JP2015115470A - Ceramic wiring board and manufacturing method therefor - Google Patents

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平野  聡
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Koji Kamafuchi
幸司 釜淵
加藤 哲也
Tetsuya Kato
哲也 加藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ceramic wiring board the reliability of which can be enhanced by suppressing occurrence of peeling of an electrode pad, and to provide a manufacturing method therefor.SOLUTION: A ceramic wiring board 11 includes a substrate body 23 formed planarly by using a ceramic material so as to have a substrate principal surface 21, and an electrode pad 24 arranged on the substrate principal surface 21. On the substrate principal surface 21 side, a power semiconductor element to be connected electrically with the electrode pad 24 can be mounted. The electrode pad 24 is constituted to include a thin film layer 41, a copper layer 51 and a coating layer 61. The thin film layer 41 is formed on the substrate principal surface 21, and the copper layer 51 is formed entirely on the upper surface 44 of the thin film layer 41. The coating layer 61 is principally composed of copper and an inorganic material of the same type as the ceramic material composing the substrate body 23, and connected with the substrate principal surface 21 while covering the outer periphery of the upper surface 52 of the copper layer 51 and the side face 53 thereof.

Description

本発明は、基板主面上に電極パッドが配置されたセラミック配線基板及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a ceramic wiring board in which electrode pads are arranged on a main surface of a board and a method for manufacturing the same.

電力変換機器(インバータやDC−DCコンバータ)などの大電流を流す機器には、電力用のパワー半導体素子が用いられており、そのパワー半導体素子は、セラミック配線基板に実装された状態で使用されている(例えば特許文献1参照)。特許文献1のセラミック配線基板には、半導体素子の入力電流や出力電流を流すための導体層(回路パターン)やビア導体(主電力ストレートビア)が形成されている。ビア導体は、半導体素子が搭載されている表面側とその裏面側とを導通させるべく基板の厚さ方向に延設された貫通導体であり、銀、銅、タングステン、モリブデンなどの導電性材料を用いて形成されている。さらに、基板の表面及び裏面には、ビア導体の端面に接続される電極パッド(上部表面配線、下部表面配線)がそれぞれ形成されている。   In power conversion devices (inverters and DC-DC converters) such as devices that pass large currents, power semiconductor elements for power are used, and the power semiconductor elements are used in a state of being mounted on a ceramic wiring board. (For example, refer to Patent Document 1). In the ceramic wiring board of Patent Document 1, a conductor layer (circuit pattern) and a via conductor (main power straight via) for flowing an input current and an output current of a semiconductor element are formed. The via conductor is a through conductor extending in the thickness direction of the substrate so that the front surface side on which the semiconductor element is mounted and the back surface side thereof are electrically connected, and a conductive material such as silver, copper, tungsten, or molybdenum is used. It is formed using. Furthermore, electrode pads (upper surface wiring and lower surface wiring) connected to the end surfaces of the via conductors are respectively formed on the front surface and the back surface of the substrate.

なお、上記のようなセラミック配線基板においては、電極パッドの厚さも軽視することができない。即ち、電極パッドが薄い場合(例えば特許文献2参照)には、電極パッドの電気抵抗や発熱量が大きくなるため、セラミック配線基板に大きな熱ストレスがかかることになるからである。よって、電極パッドは厚く(具体的には、50μm以上)形成されることが望ましい。その具体的な手法としては、例えば、めっきによって厚い電極パッドを形成することが考えられる。   In the ceramic wiring board as described above, the thickness of the electrode pad cannot be neglected. That is, when the electrode pad is thin (see, for example, Patent Document 2), the electrical resistance and the heat generation amount of the electrode pad are increased, so that a large thermal stress is applied to the ceramic wiring substrate. Therefore, the electrode pad is desirably formed thick (specifically, 50 μm or more). As a specific method, for example, it is conceivable to form a thick electrode pad by plating.

特開2013−70018号公報(図1等)JP2013-70018A (FIG. 1 etc.) 特開2002−185108号公報(図1等)JP 2002-185108 A (FIG. 1 etc.)

ところで、従来のシリコンデバイスを用いたパワー半導体素子は、シリコンデバイス自体の耐久温度が低いため、一般的に180℃以下の温度域で用いられる。一方で、炭化珪素デバイスなどを用いたパワー半導体素子は、デバイスの耐久温度が高いため、50℃〜300℃程度の高温の温度域で用いられる。また、使用される環境下(寒冷地での使用)では、低温になる場合もある。従って、高温で使用される半導体素子が実装されるセラミック配線基板には、半導体素子がオンオフすることによって、大きな熱ストレスが繰り返しかかることになる。ゆえに、このようなセラミック配線基板において電極パッドを厚く形成すると、電極パッドに発生する内部応力(引張応力)や、電極パッドとセラミック配線基板との熱膨張差に起因する応力によって、電極パッドの剥れが発生することが懸念される。   By the way, a power semiconductor element using a conventional silicon device is generally used in a temperature range of 180 ° C. or lower because the durability temperature of the silicon device itself is low. On the other hand, a power semiconductor element using a silicon carbide device or the like is used in a high temperature range of about 50 ° C. to 300 ° C. because the durability temperature of the device is high. Moreover, it may become low temperature in the environment (use in a cold region) used. Therefore, a large thermal stress is repeatedly applied to the ceramic wiring substrate on which the semiconductor element used at a high temperature is mounted when the semiconductor element is turned on and off. Therefore, when the electrode pad is formed thick in such a ceramic wiring board, the electrode pad is peeled off due to internal stress (tensile stress) generated in the electrode pad or stress caused by a difference in thermal expansion between the electrode pad and the ceramic wiring board. There is a concern that this may occur.

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極パッドの剥れの発生を抑制することにより、信頼性を向上させることが可能なセラミック配線基板及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a ceramic wiring board capable of improving reliability by suppressing occurrence of peeling of electrode pads and a method for manufacturing the same. There is to do.

そして、上記課題を解決するための手段(手段1)としては、セラミック材料を用いて基板主面を有する板状に形成される基板本体と、前記基板主面上に配置される電極パッドとを備え、前記電極パッドに電気的に接続される電力用半導体素子が前記基板主面側に搭載可能なセラミック配線基板であって、前記電極パッドは、前記基板主面上に形成される薄膜層と、前記薄膜層の上面全体の上に形成される銅層と、銅及び前記基板本体を構成する前記セラミック材料と同種の無機材料を主体として構成され、前記銅層の上面外周部及び側面を覆うとともに前記基板主面に接続される被覆層とを含んで構成されることを特徴とするセラミック配線基板がある。   And as a means (means 1) for solving the above-mentioned problem, a substrate body formed in a plate shape having a substrate main surface using a ceramic material, and an electrode pad disposed on the substrate main surface are provided. A ceramic wiring substrate on which a power semiconductor element electrically connected to the electrode pad can be mounted on the substrate main surface side, the electrode pad comprising a thin film layer formed on the substrate main surface; A copper layer formed on the entire upper surface of the thin film layer, and copper and an inorganic material of the same kind as the ceramic material constituting the substrate body, and covers the outer peripheral portion and side surfaces of the copper layer. In addition, there is a ceramic wiring board including a covering layer connected to the main surface of the board.

従って、手段1に記載の発明によると、電極パッドを構成する被覆層が、同じく電極パッドを構成する銅層の上面を覆うとともに、基板本体の基板主面に接続されている。このため、基板本体との熱膨張差に起因する応力によって電極パッドが剥れそうになったとしても、被覆層が銅層の上面側から押さえることにより、電極パッドの剥れが抑制される。しかも、被覆層は、基板本体を構成するセラミック材料と同種の無機材料を含むため、基板本体に馴染みやすくなる。その結果、被覆層が基板本体に密着しやすくなるため、電極パッドを確実に補強することができる。ゆえに、セラミック配線基板の信頼性を向上させることができる。   Therefore, according to the invention described in the means 1, the covering layer that constitutes the electrode pad covers the upper surface of the copper layer that also constitutes the electrode pad, and is connected to the substrate main surface of the substrate body. For this reason, even if the electrode pad is likely to be peeled off due to the stress caused by the difference in thermal expansion from the substrate body, the peeling of the electrode pad is suppressed by pressing the coating layer from the upper surface side of the copper layer. In addition, since the coating layer includes the same kind of inorganic material as the ceramic material that constitutes the substrate body, it becomes easy to become familiar with the substrate body. As a result, the coating layer is easily adhered to the substrate body, so that the electrode pad can be reliably reinforced. Therefore, the reliability of the ceramic wiring board can be improved.

セラミック配線基板を構成する基板本体は、セラミック材料を用いて基板主面を有する板状に形成される。基板本体を構成するセラミック材料としては、酸化アルミニウム(アルミナ)、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化珪素、窒化珪素などといった高温焼成セラミックの焼結体が好適に使用される。また、ホウケイ酸ガラスやホウケイ酸鉛系ガラスにアルミナ等の無機セラミックフィラーを添加したガラスセラミックのような低温焼成セラミックの焼結体を使用してもよい。   The substrate body constituting the ceramic wiring substrate is formed in a plate shape having a substrate main surface using a ceramic material. As the ceramic material constituting the substrate body, a sintered body of high-temperature fired ceramic such as aluminum oxide (alumina), aluminum nitride, boron nitride, silicon carbide, silicon nitride or the like is preferably used. Alternatively, a sintered body of low-temperature fired ceramic such as glass ceramic obtained by adding an inorganic ceramic filler such as alumina to borosilicate glass or lead borosilicate glass may be used.

なお、基板本体は、ビア導体部が設けられた複数のセラミック層を積層配置してなり、複数のビア導体部をセラミック層の積層方向に連結することによってビア導体が構成され、複数のビア導体部は、セラミック層の積層方向において同軸上に配置されていてもよい。ここで、ビア導体としては特に限定されないが、例えば、メタライズ導体であってもよい。同時焼成法によってメタライズ導体及びセラミック層(基板本体)を形成する場合、メタライズ導体中の金属粉末は、セラミック層の焼成温度よりも高融点である必要がある。例えば、セラミック層がいわゆる高温焼成セラミック(例えばアルミナ等)からなる場合には、メタライズ導体中の金属粉末として、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、マンガン(Mn)等やそれらの混合系が選択可能である。セラミック層がいわゆる低温焼成セラミック(例えばガラスセラミック等)からなる場合には、メタライズ導体中の金属粉末として、銅(Cu)または銀(Ag)等やそれらの混合系が選択可能である。   The substrate body is formed by laminating a plurality of ceramic layers provided with via conductor portions, and the via conductors are configured by connecting the plurality of via conductor portions in the stacking direction of the ceramic layers. The part may be arranged coaxially in the stacking direction of the ceramic layers. Here, the via conductor is not particularly limited, but may be a metallized conductor, for example. When the metallized conductor and the ceramic layer (substrate body) are formed by the simultaneous firing method, the metal powder in the metallized conductor needs to have a melting point higher than the firing temperature of the ceramic layer. For example, when the ceramic layer is made of a so-called high-temperature fired ceramic (eg, alumina), nickel (Ni), tungsten (W), molybdenum (Mo), manganese (Mn), or the like is used as the metal powder in the metallized conductor. The mixed system can be selected. When the ceramic layer is made of a so-called low-temperature fired ceramic (for example, glass ceramic), copper (Cu), silver (Ag), or a mixed system thereof can be selected as the metal powder in the metallized conductor.

電力用半導体素子は、10A以上の電流が流れることで200℃以上の温度に発熱するパワー半導体素子であってもよい。パワー半導体素子を搭載するセラミック配線基板では、使用時における熱ストレスが大きくなる。なお、このセラミック配線基板においては、熱ストレスの増加に伴って、電極パッドに発生する内部応力や、電極パッドとセラミック配線基板との熱膨張差に起因する応力が大きくなったとしても、被覆層によって電極パッドの剥れを確実に抑制することができる。   The power semiconductor element may be a power semiconductor element that generates heat to a temperature of 200 ° C. or higher when a current of 10 A or more flows. In a ceramic wiring board on which a power semiconductor element is mounted, thermal stress during use increases. In this ceramic wiring board, even if the internal stress generated in the electrode pad or the stress due to the thermal expansion difference between the electrode pad and the ceramic wiring board increases as the thermal stress increases, the coating layer Thus, peeling of the electrode pad can be reliably suppressed.

なお、基板本体において基板主面の反対側に位置する基板裏面側には、基板裏面上に配置される電極パッドに電気的に接続される受動部品が搭載可能であってもよい。上述したように、基板本体の基板主面側にパワー半導体素子が搭載される場合、基板主面側は高温となる。この場合、耐熱性が比較的低い受動部品(コンデンサや抵抗などの電子部品)を基板裏面側に搭載すると、セラミック配線基板が有する断熱効果により、基板主面側の熱が基板裏面側に直接伝わらないため、受動部品の熱による性能劣化を抑えることができる。   A passive component electrically connected to an electrode pad disposed on the back surface of the substrate may be mounted on the back surface side of the substrate that is located on the opposite side of the main surface of the substrate. As described above, when the power semiconductor element is mounted on the substrate main surface side of the substrate body, the substrate main surface side is at a high temperature. In this case, if passive components with relatively low heat resistance (electronic components such as capacitors and resistors) are mounted on the back side of the board, the heat on the main board side is directly transferred to the back side of the board due to the heat insulating effect of the ceramic wiring board. Therefore, it is possible to suppress the performance deterioration due to the heat of the passive component.

そして、手段1のセラミック配線基板、及び、セラミック配線基板の基板主面側に搭載される電力用半導体素子によってセラミックパッケージが構成される。このセラミックパッケージでは、電極パッドの剥れを抑制できることから、製品信頼性を高めることができる。   A ceramic package is constituted by the ceramic wiring board of means 1 and the power semiconductor element mounted on the main surface side of the ceramic wiring board. In this ceramic package, peeling of the electrode pad can be suppressed, so that product reliability can be improved.

また、セラミック配線基板を構成する電極パッドは、基板主面上に形成される薄膜層と、薄膜層の上面全体の上に形成される銅層と、銅層の上面外周部及び側面を覆うとともに基板主面に接続される被覆層とを含んで構成される。ここで、薄膜層としては特に限定されないが、銅層が銅めっき層である場合には、めっき触媒として機能しうるものがよい。薄膜層の形成材料としては、チタン(Ti)、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、パラジウム(Pd)から選択される1種類または2種類以上の金属からなる層などが挙げられる。また、薄膜層の厚さは特に限定されないが、単層及び多層のいずれの場合も、0.1μm以上1μm以下とすることがよい。   The electrode pads constituting the ceramic wiring substrate cover the thin film layer formed on the main surface of the substrate, the copper layer formed on the entire upper surface of the thin film layer, and the outer peripheral portion and side surfaces of the upper surface of the copper layer. And a coating layer connected to the main surface of the substrate. Here, although it does not specifically limit as a thin film layer, When a copper layer is a copper plating layer, what can function as a plating catalyst is good. As a material for forming the thin film layer, one or more metals selected from titanium (Ti), copper (Cu), molybdenum (Mo), chromium (Cr), tantalum (Ta), and palladium (Pd) are used. And the like. Further, the thickness of the thin film layer is not particularly limited, but in any case of a single layer or a multilayer, it is preferably 0.1 μm or more and 1 μm or less.

さらに、銅層の厚さは特に限定されないが、例えば、50μm以上100μm以下であることがよい。仮に、銅層の厚さが50μm未満になると、電極パッドが薄くなりすぎるため、電極パッドの電気抵抗や発熱量が大きくなり、セラミック配線基板に大きな熱ストレスがかかってしまう。一方、銅層の厚さが100μmよりも大きくなると、電極パッドが厚くなりすぎるため、電極パッドに発生する内部応力(引張応力)や、電極パッドとセラミック配線基板との熱膨張差に起因する応力によって、電極パッドの剥れが発生するおそれがある。   Furthermore, although the thickness of a copper layer is not specifically limited, For example, it is good that they are 50 micrometers or more and 100 micrometers or less. If the thickness of the copper layer is less than 50 μm, the electrode pad becomes too thin, so that the electrical resistance and heat generation of the electrode pad increase, and a large thermal stress is applied to the ceramic wiring board. On the other hand, when the thickness of the copper layer is larger than 100 μm, the electrode pad becomes too thick, so that the internal stress (tensile stress) generated in the electrode pad and the stress caused by the thermal expansion difference between the electrode pad and the ceramic wiring substrate May cause peeling of the electrode pad.

被覆層は、銅及び基板本体を構成するセラミック材料と同種の無機材料を主体として構成される。ここで、基板本体を構成するセラミック材料と同種の無機材料としては、基板本体を構成するセラミック材料が酸化アルミニウム(アルミナ)、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化珪素、窒化珪素などといった高温焼成セラミックである場合には、前述の高温焼成セラミックに分類されるセラミック材料が挙げられ、基板本体を構成するセラミック材料がガラスセラミックなどといった低温焼成セラミックである場合には、前述の低温焼成セラミックに分類されるガラス等のセラミック材料が挙げられる。なお、被覆層は、銅層の上面外周部及び側面に密着していてもよい。この場合、被覆層と銅層との接触面積が増えるため、電極パッドをより確実に補強することができる。   The coating layer is mainly composed of copper and an inorganic material of the same kind as the ceramic material constituting the substrate body. Here, as the same kind of inorganic material as the ceramic material constituting the substrate body, the ceramic material constituting the substrate body is a high-temperature fired ceramic such as aluminum oxide (alumina), aluminum nitride, boron nitride, silicon carbide, silicon nitride, or the like. In this case, a ceramic material classified as the above-mentioned high-temperature fired ceramic is cited. When the ceramic material constituting the substrate body is a low-temperature fired ceramic such as glass ceramic, the glass classified as the above-mentioned low-temperature fired ceramic. And other ceramic materials. The coating layer may be in close contact with the upper surface outer peripheral portion and the side surface of the copper layer. In this case, since the contact area between the coating layer and the copper layer increases, the electrode pad can be more reliably reinforced.

上記課題を解決するための別の手段(手段2)としては、上記手段1に記載のセラミック配線基板の製造方法であって、前記基板主面上に前記薄膜層を形成する薄膜層形成工程と、銅めっきを行って前記薄膜層上に前記銅層を形成する銅層形成工程と、前記銅及び前記無機材料を含むペーストを、前記銅層の表面上に塗布した後に焼成することにより、前記被覆層を形成する被覆層形成工程とを含むことを特徴とするセラミック配線基板の製造方法がある。   As another means (means 2) for solving the above-mentioned problem, there is provided a method for manufacturing a ceramic wiring substrate according to the above means 1, wherein a thin film layer forming step of forming the thin film layer on the main surface of the substrate, A copper layer forming step of performing copper plating to form the copper layer on the thin film layer, and applying a paste containing the copper and the inorganic material on the surface of the copper layer, followed by firing, There is a method for manufacturing a ceramic wiring board including a coating layer forming step of forming a coating layer.

従って、手段2に記載の発明によると、被覆層形成工程を行うことにより、銅層の上面を覆うとともに基板本体の基板主面に接続される被覆層が形成される。このため、基板本体との熱膨張差に起因する応力によって電極パッドが剥れそうになったとしても、被覆層が銅層の上面側から押さえることにより、電極パッドの剥れが抑制される。ゆえに、セラミック配線基板の信頼性を向上させることができる。また、被覆層形成工程では、ペーストを銅層の表面に塗布することによって被覆層を形成するため、厚みの厚い被覆層を容易に形成することができる。被覆層の厚みを厚くする場合には、被覆層が重くなるため、被覆層の自重によって銅層の上面側を押さえる力が大きくなる。その結果、電極パッドの剥れがより効果的に抑制される。   Therefore, according to the invention described in the means 2, by performing the coating layer forming step, the coating layer that covers the upper surface of the copper layer and is connected to the substrate main surface of the substrate body is formed. For this reason, even if the electrode pad is likely to be peeled off due to the stress caused by the difference in thermal expansion from the substrate body, the peeling of the electrode pad is suppressed by pressing the coating layer from the upper surface side of the copper layer. Therefore, the reliability of the ceramic wiring board can be improved. In the coating layer forming step, since the coating layer is formed by applying the paste to the surface of the copper layer, a thick coating layer can be easily formed. When the thickness of the coating layer is increased, the coating layer becomes heavier, so that the force for pressing the upper surface side of the copper layer is increased by the weight of the coating layer. As a result, peeling of the electrode pad is more effectively suppressed.

以下、セラミック配線基板の製造方法について説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing a ceramic wiring board will be described.

薄膜層形成工程では、基板主面上に薄膜層を形成する。薄膜層の形成方法は特に限定されず、従来周知の金属薄膜形成方法が採用可能である。その具体例としては、スパッタ法、イオンプレーティング法、CVDなどが挙げられる。   In the thin film layer forming step, a thin film layer is formed on the main surface of the substrate. The formation method of a thin film layer is not specifically limited, The conventionally well-known metal thin film formation method is employable. Specific examples thereof include sputtering, ion plating, and CVD.

続く銅層形成工程では、銅めっきを行って薄膜層上に銅層を形成する。続く被覆層形成工程では、銅及び無機材料を含むペーストを、銅層の表面上に塗布した後に焼成することにより、被覆層を形成する。なお、ペーストの塗布方法としては、スクリーン印刷法などの方法が挙げられる。また、被覆層形成工程では、銅層の上面外周部及び側面にペーストを塗布することにより、被覆層を形成してもよい。このようにすれば、形成される被覆層が、銅層の上面外周部及び側面に密着することにより電極パッドの上方及び平面方向への動きを抑えるものとなるため、電極パッドの剥れをより確実に抑制することができる。   In the subsequent copper layer forming step, copper plating is performed to form a copper layer on the thin film layer. In the subsequent coating layer forming step, the coating layer is formed by applying a paste containing copper and an inorganic material on the surface of the copper layer and then baking the paste. Examples of the paste application method include a screen printing method. In the coating layer forming step, the coating layer may be formed by applying a paste to the upper surface outer peripheral portion and the side surface of the copper layer. In this way, the formed coating layer suppresses the movement of the electrode pad upward and in the plane direction by being in close contact with the outer peripheral portion and the side surface of the upper surface of the copper layer. It can be surely suppressed.

なお、被覆層形成工程後、パラジウムめっき、ニッケル−金めっき、ニッケル−パラジウム−金めっきのいずれかを行うことにより、銅層の上面上、及び、被覆層の表面上に表面金属層を形成する表面金属層形成工程をさらに実施してもよい。   In addition, a surface metal layer is formed on the upper surface of the copper layer and on the surface of the coating layer by performing any one of palladium plating, nickel-gold plating, and nickel-palladium-gold plating after the coating layer forming step. You may further implement a surface metal layer formation process.

本実施形態におけるセラミックパッケージの概略構成を示す断面図。Sectional drawing which shows schematic structure of the ceramic package in this embodiment. セラミック配線基板を示す要部断面図。The principal part sectional drawing which shows a ceramic wiring board. セラミック配線基板を示す要部平面図。The principal part top view which shows a ceramic wiring board. 薄膜層形成工程を示す説明図。Explanatory drawing which shows a thin film layer formation process. レジスト形成工程を示す説明図。Explanatory drawing which shows a resist formation process. 銅層形成工程を示す説明図。Explanatory drawing which shows a copper layer formation process. レジスト除去工程を示す説明図。Explanatory drawing which shows a resist removal process. 薄膜層の不要部分を除去する工程を示す説明図。Explanatory drawing which shows the process of removing the unnecessary part of a thin film layer. 被覆層形成工程を示す説明図。Explanatory drawing which shows a coating layer formation process. 他の実施形態におけるセラミック配線基板を示す要部断面図。The principal part sectional view showing the ceramic wiring board in other embodiments.

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment embodying the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1に示されるように、セラミックパッケージ10は、自動車などにおける電力変換器(例えばインバータ)に用いられるパワーモジュールであり、セラミック配線基板11、電力用半導体素子12、受動部品13(コンデンサ、抵抗などの低発熱部品)、放熱基板14及び放熱器15等を備えている。   As shown in FIG. 1, a ceramic package 10 is a power module used for a power converter (for example, an inverter) in an automobile or the like, and includes a ceramic wiring board 11, a power semiconductor element 12, a passive component 13 (capacitor, resistor, etc.). Low heat-generating component), a heat radiating substrate 14, a heat radiator 15 and the like.

セラミック配線基板11は、基板主面21(図1では下面)及び基板裏面22(図1では上面)を有する板状に形成された基板本体23と、基板主面21上に配置される主面側電極パッド24と、基板裏面22上に配置される裏面側電極パッド25と、主面側電極パッド24及び裏面側電極パッド25を接続する複数のビア導体27からなる電力用のビアアレイ28とを備える。セラミック配線基板11は、縦28mm×横20mm×厚さ1.0mmの平面視矩形状をなしている。   The ceramic wiring substrate 11 includes a substrate body 23 formed in a plate shape having a substrate main surface 21 (lower surface in FIG. 1) and a substrate back surface 22 (upper surface in FIG. 1), and a main surface disposed on the substrate main surface 21. A side electrode pad 24, a back side electrode pad 25 disposed on the back side 22 of the substrate, and a power via array 28 including a plurality of via conductors 27 connecting the main side electrode pad 24 and the back side electrode pad 25. Prepare. The ceramic wiring board 11 has a rectangular shape in plan view of 28 mm length × 20 mm width × 1.0 mm thickness.

基板本体23の基板主面21側には、主面側電極パッド24、裏面側電極パッド25及び複数のビア導体27に電気的に接続される電力用半導体素子12が搭載されている。また、基板本体23の基板裏面22側には、主面側電極パッド24、裏面側電極パッド25及び複数のビア導体27に電気的に接続される受動部品13が搭載されている。なお、基板本体23の基板裏面22には、電力の入出力用のバスバー(図示略)も搭載されている。また、電力用半導体素子12は、例えば、パワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor )や、ダイオード(ショットキーバリアダイオード)などのパワー半導体素子(パワーデバイス)である。この電力用半導体素子12には、例えば50A程度の大電流が流れ、その際には250℃程度の温度に発熱する。   On the substrate main surface 21 side of the substrate body 23, the power semiconductor element 12 that is electrically connected to the main surface side electrode pad 24, the back surface side electrode pad 25, and the plurality of via conductors 27 is mounted. Further, the passive component 13 that is electrically connected to the main surface side electrode pad 24, the back surface side electrode pad 25, and the plurality of via conductors 27 is mounted on the substrate back surface 22 side of the substrate body 23. Note that a power input / output bus bar (not shown) is also mounted on the substrate back surface 22 of the substrate body 23. The power semiconductor element 12 is, for example, a power semiconductor element (power device) such as a power MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) or a diode (Schottky barrier diode). A large current of, for example, about 50 A flows through the power semiconductor element 12 and heat is generated at a temperature of about 250 ° C. at that time.

図1に示されるように、放熱基板14は、セラミックからなる絶縁基板を備え、ガラスシートからなる接合部を介してセラミック配線基板11の下面(基板本体23の基板主面21)に設けられている。放熱器15は、熱伝導性に優れる金属(例えば、アルミニウム)からなり、放熱基板14の下面に複数のネジ(図示略)を用いて固定されている。この放熱器15には、表面積を増すためのフィン(図示略)が複数設けられており、放熱器15の放熱性能が高められている。   As shown in FIG. 1, the heat dissipation substrate 14 includes an insulating substrate made of ceramic, and is provided on the lower surface of the ceramic wiring substrate 11 (the substrate main surface 21 of the substrate body 23) via a bonding portion made of a glass sheet. Yes. The radiator 15 is made of a metal (for example, aluminum) having excellent thermal conductivity, and is fixed to the lower surface of the heat radiating substrate 14 using a plurality of screws (not shown). The heat radiator 15 is provided with a plurality of fins (not shown) for increasing the surface area, so that the heat radiation performance of the heat radiator 15 is enhanced.

基板本体23は、ビア導体部31が設けられた複数(本実施形態では2層)のセラミック層32と導体層33とを積層配置してなる焼結体である。ビア導体27は、2つのビア導体部31をセラミック層32の積層方向に連結することによって構成されている。各ビア導体部31は、セラミック層32の積層方向において同軸上に配置されている。   The substrate body 23 is a sintered body formed by laminating a plurality of (two layers in this embodiment) ceramic layers 32 provided with via conductor portions 31 and conductor layers 33. The via conductor 27 is configured by connecting two via conductor portions 31 in the stacking direction of the ceramic layers 32. Each via conductor portion 31 is arranged coaxially in the stacking direction of the ceramic layers 32.

図1に示されるように、各セラミック層32は、セラミック材料であるアルミナ(Al)を用いて形成されている。各セラミック層32の間に設けられている導体層33は、例えばタングステン、モリブデン、またはこれらの合金のメタライズ層からなる。この導体層33は、電力用半導体素子12の駆動信号を伝達する制御回路用配線を含んでいる。各ビア導体27(ビア導体部31)も、導体層33と同様に、タングステン、モリブデン、またはこれらの合金のメタライズ層からなっている。 As shown in FIG. 1, each ceramic layer 32 is formed using alumina (Al 2 O 3 ), which is a ceramic material. The conductor layer 33 provided between the ceramic layers 32 is made of, for example, a metallized layer of tungsten, molybdenum, or an alloy thereof. The conductor layer 33 includes a control circuit wiring for transmitting a drive signal for the power semiconductor element 12. Each via conductor 27 (via conductor portion 31) is also made of a metallized layer of tungsten, molybdenum, or an alloy thereof, like the conductor layer 33.

なお、本実施形態のセラミック配線基板11には、複数のビアアレイ28が設けられており、隣接する2つのビアアレイ28においては、それぞれ異なる方向に電流が流れるようになっている。例えば、図1において右側に位置するビアアレイ28では、下側(基板主面21側)から上側(基板裏面22側)に電流が流れ、図1において左側に位置するビアアレイ28では、上側から下側に電流が流れるようになっている。各ビアアレイ28を構成する複数のビア導体27は、基板本体23の厚さ方向に直線的に延設された主電力用のストレートビアである。なお、各ビア導体27は、断面円形状をなしており、直径が200μmとなっている。さらに、隣接するビア導体27同士の距離は300μmである。   The ceramic wiring board 11 of the present embodiment is provided with a plurality of via arrays 28, and currents flow in different directions in the two adjacent via arrays 28, respectively. For example, in the via array 28 located on the right side in FIG. 1, current flows from the lower side (substrate main surface 21 side) to the upper side (substrate rear surface 22 side), and in the via array 28 located on the left side in FIG. A current flows through the. The plurality of via conductors 27 constituting each via array 28 are straight vias for main power that extend linearly in the thickness direction of the substrate body 23. Each via conductor 27 has a circular cross section and a diameter of 200 μm. Further, the distance between adjacent via conductors 27 is 300 μm.

図1〜図3に示される主面側電極パッド24及び裏面側電極パッド25は、銅からなる導体層を含む。また、各電極パッド24,25は、平面視長方形状をなしている。各電極パッド24,25の縦及び横の長さは4mm×7mm程度であり、各電極パッド24,25の厚さは100μm程度である。なお、本実施形態では、基板主面21や基板裏面22に、電極パッド24,25以外の導体層として、図示しない回路パターンや部品実装用のパッドなどが配置されている。   The main surface side electrode pad 24 and the back surface side electrode pad 25 shown in FIGS. 1 to 3 include a conductor layer made of copper. Each electrode pad 24, 25 has a rectangular shape in plan view. The vertical and horizontal lengths of the electrode pads 24 and 25 are about 4 mm × 7 mm, and the thicknesses of the electrode pads 24 and 25 are about 100 μm. In the present embodiment, circuit patterns and component mounting pads (not shown) are arranged as conductor layers other than the electrode pads 24 and 25 on the substrate main surface 21 and the substrate back surface 22.

また、主面側電極パッド24及び裏面側電極パッド25は、薄膜層41、銅めっき層51(銅層)及び被覆層61を備えている。薄膜層41は、基板本体23(セラミック層32)と、薄膜層41上に形成される銅めっき層51との密着性を向上させる機能を有している。薄膜層41は、チタンからなる第1薄膜層42(厚さ0.2μm)と、銅からなる第2薄膜層43(厚さ0.5μm)とによって構成され、全体の厚さが0.7μmに設定されている(図2参照)。第1薄膜層42は基板主面21上に形成され、第2薄膜層43は第1薄膜層42の上面上に形成されている。なお、薄膜層41は、チタンからなる第1薄膜層と、モリブデンからなる第2薄膜層と、銅からなる第3薄膜層とによって構成されるものであってもよい。   The main surface side electrode pad 24 and the back surface side electrode pad 25 include a thin film layer 41, a copper plating layer 51 (copper layer), and a coating layer 61. The thin film layer 41 has a function of improving the adhesion between the substrate body 23 (ceramic layer 32) and the copper plating layer 51 formed on the thin film layer 41. The thin film layer 41 is composed of a first thin film layer 42 (thickness 0.2 μm) made of titanium and a second thin film layer 43 (thickness 0.5 μm) made of copper, and the total thickness is 0.7 μm. (See FIG. 2). The first thin film layer 42 is formed on the substrate main surface 21, and the second thin film layer 43 is formed on the upper surface of the first thin film layer 42. The thin film layer 41 may be constituted by a first thin film layer made of titanium, a second thin film layer made of molybdenum, and a third thin film layer made of copper.

図1〜図3に示されるように、銅めっき層51は、薄膜層41の上面44全体の上に形成されている。本実施形態の場合、銅めっき層51は、電解銅めっきによって形成されためっき層であって、その厚さは、50μm以上100μm以下(本実施形態では100μm)に設定されている。   As shown in FIGS. 1 to 3, the copper plating layer 51 is formed on the entire upper surface 44 of the thin film layer 41. In the case of this embodiment, the copper plating layer 51 is a plating layer formed by electrolytic copper plating, and the thickness thereof is set to 50 μm or more and 100 μm or less (in this embodiment, 100 μm).

被覆層61は、銅めっき層51の上面52の外周部、及び、銅めっき層51が有する4つの側面53を覆うとともに、基板主面21に接続されている。詳述すると、被覆層61は、銅めっき層51の上面52外周部及び各側面53に密着するとともに、基板主面21に密着している。本実施形態の場合、被覆層61は、銅めっき層51を構成する材料と同じ材料である銅、及び、基板本体23(セラミック層32)を構成するセラミック材料と同種の無機材料であるアルミナを主体として構成された層である。   The covering layer 61 covers the outer peripheral portion of the upper surface 52 of the copper plating layer 51 and the four side surfaces 53 of the copper plating layer 51 and is connected to the substrate main surface 21. More specifically, the covering layer 61 is in close contact with the outer peripheral portion of the upper surface 52 and the side surfaces 53 of the copper plating layer 51 and in close contact with the substrate main surface 21. In the case of the present embodiment, the coating layer 61 is made of copper, which is the same material as that constituting the copper plating layer 51, and alumina, which is the same kind of inorganic material as the ceramic material constituting the substrate body 23 (ceramic layer 32). It is a layer configured as a subject.

また、図2,図3に示されるように、被覆層61は、側面被覆部62及び上面被覆部63を備えている。側面被覆部62は、平面視で矩形環状をなしており、内側面が銅めっき層51の4つの側面53に密着するとともに、下端面が基板主面21に密着している。また、側面被覆部62は、上端面から下端面に向かうに従って徐々に肉厚となる形状をなしている。なお、上端における側面被覆部62の厚さは、10μm以上30μm以下(本実施形態では20μm)に設定され、下端における側面被覆部62の厚さは、30μm以上50μm以下(本実施形態では30μm)に設定されている。   As shown in FIGS. 2 and 3, the covering layer 61 includes a side surface covering portion 62 and an upper surface covering portion 63. The side surface covering portion 62 has a rectangular ring shape in plan view, and the inner side surface is in close contact with the four side surfaces 53 of the copper plating layer 51 and the lower end surface is in close contact with the substrate main surface 21. Further, the side surface covering portion 62 has a shape that gradually becomes thicker from the upper end surface toward the lower end surface. The thickness of the side surface covering portion 62 at the upper end is set to 10 μm or more and 30 μm or less (20 μm in this embodiment), and the thickness of the side surface covering portion 62 at the lower end is 30 μm or more and 50 μm or less (30 μm in this embodiment). Is set to

一方、上面被覆部63は、銅めっき層51の上面52の外周縁(換言すると、側面被覆部62の上端部)から上面52中央部に向けて張り出した形状をなしている。その結果、被覆層61には、銅めっき層51の上面52中央部を露出させる開口部64が形成されるようになり、主面側電極パッド24及び裏面側電極パッド25の上端部は、全体として断面凹状をなすようになる。なお、上面被覆部63の張出量は、100μm以上300μm以下(本実施形態では200μm)に設定され、上面被覆部63の厚さは、10μm以上50μm以下(本実施形態では10μm)に設定されている。また、開口部64は、縦及び横の長さが4mm×7mm程度の平面視矩形状をなしている。   On the other hand, the upper surface covering portion 63 has a shape projecting from the outer peripheral edge of the upper surface 52 of the copper plating layer 51 (in other words, the upper end portion of the side surface covering portion 62) toward the center of the upper surface 52. As a result, the coating layer 61 is formed with an opening 64 that exposes the central portion of the upper surface 52 of the copper plating layer 51, and the upper end portions of the main surface side electrode pad 24 and the back surface side electrode pad 25 are entirely formed. As shown in FIG. The overhanging amount of the upper surface covering portion 63 is set to 100 μm or more and 300 μm or less (200 μm in this embodiment), and the thickness of the upper surface covering portion 63 is set to 10 μm or more and 50 μm or less (10 μm in this embodiment). ing. The opening 64 has a rectangular shape in plan view with a vertical and horizontal length of about 4 mm × 7 mm.

そして、図2に示されるように、銅めっき層51の上面52において開口部64から露出する部分、及び、被覆層61の表面において外部に露出する部分には、表面金属層71が形成されている。この表面金属層71は、電解ニッケルめっきと電解金めっきとによって形成されためっき層(厚さ約6μm)である。なお、表面金属層71は、電解パラジウムめっきによって形成されためっき層であってもよい。   As shown in FIG. 2, a surface metal layer 71 is formed on a portion exposed from the opening 64 on the upper surface 52 of the copper plating layer 51 and a portion exposed to the outside on the surface of the coating layer 61. Yes. The surface metal layer 71 is a plating layer (thickness: about 6 μm) formed by electrolytic nickel plating and electrolytic gold plating. The surface metal layer 71 may be a plating layer formed by electrolytic palladium plating.

次に、セラミック配線基板11の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the ceramic wiring substrate 11 will be described.

アルミナ粉末を主成分とするセラミック材料を用いてグリーンシートを複数枚形成する。そして、複数枚のグリーンシートに対してレーザー加工を行い、所定の位置に複数の貫通孔を形成する。なお、貫通孔の形成は、パンチング加工、ドリル加工等によって行ってもよい。   A plurality of green sheets are formed using a ceramic material mainly composed of alumina powder. Then, laser processing is performed on the plurality of green sheets to form a plurality of through holes at predetermined positions. The through hole may be formed by punching, drilling, or the like.

その後、従来周知のペースト印刷装置(図示略)を用いて、各グリーンシートの貫通孔に導電性ペースト(例えば、タングステンペーストやモリブデンペースト)を充填し、ビア導体27となる未焼成のビア導体部31を形成する。さらに、従来周知のペースト印刷装置を用いて、導電性ペーストを印刷して未焼成の導体層33を形成する。   Thereafter, using a conventionally known paste printing device (not shown), the through hole of each green sheet is filled with a conductive paste (for example, tungsten paste or molybdenum paste) to form an unfired via conductor portion that becomes the via conductor 27. 31 is formed. Furthermore, the conductive paste 33 is printed using a conventionally known paste printing apparatus to form the unfired conductor layer 33.

そして、導電性ペーストの乾燥後、それら複数枚のグリーンシートを積み重ねて配置し、シート積層方向に押圧力を付与することにより、各グリーンシートを圧着、一体化してセラミック積層体を形成する。次に、セラミック積層体を脱脂し、さらに所定温度で所定時間焼成を行う。その結果、グリーンシートのアルミナ及びペースト中のタングステンが同時焼結し、ビア導体27及び導体層33を有する基板本体23が形成される。   Then, after the conductive paste is dried, the plurality of green sheets are stacked and disposed, and a pressing force is applied in the sheet stacking direction, whereby the green sheets are pressed and integrated to form a ceramic laminate. Next, the ceramic laminate is degreased and fired at a predetermined temperature for a predetermined time. As a result, the alumina of the green sheet and the tungsten in the paste are simultaneously sintered, and the substrate body 23 having the via conductor 27 and the conductor layer 33 is formed.

次に、基板本体23の基板主面21に主面側電極パッド24を形成するとともに、基板本体23の基板裏面22に裏面側電極パッド25を形成する。詳述すると、まず、薄膜層形成工程を行い、基板主面21上及び基板裏面22上にそれぞれ薄膜層41を形成する(図4参照)。具体的には、チタンからなる第1薄膜層42を、基板主面21上及び基板裏面22上にそれぞれ形成する。次に、銅からなる第2薄膜層43を、第1薄膜層42の上面上に形成する。なお、第1薄膜層42及び第2薄膜層43の形成は、スパッタにより行われる。   Next, the main surface side electrode pad 24 is formed on the substrate main surface 21 of the substrate body 23, and the back surface side electrode pad 25 is formed on the substrate back surface 22 of the substrate body 23. More specifically, first, a thin film layer forming step is performed to form thin film layers 41 on the substrate main surface 21 and the substrate back surface 22 (see FIG. 4). Specifically, the first thin film layer 42 made of titanium is formed on the substrate main surface 21 and the substrate back surface 22, respectively. Next, a second thin film layer 43 made of copper is formed on the upper surface of the first thin film layer 42. The first thin film layer 42 and the second thin film layer 43 are formed by sputtering.

続くレジスト形成工程では、開口部81を有するめっきレジスト80を薄膜層41の上に形成する(図5参照)。具体的には、薄膜層41の表面に対して厚さ150μmのドライフィルムをラミネートし、同ドライフィルムに対して露光及び現像を行うことにより、開口部81を有するめっきレジスト80を形成する。   In the subsequent resist formation step, a plating resist 80 having an opening 81 is formed on the thin film layer 41 (see FIG. 5). Specifically, a plating film 80 having an opening 81 is formed by laminating a dry film having a thickness of 150 μm on the surface of the thin film layer 41 and exposing and developing the dry film.

続く銅層形成工程では、銅めっきを行って薄膜層41上に銅めっき層51を形成する。具体的には、硫酸銅液で電解銅めっきを行う。その結果、開口部81内に銅めっき層51が形成される(図6参照)。   In the subsequent copper layer forming step, copper plating is performed to form a copper plating layer 51 on the thin film layer 41. Specifically, electrolytic copper plating is performed with a copper sulfate solution. As a result, the copper plating layer 51 is formed in the opening 81 (see FIG. 6).

続くレジスト除去工程では、めっきレジスト80を除去する(図7参照)。具体的には、NaOH剥離液(3体積%以上、45℃以上)を用いて、めっきレジスト80を剥離する。次に、基板本体23の基板主面21及び基板裏面22に対するエッチングを行うことにより、薄膜層41において銅めっき層51が形成されていない部分を除去する(図8参照)。   In the subsequent resist removal step, the plating resist 80 is removed (see FIG. 7). Specifically, the plating resist 80 is stripped using a NaOH stripping solution (3% by volume or more, 45 ° C. or more). Next, by etching the substrate main surface 21 and the substrate back surface 22 of the substrate body 23, a portion of the thin film layer 41 where the copper plating layer 51 is not formed is removed (see FIG. 8).

続く被覆層形成工程では、銅及びアルミナ(無機材料)を含むペーストを、銅めっき層51の表面上に塗布した後に焼成することにより、被覆層61を形成する(図9参照)。具体的に言うと、まず、従来周知のディスペンサやスクリーン印刷装置を用いて、銅めっき層51の上面52外周部及び側面53に、被覆層61形成用のペーストを塗布する。次に、銅が焼結しうる所定の温度(例えば700℃〜900℃)に加熱する焼成工程を行う。この焼成を経ると、ペースト中の銅が焼結して、被覆層61が得られる。   In the subsequent coating layer forming step, a coating layer 61 is formed by applying a paste containing copper and alumina (inorganic material) onto the surface of the copper plating layer 51 and then baking the paste (see FIG. 9). Specifically, first, a paste for forming the coating layer 61 is applied to the outer peripheral portion and the side surface 53 of the upper surface 52 of the copper plating layer 51 using a conventionally known dispenser or screen printing apparatus. Next, the baking process heated to the predetermined | prescribed temperature (for example, 700 to 900 degreeC) which copper can sinter is performed. After this firing, the copper in the paste is sintered and the coating layer 61 is obtained.

その後、表面金属層形成工程を行い、電解ニッケルめっきと電解金めっきとを行うことにより、銅めっき層51の上面52において開口部64から露出する部分、及び、被覆層61の表面において外部に露出する部分に、表面金属層71を形成する(図2参照)。以上の工程によってセラミック配線基板11が製造される。   Thereafter, a surface metal layer forming step is performed, and electrolytic nickel plating and electrolytic gold plating are performed, so that the surface exposed from the opening 64 on the upper surface 52 of the copper plating layer 51 and the surface of the coating layer 61 are exposed to the outside. A surface metal layer 71 is formed on the portion to be formed (see FIG. 2). The ceramic wiring board 11 is manufactured through the above steps.

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。   Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.

(1)本実施形態のセラミック配線基板11では、電極パッド24,25を構成する被覆層61が、同じく電極パッド24,25を構成する銅めっき層51の上面52を覆うとともに、基板本体23の基板主面21や基板裏面22に接続されている。このため、基板本体23との熱膨張差に起因する応力によって電極パッド24,25が剥れそうになったとしても、被覆層61が銅めっき層51の上面52側から押さえることにより、電極パッド24,25の剥れが抑制される。ゆえに、セラミック配線基板11の信頼性を向上させることができる。   (1) In the ceramic wiring substrate 11 of the present embodiment, the coating layer 61 that constitutes the electrode pads 24 and 25 covers the upper surface 52 of the copper plating layer 51 that also constitutes the electrode pads 24 and 25, and It is connected to the substrate main surface 21 and the substrate back surface 22. For this reason, even if the electrode pads 24 and 25 are likely to be peeled off due to the stress caused by the difference in thermal expansion from the substrate main body 23, the covering layer 61 is pressed from the upper surface 52 side of the copper plating layer 51, thereby Peeling of 24 and 25 is suppressed. Therefore, the reliability of the ceramic wiring board 11 can be improved.

(2)本実施形態において、セラミック配線基板11に搭載される電力用半導体素子12は、10A以上の電流が流れることで200℃以上の温度に発熱するパワー半導体素子である。このような電力用半導体素子12を搭載するセラミック配線基板11では、使用時における熱ストレスが大きくなるが、上記のように被覆層61を設けることにより、電極パッド24,25の剥れを確実に抑制することができる。   (2) In the present embodiment, the power semiconductor element 12 mounted on the ceramic wiring substrate 11 is a power semiconductor element that generates heat to a temperature of 200 ° C. or higher when a current of 10 A or more flows. In the ceramic wiring substrate 11 on which such a power semiconductor element 12 is mounted, thermal stress during use becomes large, but by providing the covering layer 61 as described above, the electrode pads 24 and 25 are surely peeled off. Can be suppressed.

(3)本実施形態の電極パッド24,25は、銅めっき層51の上面52及び側面53に密着する被覆層61を介して、セラミック配線基板11に接続されるようになっている。そして、被覆層61の側面被覆部62は、上端から下端に向かうに従って徐々に肉厚となる形状をなしている。その結果、被覆層61とセラミック配線基板11との接触面積が大きくなるため、セラミック配線基板11との接続強度を十分に確保することができる。また、被覆層61を形成することにより、電極パッド24,25と基板本体23との熱膨張差に起因する応力を緩和することができる。   (3) The electrode pads 24 and 25 of the present embodiment are connected to the ceramic wiring substrate 11 via the coating layer 61 that is in close contact with the upper surface 52 and the side surface 53 of the copper plating layer 51. And the side surface covering part 62 of the covering layer 61 has a shape that gradually becomes thicker from the upper end toward the lower end. As a result, the contact area between the coating layer 61 and the ceramic wiring board 11 is increased, and thus sufficient connection strength with the ceramic wiring board 11 can be ensured. Further, by forming the covering layer 61, it is possible to relieve the stress caused by the difference in thermal expansion between the electrode pads 24, 25 and the substrate body 23.

(4)本実施形態では、電極パッド24,25を構成する被覆層61にセラミック材料(アルミナ)が含まれているため、被覆層61は、電極パッド24,25の他の部分(薄膜層41や銅めっき層51)よりも電気抵抗が大きくなる。そこで、本実施形態では、電極パッド24,25(被覆層61)において電力用半導体素子12や受動部品13のバンプが接触しうる面(上面)に、銅めっき層51を露出させる開口部64を設けている。このため、電気抵抗が比較的大きい被覆層61を設けた場合であっても、主面側電極パッド24と電力用半導体素子12とをつなぐ経路や裏面側電極パッド25と受動部品13とをつなぐ経路の電気抵抗を低く抑えることができる。しかも、被覆層61は、基板本体23を構成するセラミック材料と同じセラミック材料(アルミナ)を含むため、基板本体23との熱膨張差が小さくなっている。その結果、被覆層61が基板本体23に密着しやすくなるため、電極パッド24,25を確実に補強することができる。また、被覆層61は、アルミナを含むことによって硬度が高くなるため、被覆層61においてエッジとなる部分(具体的には、側面被覆部62と頭部63との接続部分など)が変形しにくくなる。   (4) In the present embodiment, since the coating layer 61 constituting the electrode pads 24 and 25 contains a ceramic material (alumina), the coating layer 61 is composed of other portions of the electrode pads 24 and 25 (thin film layer 41). Or the copper plating layer 51). Therefore, in the present embodiment, the opening 64 that exposes the copper plating layer 51 is formed on the surface (upper surface) where the bumps of the power semiconductor element 12 and the passive component 13 can come into contact with the electrode pads 24 and 25 (covering layer 61). Provided. For this reason, even when the coating layer 61 having a relatively large electric resistance is provided, the path connecting the main surface side electrode pad 24 and the power semiconductor element 12 or the back side electrode pad 25 and the passive component 13 is connected. The electrical resistance of the path can be kept low. Moreover, since the coating layer 61 contains the same ceramic material (alumina) as the ceramic material constituting the substrate body 23, the difference in thermal expansion from the substrate body 23 is small. As a result, the covering layer 61 is easily adhered to the substrate body 23, so that the electrode pads 24 and 25 can be reliably reinforced. Further, since the coating layer 61 has high hardness due to containing alumina, a portion that is an edge in the coating layer 61 (specifically, a connection portion between the side surface coating portion 62 and the head portion 63) is not easily deformed. Become.

(5)本実施形態では、電極パッド24,25の被覆層61に開口部64が形成されている。このため、電力用半導体素子12や受動部品13のバンプは、開口部64内に入り込んだ状態で電極パッド24,25上に接合されるようになる。その結果、バンプが開口部64の内面を覆う表面金属層71の表面に接触するなどしてバンプの位置ずれが防止されるため、電極パッド24,25とバンプとの接続不良を防止することができる。即ち、バンプとの接続に適した電極パッド24,25を備えることにより、セラミック配線基板11の信頼性を向上させることが可能となる。   (5) In the present embodiment, the opening 64 is formed in the covering layer 61 of the electrode pads 24 and 25. For this reason, the bumps of the power semiconductor element 12 and the passive component 13 are bonded onto the electrode pads 24 and 25 while entering the opening 64. As a result, the bumps are prevented from being displaced due to the bumps coming into contact with the surface of the surface metal layer 71 that covers the inner surface of the opening 64, so that poor connection between the electrode pads 24 and 25 and the bumps can be prevented. it can. That is, the reliability of the ceramic wiring substrate 11 can be improved by providing the electrode pads 24 and 25 suitable for connection to the bumps.

なお、本実施形態を以下のように変更してもよい。   In addition, you may change this embodiment as follows.

・上記実施形態の電極パッド24,25は、被覆層61が銅層51の上面52外周部及び側面53に密着していた。しかし、図10のセラミック配線基板91に示されるように、電極パッド96は、被覆層92が銅めっき層93(銅層)の上面95外周部のみに密着するものであってもよい。即ち、被覆層92と銅めっき層93の側面94との間には隙間があってもよい。なお、被覆層92は、銅めっき層93の側面94との間の隙間に加えて、銅めっき層93の上面95との間にも隙間があってもよい。   In the electrode pads 24 and 25 of the above embodiment, the coating layer 61 is in close contact with the outer peripheral portion of the upper surface 52 and the side surface 53 of the copper layer 51. However, as shown in the ceramic wiring substrate 91 of FIG. 10, the electrode pad 96 may be such that the covering layer 92 is in close contact with only the outer peripheral portion of the upper surface 95 of the copper plating layer 93 (copper layer). That is, there may be a gap between the coating layer 92 and the side surface 94 of the copper plating layer 93. The covering layer 92 may have a gap between the upper surface 95 of the copper plating layer 93 in addition to the gap between the side surface 94 of the copper plating layer 93.

・上記実施形態では、主面側電極パッド24及び裏面側電極パッド25の両方が、厚く(50μm以上に)形成された銅めっき層51や、銅めっき層51の上面52外周部及び側面53を覆うとともに基板主面21に接続される被覆層61を含んで構成されていた。しかし、主面側電極パッド24のみが、上記の銅めっき層51や被覆層61を含んで構成されていてもよい。   -In the said embodiment, both the main surface side electrode pad 24 and the back surface side electrode pad 25 are thick (50 micrometers or more) formed the copper plating layer 51, and the upper surface 52 outer peripheral part and the side surface 53 of the copper plating layer 51. The cover layer 61 is configured to be covered and connected to the substrate main surface 21. However, only the main surface side electrode pad 24 may be configured to include the copper plating layer 51 and the coating layer 61 described above.

・上記実施形態では、ビア導体27が、2つのビア導体部31をセラミック層32の積層方向に連結することによって構成されていた。しかし、ビア導体27は、基板本体23の基板主面21から基板裏面22に延びる1本の導体であってもよい。   In the above embodiment, the via conductor 27 is configured by connecting the two via conductor portions 31 in the stacking direction of the ceramic layers 32. However, the via conductor 27 may be a single conductor extending from the substrate main surface 21 of the substrate body 23 to the substrate back surface 22.

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。   Next, in addition to the technical ideas described in the claims, the technical ideas grasped by the embodiment described above are listed below.

(1)上記手段1において、前記被覆層は、前記銅層の上面の外周縁から前記銅層の上面中央部に向けて張り出してなる上面被覆部を備え、前記上面被覆部の張出量は100μm以上300μm以下であることを特徴とするセラミック配線基板。   (1) In the above means 1, the covering layer includes an upper surface covering portion that protrudes from the outer peripheral edge of the upper surface of the copper layer toward the center of the upper surface of the copper layer, and the amount of protrusion of the upper surface covering portion is A ceramic wiring board characterized by being 100 μm or more and 300 μm or less.

(2)上記手段1において、前記被覆層は、前記銅層の上面の外周縁から前記銅層の上面中央部に向けて張り出してなる上面被覆部を備え、前記上面被覆部の厚さは10μm以上50μm以下であることを特徴とするセラミック配線基板。   (2) In the above means 1, the covering layer includes an upper surface covering portion that projects from the outer peripheral edge of the upper surface of the copper layer toward the upper surface central portion of the copper layer, and the thickness of the upper surface covering portion is 10 μm. A ceramic wiring board having a thickness of 50 μm or less.

(3)上記手段1において、前記被覆層は、前記銅層の上面中央部を露出させる開口部を有し、前記電極パッドは断面凹状をなしていることを特徴とするセラミック配線基板。   (3) The ceramic wiring board according to the above means 1, wherein the coating layer has an opening for exposing a central portion of the upper surface of the copper layer, and the electrode pad has a concave cross section.

(4)上記手段1において、前記電力用半導体素子は、200℃以上の温度に発熱するパワー半導体素子であることを特徴とするセラミック配線基板。   (4) In the above means 1, the power semiconductor element is a power semiconductor element that generates heat at a temperature of 200 ° C. or higher.

(5)上記手段1において、前記電力用半導体素子は、10A以上の電流が流れるパワー半導体素子であることを特徴とするセラミック配線基板。   (5) In the above means 1, the power semiconductor element is a power semiconductor element in which a current of 10 A or more flows.

(6)上記手段1において、前記基板本体は、ビア導体部が設けられた複数のセラミック層を積層配置してなり、前記ビア導体は、複数の前記ビア導体部を前記セラミック層の積層方向に連結することによって構成され、複数の前記ビア導体部は、前記セラミック層の積層方向において同軸上に配置されていることを特徴とするセラミック配線基板。   (6) In the above means 1, the substrate body is formed by laminating a plurality of ceramic layers provided with via conductors, and the via conductors are arranged in the laminating direction of the ceramic layers. A ceramic wiring board comprising: a plurality of via conductor portions arranged coaxially in a stacking direction of the ceramic layers.

(7)上記手段2において、前記被覆層形成工程後、パラジウムめっきまたはニッケル−金めっきを行うことにより、前記銅層の上面上、及び、前記被覆層の表面上に表面金属層を形成する表面金属層形成工程を行うことを特徴とするセラミック配線基板の製造方法。   (7) In the said means 2, the surface which forms a surface metal layer on the upper surface of the said copper layer, and the surface of the said coating layer by performing palladium plating or nickel-gold plating after the said coating layer formation process A method for producing a ceramic wiring board, comprising performing a metal layer forming step.

(8)セラミック材料を用いて基板主面を有する板状に形成される基板本体と、前記基板主面上に配置される電極パッドとを備えるセラミック配線基板、及び、前記基板主面側に搭載され、前記電極パッドに電気的に接続される電力用半導体素子からなるセラミックパッケージであって、前記電極パッドは、前記基板主面上に形成される薄膜層と、前記薄膜層の上面全体の上に形成される銅層と、銅及び前記基板本体を構成する前記セラミック材料と同種の無機材料を主体として構成され、前記銅層の上面外周部及び側面を覆うとともに前記基板主面に接続される被覆層とを含んで構成されることを特徴とするセラミックパッケージ。   (8) A ceramic wiring board comprising a substrate body formed in a plate shape having a substrate main surface using a ceramic material, and an electrode pad disposed on the substrate main surface, and mounted on the substrate main surface side A ceramic package comprising a power semiconductor element electrically connected to the electrode pad, wherein the electrode pad is formed on a main surface of the substrate and on a whole upper surface of the thin film layer. The copper layer is formed mainly of copper and an inorganic material of the same kind as the ceramic material constituting the substrate body, and covers the outer peripheral surface and the side surface of the upper surface of the copper layer and is connected to the main surface of the substrate. A ceramic package comprising a coating layer.

11,91…セラミック配線基板
12…電力用半導体素子
21…基板主面
23…基板本体
24…電極パッドとしての主面側電極パッド
41…薄膜層
44…薄膜層の上面
51,93…銅層としての銅めっき層
52,95…銅層の上面
53,94…銅層の側面
61,92…被覆層
96…電極パッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11,91 ... Ceramic wiring board 12 ... Power semiconductor element 21 ... Substrate main surface 23 ... Substrate body 24 ... Main surface side electrode pad 41 as electrode pad ... Thin film layer 44 ... Upper surface 51, 93 of thin film layer As copper layer Copper plating layers 52, 95 ... Copper layer upper surfaces 53, 94 ... Copper layer side surfaces 61, 92 ... Cover layer 96 ... Electrode pad

Claims (5)

セラミック材料を用いて基板主面を有する板状に形成される基板本体と、前記基板主面上に配置される電極パッドとを備え、前記電極パッドに電気的に接続される電力用半導体素子が前記基板主面側に搭載可能なセラミック配線基板であって、
前記電極パッドは、
前記基板主面上に形成される薄膜層と、
前記薄膜層の上面全体の上に形成される銅層と、
銅及び前記基板本体を構成する前記セラミック材料と同種の無機材料を主体として構成され、前記銅層の上面外周部及び側面を覆うとともに前記基板主面に接続される被覆層と
を含んで構成されることを特徴とするセラミック配線基板。
A power semiconductor device comprising a substrate body formed in a plate shape having a substrate main surface using a ceramic material, and an electrode pad disposed on the substrate main surface, and electrically connected to the electrode pad. A ceramic wiring board that can be mounted on the substrate main surface side,
The electrode pad is
A thin film layer formed on the substrate main surface;
A copper layer formed over the entire top surface of the thin film layer;
It is composed mainly of copper and an inorganic material of the same type as the ceramic material constituting the substrate body, and includes a coating layer that covers the upper surface outer peripheral portion and the side surface of the copper layer and is connected to the substrate main surface. A ceramic wiring board characterized by the above.
前記銅層の厚さは50μm以上100μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のセラミック配線基板。   The thickness of the said copper layer is 50 micrometers or more and 100 micrometers or less, The ceramic wiring board of Claim 1 characterized by the above-mentioned. 前記被覆層は、前記銅層の上面外周部及び側面に密着していることを特徴とする請求項1または2に記載のセラミック配線基板。   3. The ceramic wiring board according to claim 1, wherein the coating layer is in close contact with an outer peripheral portion and a side surface of the upper surface of the copper layer. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載のセラミック配線基板の製造方法であって、
前記基板主面上に前記薄膜層を形成する薄膜層形成工程と、
銅めっきを行って前記薄膜層上に前記銅層を形成する銅層形成工程と、
前記銅及び前記無機材料を含むペーストを、前記銅層の表面上に塗布した後に焼成することにより、前記被覆層を形成する被覆層形成工程と
を含むことを特徴とするセラミック配線基板の製造方法。
A method for manufacturing a ceramic wiring board according to any one of claims 1 to 3,
A thin film layer forming step of forming the thin film layer on the substrate main surface;
A copper layer forming step of performing copper plating to form the copper layer on the thin film layer;
And a coating layer forming step of forming the coating layer by baking the paste containing the copper and the inorganic material on the surface of the copper layer and then baking the paste. .
前記被覆層形成工程では、前記銅層の上面外周部及び側面に前記ペーストを塗布することにより、前記被覆層を形成することを特徴とする請求項4に記載のセラミック配線基板の製造方法。   5. The method for manufacturing a ceramic wiring board according to claim 4, wherein, in the coating layer forming step, the coating layer is formed by applying the paste to an outer peripheral portion and a side surface of an upper surface of the copper layer.
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JP2017152528A (en) * 2016-02-24 2017-08-31 日本特殊陶業株式会社 Wiring board and semiconductor module

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