JP4973608B2 - 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用基板 - Google Patents

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。

一般に、半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、このパワーモジュール用基板としては、例えば特許文献１に示されるように、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等からなるセラミックス基板上にアルミニウム板をＡｌ−Ｓｉ系等のろう材料を介して接合させたものが用いられている。このアルミニウム板は、後工程のエッチング処理によって所望パターンの回路が形成されて回路層となる。そして、エッチング後は、この回路層の表面にはんだ材を介して電子部品（半導体チップ等のパワー素子）が搭載され、パワーモジュールとなるのである。
一方、この種のパワーモジュールは、回路層とは反対側の面が放熱のために冷却器に取り付けられるが、その場合に、セラミックス基板に放熱用金属板を接合し、該放熱用金属板を冷却器に接合するようにしている。また、特許文献２記載のパワーモジュールでは、放熱用金属板をセラミックス基板と熱膨張率の近似した材料からなる緩衝層を介在させて冷却器に接合することにより、熱歪みの発生を防止するようにしている。

また、特許文献３記載の技術では、金属とセラミックスとの接合性を向上させるために、金属層とセラミックス板との間に、金属の成分とセラミックスの成分とを混合した組成の中間層を介在させ、その中間層の組成として、金属層に近いほど金属の成分の含有率が高く、セラミックス板に近いほどセラミックスの成分の含有率が高くなるように、連続的又は段階的に変化する構成とすることが提案されている。
特開２００４−３５６５０２号公報 特開２００７−２７３７０６号公報 特開平５−２８６７７６号公報

ところで、近年、構造簡略化等の要請に伴い、緩衝層や放熱用金属板を使わずにセラミックス基板を冷却器に直接接触させることが検討されており、パワーモジュールとしては過酷な環境（熱サイクル）への適用が要求されてきている。
従来のセラミックス基板として用いられてきた窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板と比べて高強度かつ高靭性な特長を持つため、過酷な環境においても十分な耐久性を有するものと期待されているが、この窒化珪素基板に回路層としてアルミニウム金属板をろう付けするのでは、接合性に劣るという問題があった。この場合、特許文献３記載のように、窒化珪素基板とアルミニウム板との間に、両者の成分が厚さ方向に変化する混合組成の中間層を設けることも考えられるが、製造時の成分管理が煩雑である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、窒化珪素を母材としたセラミックス基板へのアルミニウム板の接合性を向上させることができ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用基板の提供を目的とする。

本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法は、窒化珪素を母材とするセラミックス基板の上に回路層用アルミニウム板をろう付け接合してなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、窒化アルミニウム又はアルミナのうちのいずれか又はこれらの混合物からなるセラミックス粉末をガス中に分散してエアロゾル化し、そのエアロゾルを前記セラミックス基板に噴射することにより、該セラミックス基板の表面にセラミックス被膜を形成し、その後、該セラミックス被膜の上に前記回路層用アルミニウム板をろう付け接合することを特徴とする。

窒化珪素の粒子は針状や柱状となるものが多く、このため、その粒界に比較的大きい空孔が形成され易いとともに、セラミックス基板の表面には微細な凹凸が生じ易い。その凹凸の存在がろう付け性を損なう原因と考えられる。
この製造方法においては、窒化珪素のセラミックス基板の表面に、窒化アルミニウム又はアルミナのセラミックス粉末をエアロゾル化して噴射することにより、セラミックス基板に衝突したセラミックス粉末が衝突時の衝撃によってさらに破砕、変形し、より微細な粒子となってセラミックス基板の表面に付着する。このため、窒化珪素からなるセラミックス基板の表面の微細な凹凸にセラミックス粒子が入り込んで凹凸を埋めるように被膜を形成する。このとき、破砕により生じたセラミックス粉末の高活性な新生表面がセラミックス基板あるいは他のセラミックス粉末と結合し、セラミックス基板表面に緻密なセラミックス被膜を形成し、その表面が平坦に仕上げられる。したがって、その表面へのアルミニウム板のろう付け接合性が向上するのである。
しかも、セラミックス被膜形成後の焼成処理が不要であるので、セラミックス基板に反りが発生することもなく、熱歪み等による被膜の割れも生じない。

本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法において、前記セラミックス基板に噴射する前の前記セラミックス粉末の平均粒子径が０．１〜０．７μｍであり、前記セラミックス被膜は、その膜厚が０．５〜１．５μｍであり、被膜中のセラミックス粒子の最大部分の径の平均が１０〜５０ｎｍである構成としてもよい。

出発原料として平均粒子径が０．１〜０．７μｍの窒化アルミニウム又はアルミナのセラミックス粉末を使用してエアロゾルとし、これをセラミックス基板に向けて噴射すると、セラミックス基板への衝突時の破砕、変形により偏平形状等の不定形でさらに細かい微粒子となってセラミックス基板に被膜を形成する。その衝突時の圧力を適宜に調整することにより、被膜中のセラミックス粒子の最大部分の径の平均が１０〜５０ｎｍとなるようにすると、より緻密な組織で表面の平坦性も向上する。

また、本発明に係るパワーモジュール用基板は、窒化珪素を母材とするセラミックス基板の表面に、窒化アルミニウム又はアルミナのうちのいずれか又はこれらの混合物からなるセラミックス被膜が形成され、該セラミックス被膜の上に回路層用アルミニウム板がろう付け接合されてなり、前記セラミックス被膜は、膜厚が０．５〜１．５μｍであり、膜中のセラミックス粒子の最大部分の径の平均が１０〜５０ｎｍであることを特徴とする。

本発明によれば、窒化珪素のセラミックス基板の表面に窒化アルミニウム又はアルミナのセラミックス粉末のエアロゾルを噴射してセラミックス被膜を形成したので、セラミックス基板の表面のわずかな凹凸をセラミックス粉末が埋めるようにして緻密で平坦な表面に仕上げることができる。このため、そのセラミックス被膜の上にろう付けされる回路層用アルミニウム板の接合性が向上し、これらが強固に密着したパワーモジュール用基板を得ることができる。しかも、セラミックス被膜形成後の焼成処理が不要であるので、セラミックス基板に反りや熱歪み等による被膜の割れも生じることがなく、絶縁基板としての信頼性の高いパワーモジュール用基板を製造することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係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している。この図１に示されるパワーモジュール１は、セラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、該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、パワーモジュール用基板３の裏面に接合された冷却器５とから構成されている。

パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の表面側にセラミックス被膜６が形成され、該セラミックス被膜６の上に電子部品４を搭載するための回路層用アルミニウム板７が積層され、セラミックス基板２の裏面側に冷却器５が取り付けられる構成である。
また、セラミックス基板２は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を母材として形成されている。回路層用アルミニウム板７は、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる金属板により形成されている。
また、セラミックス被膜６は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の微細粒子からなり、後述のエアロゾルデポジション（Ａｅｒｏｓｏｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（ＡＤ法ともいう）により形成されたものである。

そして、このセラミックス被膜６の上に回路層用アルミニウム板７がろう付けにより積層され、その金属板７がエッチング処理されて所望のパターンの回路層を構成している。ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等が使用される。
また、この回路層用アルミニウム板７は、その表面にはんだの濡れ性を向上させるために、ニッケルメッキ処理によってニッケルメッキ膜８が形成されている。
そして、回路層用アルミニウム板７の上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によって電子部品４が接合される。図中符号９がそのはんだ接合層を示す。なお、電子部品４と回路層用アルミニウム板７の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。
一方、冷却器５は、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、その長さ方向に沿って冷却水を流通させるための多数の流路１０が形成されており、セラミックス基板２との間はろう付けによって接合される。

次に、このような構成のパワーモジュール１に使用されてい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。
まず、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）によりセラミックス基板２を製作する。そして、その表面に、エアロゾルデポジション法により窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のセラミックス被膜６を形成する。図２は、セラミックス基板２の表面にエアロゾルデポジション法によりセラミックス被膜６を形成するための被膜形成装置１１の例を示している。この被膜形成装置１１は、セラミックス粉末をエアロゾル化するエアロゾル生成チャンバ１２と、そのエアロゾルをセラミックス基板２の表面に噴射してセラミックス被膜６を形成する処理チャンバ１３とを備えている。

エアロゾル生成チャンバ１２は、その内部に原料粉となるセラミックス粉末Ｓが収容され、該セラミックス粉末Ｓにキャリアガス供給系１４から不活性ガス等のキャリアガスを吹き込むことにより、これらを混合してエアロゾルとし、このエアロゾルを搬送管１５を介して処理チャンバ１３に導くようになっている。キャリアガスとして用いられる不活性ガスとしては、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ_２等が用いられる。
処理チャンバ１３は、エアロゾル生成チャンバ１２からの搬送管１５が内部に挿入されるとともに、その先端に垂直方向に沿って噴射ノズル１６が設けられており、この噴射ノズル１６に対向するようにセラミックス基板２を搭載するステージ１７が設けられている。
このステージ１７は、噴射ノズル１６からの噴射方向と直交する水平方向に沿ってセラミックス基板２を保持して、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向にセラミックス基板２を移動することができる構成である。また、処理チャンバ１３内は、真空ポンプ１８によって真空引きされるようになっている。

このような構成の被膜形成装置１１を使用してセラミックス基板２の表面にセラミックス被膜６を形成するには、エアロゾル生成チャンバ１２内に、原料粉末として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の粉末Ｓを収容する。このセラミックス粉末Ｓは、原料のセラミックスをボールミル等によって機械的に粉砕したものが使用され、その平均粒径は０．１〜０．７μｍとされる。そして、エアロゾル生成チャンバ１２内にキャリアガスを導入すると、セラミックス粉末Ｓがキャリアガスにより攪拌されながら、該キャリアガス中に分散してエアロゾルが生成される。
一方、処理チャンバ１３内は真空ポンプ１８によって真空引きされており、該処理チャンバ１３とエアロゾル生成チャンバ１２との差圧によってエアロゾルが搬送管１５を経由して噴射ノズル１６に導かれ、その先端から噴射させられる。また、処理チャンバ１３内においては、ステージ１７の上にセラミックス基板２が搭載されており、該セラミックス基板２は、図３（ａ）に示すようにステージ１７によって水平方向に移動しながら、噴射ノズル１６から噴射したセラミックス粉末のエアロゾルが表面に衝突し、図３（ｃ）に示すように表面全面にセラミックス被膜６が形成される。

このエアロゾルは、セラミックス粉末がキャリアガスに分散したものであり、そのキャリアガスとともにセラミックス基板２に吹き付けられ、衝突時のエネルギーによって破砕又は変形して、さらに小さい粒子となってセラミックス基板２に付着する。このため、図３（ｂ）に示すように、セラミックス基板２の表面のわずかな凹凸内にセラミックス粉末が入り込んで、これを埋めながら結合してセラミックス基板２の表面に緻密で平坦なセラミックス被膜６を形成する。

次いで、このセラミックス被膜６の表面にろう材箔を介して回路層用アルミニウム板７を積層し、これら積層体を不活性ガス雰囲気、還元ガス雰囲気又は真空雰囲気において積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させることによって回路層用アルミニウム板７をセラミックス被膜６に接合する。そして、その回路層用アルミニウム板７に所望のパターンでエッチング処理を施した後に、その表面に無電解めっきによりニッケルメッキ膜８を形成すると、パワーモジュール用基板３が完成する。

このようにして製造されたパワーモジュール用基板３においては、そのセラミックス基板２に緻密なセラミックス粒子の結合からなるセラミックス被膜６が形成されていることから、セラミックス基板２の表面の凹凸がセラミックス被膜６により埋められ、表面が平坦に形成される。
このセラミックス被膜６は、エアロゾル化したセラミックス粉末が衝突時の衝撃によってさらに破砕、変形して、より微細な粒子となってセラミックス基板２の表面に付着して形成されたものである。この場合、破砕により生じたセラミックス粉末の高活性な新生表面がセラミックス基板２あるいは他のセラミックス粉末と結合することにより、セラミックス基板２表面に緻密な層として形成される。

出発原料として平均粒子径が０．１〜０．７μｍのセラミックス粉末を使用し、噴射ノズル１６からの噴射圧力を適宜に設定することにより、セラミックス被膜６中のセラミックス粒子をその最大部分の径の平均が１０〜５０ｎｍとなるようにすると、セラミックス基板２表面の微細な凹凸を確実に埋めて全体をより平坦な表面に仕上げることができる。最大部分の径とは、セラミックス粉末をセラミックス基板２に向けて噴射すると、衝突時の破砕、変形により偏平形状等の不定形の粒子となるため、その最大部分を測定することとしたのである。この粒子径は、セラミックス被膜６の断面をＦＥ−ＳＥＭ（Ｆｉｅｌｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を使用して観察することにより測定することができる。ＦＥ−ＳＥＭとして例えば日立製作所株式会社製のＳ−５０００を使用し、加速電圧が１０ｋＶ、出力電圧が３．８Ｖ、出力電流が１０ｍＡの条件で測定することができる。
なお、セラミックス被膜６を構成している各粒子径の最大値は３００ｎｍ以下とされる。また、膜厚は、均一な被膜に形成するために、０．５〜１．５μｍが好ましい。

このような条件下で窒化珪素のセラミックス基板に、セラミックス粉末として窒化アルミニウムを用いてセラミックス被膜を形成した場合、セラミックス基板の表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．５０〜０．７５μｍであったものが、その上のセラミックス被膜の表面では、０．２５〜０．４０μｍの平均表面粗さ（Ｒａ）に仕上げることができた。
このようにして緻密で平坦な表面のセラミックス被膜６となるので、その上にろう付けされる回路層用アルミニウム板７の接合強度が高められるのである。なお、窒化珪素のセラミックス板２に被膜を形成するためのセラミックス粉末としては窒化アルミニウムもアルミナも両方適用することができるが、アルミナの方がより接合強度を高めることができる。

また、このセラミックス被膜６は、焼成工程を経ることなく常温で形成されるため、焼成時の熱による歪みの発生がなく、反りや被膜の割れ等の欠陥が生じることがない。
したがって、このセラミックス被膜６を形成したセラミックス基板２は、抗折強度が向上し、過酷な熱サイクル条件でも割れ等が生じにくい。したがって、アルミニウム板７との接合性向上の効果と相まって、パワーモジュール用の絶縁基板としての信頼性を高めることができるものである。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、セラミックス基板の材料としては、窒化珪素に、必要に応じて、他の成分、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）等を混合したものであってもよい。一方、セラミックス被膜を構成する材料としては、アルミナ、窒化アルミニウムを単体で使用してもよいし、これらを混合したものでもよい。また、セラミックス基板に冷却器を直接接合したが、セラミックス基板に放熱用金属板を接合した上で、この放熱用金属板を冷却器に接合するようにしてもよい。

本発明に係るパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの全体構成例を示す縦断面図である。 図１のパワーモジュール用基板を製造するための被膜形成装置を示す構成図である。 図２の被膜形成装置を使用してセラミックス基板の表面にセラミックス被膜を形成している状態を示しており、（ａ）が被膜形成中の縦断面図、（ｂ）は被膜形成部分の拡大図、（ｃ）は被膜形成後の縦断面図である。

符号の説明

１ パワーモジュール
２ 絶縁基板
３ パワーモジュール用基板
４ 電子部品
５ 冷却器
６ セラミックス被膜
７ 回路層用アルミニウム板
８ ニッケルメッキ膜
９ はんだ接合層
１０ 流路
１１ 被膜形成装置
１２ エアロゾル生成チャンバ
１３ 処理チャンバ
１４ キャリアガス供給系
１５ 搬送管
１６ 噴射ノズル
１７ ステージ
１８ 真空ポンプ

Claims (3)

1. 窒化珪素を母材とするセラミックス基板の上に回路層用アルミニウム板をろう付け接合してなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
   窒化アルミニウム又はアルミナのうちのいずれか又はこれらの混合物からなるセラミックス粉末をガス中に分散してエアロゾル化し、そのエアロゾルを前記セラミックス基板に噴射することにより、該セラミックス基板の表面にセラミックス被膜を形成し、その後、該セラミックス被膜の上に前記回路層用アルミニウム板をろう付け接合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. 前記セラミックス基板に噴射する前の前記セラミックス粉末の平均粒子径が０．１〜０．７μｍであり、前記セラミックス被膜は、その膜厚が０．５〜１．５μｍであり、被膜中のセラミックス粒子の最大部分の径の平均が１０〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
3. 窒化珪素を母材とするセラミックス基板の表面に、窒化アルミニウム又はアルミナのうちのいずれか又はこれらの混合物からなるセラミックス被膜が形成され、該セラミックス被膜の上に回路層用アルミニウム板がろう付け接合されてなり、前記セラミックス被膜は、膜厚が０．５〜１．５μｍであり、膜中のセラミックス粒子の最大部分の径の平均が１０〜５０ｎｍであることを特徴とするパワーモジュール用基板。

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