(57)【要約】【課題】焼結体表面に酸化層を形成する際に、焼結体が割れる等の製造上の不具合発生を抑制できるとともに、絶縁基板を高精度に形成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にある。【解決手段】絶縁基板２の表面側及び裏面側にそれぞれ、回路層３又は放熱板４を備えてなるパワーモジュール用基板１の製造方法であって、絶縁基板２を形成するに際し、粉末材料を焼結して焼結体２ａを形成した後、焼結体２ａ表面を研磨し、その後、この表面に酸化層２ｂを形成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の表面側及び裏面側にそれぞれ、回路層又は放熱板を備えてなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記絶縁基板を形成するに際し、粉末材料を焼結して焼結体を形成した後、該焼結体表面を研磨し、その後、該表面に酸化層を形成す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】
請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、
前記酸化層を形成する際に、前記焼結体を２００℃以上１０００℃以下で加熱す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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車や電気車両等、大電圧、大電流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ものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この種のパワーモジュール用基板は、絶縁基板の表面側及び裏面側にそれぞれ、回路層又は放熱板を備えた構成となっている。ここで、放熱板及び回路層は一般に、純Ａｌ又はＡｌ合金等により形成され、絶縁基板はＡｌＮ粉末又はＳｉ３Ｎ４等を焼結することにより形成される。これら絶縁基板の表面側及び裏面側への、回路層又は放熱板の各積層接合は、Ａｌ―Ｓｉ系合金等からなるろう材を介してなされる。
【０００３】
このように構成されたパワーモジュールは、一般に次のように形成される（例えば特許文献１参照）。まず、原料粉末として、それぞれの平均粒径が１μｍ以上３μｍ以下のＡｌＮ粉末、Ｙ２Ｏ３粉末、及びＣａＯ粉末を用い、これら原料粉末をそれぞれ所定量配合した後、グリーンシートを形成する。その後、このグリーンシートを常圧のＮ２雰囲気中、温度１８００℃で焼結し、焼結体を形成する。そして、この焼結体にエッチング処理を施して表面を粗面化した後、この焼結体を温度１３５０℃以上１４５０℃以下で加熱することにより、焼結体表面に酸化層を形成し絶縁基板を形成する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０４−１２５５４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、絶縁基板表面に酸化層を形成する際の加熱温度が高温であるため、この加熱冷却時に絶縁基板に発生する熱ひずみに起因して、この絶縁基板に割れが発生する場合があるという問題があった。また、絶縁基板の寸法精度は、前記焼結体を形成する際の焼結時に決定するため、絶縁基板を高精度に形成できないという問題があった。後者の問題は、近年のパワーモジュール用基板の大容量化に伴う基板の大形化において特に著しい。
【０００６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、焼結体表面に酸化層を形成する際に、焼結体が割れる等の製造上の不具合発生を抑制できるとともに、絶縁基板を高精度に形成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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁基板の表面側及び裏面側にそれぞれ、回路層又は放熱板を備えてなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記絶縁基板を形成するに際し、粉末材料を焼結して焼結体を形成した後、該焼結体表面を研磨し、その後、該表面に酸化層を形成することを特徴とする。
【０００８】
このパワーモジュール用基板の製造方法では、焼結体を形成した後、この焼結体の表面を研磨し、その後、この表面に酸化層を形成するため、パワーモジュール用基板の構造上の特性を損なうことなく、絶縁基板を高精度に形成することができる。すなわち、焼結体を形成した際に、この焼結体表面に生じたうねりを研磨により除去することができ、さらに、この焼結体表面に酸化層を形成するため、絶縁基板と回路層又は放熱板との接合強度の低下を抑制することができる。以上の効果は、大容量化に対応できる大形の絶縁基板において特に著しい効果を奏することになる。
【０００９】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前記酸化層を形成する際に、前記焼結体を２００℃以上１０００℃以下、より好ましくは、２００℃以上６００℃以下で加熱することを特徴とする。
【００１０】
このパワーモジュール用基板の製造方法では、前記酸化層を形成する際に、２００℃以上１０００℃以下、より好ましくは、２００℃以上６００℃以下の比較的低温で加熱するため、酸化層形成時の加熱冷却により、絶縁基板に発生する熱ひずみ量を最小限に抑制することができ、絶縁基板に割れが発生する等の製造上の不具合発生を抑制することができる。また、加熱温度を前記範囲に設定することにより、絶縁基板と回路層又は放熱板との接合を十分な接合強度とする酸化層を形成することができる。以上により、製造上及び製品上の不具合を発生させることなく確実に請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法により得られる効果を実現することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るパワーモジュール用基板及びその製造方法の一実施形態を、図１を参照しながら説明する。
【００１２】
図１に示すように、パワーモジュール用基板１は、絶縁基板２の表面側に回路層３を、絶縁基板２の裏面側に放熱板４をそれぞれ備え、回路層３表面にはＣｕ又はＮｉからなるめっき層６を備えた構成となっている。また、絶縁基板２の表面と回路層３との積層接合、及び絶縁基板２の裏面と放熱板４との積層接合はそれぞれ、Ａｌ―Ｓｉ系合金等からなるろう材５を介してなされる構成となっている。ここで、回路層３及び放熱板４は一般に、純Ａｌ又はＡｌ合金等により形成され、絶縁基板２はＡｌＮ粉末又はＳｉ３Ｎ４等を焼結することにより形成される。
【００１３】
以上のように構成されたパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
まず、原料粉末材料として、いずれも１μｍ以上３μｍ以下の平均粒径を有するＡｌＮ粉末、Ｙ２Ｏ３粉末、及びＣａＯ粉末を用い、これら原料粉末を所定量ずつ配合し、これらを湿式混合した後、乾燥する。そして、これに有機バインダーを添加混合し、ドクターブレード法によりグリーンシートに形成する。
【００１４】
そして、このグリーンシートを常圧、１８００℃のＮ２雰囲気中に置くことで焼結して、ＡｌＮ系の焼結体２ａを形成する。その後、この焼結体２ａ表面のうねり量が所定の範囲となるように焼結体２ａ表面を研磨した後、これを酸素分圧１０１．３ｈＰａ以上２５３．２５ｈＰａ以下、２００℃以上１０００℃以下の雰囲気中に例えば約７時間置き、焼結体２ａの外表面に酸化層２ｂを形成し、絶縁基板２を形成する。
【００１５】
その後、絶縁基板２の表面に回路層３を、絶縁基板２の裏面に放熱板４をそれぞれ、ろう材５を介して積層し、これを５７０℃以上６６０℃以下の真空中に置き、積層接合体を形成した後、この積層接合体を５５０℃以下まで除冷する。そして、回路層３表面に無電解めっき処理を施し、Ｃｕ又はＮｉからなるめっき層６を形成し、パワーモジュール用基板１を形成する。
【００１６】
以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール用基板の製造方法によれば、焼結体２ａを形成した後、この焼結体２ａ表面を研磨し、その後、この表面に酸化層２ｂを形成するため、パワーモジュール用基板１の構造上の特性を損なうことなく、絶縁基板２を高精度に形成することができる。すなわち、焼結体２ａを形成した際に、この焼結体２ａ表面に生じたうねりを研磨により所望の範囲にすることができ、さらに、この焼結体２ａ表面に酸化層２ｂを形成するため、絶縁基板２と回路層３及び放熱板４との接合強度の低下を抑制することができる。以上の効果は、大容量化に対応できる大形の絶縁基板において特に著しい効果を奏することになる。また、酸化層２ｂを形成する際に、酸素分圧を１０１．３ｈＰａ以上２５３．２５ｈＰａ以下と設定したが、この範囲は、大気中でのものと同等であり、特に設定することを要さないため、高効率生産を実現することができる。
【００１７】
次に、本発明により得られる効果を明確にするため、焼結体２ａ外表面に酸化層２ｂを形成する際の加熱温度と加熱処理時間とを異ならせ、その他の製造条件及び寸法は全て同一として、各別に複数の絶縁基板２を形成した。そして、これら各絶縁基板２表面に、回路層３及び放熱板４に一般的に用いられる材質である９９．９９Ａｌからなる平板を、Ａｌ−８Ｓｉ合金からなるろう材を介して積層接合した試験片をそれぞれについて同一の製造条件下で作製し、絶縁基板２と前記平板との接合強度を測定した。
【００１８】
結果を図２に示す。図２は、酸化層２ｂ形成時の各加熱温度毎での加熱処理時間と前記接合強度との関係を示すものである。
この図において、前記加熱温度を２００℃として前記加熱処理時間を７時間以上２４時間以下としたとき、及び前記加熱温度を４００℃として前記加熱処理時間を５時間以上１４時間以下としたとき、及び前記加熱温度を６００℃として前記加熱処理時間を３時間以上７時間以下としたとき、及び前記加熱温度を８００℃として前記加熱処理時間を３時間以上５時間以下としたとき、及び前記加熱温度を１０００℃として前記加熱処理時間を１時間以上３時間以下としたときにそれぞれ得られる前記接合強度が、前述した従来の製造方法により得られる前記接合強度１２０Ｎ／ｃｍと同等かそれ以上となっている。すなわち、前記加熱温度を２００℃以上１０００℃以下に設定して酸化層２ｂを形成すると、絶縁基板２と回路層３及び放熱板４とを十分な接合強度で接合できることが確認できる。
【００１９】
特に、前記加熱温度を２００℃以上６００℃以下として酸化層２ｂを形成した場合は、加熱処理時間の長短によらず安定して高い接合強度が得られることが確認できる。すなわち、前記加熱時間が６００℃を超過した場合、処理時間が６時間以下の短時間であれば、高い接合強度が得られるが、６時間を超過すると急激に接合強度が低下することが確認できる。また、前記加熱温度が２００℃未満の場合は、前記十分な接合強度が得られる酸化層２ｂを形成するのに要する加熱処理時間が、１０時間を超える場合がある、或いは前記十分な接合強度が得られる酸化層２ｂを形成できない場合があることが確認できた（図示略）。
【００２０】
以上により、焼結体２ａ外表面に酸化層２ｂを、２００℃以上１０００℃以下、より好ましくは、２００℃以上６００℃以下の比較的低温の加熱温度で形成しても、絶縁基板２と回路層３及び放熱板４とを十分な接合強度で接合できる酸化層２ｂを形成できることが確認できる。この酸化層２ｂ形成時の加熱温度は、前記従来の製造方法における加熱温度より低温であるため、酸化層２ｂ形成時の加熱冷却による、焼結体２ａに発生する熱ひずみ量を最小限に抑制することできる。従って、焼結体２ａ外表面に酸化層２ｂを形成する際に、前記加熱温度を前記範囲に設定することにより、前記接合不良が発生する等の製品上の不具合、及び焼結体２ａに割れが発生する等の製造上の不具合発生を確実に抑制できることが確認できる。
【００２１】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の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、前記実施形態においては、絶縁基板２の裏面に放熱板４をろう材５を介して設けた構成を示したが、前記裏面と放熱板４との間に純Ａｌ又はＡｌ合金等からなる金属層を介装し、これらをろう材５を介してそれぞれ積層接合した構成にも適用可能である。また、絶縁基板２の裏面側に設けた放熱板４に換えて、回路層３を設け、絶縁基板２の表裏面にそれぞれ回路層３を設けた構成としてもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法によれば、パワーモジュール用基板の構造上の特性を損なうことなく、絶縁基板を高精度に形成することができる。すなわち、焼結体を形成した際に、この焼結体表面に生じたうねりを研磨により除去することができ、さらに、この焼結体表面に酸化層を形成するため、絶縁基板と回路層又は放熱板との接合強度の低下を抑制することができる。以上の効果は、大容量化に対応できる大形の絶縁基板において特に著しい効果を奏することになる。
【００２３】
また、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法によれば、酸化層形成時の加熱冷却により、絶縁基板に発生する熱ひずみ量を最小限に抑制することができ、絶縁基板に割れが発生する等の製造上の不具合発生を抑制することができる。また、加熱温度を前記範囲に設定することにより、絶縁基板と回路層又は放熱板との接合を十分な接合強度とする酸化層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態として示したパワーモジュール用基板を示す側面断面図である。
【図２】酸化層形成時の各加熱温度毎での加熱処理時間と、絶縁基板と放熱板及び回路層との接合強度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  パワーモジュール用基板
２  絶縁基板
２ａ  焼結体
２ｂ  酸化層
３  回路層
４  放熱板
【図１】
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【図２】
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