(57)【要約】【課題】反り量が小さく、製造が容易な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の一方の面に、ろう材を介在させて回路層用金属板１２を厚さ方向に積層し、セラミックス基板１１の他方の面に、回路層用金属板１２よりも厚い放熱層用金属板１３をろう材を介在させて厚さ方向に積層してなる基板積層体４０を形成し、基板積層体４０をその積層方向に加圧した状態で加熱することにより、セラミックス基板１１と各金属板１２，１３とをろう付けして接合体４０ａを形成する接合工程と、その加圧した状態で接合体４０ａを常温よりも低い温度にまで冷却する冷却工程とを備えるパワーモジュール用基板の製造方法。【選択図】      図３
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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、ろう材を介在させて回路層用金属板を厚さ方向に積層し、前記セラミックス基板の他方の面に、該回路層用金属板よりも厚い放熱層用金属板をろう材を介在させて厚さ方向に積層してなる基板積層体を形成し、該基板積層体をその積層方向に加圧した状態で加熱することにより、前記セラミックス基板と各金属板とをろう付けして接合体を形成する接合工程と、前記加圧した状態で前記接合体を常温よりも低い温度にまで冷却する冷却工程とを備えるパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項２】
前記接合工程には、前記基板積層体をその積層方向に加圧する加圧治具が用いられ、前記冷却工程における冷却は、前記加圧治具ごと冷却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】
前記冷却工程は、０℃〜−４０℃に冷却することを特徴とする請求項１又は２に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、大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及びパワーモジュール用基板に関する。
【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。
【０００３】
この種のパワーモジュールにおいては、電子部品から発生する熱がヒートシンクによって放散される。従来、パワーモジュールにおいては回路層及び放熱層とも同じ板材で形成されるのが一般的であったが、近年では、放熱層の熱伸縮によってセラミックス基板に生じる熱応力を緩和するために、放熱層を肉厚に形成して緩衝機能を持たせることが検討されている。
【０００４】
しかし、回路層と放熱層とで、板材の厚さや形状が異なる場合、ろう付けのための加熱処理を経由することにより、薄肉側（回路層側）を凸とする反りが生じる。この場合、ヒートシンクへの取り付けが阻害される。
そこで、特許文献１には、セラミックス基板と金属層との接合体（パワーモジュール用基板）を−２０℃以下（−８０℃〜−２０℃）の雰囲気に接触させてうねり矯正を行うことが提案されている。また、特許文献２には、接合体を−７０℃よりさらに低温の−１１０℃以下で冷却処理することで、反り量をより緩和できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３４１９６２０号公報
【特許文献２】特許第３９２２５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び２に記載のように、セラミックス基板と金属層との接合後に冷却処理を施すことでパワーモジュール用基板の反り量を緩和できるが、取扱性向上のためにさらなる改善が求められている。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反り量が小さく、製造が容易なパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、ろう材を介在させて回路層用金属板を厚さ方向に積層し、前記セラミックス基板の他方の面に、該回路層用金属板よりも厚い放熱層用金属板をろう材を介在させて厚さ方向に積層してなる基板積層体を形成し、該基板積層体をその積層方向に加圧した状態で加熱することにより、前記セラミックス基板と各金属板とをろう付けして接合体を形成する接合工程と、前記加圧した状態で前記接合体を常温よりも低い温度にまで冷却する冷却工程とを備える。
【０００９】
基板積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、セラミックス基板と各金属板とを接合した後、その接合体を加圧状態で常温よりも低い温度にまで冷却することにより、製造されるパワーモジュール用基板の反り量を小さくでき、ヒートシンクとの接合を容易にして取り扱い性を向上させることができる。
【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、前記接合工程には、前記基板積層体をその積層方向に加圧する加圧治具が用いられ、前記冷却工程における冷却は、前記加圧治具ごと冷却するとよい。
接合工程で使用した加圧治具ごと冷却することにより、接合工程開始から冷却工程終了まで確実に加圧状態を維持でき、パワーモジュール用基板の反り量を小さくすることができる。また、作業工程を簡略化でき、作業性を向上させることができる。
【００１１】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記冷却工程は、０℃〜−４０℃に冷却するとよい。
冷却温度を−４０℃以上に抑えることで、冷却時間及び冷却後に常温まで昇温させる際の昇温時間を短縮することができる。したがって、冷却工程におけるサイクルタイムを短縮でき、作業性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に金属板をろう付けすることにより生じる反りを抑え、平面度が高いパワーモジュール用基板を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るパワーモジュール用基板を用いて製造されたパワーモジュールを示す断面図である。
【図２】本発明の製造方法で用いられる加圧治具の例を示す側面図である。
【図３】図２に示す加圧治具に設置された基板積層体、カーボン板及びクッションシートを示す側面図である。
【図４】接合体の平面度と冷却時間との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の実施形態について説明する。
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の表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。
【００１５】
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、Ａｌよりも低融点のろう材（好ましくはＡｌ‐Ｓｉ系ろう材）によって接合されてなる。
【００１６】
セラミックス基板１１は、厚さ０．５ｍｍ〜１．０ｍｍのＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＣ等からなる。
また、回路層用金属板１２は、厚さ０．１ｍｍ〜１．１ｍｍ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、回路層用金属板１２はエッチング等により所定の回路パターン状に成形されており、その上に電子部品２０がはんだ材等によって接合されている。
放熱層用金属板１３は、回路層用金属板１２よりも厚く、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９９．０質量％以上の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の表面１３ａにヒートシンク３０がろう付け等によって接合されている。
なお、各金属板１２，１３には、Ａｌ板の他、Ｃｕ板を用いることもできる。
【００１７】
本実施形態のパワーモジュール用基板１０においては、各部材の厚さは、例えばセラミックス基板１１が０．６３５ｍｍ、回路層用金属板１２が０．６ｍｍ、放熱層用金属板１３が１．６ｍｍに設定される。このパワーモジュール用基板１０において、（回路層用金属板１２の厚さ）／（放熱層用金属板１３の厚さ）の比率は、０．０４〜０．８７５に設定される。
【００１８】
本実施形態に係る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。
（接合工程）
まず、セラミックス基板１１の両面にろう材を介在させて、回路層用金属板１２及び放熱層用金属板１３を積層して、基板積層体４０を形成する（図３参照）。この基板積層体４０を、比較的剛性の高いカーボン製板材からなるカーボン板４１と、クッション性を有する板状のクッションシート４２との間に挟んだ状態とし、図２及び図３に示すように、複数の基板積層体４０を加圧治具１１０によって積層方向に０．３４ＭＰａ〜０．５４ＭＰａ（３．５ｋｇｆ／ｃｍ２〜５．５ｋｇｆ／ｃｍ２）で加圧した状態とする。
この加圧治具１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に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等の付勢手段１１５とを備え、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の基板積層体４０が配設される。
そして、この加圧治具１１０により基板積層体４０を加圧した状態で、加圧治具１１０ごと加熱炉（図示略）内に設置し、真空雰囲気中で例えば６３０℃のろう付け温度に加熱することによりセラミックス基板１１と両金属板１２，１３とを接合した接合体４０ａを製造する。
【００１９】
（冷却工程）
次に、接合体４０ａを加圧治具１１０により厚み方向に加圧された状態のまま加熱炉から取り出し、その加圧を解除することなく加圧治具１１０ごと冷却器に投入して常温よりも低い温度にまで冷却する。冷却器内に投入された加圧治具１１０及び接合体４０ａに、エアークーラーによって乾燥空気（冷風）を吹き付けて冷却が行われる。
この場合、接合体４０ａを０．３４ＭＰａ〜０．５４ＭＰａ（３．５ｋｇｆ／ｃｍ２〜５．５ｋｇｆ／ｃｍ２）で加圧した状態で、０℃〜−４０℃に冷却することが好ましい。例えば、０℃に冷却された冷却器内に加圧治具１１０ごと投入すると、通常１０分程度で接合体４０ａも雰囲気温度に到達することから、接合体４０ａをその冷却温度まで冷却するために、冷却器への投入後１０分程度放置するとよい。
【００２０】
加圧治具１１０により、セラミックス基板１１と両金属板１２，１３とは厚さ方向に加圧され、反りが生じないように拘束されている。一方、冷却により両金属板１２，１３に熱収縮による応力が発生する。この冷却を進めていくと見かけ上は変化がないように見えるが、応力に抗して加圧されていることから両金属板１２，１３に塑性変形が生じる。両金属板１２，１３の塑性変形は、反りとは逆方向の変形であり、その塑性変形領域まで冷却した後に常温まで戻すと、塑性変形が生じた分だけ反りが相殺されて、接合工程後に常温まで自然冷却した場合の反り量と比べて、冷却工程を介した場合の反り量の方が小さくなる。
【００２１】
このように、基板積層体４０を積層方向に加圧した状態で加熱し、セラミックス基板１１と各金属板１２，１３とを接合した後、その接合体４０ａを加圧状態で常温よりも低い温度にまで冷却することにより、製造されるパワーモジュール用基板１０の反り量を小さくできる。したがって、ヒートシンクとの接合を容易にして取り扱い性を向上させることができる。
また、接合体４０ａを、接合工程で使用した加圧治具１１０ごと冷却することにより、接合工程開始から冷却工程終了まで確実に加圧状態を維持でき、作業工程を簡略化でき、作業性を向上させることができる。
また、冷却工程において、冷却温度を−４０℃以上とすることで、冷却時間及び冷却後に常温まで昇温させる際の昇温時間を短縮することができる。したがって、冷却工程におけるサイクルタイムを短縮でき、作業性を向上させることができる。
【００２２】
ところで、接合工程で使用されるカーボン板４１やクッションシート４２等は吸湿しやすいため、冷却時や冷却後に常温まで昇温させる際に結露が生じると、その水分を吸湿してしまうことから作業性が低下する。
本実施形態においては、冷却器内では、加圧治具１１０に乾燥空気を吹き付けることで、接合体４０ａの冷却を促進するとともに、カーボン板４１やクッションシート４２への結露の発生を防止できる。また、接合体４０ａの冷却温度を−４０℃以上とすることで、冷却時間及び冷却後に常温まで昇温させる際の昇温時間を短縮できるとともに、冷却器から取り出した際に生じる結露を防止することができる。
【００２３】
次に、上記において説明した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、その効果を確認するために実験を行った。
厚さ０．６ｍｍで２６ｍｍ×２６ｍｍ（２６ｍｍ角）の回路層用金属板１２、厚さ１．６ｍｍで２８ｍｍ×２８ｍｍ（２８ｍｍ角）の放熱層用金属板１３、厚さ０．６３５ｍｍで３０ｍｍ×３０ｍｍ（３０ｍｍ角）のセラミックス基板１１を準備し、回路層用金属板１２とセラミックス基板１１との間、及びセラミックス基板１１と放熱層用金属板１３との間に厚さ１５μｍのＡｌ‐７．５質量％Ｓｉのろう材箔を介在させて積層した基板積層体４０について、下記に示す条件で作製したパワーモジュール用基板１０の平面度（反り量）を測定した。
【００２４】
まず、基板積層体４０を加圧治具１１０により加圧した状態で、加圧治具１１０ごと加熱炉内に設置し、真空雰囲気中で６００℃〜６５０℃で約１時間加熱することにより、セラミックス基板１１と両金属板１２，１３とをろう付けして接合体４０ａを作製した（接合工程）。そして、その接合体４０ａを加圧治具１１０ごと冷却器に投入し、２０分間保持（冷却工程）することにより、パワーモジュール用基板１０を作製した。
接合工程では、加圧治具１１０による加圧を０．３４ＭＰａ，０．４４ＭＰａ，０．５４ＭＰａに変化させ、加圧条件の異なる３種類の接合体４０ａを作製した。また、冷却工程では、冷却温度２５℃，０℃，−２５℃，−５０℃に設定された冷却器の中に加圧治具により加圧された状態の各接合体を加圧治具ごと投入し、冷却条件の異なる４種類のパワーモジュール用基板１０を作製した。
図４に測定結果を示す。
【００２５】
なお、「平面度」は、Ｍｉｔｓｕｔｏｙｏ製のＱｕｉｃｋＳｃｏｐｅ（三次元測定器）を用いて測定したものであり、放熱層用金属板１３の表面の２８ｍｍ長さ当たりの平面度を示す。また、「平面度」は、パワーモジュール用基板１０の回路層側を上に凸状に反りが生じている状態をプラスの値とし、パワーモジュール用基板１０板の回路層側を上に凹状に反りが生じている状態をマイナスの値で表示した。
【００２６】
図４に示されるように、基板積層体４０を積層方向に加圧した状態で加熱し、セラミックス基板１１と各金属板１２，１３とを接合した後、その接合体４０ａを加圧状態で冷却することにより、パワーモジュール用基板１０の平面度を１００μｍ（絶対値）以下に抑え、平面度が高いパワーモジュール用基板とすることができる。また、５℃以下に冷却することで、平面度をさらに７０μｍ以下に抑えることができる。
また、冷却工程において冷却温度を低く設定する程、平面度を小さくすることができるが、冷却温度−４０℃付近を境界として、パワーモジュール用基板の反りの方向が逆転し、回路層側を上に凹状の反りが生じる。このように凹状の反りが生じた場合には、ヒートシンクとの接合時に位置すれが生じ易くなるため、大きな凹状の反りが生じない−４０℃以上の冷却温度とすることが好ましい。
【００２７】
以上説明したように、本発明の製造方法によれば、セラミックス基板の両面に金属板をろう付けすることにより生じる反りを抑え、平面度が高いパワーモジュール用基板を容易に製造することができる。
【００２８】
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、上記実施形態においては、接合体４０ａを加圧治具１１０ごと冷却することで、基板積層体４０の接合時と接合体４０ａの冷却時とで加圧力を変化させることなくパワーモジュール用基板１０を製造したが、接合時と冷却時とで加圧力を変化させて行うこととしてもよい。
【符号の説明】
【００２９】
１０  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板
１２  回路層用金属板
１３  放熱層用金属板
１３ａ  表面
２０  電子部品
３０  ヒートシンク
４０  基板積層体
４０ａ  接合体
４１  カーボン板
４２  クッションシート
１００  パワーモジュール
１１０  加圧治具
１１１  ベース板
１１２  ガイドポスト
１１３  固定板
１１４  押圧板
１１５  付勢手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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