(57)【要約】【課題】ロウ材の回り込みの発生を抑制したパワーモジュール用基板の製造方法を提供すること。【解決手段】金属母材を打ち抜いて、外縁部に沿って外縁端に向かうにしたがって反り上がる反上部２４、２５を有する金属層１２Ａ及び回路層１３Ａそれぞれを形成する打抜工程と、セラミックス基板１１の表面における金属層１２Ａ及び回路層１３Ａが配置される配置予定部１１ｃ、１１ｄの外周縁に沿って配置予定部１１ｃ、１１ｄそれぞれを囲む溝部１１ａ、１１ｂを形成する溝形成工程と、反上部２４、２５の先端を溝部１１ａ、１１ｂ内に収容し、セラミックス基板１１において溝部１１ａで囲まれる領域と金属層１２Ａとをロウ付けすると共に溝部１１ｂで囲まれる領域と回路層１３Ａとをロウ付け接合する接合工程とを備える。【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表面に板状の金属部材がロウ付け接合されたパワーモジュール用基板の製造方法において、
金属母材を打ち抜き、外縁部に外縁端に向かうにしたがって反り上がる反上部を有する金属部材を形成する打抜工程と、
前記セラミックス基板の表面における前記金属部材が配置される配置予定部の外周縁に沿って該配置予定部を囲む溝部を形成する溝形成工程と、
前記反上部の先端を前記溝部内に収容し、前記セラミックス基板において前記溝部で囲まれる領域と前記金属部材とをロウ付け接合する接合工程とを備え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】
前記接合工程の後、前記反上部を除去する除去工程を備え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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体チップなどの電子部品が実装さ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】
この種のパワーモジュールは、一般にＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＡｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化シリコン）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）などで形成されたセラミックス基板の上面に配置された回路層と下面に配置された金属層とを有するパワーモジュール用基板と、回路層上に搭載された発熱体である半導体チップと、金属層の下面に配設されたヒートシンクとを備えている（例えば、特許文献１参照）。そして、半導体チップで発生した熱を、金属層を介してヒートシンク中の冷却水へ放散させる構成となっている。
ここで、パワーモジュール用基板は、回路層や金属層が純アルミニウムやアルミニウム合金などで形成された板状の金属母材を打ち抜くことによって形成されており、回路層や金属層をセラミックス基板の表面にロウ付けまたはハンダ付けして接合することで製造されている。
【特許文献１】特開平１０−２４２３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来のパワーモジュール用基板の製造方法には、以下の課題が残されている。すなわち、金属母材を打ち抜くことによって形成された回路層や金属層の外縁部には、打抜加工により外縁端に向かうにしたがって反り上がるバリが形成される。そして、このバリの先端がセラミックス基板と対向するように回路層や金属層を接合しているため、接合時にロウ材が回路層や金属層の外面に回り込んでしまう。そのため、外面に回り込んだロウ材によりワイヤボンディング時のワイヤの接着性が低下するという問題がある。
【０００４】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ロウ材の回り込みの発生を抑制した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】
【０００５】
本発明は、上記のような課題を解決するために以下のような手段を採用した。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表面に板状の金属部材がロウ付け接合されたパワーモジュール用基板の製造方法において、金属母材を打ち抜き、外縁部に外縁端に向かうにしたがって反り上がる反上部を有する金属部材を形成する打抜工程と、前記セラミックス基板の表面における前記金属部材が配置される配置予定部の外周縁に沿って該配置予定部を囲む溝部を形成する溝形成工程と、前記反上部の先端を前記溝部内に収容した状態で、前記セラミックス基板のうち前記溝部で囲まれる領域と前記金属部材とをロウ付け接合する接合工程とを備えることを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、接合工程において溶融したロウ材が溝部に溜まるので、金属部材の外面にロウ材が回り込むことを抑制できる。すなわち、溝部で囲まれる領域内でセラミックス基板と金属部材とを接合するため、ロウ材は反上部を越えなければ金属部材のうちセラミックス基板から離間する側の面に到達しない。したがって、金属部材のうちセラミックス基板から離間する側の面にロウ材が回り込みにくくなり、ワイヤボンディング時のワイヤの接着性が向上する。
そして、溝部内に反上部の先端を収容するため、金属部材において反上部で囲まれる領域とセラミックス基板との接触面積を確保でき、金属部材とセラミックス基板との十分な接合性を確保できる。また、金属部材の反上部が溝部により位置決めされるため、金属部材をセラミックス基板に対して位置精度よく接合できる。
【０００７】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前記接合工程の後、前記反上部を除去する除去工程を備えることが好ましい。
この発明によれば、金属部材のうちロウ付けによりセラミックス基板に接合されていない金属部材の反上部を除去することで、金属部材とセラミックス基板との接合強度を十分に確保できる。
【発明の効果】
【０００８】
この発明にかかるパワーモジュール用基板の製造方法によれば、ロウ材が金属部材のうちセラミックス基板から離間する側の面に回り込みにくくなるので、金属部材のうちセラミックス基板から離間する側の面におけるロウ材の回り込みの発生を抑制できる。また、金属部材とセラミックス基板との接触面積を確保して十分な接合強度が得られると共に、金属部材をセラミックス基板に対して位置精度よく接合できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明によるパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００１０】
まず、本実施形態におけるパワーモジュール用基板の製造方法により製造されるパワーモジュール用基板について説明する。
本実施形態におけるパワーモジュール用基板１は、図１に示すように、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の下面に配置された金属層（金属部材）１２と、セラミックス基板１１の上面に配置された複数の回路層（金属部材）１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、例えばＡｌＮやＡｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣなどの板状のセラミックス材料によって構成されている。ここで、セラミックス基板１１は、その厚さが例えば０．６３５ｍｍとなっている。
また、セラミックス基板１１の下面には、金属層１２が配置される領域の外周を囲むように溝部１１ａが形成されている。同様に、セラミックス基板１１の上面には、回路層１３が配置される領域の外周を囲むように溝部１１ｂが形成されている。ここで、溝部１１ａ、１１ｂは、その深さが例えば１０μｍ以上２０μｍ以下となっている。
【００１１】
金属層１２は、例えばＡｌ（アルミニウム）のような高熱伝導率を有する金属により形成されており、ロウ材層１４によってセラミックス基板１１に接合固定されている。ここで、金属層１２は、その厚さが例えば０．６ｍｍとなっている。また、ロウ材層１４は、例えばＡｌ−Ｓｉ（珪素）系（例えばＡｌ：９３重量％、Ｓｉ：７重量％、厚さ１０μｍ以上１５μｍ）またはＡｌ−Ｇｅ（ゲルマニウム）系のロウ材により形成されている。
【００１２】
回路層１３は、金属層１２と同様に、例えばＡｌのような高熱伝導率を有する金属により形成されており、間隔を適宜あけて配置されることで回路を構成する。そして、回路層１３は、ロウ材層１５によってセラミックス基板１１に接合固定されている。ここで、回路層１３は、その厚さが例えば０．６ｍｍとなっている。また、ロウ材層１５は、例えばＡｌ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｇｅ系のロウ材により形成されている。
また、回路層１３の上面には、電子部品１６がハンダ層１７によって固着される。ここで、電子部品１６としては、例えば半導体チップが適用可能であり、半導体チップとしてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワーデバイスが挙げられる。
【００１３】
次に、以上のような構成のパワーモジュール用基板１の製造方法について説明する。
まず、板状の金属母材２１を打ち抜いて、図２（ｂ）に示す金属層１２Ａ及び回路層１３Ａを形成する（打抜工程）。ここでは、凸型２２及び凹型２３が、図２（ａ）に示すように、金属母材２１を挟持して剪断する。なお、凸型２２及び凹型２３によるプレス圧は、例えば２００ｋｇｆ以上３００ｋｇｆ（１９６１．３３Ｎ以上２９４１．９９Ｎ以下）となっている。
これにより、金属層１２Ａ及び回路層１３Ａを金属母材２１から打ち抜く。このとき、金属層１２Ａの外縁部には、図２（ｂ）に示すように、いわゆるバリであって外縁端に向かうにしたがって反り上がる反上部２４が形成される。この反上部２４の金属層１２Ａの中央部に対する突出量であって金属層１２Ａの外縁部におけるバリの高さは、例えば２０μｍ以上５０μｍ以下となっている。
同様に、回路層１３Ａの外縁部には、いわゆるバリである反上部２５が形成される。この反上部２５の突出量は、例えば２０μｍ以上５０μｍ以下となっている。
【００１４】
続いて、セラミックス基板１１に溝部１１ａ、１１ｂを形成する（溝形成工程）。ここでは、図２（ｃ）に示すように、焼結前のセラミックス基板１１において金属層１２Ａ及び回路層１３Ａが配置される配置予定部１１ｃ、１１ｄの外縁に沿ってレーザ光を照射し、溝部１１ａ、１１ｂを形成する。そして、セラミックス基板１１を焼結する。
【００１５】
続いて、金属層１２Ａ及び回路層１３Ａを、セラミックス基板１１にロウ付け接合する（接合工程）。ここでは、金属層１２Ａ及び回路層１３Ａを、図３（ａ）及び図４に示すように、セラミックス基板１１の上下両面に配置する。すなわち、金属層１２Ａ、セラミックス基板１１及び回路層１３Ａを積層する。なお、図４では、回路層１３Ａ及びセラミックス基板１１の積層状態のみ図示している。
このとき、金属層１２Ａは、反上部２４の先端を溝部１１ａ内に収容するように配置される。これにより、金属層１２Ａがセラミックス基板１１に対して位置決めされる。また、金属層１２Ａにおいて反上部２４で囲まれる内側領域とセラミックス基板１１との間には、ロウ材箔２６が配置されている。
このロウ材箔２６は、その厚さが例えば１０μｍ以上２０μｍ以下となっている。そして、ロウ材箔２６は、揮発性有機溶剤によりセラミックス基板１１に貼り付けられている。ここで、この揮発性有機溶剤の粘度は、１×１０−３Ｐａ・ｓ以上であることが好ましく、２０×１０−３Ｐａ・ｓ以上１５００×１０−３Ｐａ・ｓ以下であることがより好ましい。また、揮発性有機溶剤の表面張力は、８０×１０−３Ｎ／ｍ以下であることが好ましく、２０×１０−３Ｎ／ｍ以上６０×１０−３Ｎ／ｍ以下であることがより好ましい。また、揮発性有機溶剤の揮発温度は、ロウ材箔２６の融点温度以下であって、具体的には４００℃以下であることが好ましく、３００℃以下であることがより好ましい。なお、揮発性有機溶剤としては、例えば２〜３価の多価アルコールやオクタンジオールなどが挙げられる。
【００１６】
同様に、回路層１３Ａは、反上部２５の先端を溝部１１ｂ内に収容するように配置される。これにより、回路層１３Ａがセラミックス基板１１に対して位置決めされる。また、回路層１３Ａにおいて反上部２５で囲まれる内側領域とセラミックス基板１１との間には、ロウ材箔２７が配置されている。このロウ材箔２７は、上述と同様に、揮発性有機溶剤によりセラミックス基板１１に貼り付けられている。
【００１７】
そして、金属層１２Ａ、セラミックス基板１１及び回路層１３Ａからなる積層体をカーボンヒータ（図示略）で挟持し、この積層体を加圧しながら加熱する。これにより、ロウ材箔２６、２７が加熱溶融してロウ材層１４、１５となり、金属層１２Ａがセラミックス基板１１の下面にロウ付けされると共に回路層１３Ａがセラミックス基板１１の上面にロウ付けされる。
このとき、金属層１２Ａの反上部２４の先端をセラミックス基板１１に形成された溝部１１ａ内に収容することで、溶融したロウ材が金属層１２Ａの側面を介して金属層１２Ａの外面に回り込みにくくなる。同様に、回路層１３Ａの反上部２５の先端を溝部１１ｂ内に収容することで、溶融したロウ材が回路層１３Ａの外面に回り込みにくくなる。
なお、揮発性有機溶剤は、ロウ材箔２６、２７の溶融温度以下の温度で揮発するため、積層体の加熱時に揮発して除去される。
【００１８】
続いて、金属層１２Ａ及び回路層１３Ａのうち反上部２４、２５を除去する（除去工程）。ここでは、図３（ｂ）に示すように、金属層１２Ａ及び回路層１３Ａのそれぞれの外面にレジスト層２８、２９を形成する。
レジスト層２８、２９は、例えば感光性樹脂材料で構成されており、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングされている。そして、レジスト層２８は、金属層１２Ａの外面における反上部２４を除く領域を被覆している。同様に、レジスト層２９は、回路層１３Ａの外面における反上部２５を除く領域を被覆している。
【００１９】
そして、レジスト層２８、２９をマスクとして、ウェットエッチング法により金属層１２Ａ及び回路層１３Ａのそれぞれの反上部２４、２５を除去する。ここで、エッチャントとしては、例えばＦｅＣｌ３（塩化第二鉄）、ＦｅＣｌ２（塩化第一鉄）及び遊離酸であるＨＣｌ（塩酸）との混合液であってＦｅＣｌ３の濃度が４４重量％以上、ＦｅＣｌ２の濃度が０．１３重量％以下、ＨＣｌの濃度が０．１５重量％以下のものが用いられている。なお、比重（ボーメ度）は、例えば４７°±２°となっている。また、金属層１２Ａ及び回路層１３Ａのエッチャントへの浸漬時間が例えば３分以上２０分以下、エッチャントの温度が例えば５５℃±１℃となっている。これにより、レジスト層２８、２９により被覆されていない反上部２４、２５を除去する。
【００２０】
さらに、ウェットエッチング法によりレジスト層２８、２９を除去する。ここで、エッチャントとしては、例えばＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）水溶液であってＮａＯＨ９４０ｇを水４７ｌに溶解させたものが用いられている。また、レジスト層２８、２９のエッチャントへの浸漬時間が例えば１１２秒±２秒、エッチャントの温度が例えば５０℃±５℃となっている。これにより、レジスト層２８、２９を除去する。このとき、溝部１１ａ、１１ｂの形成時において発生した飛散物や溝部１１ａ、１１ｂに形成されたマイクロクラックガラスなどを除去する。このように、ロウ材層１４、１５により接合されない反上部２４、２５を除去することで、電子部品１６の発熱により金属層１２及び回路層１３に繰り返し作用する応力を十分に吸収する。
以上のようにして、図１に示すようなパワーモジュール用基板１を製造する。
【００２１】
このようにして製造されたパワーモジュール用基板１は、例えば図５に示すようなパワーモジュール３０に用いられる。このパワーモジュール３０は、上述のパワーモジュール用基板１と、電子部品１６と、冷却器３１と、放熱板３２とを備えている。
冷却器３１は、水冷式のヒートシンクであって、内部に冷媒である冷却水が流通する流路が形成されている。
放熱板３２は、平面視でほぼ矩形状の平板形状を有しており、例えばＡｌやＣｕ、ＡｌＳｉＣ（アルミシリコンカーバイド）、Ｃｕ−Ｍｏ（モリブデン）などで形成されている。そして、放熱板３２は、熱伝導グリースなどを介して冷却器３１に対してネジ３３により固定されている。また、放熱板３２とパワーモジュール用基板１の金属層１２とは、ハンダ層３４により接合されている。なお、放熱板３２と金属層１２とは、ロウ付けにより接合されてもよい。このとき、パワーモジュール用基板１の製造時において、金属層１２、セラミックス基板１１及び回路層１３の積層体に放熱板３２をさらに積層した状態で各部材を一括してロウ付けしてもよい。また、パワーモジュール３０は、放熱板３２を設けずに冷却器３１の上面にパワーモジュール用基板１を設ける構成としてもよい。
【００２２】
このようなパワーモジュール用基板の製造方法によれば、溝部１１ａで囲まれた配置予定部１１ｃにおいてセラミックス基板１１と金属層１２Ａとを接合すると共に、溝部１１ｂで囲まれた配置予定部１１ｄにおいてセラミックス基板１１と回路層１３Ａとを接合することで、金属層１２Ａ及び回路層１３Ａのうちセラミックス基板１１から離間する側の面におけるロウ材の回り込みの発生を抑制できる。これにより、ワイヤボンディングの接着性が向上する。
また、溝部１１ａ、１１ｂ内に反上部２４、２５の先端を収容することで、金属層１２Ａ及び回路層１３Ａとセラミックス基板１１との接合強度が向上すると共に、金属層１２Ａ及び回路層１３Ａをセラミックス基板１１に対して位置精度よく接合できる。
【００２３】
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できる。
例えば、除去工程において金属層及び回路層のそれぞれの反上部を除去しているが、金属層や回路層とセラミックス基板との間で十分な接合性が得られれば、除去工程を行わなくてもよい。
また、接合工程では、ロウ材箔を用いて金属層や回路層とセラミックス基板とを接合しているが、ペースト状のロウ材を用いて接合してもよい。
そして、接合工程では、複数の回路層を適宜間隔をあけて配置することにより回路を形成しているが、接合工程の後に回路層をエッチングして適宜分断することによって回路を形成してもよい。ここで、除去工程において回路層をエッチングして適宜分断してもよい。
【００２４】
また、パワーモジュール用基板は、セラミックス基板の下面に金属層を接合しているが、金属層を設けずにセラミックス基板の下面に放熱板や冷却器を直接接合する構成としてもよい。
そして、水冷式の冷却器としているが、空冷式の冷却器であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
この発明によれば、ロウ材の回り込みの発生を抑制したパワーモジュール用基板の製造方法に関して、産業上の利用可能性が認められる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態におけるパワーモジュール用基板の製造方法により製造されるパワーモジュール用基板を示す構成図である。
【図２】一実施形態におけるパワーモジュール用基板の製造方法を示す工程図である。
【図３】同じく、パワーモジュール用基板の製造方法を示す工程図である。
【図４】同じく、パワーモジュール用基板の製造方法を示す工程図である。
【図５】図１のパワーモジュール用基板を備えるパワーモジュールを示す構成図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  パワーモジュール用基板、１１  セラミックス基板、１１ａ，１１ｂ  溝部
１１ｃ，１１ｄ  配置予定部、１２，１２Ａ  金属層（金属部材）
１３，１３Ａ  回路層（金属部材）、２１  金属母材、２４，２５  反上部
【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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