JP4311303B2 - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、大電流、大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ものである。
この種のパワーモジュールは一般に、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等により形成されたセラミックス基板の一方の表面側に、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金により形成された導体パターンが配設されたパワーモジュール用基板と、前記セラミックス基板の他方の表面側に配設された放熱体と、前記導体パターンの上面に配設された発熱体としての半導体チップと、前記放熱体の下面に配設された冷却シンク部とを備え、前記発熱体からの熱を前記放熱体および冷却シンク部を介して外部へ放散させる構成となっている。
ここで、前記導体パターンは、一般に、例えば下記特許文献１に示すように、セラミックス基板の表面に、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金により形成された板状の母材をはんだ付け若しくはろう付けにより接合した後に、この母材にエッチング処理を施すことにより形成されている。
特許第２９５３１６３号公報
ここで、前記導体パターンは、一般に、例えば下記特許文献１に示すように、セラミックス基板の表面に、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金により形成された板状の母材をはんだ付け若しくはろう付けにより接合した後に、この母材にエッチング処理を施すことにより形成されている。
しかしながら、前記従来では、前記母材にエッチング処理を施すことにより導体パターンを形成していたので、処理時間がかかり高効率生産を実現することが困難であるという問題があった。また、エッチング処理により形成された導体パターンは、その上面側（発熱体側）から下面側（セラミックス基板側）に向うに従い漸次幅が広くなるため、近年のパワーモジュールのコンパクト化、導体パターンの細線化に対する要望に応えることが困難であるという問題があった。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、高効率生産、および導体パターンの細線化を実現することが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。
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板表面に導体パターンが配設されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板の表面に、揮発性有機媒体の表面張力によって、ろう材箔を仮固定するとともに、該ろう材箔の表面に、前記表面張力によって、母材から打ち抜かれた導体パターン部材を仮固定した後に、これらを加熱し、前記揮発性有機媒体を揮発させるとともに、少なくとも前記導体パターン部材をその厚さ方向に加圧し、前記ろう材箔を溶融させて前記導体パターン部材を前記セラミックス基板の表面に接合することを特徴とする。
この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、前記表面張力によって前記仮固定した後に、ろう材箔を溶融させて導体パターン部材をセラミックス基板の表面に接合するので、エッチング処理を施すことなく、セラミックス基板の表面に導体パターンを配設することが可能になり、パワーモジュール用基板の高効率生産、および導体パターンの細線化を実現することができる。
ここで、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、前記セラミックス基板の表面に、前記ろう材箔を介して前記導体パターン部材を仮固定するに際し、母材から打ち抜かれた前記導体パターン部材を打ち抜き孔に嵌め込んだ状態で、前記セラミックス基板の表面に対向させて配置した後に、前記導体パターン部材を前記セラミックス基板の表面に向けて押圧して前記母材から抜き出すとともに、該導体パターン部材を前記セラミックス基板の表面に前記ろう材箔を介して仮固定してもよい。
この場合、母材から打ち抜かれた前記導体パターン部材を打ち抜き孔に嵌め込んだ状態で、これを前記セラミックス基板の表面に対向させて配置した後に、前記導体パターン部材を前記セラミックス基板の表面に向けて押圧して前記母材から抜き出すとともに、該導体パターン部材を前記セラミックス基板の表面に前記ろう材箔を介して仮固定するので、導体パターン部材をセラミックス基板の表面における所望の位置に比較的高精度にかつ容易に位置決めして仮固定することが可能になる。
また、請求項２記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記母材から前記導体パターン部材を打ち抜く際に予め、前記母材と前記ろう材箔とを前記揮発性有機媒体の表面張力によって仮固定しておき、この状態で前記ろう材箔ごと前記導体パターン部材を打ち抜くことを特徴とする。
この場合、前記ろう材箔ごと前記母材から導体パターン部材を打ち抜くので、前記導体パターン部材をセラミックス基板表面に接合させた際、ろう材が、セラミックス基板に前記導体パターン部材と無関係に付着する、いわゆるしみが発生することを最小限に抑制することができ、高品質なパワーモジュール用基板を形成することができる。
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１から図３は、本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法の工程図を示すものであり、図４は、図１から図３に示す製造方法により形成されたパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュール１０であって、パワーモジュール用基板１１と放熱体２１と冷却シンク部２２と、発熱体としての半導体チップ２３とを備えている。
パワーモジュール用基板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等により形成されたセラミックス基板１２の上面側に導体パターン１３が配設されるとともに、下面側に金属層１４が配設されている。導体パターン１３、金属層１４はともに、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金により形成されるとともに、セラミックス基板１２に、後述するように、Ａｌ−Ｓｉ系若しくはＡｌ−Ｇｅ系のろう材箔１５ａに基づいて接合されている。
そして、導体パターン１３の上面に半導体チップ２３がはんだ層１６を介して接合されている。また、金属層１４の下面に放熱体２１が配設されており、これら１４、２１ははんだ層１６、若しくはろう付けや拡散接合により接合されている。さらに、放熱体２１の下面には、内部に冷却液や冷却空気等の冷媒が通過する流通孔２２ａが形成された冷却シンク部２２が配設されている。なお、冷却シンク部２２と放熱体２１とは、例えば図示しないねじにより締結固定され、また、流通孔２２ａは、図示しない冷媒循環手段と連結され、前記冷媒を供給および回収できるようになっている。これにより、半導体チップ２３からの熱を放熱体２１および冷却シンク部２２を介して外部へ放散できるようになっている。
そして、導体パターン１３の上面に半導体チップ２３がはんだ層１６を介して接合されている。また、金属層１４の下面に放熱体２１が配設されており、これら１４、２１ははんだ層１６、若しくはろう付けや拡散接合により接合されている。さらに、放熱体２１の下面には、内部に冷却液や冷却空気等の冷媒が通過する流通孔２２ａが形成された冷却シンク部２２が配設されている。なお、冷却シンク部２２と放熱体２１とは、例えば図示しないねじにより締結固定され、また、流通孔２２ａは、図示しない冷媒循環手段と連結され、前記冷媒を供給および回収できるようになっている。これにより、半導体チップ２３からの熱を放熱体２１および冷却シンク部２２を介して外部へ放散できるようになっている。
次に、以上のように構成されたパワーモジュール用基板１１の製造方法について図１から図３に基づいて説明する。
まず、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる第１母材１３ａの一方の表面に、図示しない揮発性有機媒体を均一に塗布した後に、Ａｌ−Ｓｉ系若しくはＡｌ−Ｇｅ系のろう材箔１５ａを載置し、前記揮発性有機媒体の表面張力によって、第１母材１３ａの一方の表面にその全域に亙ってろう材箔１５ａを仮固定する。この状態で、形成する導体パターン１３の外形形状に沿って、ろう材箔１５ａごと第１母材１３ａを打ち抜くことにより、導体パターン部材１３ｂを形成する。この導体パターン部材１３ｂにおいては、その一方の表面の全域に亙って、この外形形状と略同一とされたろう材箔１５ａが前記表面張力により仮固定され、これら１３ｂ、１５ａを平面視したときに、導体パターン部材１３ｂの外周縁からろう材箔１５ａが略はみ出ていない状態となっている。その後、第１母材１３ａから打ち抜かれた導体パターン部材１３ｂを打ち抜き孔に嵌め込み、第１プッシュバック部材１３ｃを形成する。
まず、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる第１母材１３ａの一方の表面に、図示しない揮発性有機媒体を均一に塗布した後に、Ａｌ−Ｓｉ系若しくはＡｌ−Ｇｅ系のろう材箔１５ａを載置し、前記揮発性有機媒体の表面張力によって、第１母材１３ａの一方の表面にその全域に亙ってろう材箔１５ａを仮固定する。この状態で、形成する導体パターン１３の外形形状に沿って、ろう材箔１５ａごと第１母材１３ａを打ち抜くことにより、導体パターン部材１３ｂを形成する。この導体パターン部材１３ｂにおいては、その一方の表面の全域に亙って、この外形形状と略同一とされたろう材箔１５ａが前記表面張力により仮固定され、これら１３ｂ、１５ａを平面視したときに、導体パターン部材１３ｂの外周縁からろう材箔１５ａが略はみ出ていない状態となっている。その後、第１母材１３ａから打ち抜かれた導体パターン部材１３ｂを打ち抜き孔に嵌め込み、第１プッシュバック部材１３ｃを形成する。
アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる第２母材１４ａについても、第１母材１３ａと同様にして、ろう材箔１５ａを仮固定した状態で、形成する金属層１４の外形形状に沿って、ろう材箔１５ａごと第２母材１４ａを打ち抜くことにより、金属層部材１４ｂを形成した後に、第２母材１４ａから打ち抜かれた金属層部材１４ｂを打ち抜き孔に嵌め込み、第２プッシュバック部材１４ｃを形成する。
ここで、前記揮発性有機媒体としては、例えば２〜３価の多価アルコールが挙げられ、粘度は１×１０−３Ｐａ・ｓ以上、好ましくは２０×１０−３Ｐａ・ｓ以上１５００×１０−３Ｐａ・ｓ以下、表面張力は、８０×１０−３Ｎ／ｍ以下、好ましくは２０×１０−３Ｎ／ｍ以上６０×１０−３Ｎ／ｍ以下とされ、また、温度が、ろう材箔１５ａの溶融温度以下、具体的には４００℃以下、好ましくは３００℃以下になったときに揮発するようになっている。
ここで、前記揮発性有機媒体としては、例えば２〜３価の多価アルコールが挙げられ、粘度は１×１０−３Ｐａ・ｓ以上、好ましくは２０×１０−３Ｐａ・ｓ以上１５００×１０−３Ｐａ・ｓ以下、表面張力は、８０×１０−３Ｎ／ｍ以下、好ましくは２０×１０−３Ｎ／ｍ以上６０×１０−３Ｎ／ｍ以下とされ、また、温度が、ろう材箔１５ａの溶融温度以下、具体的には４００℃以下、好ましくは３００℃以下になったときに揮発するようになっている。
次に、図１に示すように、セラミックス基板１２の上方に、ろう材箔１５ａがセラミックス基板１２の上面に対向するように第１プッシュバック部材１３ｃを配置する一方、該基板１２の下方に、ろう材箔１５ａがセラミックス基板１２の下面に対向するように第２プッシュバック部材１４ｃを配置する。そして、図２に示すように、導体パターン部材１３ｂの外周縁に沿った内面形状の第１ガイド孔４１ａが穿設された第１テンプレート４１を、第１プッシュバック部材１３ｃとセラミックス基板１２の上面との間に配置し、また、金属層部材１４ｂの外周縁に沿った内面形状の第２ガイド孔４２ａが穿設された第２テンプレート４２を、第２プッシュバック部材１４ｃとセラミックス基板１２の下面との間に配置する。
この際、セラミックス基板１２の上下面それぞれに、または、セラミックス基板１２の上面に対向する第１プッシュバック部材１３ｃのろう材箔１５ａの表面、および基板１２の下面に対向する第２プッシュバック部材１４ｃのろう材箔１５ａの表面に、前記揮発性有機媒体を均一に塗布しておく。
この際、セラミックス基板１２の上下面それぞれに、または、セラミックス基板１２の上面に対向する第１プッシュバック部材１３ｃのろう材箔１５ａの表面、および基板１２の下面に対向する第２プッシュバック部材１４ｃのろう材箔１５ａの表面に、前記揮発性有機媒体を均一に塗布しておく。
この状態で、第１プッシュパック部材１３ｃについては、導体パターン部材１３ｂをセラミックス基板１２の上面に向けて押圧して第１母材１３ａから抜き出すとともに、この導体パターン部材１３ｂをセラミックス基板１２の上面にろう材箔１５ａを介して前記表面張力により仮固定する。また、第２プッシュバック部材１４ｃについては、金属層部材１４ｂをセラミックス基板１２の下面に向けて押圧して第２母材１４ａから抜き出すとともに、この金属層部材１４ｂをセラミックス基板１２の下面にろう材箔１５ａを介して前記表面張力により仮固定する。
この際、導体パターン部材１３ｂは、その外周縁が第１テンプレート４１の第１ガイド孔４１ａ内周面により案内され、金属層部材１４ｂは、その外周縁が第２テンプレート４２の第２ガイド孔４２ａ内周面により案内され、これにより、前記抜き出し時に、導体パターン部材１３ｂおよび金属層部材１４ｂが、セラミックス基板１２の表面に対して傾いたり、該表面に沿った方向における位置ずれが発生することが抑制される。
この際、導体パターン部材１３ｂは、その外周縁が第１テンプレート４１の第１ガイド孔４１ａ内周面により案内され、金属層部材１４ｂは、その外周縁が第２テンプレート４２の第２ガイド孔４２ａ内周面により案内され、これにより、前記抜き出し時に、導体パターン部材１３ｂおよび金属層部材１４ｂが、セラミックス基板１２の表面に対して傾いたり、該表面に沿った方向における位置ずれが発生することが抑制される。
以上により、セラミックス基板１２の上面に、ろう材箔１５ａと導体パターン部材１３ｂとがこの順に積層されるとともに、該基板１２の下面に、ろう材箔１５ａと金属層部材１４ｂとがこの順に積層され、これらの各部材が前記表面張力により仮固定されてなる積層体１１ａが形成される。
その後、この積層体１１ａを約３００℃の雰囲気下で加熱し、前記揮発性有機媒体を揮発させるとともに、約６３０℃の雰囲気下で、積層体１１ａのうち、導体パターン部材１３ｂおよび金属層部材１４ｂを積層方向に約１時間、約０．３ＭＰａ加圧し、ろう材箔１５ａを溶融させて導体パターン部材１３ｂおよび金属層部材１４ｂをセラミックス基板１２の表面に接合する。以上により、セラミックス基板１２の表面に、導体パターン１３および金属層１４が配設されたパワーモジュール用基板１１が形成される。
その後、この積層体１１ａを約３００℃の雰囲気下で加熱し、前記揮発性有機媒体を揮発させるとともに、約６３０℃の雰囲気下で、積層体１１ａのうち、導体パターン部材１３ｂおよび金属層部材１４ｂを積層方向に約１時間、約０．３ＭＰａ加圧し、ろう材箔１５ａを溶融させて導体パターン部材１３ｂおよび金属層部材１４ｂをセラミックス基板１２の表面に接合する。以上により、セラミックス基板１２の表面に、導体パターン１３および金属層１４が配設されたパワーモジュール用基板１１が形成される。
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、前記有機媒体の表面張力によって、前述のように仮固定した後に、ろう材箔１５ａを溶融させて導体パターン部材１３ｂをセラミックス基板１２の表面に接合するので、エッチング処理を施すことなく、セラミックス基板１２の表面に導体パターン１３を配設することが可能になり、パワーモジュール用基板１１の高効率生産、および導体パターン１３の細線化を実現することができる。
また、第１母材１３ｃから打ち抜かれた導体パターン部材１３ｂを打ち抜き孔に嵌め込んだ状態で、これをセラミックス基板１２の上方に配置した後に、導体パターン部材１３ｂをセラミックス基板１２の表面に向けて押圧して第１母材１３ｃから抜き出すとともに、該導体パターン部材１３ｂをセラミックス基板１２の表面にろう材箔１５ａを介して仮固定するので、導体パターン部材１３ｂをセラミックス基板１２の表面における所望の位置に比較的高精度にかつ容易に位置決めして仮固定することが可能になる。
さらに、ろう材箔１５ａごと第１母材１３ｃから導体パターン部材１３ｂを打ち抜くので、導体パターン部材１３ｂをセラミックス基板１２の表面に接合させた際、ろう材が、セラミックス基板１２に導体パターン部材１３ｂと無関係に付着する、いわゆるしみが発生することを最小限に抑制することができ、高品質なパワーモジュール用基板１１を形成することができる。
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、前記実施形態では、母材１３ａ、１４ａにろう材箔１５ａを前記表面張力により仮固定した後に、ろう材箔１５ａごと導体パターン部材１３ｂ、金属層部材１４ｂを打ち抜いた方法を示したが、これに限らず、次のようにしてもよい。
例えば、ろう材箔１５ａを有さない前記プッシュバック部材を形成するとともに、セラミックス基板１２の表裏面にろう材箔１５ａを前記仮固定し、該基板１２の表裏面に各々対向するように、前記プッシュバック部材を配置した後に、導体パターン部材１３ｂおよび金属層部材１４ｂを抜き出し、前記積層体を形成するようにしてもよい。
また、前記テンプレート４１、４２を用いない場合にも適用可能である。
例えば、前記実施形態では、母材１３ａ、１４ａにろう材箔１５ａを前記表面張力により仮固定した後に、ろう材箔１５ａごと導体パターン部材１３ｂ、金属層部材１４ｂを打ち抜いた方法を示したが、これに限らず、次のようにしてもよい。
例えば、ろう材箔１５ａを有さない前記プッシュバック部材を形成するとともに、セラミックス基板１２の表裏面にろう材箔１５ａを前記仮固定し、該基板１２の表裏面に各々対向するように、前記プッシュバック部材を配置した後に、導体パターン部材１３ｂおよび金属層部材１４ｂを抜き出し、前記積層体を形成するようにしてもよい。
また、前記テンプレート４１、４２を用いない場合にも適用可能である。
パワーモジュール用基板の高効率生産、および導体パターンの細線化を実現することができる。
１１ パワーモジュール用基板
１２ セラミックス基板
１３ 導体パターン
１３ａ 第１母材
１３ｂ 導体パターン部材
１５ａ ろう材箔
１２ セラミックス基板
１３ 導体パターン
１３ａ 第１母材
１３ｂ 導体パターン部材
１５ａ ろう材箔
Claims (3)
- セラミックス基板表面に導体パターンが配設されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板の表面に、揮発性有機媒体の表面張力によって、ろう材箔を仮固定するとともに、該ろう材箔の表面に、前記表面張力によって、母材から打ち抜かれた導体パターン部材を仮固定した後に、これらを加熱し、前記揮発性有機媒体を揮発させるとともに、少なくとも前記導体パターン部材をその厚さ方向に加圧し、前記ろう材箔を溶融させて前記導体パターン部材を前記セラミックス基板の表面に接合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、
前記セラミックス基板の表面に、前記ろう材箔を介して前記導体パターン部材を仮固定するに際し、母材から打ち抜かれた前記導体パターン部材を打ち抜き孔に嵌め込んだ状態で、前記セラミックス基板の表面に対向させて配置した後に、前記導体パターン部材を前記セラミックス基板の表面に向けて押圧して前記母材から抜き出すとともに、該導体パターン部材を前記セラミックス基板の表面に前記ろう材箔を介して仮固定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、
前記母材から前記導体パターン部材を打ち抜く際に予め、前記母材と前記ろう材箔とを前記揮発性有機媒体の表面張力によって仮固定しておき、この状態で前記ろう材箔ごと前記導体パターン部材を打ち抜くことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
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