TW201626510A - 電源模組用基板之製造方法 - Google Patents

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Abstract

以不會損及金屬板和陶瓷基板之接合性，抑制焊斑之產生，並提高半導體晶片之焊接合性為目的，為一種將藉由金屬素板之沖壓加工而被進行沖壓成形的金屬板疊層在陶瓷基板之一方之表面且藉由焊接進行接合的電源模組用基板之製造方法，其中，將上述金屬板之毛邊的高度設為0.021mm以下，將斷裂面之厚度設為0.068mm以上，且以產生上述毛邊之一側的表面重疊在陶瓷基板之一方之表面上之方式，將上述金屬板疊層在上述陶瓷基板上並予以焊接。

Description

電源模組用基板之製造方法
本發明係關於被用於控制大電流、高電壓之半導體裝置的電源模組用基板之製造方法。
本案根據於2014年8月5日提出申請之日本特願2014-159337號主張優先權，其內容援用於此。
車載用電源模組使用在以氮化鋁為首的陶瓷基板上疊層金屬板的電源模組用基板。該金屬板被疊層在陶瓷基板之兩面，其一方成為電路層，另一方成為散熱層。一般電路層使用銅板或鋁板，散熱層使用鋁板。
例如，在專利文獻1及專利文獻2揭示著在陶瓷基板之一方之表面接合銅板，在另一方之表面接合鋁板的電路基板。此時，陶瓷基板和銅板藉由使用Ag-Cu-Ti系之活性金屬的硬焊材被接合，陶瓷基板和鋁板藉由Al-Si硬焊材被接合。
該電源模組用基板被製造成下述般。首先，在陶瓷基板之一方之表面上隔著適合陶瓷和銅板之接合的Ag-Cu-Ti等之活性金屬硬焊材而疊層銅板，一面以特定 之壓力加壓，一面加熱至硬焊材溶融之溫度以上，依此接合陶瓷基板和銅板。接著，在陶瓷基板之另一方之表面上隔著適合陶瓷和鋁板之接合的Al-Si系硬焊材而疊層鋁板，一面以特定之壓力加壓，一面加熱至硬焊材溶解之溫度以上，依此接合陶瓷基板和鋁板。
如此之電源模組用基板係在銅板上隔著硬焊材搭載電源元件之半導體晶片。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開2003-197826號公報
專利文獻2：日本特開2013-229579號公報
在如此之電源模組用基板中，用於銅板和陶瓷基板之接合的活性金屬硬焊材係以糊膏之形態被供給，藉由該焊膏和銅之母材使產生Ag-Cu溶焊。該溶焊從銅板和陶瓷基板之間滲出沿著銅板之側面而產生爬行的現象。在表面爬行之溶焊成為所謂的焊班，不僅有損外觀，也擔心會牽連接合半導晶片之時所使用之焊接材料之濕潤性的惡化。於電路層使用鋁板之時也相同有溶焊爬行所致的焊斑之問題。當欲抑制此焊斑產生時，有損及接合性之虞。
本發明係鑒於如此之情形而創作出，以不會損及金屬板和陶瓷基板之接合性，抑制焊班產生，提高半導體晶片之焊接接合性為目的。
當以沖壓對金屬板進行沖壓製作時，由於沖壓模具之餘隙產生毛邊。可知當該毛邊以特定高度產生時，則有抑制焊班產生之效果。此時，在側面中產生毛邊之一側成為表面粗度大的斷裂面。因此，可想像由於使該斷裂面接近陶瓷基板，使得溶焊難以在金屬板爬行。再者，可想像由於毛邊使得金屬板之邊緣強壓於陶瓷基板，也抑制溶焊從接合面朝外部流出。發現藉由適當地設定該些毛邊之高度和斷裂面之厚度，不會損及接合性而可以抑制焊班。
即是，本發明之電源模組用基板之製造方法係將藉由金屬素板之沖壓加工而被進行沖壓成形的金屬板疊層在陶瓷基板之一方之表面且藉由焊接進行接合的電源模組用基板之製造方法，其中，將上述金屬板之上述沖壓成形所致的毛邊高度設為0.021mm以下，並且將斷裂面之厚度設為0.068mm以上，以產生上述毛邊之一側的表面(毛邊面)重疊在上述陶瓷基板之一方之表面上之方式，進行疊層並予以焊接。
此時，當毛邊之高度超過0.021mm時，高度之偏差變大有溶焊之一部分流出之虞，並且有由於接合時 之加壓力無全面性作用而損及接合性之虞。再者，藉由金屬板之側面之斷裂面之厚度(沖壓方向之尺寸)被形成0.068mm以上，即使溶焊突出一些，由於斷裂面之表面粗度大使得爬行被阻礙。當斷裂面之厚度未滿0.068mm時，難以抑制焊斑產生。
毛邊之高度為測量金屬板之周邊之複數處而取得的最大值，斷裂面之厚度為測量金屬板之側面之複數處而取得之最小值。並且，將粗度曲線要素之平均高度Rc為5μm以上之部分設為斷裂面。
本發明之電源模組用基板之製造方法中，於藉由沖壓加工從金屬素板對上述金屬板進行沖壓成形之時，將被沖壓的上述金屬板推回至沖壓後之上述金屬素板的沖孔內後，從上述沖孔沖壓上述金屬板即可。
或是，即使藉由上述沖壓加工，於從上述金屬素板對上述金屬板進行沖壓成形之時，從對上述金屬素板進行半沖壓的狀態進行推回之後，從上述金屬素板沖壓上述金屬板亦可。
藉由所謂的推回成形金屬板，比起藉由在一方向沖壓而成形金屬板之情形，可以適當地控制毛邊及斷裂面之大小。因此，藉由適當地設定半沖壓工程或推回，可容易控制毛邊之高度為0.021mm以下，斷裂面之厚度為0.068mm以上。
此時，推回係於完全沖壓金屬板之後，即使厚度之全體嵌合在沖孔亦可，即使厚度之一部分嵌合亦 可。再者，即使使成為沖壓至金屬素板之厚度之一半程度的半沖壓狀態而將此推回亦可。
上述金屬板可以適用銅板或鋁板中之任一者。
於金屬板使用銅板之時，藉由Ag-Ti、Ag-Cu-Ti等之活性金屬硬焊材被接合於陶瓷基板。於金屬板使用鋁板之時，藉由Al-Si系等之硬焊材被接合。
若藉由本發明時，不會損及金屬板及陶瓷基板之接合性，能抑制溶焊在金屬板之側面爬行之現象，並抑制焊斑之產生，也提升被搭載在金屬板上之半導體晶片之焊接接合性。
10‧‧‧電源模組用基板
11‧‧‧陶瓷基板
12‧‧‧銅板(金屬板)
13‧‧‧鋁板(金屬板)
14‧‧‧半導體晶片
15‧‧‧散熱板
40‧‧‧疊層體
30‧‧‧緩衝片
50‧‧‧金屬板
51‧‧‧金屬素板
52‧‧‧沖孔
55‧‧‧塌邊面
56‧‧‧毛邊
57‧‧‧剪斷面
58‧‧‧斷裂面
59‧‧‧硬焊材層
61‧‧‧成形孔
62‧‧‧壓模
63‧‧‧衝頭
64‧‧‧推回模
65‧‧‧板按壓器
110‧‧‧加壓機具
111‧‧‧基底板
112‧‧‧導柱
113‧‧‧固定板
114‧‧‧推壓板
115‧‧‧彈推手段
圖1為本發明之一實施形態之電源模組用基板之側面圖。
圖2為以(a)至(c)之順序表示金屬板之成形工程之一部分的剖面圖。
圖3為示意性表示將金屬板接合於陶瓷基板之時的重疊狀態之剖面圖。
圖4為表示在本發明之製造方法中所使用之加壓機具的側面圖。
以下，針對本發明之實施形態，一面參照圖面一面進行說明。
電源模組用基板10如圖1所示般，在陶瓷基板11之一方之表面，於厚度方向疊層將成為電路層之銅板(金屬板)12，在陶瓷基板11之另一方之表面，於厚度方向疊層將成為散熱層之鋁板(金屬板)13，藉由硬焊材接合該些。在銅板12之表面藉由焊接搭載半導體晶片14，在鋁板13接合散熱板15。
陶瓷基板11藉由氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al2O3)、氮化矽(Si3N4)等，形成例如0.25mm~1.0mm之厚度。再者，銅板12係藉由無氧銅或精銅等之純銅或銅合金所形成，鋁板13系藉由純度99.00%以上之純鋁或鋁合金所形成。該些銅板12及鋁板13之厚度被設成例如0.1mm~10mm。
作為本實施形態之電源模組用基板10之較佳組合的例，例如陶瓷基板11係由厚度0.635mm之AlN、銅板12由厚度0.3mm之純銅板，鋁板13由厚度1.6mm之4N-鋁板所構成。
陶瓷基板11和銅板12之接合使用Ag-Ti系或Ag-Cu-Ti系之活性金屬硬焊材，例如Ag-27.4質量百分比Cu-2.0質量百分比Ti的硬焊材，陶瓷基板11和鋁板13之接合使用Al-Si系或Al-Ge系之硬焊材。
以下，針對接合該些陶瓷基板11、銅板12及鋁板13而製造電源模組用基板10之方法進行說明。
[金屬板成形工程]
銅板12及鋁板13係藉由沖壓加工而被沖壓成形。因任一者皆為相同的方法，故在該成形工程中，將銅板12及鋁板13當作金屬板50進行說明。
準備形成能形成金屬板50之大小的線圈狀之金屬素板51，並從線圈送出其金屬素板51一面間歇性地搬送，一面送入沖壓機。沖壓機如圖2(a)所示般，設置具有用以將金屬素板51成形金屬板50之外形的成形孔61的鑄模62及衝頭63，和嵌合在鑄模62之成形孔61內的推回模64。在該圖2中，符號65表示在鑄模62之表面按壓金屬素板的板按壓器。
而且，圖2(a)所示般，當在鑄模62和衝頭63之間被送入金屬素板51時，衝頭63下降，一面壓下鑄模62之成形孔61內之推回模64，一面將金屬素板51如圖2(b)所示般，在鑄模62之成形孔61之內周緣之間進行沖壓。沖壓後，以追隨著衝頭63之上升之方式，推回模64上升，如圖2(c)所示般，將被沖壓之金屬板50推回原來金屬素板51之沖孔52內(將形成有該沖孔52之後的金屬素板51稱為骨架)。此時，如圖2(c)箭號所示般，被沖壓之金屬板50被推往與沖壓方向相反之方向，產生金屬素板(骨架)51之沖孔52之內周面和被沖壓之金屬板50之外 周面摩擦所致之修整作用。依此，藉由沖壓產生在金屬板50之外周緣的毛邊被沖孔52之內周面去除，刪減。
被推回金屬素板(骨架)51之沖孔52的金屬板50之後從沖孔52被抽出。
如此一來，藉由對金屬板50進行沖壓加工，金屬板50之一方之表面的周緣部成為塌邊面55，在另一方之表面的周緣產生毛邊56。再者，在側面，塌邊面55側成為表面粗度小的剪斷面57，產生毛邊56之側成為表面粗度大的斷裂面58。而且，在該金屬板50中，在金屬板50之周緣之複數處測量所取得之毛邊56之高度被設為0.021mm以下，斷裂面58之厚度(沖壓方向之尺寸)被設為0.068mm以上。
並且，於從金屬素板51沖壓金屬板50之時，即使如圖2(b)所示般，將衝頭63之前端插入至鑄模62之成形孔61內而使衝頭63下降至金屬板50完全從金屬素板51離開亦可，即使在衝頭63之前端不到達鑄模62之成形孔61之開口端的階段(半沖壓狀態)下，停止衝頭63之下降，且藉由衝頭63咬入金屬素板51之板厚大部分，亦可從金屬素板51斷裂金屬板50，即使在其狀態下推回亦可。
[銅板接合工程]
將藉由上述金屬板成形工程所製作出之金屬板50中之銅板12隔著由糊膏或箔所構成之活性金屬硬焊材而疊 層在陶瓷基板11之一方之表面。此時，在金屬板成形工程中，將產生毛邊56之側的表面重疊在陶瓷基板11之表面。圖3係示意性表示將上述金屬板50疊層在陶瓷基板11之狀態。將產生金屬板50之毛邊56的表面重疊在陶瓷基板11之硬焊材層59，形成陶瓷基板11、硬焊層59及銅板12之疊層體40。
而且，將複數疊層體40分別夾在由碳石墨等所構成之板狀緩衝片30之間而重疊，成為藉由圖4所示之加壓機具110在疊層方向以例如0.05MPa~1.0MPa進行加壓的狀態。
該加壓機具110具備基底板111、垂直地被安裝在基底板111之上面之四角落的導柱112、被固定在該些導柱112之上端部的固定板113、在該些基底板111和固定板113之間上下移動自如地被支撐在導柱112之推壓板114、被設置在固定板113和推壓板114之間而將推壓板114彈推至下方的彈簧等之彈推手段115，在基底板111和推壓板114之間配設上述疊層體40。
而且，在藉由該加壓機具110加壓疊層體40之狀態下，連同加壓機具110設置在加熱爐(省略圖示)內，藉由在真空氛圍中以800℃以上930℃以下之溫度加熱1分鐘~60分鐘，對陶瓷基板11和銅板12進行焊接。
陶瓷基板11和銅板12之焊接為使用活性金屬硬焊材的接合，為硬焊材中之活性金屬的Ti優先擴散 至陶瓷基板11而形成TiN，經Ag-Cu合金接合銅板12和陶瓷基板11。
[鋁板接合工程]
於因應所需藉由酸洗等洗淨接合銅板12之後的陶瓷基板11之與銅板接合面相反面之後，在其表面隔著硬焊材之狀態下，疊層藉由上述金屬板成形工程所製作出之鋁板13。將接合銅板12之陶瓷基板11、硬焊材及鋁板13之疊層體分別夾在複數的上述緩衝片30之間而重疊，藉由加壓機具110以例如0.3MPa~1.0MPa在疊層方向加壓。此時，在陶瓷基板11也重疊鋁板13(金屬板50)之產生毛邊56之側的表面。
而且，在藉由該加壓機具110加壓疊層體之狀態下，連同加壓機具110設置在加熱爐(省略圖示)內，藉由在真空氛圍中以630℃以上650℃以下之溫度加熱1分鐘~60分鐘，對陶瓷基板11和銅板13進行焊接。
因如此所製造出的電源模組用基板10係產生毛邊56之面朝向陶瓷基板11而接合銅板12及鋁板13，故在分別的接合工程中，毛邊56之部分被強力推壓，由於毛邊56阻礙於接合材的硬焊材溶融時從接合界面流出至外部，並且即使一部分之溶焊流出至外部，因配置成從銅板12及鋁板13之金屬素板51切斷時之斷裂面58分別與陶瓷基板11之表面接觸，故抑制溶焊在該斷裂面58爬行。因此，可以防止在與銅板12及鋁板13之接合面相反 側之表面產生焊斑之情形。
因此，尤其由於成為電路層之銅板12之表面的焊斑被抑制，故可以提升被搭載在其上方之半導體晶片14之焊接接合性。並且，因將毛邊56之高度抑制至0.021mm以下，故也不會損及銅板12及鋁板13和陶瓷基板11之間的接合性。
實施例
接著，針對為了本發明之效果而進行的確認實驗進行說明。
作為陶瓷基板使用30mm×30mm之矩形狀且厚度0.635mm之氮化鋁板，作為藉由金屬素板(無氧銅板)之沖壓加工而被沖壓成型之金屬板(銅板)使用27mm×27mm之矩形狀且厚度0.3mm之銅板。針對銅板，如表1所示般，製作沖壓至半沖壓之後進行推回的試料，以及不進行推回藉由一次沖壓而沖壓出的試料。在表1表示各實施例、比較例中之推回之半沖壓量(衝頭對金屬素板的推入量)。
觀察沖壓後之銅板之側面形狀，利用雷射顯微鏡側量斷裂面之最小厚度，針對各實施例、比較例從5個試料算出平均值。再者，觀察銅板之表面，以雷射顯微鏡測量最大毛邊高度，從各5個試料算出平均值。
而且，在氮化鋁板之表面形成由Ag-8.8質量百分比Ti所構成之硬焊材層。硬焊材相對於銅板，形成 全周圍大0.2mm左右。將銅板產生毛邊之側重疊在氮化鋁板之硬焊層之表面而疊層該些構件，以1kgf/cm2(大約0.1MPa)之壓力進行加壓之狀態下，在830℃下保持30分鐘。
在此，焊斑係從接合界面沿著側面而在銅板之表面上潛行而形成的Ag-Cu溶融液相凝固者，因厚度未滿5μm，故無法當作表面上之凹凸來測量。因此，從可以肉眼掌握的銅板之邊緣將寬度1mm以上之斑當作焊斑而進行計數，若其產生率為0%時，認定為良好，就算焊斑只有一點也認定為不良。
再者，針對銅板和陶瓷之接合性，藉由超音波畫像測量機，觀察銅板和陶瓷板之接合界面，測量接合界面中之孔隙(空孔)之面積，將空隙對應接合之面積(銅板之面積)的合計面積當作孔隙率而算出，將孔隙率未滿2%者認定為良好，將超過2%者認定為不良品。
將結果表示在表1。
從表1明顯可知當銅板之毛邊之高度為0.021 mm以下時，接合性良好，當斷裂面之厚度為0.068mm以上時，焊斑之產生被抑制。
並且，本發明之並不限定於上述實施形態之構成，細部構成只要在不脫離本發明之主旨的範圍，亦可以作各種變更。
在上述實施形態中，雖然將電路層設為銅板，散熱層設為鋁板，但是並不限定於該組合。也可以將電路層及散熱層設為同種之金屬板，例如鋁板。此時，可以一次接合工程對陶瓷基板之兩面接合金屬板。
產業上之利用可行性
不會損及金屬板和陶瓷基板之接合性，抑制焊斑之產生，且提高半導體晶片之焊接接合性。
11‧‧‧陶瓷基板
50‧‧‧金屬板
55‧‧‧塌邊面
56‧‧‧毛邊
57‧‧‧剪斷面
58‧‧‧斷裂面
59‧‧‧硬焊材層

Claims (4)

  1. 一種電源模組用基板之製造方法，將藉由金屬素板之沖壓加工而被進行沖壓成形的金屬板疊層在陶瓷基板之一方之表面且藉由焊接進行接合，該電源用基板之製造方法之特徵在於：將上述金屬板之上述沖壓成形所致的毛邊高度設為0.021mm以下，並且將斷裂面之厚度設為0.068mm以上，以產生上述毛邊之一側的表面重疊在上述陶瓷基板之一方之表面上之方式，進行疊層並予以焊接。
  2. 如請求項1所記載之電源模組用基板之製造方法，其中於藉由上述沖壓加工從上述金屬素板對上述金屬板進行沖壓成形之時，將被沖壓的上述金屬板推回至沖壓後之上述金屬素板的沖孔內後，從上述沖孔沖壓上述金屬板。
  3. 如請求項1所記載之電源模組用基板之製造方法，其中藉由上述沖壓加工，於從上述金屬素板對上述金屬板進行沖壓成形之時，從對上述金屬素板進行半沖壓的狀態進行推回之後，從上述金屬素板沖壓上述金屬板。
  4. 如請求項1所記載之電源模組用基板之製造方法，其中上述金屬板為銅板或鋁板。
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