JP2006019346A - 構造体と、パワーモジュール基板と、その基板を用いたパワーモジュール、及び、それらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ニッケルメッキの被着不良を無くすことによって、はんだ層の密着性の低下やボイドの発生を確実に防止できるようにし、製品寿命の向上を図ることのできる構造体と、パワーモジュール用基板と、パワーモジュール、及び、それらの製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体素子５を載置するための支持突起９をアルミニウム製の回路層３に一体に形成し、回路層３上の少なくともはんだが接触する部分にニッケルメッキを施す。支持突起９によって半導体素子５と回路層３上のニッケルメッキ層の間にできた隙間にはんだを充填し、そこに半導体素子５を固定するためのはんだ層６を形成する。
【選択図】 図１
【解決手段】 半導体素子５を載置するための支持突起９をアルミニウム製の回路層３に一体に形成し、回路層３上の少なくともはんだが接触する部分にニッケルメッキを施す。支持突起９によって半導体素子５と回路層３上のニッケルメッキ層の間にできた隙間にはんだを充填し、そこに半導体素子５を固定するためのはんだ層６を形成する。
【選択図】 図１
Description
この発明は、アルミニウム製の基材に電気部品をはんだ固定した構造体と、その構造体技術を用いるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールと、それらの製造方法に関するものである。
ＩＧＢＴ等の半導体素子を実装したパワーモジュールの多くは、セラミックスの絶縁層の上に導電性の回路層が形成され、その回路層の上に半導体素子がはんだ固定されている。また、パワーモジュール上の回路層としては、熱歪による変形応力が小さく絶縁層等の耐久面で有利なアルミニウム材が近年多用されている。
このパワーモジュールのように電気部品を基材にはんだ固定する構造体においては、はんだ部におけるボイドの発生とはんだの歪を低減することが重要となる。
即ち、パワーモジュールのような構造体においては、電気部品と基材の間にはんだの不連続部であるボイドが発生すると、電気部品から基材への放熱性が低下し、また、はんだの歪が大きいと、部品の剥離等を生じ易くなる。そして、このような放熱性の低下や部品の剥離は製品寿命の低下の原因となるため、製品寿命の向上の観点からは特に重要となる。
即ち、パワーモジュールのような構造体においては、電気部品と基材の間にはんだの不連続部であるボイドが発生すると、電気部品から基材への放熱性が低下し、また、はんだの歪が大きいと、部品の剥離等を生じ易くなる。そして、このような放熱性の低下や部品の剥離は製品寿命の低下の原因となるため、製品寿命の向上の観点からは特に重要となる。
そこで、従来、以下のような構造体が案出されている。
この構造体は、アルミニウム製の基材の上面に別体のアルミ線材を超音波溶着等によって溶着し、そのアルミ線材の上に電気部品を載置して、基材と電気部品の間にできた比較的大きな隙間にはんだを流入させ、そこにはんだ層を形成したものである。この構造体の場合、基材と電気部品の間の隙間が大きく確保されるため、その隙間にはんだがスムーズに流入してボイドの発生が抑制され、しかも、はんだ層が充分に厚くなることから、はんだ層の歪も低減される。
特開平９−５１０４９号公報
この構造体は、アルミニウム製の基材の上面に別体のアルミ線材を超音波溶着等によって溶着し、そのアルミ線材の上に電気部品を載置して、基材と電気部品の間にできた比較的大きな隙間にはんだを流入させ、そこにはんだ層を形成したものである。この構造体の場合、基材と電気部品の間の隙間が大きく確保されるため、その隙間にはんだがスムーズに流入してボイドの発生が抑制され、しかも、はんだ層が充分に厚くなることから、はんだ層の歪も低減される。
上記従来の構造体は、基材の上面にアルミ線材を溶着した後、基材に対するはんだの濡れ性を高めるためにそのアルミ線材を含む基材側にニッケルメッキが施される。しかし、この従来の構造体の場合、基材にアルミ線材を溶着する際にアルミ線材の表面に酸化層ができるため、アルミ線材を含む基材側の面にニッケルメッキを施すときに、その酸化物がニッケルメッキの被着を阻害し、ニッケルメッキの密着不良やメッキがされない（無メッキ）現象が起こる。そして、このようなメッキの密着不良やメッキがされない現象が起こると、はんだがアルミ線材に充分に密着しなくなり、さらに濡れ不良によってボイドを発生し易くなる。
そこでこの発明は、ニッケルメッキの被着不良を無くすことによって、はんだ層の密着性の低下やボイドの発生を確実に防止できるようにし、製品寿命の向上を図ることのできる構造体と、パワーモジュール用基板と、パワーモジュール、及び、それらの製造方法を提供しようとするものである。
上記目的を達成するために、この出願の構造体の発明は、アルミニウム製の基材に電気部品がはんだ固定された構造体において、前記電気部品を載置するために前記基材に一体に形成された支持突起と、その支持突起を含む前記基材上の少なくともはんだが接触する部分を被覆するニッケルメッキ層と、前記支持突起によって電気部品と前記基材上のニッケルメッキ層の間にできた隙間に充填され、電気部品を基材に固定するはんだ層と、を備えた構成とした。このとき、支持突起は基材を塑性変形させることによって一体に形成するようにしても良い。
また、この構造体の製造方法の発明は、基材に電気部品を載置するための支持突起を一体に形成する工程と、その支持突起を含む基材上の少なくともはんだが接触する部分にニッケルメッキを施す工程と、前記支持突起によって電気部品と基材上のニッケルメッキ層の間にできた隙間にはんだを充填する工程と、を含む。
また、この構造体の製造方法の発明は、基材に電気部品を載置するための支持突起を一体に形成する工程と、その支持突起を含む基材上の少なくともはんだが接触する部分にニッケルメッキを施す工程と、前記支持突起によって電気部品と基材上のニッケルメッキ層の間にできた隙間にはんだを充填する工程と、を含む。
これらの発明の場合、支持突起がアルミニウム製の基材に一体に形成されるため、支持突起を別途溶着によって固定する必要がない。このため、溶着時の熱によって支持突起の表面に酸化層ができる不具合は生じず、しかも、部品を基材に固定するはんだ層は支持突起の突出高さによって狙い通りの充分な厚みに制御される。そして、これらの発明の場合、支持突起の表面に酸化物が生じないため、支持突起部分でのニッケルメッキの被着不良を防止することができる。また、基材を塑性変形させることによって支持突起を一体に形成した場合には、溶着等の工程が不要とされるので、生産効率の向上を図ることができる。
また、この出願のパワーモジュール用基板の発明は、絶縁層の上面に、半導体素子をはんだ固定するためのアルミニウム製の回路層が形成されたパワーモジュール用基板、若しくは、さらに絶縁層の下面に放熱部材が固定されたパワーモジュール用基板、または、絶縁層の下面に放熱部材を介してヒートシンクが固定されたパワーモジュール用基板であることを前提とし、前記半導体素子を載置するために前記回路層に一体に形成された支持突起と、その支持突起を含む前記回路層上の少なくともはんだが接触する部分に、はんだを密着させるために形成されたニッケルメッキ層と、を備えた構成とした。このとき、支持突起は基材を塑性変形させることによって一体に形成するようにしても良い。
また、この出願のパワーモジュール用基板の製造方法の発明は、回路層に半導体素子を載置するための支持突起を一体に形成する工程と、その支持突起を含む回路層上の少なくともはんだが接触する部分にニッケルメッキを施す工程と、を含む。
また、この出願のパワーモジュール用基板の製造方法の発明は、回路層に半導体素子を載置するための支持突起を一体に形成する工程と、その支持突起を含む回路層上の少なくともはんだが接触する部分にニッケルメッキを施す工程と、を含む。
これらの発明では、支持突起がアルミニウム製の回路層に一体に形成されるために製造段階で支持突起の表面に酸化層ができることがなく、したがって、半導体素子をはんご固定する際のニッケルメッキの被着不良を有効に防止することができる。
この出願のパワーモジュールの発明は、絶縁層の上面にアルミニウム製の回路層が形成され、その回路層に半導体素子がはんだ固定されたパワーモジュール、若しくは、さらに絶縁層の下面に放熱部材が固定されたパワーモジュール、または、絶縁層の下面に放熱部材を介してヒートシンクが固定されたパワーモジュールであることを前提とし、前記半導体素子を載置するために前記回路層に一体に形成された支持突起と、その支持突起を含む前記回路層上の少なくともはんだが接触する部分を被覆するニッケルメッキ層と、前記支持突起によって半導体素子と前記回路層上のニッケルメッキ層の間にできた隙間に充填され、半導体素子を回路層に固定するはんだ層と、を備えた構成とした。このとき、支持突起は基材を塑性変形させることによって一体に形成するようにしても良い。
また、この出願のパワーモジュールの製造方法の発明は、回路層に半導体素子を載置するための支持突起を一体に形成する工程と、その支持突起を含む回路層の少なくともはんだが接触する部分にニッケルメッキを施す工程と、前記支持突起によって半導体素子と回路層上のニッケルメッキ層の間にできた隙間にはんだを充填する工程と、を含む。
また、この出願のパワーモジュールの製造方法の発明は、回路層に半導体素子を載置するための支持突起を一体に形成する工程と、その支持突起を含む回路層の少なくともはんだが接触する部分にニッケルメッキを施す工程と、前記支持突起によって半導体素子と回路層上のニッケルメッキ層の間にできた隙間にはんだを充填する工程と、を含む。
これらの発明では、製造段階で支持突起の表面に酸化層ができることがないため、半導体素子をはんだ固定する際のニッケルメッキの被着不良を有効に防止することができる。
この出願の発明によれば、基材上の支持突起部分に酸化層が形成されないため、はんだ層の密着性の低下やボイドの発生原因となるニッケルメッキ層の被着不良を招くことなく、充分な厚みのはんだ層を得ることができる。したがって、製品寿命の確実な向上を図ることができる。
次に、この出願の発明の一実施形態を図１，図２に基づいて説明する。図１は、この発明にかかる構造体を採用したパワーモジュールＰを示すものであり、図２は、そのパワーモジュールＰで用いるパワーモジュール用基板１の一製造工程を示すものである。
パワーモジュール用基板１は、ＡｌＮまたはＳｉ３Ｎ４等のセラミックスから成る絶縁層２と、その絶縁層２の上面に積層されたアルミニウム製の回路層３と、絶縁層２の下面に積層された同じくアルミニウム製の金属層４とを備え、絶縁層２と回路層３、絶縁層２と金属層４は夫々はんだ付けやろう付け等によって相互に結合されている。回路層３上の所定位置には、ＩＧＢＴ等の半導体素子５がはんだ層６を介して固定されている。この実施形態のパワーモジュールＰはパワーモジュール用基板１と半導体素子５を主要素として構成されている。また、金属層４の下面には熱伝導性の良いアルミニウム等の金属から成る放熱板７が結合され、その放熱板７がヒートシンク８の上面に結合されている。尚、この実施形態では、アルミニウム製の回路層３が基材を構成し、半導体素子５が電気部品を構成している。また、絶縁層４の下面に固定された金属層４と放熱板７は放熱部材を構成している。
回路層３上の半導体素子５を取り付ける部位には、その半導体素子５を載置するための複数の支持突起９が形成されている。この支持突起９は回路層３のアルミニウム材を塑性変形させることによって一体に形成されている。この支持突起９の形成にあたっては、例えば、図２に示すように回路層３の上面の所定位置を、先端部の尖った工具Ｔによって刺し、その工具Ｔの先端部の斜面Ｔａで上方に押し上げるようにして隆起させるようにすれば良い。この場合、工具Ｔの先端部付近に応力を集中させ、斜面Ｔａに沿わせて材料を塑性変形させることができるため、充分な高さを持つ支持突起９を比較的容易に形成するが可能になる。
また、支持突起９を含む回路層３上のはんだ固定部には図示しないニッケルメッキ（以下、「Ｎｉメッキ」と呼ぶ。）層が形成されており、半導体素子５を支持突起９上に載置することで半導体素子５の下面側にできたＮｉメッキ層との隙間にはんだ層６が形成されている。
尚、この実施形態では、支持突起９を一体に形成した回路層３と、Ｎｉメッキ層、半導体素子５、はんだ層６等が構造体を構成している。
尚、この実施形態では、支持突起９を一体に形成した回路層３と、Ｎｉメッキ層、半導体素子５、はんだ層６等が構造体を構成している。
パワーモジュールＰは以下のようにして製造する。
まず、絶縁層２の上下に回路層３と金属層４を接合した後に、回路層３上に前述のような塑性変形によって支持突起９を一体に形成する。そして、この後に支持突起９を含む回路層３上のはんだ導入部にＮｉメッキ層を形成する。ここまででパワーモジュール用基板１が製造される。
まず、絶縁層２の上下に回路層３と金属層４を接合した後に、回路層３上に前述のような塑性変形によって支持突起９を一体に形成する。そして、この後に支持突起９を含む回路層３上のはんだ導入部にＮｉメッキ層を形成する。ここまででパワーモジュール用基板１が製造される。
次に、パワーモジュール用基板１の支持突起９上に半導体素子５を載置し、その半導体素子５と回路層３上のＮｉメッキ層の間にできた隙間に溶融はんだを充填する。こうして充填されたはんだは凝固後にはんだ層６となり、充分な肉厚でもって半導体素子５を回路層３に固定することとなる。
こうして形成されたパワーモジュールＰは、ほぼ支持突起９の高さ分に相当するはんだ層６の厚みが確保されるため、はんだ層６に歪の生じにくい耐久面に優れた構造となる。しかも、このパワーモジュールＰでは、回路層３のアルミニウム材を塑性変形させて支持突起９を一体に形成しているため、別体のアルミニウム材を溶着する場合のように支持突起９の表面に酸化膜ができる不具合も生じない。
したがって、このパワーモジュールＰにおいては、支持突起９上に酸化膜が生じなくなることから、支持突起９の表面に確実にＮｉメッキ層が被着され、そのＮｉメッキ層を介してはんだが確実に密着すると共に、ボイドの発生も防止される。このため、半導体素子５の発熱と冷却によってパワーモジュールＰに繰り返しの応力が生じてもはんだ層６には剥離や亀裂等の劣化が生じにくくなり、しかも、ボイドによる放熱不良が回避されることから、半導体素子５で発生した熱が放熱板７を介してヒートシンク８に効率良く放熱されるようになる。この結果、パワーモジュールＰの製品寿命は確実に向上する。
尚、この出願の発明の実施形態は、以上で説明したものに限るものでなく、例えば、回路層３のアルミニウム材の上面に支持突起９を形成する方法として、図２に示すように工具Ｔでアルミニウム材を押し上げて隆起させる代わりに、図３に示すように回路転写用の冶具Ａ１，Ａ２によって支持突起９を形成するようにしても良い。この場合、回路層３の上面に接する冶具Ａ１の所定位置に材料を逃がすための孔１０を設けておき、冶具Ａ１，Ａ２でパワーモジュール用基板１を押圧したときの圧力によって孔１０部分に支持突起９を隆起させる。
Ｐ パワーモジュール
１ パワーモジュール用基板
２ 絶縁層
３ 回路層（基材）
４ 金属層（放熱部材）
５ 半導体素子（電気部品）
６ はんだ層
７ 放熱板（放熱部材）
８ ヒートシンク
９ 支持突起
１ パワーモジュール用基板
２ 絶縁層
３ 回路層（基材）
４ 金属層（放熱部材）
５ 半導体素子（電気部品）
６ はんだ層
７ 放熱板（放熱部材）
８ ヒートシンク
９ 支持突起
Claims (13)
- アルミニウム製の基材に電気部品がはんだ固定された構造体において、
前記電気部品を載置するために前記基材に一体に形成された支持突起と、
その支持突起を含む前記基材上の少なくともはんだが接触する部分を被覆するニッケルメッキ層と、
前記支持突起によって電気部品と前記基材上のニッケルメッキ層の間にできた隙間に充填され、電気部品を基材に固定するはんだ層と、を備えたことを特徴とする構造体。 - 前記支持突起は、基材を塑性変形させることによって一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
- 半導体素子をはんだ固定するためのアルミニウム製の回路層が絶縁層の上面に形成されたパワーモジュール用基板において、
前記半導体素子を載置するために前記回路層に一体に形成された支持突起と、
その支持突起を含む前記回路層上の少なくともはんだが接触する部分を被覆するニッケルメッキ層と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 半導体素子をはんだ固定するためのアルミニウム製の回路層が絶縁層の上面に形成され、前記絶縁層の下面に放熱部材が固定されたパワーモジュール用基板において、
前記半導体素子を載置するために前記回路層に一体に形成された支持突起と、
その支持突起を含む前記回路層上の少なくともはんだが接触する部分を被覆するニッケルメッキ層と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 半導体素子をはんだ固定するためのアルミニウム製の回路層が絶縁層の上面に形成され、前記絶縁層の下面に放熱部材を介してヒートシンクが固定されたパワーモジュール用基板において、
前記半導体素子を載置するために前記回路層に一体に形成された支持突起と、
その支持突起を含む前記回路層上の少なくともはんだが接触する部分を被覆するニッケルメッキ層と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 前記支持突起は、前記回路層を塑性変形させることによって一体に形成されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のパワーモジュール用基板。
- 絶縁層の上面にアルミニウム製の回路層が形成され、その回路層に半導体素子がはんだ固定されたパワーモジュールにおいて、
前記半導体素子を載置するために前記回路層に一体に形成された支持突起と、
その支持突起を含む前記回路層上の少なくともはんだが接触する部分を被覆するニッケルメッキ層と、
前記支持突起によって半導体素子と前記回路層上のニッケルメッキ層の間にできた隙間に充填され、半導体素子を回路層に固定するはんだ層と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。 - 絶縁層の上面にアルミニウム製の回路層が形成され、前記回路層に半導体素子がはんだ固定されると共に、前記絶縁層の下面に放熱部材が固定されたパワーモジュールにおいて、
前記半導体素子を載置するために前記回路層に一体に形成された支持突起と、
その支持突起を含む前記回路層上の少なくともはんだが接触する部分を被覆するニッケルメッキ層と、
前記支持突起によって半導体素子と前記回路層上のニッケルメッキ層の間にできた隙間に充填され、半導体素子を回路層に固定するはんだ層と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。 - 絶縁層の上面にアルミニウム製の回路層が形成され、前記回路層に半導体素子がはんだ固定されると共に、前記絶縁層の下面に放熱部材を介してヒートシンクが固定されたパワーモジュールにおいて、
前記半導体素子を載置するために前記回路層に一体に形成された支持突起と、
その支持突起を含む前記回路層上の少なくともはんだが接触する部分を被覆するニッケルメッキ層と、
前記支持突起によって半導体素子と前記回路層上のニッケルメッキ層の間にできた隙間に充填され、半導体素子を回路層に固定するはんだ層と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。 - 前記支持突起は、前記回路層を塑性変形させることによって一体に形成されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のパワーモジュール。
- 請求項１または２に記載の構造体の製造方法において、
前記基材に電気部品を載置するための支持突起を一体に形成する工程と、
その支持突起を含む基材上の少なくともはんだが接触する部分にニッケルメッキを施す工程と、
前記支持突起によって電気部品と基材上のニッケルメッキ層の間にできた隙間にはんだを充填する工程と、を含むことを特徴とする構造体の製造方法。 - 請求項３〜６のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、
前記回路層に半導体素子を載置するための支持突起を一体に形成する工程と、
その支持突起を含む回路層上の少なくともはんだが接触する部分にニッケルメッキを施す工程と、を含む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７〜１０のいずれかに記載のパワーモジュールの製造方法において、
前記回路層に半導体素子を載置するための支持突起を一体に形成する工程と、
その支持突起を含む回路層上の少なくともはんだが接触する部分にニッケルメッキを施す工程と、
前記支持突起によって半導体素子と回路層上のニッケルメッキ層の間にできた隙間にはんだを充填する工程と、を含むことを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
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