JP3971296B2 - 金属−セラミックス接合基板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、特に、パワーモジュールなどの大電力電子部品に使用する金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、さらにその金属−セラミックス接合基板を用いたパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するために、パワーモジュールが使用されている。従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれている金属板または複合材の一方の面の上にセラミックス絶縁基板が半田付けにより固定され、このセラミックス絶縁基板上にパワーＩＣが半田付けにより固定されている。また、ベース板の他方の面（以下「裏面」という）には、ねじ止めなどにより熱伝導グリースを介して金属製の放熱フィンや冷却ジャケットが取り付けられている。
【０００３】
セラミックス絶縁基板へのベース板やパワーＩＣの半田付けは加熱により行われるため、半田付けの際に接合部材間の熱膨張係数差によりベース板の反りが生じ易い。また、パワーＩＣにより発生した熱は、セラミックス絶縁基板と半田とベース板を介して放熱フィンや冷却ジャケットにより空気や冷却水に逃がされる。そのため、半田付けの際にベース板の反りが生じると、放熱フィンや冷却ジャケットをベース板に取り付けたときのクリアランスが大きくなり、放熱性が極端に低下するという問題がある。
【０００４】
その大きな理由は以下の通りである。ベース板、放熱フィンおよび冷却ジャケットは、それぞれ金属などからなり、ある程度の反りがあるので、これらを単に接触させても非接触部分が生じるため、効率的な熱伝導を得ることができない。これを補うために、熱伝導グリースを塗布して放熱フィンや冷却ジャケットをベース板に密着させている。しかし、熱伝導グリースの熱伝導率は数Ｗ／ｍであり、ベース板などの他の部材と比べて非常に小さく、熱伝導グリースによる放熱性の低下を避けるために、通常、ベース板などの微小な反りを補う程度に数十μｍから数百μｍの必要最低限の厚さの熱伝導グリースがベース板と放熱フィンや冷却ジャケットの間に塗布されている。しかし、ベース板が百μｍ反るだけで、その部分の熱伝導グリースの厚さが百μｍ厚くなり、放熱性が劣化する。
【０００５】
特に、ベース板の裏面が凹状に大きく反っていると致命的であり、ベース板の中央部分の熱伝導グリースが厚くなってしまう。そこで、これを避けるために、通常、予めベース板に機械的に反りをつけて、半田付け加熱後にベース板の放熱フィンや冷却ジャケットの取り付け側を平坦または凸状に反らせるなどの工夫をしている。
【０００６】
また、近年、ベース板とセラミックス絶縁基板との間を半田付けすることなく、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板をセラミックス基板に直接接合した金属セラミックス回路基板も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−７６５５１号公報（段落番号００１５）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開２００２−７６５５１号公報に開示された金属セラミックス回路基板の場合でも、ベース板とセラミックス絶縁基板の半田付けが不要になり、これらの間の熱伝導性は改善されたものの、パワーＩＣを回路上に半田付けする必要があるために、この加熱後にベース板の裏面をできるだけ平坦または凸状に反らせる必要がある。
【０００９】
また、特開２００２−７６５５１号公報に開示された金属セラミックス回路基板は、セラミックス基板に対してベース板の形状にアルミニウム溶湯を流し込んで凝固させることによりセラミックス基板にアルミニウム板を接合させたものであり、この金属セラミックス回路基板をパワーＩＣの半田付けのために通炉すると、ベース板や接合しているセラミックス基板が大きい場合には、ベース板の裏面が大きく凹状に反り易い傾向が認められる。このようなベース板の裏面の大きな凹状の反りがあると、放熱板と放熱フィンまたは冷却ジャケットとの密着性の悪さによって放熱性が低下するという問題がある。
【００１０】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、半田付けのために加熱しても裏面が大きく凹状に反るのを防止することができる、金属−セラミックス接合基板、その製造方法およびその金属−セラミックス接合基板を用いたパワーモジュールを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、ベース板の裏面に加工硬化層を形成することにより、金属−セラミックス接合基板の裏面が大きく凹状に反るのを防止することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合されるとともに他方の面に放熱板の一方の面が接合された金属−セラミックス接合基板において、放熱板の他方の面に加工硬化層を有することを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板において、加工硬化層が、ショットピーニングによって放熱板の表面を加工硬化させることにより形成された層であるのが好ましい。放熱板の他方の面の反り量は、好ましくは−２００μｍ以上、さらに好ましくは−１００〜＋５００μｍ、最も好ましくは０〜＋２００μｍである。また、金属回路板と放熱板がセラミックス基板に直接接合されてもよい。
【００１３】
また、本発明によるパワーモジュールは、上記の金属−セラミックス接合基板の金属回路板上に半導体チップが半田付けされていることを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板を接合するとともに他方の面に放熱板の一方の面を接合した後、この放熱板の他方の面に加工硬化層を形成することを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、加工硬化層をショットピーニングによって形成するのが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施の一形態を説明する。
【００１６】
図１および図２は、本発明による金属−セラミックス接合基板を使用したパワーモジュールの製造工程を説明する概略図である。これらの図に示すように、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態では、セラミックス基板１０の一方の面に金属回路板１２が接合され、他方の面に放熱板（金属ベース板）１４が接合され、さらに放熱板１４上にショットピーニングによる加工硬化層１６が形成されている。この金属−セラミックス接合基板の金属回路板１２上には、半導体チップ（Ｓｉチップ）１８が半田付けされる（図中２０は半田層を示す）。また、図示しないが、半導体チップ１８と金属回路板１２の配線のためのＡｌ線のワイヤボンディングや、プラスチックパッケージを放熱板１４に接着して、セラミックス基板１０、金属回路板１２、半導体チップ１８などをカバーして、その中に絶縁性のゲルを充填するなどの工程を経て、パワーモジュールが作製される。さらに、このパワーモジュールの裏面側（加工硬化層１６側）に、ねじ２２などによりサーマルグリース２４を介して放熱フィン２６が取り付けられる。
【００１７】
本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態では、加工の簡便性から、ショットピーニングによって加工硬化層１６が形成されている。一般に、アルミニウムや銅などの金属からなる放熱板にセラミックスまたは金属のボールを高圧で衝突させると、ピーニング効果により、数μｍから数百μｍ程度の厚さの表層部が硬化して、加工硬化した金属層が形成される。このピーニング効果により硬化した層が放熱板の裏面側にあると、理由は明確ではないが、半田付け加熱の際に熱膨張により裏面側が伸びる量が冷却の際に熱収縮により裏面側が縮む量により大きくなると考えられ、加熱後に放熱板の裏面を凸状に反らせることができる。さらに試験を重ねた結果、この反り量は、ピーニング層の厚さや加工硬化度により任意に制御することができることがわかった。したがって、加工硬化層が、放熱板の裏面の反り、特に半田付けなどの熱処理後の放熱板の裏面の反りに影響することが明らかになった。また、ピーニング層の厚さは、衝突させるボールの材質、比重、衝突させる速度（ブラストする圧力）によって制御することができ、ピーニング層の加工硬化度は、ボールを衝突させる時間によって制御することができる。
【００１８】
なお、放熱板に衝突させるボールの材料としては、金属、セラミックス、ガラスなどがあるが、ピーニング効果を得るためには比較的高い圧力が必要となるため、高い圧力でも繰り返し使用できる材料として、形状が球形で変形し難いセラミックスやガラスが好ましい。また、放熱板がアルミニウム板や銅板などの柔らかい板の場合には、衝突させるボールが突き刺さるという問題もあり、球形を維持し且つ強度が高いセラミックスのボールを使用するのが好ましい。このセラミックスとしては、アルミナを使用することもできるが、磨耗し難く且つ強度も高いジルコニアを使用するのが好ましい。
【００１９】
また、ショットピーニングの方法としては、乾式で空気圧によりノズルから放熱板にボールを噴霧し、ノズルが放熱板に対して並行に移動するとともに、放熱板がノズルの移動方向に垂直な方向に移動して、連続的且つ均一に処理できる方法を使用することができる。
【００２０】
従来では、金属−セラミックス絶縁基板にＳｉチップなどの半導体チップなどを半田付けした後に、放熱板の裏面が大きく凹状に反る場合が多かった。本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態では、放熱板の裏面にショットピーニングによる加工硬化層を形成することにより、放熱板の裏面が略平坦または凸状に反り、放熱板をサーマルグリースを介して放熱フィンや冷却ジャケットにより密着させることができる。
【００２１】
なお、本明細書中において、反り量とは、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、放熱板１４の放熱フィン側の中心部と縁部の高さの差Ｄをいい、放熱板１４が放熱フィン側に凸状に反っているときの反り量を正（＋）とし（図３（ａ）の場合）、放熱フィン側に凹状に反っているときの反り量を負（−）とする（図３（ｂ）の場合）。
【００２２】
本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施の形態では、本来半導体チップなどの半田付け後に金属−セラミックス接合基板の裏面が大きく凹状に反る、すなわち金属−セラミックス接合基板の反り量が大きな負の値になるのを防止して、正の値に近づけ、あるいは完全に正の値にすることができる。半田付け前の金属−セラミックス接合基板の反り量は、半導体チップを載せることができる程度の反り量、例えば、±１ｍｍ程度の反り量であれば問題はない。サーマルグリースを介して放熱板に放熱フィンや冷却ジャケットを取り付ける際には、放熱板の四隅や端部に形成された穴および放熱フィンなどに形成された穴にねじを通して締め付けることによって、放熱板に放熱フィンなどを取り付けている。したがって、放熱板の裏面が正の反り量を有する、すなわち放熱板の裏面が凸状に反っていれば、ねじ止めによって放熱板が平坦になるように変形し、サーマルグリースが馴染んで、サーマルグリースの厚さをほぼ所望の厚さ（例えば、５０〜２００μｍ）にすることができ、良好な放熱性を得ることができる。しかし、放熱板の裏面が大きな負の反り量を有する、すなわち放熱板の裏面が大きく凹状に反っていると、半導体チップが主に載置されている金属−セラミックス接合基板の中央部付近のサーマルグリースの厚さが厚くなり、放熱性が大きく劣化する。但し、放熱板の裏面が大きな正の反り量を有する、すなわち放熱板の裏面が必要以上に大きく凸状に反っていると、ねじ止めの際の放熱板の変形が大きくなり、セラミックス基板にクラックが生じるなどの問題が生じる可能性がある。
【００２３】
したがって、半田付け後の放熱板の裏面の反り量は、好ましくは−２００μｍ以上、さらに好ましくは−１００〜＋５００μｍ、最も好ましくは０〜＋２００μｍである。すなわち、反り量が−２００μｍより小さくなると、放熱フィンや冷却ジャケットが放熱板に取り付けられたときに、熱伝導グリースが厚くなり過ぎて、電子回路部品としてチップなどの放熱を確保することが難しいため、放熱板の裏面の反り量は−２００μｍ以上であることが好ましい。また、反り量が−１００μｍ〜＋５００μｍであれば、放熱フィンや冷却ジャケットのアセンブリ時おける放熱板の変形が比較的小さく、その放熱板に接合されているセラミックス基板にクラックが発生するおそれがなくなるので好ましい。さらに、反り量が０〜＋２００μｍであれば、放熱板に放熱フィンや冷却ジャケットを取り付ける際の熱伝導グリースの厚さをほぼ均一にすることができ、その熱伝導グリースの量も減らすことができるため、高い放熱性を得ることができる。例えば、パワーモジュールに使用されるＩＧＢＴ素子などの放熱にも余裕を持って対応することができる。また、アセンブリ時における放熱板の変形も小さいため、セラミックス基板におけるクラックの発生が抑えられ、さらに、パワーモジュールに組み込まれて使用する際に様々な熱衝撃が加わった場合でも、高い信頼性を得ることができるので好ましい。したがって、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態は、特に高信頼性が要求される自動車用や列車用のパワーモジュールにも適用することができる。
【００２４】
また、金属回路板と放熱板がセラミックス基板に直接接合される場合には、予め放熱板に反りをつけて直接接合することが困難であるため、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態は、金属回路板と放熱板を直接接合した金属−セラミックス接合基板に適用する場合に特に有効である。さらは、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態の金属回路板上に半導体チップが半田付けされたパワーモジュールは、放熱性および信頼性のいずれも優れている。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００２６】
［実施例１］
９０×８０×０．６３５ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板２枚を１０ｍｍの間隔でカーボン製鋳型に設置し、窒素雰囲気の７３０℃の炉内において９９．９％（３Ｎ）の純アルミニウムの溶湯を被膜をとって鋳型に流し込んだ。この鋳型として、それぞれの窒化アルミニウム基板の一方の面に２２０×９０×５ｍｍの大きさの金属ベース板が形成されるとともに他方の面に８９×７９×０．４ｍｍの大きさの金属回路板が形成されるように溝が形成されている鋳型を使用した。アルミニウム溶湯を鋳型に流し込んだ後、この鋳型を室温まで冷却してアルミニウムを凝固させ、アルミニウム板とセラミックス基板の接合体を作製した。
【００２７】
次に、このアルミニウム−セラミックス接合体の金属回路板上に、所定形状のレジストマスクを印刷して乾燥させ、塩化鉄溶液でエッチングし、回路パターンを形成した。さらに、このアルミニウム−セラミックス接合体の裏面の金属ベース板に、ショットブラスト装置によって、６０メッシュ以下のＺｒＯ２球状ボールを圧力４ｋｇ／ｃｍ２で３分間一様に吹き付けて、ピーニング処理を行った。
【００２８】
その後、回路パターン側のみに約４μｍの厚さのＮｉ−Ｐメッキを施し、その上に１０×１０×０．１ｍｍの大きさの板状の共晶半田を介して同じ大きさのパワーＩＣを８組載せ、Ｎ：Ｈ＝４：１の体積比の雰囲気中においてピーク温度３８０℃×１０分で合計１時間加熱することにより、半田付けを行った。
【００２９】
この半田付けの後、常温における金属ベース板の裏面の反り量を接触式三次元測定機によって測定したところ、約１００μｍの反り量で凸状に反っていた。
【００３０】
さらに、パワーＩＣと金属回路板と端子の間のＡｌ線のワイヤボンディングによる接続、プラスチックケースの放熱板への接着、絶縁ゲルによる封止などの工程を経て、パワーモジュールを作製した。このパワーモジュールに放熱フィンをねじ止めにより取り付けたところ、半導体チップの放熱性の問題はなく、良好であった。
【００３１】
［比較例］
９０×８０×０．６３５ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板２枚を１０ｍｍの間隔でカーボン製鋳型に設置し、窒素雰囲気の７３０℃の炉内において９９．９％（３Ｎ）の純アルミニウムの溶湯の被膜をとって鋳型に流し込んだ。この鋳型として、それぞれの窒化アルミニウム基板の一方の面に２２０×９０×５ｍｍの大きさの金属ベース板が形成されるとともに他方の面に８９×７９×０．４ｍｍの大きさの金属回路板が形成されるように溝が形成されている鋳型を使用した。アルミニウム溶湯を鋳型に流し込んだ後、この鋳型を室温まで冷却してアルミニウムを凝固させ、アルミニウム板とセラミックス基板の接合体を作製した。
【００３２】
次に、このアルミニウム−セラミックス接合体の金属回路板上に、所定形状のレジストマスクを印刷して乾燥させ、塩化鉄溶液でエッチングし、回路パターンを形成した。
【００３３】
その後、回路パターン側のみに約４μｍの厚さのＮｉ−Ｐメッキを施し、その上に１０×１０×０．１ｍｍの大きさの板状の共晶半田を介して同じ大きさのパワーＩＣを８組載せ、Ｎ：Ｈ＝４：１の体積比の雰囲気中においてピーク温度３８０℃×１０分で合計１時間加熱することにより、半田付けを行った。
【００３４】
この半田付けの後、常温における金属ベース板の裏面の反り量を接触式三次元測定機によって測定したところ、約５００μｍの反り量で凹状に反っていた。
【００３５】
さらに、実施例と同様にパワーモジュールを作製し、このパワーモジュールに放熱フィンをねじ止めにより取り付けたところ、半導体チップの放熱性が悪く、動作不良が起こった。
【００３６】
［実施例２〜８］
６０メッシュ以下のＺｒＯ２球状ボールをそれぞれ圧力４ｋｇ／ｃｍ２で５分間（実施例２）、圧力４ｋｇ／ｃｍ２で１分間（実施例３）、圧力５ｋｇ／ｃｍ２で１分間（実施例４）、圧力５ｋｇ／ｃｍ２で３分間（実施例５）、圧力５ｋｇ／ｃｍ２で５分間（実施例６）、圧力３ｋｇ／ｃｍ２で１分間（実施例７）、圧力３ｋｇ／ｃｍ２で３分間（実施例８）一様に吹き付けてピーニング処理を行ったこと以外は、実施例１と同様の方法によりアルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、実施例１と同様の方法により常温における金属ベース板の裏面の反り量を測定したところ、それぞれ＋２００μｍ（実施例２）、−５０μｍ（実施例３）、＋１０００μｍ（実施例４）、＋１５００μｍ（実施例５）、＋３０００μｍ（実施例６）、−１００μｍ（実施例７）、−１００μｍ（実施例８）であった。
【００３７】
なお、実施例１および２では、放熱フィンをねじ止めした際に、熱伝導グリースの厚さは均一で５０μｍ程度であり、放熱性が非常に良く、パワー素子の放熱にも余裕をもって対応することができることがわかった。また、実施例３、７および８では、放熱フィンをねじ止めした際に、熱伝導グリースの厚さは不均一であったが、厚い部分でも１００〜１５０μｍ程度であり、パワーモジュール用として放熱性に問題はなく、十分な特性であった。さらに、実施例４、５および６では、放熱フィンをねじ止めした際に、熱伝導グリースの厚さは１５０μｍ程度であり、パワーモジュール用として放熱性に問題はなく、十分な特性であった。但し、実施例４〜６では、ねじ止めの際に、比較的反りが大きいため、セラミックス基板にクラックが生じないようにゆっくり締め付ける必要があった。一方、比較例では、放熱フィンをねじ止めした際に、熱伝導グリースの厚さは不均一であり、厚い部分では約５５０μｍであり、前述したように、パワーモジュール用としての必要な放熱性を得ることができなかった。
【００３８】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、金属−セラミックス接合基板を半田付けのために加熱しても裏面が凹状に大きく反るのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態を使用したパワーモジュールの製造工程を説明する概略図。
【図２】本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態を使用したパワーモジュールの製造工程を説明する概略図。
【図３】本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態における放熱板の反り量を説明する概略図。
【符号の説明】
１０ セラミックス基板
１２ 金属回路板
１４ 放熱板
１６ 加工硬化層
１８ 半導体チップ
２０ 半田層
２２ ねじ
２４ サーマルグリース
２６ 放熱フィン
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、特に、パワーモジュールなどの大電力電子部品に使用する金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、さらにその金属−セラミックス接合基板を用いたパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するために、パワーモジュールが使用されている。従来のパワーモジュールでは、ベース板と呼ばれている金属板または複合材の一方の面の上にセラミックス絶縁基板が半田付けにより固定され、このセラミックス絶縁基板上にパワーＩＣが半田付けにより固定されている。また、ベース板の他方の面（以下「裏面」という）には、ねじ止めなどにより熱伝導グリースを介して金属製の放熱フィンや冷却ジャケットが取り付けられている。
【０００３】
セラミックス絶縁基板へのベース板やパワーＩＣの半田付けは加熱により行われるため、半田付けの際に接合部材間の熱膨張係数差によりベース板の反りが生じ易い。また、パワーＩＣにより発生した熱は、セラミックス絶縁基板と半田とベース板を介して放熱フィンや冷却ジャケットにより空気や冷却水に逃がされる。そのため、半田付けの際にベース板の反りが生じると、放熱フィンや冷却ジャケットをベース板に取り付けたときのクリアランスが大きくなり、放熱性が極端に低下するという問題がある。
【０００４】
その大きな理由は以下の通りである。ベース板、放熱フィンおよび冷却ジャケットは、それぞれ金属などからなり、ある程度の反りがあるので、これらを単に接触させても非接触部分が生じるため、効率的な熱伝導を得ることができない。これを補うために、熱伝導グリースを塗布して放熱フィンや冷却ジャケットをベース板に密着させている。しかし、熱伝導グリースの熱伝導率は数Ｗ／ｍであり、ベース板などの他の部材と比べて非常に小さく、熱伝導グリースによる放熱性の低下を避けるために、通常、ベース板などの微小な反りを補う程度に数十μｍから数百μｍの必要最低限の厚さの熱伝導グリースがベース板と放熱フィンや冷却ジャケットの間に塗布されている。しかし、ベース板が百μｍ反るだけで、その部分の熱伝導グリースの厚さが百μｍ厚くなり、放熱性が劣化する。
【０００５】
特に、ベース板の裏面が凹状に大きく反っていると致命的であり、ベース板の中央部分の熱伝導グリースが厚くなってしまう。そこで、これを避けるために、通常、予めベース板に機械的に反りをつけて、半田付け加熱後にベース板の放熱フィンや冷却ジャケットの取り付け側を平坦または凸状に反らせるなどの工夫をしている。
【０００６】
また、近年、ベース板とセラミックス絶縁基板との間を半田付けすることなく、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板をセラミックス基板に直接接合した金属セラミックス回路基板も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−７６５５１号公報（段落番号００１５）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開２００２−７６５５１号公報に開示された金属セラミックス回路基板の場合でも、ベース板とセラミックス絶縁基板の半田付けが不要になり、これらの間の熱伝導性は改善されたものの、パワーＩＣを回路上に半田付けする必要があるために、この加熱後にベース板の裏面をできるだけ平坦または凸状に反らせる必要がある。
【０００９】
また、特開２００２−７６５５１号公報に開示された金属セラミックス回路基板は、セラミックス基板に対してベース板の形状にアルミニウム溶湯を流し込んで凝固させることによりセラミックス基板にアルミニウム板を接合させたものであり、この金属セラミックス回路基板をパワーＩＣの半田付けのために通炉すると、ベース板や接合しているセラミックス基板が大きい場合には、ベース板の裏面が大きく凹状に反り易い傾向が認められる。このようなベース板の裏面の大きな凹状の反りがあると、放熱板と放熱フィンまたは冷却ジャケットとの密着性の悪さによって放熱性が低下するという問題がある。
【００１０】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、半田付けのために加熱しても裏面が大きく凹状に反るのを防止することができる、金属−セラミックス接合基板、その製造方法およびその金属−セラミックス接合基板を用いたパワーモジュールを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、ベース板の裏面に加工硬化層を形成することにより、金属−セラミックス接合基板の裏面が大きく凹状に反るのを防止することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合されるとともに他方の面に放熱板の一方の面が接合された金属−セラミックス接合基板において、放熱板の他方の面に加工硬化層を有することを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板において、加工硬化層が、ショットピーニングによって放熱板の表面を加工硬化させることにより形成された層であるのが好ましい。放熱板の他方の面の反り量は、好ましくは−２００μｍ以上、さらに好ましくは−１００〜＋５００μｍ、最も好ましくは０〜＋２００μｍである。また、金属回路板と放熱板がセラミックス基板に直接接合されてもよい。
【００１３】
また、本発明によるパワーモジュールは、上記の金属−セラミックス接合基板の金属回路板上に半導体チップが半田付けされていることを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板を接合するとともに他方の面に放熱板の一方の面を接合した後、この放熱板の他方の面に加工硬化層を形成することを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、加工硬化層をショットピーニングによって形成するのが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施の一形態を説明する。
【００１６】
図１および図２は、本発明による金属−セラミックス接合基板を使用したパワーモジュールの製造工程を説明する概略図である。これらの図に示すように、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態では、セラミックス基板１０の一方の面に金属回路板１２が接合され、他方の面に放熱板（金属ベース板）１４が接合され、さらに放熱板１４上にショットピーニングによる加工硬化層１６が形成されている。この金属−セラミックス接合基板の金属回路板１２上には、半導体チップ（Ｓｉチップ）１８が半田付けされる（図中２０は半田層を示す）。また、図示しないが、半導体チップ１８と金属回路板１２の配線のためのＡｌ線のワイヤボンディングや、プラスチックパッケージを放熱板１４に接着して、セラミックス基板１０、金属回路板１２、半導体チップ１８などをカバーして、その中に絶縁性のゲルを充填するなどの工程を経て、パワーモジュールが作製される。さらに、このパワーモジュールの裏面側（加工硬化層１６側）に、ねじ２２などによりサーマルグリース２４を介して放熱フィン２６が取り付けられる。
【００１７】
本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態では、加工の簡便性から、ショットピーニングによって加工硬化層１６が形成されている。一般に、アルミニウムや銅などの金属からなる放熱板にセラミックスまたは金属のボールを高圧で衝突させると、ピーニング効果により、数μｍから数百μｍ程度の厚さの表層部が硬化して、加工硬化した金属層が形成される。このピーニング効果により硬化した層が放熱板の裏面側にあると、理由は明確ではないが、半田付け加熱の際に熱膨張により裏面側が伸びる量が冷却の際に熱収縮により裏面側が縮む量により大きくなると考えられ、加熱後に放熱板の裏面を凸状に反らせることができる。さらに試験を重ねた結果、この反り量は、ピーニング層の厚さや加工硬化度により任意に制御することができることがわかった。したがって、加工硬化層が、放熱板の裏面の反り、特に半田付けなどの熱処理後の放熱板の裏面の反りに影響することが明らかになった。また、ピーニング層の厚さは、衝突させるボールの材質、比重、衝突させる速度（ブラストする圧力）によって制御することができ、ピーニング層の加工硬化度は、ボールを衝突させる時間によって制御することができる。
【００１８】
なお、放熱板に衝突させるボールの材料としては、金属、セラミックス、ガラスなどがあるが、ピーニング効果を得るためには比較的高い圧力が必要となるため、高い圧力でも繰り返し使用できる材料として、形状が球形で変形し難いセラミックスやガラスが好ましい。また、放熱板がアルミニウム板や銅板などの柔らかい板の場合には、衝突させるボールが突き刺さるという問題もあり、球形を維持し且つ強度が高いセラミックスのボールを使用するのが好ましい。このセラミックスとしては、アルミナを使用することもできるが、磨耗し難く且つ強度も高いジルコニアを使用するのが好ましい。
【００１９】
また、ショットピーニングの方法としては、乾式で空気圧によりノズルから放熱板にボールを噴霧し、ノズルが放熱板に対して並行に移動するとともに、放熱板がノズルの移動方向に垂直な方向に移動して、連続的且つ均一に処理できる方法を使用することができる。
【００２０】
従来では、金属−セラミックス絶縁基板にＳｉチップなどの半導体チップなどを半田付けした後に、放熱板の裏面が大きく凹状に反る場合が多かった。本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態では、放熱板の裏面にショットピーニングによる加工硬化層を形成することにより、放熱板の裏面が略平坦または凸状に反り、放熱板をサーマルグリースを介して放熱フィンや冷却ジャケットにより密着させることができる。
【００２１】
なお、本明細書中において、反り量とは、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、放熱板１４の放熱フィン側の中心部と縁部の高さの差Ｄをいい、放熱板１４が放熱フィン側に凸状に反っているときの反り量を正（＋）とし（図３（ａ）の場合）、放熱フィン側に凹状に反っているときの反り量を負（−）とする（図３（ｂ）の場合）。
【００２２】
本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施の形態では、本来半導体チップなどの半田付け後に金属−セラミックス接合基板の裏面が大きく凹状に反る、すなわち金属−セラミックス接合基板の反り量が大きな負の値になるのを防止して、正の値に近づけ、あるいは完全に正の値にすることができる。半田付け前の金属−セラミックス接合基板の反り量は、半導体チップを載せることができる程度の反り量、例えば、±１ｍｍ程度の反り量であれば問題はない。サーマルグリースを介して放熱板に放熱フィンや冷却ジャケットを取り付ける際には、放熱板の四隅や端部に形成された穴および放熱フィンなどに形成された穴にねじを通して締め付けることによって、放熱板に放熱フィンなどを取り付けている。したがって、放熱板の裏面が正の反り量を有する、すなわち放熱板の裏面が凸状に反っていれば、ねじ止めによって放熱板が平坦になるように変形し、サーマルグリースが馴染んで、サーマルグリースの厚さをほぼ所望の厚さ（例えば、５０〜２００μｍ）にすることができ、良好な放熱性を得ることができる。しかし、放熱板の裏面が大きな負の反り量を有する、すなわち放熱板の裏面が大きく凹状に反っていると、半導体チップが主に載置されている金属−セラミックス接合基板の中央部付近のサーマルグリースの厚さが厚くなり、放熱性が大きく劣化する。但し、放熱板の裏面が大きな正の反り量を有する、すなわち放熱板の裏面が必要以上に大きく凸状に反っていると、ねじ止めの際の放熱板の変形が大きくなり、セラミックス基板にクラックが生じるなどの問題が生じる可能性がある。
【００２３】
したがって、半田付け後の放熱板の裏面の反り量は、好ましくは−２００μｍ以上、さらに好ましくは−１００〜＋５００μｍ、最も好ましくは０〜＋２００μｍである。すなわち、反り量が−２００μｍより小さくなると、放熱フィンや冷却ジャケットが放熱板に取り付けられたときに、熱伝導グリースが厚くなり過ぎて、電子回路部品としてチップなどの放熱を確保することが難しいため、放熱板の裏面の反り量は−２００μｍ以上であることが好ましい。また、反り量が−１００μｍ〜＋５００μｍであれば、放熱フィンや冷却ジャケットのアセンブリ時おける放熱板の変形が比較的小さく、その放熱板に接合されているセラミックス基板にクラックが発生するおそれがなくなるので好ましい。さらに、反り量が０〜＋２００μｍであれば、放熱板に放熱フィンや冷却ジャケットを取り付ける際の熱伝導グリースの厚さをほぼ均一にすることができ、その熱伝導グリースの量も減らすことができるため、高い放熱性を得ることができる。例えば、パワーモジュールに使用されるＩＧＢＴ素子などの放熱にも余裕を持って対応することができる。また、アセンブリ時における放熱板の変形も小さいため、セラミックス基板におけるクラックの発生が抑えられ、さらに、パワーモジュールに組み込まれて使用する際に様々な熱衝撃が加わった場合でも、高い信頼性を得ることができるので好ましい。したがって、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態は、特に高信頼性が要求される自動車用や列車用のパワーモジュールにも適用することができる。
【００２４】
また、金属回路板と放熱板がセラミックス基板に直接接合される場合には、予め放熱板に反りをつけて直接接合することが困難であるため、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態は、金属回路板と放熱板を直接接合した金属−セラミックス接合基板に適用する場合に特に有効である。さらは、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態の金属回路板上に半導体チップが半田付けされたパワーモジュールは、放熱性および信頼性のいずれも優れている。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００２６】
［実施例１］
９０×８０×０．６３５ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板２枚を１０ｍｍの間隔でカーボン製鋳型に設置し、窒素雰囲気の７３０℃の炉内において９９．９％（３Ｎ）の純アルミニウムの溶湯を被膜をとって鋳型に流し込んだ。この鋳型として、それぞれの窒化アルミニウム基板の一方の面に２２０×９０×５ｍｍの大きさの金属ベース板が形成されるとともに他方の面に８９×７９×０．４ｍｍの大きさの金属回路板が形成されるように溝が形成されている鋳型を使用した。アルミニウム溶湯を鋳型に流し込んだ後、この鋳型を室温まで冷却してアルミニウムを凝固させ、アルミニウム板とセラミックス基板の接合体を作製した。
【００２７】
次に、このアルミニウム−セラミックス接合体の金属回路板上に、所定形状のレジストマスクを印刷して乾燥させ、塩化鉄溶液でエッチングし、回路パターンを形成した。さらに、このアルミニウム−セラミックス接合体の裏面の金属ベース板に、ショットブラスト装置によって、６０メッシュ以下のＺｒＯ２球状ボールを圧力４ｋｇ／ｃｍ２で３分間一様に吹き付けて、ピーニング処理を行った。
【００２８】
その後、回路パターン側のみに約４μｍの厚さのＮｉ−Ｐメッキを施し、その上に１０×１０×０．１ｍｍの大きさの板状の共晶半田を介して同じ大きさのパワーＩＣを８組載せ、Ｎ：Ｈ＝４：１の体積比の雰囲気中においてピーク温度３８０℃×１０分で合計１時間加熱することにより、半田付けを行った。
【００２９】
この半田付けの後、常温における金属ベース板の裏面の反り量を接触式三次元測定機によって測定したところ、約１００μｍの反り量で凸状に反っていた。
【００３０】
さらに、パワーＩＣと金属回路板と端子の間のＡｌ線のワイヤボンディングによる接続、プラスチックケースの放熱板への接着、絶縁ゲルによる封止などの工程を経て、パワーモジュールを作製した。このパワーモジュールに放熱フィンをねじ止めにより取り付けたところ、半導体チップの放熱性の問題はなく、良好であった。
【００３１】
［比較例］
９０×８０×０．６３５ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板２枚を１０ｍｍの間隔でカーボン製鋳型に設置し、窒素雰囲気の７３０℃の炉内において９９．９％（３Ｎ）の純アルミニウムの溶湯の被膜をとって鋳型に流し込んだ。この鋳型として、それぞれの窒化アルミニウム基板の一方の面に２２０×９０×５ｍｍの大きさの金属ベース板が形成されるとともに他方の面に８９×７９×０．４ｍｍの大きさの金属回路板が形成されるように溝が形成されている鋳型を使用した。アルミニウム溶湯を鋳型に流し込んだ後、この鋳型を室温まで冷却してアルミニウムを凝固させ、アルミニウム板とセラミックス基板の接合体を作製した。
【００３２】
次に、このアルミニウム−セラミックス接合体の金属回路板上に、所定形状のレジストマスクを印刷して乾燥させ、塩化鉄溶液でエッチングし、回路パターンを形成した。
【００３３】
その後、回路パターン側のみに約４μｍの厚さのＮｉ−Ｐメッキを施し、その上に１０×１０×０．１ｍｍの大きさの板状の共晶半田を介して同じ大きさのパワーＩＣを８組載せ、Ｎ：Ｈ＝４：１の体積比の雰囲気中においてピーク温度３８０℃×１０分で合計１時間加熱することにより、半田付けを行った。
【００３４】
この半田付けの後、常温における金属ベース板の裏面の反り量を接触式三次元測定機によって測定したところ、約５００μｍの反り量で凹状に反っていた。
【００３５】
さらに、実施例と同様にパワーモジュールを作製し、このパワーモジュールに放熱フィンをねじ止めにより取り付けたところ、半導体チップの放熱性が悪く、動作不良が起こった。
【００３６】
［実施例２〜８］
６０メッシュ以下のＺｒＯ２球状ボールをそれぞれ圧力４ｋｇ／ｃｍ２で５分間（実施例２）、圧力４ｋｇ／ｃｍ２で１分間（実施例３）、圧力５ｋｇ／ｃｍ２で１分間（実施例４）、圧力５ｋｇ／ｃｍ２で３分間（実施例５）、圧力５ｋｇ／ｃｍ２で５分間（実施例６）、圧力３ｋｇ／ｃｍ２で１分間（実施例７）、圧力３ｋｇ／ｃｍ２で３分間（実施例８）一様に吹き付けてピーニング処理を行ったこと以外は、実施例１と同様の方法によりアルミニウム−セラミックス接合基板を作製し、実施例１と同様の方法により常温における金属ベース板の裏面の反り量を測定したところ、それぞれ＋２００μｍ（実施例２）、−５０μｍ（実施例３）、＋１０００μｍ（実施例４）、＋１５００μｍ（実施例５）、＋３０００μｍ（実施例６）、−１００μｍ（実施例７）、−１００μｍ（実施例８）であった。
【００３７】
なお、実施例１および２では、放熱フィンをねじ止めした際に、熱伝導グリースの厚さは均一で５０μｍ程度であり、放熱性が非常に良く、パワー素子の放熱にも余裕をもって対応することができることがわかった。また、実施例３、７および８では、放熱フィンをねじ止めした際に、熱伝導グリースの厚さは不均一であったが、厚い部分でも１００〜１５０μｍ程度であり、パワーモジュール用として放熱性に問題はなく、十分な特性であった。さらに、実施例４、５および６では、放熱フィンをねじ止めした際に、熱伝導グリースの厚さは１５０μｍ程度であり、パワーモジュール用として放熱性に問題はなく、十分な特性であった。但し、実施例４〜６では、ねじ止めの際に、比較的反りが大きいため、セラミックス基板にクラックが生じないようにゆっくり締め付ける必要があった。一方、比較例では、放熱フィンをねじ止めした際に、熱伝導グリースの厚さは不均一であり、厚い部分では約５５０μｍであり、前述したように、パワーモジュール用としての必要な放熱性を得ることができなかった。
【００３８】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、金属−セラミックス接合基板を半田付けのために加熱しても裏面が凹状に大きく反るのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態を使用したパワーモジュールの製造工程を説明する概略図。
【図２】本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態を使用したパワーモジュールの製造工程を説明する概略図。
【図３】本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態における放熱板の反り量を説明する概略図。
【符号の説明】
１０ セラミックス基板
１２ 金属回路板
１４ 放熱板
１６ 加工硬化層
１８ 半導体チップ
２０ 半田層
２２ ねじ
２４ サーマルグリース
２６ 放熱フィン
Claims (9)
- セラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合されるとともに他方の面に放熱板の一方の面が接合された金属−セラミックス接合基板において、放熱板の他方の面に加工硬化層を有することを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
- 前記加工硬化層が、ショットピーニングによって前記放熱板の表面を加工硬化させることにより形成された層であることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記放熱板の他方の面の反り量が−２００μｍ以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記放熱板の他方の面の反り量が−１００〜＋５００μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記放熱板の他方の面の反り量が０〜＋２００μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記金属回路板と前記放熱板が前記セラミックス基板に直接接合されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
- 請求項１乃至６のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の前記金属回路板上に半導体チップが半田付けされていることを特徴とする、パワーモジュール。
- セラミックス基板の一方の面に金属回路板を接合するとともに他方の面に放熱板の一方の面を接合した後、この放熱板の他方の面に加工硬化層を形成することを特徴とする、金属−セラミックス接合基板の製造方法。
- 前記加工硬化層をショットピーニングによって形成することを特徴とする、請求項８に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
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