JP5494271B2 - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

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を積層し、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、一方、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金属層が形成され、この金属層に放熱フィンが接合された構成のものが知られている。

この種のパワーモジュールとしては、例えば、特許文献１や特許文献２記載のパワーモジュールが知られている。特許文献１記載のパワーモジュールにおいては、セラミックス基板に接合される放熱層として、厚肉状の櫛歯状の放熱フィンが設けられている。この放熱フィンは、例えば、アルミニウム合金の押出し成形等により形成される。一方、特許文献２記載のパワーモジュールでは、薄肉状のコルゲートフィンが用いられている。このコルゲートフィンは、例えば、プレス加工により形成される。

これらのパワーモジュールにおいて、セラミックス基板に回路層等を積層状態に設ける方法としては、例えば、特許文献１記載のパワーモジュールの場合には、セラミックス基板にろう材を介在させて金属層を重ね合わせ、この積層体にろう材を介して放熱フィンを重ねた状態で一度に加圧、加熱することにより、ろう材を溶融させてセラミックス基板、金属層、及び放熱フィンを接合している。

一方、特許文献２記載のパワーモジュールの場合には、セラミックス基板と金属層との接合に必要な圧力で放熱フィンを加圧すると、薄肉のコルゲートフィンが変形するおそれがあるため、先ず、セラミックス基板と金属層とをろう材を介して加圧、加熱して接合し、次いで、これらとコルゲートフィンとを一体化する接合方法とする必要がある。

特開平１１−２０４７００号公報 特開２００６−３１０４８６号公報

しかしながら、特許文献１記載の放熱フィンはアルミニウム合金等の押出成形により一体化された櫛歯状に形成されており、ろう付けの際に加圧したときに櫛歯のフィンが存在する部分と存在しない部分とで圧力に差が生じるために、接合面が均一に加圧されず、セラミックス基板、金属層、放熱フィンの各接合面の均一な接合が難しいという問題がある。

一方、特許文献２記載のコルゲートフィンにおいては、全体を一度に接合することができないため、セラミックス基板と金属層とを接合した後に、このコルゲートフィンを接合するという２段階の接合が必要になり、パワーモジュールを形成する工程数が増加することになる。

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、一度のろう付けにより放熱用の金属部材を含めてパワーモジュール用基板全体を均一に接合することができるパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の下面側に回路層用金属層、上面側に放熱層用金属層をろう材を介してそれぞれ配設し、前記放熱層用金属層の上に、複数の孔又は凹部を設けた当て板部材を前記孔又は凹部が前記放熱層用金属層に対向するように載置するとともに、前記当て板部材の孔又は凹部の中に、該孔又は凹部の深さよりも小さい金属部材を前記放熱層用金属層との間にろう材を介在させた状態に配置し、前記当て板部材により前記セラミックス基板と両金属層とを厚さ方向に加圧しつつ加熱することにより、前記セラミックス基板及び両金属層を接合し、かつ前記金属部材を前記放熱層用金属層に接合することを特徴とする。

この製造方法により製造されたパワーモジュール用基板では、放熱層用金属層に接合された複数の金属部材が放熱フィンとしての機能を有する。そして、この製造方法では、当て板部材の孔又は凹部に金属部材を配置して加圧するので、金属部材には加圧力が作用せず、一方、セラミックス基板及び金属層には、孔又は凹部を除く部分で全面的に当て板部材により加圧される。この孔又は凹部の大きさを適宜設定することにより、セラミックス基板及び金属層の全面をほぼ均一な加圧力で加圧してろう付けすることができる。

また、金属部材は、当て板部材の孔又は凹部内に配置され、当て板部材からの加圧力が作用しないため、押しつぶされたり変形したりすることが防止され、自身の重量によって放熱層用金属層に押圧されてろう付けされる。これにより、セラミックス基板への両金属層のろう付けと、金属部材の金属層へのろう付けとを一度の接合工程によって行うことができる。当て板部材は、孔又は凹部にフィンを配置した状態で金属層に接触するだけであるので、ろう付け後は取り外し可能で再利用することができる。
なお、金属部材を金属層とは別に設けているため、金属部材の形状をピン状、球状、線状などの任意の形状とし、当て板部材の孔又は凹部をこれら金属部材の形状に合わせて形成しておくことで、種々の形状の金属部材を接合することができる。

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記両金属層は、純度９９．９ｗｔ％以上のアルミニウムであり、前記金属部材は、純度９９ｗｔ％以下のアルミニウムであるとよい。
この場合、両金属層と金属部材とを何れも高い熱伝導性のアルミニウムとしていることで優れた放熱特性を発揮し、特に、金属層は、アルミニウム純度が高いので、熱伸縮による応力の発生が緩和され、一方、金属部材は高強度となり、水冷、空冷等の冷却流体の圧力に対する優れた耐力を発揮する。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、一度のろう付け工程により、放熱用の金属部材を含めてパワーモジュール用基板全体を接合でき、特に、セラミックス基板、金属層の全面を均一に加圧して強固に接合する一方、金属部材は当て板部材の孔又は凹部に配置して、加圧による変形やつぶれを防止しており、高品質なパワーモジュール用基板を製造することができる。

本発明の製造方法の第１実施形態において、ろう付け工程時の状態を示す縦断面図である。 図１の部分拡大図である。 第１実施形態の方法によって製造されたパワーモジュール用基板を有するパワーモジュールの縦断面図である。 図３の一部を省略した裏面図である。 本発明の製造方法の第２実施形態によって製造されたパワーモジュール用基板を示す縦断面図である。 第２実施形態の製造方法におけるろう付け工程時の状態を示す図２同様の拡大図である。 本発明の製造方法の第３実施形態において、ろう付け工程時の状態を示す一部を省略した平面図である。 第３実施形態の製造方法におけるろう付け工程時の状態を示す図２同様の拡大図であり、図７のＡ−Ａ線に沿う断面を示す。 本発明の製造方法の第４実施形態によって製造されたパワーモジュール用基板の一部を示す裏面図である。 本発明の製造方法の第５実施形態によって製造されたパワーモジュール用基板を示す裏面図である。

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３に示すパワーモジュール１は、セラミックス等からなるセラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、この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の一面側には、回路層用金属層５が面方向に間隔をあけて複数接合されているが、他面側には放熱層となる１枚の金属層６が接合されており、その放熱層用金属層６に、図示例ではピン状の金属部材７が多数固着されている。回路層用金属層５の表面に電子部品４がそれぞれはんだ付けされている。

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、若しくは、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る。
両金属層５，６は、何れも純度９９．９ｗｔ％以上のアルミニウムにより形成され、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。

セラミックス基板２及び両金属層５，６の平面状の大きさや厚さについての個々の寸法は特に限定されるものではないが、回路層用金属層５の一辺が約２５０ｍｍの略正方形に形成され、セラミックス基板２は、回路層用金属層５が複数個配置できる大きさの矩形に形成され、放熱層用金属層６は、セラミックス基板２より若干小さい矩形に形成される。また、セラミックス基板２の厚さは例えば６３５μｍ、両金属層５，６の厚さは６００μｍとされる。
また、両金属層５，６は、それぞれプレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板２に接合するか、或いは、平板状のものをセラミックス基板２に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、何れの方法も採用することができる。

一方、金属部材７は、純度９９ｗｔ％（いわゆる２Ｎアルミニウム）以下のアルミニウムにより形成され、例えば、ＪＩＳ規格における３０００番〜６０００番のアルミニウムが使用される。この金属部材７は、図示例ではピン状に形成されており、例えばワイヤ部材を一定の長さに切断することにより、直径１ｍｍ、高さ８〜１０ｍｍに形成され、金属層６の表面に３ｍｍ程度のピッチで垂直に固着されている。

両金属層５、６とセラミックス基板２との相互間は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材によって接合されている。また、放熱層用金属層６と各金属部材７との間も、同様に、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材によって接合される。
一方、回路層用金属層５と電子部品４との接合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。符号８がはんだ接合層を示す。また、電子部品４と回路層用金属層５の図示しない端子部との間は、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。

次に、このように構成したパワーモジュール用基板３の製造方法について説明する。
まず、セラミックス基板２の両面にろう材箔１１を介して金属層５，６をそれぞれ積層する。このとき、回路層用金属層５を下方に向けてセラミックス基板２の上に放熱層用金属層６が配置されるようにする。また、両金属層５，６の表面に、後述するろう付け時の加圧力を面方向に均等に作用させるために緩衝部材となる当て板部材１２，１３をそれぞれ配置する。これら当て板部材１２，１３はカーボン等によって形成され、金属層５，６よりも大きく、図示例ではセラミックス基板２とほぼ同じ大きさの平板状に形成されている。このうち、回路層用金属層５に接する当て板部材１２は平板のままであるが、放熱層用金属層６に接する当て板部材１３は、平板状のものに多数の孔１４が貫通状態に設けられている。

この当て板部材１３に形成される各孔１４は、金属層５に固着される金属部材７の外径よりもわずかに大きい内径に形成されるとともに、この当て板部材１３が金属部材７の長さよりも大きい板厚に形成されていることにより、孔１４の長さも金属部材７の長さより大きく形成される。
そして、各孔１４の中に金属部材７が１本ずつ挿入される。これら金属部材７は、孔１４内に起立した状態に挿入されるとともに、先端にろう材１５が塗布されており、このろう材１５を孔１４の中で金属層６に接触させるように配置される。
なお、両当て板部材１２，１３において、金属層５，６に接する表面及び孔１４の内周面には、ＢＮ（ボロンナイトライド）等の剥離剤が塗布される。

この図１に示す積層状態において、図示略の加圧装置により、高温下において矢印で示すように当て板部材１２，１３を厚さ方向に加圧することにより、セラミックス基板２と両金属層５，６との間のろう材箔１１を溶融し、これらを一体化する。このとき、金属層５，６は、当て板部材１２，１３により全面的に加圧され、これら金属層５，６とセラミックス基板２とが面方向に均一に接合される。
一方、当て板部材１３の孔１４内に配置されている金属部材７は、自重が下方に向けて作用し、その自重より放熱層用金属層６に押圧され、先端のろう材１５が溶融して固着する。
このようなろう付け工程後、両当て板部材１２，１３を金属層５，６から剥がすことにより、セラミックス基板２の両面に金属層５，６が接合されるとともに、放熱層用金属層６に多数の金属部材７が立設状態に固着されたパワーモジュール用基板３が完成する。

以上の製造方法において、一度の接合工程（ろう付け工程）により、セラミックス基板２の一面側に回路層用金属層５、他面側に多数の金属部材７が接合された金属層６を有するパワーモジュール用基板３の全体を接合することができ、しかも、当て板部材１２，１３が小径の孔１４を除き全面で金属層５，６に接するので、加圧力を接合面の全面に均一に作用させることができる。
また、金属部材７に対しては、当て板部材１２の孔１４により、ろう付け時の加圧力が作用しないので、変形等が防止されるとともに、その自重によって金属層６に適切に接合される。

そして、このようにして製造されたパワーモジュール用基板３は、複数の金属部材７が放熱フィンとしての機能を有し、放熱層用金属層６と金属部材７とが一体となって高い放熱効果を有する。また、両金属層５，６は純アルミニウムによりセラミックス基板２との間の熱応力を緩和して、接合面を良好に維持することができる。さらに、金属部材７を、純度９９ｗｔ％以下（例えば、ＪＩＳ規格３０００番〜６０００番のアルミニウム）とした場合には、強度が大きいので、空冷、水冷による圧力に対する耐力を有しており、放熱基板として長期的に安定して機能を発揮することができる。

図５及び図６は、本発明の第２実施形態を示しており、この実施形態のパワーモジュール用基板２１においては、金属部材２２が球状に形成され、この球状の金属部材２２が放熱層用金属層６にろう付けされている。球状であるので、金属部材２２の表面積が大きく、放熱機能を向上させることができる。当て板部材１３の孔１４は、この球状金属部材２２に合わせた適宜の形状に形成される。その他の構成については、第１実施形態と同様であり、同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

図７及び図８は、本発明の第３実施形態を示している。この実施形態では、金属部材２６がワイヤによって長尺に形成され、このワイヤからなる金属部材２６を放熱層用金属層６の表面に沿って複数本平行に並べるようにして接合したものである。当て板部材１３の孔２７もワイヤからなる金属部材２６を配置できるようにスロット状に形成される。ワイヤ状の金属部材２６の形状、大きさは、金属層６との間に生じる熱応力を考慮して接合面積や接合間隔等を適宜に設定するとよい。
この第３実施形態のように、金属層６の表面に金属部材２６によって方向性が付与される場合には、空冷又は水冷のための流体の流れ方向を金属部材２６と平行にするとよい。
その他、放熱用の金属部材については、図９に示すように、ワイヤを短尺に切断してなる金属部材３１を放熱層用金属層６の上に複数の直線状の列をなすように並べて接合したもの、図１０に示すように、円弧状に湾曲させた金属部材３２を放熱層用金属層６の表面に渦巻き状に並べて接合したものなどの形状としてもよい。

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、当て板部材に金属部材を配置するための孔を貫通状態に設けたが、金属部材が配置可能であれば、孔に代えて凹部としてもよい。
また、上記の実施形態では、セラミックス基板、金属層、金属部材の組み合わせを一組のみ示したが、いずれの実施形態においても、セラミックス基板、金属層、金属部材の組み合わせを複数用意し、これらを当て板部材を介して複数組積層させた状態でろう付けするようにしてもよい。
また、金属部材を金属層に固着するためのろう材としては、ペースト状のもの、粉末状のもの、箔状のものなど、適宜のものを用いることができる。

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
５，６ 金属層
７ 金属部材
８ はんだ接合部
１１ ろう材箔
１２，１３ 当て板部材
１４ 孔
１５ ろう材
２１ パワーモジュール用基板
２２ 金属部材
２６ 金属部材
２７ 孔
３１ 金属部材
３２ 金属部材

Claims (2)

1. セラミックス基板の下面側に回路層用金属層、上面側に放熱層用金属層をろう材を介してそれぞれ配設し、前記放熱層用金属層の上に、複数の孔又は凹部を設けた当て板部材を前記孔又は凹部が前記放熱層用金属層に対向するように載置するとともに、前記当て板部材の孔又は凹部の中に、該孔又は凹部の深さよりも小さい金属部材を前記放熱層用金属層との間にろう材を介在させた状態に配置し、前記当て板部材により前記セラミックス基板と両金属層とを厚さ方向に加圧しつつ加熱することにより、前記セラミックス基板及び両金属層を接合し、かつ前記金属部材を前記放熱層用金属層に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方法。
2. 前記両金属層は、純度９９．９ｗｔ％以上のアルミニウムであり、前記金属部材は、純度９９ｗｔ％以下のアルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。

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