JP7484268B2 - 金属部材の仮止め方法、接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents
金属部材の仮止め方法、接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法 Download PDFInfo
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また、上述の絶縁回路基板においては、絶縁層の一方の面に導電性の優れた金属片を接合して回路層とし、また、他方の面に放熱性に優れた金属片を接合して金属層を形成した構造のものが提供されている。
さらに、回路層に搭載した素子等において発生した熱を効率的に放散させるために、絶縁層の他方の面側にヒートシンクを接合したヒートシンク付き絶縁回路基板も提供されている。
また、特許文献2には、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム片を接合し、このアルミニウム片に銅片を固相拡散接合することにより、アルミニウム層と銅層とが積層された回路層を形成した絶縁回路基板が提案されている。
さらに、特許文献3には、セラミックスからなる基材の一方の面に導電性の回路層が形成され、絶縁基板の他方の面に放熱体が接合され、回路層上に発光素子が搭載された構造のLEDモジュールが開示されている。
特許文献7においては、アクリル系樹脂と溶剤とを含有する仮止め材を塗布し、この仮止め材の粘着力によって、金属片を仮止めする構成とされている。そして、この仮止め材は、熱分解性に優れたアクリル系樹脂で構成されているので、その後の接合工程において分解され、炭素残渣の付着を抑制することが可能となる。
ここで、特許文献7に記載された発明では、アクリル系樹脂を含む仮止め材の粘着力によって金属片を仮止めしていることから、絶縁回路基板の構造によって製造時の反りが大きくなる場合には、積層時や加圧時に相対的な滑りが生じ、金属片を精度良く固定することができなくなるおそれがあった。
この場合、前記金属Ga配設工程において、前記金属部材と前記セラミックス部材との間に配置されるGa量を1mg/cm2以上としているので、前記金属部材と前記セラミックス部材とを確実に仮止めすることができる。一方、前記金属部材と前記セラミックス部材との間に配置されるGa量を200mg/cm2以下としているので、その後の接合工程等において加熱した際に、Gaを金属部材へと十分に拡散させることが可能となる。
ヒートシンク付き絶縁回路基板30は、絶縁回路基板10と、この絶縁回路基板10の他方側(図1において下側)に配設されたヒートシンク31と、を備えている。
半導体素子3は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。
この回路層12には、上述の金属片22をパターン状に接合することで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3が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層12の厚さは0.1mm以上3.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.8mmに設定されている。
なお、ヒートシンク31と絶縁回路基板10の金属層13とは、固相拡散接合されている。
まず、図3で示すように、セラミックス基板11の一方の面に複数の金属片22を接合して回路層12を形成するとともに、セラミックス基板11の他方の面に金属片23を接合して金属層13を形成する。
このとき、セラミックス基板11の一方の面に複数の金属片22をパターン状に配置することにより、回路パターンが形成される。
まず、図3に示すように、セラミックス基板11の一方の面に複数の金属片22が接合される予定の領域にろう材ペースト26を塗布し、乾燥させる。また、セラミックス基板11の他方の面に金属片23が接合される予定の領域にろう材ペースト26を塗布し乾燥させる。ろう材ペースト26としては、Ag-Cu-Ti系ろう材やAg-Ti系ろう材を用いることができ、その塗布厚さ(乾燥後)を4μm以上7μm以下の範囲内とすることが好ましい。
次に、複数の金属片22及び金属片23の接合面に金属Ga40を配設する。金属Ga40は、既存の成膜技術を適用して形成することができる。
このとき、Gaを1mg/cm2以上200mg/cm2以下の範囲内で含む金属Gaを配設することが好ましい。なお、金属Ga量の下限は10mg/cm2以上とすることがより好ましい。一方、金属Ga量の上限は100mg/cm2以下とすることがより好ましい。
なお、金属Ga40は、均一な膜状に形成されている必要はなく、接合面に点在していてもよい。
そして、金属Ga40を溶融後に、室温にまで冷却し、溶融した金属Gaを固化させる。これにより、ろう材ペースト26を塗布したセラミックス基板11と複数の金属片22及び金属片23を仮止めする。
次いで、金属片22、セラミックス基板11、金属片23の積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、金属片22とセラミックス基板11とを接合して回路層12を形成し、金属片23とセラミックス基板11とを接合して金属層13を形成する。
また、接合工程S13における加熱温度での保持時間の下限は20分以上とすることが好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は40分以下とすることが好ましい。
さらに、接合工程S13における加圧荷重の下限は0.1MPa以上(1.0kgf/cm2以上)とすることが好ましい。一方、加圧荷重の上限は0.3MPa以下(3.0kgf/cm2以下)とすることが好ましい。
次に、この絶縁回路基板10の金属層13の他方側にヒートシンク31を積層し、絶縁回路基板10とヒートシンク31とが積層されたヒートシンク積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、アルミニウムと銅との共晶温度未満の加熱温度で保持することにより、金属層13とヒートシンク31を固相拡散接合する。
このヒートシンク接合工程S13における接合条件は、真空条件は10-3Pa以下、加熱温度は510℃以上545℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間が45分以上120分以下の範囲内に設定されている。
次いで、回路層12の一方の面に、はんだ材を介して半導体素子3を積層し、加熱炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、図1に示すパワーモジュール1が製造される。
また、本実施形態では、セラミックス基板と金属片とを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、固相拡散接合によって接合してもよいし、過渡液相接合法(TLP)によって接合してもよい。また、接合界面を半溶融状態として接合してもよい。
さらに、本実施形態では、ヒートシンクをアルミニウムから成るものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅等で構成されていてもよいし、内部に冷却媒体が流通される流路を備えたものであってもよい。
なお、表1において、「Al」は、純度99mass%の純アルミニウムからなるアルミニウム片、「Cu」は、無酸素銅からなる銅片とした。また、ろう材ペーストは、アルミニウム片の場合にはAl-7.5mass%Si合金からなるろう材ペースト(塗布厚さ0.02mm)を、銅片の場合には90mass%Ag-10mass%Ti合金からなるろう材ペースト(塗布厚さ0.02mm)を用いた。
そして、仮止めしたセラミックス基板と金属片を積層方向に加圧した状態で、表1に示す条件で加熱し、セラミックス基板と金属片とを接合した。
比較例2では、ポリメタクリル酸メチル樹脂とテルピネオールからなる溶剤とからなる仮止め材を用いて、セラミックス基板と金属片とを仮止めした。
仮止め後のサンプルを横に約30mm/sの速度で振って積層物にずれが生じるか否かを目視により評価した。横ずれが認められなかったものを「○」、横ずれが生じていたものを「×」とした。
耐電圧試験機(菊水電子工業株式会社製TOS5050)を用いて、カットオフ値を0.5mAに設定した。接合後の絶縁回路基板のそれぞれの回路パターンにそれぞれ電極を当てて2kVの電圧を印加し、カットオフ値以上の電流が流れたものを「×」と評価し、カットオフ値未満の電流が流れたものを「○」と評価した。
アクリル系樹脂であるポリメタクリル酸メチルと溶剤であるテルピネオールとを含有する仮止め材を塗布し、この仮止め材の粘着力によって仮止めした比較例2においては、横ずれが確認されており、十分に仮止めすることができなかった。不十分であった。
3 半導体素子
10 絶縁回路基板
11 セラミックス基板(セラミックス部材)
12 回路層
13 金属層
22,23 金属片(金属部材)
Claims (4)
- 金属部材とセラミックス部材とを仮止めする金属部材の仮止め方法であって、
前記金属部材と前記セラミックス部材との間に金属Gaを配設する金属Ga配設工程と、
前記金属Gaを介して前記金属部材と前記セラミックス部材とを積層した積層体を得る積層工程と、
前記積層体を加熱して前記金属部材と前記セラミックス部材の間に介在する前記金属Gaを35℃以上100℃以下に加熱することで溶融してGa液相を形成する金属Ga溶融工程と、
前記積層体を冷却して前記金属部材と前記セラミックス部材の間の前記Ga液相を凝固させる凝固工程と、
を備えていることを特徴とする金属部材の仮止め方法。 - 前記金属Ga配設工程において、Gaを1mg/cm2以上200mg/cm2以下の範囲内で含む前記金属Gaを配設することを特徴とする請求項1に記載の金属部材の仮止め方法。
- 金属部材とセラミックス部材が接合された接合体の製造方法であって、
前記金属部材と前記セラミックス部材とを、請求項1または請求項2に記載の金属部材の仮止め方法によって仮止めする仮止め工程と、
仮止めした前記金属部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧して加熱し、前記金属部材と前記セラミックス部材とを接合する接合工程と、
を備えていることを特徴とする接合体の製造方法。 - セラミックス基板と、このセラミックス基板の少なくとも片方の面に接合された金属片と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、
前記金属片と前記セラミックス基板とを、請求項1または請求項2に記載の金属部材の仮止め方法によって仮止めする仮止め工程と、
仮止めした前記金属片と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧して加熱し、前記金属片と前記セラミックス基板とを接合する接合工程と、
を備えていることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
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