している。
この場合、複数の凸条で構成された突起部９０によって金属層７０の側面部７０ａの表面積をさらに大きくすることができる。そのため、余剰分のフラックスＦとろう材Ｓとが互いに接触するまでの距離が長くなっており、側面部７０ａでのフラックスＦ及びろう材Ｓの保持能力が向上している。これにより、セラミックス基板２と金属層７０との界面にフラックスが入り込むことを抑制でき、接合部の剥離を防止することができる。

図４は、本発明の第３実施形態を示している。この第３実施形態のパワーモジュール３１は、金属層７１の側面部７１ａに、菱形目（又は、綾目ともいう）のローレット加工を施すことによって突起部９１を設けている。
この場合も、複数の菱形目が側面部７１ａの表面積を大きくしており、余剰分のフラックスＦとろう材Ｓとが接触するまでの距離を長くしている。そして、菱形目の間に余剰分のフラックスＦやろう材Ｓを付着させて保持させることで、フラックスＦとろう材Ｓとの接触を防止し、セラミックス基板２と金属層７１との接合部にフラックスが到達することを防ぐことができる。
また、この第３実施形態のパワーモジュール用基板では、突起部９１を金属層７１の側面部７１ａの全面に設けた菱形目によって構成したが、セラミックス基板２とヒートシンク５との間にろう材Ｓ及びフラックスＦを付着させるのに十分な距離を確保することができる場合には、突起部９１をセラミックス基板２及びヒートシンク５の表面から離間させて設けてもよい。
第２実施形態及び第３実施形態におけるその他の構成は、第１実施形態のものと同じであり、共通部分に同一符号を付して説明を省略する。

なお、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、突起部を金属層の側面部に加工を施すことによって一体に設けたが、側面部にフランジ状の金属枠を固着するなどして、金属層の側面部に別部品を固着することにより設けてもよい。
また、複数の凸条を設ける場合、厚さ方向に直交する方向以外にも、厚さ方向に交差する方向に設けてもよい。その交差方向の角度は、側面部の厚さ、ろう材やフラックスの余剰量、突起部の突出量等に応じて設定すればよい。
また、パワーモジュール用基板を、セラミックス基板、金属層及びヒートシンクが接合されたものとして説明したが、本発明のパワーモジュール用基板には、セラミックス基板の両面に金属層が積層され、その一方の金属層の側面部に突起部が設けられた状態のものでヒートシンクを有しない構成のものも含まれる。

１パワーモジュール
２セラミックス基板
３，３０，３１パワーモジュール用基板
４電子部品
５ヒートシンク
６，７，７０，７１金属層
７ａ，７０ａ，７１ａ側面部
８はんだ接合層
９，９０，９１突起部
１５筒体
１５ａ天板部
１６流路
１７縦壁

Claims

セラミックス基板の両面に金属層が積層されるとともに、その一方の金属層にヒートシンクが接合されたパワーモジュール用基板であって、前記一方の金属層の側面部から突出する突起部が前記側面部の全周にわたって設けられており、前記突起部は、菱形目形状によって構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。
請求項１に記載の前記パワーモジュール用基板の前記ヒートシンクが接合された金属層とは反対側の金属層に電子部品が接合されていることを特徴とするパワーモジュール。
セラミックス基板の両面にろう材を介して金属層を重ね合わせ加圧するとともに加熱し接合した後、一方の金属層とヒートシンクとをノコロック接合法により接合するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記一方の金属層として、その側面部から突出する突起部が全周にわたって設けられ、該突起部が菱形目形状によって構成されている金属層を用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。
セラミックス基板の両面に、回路層となる金属層と、放熱層となる金属層とが積層されたパワーモジュール用基板であって、前記放熱層となる金属層の側面部から突出する突起部が前記側面部の全周にわたって設けられており、前記突起部は、菱形目形状によって構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。