JP6375818B2 - 放熱板付パワーモジュール用基板の製造装置及び製造方法 - 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放熱板付パワーモジュール用基板の製造装置及び製造方法に関する。
パワーモジュールには、一般に、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板の一方の面に回路層を形成する金属板が接合されるとともに、他方の面に金属層を形成する金属板を介して放熱板が接合された放熱板付パワーモジュール用基板が用いられている。
このような放熱板付パワーモジュール用基板は、従来、次に示すように製造されてきた。
まず、セラミックス基板の表面に、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合に適するろう材を介して２つの金属板を積層し、所定の圧力で加圧しながら、ろう材が溶融する温度以上まで加熱することにより、セラミックス基板と両面の金属板とを接合してパワーモジュール用基板を製造する。次に、このパワーモジュール用基板の金属層と放熱板とを、ろう付けや固相拡散接合により接合することにより、放熱板付パワーモジュール用基板を製造する。そして、この場合においても、パワーモジュール用基板と放熱板とを積層して、所定の圧力で加圧しながら加熱することにより、金属層と放熱板とを接合することができる。
このような放熱板付パワーモジュール用基板は、従来、次に示すように製造されてきた。
まず、セラミックス基板の表面に、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合に適するろう材を介して２つの金属板を積層し、所定の圧力で加圧しながら、ろう材が溶融する温度以上まで加熱することにより、セラミックス基板と両面の金属板とを接合してパワーモジュール用基板を製造する。次に、このパワーモジュール用基板の金属層と放熱板とを、ろう付けや固相拡散接合により接合することにより、放熱板付パワーモジュール用基板を製造する。そして、この場合においても、パワーモジュール用基板と放熱板とを積層して、所定の圧力で加圧しながら加熱することにより、金属層と放熱板とを接合することができる。
また、このように構成される放熱板付パワーモジュール用基板は、例えば特許文献１に記載されているように、パワーモジュール用基板に放熱板を重ねた積層ユニットを平板治具で挟み、バネ等をセットして所定の面圧を付加して加熱することにより行われる。
ところで、放熱板付パワーモジュール用基板としては、従来、一枚の放熱板に一個のパワーモジュール用基板を接合したものが使用されてきたが、複数のパワーモジュール用基板を一体として取り扱えるようにするため、一枚の放熱板に複数のパワーモジュール用基板を接合することが行われている。この場合、複数のパワーモジュール用基板と放熱板との高い接合信頼性を得るためには、接合時に各パワーモジュール用基板の金属層と放熱板とを十分に密着させる必要がある。
ところが、特許文献１に記載される従来の治具のように、大面積の治具により複数のパワーモジュール用基板を一括して押圧する方法では、個々のパワーモジュール用基板が有する細かな形状の違いや、放熱板の表面形状の違い等によって、各パワーモジュール用基板に付加される押圧力にばらつきが生じ易く、全てのパワーモジュール用基板を同時に均一に加圧することが難しい。このため、複数のパワーモジュール用基板の全てにおいて放熱板との密着性を十分に確保することが難しく、放熱板付パワーモジュール用基板の接合信頼性や放熱性能の低下を引き起こすおそれがあった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複数のパワーモジュール用基板を一枚の放熱板に接合する場合において、各パワーモジュール用基板と放熱板との接合信頼性を高めることができ、良好な放熱性能を確保することができる放熱板付パワーモジュール用基板の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。
本発明の放熱板付パワーモジュール用基板の製造装置は、セラミックス基板に回路層が配設されてなる複数のパワーモジュール用基板を、一枚の放熱板に面方向に間隔をあけて積層し、その積層方向に加圧しながら加熱することにより接合して放熱板付パワーモジュール用基板を製造するための装置であって、複数の前記パワーモジュール用基板を前記放熱板に重ねて配置した積層体を、その積層方向に加圧する加圧手段を備え、前記加圧手段は、前記パワーモジュール用基板の前記回路層表面を個別に押圧するための複数の上側加圧板と、前記放熱板背面を押圧するための一枚の下側加圧板と、前記上側加圧板に押圧力を付加する付勢手段とを有し、前記上側加圧板及び前記下側加圧板は、カーボン層により形成されていることを特徴とする。
複数設けられるパワーモジュール用基板ごとに押圧するための上側加圧板を複数備える構成とすることにより、個々のパワーモジュール用基板が有する細かな形状の違いや、放熱板の表面形状の違い等を、それぞれに備えられた上側加圧板により吸収して、各パワーモジュール用基板と放熱板との密着性を良好に保持することができる。したがって、各パワーモジュール用基板と放熱板との接合信頼性を高めることができ、良好な放熱性能を確保することができる。
本発明の放熱板付パワーモジュール用基板の製造装置において、前記上側加圧板及び前記下側加圧板は、前記カーボン層に、グラファイト層が積層されるとともに、該グラファイト層に前記カーボン層よりも薄い薄肉カーボン層が積層されており、該薄肉カーボン層が前記パワーモジュール用基板側に配置される。
上側加圧板及び下側加圧板を十分な厚さを有する硬質のカーボン層により形成するとともに、そのカーボン層と薄肉カーボン層との間にクッション性を有する軟質のグラファイト層を積層することにより、個々のパワーモジュール用基板や放熱板の表面に対して、圧力を均一にして加圧することができる。したがって、複数設けられたパワーモジュール用基板を、放熱板に良好な接合状態で接合することができる。
上側加圧板及び下側加圧板を十分な厚さを有する硬質のカーボン層により形成するとともに、そのカーボン層と薄肉カーボン層との間にクッション性を有する軟質のグラファイト層を積層することにより、個々のパワーモジュール用基板や放熱板の表面に対して、圧力を均一にして加圧することができる。したがって、複数設けられたパワーモジュール用基板を、放熱板に良好な接合状態で接合することができる。
本発明の放熱板付パワーモジュール用基板の製造装置において、前記上側加圧板に設けられる前記グラファイト層は、複数の前記上側加圧板に跨って連結された一枚のシート状に設けられているとよい。
各上側加圧板は、バネ等の付勢手段によって、パワーモジュール用基板と放熱板との積層体に押圧力を付加する構成とされていることから、加圧時や加熱時において付勢手段が動くと、各上側加圧板はその影響を受け易い。その結果、放熱板に対する各パワーモジュール用基板の位置ずれを引き起こし易くなる。ところが、本発明おいては、上側加圧板に積層されるグラファイト層を、複数の上側加圧板に跨って連結した一枚のシート状に設けているので、そのクッション性により両側に積層されるカーボン層及び薄肉カーボン層の動きを拘束することができる。これにより、付勢手段が動くことにより生じる放熱板に対する各パワーモジュール用基板の位置ずれを防止することができ、パワーモジュール用基板の位置精度を向上させることができる。
また、グラファイト層により連結して各上側加圧板を一体に取り扱うことが可能となるので、作業性を向上させることもできる。
各上側加圧板は、バネ等の付勢手段によって、パワーモジュール用基板と放熱板との積層体に押圧力を付加する構成とされていることから、加圧時や加熱時において付勢手段が動くと、各上側加圧板はその影響を受け易い。その結果、放熱板に対する各パワーモジュール用基板の位置ずれを引き起こし易くなる。ところが、本発明おいては、上側加圧板に積層されるグラファイト層を、複数の上側加圧板に跨って連結した一枚のシート状に設けているので、そのクッション性により両側に積層されるカーボン層及び薄肉カーボン層の動きを拘束することができる。これにより、付勢手段が動くことにより生じる放熱板に対する各パワーモジュール用基板の位置ずれを防止することができ、パワーモジュール用基板の位置精度を向上させることができる。
また、グラファイト層により連結して各上側加圧板を一体に取り扱うことが可能となるので、作業性を向上させることもできる。
本発明の放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板に回路層が配設されてなる複数のパワーモジュール用基板を、一枚の放熱板に面方向に間隔をあけて接合して放熱板付パワーモジュール用基板を製造するための方法であって、各パワーモジュール用基板を前記放熱板に重ねて配置した積層体を、その積層方向に加圧しながら加熱することにより、前記パワーモジュール用基板と前記放熱板とを接合する接合工程を有し、前記接合工程において、前記パワーモジュール用基板の前記回路層表面を個別に押圧するための複数の上側加圧板と、前記放熱板背面を押圧するための一枚の下側加圧板との間に前記積層体を挟んで加圧し、前記上側加圧板及び前記下側加圧板は、カーボン層により形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、各パワーモジュール用基板と放熱板との接合信頼性を高めることができ、放熱板付パワーモジュール用基板の良好な放熱性能を確保することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明に係る放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法により製造される放熱板付パワーモジュール用基板１００は、図３（ｃ）に示すように、複数のパワーモジュール用基板１０が、一枚の放熱板２０に面方向に間隔をあけて接合されるものである。そして、この放熱板付パワーモジュール用基板１００のパワーモジュール用基板１０の表面に半導体チップ等の電子部品３０が搭載されることにより、パワーモジュールが製造される。
本発明に係る放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法により製造される放熱板付パワーモジュール用基板１００は、図３（ｃ）に示すように、複数のパワーモジュール用基板１０が、一枚の放熱板２０に面方向に間隔をあけて接合されるものである。そして、この放熱板付パワーモジュール用基板１００のパワーモジュール用基板１０の表面に半導体チップ等の電子部品３０が搭載されることにより、パワーモジュールが製造される。
放熱板２０に接合される各パワーモジュール用基板１０は、図３（ｂ）に示すように、例えばセラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に積層された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に積層された金属層１３とを備える。
セラミックス基板１１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を用いることができる。また、セラミックス基板１１の厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定することができ、本実施形態のセラミックス基板１１は、ＡｌＮからなり、０．６３５ｍｍの厚さとされる。
セラミックス基板１１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を用いることができる。また、セラミックス基板１１の厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定することができ、本実施形態のセラミックス基板１１は、ＡｌＮからなり、０．６３５ｍｍの厚さとされる。
回路層１２は、アルミニウム又はアルミニウム合金、もしくは銅又は銅合金からなる板材を、セラミックス基板１１に接合することにより形成される。特に１Ｎ９０（純度９９．９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）を好適に用いることができる。
また、金属層１３は、アルミニウム又はアルミニウム合金、もしくは銅又は銅合金からなる板材を、セラミックス基板１１に接合することにより形成される。特に純度１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を好適に用いることができる。
また、回路層１２及び金属層１３の厚さは、０．２ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内に設定することができ、本実施形態においては、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板により、回路層１２が０．４ｍｍ、金属層１３が０．４ｍｍの厚みに設けられている。
また、金属層１３は、アルミニウム又はアルミニウム合金、もしくは銅又は銅合金からなる板材を、セラミックス基板１１に接合することにより形成される。特に純度１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を好適に用いることができる。
また、回路層１２及び金属層１３の厚さは、０．２ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内に設定することができ、本実施形態においては、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板により、回路層１２が０．４ｍｍ、金属層１３が０．４ｍｍの厚みに設けられている。
そして、これら回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１とは、例えばろう付けにより接合される。ろう材としては、Ａｌ‐Ｓｉ系、Ａｌ‐Ｇｅ系、Ａｌ‐Ｃｕ系、Ａｌ‐Ｍｇ系又はＡｌ‐Ｍｎ系等の合金が使用される。
なお、パワーモジュールを構成する電子部品３０は、回路層１２の表面に形成されたＮｉめっき（不図示）上に、Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系、Ｚｎ‐Ａｌ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｓｂ系もしくはＰｂ‐Ｓｎ系等のはんだ材を用いて接合される。また、電子部品３０と回路層１２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（不図示）により接続される。
また、パワーモジュール用基板１０に接合される放熱板２０は、アルミニウム又はアルミニウム合金、もしくは銅又は銅合金により、厚さが１．０ｍｍ〜１０ｍｍの平板状に形成される。本実施形態の放熱板２０は、無酸素銅からなり、３ｍｍの厚さとされる。また、ここで放熱板２０としては、板状の放熱板、フィンが形成された板状の放熱板などが含まれる。
そして、図１及び図２に示す放熱板付パワーモジュール用基板の製造装置５０（以下、単に製造装置という。）は、６個のパワーモジュール用基板１０と一枚の放熱板２０とを接合した放熱板付パワーモジュール用基板１００を製造する際に用いられる。
この製造装置５０は、図１及び図２に示すように、四隅に設けられた支柱５１により支持される天板５２と座板５３との間に、パワーモジュール用基板１０を放熱板２０に重ねた積層体２５をその積層方向に加圧するための加圧手段６０を備える。
天板５２及び座板５３は、それぞれ平板状に設けられ、天板５２が座板５３の上方に互いに平行となるように配置されている。また、各支柱５１は、鉛直方向に延びる柱状に設けられ、両端には螺子が切られている。一方、座板５３には、螺子穴が設けられており、各支柱５１の一端側が座板５３の螺子穴に立設されるとともに、他端側が天板５２を貫通して上方に向かって延びて配置されており、その他端側に、ナット等の締結部材５４が締結されている。そして、この４本の支柱５１により、天板５２が、座板５３と平行状態を維持しながら、支柱５１の延在方向（鉛直方向）にスライド移動可能に設けられている。
この製造装置５０は、図１及び図２に示すように、四隅に設けられた支柱５１により支持される天板５２と座板５３との間に、パワーモジュール用基板１０を放熱板２０に重ねた積層体２５をその積層方向に加圧するための加圧手段６０を備える。
天板５２及び座板５３は、それぞれ平板状に設けられ、天板５２が座板５３の上方に互いに平行となるように配置されている。また、各支柱５１は、鉛直方向に延びる柱状に設けられ、両端には螺子が切られている。一方、座板５３には、螺子穴が設けられており、各支柱５１の一端側が座板５３の螺子穴に立設されるとともに、他端側が天板５２を貫通して上方に向かって延びて配置されており、その他端側に、ナット等の締結部材５４が締結されている。そして、この４本の支柱５１により、天板５２が、座板５３と平行状態を維持しながら、支柱５１の延在方向（鉛直方向）にスライド移動可能に設けられている。
また、これら天板５２及び座板５３の間に挟まれて配置される加圧手段６０は、パワーモジュール用基板１０の回路層１２表面を個別に押圧するための複数の上側加圧板７０と、放熱板２０背面を押圧するための一枚の下側加圧板８０と、上側加圧板７０に押圧力を付加する付勢手段９０とを有する構成とされる。なお、上側加圧板７０及び付勢手段９０は、図２に示すように、それぞれパワーモジュール用基板１０と同数の６個設けられる。
上側加圧板７０及び下側加圧板８０は、それぞれ耐熱性を有する硬質のカーボン層により平板状に形成される。そして、この上側加圧板７０及び下側加圧板８０に、クッション性を有する軟質のグラファイト層７１，８１が積層されるとともに、そのグラファイト層７１，８１に、上側加圧板７０及び下側加圧板８０を構成するカーボン層よりも厚さの薄い薄肉カーボン層７２，８２が積層され、上側加圧板７０及び下側加圧板８０を構成するカーボン層と薄肉カーボン層７２，８２との間にグラファイト層７１，８１を積層して、平板状に設けられている。
このグラファイト層７１，８１は、鱗片状のグラファイト薄膜が雲母のように複数積層されて構成されたものであり、天然黒鉛を酸処理した後にシート状に成形してロール圧延してなるものである。一方、上側加圧板７０及び下側加圧板８０を構成するカーボン層と薄肉カーボン層７２，８２は、カーボン板によって構成されており、３０００℃程度の高温で焼成したものである。そして、グラファイト層７１，８１は、かさ密度が０．５Ｍｇ／ｍ３以上１．３Ｍｇ／ｍ３以下で軟質であるが、上側加圧板７０及び下側加圧板８０を構成するカーボン層と薄肉カーボン層７２，８２は、かさ密度が１．６Ｍｇ／ｍ３以上１．９Ｍｇ／ｍ３以下の比較的硬質で平滑な平面に形成される。
なお、上側加圧板７０及び下側加圧板８０を構成するカーボン層と薄肉カーボン層７２，８２とを構成するカーボン板には、例えば、旭グラファイト株式会社製Ｇ‐３４７（熱伝導率：１１６Ｗ／ｍＫ、弾性率：１０．８ＧＰａ）を用いることができる。
また、グラファイト層７１，８１には、例えば旭グラファイト株式会社製Ｔ‐５（熱伝導率：７５．４Ｗ／ｍＫ、弾性率：１１．４ＧＰａ）や、東洋炭素工業株式会社製黒鉛シートＰＦ（圧縮率４７％、復元率１４％）などを用いることができる。
また、グラファイト層７１，８１には、例えば旭グラファイト株式会社製Ｔ‐５（熱伝導率：７５．４Ｗ／ｍＫ、弾性率：１１．４ＧＰａ）や、東洋炭素工業株式会社製黒鉛シートＰＦ（圧縮率４７％、復元率１４％）などを用いることができる。
また、下側加圧板７０及び下側加圧板８０の厚さは、例えば５ｍｍ以上（本実施例では２０ｍｍ）に設けられ、パワーモジュール用基板１０を放熱板２０に重ねた積層体２５を加圧するために十分な厚さに設定される。一方、グラファイト層７１，８１は、個々のパワーモジュール用基板１０や放熱板２０の形状の違いを吸収して圧力を均一にすることを目的とするから、その厚さは比較的薄く設けられ、例えば０．２ｍｍ以上４．０ｍｍ（本実施形態では１ｍｍ）とされる。
また、薄肉カーボン層７２，８２は、グラファイト層７１，８１とパワーモジュール用基板１０とが直接接触することを避けるために設けられるので、その厚さは下側加圧板７０及び下側加圧板８０よりも薄く、例えば０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下（本実施形態では１ｍｍ）とされる。
また、薄肉カーボン層７２，８２は、グラファイト層７１，８１とパワーモジュール用基板１０とが直接接触することを避けるために設けられるので、その厚さは下側加圧板７０及び下側加圧板８０よりも薄く、例えば０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下（本実施形態では１ｍｍ）とされる。
また、本実施形態の製造装置５０においては、付勢手段９０として圧縮コイルバネ９１を用いており、各圧縮コイルバネ９１は、その伸張方向を上下方向に向けて、上側加圧板７０と天板５２との間に介装されている。具体的には、各圧縮コイルバネ９１は、そのコイル内径側に挿通して設けられる２本のガイド軸９２により、伸張方向が案内されるようになっている。そして、各ガイド軸９２の一端側（下端側）は、天板５２と平行となるように配置されたばね受け皿９３に固定され、他端側（上端側）は、天板５２を貫通して上方に向かって延びて配置されており、その天板５２から突出した一端部にナット等の締結部材９４が締結されている。このように、ばね受け皿９３は、天板５２との平行状態を維持しながら、ガイド軸９２の延在方向、すなわち、圧縮コイルバネ９１の伸張方向にスライド可能に設けられている。そして、この圧縮コイルバネ９１と支柱５１に設けられる締結部材５４との締め付けによって、上側加圧板７０への加圧力が調整され、パワーモジュール用基板１０と放熱板２０との積層体２５を所定の圧力で加圧できるようになっている。
ここで、本実施形態においては、付勢手段９０を構成する圧縮コイルバネ９１は、カーボンコンポジットを材料として形成される。このカーボンコンポジットは、線膨張係数が小さく、その値は、０．３×１０−６／Ｋとされる。
また、本実施形態においては、支柱５１、天板５２、座板５３、締結部材５４、ガイド軸９２、ばね受け皿９３等の各部材も、圧縮コイルバネ９１と同様にカーボンコンポジットから形成される。なお、これらの各部材の全てが必ずしもカーボンコンポジットから形成されている必要はなく、これらの各部材のうち少なくとも一つがカーボンコンポジットから形成されているものであってもよい。
また、本実施形態においては、支柱５１、天板５２、座板５３、締結部材５４、ガイド軸９２、ばね受け皿９３等の各部材も、圧縮コイルバネ９１と同様にカーボンコンポジットから形成される。なお、これらの各部材の全てが必ずしもカーボンコンポジットから形成されている必要はなく、これらの各部材のうち少なくとも一つがカーボンコンポジットから形成されているものであってもよい。
次に、製造装置５０によって、６個のパワーモジュール用基板１０と、一枚の放熱板２０とを接合して、放熱板付パワーモジュール用基板１００を製造する方法について順を追って説明する。
まず、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、回路層１２及び金属層１３として、それぞれ９９．９９質量％以上の純アルミニウム圧延板を準備し、これらの純アルミニウム圧延板を、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面にそれぞれろう材１８を介して積層し、加圧・加熱することによって、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に純アルミニウム圧延板が接合されたパワーモジュール用基板１０を製造する。なお、このろう付け温度は、６００℃〜６５５℃に設定される。
まず、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、回路層１２及び金属層１３として、それぞれ９９．９９質量％以上の純アルミニウム圧延板を準備し、これらの純アルミニウム圧延板を、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面にそれぞれろう材１８を介して積層し、加圧・加熱することによって、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に純アルミニウム圧延板が接合されたパワーモジュール用基板１０を製造する。なお、このろう付け温度は、６００℃〜６５５℃に設定される。
そして、このように構成されたパワーモジュール用基板１０を放熱板２０に接合するには、図１に示すように、製造装置５０を用いて、下側加圧板８０と上側加圧板７０との間に、パワーモジュール用基板１０と放熱板２０との積層体２５を配置する。
具体的には、まず、各パワーモジュール用基板１０と放熱板２０とをポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等の仮止め材（図示略）により仮止めした積層体２５を作製する。この際、各パワーモジュール用基板１０を、一枚の放熱板２０の面方向に間隔をあけて載置し、パワーモジュール用基板１０を放熱板２０上に位置決めする。そして、この積層体２５を下側加圧板８０の上に載置し、各パワーモジュール用基板１０上に、個々の上側加圧板７０を接触させて、下側加圧板８０とそれぞれの上側加圧板７０とによって積層体２５を挟持する。そして、天板５２を下方に変位させ、圧縮コイルバネ９１を圧縮することにより、積層体２５に加圧力を付加する。また、このように圧縮コイルバネ９１を圧縮した状態で、締結部材５４を支柱５１に締結することで、天板５２の上方向への移動を制限する。これにより、圧縮コイルバネ９１（付勢手段９０）の付勢力を加圧力として、積層体２５はその積層方向に加圧された状態に保持される。
具体的には、まず、各パワーモジュール用基板１０と放熱板２０とをポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等の仮止め材（図示略）により仮止めした積層体２５を作製する。この際、各パワーモジュール用基板１０を、一枚の放熱板２０の面方向に間隔をあけて載置し、パワーモジュール用基板１０を放熱板２０上に位置決めする。そして、この積層体２５を下側加圧板８０の上に載置し、各パワーモジュール用基板１０上に、個々の上側加圧板７０を接触させて、下側加圧板８０とそれぞれの上側加圧板７０とによって積層体２５を挟持する。そして、天板５２を下方に変位させ、圧縮コイルバネ９１を圧縮することにより、積層体２５に加圧力を付加する。また、このように圧縮コイルバネ９１を圧縮した状態で、締結部材５４を支柱５１に締結することで、天板５２の上方向への移動を制限する。これにより、圧縮コイルバネ９１（付勢手段９０）の付勢力を加圧力として、積層体２５はその積層方向に加圧された状態に保持される。
そして、このように積層体２５を積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱することにより、各パワーモジュール用基板１０の金属層１３と放熱板２０とを、銅とアルミニウムとを相互に拡散させて固相拡散接合により接合する。この場合の加圧力としては、例えば、０．２９ＭＰａ以上３．４３ＭＰａ以下とされ、加熱温度としては４００℃以上５４８℃未満とされ、この加圧及び加熱状態を５分以上２４０分以下の間で保持することにより、各パワーモジュール用基板１０の金属層１３と放熱板２０とが固相拡散接合され、図３（ｃ）に示すように、放熱板付パワーモジュール用基板１００が得られる。なお、仮止め材は、加熱の初期の段階で分解されて消失する。
なお、本実施形態においては、各パワーモジュール用基板１０の金属層１３と放熱板２０の、それぞれの接合面は、予め傷が除去されて平滑にされた後に固相拡散接合される。また、固相拡散接合における真空加熱の好ましい加熱温度は、アルミニウムと銅の共晶温度−５℃以上、共晶温度未満の範囲とされる。
このように、本実施形態の放熱板パワーモジュール用基板の製造装置及び製造方法においては、複数設けられるパワーモジュール用基板１０ごとに押圧するための上側加圧板７０を複数備える構成としている。これにより、個々のパワーモジュール用基板１０が有する細かな形状の違いや、放熱板２０の表面形状の違い等を、それぞれに備えられた上側加圧板７０により吸収して、各パワーモジュール用基板１０と放熱板２０との密着性を良好に保持することができる。また、上側加圧板７０及び下側加圧板８０を十分な厚さを有する硬質のカーボン層により形成するとともに、そのカーボン層にクッション性を有する軟質のグラファイト層７１，８１を積層して設けているので、個々のパワーモジュール用基板１０や放熱板２０の表面に対して、圧力を均一にして加圧することができる。このため、複数設けられたパワーモジュール用基板１０を、放熱板２０に良好な接合状態で接合することができる。したがって、このようにして製造される放熱板付パワーモジュール用基板１００においては、各パワーモジュール用基板１０と放熱板２０との接合信頼性を高めることができ、良好な放熱性能を確保することができる。
図４は、本発明の第２実施形態の放熱板付パワーモジュール用基板の製造装置２５０を示している。
図１に示す第１実施形態の製造装置５０では、各上側加圧板７０は、それぞれが独立して設けられていたが、第２実施形態の製造装置２５０では、図４に示すように、上側加圧板７０に積層されるグラファイト層７１Ａが、上側加圧板７０に跨って連結された一枚のシート状に設けられる。これにより、複数の上側加圧板７０が、グラファイト層７１Ａによって連結された状態とされる。
なお、第２実施形態の製造装置２５０において、グラファイト層７１Ａ以外の他の構成要素は第１実施形態の製造装置５０と同じものが用いられているので、各図において、第１実施形態と共通要素には同一符号を付して説明を省略する。
図１に示す第１実施形態の製造装置５０では、各上側加圧板７０は、それぞれが独立して設けられていたが、第２実施形態の製造装置２５０では、図４に示すように、上側加圧板７０に積層されるグラファイト層７１Ａが、上側加圧板７０に跨って連結された一枚のシート状に設けられる。これにより、複数の上側加圧板７０が、グラファイト層７１Ａによって連結された状態とされる。
なお、第２実施形態の製造装置２５０において、グラファイト層７１Ａ以外の他の構成要素は第１実施形態の製造装置５０と同じものが用いられているので、各図において、第１実施形態と共通要素には同一符号を付して説明を省略する。
次に、この製造装置２５０によって、６個のパワーモジュール用基板１０と、一枚の放熱板２０とを接合して、放熱板付パワーモジュール用基板１００を製造する方法について説明する。
まず、第１実施形態と同様に、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、回路層１２及び金属層１３として、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に純アルミニウム圧延板が接合されたパワーモジュール用基板１０を製造する。
まず、第１実施形態と同様に、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、回路層１２及び金属層１３として、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に純アルミニウム圧延板が接合されたパワーモジュール用基板１０を製造する。
次に、図４に示す製造装置２５０の下側加圧板８０と上側加圧板７０との間に、パワーモジュール用基板１０と放熱板２０とを仮止めした積層体２５を配置し、積層体２５を積層方向に加圧しながら加熱することにより、パワーモジュール用基板１０と放熱板２０とを接合して、図３（ｃ）に示すように、放熱板付パワーモジュール用基板１００を製造する。
この際、各上側加圧板７０は、それぞれに個別に設けられた圧縮コイルバネ９１からなる付勢手段９０によって積層体２５に押圧力を付加する構成とされていることから、加圧時や加熱時において付勢手段９０が動くと、各上側加圧板７０はその影響を受け易い。ところが、製造装置２５０では、クッション性を有するグラファイト層７１Ａを、複数の上側加圧板７５に跨って連結した一枚のシート状に設けることで、このグラファイト層７１の両側に配置された上側加圧板７０及び薄肉カーボン層７２を沈み込ませて動きを拘束することができる。これにより、付勢手段９０が動くことによって、上側加圧板７０が動くことを防止でき、付勢手段９０の動きに起因する放熱板２０に対する各パワーモジュール用基板１０の位置ずれを防止することができる。
なお、複数の上側加圧板７０が一枚のグラファイト層７１Ａによって連結された状態とされているが、グラファイト層７１Ａは軟質であるので、加圧時のパワーモジュール用基板１０相互間のばらつきを吸収するために必要となる各上側加圧板７０のわずかな相対移動は許容される。
なお、複数の上側加圧板７０が一枚のグラファイト層７１Ａによって連結された状態とされているが、グラファイト層７１Ａは軟質であるので、加圧時のパワーモジュール用基板１０相互間のばらつきを吸収するために必要となる各上側加圧板７０のわずかな相対移動は許容される。
このように、第２実施形態の放熱板パワーモジュール用基板の製造装置２５０及び製造方法においても、複数設けられるパワーモジュール用基板１０ごとに押圧するための上側加圧板７０を複数備える構成としており、各パワーモジュール用基板１０と放熱板２０との密着性を良好に保持することができる。また、クッション性を有するグラファイト層７１Ａを、複数の上側加圧板７０に跨って連結した一枚のシート状に設けているので、付勢手段９０が動くことにより生じる放熱板２０に対する各パワーモジュール用基板１０の位置ずれを防止することができる。さらに、グラファイト層７１Ａにより各上側加圧板７５を一体に取り扱うことが可能となるので、作業性を向上させることもできる。
したがって、このようにして製造される放熱板付パワーモジュール用基板１００においては、各パワーモジュール用基板１０と放熱板２０との接合信頼性を高めることができ、良好な放熱性能を確保することができるとともに、パワーモジュール用基板１０の位置精度を向上させることができる。
したがって、このようにして製造される放熱板付パワーモジュール用基板１００においては、各パワーモジュール用基板１０と放熱板２０との接合信頼性を高めることができ、良好な放熱性能を確保することができるとともに、パワーモジュール用基板１０の位置精度を向上させることができる。
次に、本発明の効果を確認するために、放熱板付パワーモジュール用基板を作製し、放熱板とパワーモジュール用基板との接合評価と、放熱板に対するパワーモジュール用基板の位置ずれの評価を行った。
放熱板付パワーモジュール用基板を構成するパワーモジュール用基板は、厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板と、厚み０．６ｍｍの純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎ‐Ａｌ）からなる回路層及び金属層とを、Ａｌ‐Ｓｉ系ろう材によりろう付けしたものを用いた。また、放熱板は、厚み３．０ｍｍの無酸素銅を用いた。なお、各部材のそれぞれの平面サイズは、セラミックス基板が３０．７ｍｍ×４３ｍｍ、回路層及び金属層が２６．７ｍｍ×４３ｍｍ、放熱板が１６５ｍｍ×１４４ｍｍとされるものを用いた。
放熱板付パワーモジュール用基板を構成するパワーモジュール用基板は、厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板と、厚み０．６ｍｍの純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎ‐Ａｌ）からなる回路層及び金属層とを、Ａｌ‐Ｓｉ系ろう材によりろう付けしたものを用いた。また、放熱板は、厚み３．０ｍｍの無酸素銅を用いた。なお、各部材のそれぞれの平面サイズは、セラミックス基板が３０．７ｍｍ×４３ｍｍ、回路層及び金属層が２６．７ｍｍ×４３ｍｍ、放熱板が１６５ｍｍ×１４４ｍｍとされるものを用いた。
（接合の評価）
放熱板と２個のパワーモジュール用基板とを、図１に示す第１実施形態の製造装置５０を用いて接合し、放熱板付パワーモジュール用基板の試料を作製した。また、従来例として、図５に示す製造装置３００を用いて、放熱板付パワーモジュール用基板の試料を作製した。製造装置３００では、上側加圧板７０Ｂを、下側加圧板８０と同様に一枚で構成しており、対となるこれら上側加圧板７０Ｂと下側加圧板８０とにより、パワーモジュール用基板と放熱板との積層体を挟持して加圧する構成とされる。また、上側加圧板７０Ｂに積層されるグラファイト層７１Ｂ及び薄肉カーボン層７２Ｂも、下側加圧板８０と同様に一枚で構成される。
そして、得られた放熱板付パワーモジュール用基板に対し、パワーモジュール用基板と放熱板との界面（金属層と放熱板との界面）の接合状態を、超音波探傷装置を用いて観察した。
放熱板と２個のパワーモジュール用基板とを、図１に示す第１実施形態の製造装置５０を用いて接合し、放熱板付パワーモジュール用基板の試料を作製した。また、従来例として、図５に示す製造装置３００を用いて、放熱板付パワーモジュール用基板の試料を作製した。製造装置３００では、上側加圧板７０Ｂを、下側加圧板８０と同様に一枚で構成しており、対となるこれら上側加圧板７０Ｂと下側加圧板８０とにより、パワーモジュール用基板と放熱板との積層体を挟持して加圧する構成とされる。また、上側加圧板７０Ｂに積層されるグラファイト層７１Ｂ及び薄肉カーボン層７２Ｂも、下側加圧板８０と同様に一枚で構成される。
そして、得られた放熱板付パワーモジュール用基板に対し、パワーモジュール用基板と放熱板との界面（金属層と放熱板との界面）の接合状態を、超音波探傷装置を用いて観察した。
図６に放熱板付パワーモジュール用基板の金属層と放熱板との界面検査画像を示す。また、図６（ａ）が製造装置５０を用いて製造された実施例の放熱板付パワーモジュール用基板の金属層と放熱板との界面検査画像であり、図６（ｂ）が製造装置３００を用いて製造された従来例の放熱板付パワーモジュール用基板の金属層と放熱板との界面検査画像である。そして、これらの界面検査画像は、いずれも放熱板上に２個接合されたパワーモジュール用基板と放熱板との要部の画像である。また、界面検査画像において、非接合部は白色部で示される。
図６（ｂ）からわかるように、従来例の放熱板付パワーモジュール用基板においては、２個のパワーモジュール用基板の両方に非接合部が確認された。一方、図６（ａ）に示す実施例の放熱板付パワーモジュール用基板においては、非接合部が殆ど生じることなく、２個のパワーモジュール用基板を良好に接合できることが確認できた。
（位置ずれ評価）
まず、放熱板に６個のパワーモジュール用基板を仮止めした積層体を作製し、この仮止め段階での放熱板に対する各パワーモジュール用基板の固定位置を、顕微鏡画像を用いて測定した。次に、これらパワーモジュール用基板と放熱板との積層体を、図１に示す第１実施形態の製造装置５０と、図４に示す第２実施形態の製造装置２５０とを用いて接合し、放熱板付パワーモジュール用基板の試料を作製した。なお、第１実施形態の製造装置５０及び第２実施形態の製造装置２５０のそれぞれについて、４２個の放熱板付パワーモジュール用基板を作製した。そして、得られた放熱板付パワーモジュール用基板について、接合後の放熱板に対する各パワーモジュール用基板の固定位置を顕微鏡画像により測定し、パワーモジュール用基板の仮止め段階からの位置ずれ（位置精度）を評価した。
まず、放熱板に６個のパワーモジュール用基板を仮止めした積層体を作製し、この仮止め段階での放熱板に対する各パワーモジュール用基板の固定位置を、顕微鏡画像を用いて測定した。次に、これらパワーモジュール用基板と放熱板との積層体を、図１に示す第１実施形態の製造装置５０と、図４に示す第２実施形態の製造装置２５０とを用いて接合し、放熱板付パワーモジュール用基板の試料を作製した。なお、第１実施形態の製造装置５０及び第２実施形態の製造装置２５０のそれぞれについて、４２個の放熱板付パワーモジュール用基板を作製した。そして、得られた放熱板付パワーモジュール用基板について、接合後の放熱板に対する各パワーモジュール用基板の固定位置を顕微鏡画像により測定し、パワーモジュール用基板の仮止め段階からの位置ずれ（位置精度）を評価した。
図７に結果を示す。また、図７（ａ）が図１に示す第１実施形態の製造装置５０を用いて作製した放熱板付パワーモジュール用基板の結果であり、図７（ｂ）が図４に示す第２実施形態の製造装置２５０を用いて作製した放熱板付パワーモジュール用基板の結果である。
図７（ａ）及び（ｂ）からわかるように、上側加圧板に積層するグラファイト層を、複数の上側加圧板に跨ってシート状に設けた第２実施形態の製造装置２５０（図７（ｂ））では、グラファイト層を個別に設けた第１実施形態の製造装置５０の場合（図７（ａ））と比べて、パワーモジュール用基板の位置ずれを小さくすることができ、さらに位置ずれのばらつきを小さくすることができる。
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、前述の実施形態では、一枚の放熱板に６個のパワーモジュール用基板を接合する構成としたが、パワーモジュール用基板の搭載数はこれに限定されるものではない。パワーモジュール用基板が複数搭載される放熱板付パワーモジュール用基板において、パワーモジュール用基板と同数の上側加圧板を備える構成とすることができる。
また、上記実施形態では、回路層及び金属層が設けられたパワーモジュール用基板を用いたが、これに限らず、回路層のみを有するパワーモジュール用基板を用いることもできる。この場合、セラミックス基板と放熱板とが接合されることとなる。
例えば、前述の実施形態では、一枚の放熱板に６個のパワーモジュール用基板を接合する構成としたが、パワーモジュール用基板の搭載数はこれに限定されるものではない。パワーモジュール用基板が複数搭載される放熱板付パワーモジュール用基板において、パワーモジュール用基板と同数の上側加圧板を備える構成とすることができる。
また、上記実施形態では、回路層及び金属層が設けられたパワーモジュール用基板を用いたが、これに限らず、回路層のみを有するパワーモジュール用基板を用いることもできる。この場合、セラミックス基板と放熱板とが接合されることとなる。
また、前述の実施形態では、パワーモジュール用基板１０と放熱板２０とを固相拡散接合により接合して放熱板付パワーモジュール用基板１００を製造する方法について説明したが、本発明の製造装置及び製造方法は、固相拡散接合以外のろう付け等の他の接合方法にも採用されるものである。すなわち、他の接合方法においても、接合時に加圧を必要とする場合に、本発明の放熱板付パワーモジュール用基板の製造装置及び製造方法を好適に用いることができる。
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
１８ ろう材
２０ 放熱板
２５ 積層体
３０ 電子部品
５０，２５０，３００ 放熱板付パワーモジュール用基板の製造装置
５１ 支柱
５２ 天板
５３ 座板
５４ 締結部材
６０ 加圧手段
７０ 上側加圧板
７１，７１Ａ，７１Ｂ グラファイト層
７２ 薄肉カーボン層
８０ 下側加圧板
８１ グラファイト層
８２ 薄肉カーボン層
９０ 付勢手段
９１ 圧縮コイルバネ
９２ ガイド軸
９３ ばね受け皿
９４ 締結部材
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
１８ ろう材
２０ 放熱板
２５ 積層体
３０ 電子部品
５０，２５０，３００ 放熱板付パワーモジュール用基板の製造装置
５１ 支柱
５２ 天板
５３ 座板
５４ 締結部材
６０ 加圧手段
７０ 上側加圧板
７１，７１Ａ，７１Ｂ グラファイト層
７２ 薄肉カーボン層
８０ 下側加圧板
８１ グラファイト層
８２ 薄肉カーボン層
９０ 付勢手段
９１ 圧縮コイルバネ
９２ ガイド軸
９３ ばね受け皿
９４ 締結部材
Claims (4)
- セラミックス基板に回路層が配設されてなる複数のパワーモジュール用基板を、一枚の放熱板に面方向に間隔をあけて積層し、その積層方向に加圧しながら加熱することにより接合して放熱板付パワーモジュール用基板を製造するための装置であって、
複数の前記パワーモジュール用基板を前記放熱板に重ねて配置した積層体を、その積層方向に加圧する加圧手段を備え、
前記加圧手段は、前記パワーモジュール用基板の前記回路層表面を個別に押圧するための複数の上側加圧板と、前記放熱板背面を押圧するための一枚の下側加圧板と、前記上側加圧板に押圧力を付加する付勢手段とを有し、
前記上側加圧板及び前記下側加圧板は、カーボン層により形成されていることを特徴とする放熱板付パワーモジュール用基板の製造装置。 - 前記上側加圧板及び前記下側加圧板は、前記カーボン層に、グラファイト層が積層されるとともに、該グラファイト層に前記カーボン層よりも薄い薄肉カーボン層が積層されており、該薄肉カーボン層が前記パワーモジュール用基板側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の放熱板付パワーモジュール用基板の製造装置。
- 前記上側加圧板に設けられる前記グラファイト層は、複数の前記上側加圧板に跨って連結された一枚のシート状に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の放熱板付パワーモジュール用基板の製造装置。
- セラミックス基板に回路層が配設されてなる複数のパワーモジュール用基板を、一枚の放熱板に面方向に間隔をあけて接合して放熱板付パワーモジュール用基板を製造するための方法であって、
各パワーモジュール用基板を前記放熱板に重ねて配置した積層体を、その積層方向に加圧しながら加熱することにより、前記パワーモジュール用基板と前記放熱板とを接合する接合工程を有し、
前記接合工程において、前記パワーモジュール用基板の前記回路層表面を個別に押圧するための複数の上側加圧板と、前記放熱板背面を押圧するための一枚の下側加圧板との間に前記積層体を挟んで加圧し、
前記上側加圧板及び前記下側加圧板は、カーボン層により形成されていることを特徴とする放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法。
Priority Applications (1)
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