JP2000150719A - Dbc基板とその製造方法 - Google Patents

Dbc基板とその製造方法

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JP2000150719A
JP2000150719A JP32651098A JP32651098A JP2000150719A JP 2000150719 A JP2000150719 A JP 2000150719A JP 32651098 A JP32651098 A JP 32651098A JP 32651098 A JP32651098 A JP 32651098A JP 2000150719 A JP2000150719 A JP 2000150719A
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Hideyuki Yoshino
秀行 吉野
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Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
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    • H01L2924/13091Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 パワートランジスタモジュールに大電流を投
入したときの電磁波の発生を防止する。 【解決手段】 予めDBC 基板に銅皮膜を設けておくこと
で、接合面のボイド周囲を導電層で包囲し電位差を消失
させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、パワートランジス
タモジュールなどに適する半導体装置用基板、特にセラ
ミックス基板に銅板を直接接合したDBC(Direct Bond
ing Copper Substrate) 基板およびその製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来技術におけるパワートランジスタモ
ジュールにあっては、図1に示すように、セラミックス
基板2aの表裏面にはそれぞれ銅板2b、2cが貼り合わされ
ており、これによってDBC基板2を構成する。さらに
このセラミックス基板2aには放熱金属ベース1が取付け
られている。上面の銅板2cは回路パターンを構成してお
り、それに半導体チップ3および外部導出端子4などが
ボンデングワイヤ5を介して取付けられている。このと
きに銅板の厚さは例えば0.2 〜0.6mm という比較的厚い
ものが用いられているため、大電流を流すことができ
る。
【0003】ここに、DBC基板2はアルミナあるいは
窒化アルミニウムなどのセラミックス基板2に対して、
その両面に箔状の銅板2b、2cをダイレクト・ボンド・カ
ッパー法により、直接接合したものである。このとき銅
と微量の酸素との反応により生成するCu-O共晶液相を接
合剤として接合するのである。
【0004】主面側の銅板2bに回路パターンを形成した
上で、ここに半導体チップ3 をダイボンデングにより取
付け、さらに外部導出端子4のはんだ付け、ワイヤボン
デングにより回路を組立てた後、DBC基板2を放熱金
属ベース1の上にはんだ付けしてパッケージングするの
である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、DBC
法によって銅板を接合したパワーモジュール基板は使用
時に基板に大電圧がかかり、その際、機器の周囲には電
磁波が照射されることが経験された。
【0006】近年、欧州においてEC低電圧指令(E C D
irective) というものが発令され、電気機器および電子
機器からの電磁波の照射の問題に対して、そのような電
磁波照射の消滅電圧( 以下、単にVe) 値が規制されるよ
うになってきた。
【0007】そのような電磁波照射の原因は、従来のD
BC法によってセラミックス基板に銅板を接合した場
合、通常、基板−銅板界面に不可避的に残留するボイド
であることが判明した。すなわち、パワーモジュール基
板は使用時に基板に大電圧がかかり、その際、ボイドサ
イズによっては、ボイド内に部分放電が発生する。かか
る部分放電によって機器の周囲には電磁波が照射される
のである。そこで、部分放電対策のために、上述のよう
なVe値を規制するボイド対策が必要になってきた。
【0008】ここに、本発明の課題は、DBC基板にお
ける部分放電の解消を図ることのできる技術の開発であ
る。より具体的には、セラミックス基板に銅板を接合す
る場合に不可避的に見られるボイドに起因する部分放電
の発生を防止する技術の開発である。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる課
題の解決のために種々検討を重ね、部分放電は基板−銅
板の間に生成したボイド中で発生することから、ボイド
を基板−銅板界面から銅板中に浮かすことで、ボイド周
囲が同電位となるため放電が抑えられることを知り、本
発明を完成した。
【0010】ここに、本発明は次の通りである。 (1) 導電性皮膜を設けたセラミックス基板に銅板を接合
して成るDBC 基板。 (2) 前記銅板が回路パターンを構成し、該回路パターン
上に半導体デバイスを備えた上記(1) 記載のDBC 基板。 (3) 前記導電性皮膜が銅皮膜であることを特徴とする上
記(1) または(2) 記載のDBC 基板。
【0011】(4) セラミックス基板の表面に銅皮膜を設
け、該銅皮膜の上にDBC法により銅板を接合し、次い
で該銅板から回路パターンを形成することを特徴とする
DBC 基板の製造方法。 (5) セラミックス基板への前記銅皮膜の形成を、無電解
銅めっきによって行う上記(4) 記載のDBC 基板の製造方
法。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明についてさらに詳細に説明
する。すなわち、図2は、従来のDBC基板の片面だけ
の模式的断面図であるが、図示のように従来は、酸素を
100 〜3000ppm 含有するタフピッチ銅板または酸化処理
を施して表面に200 〜5000Åの酸化銅皮膜14を形成した
無酸素銅板12を厚さdのセラミックス基板10上に配置、
加熱して、接合界面に銅−酸化銅共晶液相を形成し、こ
の液相によりセラミックス基板と銅板を直接接合するD
BC法によりDBC基板を製造している。しかしなが
ら、上述のような接合の際には接合面の凹凸部に残留す
るガスのために接合界面に不可避的に高さtのボイド18
が生成する。
【0013】そこで本発明にあっては、図3に示すよう
に、接合に先立ってセラミックス基板10の表面にも銅皮
膜20を予め形成しておくのである。このようにセラミッ
クス基板10の上に銅皮膜20を設けてから銅板12を接合す
ると、不可避的に形成されるボイド18はセラミックス基
板10との接合界面からは浮き上がり、ボイド18はその周
囲を導電性の銅によって取り囲まれることになる。
【0014】したがって、かかる構成の場合に、セラミ
ックス基板10と銅板12との間に大きな電圧がかかって
も、ボイド18の周囲は実質上導電体で取り囲まれている
から、等電位となり、部分放電が生じるための電位は生
じることはなく、結局、部分放電は完全に防止できる。
【0015】ここに、部分放電は部分放電消滅電圧とし
てのVe値によって評価できるが、Ve値は次のようにして
求める。まず、DBC基板をコンデンサと見立てると、
ボイドにかかる電圧Vg は次のように表わすことができ
る。
【0016】
【数1】
【0017】ここに、Cu板にかかる電圧(Vt)上げていく
と、上式に示すとおり、ボイドにかかる電圧(Vg)も上が
り、Vgが、あるレベルを越えるとボイド内に放電が生じ
る。これを部分放電という。部分放電発生後、今度は、
電圧を下げると、あるレベルで部分放電は発生しなくな
る。このときの電圧値(Vt)を消滅電圧(Ve)という。従っ
て、
【0018】
【数2】
【0019】このように、本発明にあっては、ボイドの
位置をセラミックス基板から切り離すのであって、その
限りにおいて、DBC法におけるセラミックス基板、銅
板の接合等は従来の通りとすることができる。
【0020】したがって、本発明において使用するセラ
ミックス基板、銅板、回路パターンの形成等については
特に制限はなく、例えば従来技術に準じて行えばよい。
【0021】本発明においてセラミックス基板は、アル
ミナ基板あるいは窒化アルミニウム基板等が例示され、
特定のものに制限されないが、アルミナ基板を使用する
場合は、ジルコニアを添加すると曲げ強度が大きくなる
ので従来のものと比較して薄くできるため、熱抵抗を小
さくすることができる。
【0022】窒化アルミニウム基板は熱伝導率が大きい
ので、例えばMOS-FET, IGBT(Insulated Gate Bipolar T
ransistor)用などの大電力半導体モジュール用の用途に
適する。しかし、窒化アルミニウム(AlN) のような非酸
化物系セラミックスの場合、予め表面を酸化処理し、Al
2O3 等の酸化皮膜を形成して使用する必要がある。
【0023】本発明によれば、セラミックス基板の表面
には銅皮膜のような導電性皮膜が予め設けられる。これ
はDBC法によって銅板を接合する場合に生じるボイド
とセラミックス基板表面とを隔離するためである。かか
る導電性皮膜を設けることで、同時に接合の際のヌレ性
も改善される。
【0024】本発明の好適態様によれば、銅皮膜厚とし
ては、Ve値を改善し、銅板接合強度等に影響を与えない
ために、0.3 〜3 μm が適正で、望ましくは1.0 μm 前
後がよい。余り厚いと接合強度が低下してしまう。
【0025】また、以上の説明ではセラミックス基板に
予め設ける導電性皮膜を銅皮膜で構成した場合を例にと
っているが、必要によってはその他の導電性皮膜、例え
ばニッケル、アルミニウム皮膜をめっきあるいは蒸着さ
らには、イオンプレーティング、スパッタリングなどの
適宜手段で設けてもよい。
【0026】
【実施例】アルミナにジルコニア、イットリアを添加し
て粒径0.5 〜3 μm 程度に粉砕混合し、さらにバインダ
ーとしてポリビニルブチラール(PVB) を8重量%、溶剤
としてトルエン、キシレン混合液を50重量%、可塑剤と
してフタル酸ジオクチル(DOP) を2重量%添加して約20
時間混練した後、ドクターブレード法によりシート状に
成形してグリーンシートを得、次いでこのグリーンシー
トをプレス加工により所定の形状に型抜きした後に1550
〜1650℃で焼成し、板厚0.32mmのセラミックス基板を作
成した。
【0027】このアルミナ基板には、無電解めっき法に
て、その表裏面に銅めっきを厚さ0.15〜5.0 μm の範囲
で設けた。
【0028】このように銅めっき皮膜を設けたセラミッ
クス基板に対しては、その表裏面に板厚0.25mmの無酸素
銅板を重ね合わせ1070℃の窒素雰囲気中において10分間
加熱することで、DBC法でアルミナ基板に銅板を直接
接合し、DBC基板を得た。なお、この無酸素銅板は予
め酸化処理され、表面に酸化銅の皮膜が形成されてい
た。
【0029】このようにして作成したDBC基板にTGBT
などの半導体チップを取付け、半導体モジュールを構成
した。かかるDBC基板については、Ve値、接合強度を
測定した。
【0030】Ve測定方法は、前述の要領で電圧値(Vt)を
上げてゆき、部分放電が発生すると、センサーで検出す
る。部分放電が発生してもなお3kVまで上げたら、今度
は電圧をゆっくり下げ、センサーの反応が無くなった
時、つまり部分放電の消滅時の電圧値を測定し、これを
Ve 値とする。
【0031】接合強度は接合界面に対して平行方向に引
張試験を行い剪断応力を求めることで決定した。結果は
図4、図5にそれぞれグラフで示した。図4において白
丸で部分放電の検出されたときのVe値を示す。
【0032】これらの結果からも分かるように、銅めっ
き厚さ0.3 〜3 μm のところでVe値が改善され、接合強
度の劣化も見られなかった。特に、1.0 μm 前後では、
3kVかけてもセンサーに反応がなく、部分放電は発生し
なかった。しかし、銅メッキ厚が3μm以上になると部
分放電の発生が検出された。これは、メッキ厚が厚くな
りすぎるとメッキ時にメッキ液の残差が基板とメッキ間
に残り、ボイドになるためと思われる。また、接合強度
の劣化が見られなかったのは、無電解めっきで形成され
た銅皮膜とセラミックの接合強度は低いが、接合工程で
の銅板の酸化銅皮膜の影響で、無電解銅めっき皮膜が銅
−酸化銅共晶液相になり、DBC接合されるためであ
る。
【0033】
【発明の効果】本発明によれば、DBC接合前にセラミ
ックス基板の表面に銅めっきをすることで、接合領域に
ボイドが残っても、基板面を銅が覆うことで、接合強度
等の特性劣化もなく、Ve値の改善をすることができる。
【0034】したがって、本発明にかかるDBC基板を
使えば、エアコン用、産業ロボット用、エレベータ用等
の産業用ばかりでなく、電子レンジ、IHジャーなどの家
庭用にも用いられるパワートランジスクモジュールを構
成することができる。
【0035】また、本発明では、活性金属法の場合と異
なり、アフターエッチングのパターン形成時、銅板と共
に不用部の銅皮膜は除去されるため、銅皮膜を除去する
ためのエッチング工程も必要なく、銅皮膜形成後は通常
のDBC法と同様の工程でその後の処理が行える。本発
明は、したがって、新たな技術開発を要することもない
実用的な方法ということができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】パワートランジスタモジュールの模式的説明図
である。
【図2】従来のDBC基板の接合界面の説明図である。
【図3】本発明にかかるDBC基板の接合界面の説明図
である。
【図4】本発明の実施例の結果を示すグラフである。
【図5】本発明の実施例の結果を示すグラフである。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 導電性皮膜を設けたセラミックス基板に
    銅板を接合して成るDBC 基板。
  2. 【請求項2】 前記銅板が回路パターンを構成し、該回
    路パターン上に半導体デバイスを備えた請求項1記載の
    DBC 基板。
  3. 【請求項3】 前記導電性皮膜が銅皮膜であることを特
    徴とする請求項1または2記載のDBC 基板。
  4. 【請求項4】 セラミックス基板の表面に銅皮膜を設
    け、該銅皮膜の上にDBC法により銅板を接合し、次い
    で該銅板から回路パターンを形成することを特徴とする
    DBC 基板の製造方法。
  5. 【請求項5】 セラミックス基板への前記銅皮膜の形成
    を、無電解銅めっきによって行う請求項4記載のDBC 基
    板の製造方法。
JP32651098A 1998-11-17 1998-11-17 Dbc基板とその製造方法 Withdrawn JP2000150719A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006005281A1 (de) * 2004-07-08 2006-01-19 Electrovac Ag Verfahren zum herstellen eines metall-keramik-substrates

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2006005281A1 (de) * 2004-07-08 2006-01-19 Electrovac Ag Verfahren zum herstellen eines metall-keramik-substrates
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