JP5552803B2 - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、パワーモジュール用基板の製造方法に関する。

一般に、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が比較的高いため、このパワーモジュール用基板としては、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣ等からなるセラミックス基板上にアルミニウム板等の金属板からなる導体パターン部材および冷却用金属板をＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を介して接合させたものが用いられている。そして、導体パターン部材の表面（回路面）にはんだ材を介して電子部品（半導体チップ等のパワー素子）が搭載されることにより、パワーモジュールが製造される。

このようなパワーモジュール用基板において、従来、セラミックス基板に金属板を接合した後にエッチング等により所定形状に形成する方法による導体パターン部材および冷却用金属板が用いられている。近年、高い冷却効果を得るためにより厚い冷却用金属板を使用することが求められているが、厚い金属板をセラミックス基板に接合した場合、熱応力によりセラミックス基板が割れるおそれがある。このような場合、たとえば打ち抜き加工や鋳造によりあらかじめ所定形状に形成された導体パターン部材および冷却用金属板をセラミックス基板に接合する方法が採用される（特許文献１参照）。

所定形状の導体パターン部材および冷却用金属板をろう付けする場合、ろう材が導体パターン部材の回路面に流れ、電子部品を搭載するためのワイヤボンディングの接着性を低下させるおそれがある。このため、特許文献２では、打ち抜き加工により形成した導体パターン部材をセラミックス基板とは反対側（すなわち回路面側）にバリを位置させるように配置することにより、ろう材の付着をバリによって阻止することが提案されている。

特許文献３では、導体パターン部材を囲む溝部をセラミックス基板に形成することにより、溝部内にバリを収容して導体パターン部材とセラミックス基板との接触面積を確保してこれらの接合を確実にするとともに、ろう材を溝部に溜めて導体パターン部材の回路面に回り込むのを防止することが提案されている。

特開２００７−３１１５２７号公報 特開２００８−３１１２９４号公報 特開２００８−３１１２９５号公報

セラミックス基板と導体パターン部材とは、ろう材を溶融させた状態で厚さ方向に加圧されることにより接合される。これらの接合が十分でない場合には、セラミックス基板の反りや、温度変化を繰り返す温度サイクル条件下等において、接合部分に剥離が生じたりするおそれがある。このため、セラミックス基板と導体パターン部材とが確実に接合されている必要がある。しかしながら、導体パターン部材にバリがあると、ろう付けの加圧時にバリが潰されて不均一に変形されるなどにより、加圧が不均一になって接合が不十分になる場合がある。

バリがある導体パターン部材とセラミックス基板との接合を確実にするために、多めのろう材を用いることが考えられる。しかしながら、余剰のろう材が導体パターン部材の回路面に回り込み、その後のめっき密着性の低下やはんだボイドの発生などの問題が生じるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、打ち抜き加工により形成された導体パターン部材をセラミックス基板に確実に接合するとともに、ろう材がパターン面に付着するのを防止することを目的とする。

本発明の方法により製造されるパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の表面に、金属板の打ち抜き加工により形成された導体パターン部材の裏面がろう付けされてなるパワーモジュール用基板であって、前記導体パターン部材の表面と側面との稜線部に、前記打ち抜き加工により生じたバリを変形させてなるフランジ状突起が、前記側面から前記表面に沿う方向に突出して設けられている。

このパワーモジュール用基板では、導体パターン部材の側面から突出するフランジ状突起によって、導体パターン部材の表面に余剰ろう材が回り込むのを防ぐことができる。また、フランジ状突起とセラミックス基板の表面との間で、導体パターン部材の側面に余剰ろう材を保持させることができるので、余剰ろう材が導体パターン部材の表面に回り込むのをより効果的に防ぐことができる。

このパワーモジュール用基板において、前記フランジ状突起は、前記導体パターン部材の前記側面からの突出高さが５μｍ以上５００μｍ以下、厚さが２５μｍ以上２５０μｍ以下であることが好ましい。この場合、ろう付けに十分な量のろう材を使用しながら、余剰ろう材を導体パターン部材の側面に確実に保持することができる。

また、本発明は、ろう材によりセラミックス基板と導体パターン部材とを接合するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記導体パターン部材を金属板の打ち抜き加工により形成する打ち抜き工程と、前記打ち抜き工程において前記導体パターン部材の表面と側面との稜線に生じたバリを前記導体パターン部材の前記側面から前記表面に沿う方向に突出するフランジ状突起に成形するフランジ成形工程と、前記導体パターン部材の裏面と前記セラミックス基板の表面とを、前記ろう材を挟んで当接させ、これら導体パターン部材およびセラミックス基板を一対の加圧板間で加熱することにより、前記導体パターン部材の裏面と前記セラミックス基板の表面とを接合するろう付け工程とを有する。

この製造方法によれば、製造工程で導体パターン部材に生じるバリを導体パターン部材の側面からフランジ状に突出するように変形するだけで、ろう材が導体パターン部材の表面に流れこむことを容易かつ効果的に防止することができる。

この製造方法において、前記導体パターン部材は、その裏面に前記ろう材が予め接着された状態で前記打ち抜き加工を施されることが好ましい。この場合、導体パターン部材の裏面全体に容易にろう材を付着させ、セラミックス基板に対して導体パターン部材を確実にろう付けすることができる。

前記フランジ成形工程は、前記導体パターン部材の表面を平坦にプレスする面押し工程であることが好ましい。この場合、導体パターン部材に生じたバリを容易にフランジ状突起に成形することができる。

前記フランジ成形工程において、前記バリを変形させる加工を複数回に分けて行うことが好ましい。フランジ成形工程において、バリが大きい場合には変形量が大きくなることにより、亀裂が生じたりバリが欠けたりして回路面を損傷させるおそれがある。これに対して、バリを変形させる加工を複数回に分けて行うことにより、バリが大きい場合であっても急激な変形により破損を生じることなく確実にバリを変形させ、導体パターン部材の表面に突出しないフランジ状に成形することができる。

本発明によれば、導体パターン部材の表面へのろう材の付着を抑えながら、打ち抜き加工により形成された導体パターン部材がセラミックス基板に確実に接合されたパワーモジュール用基板を得ることができる。

本発明のパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの断面図である。 本発明のパワーモジュール用基板を示す断面図である。 本発明に係る導体パターン部材のバリをフランジ状に成形する工程において、１回目の加工を示す断面図である。 本発明に係る導体パターン部材のバリをフランジ状に成形する工程において、２回目の加工を示す断面図である。

以下、本発明に係るパワーモジュール用基板およびその製造方法について説明する。本発明のパワーモジュール用基板１０は、図１に示すパワーモジュール２０に用いられる基板である。パワーモジュール２０は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品２１とから構成される。

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の表面に積層された導体パターン部材１２と、セラミックス基板１１の裏面に積層された放熱用金属板１３とを備える。このパワーモジュール用基板１０において、導体パターン部材１２の上に電子部品２１が搭載されるとともに、放熱用金属板６にヒートシンク２２が取り付けられる。

セラミックス用基板１１は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）を母材として、たとえば厚さ０．６３５ｍｍの矩形状に形成されている。このセラミックス基板１１の表面には、導体パターン部材１２の裏面１２ａが接合されている。また、セラミックス基板１１の裏面には、たとえば厚さ１．６ｍｍの純アルミニウムにより、セラミックス基板１１より若干小さい矩形状に形成された放熱用金属板１３が接合されている。

導体パターン部材１２は、たとえば厚さ０．６ｍｍの純アルミニウム板の打ち抜き加工により回路パターンの外形に成形されていて、図２に示すように、その表面１２ｂと側面１２ｃとの稜線部に、表面１２ｂから突出せず側面１２ｃから表面１２ｂに沿う方向に突出するフランジ状突起１５が設けられている。このフランジ状突起１５は、導体パターン部材１２の側面１２ｃからの突出高さＨが５μｍ以上５００μｍ以下、厚さｔが２５μｍ以上２５０μｍ以下であって、その先端が表面１２ｂよりもセラミックス基板１１に近く、側面１２ｃよりも外側に位置している。

セラミックス基板１１と、導体パターン部材１２および放熱用金属板１３との相互間はろう付けによって接合されている。ろう材は、Ａｌ−Ｓｉ系が使用される。ろう材の厚さは１０〜２０μｍが好ましく、このうち厚さ約１０μｍ分のろう材が接合に寄与する。ろう材の厚さが１０μｍ未満の場合は、初期接合状態での未接合部が発生したり、例えば−４０〜１０５℃の冷熱サイクル試験において剥がれが発生したりするおそれがあり、接合信頼性が低下する。

このろう付けにおいてセラミックス基板１１と導体パターン部材１２との間から押し出された余剰ろう材１４は、図２に示すように、フランジ状突起１５の下方の範囲で、側面１２ｃに付着し保持されている。

導体パターン部材１２の上には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材２３によって電子部品２１が接合される。なお、電子部品２１と導体パターン部材１２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。

放熱用金属板１３には、ろう付け、はんだ付け、ボルト等によってヒートシンク２２が接合される。ヒートシンク２２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２２ａを備える。

次に、以上のように構成されるパワーモジュール用基板１０の製造方法について説明する。

まず、導体パターン部材１２を、金属板の打ち抜き加工により形成する打ち抜き工程を行う。このとき、導体パターン部材１２は、その裏面１２ａにろう材が予め接着された状態で打ち抜き加工を施される。すなわち、導体パターン部材１２の母材である金属平板にろう材箔を溶剤（オクタンジオール等）や超音波等により貼付しておき、これら金属平板とろう材箔とを重ねた状態で同時にプレス加工によって打ち抜く。これにより、導体パターン部材１２の外形にろう材箔も打ち抜き成形される。

なお、次工程において、導体パターン部材１２の側面１２ｃからの突出高さＨが５μｍ以上５００μｍ以下、厚さｔが２５μｍ以上２５０μｍ以下であるフランジ状突起１５を形成するために、打ち抜き加工に用いるダイスとパンチとのクリアランスを適宜設定し、適切な大きさのバリ１５ａを形成しておく。
この打ち抜き加工時のバリ１５ａの高さが小さ過ぎると、後の面押し加工時にバリが過剰につぶれてしまい、所望のフランジ状突起１５を形成することが難しい。また、バリ１５ａの高さが大き過ぎるものは導体パターン部材１２としての打ち抜き成形が困難である。

このように形成された導体パターン部材１２には、打ち抜き工程においてその表面１２ｂと側面１２ｃとの稜線に、導体パターン部材１２の厚さ方向に表面１２ｂから突出するバリ１５ａが生じている。このバリ１５ａを、導体パターン部材１２の表面１２ｂから突出せず側面１２ｃから突出するフランジ状突起１５に成形するフランジ成形工程を行う。すなわち、導体パターン部材１２の表面１２ｂを平坦にプレスする面押し加工を行うことにより、バリ１５ａを導体パターン部材１２の表面に沿って外側に広げるように変形させ、フランジ状突起１５を形成する。

この面押し加工では、バリ１５ａを変形させる加工が複数回（たとえば２回）に分けて行われる。まず、図３に示すように、導体パターン部材１２の表面１２ｂに当接する平坦面３１と、バリ１５ａに当接する傾斜面３２とを有する第１パンチ３０を用いて、導体パターン部材１２の表面１２ｂを面押しし、導体パターン部材１２が破損しないようにバリ１５ａを変形させる。

次いで、図４に示すように、表面１２ｂおよびバリ１５ａに当接する平坦面４１を有する第２パンチ４０を用いて、さらにバリ１５ａを変形させ、フランジ状突起１５を成形する。このように、複数回に分けて加工を行うことにより、１回の変形量を小さくし、加工による導体パターン部材１２の損傷を抑えることができる。

放熱用金属板１３も、導体パターン部材１２と同様に、ろう材を貼付した状態で打ち抜き加工し、バリをフランジ状に成形して形成する。

次に、導体パターン部材１２の裏面１２ａとセラミックス基板１１の表面、および放熱用金属板１３とセラミックス基板１１の裏面を、それぞれろう材を挟んで当接させ、これら導体パターン部材１２、セラミックス基板１１および放熱用金属板１３を一対の加圧板間で加熱することにより接合するろう付け工程を行う。

このように、小面積の導体パターン部材１２および放熱用金属板１３を形成してろう付けすることにより、放熱性を向上させるために放熱用金属板１３を厚くしても、ろう付け等の熱応力によりセラミックス基板１１が破損したり接合部分が剥離したりすることを抑制できる。

このろう付け工程において、導体パターン部材１２のフランジ状突起１５および放熱用金属板１３のフランジ状突起がセラミックス基板１１との接合面から離れてこの接合面に平行に延びるように、各部材が積層される。すなわち、各加圧板に当接する面近傍に各部材のバリ（突起）が配置されるが、これらバリは導体パターン部材１２および放熱用金属板１３の各側面から表面に沿う方向に突出するフランジ状に成形されて加圧板に向けられていないので、接合面での加圧が不均一になることがない。

また、このろう付け工程において、各部材間が確実に接合されるために十分な量のろう材が用いられている。したがって、接合に寄与しない余剰ろう材１４が加圧により接合面から押し出されて、たとえばセラミックス基板１１の表面側では、導体パターン部材１２の側面１２ｃを伝って表面１２ｂへ向かって流れる。しかしながら、フランジ状突起１５が側面に交差する方向（すなわち表面１２ｂに沿う方向）に突出しているので、余剰ろう材１４はこのフランジ状突起１５を越えて表面１２ｂに付着することはなく、フランジ状突起１５の下方で側面１２ｃに保持される。

ここで、フランジ状突起の突出高さＨについて説明する。
まず、セラミックス基板上にろう付される導体パターン部材は、一般に１辺が５ｍｍ〜５０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの正方形板であり、その面積は２５ｍｍ²〜２５００ｍｍ²である。これに対して、接合に用いられるろう材は、導体パターン部材と同じ形状で、厚さが１０μｍ〜３０μｍの正方形箔であって、このうち接合に寄与するのは厚さ１０μｍ分である。

したがって、このような導体パターン部材およびろう材を用いた場合に生じる余剰ろう材は、厚さ２０μｍ、面積２５ｍｍ²〜２５００ｍｍ²となる。すなわち、余剰ろう材の体積は０．５ｍｍ³〜５０ｍｍ³である。この余剰ろう材が導体パターン部材の側面全周に均等に這い上がると仮定すると、その厚さは、５ｍｍ角の導体パターン部材の場合で約４２μｍ、５０ｍｍ角の導体パターン部材の場合で約４１７μｍと計算できる。このことから、フランジ状突起の突出高さＨを５μｍ〜５００μｍと設定すれば、余剰ろう材を導体パターン部材の側面に十分に保持できると考えられる。

以上説明したように、本発明によれば、余剰ろう材１４が導体パターン部材１２の表面１２ｂに付着しないので、めっき密着性の低下やはんだボイドの発生などの問題が生じるおそれがないパワーモジュール用基板１０を得ることができる。

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、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。たとえば、前記実施形態では導体パターン部材１２と同様に放熱用金属板１３も打ち抜き加工により形成してバリを成形したが、放熱用金属板１３の形成方法はこれに限定されない。

１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 導体パターン部材
１２ａ 裏面
１２ｂ 表面
１２ｃ 側面
１３ 放熱用金属板
１４ 余剰ろう材
１５ フランジ状突起
１５ａ バリ
２０ パワーモジュール
２１ 電子部品
２２ ヒートシンク
２２ａ 流路
２３ はんだ材
３０ 第１パンチ
３１ 平坦面
３２ 傾斜面
４０ 第２パンチ
４１ 平坦面

Claims (4)

1. ろう材によりセラミックス基板と導体パターン部材とを接合するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
   前記導体パターン部材を、金属板の打ち抜き加工により形成する打ち抜き工程と、
   前記打ち抜き工程において前記導体パターン部材の表面と側面との稜線に生じたバリを、前記導体パターン部材の前記側面から前記表面に沿う方向に突出するフランジ状突起に成形するフランジ成形工程と、
   前記導体パターン部材の裏面と前記セラミックス基板の表面とを、前記ろう材を挟んで当接させ、これら導体パターン部材およびセラミックス基板を一対の加圧板間で加熱することにより、前記導体パターン部材の裏面と前記セラミックス基板の表面とを接合するろう付け工程と
   を有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. 前記導体パターン部材は、その裏面に前記ろう材が予め接着された状態で前記打ち抜き加工を施され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。
3. 前記フランジ成形工程において、前記打ち抜き工程にて生じたバリを前記導体パターン部材の表面に沿って外側に広げるように、前記導体パターン部材の表面を平坦にプレスすることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
4. 前記フランジ成形工程において、前記バリを変形させる加工を複数回に分けて行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の製造方法。

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