パワーモジュール用基板の製造方法及びろう材箔の接合装置
【課題】セラミックス基板と導体パターン層との強固な接合性を得ることができ、組立作業性を向上させることができるパワーモジュール用基板の製造方法及びろう材箔の接合装置を提供する。
【解決手段】導体パターン層６とろう材箔９とを積層状態に仮固定して導体パターン部材１０を打ち抜くパターン形成工程と、導体パターン部材１０とセラミックス基板２とをろう材箔９が介設するように積層する積層工程と、その積層体をろう接する接合工程とを有しており、前記パターン形成工程は、帯状の基材６０に、この基材６０と同じ幅かそれより幅の小さい帯状のろう材箔９０を重ねた状態で走行させながら、その走行方向に間隔をおいて、前記基材６０の表面にろう材箔９０を断続的に溶接することにより、導体パターン層６の外形線１１の対向する二辺に沿って溶接部１２を形成し、基材６０及びろう材箔９０を同時に打ち抜くことにより、導体パターン部材１０を形成する。
【解決手段】導体パターン層６とろう材箔９とを積層状態に仮固定して導体パターン部材１０を打ち抜くパターン形成工程と、導体パターン部材１０とセラミックス基板２とをろう材箔９が介設するように積層する積層工程と、その積層体をろう接する接合工程とを有しており、前記パターン形成工程は、帯状の基材６０に、この基材６０と同じ幅かそれより幅の小さい帯状のろう材箔９０を重ねた状態で走行させながら、その走行方向に間隔をおいて、前記基材６０の表面にろう材箔９０を断続的に溶接することにより、導体パターン層６の外形線１１の対向する二辺に沿って溶接部１２を形成し、基材６０及びろう材箔９０を同時に打ち抜くことにより、導体パターン部材１０を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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及びそのパワーモジュール用基板の製造に用いられるろう材箔の接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、導体パターン層を形成する金属層が積層され、この導体パターン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や、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構成のパワーモジュールが知られている。この種のパワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の表面に金属層をはんだ付け又はろう付けにより接合している。
【０００３】
例えば、特許文献１では、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、ろう材箔の表面に基材から打ち抜かれた導体パターン層を仮固定した状態で加熱し、パワーモジュール用基板を形成している。
また、特許文献２においては、活性金属ろう材ペースト層の表面に複数の突起部を形成し、活性金属ろう材ペースト層上に突起部を介して導体パターン層（金属板）を載置し、非酸化性雰囲気中で加熱することによりセラミックス基板と導体パターン層とを接合している。活性金属ろう材ペースト層が溶融するまでの間、導体パターン層は突起部を介して配置されていることから、昇温時に導体パターン層が熱膨張したとしてもセラミックス基板上の活性金属ろう材ペーストが導体パターン層に引きずられて、その外側にはみ出すこともなく、位置精度よく接合できることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３１１３０３号公報
【特許文献２】特許第３９５４９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のパワーモジュール用基板の製造方法においては、ろう材箔及び導体パターン層をセラミックス基板に仮固定する際に、ろう材箔と導体パターン層に位置ずれや、ろう材箔の折れ曲がり等が生じ易い。この場合、導体パターン層直下のろう材が局所的に不足して、強固な接合性が得られないことがある。また、特許文献２においても、活性金属ろう材ペーストの粘度管理等が難しいだけでなく、ペーストの塗布位置に対して導体パターン層を載置するため、位置ずれが生じ易いものとなっている。
【０００６】
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導体パターン層との強固な接合性を得ることができ、組立作業性を向上させることができるパワーモジュール用基板の製造方法及びろう材箔の接合装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、導体パターン層とろう材箔とを積層状態に仮固定して導体パターン部材を打ち抜くパターン形成工程と、前記導体パターン部材とセラミックス基板とを前記ろう材箔が介設するように積層する積層工程と、その積層した積層体をろう接する接合工程とを有しており、前記パターン形成工程は、導体パターン層となる帯状の基材に、この基材と同じ幅かそれより幅の小さい帯状のろう材箔を重ねた状態で走行させながら、その走行方向に間隔をおいて、前記基材の表面に前記ろう材箔を断続的に超音波シーム溶接することにより、前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に沿って溶接部を形成し、前記基材及び前記ろう材箔を同時に打ち抜くことにより、前記導体パターン部材を形成することを特徴とする。
【０００８】
導体パターン部材の形成工程において基材とろう材箔とを溶接して一体にした後に打ち抜くので、後の積層工程や接合工程において導体パターン層とろう材箔とがずれることがなく、組立作業性を向上させることができる。また、走行方向に間隔をおいて溶接しているので、走行方向に沿って連続的に溶接する場合に比べて、溶接部でろう材箔にしわが生じにくい構成となっている。
【０００９】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記溶接部は、前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に重なるように形成されるとよい。
溶接部を、導体パターン層の外形線と重ねて形成し、その部分を打ち抜くので、打ち抜いた導体パターン部材は、導体パターン層とろう材箔とが外縁で溶接されることになる。このため、ろう材箔のめくれや折れ曲がりが生じにくく、その結果、ろう材箔を積層面に全面にわたって行き渡らせることができるので、セラミックス基板と導体パターン層とを強固に接合することができる。
【００１０】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法おいて、前記基材と前記ろう材箔との溶接部は、前記基材及び前記ろう材箔の幅方向一端部から他端部にかけて、線状に形成されるとよい。
溶接部の範囲を比較的長くすることができるので、確実に導体パターン層とろう材箔とを接合することができる。また、走行方向ではなく幅方向に溶接することで、線状に連続した溶接部を設ける場合でも、溶接部においてろう材箔にしわが生じにくい。
【００１１】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記基材と前記ろう材箔との溶接部の少なくとも一部に重なるようにパイロット孔を形成し、そのパイロット孔をガイドとして前記基材及び前記ろう材箔を同時に打ち抜くことにより、前記導体パターン部材を形成するとよい。
パイロット孔を開けた後の抜き材が、基材とろう材箔の部分で分かれることがなく一体で処理できるので、抜き材の後処理が容易であるとともに、抜き材のろう材箔の部分がプレス加工時に混入し、導体パターン層を傷つけること等が防止できる。
【００１２】
そして、本発明のろう材箔の接合装置は、導体パターン層となる帯状の基材に、この基材と同じ幅かそれより幅の小さい帯状のろう材箔とを重ねた状態で走行させる走行手段と、ステージ上で前記基材と前記ろう材箔とを超音波シーム溶接する溶接手段と、前記導体パターン層の外形線に沿って前記基材及び前記ろう材箔を同時に打ち抜くプレス手段とを備え、前記溶接手段は、前記基材に前記ろう材箔を断続的に溶接することにより、溶接部を前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に沿って走行方向に間隔をおいて複数形成する構成とされていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のろう材箔の接合装置において、前記溶接手段は、前記基材と前記ろう材箔とを、前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に重なるように溶接する構成とされているとよい。
さらに、本発明のろう材箔の接合装置において、前記溶接手段は、前記基材と前記ろう材箔とを、それら幅方向一端部から他端部にかけて線状に溶接する構成とされているとよい。
そして、前記ステージの表面は、前記基材及び前記ろう材箔の走行方向に沿う曲率で凸円弧状に形成され、前記基材と前記ろう材箔とを前記ステージの表面に沿って保持する保持手段が設けられているとよい。
基材とろう材箔とを重ねた状態で凸円弧状に反らせることで密着させ、その間に空気が入ることを防止できる。これにより、ろう材箔にしわが生じるのを防止できるとともに、接合性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、導体パターン層とろう材箔とを一体にして取扱うことにより、パワーモジュール用基板の組立作業性を向上させることができるとともに、導体パターン層とセラミックス基板との間で、ろう材箔のめくれや折れ曲がり等が生じるのを防止でき、それらを強固に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のろう材箔の接合装置により形成される導体パターン部材を説明する図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が縦断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態のろう材箔の接合装置を示す概略図である。
【図４】図３に示す装置の一部である超音波溶接機の要部拡大図である。
【図５】本発明のパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの側面図である。
【図６】本発明の第２実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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５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を用いたパワーモジュール１を示している。このパワーモジュール１は、セラミックス等からなるセラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、この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に接合されたヒートシンク５とから構成される。
【００１７】
パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の上面側に導体パターン層６が配設されるとともに、下面側に放熱層７が配設されて構成される。導体パターン層６及び放熱層７は、共に純アルミニウムもしくはアルミニウム合金により形成されている。これら導体パターン層６及び放熱層７は、セラミックス基板２に、Ａｌ−Ｓｉ系もしくはＡｌ−Ｇｅ系のろう材箔によりろう付けされている。そして、導体パターン層６の上面に、電子部品４がはんだ層８を介して接合されている。また、放熱層７の下面に、ヒートシンク５が配設されており、電子部品４からの熱を、ヒートシンク５を介して外部へ放散できるようになっている。
【００１８】
本実施形態のパワーモジュール用基板３においては、図１に示すように、予め導体パターン層６とろう材箔９との一部を仮固定して、導体パターン層６とろう材箔９とを一体とした導体パターン部材１０を形成しておき、その導体パターン部材１０とセラミックス基板２とを接合することにより形成されている。そして、導体パターン層６とろう材箔９は、図３に示すろう材箔の接合装置１００によって仮固定される。
【００１９】
接合装置１００は、導体パターン層６となる帯状の基材６０に帯状のろう材箔９０とを重ねた状態で走行させる走行手段である送り装置１１０と、基材６０とろう材箔９０とを超音波シーム溶接する溶接手段である超音波溶接機１２０と、基材６０を導体パターン層６の外形線に沿ってろう材箔９０ごと打ち抜くプレス手段であるプレス加工機１３０とを備えている。
また、図３の符号１４０，１５０，１６０，１７０はそれぞれ、コイル状に巻かれた基材を供給する基材の供給装置１４０、供給された基材６０を洗浄する洗浄装置１５０、基材６０を平滑化するレベラ１６０、ろう材箔９０を供給するろう材箔の供給装置１７０を示している。
【００２０】
超音波溶接機１２０は、図４に示すように、一対の円盤状のホーン２１に超音波振動を発生させる振動器２２がそれぞれ連結されており、ステージ２３上に重ねて載置された基材６０上のろう材箔９０に接触した状態でホーン２１を移動することで、線状の溶接部１２（図２参照）を形成できるものである。
【００２１】
ホーン２１及び振動器２２は、ボールねじ軸２４ａ，２５ａ及びそのボールねじ軸２４ａ，２５ａに螺合するスライドユニット２４ｂ，２５ｂを有するボールねじ機構により水平方向に移動可能に支持されている。
具体的には、基材６０の走行方向に延びるボールねじ軸２５ａに、一対のスライドユニット２５ｂが移動可能に取り付けられ、各スライドユニット２５ｂにボールねじ軸２５ａと直交する方向（基材６０の幅方向）に延びるボールねじ軸２４ａが取り付けられ、これらボールねじ軸２４ａにそれぞれスライドユニット２４ｂが移動可能に取り付けられている。
各ボールねじ軸２４ａ，２５ａの一端は、それぞれが個別の移動用モータ（図示略）と連結されており、各移動用モータを回転させるとボールねじ軸２４ａ，２５ａが回転し、それに伴いスライドユニット２４ｂ，２５ｂがボールねじ軸２４ａ，２５ａの軸方向に移動するようになっている。
なお、ボールねじ軸２５ａは、雄ねじ部が中央部を境にして左右逆ねじに形成され、左ねじ部ａ１と右ねじ部ａ２とにより構成されている。ボールねじ軸２５ａの両側に設けられるスライドユニット２５ｂが、それぞれボールねじ軸２５ａの雄ねじ部ａ１，ａ２に案内されて、左右対称に移動する構成とされている。
各スライドユニット２４ｂには振動器２２が取り付けられており、両振動器２２にはそれぞれ円盤状のホーン２１が連結され、これらホーン２１が走行方向に直交する方向に平行に配置されており、ホーン２１をステージ２３の上で基材６０上のろう材箔９０に接触させた状態でスライドユニット２４ｂによって移動することで、一度に二本の線状の溶接部１２を基材６０及びろう材箔９０の幅方向に沿って形成することができる。
【００２２】
ステージ２３は、基材６０を載置する上面部２３ａが、基材６０及びろう材箔９０の走行方向に沿う曲率で凸円弧状に形成されており、シリンダー等の昇降機構により垂直方向に上下移動可能に構成され、ろう材箔９０の上面とホーン２１とを接触させる所定位置まで上昇させることができる。また、一対のホーン２１の配置位置の前方及び後方位置には、重ねられた状態の帯状の基材６０とろう材箔９０とをステージ２３との間で挟持するワーク押さえ２６が設けられている。このワーク押さえ２６とステージ２３の昇降機構とにより、基材６０とろう材箔９０とをステージ２３の表面（上面部２３ａ）に沿って保持する本発明の保持手段が構成される。
【００２３】
また、プレス加工機１３０は、図２に示すように、基材６０とろう材箔９０とを溶接した後、溶接部１２の両端部にパイロット孔１３を形成し、そのパイロット孔１３をガイドとして基材６０をろう材箔９０ごと打ち抜くものである。
パイロット孔１３は、幅方向に沿う溶接部１２の少なくとも一部と重なるように、溶接部１２の端部に形成される。また、打ち抜きパンチ１３１は、後述するように、溶接部１２が外形線の一部と重なるように、基材６０とろう材箔９０とを一体に打ち抜く構成とされている。
【００２４】
このように構成されたろう材箔の接合装置１００を用いたパワーモジュール用基板３の製造方法は、導体パターン層６とろう材箔９とを積層状態に仮固定して導体パターン部材１０を打ち抜くパターン形成工程と、その導体パターン部材１０とセラミックス基板２とをろう材箔９が介設するように積層する積層工程と、その積層した積層体をろう接する接合工程とにより構成される。
【００２５】
パターン形成工程では、前述した接合装置１００を用いて導体パターン部材１０を形成する。まず、図３に示すように、各供給装置１４０，１７０から帯状の基材６０及びろう材箔９０を供給し、送り装置１１０により基材６０とろう材箔９０とを所定位置まで走行させ、それらをステージ２３上に積層した状態で載置する。送り装置１１０の走行を停止し、ステージ２３を上昇させることで、基材６０及びろう材箔９０をステージ２３とワーク押さえ２６との間で保持する。ステージ２３の上面部２３ａは、凸円弧状に形成されているので、基材６０とろう材箔９０とは、その上面部２３ａに沿って、上方に反った状態で密着して保持される。
【００２６】
図２に二点鎖線で示す符号１１は、形成される導体パターン層６の外形線を示している。一対のホーン２１の間隔を外形線１１の間隔に合わせておき、ステージ２３を上昇させて、被溶接物である基板６０とろう材箔９０とを所定位置まで上昇させることで、凸円弧状に保持した状態でホーン２１と接触させて溶接することができる。
この際、振動器２２によりホーン２１を超音波振動させるとともに、ホーン２１を回転させながら、基材６０の幅方向一端部から他端部にかけて移動することで、図２に示すような線状の溶接部１２が走行方向（矢印Ａ）に間隔をおいて一度に二本形成される。なお、これら溶接部１２の接合幅は、１ｍｍ程度とされている。そして、溶接が終了したら、ステージ２３を下降させ、基材６０とろう材箔９０とを再び所定距離、走行させる。
このように、重ねられた状態の基材６０及びろう材箔９０は、送り装置１１０により、間欠的に走行と停止を繰り返し、基材６０とろう材箔９０とは断続的に溶接される。
【００２７】
溶接された基材６０及びろう材箔９０は、送り装置１１０により走行方向に移動させられ、次のプレス加工機１３０において、その幅方向の端部に、溶接部１２の少なくとも一部と重なるように、パイロット孔１３が開けられる。そして、パイロット孔１３をガイドとして、基材６０及びろう材箔９０は同時に、導体パターン層の外形線１１に沿って打ち抜かれる。
基材６０とろう材箔９０とは、その溶接部１２で接合された状態で打ち抜かれる。前述したように、一対のホーン２１の間隔が、導体パターン層の外形線１１の間隔に合わせられているため、図１に示すように、その外形線１１に沿って外縁の一部が溶接されたままの導体パターン部材１０が形成される。
【００２８】
このようにパターン形成工程で形成された導体パターン部材１０は、その導体パターン部材１０とセラミックス基板２とをろう材箔９０を介設させて積層する積層工程、ろう接する接合工程を経てセラミックス基板２と接合される。
具体的には、セラミックス基板２の表面に導体パターン部材１０をろう材箔９０を介して積層した積層体と、クッション性及び耐熱性を有するカーボン及びグラファイトの薄膜からなるシートとを、その積層方向に交互に重ねて加圧手段の間に積層し、これらを厚さ方向（積層方向）に加圧した状態で真空炉内に装入する。そして、この加圧状態で加熱することにより、セラミックス基板２と導体パターン層６とをろう接し、パワーモジュール用基板３を製造する。
この場合、導体パターン部材１０は、その外形の対向する両端部（外縁）が溶接されている。そのため、積層工程や接合工程において導体パターン層６とろう材箔９とがずれることがなく、組立作業性を向上させることができる。
【００２９】
以上の一連のパワーモジュール用基板の製造方法において、基材６０とろう材箔９０とを走行方向に間隔をおいて溶接しているので、走行方向に沿って連続的に溶接する場合に比べて、溶接部１２でろう材箔９０にしわが生じにくい。また、基材６０とろう材箔９０とを重ねた状態で凸円弧状に反らせることで密着させ、同時に二本の溶接部１２を形成することで、しわの発生をより抑制することができる。
【００３０】
また、溶接部１２を、導体パターン層６の外形線１１と重ねて形成し、その部分を打ち抜くので、打ち抜いた導体パターン部材１０は、その外縁の一部で溶接されており、ろう材箔９のめくれや折れ曲がりが生じにくくなっている。このため、ろう材箔９を、導体パターン層６とセラミックス基板２との積層面に、前面にわたって行き渡らせることができるので、強固に接合することができる。
また、プレス加工時のガイドとしてパイロット孔１３を開けたが、その抜き材においては、基材６０とろう材箔９０の部分で分かれることがなく一体で処理できるので、抜き材の後処理が容易であるとともに、ろう材箔９０の部分がプレス加工時に混入し、導体パターン層６を傷つけること等が防止できる。
【００３１】
図６は、本発明の第２実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法を説明する図である。上述の第１実施形態のパターン形成工程においては、基材６０とろう材箔９０とを線状に溶接したが、図６に示す第２実施形態のように、導体パターン層６の外形線１１に並んで点在する連続した溶接部１４を構成し、仮固定する構成とすることも可能である。
この場合、線状の溶接部と比べて、ろう材箔に生じるしわをさらに低減させることができる。その他の構成は、第１実施形態のものと同じであり、共通部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３２】
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、基材とろう材箔との溶接部は、導体パターン外形線の対向する二辺に沿って形成するだけではなく、対向する二辺に沿った溶接部に加えて、その他の部分（例えば中央部）にも設ける構成としてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
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 導体パターン層
７ 放熱層
８ はんだ層
９ ろう材箔
１０ 導体パターン層
１１ 導体パターン層の外形線
１２，１４ 溶接部
１３ パイロット孔
２１ ホーン
２２ 振動器
２３ ステージ
２３ａ 上面部
２４ａ，２５ａ ボールねじ軸
２４ｂ，２５ｂ スライドユニット
２６ ワーク押さえ
６０ 基材（帯状）
９０ ろう材箔（帯状）
１００ ろう材箔の接合装置
１１０ 送り装置
１２０ 超音波溶接機
１３０ プレス加工機
１３１ 打ち抜きパンチ
１４０，１７０ 供給装置
１５０ 洗浄装置
１６０ レベラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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及びそのパワーモジュール用基板の製造に用いられるろう材箔の接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、導体パターン層を形成する金属層が積層され、この導体パターン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や、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構成のパワーモジュールが知られている。この種のパワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の表面に金属層をはんだ付け又はろう付けにより接合している。
【０００３】
例えば、特許文献１では、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、ろう材箔の表面に基材から打ち抜かれた導体パターン層を仮固定した状態で加熱し、パワーモジュール用基板を形成している。
また、特許文献２においては、活性金属ろう材ペースト層の表面に複数の突起部を形成し、活性金属ろう材ペースト層上に突起部を介して導体パターン層（金属板）を載置し、非酸化性雰囲気中で加熱することによりセラミックス基板と導体パターン層とを接合している。活性金属ろう材ペースト層が溶融するまでの間、導体パターン層は突起部を介して配置されていることから、昇温時に導体パターン層が熱膨張したとしてもセラミックス基板上の活性金属ろう材ペーストが導体パターン層に引きずられて、その外側にはみ出すこともなく、位置精度よく接合できることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３１１３０３号公報
【特許文献２】特許第３９５４９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のパワーモジュール用基板の製造方法においては、ろう材箔及び導体パターン層をセラミックス基板に仮固定する際に、ろう材箔と導体パターン層に位置ずれや、ろう材箔の折れ曲がり等が生じ易い。この場合、導体パターン層直下のろう材が局所的に不足して、強固な接合性が得られないことがある。また、特許文献２においても、活性金属ろう材ペーストの粘度管理等が難しいだけでなく、ペーストの塗布位置に対して導体パターン層を載置するため、位置ずれが生じ易いものとなっている。
【０００６】
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導体パターン層との強固な接合性を得ることができ、組立作業性を向上させることができるパワーモジュール用基板の製造方法及びろう材箔の接合装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、導体パターン層とろう材箔とを積層状態に仮固定して導体パターン部材を打ち抜くパターン形成工程と、前記導体パターン部材とセラミックス基板とを前記ろう材箔が介設するように積層する積層工程と、その積層した積層体をろう接する接合工程とを有しており、前記パターン形成工程は、導体パターン層となる帯状の基材に、この基材と同じ幅かそれより幅の小さい帯状のろう材箔を重ねた状態で走行させながら、その走行方向に間隔をおいて、前記基材の表面に前記ろう材箔を断続的に超音波シーム溶接することにより、前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に沿って溶接部を形成し、前記基材及び前記ろう材箔を同時に打ち抜くことにより、前記導体パターン部材を形成することを特徴とする。
【０００８】
導体パターン部材の形成工程において基材とろう材箔とを溶接して一体にした後に打ち抜くので、後の積層工程や接合工程において導体パターン層とろう材箔とがずれることがなく、組立作業性を向上させることができる。また、走行方向に間隔をおいて溶接しているので、走行方向に沿って連続的に溶接する場合に比べて、溶接部でろう材箔にしわが生じにくい構成となっている。
【０００９】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記溶接部は、前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に重なるように形成されるとよい。
溶接部を、導体パターン層の外形線と重ねて形成し、その部分を打ち抜くので、打ち抜いた導体パターン部材は、導体パターン層とろう材箔とが外縁で溶接されることになる。このため、ろう材箔のめくれや折れ曲がりが生じにくく、その結果、ろう材箔を積層面に全面にわたって行き渡らせることができるので、セラミックス基板と導体パターン層とを強固に接合することができる。
【００１０】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法おいて、前記基材と前記ろう材箔との溶接部は、前記基材及び前記ろう材箔の幅方向一端部から他端部にかけて、線状に形成されるとよい。
溶接部の範囲を比較的長くすることができるので、確実に導体パターン層とろう材箔とを接合することができる。また、走行方向ではなく幅方向に溶接することで、線状に連続した溶接部を設ける場合でも、溶接部においてろう材箔にしわが生じにくい。
【００１１】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記基材と前記ろう材箔との溶接部の少なくとも一部に重なるようにパイロット孔を形成し、そのパイロット孔をガイドとして前記基材及び前記ろう材箔を同時に打ち抜くことにより、前記導体パターン部材を形成するとよい。
パイロット孔を開けた後の抜き材が、基材とろう材箔の部分で分かれることがなく一体で処理できるので、抜き材の後処理が容易であるとともに、抜き材のろう材箔の部分がプレス加工時に混入し、導体パターン層を傷つけること等が防止できる。
【００１２】
そして、本発明のろう材箔の接合装置は、導体パターン層となる帯状の基材に、この基材と同じ幅かそれより幅の小さい帯状のろう材箔とを重ねた状態で走行させる走行手段と、ステージ上で前記基材と前記ろう材箔とを超音波シーム溶接する溶接手段と、前記導体パターン層の外形線に沿って前記基材及び前記ろう材箔を同時に打ち抜くプレス手段とを備え、前記溶接手段は、前記基材に前記ろう材箔を断続的に溶接することにより、溶接部を前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に沿って走行方向に間隔をおいて複数形成する構成とされていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のろう材箔の接合装置において、前記溶接手段は、前記基材と前記ろう材箔とを、前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に重なるように溶接する構成とされているとよい。
さらに、本発明のろう材箔の接合装置において、前記溶接手段は、前記基材と前記ろう材箔とを、それら幅方向一端部から他端部にかけて線状に溶接する構成とされているとよい。
そして、前記ステージの表面は、前記基材及び前記ろう材箔の走行方向に沿う曲率で凸円弧状に形成され、前記基材と前記ろう材箔とを前記ステージの表面に沿って保持する保持手段が設けられているとよい。
基材とろう材箔とを重ねた状態で凸円弧状に反らせることで密着させ、その間に空気が入ることを防止できる。これにより、ろう材箔にしわが生じるのを防止できるとともに、接合性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、導体パターン層とろう材箔とを一体にして取扱うことにより、パワーモジュール用基板の組立作業性を向上させることができるとともに、導体パターン層とセラミックス基板との間で、ろう材箔のめくれや折れ曲がり等が生じるのを防止でき、それらを強固に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のろう材箔の接合装置により形成される導体パターン部材を説明する図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が縦断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態のろう材箔の接合装置を示す概略図である。
【図４】図３に示す装置の一部である超音波溶接機の要部拡大図である。
【図５】本発明のパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの側面図である。
【図６】本発明の第２実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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５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を用いたパワーモジュール１を示している。このパワーモジュール１は、セラミックス等からなるセラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、この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に接合されたヒートシンク５とから構成される。
【００１７】
パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の上面側に導体パターン層６が配設されるとともに、下面側に放熱層７が配設されて構成される。導体パターン層６及び放熱層７は、共に純アルミニウムもしくはアルミニウム合金により形成されている。これら導体パターン層６及び放熱層７は、セラミックス基板２に、Ａｌ−Ｓｉ系もしくはＡｌ−Ｇｅ系のろう材箔によりろう付けされている。そして、導体パターン層６の上面に、電子部品４がはんだ層８を介して接合されている。また、放熱層７の下面に、ヒートシンク５が配設されており、電子部品４からの熱を、ヒートシンク５を介して外部へ放散できるようになっている。
【００１８】
本実施形態のパワーモジュール用基板３においては、図１に示すように、予め導体パターン層６とろう材箔９との一部を仮固定して、導体パターン層６とろう材箔９とを一体とした導体パターン部材１０を形成しておき、その導体パターン部材１０とセラミックス基板２とを接合することにより形成されている。そして、導体パターン層６とろう材箔９は、図３に示すろう材箔の接合装置１００によって仮固定される。
【００１９】
接合装置１００は、導体パターン層６となる帯状の基材６０に帯状のろう材箔９０とを重ねた状態で走行させる走行手段である送り装置１１０と、基材６０とろう材箔９０とを超音波シーム溶接する溶接手段である超音波溶接機１２０と、基材６０を導体パターン層６の外形線に沿ってろう材箔９０ごと打ち抜くプレス手段であるプレス加工機１３０とを備えている。
また、図３の符号１４０，１５０，１６０，１７０はそれぞれ、コイル状に巻かれた基材を供給する基材の供給装置１４０、供給された基材６０を洗浄する洗浄装置１５０、基材６０を平滑化するレベラ１６０、ろう材箔９０を供給するろう材箔の供給装置１７０を示している。
【００２０】
超音波溶接機１２０は、図４に示すように、一対の円盤状のホーン２１に超音波振動を発生させる振動器２２がそれぞれ連結されており、ステージ２３上に重ねて載置された基材６０上のろう材箔９０に接触した状態でホーン２１を移動することで、線状の溶接部１２（図２参照）を形成できるものである。
【００２１】
ホーン２１及び振動器２２は、ボールねじ軸２４ａ，２５ａ及びそのボールねじ軸２４ａ，２５ａに螺合するスライドユニット２４ｂ，２５ｂを有するボールねじ機構により水平方向に移動可能に支持されている。
具体的には、基材６０の走行方向に延びるボールねじ軸２５ａに、一対のスライドユニット２５ｂが移動可能に取り付けられ、各スライドユニット２５ｂにボールねじ軸２５ａと直交する方向（基材６０の幅方向）に延びるボールねじ軸２４ａが取り付けられ、これらボールねじ軸２４ａにそれぞれスライドユニット２４ｂが移動可能に取り付けられている。
各ボールねじ軸２４ａ，２５ａの一端は、それぞれが個別の移動用モータ（図示略）と連結されており、各移動用モータを回転させるとボールねじ軸２４ａ，２５ａが回転し、それに伴いスライドユニット２４ｂ，２５ｂがボールねじ軸２４ａ，２５ａの軸方向に移動するようになっている。
なお、ボールねじ軸２５ａは、雄ねじ部が中央部を境にして左右逆ねじに形成され、左ねじ部ａ１と右ねじ部ａ２とにより構成されている。ボールねじ軸２５ａの両側に設けられるスライドユニット２５ｂが、それぞれボールねじ軸２５ａの雄ねじ部ａ１，ａ２に案内されて、左右対称に移動する構成とされている。
各スライドユニット２４ｂには振動器２２が取り付けられており、両振動器２２にはそれぞれ円盤状のホーン２１が連結され、これらホーン２１が走行方向に直交する方向に平行に配置されており、ホーン２１をステージ２３の上で基材６０上のろう材箔９０に接触させた状態でスライドユニット２４ｂによって移動することで、一度に二本の線状の溶接部１２を基材６０及びろう材箔９０の幅方向に沿って形成することができる。
【００２２】
ステージ２３は、基材６０を載置する上面部２３ａが、基材６０及びろう材箔９０の走行方向に沿う曲率で凸円弧状に形成されており、シリンダー等の昇降機構により垂直方向に上下移動可能に構成され、ろう材箔９０の上面とホーン２１とを接触させる所定位置まで上昇させることができる。また、一対のホーン２１の配置位置の前方及び後方位置には、重ねられた状態の帯状の基材６０とろう材箔９０とをステージ２３との間で挟持するワーク押さえ２６が設けられている。このワーク押さえ２６とステージ２３の昇降機構とにより、基材６０とろう材箔９０とをステージ２３の表面（上面部２３ａ）に沿って保持する本発明の保持手段が構成される。
【００２３】
また、プレス加工機１３０は、図２に示すように、基材６０とろう材箔９０とを溶接した後、溶接部１２の両端部にパイロット孔１３を形成し、そのパイロット孔１３をガイドとして基材６０をろう材箔９０ごと打ち抜くものである。
パイロット孔１３は、幅方向に沿う溶接部１２の少なくとも一部と重なるように、溶接部１２の端部に形成される。また、打ち抜きパンチ１３１は、後述するように、溶接部１２が外形線の一部と重なるように、基材６０とろう材箔９０とを一体に打ち抜く構成とされている。
【００２４】
このように構成されたろう材箔の接合装置１００を用いたパワーモジュール用基板３の製造方法は、導体パターン層６とろう材箔９とを積層状態に仮固定して導体パターン部材１０を打ち抜くパターン形成工程と、その導体パターン部材１０とセラミックス基板２とをろう材箔９が介設するように積層する積層工程と、その積層した積層体をろう接する接合工程とにより構成される。
【００２５】
パターン形成工程では、前述した接合装置１００を用いて導体パターン部材１０を形成する。まず、図３に示すように、各供給装置１４０，１７０から帯状の基材６０及びろう材箔９０を供給し、送り装置１１０により基材６０とろう材箔９０とを所定位置まで走行させ、それらをステージ２３上に積層した状態で載置する。送り装置１１０の走行を停止し、ステージ２３を上昇させることで、基材６０及びろう材箔９０をステージ２３とワーク押さえ２６との間で保持する。ステージ２３の上面部２３ａは、凸円弧状に形成されているので、基材６０とろう材箔９０とは、その上面部２３ａに沿って、上方に反った状態で密着して保持される。
【００２６】
図２に二点鎖線で示す符号１１は、形成される導体パターン層６の外形線を示している。一対のホーン２１の間隔を外形線１１の間隔に合わせておき、ステージ２３を上昇させて、被溶接物である基板６０とろう材箔９０とを所定位置まで上昇させることで、凸円弧状に保持した状態でホーン２１と接触させて溶接することができる。
この際、振動器２２によりホーン２１を超音波振動させるとともに、ホーン２１を回転させながら、基材６０の幅方向一端部から他端部にかけて移動することで、図２に示すような線状の溶接部１２が走行方向（矢印Ａ）に間隔をおいて一度に二本形成される。なお、これら溶接部１２の接合幅は、１ｍｍ程度とされている。そして、溶接が終了したら、ステージ２３を下降させ、基材６０とろう材箔９０とを再び所定距離、走行させる。
このように、重ねられた状態の基材６０及びろう材箔９０は、送り装置１１０により、間欠的に走行と停止を繰り返し、基材６０とろう材箔９０とは断続的に溶接される。
【００２７】
溶接された基材６０及びろう材箔９０は、送り装置１１０により走行方向に移動させられ、次のプレス加工機１３０において、その幅方向の端部に、溶接部１２の少なくとも一部と重なるように、パイロット孔１３が開けられる。そして、パイロット孔１３をガイドとして、基材６０及びろう材箔９０は同時に、導体パターン層の外形線１１に沿って打ち抜かれる。
基材６０とろう材箔９０とは、その溶接部１２で接合された状態で打ち抜かれる。前述したように、一対のホーン２１の間隔が、導体パターン層の外形線１１の間隔に合わせられているため、図１に示すように、その外形線１１に沿って外縁の一部が溶接されたままの導体パターン部材１０が形成される。
【００２８】
このようにパターン形成工程で形成された導体パターン部材１０は、その導体パターン部材１０とセラミックス基板２とをろう材箔９０を介設させて積層する積層工程、ろう接する接合工程を経てセラミックス基板２と接合される。
具体的には、セラミックス基板２の表面に導体パターン部材１０をろう材箔９０を介して積層した積層体と、クッション性及び耐熱性を有するカーボン及びグラファイトの薄膜からなるシートとを、その積層方向に交互に重ねて加圧手段の間に積層し、これらを厚さ方向（積層方向）に加圧した状態で真空炉内に装入する。そして、この加圧状態で加熱することにより、セラミックス基板２と導体パターン層６とをろう接し、パワーモジュール用基板３を製造する。
この場合、導体パターン部材１０は、その外形の対向する両端部（外縁）が溶接されている。そのため、積層工程や接合工程において導体パターン層６とろう材箔９とがずれることがなく、組立作業性を向上させることができる。
【００２９】
以上の一連のパワーモジュール用基板の製造方法において、基材６０とろう材箔９０とを走行方向に間隔をおいて溶接しているので、走行方向に沿って連続的に溶接する場合に比べて、溶接部１２でろう材箔９０にしわが生じにくい。また、基材６０とろう材箔９０とを重ねた状態で凸円弧状に反らせることで密着させ、同時に二本の溶接部１２を形成することで、しわの発生をより抑制することができる。
【００３０】
また、溶接部１２を、導体パターン層６の外形線１１と重ねて形成し、その部分を打ち抜くので、打ち抜いた導体パターン部材１０は、その外縁の一部で溶接されており、ろう材箔９のめくれや折れ曲がりが生じにくくなっている。このため、ろう材箔９を、導体パターン層６とセラミックス基板２との積層面に、前面にわたって行き渡らせることができるので、強固に接合することができる。
また、プレス加工時のガイドとしてパイロット孔１３を開けたが、その抜き材においては、基材６０とろう材箔９０の部分で分かれることがなく一体で処理できるので、抜き材の後処理が容易であるとともに、ろう材箔９０の部分がプレス加工時に混入し、導体パターン層６を傷つけること等が防止できる。
【００３１】
図６は、本発明の第２実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法を説明する図である。上述の第１実施形態のパターン形成工程においては、基材６０とろう材箔９０とを線状に溶接したが、図６に示す第２実施形態のように、導体パターン層６の外形線１１に並んで点在する連続した溶接部１４を構成し、仮固定する構成とすることも可能である。
この場合、線状の溶接部と比べて、ろう材箔に生じるしわをさらに低減させることができる。その他の構成は、第１実施形態のものと同じであり、共通部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３２】
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、基材とろう材箔との溶接部は、導体パターン外形線の対向する二辺に沿って形成するだけではなく、対向する二辺に沿った溶接部に加えて、その他の部分（例えば中央部）にも設ける構成としてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
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 導体パターン層
７ 放熱層
８ はんだ層
９ ろう材箔
１０ 導体パターン層
１１ 導体パターン層の外形線
１２，１４ 溶接部
１３ パイロット孔
２１ ホーン
２２ 振動器
２３ ステージ
２３ａ 上面部
２４ａ，２５ａ ボールねじ軸
２４ｂ，２５ｂ スライドユニット
２６ ワーク押さえ
６０ 基材（帯状）
９０ ろう材箔（帯状）
１００ ろう材箔の接合装置
１１０ 送り装置
１２０ 超音波溶接機
１３０ プレス加工機
１３１ 打ち抜きパンチ
１４０，１７０ 供給装置
１５０ 洗浄装置
１６０ レベラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体パターン層とろう材箔とを積層状態に仮固定して導体パターン部材を打ち抜くパターン形成工程と、前記導体パターン部材とセラミックス基板とを前記ろう材箔が介設するように積層する積層工程と、その積層した積層体をろう接する接合工程とを有しており、前記パターン形成工程は、導体パターン層となる帯状の基材に、この基材と同じ幅かそれより幅の小さい帯状のろう材箔を重ねた状態で走行させながら、その走行方向に間隔をおいて、前記基材の表面に前記ろう材箔を断続的に超音波シーム溶接することにより、前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に沿って溶接部を形成し、前記基材及び前記ろう材箔を同時に打ち抜くことにより、前記導体パターン部材を形成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】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記溶接部は、前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に重なるように形成され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。
【請求項３】
前記基材と前記ろう材箔との溶接部は、前記基材及び前記ろう材箔の幅方向一端部から他端部にかけて、線状に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項４】
前記基材と前記ろう材箔との溶接部の少なくとも一部に重なるようにパイロット孔を形成し、そのパイロット孔をガイドとして前記基材及び前記ろう材箔を同時に打ち抜くことにより、前記導体パターン部材を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項５】
導体パターン層となる帯状の基材に、この基材と同じ幅かそれより幅の小さい帯状のろう材箔とを重ねた状態で走行させる走行手段と、ステージ上で前記基材と前記ろう材箔とを超音波シーム溶接する溶接手段と、前記導体パターン層の外形線に沿って前記基材及び前記ろう材箔を同時に打ち抜くプレス手段とを備え、前記溶接手段は、前記基材に前記ろう材箔を断続的に溶接することにより、溶接部を前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に沿って走行方向に間隔をおいて複数形成する構成とされていることを特徴とするろう材箔の接合装置。
【請求項６】
前記溶接手段は、前記基材と前記ろう材箔とを、前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に重なるように溶接する構成とされていることを特徴とする請求項５記載のろう材箔の接合装置。
【請求項７】
前記溶接手段は、前記基材と前記ろう材箔とを、それら幅方向一端部から他端部にかけて線状に溶接する構成とされていることを特徴とする請求項５又は６に記載のろう材箔の接合装置。
【請求項８】
前記ステージの表面は、前記基材及び前記ろう材箔の走行方向に沿う曲率で凸円弧状に形成され、前記基材と前記ろう材箔とを前記ステージの表面に沿って保持する保持手段が設けられていることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のろう材箔の接合装置。
【請求項１】
導体パターン層とろう材箔とを積層状態に仮固定して導体パターン部材を打ち抜くパターン形成工程と、前記導体パターン部材とセラミックス基板とを前記ろう材箔が介設するように積層する積層工程と、その積層した積層体をろう接する接合工程とを有しており、前記パターン形成工程は、導体パターン層となる帯状の基材に、この基材と同じ幅かそれより幅の小さい帯状のろう材箔を重ねた状態で走行させながら、その走行方向に間隔をおいて、前記基材の表面に前記ろう材箔を断続的に超音波シーム溶接することにより、前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に沿って溶接部を形成し、前記基材及び前記ろう材箔を同時に打ち抜くことにより、前記導体パターン部材を形成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】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記溶接部は、前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に重なるように形成され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。
【請求項３】
前記基材と前記ろう材箔との溶接部は、前記基材及び前記ろう材箔の幅方向一端部から他端部にかけて、線状に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項４】
前記基材と前記ろう材箔との溶接部の少なくとも一部に重なるようにパイロット孔を形成し、そのパイロット孔をガイドとして前記基材及び前記ろう材箔を同時に打ち抜くことにより、前記導体パターン部材を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項５】
導体パターン層となる帯状の基材に、この基材と同じ幅かそれより幅の小さい帯状のろう材箔とを重ねた状態で走行させる走行手段と、ステージ上で前記基材と前記ろう材箔とを超音波シーム溶接する溶接手段と、前記導体パターン層の外形線に沿って前記基材及び前記ろう材箔を同時に打ち抜くプレス手段とを備え、前記溶接手段は、前記基材に前記ろう材箔を断続的に溶接することにより、溶接部を前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に沿って走行方向に間隔をおいて複数形成する構成とされていることを特徴とするろう材箔の接合装置。
【請求項６】
前記溶接手段は、前記基材と前記ろう材箔とを、前記導体パターン層の外形線の対向する二辺に重なるように溶接する構成とされていることを特徴とする請求項５記載のろう材箔の接合装置。
【請求項７】
前記溶接手段は、前記基材と前記ろう材箔とを、それら幅方向一端部から他端部にかけて線状に溶接する構成とされていることを特徴とする請求項５又は６に記載のろう材箔の接合装置。
【請求項８】
前記ステージの表面は、前記基材及び前記ろう材箔の走行方向に沿う曲率で凸円弧状に形成され、前記基材と前記ろう材箔とを前記ステージの表面に沿って保持する保持手段が設けられていることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のろう材箔の接合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１４６９３０（Ｐ２０１２−１４６９３０Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６１２９（Ｐ２０１１−６１２９）
【出願日】平成２３年１月１４日（２０１１．１．１４）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１４日（２０１１．１．１４）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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