JP4804751B2 - 電気回路またはモジュール用の金属セラミック基板と、そのような基板およびそのような基板を含むモジュールを製作する方法 - Google Patents

電気回路またはモジュール用の金属セラミック基板と、そのような基板およびそのような基板を含むモジュールを製作する方法 Download PDF

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Description

本発明は、請求項1または15の前文による、金属セラミック基板に関するものであり、請求項17の前文によるそのような金属セラミック基板、およびモジュールを製作するための方法に関するものであり、特に、請求項27の前文に従う金属セラミック基板を使用した半導体電力モジュールに関するものである。
電気回路用の、特に半導体電力回路またはモジュール用の、金属セラミック基板、または銅セラミック基板は、多種多様な設計において既知である。また、セラミック上の、例えばいわゆる「DCBプロセス」(ダイレクト銅ボンド技術)(direct copper bond technology)によって酸化アルミニウムセラミックの上の、金属被覆の応用例は、特にストリップ導体、コネクタ、その他の製造に知られており、前記金属被覆は、金属はくまたは銅はくまたは鉄板または銅板から形成され、それらの表面は、金属および反応性ガス(望ましくは酸素)の間の化学結合からの層または被覆(ホットメルト層)を含む。US PS 37 44 120およびPS 23 19 854に記載されているこの方法において、この層または被膜(ホットメルト層)は、金属(例えば銅)の溶融温度以下の溶融温度で共晶を形成して、それらの層が、セラミックの上にホイルを置いて全層を熱することによって、すなわち、本質的にホットメルト層または酸化層付近のみの金属または銅を溶融することによって、互いに結合される。
それで、このDCBプロセスは、一例として、次の処理工程を含む。
a)均一な酸化銅層を製作するための銅はくの酸化;
b)銅箔をセラミック層へ配置;
c)その複合材料を、おおよそ1025と1083℃の間のプロセス温度例えば、おおよそ1071℃まで加熱;
d)室温まで冷却;
電気回路またはモジュール、特に電力素子および制御または駆動素子を有する電力回路またはモジュールは、金属セラミック基板が、電力素子用の基板または回路基板として使用され、そして、そのコンポーネントで組み立てられた別の回路基板上の制御または駆動回路は、適切な手段によって電力素子上の第2レベルで、または金属セラミック基板上で後者の隣に、取り付けられるという方法で製造されている。
この方法の欠点は、たとえば、製造コストが高いことであり、何故なら、電力素子および制御または駆動ステージが別々に製作されなければならず、製作で一緒に接続し結合する必要があるからである。特に、この既知の技術は、効果的な製作の原理に従う、全モジュール(電力素子+制御および駆動ステージ)の多重製造を可能としない。
本発明の目的は、回路、特に半導体回路および対応する制御および駆動ステージを有する電力回路を著しく効果的に製作することを可能にする、金属セラミック基板を提供することである。
前記目的は、請求項1ないし15による金属セラミック基板によって達成される。この基板を製作するための方法は、請求項17によって実現される。半導体モジュールは、請求項27によって実現される。
発明の更なる実施形態は、従属請求項の対象である。
発明の基本的な長所は、次のように要約することができる。
e)電力領域、および制御および駆動領域両方の簡略かされた製作;
f)構造化(ストリップ導体、接触面、取付面など)によって、電力領域、および制御または駆動領域およびそこで形成される領域の正確な位置調整、及びコンポーネント取り付けの簡略化;
g)電力領域における素子と制御および駆動領域の実装は、1ステップで可能である;
h)有機基板物質が使用されていないので、高温の半田付け温度、たとえばコンポーネント実装用の400℃以下の半田付け温度が可能であり、および、特に、無鉛半田を使用することができる;
i)実装される電力素子の表面のレベルおよび実装される制御または駆動素子の表面のレベルがわずかに異なるだけであるので、基板の表面実装の間、半田または接着剤ペーストの適用がかなり簡単になる;
j)電力素子および制御または駆動素子の表面実装に対する半田ペーストまたは接着剤の適用は、1ステップで可能である;
k)超音波ボンディングを介した電力素子と制御および駆動素子との間の簡略化された配線;
l)冷却システムへと改良されたボンディングに起因する制御または駆動ステージの改良された冷却;
m)制御および駆動ステージの非常に複雑なレイアウトは、簡単に実現できる交差技術によって可能である。
本発明の典型的な実施形態が、以下に更に詳細に図面を参照して説明される。
図1は、先行技術から既知の、半導体モジュール1の断面における簡略化された図を示す。この半導体モジュールは、半導体電力コンポーネント3および4、たとえば電気駆動を制御するトランジスターまたはサイリスタなどを有する銅セラミック基板2、およびコンポーネント6を備える有機物質(プラスチック)からなるプリント基板5から構成され、そして、電力コンポーネント3および4を制御するための駆動または制御ステージを形成する。コンポーネント6を有するプリント基板5は、基板2の上に配置される。図2は、先行技術で知られている半導体モジュール1aを示す。電力コンポーネント3および4を有する基板2は、有機物質(プラスチック)からなり、コンポーネント6を含みキャリア7上の基板2の横に配置されているプリント基板5と共に、共通のベースプレート7上に備えられている。
既知の構造は、複雑な配線およびその結果としての高い組立コストという欠点を持つ。更に、モジュール1または1aの両方の部品、すなわち、基板2およびコンポーネント6を有するプリント基板5を含む部品は、別々に製作され、そして接続され機械的に結合される必要がある。
図3は、本発明による金属セラミック基板10の一般的な層構造を示す。この基板は、各面に第1のタイプの金属層12および13が備えられているセラミック層11から構成されている。描かれた実施形態では、金属層12および13は、セラミック層11の表面に平面的に、ダイレクトボンディングプロセスによって貼り付けられた金属箔から形成されている。
誘電体または絶縁体でできている層14は、図3で上部金属層12に貼り付けられ、絶縁層は金属層12および13の厚さよりかなり薄い。層14は、例えば、加熱または焼き付けによって金属層12に貼り付けられるガラス含有材料からできている。第2のタイプの第2金属層15が、絶縁層14上に備えられる。金属層15は、導電性ペーストを塗布することおよびこのペーストを焼き付けることにより、さらに、金属層12および13より著しく薄い厚さを有して製造される。
セラミック層11の厚さは 、たとえば、0.2〜2 mmである。金属層12および13は、たとえば、0.1〜0.9mmの間の厚さを持つ。絶縁層14は、0.015〜0.15mmの間の厚さを持つ。金属層15の厚さは、およそ0.015〜0.15mmの間である。
描かれた実施形態で、金属層12および13は、同じ厚さを持ち、銅でできている。セラミック層11のセラミックは、たとえば、酸化アルミニウムセラミックである。
多層金属セラミック基板は、たとえば次の加工ステップによる処理で製作される。
a)金属層12および13を形成するために、、それらの表面が酸化された少なくとも2つの銅箔ブランクが、DCBプロセスによってセラミック層11の1つの表面に貼り付けられる。この適用の前に、望ましくは前処理で、保護用ガス雰囲気中、たとえば窒素雰囲気中で、銅材料の硬度を減らす目的で、銅箔ブランクは焼き戻しされる。
b)冷却後、後の絶縁層14を形成しているガラス含有ペーストからできている層は、加圧または他の適当ないくつかの方法によって金属層12に貼り付けられる。
c)ペーストが金属層12に接着されている絶縁層14を形成するように、ペーストは乾燥され、DCBプロセスの温度以下の温度、すなわち750と1030℃の間の温度で、焼き付けされる。
d)再度冷却した後に、金属成分を含んでいる導電性ペーストは、絶縁層15に、同じく加圧または他の適当ないくつかの方法によって、貼り付けられる。
e)それから、導電性ペースト(厚膜)は、750と1030℃の間の温度で焼き付けられる。
絶縁層14や金属層15を更に厚くするために、加工ステップb)およびc)および/又はd)およびe)が何回も繰り返される。通常、また、少なくとも絶縁層14からなる層に少なくとも更に1つの層を貼り付けることが可能であり、また金属層15へ更なる1つの金属層15を貼り付けることが可能でる。銅箔ブランクの酸化は、焼き戻しの前および/又は後とDCBプロセス中に起こる。
絶縁層14に対して、ペーストは、望ましくは、焼成の後に焼成の前のペーストより高い溶融点で層14を製作するように使用され、それで、更に厚い層を達成するためにガラス含有ペーストの繰り返しの適用および焼き付けが可能である。同じことは、金属層15に対して使用されるペーストにも適用される。絶縁層14を製作するのに適したペーストは、たとえば、Du Pont Electronicsから購入可能なペースト「Dielectric Composition 4575D」である。また、金属層15を製作するのに適したペーストは、たとえば、Du Pont Electronicsから購入可能なペースト「Copper Conductor Composition 9922」である。
一般的な層構成および可能な製造工程の説明に対して、絶縁層14および金属層15からなる合成層は金属層12を全表面にわたって覆うことを、上述で仮定している。本発明による実用化において、合成層14/15の適用は、図4で金属セラミック基板10aの区間Iで示されるように、前記合成層が金属層12の表面の部分的な領域だけを覆うような方法で行われ、一方、区間IIでは金属層12の表面は露出されている。これによって、図4の12’で示すように導体ストリップ、接触面、その他を形成する目的で、適切な技術、たとえばエッチ−マスキング技術を使用して金属層12を構成することが可能である。同様に、金属層15もまた、15’によって示されるように、導体ストリップ、接触面、その他を形成するように構成される。金属層15の構造化は金属層12の構造化よりも非常に精密であり、それは、単に金属層15の厚さを小さくすることにより可能である。
金属層15の構造化が、たとえばエッチ−マスキング技術によっておよび/又は金属層15を形成している導電性ペーストの構造化の適用によってすでに、たとえば構造化加圧成形によっておこる。
金属層15が、金属層12を構成した後に行われるエッチ−マスキングプロセスで構成される場合、一般に、エッチング耐性マスクで構造化された金属層12またはその領域12’を覆う必要はない。金属層15の層厚が金属層12の層厚より非常に小さいので、金属層15の構成中のエッチング媒体のさらなる反応は、金属層12上で効果がない。せいぜい、これは、鋭いエッジを防ぎ絶縁耐力を増加させる積極的な効果を有して、構造化領域12’の端を丸くされるようにする。
金属層12および13を適用するダイレクトボンディングプロセスの使用は、セラミック層11のこれらの金属層に対して、30N/cmより大きな高結合力(剥離強度)を達成する。この高結合力は、金属層12の剥離または分離を防ぐために重要であり、特に金属層12または構造化領域12’の端で重要であり、そのような剥離または分離は、それらがそれぞれ焼き付けされた後で、絶縁層14および/または金属層15の冷却後の熱的張力に由来している。
図5に更なる可能な実施形態として、本質的に、絶縁層14が金属層12の構造化領域12’の溝状の凹部16の中に配置される点のみ基板10aと異なる金属セラミック基板10bを示す。金属セラミック基板10を製作するための上述の方法から逸脱して、基板10bは、たとえば、次のように製作される、即ち、ダイレクトボンディング(加工ステップa)の金属層12および13の適用の後、一つ以上の次の加工ステップで、たとえばエッチ−マスキングプロセスによって、最初に溝状の凹部16が、金属層12の更なる構造化なしで金属層12に形成される。絶縁層14は、そこでのみ、凹部16において1回以上繰り返される更なる加工ステップb)およびc)で形成され、それから、金属層15が繰り返される加工ステップd)およびe)で貼り付けられる。更なる加工ステップで、金属層12および15は、構造化領域12’および15’を形成するために例えばマッチ−マスキング技術と同様なもので、構成される。それで1つの構造化された領域12’は、絶縁層14を有する凹部16を含む。残りの構造化された領域12’には、たとえば、半導体電力コンポーネントに対する接触面、導体ストリップ、その他が形成される。
描かれた実施形態の金属層15は、全ての領域15’が絶縁領域14によって凹部16を含む領域12’から、電気的に絶縁されるように構成される。少なくとも領域15’の一部は、低電力制御回路のための導体ストリップ、接触面などを形成する。
もちろん、例えば次のようなプロセス、即ち、凹部16の作成の間、または前のまたは次の加工ステップで、金属層の領域12’や構造化された領域15’を形成するための金属層の構造化が、金属層を形成しているペーストの構造化された適用によって行われる金属セラミック基板10bを製作するための他のプロセスが、また、考えられる。
凹部16を有する金属セラミック基板10bは、絶縁層14の適用が簡単であることと、そのうえ、この絶縁層の最上面と金属層12または領域12’の最上面とが1つの平面内で配置されることであり、それは、特に製造工程に対して、特にこの基板の更なる処理に対して、有利であるという長所を特徴としている。
この実施形態は、凹部16を含む領域12’の最上面に確実に絶縁層14を形成する材料が無いように、絶縁層14を貼り付ける事が可能であり、凹部16を含む領域12’の最上面で絶縁層14の外側に純粋に金属的な表面ができて、その上(金属表面)には、新たな素子、例えばハウジングが、例えば半田付けまたはいくつかの他の方法によって、絶縁層14を形成している材料の残余からの妨げもなしで、密閉して固定することができる。
図6は、更なる可能な実施形態として、金属層15の構造化の後で更なる絶縁層14は同様にガラス含有ペーストの適用および乾燥の後のペーストの焼成によってこの金属層にまたはその構造化領域15’に加えられるという点で基板10と異なる金属セラミック基板10cの層構造の部分的な区間を示している。
追加の絶縁層14cの貼り付けの間に、この層、構造化領域15’のいくつかの上に開口部または窓が備えられ、金属層15に相当し、およびまた導電性ペーストの塗布および焼き付けによって製作される付加の金属層15cの貼り付けの間に、これらの領域より上の構造化領域15’および付加金属層15cの間の電気的接続が存在する。絶縁層14または14cに相当する少なくとも1つの絶縁層と、金属層15または15cに相当する少なくとも1つの金属層から成る追加の合成層を、金属層15cの上に、望ましくはこの金属層の構造化の後に、また貼り付けることは、もちろん可能である。したがって、図6で描かれる構造は、低減された電力を有する回路に対する非常に複雑な金属セラミック基板または基板領域を、特に電力コンポーネントのための制御回路に対して、小さな全体的なサイズで実現するのに使用することができる。
図7は、金属セラミック基板10aを使用して製作される半導体モジュール17の断面における簡略化された描写を示す。1つの半導体コンポーネント3または4は、それぞれ基板10の区間II上およびそこで配置される2つの構造化領域12’上に備えられる。電気的接続18(例えばリード線結合)によって、コンポーネント3および4は、接触面の役目を果たし、そしてその上に外部電力接続19が備えられる追加領域12’と接続される。
構造化された領域15’は、制御回路またはコンポーネント3および4を含む電力ステージの制御用の駆動 のための、導体ストリップ、接触面などを形成する。この駆動ステージの該当するコンポーネント6は、領域15’の上に備えられる。追加領域15’は、接触面を形成し、それは、内部接続20によってコンポーネント、導体ストリップなどと接続され、そして、たとえばまた、接触面に加えて、モジュール17のための外部制御接続を形成し、それは、内部接続21によって電力素子IIと接続される。
図8は、再度、高熱伝導率および高機械的安定度を持つ材料からできている、ベースプレート22と共に、電力モジュール17を示す。特に大きな、複雑なモジュールでは、このベースプレート22は、機械的及び/又は熱的安定度を増加させるのに役に立ち、そのうえ、温度変動その他の場合に金属セラミック基板10aの変形を防ぐ。
基板10aの代わりに、本発明による別の金属セラミック基板を、電力モジュールに対して使用することができ、たとえば基板10bまたは10c、すなわち図5および6で描かられている構造を有する基板である。図9は、基板10bを有するモジュール17aを示す。
銅は、金属層、特に、金属層12および13に対して適切な金属であり、そのため、金属層12および13は、 銅箔を使用し、そしてダイレクト銅ボンディング技術を使用して製作される。また、通常、他の金属の使用も可能である。
セラミック層11に対する適切なセラミックは、たとえば、酸化アルミニウムセラミック(Al)である。他のセラミックは、また、たとえば、 AlN、BeO、CBN、SiおよびSiCが考えられる。
図3と関連して上述の方法では、金属層を形成する金属または導電性ペースト(厚膜ペースト)は、どちらも、構造化されていない状態で貼り付けられ、それから焼き付けられ、そしてその後、構造化は、領域15’の製作のために適切な方法、例えばエッチ−マスキング方法によって行われるか、または、導電性ペーストがすでに所望の構造化で加えられて焼き付けられることが考えられる。また、感光性の導電性ペーストすなわち導電性ペーストを使用することが可能であり、それは、塗布された後と焼き付けされる前に所望の構造によって露光され、それによってたとえば、非露光領域は、次の加工ステップ(「現像プロセス」)で削除されて、導電性ペーストが焼き付けられる前に非常に精密な構造化が達成される。また、感光性の導電性ペーストが、露光の後に露光された領域を削除することができるように設計されることができる。
金属セラミック基板を製作する方法は、感光性の導電性ペーストを使用する時、次の加工ステップを含む。
a)金属層12および13を形成するために、それらの表面の上で酸化される銅箔の少なくとも2つのブランクが、DCBプロセスによってセラミック層11の1つの表面に貼り付けられる。この貼りつけの前に、銅箔ブランクは、銅材料の硬度を低減する目的で、望ましくは前階段で、保護用ガス雰囲気中、たとえば窒素雰囲気中で、焼き戻しされる。
b)冷却後に、後の絶縁層14を形成するガラス含有ペーストでできている層が、加圧または他の適切ないくつかの方法によって金属層12に貼り付けられる。
c)ペーストは乾燥され、それから、DCBプロセスの温度以下の温度で、すなわち750と1030℃の間の温度で、焼き付けられて、ペーストが金属層12に接着して絶縁層14を形成する。
d1)その後、感光性の導電性ペーストからなる層が塗布され、そして、この層は、所望の構造に対応して露光される。
d2)次の加工ステップで、露光または非露光領域は、ペーストによって形成される層から除去される。
e)それから、構造化された導電性ペースト(厚膜)は、750と1030℃の間の温度で焼き付けられる。
金属層12の構造化は、このプロセスで、たとえば絶縁層14の貼り付けの前におこる、すなわち上記の加工ステップa)に続いておこる。
図10は、金属層12によって形成される構造化された領域12’を有する金属セラミック基板10dの平面図における簡略化された部分的な描写を示す。描かれた実施形態おけるいくつかの領域12’は、それらの縁の上で、例えば絶縁層14に対して上で使用されるような領域12’の露光された上面に貼り付けられる「Dielectric Composition 4575D」のような、導電性ペーストからなる層から形成されるフレームのような半田止め処理23を備えている。この層23は、最適の半田止めを備えることが、証明されており、すなわち、それは、コンポーネント、コネクションなどの半田付けの間に、半田がこの半田止めを越えて隣の領域12’に流れるのを効果的に防ぎ、半田止めを備える領域に対して不必要な電気的接続を防ぐ。各半田止め処理23は、半田が後で使用される構造化領域12’の部分を囲む。使用される(ガラス含有ペースト)材料により、それぞれの半田止め処理23は、高度な耐熱性を持ち、それは、一方で、高温処理を伴う半田、特に無鉛半田の使用を可能にする。
基板10dは次の方法で製作される、即ち、金属層12と金属層13の貼りつけの後、もし適用できれば、ダイレクトボンディングプロセスによってセラミック層11におよび金属層12の構造化の後に、ガラス含有ペーストが、領域12’に対してそれぞれの半田止め処理23の所望のフローに対応して、およそ0.015〜0.15mmの層厚で、使用される。ペーストが乾燥した後で、それは、750と1030℃の間の温度で焼き付けられる。
少なくとも1つの絶縁層14が基板10dに加えられる場合、絶縁層14に対するガラス含有ペーストの塗布、乾燥および焼き付けおよびそれぞれの半田止め処理23は、共通の段階で行われる。
本発明は、典型的な実施形態に基づいて説明された。言うまでもなく、本発明の基づく、根底にある創意に富んだ考えを捨てることなく、多数の改良および変形が可能である。
従来技術による半導体モジュールの簡略断面を示す。 従来技術による半導体モジュールの簡略断面を示す。 本発明による金属セラミック基板の1つの実施形態の層構成の略図を示す。 少なくとも1つの電力半導体コンポーネントを保持するための領域および制御回路のための更なる領域で組み立てられている図3の金属セラミック基板の断面を示す。 本発明による金属セラミック基板の更なる実施形態の層構成の略図を示す。 本発明による金属セラミック基板の更なる実施形態の層構成の略図を示す。 図4の構造化された金属セラミック基板を使用して製作される半導体モジュールの断面を示す。 図7の半導体モジュールを示すが、追加的な基板は共用である。 図5の構造化された金属セラミック基板を使用して製作される半導体モジュールの部分的な描写を示す。 本発明による、金属セラミック基板の更に可能な実施形態の平面図の簡略された描写を示す。
符号の説明
1、1a 従来技術による半導体電力モジュール
2 金属セラミック基板
3、4 半導体電力コンポーネント
5 追加のプリント基板
6 制御または駆動ステージのコンポーネント
7 ベースプレート
10、10a、10b 本発明による金属セラミック基板
10c、10d 本発明による金属セラミック基板
11 セラミック層
12、13 金属層
12’ 構造化された領域
14、14c 絶縁層
15、15c 追加の金属層
15’ 構造化された領域
16 凹部
17、17a 本発明による電力モジュール
18 内部接続
19 外部電力接続
20、21 内部接続
22 ベースプレート
23 半田止め処理

Claims (10)

  1. 少なくとも1つの第1電力回路部分と、少なくとも1つ低電力回路基板部分を有する、電子回路及びモジュール用の金属セラミック基板を製造する方法であって、
    0.2〜2mmの間の厚さを持つセラミック層(11)を用意するステップ、
    ダイレクトボンディングプロセスまたは、半田付けプロセスによって、0.1〜0.9mmの厚さを持つ第1のタイプの金属層(12,13)を、それぞれ、セラミック層(11)の各面に貼り付けるステップ、
    少なくとも1つの第1のタイプの金属層(12)の部分的な領域である支持領域(12’)の上に、ガラス含有ペーストを塗り付け、そして、乾かし、750℃〜1030℃の間の温度で焼き付けることで、上記支持領域(12’)の表面に、0.015〜0.15mmの厚さを有する絶縁層(14)を貼り付けるステップ、および、
    少なくとも1つの金属組成から成る導電性ペーストを上記絶縁層の上に塗り付け、750℃から1030℃の間の温度で焼き付けることによって、0.015〜0.15mmの厚さを有する構造化された少なくとも1つの第2のタイプの金属層(15)を、上記絶縁層の上にのみ設けるステップを含むことを特徴とする方法。
  2. 少なくとも1つの第1のタイプの金属層(12)を、少なくとも1つの支持領域(12’)を形成するように構造化するステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 少なくとも1つの第1のタイプの金属層(12)が、少なくとも1つ電力コンポーネントのためのストリップ導体、接触面または、取付面、及び、ガラス含有絶縁体のための少なくとも1つの支持領域(12’)を形成するように構造化することを特徴とする請求項1または2に記載される方法。
  4. ガラス含有ペーストの塗り付け及び、このペーストの焼き付けを、このガラス含有素材でできた少なくとも1つの絶縁層(14)の厚さを増す目的で、少なくとも1度繰り返すことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の方法。
  5. 第2のタイプの金属層(15)を形成するペーストの塗り付け及び焼付けを、この金属層(15)の厚さを増す目的で、少なくとも1度繰り返すことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の方法。
  6. 基板の少なくとも1つの制御または駆動領域のためのストリップ導体、接触面、取付面を形成するための、少なくとも1つの第2のタイプの金属層を構造化することを含むことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の方法。
  7. いくつかの基板を、セラミック層(11)を形成している1つの共通セラミック板に複数製作することを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の方法。
  8. 半田止め領域を、構造化された第1のタイプの金属層(12)に、ガラス含有ペーストの塗り付け及び焼付けによって塗り付けることを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の方法。
  9. 半田止め領域の塗り付けを、絶縁層(14)の塗り付けと共に行うことを特徴とする請求項に記載の方法。
  10. 第1のタイプの金属層(12)の部分的な領域である支持領域(12’)が、反対の第1のタイプの金属層(12)の表面のセラミック層(11)とは反対面に、くぼみまたは凹部(16)を備え、かつ、ガラス含有絶縁層(14)が、前記くぼみまたは凹部(16)を備えることを特徴とする請求項8または9に記載の方法。
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