JP2012004357A

JP2012004357A - パワーモジュール用基板の製造方法

Info

Publication number: JP2012004357A
Application number: JP2010138216A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Aoki; 慎介青木; Toshiyuki Nagase; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく、金属層とヒートシンクとを低コストで安定してろう付して、接合信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】セラミックス基板１１の両面にろう材を介して金属層１２、１３を重ね合わせ、加圧するとともに加熱して接合し、少なくともいずれか一方の前記金属層の側面に付着した余剰ろう材１５を除去した後、フラックス１６を用いたろう付法により、前記余剰ろう材を除去された前記金属層１３とヒートシンク１４とを接合するパワーモジュール用基板の製造方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、パワーモジュール用基板の製造方法に関する。

従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に回路層となるアルミニウム金属層が積層され、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となるアルミニウム金属層が形成され、この金属層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。

このようなパワーモジュールを製造する方法として、たとえば、特許文献１および特許文献２に記載された方法が知られている。この製造方法では、まずセラミックス基板の一方の面にＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を介して回路層となる金属層を積層し、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して放熱層となる金属層を積層して、これらを積層方向に加圧するとともに加熱し、セラミックス基板と回路層および放熱層とを接合する。次いで、放熱層のセラミックス基板が接合されている面とは反対側の面にろう材を介してヒートシンクの天板部を積層し、この積層方向に加圧するとともに加熱して、放熱層とヒートシンクとを接合することにより、パワーモジュール用基板が製造される。

従来、このような場合に用いられるろう付法として、フラックスを用いずに真空中で行われる真空ろう付法や、真空雰囲気を必要とせずにフラックスを用いるノコロックろう付法が知られている。ノコロックろう付法は、高価な設備が不要で、比較的容易に安定したろう付が可能であるので、金属層とヒートシンクとの接合に適用することが検討されている。

特開２００７−３１１５２７号公報特開２００２−００９２１２号公報

パワーモジュール用基板の製造過程において、セラミックス基板と放熱層とのろう付時に、接合に寄与しない余剰分のろう材が接合部から押し出され、放熱層の側面に付着する場合がある。このような状態で放熱層とヒートシンクとをノコロックろう付すると、フラックスの余剰分が放熱層の側面部を伝って、放熱層の側面部に付着したろう材と接触し、セラミックス基板と放熱層との接合部界面に引き込まれ、フラックスがセラミックス基板と放熱層との接合部に侵食することにより接合部にクラックが生じ、セラミックス基板と放熱層との剥離が生じやすくなるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく、金属層とヒートシンクとをフラックスを用いてろう付し、接合信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。

本発明は、セラミックス基板の両面にろう材を介して金属層を重ね合わせ、加圧するとともに加熱して接合し、少なくともいずれか一方の前記金属層の側面に付着した余剰ろう材を除去した後、フラックスを用いたろう付法により、前記余剰ろう材を除去された前記金属層とヒートシンクとを接合するパワーモジュール用基板の製造方法である。

ＡｌＮからなるセラミックス基板とアルミニウムまたはＡｌ合金からなる金属層とを接合するろう材には、Ｓｉが含まれている。このため、接合に寄与せずセラミックス基板および金属層の側面に付着した余剰ろう材はＳｉリッチ相であるＡｌＳｉの共晶となっている。一方、フラックスはＫＡｌＦ₄などを含み、酸化物相と反応して金属層やろう材の表面酸化物を除去するが、Ｓｉリッチ相と反応しやすいため、再溶融した余剰ろう材を侵食して金属層とセラミックス基板との接合界面を剥離させてしまう。

これに対して、本発明の製造方法によれば、フラックスと反応しやすいＳｉリッチ相すなわち余剰ろう材を除去してからフラックスろう付を行うので、フラックスが接合界面に引き込まれて剥離を生じさせるのを防止することができる。

この製造方法において、エッチングにより前記余剰ろう材を除去してもよい。回路層をエッチングして回路パターンを形成する場合には、回路パターン用のエッチング装置を流用することができる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく、金属層とヒートシンクとを低コストで安定してろう付して、接合信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することができる。

パワーモジュールを示す断面図である。本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法において、余剰ろう材を除去する前の状態を示す断面図である。本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法において、余剰ろう材を除去した後のろう付工程を示す断面図である。

以下、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。まず、パワーモジュール用基板１０から製造されたパワーモジュール１００を図１に示す。パワーモジュール１００は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０に形成された回路層２１に搭載された半導体チップ等の電子部品２０とから構成される。

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の両面に積層された金属層１２，１３と、金属層１３の裏面に接合されたヒートシンク１４とを備える。金属層１２は、所定の形状にエッチングされて回路層となる。回路層の上には、電子部品２０がはんだ付される。金属層１３は放熱層とされ、その表面にヒートシンク１４が取り付けられている。

セラミックス基板１１は、たとえばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ₃Ｎ₄（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成されている。このセラミックス基板１１は、たとえば厚さ０．６２５ｍｍ、一辺３０ｍｍの矩形状である。

金属層１２，１３は、いずれも純度９９．９ｗｔ％以上（ＪＩＳ規格で１Ｎ９０（純度９９．９ｗｔ％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）または１Ｎ９９（純度９９．９９ｗｔ％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム））のアルミニウムにより形成されている。これら金属層１２，１３は、たとえば、回路層となる金属層１２は厚さ０．６ｍｍ、放熱層となる金属層１３は厚さ１．６ｍｍ、いずれも一辺３０ｍｍの矩形状である。

ヒートシンク１４は、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、その長さ方向に沿って冷却水を流通させるための多数の流路１４ａが形成されている。ヒートシンク１４は、ろう付によって金属層１３に接合されている。

このパワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１の両面にろう材を介して金属層１２，１３を重ね合わせ、加圧するとともに加熱して接合し（第１ろう付工程）、金属層１３の側面１３ａに付着した余剰ろう材１５を除去した後（除去工程）、フラックス１６を用いたろう付法により、余剰ろう材１５を除去された金属層１３とヒートシンク１４とを接合する（第２ろう付工程）ことにより製造される。なお、ろう材はたとえば厚さ２０μｍのろう箔である。

より具体的には、まず第１ろう付工程において、Ａｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金ろう材を用いて、セラミックス基板１１と金属層１２，１３とをろう付する。この工程は真空、約６１０℃の雰囲気中で行われる。セラミックス基板１１と金属層１２，１３との間を確実に接合するために、十分な量のろう材を供給することが好ましい。このため、接合に寄与しない余剰ろう材１５が生じてセラミックス基板１１と金属層１２，１３との間から押し出され、金属層１３の側面１３ａに付着する場合がある。

すなわち、この第１ろう付工程において、セラミックス基板１１と金属層１２，１３との間で、ろう材は金属層１２，１３中に拡散する。しかしながら、接合に寄与しない余剰分のろう材は、金属層１２，１３中に拡散せずにセラミックス基板１１との間からはみ出して付着する。このため、この余剰ろう材１５は、ろう材に含まれるＳｉ成分を含有するＳｉリッチ相となっている。

次いで、除去工程において、金属層１３の側面１３ａに付着した余剰ろう材１５を除去する。具体的には、エッチングや切断加工により、図２に二点鎖線Ａで示すように、余剰ろう材１５を金属層１３の外周端部とともに除去する。

たとえばエッチングの場合、両金属層１２，１３の表面にレジストマスクを形成し、塩化第二鉄液（ＦｅＣｌ３濃度４４％以上、ＦｅＣｌ２濃度０．１３％以下、ＨＣＬ（遊離酸）濃度０．１５％以下、比重（ボーメ度）４７±２°）を、温度５５℃±１℃、処理時間３分〜２０分の条件下で各金属層１２，１３の表面に吹き付けてエッチングを行い、回路を形成するとともに余剰ろう材１５を除去する。なお、このエッチング工程は、金属層１２をエッチングして回路パターンを形成する場合であれば、回路パターン形成用のエッチング装置を利用することができる。

そして、第２ろう付工程において、フラックスを用いて金属層１３とヒートシンク１４とをろう付する。より具体的には、たとえば、フッ化物系（ＫＡｌＦ₄，Ｋ₂ＡｌＦ₄，Ｋ₃ＡｌＦ₆等）のフラックスをろう材面に塗布してろう材面の酸化物を除去し、非酸化性雰囲気中で加熱して接合する（ノコロックろう付法）。このとき、余剰分のフラックス１６が金属層１３とヒートシンク１４との間から流れ出し、金属層１３の側面１３ａの表面に付着する（図３参照）。

第２ろう付工程において、Ｓｉリッチ相すなわち余剰ろう材１５が側面１３ａに付着していた場合、余剰ろう材１５が再溶融すると、フラックス１６が余剰ろう材１５中のＳｉや酸化物と反応して金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面に引き込まれ、この接合部に剥離を生じさせるおそれがある。しかしながら、この製造方法においては、第２ろう付工程の前に余剰ろう材１５を側面１３ａから除去してあるので、Ｓｉリッチ相を通じてフラックスが接合界面に引き込まれるのを防止できる。したがって、すでにろう付されたセラミックス基板１１と金属層１３とを剥離させることなく、金属層１３とヒートシンク１４とをろう付することができる。

以上説明したように、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法によれば、接合面にフラックスを引き込む原因となる余剰ろう材を除去した後にフラックスを用いてろう付を行うので、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく、金属層とヒートシンクとを低コストで安定してろう付して、接合信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することができる。

特に、この実施形態では、エッチングにより回路の形成と同時に余剰ろう材１５を除去したので、金属層１２，１３およびセラミックス基板１１の側面にもろう材や金属酸化物が付着していない状態で、金属層１３とヒートシンク１４とをろう付することができる。このろう付時にフラックスが蒸気となって、金属層１３だけでなくセラミックス基板１１や金属層１２にもフラックスが付着する場合があるが、フラックスと反応する余剰ろう材（Ｓｉリッチ相や金属酸化物）が付着していないので、フラックスが接合界面に入り込むことによる接合部分の剥離を効果的に防止できる。

また、フラックスは金属酸化物と反応しやすいため、Ａｌ−Ｓｉと比較してＳｉ成分が少ないろう材（Ａｌ−Ｇｅ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｎ系合金等）を用いた場合であっても、余剰ろう材中の金属酸化物とフラックスとが反応し、接合界面にフラックスが入り込んで剥離が生じるおそれがある。これに対して、フラックスと反応しやすい余剰ろう材を除去しておけば、ヒートシンクをろう付する際にセラミックス基板と金属層との接合面にフラックスが引き込まれるのを防止できるので、剥離を生じさせずにヒートシンクをろう付することができる。

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１０パワーモジュール用基板
１１セラミックス基板
１２，１３金属層
１３ａ側面
１４ヒートシンク
１５余剰ろう材
１６フラックス

Claims

セラミックス基板の両面にろう材を介して金属層を重ね合わせ、加圧するとともに加熱して接合し、
少なくともいずれか一方の前記金属層の側面に付着した余剰ろう材を除去した後、フラックスを用いたろう付法により、前記余剰ろう材を除去された前記金属層とヒートシンクとを接合することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
エッチングにより前記余剰ろう材を除去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製造方法。