JP6012321B2 - パワーモジュールの製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

この発明は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）といったパワーモジュールにおいて、導電パターン付絶縁基板を用いる際に、部分放電や絶縁破壊を抑制して、高い絶縁耐量を有するパワーモジュールの製造方法および製造装置に関する。

図１３は、パワーモジュール５００の要部断面図である。このパワーモジュール５００は、冷却用の銅ベース５１と、銅ベース５１に裏面の金属導体５５が固着し、この裏面の金属導体５５、セラミック板５３およびおもて面の金属導体である導電パターン５４とで構成される導電パターン付絶縁基板５２と、導電パターン５４上に固着される複数の半導体チップ５６からなる。前記の半導体チップ５６同士、半導体チップ５６と導電パターン５４をそれぞれ接続するボンディングワイヤ５７（アルミワイヤなど）と、前記導電パターン５４に固着する図示しない外部導出端子と、上面からこの外部導出端子を露出したケース５８と、ケース５８内に充填されたゲル５９からなる。絶縁基板であるセラミック板５２のおもて面に固着した導電パターン５４は銅箔で形成された導電パターン付絶縁基板５２の上部電極であり、裏面に固着した金属導体５５は銅箔で形成された導電パターン付絶縁基板５２の下部電極である。

さて、ＩＧＢＴやＩＰＭといったこのパワーモジュール５００においては、定格運転時での電気的仕様に加え、絶縁性、熱伝導性、パワーサイクルなどに伴う機械的ストレスやＥＭＣ（電磁環境適合性ノイズによる電磁環境の悪化を防止すること）など、相反する様々な要求に対して、バランス良く対応することが要求されている。

とりわけ、高耐圧のパワーモジュール５００では、市場要求に伴い、高耐圧化・高信頼性を確保することが重要であり、そのポイントとなるのが、絶縁上の最弱点である導電パターン付絶縁基板５２上での部分放電とその進行によって形成される沿面放電の抑制である。こうした部分放電および沿面放電を抑制するために、様々な取り組みが行なわれている。

図１４は、導電パターン付絶縁基板５２上での３重点の交線箇所６０で起こる部分放電６１とこの部分放電６１を起点にセラミック板５３の表面を進展する沿面放電６２について説明した図である。この図１４には導電パターン付絶縁基板の要部断面図と、Ａ部の円内の拡大斜視図が示されている。

部分放電６１は導電パターン付絶縁基板５２を構成する導電パターン５４（例えば、銅箔上部電極など）や裏面の金属導体５５（例えば、銅箔下部電極など）と導電パターン付絶縁基板５２を構成するセラミック板５３と絶縁保護材であるシリコーンゲル（単に、ゲル５９と称す）が交わった交線箇所６０（この箇所を３重点と称すこともある）で起こりやすい。この交線箇所６０では水分などが吸着し易く、その水分が核となり電界集中が引き起こしやすくなるためである。なお、この交線箇所６０はセラミック板５３に導電パターン５４、裏面の金属導体５５をロー付けなどで接合した接合部の露出した外周端であり、線状であるので交線箇所と名づけた。交線箇所６０はここではセラミック板５３面と導電パターン５４面、セラミック板５３面と裏面の金属導体５５面が交わった線状の箇所を示す。また、この交線箇所６０は、セラミック板５３と導電パターン５４、セラミック板５３と裏面の金属導体５５の接合部が露出した外周端でもある。

この交線箇所６０で部分放電６１が起こるとセラミック板５３とゲル５９の界面のセラミック板５３上で絶縁破壊が進行して沿面放電６２が発生する。この沿面放電６２の進行方向を矢印６３で示した。この矢印６３が上下にそれぞれあるのは、電圧が印加される向きが異なる場合における沿面放電６２の進行方向をそれぞれ示すためである。つまり、上の矢印ａは導電パターン５４にプラス極性の電圧が印加された場合に主に発生する放電であり、下の矢印ｂは裏面の金属導体５５にプラス極性の電圧が印加された場合に主に発生する放電である。この部分放電６１と沿面放電６２は導電パターン付絶縁基板５２を構成する導電パターン５４（銅箔上部電極）や裏面の金属導体５５（銅箔下部電極）およびセラミック板５３に表面吸着ガスである水分などがあると発生しやすい。ここでは、水分（水蒸気）をガスとして取り扱うことにする。特に、前記の３重点である交線箇所６０に表面吸着ガスが存在すると発生し易くなる。

そのため、水分などの表面吸着ガスを除去するために、従来は導電パターン付絶縁基板５２をＡｉｒ（空気）雰囲気で、１５０℃程度の温度でプリベーク処理することが行われている。

また、パワーモジュール５００で発生する部分放電６１や沿面放電６２を抑制するために、特許文献１〜８のような対策が取られている。
特許文献１には、金属結合層との接合面の特性を向上させ、ボイドなどの間隙を小さくするため、セラミックス板側に表面凹凸を持たせボイドの抜けを良くする効果を持たせるように改質することが記載されている。

また特許文献１と類似した方法として、特許文献２には、ろう付け界面のボイドの発生を抑制するため、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）基板の表面に、適切な凹凸を持たせる技術が開示されている。

これらの特許文献１ならびに特許文献２に開示された技術は、セラミック板などの絶縁基板と金属導体の界面に発生するボイドの制御法に関するものである。この界面に発生するボイドは、部分放電の発生要因となる上、金属導体との界面に一度形成されてしまうと除去できないものであり、そのため、基板作製工程上、重要な対策として取り組まれている。

一方、絶縁破壊に至る部位に着目し、その箇所を中心に対策を施すことによって、高い部分放電および沿面放電耐量を確保する方法も開示されている。具体的には、最も電界が集中する絶縁基板上の金属導体端部にコーティングを施すことによって、電界を緩和する方法である。その材質は様々であるが、使用する（コーティングする）材質の誘電率を制御することで、高い絶縁耐量を保有するものである（特許文献３、４、５参照）。

これまでに述べた特許文献１〜５に記載された方法は、いずれも基板の物理的構造における対策であるが、ゲル側の対策も行なわれている、例えば、吸湿急加熱時に発生するゲル内部の欠陥による部分放電の発生を抑制するために、これら吸湿急加熱に強いゲル材が考えられている（特許文献６）。

また、主回路基板と制御基板とが上下に一括して搭載されたパワーモジュールにおいて、ヒートサイクルにおける、ゲル裂けやゲルの剥離などを防止して長期の信頼性を向上させるために、主回路基板と制御基板とを２段構成とする方法も開示されている（特許文献７）。

さらに、液状絶縁物（フロロカーボンや絶縁油）とエポキシ樹脂との２段構成、さらには、この２段構成の間にシリコーンゲルを挟んだ３段構成とすることによって、沿面放電を抑制する方法も考えられている（特許文献８）。

また、部分放電劣化に関する一般的事項が非特許文献１に記載されている。

特開２００４−１９６６３３号公報 特開２０１０−０７６９４８号公報 特開２００５−１１６６０２号公報 特開２００１−０４４６３４号公報 特開２０００−０９１４７２号公報 特開２０１０−０３４１５１号公報 特開平１０−２７０６０９号公報 特開平１０−１７３０９８号公報

電気学会 放電ハンドブック 第１０章 部分放電劣化ｐ．２１９−２２３ （２００３）

しかし、前記の特許文献１〜８に記載された各種の対策は、導電パターン付絶縁基板に対する対策とゲルに対する対策である。いずれの対策の場合もパワーモジュールの構造改良が伴うため、パワーモジュールの製造コストが増大するという不都合を生じる。

この発明の目的は、前記の課題を解決して、低コストで高い絶縁耐量を有するパワーモジュールの製造方法および製造装置を提供することである。

前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、導体と絶縁体を接合して構成される導電パターン付絶縁基板を不活性ガスの雰囲気下で２００℃〜７００℃の温度範囲で加熱処理する工程と、前記導電パターン付絶縁基板を構成する前記絶縁体と前記導体の接合部の露出した箇所に前記不活性ガスが接触しながら通流する工程と、を特徴とするパワーモジュールの製造方法とする。

また、特許請求の範囲の請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜２のいずれか一項に記載の発明において、前記導電パターン付絶縁基板を構成する前記絶縁体と前記導体の接合部の露出した箇所に前記不活性ガスが接触しながら通流する工程は、前記導電パターン付絶縁基板の半導体チップが搭載されるおもて面側の前記接合部に前記不活性ガスが接触しながら通流するとよい。

また、特許請求の範囲の請求項３に記載の発明によれば、請求項１〜２のいずれか一項に記載の発明において、前記不活性ガスの通流方向に向かって第１の開口を有し、前記第1の開口を囲む一以上の側面に第２の開口を有し、前記第1の開口と対抗する面に支持板を有する支持用治具に配置されて加熱処理されるとよい。

さらに、前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項４に記載の発明によれば、導体と絶縁体を接合して構成される導電パターン付絶縁基板を内部に収納した状態で前記導電パターン付絶縁基板を２００℃〜７００℃の温度範囲で加熱する加熱炉と、前記加熱炉の内部雰囲気を不活性ガスの雰囲気に維持する炉内雰囲気調整手段とを少なくとも備え、前記炉内雰囲気調整手段は、不活性ガスを供給するガス供給源と、前記ガス供給源から供給される不活性ガスを前記加熱炉内に流入させるガス導入口と、前記加熱炉内のガスを外部に放出させるガス排出口とを少なくとも備え、前記ガス導入口から供給される不活性ガスの通流方向に、前記導電パターン付絶縁基板の前記絶縁体と前記導体の接合部の露出した箇所と、前記ガス導入口が対向配置されたパワーモジュールの製造装置とする。

また、特許請求の範囲の請求項５記載の発明によれば、請求項４または８に記載の発明において、前記不活性ガスが窒素ガスもしくは希ガスであるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項６記載の発明によれば、請求項４または５に記載の発明において、前記導電パターン付絶縁基板を構成する絶縁体が、ＡｌＮ基板、Ｓｉ_３Ｎ_４基板もしくはＡｌ_２Ｏ_３基板のいずれか一つであるとよい。

この発明によれば、不活性ガスを通流しながら、２００℃〜７００℃の温度範囲でプレベーク処理をすることによって、パワーモジュールの導電パターン付絶縁基板に吸着した薬品の残渣を効果的に除去できる。その結果、パワーモジュールの絶縁耐量を大きく向上させることができる。

また、導電パターン付絶縁基板の絶縁耐量を高めるために、従来の絶縁構成部材や構成内容を変更することなく、また、通常の不活性ガスのパージガスと従来の加熱炉を用いるので、低コストのパワーモジュールを容易に製造することができる。

この発明の第１実施例に係るパワーモジュールの製造方法を示す要部製造工程図である。 図１に続く、この発明の第１実施例に係るパワーモジュールの製造方法を示す要部製造工程図である。 図２に続く、この発明の第１実施例に係るパワーモジュールの製造方法を示す要部製造工程図である。 図３に続く、この発明の第１実施例に係るパワーモジュールの製造方法を示す要部製造工程図である。 実施例１で用いるプレベーク用加熱装置１００の要部構成図である。 縦置きの支持用治具１の要部構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は矢印Ａから見た上面図、（ｃ）は矢印Ｂから見た側面図である。 図６の縦置きの支持用治具１に導電パターン付絶縁基板７をセットした要部構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は矢印Ａから見た上面図、（ｃ）は矢印Ｂから見た側面図である。 プレベーク温度とガス発生レートの関係を実験した結果を示す図である。 開口部がない横置きの支持用治具２５に直接導電パターン付絶縁基板７をセットした要部構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図である。 この発明の第２実施例に係るパワーモジュールの製造方法を説明するプレベーク用加熱装置２００の要部構成図である。 図１０のプレベーク用加熱装置２００の加熱炉内にセットされる開口部ありの横置きの支持用治具の要部構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図である。 図１１の開口部ありの横置きの支持用治具３１に導電パターン付絶縁基板７をセットした要部構成図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図である。 パワーモジュール５００の要部断面図である。 導電パターン付絶縁基板５２上での３重点６０の箇所で起こる部分放電６１と沿面放電６２について説明した図である。

前記したように、従来の導電パターン付絶縁基板５２のプリベーク処理は、表面吸着ガスである水分を除去することを主眼しているため、プレベーク処理の温度は１５０℃程度で行なわれ、それ以上の温度でのプリベーク処理は、導電パターン付絶縁基板５２を構成するセラミック板５３と一体化している電極材料（導電パターン５４や裏面の金属導体５５など）の酸化による劣化が進むため行われていなかった。

発明者がＴＰＤ−ＭＳ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：加熱発生ガス分析）を用いてパターン付絶縁基板５２からの発生ガスを調査した。その結果、導電パターン付絶縁基板５２に吸着したガスの発生は、後述の図８に示すように、１５０℃のプレベーク処理の温度よりも、さらに高い温度で発生するガスの方が多いことが判明した。

この高い温度で発生するガスは、表面に吸着した水分によるものではなく、導電パターン付絶縁基板５２に吸着した各工程（エッチング工程など）で使用された薬品の残渣が熱分解して形成される水分や二酸化炭素などが主成分のガスであることが判明した。この薬品の残渣は、例えば、導電パターン付絶縁基板５２の金属導体である導電パターン５４や裏面の金属導体５５を形成するために使用するエッチング液によって生成される苛性ソーダなどである。

また、導電パターン付絶縁基板５２を構成する絶縁基板であるセラミック板５３はポーラスであり、セラミック板５３の微小孔に入り込んだ苛性ソーダなどの薬品の残渣はエッチング後の洗浄で十分に除去することが困難である。また、導電パターン５４や裏面の金属導体５５とセラミック板５３の接合部の外周端である交線箇所６０には微小孔が形成される場合があり、この微小孔に苛性ソーダなどの薬品の残渣が入り込むとやはりエッチング後の洗浄で十分に除去することが困難である。

この薬品の残渣は、後述の図８によると、２００℃以上に加熱することで熱分解し水や二酸化炭素などのガスを生成する。この生成されたガスの発生レートは温度依存性が強く７００℃付近の温度まで発生する。

また、発生したガスを残留させたまま温度を下げることで導電パターン付絶縁基板５２に吸着され、図１４で示すような部分放電６１を起こす核となり部分放電電圧が低下する。

従って、発生するガス（水分と二酸化炭素など）が十分に除去される温度付近まで温度を上昇させて発生したガスを除去することが重要になる。ただし、酸素を含む雰囲気下では高温でプリベーク処理を行うと、導電パターン付絶縁基板５２を構成する金属導体（導電パターン５４と裏面の金属導体５５）や接合材の酸化による劣化が激しく、金属導体の表面を損傷させてしまう。この損傷が生じると、図１４に示す部分放電６１の核となり部分放電電圧が低下する。そのため、不活性ガスの雰囲気下で高温のプリベーク処理を行う必要がある。このとき用いるパージガスとしては、窒素ガスや希ガスなど７００℃付近まで温度を上昇させても不活性状態を確保するガスが適している。

さらに、この高温でのプリベーク処理を行うにあたっては、絶縁を確保するセラミック板５３などの絶縁基板沿面、導体電極部、両者の接合部（特に、交線箇所６０）に不活性ガスを通流させて、この交線箇所６０から発生したガスを確実に除去する必要がある。

導電パターン付絶縁基板の絶縁耐量を向上させるためには、温度を上げてプレベーク処理し、前記した薬品の残渣を熱分解して導電パターン付絶縁基板から除去することが重要である。

つぎに、この発明の実施の形態の具体的な内容を以下の実施例で説明する。
＜実施例１＞
図１〜図４は、この発明の第１実施例に係るパワーモジュールの製造方法であり、工程順に示した要部製造工程図である。

まず、図１において、導電パターン付絶縁基板７（図１３の符号５２に相当する）を縦置きの支持用治具１に立ててセットし、そのまま加熱炉１５内にセットする。導電パターン付絶縁基板７の絶縁基板であるセラミック板８はＡｌＮ基板、Ｓｉ_３Ｎ_４基板またはＡｌ_２Ｏ_３基板などである。この縦置きの支持用治具１は導電パターン付絶縁基板７を立てた状態で支持できる構造となっている。ここでは、２個の縦置きの支持用治具１にそれぞれ導電パターン付絶縁基板７をセットした場合で示したが、縦置きの支持用治具１の個数は２個に限るものではない。

つぎに、図２において、不活性ガスである窒素ガス１２を加熱炉１５の入り口２０から所定の流量で流入させ、加熱炉１５内を窒素ガス１２で充満させる。この充満した窒素ガス１２は流入したときと同じ流量で出口２１から外部へ放出される。加熱炉１５の容積は例えば４８０００ｃｍ^３程度であり、窒素ガス１２の流量は例えば０．５リットル／ｍｉｎ程度である。

つぎに、図３において、導電パターン付絶縁基板７を例えば４００℃程度の処理温度で、３０分程度の処理時間でプレベーク処理し、エッチング工程で導電パターン付絶縁基板７に付着した苛性ソーダなどの薬品の残渣を熱分解してガス（水分や二酸化炭素など）を発生させる。この発生したガスは窒素ガス１２に乗せて外部へ排気（除去）する。前記のエッチング工程では導電パターン付絶縁基板７の導電パターン９（図１３の符号５４に相当する）と裏面の（図３では図示されない）金属導体１０（図１３の符号５５に相当する）をそれぞれパターニングする。

つぎに、窒素ガス１２を流しながら加熱炉１５内の温度を下げて導電パターン付絶縁基板７を冷却し、図４に示されるように導電パターン付絶縁基板７がセットされている縦置きの支持用治具１を加熱炉１５内から取り出す。

つぎに、図示しないが、縦置きの支持用治具１から導電パターン付絶縁基板７を取り外し、この導電パターン付絶縁基板７を次工程に送る。次工程とはパワーモジュールの組立工程などである。

図５は、実施例１で用いるプレベーク用加熱装置１００の要部構成図であり、この発明の第１実施例に係るパワーモジュールの製造装置の構成を示すものである。このプレベーク用加熱装置１００は、前記した加熱炉１５と、その中にセットされる前記した縦置きの支持用治具１と、パージガス用ボンベ（例えば、市販の窒素ガスボンベ１６）と、減圧弁１７と、流量計１８と、パージガス供給配管１９およびパージガス出口弁２２などで構成される。図５は縦置きの支持用治具１にセットされた導電パターン付絶縁基板７も示されている。

ここで、図５に示されるプレベーク用加熱装置１００において、加熱炉１５は、上述のように縦置きの支持用治具１に立ててセットされた導電パターン付け絶縁基板７を内部に収納した状態で、導電パターン付け絶縁基板７を２００℃〜７００℃の温度範囲で加熱することが可能な構成とされており、上記温度範囲内において、導電パターン付け絶縁基板７を構成する絶縁体の材質などに合わせて設定された温度で加熱を行なうようにしている。さらに、加熱炉１５に設けられたガス導入口である入り口２０、ガス排出口である出口２１、および、不活性ガス供給源であるパージガス用ボンベ（例えば窒素ガスボンベ１６）などから構成される炉内雰囲気調整手段により、加熱炉１５の内部雰囲気が例えば窒素ガスなど不活性ガスの雰囲気に維持される。

このプレベーク用加熱装置１００を用いた前記の製造工程の補足説明を行なう。縦置きの支持用治具１に導電パターン付絶縁基板７を立ててセットし、その状態で加熱炉１５内にセットする。パージガス（加熱炉１５内を充満させるガス）である窒素ガス１２はパージ用ガスボンベである窒素ボンベ１６から減圧弁１７と流量計１８およびパージガス供給配管１９を通って、加熱炉１５の入り口２０から加熱炉１５内へ流がす。加熱炉１５内は窒素ガス１２で充満し、充満した窒素ガス１２は導電パターン付絶縁基板７のおもて面７ａと（図５では図示されない）裏面７ｂの両面に当たりながら所定の流量で流れ、パージガス出口弁２２を通って外へ排気される。この窒素ガス１２が導電パターン付絶縁基板７の両面７ａ,７ｂ（特に、図１４の交線箇所６０に相当する交線箇所１１）に当たりながら流れることで、導電パターン付絶縁基板７から発生したガス（苛性ソーダが熱分解して発生したガス：水分や二酸化炭素など）は窒素ガス１２によって外部に運ばれて除去される。

これにより、導電パターン付絶縁基板７にプレベーク処理前に吸着した薬品の残渣（苛性ソーダなど）は除去されて、部分放電６１や沿面放電６２が抑制される。
図６は、縦置きの支持用治具１の要部構成図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）の矢印Ａから見た上面図、同図（ｃ）は同図（ａ）の矢印Ｂから見た側面図である。この縦置きの支持用治具１は、ウェハを収納するバスケットのような形状をしている。この縦置きの支持用治具１は、底部の支持板２と、側外壁の枠板３と、枠板３に挟まれた側板４と、これらに接続する横板５が一体化された構造をしている。横板５には、凹部６の切り込みが形成されている。また、枠板３と側板４の間、側板４同士の間に導電パターン付絶縁基板７が挿入されセットされる。

図７は、図６の縦置きの支持用治具１に導電パターン付絶縁基板７をセットした要部構成図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）の矢印Ａから見た上面図、同図（ｃ）は同図（ａ）の矢印Ｂから見た側面図である。図７を用いてパージガスである窒素ガス１２の流れを説明する。

横板５に形成された切り込みの凹部６に、導電パターン付絶縁基板７のセラミック板８（図１３の符号５３に相当する）の側端部を上方から下方に向かって差し込んで導電パターン付絶縁基板７をセットする。加熱炉の入り口２０から加熱炉１５内に入った窒素ガス１２は、矢印で示すように上方から下方に向かって流れ、その窒素ガス１２は導電パターン付絶縁基板７の両面７ａ，７ｂに触れながら向きを変えて横方向に流れ出口２１へ向かう。このとき導電パターン付絶縁基板７のセラミック板８と金属導体（導電パターン９および裏面の金属導体１０）の交線箇所１１に窒素ガス１２が当たって流れ、導電パターン付絶縁基板７に付着した薬品の残渣が熱分解されて発生するガス（水分や二酸化炭素など）を効率よく外部へ運び出す。

図８は、プレベーク温度とガス発生レートの関係を実験した結果を示す図である。雰囲気はＡｉｒ（空気中）と窒素ガス（Ｎ_２）の２種類であり、導電パターン付絶縁基板７を構成するセラミック板８（絶縁基板）はＡｌＮ基板とＳｉ_３Ｎ_４基板である。

図８において、ガス発生レートのピークは、１００℃、４００℃、６００℃の各温度で表われる。ＡｌＮ基板は１００℃と４００℃にピークが表われ、Ｓｉ_３Ｎ_４基板は４００℃および６００℃にピークが現れる。ＴＰＤ−ＭＳなどの分析装置で調査した結果、２００℃までのプレベーク温度では、発生したガスは導電パターン付絶縁基板７の表面７ａ，７ｂに水分が吸着されたことに起因（由来）している。また、２００℃〜７００℃のプレベーク温度では、発生するガスはエッチング時に導電パターン付絶縁基板７に吸着された薬品の残渣（例えば、苛性ソーダなど）が熱分解して発生したガス（水や二酸化炭素など）に起因（由来）する。

前記の工程において、パージガスである窒素ガス１２の流量は、加熱炉１５内の雰囲気温度が低下しない程度にして、加熱炉１５内が窒素ガス１２で十分置換が行なわれる流量にする。使用した加熱炉１５の炉内体積が、例えば、４０ｃｍ×４０ｃｍ×３０ｃｍ＝４８０００ｃｍ^３＝４．８×１０^４ｃｍ^３の場合は、市販の窒素４７リットルのボンベ（窒素ボンベ１６）を配置し、例えば、窒素ボンベ１６の内容量７ｍ^３＝７×１０^６ｃｍ^３で約１週間持たせるようにすると、０．６９リットル／ｍｉｎの流量の窒素ガス１２を流せばよい。この０．６９リットル／ｍｉｎの流量は一例でありこれに限るものではなく、加熱炉１５の内容積が前記の数倍程度までであれば、０．３リットル／ｍｉｎ程度以上にするとよい。

また、プレベーク処理の処理時間としては、前記したＡｌＮ基板やＳｉ_３Ｎ_４基板の例では３０分程度で十分効果は得られる。このプレベーク処理をさらに長時間行うと、熱変形や微量なリーク酸素と電極材料（導電パターン付絶縁基板７の導電パターン９や裏面の金属導体１０）の酸化など、熱による不可逆反応が少しずつ促進する。そのため、必要な時間以上の処理の継続は行わない方が望ましい。また、事前にＴＰＤ−ＭＳ等の分析装置で熱分解によるガスの発生量が少なくなる時間を把握しておき、処理時間を設定するとよい。

また、加熱時に適用するパージガスとしては、前記した窒素ガス１２の他に希ガス（ヘリウム、アルゴンなど）が好適である。また、７００℃まで加熱した状態でも不活性な状態を確保できる不活性ガスであればこれに限るものではない。酸素が含有していると前記したように導電パターン付絶縁基板７のおもて面の金属導体である導電パターン９や裏面の金属導体１０が酸化され表面が荒れて、部分放電が起こり易くなる。

また、前記のプレベーク処理では、十分に導電パターン付絶縁基板７の両面７ａ，７ｂ（特に、交線箇所１１）にパージガスである窒素ガス１２が触れて通流するようにすることが肝要である。

比較のために、パージガスである窒素ガス１２を導電パターン付絶縁基板７の片面に当てて通流させた場合について検討した。
図９は、開口部なしの横置きの支持用治具２５に導電パターン付絶縁基板７をセットした要部構成図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は平面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図である。この開口部なしの横置きの支持用治具２５は従来使用している治具である。図９に示ように開口部なしの横置きの支持用治具２５を用いた場合では、パージガスである窒素ガス１２は導電パターン付絶縁基板７のおもて面７ａにのみ通流するので、裏面７ｂ側の脱ガス効果は半減する。しかし、従来のようにＡｉｒ雰囲気ではなく窒素ガス（Ｎ_２）雰囲気で４００℃のプレベーク処理を行なうことで部分放電電圧は６．９ｋＶ程度（この条件のものは後述の表１には記載していない）となり、後述の表１の（１）の条件に比べて０．４ｋＶ程度は上昇する。

この部分放電電圧の上昇幅は、縦置きの支持用治具１を用いた場合の表１の（４）の条件での１ｋＶに比べると低い。従って、部分放電電圧を高めるためには、導電パターン付絶縁基板７を図６に示す横置きの支持用治具１にセットして、導電パターン付絶縁基板７の両面７ａ，７ｂ（特に、交線箇所１１）にパージガスである窒素ガス１２が当たって流れるようにするとよい。

しかし、前記したように、図９の開口部なしの横置きの支持用治具２５を用いた場合、前記したように（１）の条件より効果があり、また導電パターン付絶縁基板７を凹部２６にはめ込んで簡単にセットできるので、作業性がよい。

また、サージ電圧は導電パターン９が正極、裏側の金属導体１０が負極で発生する頻度が高いため、そのような場合は、図１４の部分放電６１および沿面放電６２は導電パターン付絶縁基板７のおもて面７ａ側で多発する。そのため、図９の開口部なしの支持用治具２５を用いて導電パターン付絶縁基板７のおもて面７ａにのみにパージガスである窒素ガス１２を接触させて通流し、薬品の残渣の熱分解によるガスを除去することは部分放電電圧を高める上で効果がある。

つぎに、プレベーク温度と部分放電電圧の関係を実験したのでその結果を説明する。
表１は、プレベーク温度と部分放電電圧の関係を実験した結果である。この表１には従来例および参考例も追記した。

（１）の条件は、Ａｉｒ雰囲気で導電パターン付絶縁基板７を加熱しない場合、（２）の条件は、Ａｉｒ雰囲気で、導電パターン付絶縁基板７を１５０℃に加熱した場合、（３）の条件は、Ａｉｒ雰囲気で、導電パターン付絶縁基板７を４００℃に加熱した場合、（４）の条件は、Ｎ２雰囲気で、導電パターン付絶縁基板７を４００℃に加熱した場合である。（１）と（２）の条件は従来例であり、（３）は参考例、（４）は本発明である。また、使用したセラミック板８はＡｌＮ基板およびＳｉ_３Ｎ_４基板である。

表１において、（１）の条件では、部分放電電圧は６．５ｋＶ、この電圧が他の条件の基準値になる。（２）の条件では部分放電電圧は６．９ｋＶである。（２）の条件では水分などの表面吸着ガスの除去が行なわれるので部分放電電圧は（１）の条件に対して０．４ｋＶ上昇する。

また、参考例である（３）の条件では部分放電電圧は６．５ｋＶとなり、（１）の条件と同じである。
エッチング工程で残留した薬品の残渣は熱分解により除去されるが、Ａｉｒ雰囲気で４００℃の高温のプリベーク処理で導電パターン付絶縁基板７の金属導体（導電パターン９、裏面の金属導体１０）の表面が酸化されて表面荒れを起こす。この荒れた箇所（突起）が核となり電界集中が発生し部分放電電圧を低下させる。

また、本発明である（４）の条件では、部分放電電圧が７．５ｋＶまで上昇する。この部分放電電圧の上昇要因を説明する。ａ）窒素（Ｎ_２）ガスにより金属導体（導電パターン９、裏面の金属導体１０）の酸化が抑えられ、表面荒れが抑えられること。ｂ）エッチング工程で導電パターン付絶縁基板７に残留した薬品の残渣（苛性ソーダ）が４００℃の高温のプレベーク処理で熱分解すること。ｃ）その熱分解で発生したガス（水分と二酸化炭素など）が導電パターン付絶縁基板７を縦置き支持用治具にセットすることで、導電パターン付絶縁基板７の両面７ａ，７ｂにパージガスが触れて流れるようになり、熱分解ガスが効果的に除去されること、などが挙げられる。

表１によれば、４００℃のプリベーク処理を施し、導電パターン付絶縁基板７の配置等を工夫して、その表裏に流通ガス（窒素ガス１２などのパージガス）が当たるようにすることによって、部分放電電圧を表１の（１）の条件に対して１．０ｋＶ上昇させることができる。

前記したように、Ａｉｒ雰囲気で２００℃以上のプレベーク温度（表１では４００℃）では、金属導体（導電パターン９、裏面の金属導体１０）の酸化による劣化が著しく、金属導体の表面の凹凸が大きくなり金属導体の表面が荒れる。そのため、部分放電電圧が低下する（（３）の条件では（２）の条件の１５０℃より０．５ｋＶ低下する）。このように、金属導体である導電パターン９の表面の凹凸が酸化による荒れによって大きくなると、導電パターン９とボンディングワイヤの接合強度が低下し、信頼性の低下を招くので望ましくない。

図８の分析結果から、プレベーク処理の温度を２００℃〜７００℃の範囲にするとよい。また、図８に示されるように、ＡｌＮ基板のガス発生レートが３００℃から立ち上がっているとともに、Ｓｉ_３Ｎ_４基板のガス発生レートの立ち上がりが３００℃以上で急勾配となっていることから、より好ましくは３００℃〜７００℃の範囲にするとよい。

さらに好ましくは、ＡｌＮ基板に対してはプレベーク処理の温度を４００℃付近、Ｓｉ_３Ｎ_４基板に対しては４００℃付近および６００℃付近にすると好適である。つまり、ＴＰＤ−ＭＳ装置で調査して熱分解ガスの発生レートがピークになる温度で不活性雰囲気でプレベーク処理をするとよい。

また、２００℃未満の低い温度で発生するガスは、表面に吸着した水分などの表面吸着ガスが主体であり、エッチング処理で吸着した薬品の残渣が熱分解によって発生するガスとは異なる。従って、２００℃未満のプレベーク温度では、導電パターン付絶縁基板７に吸着した薬品の残渣は熱分解させることができないため、薬品の残渣を除去することはできない。このため、プレベーク温度は少なくとも２００℃以上とすることが好適である。

一方、プレベーク温度が７００℃を超えると、金属導体の酸化の程度が進み導電パターン付絶縁基板７が表面荒れを起こして高い絶縁耐量（高い部分放電電圧）が確保できなくなる。また、図８から７００℃超の高温では薬品の残渣の熱分解によるガスの発生は極めて少なくなるので７００℃超に温度を上げてプレベーク処理をする必要性は小さくなる。
＜実施例２＞
図１０は、この発明の第２実施例に係るパワーモジュールの製造方法を説明するプレベーク用加熱装置２００の要部構成図であり、この発明の第２実施例に係るパワーモジュールの製造装置の構成を示すものである。

図１１は、図１０のプレベーク用加熱装置２００の加熱炉内にセットされる開口部ありの横置きの支持用治具の要部構成図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図である。この開口部ありの横置きの支持用治具３１は導電パターン付絶縁基板７を横置き（平ら置き）した状態で支持できる構造となっている。

図１２は、図１１の開口部ありの横置きの支持用治具３１に導電パターン付絶縁基板７をセットした要部構成図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面図である。図１２（ｂ）には窒素ガス１２の流れも示した。

ここで、図１０に示されるプレベーク用加熱装置２００において、加熱炉１５は、上述のように横置きの支持用治具３１に横置きしてセットされた導電パターン付け絶縁基板７を内部に収納した状態で、導電パターン付け絶縁基板７を２００℃〜７００℃の温度範囲で加熱することが可能な構成とされており、上記温度範囲内において、導電パターン付け絶縁基板７を構成する絶縁体の材質などに合わせて設定された温度で加熱を行なうようにしている。さらに、加熱炉１５に設けられたガス導入口である入り口２０、ガス排出口である出口２１、および、不活性ガス供給源であるパージガス用ボンベ（例えば窒素ガスボンベ１６）などから構成される炉内雰囲気調整手段により、加熱炉１５の内部雰囲気が例えば窒素ガスなど不活性ガスの雰囲気に維持される。

実施例１との違いは、加熱炉１５内にセットされる図６に示す縦置きの支持用治具１を図１１に示す開口部ありの横置きの支持用治具３１に換え、導電パターン付絶縁基板７を横置きにしてセットした点である。このように開口部ありの横置きの支持用治具３１を用いることで、窒素ガス１２は導電パターン付絶縁基板７の両面７ａ，７ｂ（特に、交線箇所１１）に触れて流れるようになり、実施例１と同様の効果が得られる。

また、ここでは図１１に示す開口部ありの横置きの支持用治具３１を上下２段にして加熱炉１５内にセットした。他の工程は実施例１と同様である。この開口部ありの横置きの支持用治具３１の段数は２段に限るものではない。

図１１の開口部ありの横置きの支持用治具３１には多数の開口部３２が設けられている。この開口部３２の大きさは導電パターン付絶縁基板７のセラミック板８の外周部より多少小さく形成され、開口部３２の外周部は段差部３３が形成されている。

尚、実施例１では、導電パターン付絶縁基板７は縦置きの支持用治具１に立ってセットされ、実施例２では開口部ありの横置きの支持用治具３１に横置きにセットされている。しかし、これに限らず図示しないが、図１１に示す開口部ありの横置きの支持用治具３１に導電パターン付絶縁基板７を横置きにセットし、そのまま開口部ありの横置きの支持用治具３１を斜めに加熱炉１５内にセットしてもよい。

前記の実施例１および実施例２に記載したように、導電パターン付絶縁基板７を図６に示す縦置きの支持用治具１および図１１に示す開口部ありの横置きの支持用治具３１にセットすることで、導電パターン付絶縁基板７のおもて面７ａ、裏面７ｂの両面（特に、交線箇所１１）にパージガスである窒素ガス１２を接触させながら流すことができる。それによって、導電パターン付絶縁基板７から発生した熱分解によるガスを効率よく除去（脱ガス）できて、部分放電電圧を高めることができる。また、２００℃から７００℃の範囲の温度のプレベーク処理で導電パターン付絶縁基板７の金属導体（導電パターン９、裏面の金属導体１０）が酸化しないように、窒素ガス１２や希ガスなど不活性ガスをパージガスとして用い、このパージガスの流量を前記した値（０．３リットル／ｍｉｎ以上）にするとよい。

また、前記したように開口部なしの横置き支持用治具２５を用いる場合もある。
また、本発明の製造方法を用いることで、従来の絶縁構成部材や構成内容を変更することなく、また、不活性ガスのパージガスと従来の加熱炉を用い、高温でプリベーク処理を行なうだけで部分放電電圧を向上できるので、低コストのパワーモジュールを製造することができる。

１ 縦置きの支持用治具
２ 支持板
３ 外枠
４ 側板
５ 横板
６ 凹部
７ 導電パターン付絶縁基板
７ａ おもて面
７ｂ 裏面
８ セラミック板
９ 導電パターン
１０ 裏面の金属導体
１１ 交線箇所（図１４の符号６０に相当する）
１２ 窒素ガス
１５ 加熱炉
１６ 窒素ボンベ
１７ 減圧弁
１８ 流量計
１９ パージガス供給流路
２０ 入り口
２１ 出口
２２ パージガス出口弁
２５ 開口部なしの横置きの支持用治具
２６ 凹部
３１ 開口部ありの支持用治具
３２ 開口部
３３ 段差
１００，２００ プレベーク処理用加熱装置

Claims (6)

1. 導体と絶縁体を接合して構成される導電パターン付絶縁基板を不活性ガスの雰囲気下で２００℃〜７００℃の温度範囲で加熱処理する工程と、
   前記導電パターン付絶縁基板を構成する前記絶縁体と前記導体の接合部の露出した箇所に前記不活性ガスが接触しながら通流する工程と、
   を特徴とするパワーモジュールの製造方法。
2. 前記導電パターン付絶縁基板を構成する前記絶縁体と前記導体の接合部の露出した箇所に前記不活性ガスが接触しながら通流する工程は、
   前記導電パターン付絶縁基板の半導体チップが搭載されるおもて面側の前記接合部に前記不活性ガスが接触しながら通流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の製造方法。
3. 前記導電パターン付絶縁基板が、前記不活性ガスの通流方向に向かって第１の開口を有し、前記第1の開口を囲む一以上の側面に第２の開口を有し、前記第1の開口と対抗する面に支持板を有する支持用治具に配置されて加熱処理されることを特徴とする請求項１〜２のいずれか一項に記載のパワーモジュールの製造方法。
4. 導体と絶縁体を接合して構成される導電パターン付絶縁基板を内部に収納した状態で前記導電パターン付絶縁基板を２００℃〜７００℃の温度範囲で加熱する加熱炉と、
   前記加熱炉の内部雰囲気を不活性ガスの雰囲気に維持する炉内雰囲気調整手段とを少なくとも備え、
   前記炉内雰囲気調整手段は、不活性ガスを供給するガス供給源と、前記ガス供給源から供給される不活性ガスを前記加熱炉内に流入させるガス導入口と、前記加熱炉内のガスを外部に放出させるガス排出口とを少なくとも備え、前記ガス導入口から供給される不活性ガスの通流方向に、前記導電パターン付絶縁基板の前記絶縁体と前記導体の接合部の露出した箇所と、前記ガス導入口が対向配置されていること
   を特徴とするパワーモジュールの製造装置。
5. 前記不活性ガスが窒素ガスもしくは希ガスであることを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュールの製造装置。
6. 前記導電パターン付絶縁基板を構成する絶縁体が、ＡｌＮ基板、Ｓｉ_３Ｎ_４基板もしくはＡｌ_２Ｏ_３基板のいずれか一つであることを特徴とする請求項４または５に記載のパワーモジュールの製造装置。
   
   

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