JP6028352B2

JP6028352B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法

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Publication number: JP6028352B2
Application number: JP2012060687A
Authority: JP
Inventors: 慎介青木; 長瀬　敏之; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2032-03-16
Also published as: JP2013197185A

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御するパワーモジュールを構成するヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関する。

従来、大電流、高電圧を制御する半導体装置として、半導体チップ等の電子部品をパワーモジュール用基板上に搭載した構成のパワーモジュールが知られている。パワーモジュールを製造する方法として、例えば、特許文献１および特許文献２に記載された方法が知られている。これらの製造方法では、まずセラミックス基板の一方の面にＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を介して回路層となる金属板を積層し、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して放熱層となる金属板を積層して、これらを積層方向に加圧するとともに加熱し、セラミックス基板と各金属板とを接合し、パワーモジュール用基板を製造する。次いで、放熱層の、セラミックス基板が接合されている面とは反対側の面に、ろう材を介してヒートシンクの天板部を積層し、この積層方向に加圧するとともに加熱して放熱層とヒートシンクとを接合することにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。

ヒートシンクとパワーモジュール用基板の金属板との間の接合方法としては、ろう付け、はんだ付け、ねじ止め、フラックスを用いたろう付け法などが適用される。特許文献３では、ヒートシンクの天板とパワーモジュール用基板の金属層との接合方法として、フラックスを塗布したろう付法が記載されている。このフラックスを用いたろう付法では、例えば、フッ化物系のフラックスをろう材面に塗布してろう材面の酸化物を除去し、非酸化性雰囲気中で加熱して接合するろう付法であり、高価な設備が不要で、比較的容易に安定したろう付が可能である。

特開２００７−３１１５２７号公報特開２００２−００９２１２号公報特開２００９−１０５１６６号公報

しかしながら、パワーモジュールの製造過程において、パワーモジュール用基板の金属板とヒートシンクとをフラックスを用いたろう付を行う際に、金属板とヒートシンクとの間から流出したフラックスが金属板の側面を経由してセラミックス基板と金属板との接合部界面に引き込まれてこの接合部を侵食してしまうと、これにより接合部にクラックが生じ、セラミックス基板と金属板との剥離が生じやすくなるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セラミックス基板と金属板との接合部に剥離を生じさせることなく、金属板とヒートシンクとをフラックスを用いてろう付し、接合信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することを目的とする。

本発明者は、金属板の側面を経由するフラックスの移動について鋭意研究した結果、次の知見を得た。
パワーモジュール用基板の製造過程において、セラミックス基板と金属板とのろう付時に、接合に寄与しない余剰分のろう材が接合部から押し出され、金属板の側面に付着する場合がある。この一次ろう付工程で金属板側面に付着したろう材が固化し、金属板側面の表面に網目状の溝が形成され易く、このような状態で金属板とヒートシンクとをノコロックろう付すると、金属板とヒートシンクとの間から流出したフラックスが、金属板の側面に付着したろう材に接触し、この網目状の溝を伝って流動してセラミックス基板と金属板との接合部界面に引き込まれる。したがって、フラックスの侵食によるセラミックス基板と金属板との剥離を防止するには、このフラックスのろう材表面での流動を防止する必要がある。本発明は、このような知見の下、以下の解決手段とした。

すなわち、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、ヒートシンクと、このヒートシンクに接合される金属板がセラミックス基板の表面に接合されてなるパワーモジュール用基板とを接合してヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記金属板のセラミックス基板接合面と前記セラミックス基板との間をろう材を用いてろう付けして前記パワーモジュール用基板を形成する一次ろう付工程と、前記金属板のヒートシンク接合面と前記ヒートシンクとをフラックスを用いたろう付により接合する二次ろう付工程とを有し、前記二次ろう付工程の前に、前記金属板の側面を研磨することにより、前記一次ろう付工程により前記金属板の側面に付着したろう材を除去することを特徴とする。

この製造方法によれば、二次ろう付工程の前に金属板側面を研磨しているので、一次ろう付工程において金属板の側面に付着した余剰のろう材の少なくとも表面部が研磨により除去されることにより、金属板の側面が平坦になり、その結果、二次ろう付工程においてフラックスが金属板とヒートシンクとの間から流出したとしても、金属板の側面を伝ってセラミックス基板と金属板との接合部まで到達することが防止される。

また、この製造方法において、金属板の側面をブラスト処理によって研磨することが望ましい。金属板の側面に一次ろう付工程によって形成された網目状の溝は、余剰ろう材が固化して形成されたものであるから、ブラスト処理によって簡便に除去することができる。

本発明のパワーモジュール用基板は、ヒートシンクに接合される金属板がセラミックス基板の表面に接合されてなり、前記金属板の側面の算術平均粗さＲａが０．７μｍ以下に形成されているとよい。
金属板にろう材が付着していたとしても、その表面が算術平均粗さＲａで０．７μｍ以下の平坦面であれば、ヒートシンクを接合する際にフラックスが金属板側面を伝ってセラミックス基板との接合部内に引き込まれることが防止される。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法およびパワーモジュール用基板によれば、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合の際に用いられるフラックスがセラミックス基板と金属板との接合部に引き込まれることが防止され、セラミックス基板と金属板との接合部に剥離を生じさせず、接合信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。

本発明の一実施形態のパワーモジュールの全体構成を示す縦断面図である。パワーモジュール用基板を製造する一次ろう付工程時の積層状態を示す正面図である。パワーモジュール用基板の要部の側面図であり、（ａ）が一次ろう付工程後の状態、（ｂ）が研磨工程後の状態を示す。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態のパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１００を示している。このパワーモジュール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、この電子部品２０とは反対面でパワーモジュール用基板１０に接合されたヒートシンク３０とから構成される。

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の両面に積層された金属板１２，１３とを備える。このパワーモジュール用基板１０において、セラミックス基板１１の一方の表面に積層された金属板１２は回路層となり（以下、この金属板１２を回路層用金属板という場合がある）、その表面に電子部品２０がはんだ付けされる。また、他方の金属板１３は放熱層とされ（以下、この金属板１３を放熱層用金属板という場合がある）、その表面にヒートシンク３０が取り付けられる。

セラミックス基板１１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０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。

回路層用金属板１２は、純度９９質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１０００番台のアルミニウム、特に１Ｎ９０（純度９９．９質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）または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。放熱層用金属板１３は、純度９９質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１０００番台のアルミニウム、特に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。なお、本実施形態では、図１に示すように、セラミック基板１１の平面寸法は、回路層１２及び金属層１３の平面寸法より大きく設定されている。

このパワーモジュール用基板１０においては、放熱層用金属板１３に熱サイクル時のセラミックス基板１１とヒートシンク３０との間の熱伸縮差に対する緩衝機能を持たせたるため、回路層用金属板１２よりも肉厚に形成されたものを用いている。例えば、回路層用金属板１２の厚さは６００μｍ、放熱層用金属板１３の厚さは１６００μｍである。また、放熱層用金属板１３には、純度の高いアルミニウム（例えば１Ｎ９９）を用いるのが好ましい。

そして、これら金属板１２，１３とセラミックス基板１１とは、ろう付けにより接合されている。ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金が使用される。

放熱層用金属板１３の表面（ヒートシンク接合面）１３ａには、複数本の溝１４が相互に平行に形成されている。これら溝１４は、平面視矩形の金属板１３の一方の側縁から他方の側縁にかけて平行に形成されている。溝１４は、横断面がＶ字状やＵ字状となっている。

ヒートシンク３０としては、板状の放熱板、内部に冷媒が流通する冷却器、フィンが形成された液冷、空冷放熱器、ヒートパイプなど、熱の放散によって温度を下げることを目的とした金属部品が含まれる。よって、平板状のもの、熱間鍛造等によって多数のピン状フィンを一体に形成したもの、押出成形によって相互に並行な流路を一体に形成したものなど、その形状等は特に限定されない。また、その材料は、熱伝導が良好な材質、例えばＡ６０００台のアルミニウム合金により形成される。図示例では、冷却媒体（例えば冷却水）を流通させるための複数の流路３０ａが相互に並行に形成されている。このヒートシンク３０とパワーモジュール用基板１０の放熱層用金属板１３とはろう付けにより接合され、ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金が用いられる。

なお、回路層用金属板１２と電子部品２０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１中符号２１がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品２０と金属板１２の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ２２により接続される。

この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を接合することにより形成される。
具体的には、まず、金属板１２，１３を、シート材からプレス加工により形成する。この場合、回路層用金属板１２は単にシート材から打ち抜くことにより形成される。一方、放熱層用金属板１３は、シート材に複数の溝１４を形成した後に打ち抜き加工される。溝１４は、シート材の金属板１３となる領域をカバーする範囲にパンチを押圧することにより形成される。

次に、溝１４を形成した放熱層用金属板１３の溝１４が形成されていない表面（セラミックス基板接合面）１３ｂにろう材を介してセラミックス基板１１を積層し、このセラミックス基板１１の上にろう材を介して回路層用金属板１２を積層する。この場合、ろう材は、金属板１２，１３をシート材からプレス加工により打ち抜く際にシート材にろう材箔を貼付しておき、このろう材箔ごと打ち抜くことにより、ろう材箔が貼付された金属板１２，１３を形成するとよい。
そして、これら積層したセラミックス基板１１および各金属板１２，１３を厚さ方向に加圧しながら真空雰囲気中で加熱することによりろう付けする（一次ろう付工程）。

この一次ろう付工程においては、図２に示すように、セラミックス基板１１および両金属板１２，１３からなるユニットを多数組積層するとともに、各ユニットの間にカーボン板、グラファイト板等からなるクッション層２３を配置し、これらを積層状態で加圧、加熱する。この時の加圧力は０．１〜２．５ＭＰａ、加熱温度は６３０〜６５５℃、加熱時間は１〜６０分とする。このろう付け工程において、セラミックス基板１１と金属板１２，１３との間のろう材が溶融して両者を固着することにより、パワーモジュール用基板１０が形成される。
このとき、セラミックス基板１１と金属板１３との間からろう材が漏れ出ると、金属板１３の側面１３ｃに付着する。図３（ａ）は、その金属板１３の側面１３ｃにろう材が付着した状態を模式的に示しており、ろう材の表面に網目状の溝が形成される。

次に、この金属板１３の側面１３ｃをブラスト研磨する。
このブラスト研磨に際しては、金属板１３の側面１３ｃ以外のパワーモジュール用基板１０の表面（金属板１３の溝１４が形成されている面、セラミックス基板１１の表面）をマスキングしておき、ノズルから圧縮空気とともに投射材（研磨材）を噴射して、金属板１３の側面１３ｃに吹き付ける。投射材としては例えば平均粒径２８μｍ〜３２μｍのＳｉＣの粉末が用いられ、投射速度は、金属板１３の側面１３ｃにおける加圧力として０．１５ＭＰａ〜０．２０ＭＰａとされる。
そして、このブラスト研磨により、金属板１３の側面１３ｃは、算術平均粗さＲａが０．７μｍ以下に仕上げられ、これにより、金属板１３の側面１３ｃに付着していたろう材は除去される。図３（ｂ）はブラスト研磨した後の金属板１３の側面を示しており、ろう材により形成されていた網目状の溝は除去され、平滑な表面に仕上げられる。

次に、金属板１３とヒートシンク３０とをノコロックろう付け法により接合して、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とを接合する（二次ろう付工程）。ノコロックろう付け法は、ろう材面に金属表面の酸化物を除去するフッ化物系フラックスを塗布して、非酸化性雰囲気（例えばＮ_２雰囲気）中で６００〜６１５℃に加熱して、ろう付けする方法である。

フラックスには、ＫＡｌＦ_４、Ｋ_２ＡｌＦ_５、Ｋ_３ＡｌＦ_６等が用いられる。金属板１３とヒートシンク３０とを接合するろう材は、例えばＡｉ−Ｓｉ系合金が用いられ、ヒートシンク３０の表面に予めクラッドされているか、ろう材箔の形態でヒートシンク３０に重ねることにより供給される。

この二次ろう付工程において、ヒートシンク３０と接合される金属板１３のヒートシンク接合面１３ａに複数の溝１４が形成されていることにより、ろう付け時のフラックスは、ガス状となって各溝１４を通ってヒートシンク３０と金属板１３との間から外部に流出する。したがって、フラックスは金属板１３とヒートシンク３０との間に滞留することが抑制され、ろう付け後にボイドとして残存することが防止される。
一方、外部に流出したフラックスは、金属板１３の側面１３ｃでは一次ろう付工程で付着したろう材が除去され、算術平均粗さＲａが０．７μｍ以下の平坦面に仕上げられているので、この金属板１３の側面１３ｃの下部に一部が付着したとしても、この側面１３ｃを這い上がることはなく、そのほとんどがガスとして外部に放出される。したがって、金属板１３とセラミックス基板１１との接合部をフラックスが侵食することが防止され、これにより、金属板１３とセラミックス基板１１とに剥離が生じることを防止することができる。

以上説明したように、このヒートシンク付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板との接合部に剥離を生じさせず、接合信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。

次に、本発明の効果確認のために、以下の実験を行った。
３２ｍｍ×３２ｍｍの窒化アルミニウムからなるセラミックス基板の上面に３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの純アルミニウム（１Ｎ９９）からなる回路層用金属板、下面に２８ｍｍ×２８ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの純アルミニウム（１Ｎ９９）からなる放熱層用金属板を、厚さ１５μｍのＡｌ−７．５質量％Ｓｉろう材を用いて真空中で６４０℃、０．４９ＭＰａ(５ｋｇｆ／ｃｍ２)で加圧しながら接合して、パワーモジュール用基板を作製した。

このパワーモジュール用基板に対して、放熱層用金属板の側面を表１に示す表面状態とした。表１のうち、試料１〜試料３は、金属板の側面をブラスト研磨し、試料４は、金属板の側面をブラスト研磨しなかったものである。その後、ノコロックフラックス（森田化学製ＦＬ−７）とＡｌ−Ｓｉろう材を用いて窒素雰囲気中でノコロックろう付法により放熱層用金属板に厚さ５ｍｍのＡ６０６３材からなるヒートシンクを接合した。
これらのサンプルについて、冷熱サイクル試験として、−４０℃から１２５℃に１０分間で上昇させ、１２５℃に１５分保持した後、１２５℃から−４０℃に１０分間で下降させ、−４０℃に１５分保持する温度履歴を１サイクルとした冷熱サイクルを３０００サイクル付与し、セラミックス基板と放熱層用金属板との接合界面の剥離による接合欠陥率を評価した。

接合欠陥率は、超音波探傷装置を用いて接合部を評価し、接合すべき面積に対する剥離面積（接合欠陥率＝剥離面積／接合すべき面積）により算出した。接合すべき面積は放熱層用金属板の面積である。また、超音波探傷像において、剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。この場合、円相当で１ｍｍφ以上接合されていない部位（非接合部とする）が認められた場合を剥離とし、接合面全体に占める非接合部の面積比率を測定した。この接合欠陥率を二次接合工程直後（初期）と冷熱サイクル試験後でそれぞれ測定した。
その結果を表１に示す。表１において、評価は、接合欠陥率が２５％以上となったものを×、１５％以上２５％未満を△、１５％未満を○とした。

表１から明らかなように、ブラスト研磨を行った試料１から試料３は、金属板の側面にろう材により形成された網目状の溝は除去され、その算術平均粗さＲａが０．７μｍ以下となっており、接合初期及び冷熱サイクル後においても、いずれも接合欠陥率は小さくなった。一方、ブラスト研磨を行っていない試料４は、接合初期及び冷熱サイクル後のいずれにおいても試料１〜３と比較して劣化していることが確認できた。

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。
実施形態では、一次接合工程で金属板の側面に付着したろう材をブラスト研磨により除去したが、金属板の側面を研磨するものであれば、化学研磨、電解研磨、バフ研磨などを用いることもできる。

１０パワーモジュール用基板
１１セラミックス基板
１２金属板（回路層用金属板）
１３金属板（放熱層用金属板）
１３ａヒートシンク接合面
１３ｂセラミックス基板接合面
１３ｃ側面
１４溝
２０電子部品
２１はんだ接合層
２２ボンディングワイヤ
２３クッション層
３０ヒートシンク
３０ａ流路
１００パワーモジュール

Claims

ヒートシンクと、このヒートシンクに接合される金属板がセラミックス基板の表面に接合されてなるパワーモジュール用基板とを接合してヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記金属板のセラミックス基板接合面と前記セラミックス基板との間をろう材を用いてろう付けして前記パワーモジュール用基板を形成する一次ろう付工程と、前記金属板のヒートシンク接合面と前記ヒートシンクとをフラックスを用いたろう付により接合する二次ろう付工程とを有し、前記二次ろう付工程の前に、前記金属板の側面を研磨することにより、前記一次ろう付工程により前記金属板の側面に付着したろう材を除去することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。