JP2008198635A - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱サイクル使用時の反りによってセラミックス板に割れが生ずるのを抑制。
【解決手段】半導体チップがはんだ接合される回路層をセラミックス板１１にろう付けしてなるパワーモジュール用基板の製造方法において、略板状のセラミックス母材２０の少なくとも一方の表面２１にレーザ光を照射して溝状のスクライブライン３１を形成するレーザ加工工程と、前記レーザ加工工程において前記スクライブライン３１の内面３１ａに形成されて前記レーザ光の熱によってガラス質に変性された熱変性層３３を除去するエッチング工程と、セラミックス母材２０をスクライブライン３１に沿って個々のセラミックス板１１に分割する分割工程とを実施する。
【選択図】図２

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に関するものである。

従来、この種のパワーモジュール用基板の製造方法には、例えば特許文献１，２のように、略板状に形成されたセラミックス母材の表面にレーザ光を照射して溝状のスクライブラインを形成するレーザ加工工程と、セラミックス母材を折り曲げる等してスクライブラインに外力を付加してセラミックス母材を個々のセラミックス板に分割する分割工程と、セラミックス母材又はセラミックス板に回路層をろう付けするろう付け工程とを有する方法がある。
特開２０００−８６３６７号公報 特開２００３−１４２７８５号公報

ところで、上述したパワーモジュール用基板の製造方法のように、レーザを用いてスクライブラインを形成する場合には、スクライブラインからなるセラミックス板の角部に微小なクラックが発生する。すなわち、レーザ加工工程においてレーザ光を照射して形成されたスクライブラインの内面には、レーザ光の熱によってガラス化（アモルファス化）された熱変性層が形成されるため、レーザ加工工程後の冷却によってこの熱変性層の略全域に上述した微小なクラックが無数に発生することになる。
このような微小なクラックがセラミックス板に存在する場合には、熱サイクル使用時にパワーモジュール全体が反ったときに、微小なクラックを起点としてセラミックス板が割れ易くなる虞がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、熱サイクル使用時の反りによってセラミックス板に割れが生ずるのを抑制できるパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、半導体チップがはんだ接合される回路層をセラミックス板にろう付けしてなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、略板状のセラミックス母材の少なくとも一方の表面にレーザ光を照射して溝状のスクライブラインを形成するレーザ加工工程と、前記レーザ加工工程において前記スクライブラインの内面に形成されて前記レーザ光の熱によってガラス質に変性された熱変性層を除去するエッチング工程と、前記セラミックス母材を前記スクライブラインに沿って個々の前記セラミックス板に分割する分割工程とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、エッチング工程においてガラス質の熱変性層が除去されるため、熱変性層に基づいてここに発生する微小なクラックも除去することができる。したがって、熱サイクル使用時にパワーモジュール全体が反ったときに、スクライブラインからなるセラミックス板の角部に発生する微小なクラックに基づいて、セラミックス板に割れが生じることを抑制できる。
また、レーザ光を照射して形成されるスクライブラインは、断面視形状で略Ｖ字状に形成することができるため、上述のようにレーザ加工工程を実施した場合、分割工程を経て得られるセラミックス板の一方の表面とこれに隣り合う側面との角部には、スクライブラインによって一方の表面から側面に向けて傾斜する傾斜面が形成されることになる。このように、傾斜面を形成したセラミックス板の角部は鋭利とならないため、この角部に衝撃が付与されても、上記角部に欠けが生じることを抑制できる。

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前記レーザ加工工程において、前記セラミックス母材の他方の表面にも前記レーザ光を照射して、前記一方の表面に形成された一のスクライブラインと前記セラミックス母材の厚さ方向に重なる他のスクライブラインを形成することを特徴とする。

この発明によれば、分割工程を経て得られるセラミックス板の全ての角部に、セラミックス板の一方の表面及び他方の表面からそれぞれ側面に向けて傾斜する傾斜面が形成されることになる。
すなわち、傾斜面の形成によってセラミックス板の全ての角部が鋭利とならないため、セラミックス板に衝撃が付与されても、全ての角部に欠けが生じることを抑制できる。したがって、分割工程後のパワーモジュール用基板やパワーモジュールの製造に際してセラミックス板のハンドリングを容易としながら、セラミックス板やこれを備えるパワーモジュール用基板、パワーモジュールの歩留まり向上を図ることができる。

本発明によれば、熱サイクル使用時にパワーモジュール全体の反りによってセラミックス板に割れが生じることを抑制できる。

以下、図１から図３を参照し、本発明の実施形態について説明する。図１は、本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によって製造される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において、その表面（一方の表面）１１ａに回路層１２がろう付けされると共に、裏面（他方の表面）１１ｂに金属層１３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の表面にはんだ層１５を介してはんだ接合された半導体チップ１６と、金属層１３の表面にろう付けされたヒートシンク１７とを備えている。

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若しくはＳｉＣ等が挙げられ、回路層１２、金属層１３およびヒートシンク１７では純Ａｌ、純Ｃｕ、Ａｌ合金若しくはＣｕ合金等が挙げられる。
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。なお、回路層１２および金属層１３は、純度が９９．９８ｗｔ％以上の純Ａｌ若しくはＡｌ合金、または純度が９９．９９９ｗｔ％の純Ｃｕで形成されるのが望ましい。

このセラミックス板１１は、例えば一辺が３０ｍｍ以上６０ｍｍ以下の平面視正方形とされると共に、その厚さが０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とされている。回路層１２の厚さは例えば０．４ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とされ、金属層１３の厚さは例えば０．４ｍｍ以上３．６ｍｍ以下とされている。

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。
本実施形態では、はじめに、略板状のセラミックス母材２０の表面（一方の表面）２１に回路層１２をろう付けすると共に、セラミックス母材２０の裏面（他方の表面）２２うち回路層１２とセラミックス母材２０の厚さ方向に重なる位置に金属層１３をろう付けする（ろう付け工程）。

次いで、図２に示すように、セラミックス母材２０の表面２１及び裏面２２にレーザ光を照射して溝状のスクライブライン３１，３２を形成する（レーザ加工工程）。このレーザ加工工程では、例えばＣＯ_２レーザ、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ、ＹＶＯ４（イットリウム・バナデート）レーザ、ＹＬＦ（イットリウム・リチウム・フロライド）レーザ等を使用することができる。
このレーザ加工工程においては、レーザ光をセラミックス母材２０の表面２１や裏面２２のうち回路層１２や金属層１３をろう付けした周辺部分に照射することで、回路層１２や金属層１３の外周縁に沿って延びるスクライブライン３１，３２が格子状に形成されることになる。また、セラミックス母材２０の表面２１に形成される一のスクライブライン３１は、裏面２２に形成される他のスクライブライン３２とセラミックス母材２０の厚さ方向に重なるように形成される。

各スクライブライン３１，３２は、断面視形状で略Ｖ字状に形成されており、その内面３１ａ，３２ａにはレーザ光の熱によってガラス質に変性された熱変性層３３，３４が形成されている。ここで、各スクライブライン３１，３２に形成される熱変性層３３，３４の厚さ寸法は、照射するレーザ光の波長が短い程薄くなる。
また、各スクライブライン３１，３２の開き角度θ１，θ２は、照射するレーザ光の波長を長くする等してより高温のレーザ光を照射する、また、同一波長でもレーザ光の焦点をずらすことで大きくすることができる。したがって、この開き角度θ１，θ２は、例えば使用するレーザの種類や加工条件を変更することで容易に変化させることができる。

通常のＹＡＧレーザやＹＶＯ４レーザ、ＹＬＦレーザ等のように波長の短いレーザ光を照射するものでは、波長の長いレーザ光を照射するＣＯ_２レーザの場合よりも開き角度θ１，θ２が小さくなってしまうが、このようなレーザ等を使用する場合でも、レーザ出力を上げたり加工条件を変更する等して、開き角度θ１，θ２を拡大することが可能である。

なお、例えばセラミックス母材２０の厚さ寸法が０．６４ｍｍである場合には、このレーザ加工工程において形成される各スクライブライン３１，３２の深さ寸法を０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下とすることが好ましい。ただし、本実施形態のようにセラミックス母材２０の表面２１及び裏面２２の両方にそれぞれスクライブライン３１，３２を形成する場合には、これら２つのスクライブライン３１，３２の深さ寸法の合計を０．０６ｍｍ以上０．１６ｍｍ以下としてもよい。
また、例えば波長１０μｍのレーザ光をＣＯ_２レーザから照射して深さ寸法が０．１２ｍｍのスクライブライン３１，３２を形成した場合には、熱変性層３３，３４の厚さ寸法が約３５μｍとなり、スクライブライン３１，３２の開き角度θ１，θ２が２０°となる。

上記レーザ加工工程後には、スクライブライン３１，３２にエッチング処理を施して、図３に示すように、スクライブライン３１，３２の内面３１ａ，３２ａに形成された熱変性層３３，３４を除去する（エッチング工程）。このエッチング工程において熱変性層３３，３４の除去に要する時間は、熱変性層３３，３４の厚さ寸法が薄い程短くなる。したがって、パワーモジュール基板１４の製造効率向上を考慮する場合には、レーザ加工工程における各スクライブライン３１，３２の形成時に、ＹＡＧレーザを用いる等して照射するレーザ光の波長を短くすることがより好ましい。

なお、例えばセラミックス母材２０の材質がＡｌＮである場合には、フッ硝酸（例えば、硝酸７５０ｍｌ/ｌ、水２５０ｍｌ/ｌ及び重フッ化アンモニウム６０ｇ/ｌからなる溶液）をエッチング液として用いて上記エッチング処理を行えばよい。そして、例えばこのエッチング処理を室温（例えば２５℃）で１０分間行った場合には、例えば上述した厚さ３５μｍの熱変性層３３，３４を十分に除去することができる。
最後に、スクライブライン３１，３２に沿ってセラミックス母材２０を個々のセラミックス板１１に分割する（分割工程）ことで、図１に示すパワーモジュール用基板１４の製造が完了する。

以上のようにして製造されたパワーモジュール用基板１４において、セラミックス板１１の側面１１ｃは分割工程において分断されるセラミックス母材２０の分断部分によって形成されている。そして、セラミックス板１１の全ての角部４１，４２には、略Ｖ字状のスクライブライン３１，３２によってセラミックス板１１の表面１１ａ及び裏面１１ｂからそれぞれ側面１１ｃに向けて傾斜する傾斜面１１ｄ，１１ｅが形成されている。

次に、このパワーモジュール用基板１４を構成するセラミックス板１１の評価について以下に説明する。ここでは、評価対象となる具体的なセラミックス板１１として、レーザ加工工程において、ＣＯ_２レーザから波長１０μｍのレーザ光を照射したもの（実施例１）、通常のＹＡＧレーザから第２高調波（波長５３２ｎｍ）のレーザ光を照射したもの（実施例２）、通常のＹＡＧレーザから第３高調波（波長３５５ｎｍ）のレーザ光を照射したもの（実施例３）通常のＹＡＧレーザから第４高調波（波長２６６ｎｍ）のレーザ光を照射したもの（実施例４）を取り上げた（表１参照）。
まず、上述した製造方法で形成されたセラミックス板１１の抗折強度を測定した結果を表１に示す。ここで、抗折強度は、セラミックス板１１の裏面１１ｂの両端の２点を支持した状態でセラミックス板１１の表面１１ａの中央の１点を押圧する３点曲げ試験を行うことで測定されるものである。
また、上述した製造方法からエッチング工程を除いて形成されたセラミックス板を各実施例１〜４に対応する比較例１〜４として取り上げ、同様に抗折強度を測定した結果も表１に示す。

そして、表１に示すように、同一波長のレーザ光について比較すると、実施例１〜４のセラミックス板１１の抗折強度は、いずれも上記比較例１〜４のセラミックス板の抗折強度よりも高くなっており、エッチング処理により熱変性層３３，３４を除去することでセラミックス板１１の抗折強度が向上していることが確認された。
つまり、比較例１〜４のセラミックス板では、スクライブライン３１，３２からなる角部４１，４２に熱変性層３３，３４が残存するため、熱変性層３３，３４に微小なクラックが無数に生じ、これに基づいて抗折強度が低下する。これに対して、実施例１〜４のセラミックス板１１の角部４１，４２には熱変性層３３，３４が残存しないため、上述した微小なクラックの発生が抑制されて抗折強度が低下しない。
また、抗折強度について実施例１〜４のセラミックス板１１同士を比較すると、レーザ加工工程において照射するレーザ光の波長が短い程、抗折強度が向上することが分かる。これは、レーザ光の波長が短い程レーザ加工工程で形成される熱変性層３３，３４が薄くなって微小なクラックの形成が抑制されるためである。

また、上述した製造方法で製造されたパワーモジュール用基板１４を用いて５００個のパワーモジュール１０を製造した後、これら５００個のパワーモジュール１０のうち、セラミックス板１１の角部４１，４２に欠けが生じた不良品の割合を表１の実施例１〜４及び比較例１〜４に関してそれぞれ調べた。
その結果、表１に示すように、同一波長のレーザ光について比較すると、実施例１〜４のセラミックス板１１を備えたパワーモジュール１０における不良品の割合は、いずれも比較例１〜４のセラミックス板を備えたパワーモジュールにおける不良品の割合よりも小さくなっていることが分かる。これは、比較例１〜４のセラミックス板では角部に生じる無数の微小なクラックに基づいて欠けが生じやすくなるのに対し、実施例１〜４のセラミックス板１１では微小なクラックの発生が抑制されているために欠けの発生も抑制できることを示している。

また、上述した不良品の割合について実施例１〜４のセラミックス板１１を備えたパワーモジュール１０同士を比較すると、レーザ加工工程において照射するレーザ光の波長が長い程、欠けの発生を抑制できることが分かる。これは、レーザ光の波長が短い程、スクライブライン３１，３２の開き角度θ１，θ２が小さくなることで、セラミックス板１１の表面１１ａや裏面１１ｂに対する傾斜面１１ｄ，１１ｅの傾斜角度が大きくなって、セラミックス板１１の表面１１ａや裏面１１ｂと傾斜面１１ｄ，１１ｅとの角部が鋭利となり、この部分において欠けが発生しやすくなるためである。
したがって、レーザ加工工程においては開き角度θ１，θ２が大きくなるようにスクライブライン３１，３２を形成することがより好ましく、具体的には開き角度θ１，θ２を１５°以上に設定することが好ましい。ただし、分割工程においてスクライブライン３１，３２に沿って容易にセラミックス母材２０を分断することを考慮すると、開き角度θ１，θ２は６０°以下に設定されることが好ましい。

なお、上述したように、抗折強度については照射するレーザ波長を短くする程、また不良品の割合についてはレーザ波長を長くする程、良好な結果が得られるが、これら両者を併せて考慮する場合には、第２高調波のレーザ光を使用することが最も好ましい。
これは、同一波長のレーザ光について、実施例１〜４と比較例１〜４の抗折強度を比較すると、比較例２に対する実施例２の抗折強度の上昇率が約２９％と最も高くなっているためである。また、同一波長のレーザ光について、実施例１〜４と比較例１〜４の不良品の割合を比較しても、比較例２に対する実施例２の不良品の割合の低下率が約０．７％と最も大きくなっているためである。
したがって、第２高調波のレーザ光を使用することで、エッチング工程の実施に伴う抗折強度の向上を効果的に図りながら、セラミックス板１１の角部における欠けの発生を効果的に抑制することができる。

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１４の製造方法によれば、エッチング工程においてガラス質の熱変性層３３，３４が除去されるため、熱変性層３３，３４に基づいてここに発生する微小なクラックも除去することができる。したがって、セラミックス板１１の抗折強度を向上させて、熱サイクル使用時にパワーモジュール１０全体の反ったときに、スクライブライン３１，３２からなるセラミックス板１１の角部４１，４２に発生する微小なクラックに基づいてセラミックス板１１に割れが生じることを抑制できる。
なお、レーザ加工工程でＣＯ_２レーザのように波長の長いレーザ光を照射する場合には、スクライブライン３１，３２が高温で形成されるために熱変性層３３，３４の厚さも大きくなってしまうが、エッチング工程で熱変性層３３，３４を除去することで、レーザ加工工程で使用するレーザの種類やレーザ光の波長に関係なく、上述した微小なクラックの発生を容易に抑制することができる。

さらに、セラミックス板１１の全ての角部４１，４２に傾斜面１１ｄ，１１ｅが形成されることで、傾斜面１１ｄ，１１ｅが無い場合と比較してセラミックス板１１の全ての角部４１，４２が鋭利とならないため、セラミックス板１１に衝撃が付与されても、上記角部４１，４２に欠けが生じることを抑制できる。したがって、分割工程後のパワーモジュール１０の製造に際してセラミックス板１１のハンドリングを容易としながら、セラミックス板１１やこれを備えるパワーモジュール用基板１４、パワーモジュール１０の歩留まり向上を図ることができる。

また、上述したことから、セラミックス板１１の角部４１，４２は鋭利とならないように、表面１１ａや裏面１１ｂ、側面１１ｃに対する傾斜面１１ｄ，１１ｅの傾斜角度をより小さくすることがより好ましく、そのためには、レーザ加工工程において形成されるスクライブライン３１，３２の開き角度θ１，θ２を大きくすることがより望ましい。
ここで、ＣＯ_２レーザを用いる場合には、ＹＡＧレーザ等の他のレーザと比較して安価に波長の長いレーザ光を高い出力で照射することができるため、より高温でスクライブライン３１，３２を形成することが容易に可能となり、これによってスクライブライン３１，３２の開き角度θ１，θ２を容易に拡大することができる。したがって、傾斜面１１ｄ，１１ｅの傾斜角度をより小さくして、上記角部４１，４２に欠けが生じることを容易に抑制することができる。

なお、本発明の技術的範囲は上述した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、パワーモジュール１０を構成する各部材の材質や寸法は前記実施形態に限られるものではない。
さらに、パワーモジュール用基板１４に金属層１３を設けるとしたが、この金属層１３は設けなくてもよい、また、パワーモジュール１０にヒートシンク１７を設けたが、このヒートシンク１７は設けなくてもよい。

また、パワーモジュール用基板１４の製造方法においては、その各工程が上記実施形態の順番で実施されることに限らず、少なくともレーザ加工工程、エッチング工程及び分割工程が順番に実施されればよい。すなわち、ろう付け工程は、例えばレーザ加工工程とエッチング工程との間に実施されるとしてもよいし、例えばエッチング工程と分割工程との間に実施されるとしても構わない。

さらに、ろう付け工程は、例えば分割工程の終了後に実施されるとしてもよい。このように分割工程後にろう付け工程を実施してパワーモジュール用基板１４を製造する際には、個々のセラミックス板１１を運搬する等してこれに衝撃が付与されることがあるが、この場合でも上記実施形態と同様に、セラミックス板１１のハンドリングを容易としながら、セラミックス板１１やパワーモジュール用基板１４、パワーモジュール１０の歩留まり向上を図ることができる。

また、エッチング工程においては、例えば熱変性層３３，３４の除去に加えて、熱変性層３３，３４を除いたスクライブライン３１，３２の内面３１ａ，３２ａもエッチング処理されるとしてもよい。
この場合には、熱変性層３３，３４の下側にまで尖った形状の微小なクラックが形成されていたとしても、エッチング処理により熱変性層３３，３４の下側の微小なクラックを除去、若しくは、このクラックの形状を滑らかに形成することができるため、セラミックス板１１の抗折強度の向上を図ることもできる。

さらに、セラミックス板１１の欠けを考慮しない場合には、レーザ加工工程においてセラミックス母材２０の表面２１若しくは裏面２２の一方のみにスクライブライン３１，３２を形成するとしても構わない。なお、この場合、例えばセラミックス母材２０の厚さ寸法を０．６４ｍｍとすると、スクライブライン３１，３２の深さ寸法を０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下とすることが好ましい。この場合でも、エッチング工程でスクライブライン３１，３２の熱変性層３３，３４が除去されるため、熱サイクル使用時の反りに基づいてセラミックス板１１に割れが生じることを防止できる。
また、エッチング工程は、レーザ加工工程と分割工程との間に行われるとしたが、少なくともレーザ加工工程後に行われれば良く、例えば分割工程後に行われるとしても構わない。

本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によって製造されるパワーモジュールを示す全体図である。 本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レーザ加工工程の終了後におけるセラミックス母材を示す拡大断面図である。 本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エッチング工程の終了後におけるセラミックス母材を示す拡大断面図である。

符号の説明

１０ パワーモジュール
１１ セラミックス板
１１ａ 表面（一方の表面）
１１ｂ 裏面（他方の表面）
１２ 回路層
１４ パワーモジュール用基板
１６ 半導体チップ
２０ セラミックス母材
２１ 表面（一方の表面）
２２ 裏面（他方の表面）
３１ 一のスクライブライン
３１ａ，３２ａ 内面
３２ 他のスクライブライン
３３，３４ 熱変性層

Claims (2)

1. 半導体チップがはんだ接合される回路層をセラミックス板にろう付けしてなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
   略板状のセラミックス母材の少なくとも一方の表面にレーザ光を照射して溝状のスクライブラインを形成するレーザ加工工程と、
   前記レーザ加工工程において前記スクライブラインの内面に形成されて前記レーザ光の熱によってガラス質に変性された熱変性層を除去するエッチング工程と、
   前記セラミックス母材を前記スクライブラインに沿って個々の前記セラミックス板に分割する分割工程とを備え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. 前記レーザ加工工程において、前記セラミックス母材の他方の表面にも前記レーザ光を照射して、前記一方の表面に形成された一のスクライブラインと前記セラミックス母材の厚さ方向に重なる他のスクライブラインを形成することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。

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