JP2014072365A

JP2014072365A - パワーモジュール用基板の製造方法

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Publication number: JP2014072365A
Application number: JP2012217186A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Aoki; 慎介青木; Hirokazu Kato; 浩和加藤; Joji Kitahara; 丈嗣北原
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-21
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: JP5853923B2

Abstract

【課題】反り量の小さいパワーモジュール用基板を容易に製造する。
【解決手段】セラミックス基板の両面にそれぞれ金属層を接合することによりパワーモジュール用基板を作製する基板作製工程と、前記パワーモジュール用基板をトレーに設けられた保持面上に載置し、これらパワーモジュール用基板およびトレーを樹脂製フィルムで真空包装することにより、前記パワーモジュール用基板が前記トレーの前記保持面に押圧された状態の真空包装体を形成する真空包装工程と、前記真空包装体を常温よりも低い温度まで冷却する冷却工程とを有するパワーモジュール用基板の製造方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、大電流、高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に関する。

従来のパワーモジュール用基板として、セラミックス基板の一方の面に、アルミニウムもしくは銅等からなる回路層が積層されセラミックス基板の他方の面にアルミニウムもしくは銅等からなる放熱層が形成された構成のものが知られている。そして、この回路層上に半導体チップ等の電子部品がハンダ付けされるとともに、放熱層にヒートシンクが接合されている。

この種のパワーモジュール用基板においては、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。近年では、パワーモジュール用基板の放熱性の向上とともに、ヒートサイクルおよびパワーサイクルに対する耐性の要求が一段と高まっており、回路層および放熱層の厚みもしくは材質が異なるパワーモジュール用基板が検討されている。

しかし、回路層と放熱層とで板材の厚さや材質が異なる場合、セラミックス基板との接合のための加熱処理を経由することにより、パワーモジュール用基板に反りが生じ、ヒートシンクへの取付が阻害される。

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により、反り量をより緩和できることが掲載されている。また、冷却方法として、接合体を真空パックしてドライアイス、液体窒素等に接触させることが記載されている。

特許第３４１９６２０号公報特許第３９２２５３８号公報

特許文献１および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ある程度緩和できるが、パワーモジュール用基板が単体のまま真空パックされていることから、加圧力が不足するという課題があった。また、その冷却工程での取扱性向上のために、さらなる改善が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反り量の小さいパワーモジュール用基板を容易に製造することを目的とする。

本発明は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属層を接合することによりパワーモジュール用基板を作製する基板作製工程と、前記パワーモジュール用基板をトレーに設けられた保持面上に載置し、これらパワーモジュール用基板およびトレーを樹脂製フィルムで真空包装することにより、前記パワーモジュール用基板が前記トレーの前記保持面に押圧された状態の真空包装体を形成する真空包装工程と、前記真空包装体を常温よりも低い温度まで冷却する冷却工程とを有するパワーモジュール用基板の製造方法である。

この製造方法によれば、パワーモジュール用基板を保持したトレーごと真空包装することにより、パワーモジュール用基板を平坦な保持面に押圧した状態に維持することができる。そして、パワーモジュール用基板を平坦に保持している真空包装体を常温よりも低い温度まで冷却することにより、パワーモジュール用基板の反りを低減することができる。

また、この製造方法の冷却工程において、０℃以下−４０℃以上にまで冷却することが好ましい。冷却温度を０℃以下に設定することにより、パワーモジュール用基板の反りを効果的に低減することができる。一方、冷却温度を−４０℃以上に設定することにより、無駄なく効果的に反りを制御することができる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板と金属層とを接合してパワーモジュール用基板を作製した後に、トレーおよび樹脂製フィルムを用いて真空包装して冷却することによって、基板を加圧するための加圧装置などを用いることなく、反り量の小さ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。

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。パワーモジュール用基板を保持するトレーを示す斜視図である。トレーの保持面とパワーモジュール用基板の凹状の面が当接する形態において、樹脂製フィルムを用いて真空包装する状態を示す断面図である。トレーの保持面とパワーモジュール用基板の凸状の面が当接する形態において、樹脂製フィルムを用いて真空包装する状態を示す断面図である。

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。

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（金属層）１２が厚さ方向に積層され、他方の面に放熱層用金属板（金属層）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。

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。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〜５．０ｍｍ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の表面にヒートシンク３０がろう付等によって接合されている。なお、各金属板１２，１３には、純アルミニウム板の他、アルミニウム合金板、銅板または銅合金板を用いることもできる。

本実施形態のパワーモジュール用基板１０においては、（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、例えば、各部材の厚さは回路層用金属板１２が０．６ｍｍ、放熱層用金属板１３が１．６ｍｍ、セラミックス基板１１が０．６３５ｍｍに設定される。

本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０の製造方法は、セラミックス基板１１の両面にそれぞれ金属板１２，１３を接合することによりパワーモジュール用基板１０を作製する基板作製工程と、このパワーモジュール用基板１０をトレー４０に設けられた略平坦な保持面４１上に載置し、これらパワーモジュール用基板１０およびトレー４０を樹脂製フィルム５０で真空包装することにより、パワーモジュール用基板１０がトレー４０の保持面４１に押圧された状態の真空包装体６０を形成する真空包装工程と、真空包装体６０を常温よりも低い冷却温度まで冷却する冷却工程とを有する。

（基板作製工程）
まず、セラミックス基板１１の両面に回路層用金属板１２および放熱層用金属板１３を積層し、これらをろう付、過渡液相接合法（ＴＬＰ接合法：ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＤｉｆｆｕｓｉｏｎＢｏｎｄｉｎｇ）などにより接合してパワーモジュール用基板１０を作製する。作製されたパワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と各金属板１２，１３とを接合した際の熱収縮により反りが生じている場合が多い。

例えばＴＬＰ接合法では、金属板１２，１３の表面に蒸着させた銅層を、金属板１２，１３とセラミックス基板１１との界面に介在させて、加熱する。加熱により、金属板１２，１３のアルミニウム中に銅が拡散し、金属板１２，１３の銅層近傍の銅濃度が上昇して融点が低下し、アルミニウムと銅との共晶域にて接合界面に金属液相が形成される。この金属液相が形成された状態で温度を一定に保持しておくと、金属液相がセラミックス基板１１と反応するとともに、銅がさらにアルミニウム中に拡散することに伴い、金属液相中の銅濃度が徐々に低下して融点が上昇し、温度を一定に保持した状態で凝固が進行する。これにより、金属板１２，１３とセラミックス基板１１との強固な接合が得られる。

あるいは、セラミックス基板１１と銅製の回路層用金属板１２とを、活性金属ろう材を用いて接合する方法を採用することもできる。例えば、活性金属であるＴｉを含む活性金属ろう材（Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉ）を用い、銅製の回路層用金属板１２とセラミックス基板１１との積層体を加圧した状態のまま真空中８４０℃で加熱し、活性金属であるＴｉをセラミックス基板１１に優先的に拡散させて、Ａｇ−Ｃｕ合金を介して回路層用金属板１２とセラミックス基板１１とを接合することができる。

また、セラミックス基板１１とアルミニウム製の回路層用金属板１２とを、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合する方法を採用することもできる。例えば、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉからなるろう材を用い、アルミニウム製の回路層用金属板１２とセラミックス基板１１との積層体を加圧した状態のまま真空中６４０℃で加熱することで回路層用金属板１２とセラミックス基板１１とを接合することができる。

（真空包装工程）
次に、作製したパワーモジュール用基板１０をトレー４０の保持面４１上に載置し、樹脂製フィルム５０で真空包装して真空包装体６０を形成する。図２に、パワーモジュール用基板１０を保持するトレー４０を示す。

トレー４０は、例えば、曲げ弾性率（ＩＳＯ１７８）２１５０ＭＰａ以上、曲げ強さ（ＩＳＯ１７８）５８ＭＰａ以上の物性を備えるＡＡＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ−Ｓｔｙｒｅｎｅ−Ａｃｒｙｌａｔｅ）樹脂ベース持続性帯電防止材料からなる。本実施形態のトレー４０には、図２に示すように、パワーモジュール用基板１０が載置される保持面４１を底面に有する凹部４２が形成されており、各保持面４１にはパワーモジュール用基板１０の保持を阻害しない程度の大きさの貫通孔４１ａが形成されている。このトレー４０は、冷却温度（本実施形態では−２０℃）において曲げ弾性率が１５００ＭＰａ以上、曲げ強さが４０ＭＰａ以上とするのが好ましい。

トレー４０とともにパワーモジュール用基板１０を真空包装する樹脂製フィルム５０としては、ガスバリア性、低温強度等に優れ、冷却温度（本実施形態では−２０℃）における引張強度が２００ＭＰａ以上、引張破断伸度が７０％以上であるフィルム、例えばカウパック株式会社製ＳＰＮ−１１（厚さ１８μｍのバリアＯＮＹ（二軸延伸ナイロンフィルム）に厚さ６７μｍのＬＬＤＰＥ（直鎖状低密度ポリエチレンフィルム）を押し出して圧着したもの）を用いることができる。

図３に示すように、このトレー４０の各保持面４１にパワーモジュール用基板１０を載置して三方が閉じられた袋状の樹脂製フィルム５０に収容し、この袋内を例えば真空包装体６０の真空度が７６ｍｍＨｇ（約１０ｋＰａ）以下となるように真空吸引し、樹脂製フィルム５０の開口部をシールして真空包装体６０を形成する。

このとき、パワーモジュール用基板１０は、表面が凸状となっている面を保持面４１に当接させてもよいが（図４参照）、表面が凹状となっている面を保持面４１に当接させる（図３参照）ことがより好ましい。このように配置することにより、樹脂製フィルム５０が凸状の回路層用金属板１２の略全面に押し付けられるので、真空吸引による樹脂製フィルム５０の圧力をパワーモジュール用基板１０に効率よく作用させ、反りの矯正効果を高めることができる。

（冷却工程）
次に、真空包装体６０を常温よりも低い冷却温度（本実施形態では−２０℃）まで冷却して保持する（本実施形態では２０分間）。このときパワーモジュール用基板１０は、トレー４０と樹脂製フィルム５０との間で拘束されることによって接合時の反りとは逆方向の応力が生じている状態であり、さらに冷却による熱収縮で接合時とは逆方向に反ろうとするので、この応力が増大する。しかしながら、トレー４０および樹脂製フィルム５０によって拘束されているため、パワーモジュール用基板１０には見かけ上の変形がほとんど生じないまま、各金属板１２，１３に塑性変形を生じさせることができる。

すなわち、接合時に反ったパワーモジュール用基板１０をトレー４０および樹脂製フィルム５０によって拘束した状態で冷却することにより、接合時とは逆方向の応力をパワーモジュール用基板１０に生じさせる。そして、その状態で各金属板１２，１３が塑性変形した後にパワーモジュール用基板１０を常温に戻すと、接合時の反りが相殺される。これにより、パワーモジュール用基板１０の反りを緩和することができる。

なお、冷却後のパワーモジュール用基板１０をさらに、例えば６０℃で２０分間保持することにより、パワーモジュール用基板１０を常温に戻す時間を短縮することができ、樹脂製フィルムの開放時に結露の発生を防ぐことができる。

（実施例）
以下、本発明の効果確認試験を行った。
まず、パワーモジュール用基板として、次の構成を有するものを製作した。
本発明例１から４および比較例については、回路層用金属板として２７ｍｍ×２７ｍｍ×０．６ｍｍの純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム板を、セラミックス基板として３０ｍｍ×３０ｍｍ×０．６３５ｍｍのＡｌＮ板を、放熱層用金属板として２８ｍｍ×２８ｍｍ×１．６ｍｍの純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム板を、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉのろう材をそれぞれの板材に介して、ろう付けにより接合した。ろう付け接合の条件は、真空雰囲気中で６４０℃、荷重３．５ｋｇｆ／ｃｍ²とした。

また、本発明例５は、２７ｍｍ×２７ｍｍ×０．３ｍｍの無酸素銅板を、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉのろう材ペーストを用いて、３０ｍｍ×３０ｍｍ×０．６３５ｍｍのＡｌＮ板に活性金属ろう付け法により接合した。ろう付け接合の条件は、真空雰囲気中で８４０℃、荷重３．５ｋｇｆ／ｃｍ²とした。その後、ＡｌＮの他方の面に２８ｍｍ×２８ｍｍ×０．６ｍｍの純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム板を、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉのろう材を用いて、ろう付けにより接合した。ろう付け接合の条件は、真空雰囲気中で６４０℃、荷重３．５ｋｇｆ／ｃｍ²とした。

以上説明した基板作製工程により作製したパワーモジュール用基板１０について、表１に記載のとおり、トレー４０に対するパワーモジュール用基板１０の配置方向およびトレー４０の有無等の条件を変更し、真空包装体６０の真空度を６５ｍｍＨｇとし、真空包装体６０を作製した。本実施例では、トレー４０として、ＡＡＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ−Ｓｔｙｒｅｎｅ−Ａｃｒｙｌａｔｅ）樹脂ベース持続性帯電防止材料からなるトレーを用い、樹脂製フィルム５０としては、カウパック株式会社製ＳＰＮ−１１を用い、パワーモジュール用基板１０の反りの変化を比較する実験を行った。

前記真空包装体６０を表１記載の冷却温度まで冷却し、２０分間保持した後に６０℃で２０分間保持したのち、真空包装体６０からパワーモジュール用基板１０を取り出した。パワーモジュール用基板１０の反りは、冷却前後のパワーモジュール用基板について、Ｍｉｔｓｕｔｏｙｏ製のＱｕｉｃｋＳｃｏｐｅ（三次元測定器）を用いて、平面度を測定することによって評価した。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。

これら本発明例１〜５および比較例から、樹脂製フィルム５０で真空包装して冷却保持することによってパワーモジュール用基板１０の反りを低減できるが、トレー４０を用いると反りの低減効果がより高く、さらにパワーモジュール用基板１０の凹側をトレー４０の保持面４１に当接させることが効果的であることがわかった。

以上説明したように、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板と金属層とを接合してパワーモジュール用基板を作製した後に、これをトレーおよび樹脂製フィルムを用いて真空包装して冷却することによって、基板を加圧するための加圧装置などを用いることなく、反り量の小さ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。

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。

前記実施形態では、１枚のトレー４０にパワーモジュール用基板１０を保持させたものを樹脂製フィルム５０で真空包装して真空包装体６０を作製したが、それぞれパワーモジュール用基板１０を保持させた複数枚のトレー４０を厚さ方向に積層し、樹脂製フィルム５０で一括して真空包装して真空包装体を作製してもよい。この場合、最上層のパワーモジュール用基板１０以外は、パワーモジュール用基板１０の両面がトレー４０の保持面４１に押圧されるので、反りの矯正効果をより高めることができる。

また、前記実施形態ではパワーモジュール用基板１０を保持する凹部４２を備えるトレー４０を用いたが、パワーモジュール用基板を保持するトレーは略平坦な保持面を有していればよく、したがってトレーは単なる板状部材であってもよい。しかしながら、保持面とパワーモジュール用基板との間に真空吸引時のエアの抜け道を設けることが好ましいため、前記実施形態のように保持面に貫通孔を設けたり、保持面を複数の凸条によりパワーモジュール用基板を保持する形状としたりしてもよい。

また、前記実施形態では、６０℃で２０分間保持する処理を行ったが、これはパワーモジュール用基板を常温まで戻す時間を短縮するためのものであって、この処理を省くことも可能である。

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（金属層）
１３放熱層用金属板（金属層）
２０電子部品
３０ヒートシンク
４０トレー
４１保持面
４１ａ貫通孔
４２凹部
５０樹脂製フィルム
１００パワーモジュール

Claims

セラミックス基板の少なくとも一方の面に金属層を接合することによりパワーモジュール用基板を作製する基板作製工程と、
前記パワーモジュール用基板をトレーに設けられた保持面上に載置し、これらパワーモジュール用基板およびトレーを樹脂製フィルムで真空包装することにより、前記パワーモジュール用基板が前記トレーの前記保持面に押圧された状態の真空包装体を形成する真空包装工程と、
前記真空包装体を常温よりも低い温度まで冷却する冷却工程と
を有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。
前記冷却工程において、０℃以下−４０℃以上に冷却す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。