JP2016152384A - パワーモジュール用基板の製造方法及びパワージュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に、モールド樹脂により封止されるパワーモジュール用基板の回路層とモールド樹脂との密着性の向上を図ることができ、半導体素子の良好な接合性を維持することができ、長期的に信頼性の高いパワーモジュール用基板の製造方法、及びそのパワーモジュール用基板の製造方法を用いたパワーモジュールの製造方法を提供する。【解決手段】回路層１０をエッチングすることにより第二金属層１４を貫通して第一金属層１３の少なくとも途中まで到達する複数のアンカー孔９を形成するアンカー孔エッチング工程を有し、そのアンカー孔エッチング工程は、第一金属層１３に対するエッチングレートが第二金属層１４に対するエッチングレートよりも高いエッチング液を用いて行われ、第一金属層１３に第二金属層１４に形成されるアンカー孔９の開口部に対して半径方向外方に張り出す部分を形成する。【選択図】 図３

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及びパワーモジュールの製造方法に関する。

従来のパワーモジュール用基板として、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面にアルミニウムからなる回路層が接合されるとともに、他方の面に放熱のためのアルミニウムからなる金属層が接合された構成のものが知られている。そして、このパワーモジュール用基板の金属層に、熱伝導性に優れたヒートシンクが接合され、回路層の上にはんだ材を介してパワー素子等の半導体素子が搭載され、パワーモジュールが製造される。

また、このようなパワーモジュールにおいて、例えば特許文献１に開示されるように、回路層上に搭載された半導体素子の固定及び良好な接合性を維持する目的で、エポキシ樹脂等からなるモールド樹脂を成形することで、パワーモジュール用基板及び半導体素子を樹脂封止することが行われている。ところが、モールド樹脂によりパワーモジュール用基板と半導体素子とを樹脂封止した場合においても、モールド樹脂と回路層との密着性が悪いと、モールド樹脂と回路層との界面に破断が生じ、半導体素子と回路層との間のはんだ層が破断することがある。

そこで、例えば特許文献２及び特許文献３に開示されるように、半導体素子の周辺の回路層（電極）表面にディンプル加工を施すことにより、モールド樹脂の密着性の向上を図ることが行われている。

特開２０１０‐１１４２５７号公報 特開２００７‐３２９３６２号公報 特開２０１３‐３８２５９号公報

しかし、回路層表面へのディンプル加工は、ディンプル形成時に形状が潰れたり、ディンプルが形成されない等、手間がかかることが問題である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、容易に、モールド樹脂により封止されるパワーモジュール用基板の回路層とモールド樹脂との密着性の向上を図ることができ、半導体素子の良好な接合性を維持することができ、長期的に信頼性の高いパワーモジュール用基板の製造方法、及びそのパワーモジュール用基板の製造方法を用いたパワーモジュールの製造方法を提供することを目的とする。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に積層された回路層と他方の面に積層された放熱層とを備え、前記回路層が前記セラミックス基板に接合される第一金属層と該第一金属層の前記セラミックス基板とは反対の面に接合された第二金属層とを有するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層をエッチングすることにより前記第二金属層を貫通して前記第一金属層の少なくとも途中まで到達する複数のアンカー孔を形成するアンカー孔エッチング工程を有し、前記アンカー孔エッチング工程は、前記第一金属層に対するエッチングレートが前記第二金属層に対するエッチングレートよりも高いエッチング液を用いて行われ、前記第一金属層に前記第二金属層に形成される前記アンカー孔の開口部に対して半径方向外方に張り出す部分を形成する。

このようにして製造されるパワーモジュール用基板は、回路層に複数のアンカー孔を有していることで、回路層表面上に半導体素子が搭載された後にモールド樹脂により樹脂封止がされる際に、そのモールド樹脂がアンカー孔へ入り込み、半導体素子実装面である回路層とモールド樹脂との密着性を向上させることができる。
また、アンカー孔を形成する際に、第一金属層（アンカー孔の底部）に、第二金属層に形成される開口部よりも半径方向外方に張り出す部分を形成することにより、モールド樹脂がアンカー孔の底部に開口部よりも半径方向外方に張り出したモールド樹脂部分を形成することができるので、モールド樹脂が剥がれにくくなり、回路層とモールド樹脂との良好な密着性を維持することができる。
そして、回路層へのアンカー孔の形成は、第二金属層よりも第一金属層に対するエッチングレートが高いエッチング液を用いて行うので、回路層の表面側の第二金属層を介して第一金属層がエッチングされる際に、第一金属層にアンカー孔の底部となる開口部に対して半径方向外方に張り出す部分を形成することができる。このように、回路層をエッチングすることによりアンカー孔を形成するので、回路層にディンプル加工によりディンプルを形成する場合のように、形状が潰れたり回路層に変形を生じさせることなく、容易にアンカー形状を形成することができる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前記アンカー孔エッチング工程の前に、前記第二金属層をエッチングすることにより該第二金属層を貫通する下孔を形成する事前エッチング工程を備え、前記アンカー孔エッチング工程は、前記下孔を介して前記第一金属層のエッチングが行われる。

第一金属層のエッチングを行う前に、事前エッチング工程において回路層の表面側の第二金属層をエッチングして貫通孔を形成しておくことで、その後のアンカー孔エッチング工程において、第二金属層に形成された貫通孔を介して第一金属層のエッチングを行うことができる。この場合、第一金属層に対しては高い腐食性を有するが、第二金属層に対する腐食性を殆ど有さないエッチング液を用いることも可能となる。したがって、アンカー孔の開口部側のエッチングレートを低く抑えることができ、アンカー孔の底部に開口部よりも半径方向外方に張り出した部分を形成したアンカー形状を容易に形成することができる。

本発明のパワーモジュールの製造方法は、前記パワーモジュール用基板の製造方法により製造された前記パワーモジュール用基板の前記回路層の表面上に半導体素子をはんだ付けするはんだ付け工程と、前記パワーモジュール用基板及び前記半導体素子をモールド樹脂により封止する樹脂封止工程とを有する。

本発明によれば、エッチングにより容易に回路層にアンカー孔を形成することができ、モールド樹脂により封止されるパワーモジュール用基板の回路層とモールド樹脂との密着性を向上させることができるので、半導体素子の良好な接合性を維持することができ、長期的に信頼性の高いパワーモジュール用基板及びそのパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを製造することが可能となる。

本発明に係るパワーモジュールの製造方法により製造されるパワーモジュールを示す断面図であり、図２のＡ‐Ａ線に沿う断面に相当する。 図１に示すパワーモジュールにおけるアンカー孔及び半導体素子の位置を示す平面図である。 本発明の第１実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法を工程毎に示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法を工程毎に示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法を工程毎に示す断面図である。 本発明のパワーモジュール用基板の製造方法に用いる加圧装置の正面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る第１実施形態のパワーモジュールの製造方法により製造されるパワーモジュールを示している。この図１に示すパワーモジュール１００は、パワーモジュール用基板７０の回路層１０の表面に半導体素子３０が搭載され、半導体素子３０にはリードフレーム５０が接合され、さらに半導体素子３０とパワーモジュール用基板７０とリードフレーム５０とをエポキシ樹脂等からなるモールド樹脂８０により封止することで構成される。
なお、このように構成されるパワーモジュール１００は、図１に示すように、ヒートシンク１１０の上面に熱伝導グリス４０を介して接触させ、クランプ等により押し付けて使用される。

パワーモジュール用基板７０は、複数の金属の平板が積層されてなる回路層１０と、絶縁層であるセラミックス基板２０と、放熱層２１とを備える。
回路層１０は、絶縁層としてのセラミックス基板２０の一方の面に接合された第一金属層１３と、その第一金属層１３のセラミックス基板２０とは反対の面に接合された第二金属層１４とを備える。そして、放熱層２１は、セラミックス基板２０の回路層１０と反対面に接合された第一金属層１１と、第一金属層１１のセラミックス基板２０とは反対面に接合された第二金属層１２とを備える。
以下、これら回路層１０と放熱層２１とを区別するために、回路層１０に用いられる両金属層を回路層用第一金属層、回路層用第二金属層とし、放熱層２１に用いられる両金属層を放熱層用第一金属層、放熱層用第二金属層とする。

パワーモジュール用基板７０を構成するセラミックス基板２０は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなり、厚さは０．６３５ｍｍとされる。また、回路層用第一金属層１３を構成する金属板は、純度９９．００質量％以上のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）からなり、厚さ０．６ｍｍとされる。そして、回路層用第二金属層１４を構成する金属板は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなり、厚さは０．２５ｍｍとされる。

放熱層用第一金属層１１を構成する金属板は、純度９９．９９％質量以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなり、厚さは０．６ｍｍとされる。また、放熱層用第二金属層１２を構成する金属板は、Ａ３００３合金からなり、厚さは０．２５ｍｍとされる。この放熱層用第二金属層１２を構成する金属板の面積は、図１及び図２に示す例では、放熱層用第一金属層１１の２倍以上となるように広く形成され、２枚の放熱層用第一金属層１１が並列に接合されている。
なお、これら各金属層１１〜１４及びセラミックス基板２０は、ろう付けされる。

そして、図１及び図２に示すように、回路層１０には、はんだ接合される半導体素子３０の搭載予定位置の直下を除く位置に、封止用のモールド樹脂８０が食い込み可能なアンカー孔９が形成されている。
このアンカー孔９は、図１及び図３（ｄ）に示すように、回路層用第二金属層１４を貫通し、回路層用第一金属層１３の少なくとも途中まで到達して形成される。また、アンカー孔９は、アンカー孔９の開口部側を構成する回路層用第二金属層１４側の直径ｄ１よりも、アンカー孔９の底部側を構成する回路層用第一金属層１３側の直径ｄ２が大きな直径を形成している。この場合、アンカー孔９の回路層用第二金属層１４の表面の開口部の直径ｄ１は、０．２ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内に設定される。

そして、このパワーモジュール用基板７０の回路層１０の表面、すなわち回路層用第二金属層１４の表面に、半導体素子３０がはんだ付けされる。
なお、必要とされる機能に応じてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子３０が選択される。そして、半導体素子３０を接合するはんだ材は、例えばＳｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされる。

リードフレーム５０は、半導体素子３０にはんだ等を用いて接合されている。そして、パワーモジュール用基板７０及び半導体素子３０、リードフレーム５０が、エポキシ樹脂等からなるモールド樹脂８０により樹脂封止され、パワーモジュール１００が形成されている。

次に、このような構成のパワーモジュール用基板７０及びパワーモジュール１００を製造する第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法について説明する。
パワーモジュール用基板７０は、セラミックス基板２０と回路層用第一金属層１３となる金属板及び放熱層用第一金属層１１となる金属板とを接合するとともに、この回路層用第一金属層１３となる金属板と回路層用第二金属層１４となる金属板とを接合する第一接合工程、第一接合工程で得られた積層体２３に放熱層用第二金属層１２となる金属板を接合する第二接合工程、回路層１０をエッチングすることにより回路層用第二金属層１４を貫通して回路層用第一金属層１３の少なくとも途中まで到達するアンカー孔９を形成するアンカー孔エッチング工程を経て製造される。以下、これらの工程を説明する。

（第一接合工程）
図３（ａ）に示すように、セラミックス基板２０の一方の面にろう材２２を介して回路層用第一金属層１３となる金属板１３ａを積層し、さらに回路層用第一金属層１３となる金属板１３ａの上面にろう材２２を介して回路層用第二金属層１４となる金属板１４ａを積層するとともに、セラミックス基板２０の他方の面にろう材２２を介して放熱層用第一金属層１１となる金属板１１ａを積層して、これらを一体に接合する。ろう材２２は、Ａｌ‐Ｓｉ系等の合金を箔の形態で用いるとよい。
具体的には、セラミックス基板２０、回路層用第一金属層１３となる金属板１３ａ、回路層用第二金属層１４となる金属板１４ａ及び放熱層用第一金属層１１となる金属板１１ａとを、図３（ａ）に示すようにろう材２２を介して積層した積層体Ｓを図６に示す加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧した状態とする。

この加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備えている。

固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されており、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体Ｓが配置される。積層体Ｓの両面には加圧を均一にするためにクッションシート１１６が配設される。クッションシート１１６は、カーボンシートとグラファイトシートの積層板で形成されている。この加圧装置１１０により加圧した状態で、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設置し、真空雰囲気下で接合温度に加熱してセラミックス基板２０に回路層用第一金属層１３と放熱層用第一金属層１１とをろう付け接合するとともに、回路層用第一金属層１３に回路層用第二金属層１４をろう付け接合する。この場合の加圧力としては例えば０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下、接合温度としては６１０℃以上６５０℃以下、加熱時間としては１分以上６０分以下とされる。

（第二接合工程）
図３（ｂ）に示すように、放熱層用第二金属層１２となる金属板１２ａの上面に、ろう材２５を介して第一接合工程で得られた積層体２３を２個並列に並べて積層する。
ろう材２５には、例えばアルミニウム合金（Ａ３００３合金）からなる芯材の両面にＡｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系のろう材層が形成された両面ろうクラッド材を用いるとよく、この両面クラッド材を用いたフラックスレスろう付け方法により、第一接合工程で得られた積層体２３の放熱層用第一金属層１１と放熱層用第二金属層１２とを接合する。

具体的には、これら放熱層用第二金属層１２と２個の積層体２３とを、ろう材２５を介して積層した積層体を図６に示す加圧装置１１０と同様の加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態とし、０．０１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下に加圧し、窒素等の不活性雰囲気下で接合温度５５９℃以上６２０℃以下で加熱して第一接合工程で得られた積層体２３と放熱層用第二金属層１２とを接合する。

（アンカー孔エッチング工程）
図３（ｃ）に示すように、回路層１０及び放熱層２１の表面に、エッチング除去部、すなわちアンカー孔形成予定部９０を残してフォトレジスト法によりエッチングマスク９１を形成した後、これをエッチング液に浸漬して、回路層１０のエッチングをする。なお、エッチングマスク９１は、レジストインキをスクリーン印刷によってアンカー孔形成予定部９０を残したパターン上に塗布し、紫外線を照射して硬化を行うことにより形成してもよい。
このアンカー孔エッチング工程においては、回路層用第一金属層１３に対するエッチングレートが回路層用第二金属層１４に対するエッチングレートよりも高いエッチング液を用いることにより、図３（ｄ）に示すように、回路層用第一金属層１３に、回路層用第二金属層１４に形成されるアンカー孔９の開口部に対して半径方向外方に張り出す部分を形成する。

具体的には、回路層用第一金属層１３に対するエッチングレートが回路層用第二金属層１４に対するエッチングレートよりも高いエッチング液として、塩化第二鉄を主成分とするもの（ＦｅＣｌ_３：４２質量％、５０℃）を用いることができ、このエッチング液にエッチングマスク９１を形成した積層体２４を１５分浸漬することにより回路層１０にアンカー孔９を形成する。回路層用第一金属層１３の２Ｎアルミニウムと回路層用第二金属層１４の４Ｎアルミニウムとは、含有される不純物成分の含有量が相違しており、この不純物含有量、特にＦｅ及びＳｉの含有量が、回路層用第一金属層１３の方が回路層用第二金属層１４に比べて多いので、回路層用第一金属層１３の方がエッチングにより腐食され易く、エッチングレートが大きくなる。すなわち、このような各金属層１３，１４のＦｅ及びＳｉの含有量の関係により、エッチング液による回路層用第一金属層１３のエッチングレートは、回路層用第二金属層１４のエッチングレートの１．５倍〜４倍速くなる。

このため、エッチングが進行して回路層用第二金属層１４に貫通孔が形成され、回路層用第二金属層１４を介して回路層用第一金属層１３のエッチングが開始されるようになると、回路層用第一金属層１３のエッチングレートが回路層用第二金属層１４のエッチングレートよりも速いため、次第に、回路層用第一金属層１３にアンカー孔９の底部となる開口部（直径ｄ１で示す部分）に対して半径方向外方に張り出す部分（直径ｄ２で示す部分）が形成される。
このようにして、回路層１０をエッチングすることにより、回路層用第二金属層１４を貫通して回路層用第一金属層１３の少なくとも途中まで到達するアンカー孔９を形成することができる。
なお、エッチング処理後に酸を用いて残存するエッチング液を洗浄する。洗浄に用いる酸は、塩酸、硫酸、硝酸等を用いることができるが、塩酸が好適に用いられる。その後、水酸化ナトリウム水溶液等でエッチングマスク９１を剥離することにより、図３（ｄ）に示すように、パワーモジュール用基板７０が製造される。

また、パワーモジュール１００は、上記の製造方法により製造されたパワーモジュール用基板７０の回路層１０（回路層用第二金属層１４）の表面上に半導体素子３０をはんだ付けするはんだ付け工程と、パワーモジュール用基板及び半導体素子３０をモールド樹脂８０により封止する樹脂封止工程とを経て製造される。
（はんだ付け工程）
パワーモジュール用基板７０の回路層１０の上面、すなわち回路層用第二金属層１４の上面に半導体素子３０をはんだ付けする。さらに、半導体素子３０にはリードフレーム５０が接合される。
（樹脂封止工程）
次に、パワーモジュール用基板７０の放熱層用第二金属層１２の下面と、リードフレーム５０の外部接続端子部分５０ａとを除き、半導体素子３０とパワーモジュール用基板７０とリードフレーム５０とをモールド樹脂８０により封止する。
具体的には、例えばエポキシ樹脂等からなる封止材を用いてトランスファーモールディング方法によってモールド樹脂８０を形成し封止する。このようにしてパワーモジュール１００を製造する。

上記のようにして製造されるパワーモジュール１００は、回路層１０に複数のアンカー孔９を有していることで、回路層１０表面上に半導体素子３０が搭載された後にモールド樹脂８０により樹脂封止がされる際に、そのモールド樹脂８０がアンカー孔９へ入り込み、半導体素子実装面である回路層１０とモールド樹脂８０との密着性を向上させることができる。
また、アンカー孔９を形成する際に、回路層用第一金属層１３（アンカー孔９の底部）に、平面視において、回路層用第二金属層１４に形成される開口部よりも半径方向外方に張り出す部分を形成することにより、モールド樹脂８０がアンカー孔９の底部に開口部よりも半径方向外方に張り出したモールド樹脂部分を形成することができるので、モールド樹脂８０が剥がれにくくなり、回路層１０とモールド樹脂８０との良好な密着性を維持することができる。

そして、回路層１０へのアンカー孔９の形成は、回路層用第二金属層１４よりも回路層用第一金属層１３に対するエッチングレートが高いエッチング液を用いて行うので、回路層１０の表面側の回路層用第二金属層１４を介して回路層用第一金属層１３がエッチングされる際に、回路層用第一金属層１３にアンカー孔９の底部となる開口部に対して半径方向外方に張り出す部分を形成することができる。このように、回路層１０をエッチングすることによりアンカー孔９を形成するので、回路層１０にディンプル加工によりディンプルを形成する場合のように、形状が潰れたり回路層に変形を生じさせることなく、容易にアンカー形状を形成することができる。

図４及び図５は、本発明の他の実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法を示している。
図３に示す第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法では、回路層１０に使用する金属板の組合せを、回路層用第一金属層１３は純度９９．００質量％以上のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）、回路層用第二金属層１４は純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）とした組合せとしていたが、回路層１０の構成はこの組合せに限定するものではなく、例えば、以下の第２実施形態及び第３実施形態に示す組合せとした場合においても、エッチングによりアンカー孔９の形成を行うことができる。

図４に示す第２実施形態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７２（図４（ｄ））は、回路層用第一金属層１３を純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）、回路層用第二金属層１４を純度９９．９６質量％以上の銅（無酸素銅）とする組合せにより構成される。
また、このパワーモジュール用基板７１を構成するセラミックス基板２０は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなり、厚さは０．６３５ｍｍとされる。回路層用第一金属層１３を構成する金属板は、前述したようにいわゆる４Ｎアルミニウムからなり、厚さ０．４ｍｍとされる。そして、回路層用第二金属層１４を構成する金属板は無酸素銅からなり、厚さは０．３ｍｍとされる。

放熱層用第一金属層１１を構成する金属板は、純度９９．９９％質量以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなり、厚さは０．６ｍｍとされる。また、放熱層用第二金属層１２を構成する金属板は、回路層用第二金属層１４を構成する金属板と同様に、無酸素銅からなり、厚さは０．３ｍｍとされる。この放熱層用第二金属層１２を構成する金属板の面積は、放熱層用第一金属層１１の２倍以上となるように広く形成され、２枚の放熱層用第一金属層１１が並列に接合されている。
そして、図４（ｄ）に示すように、回路層１０には、はんだ接合される半導体素子の搭載予定位置の直下を除く位置に、封止用のモールド樹脂が食い込み可能なアンカー孔９が形成されている。このアンカー孔９は、図４（ｄ）に示すように、回路層用第二金属層１４を貫通し、回路層用第一金属層１３の少なくとも途中まで到達して形成される

このパワーモジュール用基板７２は、セラミックス基板２０と回路層用第一金属層１３となる金属板１３ａ及び放熱層用第一金属層１１となる金属板１１ａとを接合する第一接合工程、第一接合工程で得られた積層体２３に回路層用第二金属層１４となる金属板１４ａ及び放熱層用第二金属板１２となる金属板１２ａを接合する第二接合工程、回路層１０をエッチングすることにより回路層用第二金属層１４を貫通して回路層用第一金属層１３の少なくとも途中まで到達するアンカー孔９を形成するアンカー孔エッチング工程を経て製造される。以下、これらの工程を説明する。

（第一接合工程）
まず、セラミックス基板２０に回路層用第一金属層１３と放熱層用第一金属層１４とを一体に接合する。具体的には、図４（ａ）に示すように、セラミックス基板２０の一方の面にろう材２２を介して回路層用第一金属層１３となる金属板１３ａを積層し、さらに、他方の面にろう材２２を介して放熱層用第一金属層１１となる金属板１１ａを積層する。ろう材２２は、Ａｌ‐Ｓｉ系等の合金を箔の形態で用いるとよい。
そして、このセラミックス基板２０と回路層用第一金属層１３となる金属板１３ａ及び放熱層用第一金属層１１となる金属板１１ａとを、図４（ａ）に示すようにろう材２２を介して積層した積層体を積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で接合温度に加熱することにより、セラミックス基板２０に回路層用第一金属層１３と放熱層用第一金属層１１とをろう付け接合する。この場合の加圧力としては例えば０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下、接合温度としては６１０℃以上６５０℃以下、加熱時間としては１分以上６０分以下とされる。

（第二接合工程）
図４（ｂ）に示すように、放熱層用第二金属層１２となる金属板１２ａの上面に、第一接合工程で得られた積層体２３を２個並列に並べ、その各々の積層体２３の放熱層用第二金属層１２とは反対側の面に、回路層用第二金属層１４となる金属板１４ａをそれぞれ積層する。
そして、これら放熱層用第二金属層１２と２個の積層体２３と回路層用第二金属層１４とからなる積層体を積層方向に０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下に加圧し、真空雰囲気下で接合温度４００℃以上５４８℃以下に１分以上６０分以下に加熱することにより、第一接合工程で得られた積層体２３と回路層用第二金属層１４及び放熱層用第二金属層１２とを固相拡散接合する。

（アンカー孔エッチング工程）
次に、図４（ｃ）に示すように、回路層１０及び放熱層２１の表面に、エッチング除去部、すなわちアンカー孔形成予定部９０を残してエッチングマスク９１を形成した後、これをエッチング液に浸漬して、回路層１０のエッチングをする。このアンカー孔エッチング工程においては、回路層用第一金属層１３に対するエッチングレートが回路層用第二金属層１４に対するエッチングレートよりも高いエッチング液を用いることにより、回路層用第一金属層１３に、回路層用第二金属層１４に形成されるアンカー孔９の開口部に対して半径方向外方に張り出す部分を形成する。

具体的には、回路層用第一金属層１３に対するエッチングレートが回路層用第二金属層１４に対するエッチングレートよりも高いエッチング液として、塩化第二鉄を主成分とするもの（ＦｅＣｌ_３：４２質量％、５０℃）を用いることができ、このエッチング液に１８分浸漬することにより、図４（ｄ）に示すように、回路層１０にアンカー孔９を形成する。
この塩化第二鉄を主成分とするエッチング液においては、回路層用第二金属層１４を構成する無酸素銅よりも回路層用第一金属層１３を構成する４Ｎアルミニウムの方がエッチングにより腐食され易く、回路層用第一金属層１３のエッチングレートは回路層第二金属層１４のエッチングレートの１．５倍〜４倍速くなる。

このため、エッチングが進行して回路層用第二金属層１４に貫通孔が形成され、回路層用第二金属層１４を介して回路層用第一金属層１３のエッチングが開始されるようになると、回路層用第一金属層１３のエッチングレートが回路層用第二金属層１４のエッチングレートよりも速いため、次第に、回路層用第一金属層１３にアンカー孔９の底部となる開口部に対して半径方向外方に張り出す部分が形成される。
このようにして、回路層１０をエッチングすることにより、回路層用第二金属層１４を貫通して回路層用第一金属層１３の少なくとも途中まで到達するアンカー孔９を形成することができる。
そして、エッチング処理後に酸を用いて残存するエッチング液を洗浄した後、水酸化ナトリウム水溶液等でエッチングマスク９１を剥離することにより、パワーモジュール用基板７２が製造される。

なお、このパワーモジュール用基板７２を用いたパワーモジュールの製造方法は、はんだ付け工程及び樹脂封止工程が、第１実施形態と同じ工程を経て施される。

図５は、第３実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法を示している。
図３に示す第１実施形態、及び図４に示す第２実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法では、アンカー孔エッチング工程により、回路層用第二金属層１４を貫通して回路層用第一金属層１３の途中まで到達するアンカー孔９を形成することとしていたが、図５に示す第３実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法では、アンカー孔エッチング工程の前に、事前エッチング工程を設け、これら二段階のエッチング処理を経ることにより、アンカー孔９を形成する。

図５に示す第３実施形態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７３は、回路層用第一金属層１３を純度９９．９６質量％以上の銅（無酸素銅）や純度９９．９０質量％以上の銅（タフピッチ銅）、三菱伸銅株式会社製のＺＣ合金（Ｃｕ９９．９８質量％‐Ｚｒ０．０２質量％）等とし、回路層用第二金属層１４を純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）とする組合せにより構成される。
このパワーモジュール用基板７３を構成するセラミックス基板２０はＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなり、厚さは０．６３５ｍｍとされる。回路層用第一金属層１３を構成する金属板１３ａは例えば無酸素銅からなり、厚さ０．３ｍｍとされる。そして、回路層用第二金属層１４を構成する金属板１４ａは４Ｎアルミニウムからなり、厚さは０．２ｍｍとされる。

また、放熱層用第一金属層１１を構成する金属板１１ａは、回路層用第一金属層１３と同様に、無酸素銅からなり、厚さは０．３ｍｍとされる。また、放熱層用第二金属層１２を構成する金属板１２ａは、Ａ３００３合金、Ａ６０６３合金等のアルミニウム合金からなり、厚さは０．４ｍｍとされる。この放熱層用第二金属層１２を構成する金属板１２ａの面積は、放熱層用第一金属層１１の２倍以上となるように広く形成され、２枚の放熱層用第一金属層１１が並列に接合されている。
そして、図５（ｅ）に示すように、回路層１０には、はんだ接合される半導体素子の搭載予定位置の直下を除く位置に、封止用のモールド樹脂が食い込み可能なアンカー孔９が形成されている。このアンカー孔９は、回路層用第二金属層１４を貫通し、回路層用第一金属層１３の少なくとも途中まで到達して形成される。

図５に示す第３実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法について詳述する。
（第一接合工程）
まず、セラミックス基板２０に回路層用第一金属層１３と放熱層用第一金属層１４とを一体に接合する。具体的には、図５（ａ）に示すように、ＡｌＮからなるセラミックス基板２０の一方の面にろう材２２を介して回路層用第一金属層１３となる金属板１３ａを積層し、さらに、他方の面にろう材２２を介して放熱層用第一金属層１１となる金属板１１ａを積層する。ろう材２２は、Ａｇ‐Ｃｕ‐Ｔｉ系やＡｇ‐Ｔｉ系等の合金を箔の形態で用いるとよい。
そして、このセラミックス基板２０と回路層用第一金属層１３となる金属板１３ａ及び放熱層用第一金属層１４となる金属板１４ａとをろう材２２を介して積層した積層体を積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下で接合温度に加熱することにより、セラミックス基板２０に回路層用第一金属層１３と放熱層用第一金属層１４とをろう付け接合する。この場合の加圧力としては例えば０．０１ＭＰａ以上０．３５ＭＰａ以下、接合温度としては７９０℃以上８５０℃以下、加熱時間としては５分以上６０分以下とされる。

（第二接合工程）
次に、図５（ｂ）に示すように、第一接合工程で得られた積層体２３の回路層用第一金属層１３と回路層用第二金属層１４、及び放熱層用第一金属層１１と放熱層用第二金属層１２とをそれぞれ接合する。具体的には、放熱層用第二金属層１２となる金属板１２ａの上面に、第一接合工程で得られた積層体２３を２個並列に並べ、その各々の積層体２３の放熱層用第二金属層１２とは反対側の面に回路層用第二金属層１４となる金属板１４ａをそれぞれ積層し、これら放熱層用第二金属層１２と２個の積層体２３と回路層用第二金属層１４とからなる積層体を積層方向に０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下に加圧し、真空雰囲気下で接合温度４００℃以上５４８℃以下に１分以上６０分以下に加熱することにより、第一接合工程で得られた積層体２３と回路層用第二金属層１４及び放熱層用第二金属層１２とを固相拡散接合する。

（事前エッチング工程）
次に、図５（ｃ）に示すように、回路層１０及び放熱層２１の表面に、エッチング除去部、すなわちアンカー孔形成予定部９０を残してエッチングマスク９１を形成する。そして、これを回路層第一金属層１３に対しては高い腐食性を有するが、回路層用第二金属層１４に対する腐食性を殆ど有さないエッチング液に浸漬してエッチングすることにより、図５（ｄ）に示すように、回路層用第二金属層１４貫通する下孔９２を形成する。このようなエッチング液として、塩化第二銅を主成分とするもの（ＣｕＣｌ_２：２１質量％、５０℃）を用いることができ、このエッチング液にエッチングマスク９１を形成した積層体２４を塩化第二銅を１５分浸漬することにより、回路層用第二金属層１４を貫通する下孔９２を形成することができる。

（アンカー孔エッチング工程）
次に、事前エッチング工程において回路層用第二金属層１４を貫通する下孔９２を形成した積層体２６を、回路層用第一金属層１３に対するエッチングレートが回路層用第二金属層１４に対するエッチングレートよりも高いエッチング液に浸漬することにより、回路層用第一金属層１３をエッチングする。このようなエッチング液として、硝酸を主成分とするもの（ＨＮＯ_３：３０質量％、４０℃）を用いることができ、このエッチング液に積層体２６を１０分浸漬することにより、回路層用第二金属層１４に形成された下孔９２を介して回路層用第一金属層１３のエッチングを行い、回路層１０にアンカー孔９を形成することができる。

この硝酸を主成分とするエッチング液においては、回路層用第一金属層１３の無酸素銅に対しては高い腐食性を有するが、回路層用第二金属層１４の４Ｎアルミニウムに対する腐食性を殆ど有さない。したがって、アンカー孔９の開口部側を形成する回路層用第二金属層１４のエッチングレートを低く抑えることでき、アンカー孔９の底部、すなわち回路層用第一金属層１３に、開口部よりも半径方向外方に張り出した部分を容易に形成することができる。したがって、回路層用第二金属層１４を貫通して回路層用第一金属層１３の少なくとも途中まで到達するアンカー孔９を容易に形成することができる。
そして、エッチング処理後に、水酸化ナトリウム水溶液等でエッチングマスク９１を剥離することにより、図５（ｅ）に示すように、パワーモジュール用基板７３が製造される。

なお、このパワーモジュール用基板７３を用いたパワーモジュールの製造方法は、はんだ付け工程及び樹脂封止工程が、第１実施形態と同じ工程を経て施される。

以上の第２実施形態及び第３実施形態で示したパワーモジュール用基板の製造方法においても、第１実施形態と同様に、回路層をエッチングすることによりアンカー孔９を形成することができ、回路層にディンプル加工によりディンプルを形成する場合のように、形状が潰れたり回路層に変形を生じさせることなく、容易にアンカー形状を形成することができる。
そして、このようにして製造されるパワーモジュール用基板７２，７３は、回路層１０に複数のアンカー孔９を有していることで、回路層１０の表面上に半導体素子３０が搭載された後にモールド樹脂８０により樹脂封止がされる際に、そのモールド樹脂８０がアンカー孔９へ入り込み、半導体素子実装面である回路層１０とモールド樹脂８０との密着性を向上させることができる。
また、アンカー孔９を形成する際に、回路層用第一金属層１３（アンカー孔９の底部）に、平面視において回路層用第二金属層１４に形成される開口部よりも半径方向外方に張り出す部分を形成することにより、モールド樹脂８０がアンカー孔９の底部に開口部よりも半径方向外方に張り出したモールド樹脂部分を形成することができるので、モールド樹脂８０が剥がれにくくなり、回路層１０とモールド樹脂８０との良好な密着性を維持することができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、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。

９…アンカー孔
１０…回路層
１１…放熱層用第一金属層
１２…放熱層用第二金属層
１３…回路層用第一金属層
１４…回路層用第二金属層
２０…セラミックス基板
２１…放熱層
３０…半導体素子
５０…リードフレーム
７０，７２，７３…パワーモジュール用基板
８０…モールド樹脂
９１…エッチングマスク
９２…下孔
１００…パワーモジュール
１１０…加圧装置

Claims (3)

1. セラミックス基板の一方の面に積層された回路層と他方の面に積層された放熱層とを備え、前記回路層が前記セラミックス基板に接合される第一金属層と該第一金属層の前記セラミックス基板とは反対の面に接合された第二金属層とを有するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
   前記回路層をエッチングすることにより前記第二金属層を貫通して前記第一金属層の少なくとも途中まで到達する複数のアンカー孔を形成するアンカー孔エッチング工程を有し、
   前記アンカー孔エッチング工程は、前記第一金属層に対するエッチングレートが前記第二金属層に対するエッチングレートよりも高いエッチング液を用いて行われ、
   前記第一金属層に前記第二金属層に形成される前記アンカー孔の開口部に対して半径方向外方に張り出す部分を形成するパワーモジュール用基板の製造方法。
2. 前記アンカー孔エッチング工程の前に、前記第二金属層をエッチングすることにより該第二金属層を貫通する下孔を形成する事前エッチング工程を備え、
   前記アンカー孔エッチング工程は、前記下孔を介して前記第一金属層のエッチングが行われる請求項１に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法により製造された前記パワーモジュール用基板の前記回路層の表面上に半導体素子をはんだ付けするはんだ付け工程と、
   前記パワーモジュール用基板及び前記半導体素子をモールド樹脂により封止する樹脂封止工程とを有するパワーモジュールの製造方法。

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