JP5771951B2

JP5771951B2 - パワーモジュール用基板の製造方法

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Publication number: JP5771951B2
Application number: JP2010243829A
Authority: JP
Inventors: 雅博柳田; 長瀬　敏之; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: JP2012099546A

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。

従来のパワーモジュールとして、例えば特許文献１に示されように、セラミックス基板の一方の面に、回路層となるアルミニウム金属層を積層し、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされ、一方、セラミックス基板の他方の面に放熱層となるアルミニウム金属層が形成され、この金属層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。
このようなセラミックス基板に回路層又は放熱層となるアルミニウム金属層を積層状態に形成する方法として、セラミックス基板に、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材を介在させてアルミニウム金属層を重ね合わせ、その積層体を加圧、加熱することにより、ろう材を溶融させて、セラミックス基板とアルミニウム金属層とを接合するようにしている。
また、一般に、複数個のパワーモジュール用基板を製作できる大きさのセラミックス平板に、アルミニウムの金属板をろう付けにより接合した後、個々のパワーモジュール用基板とするために、金属板をエッチングにより所望の外形の複数の金属層に加工し、その後、その金属層を含む個々のセラミックス基板に分割することにより、パワーモジュール用基板が形成される。

ところで、回路層及び放熱層とも同じ厚さの金属層で形成されるのが一般的であったが、高熱膨張係数のヒートシンクとの間の熱伸縮差を緩和する緩衝機能を放熱層自身に持たせるために、放熱層を厚肉に形成することが検討されている。その結果、回路層と放熱層との厚さに差が生じることから、金属層の外形をエッチングにより加工する場合に、厚肉の放熱層のエッチング時間に合わせると、薄肉の回路層側のエッチング時間が長くなり過ぎることから、回路層においては、エッチング量が多くなって所望の外形より小さくなってしまうという問題がある。逆に、薄肉の回路層のエッチング時間に全体を合わせると、厚肉の放熱層側のエッチング時間が短か過ぎて加工しきれない、という問題となる。

このエッチング加工は、金属層を覆うエッチングマスクの隙間からエッチング液が浸入して金属層を腐食する加工であるが、図３に模式的に示したように、エッチング液による腐食作用は、金属層Ｍの厚さ方向だけでなく、エッチングマスクＥの裏側に回り込んで面方向にも生じるので、エッチングマスクＥの隙間Ｇの設計においては、このエッチング液の面方向の腐食によるエッチング部分（以下、エッチングしろＳと称す）も見込んで隙間寸法を決めておく必要がある。
セラミックス基板の表裏で異なる厚さの金属層を用いる場合、厚肉の金属層のエッチング時間に合わせると薄肉の金属層のエッチングしろＳが大きくなるので、その分、薄肉の金属層用のエッチングマスクの隙間をその厚さに対応する通常の設計値よりも小さく設定しておくことにより、薄肉の金属層が所望の外形に仕上げられるのとほぼ同じタイミングで、厚肉の金属層のエッチング加工を終了させることができるはずである。

しかしながら、エッチングマスクの設計が難しくなるとともに、エッチングマスクの隙間を小さくするには限界があり、例えば０．３ｍｍ未満の隙間では、エッチング加工時に金属層のアルミニウムがエッチングマスクの裏面から抜け出せず、精度良くエッチング加工できないという問題が生じる。

特開２００８−３１１２９６

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、厚さの異なる両金属層に対するエッチングマスクを同様の基準で設計することができ、製造が容易であるとともに、エッチング加工精度を高めることができるパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に積層されたアルミニウムからなる第１金属層と、前記セラミックス基板の他方の面に積層されたＪＩＳ規格の１０００番台のアルミニウムからなる第２金属層とを備え、前記第１金属層の厚さよりも前記第２金属層の厚さの方が大きく形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記第２金属層となる金属板として、前記第１金属層となる金属板よりもＦｅ及びＳｉの含有量が多く、前記第２金属層となる金属板はＦｅ及びＳｉの合計で０．４５質量％〜０．９５質量％含有しており、エッチングレートが両金属板の厚さに対応して第１金属層となる金属板のエッチングレートの１．４倍〜１．６倍速い金属板を用い、両金属板を前記セラミックス基板に接合した後、両金属板をエッチングすることにより前記第１金属層及び前記第２金属層を形成することを特徴とする。
また、前記セラミックス基板を複数個製作できるセラミックス平板を用意するとともに、前記第１金属層となる金属板及び前記第２金属層となる金属板をそれぞれ前記第１金属層及び前記第２金属層を複数個製作できる大きさに形成しておき、前記セラミックス平板の両面にそれぞれ前記金属板を接合した後、両金属板を同時にエッチングして前記第１金属層及び前記第２金属層の外形に形成し、その後、前記セラミックス平板を分割することを特徴とする。

第１金属層よりも厚さが大きい第２金属層をエッチングするのに要する時間は、両金属層とも同じエッチングレートであるとすると、厚さが大きい分、時間がかかることになるが、両金属層のアルミニウムに含有されるＦｅ及びＳｉは、エッチングによる腐食を促進させる効果があり、その含有量が異なることから、これらの含有量に応じたエッチングレートでエッチングされる。この場合、厚さの大きい第２金属層の方がＦｅ及びＳｉの含有量が多いので、第１金属層よりもエッチングレートが大きく、その分、厚さが大きくても、その厚さ分をエッチングするのに要する時間は、厚さの小さい第１金属層のエッチング時間とほぼ合わせることが可能になる。したがって、両金属層とも、ほぼ同じタイミングでエッチング加工を終了させることができる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記第１金属層は、厚さが０．２ｍｍ〜０．６ｍｍで、前記第１金属層となる金属版はＦｅの含有量が０．１５質量％以下、Ｓｉの含有量が０．１５質量％以下であり、第２金属層は、厚さが０．３ｍｍ〜０．９ｍｍであるとよい。
ろう付け前の組成で前記第１金属層として、アルミニウム純度が９９．８０％以上のアルミニウム、第２金属層として、アルミニウム純度が９９．０〜９９．５％のアルミニウムを用いるとよい。
エッチング液としては、塩化第二鉄を主成分とするものであることが好ましい。

本発明によれば、厚さの大きい第２金属層の方がＦｅ及びＳｉの含有量が多いので、第１金属層よりもエッチングレートが大きくなり、その結果、両金属層とも、ほぼ同じタイミングでエッチング加工を終了させることができる。したがって、両金属層に対するエッチングマスクを同様の基準で設計することができ、エッチング加工の管理等、製造が容易になるとともに、エッチング精度を高めることができる。

本発明の実施形態の製造方法が適用されるパワーモジュールの全体構成を示す縦断面図である。図１に示されるパワーモジュール用基板を製作する際のエッチング加工前の状態を示す縦断面図である。金属層のエッチング加工時に生じるエッチングしろを説明する模式図である。

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、セラミックス等からなるセラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、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ヒートシンク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の表面側に回路層となる第１金属層７がろう付けにより積層されるとともに、裏面側に放熱のための熱伝達層となる第２金属層８がろう付けにより積層されており、第１金属層の表面に電子部品４が搭載され、第２金属層８の表面にヒートシンク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、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成される。

第１金属層７は、ろう付け前の組成で、アルミニウム純度９９．８０質量％以上のアルミニウムからなり、第２金属層８は、同じくろう付け前の組成でアルミニウム純度９９．０〜９９．５質量％のアルミニウムとされている。この場合、アルミニウムに含まれる不純物成分としては、Ｆｅ及びＳｉが含有されており、ろう付け後の組成として、第１金属層７においては、Ｆｅの含有量が０．１５質量％以下、Ｓｉの含有量が０．１５質量％以下とされ、第２金属層８は、Ｆｅ及びＳｉの合計の含有量が０．４５質量％〜０．９５質量％とされている。その他の不純物成分として、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｔｉ等を含有していてもよいが、Ｓｉ及びＦｅを含有していることが重要である。第２金属層８の方が第１金属層７に比べてＦｅ及びＳｉの含有量が多いので、第２金属層８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っている。
ＪＩＳ規格品では、第１金属層７として１Ｎ９９、第２金属層８として１０００番台のアルミニウムを用いることができる。
また、第１金属層８の厚さは０．２ｍｍ〜０．６ｍｍとされ、第２金属層７の厚さは０．３ｍｍ〜０．９ｍｍとされる。第２金属層７の方が第１金属層８よりも０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ厚く形成される。
なお、セラミックス基板２の厚さは限定されるものではないが、例えば０．６３５ｍｍとされる。

また、これらセラミックス基板２、第１金属層７、第２金属層８の相互間は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材によって接合されている。第２金属層８とヒートシンク５との間は、ろう材又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によって接合され、あるいは、シリコングリースによって密着させた状態でねじによって機械的に固定される。

ヒートシンク５は、その形状等は特に限定されないが、アルミニウムの押し出し成形によって形成され、パワーモジュール用基板３に接合される筒体１５と、筒体１５の内部を複数の流路１６に区画する縦壁１７とが一体に形成された構成とされている。筒体１５の天板部１５ａは、パワーモジュール用基板３の第２金属層８より大きい四角形状の平面形状を有しており、各縦壁１７は、筒体１５の幅方向に等間隔で相互に平行に並べられ、筒体１５の長さ方向に沿って設けられている。なお、このヒートシンク５は、構造材として強度が比較的高いアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では例えばＡ６０６３のアルミニウムとされる。

そして、第１金属層７の表面に、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１８がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と第１金属層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。

そして、このような構成のパワーモジュール用基板３を製造するには、図２に示すように、セラミックス基板２を複数個製作できる大きさのセラミックス平板２１の両面にろう材箔を介して第１金属層７及び第２金属層８となる金属板２２，２３をそれぞれ積層し、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両金属板２２，２３をそれぞれセラミックス平板２１に接合する。この場合、両金属板２２，２３もセラミックス平板２１と同様に、複数個のパワーモジュール用基板３を製作できる大きさに形成されている。

次いで、エッチング加工により両金属板２２，２３を所望の外形に形成する。このとき、両金属板２２，２３の表面にフォトレジスト法によりエッチングマスク２４，２５を形成する。この場合、両金属板２２，２３は、その不純物の含有量が前述したように相違していることから、ほぼ厚さに対応したエッチングレートとされている。すなわち、第１金属層７となる金属板２２の厚さが０．２ｍｍ〜０．６ｍｍ、第２金属層８となる金属板２３の厚さが０．３ｍｍ〜０．９ｍｍであり、不純物含有量は、第１金属層７となる金属板２２で、Ｆｅの含有量が０．１５質量％以下、Ｓｉの含有量が０．１５質量％以下、第２金属層８となる金属板２３で、Ｆｅ及びＳｉの合計の含有量が０．４５質量％〜０．９５質量％とされている。このような各金属層７，８の厚さと不純物含有量との関係により、第２金属層７となる金属板２３のエッチングレートは、第１金属層７となる金属板２２のエッチングレートの１．４倍〜１．６倍、速くなる。このため、両金属層７，８を同時にエッチング加工すれば、ほぼ同じタイミングでそれぞれの厚さ分のエッチング加工が終了する。

したがって、両金属板２２，２３の表面を覆うエッチングマスク２４，２５の設計においては、それぞれのエッチングレートに対応した隙間２６，２７を設定すればよく、前述したエッチングしろＳ（図３参照）において、他方の金属板のエッチング終了時期との調整分を見込んでおく必要はない。
そして、両金属板２２，２３の表面にエッチングマスク２４，２５を形成した後、これらをエッチング液に浸漬する。エッチング液としては、塩化第二鉄を主成分とするものが用いられ、例えばＦｅＣｌ_３≧４４％、ＦｅＣｌ_２≦０．１３％、ＨＣｌ≦０．１５％の濃度の溶液とされる。

このようにしてエッチングにより両金属層７，８の外形を加工した後、セラミックス平板２１を分割することによりパワーモジュール用基板３が作成され、このパワーモジュール用基板３に、その第２金属層８にヒートシンク５が接合されるとともに、第１金属層７の上に電子部品４がはんだ付けされる。このはんだ付け作業は窒素と水素を混合した還元ガス雰囲気中で行われる。また、冷却後に、大気中で電子部品４と第１金属層７との間でワイヤボンディングされる。
この一連の工程によってパワーモジュール１が完成する。

本発明の効果確認のために、第１金属層としてアルミニウム純度が９９．９９ｗｔ％のアルミニウム、第２金属層としてアルミニウム純度が９９．２ｗｔ％のアルミニウムを用い、これらを窒化アルミニウムのセラミックス基板の片面にそれぞれろう付けした。Ｆｅ及びＳｉの含有量は、第１金属層がＦｅ：０．００３質量％、Ｓｉ：０．００５質量％であり、第２金属層はＦｅとＳｉの合計で０．７質量％であった。金属層の厚さは、第１金属層が０．４ｍｍ、第２金属層が０．６ｍｍとした。そして、各金属層にエッチング幅を０．３５ｍｍとしてエッチングマスクを形成した。
エッチング液としては、ＦｅＣｌ_３：４０％、ＦｅＣｌ_２：０．１％、ＨＣｌ：０．１５％濃度の溶液を用いた。
このエッチング液にセラミックス基板と各金属層との積層体をそれぞれ浸漬し、金属層のエッチング所要時間を調べたところ、第１金属層が８分、第２金属層が８分であった。
比較例として、第１金属層と第２金属層とを同じアルミニウム純度が９９．０ｗｔ％のアルミニウムとする以外は、上記の実験条件と同じ条件でエッチングをした場合、エッチング所要時間は、第１金属層が８分、第２金属層が１２分であった。
したがって、本実施形態の構成とすることにより、両金属層をほぼ同じタイミングでエッチング終了させることができることが確認された。

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。
実施形態では、回路層側を厚さの小さい第１金属層、放熱層側を厚さの大きい第２金属層としたが、逆に、回路層側を厚さが大きい第２金属層、放熱層側を厚さの小さい第１金属層とするものにも適用することができる。

１パワーモジュール
２セラミックス基板
３パワーモジュール用基板
４電子部品
５ヒートシンク
７第１金属層
８第２金属層
１５筒体
１６流路
１７縦壁
１８はんだ接合層
２１セラミックス平板
２２，２３金属板
２４，２５エッチングマスク
２６，２７隙間

Claims

セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に積層されたアルミニウムからなる第１金属層と、前記セラミックス基板の他方の面に積層されたＪＩＳ規格の１０００番台のアルミニウムからなる第２金属層とを備え、前記第１金属層の厚さよりも前記第２金属層の厚さの方が大きく形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記第２金属層となる金属板として、前記第１金属層となる金属板よりもＦｅ及びＳｉの含有量が多く、前記第２金属層となる金属板はＦｅ及びＳｉの合計で０．４５質量％〜０．９５質量％含有しており、エッチングレートが両金属板の厚さに対応して第１金属層となる金属板のエッチングレートの１．４倍〜１．６倍速い金属板を用い、両金属板を前記セラミックス基板に接合した後、両金属板をエッチングすることにより前記第１金属層及び前記第２金属層を形成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。
前記セラミックス基板を複数個製作できるセラミックス平板を用意するとともに、前記第１金属層となる金属板及び前記第２金属層となる金属板をそれぞれ前記第１金属層及び前記第２金属層を複数個製作できる大きさに形成しておき、前記セラミックス平板の両面にそれぞれ前記金属板を接合した後、両金属板を同時にエッチングして前記第１金属層及び前記第２金属層の外形に形成し、その後、前記セラミックス平板を分割す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。
前記第１金属層は、厚さが０．２ｍｍ〜０．６ｍｍで、前記第１金属層となる金属版はＦｅの含有量が０．１５質量％以下、Ｓｉの含有量が０．１５質量％以下であり、第２金属層は、厚さが０．３ｍｍ〜０．９ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板の製造方法。