JP5915051B2 - パワーモジュール用基板およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

パワーモジュール用基板およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、パワーモジュール用基板およびヒートシンク付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板が積層され、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板が積層され、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、たとえば、特許文献１および特許文献２に記載された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板を積層し、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板を積層して、これら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各金属板とを接合する。次いで、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、この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ことにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
従来、このような場合に用いられるろう付法として、フラックスを用いずに真空中で行われる真空ろう付法や、真空雰囲気を必要とせずにフラックスを用いるノコロックろう付法が知られている。ノコロックろう付法は、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ろう付法であり、高価な設備が不要で、比較的容易に安定したろう付が可能であるので、金属板とヒートシンクとの接合に適用することが検討されている。
特開２００７−３１１５２７号公報 特開２００２−００９２１２号公報
パワーモジュール用基板の製造過程において、セラミックス基板と金属板とのろう付時に、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、金属板の側面に付着する場合がある。このような状態で金属板（放熱層）とヒートシンクとをノコロックろう付すると、フラックスの余剰分が放熱層の側面部を伝って、放熱層の側面部に付着したろう材と接触してしまう。ろう材と接触したフラックスは、セラミックス基板と放熱層との接合部界面に引き込まれ、セラミックス基板と放熱層との接合部を侵食してしまう。これにより接合部にクラックが生じ、セラミックス基板と放熱層との剥離が生じやすくなるおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セラミックス基板と金属板との接合部に剥離を生じさせることなく、金属板とヒートシンクとをフラックスを用いてろう付し、接合信頼性の高いヒートシンク付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、金属板とセラミックス基板とを積層状態にろう付する第１ろう付工程と、前記金属板とヒートシンクとをフラックスを用いたろう付法により接合する第２ろう付工程とを有するヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記第２ろう付工程の前に、前記ヒートシンクと接合される端部側を除く前記金属板の側面の少なくとも一部に前記フラックスと反応するフラックス反応部を形成し、前記第２ろう付工程において、前記金属板と前記ヒートシンクとの間からはみ出した前記フラックスと前記フラックス反応部とを反応させるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法である。
フラックス反応部は、フラックスと反応しやすい材料のＴｉＯ２粉末、ＭｇＯ粉末、ＳｉＯ２粉末、などをたとえばペースト化して塗布するなどの方法により形成される。この製造方法によれば、フラックスを用いる第２ろう付工程において、金属板とヒートシンクとの間から漏れたフラックスをフラックス反応部で反応させることにより流動性が低くなって不活性化し、金属板とセラミックス基板との間の接合部分でフラックスが到達して第１ろう付工程で生じた余剰ろう材などに含まれる酸化物と反応することを防止し、フラックスの侵食による接合部分の剥離を防止することができる。
この製造方法において、前記金属板の前記フラックス反応部を、前記ヒートシンクと接合されている端部側を除く前記金属板の側面の少なくとも一部に設けておくことにより、ヒートシンクを金属板にろう付する際に、ヒートシンクと金属板との接合部からフラックス反応部が離間するので、ここに第２ろう付でのろう材によるフィレットが形成されやすく、より確実にヒートシンクを金属板に接合できる。
また、本発明のパワーモジュール用基板は、金属板とセラミックス基板とが積層状態でろう付されてなり、前記セラミックス基板と接合されていない端部側を除く前記金属板の側面の少なくとも一部に、フラックスと反応するフラックス反応部が備えられている。
このパワーモジュール用基板によれば、フラックスと反応しやすいフラックス反応部を金属板の側面の少なくとも一部に備えているので、フラックスを用いて金属板にヒートシンクをろう付する場合にも、フラックスがフラックス反応部での反応により不活性化され、フラックスの侵食による接合部における剥離を防止することができる。
このパワーモジュール用基板において、前記フラックス反応部は、前記セラミックス基板と接合されていない端部側を除く前記金属板の側面の少なくとも一部に設けられていることから、ヒートシンクを金属板にろう付する際に、セラミックス基板と金属板との接合部からフラックス反応部が離間するので、ここに第２ろう付でのろう材によるフィレットが形成されやすく、より確実にセラミックス基板を金属板に接合できる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、ヒートシンクとのろう付にフラックスを含有するろう付法を適用してもセラミックス基板と金属板との接合部に剥離を生じさせず、接合信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。
パワーモジュールを示す断面図である。 本発明に係るパワーモジュール用基板の要部を示す側面図である。 本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、図２に示すパワーモジュール用基板にヒートシンクをろう付する状態を示す断面図である。 本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板を示す断面図である。 本発明に係るパワーモジュール用基板において、ワイヤを用いて高酸素濃度部を設けた実施例を示す断面図である。 本発明に係るパワーモジュール用基板において、メッシュを用いて高酸素濃度部を設けた実施例を示す断面図である。 本発明に係るパワーモジュール用基板において、金属板の側面に凹凸形状が形成された実施例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ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。図１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１から製造されたパワーモジュール１００の断面図である。パワーモジュール１００は、パワーモジュール用基板１０にヒートシンク１４が接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１と、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１に形成された回路層２１に搭載された半導体チップ等の電子部品２０とから構成される。
パワーモジュール用基板１０は、図２に示すように、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の両面に積層された金属板１２，１３とを備える。
セラミックス基板１１は、たとえば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ている。このセラミックス基板１１は、たとえば厚さ０．６２５ｍｍ、一辺３０ｍｍの矩形状である。
金属板１２は、純度９９．９質量％以上（ＪＩＳ規格で１Ｎ９０（純度９９．９質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）または１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム））のアルミニウムにより形成されている。金属板１２は、たとえば厚さ０．６ｍｍ、一辺３０ｍｍの矩形状であり、所定の形状にエッチングされて回路層２１となる（図１参照）。一方、放熱層となる金属板１３は、金属板１２と同じアルミニウム材からなり、たとえば厚さ１．５ｍｍ、一辺２８ｍｍの矩形状である。
このパワーモジュール用基板１０において、図３に示すように、セラミックス基板１１の表面１１ａ，１１ｂおよび金属板１２，１３の各側面１２ａ，１３ａ（すなわちセラミックス基板１１と金属板１２，１３との接合部近傍）に、フラックスと反応するフラックス反応部１７が備えられている。金属板１３の側面１３ａにおいて、フラックス反応部１７は、フラックスによる酸化物除去を妨げないために、放熱層となる金属板１３の側面１３ａの下端部に形成されていない。つまり、フラックス反応部１７は、セラミックス基板１１に接合されていない（すなわちヒートシンク１４が接合される）表面１３ｂから間隔を空けて設けられている。したがって、このフラックス反応部１７は、パワーモジュール用基板１０にヒートシンク１４が接合された状態でヒートシンク１４から離間するように配置される。このため、ヒートシンク１４と金属板１３との接合部近傍には、ろう付のフィレットが形成される。フラックス反応部１７は、たとえばＴｉＯ２，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＳｉＯ２等を含み、フッ素系のフラックス（ＫＡｌＦ４，Ｋ２ＡｌＦ５，ＡｌＦ３を少なくとも２つ以上含む混合粉末）と反応することにより流動性が低く（粘性が高く）なり、フラックスを不活性化し、セラミックス基板１１と金属板１３との接合部における金属酸化物とフラックスとの反応を抑制する。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１は、このパワーモジュール用基板１０にヒートシンク１４が接合されてなる。すなわち、金属板１２，１３とセラミックス基板１１とを積層状態にろう付してパワーモジュール用基板１０を作製する第１ろう付工程と、パワーモジュール用基板１０の金属板１３とヒートシンク１４とをフラックス１６を用いたろう付法により接合する第２ろう付工程とを行うことにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。本実施形態では、第２ろう付としてノコロックろう付法を用いた。ヒートシンク１４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１４ａが形成されている。
そして、この製造方法では、第２ろう付工程において、金属板１３とヒートシンク１４との間からはみ出したフラックスと金属板１３のフラックス反応部１７とを反応させることにより、余剰分のフラックスをフラックス反応部１７で反応させ、不活性化させることができる。なお、各金属板１２，１３とセラミックス基板１１とを接合するろう材２０は、たとえば厚さ２０μｍのろう箔である。
より具体的には、まず第１ろう付工程において、Ａｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金ろう材を用いて、セラミックス基板１１と金属板１２，１３とをろう付する。この工程は真空、約６１０℃の雰囲気中で行われる。セラミックス基板１１と金属板１２，１３との間を確実に接合するために、十分な量のろう材を供給することが好ましい。このため、接合に寄与しない余剰ろう材１５が生じてセラミックス基板１１と金属板１２，１３との間から押し出され、金属板１３の側面１３ａやセラミックス基板１１の表面に付着する場合がある。
すなわち、この第１ろう付工程において、セラミックス基板１１と金属板１２，１３との間で、ろう材は金属板１２，１３中に拡散する。しかしながら、接合に寄与しない余剰分ろう材１５は、金属板１２，１３中に拡散せずにセラミックス基板１１との間からはみ出して付着する。このため、この余剰ろう材１５は、ろう材に含まれるＳｉ成分を含有する共晶組織となっている。
第１ろう付工程によりパワーモジュール用基板１０を作製した後、セラミックス基板１１の表面１１ａ，１１ｂおよび金属板１２，１３の各側面１２ａ，１３ａに、フラックスと反応するフラックス反応部１７を形成する。フラックス反応部１７は、たとえばＭｇＯ粉末（岩谷化学工業株式会社製、ＭＪ−３０平均粒径０．３５μｍ）をアルコールでペースト化したものを必要箇所に塗布することにより形成する。この場合、図２に示すように、パワーモジュール用基板１０のセラミックス基板１１の側面、金属板１２ｂの表面、金属板１３の側面１３ａの一部および表面１３ｂにマスキング１９を施した状態でペーストを塗布することにより、必要な部分にのみフラックス反応部１７を形成することができる。
次いで、図３に示すように、第２ろう付工程において、フラックス１６を用いて金属板１３とヒートシンク１４とをろう付する。より具体的には、たとえば、フッ素系のフラックス１６（ＫＡｌＦ４，Ｋ２ＡｌＦ５，ＡｌＦ３を少なくとも２つ以上含む混合粉末）をろう材２０の表面に塗布してろう材１６表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（ノコロックろう付法）。このとき、余剰分のフラックス１６が金属板１３とヒートシンク１４との間から流れ出し、金属板１３の側面１３ａなどに付着する。
この第２ろう付工程において、図３に示すように余剰ろう材１５が側面１３ａなどに付着していた場合、余剰ろう材１５が再溶融すると、金属板１３とヒートシンク１４との間からはみ出したフラックス１６が余剰ろう材１５とともに、セラミックス基板１１と金属板１３との間のＳｉや酸化物と反応して金属板１３とセラミックス基板１１との接合界面に侵入し、この接合部に剥離を生じさせるおそれがある。
しかしながら、この製造方法においては、金属板１３の側面１３ａなどにフラックス反応部１７が設けられているので、金属板１３とヒートシンク１４との間からはみ出したフラックス１６はまずこのフラックス反応部１７で酸化物等と反応して不活性化されてしまい、余剰ろう材１５にまで到達して反応することが防止される。したがって、フラックスが接合界面を侵食するのを防止でき、すでにろう付されたセラミックス基板１１と金属板１３とを剥離させることなく、金属板１３とヒートシンク１４とをろう付することができる。
また、この実施形態においては、フラックス反応部１７が放熱層となる金属板１３の下端部を除いた部分に形成されており、具体的にはヒートシンク１４から間隔を空けるように設けられている。フラックス反応部１７がヒートシンク１４から離間していることにより、図４に示すように、ヒートシンク１４と金属板１３とが接合された隅部分（フィレット形成部）にフィレット２１が形成されやすくなる可能性があり、ヒートシンク１４と金属板１３とをより確実に接合できる。
以上説明したように、本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、接合面にフラックスを引き込む原因となる余剰ろう材１５とフラックス１６とが反応しないように、フラックス１６と反応するフラックス反応部１７を設けておいてフラックスろう付を行うので、セラミックス基板１１と金属板１３との接合部に剥離を生じさせることなく、金属板１３とヒートシンク１４とを低コストで安定してろう付して、接合信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を提供することができる。
これらの構造での効果を以下の実験で検証した。３２ｍｍ×３２ｍｍのセラミックス基板の上面に３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのアルミニウム材（１Ｎ９９）、下面に２８ｍｍ×２８ｍｍ、厚さ１．５ｍｍのアルミニウム材（１Ｎ９９）を、厚さ１５μｍのＡｌ−７．５ｗｔ％Ｓｉろう材を用いて真空中で６４０℃、０．４９ＭＰａ(５ｋｇｆ／ｃｍ２)で加圧しながら接合して、パワーモジュール用基板を準備した。このパワーモジュール用基板に対して、表１に示す粉末をエタノールに混合して、ペースト状にしてセラミックス基板と放熱層とのＡｌＮ／Ａｌ接合部を覆ってフラックス反応部を設け、ノコロックフラックス（森田化学製ＦＬ−７）とＡｌ−Ｓｉろう材を用いて窒素雰囲気中でノコロックろう付法により５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの放熱板に接合し、サンプル１〜４とした。これに対して、比較例では、回路層および放熱層の側面にフラックス反応部を設けずに上記パワーモジュール用基板を放熱板に接合した。これらのサンプル１〜４および比較例について、冷熱サイクル試験（−４０℃〜１２５℃×３０００サイクル）を行い、セラミックス基板と放熱層とのＡｌＮ／Ａｌ界面の欠陥率を評価した。
なお、欠陥率は、超音波探傷装置を用いて接合部を評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち放熱層の金属板面積とした。また、超音波探傷像において、剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
欠陥率＝剥離面積／初期接合面積
Figure 0005915051
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、図５は、金属板１３の側面１３ａに設けられた溝部１３ｃの内部にＴｉＯ２，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＳｉＯ２などの粉末を含むペーストが埋め込まれることにより、フラックス反応部１７が形成されているパワーモジュール用基板１０の例である。
図６は、金属板１３の側面１３ａにＴｉＯ２，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＳｉＯ２などからなるメッシュが固着されることにより、フラックス反応部１７が形成されているパワーモジュール用基板１０の例である。この場合、メッシュによって凹凸形状が形成されるので、側面１３ａにおけるフラックス反応部１７の表面積が大きくなり、はみ出たフラックスをフラックス反応部１７で十分に反応させることができる。
図７は、金属板１３の側面１３ａに凹凸形状が形成され、その表面にＴｉ，Ｍｇ等の粉末を含むペーストが塗布されることによりフラックス反応部１７が形成されているパワーモジュール用基板１０の例である。凹凸形状は、フラックス１６をフラックス反応部１７と十分に反応させるために、金属板１３の側面１３ａにおけるフラックス反応部１７の表面積を大きくする形状が好ましく、たとえば図７に示すような綾目ローレット、平目ローレット、多条溝などにより形成することができる。
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１１ａ 表面
１２，１３ 金属板
１２ａ，１３ａ 側面
１２ｂ，１３ｂ 表面
１３ｃ 溝部
１４ ヒートシンク
１５ 余剰ろう材
１６ フラックス
１７ フラックス反応部
１８ ワイヤ
１９ マスキング
２０ ろう材
２１ フィレット
１００ パワーモジュール
１０１ ヒートシンク付パワーモジュール用基板

Claims (2)

  1. 金属板とセラミックス基板とを積層状態にろう付する第１ろう付工程と、前記金属板とヒートシンクとをフラックスを用いたろう付法により接合する第２ろう付工程とを有するヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
    前記第２ろう付工程の前に、前記ヒートシンクと接合される端部側を除く前記金属板の側面の少なくとも一部に前記フラックスと反応するフラックス反応部を形成し、
    前記第２ろう付工程において、前記金属板と前記ヒートシンクとの間からはみ出した前記フラックスと前記フラックス反応部とを反応させることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
  2. 金属板とセラミックス基板とが積層状態でろう付されてなるパワーモジュール用基板であって、
    前記セラミックス基板と接合されていない端部側を除く前記金属板の側面の少なくとも一部に、フラックスと反応するフラックス反応部が備えられていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
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