(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の両面に金属層を接合材を介して積層した積層体を、高温下で加圧することにより接合してパワーモジュール用基板を製造するための装置であって、積層体の両面に配置される加圧板と、前記積層体の側方に配置された赤外線発生源とを具備するとともに、前記加圧板には、前記積層体に接触するカーボン層に赤外線導光層が積層されていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造装置。
【請求項２】
前記カーボン層は、前記金属層と接触して配置される部分に、その他の部分より薄い薄肉部が形成されてい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装置。
【請求項３】
前記赤外線導光層は、面方向に導光した赤外線の進行方向を厚さ方向に変換させて前記カーボン層に照射する方向変換面が設けられてい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装置。
【請求項４】
前記カーボン層は、前記金属層と接触して配置される部分に、その他の部分より薄い薄肉部が形成されており、前記赤外線導光層の方向変換面は、前記薄肉部に赤外線を照射するように設けられていることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用基板の製造装置。
【請求項５】
接合材を介在させてセラミックス基板と金属層とを積層した積層体と、カーボン層に赤外線導光層が積層された加圧板とを、前記カーボン層と前記金属層とを接触させて積層し、これらを厚さ方向に加圧した状態で外側方から赤外線により加熱することにより、前記セラミックス基板と前記金属層とを接合してパワーモジュール用基板を製造することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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の金属層が形成され、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。
また、特許文献１には、放熱層となる金属層を設けず、セラミックス基板に直接アルミニウム製のヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。
【０００３】
セラミックス基板に回路層又は放熱層となる金属層を積層状態に形成するパワーモジュール用基板の製造工程において、特許文献２に示されるように、セラミックス基板に金属層を積層した積層体とクッションシート（加圧板）とをその厚さ方向に交互に重ねて加圧しながら加熱することにより、セラミックス基板と金属層とをろう付けする方法が知られている。
クッションシートは、セラミックス基板と金属層との接合面に圧力を均等に作用させるために用いられ、グラファイト製クッション層の両面にカーボン製緻密層が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２０５３７２号公報
【特許文献２】特開２００８−１９２８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなパワーモジュール用基板の製造方法においては、接合時に、セラミックス基板の片面もしくは両面に金属層を積層してなる積層体を複数積み重ねた状態で、加熱炉に入れて加熱している。その加熱炉として一般には真空加熱炉を使用しているが、サイクルタイムが長くなり、生産効率が悪い。そのため、ランプ炉等により急加熱することが検討されているが、セラミックス基板と金属層との積層体が複数積層状態とされているため、各積層体の中央部に熱が伝わりにくく、面方向に温度分布の差が生じたまま接合すると、均一に接合することができない。このため、全ての積層体を面内均一に加熱状態とするまでに時間を要し、生産効率の向上には限界がある。
【０００６】
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、セラミックス基板と金属層とを短時間で接合することができるパワーモジュール用基板の製造装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のパワーモジュール用基板の製造装置は、セラミックス基板に金属層を接合材を介して積層した積層体を、高温下で加圧することにより接合してパワーモジュール用基板を製造するための装置であって、積層体の両面に配置される加圧板と、前記積層体の側方に配置された赤外線発生源とを具備するとともに、前記加圧板には、前記積層体に接触するカーボン層に赤外線導光層が積層されていること
を特徴とする。
【０００８】
赤外線発生源から発する赤外線は赤外線導光層により加圧板の内部まで導かれる間にカーボン層を加熱するので、カーボン層が外周部だけでなく中央部も加熱され、金属層が面内均一に加熱されるとともに、その熱が金属層とセラミックス基板との接合面に速やかに伝えられる。これにより、加熱時間を短縮することができ、セラミックス基板と金属層とを短時間で接合することができる。
【０００９】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造装置において、前記カーボン層は、前記金属層と接触して配置される部分に、その他の部分より薄い薄肉部が形成されているとよい。
金属層と接触して配置される部分のカーボン層が薄肉に形成されているので、この部分の金属層が迅速に加熱され、セラミックス基板と金属層とをより短時間で接合することができる。
【００１０】
そして、本発明のパワーモジュール用基板の製造装置において、前記赤外線導光層は、面方向に導光した赤外線の進行方向を厚さ方向に変換させて前記カーボン層に照射する方向変換面が設けられているとよい。
この場合、方向変換面で赤外線の進行方向が変換され、カーボン層を集中的に加熱することができ、金属層を速やかに加熱することができる。
【００１１】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造装置において、前記カーボン層は、前記金属層と接触して配置される部分に、その他の部分より薄い薄肉部が形成されており、前記赤外線導光層の方向変換面は、前記薄肉部に赤外線を照射するように設けられているとよい。
この場合、カーボン層の薄肉部を集中的に加熱することができるので、この部分に接触する金属層を効率的に加熱することができる。
【００１２】
さらに、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、接合材を介在させてセラミックス基板と金属層とを積層した積層体と、カーボン層に赤外線導光層が積層された加圧板とを、前記カーボン層と前記金属層とを接触させて積層し、これらを厚さ方向に加圧した状態で外側方から赤外線で加熱することにより、前記セラミックス基板と前記金属層とを接合してパワーモジュール用基板を製造することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、加圧板を介して金属層を速やかに加熱することができるので、セラミックス基板と金属層とを短時間で接合して、接合信頼性の高いパワーモジュール用基板を製造することができる
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態のパワーモジュールの全体構成を示す縦断面図である。
【図２】第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造装置を示す側面図である。
【図３】第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法を説明する側面図である。
【図４】第２実施形態の加圧板を示す断面図である。
【図５】第３実施形態のパワーモジュール用基板の製造装置を示す側面図である。
【図６】第３実施形態の加圧板を説明する断面図である。
【図７】他の実施形態の加圧板を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
図１は、この発明により製造されるパワーモジュール用基板３を適用したパワーモジュール１を示している。この図１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、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の裏面に接合されたヒートシンク５とから構成される。
【００１６】
パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の両面に金属層６，７が積層されており、その一方の金属層６が回路層となり、その表面に電子部品４が接合される。また、他方の金属層７は放熱層とされ、その表面にヒートシンク５が取り付けられる。
【００１７】
セラミックス基板２は、例えば、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、その厚さは例えば０．６３５ｍｍとされる。
金属層６，７は、いずれも純度９９．９０質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１Ｎ９０（純度９９．９０質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。
このパワーモジュール用基板３は、放熱層となる金属層７に緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属層６よりも肉厚に形成されたものを用いている。
【００１８】
本実施形態のパワーモジュール用基板３においては、例えば、回路層となる金属層６の厚さは０．６ｍｍとされ、放熱層となる金属層７の厚さが１．５ｍｍとされている。
これら金属層６，７は、プレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板２に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板２に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。
【００１９】
セラミックス基板２と回路層及び放熱層となる金属層６，７とは、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材によりろう付けされている。
【００２０】
なお、金属層６と電子部品４との接合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｚｎ−Ａｌ系もしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。図中符号８がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と金属層６の端子部との間は、アルミニウム等からなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。
【００２１】
一方、ヒートシンク５は、その形状等は特に限定されないが、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１６が形成されている。
放熱層となる金属層７とヒートシンク５との間の接合法としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金のろう材によるろう付け法や、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材にフラックスを用いたノコロックろう付け法、金属層およびヒートシンクにＮｉめっきを施し、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−ＡｌもしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によりはんだ付けする方法が用いられ、あるいは、シリコングリースによって密着させた状態でねじによって機械的に固定される。図１では、ろう付けした例を示している。
【００２２】
このパワーモジュール１に用いられているパワーモジュール用基板３の製造装置１００について、本発明に係る実施形態を説明する。
図２に示すように、第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造装置１００は、接合材であるろう材箔（図示略）を介してセラミックス基板２と金属層６，７とを積層してなる積層体３０の両面に配置される加圧板４０と、これら積層体３０と加圧板４０とを積み重ねた状態で、図に矢印で示すように厚さ方向に加圧する加圧装置１１０とを、ランプ炉内に備えた構成とされる。
【００２３】
加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に上下方向に沿って取り付けられたガイドポスト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１１５とを備えている。
固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されている。積層体３０および加圧板４０は、ベース板１１１と押圧板１１４との間に交互に積層されて、ばね１１５の付勢力によって積層体３０の厚さ方向（積層方向）に加圧される。なお、ばね１１５の付勢力による積層体３０に対する押圧力は、０．５×１０５〜５×１０５Ｐａである。
【００２４】
加圧板４０は、図３に示すように、カーボン層４１と赤外線導光層４２とをろう付けにより積層した状態に形成される。これらカーボン層４１と赤外線導光層４２とのろう付けには、積層体３０のろう付け時には溶融しない、積層体３０のろう材箔よりも高融点のろう材が用いられる。
【００２５】
カーボン層４１は、赤外線導光層４２との積層面の中央部にその他の部分より薄い薄肉部４１ａが形成されている。
そして、赤外線導光層４２のカーボン層４１との積層面は、カーボン層４１の薄肉部４１ａに合わせて中央部が突出して設けられ、両者の間に隙間が生じないように緊密接触状態とされる。赤外線導光層４２には、赤外線透過性を有するＳｉＯ２及びＡｌＮ等を用いることができる。ＡｌＮを用いる場合には、本来無色透明であるＡｌＮの含有量が９９質量％以上で、かつ真密度に対する相対密度が９５％以上とされる内部の気孔数が少ない透明度の高い窒化アルミニウム焼結層を用いることで良好な赤外線透過性を得ることができる。ＡｌＮの含有量が９９質量％未満かつ相対密度が９５％未満では、透明度が低く、所望の赤外線透過性が得られない。この赤外線導光層４２としては、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）の測定により４０％以上の赤外線透過率を有しているものが好ましい。
【００２６】
このように構成された加圧板４０と積層体３０とを、その積層方向に交互に重ねて加圧装置１１０に保持し、これらを厚さ方向（積層方向）に加圧した状態でランプ炉内に装入する。そして、この加圧状態で積層体３０の側方に配置されたハロゲンランプ（赤外線発生源）３２を照射して積層体３０を加熱することによりろう付けを行い、パワーモジュール用基板３を製造することができる。
【００２７】
この際、積層体３０の外周部は、図３の実線矢印で示すように、ハロゲンランプ３２からの輻射熱によって直接的に加熱される。また、上述したように、加圧板４０を構成する赤外線導光層４２は赤外線透過性を有しており、赤外線発生源であるハロゲンランプ３２の光を破線矢印で示すように透過させて、加圧板３０の中央部まで導く間にカーボン層４１を加熱する。さらに、カーボン層４１の中央部には薄肉部４１ａが形成されており、この薄肉部４１ａが速やかに加熱されるため、この部分に接触して積み重ねられた各積層体３０の金属層６，７が迅速に加熱される。これにより、積層体３０の外周部から中央部に至るまで短時間で均一に加熱され、セラミックス基板２と金属層６，７とを短時間で均一に接合することができる。
【００２８】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態は、図４に示すように、加圧板４０Ａの赤外線導光層４２Ａに、方向変換面４３ａを形成して構成される。
方向変換面４３ａは、カーボン層４１の薄肉部４１ａに赤外線を照射するように設けられ、図４に示す例では、赤外線導光層４２Ａの背面に横断面直角三角形の溝部４３を形成することにより、その４５°の斜面が方向変換面４３ａとされたものであり、赤外線導光層４２Ａの面方向に導光した赤外線の進行方向を厚さ方向に変換させてカーボン層４１に照射するように形成されている。赤外線導光層４２Ａの外周部に照射された赤外線の多くは、実線矢印で示すように、赤外線導光層４２Ａ内を面方向に直進するが、方向変換面４３ａで厚さ方向に進行方向を変換されてカーボン層４１に照射される。これにより、赤外線発生源から遠くに配置されている積層体３０の中央部付近を集中的に加熱することができ、赤外線発生源に近く比較的加熱され易い積層体３０の外周部付近との温度差を小さくすることができるので、より均一に積層体全体を加熱することができる。
【００２９】
図５及び図６は、本発明の第３実施形態を示している。第３実施形態は、図６に示すように、二枚の加圧板４０Ａを、赤外線導光層４２Ａの背面同士を重ねた状態で各積層体３０の間に配置し、これら加圧板４０Ａと積層体３０とを複数積み重ねて、図５に示すように、加圧装置１１０に保持する。
図６に示すように、赤外線導光板４２Ａの外周部から導光される赤外線は、二枚重ねた加圧板４０Ａのそれぞれのカーボン層４１に照射され、これらカーボン層４１の両側に接触して設けられる金属層６，７を速やかに加熱する。これにより、一度に複数の積層体３０をろう付けしてパワーモジュール用基板を製造することが可能である。
その他の構成は、上述の実施形態のものと同じであり、共通部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、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。
上述の実施形態の加圧板においては、カーボン層に薄肉部を設けていたが、加圧板の構成は本実施形態に限定されることはなく、例えば図７に示すように、平板状のカーボン層４１Ｂと赤外線導光板４２Ｂとで加圧板４０Ｂを構成してもよい。この場合においても、赤外線導光層４２Ｂの面方向に赤外線を導光させて、この赤外線導光層４２Ｂに面する金属層６，７を加熱することができるので、積層体の内部を効果的に加熱することができる。
また、図４及び図６に示すように、加圧板の赤外線導光層に溝部４３設ける際には、その溝部４３の方向変換面４３ａに、反射率の高い金属等をめっきして反射膜を形成するようにしてもよい。また、赤外線導光層の外周部と中央部とで、屈折率の異なる材料を組み合わせることにより、その組合せ界面を方向変換面としてもよい。
【００３１】
さらに、上記実施形態では、金属層に純度９９．９０％以上のアルミニウムを用いたが、純度９９％以上のアルミニウム又はアルミニウム合金を用いてもよい。また、回路層及び放熱層となる金属層に同じ材質のものを用いたが、両金属層はこれに限定されるものではなく、回路層及び放熱層を別々の材質としてもよい。例えば、放熱層にアルミニウムを用い、回路層に銅を用いる構成とすることができる。
また、上記の実施形態においては、セラミックス基板の両面に回路層及び放熱層となる金属層を積層してパワーモジュール用基板を構成し、その放熱層にヒートシンクを取り付ける構成としていたが、放熱層を設けずにセラミックス基板の裏面に直接ヒートシンクをろう付け等により接合してパワーモジュール用基板を構成してもよい。
【００３２】
さらに、セラミックス基板と金属層とは、拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合してもよい。その接合方法について簡単に説明すると、金属層にスパッタリングによってＡｇを含有する固着層を形成した後、その固着層をセラミックス基板に接触させた状態で積層し、この積層体を加圧、加熱することにより、Ａｇが金属層に拡散して金属層の固着層近傍の融点を低下させ、セラミックス基板と金属層との界面に溶融金属層を形成する。さらに、拡散が進むと、溶融金属層のＡｇ濃度が低下して融点が上昇することにより凝固して、セラミックス基板と金属層とが接合される。
【符号の説明】
【００３３】
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  ヒートシンク
６，７  金属層
８  はんだ接合層
１６  流路
３０  積層体
３２  ハロゲンランプ（赤外線発生源）
４０，４０Ａ，４０Ｂ  加圧板
４１，４１Ｂ  カーボン層
４１ａ  薄肉部
４２，４２Ａ，４２Ｂ  赤外線導光層
４３  溝部
４３ａ  方向変換面
１１０  加圧装置
１１１  ベース板
１１２  ガイドポスト
１１３  固定板
１１４  押圧板
１１５  ばね
【図１】
0005569306.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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