(57)【要約】【課題】容易かつ確実にヒートシンクを接合する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。【解決手段】セラミックス基板の両面にそれぞれろう材を介在させて回路層用金属板およびこの回路層用金属板よりも厚い放熱層用金属板を積層してなる積層体を形成し、複数組の積層体を積み重ねた状態で加熱しながら積層方向に加圧することにより、各積層体におけるセラミックス基板と各金属板とを接合するろう付工程を有し、ろう付工程において、積層体は、回路層用金属板同士または放熱層用金属板同士が対向するように積み重ねられる。【選択図】図３
2014132687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の両面にそれぞれＡｌ−ＳＩ系ろう材を介在させてアルミニウム板からなる回路層用金属板およびこの回路層用金属板よりも厚いアルミニウム板からなる放熱層用金属板を積層してなる積層体を形成し、複数組の前記積層体を積み重ねた状態で加熱しながら積層方向に加圧することにより、各前記積層体における前記セラミックス基板と各金属板とを接合するろう付工程を有し、
前記ろう付工程において、前記積層体は、前記回路層用金属板同士または前記放熱層用金属板同士が対向するように積み重ねられ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】
前記ろう付工程において積み重ねられる前記積層体が偶数個であ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。
【請求項３】
圧力２４×１０4Ｐａ以上５９×１０4Ｐａ以下、温度６４０℃以上６５５℃以下の条件下で前記ろう付工程を行うことを特徴とする請求項１または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、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】
一般に、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半導体素子である。このパワーモジュール用基板としては、例えば、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣ等からなるセラミックス基板の両面に、アルミニウム板等の金属板をろう材を介して接合させたものが用いられる。セラミックス基板に接合された金属板の一方は、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り、電子部品（半導体チップ等のパワー素子）が搭載される。また、セラミックス基板に接合された金属板の他方（回路層）には、ヒートシンクが接合される。
【０００３】
電子部品およびヒートシンクが接合されてなるパワーモジュールにおいて、電子部品から発生する熱は、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】
回路層の厚さと放熱層の厚さとが異なる場合、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(特許文献１参照)。このため、その後のヒートシンクへの取り付けを阻害するという問題が生じる。また、ろう付け等の製造時に加わる熱だけでなく、使用環境においても、例えば５０℃の比較的高温の状態で長期間使用され続けると、同様の反りが生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２５２４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際には、ヒートシンクの天板上にパワーモジュール用基板を載置して、ヒートシンクの天板とパワーモジュール用基板の放熱層とをろう付する方法が採用できる。この場合、パワーモジュール用基板が大きく反っていると前述のようにヒートシンクの取付が阻害されるが、パワーモジュール用基板が平坦である場合も、ヒートシンクへのろう付作業の際、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とが固着されるまでの間にずれやすいという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、容易かつ確実にヒートシンクを接合する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】
本発明の方法により製造されるパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の両面にそれぞれ回路層用金属板および放熱層用金属板が厚さ方向に積層され接合されてなるパワーモジュール用基板であって、前記回路層用金属板側が凸となるように反っており、その反り量が前記パワーモジュール用基板の長辺方向の長さに対して厚さ方向に０．１％以上０．３％以下の大きさである。このパワーモジュール用基板によれば、ヒートシンクの取付を阻害しない適切な大きさの反り形状を有するので、ヒートシンクの天板上に安定して配置され、ヒートシンクが確実に接合される。
【０００９】
そして、本発明は、このようなパワーモジュール用基板を製造するために、セラミックス基板の両面にそれぞれＡｌ−ＳＩ系ろう材を介在させてアルミニウム板からなる回路層用金属板およびこの回路層用金属板よりも厚いアルミニウム板からなる放熱層用金属板を積層してなる積層体を形成し、複数組の前記積層体を積み重ねた状態で加熱しながら積層方向に加圧することにより、各前記積層体における前記セラミックス基板と各金属板とを接合するろう付工程を有し、前記ろう付工程において、前記積層体は、前記回路層用金属板同士または前記放熱層用金属板同士が対向するように積み重ねられるパワーモジュール用基板の製造方法である。
【００１０】
このパワーモジュール用基板の製造方法によれば、接合時の加熱により各部材に熱応力が生じ、厚さが小さい回路層用金属板側が凸となる反りが小さいパワーモジュール用基板が製造される。すなわち、回路層用金属板同士または放熱層用金属板同士がクッションシートを介して隣接するように積み重ねられることにより、反りを生じさせる応力の方向が隣接する積層体間で逆向きとなり、その逆向きの応力が相互に干渉しあうことで一部相殺され、その結果、積層体の全てを同じ向きに積み重ねた場合に比べて反りの量を少なくすることができる。これにより、ヒートシンクの取付を阻害せず、かつヒートシンクの天板上に配置された際に安定する適切な反り形状を有するパワーモジュール用基板が製造される。なお、回路層用金属板と放熱層用金属板との間には、各積層体間の圧力伝達を均一にするために、弾性および耐熱性を有するカーボン板、グラファイト板、あるいはこれらの積層板などからなるクッションシートが挟装されてもよい。
【００１１】
このパワーモジュール用基板の製造方法において、前記ろう付工程において積み重ねられる前記積層体が偶数個であることが好ましい。積層数は２個以上３６個以下が好ましく、より好ましくは１２個である。なお、隣接する積層体間で反りが生じる応力を均衡させるために、積層数は偶数であることが好ましい。積層数が３６個を超えると、加圧時に崩れるおそれがあるので好ましくない。
【００１２】
また、このパワーモジュール用基板の製造方法において、圧力２４×１０4Ｐａ以上５９×１０4Ｐａ以下、温度６４０℃以上６５５℃以下の条件下で前記ろう付工程を行うことが好ましい。このような条件でろう付を行うことにより、パワーモジュール用基板の反り量を、長辺方向の長さに対して厚さ方向に０．１％以上０．３％以下、たとえば長辺方向の長さ２８ｍｍに対して厚さ方向に３０μｍ以上９０μｍ以下の適切な大きさに制御することができる。ろう付工程における圧力が大きすぎると金属板が変形したり割れが生じたりしやすく、小さすぎると反りが大きくなり接合不良が生じるおそれがある。またろう付工程における温度が高すぎると破損を生じやすく、低すぎるとろう付不十分となるおそれがある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、容易かつ確実にヒートシンクを接合できるパワーモジュール用基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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】本発明に係るパワーモジュール用基板を示す側面図である。
【図３】本発明にかかるパワーモジュール用基板の製造方法を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係るパワーモジュール用基板およびそ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、本発明に係る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。ヒートシンク３０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３０ａが形成されている。
【００１６】
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１の両面にそれぞれ回路層用金属板１２および放熱層用金属板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。各部材の厚さは、たと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１．２ｍｍに設定される。
【００１７】
セラミックス基板１１は、厚さ０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下のＡｌＮ，Ｓｉ3Ｎ4，Ａｌ2Ｏ3などからなる。
【００１８】
回路層用金属板１２は、厚さ０．１ｍｍ以上１．１ｍｍ以下のアルミニウム合金板（好ましくは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。
【００１９】
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以下の純度９９．０ｗｔ％以上の純アルミニウム板からなる。パワーモジュール１００においては、この放熱層用金属板１３の上にヒートシンク３０がろう付等によって接合されている。
【００２０】
セラミックス基板１１に各金属板１２，１３が接合されてなるパワーモジュール用基板１０は、図２に示すように、回路層用金属板１２側が凸となるように反っている。その反り量Ｃは、パワーモジュール用基板１０の長辺方向の長さ（平面が正方形の場合は一辺の長さ）に対して厚さ方向に０．１％以上０．３％以下の大きさ（たとえば長辺方向の長さＬ＝２８ｍｍに対して厚さ方向の大きさ３０μｍ以上９０μｍ以下）である。なお、図２は、パワーモジュール用基板１０の形状の特徴が明確になるように、長さＬに対する反り量Ｃを大きく誇張して示している。
【００２１】
このパワーモジュール用基板１０は、図２に示すように、若干の反り形状を有しているのでヒートシンク３０上に安定して配置されるとともに、ヒートシンク３０に対する接合が妨げられるほどは反り量が大きくないので、正確な位置で、かつ確実にヒートシンク３０を接合することができる。
【００２２】
このような反り形状を有す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。パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１の両面にそれぞれろう材を介在させて回路層用金属板１２およびこの回路層用金属板１２よりも厚い放熱層用金属板１３を積層してなる積層体１０Ａを形成し、複数組の積層体１０Ａを積み重ねた状態で加熱しながら積層方向に加圧することにより、前記積層体１０Ａにおけるセラミックス基板１１と各金属板１２，１３とを接合するろう付工程を有する。
【００２３】
このろう付工程において、積層体１０Ａは、図３に示すように回路層用金属板１２同士または放熱層用金属板１３同士が対向するように積み重ねられる。ろう付工程における製造条件は、以下のように設定することが好ましい。
圧力（荷重）：２４．５×１０4Ｐａ以上５８．８×１０4Ｐａ以下
温度：６４０℃以上６５５℃以下
積層体１０Ａの積層数：２個以上３６個以下、好ましくは偶数個、特に好ましくは１２個
【００２４】
積層された積層体１０Ａの間には、クッションシートＰが配置されている。クッションシートＰとしては、たとえば、耐熱性を有するカーボン板又はグラファイト板、あるいはこれらの積層板を用いることができる。
【００２５】
そして、これら積層体１０Ａを表裏交互に積層した状態で、図３に矢印で示すように加圧しながら加熱してろう付することにより、長辺方向の長さＬ＝２８ｍｍに対して厚さ方向の反り量Ｃが３０μｍ以上９０μｍ以下（すなわち、長辺方向の長さＬに対して厚さ方向の反り量Ｃが０．１％以上０．３％以下）であるパワーモジュール用基板１０を製造することができる。
【００２６】
厚さの異なる金属板１２，１３がそれぞれ熱膨張および収縮してろう付されるため熱応力が生じ、各パワーモジュール用基板１０は、図２に示すように、厚さが小さい回路層用金属板１２側に凸形状となる。しかしながら、積層体１０Ａを表裏交互に積層してろう付することにより、反り量を低減させることができる。
【００２７】
たとえば、従来のように複数の積層体１０Ａの表裏を同じにして積層した状態でろう付した場合、製造されたパワーモジュール用基板は、長辺方向の長さ２８ｍｍに対して反り量は１５０μｍとなった。これに対して、前述のように積層体１０Ａの表裏を交互にして積層した状態でろう付した場合、製造されたパワーモジュール用基板１０は、長辺方向の長さ２８ｍｍに対して反り量を３０μｍにまで低減することができた。
【００２８】
以上説明したように、本発明によれば、容易かつ確実にヒートシンクを接合できるパワーモジュール用基板を提供することができる。
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。
【符号の説明】
【００２９】
１０  パワーモジュール用基板
１０Ａ  積層体
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
２０  電子部品
３０  ヒートシンク
３０ａ  流路
１００  パワーモジュール
Ｃ  反り量
Ｌ  長辺方向の長さ
Ｐ  クッションシート
【図１】
2014132687.tif 000003
【図２】
2014132687.tif 000004
【図３】
2014132687.tif 000005