JP7380153B2 - 絶縁回路基板の製造方法及びヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents
絶縁回路基板の製造方法及びヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、パワー半導体素子が搭載されるパワーモジュール用基板等の絶縁回路基板の製造方法及び絶縁回路基板にヒートシンクが設けられたヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法に関する。
一般に、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又は銅からなる回路層が形成され、他方の面にアルミニウム又は銅からなる放熱層が形成されている。この場合、回路層や放熱層を二層構造としたものも提案されている。
また、一般に、パワー半導体素子の放熱を促進するため、放熱層にはヒートシンクが接合される。
また、一般に、パワー半導体素子の放熱を促進するため、放熱層にはヒートシンクが接合される。
例えば特許文献１には、パワーモジュール用基板の製造方法として、セラミックス基板の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層を接合するとともに、セラミックス基板の他方の面に銅又は銅合金からなる金属層を接合し、この金属層にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２金属層を固相拡散接合し、第２金属層にアルミニウム合金からなる冷却器（ヒートシンク）をＭｇ含有Ａｌ系ろう材を用いてろう付け接合することが記載されている。また、このＭｇ含有Ａｌ系ろう材を用いたろう付けは、窒素又はアルゴン等の雰囲気中で低荷重（例えば０．００１ＭＰａ～０．５ＭＰａ）で行うことができ、剛性の低いアルミニウム製冷却器でも変形させることなく確実に接合できるとされている。
このろう材に含まれるＭｇは、以下の反応式（１）により、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層やヒートシンク表面の酸化膜を還元する。
３Ｍｇ＋４Ａｌ２Ｏ３→３ＭｇＡｌ２Ｏ４＋２Ａｌ・・（１）
このＭｇの還元作用により、金属層やヒートシンク表面に対する溶融ろう材の濡れ性を低下させ、接合性を向上させている。
また、セラミックス基板や金属板をろう材により接合する際に、積層体を積層方向に加圧する加圧装置が用いられ、この加圧装置には、加圧を均一にするために、積層体の両面にカーボンシートを用いたクッションシート（当て板）を配置することが記載されている。
３Ｍｇ＋４Ａｌ２Ｏ３→３ＭｇＡｌ２Ｏ４＋２Ａｌ・・（１）
このＭｇの還元作用により、金属層やヒートシンク表面に対する溶融ろう材の濡れ性を低下させ、接合性を向上させている。
また、セラミックス基板や金属板をろう材により接合する際に、積層体を積層方向に加圧する加圧装置が用いられ、この加圧装置には、加圧を均一にするために、積層体の両面にカーボンシートを用いたクッションシート（当て板）を配置することが記載されている。
ところで、特許文献１の第２金属層にヒートシンクを接合する際に、これらの積層体を加圧装置により加圧して加熱すると、溶融したＭｇ含有Ａｌ系ろう材の余剰分がカーボンシートに付着する可能性がある。このカーボンシート及び加圧装置は、複数のパワーモジュール用基板にヒートシンクを接合する際に繰り返し使用される。
このため、その繰り返しの使用によってカーボンシートにＭｇが堆積すると、そのＭｇが以下の反応式（２）、（３）、（４）、（５）に示すように酸素、水、炭素、二酸化炭素等と反応し、酸化物を経由して水酸化物や炭酸塩を生成する。
Ｍｇ＋（１／２）Ｏ２→ＭｇＯ・・（２）
ＭｇＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）２・・（３）
ＭｇＯ＋Ｃ＋Ｏ２→ＭｇＣＯ３ ・・（４）
ＭｇＯ＋ＣＯ２→ＭｇＣＯ３ ・・（５）
そのＭｇの酸化物や水酸化物が再度接合温度に加熱された際に分解して水（水蒸気）やＣＯ、ＣＯ２等のガスを放出し、これらのガスによって金属層とヒートシンクとの間のＭｇ含有Ａｌ系ろう材中のＭｇが酸化されてしまい、ヒートシンク等表面の酸化膜（Ａｌ２Ｏ３）に対するＭｇの還元作用（前述の（１）式による作用）を阻害するため、接合不良が発生する。
Ｍｇ＋（１／２）Ｏ２→ＭｇＯ・・（２）
ＭｇＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）２・・（３）
ＭｇＯ＋Ｃ＋Ｏ２→ＭｇＣＯ３ ・・（４）
ＭｇＯ＋ＣＯ２→ＭｇＣＯ３ ・・（５）
そのＭｇの酸化物や水酸化物が再度接合温度に加熱された際に分解して水（水蒸気）やＣＯ、ＣＯ２等のガスを放出し、これらのガスによって金属層とヒートシンクとの間のＭｇ含有Ａｌ系ろう材中のＭｇが酸化されてしまい、ヒートシンク等表面の酸化膜（Ａｌ２Ｏ３）に対するＭｇの還元作用（前述の（１）式による作用）を阻害するため、接合不良が発生する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、カーボンシートを繰り返し使用しても、接合不良を生じさせないようにすることを目的とする。
本発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層を形成するとともに、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱層を形成して、絶縁回路基板を形成する絶縁回路基板形成工程と、該絶縁回路基板の前記放熱層に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程とを複数回実施することにより、ヒートシンク付き絶縁回路基板を複数個製造する方法であって、前記ヒートシンク接合工程では、前記放熱層と前記ヒートシンクとをＭｇ含有Ａｌ系ろう材を介して積層し、その積層体の両面にカーボンシートを配置した状態で該積層体を積層方向に加圧しながら加熱しており、前記ヒートシンク接合工程で用いた前記カーボンシートを前記ヒートシンク接合工程における加熱温度以上に加熱するカーボンシート再生工程を有する。
カーボンシート再生工程により、カーボンシートを加熱すると、付着していたＭｇ含有Ａｌ系ろう材中のＭｇがＡｌと結合してＭｇＡｌ２Ｏ４に変化する。このＭｇＡｌ２Ｏ４は化学的に安定であり、加熱されても、酸化を引き起こすガスの発生が抑制される。したがって、カーボンシート再生工程の後に行われるヒートシンク接合工程において、金属板の間に配置したＭｇ含有Ａｌ系ろう材の還元作用を有効に発揮させて、良好な接合状態を得ることができる。
なお、カーボンシート再生工程は、複数個のヒートシンク付き絶縁回路基板を製造する際に、繰り返される（２回目以降の）ヒートシンク接合工程の前に必ず実施してもよいし、ヒートシンク接合工程を適宜の回数継続した後に実施してもよく、使用頻度、ろう材付着状況等に応じて実施すればよい。
なお、カーボンシート再生工程は、複数個のヒートシンク付き絶縁回路基板を製造する際に、繰り返される（２回目以降の）ヒートシンク接合工程の前に必ず実施してもよいし、ヒートシンク接合工程を適宜の回数継続した後に実施してもよく、使用頻度、ろう材付着状況等に応じて実施すればよい。
他の製造方法として、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第一回路層を形成する第一回路層形成工程と、該第一回路層の上にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第二回路層を形成する第二回路層形成工程とを複数回実施することにより、絶縁回路基板を複数個製造する方法であって、前記第二回路層形成工程では、前記第一回路層と前記第二回路層となる金属板とをＭｇ含有Ａｌ系ろう材を介して積層し、その積層体の両面にカーボンシートを配置した状態で該積層体を積層方向に加圧しながら加熱しており、前記第二回路層形成工程で用いた前記カーボンシートを前記第二回路層形成工程における加熱温度以上に加熱するカーボンシート再生工程を有する。
この製造方法の場合も、カーボンシート再生工程は、複数個の絶縁回路基板を製造する際に、繰り返される（２回目以降の）第二回路層形成工程の前に必ず実施してもよいし、第二回路層形成工程を適宜の回数継続した後に実施してもよい。
本発明によれば、カーボンシート再生工程により、カーボンシートに付着していたＭｇ含有Ａｌ系ろう材中のＭｇを安定化させて、酸化を引き起こすガスの発生が抑制されるので、Ｍｇ含有Ａｌ系ろう材の還元作用を有効に発揮させて、良好な接合状態を得ることができる。
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。
＜第一実施形態＞
第一実施形態は、図２に示すように、パワーモジュール用基板として用いられるヒートシンク付き絶縁回路基板１であり、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面に接合された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に接合された放熱層１３とを備える絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の放熱層１３のセラミックス基板１１とは反対側の表面に接合されたヒートシンク１４とを備えている。
第一実施形態は、図２に示すように、パワーモジュール用基板として用いられるヒートシンク付き絶縁回路基板１であり、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面に接合された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に接合された放熱層１３とを備える絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の放熱層１３のセラミックス基板１１とは反対側の表面に接合されたヒートシンク１４とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と放熱層１３との間の電気的接続を遮断する絶縁材であって、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等により形成され、厚さは例えば０．２ｍｍ～１．２ｍｍである。
回路層１２は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、厚さは例えば０．１ｍｍ～２．０ｍｍである。
放熱層１３は純アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、厚さは例えば０．１ｍｍ～２．０ｍｍである。
ここで、 純アルミニウムとしては、例えば、２Ｎ（純度９９％以上）、３Ｎ（純度９９．９％以上）、４Ｎ（純度９９．９９％以上）のアルミニウムを用いることができ、アルミニウム合金としては、例えば、Ａ３００３やＡ６０６３等を用いることができる。
ヒートシンク１４は、例えば、Ａ３００３やＡ６０６３等のアルミニウム合金により、板状、多穴管状等に形成される。放熱層１３との接合面とは反対側に多数のピン状、板状等のフィンが形成される場合もある。
回路層１２は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、厚さは例えば０．１ｍｍ～２．０ｍｍである。
放熱層１３は純アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、厚さは例えば０．１ｍｍ～２．０ｍｍである。
ここで、 純アルミニウムとしては、例えば、２Ｎ（純度９９％以上）、３Ｎ（純度９９．９％以上）、４Ｎ（純度９９．９９％以上）のアルミニウムを用いることができ、アルミニウム合金としては、例えば、Ａ３００３やＡ６０６３等を用いることができる。
ヒートシンク１４は、例えば、Ａ３００３やＡ６０６３等のアルミニウム合金により、板状、多穴管状等に形成される。放熱層１３との接合面とは反対側に多数のピン状、板状等のフィンが形成される場合もある。
次に、本実施形態のヒートシンク付き絶縁回路基板１の製造方法について説明する。
その製造方法は、回路層１２となる金属板１２´及び放熱層１３となる金属板１３´をそれぞれセラミックス基板１１の各面にろう材２１を介して積層し、その積層体を積層方向に加圧した状態で加熱することにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２を形成し、セラミックス基板１１の他方の面に放熱層１３を形成する絶縁回路基板形成工程と、絶縁回路基板形成工程後に放熱層１３にヒートシンク１４をＭｇ含有Ａｌ系ろう材２２を介して積層し、その積層体を積層方向に加圧した状態で加熱することにより、放熱層１３にヒートシンク１４を接合するヒートシンク接合工程と、を有しており、この絶縁回路基板形成工程とヒートシンク接合工程とを順に実施することによりヒートシンク付き絶縁回路基板１が製造される。
その製造方法は、回路層１２となる金属板１２´及び放熱層１３となる金属板１３´をそれぞれセラミックス基板１１の各面にろう材２１を介して積層し、その積層体を積層方向に加圧した状態で加熱することにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２を形成し、セラミックス基板１１の他方の面に放熱層１３を形成する絶縁回路基板形成工程と、絶縁回路基板形成工程後に放熱層１３にヒートシンク１４をＭｇ含有Ａｌ系ろう材２２を介して積層し、その積層体を積層方向に加圧した状態で加熱することにより、放熱層１３にヒートシンク１４を接合するヒートシンク接合工程と、を有しており、この絶縁回路基板形成工程とヒートシンク接合工程とを順に実施することによりヒートシンク付き絶縁回路基板１が製造される。
この製造方法において、絶縁回路基板形成工程における積層体及びヒートシンク接合工程における積層体を加圧するために図５に示す加圧装置１１０が用いられる。以下の加圧装置１１０の説明において、絶縁回路基板形成工程における積層体及びヒートシンク接合工程における積層体を区別することなく、積層体Ｓとして説明する。
この加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅等に垂直に取り付けられた複数のガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備えている。
この加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅等に垂直に取り付けられた複数のガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備えている。
固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されており、ベース板１１１と押圧板１１４との間に積層体Ｓが配設される。
この場合、ベース板１１１及び押圧板１１４において、積層体Ｓと接する側に、加圧を均一にするための当て板３０が配設される。
この場合、ベース板１１１及び押圧板１１４において、積層体Ｓと接する側に、加圧を均一にするための当て板３０が配設される。
当て板３０は、図６に示すように、二枚のカーボンシート３１の間にグラファイトシート３２を挟んだ構造とされている。
カーボンシート３１は、耐熱性を有する硬質のカーボン材料により平板状に形成され、３０００℃程度の高温で焼成したものである。このカーボンシート３１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構成される。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。
カーボンシート３１は、耐熱性を有する硬質のカーボン材料により平板状に形成され、３０００℃程度の高温で焼成したものである。このカーボンシート３１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構成される。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。
一方、グラファイトシート３２は、クッション性を有する軟質のグラファイト材料により、鱗片状のグラファイト薄膜が雲母のように複数枚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。このグラファイトシート３２は、かさ密度が０．５Ｍｇ／ｍ３以上１．３Ｍｇ／ｍ３以下で軟質である。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。
この当て板３０を積層体Ｓの両端面に配置する際には、カーボンシート３１が積層体Ｓの両端面に接触する。
この当て板３０を積層体Ｓの両端面に配置する際には、カーボンシート３１が積層体Ｓの両端面に接触する。
（絶縁回路基板形成工程）
図３に示すように、セラミックス基板１１の両面に、それぞれろう材２１を介して、回路層用金属板１２´と放熱層用金属板１３´とを積層する。ろう材２１としては、Ａｌ－Ｓｉ系等の合金が使用される。このろう材２１は箔材を用いてもよいし、ペーストをセラミックス基板１１又は両金属板１２´，１３´のいずれかに塗布することとしてもよい。
そして、その積層体Ｓの両端面に当て板３０を配置した状態で加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧して、加圧装置１１０ごと真空雰囲気下で加熱した後、冷却することにより、セラミックス基板１１に回路層用金属板１２´及び放熱層用金属板１３´を接合して、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２、他方の面に放熱層１３が形成された絶縁回路基板１０が製造される。
このときの接合条件は、例えば加圧力として０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下、接合温度としては６３０℃以上６５５℃以下、加熱時間としては１５分以上１２０分以下とされる。
図３に示すように、セラミックス基板１１の両面に、それぞれろう材２１を介して、回路層用金属板１２´と放熱層用金属板１３´とを積層する。ろう材２１としては、Ａｌ－Ｓｉ系等の合金が使用される。このろう材２１は箔材を用いてもよいし、ペーストをセラミックス基板１１又は両金属板１２´，１３´のいずれかに塗布することとしてもよい。
そして、その積層体Ｓの両端面に当て板３０を配置した状態で加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧して、加圧装置１１０ごと真空雰囲気下で加熱した後、冷却することにより、セラミックス基板１１に回路層用金属板１２´及び放熱層用金属板１３´を接合して、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２、他方の面に放熱層１３が形成された絶縁回路基板１０が製造される。
このときの接合条件は、例えば加圧力として０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下、接合温度としては６３０℃以上６５５℃以下、加熱時間としては１５分以上１２０分以下とされる。
（ヒートシンク接合工程）
図４に示すように、絶縁回路基板形成工程でセラミックス基板１１に形成した放熱層１３の表面にＭｇ含有Ａｌ系ろう材２２を介してヒートシンク１４を積層し、その積層体の両端面に当て板３０を配置した状態で、加圧装置１１０を用いて積層体Ｓを積層方向に加圧して、加圧装置１１０ごと窒素雰囲気下で加熱した後、冷却することにより、放熱層１３にヒートシンク１４を接合する。この場合も、ろう材２２は箔材を用いてもよいし、ペーストを放熱層１３又はヒートシンク１４のいずれかに塗布することとしてもよい。ろう材２２ としては、Ｍｇ：０．１質量％～５質量％、残部：Ａｌ及び不可避不純物、からなる組成を有する箔材を用いるとよい。この箔材においては、Ｓｉを含有させることが好適である。この場合、箔材の組成を、Ｍｇ：０．１質量％～５質量％、Ｓｉ：３質量％～１２質量％、残部：Ａｌ及び不可避不純物、とすることが好ましい。箔材の厚さとしては５μｍ～１００μｍの範囲内とすることが好ましい。
図４に示すように、絶縁回路基板形成工程でセラミックス基板１１に形成した放熱層１３の表面にＭｇ含有Ａｌ系ろう材２２を介してヒートシンク１４を積層し、その積層体の両端面に当て板３０を配置した状態で、加圧装置１１０を用いて積層体Ｓを積層方向に加圧して、加圧装置１１０ごと窒素雰囲気下で加熱した後、冷却することにより、放熱層１３にヒートシンク１４を接合する。この場合も、ろう材２２は箔材を用いてもよいし、ペーストを放熱層１３又はヒートシンク１４のいずれかに塗布することとしてもよい。ろう材２２ としては、Ｍｇ：０．１質量％～５質量％、残部：Ａｌ及び不可避不純物、からなる組成を有する箔材を用いるとよい。この箔材においては、Ｓｉを含有させることが好適である。この場合、箔材の組成を、Ｍｇ：０．１質量％～５質量％、Ｓｉ：３質量％～１２質量％、残部：Ａｌ及び不可避不純物、とすることが好ましい。箔材の厚さとしては５μｍ～１００μｍの範囲内とすることが好ましい。
また、Ｍｇ含有Ａｌ系ろう材２２として、アルミニウム系芯材の両面にＭｇ含有Ａｌ系ろう材の層を形成したクラッド材を用いても良い。この場合、芯材としてはＡ６０６３アルミニウム合金を用い、心材の外側に形成する皮材としては、Ｍｇ：０．１質量％～５質量％、Ｓｉ：３質量％～１２質量％、残部：Ａｌ及び不可避不純物の組成を有するアルミニウム合金を用いることが好ましい。芯材の厚さは５０μｍ～３００μｍの範囲内、皮材の厚さとしては５μｍ～１００μｍの範囲内とすることが好ましい。クラッド材全体の厚さとしては、６０μｍ～５００μｍの範囲内とすることが好ましい。
このヒートシンク接合工程の接合条件は、例えば、加圧力を０．１ＭＰａ～０．５ＭＰａ、加熱温度を５９０℃以上６１５℃以下とし、３分以上２０分以下保持するのが好適である。
このヒートシンク接合工程において、Ｍｇ含有Ａｌ系ろう材２２は放熱層１３及び／又はヒートシンク１４表面の酸化膜と反応して、これを分解する。そのときの反応式は前述の（１）式の通りである。
これにより、放熱層１３及びヒートシンク１４の表面に対する溶融ろう材の濡れ性が低下し、これらの接合性が向上する。
このヒートシンク接合工程において、Ｍｇ含有Ａｌ系ろう材２２は放熱層１３及び／又はヒートシンク１４表面の酸化膜と反応して、これを分解する。そのときの反応式は前述の（１）式の通りである。
これにより、放熱層１３及びヒートシンク１４の表面に対する溶融ろう材の濡れ性が低下し、これらの接合性が向上する。
このようにして絶縁回路基板形成工程及びヒートシンク接合工程を順に実施することにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２、他方の面に放熱層１３が形成され、その放熱層１３にヒートシンク１４が接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板１が製造される。
以上の絶縁回路基板形成工程とヒートシンク接合工程とからなる製造工程を複数回繰り返すことにより、ヒートシンク付き絶縁回路基板１を複数連続的に製造することが行われる。あるいは、絶縁回路基板形成工程のみを複数回繰り返して、複数の絶縁回路基板１０を形成しておき、得られた複数の絶縁回路基板１０にヒートシンク接合工程を実施して、順次ヒートシンク１４を接合するようにしてもよい。その際に、前述した加圧装置１１０及び当て板３０は繰り返し使用可能である。ただし、絶縁回路基板形成工程とヒートシンク接合工程とで使用するろう材の種類が異なるので、二つの工程で別個の加圧装置と当て板を用いてもよい。
以上の絶縁回路基板形成工程とヒートシンク接合工程とからなる製造工程を複数回繰り返すことにより、ヒートシンク付き絶縁回路基板１を複数連続的に製造することが行われる。あるいは、絶縁回路基板形成工程のみを複数回繰り返して、複数の絶縁回路基板１０を形成しておき、得られた複数の絶縁回路基板１０にヒートシンク接合工程を実施して、順次ヒートシンク１４を接合するようにしてもよい。その際に、前述した加圧装置１１０及び当て板３０は繰り返し使用可能である。ただし、絶縁回路基板形成工程とヒートシンク接合工程とで使用するろう材の種類が異なるので、二つの工程で別個の加圧装置と当て板を用いてもよい。
以上のようにして加圧装置１１０及び当て板３０を接合に使用すると、当て板３０の特にカーボンシート３１は積層体Ｓの両面に直接接触するため、溶融したろう材の余剰分が表面に付着することがある。
この時、カーボンシート３１の表面に付着したろう材に含まれるＭｇが、放熱層１３やヒートシンク１４表面の酸化膜、もしくは、大気に触れることにより反応し、ＭｇＯが生成される。生成されたＭｇＯは空気中のＨ２ＯやＣＯ２を容易に吸収し、Ｍｇ（ＯＨ）２やＭｇＣＯ３を形成する。そのため、この余剰ろう材が付着したまま、再度カーボンシート３１を使用する場合、接合温度まで加熱された際に、余剰ろう材に含まれるＭｇ（ＯＨ）２やＭｇＣＯ３が分解し、水（水蒸気）やＣＯ、ＣＯ２等のガスが放出される。そして、これらのガスによってＭｇ含有Ａｌ系ろう材２２中のＭｇが酸化されてしまい、酸化膜（Ａｌ２Ｏ３）に対するＭｇの還元作用を阻害するため、接合不良が発生する。そのため、接合に用いられるＭｇ含有Ａｌ系ろう材２２におけるＭｇの還元作用を阻害しないようにするために、図１に示すように、ヒートシンク付き絶縁回路基板１を複数個製造する際の途中で、以下に示すカーボンシート再生工程を実施する。
この時、カーボンシート３１の表面に付着したろう材に含まれるＭｇが、放熱層１３やヒートシンク１４表面の酸化膜、もしくは、大気に触れることにより反応し、ＭｇＯが生成される。生成されたＭｇＯは空気中のＨ２ＯやＣＯ２を容易に吸収し、Ｍｇ（ＯＨ）２やＭｇＣＯ３を形成する。そのため、この余剰ろう材が付着したまま、再度カーボンシート３１を使用する場合、接合温度まで加熱された際に、余剰ろう材に含まれるＭｇ（ＯＨ）２やＭｇＣＯ３が分解し、水（水蒸気）やＣＯ、ＣＯ２等のガスが放出される。そして、これらのガスによってＭｇ含有Ａｌ系ろう材２２中のＭｇが酸化されてしまい、酸化膜（Ａｌ２Ｏ３）に対するＭｇの還元作用を阻害するため、接合不良が発生する。そのため、接合に用いられるＭｇ含有Ａｌ系ろう材２２におけるＭｇの還元作用を阻害しないようにするために、図１に示すように、ヒートシンク付き絶縁回路基板１を複数個製造する際の途中で、以下に示すカーボンシート再生工程を実施する。
（カーボンシート再生工程）
当て板３０に用いていたカーボンシート３１をヒートシンク接合工程の加熱温度以上の温度に加熱する。加熱条件としては、例えば、高真空または窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気下で、加熱温度としては６５０℃以上１１００℃以下、加熱温度における保持時間として５分以上６０分以下が好ましい。
このカーボンシート再生工程では、カーボンシート３１を加熱すると、６５０℃以上１１００℃以下に達する前に、付着していたＭｇ含有Ａｌ系ろう材２２中に含まれるＭｇ（ＯＨ）２やＭｇＣＯ３が水（水蒸気）やＣＯ、ＣＯ２等のガスを放出し、ＭｇＯとなる。そして、加熱温度に達すると、Ｍｇ含有Ａｌ系ろう材２２中に含まれるＭｇ及びＭｇＯは以下の反応式（１）、（６）、（７）、（８）に示すように、ＡｌまたはＡｌ２Ｏ３と反応してＭｇＡｌ２Ｏ４に変化する。
３Ｍｇ＋４Ａｌ２Ｏ３→３ＭｇＡｌ２Ｏ４＋２Ａｌ・・（１）
Ｍｇ＋２Ａｌ＋２Ｏ２→ＭｇＡｌ２Ｏ４ ・・（６）
ＭｇＯ＋Ａｌ２Ｏ３→ＭｇＡｌ２Ｏ４ ・・（７）
ＭｇＯ＋２Ａｌ＋３／２Ｏ２→ＭｇＡｌ２Ｏ４ ・・（８）
当て板３０に用いていたカーボンシート３１をヒートシンク接合工程の加熱温度以上の温度に加熱する。加熱条件としては、例えば、高真空または窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気下で、加熱温度としては６５０℃以上１１００℃以下、加熱温度における保持時間として５分以上６０分以下が好ましい。
このカーボンシート再生工程では、カーボンシート３１を加熱すると、６５０℃以上１１００℃以下に達する前に、付着していたＭｇ含有Ａｌ系ろう材２２中に含まれるＭｇ（ＯＨ）２やＭｇＣＯ３が水（水蒸気）やＣＯ、ＣＯ２等のガスを放出し、ＭｇＯとなる。そして、加熱温度に達すると、Ｍｇ含有Ａｌ系ろう材２２中に含まれるＭｇ及びＭｇＯは以下の反応式（１）、（６）、（７）、（８）に示すように、ＡｌまたはＡｌ２Ｏ３と反応してＭｇＡｌ２Ｏ４に変化する。
３Ｍｇ＋４Ａｌ２Ｏ３→３ＭｇＡｌ２Ｏ４＋２Ａｌ・・（１）
Ｍｇ＋２Ａｌ＋２Ｏ２→ＭｇＡｌ２Ｏ４ ・・（６）
ＭｇＯ＋Ａｌ２Ｏ３→ＭｇＡｌ２Ｏ４ ・・（７）
ＭｇＯ＋２Ａｌ＋３／２Ｏ２→ＭｇＡｌ２Ｏ４ ・・（８）
このＭｇＡｌ２Ｏ４は化学的に安定であり、Ｈ２ＯやＣＯ２との反応性が無いため、ヒートシンク接合工程の加熱温度まで加熱されても、酸化を引き起こす可能性のある水（水蒸気）やＣＯ、ＣＯ２等のガスの発生が抑制される。したがって、この再生されたカーボンシート３１を用いて次に実施されるヒートシンク接合工程時に、放熱層１３とヒートシンク１４との間のＭｇ含有Ａｌ系ろう材２２の還元作用を有効に発揮させて、放熱層１３とヒートシンク１４との良好な接合状態を得ることができる。
なお、カーボンシート再生工程は、ヒートシンク接合工程を行うごとにＭｇＯが蓄積されるため、毎回実施することが望ましい。
なお、カーボンシート再生工程は、ヒートシンク接合工程を行うごとにＭｇＯが蓄積されるため、毎回実施することが望ましい。
＜第二実施形態＞
第二実施形態の絶縁回路基板２は、図７に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に接合された回路層１５が、第一回路層１６と第二回路層１７との二層構造とされている。セラミックス基板１１の他方の面に放熱層１３が接合されている点は第一実施形態と同様である。この放熱層１３のセラミックス基板１１とは反対側の表面にヒートシンク１４を接合してもよいが、以下ではヒートシンクは接合されないものとして説明する。
第二実施形態の絶縁回路基板２は、図７に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に接合された回路層１５が、第一回路層１６と第二回路層１７との二層構造とされている。セラミックス基板１１の他方の面に放熱層１３が接合されている点は第一実施形態と同様である。この放熱層１３のセラミックス基板１１とは反対側の表面にヒートシンク１４を接合してもよいが、以下ではヒートシンクは接合されないものとして説明する。
二層構造の回路層１５のうち、セラミックス基板１１に接合される第一回路層１６は、純アルミニウム（例えば純度９９．９９質量％以上のアルミニウム）からなり、厚さは例えば０．１ｍｍ～２．０ｍｍである。
第二回路層１７は、第一回路層１６より純度の低い純アルミニウム又はアルミニウム合金（例えばＪＩＳ規格の３０００番台や６０００番台のアルミニウム合金）からなり、厚さは例えば０．２ｍｍ～１．５ｍｍである。
第二回路層１７は、第一回路層１６より純度の低い純アルミニウム又はアルミニウム合金（例えばＪＩＳ規格の３０００番台や６０００番台のアルミニウム合金）からなり、厚さは例えば０．２ｍｍ～１．５ｍｍである。
この絶縁回路基板２を製造する場合、セラミックス基板１１の一方の面に第一回路層１６となる金属板１６´、セラミックス基板１１の他方の面に放熱層１３となる金属板１３´を接合することにより、セラミックス基板１１の一方の面に第一回路層１６を形成し、セラミックス基板１１の他方の面に放熱層１３を形成する第一接合工程（第一回路層形成工程）と、第一接合工程後に第一回路層１６に第二回路層１７となる金属板１７´を接合することにより、第一回路層１６に第二回路層１７を形成する第二回路層形成工程とを有する。
第一接合工程は、第一実施形態の絶縁回路基板形成工程と同様、加圧装置１１０及び当て板３０を用い、ろう材２１としてＡｌ－Ｓｉ系ろう材を用いて、０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の加圧力で加圧した状態で真空雰囲気下で６３０℃以上６５５℃以下の温度に１５分以上１２０分以下保持した後、冷却することにより、セラミックス基板１１に第一回路層１６及び放熱層１３をそれぞれ形成する。
第二回路層形成工程は、図８に示すように、第一接合工程で接合した第一回路層１６の表面にＭｇ含有Ａｌ系ろう材２２を介して第二回路層１７となる金属板１７´を積層し、その積層体を０．１ＭＰａ～０．５ＭＰａの加圧力で、５９０℃以上６１５℃以下の温度に３分以上２０分以下保持した後、冷却することにより、第一回路層の上に第二回路層を形成する。この第二接合工程においても、第一実施形態と同様に加圧装置１１０及び当て板３０が用いられ、接合時に積層体の両面に当て板３０が配置される。
そして、この絶縁回路基板２を複数製造する際に、加圧装置１１０及び当て板３０を繰り返し使用するが、途中で当て板３０を第二回路層形成工程時の加熱温度以上の温度に加熱して、カーボンシート３１を再生するカーボンシート再生工程を実施する。カーボンシート再生工程は、第一実施形態と同様である。
このようにして、適宜カーボンシート再生工程を挟みながら、複数の絶縁回路基板２を製造することにより、接合状態が良好な絶縁回路基板２を得ることができる。
このようにして、適宜カーボンシート再生工程を挟みながら、複数の絶縁回路基板２を製造することにより、接合状態が良好な絶縁回路基板２を得ることができる。
なお、前述の第一実施形態では、絶縁回路基板形成工程、ヒートシンク接合工程の二つの接合工程を経てヒートシンク付き絶縁回路基板を形成し、一方、第二実施形態では、第一接合工程、第二回路層形成工程の二つの接合工程を経て絶縁回路基板２を形成しており、これら二つの工程を順次繰り返す途中でカーボンシート再生工程を設けたが、第一実施形態では絶縁回路基板形成工程、第二実施形態では第一接合工程のみを複数回繰り返して複数の接合体を形成し、その後に、その接合体についてそれぞれヒートシンク接合工程、又は第二回路層形成工程を繰り返し実施することも可能である。ヒートシンク接合工程又は第二回路層形成工程を複数回繰り返すうちのいずれかの間でカーボンシート再生工程を実施すればよい。
また、第二実施形態において、セラミックス基板の回路層とは反対側の面に放熱層を形成したが、放熱層を有しない場合も含むものとする。その場合、第一接合工程は、第一回路層のみを形成することになる。本発明では、この第一接合工程について、放熱層の有無にかかわらず第一回路層形成工程と称している。
また、第二実施形態において、セラミックス基板の回路層とは反対側の面に放熱層を形成したが、放熱層を有しない場合も含むものとする。その場合、第一接合工程は、第一回路層のみを形成することになる。本発明では、この第一接合工程について、放熱層の有無にかかわらず第一回路層形成工程と称している。
また、当て板としてカーボンシートの間にグラファイトシートを挟んだ構造のものを用いたが、カーボンシートとグラファイトシート等のクッション材との二層構造のもの、カーボンシートのみのものも用いることができる。カーボンシートとクッション材との二層構造の場合は、接合されるべき積層体の両端面にカーボンシートが接触するように配置される。
二枚のアルミニウム製金属板（平面サイズ７０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍ）の間にＭｇ含有Ａｌ系ろう材としてＡｌ－１０質量％Ｓｉ－１．５質量％Ｍｇ合金ろう材箔（厚さ０．０２ｍｍ）を介在して積層し、その積層体の両面に実施形態で用いた当て板を接触させて加圧装置により加圧し、窒素雰囲気で加熱した。加圧力は０．２ＭＰａ、加熱温度は６００℃で１０分とした。
当て板を変えずに３回接合を繰り返して、最初の接合体と最後の接合体とを超音波探傷装置により両金属板の接合界面を観察した。
図１０の左側が最初の接合体、右側が最後の接合体であり、最後の接合体には、接合不良（白く写った部分）が認められる。図１１は、この最後の接合体まで使用されたカーボンシートの表面写真であり、ろう材が付着している（矢印が示す白い箇所にろう材が付着している）。
次に、３回の接合に用いたカーボンシートを９００℃で２０分加熱するカーボンシート再生工程を実施した。このカーボンシート再生工程後のカーボンシートの表面をＸＰＳ装置（Ｘ線光電子分光装置）を用いて分析した。その結果を図１２に示す。この図１１において、各元素分析図のなかの４本の線は、上から２本が３回接合後、下から２本がカーボンシート再生工程後である。この図１２で示されるように、カーボンシート再生工程後のカーボン成分（Ｃｌｓ）では、ＣＯ系のピークが消失しているのがわかる。また、Ｍｇ成分（Ｍｇ２ｐ）において、カーボンシート再生工程を経ることによりピークのシフトが認められ、ＭｇＯがＭｇＡｌ２Ｏ４に変化したことが示されている。
そこで、このカーボンシート再生工程を経たカーボンシートを使用して、上記と同様に接合体を形成し、超音波探傷装置で接合界面を観察したところ、図１３に示すように、接合不良は認められなかった。したがって、接合に使用されたために、そのまま再使用したのでは接合不良が生じるカーボンシートでも、カーボンシート再生工程を経ることにより、接合不良を生じることなく再使用できることがわかる。
当て板を変えずに３回接合を繰り返して、最初の接合体と最後の接合体とを超音波探傷装置により両金属板の接合界面を観察した。
図１０の左側が最初の接合体、右側が最後の接合体であり、最後の接合体には、接合不良（白く写った部分）が認められる。図１１は、この最後の接合体まで使用されたカーボンシートの表面写真であり、ろう材が付着している（矢印が示す白い箇所にろう材が付着している）。
次に、３回の接合に用いたカーボンシートを９００℃で２０分加熱するカーボンシート再生工程を実施した。このカーボンシート再生工程後のカーボンシートの表面をＸＰＳ装置（Ｘ線光電子分光装置）を用いて分析した。その結果を図１２に示す。この図１１において、各元素分析図のなかの４本の線は、上から２本が３回接合後、下から２本がカーボンシート再生工程後である。この図１２で示されるように、カーボンシート再生工程後のカーボン成分（Ｃｌｓ）では、ＣＯ系のピークが消失しているのがわかる。また、Ｍｇ成分（Ｍｇ２ｐ）において、カーボンシート再生工程を経ることによりピークのシフトが認められ、ＭｇＯがＭｇＡｌ２Ｏ４に変化したことが示されている。
そこで、このカーボンシート再生工程を経たカーボンシートを使用して、上記と同様に接合体を形成し、超音波探傷装置で接合界面を観察したところ、図１３に示すように、接合不良は認められなかった。したがって、接合に使用されたために、そのまま再使用したのでは接合不良が生じるカーボンシートでも、カーボンシート再生工程を経ることにより、接合不良を生じることなく再使用できることがわかる。
１…ヒートシンク付き絶縁回路基板
２…絶縁回路基板
１０…絶縁回路基板
１１…セラミックス基板
１２，１５…回路層
１２´…回路層用金属板
１６…第一回路層
１７…第二回路層
１３…放熱層
１３´…金属層用金属板
１４…ヒートシンク
２１…ろう材
２２…Ｍｇ含有Ａｌ系ろう材
３０…当て板
３１…カーボンシート
３２…グラファイトシート
１１０…加圧装置
２…絶縁回路基板
１０…絶縁回路基板
１１…セラミックス基板
１２，１５…回路層
１２´…回路層用金属板
１６…第一回路層
１７…第二回路層
１３…放熱層
１３´…金属層用金属板
１４…ヒートシンク
２１…ろう材
２２…Ｍｇ含有Ａｌ系ろう材
３０…当て板
３１…カーボンシート
３２…グラファイトシート
１１０…加圧装置
Claims (4)
- セラミックス基板の一方の面に回路層を形成するとともに、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱層を形成して、絶縁回路基板を形成する絶縁回路基板形成工程と、該絶縁回路基板の前記放熱層に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程とを複数回実施することにより、ヒートシンク付き絶縁回路基板を複数個製造する方法であって、前記ヒートシンク接合工程では、前記放熱層と前記ヒートシンクとをＭｇ含有Ａｌ系ろう材を介して積層し、その積層体の両面にカーボンシートを配置した状態で該積層体を積層方向に加圧しながら加熱しており、前記ヒートシンク接合工程で用いた前記カーボンシートを前記ヒートシンク接合工程における加熱温度以上であって、前記Ｍｇ含有Ａｌ系ろう材中のＭｇがＭｇＡｌ ２ Ｏ ４ に変化する温度に加熱するカーボンシート再生工程を有することを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
- 前記カーボンシート再生工程は、２回目以降の前記ヒートシンク接合工程の前に実施することを特徴とする請求項１記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
- セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第一回路層を形成す第一回路層形成工程とに、該第一回路層の上にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第二回路層を形成する第二回路層形成工程とを複数回実施することにより、絶縁回路基板を複数個製造する方法であって、前記第二回路層形成工程では、前記第一回路層と前記第二回路層となる金属板とをＭｇ含有Ａｌ系ろう材を介して積層し、その積層体の両面にカーボンシートを配置した状態で該積層体を積層方向に加圧しながら加熱しており、前記第二回路層形成工程で用いた前記カーボンシートを前記第二回路層形成工程における加熱温度以上であって、前記Ｍｇ含有Ａｌ系ろう材中のＭｇがＭｇＡｌ ２ Ｏ ４ に変化する温度に加熱するカーボンシート再生工程を有することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
- 前記カーボンシート再生工程は、２回目以降の前記第二回路層形成工程の前に実施することを特徴とする請求項３記載の絶縁回路基板の製造方法。
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| JP2005509528A (ja) | 2001-11-21 | 2005-04-14 | ダナ カナダ コーポレーション | 無融剤ろう付けにおける改良 |
| JP2007182339A (ja) | 2006-01-05 | 2007-07-19 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 窒化アルミニウム基板の再生方法及びこれを用いた回路基板 |
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| JP2017073483A (ja) | 2015-10-08 | 2017-04-13 | 三菱マテリアル株式会社 | ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール |
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2019
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