JP5625794B2 - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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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、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金属層が形成され、この放熱層にヒートシンクが接合されたパワーモジュールが知られている。
このようなセラミックス基板に回路層または放熱層となるアルミニウム金属層を積層状態に形成する方法として、たとえば特許文献１では、Ａｌ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｇｅ系のろう材を介在させてセラミックス基板とアルミニウム金属層とを重ね合わせ、その積層体を加圧、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とアルミニウム金属層とを接合している。
従来、パワーモジュールは、回路層および放熱層とも同じ板厚で形成されるのが一般的であったが、近年では放熱層とヒートシンクとの間の熱膨張差による熱応力を緩和するための応力緩衝機能を放熱層自体に持たせるために、放熱層を厚肉に形成することが検討されている。しかしながら、回路層と放熱層との厚さに差があると、ろう付のための加熱処理を経由すると熱応力により全体に反りが生じて、その後のヒートシンクへの接合を阻害するという問題が生じる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反りの問題を解消し、信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
本発明は、セラミックス基板と所定の厚さを有する金属板とを交互に積層して接合した後、前記金属板を厚さ方向の途中位置で面方向に沿って切断することにより、前記セラミックス基板の両面にそれぞれ所定厚さの第１金属層および第２金属層を形成するパワーモジュール用基板の製造方法である。
この発明によれば、セラミックス基板の両面に金属板を接合するときに同じ板厚の金属板をセラミックス基板の間に介在させるので、各セラミックス基板の両面で生じる熱伸縮が等しく、接合時の熱の影響による反りを抑制することができる。しかも、セラミックス基板と金属板とを複数層積層するので、その積層体は厚さ方向に大きなブロック状となり、反りが生じにくくなる。そして、この積層体における金属板を厚さ方向に切り分けることにより第１金属層および第２金属層を形成するので、第１金属層および第２金属層の厚さが異なっていても、反りの発生が略抑制されたパワーモジュール用基板を製造することができる。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、接合時の熱応力による反りが生じにくいので、前記第１金属層の厚さと前記第２金属層の厚さとが異なる場合にも好適である。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属板の接合時の熱による反りを抑えることができるので、反りの問題を解消して信頼性の高いパワーモジュール用基板を製造することができる。
以下、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
まず、パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板２０と、このセラミックス基板２０に接合された放熱層用の第１金属層３０と、セラミックス基板２０に接合された回路層用の第２金属層４０とを備える。
まず、パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板２０と、このセラミックス基板２０に接合された放熱層用の第１金属層３０と、セラミックス基板２０に接合された回路層用の第２金属層４０とを備える。
このパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１００は、図１に示すように、パワーモジュール用基板１０に半導体チップ等の電子部品１０１およびヒートシンク１０２を取り付けて製造される。パワーモジュール１００において、電子部品１０１は、第２金属層４０からエッチング処理等により形成された回路パターン４１の上に、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材１０３によって接合される。電子部品１０１と回路パターン４１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１０４により接続される。
ヒートシンク１０２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１０２ａが形成されている。ヒートシンク１０２は、ろう付、はんだ付、ボルト等によってパワーモジュール用基板１０に接合される。
セラミックス用基板２０は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ3Ｎ4（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ2Ｏ3（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。放熱層用の第１金属層３０および回路層用の第２金属層４０は、純アルミニウムまたはＪＩＳ１０００番台のアルミニウム合金により形成される。
パワーモジュール用基板１０において、第１金属層３０および第２金属層４０は、図２に示すように、複数枚のセラミックス基板２０と所定の厚さを有する金属板５０を交互に積層して接合した後、金属板５０を厚さ方向の途中位置で面方向に沿って切断することにより形成される。
具体的には、まず、金属板５０とセラミックス基板２０との間を、ろう材によりろう付する。たとえば図２に示すように、ろう材を介在させて５枚のセラミックス基板２０と６枚の金属板５０とを交互に積層し、この積層体６０を厚さ方向に加圧および加熱して、各セラミックス基板２０と各金属板５０とをろう付する。ろう材としては、たとえばＡｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等を用いることができる。このように、セラミックス基板２０の両面に対して同じ厚さの金属板５０がろう付けされるので、セラミックス基板２０の両面で生じる熱伸縮が等しく、熱の影響による反りを抑制することができる。また、積層体６０は厚さが大きく曲がりにくいので、一層反りが生じにくいものとなっている。
この積層体６０において、セラミックス基板２０に接合された金属板５０を、厚さ方向に分割するように切断する。金属板５０は、第１金属層３０の厚さｔ１、第２金属層４０の厚さｔ２、および切断代の厚さｔ３を合計した厚さＴを有している。したがって、各金属板５０について、一方の面からの距離ｔ１の位置で切断代がｔ３となるように切断することにより、各セラミックス基板２０の表裏面にそれぞれ厚さｔ１の第１金属層３０と厚さｔ２の第２金属層４０とが接合されてなるパワーモジュール用基板１０を形成することができる。
このとき、金属板５０の厚さＴや金属板５０の切断位置を変更することにより、任意の厚さを有する第１金属層３０および第２金属層４０を形成することができる。これら第１金属層３０と第２金属層４０とがろう付時に熱伸縮が等しい状態で接合されているため、これら金属層３０，４０の各厚さが異なっていても、パワーモジュール用基板１０はほとんど反ることがない。
パワーモジュール用基板１０において、第１金属層３０の厚さｔ１はたとえば０．６ｍｍ、第２金属層４０の厚さｔ２はたとえば１．６ｍｍである。このような薄い金属板５０を高精度かつ小さい切断代で切断するためには、ダイシングソー、ワイヤソー等、シリコンウェハの切断手段を応用することが好ましい。たとえば、シリコンウェハ切断用のダイシングブレードの切断代の厚さｔ３は一般的には１００μｍ程度である。切断装置の一例として、図２に、複数枚のブレード１１１を備えるダイシングソー１１０を示す。
なお、図２に示すように積層体６０において、複数枚のブレード１１１によって複数の金属板５０を同時に切断して多数（図示例では５個）のパワーモジュール用基板１０を同時に製造する場合、切断終了時にパワーモジュール用基板１０がばらばらに落下しないように、積層体６０における各セラミックス基板２０を確実に保持しておく必要がある。一方、１枚のブレードによって金属板５０を１個ずつ切断し、パワーモジュール用基板１０を１個ずつ製造してもよい。この場合、多数を同時に切断する場合に比較して製造時間が増大するが、簡易な保持構造により積層体６０を保持できるので、製造装置のコスト増大を抑えることができる。
このように積層体６０から金属板５０を切断して個別のパワーモジュール用基板１０を得た後、たとえば研磨ブラシ等を用いて各金属層３０，４０のバリ取りを行う。さらに、各金属層３０，４０の表面処理を行い、表面の加工歪みを除去し、平滑化する。表面処理としては、たとえば水酸化ナトリウム５％水溶液に８０秒〜１６０秒浸漬するアルカリエッチングや、硝酸３０％水溶液に２０秒〜４０秒浸漬する酸処理等が可能である。パワーモジュール用基板１０について、バリ取りおよび表面処理を行った後、エッチング等により第２金属層４０から回路パターン４１を形成し、電子部品１０１およびヒートシンク１０２を取り付けることにより、パワーモジュール１００を製造することができる。
以上説明したパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板２０の両面においてろう付時の各金属板５０の熱伸縮の差がほとんどないので、金属板５０を適宜位置で切断することにより、厚さの異なる各金属層３０，４０がセラミックス基板２０に接合されてなり、反りなく信頼性の高いパワーモジュール用基板１０を製造することができる。
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。
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。
１０ パワーモジュール用基板
２０ セラミックス基板
３０ 第１金属層
４０ 第２金属層
４１ 回路パターン
５０ 金属板
６０ 積層体
１００ パワーモジュール
１０１ 電子部品
１０２ ヒートシンク
１０２ａ 流路
１０３ はんだ材
１０４ ボンディングワイヤ
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Claims (2)
- セラミックス基板と所定の厚さを有する金属板とを交互に積層して接合した後、前記金属板を厚さ方向の途中位置で面方向に沿って切断することにより、前記セラミックス基板の両面にそれぞれ所定厚さの第１金属層および第２金属層を形成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。
- 前記第１金属層の厚さと前記第２金属層の厚さとが異な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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