JP6668866B2

JP6668866B2 - パワーモジュール用基板の超音波検査装置、及び、パワーモジュール用基板の超音波検査方法

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Publication number: JP6668866B2
Application number: JP2016060709A
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Inventors: 加藤　浩和; 浩和加藤
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Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2020-03-18
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Description

この発明は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板において、回路層とセラミックス基板との接合界面及び金属層とセラミックス基板との接合界面の検査を行うパワーモジュール用基板の超音波検査装置、及び、パワーモジュール用基板の超音波検査方法に関するものである。

ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えたパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。また、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層を形成したものが提供されている。

回路層及び金属層を構成する金属としては、一般的にアルミニウム又はアルミニウム合金、あるいは、銅又は銅合金が用いられている。
例えば、特許文献１、２には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、銅板がＤＢＣ法、あるいは、活性金属ろう付け法によって接合されることによって回路層及び金属層が形成されたパワーモジュール用基板が提案されている。
また、特許文献３には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルミニウム板が接合されることによって回路層及び金属層が形成されたパワーモジュール用基板が提案されている。
さらに、特許文献４には、セラミックス基板の一方の面に銅板が接合されることにより回路層が形成され、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板が接合されることにより金属層が形成されたパワーモジュール用基板が提案されている。

ここで、上述のパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板と回路層との接合界面、及び、セラミックス基板と金属層との接合界面のボイドを、例えば特許文献５，６に示すような超音波検査装置を用いて検査する必要がある。特に、半導体素子等が搭載される領域やワイヤーボンディングされる領域においては、パワーモジュール用基板の厚さ方向にボイドが少ないことが求められる。

特開平０４−１６２７５６号公報特許第３２１１８５６号公報特許第３１７１２３４号公報特開２０１３−２２９５７９号公報特開２０１４−０１３１９４号公報特開平０５−２６４２５６号公報

ところで上述のパワーモジュール用基板を超音波検査する場合には、回路層を超音波プローブに対して対向配置して、回路層とセラミックス基板との接合界面を、必要な領域を走査し、走査領域を画像化・検査した後、金属層を超音波プローブに対して対向配置して、金属層とセラミックス基板との接合界面を同様に検査しており、検査に時間を要していた。
また、上述のパワーモジュール用基板においては、回路層と金属層との厚さが異なる場合や、特許文献４のように回路層と金属層とが異なる材質で構成されている場合には、パワーモジュール用基板に反りが形成されることがある。また、パワーモジュール用基板に局所的な形状変化が生じる場合がある。このようなパワーモジュール用基板に対して超音波検査を行った場合、超音波プローブの焦点が合わなくなり、接合界面の超音波検査を精度良く行うことができないおそれがあった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、パワーモジュール用基板の超音波検査を効率良く行うことができるとともに、反りや局所的な形状変化等が生じたパワーモジュール用基板であっても、精度良く超音波検査を行うことが可能なパワーモジュール用基板の超音波検査装置、及び、このパワーモジュール用基板の超音波検査装置を用いたパワーモジュール用基板の超音波検査方法を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板の超音波検査装置は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の超音波検査装置であって、前記パワーモジュール用基板の前記回路層に対向配置された第１の超音波プローブと、前記パワーモジュール用基板の前記金属層に対向配置された第２の超音波プローブとを有し、前記第１の超音波プローブによって前記回路層と前記セラミックス基板との間の第１の接合界面のボイドを検出するとともに、前記第２の超音波プローブによって前記金属層と前記セラミックス基板との間の第２の接合界面のボイドを検出する構成とされており、前記第１の超音波プローブから発振した超音波の前記第１の接合界面からの反射波の到達時間から、前記第１の超音波プローブと前記第１の接合界面との距離を検出する第１距離検出手段と、前記第２の超音波プローブから発振した超音波の前記第２の接合界面からの反射波の到達時間から、前記第２の超音波プローブと前記第２の接合界面との距離を検出する第２距離検出手段と、前記第１の超音波プローブと前記第１の接合界面との距離及び前記第２の超音波プローブと前記第２の接合界面との距離が、それぞれ一定になるように、前記第１の超音波プローブ、前記パワーモジュール用基板、前記第２の超音波プローブをそれぞれ近接離間させる距離調整機構と、を備えており、前記第１距離検出手段は、前記第１の超音波プローブから発振した超音波の前記回路層表面からの反射波の到達時間と、前記第１の接合界面からの反射波の到達時間と、前記回路層内における音速と、から、前記第１の超音波プローブと前記第１の接合界面との距離を検出することを特徴としている。

この構成のパワーモジュール用基板の超音波検査装置によれば、前記パワーモジュール用基板の前記回路層に対向配置された第１の超音波プローブと、前記パワーモジュール用基板の前記金属層に対向配置された第２の超音波プローブとを有しているので、前記回路層と前記セラミックス基板との間の第１の接合界面のボイド、及び、前記金属層と前記セラミックス基板との間の第２の接合界面のボイドの検出を一度に行うことができ、超音波検査を効率良く行うことができる。

また、前記第１の超音波プローブから発振した超音波の前記第１の接合界面からの反射波の到達時間から、前記第１の超音波プローブと前記第１の接合界面との距離を検出する第１距離検出手段と、前記第２の超音波プローブから発振した超音波の前記第２の接合界面からの反射波の到達時間から、前記第２の超音波プローブと前記第２の接合界面との距離を検出する第２距離検出手段と、前記第１の超音波プローブと前記第１の接合界面との距離及び前記第２の超音波プローブと前記第２の接合界面との距離が、それぞれ一定になるように、前記第１の超音波プローブ、前記パワーモジュール用基板、前記第２の超音波プローブをそれぞれ近接離間させる距離調整機構と、を備えているので、パワーモジュール用基板に反りが生じていた場合や局所的な形状変化があった場合でも、第１の超音波プローブと第１の接合界面との距離、及び、第２の超音波プローブと第２の接合界面との距離を一定に保つことができ、超音波検査を精度良く行うことができる。

さらに、前記第１距離検出手段は、前記第１の超音波プローブから発振した超音波の前記回路層表面からの反射波の到達時間と、前記超音波の前記第１の接合界面からの反射波の到達時間と、前記回路層内における前記超音波の伝達速度と、から、前記第１の超音波プローブと前記第１の接合界面との距離を検出する構成とされているので、前記第１の超音波プローブから発振した超音波の前記回路層表面からの反射波の到達時間と、前記超音波の前記第１の接合界面からの反射波の到達時間とから、回路層の厚さを検出することができる。
そして、この回路層内における前記超音波の伝達速度を考慮することで、前記第１の超音波プローブと前記第１の接合界面との距離を精度良く検出することができる。

また、本発明のパワーモジュール用基板の超音波検査装置においては、前記第２距離検出手段は、前記第２の超音波プローブから発振した超音波の前記金属層表面からの反射波の到達時間と、前記超音波の前記第２の接合界面からの反射波の到達時間と、前記金属層内における前記超音波の伝達速度と、から、前記第２の超音波プローブと前記第２の接合界面との距離を検出することが好ましい。
この構成のパワーモジュール用基板の超音波検査装置によれば、前記第２の超音波プローブから発振した超音波の前記金属層表面からの反射波の到達時間と、前記超音波の前記第２の接合界面からの反射波の到達時間とから、金属層の厚さを検出することができる。そして、この金属層内における前記超音波の伝達速度を考慮することで、前記第２の超音波プローブと前記第２の接合界面との距離を精度良く検出することができる。

さらに、本発明のパワーモジュール用基板の超音波検査装置においては、前記第１の超音波プローブ及び前記第２の超音波プローブを用いて、前記セラミックス基板内部のボイドを検出することが好ましい。
この構成のパワーモジュール用基板の超音波検査装置によれば、第１の接合界面及び第２の接合界面に加えてセラミックス基板内部のボイドを検出することができ、パワーモジュール用基板の厚さ方向におけるボイドの有無を精度良く評価することができる。また、上述のように、第１の接合界面及び第２の接合界面の位置が検出されているので、セラミックス基板内のボイドを精度良く検出することができる。

また、本発明のパワーモジュール用基板の超音波検査装置においては、前記第１の超音波プローブと前記第２の超音波プローブとが水平方向に対向して配置されていることが好ましい。
この構成のパワーモジュール用基板の超音波検査装置によれば、パワーモジュール用基板を立てた状態で支持して超音波検査することができ、前記第１の超音波プローブ、前記パワーモジュール用基板、前記第２の超音波プローブをそれぞれ近接離間させることが容易となり、超音波検査を精度良く行うことができる。

本発明の別の態様のパワーモジュール用基板の超音波検査装置は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の超音波検査装置であって、前記パワーモジュール用基板の前記回路層又は金属層に対向配置された超音波プローブを有し、前記超音波プローブによって、前記回路層と前記セラミックス基板との間の第１の接合界面からの反射波、前記金属層と前記セラミックス基板との間の第２の接合界面からの反射波、前記超音波プローブ側の表面からの反射波、前記超音波プローブとは反対側の表面からの反射波、セラミックス基板内部のボイドからの反射波、をそれぞれ検出可能とされており、前記第１の接合界面又は前記第２の接合界面のうち前記超音波プローブ側に位置する接合界面からの反射波の到達時間から、前記超音波プローブと前記第１の接合界面又は前記第２の接合界面のうち前記超音波プローブ側に位置する接合界面との距離を検出する距離検出手段と、前記距離検出手段によって検出された距離に応じて、前記超音波プローブと前記パワーモジュール用基板とを近接離間させる距離調整機構と、を備えており、前記距離検出手段は、前記超音波プローブ側の表面からの反射波と、前記第１の接合界面又は前記第２の接合界面のうち前記超音波プローブ側に位置する接合界面からの反射波の到達時間と、前記回路層又は前記金属層のうち前記超音波プローブ側に位置する層内における音速と、から、前記パワーモジュール用基板と前記超音波プローブとの間の距離を検出することを特徴としている。

この構成のパワーモジュール用基板の超音波検査装置によれば、一つの超音波プローブを、回路層側又は金属層側のいずれかに配置することで、前記回路層と前記セラミックス基板との間の第１の接合界面のボイド、及び、前記金属層と前記セラミックス基板との間の第２の接合界面のボイドの検出を一度に行うことができ、超音波検査を効率良く行うことができる。
また、前記パワーモジュール用基板と前記超音波プローブとの間の距離を検出する距離検出手段と、前記距離検出手段によって検出された距離に応じて、前記超音波プローブと前記パワーモジュール用基板とを近接離間させる距離調整機構と、を備えているので、パワーモジュール用基板に反りや局所的な形状変化があった場合でも、超音波検査を精度良く行うことができる。
さらに、一つの超音波プローブで検査可能であることから、パワーモジュール用基板を水平に配置した状態で検査を行うことができ、取り扱いが容易となる。

また、前記距離検出手段は、前記超音波プローブ側の表面からの反射波と、前記第１の接合界面又は前記第２の接合界面のうち前記超音波プローブ側に位置する接合界面からの反射波の到達時間と、前記回路層又は前記金属層のうち前記超音波プローブ側に位置する層内における音速と、から、前記パワーモジュール用基板と前記超音波プローブとの間の距離を検出する構成とされているので、前記超音波プローブ側の表面からの反射波と、前記第１の接合界面又は前記第２の接合界面のうち前記超音波プローブ側に位置する接合界面からの反射波の到達時間とから、前記回路層又は前記金属層のうち前記超音波プローブ側に位置する層の厚さを検出することができる。そして、この前記回路層又は前記金属層のうち前記超音波プローブ側に位置する層内における前記超音波の伝達速度を考慮することで、前記超音波プローブと前記第１の接合界面又は前記第２の接合界面のうち前記超音波プローブ側に位置する接合界面との距離を精度良く検出することができる。

本発明のパワーモジュール用基板の超音波検査方法は、セラミックス基板とこのセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層とを備えたパワーモジュール用基板の超音波検査を行うパワーモジュール用基板の超音波検査方法であって、上述のパワーモジュール用基板の超音波検査装置によって、前記回路層と前記セラミックス基板との間の第１の接合界面のボイドを検出するとともに、前記金属層と前記セラミックス基板との間の第２の接合界面のボイドを検出することを特徴としている。

この構成のパワーモジュール用基板の超音波検査方法によれば、前記回路層と前記セラミックス基板との間の第１の接合界面のボイド、及び、前記金属層と前記セラミックス基板との間の第２の接合界面のボイドの検出を一度に行うことができ、超音波検査を効率良く行うことができる。
また、パワーモジュール用基板に反りが生じていた場合や局所的な形状変化があった場合であっても、超音波検査を精度良く行うことができる。

さらに、本件発明では、超音波検査装置によって表面波を検出していることから、超音波プローブと回路層または金属層との距離を計測していることなる。また、超音波プローブとパワーモジュール用基板の位置関係も制御しているので、これらのデータを走査している各点について、その位置と距離を把握することができる。よって、パワーモジュール用基板の反り（回路層／金属層パターンを含む）の３Ｄデータが取得できる。これを画像化すれば、反りの３Ｄマップを作成することが可能となる。

本発明によれば、パワーモジュール用基板の超音波検査を効率良く行うことができるとともに、反りや局所的な形状変化等が生じたパワーモジュール用基板であっても、精度良く超音波検査を行うことが可能なパワーモジュール用基板の超音波検査装置、及び、このパワーモジュール用基板の超音波検査装置を用いたパワーモジュール用基板の超音波検査方法を提供することが可能となる。

本発明の実施形態において検査対象となるパワーモジュール用基板の一例を示す概略説明図である。パワーモジュール用基板を製造する際に用いられる加圧装置の一例を示す説明図である。本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の超音波検査装置の概略説明図である。パワーモジュール用基板の超音波検査装置の第１距離検出部において、回路層表面と接合界面（第１の接合界面）からの反射波を検出する状態を示す説明図である。

以下に、本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の超音波検査装置及びパワーモジュール用基板の超音波検査方法について添付した図面を参照して説明する。
まず、本発明の実施形態において検査対象となるパワーモジュール用基板の一例について、図１を用いて説明する。

図１に示すパワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に形成された金属層１３と、を備えている。

セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、例えば、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等で構成されている。本実施形態では、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミ）の焼結体で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。

回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に、金属板が接合されることにより形成されている。この回路層１２の厚みは、０．０１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とされている。この金属板としては、純アルミニウムやアルミニウム合金、純銅や銅合金等を用いることができる。本実施形態においては、無酸素銅の圧延板からなる銅板がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されており、回路層１２の厚みは０．３ｍｍに設定されている。なお、この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子が搭載される搭載面とされている。

金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に、金属板が接合されることにより形成されている。この金属板としては、純アルミニウムやアルミニウム合金、純銅や銅合金等を用いることができる。この金属層１３の厚みは、０．０１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とされている。本実施形態においては、金属層１３は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる厚さ０．６ｍｍのアルミニウム板がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。

このパワーモジュール用基板１０は、以下のようにして製造される。
まず、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２となる銅板が接合材（例えば、Ａｇ−Ｔｉ系の活性ろう材等）を介して積層され、積層方向に加圧した状態で加熱されて接合される。
次に、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となるアルミニウム板が接合材（例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材等）を介して積層され、例えば図２に示す加圧装置４０によって積層方向に加圧した状態で加熱されることで接合される。

ここで、図２に示す加圧装置４０は、ベース板４１と、このベース板４１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト４２と、これらガイドポスト４２の上端部に配置された固定板４３と、ベース板４１と固定板４３との間で上下移動自在にガイドポスト４２に支持された押圧板４４と、固定板４３と押圧板４４との間に設けられて押圧板４４を下方に付勢するばね等の付勢手段４５と、固定板４３を上下させる調整ネジ４６と、を備えている。
固定板４３及び押圧板４４は、ベース板４１に対して平行に配置されており、ベース板４１と押圧板４４との間に、カーボンシート４７を介して、銅板が接合されたセラミックス基板とアルミニウム板との積層体が配置される。そして、調整ネジ４６の位置を調節することによって固定板４３を上下させて、付勢手段４５により押圧板４４を押し込んで、積層体が加圧される構造とされている。

上述のような加圧装置４０によって加圧した状態で加熱して形成されたパワーモジュール用基板１０においては、冷却の過程において、セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層１２（銅板）と金属層１３（アルミニウム板）との熱膨張係数の差から、熱応力が作用し、加圧装置４０による圧力を除去した際に、図１に示すように、パワーモジュール用基板１０に反りが生じることになる。

本実施形態であるパワーモジュール用基板の超音波検査装置５０及びパワーモジュール用基板の超音波検査方法は、上述のように、パワーモジュール用基板１０において、回路層１２とセラミックス基板１１との間の第１の接合界面３１、及び、金属層１３とセラミックス基板１１との間の第２の接合界面３２におけるボイド（ボイド率及びボイド径）を検査するものである。

本実施形態であるパワーモジュール用基板の超音波検査装置５０について、図３を用いて説明する。
このパワーモジュール用基板の超音波検査装置５０は、パワーモジュール用基板１０を保持する基板保持部５６と、基板保持部５６に保持されたパワーモジュール用基板１０の回路層１２に対向配置された第１の超音波プローブ６１と、金属層１３に対向配置された第２の超音波プローブ６２と、を備えている。

基板保持部５６は、図３に示すように、パワーモジュール用基板１０を立てた状態で保持する構成とされており、パワーモジュール用基板１０の一端（図３において下端）を保持する下側保持部５７と、パワーモジュール用基板１０の他端（図３において上端）を保持する上側保持部５８と、を備えている。
図３に示すように、下側保持部５７は、下部レール５１に沿って移動可能とされ、上側保持部５８は、上部レール５２に沿って移動可能とされており、これら下側保持部５７と上側保持部５８とが連動して移動することで、パワーモジュール用基板１０が垂直に立てた状態で移動される構成とされている。

ここで、回路層１２に対向配置された第１の超音波プローブ６１と、金属層１３に対向配置された第２の超音波プローブ６２は、図３に示すように、水平方向に対向して配置されている。
第１の超音波プローブ６１は、図３に示すように、上下に延在する第１支持バー６３に支持されており、第２の超音波プローブ６２は、図３に示すように、上下に延在する第２支持バー６４に支持されている。
これら第１の超音波プローブ６１及び第２の超音波プローブ６２は、第１支持バー６３及び第２支持バー６４に沿って上下動可能な構成とされている。

また、これら第１支持バー６３及び第２支持バー６４は、それぞれその下端が下部レール６７、６８に保持され、上端部がそれぞれ上部レール６９、７０に保持され、指示バー６３、６４と垂直な方向への動作が可能な構成となっており、これらにより基板面内の走査が可能となっている。また、図３に示すように、下部レール６７，６８はその下端が下部レール５１に保持され、上部レール６９、７０が上部レール５２に保持されており、下部レール５１及び上部レール５２に沿って移動可能とされている。これにより、第１支持バー６３及び第２支持バー６４に支持された第１の超音波プローブ６１及び第２の超音波プローブ６２も、下部レール５１及び上部レール５２に沿って移動される構成とされている。

このように、本実施形態であるパワーモジュール用基板の超音波検査装置５０は、パワーモジュール用基板１０を保持する基板保持部５６（下側保持部５７及び上側保持部５８）、第１の超音波プローブ６１及び第２の超音波プローブ６２を支持する第１支持バー６３及び第２支持バー６４が、それぞれ下部レール５１及び上部レール５２に沿って移動可能とされており、パワーモジュール用基板１０、第１の超音波プローブ６１及び第２の超音波プローブ６２が近接離間される距離調整機構を有している。

また、第１の超音波プローブ６１及び第２の超音波プローブ６２においては、第１の超音波プローブ６１から発振した超音波の第１の接合界面３１からの反射波の到達時間から、第１の超音波プローブ６１と第１の接合界面３１との距離を検出する第１距離検出部６５と、第２の超音波プローブ６２から発振した超音波の第２の接合界面３２からの反射波の到達時間から、第２の超音波プローブ６２と第２の接合界面３２との距離を検出する第２距離検出部６６と、を備えている。

第１距離検出部６５は、第１の超音波プローブ６１から発振した超音波の回路層１２表面からの反射波の到達時間と、第１の接合界面３１からの反射波の到達時間と、回路層１２内における超音波の伝達速度と、から、第１の超音波プローブ６１と第１の接合界面３１との距離を検出する構成とされている。
ここで、図４に示すように、回路層１２の一部に金属板１４が積層されて、回路層１２の厚さが局所的に異なる場合においては、上述のように、第１の超音波プローブ６１から発振した超音波の回路層１２表面からの反射波の到達時間と第１の接合界面３１からの反射波の到達時間との差から、回路層１２（金属板１４を含む）の厚さを検出することができる。そして、回路層１２を構成する材料に基づいて回路層１２内の音速を考慮することで、回路層１２の厚さが異なる場合であっても、第１の超音波プローブ６１と第１の接合界面３１との距離を検出することが可能となる。この金属板１４としては、純アルミニウムやアルミニウム合金、純銅や銅合金等を用いることができ、厚さは０．１ｍｍ〜２．０ｍｍとすることができる。

なお、本実施形態においては、第２距離検出部６６においても、上述の第１距離検出部６５と同様に、第２の超音波プローブ６２から発振した超音波の金属層１３表面からの反射波の到達時間と、第２の接合界面３２からの反射波の到達時間と、金属層１３内における音速と、から、第２の超音波プローブ６２と第２の接合界面３２との距離を検出する構成とされている。

そして、本実施形態であるパワーモジュール用基板の超音波検査装置５０においては、第１距離検出部６５で検出された第１の超音波プローブ６１と第１の接合界面３１との距離、及び、第２距離検出部６６で検出された第２の超音波プローブ６２と第２の接合界面３２との距離が、それぞれ一定になるように、パワーモジュール用基板１０、第１の超音波プローブ６１及び第２の超音波プローブ６２を近接離間させながら、超音波検査を行う構成とされている。
また、本実施形態においては、第１の超音波プローブ６１及び第２の超音波プローブ６２を用いて、セラミックス基板１１内部のボイドも検出する構成とされている。

以上のような構成とされた本実施形態に係るパワーモジュール用基板の超音波検査装置５０及びパワーモジュール用基板の超音波方法によれば、パワーモジュール用基板１０の回路層１２に対向配置された第１の超音波プローブ６１と、パワーモジュール用基板１０の金属層１３に対向配置された第２の超音波プローブ６２とを有しているので、回路層１２とセラミックス基板１１との間の第１の接合界面３１のボイド、及び、金属層１３とセラミックス基板１１との間の第２の接合界面３２のボイドの検出を一度に行うことができ、超音波検査を効率良く行うことができる。

また、第１の超音波プローブ６１と第１の接合界面３１との距離を検出する第１距離検出部６５と、第２の超音波プローブ６２と第２の接合界面３２との距離を検出する第２距離検出部６６と、を備えており、第１距離検出部６５で検出された第１の超音波プローブ６１と第１の接合界面３１との距離、及び、第２距離検出部６６で検出された第２の超音波プローブ６２と第２の接合界面３２との距離が、それぞれ一定になるように、パワーモジュール用基板１０、第１の超音波プローブ６１及び第２の超音波プローブ６２を近接離間させながら、超音波検査を行う構成とされているので、図１に示すように、パワーモジュール用基板１０に反りが生じていた場合や局所的な形状変化があった場合であっても、第１の超音波プローブ６１と第１の接合界面３１との距離、及び、第２の超音波プローブ６２と第２の接合界面３２との距離を一定に保つことができ、超音波検査を精度良く行うことができる。

また、本実施形態においては、第１距離検出部６５は、第１の超音波プローブ６１から発振した超音波の回路層１２表面からの反射波の到達時間と、第１の接合界面３１からの反射波の到達時間と、回路層１２内における超音波の伝達速度と、から、第１の超音波プローブ６１と第１の接合界面３１との距離を検出する構成とされているので、図４に示すように、回路層１２の一部に金属板が積層されて、回路層１２の厚さが局所的に異なる場合においても、第１の超音波プローブ６１と第１の接合界面３１との距離を精度良く検出して、第１の超音波プローブ６１と第１の接合界面３１との距離を一定に保つことができ、超音波検査を精度良く行うことができる。

同様に、第２距離検出部６６においても、上述の第１距離検出部６５と同様に、第２の超音波プローブ６２から発振した超音波の金属層１３表面からの反射波の到達時間と、第２の接合界面３２からの反射波の到達時間と、金属層１３内における超音波の伝達速度と、から、第２の超音波プローブ６２と第２の接合界面３２との距離を検出する構成とされているので、金属層１３の厚さが局所的に異なる場合においても、第２の超音波プローブ６２と第２の接合界面３２との距離を精度良く検出して、第２の超音波プローブ６２と第２の接合界面３２との距離を一定に保つことができ、超音波検査を精度良く行うことができる。

さらに、本実施形態においては、第１の超音波プローブ６１及び第２の超音波プローブ６２を用いて、セラミックス基板１１内部のボイドを検出する構成とされているので、ＡｌＮの焼結体からなるセラミックス基板１１内部に存在するボイドを検出することで、パワーモジュール用基板１０の厚さ方向におけるボイドの有無を精度良く評価することができる。
また、本実施形態では、第１の接合界面３１と第２の接合界面３２とを検出することが可能であることから、セラミックス基板１１内部のボイドの有無を精度良く検出することができる。

さらに、本実施形態においては、回路層１２に対向配置された第１の超音波プローブ６１と、金属層１３に対向配置された第２の超音波プローブ６２は、図３に示すように、水平方向に対向して配置されており、これら第１の超音波プローブ６１と第２の超音波プローブ６２との間に、垂直に立てた状態で保持されたパワーモジュール用基板１０が配置される構成とされているので、簡単な構造で、第１の超音波プローブ６１、パワーモジュール用基板１０、第２の超音波プローブ６２をそれぞれ近接離間するように移動させることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、回路層を銅板で構成するとともに金属層をアルミニウム板で構成したパワーモジュール用基板を検査対象として説明したが、これに限定されることはなく、その他の金属で構成されたものであってもよい。回路層と金属層とが同種金属で構成された場合であっても、その厚さが異なる場合には、パワーモジュール用基板に反りが発生することから、本発明のパワーモジュール用基板の超音波検査装置を用いることが好ましい。

また、本実施形態においては、下部レール及び上部レールに沿って、基板保持部（下側保持部及び上側保持部）、第１の超音波プローブ及び第２の超音波プローブを支持する第１支持バー及び第２支持バーが移動することで、第１の超音波プローブ、パワーモジュール用基板、第２の超音波プローブをそれぞれ近接離間させる構造として説明したが、これに限定されることはなく、第１の超音波プローブ、パワーモジュール用基板、第２の超音波プローブをそれぞれ近接離間させることができれば、その移動機構は既存の技術を適宜選択して使用してもよい。

さらに、パワーモジュール用基板に対し、超音波プローブは片側だけとし、各接合層からの超音波反射波およびプローブ側の基板表面からの超音波反射波、プローブの反対側の基板表面からの超音波反射、セラミック内のボイドからの超音波反射、の各層全ての反射波を検出できるよう設定可能とし、パワーモジュール用基板と超音波プローブの距離を近接離間させる超音波プローブの移動機構を基板と垂直方向にも設けることで、パワーモジュール用基板の積層構造の各層の音速を考慮し、超音波プローブ側の回路層の表面からの超音波反射波および第一の接合界面からの超音波反射波からの到達時間から、パワーモジュール用基板の反り、局所的に厚さが異なる場合にも対応可能な同様な効率的な超音波検査が可能となる。この配置の場合はパワーモジュール用基板を水平にし、超音波プローブを鉛直方向にする配置が容易に可能となる。ただし、基板に対して片側のみの超音波プローブの配置では、検出する層が超音波プローブから遠い層になるほど、検出すべきボイドのサイズについては誤差が大きくなることに留意する必要がある。

また、超音波検査装置によって表面波を検出しており、超音波プローブと回路層または金属層との距離を計測することができる。さらに、超音波プローブとパワーモジュール用基板の位置関係も制御しているので、これらのデータを走査している各点について、その位置と距離を把握することができる。よって、パワーモジュール用基板の反り（回路層／金属層パターンを含む）の３Ｄデータが取得できる。これを画像化すれば、反りの３Ｄマップを作成することが可能となる。

また、本実施形態では、ＡｌＮからなるセラミックス基板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ_３Ｎ_４やＡｌ_２Ｏ_３等からなるセラミックス基板を用いてもよい。
さらに、アルミニウム板とセラミックス基板とをろう付けにて接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、過渡液相接合法（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＢｏｎｄｉｎｇ）、鋳造法等を適用してもよい。
また、銅板とセラミックス基板とを活性ろう材を用いて接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、直接接合法（ＤＢＣ法）、鋳造法等を適用してもよい。
さらに、回路層の一部に更に金属材１４を積層接合する基板についても、上記同様の接合法に加え、固相拡散接合による接合方法を適用してもよい。

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
１４金属板
３１第１の接合界面
３２第２の接合界面
５０パワーモジュール用基板の超音波検査装置
６１第１の超音波プローブ
６２第２の超音波プローブ
６５第１距離検出部（第１距離検出手段）
６６第２距離検出部（第２距離検出手段）
６７下部レール
６８下部レール
６９上部レール
７０上部レール

Claims

セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の超音波検査装置であって、
前記パワーモジュール用基板の前記回路層に対向配置された第１の超音波プローブと、前記パワーモジュール用基板の前記金属層に対向配置された第２の超音波プローブとを有し、
前記第１の超音波プローブによって前記回路層と前記セラミックス基板との間の第１の接合界面のボイドを検出するとともに、前記第２の超音波プローブによって前記金属層と前記セラミックス基板との間の第２の接合界面のボイドを検出する構成とされており、
前記第１の超音波プローブから発振した超音波の前記第１の接合界面からの反射波の到達時間から、前記第１の超音波プローブと前記第１の接合界面との距離を検出する第１距離検出手段と、
前記第２の超音波プローブから発振した超音波の前記第２の接合界面からの反射波の到達時間から、前記第２の超音波プローブと前記第２の接合界面との距離を検出する第２距離検出手段と、
前記第１の超音波プローブと前記第１の接合界面との距離及び前記第２の超音波プローブと前記第２の接合界面との距離が、それぞれ一定になるように、前記第１の超音波プローブ、前記パワーモジュール用基板、前記第２の超音波プローブをそれぞれ近接離間させる距離調整機構と、
を備えており、
前記第１距離検出手段は、前記第１の超音波プローブから発振した超音波の前記回路層表面からの反射波の到達時間と、前記第１の接合界面からの反射波の到達時間と、前記回路層内における音速と、から、前記第１の超音波プローブと前記第１の接合界面との距離を検出することを特徴とするパワーモジュール用基板の超音波検査装置。
前記第２距離検出手段は、前記第２の超音波プローブから発振した超音波の前記金属層表面からの反射波の到達時間と、前記第２の接合界面からの反射波の到達時間と、前記金属層内における音速と、から、前記第２の超音波プローブと前記第２の接合界面との距離を検出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超音波検査装置。
前記第１の超音波プローブ及び前記第２の超音波プローブを用いて、前記セラミックス基板内部のボイドを検出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板の超音波検査装置。
前記第１の超音波プローブと前記第２の超音波プローブとが水平方向に対向して配置されてい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超音波検査装置。
セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の超音波検査装置であって、
前記パワーモジュール用基板の前記回路層又は金属層に対向配置された超音波プローブを有し、
前記超音波プローブによって、前記回路層と前記セラミックス基板との間の第１の接合界面からの反射波、前記金属層と前記セラミックス基板との間の第２の接合界面からの反射波、前記超音波プローブ側の表面からの反射波、前記超音波プローブとは反対側の表面からの反射波、セラミックス基板内部のボイドからの反射波、をそれぞれ検出可能とされており、
前記第１の接合界面又は前記第２の接合界面のうち前記超音波プローブ側に位置する接合界面からの反射波の到達時間から、前記超音波プローブと前記第１の接合界面又は前記第２の接合界面のうち前記超音波プローブ側に位置する接合界面との距離を検出する距離検出手段と、
前記距離検出手段によって検出された距離に応じて、前記超音波プローブと前記パワーモジュール用基板とを近接離間させる距離調整機構と、
を備えており、
前記距離検出手段は、前記超音波プローブ側の表面からの反射波と、前記第１の接合界面又は前記第２の接合界面のうち前記超音波プローブ側に位置する接合界面からの反射波の到達時間と、前記回路層又は前記金属層のうち前記超音波プローブ側に位置する層内における音速と、から、前記パワーモジュール用基板と前記超音波プローブとの間の距離を検出することを特徴とするパワーモジュール用基板の超音波検査装置。
セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の超音波検査方法であって、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の超音波検査装置によって、前記回路層と前記セラミックス基板との間の第１の接合界面のボイドを検出するとともに、前記金属層と前記セラミックス基板との間の第２の接合界面のボイドを検出することを特徴とするパワーモジュール用基板の超音波検査方法。
前記超音波プローブと前記回路層または前記金属層との距離を計測するとともに、前記超音波プローブと前記パワーモジュール用基板の位置関係を制御することで、前記パワーモジュール用基板の反りの３Ｄデータを取得して画像化し、反りの３Ｄマップを作成することを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュール用基板の超音波検査方法。