JP6201761B2 - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、広い面積を有するセラミックス板を小片に分割して個々のセラミックス基板を有するパワーモジュール用基板を製造する方法に関する。

半導体素子等の電子部品を搭載するためのパワーモジュール用基板は、これら基板を複数形成可能な広い面積を有するセラミックス板の表面に、これらを各基板の大きさに区画するように分割溝（スクライブ溝）を予め設けておき、この分割溝によって区画される領域にそれぞれ回路層を形成した後、その分割溝に沿って分割することにより個片化されて製造される。

例えば、特許文献１では、基板（セラミックス板）の一方の面に分割溝を形成しておき、分割溝にしたがって、その分割溝とは反対側の面を第１押圧部により押圧するとともに、第２押圧部及び第３押圧部を、それぞれ分割溝を挟んだ両側の等距離の位置において、第１押圧部の押圧方向の反対方向に、分割溝に沿って押圧することにより、分割溝を支点として基板を折り曲げて個片化する装置が開示されている。
また、特許文献２では、第１固定部の端縁を基板（セラミックス板）の分割溝に一致させて、第２固定部との間に基板を挟持し、分割溝を境界とした第１固定部の反対側において、基板を分割溝に沿って押圧することにより、基板を折り曲げて分割する装置が開示されている。

そして、このような分割体を製造する装置においては、セラミックス板に縦横のマトリクス状の分割溝を刻設し、いずれか一方の方向の分割溝に沿ってセラミックス板を分割して短冊状とし、次いで、その短冊状のセラミックス板を他方の分割溝に沿って分割することにより、所定寸法の矩形のセラミックス基板を得ることができる。

ところで、分割した基板を箱体等に収容する場合などには、基板の四隅を面取りすることが必要な場合がある。例えば、特許文献３では、セラミックス板に縦横のマトリクス状の分割溝を設けるとともに、分割溝の交点に孔を設けることで、セラミックス板の分割を容易にできるようにしている。そして、特許文献３には、分割溝及び孔を、セラミックス板を焼成する前のグリーンシートの状態で加工形成することが開示されている。

特開２０１１‐１０３４０４号公報 特開２０１１‐１０１９３５号公報 実開平５‐６６９９９号公報

パワーモジュール用基板を製造する際には、広い面積を有する金属板をセラミックス板にろう付け等により積層した後、その金属板をエッチングすることで、分割溝によって区画されるセラミックス基板の形成領域に金属層を形成することが行われる。しかし、特許文献３のように孔を形成したセラミックス板では、孔に金属板を被せた状態でろう付けされると、溶融したろう材や金属が孔に流れ込み、金属板を変形させることがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セラミックス板を効率的に個片化し、面取りされたパワーモジュール用基板を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板を複数形成可能なセラミックス板を個片化して金属層が積層された複数のパワーモジュール用基板を製造する方法であって、セラミックスのグリーンシートに前記セラミックス基板の面取り形状に対応する貫通孔を形成したシート成形体を焼成して前記セラミックス板を形成するセラミックス板成形工程と、前記セラミックス板の少なくとも一方の面に金属板を接合する金属板接合工程と、該金属板をエッチングすることにより各セラミックス基板の形成領域に金属層が形成された積層基板を形成する金属層形成工程と、前記積層基板を前記分割溝から分割して複数のパワーモジュール用基板を製造する分割工程とを有しており、前記金属板接合工程において、前記セラミックス板は前記金属板が接合される領域内の前記貫通孔に純度９９％以上のアルミニウムからなるアルミニウム体を挿入した状態で、前記金属板とのろう付けが行われることを特徴とする。

焼成前のグリーンシートの状態で各分割体の面取り形状に対応する貫通孔を形成することで、各セラミックス基板の面取り形状を容易に形成することができる。そして、貫通孔を設けたグリーンシートを焼成後、その貫通孔が設けられたセラミックス板に金属板を接合する際に、貫通孔に純度９９％以上のアルミニウムからなるアルミニウム体を挿入した状態としておくことで、溶融したろう材や金属が貫通孔に流れ込むことがないので、セラミックス板と金属板との接合時に金属板を変形させることがない。
そして、セラミックス基板の形成領域に金属層が積層された積層基板を分割することで、面取りした外形形状を有するパワーモジュール用基板を複数形成することができる。
このように、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法においては、セラミックス板に予め貫通孔を形成しておくことで、セラミックス基板の面取り形状を分割作業によって形成する必要がなく、面取り形状部の形成のために複雑な金型構造を必要としない。また、セラミックス板と金属板との接合時に、貫通孔に純度９９％以上のアルミニウムからなるアルミニウム体を挿入した状態としておくことで、貫通孔の影響を回避することができるので、金属板を変形させることがない。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法の前記金属層形成工程において、前記アルミニウム体をエッチングにより除去することによって、前記セラミックス板に前記セラミックス基板の面取り形状に対応する貫通孔を形成するとよい。
貫通孔内の金属は、純度９９％以上のアルミニウムからなるアルミニウム体で構成されているので、金属層のパターン形成を行うエッチング処理時に同時に除去することができる。したがって、工程処理を簡略化でき、積層基板を効率的に個片化して面取りされたパワーモジュール用基板を製造することが可能である。

さらに、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記セラミックス基板の外形形状に沿って前記貫通孔の間を順次繋いで分割溝を形成する分割溝形成工程を有しているとよい。
分割溝形成工程により、分割溝が形成されることで、セラミックス基板の形成領域に金属層が積層された積層基板をその分割溝で分割することにより、面取りした外形形状を有するパワーモジュール用基板を効率よく形成することができる。

さらに、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法の前記セラミックス板成形工程において、前記シート成形体は、前記セラミックス基板の形成領域の周囲に外枠領域が設けられているとよい。
外枠領域を設けることで、複数のセラミックス基板の形成領域を並べた領域の外周縁も、セラミックス基板の形成領域どうしの境界と同様に、貫通孔により区画することができ、金型構造を単純化することができる。

本発明によれば、グリーンシートの状態で面取り形状に沿って貫通孔を形成しておくことで、工程処理を簡略化でき、セラミックス板を効率的に個片化して面取り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。

本発明の一実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法を説明するフローチャートである。 パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。 本発明の一実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法により製造されたパワーモジュール用基板を示す斜視図である。 ロール状に巻き取られたグリーンシートを説明する斜視図である。 シート形成体を説明する斜視図である。 セラミックス板の正面図である。 セラミックス板に金属板を接合した状態を示す正面図である。 金属層形成工程を説明する要部断面図であり、（ａ）がセラミックス板と金属板との接合前の状態、（ｂ）がセラミックス板と金属板との接合後の状態、（ｃ）が金属板をエッチングして金属層を形成した状態を示す。 積層基板を示す斜視図である。 外枠領域の分割手順を説明する図であり、（ａ）が第１工程、（ｂ）が第２工程を示す。 外枠領域を除去した積層基板を示す斜視図である。 他の実施形態のセラミックス板を示す正面図である。 さらに別の実施形態のセラミックス板を示す正面図である。

以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図２は、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法により製造されるパワーモジュール用基板３を用いたパワーモジュール１を示している。この図２のパワーモジュール１は、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、裏面に取り付けられたヒートシンク５とから構成される。

パワーモジュール用基板３は、図１１に示す積層基板３１から製造され、図３に示すように、互いに接合されたセラミックス基板２と、金属層６，７とから構成される。
セラミックス基板２は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（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。本実施形態では、セラミックス基板２としてＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）を用いた。

また、金属層６，７は、純度９９．００質量％以上のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）や純度９９．９０質量％以上のアルミニウム（いわゆる３Ｎアルミニウム）や純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）又はアルミニウム合金により形成されている。

そして、これらセラミックス基板２と金属層６，７とは、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り、ろう付け接合されている。

なお、回路層となる金属層６と電子部品４との接合には、Ｓｎ−Ｃｕ系、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と金属層６の端子部との間は、アルミニウム等からなるワイヤ及びリボンボンディング等（図示略）により接続される。
また、ヒートシンク５は、平板状のもの、熱間鍛造等によって多数のピン状フィンを一体に形成したもの、押出成形によって相互に平行な帯状フィンを一体に形成したもの等、適宜の形状のものを採用することができる。

次に、本実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。パワーモジュール用基板の製造方法は、図１に示すように、複数の工程により構成される。
まず、セラミックスを構成する原料粉末をバインダー及び有機溶剤等と混合したスラリーを形成し（スラリー形成工程）、このスラリーをシート状に形成してセラミックスのグリーンシートを形成する（グリーンシート形成工程）。
グリーンシートは、ドクターブレード法や押出成形によるテープ成形等の方法を用いて形成することができる。例えば、ドクターブレード法によってグリーンシートを形成するには、スラリーをキャリアフィルム上にシート状に塗布し、そのシート状のスラリーを乾燥炉内に通過させ、スラリー中の揮発成分を揮発させることによりシート状の形態が保持された状態のグリーンシートを形成できる。
なお、グリーンシートは、キャリアフィルムから剥離して、図４に示すように、グリーンシート１０だけでロール状に巻き取ることが好適である。このとき、所定のグリーンシート幅になるように、スリッターで連続的に切断しておくことで、後のシート成形工程への搬送等が容易になる。

次に、グリーンシート１０を所望の形状に切断、打抜き処理を施し、所望の形状のグリーンシート成形体を形成する（シート成形工程）。
この場合、長尺のグリーンシート１０を切断して矩形状のグリーンシートとした後、図５に示すように、パワーモジュール用基板３を構成するセラミックス基板２の面取り形状１６となる部分を、パンチングマシン等によってその厚み方向に打抜くことにより、複数の貫通孔１５が形成されたシート成形体１１が形成される。

本実施形態では、１枚のシート成形体１１から４個のセラミックス基板２を形成する。そのため、シート成形体１１は、セラミックス基板２を縦横に２つずつ整列させた領域の周囲に、後述する外枠領域２４を設けた形状に対応する大きさに形成されている。そして、貫通孔１５は、セラミックス基板２の面取り形状１６に対応する位置に、ほぼ四角形状に形成される。
なお、シート成形体１１は、焼成時に収縮することを考慮し、焼成後に所定寸法のセラミックス板を得られるように、焼成の収縮率に合わせた寸法で成形されている。

そして、このシート成形体１１を焼成して、セラミックス板を形成する（焼成工程）。
焼成工程は、例えば、窒素雰囲気中でシート成形体１１を１４００℃〜１６００℃に加熱することにより行う。
なお、この焼成工程により得られるセラミックス板は、シート成形体１１に対して収縮するので、シート成形体１１に形成する貫通孔１５の大きさ及び位置は、この収縮分を見込んで設定しておく必要がある。
また、本発明では、上記シート成形工程と焼成工程とを合わせてセラミックス板成形工程と称している。

次に、セラミックス板２０に、図６に示すように、パワーモジュール用基板３を構成するセラミックス基板２の外形形状に沿って分割溝２１を形成する（分割溝形成工程）。
分割溝２１は、例えばレーザースクライブにより、セラミックス基板２の外形形状に沿ってレーザーを複数回照射することで、セラミックス板２０を切削加工して形成される。
また、分割溝２１は、図６に示すように、セラミックス板２０に形成された貫通孔１５ａの間を順次繋いで形成されている。これら分割溝２１によって、セラミックス基板２の外形形状の大きさに区画された４つのセラミックス基板２の形成領域２２が縦横に２つずつ整列して形成されるとともに、それら４つのセラミックス基板２の形成領域２２の周囲に配置される外枠領域２４が形成されている。

なお、分割溝２１は、隣接する４つの形成領域２２を分割するように、セラミックス板２０の中央部を除いて隣接する各形成領域２２の境界線上に縦横に形成された十字形分割溝２１Ａ，２１Ｂと、形成領域２２の外周縁を構成する外枠分割溝２１Ｃ〜２１Ｅとを有している。そして、これら外枠分割溝２１Ｃ〜２１Ｅにより形成領域２２と外枠領域２４とを隔てるとともに、外枠領域２４を形成領域２２の各辺に沿う短冊状の４つの領域２４Ａ，２４Ｂに区画している。また、これら分割溝２１は、セラミックス板２０の金属層７側に配置される表面に形成されている。

さらに、分割溝２１が形成されたセラミックス板２０の両面に金属板６０，７０を接合し（金属板接合工程）、その金属板６０，７０をエッチングすることにより金属層６，７が接合された積層基板３０を形成する（金属層形成工程）。
セラミックス板２０と金属板６０，７０との接合は、図８（ａ）に示すように、セラミックス板２０の金属板６０，７０が接合される領域内の貫通孔１５ａを純度９９％以上のアルミニウムからなるアルミニウム体１８を挿入した状態で行われる。本実施形態において、アルミニウム体１８は純度９９％のアルミニウムで構成されている。このアルミニウム体１８の形態としては、例えば貫通孔１５ａと同形状のピン部材や金属粉を用いることができ、これらを貫通孔１５ａ内に詰め込むことにより、貫通孔１５ａを塞いだ状態とする。
そして、この貫通孔１５ａが塞がれた状態のセラミックス板２０の両面に、ろう材箔１９を介在させて金属板６０，７０を積層し、これらの積層体を加圧した状態のまま真空中で加熱することにより、セラミックス板２０と金属板６０，７０とをろう付け接合する（図８（ｂ））。また、これら金属板６０，７０をエッチングすることにより、金属層６，７を形成する（図８（ｃ））。貫通孔１５ａ内の金属は、このエッチング処理の際に同時に除去される。
金属層６，７は、分割溝２１により区画された４つの形成領域２２に、それぞれ設けられる。なお、図９の積層基板３０において、セラミックス板２０の裏面に接合された金属層６は回路層用、セラミックス板２０の表面に接合された金属層７は放熱層用である。

そして、パワーモジュール用基板３は、ダイシング装置や基板分割装置等の切断手段により、積層基板３０を分割溝２１に沿って分割することで、セラミックス板２０を個片化して製造される（分割工程）。
この場合、図１０に示すように、積層基板３０を構成するセラミックス板２０の外枠領域２４を、外枠分割溝２１Ｃ〜２１Ｅに沿って除去した後、図１１に示す、積層基板３１を形成し、十字形分割溝２１Ａ，２１Ｂから分割して、面取りされた４個のパワーモジュール用基板３を製造する。なお、積層基板３０の外枠領域２４は、まず外枠領域２４Ａを分割した後（図１０（ａ））、さらに外枠領域２４Ｂを分割することにより除去される（図１０（ｂ））。そして、外枠領域２４を除去することにより、図１１に示すように、積層基板３１の外周面に面取り形状１６が形成される。

このように、本実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法では、グリーンシートの焼成前にセラミックス基板の形成領域の面取り形状に対応する貫通孔を形成していることから、各セラミックス基板の面取り形状を容易に形成することができる。そして、貫通孔を設けたグリーンシートを焼成後、その貫通孔が設けられたセラミックス板に分割溝を形成する。
この分割溝を形成したセラミックス板に金属板を接合する際に、貫通孔をアルミニウム体１８により塞いだ状態としておくことで、溶融したろう材や金属が貫通孔に流れ込むことが防止され、貫通孔の影響を回避することができる。
貫通孔を塞がずに接合すると、溶融したろう材や金属板の金属が貫通孔内に流れ込んで充満し、その貫通孔の両端で金属を溶融する現象が生じる。セラミックス板に接合される金属板が薄肉であることから、表面が窪んだ状態となるなど、外観不良を生じ易くなる。
一方、上述したように、貫通孔を金属で塞いだ状態ではセラミックス板と金属板との接合時に金属板を変形させることがない。また、貫通孔内の金属は、純度９９％のアルミニウムで構成されているので、セラミックス板に積層された金属板をエッチングする際に、同時に除去することができる。
したがって、パワーモジュール用基板の製造工程を簡略化でき、セラミックス板を効率的に個片化して、面取り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。

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、貫通孔１５ａを四角形に形成していたが、図１２に示すように円形の貫通孔１５ｂを形成してもよい。また、図１３に示すように、形成領域２２の間に区画される貫通孔１５ａと、複数並べられた形成領域２２の外周縁において面取り形状を形成する貫通孔１５ｃ，１５ｄとで、異なる形状の貫通孔としてもよく、その他適宜の形状によって貫通孔を形成することができる。
また、積層基板の外枠領域を４つに区画した領域２４Ａ，２４Ｂを形成していたが、図１２に示す積層基板８０のように、十字形分割溝２１Ａ，２１Ｂをセラミックス基板２０の外周縁まで延長した分割溝を形成することによって、外枠領域２４を４つ以上に区画してもよい。この場合、外枠領域は８つに区画されており、外枠領域２４を除去する前に、十字形分割溝２１Ａ，２１Ｂから分割して４つの分割体を形成しておき、個々の分割体に連結状態となっている外枠領域２４を除去する工程としてもよい。
また、上記実施形態では、分割溝２１はセラミックス板２０の一方の面のみに設けられているが、これに限定されず、セラミックス板の両面に設けてもよい。
さらに、スラリーを乾燥させた後、得られたセラミックスのグリーンシートは、上記実施形態のように、そのまま巻取り回収してもよいし、任意の方法で適当な大きさに切断加工して回収してもよい。
また、上記実施形態では、分割溝２１はシート成形体１１の焼成後に形成したが、これに限定されず、焼成前に形成してもよいし、金属板をエッチングした後に形成してもよい。

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 金属層（回路層）
７ 金属層（放熱層）
８ はんだ接合層
１０ グリーンシート
１１ シート成形体
１５，１５ａ〜１５ｄ 貫通孔
１６ 面取り形状
１８ アルミニウム体
１９ ろう材箔
２０ セラミックス板
２０ａ 分割溝形成面
２０ｂ 押圧面
２１，２１Ｃ〜２１Ｅ 分割溝
２１Ａ，２１Ｂ 分割溝（十字形分割溝）
２２ 分割体形成領域
２４，２４Ａ，２４Ｂ 外枠領域
３０，３１，８０ 積層基板
６０，７０ 金属板

Claims (4)

1. セラミックス基板を複数形成可能なセラミックス板を個片化して金属層が積層された複数のパワーモジュール用基板を製造する方法であって、セラミックスのグリーンシートに前記セラミックス基板の面取り形状に対応する貫通孔を形成したシート成形体を焼成して前記セラミックス板を形成するセラミックス板成形工程と、前記セラミックス板の少なくとも一方の面に金属板をろう付けによって接合する金属板接合工程と、該金属板をエッチングすることにより各セラミックス基板の形成領域に金属層が形成された積層基板を形成する金属層形成工程と、前記積層基板を分割して複数のパワーモジュール用基板を製造する分割工程とを有しており、前記金属板接合工程において、前記セラミックス板は前記金属板が接合される領域内の前記貫通孔に純度９９％以上のアルミニウムからなるアルミニウム体を挿入した状態で、前記金属板とのろう付けが行われ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. 前記金属層形成工程において、前記アルミニウム体をエッチングにより除去することによって、前記セラミックス板に前記セラミックス基板の面取り形状に対応する貫通孔を形成することを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記セラミックス基板の外形形状に沿って前記貫通孔の間を順次繋いで分割溝を形成する分割溝形成工程を有し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方法。
4. 前記セラミックス板成形工程において、前記シート成形体は、前記セラミックス基板の形成領域の周囲に外枠領域が設けられることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。

Images