JP5664679B2 - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1には、複数の回路要素を厚さの薄いブリッジ部で相互に接続した状態の銅回路組立体を調整する一方、セラミックス基板にTiなどの活性金属を含有するAg−Cu−Ti等の接合材を銅回路組立体の形状パターンで印刷しておき、これらを積層して加熱することにより接合し、その後、エッチング処理によりブリッジ部を除去することが開示されている。
特許文献2には、セラミックス母板と金属板とをろう材箔を介して積層して接合した後、金属板をエッチングして回路パターンを形成し、セラミックス母板の回路パターン間に溝を形成してセラミックス母板を溝に沿って分割することにより、複数のパワーモジュール用基板を製造する方法が開示されている。
この場合、金属板を予め個片化しておき、その個片の形状に合わせた形状パターンのろう材を使用することが考えられるが、これらを積層して、加圧、加熱処理する際の位置ずれ防止の技術が望まれる。
なお、ポリエチレングリコールは、常温で固体であり、加熱により溶融するが、低融点の高分子化合物であるため、セラミックス板又は銅回路板への塗布作業が容易であるとともに、常温に冷却することにより固化してセラミックス板と銅回路板とを接合材層を介して接着状態とすることができ、また、接合工程においては接合温度に達する前に速やかに分解するので、接合面に影響を及ぼすこともない。
活性金属ろう材は、その中に含まれるTi等の活性金属がセラミックスに含まれるN、O又はCと反応するため、セラミックス板に塗布した方が、セラミックス板との濡れ性が良く、接合性が良好となる。
複数の回路要素を一括して接合できるとともに、ブリッジ部の裏面が回路要素の裏面(接合面)に対して凹部となっているので、接合面から接合材が濡れ広がることが抑制される。
また、複数の回路要素をブリッジ部により接続しているので、複数の回路要素を一度にセラミックス板に位置合わせして積層することが可能である。
まず、第1実施形態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説明すると、図6に示すように、このパワーモジュール用基板10は、セラミックス基板20と、このセラミックス基板20の片面に接合された銅回路板30と、セラミックス基板20の反対側の表面に接合された放熱板40とを備えている。この場合、セラミックス基板20及び放熱板40は矩形平板状に形成されるが、銅回路板30は、所望の回路パターンに形成される。
銅回路板30は、無酸素銅やタフピッチ銅等の純銅又は銅合金(本発明では単に銅と称す)により形成され、板材をプレスで打ち抜くことにより、所望の回路パターンに形成されている。銅回路板30の厚さは0.3mm〜4mmとされる。この銅回路板30は、後述するように、セラミックス基板にTi等の活性金属を含有するAg−TiやAg−Ti−Cuなどの活性金属ろう材からなる接合材によって接合される。
放熱板40は、純度99.90%以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金(単にアルミニウムと称す)により形成され、厚さ0.5mm〜2mmで、通常はセラミックス基板10より小さい矩形の平板状に形成される。この放熱板40は、セラミックス基板20にAl−Si系、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系またはAl−Mn系等のろう材を接合材として接合される。
セラミックス基板20を複数並べて形成し得る面積のセラミックス板21を用意する。銅回路板30及び放熱板40は、個々のパワーモジュール用基板10に用いられる製品寸法のものを用意する。セラミックス板21の片面にまず銅回路板30を複数並べて積層し、その積層体を加圧加熱して接合した後、セラミックス板21の反対面に放熱板40をそれぞれ接合し、その後、セラミックス板21を分割してパワーモジュール用基板10に個片化する。以下、工程順に詳述する。
この銅回路板積層工程においては、図1に示すように、銅回路板30とセラミックス板21とを積層する際の位置決めを補助するための位置決め治具100が用いられる。この位置決め治具100は、各銅回路板30を配置するための複数の凹部101を有する基台102と、これら凹部101に配置された銅回路板30に対してセラミックス板21を位置決めしながら案内するガイド壁103とが設けられている。
凹部101は、銅回路板30の厚さよりも小さい深さを有しており、基台102の上面に相互間隔をおいて配置されている。この凹部101に銅回路板30を収容することにより、各銅回路板30の上面が水平面に沿って面一に配置される。
ガイド壁103は、基台102の上面の例えば3箇所に、複数の凹部101の配置箇所を3方から囲むように立設されている。そして、これらガイド壁103の内側面が垂直方向に沿って形成されており、これら内側面にセラミックス板21の3辺を接触させた状態で上下方向に案内する構成である。
なお、ガイド壁103は、少なくともセラミックス板21の一つの隅部で直交する2辺を案内するように設けられていればよい。
活性金属ろう材は、Ag及び活性金属(例えばTi)を含む金属粉末と、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメチルメタクリレート、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等の有機バインダと、トルエン、 シクロヘキサノン、ジアセトンアルコール、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、テルピネオール、テキサノ−ル、トリエチルシトレート等の溶剤と、分散剤、可塑剤、還元剤等を混合してペースト状に形成したものであり、金属粉末として、Ag−8.8質量%Ti、Ag−27.4質量%Cu−2.0質量%Tiが好適に用いられる。
この活性金属ろう材をスクリーン印刷法等によりセラミックス板21の表面における各銅回路板30の接合予定位置にそれぞれ塗布することにより、銅回路板30の外形と同じ形状パターンの接合材層71をセラミックス板21の表面に形成する。
この仮止め材72を加温して溶融状態とし、例えば銅回路板30の表面における隅部等の複数箇所に滴下することにより、銅回路板30表面に塗布する。
そして、位置決め治具100の基台102を加熱するなどにより、仮止め材72を溶融状態としておき、その上から接合材層71を形成したセラミックス板21をガイド壁103に沿って案内しながら積層することにより、これら銅回路板30とセラミックス板21とを位置決め状態に積層する。
なお、大量生産等の際には、銅回路板30に滴下した仮止め材72を一旦常温まで冷却して固化させておくことにより、仮止め材72を塗布した銅回路板30を多数用意しておき、これら銅回路板30をセラミックス板21に積層する際に、銅回路板30を順次加温して仮止め材72を再溶融した後にセラミックス板21に積層するようにしてもよい。
このようにして積層状態としたセラミックス板21と銅回路板30との積層体11を図3に示すように当て板80を介在させて複数組積み重ねた状態で積層方向に加圧し、その加圧状態のまま真空中で加熱することにより、セラミックス板21と銅回路板30とをその間に介在させた接合材層71により接合する。この接合材71には、活性金属が含まれているので、真空中で加熱すると、セラミックス板21の表面に活性金属であるTiがセラミックス板21に含まれるN又はOと反応して窒化物や酸化物等を形成するとともに、Agが銅回路板30のCuとの反応により溶融金属層を形成し、これが冷却凝固することによりAg‐Cu共晶層を介して銅回路板30とセラミックス板21とが接合される。
この銅回路板接合工程により、セラミックス板21の上に複数の銅回路板30が接合された接合体12が作製される。
放熱板40は、Al−Si系、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系またはAl−Mn系等のろう材を接合材73としてセラミックス板21に接合される。融点降下元素であるSiを含有したAl−Si系ろう材が好適であり、厚さ5μm〜50μmの箔の形態で用いられる。
接合方法としては、放熱板40とセラミックス板21との間に接合材(ろう材箔)73を介在させて積層する、あるいは放熱板40を形成するためのアルミニウム板に接合材73を溶接等により仮止めしておき、プレスで打ち抜くことにより、接合材73が仮止めされた放熱板40を形成し、その放熱板40の接合材73側をセラミックス板21に重ねて積層する、などの方法とすることができる。この放熱板40の積層作業においても、図1に示したような位置決め治具を用いてもよい。
この放熱板接合工程により、図5に示すように、セラミックス板21の片面に銅回路板30、反対面に放熱板40がそれぞれ接合された接合体13が得られる。
セラミックス板21の銅回路板30間に図5の鎖線で示すようにレーザー加工等によって溝90を形成し、その溝90に沿ってセラミックス板21を分割することにより、図6に示すように、セラミックス基板20の片面に銅回路板30、反対面に放熱板40が接合された個々のパワーモジュール用基板10が形成される。
セラミックス板21の溝90は、銅回路板30を接合する前に形成しておいてもよい。
図7は、セラミックス板21に接合される前の銅回路板33を示しており、この銅回路板33は複数の回路要素33aがブリッジ部35bにより接続された状態に形成されている。このブリッジ部33bは、回路要素33aよりも薄肉に形成されるとともに、図8に示すように回路要素33aの裏面(接合面)に対して凹部となるように回路要素33aの上面側に配置されている。
そして、セラミックス板21に前述の第1実施形態における銅回路板積層工程と同様に、銅回路板33の裏面にポリエチレングリコールを主成分として含む仮止め材72を付着しておき、セラミックス板21表面の接合材層71上に仮止めされる。セラミックス板21の接合材層71も、銅回路板33の各回路要素33aの形状、配置に対応して形成される。
そして、第1実施形態と同様に、銅回路板接合工程、放熱層接合工程、分割工程を実施するが、銅回路板接合工程の後、銅回路板33のブリッジ部33bを除去するためのエッチング処理が施される。ブリッジ部33bはセラミックス板21の表面から離間して、接合されていない状態であるので、エッチング処理により容易に除去することができる。
この実施形態においては、複数の銅回路板30をブリッジ部35により連結状態とした銅回路板構成体36が形成され、この銅回路板構成体36の端部に直角に屈曲した位置決め片37が設けられており、銅回路板積層工程において銅回路板30をセラミックス板21に積層する際に、位置決め片37がセラミックス板21の側面に当接することにより、銅回路板構成体36の各銅回路板30とセラミックス板21とが一括して位置決めされるようになっている。この場合、位置決め片37は、セラミックス板21の隅部で直角に交差する2辺に当接するように2箇所に設けられる。
銅回路板構成体32をセラミックス板21に積層した後は、銅回路板接合工程、放熱板接合工程、分割工程を経てパワーモジュール用基板が製造されるが、その途中で、銅回路板構成体36の各ブリッジ部35及び位置決め片37がエッチング処理等によって除去される。
仮止め材をスポット的に付着したものと、銅回路板の全面に塗布したものとで、接合状態を評価した。評価は超音波画像測定機により、接合面における未接合部の有無を観察した。仮止め材を使用しない従来例のものも作製した。
図10が仮止め材を使用しなかった従来例、図11が仮止め材を銅回路板の四隅に直径3mm〜4mmの点状に塗布した実施例、図12は銅回路板の全面に仮止め材を塗布した実施例を示す。仮止め材の塗布量は、図11が合計6.9mg〜9.2mg、図12が37.3mg〜41.5mgであった。
これらの図において、黒い矩形部分が接合面であり、未接合部は白くなるが、仮止め材を用いたものは周縁まで明確であり、したがって仮止め材を用いたとしても接合性には影響がないことがわかる。
これらの仮止め材を用い、銅回路板をセラミックス板の接合材層上に積層し、真空中で加圧加熱して得られた接合体に対し、横ズレ、ペースト剥離、Cu/AlN接合性を評価した。
横ズレは、銅回路板に仮止め材をそれぞれ付着してセラミックス板の接合層に積層し、冷却後にセラミックス板を横に約30mm/sの速度で振って銅回路板にずれが生じるか否かを目視により確認することにより評価した。横ズレが認められなかったものを○、横ズレが生じていたものを×とした。
ペースト剥離は、銅回路板を接合材層に積層した後、接合材層のAg−Tiペーストが仮止め材との反応により溶解することによって、剥離が生じないか否かを目視により評価した。ペースト剥離が認められなかったものを○、剥離が認められたものを×とした。
Cu/AlN接合性は、接合後の初期状態、及び−40℃と100℃との間の冷熱サイクルを3000回負荷した後の状態で、それぞれ前述した超音波画像測定機により、接合面の未接合部の有無を観察することにより評価した。接合面に2%以上の未接合部が認められなかったものを○、5%以上の未接合部または直径2mm以上のボイドが認められたものを×とし、いずれにも該当しない軽微な未接合部が認められるものを△とした。
これらの結果を図13に示す。
実施形態では銅回路板にポリエチレングリコールを主成分とする仮止め材を付着し、セラミックス板に活性金属ろう材からなる接合材層を形成したが、逆に、セラミックス板に仮止め材を付着し、銅回路板に接合材層を形成してもよい。
20 セラミックス基板
21 セラミックス板
30 銅回路板
35 銅回路板
35a 回路要素
35b ブリッジ部
40 放熱板
50 ヒートシンク
60 電子部品
61 はんだ層
71 接合材層
72 仮止め材
80 当て板
90 溝
100 位置決め治具
101 凹部
102 ガイド壁
Claims (3)
- 複数のセラミックス基板を並べて形成し得る面積のセラミックス板に、複数の銅回路板を相互間隔をおいて接合した後、これら銅回路板の間で前記セラミックス板を分割して複数のパワーモジュール用基板を製造する方法であって、
前記セラミックス板又は前記銅回路板のいずれか一方に前記銅回路板の外形と同形状の活性金属ろう材からなる接合材層を形成するとともに、他方に常温で固体のポリエチレングリコールを主成分とする仮止め材を溶融状態で塗布しておき、該仮止め材により前記セラミックス板の上に前記接合材層と前記銅回路板とを位置合わせして積層した状態で常温に冷却して仮止めする積層工程と、
その積層体を積層方向に加圧して加熱することにより、前記セラミックス板と前記銅回路板とを接合する接合工程と
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。 - 前記接合材層が前記セラミックス板の表面にペーストを塗布して形成されたものであり、前記積層工程は、前記仮止め材を前記銅回路板に塗布して前記セラミックス板上の各接合材層にそれぞれ積層する
ことを特徴とする請求項1記載のパワーモジュール用基板の製造方法。 - 前記銅回路板のうちの少なくとも一部は、複数の回路要素をブリッジ部により接続してなり、前記ブリッジ部の裏面は前記回路要素の裏面に対して凹部となるように形成されていることを特徴とする請求項1又は2記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
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