CN104813466A - 功率模块用基板的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明在散热器接合时抑制陶瓷基板与散热层的剥离。本发明为一种在陶瓷基板(11)的一面接合由铜构成的电路层(12)，且在陶瓷基板(11)的另一面接合由铝构成的散热层(13)的功率模块用基板(10)的制造方法，其具备：电路层接合工序，在陶瓷基板(11)上将电路层(12)钎焊接合；表面处理工序，在电路层接合工序之后，使陶瓷基板(11)的所述另一面的氧化膜厚度，至少在陶瓷基板(11)与散热层(13)的接合预定区域的周缘部，成为3.2nm以下；及散热层接合工序，在表面处理工序之后，在陶瓷基板(11)的所述另一面将散热层(13)钎焊接合。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制大电流、高电压的半导体装置中所使用的功率模块用基板的制造方法。
本申请主张基于2012年12月17日申请的日本专利申请2012-275157号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
作为以往的功率模块用基板，已知有在陶瓷基板的一面层叠成为电路层的金属板，而在陶瓷基板的另一面层叠成为散热层的金属板的结构的基板。而且，在该电路层上焊接半导体芯片等电子零件，并且在散热层上接合散热器(heat sink)。
这种功率模块用基板中，成为电路层的金属板有时会使用电特性优良的铜，而成为散热层的金属板有时会为了减缓与陶瓷基板之间的热应力而使用铝。
例如，专利文献1中公开一种电路基板，其陶瓷基板的一面与铜板接合，另一面与铝板接合。此时，陶瓷基板与铜板通过使用了活性金属的钎料而接合，陶瓷基板与铝板通过Al-Si系钎料而接合。当使用Ag-Cu-Ti系活性金属钎料时，接合温度为800～930℃、而使用Al-Si系钎料时，接合温度为500～650℃。
专利文献1：日本专利公开2003-197826号公报
如专利文献1所记载的那样，当将陶瓷基板与铜板通过使用了活性金属的钎焊而接合时，是以800～930℃接合，因此在陶瓷基板的另一面会形成氧化膜。在该氧化膜形成的状态下，即使钎焊散热层，也会因为氧化膜的存在，而有可能造成在陶瓷基板与散热层的接合界面发生剥离。
尤其，在陶瓷基板与散热层的接合界面当中，承受最多热应力的周缘部会有剥离加剧的可能性。并且，在散热层与散热器之间使用助焊剂而进行钎焊时，由于助焊剂具有去除氧化膜的效果，因此存在陶瓷基板与散热层的接合界面的周缘部的氧化膜被助焊剂侵蚀，使得陶瓷基板与散热层的接合界面的剥离进一步加剧的问题。
发明内容
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于尤其在散热器接合时抑制陶瓷基板与散热层的剥离。
本发明的功率模块用基板的制造方法，其具有：电路层接合工序，在陶瓷基板的一面，钎焊由铜构成的电路层；散热层接合工序，在所述陶瓷基板的另一面，钎焊由铝构成的散热层；及表面处理工序，在所述电路层接合工序之后、所述散热层接合工序之前，使所述陶瓷基板的所述另一面的氧化膜厚度，至少在所述陶瓷基板与所述散热层的接合预定区域的周缘部，成为3.2nm以下，制造出具有所述陶瓷基板、与该陶瓷基板的所述一面接合的所述电路层及与所述陶瓷基板的所述另一面接合的所述散热层的功率模块用基板。
本发明中，在接合散热层之前，在陶瓷基板与散热层的接合预定区域的周缘部会使氧化膜的厚度成为3.2nm以下，由此能够在陶瓷基板与散热层的接合界面减少剥离。而且，当使用助焊剂来钎焊时，能够抑制助焊剂对于陶瓷基板与散热层的接合界面的侵蚀。
在本发明的功率模块用基板的制造方法中，所述表面处理工序中，可将所述陶瓷基板的所述另一面以选自盐酸、硝酸、硫酸中的一种以上的酸进行清洗。
当清洗陶瓷基板表面时，若使用碱则会侵蚀陶瓷基板。并且，若通过喷砂处理等机械性处理，则应力会残留在表面部，而有可能成为导致裂痕等的原因。在酸当中，尤其盐酸的氧化作用较弱，且即使附着于电路层也不会侵蚀，因此适合用于去除氧化膜的表面处理。
根据本发明的功率模块用基板的制造方法，是在电路层与陶瓷基板的接合即高温加热处理后，对陶瓷基板施加表面处理，使表面的氧化膜成为规定厚度以下之后再接合散热层，因此在陶瓷基板与散热层的接合界面能够制造出接合可靠性高的功率模块用基板。
附图说明
图1是本发明所涉及的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图2是表示使用本发明的制造方法而制造的功率模块的剖视图。
图3是表示本发明的制造方法中所使用的加压夹具例子的侧视图。
图4是表示氧化膜厚度的测定处的主视图。
具体实施方式
以下，对本发明所涉及的功率模块用基板的制造方法的实施方式进行说明。
图2所示的功率模块100由功率模块用基板10、搭载于功率模块用基板10表面的半导体芯片等电子零件20、及与功率模块用基板10的背面接合的散热器30构成。
功率模块用基板10中，在陶瓷基板11的一面(电路层面)，电路层12在厚度方向层叠，而在陶瓷基板11的另一面(散热层面)，散热层13以在厚度方向层叠的状态被接合。
陶瓷基板11通过AlN、Al2O3、SiC等，例如形成为0.32mm～1.0mm的厚度。电路层12由无氧铜或韧铜(tough pitch copper)等纯铜或铜合金形成。散热层13由纯度99.00％以上的纯铝或铝合金形成。这些电路层12及散热层13的厚度，例如为0.25mm～2.5mm。
本实施方式的功率模块用基板10，例如作为优选的组合例子是以由厚度0.635mm的AlN形成的陶瓷基板11、及由厚度0.6mm的纯铜板形成的电路层12、及由厚度1.6mm的4N-铝板形成的散热层13构成。
这些陶瓷基板11、电路层12及散热层13的接合如后述分两次进行。即，首先在陶瓷基板11的电路层面接合电路层12之后，再在陶瓷基板11的散热层面接合散热层13。此时，在陶瓷基板11与电路层12接合时，例如使用Ag-27.4质量％Cu-2.0质量％Ti的活性金属钎料。在陶瓷基板11与散热层13接合时，例如使用Al-Si系或Al-Ge系钎料。
接着，对如此构成的功率模块用基板10的制造方法进行说明。在图1中示出其流程。
如前述，首先在陶瓷基板11的电路层面接合电路层12(电路层接合工序)之后，再在陶瓷基板11的散热层面接合散热层13(散热层接合工序)。并且，在接合电路层12之后，接合散热层13之前，在未接合电路层12的一侧的陶瓷基板11的表面(散热层面)施以表面处理(表面处理工序)。然后，在散热层13接合散热器30。以下，按照顺序对这些工序进行说明。
(电路层接合工序)
使电路层12隔着由膏或箔构成的活性金属钎料而层叠于陶瓷基板11的一面(电路层面)，形成层叠体40。将该层叠体40夹在由石墨碳等构成的板状的缓冲垫片50之间，并在此状态下堆叠多组，通过如图3所示的加压夹具110在层叠方向例如以0.3MPa～1.0MPa进行加压。
加压夹具110具备底座板111、垂直安装在底座板111上面的四角的导柱112、固定在这些导柱112的上端部的固定板113、在底座板111与固定板113之间上下移动自如地被导柱112支承的推压板114、及设置在固定板113与推压板114之间而将推压板114朝下方加力的弹簧等加力机构115。在底座板111与推压板114之间，配设前述层叠体40及缓冲垫片50。
在通过该加压夹具110将层叠体40加压的状态下，将整个加压夹具110设置在加热炉(图示省略)内，在真空环境中以800℃以上930℃以下的温度加热1分钟～60分钟，由此将陶瓷基板11与电路层12钎焊。
该钎焊为使用了活性金属钎料的接合，钎料中的活性金属即Ti会优先扩散至陶瓷基板11而形成TiN，并通过Ag-Cu合金将电路层12与陶瓷基板11接合。
(表面处理工序)
在电路层接合工序时，陶瓷基板11中与电路层12相反的面(散热层面)也会曝露在高温中，因此会在其表面形成氧化膜。表面处理工序中，会削减在该陶瓷基板11产生的氧化膜。
通过酸来清洗陶瓷基板11的散热层面，由此氧化膜会被削减。作为清洗用的酸，可使用选自盐酸、硝酸、硫酸中的一种以上。其中盐酸的氧化作用较弱因此尤其合适，例如可使用18质量％盐酸。
具体而言，将接合有电路层12的陶瓷基板11在18％盐酸中浸渍5分钟后拉起，用蒸馏水清洗以便去除表面的酸，再浸渍在醇类中之后，使其干燥。作为醇类例如能够利用乙醇。
当在该表面处理中使用硝酸时，也可不用浸渍，而是通过喷雾等喷吹至陶瓷基板11的散热层面。由此，便能够防止硝酸附着于电路层12而造成侵蚀的发生。
通过该表面处理工序，将陶瓷基板11的散热层面的氧化膜厚度，至少在陶瓷基板11与散热层13的接合预定区域的周缘部，削减到3.2nm以下。如后述，在散热器30钎焊时当助焊剂侵蚀的情况下，侵蚀会在陶瓷基板11与电路层12的接合界面的外周部发生，因此使接合界面的外周部的氧化膜厚度成为规定值以下十分重要。在此，对于规定氧化膜厚度的周缘部，设为自陶瓷基板11与电路层12的接合预定区域的周缘的距离例如为1mm的位置。氧化膜的厚度，可以通过X射线光电子能谱法(XPS：X-ray Photoelectron Spectroscopy)的表面状态的分析结果等来测定。
(散热层接合工序)
在表面处理后的陶瓷基板11的散热层面，在隔着钎料的状态下层叠散热层13，并将该层叠体在夹在前述缓冲垫片50之间的状态下堆叠多组，通过加压夹具110在层叠方向例如以0.3MPa～1.0MPa进行加压(图示省略)。
然后，由该加压夹具110将层叠体加压的状态下，将整个加压夹具110设置在加热炉(图示省略)内，在真空环境中以630℃以上650℃以下的温度加热1分钟～60分钟，由此将陶瓷基板11与散热层13钎焊，制造出功率模块用基板10。
如此制造出来的功率模块用基板10，是将电路层接合工序时产生的陶瓷基板11表面的氧化膜通过表面处理工序予以削减后再实施散热层接合工序，因此在陶瓷基板11与散热层13的接合界面存在的氧化膜极少，能够提升陶瓷基板11与散热层13的接合界面的接合可靠性。
另外，在表面处理工序中，优选削减陶瓷基板11整个面的氧化膜厚度，但在陶瓷基板11与散热层13的接合界面当中，在承受最多热应力的外周部会有剥离加剧的可能性，因此只要在陶瓷基板11与散热层13的接合预定区域的外周部，至少使周缘部的氧化膜厚度成为前述的3.2nm以下即可。
实施例
为了确认以上说明的基于功率模块用基板的制造方法的效果，进行了实验。
首先，准备由30mm见方的AlN构成的陶瓷基板，作为试料a～g。其中，对于试料b～g的陶瓷基板，设想其受到活性金属钎焊接合，在860℃施加了30分钟的热处理。然后，在施加了热处理的试料b～g当中，又对试料c～g如下述那样以酸进行表面处理。测定各处理后的试料a～g中的各氧化膜厚度。
a：无热处理
b：仅热处理
c：热处理后，在18质量％盐酸中浸渍2.5分钟
d：热处理后，在18质量％盐酸中浸渍5分钟
e：热处理后，在18质量％盐酸中浸渍10分钟
f：热处理后，在30质量％硝酸水溶液中浸渍5分钟
g：热处理后，在14质量％硫酸水溶液中浸渍5分钟
氧化膜厚度通过XPS分析来测定。其分析条件如下。
X射线源：Standard AlKα350W
通能：187.85eV(Survey)、58.5eV(Depth)
测定间隔：0.8eV/step(Survey)、0.125eV(Depth)
相对于试料面的光电子取出角：45deg
分析区域：约800μmφ
溅射速率：1.6nm/min
将基于XPS分析的氧峰值面积达到初始的1/2处假定为氧化膜厚，由溅射时间与溅射速率计算出氧化膜的厚度。如图4中A点所示，氧化膜厚度的测定是在自散热层13(4N-铝板)相对陶瓷基板11的接合预定区域S的周缘向内侧1mm的位置，针对通过接合预定区域S的中心的X轴、Y轴上的4处来进行，并将其平均作为各试料a～g中的氧化膜厚度(表1)。
接着，针对表面处理后的各试料b～g，在陶瓷基板的表面通过Al-Si系钎料来接合4N-铝板以模拟散热层13。对于该4N-铝板，利用助焊剂来钎焊铝合金板以模拟散热器30，并评价各试料b～g中陶瓷基板与4N-铝板之间的接合性。
作为“接合性”，利用超声波探伤装置来评价了陶瓷基板与铝板的接合状态。由接合率＝(接合预定面积-非接合面积)/接合预定面积的公式算出接合率，接合率为85％以上的设为良，不到85％的设为不良。在通过超声波探伤装置来拍摄接合面的超声波探伤图像中，非接合部以白色部示出。因此，测定接合预定区域S内的白色部面积，来作为非接合面积。并且，接合预定面积设为接合预定区域S的面积，即铝板面积。在表1中示出接合性的评价结果。
[表1]
| a | b | c | d | e | f | g | |
| 氧化膜厚度(nm) | 2.1 | 3.8 | 3 | 2.9 | 2.9 | 3.2 | 2.4 |
| 接合性 | - | 不良 | 良 | 良 | 良 | 良 | 良 |
比较试料a与试料b可知，通过热处理，陶瓷基板表面的氧化膜厚度增大。并且，比较该试料a、b可知，通过酸的表面处理，试料c～g中的氧化膜厚度减少。而且，针对通过表面处理而使氧化膜减少至3.2nm以下的试料c～g，能够得到良好的接合性。非接合部分几乎仅限于接合界面的外周部，因此可知只要能针对其外周部削减氧化膜，便能够发挥良好的接合性。
另外，本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明宗旨的范围内可加以各种变更。
产业上的可利用性
在功率模块用基板的制造中，尤其在散热器接合时抑制陶瓷基板与散热层的剥离。
符号说明
10-功率模块用基板，11-陶瓷基板，12-电路层，13-散热层，20-电子零件，30-散热器，40-层叠体，50-缓冲垫片，110-加压夹具，111-底座板，112-导柱，113-固定板，114-推压板，115-加力机构。
Claims (3)
1.一种功率模块用基板的制造方法，其特征在于，具有：
电路层接合工序，在陶瓷基板的一面，钎焊由铜构成的电路层；
散热层接合工序，在所述陶瓷基板的另一面，钎焊由铝构成的散热层；及
表面处理工序，在所述电路层接合工序之后、所述散热层接合工序之前，使所述陶瓷基板的所述另一面的氧化膜厚度，至少在所述陶瓷基板与所述散热层的接合预定区域的周缘部，成为3.2nm以下，
制造出具有所述陶瓷基板、与该陶瓷基板的所述一面接合的所述电路层及与所述陶瓷基板的所述另一面接合的所述散热层的功率模块用基板。
2.根据权利要求1所述的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
在所述表面处理工序中，将所述陶瓷基板的所述另一面以选自盐酸、硝酸、硫酸中的一种以上的酸进行清洗。
3.根据权利要求1所述的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
所述周缘部为自所述接合预定区域的周缘起1mm的位置。
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