JP5630355B2 - パワーモジュール用基板の製造方法および製造装置 - Google Patents
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Description
本発明は、大電流、大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および製造装置に関する。
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、導体パターン層を形成する金属層が積層され、この導体パターン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構成のものや、放熱層となる金属層を設けず、セラミックス基板に直接アルミニウム製のヒートシンクが接合された構成のパワーモジュールが知られている。この種のパワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の表面に金属層をはんだ付け又はろう付けにより接合している。
例えば、特許文献１では、セラミックス基板の表面に、揮発性有機媒体の表面張力によってろう材箔を仮固定するとともに、このろう材箔の表面にも揮発性有機媒体の表面張力によって金属層を仮固定して積層体を形成した後に、この積層体を積層方向に加圧して加熱し、パワーモジュール用基板を形成する方法が提案されている。
また、特許文献２には、加圧装置を用いて、セラミックス基板と金属層とをろう材を介して積層した積層体を保持し、組み立てる製造方法が提案されている。この加圧装置においては、十分な接合力のパワーモジュール用基板を製造するために耐熱シートを用いており、耐熱シートの間に積層体を積層して加圧している。
また、特許文献２には、加圧装置を用いて、セラミックス基板と金属層とをろう材を介して積層した積層体を保持し、組み立てる製造方法が提案されている。この加圧装置においては、十分な接合力のパワーモジュール用基板を製造するために耐熱シートを用いており、耐熱シートの間に積層体を積層して加圧している。
しかしながら、特許文献１のように、揮発性有機媒体を用いた表面張力による仮固定では、セラミックス基板とろう材箔との間、ろう材箔と金属層との間にそれぞれ揮発性有機媒体を介在させて保持しているので、これらの突発的な位置ズレが生じることがある。また、加熱時に揮発した揮発性有機媒体により、加熱炉内が汚染されるなどの問題もある。
また、特許文献２の加圧装置においては、先に載置された他の積層体を仮固定する手段がないため、積層体を積み重ねる際に、セラミックス基板、ろう材、金属層との位置ズレが発生し易い。
このように、セラミックス基板、ろう材、金属層との間に位置ズレが生じた場合には、セラミックス基板と金属層との間のろう材が局所的に不足し、強固な接合性が得られないことがある。
また、特許文献２の加圧装置においては、先に載置された他の積層体を仮固定する手段がないため、積層体を積み重ねる際に、セラミックス基板、ろう材、金属層との位置ズレが発生し易い。
このように、セラミックス基板、ろう材、金属層との間に位置ズレが生じた場合には、セラミックス基板と金属層との間のろう材が局所的に不足し、強固な接合性が得られないことがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、セラミックス基板と金属層との組立作業性を向上させることができ、強固な接合を得ることができるパワーモジュール用基板の製造方法および製造装置を提供する。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板及び金属板の積層体の両面に耐熱シートを配置した状態で前記積層体を複数積み重ね、これらを加圧した状態で加熱することにより前記セラミックス基板に前記金属板を接合してパワーモジュール用基板を製造する方法であって、ステージ上に載置された耐熱シートの上に前記セラミックス基板及び前記金属板を面方向に進退可能なガイド枠により面方向に位置決めしながら積層する積層体積み重ね工程と、これらセラミックス基板及び金属板の積層体の上に新たな耐熱シートを載置する耐熱シート載置工程とを繰り返すことにより、前記積層体を前記耐熱シートを介して複数積み重ね状態とするとともに、前記積層体積み重ね工程から前記耐熱シート載置工程までの間は前記積層体が載置される前記耐熱シートの側縁部を上方から押圧し、前記耐熱シート載置工程後から次の積層体積み重ね工程までの間は最上段の耐熱シートを上方から押圧状態とした後、前記側縁部の押圧を解除して前記ガイド枠を退避させることを特徴とする。
耐熱シートを押圧して積層体に荷重をかける構成とされ、耐熱シートの上にセラミックス基板及び金属板を積層しているときには、耐熱シートの側縁部を押圧しておき、次に続く、耐熱シート載置工程後から次の積層体積み重ね工程までの間は最上段の耐熱シートを押圧状態とすることにより、積み重ねられた耐熱シート及び積層体を常に加圧した状態に維持しながら、新たな耐熱シート及び積層体を積み重ねていくことができる。これにより、セラミックス基板と金属板との位置ズレを防止することができ、組立作業性を向上させることができるとともに、強固に接合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。
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、前記ガイド枠により、前記耐熱シートの側縁部を上方から押圧するとよい。
積層体を面方向に位置決めするガイド枠により耐熱シートの側縁部を押圧して保持するので、効率的にセラミックス基板と金属層とを積層することができ、組立作業性を向上させることができる。
積層体を面方向に位置決めするガイド枠により耐熱シートの側縁部を押圧して保持するので、効率的にセラミックス基板と金属層とを積層することができ、組立作業性を向上させることができる。
本発明のパワーモジュール用基板の製造装置は、セラミックス基板及び金属板の積層体の両面に耐熱シートを配置した状態で前記積層体を複数積み重ね、これらを加圧した状態で加熱することにより前記セラミックス基板に前記金属板を接合してパワーモジュール用基板を製造する装置であって、前記耐熱シート及び前記積層体が載置されるステージを昇降するリフタと、前記ステージ上で面方向に進退可能に配置され前記積層体を面方向に位置決めするガイド枠と、前記積層体の上面に配置される耐熱シートを上方から押圧可能な荷重手段とを備え、前記ガイド枠は、前記ステージに載置した耐熱シートを前記リフタにより上昇させたときに前記耐熱シートを押圧する押圧面が下面に形成されているとともに、前記金属板の側面に当接する金属板位置決め部が形成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装置は、セラミックス基板及び金属板の積層体の両面に耐熱シートを配置した状態で前記積層体を複数積み重ね、これらを加圧した状態で加熱することにより前記セラミックス基板に前記金属板を接合してパワーモジュール用基板を製造する装置であって、前記耐熱シート及び前記積層体が載置されるステージを昇降するリフタと、前記ステージ上で面方向に進退可能に配置され前記積層体を面方向に位置決めするガイド枠と、前記ステージ上で面方向に進退可能に配置され前記耐熱シートの側縁部を上方から押圧可能な押圧手段と、前記積層体の上面に配置される耐熱シートを上方から押圧可能な荷重手段とを備え、前記ガイド枠は、前記金属板の側面に当接する金属板位置決め部が形成されており、前記押圧手段は、前記ステージに載置した耐熱シートを前記リフタにより上昇させたときに、前記セラミックス基板よりも外方の側方位置で前記耐熱シートを押圧する押圧面が下面に形成されているとともに、前記積層体の両面に配置される前記耐熱シート間に移動空間をあけて配置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装置は、セラミックス基板の両面にそれぞれ金属板が積層された積層体と、前記積層体と積層体との間に耐熱シートとを配置した状態で積み重ね、これらを加圧した状態で加熱することにより前記セラミックス基板に前記金属板を接合してパワーモジュール用基板を製造する装置であって、前記耐熱シート及び前記積層体が載置されるステージを昇降するリフタと、前記ステージ上で面方向に進退可能に配置され前記積層体を面方向に位置決めするガイド枠と、前記積層体の上面に配置される耐熱シートを上方から押圧可能な荷重手段とを備え、前記ガイド枠は、上下に配置された上側ガイド枠と下側ガイド枠とからなり、前記上側ガイド枠には、前記セラミックス基板の上側に配置される金属板の側面に当接する上側金属板位置決め部が形成され、前記下側ガイド枠には、前記ステージに載置した耐熱シートを前記リフタにより上昇させたときに、該耐熱シートを押圧する押圧面が下面に形成されているとともに、前記セラミックス基板の下側に配置される金属板の側面に当接する下側金属板位置決め部が形成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装置において、前記上側ガイド枠若しくは前記下側ガイド枠の少なくともいずれか一方に前記セラミックス基板を面方向に位置決めするセラミックス基板位置決め部が形成されているとよい。
さらに、本発明のパワーモジュール用基板の製造装置において、前記上側金属板位置決め部及び前記下側金属板位置決め部は、当接する各金属板の板厚より薄肉に形成されているとよい。
これにより、耐熱シート載置工程後に、次の積層体積み重ね工程に入るために前記ガイド枠をスムーズに後方に後退することができる。
さらに、本発明のパワーモジュール用基板の製造装置において、前記上側金属板位置決め部及び前記下側金属板位置決め部は、当接する各金属板の板厚より薄肉に形成されているとよい。
これにより、耐熱シート載置工程後に、次の積層体積み重ね工程に入るために前記ガイド枠をスムーズに後方に後退することができる。
本発明によれば、セラミックス基板と導体パターン層との強固な接合性を得ることができ、パワーモジュール用基板の組立作業性を向上させることができる。
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、この発明により製造されるパワーモジュール用基板３を適用し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、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、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、パワーモジュール用基板３の裏面に接合されたヒートシンク５とから構成される。
図１は、この発明により製造されるパワーモジュール用基板３を適用し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、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、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、パワーモジュール用基板３の裏面に接合されたヒートシンク５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の両面に金属板６，７が積層されており、その一方の金属板６が回路層となり、その表面に電子部品４が接合される。また、他方の金属板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）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成され、金属板６，７は、例えば純度９９．９０質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１Ｎ９０（純度９９．９０質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。このパワーモジュール用基板３は、放熱層となる金属板７に緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属板６よりも肉厚に形成されたものを用いることができる。
また、セラミックス基板２と回路層及び放熱層となる金属板６，７とは、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材によりろう付けされている。
また、セラミックス基板２と回路層及び放熱層となる金属板６，７とは、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材によりろう付けされている。
なお、金属板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と金属板６の端子部との間は、例えばアルミニウム等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、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５１が形成されている。
一方、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、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５１が形成されている。
放熱層となる金属板７とヒートシンク５との間の接合法としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金のろう材によるろう付け法や、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材にフラックスを用いたノコロックろう付け法、金属板およびヒートシンクにＮｉめっきを施し、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−ＡｌもしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によりはんだ付けする方法が用いられ、あるいは、シリコングリースによって密着させた状態でねじによって機械的に固定される。図１では、ろう付けした例を示している。
このパワーモジュール１に用いられているパワーモジュール用基板３の第１実施形態の製造装置について、説明する。
第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造装置は、図２に示すように、セラミックス基板２及び金属板６，７の積層体３０の両面に耐熱シート２０を配置した状態で積層体３０を複数積み重ねる積載装置１００と、積み重ね状態の積層体３０を接合する接合装置（図示略）とを備えている。なお、本実施形態では、セラミックス基板２の両面に金属板６，７を積層したものを積層体３０としたが、セラミックス基板２の片面に金属板６または７のいずれか一方のみを積層したもので積層体３０を構成することもできる。
積載装置１００においては、耐熱シート２０及び積層体３０が載置されるステージ１１を昇降するリフタ１２と、ステージ１１上で積層体３０を面方向に位置決めするガイド手段１３と、積層体３０の上面に配置される耐熱シート２０を上方から押圧可能な荷重手段１４とにより、積層された積層体３０及び耐熱シート２０を加圧した状態に保持しながら、それらの上に新たな積層体３０及び耐熱シート２０を順次積み重ねていく構成とされる。
第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造装置は、図２に示すように、セラミックス基板２及び金属板６，７の積層体３０の両面に耐熱シート２０を配置した状態で積層体３０を複数積み重ねる積載装置１００と、積み重ね状態の積層体３０を接合する接合装置（図示略）とを備えている。なお、本実施形態では、セラミックス基板２の両面に金属板６，７を積層したものを積層体３０としたが、セラミックス基板２の片面に金属板６または７のいずれか一方のみを積層したもので積層体３０を構成することもできる。
積載装置１００においては、耐熱シート２０及び積層体３０が載置されるステージ１１を昇降するリフタ１２と、ステージ１１上で積層体３０を面方向に位置決めするガイド手段１３と、積層体３０の上面に配置される耐熱シート２０を上方から押圧可能な荷重手段１４とにより、積層された積層体３０及び耐熱シート２０を加圧した状態に保持しながら、それらの上に新たな積層体３０及び耐熱シート２０を順次積み重ねていく構成とされる。
リフタ１２は、水平に設けられたステージ１１を上下移動する。リフタ１２の左右には、支柱１５が立設されており、各支柱１５の上端部にガイド手段１３が支持されている。ガイド手段１３は、ステージ１１の上方で水平方向に対向する二段のガイド枠１３ａ，１３ｂを有しており、各ガイド枠１３ａ，１３ｂの対向する先端部には、金属板６，７及びセラミックス基板２、耐熱シート２０を面方向に位置決めする位置決め部が形成されている。また、これらガイド枠１３ａ，１３ｂは、個別に水平駆動機構（図示略）が備えられており、各ガイド枠１３ａ，１３ｂ同士は対向する水平方向に沿って離間接近する方向に移動可能に設けられている。
下側に位置する下側ガイド枠１３ａの先端部は積層体３０の位置決め部１６ａとされ、図３及び図４に示すように、厚さ方向の中央部を残して、その上部及び下部がそれぞれ矩形に切欠されており、下部切欠部により形成される垂直面６３が耐熱シート２０に対する耐熱シート位置決め部１６ａ１、中央部先端面６１が金属板６に対する下側金属板位置決め部１６ａ２、上部切欠部により形成される垂直面６２がセラミックス基板２に対するセラミックス基板位置決め部１６ａ３とされている。また、下側ガイド枠１３ａの下側金属板位置決め部１６ａ２の厚みｔ１１は、金属板６の厚みよりも小さく設定されており、その上方に配置されるセラミックス基板２との間に微小間隙Ｇ１１をあけて設けられている。そして、対向する下側ガイド枠１３ａが互いに接近したときに、これら位置決め部が設けられた先端部１６ａの間に耐熱シート２０及び金属板６、セラミックス基板２を嵌め込むことで面方向に位置決めする構成とされている。なお、本実施形態では、下側ガイド枠１３ａにセラミックス基板位置決め部１６ａ３を設けたが、後述する上側ガイド枠１３ｂに設けることも可能である。さらに、上側ガイド枠１３ｂ及び下側ガイド枠１３ａの両方に設けることも可能である。
上側に位置する上側ガイド枠１３ｂの先端部も、積層体３０の位置決め部１６ｂとされており、下側ガイド枠１３ａと同様に、厚さ方向の中央部を残して、その上部及び下部が切欠かれているが、下部切欠部はセラミックス基板２に対する逃がし部６４とされており、中央部先端面６５が金属板７に対する上側金属板位置決め部１６ｂ１、上部切欠部により形成される垂直面６６が、各積層体３０の間に介在させられる耐熱シート２０に対する耐熱シート位置決め部１６ｂ２とされている。上側ガイド枠１３ｂの上側金属板位置決め部１６ｂの厚みｔ１２は、金属板７の厚みよりも小さく設定されており、上下方向に配置されるセラミックス基板２と耐熱シート２０との間に、微小間隙Ｇ１２，Ｇ１３をあけて設けられている。
また、図４に示すように、下側ガイド枠１３ａの下部切欠部の上面から上側ガイド枠１３ｂの上部切欠部の下面までの厚みｔ１３は、積層体３０の両面に配置される耐熱シート２０相互の間隔ｔ１４よりも小さい寸法に設定されている。
また、図４に示すように、下側ガイド枠１３ａの下部切欠部の上面から上側ガイド枠１３ｂの上部切欠部の下面までの厚みｔ１３は、積層体３０の両面に配置される耐熱シート２０相互の間隔ｔ１４よりも小さい寸法に設定されている。
なお、耐熱シート２０は、積層体３０を複数積層した場合に、隣接する金属板６と金属板７とが接合しないように積層体３０間に積層される。耐熱シート２０は、金属板６及び金属板７を加圧した状態で加熱されても接合しない材質であればよく、本発明では、カーボン板が用いられる。
また、耐熱シート２０は、特に積層体３０への加圧力を均一にするため、グラファイト層の両面にカーボン層を積層し、クッション性を持たせたシートが望ましい。この場合、グラファイト層は、鱗片状のグラファイト薄膜が複数枚雲母のように貼りついて構成されたものであり、カーボン層は、薄膜のカーボン板によって構成されたものである。
また、荷重手段１４は、例えば重りによって構成されるが、特にこれに限定されることなく、バネ、液圧、エア圧方式による手段など、その他適宜の手段を用いることができる。
また、耐熱シート２０は、特に積層体３０への加圧力を均一にするため、グラファイト層の両面にカーボン層を積層し、クッション性を持たせたシートが望ましい。この場合、グラファイト層は、鱗片状のグラファイト薄膜が複数枚雲母のように貼りついて構成されたものであり、カーボン層は、薄膜のカーボン板によって構成されたものである。
また、荷重手段１４は、例えば重りによって構成されるが、特にこれに限定されることなく、バネ、液圧、エア圧方式による手段など、その他適宜の手段を用いることができる。
また、積載装置１００で積み重ねられた積層体３０及び耐熱シート２０は、図５に示すように固定手段１０１によって加圧された状態に保持され、接合装置に運ばれる。
なお、本実施形態においては、固定手段１０１は、耐熱シート２０を載置する凹部１１ａを有するステージ１１と、ステージ１１の上面の四隅に着脱可能に上下方向に沿って取り付けたガイドポスト１０２と、これらガイドポストの上端部に上下移動自在に支持された押圧板１０３と、ガイドポスト１０２の上端部に設けられた雄ねじ部１０２ａに螺合して押圧板１０３の上方への移動を規制するストッパであるナット１０４により構成されている。
押圧板１０３は、ステージ１１に対して平行に配置される。積層体３０及び耐熱シート２０は、ステージ１１と押圧板１０３との間に交互に積層され、ナット１０４によって加圧された状態に保持される。この場合、ステージ１１、押圧板１０３及びガイドポスト１０２は、熱膨張係数が極めて小さいカーボンファイバーを含んだ複合材によって形成されている。
なお、本実施形態においては、固定手段１０１は、耐熱シート２０を載置する凹部１１ａを有するステージ１１と、ステージ１１の上面の四隅に着脱可能に上下方向に沿って取り付けたガイドポスト１０２と、これらガイドポストの上端部に上下移動自在に支持された押圧板１０３と、ガイドポスト１０２の上端部に設けられた雄ねじ部１０２ａに螺合して押圧板１０３の上方への移動を規制するストッパであるナット１０４により構成されている。
押圧板１０３は、ステージ１１に対して平行に配置される。積層体３０及び耐熱シート２０は、ステージ１１と押圧板１０３との間に交互に積層され、ナット１０４によって加圧された状態に保持される。この場合、ステージ１１、押圧板１０３及びガイドポスト１０２は、熱膨張係数が極めて小さいカーボンファイバーを含んだ複合材によって形成されている。
次に、上述した製造装置を用いてパワーモジュール用基板を製造する方法について説明する。
まず、図６に示すように、リフタ１２上に取り付けられたステージ１１の凹部１１ａに、耐熱シート２０を載置した後、両下側ガイド枠１３ａを接近方向に移動させステージ１１の上方に配置した状態で、リフタ１２によりステージ１１を上昇させて、下側ガイド枠１３ａの押圧面１７と耐熱シート２０の外縁部の上面とを当接させ耐熱シート２０を、ステージ１１と下側ガイド枠１３ａとで挟んで押圧状態に保持する。
次いで、この耐熱シート２０の上に金属板６及びセラミックス基板２を順に配置する（図７参照）。なお、回路層となる金属板６には、セラミックス基板２との接合面（図７では上側の面）にろう材箔が溶接等により仮固定されている。このとき、下側ガイド枠１３ａの位置決め部１６ａによって形成された空間部に、金属板６及びセラミックス基板２を順に挿入することで、金属板６とセラミックス基板２とを容易に位置決めして積層することができる。そして、金属板６とセラミックス基板２を積層した後、上側ガイド枠１３ｂを接近方向に移動させる。上側ガイド枠１３ｂによって形成された空間部に放熱層となる金属板７を挿入することで、セラミックス基板２に対して金属板７が位置決めされる。この金属板７にも、セラミックス基板２との接合面（図６では下側の面）にろう材箔が仮固定されており、このようにして、セラミックス基板２の両面にろう材箔を介して金属板６，７が積層された積層体３０が構成される（積層体積み重ね工程）。
まず、図６に示すように、リフタ１２上に取り付けられたステージ１１の凹部１１ａに、耐熱シート２０を載置した後、両下側ガイド枠１３ａを接近方向に移動させステージ１１の上方に配置した状態で、リフタ１２によりステージ１１を上昇させて、下側ガイド枠１３ａの押圧面１７と耐熱シート２０の外縁部の上面とを当接させ耐熱シート２０を、ステージ１１と下側ガイド枠１３ａとで挟んで押圧状態に保持する。
次いで、この耐熱シート２０の上に金属板６及びセラミックス基板２を順に配置する（図７参照）。なお、回路層となる金属板６には、セラミックス基板２との接合面（図７では上側の面）にろう材箔が溶接等により仮固定されている。このとき、下側ガイド枠１３ａの位置決め部１６ａによって形成された空間部に、金属板６及びセラミックス基板２を順に挿入することで、金属板６とセラミックス基板２とを容易に位置決めして積層することができる。そして、金属板６とセラミックス基板２を積層した後、上側ガイド枠１３ｂを接近方向に移動させる。上側ガイド枠１３ｂによって形成された空間部に放熱層となる金属板７を挿入することで、セラミックス基板２に対して金属板７が位置決めされる。この金属板７にも、セラミックス基板２との接合面（図６では下側の面）にろう材箔が仮固定されており、このようにして、セラミックス基板２の両面にろう材箔を介して金属板６，７が積層された積層体３０が構成される（積層体積み重ね工程）。
次に、図８に示すように、これらセラミックス基板２及び金属板６，７の積層体３０の上に新たな耐熱シート２０を載置し（耐熱シート載置工程）、その最上段の耐熱シート２０を荷重手段１４により上方から押圧状態とする。そして、この荷重手段１４による押圧状態で、先ず、上側ガイド枠１３ｂを離間する方向に退避させる。次に、リフタ１２を、微小間隙Ｇ１１よりも小さい範囲で降下させて、耐熱シート２０との接触を回避し、下側ガイド枠１３ａにかかる負荷を解除するとともに、ステージ１１上に積み重ねられた積層体３０及び耐熱シート２０を、ステージ１１と荷重手段１４との間で押圧状態に保持する。このとき、下側ガイド枠１３ａの押圧面１７と耐熱シート２０の上面との間に若干の隙間が生じ、下側ガイド枠１３ａは無負荷状態となるので、下側ガイド枠１３ａを離間する方向に退避させることができる。
図９に示すように、リフタ１２を積層体３０及び耐熱シート２０の積層高さ分より若干大きく降下させ、再び、下側ガイド枠１３ａを接近する方向に移動させて最上段の耐熱シート２０の上方に配置する。その後、リフタ１２を上昇させて、下側ガイド枠１３ａの押圧面１７と最上段の耐熱シート２０の上面とを当接させ、積層体３０及び耐熱シート２０を、ステージ１１と下側ガイド枠１３ａとの間に挟んで押圧状態に保持する。この下側ガイド枠１３ａによる押圧状態にしてから、荷重手段１４による押圧状態を解き、新たな金属板６、セラミックス基板２及び金属板７を順次積み重ねる。
このように、積層体積み重ね工程と、耐熱シート載置工程とをステージ１１を下降させながら繰り返すことにより、積層体３０を耐熱シート２０を介して複数積み重ね状態とする。積層体積み重ね工程から耐熱シート載置工程までの間は、積層体３０が載置される耐熱シート２０を下側ガイド枠１３ａの押圧面１７により押圧し、耐熱シート載置工程後から次の積層体積み重ね工程までの間は、下側ガイド枠１３ａによる押圧に代えて、最上段の耐熱シート２０を荷重手段１４により押圧状態とする。
このように、積層体積み重ね工程と、耐熱シート載置工程とをステージ１１を下降させながら繰り返すことにより、積層体３０を耐熱シート２０を介して複数積み重ね状態とする。積層体積み重ね工程から耐熱シート載置工程までの間は、積層体３０が載置される耐熱シート２０を下側ガイド枠１３ａの押圧面１７により押圧し、耐熱シート載置工程後から次の積層体積み重ね工程までの間は、下側ガイド枠１３ａによる押圧に代えて、最上段の耐熱シート２０を荷重手段１４により押圧状態とする。
耐熱シート２０と積層体３０とを所定数積層した後、図１０に示すように、最上段の耐熱シート２０の上に固定手段１０１の押圧板１０３を配置して、その押圧板１０３ごと荷重手段１４により押圧状態としてガイド枠１３ａ，１３ｂを退避させる。荷重手段１４により押圧状態としたまま、ガイドポスト１０２をステージ１１に立設し、押圧板１０３の上に突出するガイドポスト１０２の雄ねじ部１０２ａにナット１０４を螺合して固定する。
積層された耐熱シート２０及び積層体３０をその厚さ方向に保持する固定手段１０１ごと接合装置に入れ、各積層体３０を加圧した状態で所定のろう付け温度で加熱する。各積層体３０のセラミックス基板２と金属板６，７とがろう付けされ、パワーモジュール用基板３が製造される。
積層された耐熱シート２０及び積層体３０をその厚さ方向に保持する固定手段１０１ごと接合装置に入れ、各積層体３０を加圧した状態で所定のろう付け温度で加熱する。各積層体３０のセラミックス基板２と金属板６，７とがろう付けされ、パワーモジュール用基板３が製造される。
このように、本実施形態によれば、積み重ねられた積層体を常に加圧した状態に維持しながら、新たな耐熱シート及び積層体を積み重ねていくことができるので、セラミックス基板と金属板との位置ズレを防止することができ、強固な接合性を有するパワーモジュール用基板を製造することができる。また、積層体を面方向に位置決めするガイド枠の下面が、耐熱シートに対する押圧面となっており、セラミックス基板及び金属板を位置決めするとともに、積み重ねられた積層体を押圧して保持することができ、効率的にセラミックス基板と金属層とを積層することができ、組立作業性を向上させることができる。
図１１は第２実施形態のパワーモジュール用基板の製造装置を示している。
第１実施形態においては、下側ガイド枠１３ａにより、セラミックス基板２及び金属板６を位置決めするとともに、耐熱シート２０をステージ１１との間で押圧状態にしていたが、第２実施形態においては、セラミックス基板２及び金属板６を位置決めする下側ガイド枠１３ｃとは別に、耐熱シート２０の側縁部の上面を押圧して押圧状態とする押圧手段１８を備えており、押圧手段１８の押圧面１９と耐熱シート２０の側縁部の上面とを当接させて、耐熱シート２０をステージ１１と押圧手段１８とで挟んで押圧状態に保持する構成とされている。
第１実施形態においては、下側ガイド枠１３ａにより、セラミックス基板２及び金属板６を位置決めするとともに、耐熱シート２０をステージ１１との間で押圧状態にしていたが、第２実施形態においては、セラミックス基板２及び金属板６を位置決めする下側ガイド枠１３ｃとは別に、耐熱シート２０の側縁部の上面を押圧して押圧状態とする押圧手段１８を備えており、押圧手段１８の押圧面１９と耐熱シート２０の側縁部の上面とを当接させて、耐熱シート２０をステージ１１と押圧手段１８とで挟んで押圧状態に保持する構成とされている。
本実施形態のパワーモジュール用基板の製造装置においても、第１実施形態と同様にステージ１１の上方で水平方向に対向する二段のガイド枠１３ｂ，１３ｃを有しており、各ガイド枠１３ｂ，１３ｃの対向する先端部には、金属板６，７及びセラミックス基板２，耐熱シート２０を面方向に位置決めする位置決め部が形成されている。
本実施形態においては、下側ガイド枠１３ｃの先端部は積層体３０の位置決め部１６ｃとされ、図１２及び図１３に示すように、その上部が矩形に切欠されており、先端面６１が金属板６に対する下側金属板位置決め部１６ｃ１、上部切欠部により形成される垂直面６２がセラミックス基板２に対するセラミックス基板位置決め部１６ｃ２とされている。また、下側ガイド枠１３ｃの下側金属板位置決め部１６ｃ１の厚みｔ２１は、金属層６の厚みよりも小さく設定されており、その上下方向に配置されるセラミックス基板２及び耐熱シート２０との間に微小間隙Ｇ２１，Ｇ２２をあけて設けられている。
本実施形態においては、下側ガイド枠１３ｃの先端部は積層体３０の位置決め部１６ｃとされ、図１２及び図１３に示すように、その上部が矩形に切欠されており、先端面６１が金属板６に対する下側金属板位置決め部１６ｃ１、上部切欠部により形成される垂直面６２がセラミックス基板２に対するセラミックス基板位置決め部１６ｃ２とされている。また、下側ガイド枠１３ｃの下側金属板位置決め部１６ｃ１の厚みｔ２１は、金属層６の厚みよりも小さく設定されており、その上下方向に配置されるセラミックス基板２及び耐熱シート２０との間に微小間隙Ｇ２１，Ｇ２２をあけて設けられている。
また、上側ガイド枠１３ｂの先端部は積層体３０の位置決め部１６ｂとされ、第１実施形態と同様に、厚さ方向の中央部を残して、その上部及び下部が切欠かれて形成されており、下部切欠部はセラミックス基板２に対する逃がし部６４、中央部先端面６５が金属板７に対する上側金属板位置決め部１６ｂ１、上部切欠部により形成される垂直面６６が各積層体３０の間に介在させられる耐熱シート２０に対する耐熱シート位置決め部１６ｂ２とされている。上側ガイド枠１３ｂの上側金属板位置決め部１６ｂ１の厚みｔ２２は、金属板７の厚みよりも小さく設定されており、上下方向に配置されるセラミックス基板２と耐熱シート２０との間に、微小間隙Ｇ２３，Ｇ２４をあけて設けられている。
また、図１３に示すように、下側ガイド枠１３ｃの下部切欠部の上面から上側ガイド枠１３ｂの上部切欠部の下面までの厚みｔ２３は、積層体３０の両面に配置される耐熱シート２０相互の間隔ｔ２４よりも小さい寸法に設定されており、両ガイド枠１３ｂ，１３ｃは、両耐熱シート２０との間に微小間隙Ｇ２１，Ｇ２４を有し、両ガイド枠１３ｂ，１３ｃと両耐熱シート２０とは接触せずに設けられている。
また、図１３に示すように、下側ガイド枠１３ｃの下部切欠部の上面から上側ガイド枠１３ｂの上部切欠部の下面までの厚みｔ２３は、積層体３０の両面に配置される耐熱シート２０相互の間隔ｔ２４よりも小さい寸法に設定されており、両ガイド枠１３ｂ，１３ｃは、両耐熱シート２０との間に微小間隙Ｇ２１，Ｇ２４を有し、両ガイド枠１３ｂ，１３ｃと両耐熱シート２０とは接触せずに設けられている。
押圧手段１８は、ステージ１１上で面方向に進退可能に配置されており、ステージ１１上に載置された耐熱シート２０に対する押圧面１９が下面に形成されている。また、押圧手段１８の上面には、図１２に示すように、下側ガイド枠１３ｃと重なる位置に溝部が形成されており、下側ガイド枠１３ｃを、押圧手段１８の上方で、押圧手段１８と接触させることなく進退移動させることができる。
押圧面１９は、図１２に示すように、押圧手段１８の下部が切欠かれて形成されており、セラミックス基板２よりも外方の側方位置で、耐熱シート２０の側縁部の上面を押圧するように設けられている。また、図１３に示すように、押圧手段１８の上面と耐熱シート２０との間に、微小間隙Ｇ２１〜Ｇ２４よりも大きく設定された移動空間Ｇ２５が設けられている。なお、その下部が切欠かれて形成された垂直面６９が、各積層体３０の間に介在させられる耐熱シート２０に対する位置決め部１８ａとされている。
押圧面１９は、図１２に示すように、押圧手段１８の下部が切欠かれて形成されており、セラミックス基板２よりも外方の側方位置で、耐熱シート２０の側縁部の上面を押圧するように設けられている。また、図１３に示すように、押圧手段１８の上面と耐熱シート２０との間に、微小間隙Ｇ２１〜Ｇ２４よりも大きく設定された移動空間Ｇ２５が設けられている。なお、その下部が切欠かれて形成された垂直面６９が、各積層体３０の間に介在させられる耐熱シート２０に対する位置決め部１８ａとされている。
このように、セラミックス基板２及び金属板６，７の位置決め部は、第１実施形態と同様に下側ガイド枠１３ｃ及び上側ガイド枠１３ｂに形成されており、押圧手段１８は、先に積み重ねられた耐熱シート２０のみを面方向に位置決めし、その耐熱シート２０を押圧状態とする構成とされていることから、その耐熱シート２０の押圧状態において、両耐熱シート２０の間隔ｔ２４よりも厚みｔ２５を大幅に薄くして設けることができ、両耐熱シート２０との移動空間Ｇ２５を十分に確保することができる。
このような製造装置を用いてパワーモジュール用基板３を製造する場合、耐熱シート２０の側縁部の上面を、押圧手段１８により押圧することにより、金属板６、セラミックス基板２及び金属板７を順次積み重ねる積層体積み重ね工程中、先に積み重ねられた積層体３０及び耐熱シート２０を押圧状態に保持することができる。そして、耐熱シート載置工程後から次の積層体積み重ね工程までの間は、最上段の耐熱シート２０を荷重手段１４により押圧状態とし、ガイド枠１３ｃ，１３ｂ及び押圧手段１８を離間する方向に退避させることができる。この際、ガイド枠１３ｃ，１３ｂは、隣接する両耐熱シート２０に接触せずに設けられていることから、そのまま離間する方向に退避させることができる。また、押圧手段１８と上側の耐熱シート２０との移動空間Ｇ２５は十分に確保されているので、ステージ１１を下降させて押圧手段１８の押圧状態を解除することで、押圧手段１８を退避させることができる。
このように、積み重ねられた積層体を常に加圧した状態に維持しながら、新たな耐熱シート及び積層体を積み重ねていくことができるので、セラミックス基板と金属板との位置ズレを防止することができ、強固な接合性を有するパワーモジュール用基板を製造することができる。
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。
このように、積み重ねられた積層体を常に加圧した状態に維持しながら、新たな耐熱シート及び積層体を積み重ねていくことができるので、セラミックス基板と金属板との位置ズレを防止することができ、強固な接合性を有するパワーモジュール用基板を製造することができる。
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、金属板に純度９９．９０％以上のアルミニウムを用いたが、純度９９％以上のアルミニウム又はアルミニウム合金を用いてもよい。また、回路層及び放熱層となる金属板に同じ材質のものを用いたが、両金属板はこれに限定されるものではなく、回路層及び放熱層を別々の材質としてもよい。例えば、放熱層にアルミニウムを用い、回路層に銅を用いる構成とすることができる。
また、上記の実施形態においては、セラミックス基板の両面に回路層及び放熱層となる金属板を積層してパワーモジュール用基板を構成していたが、放熱層を設けずにセラミックス基板と回路層となる金属板を積層してパワーモジュール用基板を構成してもよい。
例えば、上記実施形態では、金属板に純度９９．９０％以上のアルミニウムを用いたが、純度９９％以上のアルミニウム又はアルミニウム合金を用いてもよい。また、回路層及び放熱層となる金属板に同じ材質のものを用いたが、両金属板はこれに限定されるものではなく、回路層及び放熱層を別々の材質としてもよい。例えば、放熱層にアルミニウムを用い、回路層に銅を用いる構成とすることができる。
また、上記の実施形態においては、セラミックス基板の両面に回路層及び放熱層となる金属板を積層してパワーモジュール用基板を構成していたが、放熱層を設けずにセラミックス基板と回路層となる金属板を積層してパワーモジュール用基板を構成してもよい。
また、セラミックス基板と金属板とは、拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合してもよい。その接合方法について簡単に説明すると、金属板にスパッタリングによってＡｇを含有する固着層を形成した後、その固着層をセラミックス基板に接触させた状態で積層し、この積層体を加圧、加熱することにより、Ａｇが金属板に拡散して金属板の固着層近傍の融点を低下させ、セラミックス基板と金属板との界面に溶融金属層を形成する。さらに、拡散が進むと、溶融金属層のＡｇ濃度が低下して融点が上昇することにより凝固して、セラミックス基板と金属板とが接合される。
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
４ 電子部品
５ ヒートシンク
６，７ 金属板
８ はんだ接合層
１１ ステージ
１１ａ 凹部
１２ リフタ
１３ ガイド手段
１３ａ，１３ｃ 下側ガイド枠
１３ｂ 上側ガイド枠
１４ 荷重手段
１５ 支柱
１６ａ，１６ｂ 位置決め部
１７，１９ 押圧面
１８ 押圧手段
２０ 耐熱シート
３０ 積層体
５１ 流路
６１，６５ 中央部先端面
６２，６３，６６，６９ 垂直面
６４ 逃がし部
１００，２００ 積載装置
１０１ 固定手段
１０２ ガイドポスト
１０２ａ 雄ねじ部
１０３ 押圧板
１０４ ナット
２ セラミックス基板
３ 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 金属板
８ はんだ接合層
１１ ステージ
１１ａ 凹部
１２ リフタ
１３ ガイド手段
１３ａ，１３ｃ 下側ガイド枠
１３ｂ 上側ガイド枠
１４ 荷重手段
１５ 支柱
１６ａ，１６ｂ 位置決め部
１７，１９ 押圧面
１８ 押圧手段
２０ 耐熱シート
３０ 積層体
５１ 流路
６１，６５ 中央部先端面
６２，６３，６６，６９ 垂直面
６４ 逃がし部
１００，２００ 積載装置
１０１ 固定手段
１０２ ガイドポスト
１０２ａ 雄ねじ部
１０３ 押圧板
１０４ ナット
Claims (7)
- セラミックス基板及び金属板の積層体の両面に耐熱シートを配置した状態で前記積層体を複数積み重ね、これらを加圧した状態で加熱することにより前記セラミックス基板に前記金属板を接合してパワーモジュール用基板を製造する方法であって、ステージ上に載置された耐熱シートの上に前記セラミックス基板及び前記金属板を面方向に進退可能なガイド枠により面方向に位置決めしながら積層する積層体積み重ね工程と、これらセラミックス基板及び金属板の積層体の上に新たな耐熱シートを載置する耐熱シート載置工程とを繰り返すことにより、前記積層体を前記耐熱シートを介して複数積み重ね状態とするとともに、前記積層体積み重ね工程から前記耐熱シート載置工程までの間は前記積層体が載置される前記耐熱シートの側縁部を上方から押圧し、前記耐熱シート載置工程後から次の積層体積み重ね工程までの間は最上段の耐熱シートを上方から押圧状態とした後、前記側縁部の押圧を解除して前記ガイド枠を退避させ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。
- 前記ガイド枠により、前記耐熱シートの側縁部を上方から押圧す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。
- セラミックス基板及び金属板の積層体の両面に耐熱シートを配置した状態で前記積層体を複数積み重ね、これらを加圧した状態で加熱することにより前記セラミックス基板に前記金属板を接合してパワーモジュール用基板を製造する装置であって、前記耐熱シート及び前記積層体が載置されるステージを昇降するリフタと、前記ステージ上で面方向に進退可能に配置され前記積層体を面方向に位置決めするガイド枠と、前記積層体の上面に配置される耐熱シートを上方から押圧可能な荷重手段とを備え、前記ガイド枠は、前記ステージに載置した耐熱シートを前記リフタにより上昇させたときに前記耐熱シートに対する押圧面が下面に形成されているとともに、前記金属板の側面に当接する金属板位置決め部が形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の製造装置。
- セラミックス基板及び金属板の積層体の両面に耐熱シートを配置した状態で前記積層体を複数積み重ね、これらを加圧した状態で加熱することにより前記セラミックス基板に前記金属板を接合してパワーモジュール用基板を製造する装置であって、前記耐熱シート及び前記積層体が載置されるステージを昇降するリフタと、前記ステージ上で面方向に進退可能に配置され前記積層体を面方向に位置決めするガイド枠と、前記ステージ上で面方向に進退可能に配置され前記耐熱シートの側縁部を上方から押圧可能な押圧手段と、前記積層体の上面に配置される耐熱シートを上方から押圧可能な荷重手段とを備え、前記ガイド枠は、前記金属板の側面に当接する金属板位置決め部が形成されており、前記押圧手段は、前記ステージに載置した耐熱シートを前記リフタにより上昇させたときに、前記セラミックス基板よりも外方の側方位置で前記耐熱シートを押圧する押圧面が下面に形成されているとともに、前記積層体の両面に配置される前記耐熱シート間に移動空間をあけて配置されていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造装置。
- セラミックス基板の両面にそれぞれ金属板が積層された積層体と、前記積層体と積層体との間に耐熱シートとを配置した状態で積み重ね、これらを加圧した状態で加熱することにより前記セラミックス基板に前記金属板を接合してパワーモジュール用基板を製造する装置であって、前記耐熱シート及び前記積層体が載置されるステージを昇降するリフタと、前記ステージ上で面方向に進退可能に配置され前記積層体を面方向に位置決めするガイド枠と、前記積層体の上面に配置される耐熱シートを上方から押圧可能な荷重手段とを備え、前記ガイド枠は、上下に配置された上側ガイド枠と下側ガイド枠とからなり、前記上側ガイド枠には、前記セラミックス基板の上側に配置される金属板の側面に当接する上側金属板位置決め部が形成され、前記下側ガイド枠には、前記ステージに載置した耐熱シートを前記リフタにより上昇させたときに、該耐熱シートを押圧する押圧面が下面に形成されているとともに、前記セラミックス基板の下側に配置される金属板の側面に当接する下側金属板位置決め部が形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の製造装置。
- 前記上側ガイド枠若しくは前記下側ガイド枠の少なくともいずれか一方に前記セラミックス基板を面方向に位置決めするセラミックス基板位置決め部が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール用基板の製造装置。
- 前記上側金属板位置決め部及び前記下側金属板位置決め部は、当接する各金属板の板厚より薄肉に形成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載のパワーモジュール用基板の製造装置。
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