JP5640610B2 - パワーモジュール用基板の製造装置 - Google Patents

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装置および製造方法に関する。

従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に、回路層となる金属層が積層され、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となる金属層が形成され、この放熱層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。
また、特許文献１には、放熱層となる金属層を設けず、セラミックス基板に直接アルミニウム製のヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。

セラミックス基板に回路層又は放熱層となる金属層を積層状態に接合する場合、特許文献２に示されるように、セラミックス基板にろう材を介して金属層を積層した積層体とクッションシートとをその厚さ方向に交互に重ねて、ばね等の付勢力を加えて加圧しながら加熱することにより、セラミックス基板と金属層とをろう付けする方法が知られている。
クッションシートは、セラミックス基板と金属層との接合面に圧力を均等に作用させるために用いられ、グラファイト製クッション層の両面にカーボン製緻密層が形成されている。
また、このパワーモジュール用基板の製造装置においては、ベース板の四隅にガイドポストが垂直に固定されるとともに、これらガイドポストにベース板と平行な押圧板（加圧板）が上下移動自在に支持されており、押圧板とガイドポストの上端部に固定された固定板との間に、重ねられた積層体とクッションシートとを加圧するための複数のばねが設けられている。

特開２００８−２０５３７２号公報 特開２００８−１９２８２３号公報

しかしながら、特許文献１記載のパワーモジュール用基板の製造装置においては、重ねて配置された積層体とクッションシートとを加圧するために、ベース板や押圧板の他に複数のばねや固定板を用いており、これらがパワーモジュール用基板の全面をカバーし得る大きさとなるため、装置全体の熱容量が大きくなっている。そのため、この製造装置を含めて、全ての積層体を均一に加熱状態とするまでに時間を要するという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、セラミックス基板と金属層とを短時間で接合することができるパワーモジュール用基板の製造装置および製造方法を提供する。

本発明のパワーモジュール用基板の製造装置は、セラミックス基板に金属層を接合材を介して積層した積層体を高温下で加圧することにより接合してパワーモジュール用基板を製造するための装置であって、前記積層体の両面に配置されるクッションシートと、加熱
時の熱膨張に伴う前記積層体及び前記クッションシートの積層高さの増大を拘束する固定手段とを具備するとともに、前記クッションシートは、グラファイト層の両面にカーボン層が形成されてなり、前記固定手段は、前記積層体及び前記クッションシートが載置されるベース板と、前記ベース板の上面に上下方向に沿って取り付けた複数のガイドポストと、前記ベース板上に積み重ねられた前記積層体及び前記クッションシートの上に配置される押圧板と、前記ガイドポストの上端部に取り付けられて前記押圧板の上方への移動を規制するストッパとにより構成されていることを特徴とする。

クッションシートの内部には、熱膨張係数の大きいグラファイト層が設けられていることから、積層体の両面にクッションシートを積層した状態で保持したまま加熱すると、グラファイト層が熱膨張しようとするのに対し、その積層体及びクッションシートの積層高さは固定手段により拘束されているので、その熱膨張力により、積層体はその積層方向に加圧される。したがって、積層体を加圧状態で加熱することができ、強固に接合することができる。しかも、グラファイト層は比較的軟質でありクッション性を有しているので、セラミックス基板の局所的な厚みムラや表面凹凸に追従して積層体を均一に加圧することができる。
このように、ばね等の加圧手段を設けることなく、積層体及びクッションシートの熱膨張を固定手段で拘束するという構成であるから、例えば、ボルトとナット等を用いた簡易な構成とすることができる。このため、装置全体の熱容量を小さくして、接合に要する加熱時間を短縮することができ、セラミックス基板と金属層とを短時間で接合することができる。
なお、積層体に接触する表面はカーボン層により比較的硬質な表面とされており、積層体からの離脱を容易に行うことができる。

さらに、本発明のパワーモジュール用基板の製造装置において、前記ガイドポストの上端部には雄ねじ部が形成されており、前記ストッパは、前記ガイドポストの雄ねじ部に螺合するナットにより構成されているとよい。

本発明によれば、製造装置全体としての熱容量を小さくすることができ、セラミックス基板と金属層との積層体を均一に加圧するとともに、速やかに加熱することができるので、セラミックス基板と金属層とを短時間で接合することができる。

パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す縦断面図である。 本発明のパワーモジュール用基板の製造装置を示す側面図である。 クッションシートを示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、この発明により製造されるパワーモジュール用基板３を適用したパワーモジュール１を示している。この図１のパワーモジュール１は、セラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４と、パワーモジュール用基板３の裏面に接合されたヒートシンク５とから構成される。

パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の両面に金属層６，７が積層されており、その一方の金属層６が回路層となり、その表面に電子部品４が接合される。また、他方の金属層７は放熱層とされ、その表面にヒートシンク５が取り付けられる。

セラミックス基板２は、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成され、その厚さは例えば０．６３５ｍｍとされる。
金属層６，７は、いずれも純度９９．９０質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１Ｎ９０（純度９９．９０質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。
このパワーモジュール用基板３は、放熱層となる金属層７に緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属層６よりも肉厚に形成されたものを用いている。

本実施形態のパワーモジュール用基板３においては、例えば、回路層となる金属層６の厚さは０．６ｍｍとされ、放熱層となる金属層７の厚さが１．５ｍｍとされている。
これら金属層６，７は、プレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板２に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板２に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。

セラミックス基板２と回路層及び放熱層となる金属層６，７とは、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材によりろう付けされている。

なお、金属層６と電子部品４との接合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｚｎ−Ａｌ系もしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。図中符号８がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と金属層６の端子部との間は、アルミニウム等からなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。

一方、ヒートシンク５は、その形状等は特に限定されないが、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、その長さ方向に沿って冷却水を流通させるための多数の流路１６が形成されている。
放熱層となる金属層７とヒートシンク５との間の接合法としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金のろう材によるろう付け法や、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材にフラックスを用いたノコロックろう付け法、金属層およびヒートシンクにＮｉめっきを施し、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−ＡｌもしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によりはんだ付けする方法が用いられ、あるいは、シリコングリースによって密着させた状態でねじによって機械的に固定される。図１では、ろう付けした例を示している。

このパワーモジュール１に用いられているパワーモジュール用基板３の製造装置１００について、本発明に係る実施形態を説明する。
図２に示すように、本実施形態のパワーモジュール用基板の製造装置１００は、接合材であるろう材箔（図示略）を介してセラミックス基板２と金属層６，７とを積層してなる積層体３０の両面に配置されるクッションシート４０と、これら積層体３０とクッションシート４０とを積み重ねた状態で一定高さに保持するための固定手段１１０と、図示略の加熱炉とを備えた構成とされる。

固定手段１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に上下方向に沿って取り付けたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に上下移動自在に支持された押圧板１１３と、ガイドポスト１１２の上端部に設けられた雄ねじ部１１２ａに螺合して押圧板１１３の上方への移動を規制するストッパであるナット１１４とを備えている。
押圧板１１３は、ベース板１１１に対して平行に配置されている。そして、積層体３０およびクッションシート４０は、ベース板１１１と押圧板１１３との間に交互に積層されて、その厚さ方向（積層方向）は、ナット１１４の位置によって所定の間隔をもって保持される。

具体的には、ベース板１１１の上にセラミックス基板２と金属層６，７との積層体３０を、クッションシート４０を介して積み重ねた後、その上に押圧板１１３を配置して、押圧板１１３の上に突出するガイドポスト１１２の雄ねじ部１１２ａにナット１１４を螺合し、そのナット１１４の下面が押圧板１１３の上面に当接した位置、あるいは、その当接位置よりわずかにナット１１４を締めた状態とする。
なお、ガイドポスト１１２は、熱膨張係数が極めて小さいカーボンファイバーを含んだ複合材によって形成されている。

クッションシート４０は、図３に示すように、グラファイト層４１の両面にカーボン層４２をろう付けにより積層した状態に形成される。
グラファイト層４１は、鱗片状のグラファイト薄膜が複数枚雲母のように貼りついて構成されたものであり、天然黒鉛を酸処理した後にシート状に成形してロール圧延してなるものである。この場合、グラファイト層４１の熱膨張係数は、その表面に平行な方向では、５×１０^−６／℃程度であるが、表面に直交する方向（積層方向）では、およそ２×１０^−４／℃と大きいものである。
また、カーボン層４２は、薄膜のカーボン板によって構成されており、３０００℃程度の高温で焼成したものである。

つまり、クッションシート４０は、未焼成のグラファイト層４１の両面に、焼成してなるカーボン層４２が配置された構成であり、内部のグラファイト層４１はかさ密度が０．５Ｍｇ／ｍ^３以上１．３Ｍｇ／ｍ^３以下で軟質であるが、表面のカーボン層４２はかさ密度が１．６Ｍｇ／ｍ^３以上１．９Ｍｇ／ｍ^３以下の比較的硬質で平滑な平面に形成される。
なお、グラファイト層４１の厚みは０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とされ、両面のカーボン層４２の厚みは０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とされる。

そして、これらグラファイト層４１とカーボン層４２とのろう付けには、積層体３０のろう付け時には溶融しない、積層体３０のろう材箔よりも高融点のろう材が用いられる。このようなろう材としては、例えば融点が１２７３〜１３７３ＫのＣｕ−Ｎｉ−Ｍｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍ（Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃｏ）−Ｍｎ系ろう材などが例示される。Ｍ（Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃｏ）は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃｏのうちの少なくとも一種を含むことを意味する。

このように形成されたクッションシート４０と積層体３０とを交互に積層し、これらを厚さ方向に保持する固定手段１１０ごと加熱炉に入れて所定のろう付け温度で加熱することにより、各積層体３０のセラミックス基板２と金属層６，７とをろう付けして、パワーモジュール用基板３を製造することができる。

この際、クッションシート４０の内部には、熱膨張係数の大きいグラファイト層４１が設けられていることから、積層体３０の両面にクッションシート４０を積層した状態で保持したまま加熱すると、グラファイト層４１が熱膨張しようとするのに対し、積層体３０及びクッションシート４０の積層高さはナット１１４により拘束されているので、その熱膨張力により、積層体３０はその積層方向に加圧されることとなる。したがって、積層体３０を加圧状態で加熱することができ、強固に接合することができる。
また、グラファイト層４１は、比較的軟質でありクッション性を有しているので、セラミックス基板２の局所的な厚みムラや表面凹凸に追従して積層体を均一に加圧することができる。

このように、ばね等の加圧手段を設けることなく、積層体３０及びクッションシート４４０の熱膨張をナット１１４で拘束するという簡易な構成とすることができるので、装置全体の熱容量を小さくして、接合に要する加熱時間を短縮することができ、セラミックス基板２と金属層６，７とを短時間で接合することができる。
また、積層体３０に接触するクッションシート４０の表面はカーボン層４２により比較的硬質な表面とされており、積層体３０からの離脱を容易に行うことができる。

本発明の効果確認のために、上述実施形態の構成を用いてパワーモジュール用基板を製造した。また、比較例として、特許文献１に提案されるようなばねによる付勢構造が設けられた製造装置を用いてパワーモジュール用基板を製造し、評価を行った。
比較例の製造装置においては、ベース板、ガイドポスト、押圧板の他に、ばねによる付勢構造として、ばねとばねの背部を支持する固定板とが備えられ、実施例の製造装置には、ばねと固定板による付勢構造に代えてナット１１４が設けられる。

積層体は、板厚０．６３５ｍｍの窒化アルミニウムからなる一辺が３０ｍｍの正方形のセラミックス基板の両側に、Ａｌ−Ｓｉ合金のろう材箔を介して２８ｍｍ角のアルミニウム金属層（回路層の厚み０．６ｍｍ、放熱層の厚み１．５ｍｍ）を配置したものとした。また、クッションシートとしては、厚さ１ｍｍのグラファイト層の両面に、厚さ１ｍｍのカーボン層をろう付けした３５ｍｍ角のものを用いた。そして、各積層体の両面にクッションシートを積層してベース板と押圧板との間に配置して加熱処理を施し、それぞれ１５ユニットのパワーモジュール用基板を製造した。
なお、実施例の製造装置においては、常温時において積層体及びクッションシートが加圧されない程度にナットを締めつけて製造した。また、比較例の製造装置においては、ばねによる付勢力を作用させており、そのばねによる積層方向の押圧力は、０．５×１０^５Ｐａ〜５×１０^５Ｐａとなるものを用いた。

その結果、比較例の製造装置では、適切に使用し得るパワーモジュール用基板の接合力を得るまで５〜６時間の加熱時間を要したところを、実施例の製造装置でパワーモジュール用基板を製造した場合には４時間程度に短縮できることがわかった。

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可能である。
例えば、上記の実施形態においては、クッションシートは、板材のカーボン層をグラファイト層にろう付けして構成されていたが、グラファイト層の熱膨張を拘束せずに構成できるものであればよく、グラファイト層の表面にカーボン層をコーティングして構成しても良いし、その他の方法により構成してもよい。
また、クッションシートは、上記実施形態のように、グラファイト層の両面にそれぞれカーボン層を設けた三層構造のものだけではなく、さらに複数のグラファイト層とカーボン層とを交互に積層して、例えば五層構造等で構成してもよい。また、クッションシートを複数重ねる場合に、全てのクッションシートを同一構成のものとしなくてもよく、グラファイト層の厚いクッションシートや、グラファイト層の薄いクッションシート等が混在していてもよい。
また、固定手段として、ガイドポストの雄ねじ部にナットを締結する構造としたが、ナットに代えて、ガイドポストの任意の位置に固定可能なクランプ等を用いてもよい。
また、上記実施形態では、金属層に純度９９．９０％以上のアルミニウムを用いたが、純度９９％以上のアルミニウム又はアルミニウム合金を用いてもよい。また、回路層及び放熱層となる金属層に同じ材質のものを用いたが、両金属層はこれに限定されるものではなく、回路層及び放熱層を別々の材質としてもよい。例えば、放熱層にアルミニウムを用い、回路層に銅を用いる構成とすることができる。
さらに、上記の実施形態においては、セラミックス基板の両面に回路層及び放熱層となる金属層を積層してパワーモジュール用基板を構成し、その放熱層にヒートシンクを取り付ける構成としていたが、放熱層を設けずにセラミックス基板の裏面に直接ヒートシンクをろう付け等により接合してパワーモジュール用基板を構成してもよい。

さらに、セラミックス基板と金属層とは、拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合してもよい。その接合方法について簡単に説明すると、金属層にスパッタリングによってＡｇを含有する固着層を形成した後、その固着層をセラミックス基板に接触させた状態で積層し、この積層体を加圧、加熱することにより、Ａｇが金属層に拡散して金属層の固着層近傍の融点を低下させ、セラミックス基板と金属層との界面に溶融金属層を形成する。さらに、拡散が進むと、溶融金属層のＡｇ濃度が低下して融点が上昇することにより凝固して、セラミックス基板と金属層とが接合される。

１ パワーモジュール
２ セラミックス基板
３ パワーモジュール用基板
４ 電子部品
５ ヒートシンク
６，７ 金属層（アルミニウム金属層）
８ はんだ接合層
１６ 流路
３０ 積層体
４０ クッションシート
４１ グラファイト層
４２ カーボン層
１００ パワーモジュール用基板の製造装置
１１０ 固定手段
１１１ ベース板
１１２ ガイドポスト
１１２ａ 雄ねじ部
１１３ 押圧板
１１４ ナット（ストッパ）

Claims (2)

1. セラミックス基板に金属層を接合材を介して積層した積層体を高温下で加圧することにより接合してパワーモジュール用基板を製造するための装置であって、前記積層体の両面に配置されるクッションシートと、加熱時の熱膨張に伴う前記積層体及び前記クッションシートの積層高さの増大を拘束する固定手段とを具備するとともに、前記クッションシートは、グラファイト層の両面にカーボン層が形成されてなり、前記固定手段は、前記積層体及び前記クッションシートが載置されるベース板と、前記ベース板の上面に上下方向に沿って取り付けられカーボンファイバーを含んだ複合材により形成された複数のガイドポストと、前記ベース板上に積み重ねられた前記積層体及び前記クッションシートの上に配置される押圧板と、前記ガイドポストの上端部に取り付けられて前記押圧板の上方への移動を規制するストッパとにより構成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造装置。
2. 前記ガイドポストの上端部に雄ねじ部が形成されており、前記ストッパは、前記ガイドポストの雄ねじ部に螺合するナットにより構成されてい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装置。

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