JP6124521B2 - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、セラミック基板の両面の一方の主面に回路銅板、他方の主面に放熱銅板を接合させてなり、回路銅板上に接合材を介して電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板及びその製造方法に関する。
従来より、大電力化、高速化、高集積化の進むパワートランジスタ等の高熱を発する半導体素子を搭載し、半導体素子からの発熱を速やかに放熱させて半導体素子の信頼性を維持させることができるためのパワーモジュール用基板は、民生機器用や、自動車、電気自動車等の車載用等に採用されている。このようなパワーモジュール用基板には、通常、１個分のセラミック基板や、複数個分がマトリックス状に配列することができる大型のセラミック基板が用いられている。このセラミック基板には、それぞれの主面にセラミック基板の寸法と略同等、あるいは若干小さめの銅板を銅の融点を利用して直接加熱接合する直接接合法や、活性金属ろうを介して加熱接合する活性金属ろう材接合法で接合している。そして、略全面に銅板が貼り付けられたセラミック基板は、エッチングによって、それぞれの主面に半導体素子を搭載して電気的導通状態を形成するためのパターン形成された回路銅板と、半導体素子から発生する熱を伝熱及び放熱させるための放熱銅板を形成している。更に、大型セラミック基板に回路銅板と、放熱銅板を一対とするパワーモジュール用基板が複数個分マトリックス状に配列するパワーモジュール用基板集合体には、個片体に分割するための分割溝を形成する場合がある。
個片体のパワーモジュール用基板には、回路銅板側の定められた部分の銅板上に半導体素子が接合材で接合されるようになっている。また、パワーモジュール用基板には、半導体素子が接合材で接合された銅板とは異なる銅板上に外部接続端子が接合材で接合されるようになっている。そして、パワーモジュール用基板は、半導体素子と、他の部分の銅板との間をボンディングワイヤで接続して電気的な導通回路を形成し、外部接続端子を介して半導体素子に高電圧且つ高電流が流せるようにしている。また、このパワーモジュール用基板は、高電圧且つ高電流が流れることで発生する半導体素子からの発熱を速やかに熱伝導率のよい銅を用いた回路銅板側から放熱させるために、熱伝導率のよい銅を用いた放熱銅板側に伝熱させると共に、通常、放熱銅板に接合材等で接合されるヒートシンク板から放熱させている。
しかしながら、上記のパワーモジュール用基板は、回路銅板側の定められた部分の銅板上に半導体素子が接合材で接合されるので、接合材付けの際に余分な接合材が半導体素子の外部や、セラミック基板上に流れ出たりするという問題が発生していた。
そこで、従来のパワーモジュール用基板及びその製造方法には、半導体素子が接合材で接合される銅板の接合部位の周辺部に土手を設けて接合材流れ止め用とするパワーモジュール用基板、及びそれをエッチングで設ける製造方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
また、従来のパワーモジュール用基板には、セラミック回路基板という発明の名称の基に、セラミック基板の上面に金属回路板が接合されて成り、この金属回路板の上面に接合材を介して半導体素子が搭載されるセラミック回路基板において、金属回路板は、その上面に半導体素子の外周縁が内周と外周との間に位置する枠状の溝が形成されているものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
しかしながら、前述したような従来のパワーモジュール用基板及びその製造方法は、次のような問題がある。
（１）特開平１０−２４２３３０号公報や、特開平１０−２４２３３１号公報で開示されるようなパワーモジュール用基板は、半導体素子を半導体素子搭載部に位置決めよく搭載させることができるものの、半導体素子接合時の接合材である半田ペースト中のフラックスが液化して濡れ広がることで流れ出た半田によって、半導体素子の接合される位置がずれるようになっている。また、このパワーモジュール用基板は、半導体素子接合時の接合材である半田ペースト中のフラックスが液化して濡れ広がることで流れ出た半田が土手で遮られるので、土手を越えての流れ出しを防止することができるものの、流れ出た半田が土手枠内で溢れて半導体素子の上面にまで達することがあり、半導体素子の不具合を発生させることとなっている。
（２）特開２００４−１１９５６８号公報で開示されるようなパワーモジュール用基板は、半導体素子を半導体素子搭載部に位置決めよく搭載させることができるものの、半導体素子の外周縁が枠状の溝の内周と外周との間に位置しているので、溝内に流れ込んだ接合材が半導体素子の上面に達することがあり、半導体素子の不具合を発生させることとなっている。
（３）特開平１０−２４２３３０号公報、特開平１０−２４２３３１号公報、特開２００４−１１９５６８号公報で開示されるようなパワーモジュール用基板の製造方法は、回路銅板を形成した後に、土手や、溝をエッチングや、切削等で形成しているので、作製が複雑で難しいと共に、作製に時間が掛かり、パワーモジュール用基板のコストアップとなっている。
（１）特開平１０−２４２３３０号公報や、特開平１０−２４２３３１号公報で開示されるようなパワーモジュール用基板は、半導体素子を半導体素子搭載部に位置決めよく搭載させることができるものの、半導体素子接合時の接合材である半田ペースト中のフラックスが液化して濡れ広がることで流れ出た半田によって、半導体素子の接合される位置がずれるようになっている。また、このパワーモジュール用基板は、半導体素子接合時の接合材である半田ペースト中のフラックスが液化して濡れ広がることで流れ出た半田が土手で遮られるので、土手を越えての流れ出しを防止することができるものの、流れ出た半田が土手枠内で溢れて半導体素子の上面にまで達することがあり、半導体素子の不具合を発生させることとなっている。
（２）特開２００４−１１９５６８号公報で開示されるようなパワーモジュール用基板は、半導体素子を半導体素子搭載部に位置決めよく搭載させることができるものの、半導体素子の外周縁が枠状の溝の内周と外周との間に位置しているので、溝内に流れ込んだ接合材が半導体素子の上面に達することがあり、半導体素子の不具合を発生させることとなっている。
（３）特開平１０−２４２３３０号公報、特開平１０−２４２３３１号公報、特開２００４−１１９５６８号公報で開示されるようなパワーモジュール用基板の製造方法は、回路銅板を形成した後に、土手や、溝をエッチングや、切削等で形成しているので、作製が複雑で難しいと共に、作製に時間が掛かり、パワーモジュール用基板のコストアップとなっている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、回路銅板上に半導体素子を接合材接合するときの位置決めを正確にできると共に、接合材流れによる半導体素子の搭載位置ずれを防止できる安価なパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
前記目的に沿う本発明に係るパワーモジュール用基板は、セラミック基板の一方の主面に直接又は活性金属ろう材を介して接合され半導体素子を搭載して電気的導通状態を形成するための回路銅板と、セラミック基板の他方の主面に直接又は活性金属ろう材を介して接合され半導体素子から発生する熱を放熱させるための放熱銅板と、を有するパワーモジュール用基板において、回路銅板は単層体であり、半導体素子が接合材を介して接合される回路銅板上面は、幅部の大きさが０．０５ｍｍ以上であり、その深さが０を超え前記回路銅板の厚みに対して８０％以下であり、少なくとも前記幅部の一部を前記半導体素子が跨ぐように覆われる、凹み状パターンを有する。
前記目的に沿う本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミック基板の両主面のそれぞれに銅板を載置し加熱接合した後、銅板をエッチングして一方の主面に半導体素子を搭載して電気的導通状態を形成するための回路銅板と、他方の主面に半導体素子から発生する熱を放熱させるための放熱銅板を設けるパワーモジュール用基板の製造方法において、セラミック基板の両主面のそれぞれに加熱接合した銅板の、回路銅板形成用の銅板に所望する凹み状パターン用パターンを開口とし、所望する回路銅板用パターンからなる第１のエッチングレジストマスクと、放熱銅板形成用の銅板に所望する放熱銅板用パターンからなる第２のエッチングレジストマスクを形成する工程と、第１、及び第２のエッチングレジストマスクから露出する銅板を、銅板の厚みの途中までエッチングした後、第１のエッチングレジストマスクの凹み状パターン用パターンの開口から露出する銅板の有底穴部を塞ぐ第３のエッチングレジストマスクを形成する工程と、第１、第２、及び第３のエッチングレジストマスクから露出する銅板をセラミック基板が外部に露出するまでエッチングした後、第１、第２、及び第３のエッチングレジストマスクを除去する工程と、を有する。
上記のパワーモジュール用基板の製造方法においては、セラミック基板が酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、又はジルコニア入り酸化アルミニウムからなり、セラミック基板の両主面のそれぞれに銅板が直接接合、又は活性金属ろう材接合で加熱接合されるのがよい。
上記のパワーモジュール用基板では、半導体素子が接合材を介して接合される回路銅板上面に、幅部大きさが０．０５ｍｍ以上、深さが０を超え回路銅板の厚みに対して８０％以下からなり、少なくとも幅部の一部を半導体素子が跨ぐように覆われる凹み状パターンを有するので、この凹み状パターンによって、半導体素子を正確に位置決めして搭載でき、半導体素子接合時の接合材ペースト中のフラックスが液化して濡れ広がることで流れ出た接合材で半導体素子の下面を回路銅板に強固に接合できると共に、接合材ペースト中のフラックスが液化して濡れ広がる余分のフラックスを半導体素子下方の凹み状パターンに流れ込ませて接合材を流れ込ませ、余分な接合材の半導体素子周辺部への濡れ広がりを制限して、半導体素子を所望する位置に正確、且つ強固に接合させることができるパワーモジュール用基板を提供することができる。また、このパワーモジュール用基板では、凹み状パターンは、幅部大きさが０．０５ｍｍ以上、深さが０を超え回路銅板の厚みに対して８０％以下からなるので、リング形状、直線や曲線等からなる線状、多角形や円形等の自由形状の凹み状パターンを設けるパワーモジュール用基板を提供することができる。
上記のパワーモジュール用基板の製造方法では、セラミック基板の両主面のそれぞれに加熱接合した銅板の、回路銅板形成用の銅板に所望する凹み状パターン用パターンを開口とし、所望する回路銅板用パターンからなる第１のエッチングレジストマスクと、放熱銅板形成用の銅板に所望する放熱銅板用パターンからなる第２のエッチングレジストマスクを形成する工程と、第１、及び第２のエッチングレジストマスクから露出する銅板を、銅板の厚みの途中までエッチングした後、第１のエッチングレジストマスクの凹み状パターン用パターンの開口から露出する銅板の有底穴部を塞ぐ第３のエッチングレジストマスクを形成する工程と、第１、第２、及び第３のエッチングレジストマスクから露出する銅板をセラミック基板が外部に露出するまでエッチングした後、第１、第２、及び第３のエッチングレジストマスクを除去する工程と、を有するので、セラミック基板の両主面のそれぞれに所望の寸法、形状からなる凹み状パターンを備える回路銅板と、ベタ状の放熱銅板を同時に設ける安価なパワーモジュール用基板を容易に形成できる製造方法を提供することができる。
特に、このパワーモジュール用基板の製造方法では、セラミック基板が酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、又はジルコニア入り酸化アルミニウムからなり、セラミック基板の両主面のそれぞれに銅板が直接接合、又は活性金属ろう材接合で加熱接合されるので、セラミック基板に接合させた銅板を容易にエッチングすることができ、所望の寸法、形状からなる凹み状パターンを備える回路銅板と、放熱銅板を同時に設ける安価なパワーモジュール用基板を容易に形成できる製造方法を提供することができる。
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
図１（Ａ）〜（Ｃ）、図２を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板を説明する。ここに、図１（Ａ）は、パワーモジュール用基板の複数個が集合するパワーモジュール用基板集合体の斜視図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＡ−Ａ’線縦断面図である。図１（Ｃ）は、パワーモジュール用基板の斜視図である。図２は、パワーモジュール用基板に半導体素子を実装するときの断面視する説明図である。
図１（Ａ）〜（Ｃ）、図２を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板を説明する。ここに、図１（Ａ）は、パワーモジュール用基板の複数個が集合するパワーモジュール用基板集合体の斜視図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＡ−Ａ’線縦断面図である。図１（Ｃ）は、パワーモジュール用基板の斜視図である。図２は、パワーモジュール用基板に半導体素子を実装するときの断面視する説明図である。
上記のパワーモジュール用基板１０は、焼成済の所定寸法からなるセラミック基板１１に１個分が作製される場合があるが、通常は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、焼成済の大型のセラミック基板１１ａに複数個のパワーモジュール用基板１０が配列して集合するパワーモジュール用基板集合体３０として作製されるようになっている。そして、図１（Ｃ）に示すように、最終的には、パワーモジュール用基板１０は、パワーモジュール用基板集合体３０の大型のセラミック基板１１ａ部分で分割して、所定寸法の１個分のパワーモジュール用基板１０としている。
上記のパワーモジュール用基板１０は、セラミック基板１１の一方の主面である上面側に回路銅板１２と、セラミック基板１１の他方の主面である下面側にベタ状態のパターンからなる放熱銅板１３を有している。そして、図２に示すように、パワーモジュール用基板１０は、所定位置の回路銅板１２にパワートランジスタ等の高熱を発する半導体素子２０を搭載したり、他の所定位置の回路銅板１２に外部接続端子２１を接合したり、更には、半導体素子２０と、半導体素子２０が搭載されない他の回路銅板１２間にボンディングワイヤ２２で連結させることで、電気的導通状態が形成できるようにしている。また、このパワーモジュール用基板１０は、回路銅板１２上面に接合される半導体素子２０からの発熱を速やかに伝熱及び放熱させるための放熱銅板１３を、更にヒートシンク板２３等に接合させて放熱を更に促進させることができるようにしている。
上記のパワーモジュール用基板１０は、半導体素子２０が接合材２４を介して接合される回路銅板１２上面に、パターンの少なくとも一部の幅部を半導体素子２０が跨ぐように覆われる凹み状パターン１４を有している。この凹み状パターン１４は、特に、形状が限定されるものではないが、例えば、パターンの一部、又は全部を半導体素子２０が跨ぐように覆われることができるような四角形や、多角形や、円形や、自由形状等のリング状溝幅部を有するパターンであってよい。また、この凹み状パターン１４は、例えば、パターンの一部、又は全部を半導体素子２０が跨ぐように覆われることができるような直線や、曲線等の一線状溝幅部や、十字状や、放射状等の交叉線状溝幅部を有するパターンであってよい。あるいは、この凹み状パターン１４は、例えば、パターンの一部、又は全部を半導体素子２０が跨ぐように覆われることができるような広さのクレーター状穴を１又は複数個備えるパターンであってよい。
この回路銅板１２上面に設ける凹み状パターン１４は、半導体素子２０を回路銅板１２上に載置させるときの位置決め用として用いることができ、半導体素子２０を回路銅板１２上に正確に位置決めさせることができる。また、回路銅板１２上面に設ける凹み状パターン１４は、回路銅板１２上に接合材２４、例えば、半田を介して半導体素子２０を接合させるときに、回路銅板１２上に設けるクリーム半田中のフラックスが液化して濡れ広がろうとするのを凹み状パターン１４に流れ込ませて抑制させることができ、接合材２４である半田の流れ出しを抑制させることができる。そして、半導体素子２０は、回路銅板１２上に適切な凹み状パターン１４を設けることで、接合材２４の広がる領域が制限され、接合させる位置の規制力が働き、必要とする位置に正確、且つ強固に接合させることができる。更に、凹み状パターン１４の外側の回路銅板１２上は、接合材２４、例えば、半田のフラックスが存在しなくなるので、清浄化されず、接合材２４の広がる領域が半導体素子２０の下面に溜まることになり、半導体素子２０の上面側への接合材２４の這い上がりを防止することができる。
上記のパワーモジュール用基板１０における凹み状パターン１４は、凹み状パターン１４の幅部の大きさが０．０５ｍｍ以上からなり、深さが０を越え回路銅板１２の厚みに対して８０％以下からなっている。溝で構成されるパターンの場合の幅部寸法は、場所によってその大きさが変化してもよいが、パターンの少なくとも一部の幅部を半導体素子２０が跨ぐように覆われることができる寸法が必要である。また、クレーター状穴で構成されるパターンの場合の幅部寸法は、少なくともクレーター状穴内に半導体素子２０が落ち込まないことが必要である。なお、凹み状パターン１４は、幅部の大きさが０．０５ｍｍを下まわる場合には、接合材２４、例えば、半田の場合のようなクリーム半田中のフラックスが液化して濡れ広がろうとするのを止めることができなく、フラックスが凹み状パターン１４を乗り越えて濡れ広がるので接合材２４が流れ出し、半導体素子２０の上面側への接合材２４の這い上がりを防止することができなくなっている。また、凹み状パターン１４は、深さが回路銅板１２の厚みに対して８０％を超える場合には、凹み状パターン１４への接合材２４の流れ込みが多くなり、半導体素子２０を繋ぎ止めるための接合材２４が不足して半導体素子２０を回路銅板１２上面に強固に接合させることができなくなっている。
次いで、図３（Ａ）〜（Ｅ）を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板１０の製造方法を説明する。
なお、このパワーモジュール用基板１０の製造方法には、予め作製された個片体のセラミック基板１１に形成するパワーモジュール用基板１０として形成する場合と、大型のセラミック基板１１ａに複数個の個片体のパワーモジュール用基板１０が配列するパワーモジュール用基板集合体３０として形成する場合があるが、ここでは、パワーモジュール用基板１０がパワーモジュール用基板集合体３０として形成される場合についての製造方法で説明する。そして、図３（Ａ）〜（Ｅ）は、パワーモジュール用基板１０が大型のセラミック基板１１ａに複数個が配列して集合するパワーモジュール用基板集合体３０として作製される場合の断面図である。
なお、このパワーモジュール用基板１０の製造方法には、予め作製された個片体のセラミック基板１１に形成するパワーモジュール用基板１０として形成する場合と、大型のセラミック基板１１ａに複数個の個片体のパワーモジュール用基板１０が配列するパワーモジュール用基板集合体３０として形成する場合があるが、ここでは、パワーモジュール用基板１０がパワーモジュール用基板集合体３０として形成される場合についての製造方法で説明する。そして、図３（Ａ）〜（Ｅ）は、パワーモジュール用基板１０が大型のセラミック基板１１ａに複数個が配列して集合するパワーモジュール用基板集合体３０として作製される場合の断面図である。
このパワーモジュール用基板１０の製造方法は、焼成済の大型セラミック基板１１ａの両主面のそれぞれに大型セラミック基板１１ａの大きさと略同等の大きさで、上面側に所定の厚みからなる熱伝導率の高い金属板である一枚銅板１５と、下面側に所定の厚みからなる上記の銅板１５と同じ一枚銅板１５ａを重ね合わせて載置し加熱接合している。そして、加熱接合した後、このパワーモジュール用基板１０の製造方法は、銅板１５、１５ａを所定のエッチング液でエッチングして、一方の主面である上面側に半導体素子２０を搭載して電気的導通状態を形成するための回路銅板１２と、他方の主面である下面側に半導体素子２０から発生する熱を放熱させるための放熱銅板１３を回路銅板１２と略対応させるようにして設けるようにしている。
図３（Ａ）に示すように、本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板１０の製造方法では、大型セラミック基板１１ａの両主面のそれぞれに加熱接合した銅板１５、１５ａのうちの、回路銅板１２形成用の銅板１５に所望する凹み状パターン１４用パターンを開口とし、所望する回路銅板１２用パターンが複数個配列してなる第１のエッチングレジストマスク１６を形成する工程を有している。また、これと併せて、このパワーモジュール用基板１０の製造方法では、大型セラミック基板１１ａの両主面のそれぞれに加熱接合した銅板１５、１５ａのうちの、放熱銅板１３形成用の銅板１５ａに所望する放熱銅板１３用パターンが複数個配列してなる第２のエッチングレジストマスク１７を形成する工程を有している。なお、上記のエッチングレジストマスク１６、１７は、大型セラミック基板１１ａの両主面のそれぞれに加熱接合した銅板１５、１５ａ上面の酸化膜を酸洗浄して除去した後、銅板１５、１５ａ上にスクリーン印刷あるいはフォトレジスト法でパターンを形成している。
次に、図３（Ｂ）に示すように、パワーモジュール用基板１０の製造方法では、第１のエッチングレジストマスク１６から露出する銅板１５、及び第２のエッチングレジストマスク１７から露出する銅板１５ａを、この銅板１５、１５ａのそれぞれの厚みの途中までエッチング、所謂、ハーフエッチングを行っている。このエッチングには、通常、塩化第２鉄を３０〜４０重量％含む水溶液からなるエッチング液が用いられ、凹み状パターン１４の深さが所望する深さになるまでの所定時間を第１、第２のエッチングレジストマスク１６、１７から露出する銅板１５、１５ａにエッチング液を吹き付けてエッチングを行っている。そして、図３（Ｃ）に示すように、パワーモジュール用基板１０の製造方法では、このハーフエッチングを行った後に、第１のエッチングレジストマスク１６の凹み状パターン１４用パターンの開口から露出する銅板１５の有底穴部を塞ぐ第３のエッチングレジストマスク１８を第１のエッチングレジストマスク１６上に上記と同様にスクリーン印刷あるいはフォトレジスト法で行って形成する工程を有している。
次に、図３（Ｄ）に示すように、パワーモジュール用基板１０の製造方法では、第１、第２、及び第３のエッチングレジストマスク１６、１７、１８から露出する銅板１５、１５ａを大型セラミック基板１１ａが外部に露出するまでの所定時間、上記と同様にエッチング液を吹き付けてエッチングを行っている。そして、図３（Ｅ）に示すように、パワーモジュール用基板１０の製造方法では、このエッチングを行った後に、第１、第２、及び第３のエッチングレジストマスク１６、１７、１８を除去する工程を有している。上記のパワーモジュール用基板１０の製造方法では、第１、第２、及び第３のエッチングレジストマスク１６、１７、１８を除去した後に、洗浄して乾燥することでパワーモジュール用基板集合体３０としている。
なお、上記のパワーモジュール用基板１０は、セラミック基板１１に１個分として作製された場合には、回路銅板１２の所定のパターンに半導体素子２０を実装し、電気的導通を形成している。一方、パワーモジュール用基板集合体３０として複数個のパワーモジュール用基板１０が配列して作製される場合には、予め焼成される前のセラミックグリーンシートに切り刃等で押圧して形成された押圧溝、又は焼成された後にレーザー加工等で形成される連続する点状溝、として大型セラミック基板１１ａの両主面の少なくとも一方に設ける分割溝１９で分割した後に、個片体のパワーモジュール用基板１０に半導体素子２０を実装し、電気的導通を形成している。あるいは、パワーモジュール用基板集合体３０の場合には、それぞれのパワーモジュール用基板１０に先に半導体素子２０を実装し、それぞれに電気的導通を形成した後に、予め焼成される前のセラミックグリーンシートに形成された押圧溝、又は、焼成された後にレーザー加工等で形成される連続する点状溝、として大型セラミック基板１１ａの両主面の少なくとも一方に設ける分割溝１９で分割するようにしている。
上記のパワーモジュール用基板１０の製造方法においては、セラミック基板１１、１１ａが酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、又はジルコニア入り酸化アルミニウムからなるのがよい。これらのセラミック基板１１、１１ａは、絶縁性、耐熱性、熱伝導性、基板強度等に優れるので、半導体素子２０にかかる高電圧、及び半導体素子２０からの高熱に対して十分な耐熱性と、高熱伝導性をもって問題なく使用することができる。ここで、セラミック基板１１、１１ａの一例であるＡｌ２Ｏ３からなるセラミック基板１１、１１ａを作製するには、アルミナ粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチルフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及び、トルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤が加えられ、十分に混練した後、脱泡して粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーを作製している。そして、このスラリーは、ドクターブレード法等によって、例えば、厚さ０．６４ｍｍ程度のロール状のシートに形成され、適当なサイズにカットしてセラミックグリーンシートを作製し、大気中約１５５０℃程度で焼成してセラミック基板１１、１１ａを作製している。
また、セラミック基板１１、１１ａの一例であるＡｌＮからなるセラミック基板１１、１１ａを作製するには、窒化アルミニウム粉末に焼結助剤を添加し、可塑剤、バインダー、及び溶剤を加えてシート状のセラミックグリーンシートとし、これを適当なサイズにカットし、窒素雰囲気中約１７００℃程度の高温で焼成して形成している。
更に、セラミック基板１１、１１ａの一例であるジルコニア入り酸化アルミニウムからなるセラミック基板１１、１１ａを作製するには、主成分の酸化アルミニウムを７０〜９７ｗｔ％の範囲にして、これにジルコニア（ＺｒＯ２）を２〜２９．９ｗｔ％の範囲で添加し、イットリア、カルシア、マグネシア、セリアのいずれか１種以上の焼結助剤を０．１〜２ｗｔ％の範囲で添加し、可塑剤、バインダー、及び溶剤を加えて、例えば、厚さ０．２５ｍｍのシート状のセラミックグリーンシートとしている。そして、このセラミックグリーンシートは、適当なサイズにカットし、大気中約１５５０℃程度で焼成してセラミック基板１１、１１ａを作製している。なお、Ａｌ２Ｏ３を主成分として、これに上記割合のＺｒＯ２が添加された焼成体からなるセラミック基板１１、１１ａは、Ａｌ２Ｏ３単体の基板と熱伝導率を同等程度に保ちながら基板強度、特に曲げ強度を大幅に高めることができる（Ａｌ２Ｏ３単体では、３．１ＭＰａ・ｍ０．５、ジルコニア系アルミナセラミックでは、４．４ＭＰａ・ｍ０．５）。また、イットリア、カルシア、マグネシア、セリアのいずれか１種以上を添加することで、基板の焼成温度をＡｌ２Ｏ３単体の基板と同等程度に抑えつつ、ＺｒＯ２結晶粒の靭性を改善することができる。これらによって、セラミック基板１１、１１ａは、ＡｌＮの基板より熱伝導率が低下するものの、厚みを薄くすることで、熱伝導率の低さを補うことができ、Ａｌ２Ｏ３単体の基板より優れ、ＡｌＮの基板に匹敵する優れた放熱性を有することができる。
上記のパワーモジュール用基板１０の製造方法においては、セラミック基板１１、１１ａの両主面のそれぞれに銅板１５、１５ａが直接接合、又は活性金属ろう材接合で加熱接合されるのがよい。この直接接合での接合方法とは、予め表面を酸化させた銅板１５、１５ａをセラミック基板１１、１１ａの表面に当接させ、窒素雰囲気中で焼成して酸化銅の融点（１０８３℃）付近まで昇温して銅と微量の酸素との反応により生成するＣｕ−Ｏ共晶液相を結合剤として直接セラミック基板１１、１１ａに接合する方法である。なお、セラミック基板１１、１１ａがＡｌＮからなる場合には、セラミック基板１１、１１ａの表面に酸化膜を形成、すなわち、ＡｌＮの表面をＡｌ２Ｏ３としておく必要がある。
また、活性金属ろう材接合での接合方法とは、チタン、ジルコニウム、ベリリウム等のような極めて反応性の大きい、いわゆる活性な金属をＡｇ−Ｃｕ系ろう等に加えた活性金属ろう材を用いてセラミック基板１１、１１ａと、銅板１５、１５ａを接合する方法である。この方法での接合は、先ず、活性金属ろう材からなるペーストをセラミック基板１１、１１ａのそれぞれの表面に塗布し、その上に予め表面を酸化させた銅板１５、１５ａを当接させ、約７５０〜８５０℃程度で加熱してチタン等の酸素との親和力の強さを利用して、直接セラミック基板１１、１１ａに接合する方法である。なお、活性金属ろう材は、セラミック基板１１、１１ａがジルコニア系アルミナセラミックからなる場合には、例えば、ジルコニウム、チタン、フッ化水素、ニオブのいずれか１種以上をＡｇ−Ｃｕ系ろうに含有させたものを用いることができ、セラミック基板１１、１１ａへの親和力を高めることで接合反応強度を高めて強固に接合することができる。
本発明のパワーモジュール用基板及びその製造方法は、高電圧が流れ、大量の熱を発生する半導体素子を実装し、例えば、インバーター用や、自動車部品用等として用いるためのパワーモジュール用基板及びその製造方法に利用することができる。
１０：パワーモジュール用基板、１１、１１ａ：セラミック基板、１２：回路銅板、１３：放熱銅板、１４：凹み状パターン、１５、１５ａ：銅板、１６：第１のエッチングレジストマスク、１７：第２のエッチングレジストマスク、１８：第３のエッチングレジストマスク、１９：分割溝、２０：半導体素子、２１：外部接続端子、２２：ボンディングワイヤ、２３：ヒートシンク板、２４：接合材、３０：パワーモジュール用基板集合体
Claims (2)
- セラミック基板の両主面のそれぞれに銅板を載置し加熱接合した後、前記銅板をエッチングして一方の主面に半導体素子を搭載して電気的導通状態を形成するための回路銅板と、他方の主面に前記半導体素子から発生する熱を放熱させるための放熱銅板を設けるパワーモジュール用基板の製造方法において、
前記セラミック基板の両主面のそれぞれに加熱接合した前記銅板の、前記回路銅板形成用の前記銅板に所望する凹み状パターン用パターンを開口とし、所望する前記回路銅板用パターンからなる第１のエッチングレジストマスクと、前記放熱銅板形成用の前記銅板に所望する前記放熱銅板用パターンからなる第２のエッチングレジストマスクを形成する工程と、
前記第１、及び第２のエッチングレジストマスクから露出する前記銅板を、該銅板の厚みの途中までエッチングした後、前記第１のエッチングレジストマスクの前記凹み状パターン用パターンの前記開口から露出する前記銅板の有底穴部を塞ぐ第３のエッチングレジストマスクを形成する工程と、
前記第１、第２、及び第３のエッチングレジストマスクから露出する前記銅板を前記セラミック基板が外部に露出するまでエッチングした後、前記第１、第２、及び第３のエッチングレジストマスクを除去する工程と、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。 - 請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記セラミック基板が酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、又はジルコニア入り酸化アルミニウムからなり、前記セラミック基板の両主面のそれぞれに前記銅板が直接接合、又は活性金属ろう材接合で加熱接合され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。
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