JP4049487B2 - 回路基板の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール等に使用される回路基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール等に利用される半導体装置においては、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の表裏面に、Ｃｕ又はＡｌの回路と放熱板とがそれぞれ形成されてなる回路基板が用いられている。このような回路基板は、樹脂基板と金属基板との複合基板ないしは樹脂基板よりも、高絶縁性が安定して得られることが特長である。
【０００３】
回路及び放熱板の材質が、ＣｕよりもＡｌとする利点は、Ｃｕでは、セラミックス基板や半田との熱膨張差に起因する熱応力の発生が避けられないので、長期的な信頼性が不十分であるのに対し、Ａｌは、熱伝導性や電気伝導性ではややＣｕよりも劣るが、熱応力を受けても容易に塑性変形するので、応力が緩和され、信頼性が飛躍的に向上することである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ａｌの上記塑性変形は、Ａｌの種類によって著しく異なる。特に、塑性変形が、回路又は放熱板の一部に集中して発生すると、メッキやボンディングワイヤの剥離が生じるようになる。これを避けるため、硬度の高いＡｌを用いると、当然応力緩和効果が低下してしまう。従って、応力緩和効果を十分に維持しながら、回路及び放熱板として支障なく使用できる程度に塑性変形させるという二律背反を達成しなければならない課題がある。
【０００５】
この課題を解決するため、従来、メッキ組成(特開平８−２６０１８７号公報)、セラミックス基板の表面改質(特開平８−２６０１８６号公報)、Ａｌ板の粒径規定(特開平８−１５６３３０号公報)等、多くの提案があるが、十分に満足できるものではなかった。すなわち、半田やセラミックス基板にクラックが発生したり、ボンディングワイヤやメッキが剥離することがしばしばあった。
【０００６】
本発明者は、上記に鑑みて種々検討した結果、数多くあるＡｌ材料の中から、熱応力による塑性変形を比較的均一に生じさせやすいＡｌ材料を見いだすと共に、セラミックス基板を特定の助剤相を持つ窒化アルミニウム基板とし、しかも両者を特定成分の接合材を用いて接合すれば、上記課題を高度に解決できることを見いだし、本発明を完成させたものである。
【０００７】
本発明の目的は、半田やセラミックス基板へのクラックの発生のみならず、ボンディングワイヤやメッキの剥離をも著しく防止した高信頼性の回路基板を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、窒化アルミニウム基板の表裏面に、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金箔の接合材を介してＡｌ板を配置し、それを加熱処理して接合体を製造してからエッチングを行い、窒化アルミニウム基板の一方の面にＡｌ回路、他方の面にＡｌ放熱板を形成させる方法であって、上記Ａｌ板が、厚み０．２ｍｍ以上、圧延率１０％以上、かつ冷間加工後に軟化熱処理が施こされていない圧延Ａｌ板であり、また上記窒化アルミニウム基板が、Ｘ線回折ピーク強度比で、３Ｙ₂Ｏ₃・５Ａｌ₂Ｏ₃×１００／ＡｌＮ≦３、かつ２Ｙ₂Ｏ₃・Ａｌ₂Ｏ₃×１００／ＡｌＮ≦１であることを特徴とする回路基板の製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明について説明する。
【００１０】
本発明の特徴は、窒化アルミニウム基板と、接合されるＡｌ板の加工度と、接合材とを最適化することによってＡｌ板の塑性変形を比較的均一に発生させて強固に接合させ、もってメッキやボンディングワイヤの剥離と、半田やセラミックス基板のクラックの発生とを著しく軽減させたことである。
【００１１】
本発明が講じた第１の手段は、Ａｌ板の加工度の規定であり、圧延率１０％以上で冷間加工後に軟化熱処理の施こされていない圧延Ａｌ板を用いたことである。
【００１２】
Ａｌ材は、ＪＩＳに規定してあるだけでも数十種類の調質レベルがあり、硬度や引張り強さ、成形性等の物性が異なる。これは、Ａｌ材が圧延時の断面減少率や熱処理によって結晶の配向性や歪み、欠陥等が容易に変化することによるものである。回路基板に使用する際には、高温で接合後にも原料Ａｌ板の特性が強く影響するため、この特性を十分に理解したうえで用いなくてはならない。従って、例えば、溶融したＡｌ材を直接接合する溶湯法（例えば、特開平８−２０８３５９号公報等）では、Ａｌ材の調質が困難であるので、適切であるとはいえない。
【００１３】
すなわち、溶湯法によるＡｌ材は、鋳放しのままであって圧延加工は行われていない。このようなＡｌ材では、熱応力を受けた際に塑性変形が不均一に発生しやすくなり、部分的な変形が大きくなって、メッキやボンディングワイヤの剥離が生じたり、半田クラック等の損傷が大きくなる。
【００１４】
一方、詳細なメカニズムは不明であるが、Ｏ材のように焼鈍したＡｌ板や、押し出しのまま又は鋳放しのままのＦ材等のように加工度の著しく低いＡｌ板を用いて作製された回路基板であっても、ヒートショックやヒートサイクルを受けると塑性変形は部分的に集中し、同様な不都合が生じる。この理由としては、接合材を用いてＡｌ板を窒化アルミニウム基板に接合するには、Ａｌの軟化温度よりも高温で熱処理されるので、接合材がＡｌ板中に最大０．１ｍｍ程度まで拡散することと関係していると考えられる。
【００１５】
これに対し、本発明のように、圧延率１０％以上で、しかも冷間加工後に軟化処理の施されていない圧延Ａｌ板を用いれば、そのものはロールで均一な圧延が繰り返し行われているので、比較的均一な塑性変形を起こし、上記不都合は著しく少なくなる。Ａｌ板の圧延率は、大きいほど均一な塑性変形を起こすので好ましいが、その反面、あまり大きな圧延率の制限は材料の選択に制限を与え、安定供給性に欠ける。
【００１６】
本発明で使用されるＡｌ板をＪＩＳ記号で示せば、Ｈ１２〜Ｈ１８であり、特に好ましくはＨ１４〜Ｈ１８である。但し、ＪＩＳ記号は引張り強さで規定したものであるので、これに制限されるものではなく、例えば、軟化熱処理したＨ２４材を購入して、これを更に１０％以上圧延して使用しても構わない。
【００１７】
Ａｌ板の厚みについては、パワーモジュール用途の大電流に十分対応可能な導電性を確保すること、及び接合材成分が加熱処理中にＡｌ板中に最大０．１ｍｍ程度まで拡散することを考慮し、少なくとも０．２ｍｍは必要である。
【００１８】
Ａｌ板の純度は、高純度である程、電気的、熱的特性が良好であるが、高純度のものは高価である。通常に入手可能な９９．８５重量％程度品で十分である。
【００１９】
本発明が講じた第２の手段は窒化アルミニウム基板の規定である。本発明で使用される窒化セラミックス基板は、Ｙ₂Ｏ₃を焼結助剤として焼成されたものであり、その表面のＣｕＫαによるＸ線回折ピーク強度比が、３Ｙ₂Ｏ₃・５Ａｌ₂Ｏ₃×１００／ＡｌＮ≦３、かつ２Ｙ₂Ｏ₃・Ａｌ₂Ｏ₃×１００／ＡｌＮ≦１であるものである。このような表面特性を有する窒化アルミニウム基板は、酸化処理等の煩雑な表面処理を施さなくとも、後述するＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金箔を用いて、上記Ａｌ板と十分に強い強度で接合させることができる。窒化アルミニウム基板の熱伝導率としては、１３０Ｗ／ｍＫ以上が好ましい。
【００２０】
窒化アルミニウム基板表面の助剤相は、接合性に強く影響し、２Ｙ₂Ｏ₃・Ａｌ₂Ｏ₃が多いと接合が困難となる。一方、３Ｙ₂Ｏ₃・５Ａｌ₂Ｏ₃の多い窒化アルミニウム基板では熱伝導率が低くパワーモジュール用としては不適切である。このようなことから、本発明においては、両者の助剤相が上記のように制限される。
【００２１】
窒化アルミニウム基板の表面特性の調整は、原料窒化アルミニウム粉中のＡｌ₂Ｏ₃分とＹ₂Ｏ₃分組成比、（Ｂ）脱脂後焼成前までの増加酸素量、（Ｃ）焼成温度等によって行うことができる。例えば、２Ｙ₂Ｏ₃・Ａｌ₂Ｏ₃が多い場合には、相対的にＡｌ₂Ｏ₃分を増やせば良いので、酸素量の多い窒化アルミニウム粉末原料を用いるか、Ａｌ₂Ｏ₃を添加してＹ₂Ｏ₃分を減らす。一方、Ｙ₂Ｏ₃・Ａｌ₂Ｏ₃が多い場合には、Ｙ₂Ｏ₃の添加量を減らすか、焼成温度を下げる。その他、脱脂を空気中で行えばＡｌ₂Ｏ₃分を増加させることができる。
【００２２】
本発明で講じられた第３の手段は、窒化アルミニウム基板と圧延Ａｌ板とを、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金箔の接合材を用いて接合したことである。この理由は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金は、高力Ａｌ合金や耐熱Ａｌ合金として広く普及しており、箔化も容易であるのでコスト的に有利であること、また、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金は、ＳｉやＧｅに比べてＣｕ、ＭｇがＡｌ中に均一に拡散しやすいため、局部的な溶融が生じたり、余分な接合材が押し出されてはみ出しが生じ難くなり、比較的短時間で安定した接合が可能となること、等による。
【００２３】
Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金箔の厚みは、０．０１５〜０．０４０ｍｍであることが好ましい。厚みが０．０１５ｍｍ未満では、接合が困難となり、０．０４０ｍｍをこえると、Ｃｕ、Ｍｇが拡散して生じるＡｌ中の硬化層が拡がるので、熱履歴を受けた際に信頼性が低下する原因となる。Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金箔は、窒化アルミニウム基板側、Ａｌ板側のどちらに配置しても良く、また、あらかじめＡｌ板とクラッド化しておくこともできる。
【００２４】
本発明の回路基板の製造方法においては、まず、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金箔は、窒化アルミニウム基板とＡｌ板の間に配置され、熱処理して接合体が製造される。接合は、窒素等の非酸化性雰囲気又は真空雰囲気下、温度５８０〜６５０℃で１０〜１００分間程度保持することによって行われる。この場合、窒化アルミニウム基板面に対して垂直方向から１５〜１００ｋｇｆ／ｃｍ²、特に２０〜８０ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力をかけることは好ましいことであり、これによって、十分な接合を安定して得ることができ、しかもＡｌ板の塑性変形が比較的均一に生じる。加圧は、積層体に重しを載せる、治具等を用いて機械的に挟み込む等によって行うことができる。
【００２５】
本発明においては、Ａｌ板のかわりにＡｌ板のパターンを、またＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金箔のかわりにそのパターンを用いて加熱接合することもできる。この場合は、後工程のエッチング処理を省略できることが多い。
【００２６】
次いで、接合体はエッチングされ、所望形状の回路と放熱板が窒化アルミニウム基板表裏面に形成される。エッチングは、通常のレジストを用い、通常の工程で行うことができる。また、形成された回路及び放熱板にはメッキ等の表面処理が必要に応じて行わる。
【００２７】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００２８】
実施例１〜３ 比較例１〜５
用いた窒化アルミニウム基板は、いずれも大きさ２インチ角であり、レーザーフラッシュ法による熱伝導率（ｎ＝３の平均）、３点曲げ強度（ｎ＝５の平均）、Ｘ線回折による助剤相（ｎ＝３の平均）を表１に示した。
【００２９】
窒化アルミニウム基板の表裏面に接合材を介してＡｌ板を配置し、カーボン製押し板をねじ込みできる治具を用いて窒化アルミニウム基板に対して垂直方向に均等に加圧しながら熱処理を行った。用いたＡｌ板及び接合材を表２に示す。Ａｌ材は、冷間加工後に軟化処理の施されていないものを用いた。接合条件を表３に示す。
【００３０】
得られた接合体にエッチングレジストをスクリーン印刷し、ＦｅＣｌ₃液でエッチングした。次いで、レジストを剥離した後、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを３μｍ施して回路基板を製造した。
【００３１】
回路基板にＡｌワイヤーを超音波でボンディングした後、中央部に１３ｍｍ角のＳｉチップを半田付けした。これを１０枚づつヒートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験は、−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとして３０００サイクル実施した。ヒートサイクル試験後、ボンディングワイヤーの剥離や半田クラック等の損傷の有無を調べた後、回路及び放熱板を塩酸で溶解し、窒化アルミニウム基板のクラックの有無を観察した。それらの結果を表４に示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】
【表３】

【００３５】
【表４】

【００３６】
表１〜４から明らかなように、本発明の実施例は、いずれもヒートサイクル試験３０００サイクル後においてもボンディングワイヤやメッキの損傷がなく、半田や窒化アルミニウム基板へのクラック発生も著しく少なかった。これに対して、本発明と異なる接合材を用いた比較例１や、窒化アルミニウム基板が本発明の範囲外である比較例４、５では、ヒートサイクル後に回路パターンの剥離が生じた。また、Ａｌ材が本発明の範囲内にない比較例３では、ボンディングワイヤやメッキの剥離が認められ、半田や窒化アルミニウム基板にクラックが発生するなど、高信頼性回路基板としては、不十分なものであった。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、半田や窒化アルミニウム基板へのクラック発生のみならず、ボンディングワイヤやメッキの剥離損傷を著しく少なくすることができる高信頼性回路基板を製造することができる。

Claims (1)

1. Ｙ₂Ｏ₃を焼結助剤として焼成された窒化アルミニウム基板の表裏面に、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金箔の接合材を介してＡｌ板を配置し、それを加熱処理して接合体を製造した後エッチングを行い、窒化アルミニウム基板の一方の面にＡｌ回路、他方の面にＡｌ放熱板を形成させる方法であって、上記Ａｌ板が、厚み０．２ｍｍ以上、圧延率２０〜７０％、かつ冷間加工後に軟化熱処理が施こされていない圧延Ａｌ板であり、また上記窒化アルミニウム基板が、Ｘ線回折ピーク強度比で、３Ｙ₂Ｏ₃・５Ａｌ₂Ｏ₃×１００／ＡｌＮ≦３、かつ２Ｙ₂Ｏ₃・Ａｌ₂Ｏ₃×１００／ＡｌＮ≦１であり、さらに、上記窒化アルミニウム基板に酸化処理等の表面処理を施さないことを特徴とする、半田や窒化アルミニウム基板へのクラック発生のみならず、ボンディングワイヤやメッキの剥離損傷の著しく少ない窒化アルミニウム回路基板の製造方法。