JP2015185606A - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性能を良好に確保することができるパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。【解決手段】パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス母材２０にレーザ光Ｌを照射してスクライブライン２１を形成するレーザ加工工程と、スクライブライン２１が形成されたセラミックス母材２０をアルミニウム用エッチング液で洗浄する洗浄工程と、洗浄工程後のセラミックス母材２０に回路層６及び金属層７を形成する金属板６０，７０をろう付け接合する接合工程と、セラミックス母材２０に接合された金属板６０，７０をエッチングすることによりパターンを形成するエッチング工程と、エッチング工程後にセラミックス母材２０をスクライブライン２１に沿って分割する分割工程と、分割工程後に回路層６及び金属層７に無電解メッキを施すメッキ工程とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、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。

この種のパワーモジュール用基板の製造方法として、例えば特許文献１又は特許文献２に記載されているように、複数のパワーモジュール用基板を形成可能な広い面積を有するセラミックス母材の表面にレーザ光を照射して、セラミックス母材を各基板の大きさに区画するようにスクライブライン（分割溝）を予め設けておき、このスクライブラインに沿ってセラミックス母材を分割することにより個片化し、個々のパワーモジュール用基板を製造する方法が知られている。

また、特許文献２には、レーザ加工によりスクライブラインを形成した場合、そのスクライブライン上には、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ことが記載されている。また、このガラス化された熱変性層がレーザ加工後に冷却されることによって微小なクラックを生じさせ、パワーモジュール用基板の熱サイクル使用において、微小なクラックを起点とするセラミックス基板の割れを生じさせることが記載されている。
この場合、特許文献２では、フッ硝酸を用いてエッチング処理を施すことにより、ガラス化された熱変性層を除去することが提案されており、このように熱変性層を除去することにより、熱変性層に生じた微小なクラックを起点とするセラミックス基板の割れの発生を抑制できることが記載されている。

特許２０００‐８６３６７号公報 特開２００８‐１９８６３５号公報

ところが、このようにパワーモジュール用基板において、セラミックス基板の割れの問題とは別に、回路層又は金属層が形成されたパワーモジュール用基板に無電解メッキ処理を行うと、スクライブライン上にメッキが析出し、その部分において放電が誘発されることによるパワーモジュール用基板の耐電圧性の低下、すなわち絶縁性能を損なうことが新たに問題となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、絶縁性能を良好に確保することが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。

本発明者は、パワーモジュール用基板の製造方法について鋭意研究した結果、以下の知見を得た。
レーザ加工によりスクライブラインを形成するパワーモジュール用基板の製造方法では、特許文献２に記載されるように、レーザ光の熱によってガラス化された熱変性層が形成される。この点、特許文献２では、ガラス化された熱変性層がフッ硝酸によるエッチング処理により除去可能であることが記載されているが、セラミックス母材と金属層とのろう付け接合前にセラミックス母材をフッ硝酸によりエッチング処理をした場合は、セラミックス母材にフッ素が残存することで、パワーモジュールの冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板と金属層との剥離を生じさせ、接合信頼性を低下させることがわかった。
一方で、セラミックス母材と金属層（回路層）とをろう付け接合した後にエッチング処理をした場合には、熱変性層が完全に除去しきれないことがわかった。この場合においてパワーモジュール用基板に無電解メッキ処理を行うと、残存する熱変性層にメッキが付着することがあり、その付着したメッキによって絶縁距離が短縮されることにより、放電が誘発され、耐電圧性を低下させていることがわかった。
したがって、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法においては、以下の方法により問題を解決した。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス母材に形成されたスクライブラインに沿って該セラミックス母材を複数のセラミックス基板に分割して、該セラミックス基板に金属層が積層されたパワーモジュール用基板を複数製造する方法であって、前記セラミックス母材にレーザ光を照射して前記スクライブラインを形成するレーザ加工工程と、前記スクライブラインが形成された前記セラミックス母材をアルミニウム用エッチング液で洗浄する洗浄工程と、前記洗浄工程後の前記セラミックス母材に前記金属層を形成する金属板をろう付け接合する接合工程と、前記セラミックス母材に接合された金属板をエッチングすることによりパターンを形成するエッチング工程と、前記エッチング工程後に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分割する分割工程と、前記分割工程後に前記金属層に無電解メッキを施すメッキ工程とを備える。

セラミックス母材と金属板との接合工程の前に、すなわち、スクライブラインが形成されたセラミックス母材が高温に曝される前に、そのセラミックス母材をアルミニウム用エッチング液で洗浄する洗浄工程を設けることにより、スクライブラインに形成された熱変性層を容易に除去することができる。
したがって、パワーモジュール用基板に無電解メッキ処理を行った際に、セラミックス基板の端縁にメッキが付着することを回避することができるので、良好な絶縁性能を確保することができる。
なお、セラミックス母材と金属板とのろう付け接合後にセラミックス母材のスクライブラインに形成された熱変性層を除去しようとする場合には、熱変性層を完全に除去することが難しくなる。この場合、スクライブラインに形成された熱変性層の一部が、セラミックス母材と金属板とのろう付け接合の際に、高温に曝されることにより、より安定な酸化物へと変化し、処理液へ溶解しにくくなることが要因であると考えられる。

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前記セラミックス母材にレーザ光を照射して前記スクライブラインを形成するレーザ加工工程と、前記スクライブラインが形成された前記セラミックス母材を該スクライブラインに沿って分割して複数の前記セラミックス基板を形成する分割工程と、分割された前記セラミックス基板をアルミニウム用エッチング液で洗浄する洗浄工程と、前記洗浄工程後の前記セラミックス基板に金属板をろう付け接合して金属層を形成する接合工程と、前記接合工程後に前記金属層に無電解メッキを施すメッキ工程とを備える。

このように、セラミックス母材を分割した後に、洗浄工程や金属板の接合工程を設けることも可能であり、この場合においても、セラミックス基板と金属板との接合工程の前に洗浄工程を設けることにより、スクライブラインに形成された熱変性層を容易に除去することが可能となる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記アルミニウム用エッチング液は、塩化鉄、塩化銅又は水酸化ナトリウムを主成分とする水溶液とされる。
アルミニウム用エッチング液に、塩化鉄、塩化銅又は水酸化ナトリウムを主成分とする水溶液を用いることで、スクライブラインに形成された熱変性層を容易に除去することができる。

本発明によれば、パワーモジュール用基板の絶縁性能を良好に確保することが可能となる。

本発明の第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法を説明するフロー図である。 パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。 第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法の製造工程を説明する図である。 本発明の第２実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法を説明するフロー図である。 第２実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法の製造工程を説明する図である。 本発明が適用されるパワーモジュール用基板を説明する断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図２は、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法により製造されるパワーモジュール用基板３を用いたパワーモジュール１を示している。
このパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板３と、パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４と、裏面に取り付けられたヒートシンク５とを備えている。

また、パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２と、セラミックス基板２の一方の面に積層された回路層６と、セラミックス基板２の他方の面に積層された金属層７とを備え、これらセラミックス基板２と回路層６及び金属層７とは、ろう付け接合されている。そして、このパワーモジュール用基板３の回路層６の表面に電子部品４がはんだ付けされ、金属層７の表面にヒートシンク５が接合されている。

セラミックス基板３は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等のアルミニウムを含むセラミックス材料により形成される。また、回路層６、金属層７及びヒートシンク５は、純アルミニウム又はアルミニウム合金、もしくは純銅又は銅合金により形成され、純度９９．００質量％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金、無酸素銅やタフピッチ銅等の純銅又は銅合金により形成することが望ましい。そして、セラミックス基板２と回路層６及び金属層７とは、回路層６及び金属層７が純アルミニウム又はアルミニウム合金で形成される場合、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金のろう材により、ろう付け接合される。また、回路層６及び金属層７が純銅又は銅合金である場合には、Ａｇ‐Ｃｕ‐ＴｉやＡｇ‐Ｔｉろう材を用いた活性金属ろう付けにより接合される。

なお、ヒートシンク５は、平板状のもの、熱間鍛造等によって多数のピン状フィンを一体に形成したもの、押出成形によって相互に平行な帯状フィンを一体に形成したもの等、適宜の形状のものを採用することができる。

次に、以上のように構成されるパワーモジュール用基板３の製造方法について説明する。第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法は、図１に示すように、複数の製造工程により構成される。
（レーザ加工工程）
まず、図３（ａ）に示すように、板状のセラミックス母材２０の表面にスクライブライン２１を形成する。この図３（ａ）に示すように、スクライブライン２１は、レーザ光Ｌを照射することにより、セラミックス母材２０の表面を切削加工して形成される。この際、スクライブライン２１上には、レーザ光の熱によってガラス化された熱変性層２２が形成される。この熱変性層２２は、アモルファス状のアルミニウム酸化物やアルミニウムの遊離物等が混在して形成されたものであり、深さ１μｍ〜４０μｍ程度に形成されている。
なお、レーザ加工工程では、例えばＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ＹＬＦレーザ等を使用してスクライブライン２１の加工を行うことができる。

（洗浄工程）
次に、図示は省略するが、スクライブライン２１が形成されたセラミックス母材２０を、アルミニウム用エッチング液に浸漬させることにより洗浄する。アルミニウム用エッチング液は、塩化鉄、塩化銅又は水酸化ナトリウムを主成分とする水溶液とされ、種々の添加剤が添加されるものを用いることもできる。なお、アルミニウム用エッチング液は、回路層６及び金属層７を純アルミニウム又はアルミニウム合金で形成する場合、後述するエッチング工程で用いられるエッチング液と同じものを用いることができる。
そして、セラミックス母材２０をアルミニウム用エッチング液に浸漬させることで、図３（ｂ）に示すように、セラミックス母材２０のスクライブライン２１上に形成された熱変性層２２が除去される。この際のアルミニウム用エッチング液の温度や浸漬時間は、深さ１μｍ〜４０μｍ程度の熱変性層２２が除去される条件に設定される。

（接合工程）
そして、図３（ｃ）に示すように、洗浄工程後のセラミックス母材２０に回路層６及び金属層７となる金属板６０，７０をろう付け接合する。具体的には、セラミックス母材２０の両面に、それぞれろう材箔を介在させて金属板６０，７０を積層し、これらの積層体を加圧した状態のまま真空中で加熱することにより、セラミックス母材２０と金属板６０，７０とをろう付け接合した接合体３０を形成する。

（エッチング工程）
次に、接合体３０のセラミックス母材２０に接合された金属板６０，７０をエッチングすることにより、回路層６及び金属層７のパターンを形成する。これにより、図３（ｄ）に示すように、セラミックス母材２０には、スクライブライン２１により区画された各領域に回路層６及び金属層７が設けられる。

（分割工程）
そして、ダイシング装置や基板分割装置等の切断手段により、セラミックス母材２０をスクライブライン２１に沿って分割することで、図３（ｅ）に示すように、セラミックス母材２０が個片化され、複数のパワーモジュール用基板３が製造される。

（メッキ工程）
最後に、図示は省略するが、各パワーモジュール用基板３に金メッキ、銀メッキ、ニッケルメッキ等の無電解メッキ処理を施すことにより、回路層６及び金属層７に無電解メッキが形成されたパワーモジュール用基板３を製造することができる。

このように、本実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法では、セラミックス母材２０と金属板６０，７０との接合工程の前に、すなわち、スクライブライン２１が形成されたセラミックス母材２０がろう付け接合時の高温に曝される前に、そのセラミックス母材２０とアルミニウム用エッチング液で洗浄する洗浄工程を設けることにより、スクライブライン２１に形成された熱変性層２２を容易に除去することができる。
したがって、パワーモジュール用基板３に無電解メッキ処理を行った際に、セラミックス基板２の端縁（スクライブライン２１であったところ）にメッキが付着することを回避することができ、良好な絶縁性能を確保することができる。

なお、セラミックス母材２０と金属板６０，７０とのろう付け接合後にセラミックス母材２０のスクライブライン２１に形成された熱変性層２２をエッチング処理して除去しようとする場合には、熱変性層２２を完全に除去することが難しくなる。この場合、スクライブライン２１に形成された熱変性層２２の一部が、セラミックス母材２０と金属板６０，７０とのろう付け接合の際に高温に曝されることにより、より安定な酸化物に変化することが要因であると考えられる。

図４は、本発明の第２実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法の製造工程を示す。
第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法（図１参照）では、セラミックス母材２０の分割工程の前に洗浄工程を設けることとしていたが、第２実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法（図２参照）では、セラミックス母材２０をスクライブライン２１に沿って分割する分割工程の後に、洗浄工程や金属板６０，７０の接合工程を設けることとしている。なお、第２実施形態においては、第１実施形態のものと同様の構成については、同一符号を付して詳しい説明を省略する。

第２実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法では、まず、図５（ａ）に示すように、板状のセラミックス母材２０の表面にスクライブライン２１を形成した後（レーザ加工工程）、図５（ｂ）に示すように、セラミックス母材２０をスクライブライン２１に沿って分割することで、セラミックス母材２０を複数のセラミックス基板２に個片化する（分割工程）。

そして、各セラミックス基板２をアルミニウム用エッチング液に浸漬させることにより洗浄し、図５（ｃ）に示すように、セラミックス基板２から熱変性層２２を除去する（洗浄工程）。この熱変性層２２が除去されたセラミックス基板２に、プレス加工によりパターンを形成した金属板をろう付けすることにより、セラミックス基板２に回路層６及び金属層７が積層されたパワーモジュール用基板３を形成する（接合工程）。なお、回路層６及び金属層７となる金属層をセラミックス基板２にろう付け接合した後で、エッチングすることにより回路パターンを形成することもできる。
最後に、各パワーモジュール用基板３に無電解メッキを施すことにより、回路層６及び金属層７に無電解メッキが形成されたパワーモジュール用基板３を製造することができる。

次に、本発明の効果を確認するために行った本発明例及び比較例について説明する。
本発明例及び比較例として、厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板２に、厚み０．６ｍｍの４Ｎ‐Ａｌからなる回路層６と、厚み０．６ｍｍの４Ｎ‐Ａｌからなる金属層７とを、Ａｌ‐Ｓｉ系のろう材により接合したパワーモジュール用基板３の試料を作製した。
本発明例及び比較例の試料は、波長１０μｍのＣＯ_２レーザを用いて深さ１００μｍのスクライブライン２１（なお、熱変性層の厚さは３０μｍであった）を形成したセラミックス母材に、いずれも回路層６となる金属板６０及び金属層７となる金属板７０のろう付け接合前の段階で、表１に示す主成分の水溶液からなる洗浄液に浸漬させることにより洗浄を行った。各試料の洗浄条件を、表１に示す。

そして、その洗浄工程後に、セラミックス母材２０に金属板６０，７０をろう付け接合し、エッチング処理を施して回路層６及び金属層７のパターンを形成した。なお、スクライブライン２１で区画されるセラミックス基板２の平面サイズ２６．６ｍｍ×１６．６ｍｍに対して、回路層６及び金属層７の平面サイズを２５ｍｍ×１５ｍｍとし、セラミックス基板２の端縁から回路層６及び金属層７の端縁までの距離が０．８ｍｍとなるように矩形状のパターンを形成した。また、回路層６及び金属層７に無電解ニッケルメッキを施し、各試料のパワーモジュール用基板３を作製した。
なお、比較例２の試料に関しては、セラミックス母材２０の洗浄を行わなかったため、表１の「洗浄液」及び「洗浄条件」の欄を「−」で示した。

このようにして作製したパワーモジュール用基板３の各試料について、回路層６と金属層７との間に交流電圧を１ｋＶから１００Ｖずつ段階的に引き上げて印加していき、カットオフ電流に達した電圧値（耐電圧値）を測定した。測定機器には、耐電圧試験機（菊水電子工業製のＴＯＳ５０５０）を用い、カットオフ電流値を１ｍＡとした。
表１に結果を示す。

表１からわかるように、塩化鉄（ＦｅＣｌ_３）を主成分とするアルミニウム用エッチング液を用いて洗浄を行った本発明例１及び塩化銅（ＣｕＣｌ_２）主成分とするアルミニウム用エッチング液を用いて洗浄を行った本発明例２の試料においては、フッ硝酸（ＨＮＯ_３＋ＮＨ_４ＨＦ_２）により洗浄を行った比較例１や洗浄を行わなかった比較例２と比較して、耐電圧値が２０％近く高くなる結果となり、パワーモジュール用基板の絶縁性能を良好に確保できることが確認できた。

なお、本発明は上記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、上記実施形態においては、パワーモジュール用基板として、図２に示すように、セラミックス基板２に回路層６及び金属層７が積層されたものについて説明を行ったが、これに限定されるものではない。本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と回路層からなるパワーモジュール用基板にも適用可能であるし、図６に示すように、回路層６Ａが銅板６１とアルミニウム板６２とを接合した積層回路層６Ａで形成されるパワーモジュール用基板３Ａ等の種々の構成において適用可能である。

また、セラミックス母材２０へのスクライブライン２１の加工は、本実施形態のようにセラミックス母材２０の片面のみに行う場合に限定されるものではなく、セラミックス母材２０の両面にスクライブライン２１を設ける場合も含まれる。

１ パワーモジュール
２ セラミックス基板
３，３Ａ パワーモジュール用基板
４ 電子部品
５ ヒートシンク
６，６Ａ 回路層
７ 金属層
２０ セラミックス母材
２１ スクライブライン
２２ 熱変性層
６０，７０ 金属板
６１ 銅板
６２ アルミニウム板

Claims (3)

1. セラミックス母材に形成されたスクライブラインに沿って該セラミックス母材を複数のセラミックス基板に分割して、該セラミックス基板に金属層が積層されたパワーモジュール用基板を複数製造する方法であって、
   前記セラミックス母材にレーザ光を照射して前記スクライブラインを形成するレーザ加工工程と、
   前記スクライブラインが形成された前記セラミックス母材をアルミニウム用エッチング液で洗浄する洗浄工程と、
   前記洗浄工程後の前記セラミックス母材に前記金属層を形成する金属板をろう付け接合する接合工程と、
   前記セラミックス母材に接合された金属板をエッチングすることによりパターンを形成するエッチング工程と、
   前記エッチング工程後に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分割する分割工程と、
   前記分割工程後に前記金属層に無電解メッキを施すメッキ工程と
   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. セラミックス母材に形成されたスクライブラインに沿って該セラミックス母材を複数のセラミックス基板に分割して、該セラミックス基板に金属層が積層されたパワーモジュール用基板を複数製造する方法であって、
   前記セラミックス母材にレーザ光を照射して前記スクライブラインを形成するレーザ加工工程と、
   前記スクライブラインが形成された前記セラミックス母材を該スクライブラインに沿って分割して複数の前記セラミックス基板を形成する分割工程と、
   分割された前記セラミックス基板をアルミニウム用エッチング液で洗浄する洗浄工程と、
   前記洗浄工程後の前記セラミックス基板に金属板をろう付け接合して金属層を形成する接合工程と、
   前記接合工程後に前記金属層に無電解メッキを施すメッキ工程と
   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。
3. 前記アルミニウム用エッチング液は、塩化鉄、塩化銅又は水酸化ナトリウムを主成分とする水溶液とされることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。

Images