JP2017139508A - パワーモジュール用基板製造のための接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス基板上にアルミニウム層と銅層とが積層されるパワーモジュール用基板において、各層間を確実に接合し、所望の回路パターンを形成する。【解決手段】絶縁層を形成するセラミックス基板上の所定位置に回路層を形成するアルミニウム板を位置決めして積層載置し前記セラミックス基板に前記アルミニウム板を接合するアルミニウム板接合工程と、前記セラミックス基板上に接合された前記アルミニウム板上の所定位置に前記アルミニウム板よりも小さい回路形状を有し前記回路層を形成する銅板を位置決めして積層載置し銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱し前記アルミニウム板と前記銅板とを固相拡散接合する銅板接合工程と、前記アルミニウム板上に接合された前記銅板上にレジスト層を形成するレジスト形成工程と、前記アルミニウム板における前記銅板が接合されていない周辺部をエッチング処理により除去するエッチング工程とを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法に関する。

各種の半導体素子のうちでも、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子においては、発熱量が大きく、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）などからなるセラミックス基板等の絶縁層上に回路層として導電性の優れた金属板を接合したパワーモジュール用基板に搭載される。

このようなパワーモジュール用基板は、回路層上に半導体素子（パワー素子）がはんだ材を介して搭載されることによりパワーモジュールとされる。この種のパワーモジュール用基板として、セラミックス基板の下面に接合された熱伝導性に優れるヒートシンクによって放熱する構造が知られている。回路層を構成する金属としては、Ａｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）等が用いられている。そして、回路層にレジストを印刷して所定の形状に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ができる。

パワーモジュールにおいては、比較的変形抵抗の小さなアルミニウム板で回路層が構成されることにより、周辺環境の温度変化によるヒートサイクルの負荷に対して、セラミックス基板とアルミニウム回路層との間に生じる熱応力を回路層が吸収できる。しかしながら、アルミニウム回路層に接合された半導体素子の発熱によるパワーサイクルの負荷によって、半導体素子とアルミニウム回路層とを接合するはんだにクラックが生じ、パワーモジュールの信頼性が低下する場合がある。

また、アルミニウムは銅と比較して熱伝導性が低いので、アルミニウム板で構成された回路層は銅で構成された回路層と比較して放熱性が劣る。さらに、アルミニウムは表面に酸化皮膜が形成されるため、そのままでは、アルミニウム回路層と半導体素子とをはんだで良好に接合することは困難である。

一方、回路層が銅板で構成されている場合には、銅は変形抵抗が比較的高いため、半導体素子の発熱によるパワーサイクルの負荷によってセラミックス基板と銅回路層との間に熱応力が生じ、セラミックス基板に割れが発生する場合がある。

特に、近年のパワーモジュールは、小型化・薄肉化が進められるとともに、半導体素子の発熱量が増大し、ヒートサイクルおよびパワーサイクルの条件が厳しくなるなど、その使用環境も厳しくなってきている。このため、アルミニウムで回路層を構成した場合は、放熱性が不足して、パワーサイクルの負荷による信頼性の低下が問題となる。一方、銅で回路層を構成した場合は、熱応力の吸収が不足して、ヒートサイクルの負荷による信頼性の低下が問題となる。

このように、銅で構成された回路層は、パワーサイクルに対する信頼性は高いものの、ヒートサイクルに対する信頼性が低く、アルミニウムで構成された回路層は、ヒートサイクルに対する信頼性は高いものの、パワーサイクルに対する信頼性が低い。

これに対し、例えば特許文献１では、セラミックス基板にアルミニウム層またはアルミニウム合金層と銅層または銅合金層とを順に積層形成することにより、層間整合性を高め、接合を強化した積層構造を提案している。

特開２００３−７８０８６号公報

セラミックス基板にアルミニウム層と銅層とを積層形成する場合、セラミックス基板上にアルミニウム板を接合する工程とセラミックス基板上に接合されたアルミニウム板上に銅板を接合する工程とを別々に行う方法、セラミックス基板上にアルミニウム板および銅板を重ねて同時に接合する方法、アルミニウム層と銅層との圧延クラッド材をセラミックス基板に接合する方法などが特許文献１に提案されている。

しかしながら、圧延クラッド材をセラミックス基板に接合する場合、ろう付の高温によってアルミニウム層と銅層との接合界面に液相が生じ、この部分の接合強度が低下するという問題がある。このため、圧延クラッド材を用いずにセラミックス基板上にアルミニウム層および銅層を順次形成する方法が望ましい。

一方、アルミニウム層と銅層をそれぞれ別の積層工程により接合する場合には、各積層工程において生じる各位置ずれやエッチング工程において生じる寸法誤差などが累積して、アルミニウム層と銅層との形状を一致させる作業性が悪く、未接合部分が生じたり位置精度が悪化したりするなどにより熱的性能が低下し、所望の性能を得られないおそれがある。アルミニウム層と銅層とを確実に接合するためには、寸法誤差を考慮してアルミニウム層を大きめに形成しておいて銅層を接合する方法が考えられるが、この場合、得られる基板のアルミニウム層が大きくなるため、基板の小型化が阻害されるという問題が生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、絶縁層上に複数の金属層が積層されるパワーモジュール用基板において、所望の回路パターンを確実に形成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。

本発明は、絶縁層とこの絶縁層の一方の面に形成された回路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、絶縁層を形成するセラミックス基板の一方の面上の所定位置に、回路層を形成する所定の大きさのアルミニウム板を位置決めして積層載置し、前記セラミックス基板に前記アルミニウム板を接合するアルミニウム板接合工程と、前記セラミックス基板上に接合された前記アルミニウム板上の所定位置に、前記アルミニウム板よりも小さい回路形状を有し前記回路層を形成する銅板を位置決めして積層載置し、銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱し前記アルミニウム板と前記銅板とを固相拡散接合する銅板接合工程と、前記アルミニウム板上に接合された前記銅板上にレジスト層を形成するレジスト形成工程と、前記アルミニウム板における前記銅板が接合されていない周辺部をエッチング処理により除去するエッチング工程とを有する。

この製造方法によれば、回路形状よりも大きなアルミニウム板に銅板を接合するので、アルミニウム板に対する銅板の位置決めが容易であるとともに、アルミニウム板と銅板との間に未接合部分が生じず、接合面積を確保することにより放熱性を向上させることができる。また、アルミニウム板と銅板とが固相拡散によって強固に接合されるので、熱応力による剥離が抑制され、ヒートサイクルおよびパワーサイクルによる負荷に対する信頼性の高いパワーモジュール用基板を実現できる。

そして、このように製造されたパワーモジュール用基板は、熱伝導率の高い銅板上に半導体素子が搭載されることにより、半導体素子から発生する熱を銅板で面方向に広げて放散させ、パワーモジュール用基板に対するパワーサイクルによる負荷を緩和させることができるとともに、セラミックス基板と銅板との間に変形抵抗の小さいアルミニウム板が備えられることにより、セラミックス基板と銅板との熱膨張係数の差に起因する熱応力をアルミニウム板で吸収させ、パワーモジュール用基板に対するヒートサイクルによる負荷を緩和させることができる。

この製造方法において、前記エッチング工程においてＦｅＣｌ_３溶液をエッチング液として用い、前記アルミニウム板の前記周辺部を除去してもよい。

また、この製造方法において、前記銅板を複数の回路パターン部とこの回路パターン部を接続するブリッジ部とで構成し、前記ブリッジ部の厚さを前記回路パターン部よりも小さくするとともに、前記ブリッジ部の下面を前記回路パターン部の下面から凹ませておき、前記レジスト形成工程において、前記レジスト層を前記回路パターン部上に形成し、前記エッチング工程において、ＦｅＣｌ_３溶液をエッチング液として用い、前記アルミニウム板の前記周辺部を除去する間に前記銅板の前記ブリッジ部を除去してもよい。この場合、複数の回路パターンをブリッジ部により接続しているので、複数の回路パターンを一度にアルミニウム板に位置合わせして積層することが可能である。また、除去すべきアルミニウムの体積に応じてブリッジ部の厚さやエッチング時間等を適切に調整することによって、複数種の薬液を使用する必要がなく、アルミニウム板の周辺部が除去されるまでの間にブリッジ部も適切に除去することが可能となる。

あるいは、前記銅板を複数の回路パターン部とこの回路パターン部を接続するブリッジ部とで構成し、前記エッチング工程において、ＨＮＯ_３溶液をエッチング液として用いて、前記銅板の前記ブリッジ部を除去した後、ＦｅＣｌ_３溶液をエッチング液として用いて前記アルミニウム板の前記周辺部を除去してもよい。この場合、銅のみを除去するＨＮＯ_３溶液によってブリッジ部を確実に除去した後にＦｅＣｌ_３溶液によってアルミニウム板の周辺部を除去するので、エッチング時間やブリッジ部の厚さ等の設定が容易である。

さらに、この製造方法では、前記アルミニウム板接合工程において、前記セラミックス基板の他方の面上の所定位置に、放熱層を形成する所定の大きさの放熱用アルミニウム板を位置決めして積層載置し、この放熱用アルミニウム板を前記アルミニウム板とともに前記セラミックス基板に接合し、前記銅板接合工程において、前記セラミックス基板上に接合された前記放熱用アルミニウム板上の所定位置に、前記放熱用アルミニウム板よりも小さい所望の形状を有する放熱用銅板を位置決めして積層載置し、前記放熱用アルミニウム板と前記放熱用銅板とを固相拡散接合することにより、前記絶縁層の他方の面に、前記放熱用アルミニウム板および前記放熱用銅板が積層されてなる放熱層を形成してもよい。

この場合、放熱層の表面が銅であり、アルミニウム製のヒートシンクを比較的低温のはんだ付けにより接合できるので、各層間の接合強度を低下させるおそれがない。また、銅板接合工程において、放熱用銅板上にさらにアルミニウム製のヒートシンクを積層して加熱処理することにより、放熱用アルミニウム板と放熱用銅板とを固相拡散接合するとともに、放熱用銅板とヒートシンクとを固相拡散接合することも可能である。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板上にアルミニウム層と銅層とが積層されるパワーモジュール用基板において、各層間を確実に接合し、所望の回路パターンを形成することができる。これにより、パワーモジュール用基板を小型化できるとともに、放熱性を向上させることができる。

本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法により製造されたパワーモジュール用基板にヒートシンクおよび半導体素子が接合されてなるパワーモジュールを示す側面図である。 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態におけるアルミニウム板接合工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態における銅板接合工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態におけるレジスト形成工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態におけるエッチング工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法による他の実施形態に係るパワーモジュール用基板に半導体素子が接合されてなるパワーモジュールを示す側面図である。 パワーモジュール用基板の製造における銅とアルミニウムとの固相拡散接合の状態を示す断面図である。 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の第２実施形態におけるアルミニウム板接合工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の第２実施形態における銅板接合工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の第２実施形態におけるレジスト形成工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の第２実施形態におけるエッチング工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の第２実施形態によって製造されたパワーモジュール用基板を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。

以下、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の実施形態について説明する。図１に、本発明に係る製造方法により製造されたパワーモジュール用基板１０に半導体素子１２およびヒートシンク１４が接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール１６を示す。

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板２０と、セラミックス基板２０の一方の面（表面）２０ａに接合されたアルミニウム板２２と、このアルミニウム板２２に接合された銅板２４と、セラミック基板２０の他方の面（裏面）２０ｂに接合された放熱用アルミニウム板２６と、この放熱用アルミニウム板２６に接合された放熱用銅板２８とを有する。

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板２０にアルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６を接合するアルミニウム板接合工程（図２）と、アルミニウム板２２と銅板２４および放熱用アルミニウム板２６と放熱用銅板２８とを接合する銅板接合工程（図３）と、銅板２４上および放熱用銅板２８上にレジスト層３０を形成するレジスト形成工程（図４）と、アルミニウム板２２における銅板２４が接合されていない周辺部２２ａおよび放熱用アルミニウム板２６における放熱用銅板２８が接合されていない周辺部２６ａをエッチング処理により除去するエッチング工程（図５）とを行うことにより製造される。

より具体的には、まず、図２に示すアルミニウム板接合工程において、絶縁層を形成するセラミックス基板２０の表面２０ａ，裏面２０ｂ上の所定位置に、回路層を形成する所定の大きさのアルミニウム板２２およびヒートシンク１４が接合される放熱用アルミニウム板２６を位置決めして積層載置し、アルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６とセラミックス基板２０とを接合する。セラミックス基板２０に対するアルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６の位置決めは、例えばセラミックス基板２０の２辺を基準とすることができる。

セラミックス基板２０は、回路層を形成するアルミニウム板２２と放熱用アルミニウム板２６との間の電気的接続を防止する絶縁材であって、例えばＡｌＮ（窒化アルミ），ＡｌＯ_３，Ｓｉ_３Ｎ_４等で形成され、その板厚は０．２ｍｍ〜１．５ｍｍである。アルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６は例えば純度９９．９９％以上、板厚０．１ｍｍ〜１．０ｍｍのアルミニウム圧延板である。これらのアルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６とセラミックス基板２０とを、例えばＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて６４０℃〜６５０℃でろう付する。

次に、図３に示す銅板接合工程において、セラミックス基板２０の表面２０ａ上に接合されたアルミニウム板２２上の所定位置に、アルミニウム板２２よりも小さい所望の回路形状を有しアルミニウム板２２とともに回路層を形成する銅板２４を位置決めして積層載置する。同様に、セラミックス基板２２の裏面２０ｂ上に接合された放熱用アルミニウム板２６上の所定位置に、放熱用アルミニウム板２６よりも小さい所望の形状を有し放熱用アルミニウム板２６とともに放熱層を形成する放熱用銅板２８を位置決めして積層載置する。そして、銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱し、銅板２４とアルミニウム板２２、および放熱用銅板２８と放熱用アルミニウム板２６とをそれぞれ固相拡散接合する。

銅板２４，放熱用銅板２８は、例えばセラミックス基板２０の２辺や、セラミックス基板２０に接合されたアルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６の２辺などを基準として位置決めすることができるが、いずれの場合もアルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６からはみ出さない状態とする。また、各部材の接合面は、固相拡散接合処理前に予め傷が除去されて平滑にされている。

銅板２４，放熱用銅板２８は、例えば０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の厚さを有する無酸素銅の圧延板であり、セラミックス基板２０の表裏面に対して３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下で加圧保持され、４００℃以上５４８℃未満の加熱温度を５分以上２４０分以下保持する真空加熱により、アルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６に固相拡散接合される。なお、この銅板接合工程において、図３に２点鎖線で示すように、放熱用銅板２８に対してさらにアルミニウムまたはアルミニウム合金製のヒートシンク１４も同時に固相拡散接合してもよい。

銅板２４の板厚を０．１ｍｍ以上とすることにより、半導体素子１２からの熱を銅層２４で拡げて熱をより効率的に伝達し、パワーサイクル負荷時の初期の熱抵抗を低減することができるので、パワーサイクルに対する信頼性をより高くすることができる。また、銅板２４の板厚を６．０ｍｍ以下とすることにより、回路層の剛性を低減させ、ヒートサイクル負荷時においてセラミックス基板２０に割れが生じることを抑制できる。

固相拡散のための真空加熱における加熱温度は、アルミニウム板２２を構成する金属（Ａｌ）と銅板２４を構成する金属（Ｃｕ）、放熱用アルミニウム板２６を構成する金属（Ａｌ）と放熱用銅板２８を構成する金属（Ｃｕ）、ヒートシンク１４も同時に接合する場合には放熱用銅板２８を構成する金属（Ｃｕ）とヒートシンク１４を構成する金属（例えば、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）の共晶温度のうち、最も低い共晶温度（共晶温度含まず）から共晶温度−５℃の範囲が好ましい。

ここで、アルミニウム（アルミニウム板２２、放熱用アルミニウム板２６、ヒートシンク１４）と銅（銅板２４、放熱用銅板２８）との間における固相拡散接合について、アルミニウム板２２と銅板２４との接合を例として図７を参照して説明する。アルミニウム板２２と銅板２４とは、アルミニウム板２２のアルミニウム原子と銅板２４の銅原子とが相互拡散することによって、拡散層４０を形成して接合される。この拡散層４０においては、アルミニウム板２２から銅板２４に向かうにしたがい、漸次アルミニウム原子の濃度が低くなり、かつ銅原子の濃度が高くなる濃度勾配を有する。

拡散層４０は、ＣｕとＡｌとからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では図７に示すように、複数の金属間化合物が界面に沿って積層された構成となっている。拡散層４０は、厚さｔの平均が１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定され、アルミニウム板２２側から銅板２４側に向けて順にθ相４１、η２相４２、ζ２相４３の３種の金属間化合物が積層されている。

なお、この拡散層は、アルミニウム板２２側から銅板２４側に向けて順に、接合界面に沿って、θ相、η２相が積層し、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層した構造とされていても良い。

さらに、銅板２４と固相拡散接合により形成された拡散層４０との界面に沿って、酸化物４４が層状に分散している。本実施形態においては、この酸化物４４はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアルミニウム酸化物である。酸化物４４は、拡散層４０と銅板２４との界面に分断された状態で分散しており、拡散層４０と銅板２４とが直接接触している領域も存在する。なお、銅板２４と拡散層４０の界面に沿って、酸化物４４が拡散層４０の内部に層状に分散している構成とされても良い。なお、本実施形態では、銅板２４の平均結晶粒径は５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内、アルミニウム板２２の平均結晶粒径は５００μｍ以上である。

次に、図４に示すレジスト形成工程において、アルミニウム板２２上に接合された銅板２４上および放熱用アルミニウム板２６上に接合された放熱用銅板２８にレジスト層３０を形成する。レジスト層３０は、例えばレジストインキを銅板２４，放熱用銅板２８の各表面にスクリーン印刷することにより形成される。

次に、図５に示すように、エッチング工程において、アルミニウム板２２における銅板２４が接合されていない周辺部２２ａ、および放熱用アルミニウム板２６における放熱用銅板２８が接合されていない周辺部２６ａをエッチング処理により除去した後、レジスト層３０を除去する。エッチング液としては、例えばアルミニウムに対して十分なエッチング性を有するＦｅＣｌ_３溶液を用いることができる。

アルミニウム板２２よりも小さい銅板２４の裏面全面がアルミニウム板２２の表面に固相拡散接合されているとともに、放熱用アルミニウム板２６よりも小さい放熱用銅板２８の裏面全面が放熱用アルミニウム板２６の表面に固相拡散接合されているので、このエッチング工程において銅板２４を超えたアルミニウム板２２の周辺部２２ａおよび放熱用銅板２８を超えた放熱用アルミニウム板２６の周辺部２６ａをエッチングで除去することにより、アルミニウム板２２と銅板２４、および放熱用アルミニウム板２６と放熱用銅板２８とが一致した形状で、セラミックス基板２０の表裏面上にそれぞれ積層接合された状態となる。

以上説明したように、本実施形態に係る製造方法によれば、セラミックス基板２０の表面２０ａ上に接合したアルミニウム板２２よりも小さな銅板２４を固相拡散接合により強固にアルミニウム板２２に接合した後に、銅板２４からはみ出したアルミニウム板２２の周辺部２２ａをエッチングにより除去するので、銅層とアルミニウム層とが確実に接合されたパワーモジュール用基板１０を得ることができる。

また、このように製造されたパワーモジュール用基板１０においては、アルミニウム板２２中のＡｌが銅板２４側へ、銅板２４中のＣｕがアルミニウム板２２側へと十分に相互拡散し、アルミニウム板２２と銅板２４との間に、ＣｕとＡｌの拡散層４０が形成されている。したがって、アルミニウム板２２と銅板２４とが確実に固相拡散接合され、接合強度を確保することができる。

また、銅板２４と拡散層４０との界面に沿って酸化物４４が層状に分散しているので、アルミニウム板２２に形成された酸化膜が確実に破壊され、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行していることになり、銅板２４と拡散層４０とが確実に接合されている。

さらに、拡散層４０において、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層されるので、脆い金属間化合物が大きく成長してしまうことが抑制されている。また、銅板２４中のＣｕとアルミニウム板２２中のＡｌとが相互拡散することにより、銅板２４側からアルミニウム板２２側に向けてそれぞれの組成に適した金属間化合物が層状に形成されるので、接合界面の特性を安定させることができる。具体的には、拡散層４０は、アルミニウム板２２側から銅板２４側に向けて順に、θ相４１、η２相４２、ζ２相４３の３種の金属間化合物が積層又はθ相、η２相が積層し、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層しているので、拡散層４０内部における体積変動が小さく、内部歪みが抑えられる。

また、アルミニウム板２２および銅板２４の平均結晶粒径が比較的大きく、アルミニウム板２２の平均結晶粒径が５００μｍ以上、銅板２４の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内に設定されている。これにより、アルミニウム板２２および銅板２４に過剰な歪み等が蓄積されず、疲労特性が向上する。したがって、ヒートサイクル負荷において、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク１４との間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。

さらに、拡散層４０の平均厚さｔが１μｍ以上８０μｍ以下、好ましくは５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内であることにより、ＣｕとＡｌとの相互拡散が十分に進行しており、アルミニウム板２２と銅板２４とを強固に接合できるとともに、アルミニウム板２２および銅板２４に比べて脆い金属間化合物が必要以上に成長することが抑えられ、接合界面の特性が安定する。

図８〜図１２に、本発明の第２実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０の製造方法を示す。この実施形態では、図９に示すように、複数の回路パターン部１２４Ａとこれらの回路パターン部１２４Ａを接続するブリッジ部１２４Ｂとで構成した銅板１２４を用いる。

この実施形態においても、パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板２０にアルミニウム板１２２，１２６を接合するアルミニウム板接合工程（図８）と、アルミニウム板１２２と銅板１２４とを接合する銅板接合工程（図９）と、銅板１２４の各回路パターン部１２４Ａ上にレジスト層１３０を形成するレジスト形成工程（図１０）と、アルミニウム板１２２における銅板１２４が接合されていない周辺部１２２ａをエッチング処理により除去するエッチング工程（図１１）と、銅板１２４上のレジスト層１３０を除去するレジスト除去工程（図１２）とを行うことにより製造される。

図８に示すアルミニウム板接合工程において、絶縁層を形成するセラミックス基板２０の表裏面２０ａ，２０ｂ上の各所定位置に、回路層を形成する所定の大きさのアルミニウム板１２２および放熱用アルミニウム板１２６を位置決めして積層載置し、アルミニウム板１２２，放熱用アルミニウム板１２６とセラミックス基板２０とを接合する。セラミックス基板２０に対するアルミニウム板１２２，放熱用アルミニウム板１２６の位置決めは、例えばセラミックス基板２０の２辺を基準とすることができる。

セラミックス基板２０は、回路層を形成するアルミニウム板１２２と放熱用アルミニウム板１２６との間の電気的接続を防止する絶縁材であって、例えばＡｌＮ（窒化アルミ），Ａｉ_２Ｏ_３，Ｓｉ_３Ｎ_４等で形成され、その厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍである。アルミニウム板１２２，放熱用アルミニウム板１２６は例えば純度９９．９９％以上、板厚０．１ｍｍ〜１．０ｍｍのアルミニウム圧延板である。これらのアルミニウム板１２２，放熱用アルミニウム板１２６とセラミックス基板２０とを、例えばＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて６４０℃〜６５０℃でろう付する。

図９に示す銅板接合工程において、セラミックス基板１２２上に接合されたアルミニウム板１２２上の所定位置に、アルミニウム板１２２よりも小さい銅板１２４を位置決めして積層載置し、銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱し固相拡散接合する。この銅板１２４は、ブリッジ部１２４Ｂによって複数の回路パターン部１２４Ａが接続された形状であるので、各回路パターン部１２４Ａをそれぞれ位置決めする作業は不要である。固相拡散接合については、前記実施形態と同様であるのでここでは説明を省略する。

本実施形態において、銅板１２４は、ブリッジ部１２４Ｂの厚さを回路パターン部１２４Ａよりも小さくするとともに、ブリッジ部１２４Ｂの下面を回路パターン部１２４Ａの下面から凹ませておく。つまり、銅板１２４の各回路パターン部１２４Ａがアルミニウム板１２２に接合された状態において、各ブリッジ部１２４Ｂはアルミニウム板１２２の上面から離間し、浮いた状態となっている。さらに、図示例のブリッジ部１２４Ｂは、上面も回路パターン部１２４Ｂの上面から凹んでいる。この銅板１２４において、回路パターン部１２４Ａの厚さは０．１ｍｍ〜６ｍｍ、ブリッジ部１２４Ｂの厚さは０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度が好ましい。

銅板１２４は、回路パターン部１２４Ａがセラミックス基板２０の表面２０ａに対して３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下で加圧保持され、４００℃以上５４８℃未満の加熱温度を５分以上２４０分以下保持する真空加熱により、アルミニウム板１２２に固相拡散接合される。

次に、図１０に示すレジスト形成工程において、アルミニウム板１２２上に接合された銅板１２４の各回路パターン部１２４Ａ上に、レジスト層１３０を形成する。図１０（ａ）において、レジスト層１３０をハッチングで示す。レジスト層１３０は、例えばレジストインキを銅板１２４の各回路パターン部１２４Ａの上面にスクリーン印刷することにより形成される。このとき、回路パターン部１２４Ａから１段凹んで設けられた各ブリッジ部１２４Ｂ上には、レジスト層１３０は形成されない。

次に、図１１に示すエッチング工程において、ＦｅＣｌ_３溶液をエッチング液として用い、アルミニウム板１２２の周辺部１２２ａを除去する間に、銅板１２４のブリッジ部１２４Ｂを除去する。図１１において、除去される周辺部１２２ａおよびブリッジ部１２４Ｂをハッチングおよび２点鎖線で示す。

ＦｅＣｌ_３溶液の銅に対するエッチング性は、アルミニウムに対するエッチング性に比較すると弱いが、アルミニウム板１２２の厚さ（０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ）に対して銅板１２４のブリッジ部１２４Ｂの厚さ（０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ）が小さく、またブリッジ部１２４Ｂの上下面がエッチング液に触れるようにセラミックス基板２０から離間して設けられているため、ＦｅＣｌ_３溶液によってアルミニウム板１２２の周辺部１２２ａが除去される間にブリッジ部１２４Ｂを除去することができる。

アルミニウム板１２２よりも小さい各回路パターン部１２４Ａの裏面がアルミニウム板１２２の表面に固相拡散接合されているので、このエッチング工程において回路パターン部１２４Ａを超えたアルミニウム板１２２の周辺部１２２ａをエッチングで除去することにより、アルミニウム板１２２と各回路パターン部１２４Ａとが一致した形状でセラミックス基板２０上に積層接合された状態となる。

そして、レジスト層１３０を除去することにより、図１２に示すように、複数の回路パターン部１２４Ａがアルミニウム板１２２を介して１枚のセラミックス基板２０に対して確実に接合されたパワーモジュール用基板１１０を得ることができる。この実施形態によれば、回路パターン部１２４Ａが複数であっても位置決めが容易であり、またエッチング液が１種類で足りるので簡易な設備や工程による製造が可能である。

なお、ブリッジ部１２４Ｂによって複数の回路パターン部１２４Ａが接続された銅板１２４を用いる場合、エッチング工程においてＨＮＯ_３溶液をエッチング液として用いて銅板１２４の各ブリッジ部１２４Ｂを除去した後、ＦｅＣｌ_３溶液をエッチング液として用いてアルミニウム板１２２の周辺部１２２ａを除去してもよい。

この場合は、回路パターン部１２４Ａとブリッジ部１２４Ｂとの厚さの差は必要なく、ブリッジ部１２４Ｂの下面がアルミニウム板１２２に接していてもよい。また、ブリッジ部１２４Ｂの上面は回路パターン部１２４Ｂの上面から凹んでいなくてもよいが、レジスト層１３０は回路パターン部１２４Ａの上面にのみ形成され、ブリッジ部１２４Ｂ上には形成されない。

また、本発明の他の実施形態として図６に示すように、放熱用銅板２９が放熱用アルミニウム板２６よりも大きい構成のパワーモジュール用基板１１を製造し、これに半導体素子１２を接合してなるパワーモジュール１７を製造することもできる。この場合、銅板接合工程後のエッチング工程において、裏面の放熱用銅板２９はエッチングしない。さらに、放熱用銅板を設けない構成とすることもできる。

なお、上記実施形態では、純度９９．９９％のアルミニウム板を用いたが、これに限らず、純度９９％又は純度９９．９％のアルミニウム板やアルミニウム合金からなる板を用いることもできる。また、無酸素銅からなる銅板を用いたが、これに限らず、他の純銅からなる銅板又は銅合金からなる銅板を用いることもできる。

（実施例１）
アルミニウム板接合工程として、絶縁層を形成するセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、板厚０．６３５ｍｍのＡｌＮ）の表裏面の所定位置に、アルミニウム板（３８ｍｍ×３８ｍｍ、板厚０．２５ｍｍの４Ｎ−Ａｌ）を位置決めして積層載置し、Ａｌ−Ｓｉろう箔（厚さ１４μｍ）を介し、積層方向に０．３ＭＰａの圧力を加え、温度６４０℃で４０分加熱して接合した。

銅板接合工程として、セラミックス基板上に接合された一方のアルミニウム板の所定位置に、回路層を形成する銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、板厚０．３ｍｍ、無酸素銅）を位置決めして積層載置し、積層方向に１ＭＰａの圧力を加え、温度５４０℃で９０分加熱し、固相拡散接合した。なお、加熱は真空加熱炉内で１×１０^−２Ｐａで行った。

レジスト形成工程として、アルミニウム板上に接合された銅板上に、回路寸法３７ｍｍ×３７ｍｍのレジスト層を印刷により形成した。レジストとしては太陽インキ製造株式会社製Ｘ−８７（商品名）を用いた。そして、エッチング工程として、ＦｅＣｌ_３溶液をエッチング液として用い、アルミニウム板における銅板が接合されていない周辺部をエッチングにより除去した。この結果、セラミックス基板に対して寸法精度の優れた回路パターンを確保できた。

（実施例２）
実施例１と同じ方法により、セラミック基板の表裏面に板厚０．２５ｍｍのアルミニウム板を接合し、接合されたアルミニウム板に対して、回路パターン部の板厚０．３ｍｍ、ブリッジ部の板厚０．１５ｍｍの銅板を実施例１と同様の方法で固相拡散接合して、ＦｅＣｌ_３溶液でエッチング工程を行ったところ、９分間で銅板のブリッジ部およびアルミニウム板の周辺部を除去することにより、セラミックス基板に対して寸法精度の優れた回路パターンを確保できた。

（実施例３）
実施例１と同じ方法により、セラミック基板の表裏面に板厚０．２５ｍｍのアルミニウム板を接合し、接合されたアルミニウム板に対して、回路パターン部の板厚０．３ｍｍ、ブリッジ部の板厚０．１５ｍｍの銅板を接合して、ＨＮＯ_３溶液でまずブリッジ部を除去した後、ＦｅＣｌ_３溶液でエッチング工程を行ったところ、７分間でアルミニウム板の周辺部を除去でき、セラミックス基板に対して寸法精度の優れた回路パターンを確保できた。

以上説明したように、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板上に複数の金属層が積層されるパワーモジュール用基板において、各層間を確実に接合できるとともに、所望の回路パターンを高い寸法精度で確実に形成できるので、搭載された半導体素子からの放熱性を向上させ、パワーモジュール用基板の小型が実現できる。

なお、本発明は前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。例えば放熱層は、銅板を含む構成と、銅板を含まずアルミニウム板のみで形成する構成と、いずれの形態であってもよい。

１０，１１ パワーモジュール用基板
１２ 半導体素子
１４ ヒートシンク
１６ ヒートシンク付パワーモジュール
１７ パワーモジュール
２０ セラミックス基板（絶縁層）
２０ａ 一方の面（表面）
２０ｂ 他方の面（裏面）
２２ アルミニウム板（回路層）
２２ａ 周辺部
２４ 銅板（回路層）
２６ 放熱用アルミニウム板（放熱層）
２６ａ 周辺部
２８，２９ 放熱用銅板（放熱層）
３０ レジスト層
４０ 拡散層
４１ θ相
４２ η２相
４３ ζ２相
４４ 酸化物
１１０ パワーモジュール用基板
１２２ アルミニウム板（回路層）
１２２ａ 周辺部
１２４ 銅板（回路層）
１２４Ａ 回路パターン部
１２４Ｂ ブリッジ部
１２６ アルミニウム板（放熱層）
１３０ レジスト層

本発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板製造のための接合体に関する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、絶縁層上に複数の金属層が積層されるパワーモジュール用基板を製造するための接合体であって、所望の回路パターンを確実に形成できるパワーモジュール用基板製造のための接合体を提供することを目的とする。

本発明は、絶縁層とこの絶縁層の一方の面に形成された回路層とを有するパワーモジュール用基板を製造するための接合体であって、絶縁層を形成するセラミックス基板の一方の面上の所定位置に、回路層を形成する所定の大きさのアルミニウム板が接合され、前記セラミックス基板上に接合された前記アルミニウム板上の所定位置に、前記アルミニウム板よりも小さい回路形状を有し前記回路層を形成する銅板が接合されてなり、前記銅板は、複数の回路パターン部とこれらの回路パターン部を接続するブリッジ部とで構成され、前記ブリッジ部の厚さが前記回路パターン部よりも小さく形成されるとともに、前記ブリッジ部の下面が前記回路パターン部の下面から凹ませられている。
この接合体において、前記ブリッジ部の上面が前記回路パターン部の上面から凹んでいることとしてもよい。
この接合体は、後述の実施形態では図９に示す構造のものが相当する。
さらに、前記回路パターン部の上にレジスト層が形成されていることとしてもよい。この接合体は、後述の実施形態では図１０に示す構造のものが相当する。
なお、パワーモジュール用基板の製造方法としては、絶縁層を形成するセラミックス基板の一方の面上の所定位置に、回路層を形成する所定の大きさのアルミニウム板を位置決めして積層載置し、前記セラミックス基板に前記アルミニウム板を接合するアルミニウム板接合工程と、前記セラミックス基板上に接合された前記アルミニウム板上の所定位置に、前記アルミニウム板よりも小さい回路形状を有し前記回路層を形成する銅板を位置決めして積層載置し、銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱し前記アルミニウム板と前記銅板とを固相拡散接合する銅板接合工程と、前記アルミニウム板上に接合された前記銅板上にレジスト層を形成するレジスト形成工程と、前記アルミニウム板における前記銅板が接合されていない周辺部をエッチング処理により除去するエッチング工程とを有する。

本発明によれば、セラミックス基板上にアルミニウム層と銅層とが積層されるパワーモジュール用基板において、各層間を確実に接合し、所望の回路パターンを形成することができる。これにより、パワーモジュール用基板を小型化できるとともに、放熱性を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１に、本発明に係る製造方法により製造されたパワーモジュール用基板１０に半導体素子１２およびヒートシンク１４が接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール１６を示す。

Claims (4)

1. 絶縁層とこの絶縁層の一方の面に形成された回路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、
   絶縁層を形成するセラミックス基板の一方の面上の所定位置に、回路層を形成する所定の大きさのアルミニウム板を位置決めして積層載置し、前記セラミックス基板に前記アルミニウム板を接合するアルミニウム板接合工程と、
   前記セラミックス基板上に接合された前記アルミニウム板上の所定位置に、前記アルミニウム板よりも小さい回路形状を有し前記回路層を形成する銅板を位置決めして積層載置し、銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱し前記アルミニウム板と前記銅板とを固相拡散接合する銅板接合工程と、
   前記アルミニウム板上に接合された前記銅板上にレジスト層を形成するレジスト形成工程と、
   前記アルミニウム板における前記銅板が接合されていない周辺部をエッチング処理により除去するエッチング工程とを有することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
2. 前記銅板を複数の回路パターン部とこれらの回路パターン部を接続するブリッジ部とで構成し、前記ブリッジ部の厚さを前記回路パターン部よりも小さくするとともに、前記ブリッジ部の下面を前記回路パターン部の下面から凹ませておき、
   前記レジスト形成工程において、前記レジスト層を前記回路パターン部上に形成し、
   前記エッチング工程において、ＦｅＣｌ_３溶液をエッチング液として用い、前記アルミニウム板の前記周辺部を除去する間に前記銅板の前記ブリッジ部を除去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。
3. 前記銅板を、複数の回路パターン部とこの回路パターン部を接続するブリッジ部とで構成し、
   前記エッチング工程において、ＨＮＯ_３溶液をエッチング液として用いて前記銅板の前記ブリッジ部を除去した後、ＦｅＣｌ_３溶液をエッチング液として用いて前記アルミニウム板の前記周辺部を除去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。
4. 前記アルミニウム板接合工程において、前記セラミックス基板の他方の面上の所定位置に、放熱層を形成する所定の大きさの放熱用アルミニウム板を位置決めして積層載置し、この放熱用アルミニウム板を前記アルミニウム板とともに前記セラミックス基板に接合し、
   前記銅板接合工程において、前記セラミックス基板上に接合された前記放熱用アルミニウム板上の所定位置に、前記放熱用アルミニウム板よりも小さい所望の形状を有する放熱用銅板を位置決めして積層載置し、前記放熱用アルミニウム板と前記放熱用銅板とを固相拡散接合することにより、
   前記絶縁層の他方の面に、前記放熱用アルミニウム板および前記放熱用銅板が積層されてなる放熱層を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の製造方法。

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