(57)【要約】【課題】ロウ材の回り込みの発生を抑制すると共に接合性を向上させ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２１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１５、１７を有する金属層１２及び回路層１３を形成する打抜工程と、反上部１５、１７がセラミックス基板１１から離間する方向に向けて反り上がるように金属層１２及び回路層１３をセラミックス基板１１上に配置し、金属層１２及び回路層１３とセラミックス基板１１とをロウ付け接合する接合工程とを備える。【選択図】図２
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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、
前記反上部が前記セラミックス基板から離間する方向に向けて反り上がるように前記金属部材を前記セラミックス基板上に配置し、前記金属部材と前記セラミックス基板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】
前記打抜工程で、前記金属母材の表面にロウ材箔を設け、該ロウ材箔を前記金属母材と共に打ち抜く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２００２−９２１２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。また、バリの先端がセラミックス基板と対向することにより、回路層や金属層の外縁部とセラミックス基板との間におけるロウ材層が薄くなり、回路層や金属層の外縁部におけるセラミックス基板との接合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すると共に接合性を向上させ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、前記反上部が前記セラミックス基板から離間する方向に向けて反り上がるように前記金属部材を前記セラミックス基板上に配置し、前記金属部材と前記セラミックス基板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、反上部がセラミックス基板に対する離間方向で反り上がるように金属部材とセラミックス基板とを接合することで、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、反上部の反り上がり方向がセラミックス基板から離間する方向となっているので、ロウ材は金属部材の側面を介して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、金属部材の外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を向上させることができる。
また、金属部材の外縁部においてセラミックス基板との間に十分な厚さのロウ材層を形成できるため、金属部材とセラミックス基板との接合性が向上する。これにより、金属部材に温度変化に起因した応力が作用しても、この応力を吸収できる。したがって、長寿命化が図れる。
【０００７】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前記打抜工程で、前記金属母材の表面にロウ材箔を設け、該ロウ材箔を前記金属母材と共に打ち抜くこととしてもよい。
この発明によれば、金属部材と同時にこの金属部材と同様の外形を有するロウ材箔を形成できるため、製造工程の簡略化が図れる。
【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ロウ材が回り込みにくくなるので、ワイヤの接着性が向上する。また、金属部材とセラミックス基板との接合性が向上するので、長寿命化が図れる。
【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。
【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となっており、後述する金属母材２１を打ち抜くことによって形成されている。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。
そして、金属層１２の外縁部には、外縁端に向かうにしたがって反り上がる反上部１５が外縁部に沿って形成されている。この反上部１５は、上記金属母材２１を打ち抜く際に形成されたいわゆるバリであって、その反り上がり方向がセラミックス基板１１から離間する方向となっている。ここで、反上部１５の金属層１２の中央部に対する突出量であって金属層１２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。
【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１６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となっており、上記金属母材２１を打ち抜くことによって形成されている。また、ロウ材層１６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。
そして、回路層１３の外縁部には、外縁端に向かうにしたがって反り上がる反上部１７が外縁部に沿って形成されている。この反上部１７は、上記金属母材２１を打ち抜く際に形成されたバリであって、その反り上がり方向がセラミックス基板１１から離間する方向となっている。ここで、反上部１７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。
また、回路層１３の上面には、電子部品１８がハンダ層１９によって固着される。ここで、電子部品１８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、金属層１２及び回路層１３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、表面にロウ材箔２４が貼り合わされた金属母材２１を挟持して剪断する。
このロウ材箔２４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２４は、揮発性有機溶剤により金属母材２１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、後述するロウ材箔２４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。
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。
【００１４】
これにより、金属層１２及び回路層１３が、ロウ材箔２４と共に打ち抜かれる。このとき、金属層１２の外縁部には、図２（ｂ）に示すように、外縁端に向かうにしたがって反り上がる反上部１５が外縁部に沿って形成される。そして、金属層１２と共に打ち抜かれたロウ材箔２４Ａは、金属層１２のうち反上部１５の反り上がり方向である一面１２ａに付着している。同様に、回路層１３の外縁部には、図２（ｂ）に示すように、反上部１７が外縁部に沿って形成される。そして、回路層１３と共に打ち抜かれたロウ材箔２４Ｂは、回路層１３のうち反上部１７の反り上がり方向である一面１３ａに付着している。
【００１５】
ここで、金属母材２１及びロウ材箔２４は、図２（ａ）に示すように、ロウ材箔２４が凸型２２と対向するように配置される。これにより、金属母材２１と比較して薄いロウ材箔２４が金属母材２１から剥離することなく金属母材２１とロウ材箔２４とを同時に打ち抜くことができる。
そして、金属層１２の一面１２ａに貼り合わされているロウ材箔２４Ａを剥離し、上述した揮発性有機溶剤により金属層１２の他面１２ｂにロウ材箔２４Ａを再度貼り合わせる。同様に、回路層１３の一面１３ａに貼り合わされているロウ材箔２４Ｂを剥離し、回路層１３の他面１３ｂにロウ材箔２４Ｂを再度貼り合わせる。
なお、ロウ材箔２４を剥離させなければ、金属母材２１及びロウ材箔２４をロウ材箔２４が凸型２２と対向するように配置してもよい。これにより、金属母材２１に貼り合わされているロウ材箔２４を一度剥離して再度配置する必要がなくなり、製造工程の簡略化が図れる。
【００１６】
続いて、金属層１２及び回路層１３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１２及び回路層１３を、図２（ｃ）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１２、セラミックス基板１１及び回路層１３を積層する。このとき、金属層１２は、ロウ材箔２４Ａを介してセラミックス基板１１の下面に配置されており、上述した揮発性有機溶剤により位置決めされる。同様に、回路層１３は、ロウ材箔２４Ｂを介してセラミックス基板１１の上面に配置されており、揮発性有機溶剤により位置決めされる。
【００１７】
そして、金属層１２、セラミックス基板１１及び回路層１３からなる積層体をカーボンヒータ部材２５Ａ、２５Ｂ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２４Ａ、２４Ｂが加熱溶融してロウ材層１４、１６となり、金属層１２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１３がセラミックス基板１１の上面にロウ付けされる。
【００１８】
このとき、金属層１２の反上部１５の反り上がり方向がセラミックス基板１１の下面から離間する方向となっているため、溶融したロウ材箔２４Ａが金属層１２の側面から金属層１２の一面１２ａに回り込むことが抑制される。また、金属層１２の外縁部において金属層１２とセラミックス基板１１との間に間隙が形成されるため、金属層１２の外縁部において十分な厚さのロウ材層１４が形成されて金属層１２とセラミックス基板１１とが十分な強度で接合される。
同様に、回路層１３の反上部１７の反り上がり方向がセラミックス基板１１の上面から離間する方向となっているため、溶融したロウ材箔２４Ｂが回路層１３の一面１３ａに回り込むことが抑制される。また、十分な厚さのロウ材層１６が形成されるので、回路層１３とセラミックス基板１１とが十分な強度で接合される。
なお、揮発性有機溶剤は、ロウ材箔２４Ａ、２４Ｂ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。
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。
【００１９】
次に、金属層１２及び回路層１３におけるロウ材の回り込み状態を、図３及び図４に示す。
ここで、図３は、反上部１５、１７の反り上がり方向がセラミックス基板１１から離間する方向となるように金属層１２の他面１２ｂ及び回路層１３の他面１３ｂをセラミックス基板１１に接合したときにおけるロウ材の回り込み状態を示している。そして、図３（ａ）が回路層１３側から見たパワーモジュール用基板１の平面図であり、図３（ｂ）は金属層１２側から見たパワーモジュール用基板１の平面図である。
また、図４は、反上部１５、１７の反り上がり方向がセラミックス基板１１に接近する方向となるように金属層１２の一面１２ａ及び回路層１３の一面１３ａをセラミックス基板１１に接合したときにおけるロウ材の回り込み状態を示している。そして、図４（ａ）が回路層１３側から見たパワーモジュール用基板１の平面図であり、図４（ｂ）は金属層１２側から見たパワーモジュール用基板１の平面図である。なお、図３及び図４では、複数の金属層１２をセラミックス基板１１に接合している。なお、図３及び図４に示す符号Ｓは、ロウ材が回り込んだ領域を示している。
図３及び図４に示すように、反上部１５、１７の反り上がり方向がセラミックス基板１１から離間する方向となるように金属層１２及び回路層１３とセラミックス基板１１とを接合することにより、接合工程におけるロウ材の回り込みを抑制できることがわかる。
【００２０】
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１８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。
【００２１】
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、反上部１５、１７の反り上がり方向がセラミックス基板１１に対して離間する方向となるように金属層１２及び回路層１３をセラミックス基板１１に接合することで、金属層１２及び回路層１３のそれぞれの一面１２ａ、１３ａにロウ材が回り込むことを抑制できる。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、金属層１２及び回路層１３のそれぞれの外縁部においてセラミックス基板１１との間に十分な厚さのロウ材層１４、１６が形成されるため、金属層１２及び回路層１３とセラミックス基板１１との接合強度が向上する。これにより、パワーモジュール用基板１の長寿命化が図れる。
そして、ロウ材箔２４を金属母材２１に貼り合わせた状態で打抜加工を施すことで、金属層１２及び回路層１３と同様の外形を有するロウ材箔２４Ａ、２４Ｂを同時に形成でき、製造工程が簡略化される。
【００２２】
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、打抜工程では、金属母材とロウ材箔とを貼り合わせた状態で打ち抜いているが、金属母材とロウ材箔とをそれぞれ別個に打ち抜いた後に揮発性有機溶剤などを用いて貼り合わせてもよい。
また、接合工程では、ロウ材箔を用いて金属層及び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。
【００２３】
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】
【００２４】
この発明によれば、ロウ材の回り込みの発生を抑制すると共に接合性を向上させ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】
【００２５】
【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】パワーモジュール用基板を示しており、（ａ）が回路層側から見た平面図、（ｂ）が金属層側から見た平面図である。
【図４】同じく、パワーモジュール用基板を示しており、（ａ）が回路層側から見た平面図、（ｂ）が金属層側から見た平面図である。
【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】
【００２６】
１  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板
１２  金属層（金属部材）
１３  回路層（金属部材）
１５，１７  反上部
２１  金属母材
２４  ロウ材箔
【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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