JP2007311526A - パワーモジュール用基板の製造方法、パワーモジュール用基板およびパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】回路層と半導体チップとの接合信頼性を低下させたり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を低減させたり、さらには、パワーモジュール用基板の外観品質を低下させたりすることなく、パワーモジュールのコンパクト化や低コスト化を図る。
【解決手段】セラミックス板１１の表面に回路層１２がろう付けされてなり、回路層１２の表面に半導体チップ１５が接合されるとともに、セラミックス板１１の裏面側にヒートシンク１６が接合されるパワーモジュール用基板１４の製造方法であって、セラミックス板１１に回路層１２をろう付けする際に、またはこのろう付けの前に予め、回路層１２の外表面のうち、セラミックス板１１の表面から略垂直に立上がる側面１２ａに酸化膜２０を形成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、大電流、高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、パワーモジュール用基板およびパワーモジュールに関するものである。

この種のパワーモジュールは一般に、セラミックス板において、その表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に金属層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層の表面に接合された半導体チップと、金属層の表面に接合されたヒートシンクとを備えている。このうち回路層は、従来では、例えば下記特許文献１に示されるように、セラミックス板の表面に回路層を形成するための回路層部材をろう付けした後に、この回路層部材にエッチング処理を施すことにより形成されていた。
しかしながら、このようにエッチング処理により回路層を形成すると、この回路層の側面は、その表面（半導体チップ側）から裏面（セラミックス板側）に向かうに従い漸次、この回路層の外側に向けて拡がるような末広がり形状になるため、近年のパワーモジュールに対するさらなるコンパクト化、すなわち回路層を構成する導体の幅を狭くして、隣合う導体同士の間隔を狭くすることについての要求に応えることが困難であるという問題があった。また、エッチング処理では、製造に要する時間がかかるばかりでなく、廃液も発生することになるため、結果として製造コストを低減することが困難であるという問題があった。
そこで、本発明者等は、母材から打ち抜いた回路層、または鋳造により形成した回路層を、セラミックス板にろう付けすることによって、側面がセラミックス板の表面から略垂直に立上がった回路層を形成することについて検討している。
特開平１０−２４２３３０号公報

しかしながら、このようなパワーモジュール用基板の製造方法では、エッチング工程を経ないので、上述した問題は解決することができるものの、この回路層の側面がセラミックス板の表面から略垂直に立上がっているので、エッチング処理して得られた回路層の側面と比べてその立上がる方向の長さが短くなるため、回路層をセラミックス板にろう付けする際に、セラミックス板との間から溢れ出たろう材の余剰分が、その表面張力により凝集することによって、この回路層の側面を伝ってその表面に乗り上がり易くなっている。
そして、このように表面に乗り上げたろう材上にさらに半導体チップを接合すると、この接合時にろう材の組成成分の一部が溶融することがあり、半導体チップと回路層との接合部にボイドが発生し、これらの接合信頼性を低下させるおそれがある。
特に、例えばろう材がＡｌ−Ｓｉ系とされてＳｉを含有し、回路層が純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成されている場合には、回路層の表面に乗り上げたろう材は、この回路層よりも硬いうえに、パワーモジュールを使用する過程での熱サイクルによりさらに加工硬化させられることによって、回路層に対してその表面および側面から大きな外力を作用させ、回路層とセラミックス板との接合界面に大きな応力が作用し、回路層がセラミックス板の表面から剥離し易くなり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を低下させるおそれがある。
また、回路層の表面においてろう材が乗り上げた部分に、ワイヤボンディングが施されると、ろう材は前記のように回路層と比べて硬いので、この部分とワイヤボンディングとの接合部における熱サイクル寿命を低下させるおそれがある。
さらに、回路層の表面に前記のように乗り上げたろう材は、視認することができ、外観品質を低減させるおそれもある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、回路層と半導体チップとの接合信頼性を低下させたり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を低減させたり、さらには、パワーモジュール用基板の外観品質を低下させたりすることなく、パワーモジュールのコンパクト化や低コスト化を図ることができるパワーモジュール用基板の製造方法、パワーモジュール用基板およびパワーモジュールを提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、回路層の表面に半導体チップが接合されるとともに、セラミックス板の裏面側にヒートシンクが接合されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、セラミックス板に回路層をろう付けする際に、またはこのろう付けの前に予め、回路層の外表面のうち、セラミックス板の表面から略垂直に立上がる側面に酸化膜を形成することを特徴とする。
この発明によれば、回路層の側面に酸化膜を形成しながら、または形成した後に、ろう材箔を溶融してセラミックス板と回路層とをろう付けするので、回路層の側面における溶融したろう材の濡れ性を低下させることが可能になり、溶融したろう材がこの側面を伝って回路層の表面に乗り上がるのを防ぐことができる。したがって、回路層と半導体チップとの接合信頼性を低下させたり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を低減させたり、さらには、パワーモジュール用基板の外観品質を低下させたりすることなく、パワーモジュールのコンパクト化や低コスト化を図ることができる。

ここで、前記酸化膜は、回路層の側面に、セラミックス板と回路層とをろう付けするろう材箔よりも融点が低く、かつ回路層を形成する材質よりも酸素との親和性が高い金属材料を蒸着させて蒸着膜を形成しておき、その後、この蒸着膜を酸化させることにより形成されてもよい。
この場合、前記酸化膜を容易かつ確実に形成することが可能になり、前記の作用効果が確実に奏効されることになる。

また、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、回路層の表面に半導体チップが接合されるとともに、セラミックス板の裏面側にヒートシンクが接合されるパワーモジュール用基板であって、回路層の外表面のうち、セラミックス板の表面から略垂直に立上がる側面に、酸化膜が形成されていることを特徴とする。

ここで、前記酸化膜は、セラミックス板と回路層とをろう付けするろう材箔よりも融点が低く、かつ回路層を形成する材質よりも酸素との親和性が高い金属材料からなる蒸着膜が酸化した金属酸化膜であってもよい。

さらに、本発明のパワーモジュールは、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層の表面に接合された半導体チップと、セラミックス板の裏面側に接合されたヒートシンクとを備えたパワーモジュールであって、前記パワーモジュール用基板が、本発明のパワーモジュール用基板であることを特徴とする。
この発明によれば、回路層と半導体チップとの接合信頼性を低下させたり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を低減させたり、さらには、パワーモジュール用基板の外観品質を低下させたりすることなく、パワーモジュールのコンパクト化や低コスト化を図ることができる。

この発明によれば、回路層と半導体チップとの接合信頼性を低下させたり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を低減させたり、さらには、パワーモジュール用基板の外観品質を低下させたりすることなく、パワーモジュールのコンパクト化や低コスト化を図ることができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
このパワーモジュール１０は、セラミックス板１１の表面に回路層１２がろう付けされたパワーモジュール用基板１４と、回路層１２の表面に第１はんだ層１７を介してはんだ接合された半導体チップ１５と、セラミックス板１１の裏面側に接合されたヒートシンク１６とを備えている。

図示の例では、パワーモジュール用基板１４には、回路層１２と同じ材質により形成されるとともに、セラミックス板１１の裏面にろう付けされた金属層１３が備えられている。そして、ヒートシンク１６は、金属層１３の表面に、第２はんだ層１９を介してはんだ接合、若しくはろう付けや拡散接合により接合されている。

ここで、これらの各部材を形成する材質としては、例えば、セラミックス板１１ではＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等が挙げられ、回路層１２、金属層１３およびヒートシンク１６では純Ａｌ、純Ｃｕ、Ａｌ合金若しくはＣｕ合金等が挙げられ、第１、第２はんだ層１７、１９では例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の無鉛系のはんだ材が挙げられる。また、セラミックス板１１と回路層１２および金属層１３とをそれぞれろう付けするろう材では、例えばＡｌ−Ｓｉ系等のＡｌ系のろう材が挙げられる。

このＡｌ−Ｓｉ系のろう材としては、例えば、Ｓｉを６．８ｗｔ％〜１３．０ｗｔ％、Ｆｅを０．８ｗｔ％以下、Ｃｕを４．７ｗｔ％以下、Ｍｎを０．１５ｗｔ％以下、Ｍｇを２．０ｗｔ％以下、Ｃｒを０．１５ｗｔ％以下、Ｚｎを２．５ｗｔ％以下、Ｔｉを０．２０ｗｔ％以下、Ｂｉを０．２０ｗｔ％以下、その他を０．１５ｗｔ％以下それぞれ含み、残部がＡｌとされた材質を採用することができる。

そして、本実施形態では、回路層１２の外表面のうち、セラミックス板１１の表面から略垂直に立上がる側面１２ａに酸化膜２０が形成されている。この酸化膜２０は、セラミックス板１１と回路層１２とをろう付けするろう材箔よりも融点が低く、かつ回路層１２を形成する材質よりも酸素との親和性が高い金属材料からなる蒸着膜が酸化した金属酸化膜とされている。この金属材料としては、例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｚｎ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金若しくはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金等といったＡｌ系の合金、またはＭｇ−Ａｌ系合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｍｎ系合金、Ｍｇ−Ｌｉ系合金等といったＭｇ系の合金等が挙げられる。また、この酸化膜２０は、厚さが約０．０５μｍ以上１００μｍ以下とされている。さらに、本実施形態では、金属層１３の側面１３ａにも、回路層１２と同様に酸化膜２０が形成されている。

次に、以上のように構成されたパワーモジュール用基板１４の製造方法について説明する。
まず、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる母材を打ち抜いて回路層１２を形成する。
すなわち、本実施形態では、母材の表裏面のうち、形成される回路層１２の裏面を有する裏面にろう材箔を配置しておき、この母材における回路層１２の形成予定部をその裏面側から押圧し、この回路層１２の形成予定部の外周縁にせん断力を作用させてその厚さ方向途中まで切断し、前記ろう材箔のうち回路層１２の形成予定部の外周縁に位置する部分を切断した後に、この回路層１２の形成予定部をその表面側から押圧して押し戻す。

その後、この母材の裏面とセラミックス板１１の表面とをテンプレートを挟んで対向させた状態で、回路層１２の形成予定部の表面をセラミックス板１１の表面に向けて押圧して母材から分離し回路層１２を形成するとともに、この回路層１２をその裏面側からテンプレートのガイド孔に挿入することにより、セラミックス板１１の表面にろう材箔と回路層１２とをこの順に配置する。

一方、回路層１２と同様にして、セラミックス板１１の裏面にろう材箔を介して金属層１３を配置する。以上より、セラミックス板１１の表面に、ろう材箔と回路層１２とがこの順に配置され、裏面にろう材箔と金属層１３とがこの順に配置された積層体１８を形成する。

そして、図２に示されるように、この積層体１８を積層方向にカーボンシートＣを介して複数積層させたものを、内部が５．０×１０^−２Ｐａ以上５．０×１０^−１Ｐａ以下の低真空度とされて酸素分圧が高められた雰囲気の炉内に置く。この際、回路層１２および金属層１３は、セラミックス板１１の表裏面からそれぞれ立上がる側面１２ａ、１３ａのみが露出し、この他の表裏面はその全域がセラミックス板１１の表裏面およびカーボンシートＣにより被覆されている。その後、前記複数積層させたものを積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させることによって、セラミックス板１１の表面に回路層１２をろう付けするとともに、セラミックス板１１の裏面に金属層１３をろう付けしてパワーモジュール用基板１４を形成する。

ここで、炉内に予め、前記複数積層させたものとともに前述したＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金等の金属材料からなる部材を置いておき、上記のように炉内を加熱する過程においてろう材箔が溶融する前に、この部材を溶融させて回路層１２および金属層１３の各側面１２ａ、１３ａに蒸着させた後に、この蒸着膜を酸化させて酸化膜２０を形成する。その後、上述のようにろう材箔を溶融させてパワーモジュール用基板１４を形成する。

ここで、この製造方法についての具体的な実施例について説明する。
まず、材質については、回路層１２および金属層１３を純度９９．９８％のＡｌ合金、ろう材１３をＡｌ−Ｓｉ系（Ａｌが９３ｗｔ％、Ｓｉが７ｗｔ％）、セラミックス板１１をＡｌＮによりそれぞれ形成した。厚さについては、回路層１２および金属層１３を約０．４ｍｍ、ろう材箔を約１３μｍ、セラミックス板１１を約０．６３５ｍｍとした。なお、回路層１２および金属層１３は平面視四角形とされ、縦および横の寸法はそれぞれ、約２８ｍｍおよび約７０ｍｍとした。また、前記積層体１８を構成する回路層１２、金属層１３およびろう材箔は、揮発性有機媒体（オクタンジオール）により仮固定した。
そして、前記積層体１８が複数積層されたものを、５．０×１０^−２Ｐａ以上５．０×１０^−１Ｐａ以下の低真空度の雰囲気とされ、かつ６２０℃〜６５０℃に保温可能な炉内に、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金からなる部材とともに置いて、積層方向に０．２３ＭＰａ〜０．３５ＭＰａで加圧した状態で３０分〜６０分間加熱し、パワーモジュール用基板１４を形成した。

以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール用基板によれば、回路層１２の側面１２ａに酸化膜２０を形成しながら、または形成した後に、ろう材箔を溶融してセラミックス板１１と回路層１２とをろう付けするので、回路層１２の側面１２ａにおける溶融したろう材の濡れ性を低下させることが可能になり、溶融したろう材がこの側面１２ａを伝って回路層１２の表面に乗り上がるのを防ぐことができる。したがって、回路層１２と半導体チップ１５との接合信頼性を低下させたり、パワーモジュール１０の熱サイクル寿命を低減させたり、さらには、パワーモジュール用基板１４の外観品質を低下させたりすることなく、パワーモジュール１０のコンパクト化や低コスト化を図ることができる。

また、本実施形態では、酸化膜２０は、回路層１２の側面１２ａに、セラミックス板１１と回路層１２および金属層１３とをろう付けするろう材箔よりも融点が低く、かつ回路層１２を形成する材質よりも酸素との親和性が高い金属材料を蒸着させて蒸着膜を形成しておき、その後、この蒸着膜を酸化させて形成するので、酸化膜２０を容易かつ確実に形成することが可能になり、前記の作用効果が確実に奏効されることになる。
さらに、金属層１３にも酸化膜２０を形成したので、この金属層１３とヒートシンク１６との接合信頼性をも向上させることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の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、前記実施形態では、回路層１２および金属層１３を母材から打ち抜いて形成したが、これに代えて、鋳造により形成してもよい。
また、母材を打ち抜いて回路層１２を形成する方法として、前記実施形態に代えて、例えば、裏面にろう材箔が配置された母材における回路層１２の形成予定部に向けて打ち抜きパンチを前進移動し、この母材における回路層１２の形成予定部をその裏面側から押圧して、このパンチの前進移動を、回路層１２の形成予定部の外周縁を母材の厚さ方向全域でせん断変形させて破断するまで継続することにより母材から打ち抜いて形成してもよい。さらにまた、金属層１３もこのような方法で形成してもよい。
さらに、酸化膜２０として、前記ろう材箔よりも融点が低く、かつ回路層１２および金属層１３を形成する材質よりも酸素との親和性が高い金属材料からなる蒸着膜が酸化した金属酸化膜を示したが、これに代えて、例えば、蒸着膜を形成しないで直接、回路層１２および金属層１３の側面１２ａ、１３ａに酸化膜を形成するようにしてもよい。

ここで、前記実施例に従ってパワーモジュール用基板１４を形成し、回路層１２および金属層１３の各表面を目視により確認したところ、ろう材の乗り上げが視認されなかった。
また、純度９９．９８％のＡｌ合金からなる板材の表面に、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金からなる蒸着膜を形成し、さらにこの蒸着膜を酸化させて酸化膜を形成した後に、この酸化膜の表面に、Ａｌを９３ｗｔ％、Ｓｉを７ｗｔ％それぞれ含有する溶融したＡｌ−Ｓｉ系のろう材を滴下したときの、この酸化膜の表面に対する溶融ろう材の濡れ角を測定したところ９０°以下であり、前記板材の表面に酸化膜を形成しないで直接、溶融ろう材を滴下した場合（濡れ角度９０°より大）と比べて、濡れ性を低下させることができたことが確認された。

回路層と半導体チップとの接合信頼性を低下させたり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を低減させたり、さらには、パワーモジュール用基板の外観品質を低下させたりすることなく、パワーモジュールのコンパクト化や低コスト化を図る。

この発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。 この発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一工程を示す概略図である

符号の説明

１０ パワーモジュール
１１ セラミックス板
１２ 回路層
１２ａ 回路層の側面
１４ パワーモジュール用基板
１５ 半導体チップ
１６ ヒートシンク
２０ 酸化膜

Claims (5)

1. セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、回路層の表面に半導体チップが接合されるとともに、セラミックス板の裏面側にヒートシンクが接合されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
   セラミックス板に回路層をろう付けする際に、またはこのろう付けの前に予め、回路層の外表面のうち、セラミックス板の表面から略垂直に立上がる側面に酸化膜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。
2. 請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、
   前記酸化膜は、回路層の側面に、セラミックス板と回路層とをろう付けするろう材箔よりも融点が低く、かつ回路層を形成する材質よりも酸素との親和性が高い金属材料を蒸着させて蒸着膜を形成しておき、その後、この蒸着膜を酸化させることにより形成され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。
3. セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、回路層の表面に半導体チップが接合されるとともに、セラミックス板の裏面側にヒートシンクが接合されるパワーモジュール用基板であって、
   回路層の外表面のうち、セラミックス板の表面から略垂直に立上がる側面に、酸化膜が形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
4. 請求項３記載のパワーモジュール用基板において、
   前記酸化膜は、セラミックス板と回路層とをろう付けするろう材箔よりも融点が低く、かつ回路層を形成する材質よりも酸素との親和性が高い金属材料からなる蒸着膜が酸化した金属酸化膜であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
5. セラミックス板の表面に回路層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層の表面に接合された半導体チップと、セラミックス板の裏面側に接合されたヒートシンクとを備えたパワーモジュールであって、
   前記パワーモジュール用基板が、請求項３または４に記載のパワーモジュール用基板であることを特徴とするパワーモジュール。
   
   

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