JP5062061B2

JP5062061B2 - パワーモジュール用基板の製造方法

Info

Publication number: JP5062061B2
Application number: JP2008170448A
Authority: JP
Inventors: 慎介青木; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP2010010562A

Description

本発明は、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の製造方法に関する。

一般に、半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、このパワーモジュール用基板としては、例えば特許文献１に示されるように、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等からなるセラミックス基板上にアルミニウム板等の金属板をＡｌ−Ｓｉ系等のろう材料を介して接合させたものが用いられている。この金属板は、後工程のエッチング処理によって所望パターンの回路が形成されて回路層となる。そして、エッチング後は、この回路層の表面にはんだ材を介して電子部品（半導体チップ等のパワー素子）が搭載され、パワーモジュールとなるのである。
一方、この種のパワーモジュールは、回路層とは反対側の面が放熱のために冷却器に取り付けられるが、その場合に、セラミックス基板に放熱用金属板を接合し、該放熱用金属板を冷却器に接合するようにしている。また、特許文献２記載のパワーモジュールでは、放熱用金属板をセラミックス基板と熱膨張率の近似した材料からなる緩衝層を介在させて冷却器に接合することにより、熱歪みの発生を防止するようにしている。
特開２００４−３５６５０２号公報特開２００７−２７３７０６号公報

ところで、近年、構造簡略化等の要請に伴い、緩衝層や放熱用金属板を使わずにセラミックス基板を冷却器に直接接触させることが検討されており、パワーモジュールとしては過酷な環境（熱サイクル）への適用が要求されてきている。
しかしながら、通常のハンドリングではセラミックス基板の表面にわずかなすり傷が発生し易く、セラミックス基板への熱サイクル環境が厳しくなると、その傷が起点となってセラミックス基板の割れにつながるという懸念が生じてきた。この場合、セラミックス基板の表面を再研磨することも考えられるが、再研磨により、いわゆるマイクロクラックが発生して、新たな割れの原因となるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、過酷な熱サイクル環境の下でも割れ等の発生のないパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。

従来のセラミックス基板は、合紙を介在させた状態で複数枚積み重ねられ、その積み重ね状態で搬送される。また、このセラミックス基板の表面に金属板をろう付けする際には、積み重ね状態のセラミックス基板を１枚ずつ取り出しながら、合紙を外して表面の傷を検査するが、このときに表面のすり傷が発見されることが多い。このすり傷は、搬送中の振動等によってセラミックス基板の表面が擦られることにより生じるものと考えられる。本発明者は、このすり傷をなくせば、セラミックス基板の割れの問題が解消すると考え、以下の解決手段を採用した。

すなわち、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の両面に有機物樹脂をコーティングして樹脂コーティング層を形成するとともに、その樹脂コーティング層の上にろう材箔を貼付したパワーモジュール用絶縁基板とした状態で搬送し、前記パワーモジュール用絶縁基板の前記ろう材箔に金属板を積層し、積層方向に加圧した状態で加熱して、前記金属板を前記セラミックス基板にろう付けすることを特徴とする。
このパワーモジュール用絶縁基板は、両面に貼付されたろう材箔によってセラミックス基板の表面が覆われた状態となっている。しかも、これらろう材箔は、樹脂コーティング層によってセラミックス基板の表面に仮止めされており、搬送中の振動等によって動くことはない。

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記パワーモジュール用絶縁基板を複数組積み重ね、この積み重ね状態で搬送し、前記積み重ね状態の中から前記パワーモジュール用絶縁基板を取り出して、その両面の前記ろう材箔に前記金属板を積層して、積層方向に加圧した状態で加熱することにより、前記金属板を前記セラミックス基板にろう付けするようにしてもよい。
このパワーモジュール用絶縁基板は、両面にろう材箔が貼付されているので、これを積み重ね状態とする場合、ろう材箔どうしが接触することになり、セラミックス基板どうしが直接接触することはない。したがって、搬送中に振動等が生じたとしても、セラミックス基板表面が擦れることはなく、すり傷の発生を確実に防止することができる。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記有機物樹脂はオクタンジオールである構成としてもよい。
オクタンジオールは、可塑剤等として用いられているもので、常温で液体（融点−４０℃以下）であるので、コーティングし易く、また、沸点も２４４℃であり、その後のろう付け温度（例えば６４０℃）で完全に脱脂される。

本発明によれば、セラミックス基板の両面に有機物樹脂をコーティングしてろう材箔を貼付した状態としているから、セラミックス基板の表面がろう材箔により覆われるとともに、このろう材箔が樹脂コーティング層によって仮止めされて動かないので、セラミックス基板の表面にすり傷が発生することを防止することができる。したがって、このセラミックス基板を用いたパワーモジュール用基板は、過酷な熱サイクル条件でも割れ等が生じにくく、その上にろう付けされる回路層用金属板の密着性も向上し、絶縁基板としての信頼性を高めることができる。しかも、予めろう箔が設けられているから、そのろう付け作業性もよい。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
最初に、本発明に係るパワーモジュール用絶縁基板が用いられるパワーモジュールについて図１により説明しておくと、このパワーモジュール１は、セラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、該パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４と、パワーモジュール用基板３の裏面に接合される冷却器５とから構成されている。

パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の表面側に電子部品４を搭載するための回路層用金属板６が積層され、セラミックス基板２の裏面側に放熱層用金属板７が積層され、この放熱層用金属板７に冷却器５が取り付けられる構成である。
また、セラミックス基板２は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを母材として形成されている。回路層用金属板６は、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金により形成され、放熱層用金属板７は、純度９９．０ｗｔ％以上の純アルミニウムにより形成されている。

また、これらセラミックス基板２、回路層用金属板６、放熱層用金属板７の相互間はろう付けによって接合されており、これら両金属板６，７のうち、回路層用金属板６には、エッチング処理がされて所望の回路パターンが形成されている。また、この回路層用金属板６は、その表面に、ニッケルめっき等のめっき被膜８が形成されている。

そして、回路層用金属板６の上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によって電子部品４が接合される。図中符号９がそのはんだ接合層を示す。なお、電子部品４と回路層用金属板６の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。
一方、冷却器５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１０が形成されており、パワーモジュール用基板３との間はろう付け、はんだ付け、ボルト等によって接合される。

このように構成されるパワーモジュール１を製造する場合、セラミックス基板２については、その両面にろう材箔が貼付されたパワーモジュール用絶縁基板２１として提供される。
このパワーモジュール用絶縁基板２１は、図２に示すように、セラミックス基板２の両面に有機物樹脂がコーティングされ、その樹脂コーティング層２２の上にろう材箔２３が貼付された構成とされている。樹脂コーティング層２２の有機物樹脂としてはオクタンジオールが用いられる。また、ろう材箔２３としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等が用いられる。

このパワーモジュール用絶縁基板２１は、このようにしてセラミックス基板２の両面にろう材箔２３を貼付した状態で図３に示すように複数枚積み重ねられ、その積み重ね状態で搬送される。そして、ろう付け工程では、積み重ね状態の中から絶縁基板２１を１枚ずつ取り出して、図４に示すように、その両面のろう材箔２３に各金属板６，７を積層して一つのユニットとし、そのユニットを間にカーボン等を介在させた状態で複数ユニット積層した状態に組み立てる。この積層体（図示略）を熱処理炉の中に入れ、不活性ガス雰囲気、還元ガス雰囲気又は真空雰囲気において積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させることによって両金属板６．７をセラミックス基板２にろう付けする。

このようにしてろう付け処理がなされると、図５に示すように、セラミックス基板２の両面に金属板６，７が接合したパワーモジュール用基板３が製造される。
その後は、回路層用金属板６，７をエッチングして回路パターンを形成し、その上にめっき被膜８を形成した後、冷却器５への接合、電子部品４のはんだ付け、ワイヤボンディング等を経て、パワーモジュール１として完成する。

この一連の製造工程において、絶縁基板２１は、セラミックス基板２の両面に樹脂コーティング層２２を介してろう材箔２３が貼付され、このろう材箔２３によって表面が覆われた状態で取り扱われる。このため、この絶縁基板２１を積み重ねた状態で搬送する際にも、ろう材箔２３どうしが接触し、セラミックス基板２は他のセラミックス基板２には接触しない。したがって、この搬送中に振動等を受けたとしても、セラミックス基板２にすり傷等が発生することが拘束される。そして、この積み重ね状態の中から絶縁基板２１を１枚ずつ取り出して、両金属板６，７のろう付け作業を行う際にも、従来の合紙を挟んだ形態であると、合紙を剥がしてセラミックス基板の表面の傷発生状況を確認した後にろう付け作業を行う必要があったが、本実施形態の場合は、セラミックス基板２がろう材箔２３により覆われた状態で、すり傷の発生がないとともに、ろう材箔２３が既に貼付されているため、そのまま金属板６，７を積層してろう付け作業を行うことができ、作業性がよい。

また、このろう付け処理においては、熱処理炉内が例えば６４０℃の高温状態とされることから、樹脂コーティング層２２はその熱によってろう材箔２３の溶融前に揮発してしまい、セラミックス基板２の表面は脱脂されるので、ろう付けを阻害することはなく、金属板６，７を確実に密着させることができる。
そして、セラミックス基板２にすり傷が生じていないので、その後の過酷な熱サイクル環境下においても、割れ等の発生がなく、パワーモジュール用基板３としての健全性を長期に維持することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、前記実施形態では、セラミックス基板の両面に金属板をろう付け接合したが、回路層用金属板のみ接合し、反対面にはセラミックス基板に冷却器を直接ろう付けする構成としてもよい。また、樹脂コーティング層の有機物樹脂としてはオクタンジオールが好適であるが、ろう材箔を貼付した状態で仮止めすることができ、ろう付け時の熱によってろう材箔の溶融前に脱脂し得るものであれば、他の樹脂を適用してもよい。

本発明に係るパワーモジュール用絶縁基板を用いて製作されるパワーモジュールの全体構成例を示す縦断面図である。パワーモジュール用絶縁基板の一実施例を示す斜視図である。図２のパワーモジュール用絶縁基板を複数個積み重ねた状態を示す縦断面図である。図２のパワーモジュール用絶縁基板の両面に金属板を配置した状態を示す縦断面図である。図４に示す状態から金属板をろう付け接合してなるパワーモジュール用基板を示す縦断面図である。

符号の説明

１パワーモジュール
２セラミックス基板
３パワーモジュール用基板
４電子部品
５冷却器
６回路層用金属板
７放熱層用金属板
８めっき被膜
９はんだ接合層
１０流路
２１パワーモジュール用絶縁基板
２２樹脂コーティング層
２３ろう材箔

Claims

セラミックス基板の両面に有機物樹脂をコーティングして樹脂コーティング層を形成するとともに、その樹脂コーティング層の上にろう材箔を貼付したパワーモジュール用絶縁基板とした状態で搬送し、前記パワーモジュール用絶縁基板の前記ろう材箔に金属板を積層し、積層方向に加圧した状態で加熱して、前記金属板を前記セラミックス基板にろう付け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。
前記パワーモジュール用絶縁基板を複数組積み重ね、この積み重ね状態で搬送し、前記積み重ね状態の中から前記パワーモジュール用絶縁基板を取り出して、その両面の前記ろう材箔に前記金属板を積層して、積層方向に加圧した状態で加熱することにより、前記金属板を前記セラミックス基板にろう付けすることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
前記有機物樹脂はオクタンジオールであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。