(57)【要約】【課題】複数のパターン部をブリッジ部で連結状態とした金属板を用いて、パターン部の接合とブリッジ部の除去とを簡単かつ確実に行う。【解決手段】複数のパターン部１２ａ，１２ｂをブリッジ部１２ｃにより連結状態とした金属板１２´の裏面にろう材層を形成するとともに、ブリッジ部１２ｃをパターン部１２ａ，１２ｂの上面より低くなるように薄肉に形成する金属板形成工程と、金属板１２´をセラミックス基板１１に積層して、これらを加圧状態で加熱することにより、ろう材を溶融させて金属板１２´をセラミックス基板１１に接合する接合工程と、パターン部１２ｃにレジスト層を被覆した状態でエッチング処理することによりブリッジ部１２ｃを除去するエッチング工程とを備え、接合工程で溶融状態のろう材１７の一部をブリッジ部１２ｃとセラミックス基板１１との間からはみ出させブリッジ部１２ｃの表面に付着させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に回路層用金属板が接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と接合する面にろう材層が形成された前記回路層用金属板を、複数のパターン部がブリッジ部により連結され、前記ブリッジ部を前記パターン部の上面より低くなるように薄肉に形成する金属板形成工程と、前記回路層用金属板を前記ろう材層を介してセラミックス基板に積層して、これらを加圧状態で加熱することにより、前記ろう材を溶融させて前記回路層用金属板を前記セラミックス基板に接合する接合工程と、前記パターン部にレジスト層を被覆した状態でエッチング処理することにより前記ブリッジ部を除去するエッチング工程とを備え、前記接合工程において、前記回路層用金属板及びセラミックス基板を積層方向に加圧することによって、溶融状態のろう材の一部を前記ブリッジ部の表面の少なくとも一部に付着させ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。
【請求項２】
前記金属板形成工程では、前記回路層用金属板の裏面に前記ろう材層が仮止めされており、前記回路層用金属板と前記ろう材層とを同時に打ち抜き成形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。
【請求項３】
前記金属板形成工程では、前記回路層用金属板の外周部に、前記パターン部と同じ厚さの外枠部が周方向に沿って設けられるとともに、前記パターン部は前記外枠部に前記ブリッジを介して連結されていることを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【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方法に関する。
【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アルミニウム等からなる回路層が積層され、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アルミニウム等からなる放熱層が形成され、この放熱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。
この種のパワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の表面に金属層をろう付けにより接合している。
この場合、回路層の形成方法として、セラミックス基板に矩形状の金属板を接合した後、エッチングによりパターン化する方法と、予めパターン形状に打ち抜いた金属板をセラミックス基板に接合する方法とがある。
前者の方法では、エッチングに時間を要するとともに、パターンの周長内でエッチングのばらつきが生じるおそれがある。一方、後者の方法では、分離した複数のパターンにより回路層が形成される場合に、パターン間の位置ずれが生じ易い。
【０００３】
そこで、特許文献１〜３では、複数のパターンをブリッジにより部分的に連結状態とした金属板を打ち抜いておき、セラミックス基板に接合した後に、ブリッジを除去する方法が採用されている。
例えば、特許文献１では、ブリッジ部の厚さをパターン部の半分程度に薄くするとともに、パターン部との連結部分にクサビ部を形成しておき、金属板をセラミックス基板に接合した後に、パターン部を残してブリッジ部を剥ぎ取ることによりパターン部を分離している。
特許文献２では、ブリッジ部をセラミックス基板から浮かせておくか、セラミックス基板への接触部分に非酸化物系セラミックスを塗布してブリッジ部がセラミックス基板に付着しないようにしておき、接合後にブリッジ部を切断することが行われる。当該特許文献２には手で切断すると記載されている。
特許文献３では、ブリッジ部をパターン部より薄肉に形成した銅板を窒化アルミニウム基板に酸化銅膜を介して積層し、これらを１００ｐｐｍの酸素を含む窒素ガス雰囲気中で１０７２℃に加熱して共晶層を形成することにより接合するとともに、ブリッジ部を溶融流出させることによりパターン部を分離している。その後、エッチングにより酸化銅膜を完全に除去することが行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−２５７２９４号公報
【特許文献２】特開平２−２３０７９０号公報
【特許文献３】特開平４−２０６８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ブリッジ部を剥ぎ取る方法や手で切断する方法では、パターン部に損傷を生じ易い。また、特許文献３記載の方法は、極めて高温での処理が必要になるとともに、パターン部の接合とブリッジ部の溶融流出とを同時に制御することが難しい。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、複数のパターン部をブリッジ部で連結状態とした金属板を用いて、パターン部の接合とブリッジ部の除去とを簡単かつ確実に行うことができるパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。
【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方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層用金属板が接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と接合する面にろう材層が形成された前記回路層用金属板を、複数のパターン部がブリッジ部により連結され、前記ブリッジ部を前記パターン部の上面より低くなるように薄肉に形成する金属板形成工程と、前記金属板を前記ろう材層を介してセラミックス基板に積層して、これらを加圧状態で加熱することにより、前記ろう材を溶融させて前記回路層用金属板を前記セラミックス基板に接合する接合工程と、前記パターン部にレジスト層を被覆した状態でエッチング処理することにより前記ブリッジ部を除去するエッチング工程とを備え、前記接合工程において、前記回路層用金属板及びセラミックス基板を積層方向に加圧することによって、溶融状態のろう材の一部を前記ブリッジ部の表面の少なくとも一部に付着させることを特徴とする。
【０００８】
ブリッジ部をパターン部よりも薄肉に形成しておくことは前述の特許文献に示された先行技術と同様である。本発明では、このブリッジ部において、接合工程で溶融したろう材をはみ出させてブリッジ部の側面や上面等の表面に付着させるようにしている。これにより、ろう材成分の一部がブリッジ部内に拡散する。その後エッチング工程によりブリッジ部を除去することが行われるが、このとき、回路層用金属板母材よりもエッチングされ易いろう材がブリッジ部の表面に付着しているとともに、ブリッジ部内にろう材成分の一部が拡散しており、また、ブリッジ部が薄肉であることから、ブリッジを短時間で除去することができる。さらに、ブリッジ部をパターン部よりも薄肉に形成することで、加圧加熱時にブリッジ部が加圧されないことから、ブリッジ部がセラミックス基板とほとんど接合されず、より短時間でブリッジ部を除去することができる。
【０００９】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記金属板形成工程では、前記回路層用金属板の裏面に前記ろう材層を仮止めされており、前記回路層用金属板と前記ろう材層とを同時に打ち抜き成形するとよい。
回路層用金属板とろう材層とを同時に打ち抜くことによって、回路層用金属板とろう材層とが一体となっているので、その後の接合工程において金属板とろう材層とがずれることがなく、接合作業が容易になる。また、回路層用金属板の特にブリッジ部の側縁までろう材層が配置されるので、接合工程において溶融したろう材が金属板及びブリッジ部とセラミックス基板の間からからはみ出し易く、ブリッジ部の表面にろう材を容易に付着させることができ、エッチングによる除去処理を確実にすることができる。
【００１０】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記金属板形成工程では、前記金属板の外周部に、前記パターン部と同じ厚さの外枠部が周方向に沿って設けられるとともに、前記パターン部は前記外枠部に前記ブリッジを介して連結されているとよい。
金属板の外周部に外枠部が設けられていることから、外枠部とセラミックス基板との外形で位置を合わせることにより、各パターン部の位置決め精度をより高めることができる。また、外枠部とパターン部とを同じ厚さに形成したことにより、レジスト層の印刷作業も容易になり、作業性がよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ろう材による接合工程の後にエッチング工程を施すだけで、ブリッジ部を除去してパターン部を独立させることができ、その際にブリッジ部が薄肉でろう材が付着していることにより、エッチングによって簡単かつ確実に除去することができ、生産性がよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態において、接合工程後の状態を示す斜視図である。
【図２】金属板にろう材箔を積層している状態を示す斜視図である。
【図３】ろう材箔を積層した金属板を回路層用金属板として打ち抜き成形した状態を示す斜視図である。
【図４】セラミックス基板の両面に金属板を積層した状態を示す断面図である。
【図５】接合工程においてセラミックス基板の両面に金属板を積層して加圧した状態を示す正面図である。
【図６】接合工程後に回路層用金属板の上面にレジスト層を形成した状態を示す正面図である。
【図７】エッチング工程後のパワーモジュール用基板を示す斜視図である。
【図８】本発明の製造方法が適用されるパワーモジュール用基板を有するパワーモジュールの例を示す正面図である。
【図９】本発明の製造方法の他の実施形態を示す接合工程前の回路層用金属板の平面図である。
【図１０】図９のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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８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の上面に搭載された半導体チップ等の電子部品２０と、パワーモジュール用基板１０の裏面に接合されたヒートシンク３０とから構成されている。
【００１４】
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層用金属板１２が厚さ方向に積層され、セラミックス基板１１の他方の面に放熱層用金属板１３が厚さ方向に積層され、これらがろう材によって接合されている。
セラミックス基板１１は、厚さ０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下のＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＣ等から構成されている。
回路層用金属板１２は、厚さ０．１ｍｍ以上１．１ｍｍ以下の純アルミニウム板（好ましくは純度９９．９９質量％以上の４Ｎ‐Ａｌ板）からなり、複数のパターン部１２ａ，１２ｂにより構成されている。
放熱層用金属板１３は、回路層用金属板１２よりも厚く形成される場合があり、厚さ０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の純アルミニウム板（好ましくは純度９９．９９質量％以上の４Ｎ−Ａｌ板）からなる。パワーモジュール１００においては、この放熱層用金属板１３にヒートシンク３０がろう付け等によって接合される。
【００１５】
本実施形態のパワーモジュール用基板１０の好ましい組合せ例としては、各部材は、例えばセラミックス基板１１が厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ、回路層用金属板１２が厚み０．６ｍｍの４Ｎ‐Ａｌ板、放熱層用金属板１３が厚み１．６ｍｍの４Ｎ−Ａｌ板で構成され、これらを接合するろう材としては、Ａｌよりも低融点のＡｌ‐Ｓｉ系ろう材が用いられる。
なお、各金属板１２，１３には、純アルミニウム板の他、アルミニウム合金板、純銅板又は銅合金板を用いることもできる。
【００１６】
本実施形態のパワーモジュール用基板１０の製造方法について説明する。
この製造方法は、ろう材層形成工程、金属板形成工程、接合工程、及び接合後にブリッジ部を除去するためのエッチング処理を行うエッチング工程を備えている。以下、詳細を説明する。
【００１７】
＜ろう材層形成工程、金属板形成工程＞
各金属板１２，１３は、プレス加工により打ち抜き成形される。このとき、各金属板１２，１３となる帯板状金属板１５には片面にろう材箔（ろう材層）１６が固着される。具体的には、図２に示すように、帯板状金属板１５が繰り出されるとともに、その片面に同じく帯状のろう材箔１６が重ね合わせられ、これらが超音波溶接等により断続的に溶接される。
その後、溶接後の帯板状金属板１５を所定の形状に打ち抜くことにより、回路層用金属板１２及び放熱層用金属板１３が形成される。放熱層用金属板１３は通常は矩形状に形成されるが、回路層用金属板１２はその外形がパターン部１２ａ，１２ｂの形状に形成される。
【００１８】
図３は打ち抜き形成された後の回路層用金属板１２´を示しており、複数のパターン部１２ａ，１２ｂがブリッジ部１２ｃを介して連結状態に形成されている。この場合、ブリッジ部１２ｃは、パターン部１２ａ，１２ｂよりも薄肉に形成されており、ろう材箔１６が設けられている側の面（図３において、回路層用金属板１２´の下面）は、パターン部１２ａ，１２ｂとブリッジ部１２ｃとが平坦面に形成されるが、ろう材箔１６が設けられている側とは反対側の面（図３において、回路層用金属板１２´の上面）は、パターン部１２ａ，１２ｂの上面に対してブリッジ部１２ｃの上面が低くなるように形成されている。
このブリッジ部１２ｃは、その外形をパターン部１２ａ，１２ｂと同様に形成した後にブリッジ部１２ｃのみを押しつぶす、あるいは、外形打ち抜きの前に、ブリッジ部１２ｃに相当する部分のみエッチング等により凹部状に形成しておき、その後、外形打ち抜き加工する、などの方法により形成することができる。
なお、ろう材箔１６と各金属板１２´，１３とは同時に打ち抜き加工されるので、同じ外形に形成され、各金属板１２´，１３の周縁まで全面にろう材箔１６が配置される。回路層用金属板１２´においては、図３に示すように、パターン部１２ａ，１２ｂ及びブリッジ部１２ｃの周縁までろう材箔１６が配置される。
【００１９】
＜接合工程＞
図４に示すように回路層用金属板１２´、セラミックス基板１１、放熱層用金属板１３をろう材箔１６がセラミックス基板１１に接触するように重ね合わせ、この重ね合わせ状態の積層体５０を図５に示すようにクッションシート５１を介して複数積み重ねる。クッションシート５１にはカーボン、グラファイトからなるシートが用いられる。積層体５０を積み重ねた状態で、その積層方向に１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧しながら、真空雰囲気で例えば６４０℃に加熱することによりろう材箔１６を溶融させ、冷却して固化させ、回路層用金属板１２´とセラミックス基板１１及び放熱層用金属板１３とセラミックス基板１１を接合する。
【００２０】
前述したようにろう材箔１６は金属板１２´，１３の外形と同じ外形に形成されていたことにより、この接合工程においては、ろう材箔１６が溶融すると、加圧されているために金属板１２´，１３とセラミックス基板１１との間から溶融状態のろう材の一部がはみ出し、金属板１２´，１３の側面に付着する。図１に示すように、ブリッジ部１２ｃは、薄肉に形成されているため、はみ出したろう材１７がブリッジ部１２ｃの側面から上面にまで到達する。また、ブリッジ部１２ｃは細幅であるため、両側面から這い上がった溶融ろう材が上面で連結するように一体化する場合があり、ブリッジ部１２ｃの表面の一部又は全部がろう材１７に覆われた状態となる。そして、このろう材１７により覆われることにより、ろう材成分のＳｉがブリッジ部１２ｃ内に拡散する。
また、ブリッジ部１２ｃは、パターン部１２ａ，１２ｂよりも薄肉に形成されていることから、接合時に加圧されず、セラミックス基板とほとんど接合しないこととなる。
【００２１】
＜エッチング工程＞
両金属板１２´，１３をセラミックス基板１１に接合した後、図６に示すように回路層用金属板１２´の上面にレジスト層５２を形成する。このレジスト層５２はスクリーン印刷等によりレジスト樹脂を塗布することにより形成されるが、ブリッジ部１２ｃはパターン部１２ａ，１２ｂの上面よりも低く形成されているので、ブリッジ部１２ｃの上面にはレジスト樹脂は塗布されず、パターン部１２ａ，１２ｂの上面にのみ塗布される。
レジスト層５２を形成した後、エッチング液をレジスト層５２の上方からスプレー等で吹き付けることにより、エッチング処理を施す。このエッチング処理により、レジスト層５２に被覆されていないブリッジ部１２ｃが除去される。前述したように、ブリッジ部１２ｃは、一部又は全部がろう材１７により覆われた状態となっており、ろう材成分が拡散しているため、エッチングされ易く、また、薄肉でもあるため、短時間で除去される。
さらに、前述したようにブリッジ部１２ｃは、接合時に加圧されず、セラミックス基板とほとんど接合していないため、より短時間で除去される。
【００２２】
エッチング工程においては、放熱層用金属板１３の上面にもレジスト層を形成して、全体をエッチング液に浸漬する方法としてもよいが、このエッチング工程はブリッジ部１２ｃのみの除去を目的とするためのエッチング処理であり、全体を浸漬する方法では効率が悪い。また、スプレーによるエッチング処理はエッチングに方向性が付与され、パターン部１２ａ，１２ｂの側面をエッチングすることが少なく、目標とするブリッジ部１２ｃのみを除去するために好ましい。
なお、エッチング液としては、例えば以下の成分の塩化第二鉄液が用いられる。
ボーメ度：４７．０〜４８．５°Ｂｅ
塩化第二鉄（ＦｅＣｌ３）：４４．０％
塩化第一鉄（ＦｅＣｌ２）：０．１３％以下
遊離酸（ＨＣｌ）：０．１５％以下
【００２３】
以上の一連のパワーモジュール用基板の製造方法は、ろう付けによる接合工程においてブリッジ部１２ｃがろう材１７により一部又は全部が覆われた状態となり、ろう材成分の一部がブリッジ部１２ｃ内に拡散して、エッチングされ易くなるので、その後のエッチング工程でのブリッジ部除去処理を確実に行うことができる。
【００２４】
前述の実施形態では、接合工程前の回路層用金属板１２´を二つのパターン部１２ａ，１２ｂがブリッジ部１２ｃにより連結された構成としたが、図９及び図１０に示す回路層用金属板１２"ように、矩形状の外枠部１２ｄの内側に二つのパターン部１２ａ，１２ｂがブリッジ部１２ｃにより連結状態に配置された構成としてもよい。この場合、ろう材箔が設けられる裏面側は、外枠部１２ｄ、パターン部１２ａ，１２ｂ、ブリッジ部１２ｃとも平坦面になるように形成されるが、ろう材箔が設けられている側とは反対側の面（図９の上面）は、外枠部１２ｄ及びパターン部１２ａ，１２ｂ−の上面に対してブリッジ部１２ｃの上面が一段低くなるように形成されている。
一方、セラミックス基板１１は、回路層用金属板１２"の外枠部１２ｄの分、広い面積に形成される。
【００２５】
この実施形態では、回路層用金属板１２"が外枠部１２ｄを有しているため、図１０に示すように外枠部１２ｄの周縁をセラミックス基板１１の周縁に位置決めすることにより、パターン部１２ａ，１２ｂをセラミックス基板１１に位置決めすることができ、その位置精度を向上させることができる。
そして、金属板１２"とセラミックス基板１１及び放熱層用金属板１３とセラミックス基板１１を接合する接合工程後に、外枠部１２ｄ及びパターン部１２ａ，１２ｂの上面にレジスト層が形成される。この場合、外枠部１２ｄの上面とパターン部１２ａ，１２ｂの上面との高さが同じであるので、これらの上面を確実にレジスト層により被覆して、ブリッジ部１２ｃのみ露出させることができる。そして、前述と同様にスプレー等によりエッチング液を吹き付けてブリッジ部１２ｃを除去することが行われる。
そして、図９の二点鎖線で示す位置から外枠部１２ｄとともに周縁部が分割、除去されることで、図７に示すパワーモジュール用基板１０が製出される。
【００２６】
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。
例えば、実施形態では金属板にろう材箔を積層したが、金属板にペースト状のろう材を塗布するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１０  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板
１２，１２´，１２"  回路層用金属板
１２ａ  パターン部
１２ｃ  ブリッジ部
１２ｄ  外枠部
１３  放熱層用金属板
１５  帯板状金属板
１６  ろう材箔（ろう材層）
１７  ろう材
２０  電子部品
３０  ヒートシンク
５０  積層体
５１  クッションシート
５２  レジスト層
１００  パワーモジュール
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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