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
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
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。
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。
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。
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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