JP6152626B2

JP6152626B2 - パワーモジュール用基板の製造方法

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Publication number: JP6152626B2
Application number: JP2012082570A
Authority: JP
Inventors: 寛登本; 慎介青木; 長瀬　敏之; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013214541A

Description

本発明は、大電流、大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、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等の金属層が積層され、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るとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となる金属層が形成され、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。

この種のパワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板においては、はんだ濡れ性を向上させて、電子部品との接合性を高めるために、回路層の表面にニッケルメッキが施されたものが知られている。
例えば、特許文献１から特許文献３記載のパワーモジュール用基板においては、金属層の表面に無電解ニッケルメッキ又は電解ニッケルメッキを施している。また、特許文献４記載のパワーモジュール用基板では、回路層となるアルミニウム金属層上に、そのアルミニウム金属層と密着性の高い無電解ニッケルメッキを施し、その上にさらに電解ニッケルメッキを重ねてメッキ層を形成している。

特開平５‐２４３４２１号公報特開２００４‐２０７４４５号公報特開２００４‐２５０７６２号公報特開２０１０‐５０４１５号公報

ところで、このようにして回路層にニッケルメッキを施したパワーモジュール用基板では、その上面に搭載される電子部品のはんだ付けを行い、その後、回路層と電子部品とを電子的に接続するワイヤボンディングを行っている。
しかしながら、回路層へのボンディングワイヤの接合部において、ニッケルメッキ膜が母材から剥がれるという不具合が生じており、その対策が望まれていた。

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、ボンディングワイヤが接続されるニッケルメッキ膜の剥がれを防止す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ことを目的とする。

セラミックス基板に回路層又は放熱層となる金属層を積層状態に接合する場合、セラミックス基板にろう材を介して金属層を積層した積層体と耐熱シートとをその厚さ方向に交互に積み重ね、これらを加圧しながら加熱することにより、セラミックス基板と金属層とをろう付けすることが行われている。この耐熱シートにはカーボン板が用いられているが、本発明者は、鋭意研究の結果、セラミックス板に金属層をろう付けする際に、セラミックス板と金属層との間から染み出たろう材が、金属層の表面に重ねられたカーボン板の一部と接触することにより、そのカーボンの一部が脱落してろう材とともに金属層の表面に付着していることを突き止めた。この金属層の表面に付着したカーボン及びろう材を除去できれば、ニッケルメッキ膜の剥がれを防止することができる。このような知見のもと、本発明は以下の解決手段とした。

本発明は、セラミックス基板の表面にろう材を介在させて回路層をろう付け接合し、ろう付け接合後の前記回路層上にニッケルメッキ膜を形成するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板に前記ろう材を介在させて積層した前記回路層にカーボン板を重ねて、これらを加圧した状態で加熱することにより、前記セラミックス基板に前記回路層をろう付け接合するろう付け工程と、ろう付け接合後に前記回路層表面をエッチング処理する第１エッチング処理工程と、該第１エッチング処理工程後の前記回路層表面にブラスト処理を施すブラスト処理工程と、ブラスト処理後の前記回路層表面を再度エッチング処理する第２エッチング処理工程と、該第２エッチング処理工程後の回路層上にニッケルメッキ膜を形成するメッキ形成工程とを有し、前記第２エッチング処理工程において、前記回路層表面を０．８μｍ以上除去することを特徴とする。

回路層の表面にニッケルメッキ膜を形成する場合には、回路層とニッケルメッキ膜との密着性を向上させるために、回路層の表面にブラスト処理が施されている。しかし、回路層の表面にカーボン及びろう材が付着した状態でブラスト処理を行うと、カーボン及びろう材が叩きこまれることにより回路層表面に押し込まれ、その後のエッチング処理によっても回路層表面上にカーボンが除去しきれずに残り、ニッケルメッキ膜の剥がれを誘発することがある。
そこで、ブラスト処理前に、エッチング処理を行う第１エッチング処理工程を設け、回路層表面からカーボン等を除去した後にブラスト処理を行うことで、カーボン等が回路層の表面に入り込む現象を回避することができる。そして、再度行われるエッチング処理は（第２エッチング処理工程）、ブラスト処理に使用した投射材の除去を目的としており、回路層表面の凹凸を残して回路層とニッケルメッキ膜との密着性を向上させることができる。
また、この製造方法によれば、回路層表面のカーボン量を２．０ａｔ％以下、シリコン量を０．５ａｔ％以下とするパワーモジュール用基板を製造することができる。これにより、回路層とニッケルメッキ膜との密着性を向上させることができ、パワーモジュール用基板のニッケルメッキ膜の剥がれを防止することができる。

本発明によれば、回路層表面のカーボン量及びシリコン量を低減化することにより、回路層の表面上に付着したカーボンを確実に除去することができるので、回路層とニッケルメッキ膜との密着性を向上させてニッケルメッキ膜の剥がれを防止することができる。

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。本発明のパワーモジュール用基板の製造に用いられる加圧装置を示す概略側面図である。

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、この発明により製造されるパワーモジュール用基板３を適用したパワーモジュール１を示している。この図１のパワーモジュール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、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とから構成される。
パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の一方の面に回路層６が接合されており、その表面に電子部品４が接合される。また、他方の面に放熱層７が接合されており、その表面にヒートシンク５が取り付けられる。

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、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスやＳｉＣ（炭化珪素）等の炭化物系セラミックスにより形成される。
回路層６及び放熱層７は、いずれも純度９９．９０質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１Ｎ９０（純度９９．９０質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。なお、回路層６及び放熱層７には、アルミニウムの他、アルミニウム合金、銅又は銅合金を用いることもできる。
また、回路層６には、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９が形成されている。

回路層６及び放熱層７とセラミックス基板２とは、ろう付けにより接合されている。ろう材としては、Ａｌ‐Ｓｉ系、Ａｌ‐Ｇｅ系、Ａｌ‐Ｃｕ系、Ａｌ‐Ｍｇ系またはＡｌ‐Ｍｎ系等の合金が使用される。
なお、回路層６と電子部品４との接合には、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系，Ｚｎ‐Ａｌ系もしくはＰｂ‐Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。図中符号８がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と回路層６の端子部との間は、アルミニウム等からなるワイヤ及びリボンボンディング等により接続されるが、図１のパワーモジュール１では、ボンディングワイヤ１５により接続されている。

また、ヒートシンク５は、平板状のもの、熱間鍛造等によって多数のピン状フィンを一体に形成したもの、押出成形によって相互に平行な帯状フィンを一体に形成したもの等、適宜の形状のものを採用することができる。また、ヒートシンク５と放熱層７との間に、さらにアルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金などの金属板で形成された放熱板若しくは応力緩衝層を設けることもできる。
放熱層７とヒートシンク５との間の接合法としては、Ａｌ‐Ｓｉ系、Ａｌ‐Ｇｅ系、Ａｌ‐Ｃｕ系、Ａｌ‐Ｍｇ系またはＡｌ‐Ｍｎ系等の合金のろう材によるろう付け法や、Ａｌ‐Ｓｉ系のろう材にフラックスを用いたノコロックろう付け法、放熱層７およびヒートシンク５にＮｉめっきを施し、Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系、Ｚｎ‐ＡｌもしくはＰｂ‐Ｓｎ系等のはんだ材によりはんだ付けする方法が用いられ、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。

そして、このような構成のパワーモジュール用基板３の製造に際しては、まず、セラミックス基板２の各面にろう材を介して回路層６及び放熱層７を積層した積層体３０を、図２に示すように、耐熱シート４０を介して積み重ねた状態とする。
耐熱シート４０としては、耐熱性を有するカーボン板又グラファイト板、あるいはこれらの積層板を用いることができる。図２に示す例では、耐熱シート４０として、２枚のカーボン板の間にグラファイト板を挟んだ構成のものを用いている。そして、これら積層体３０と耐熱シート４０とを積み重ねたものを、加圧装置１００に設置する。

この加圧装置１００は、ベース板１１１と、このベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、ベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備えている。
そして、固定板１１３及び押圧板１１４との間に、積層体３０と耐熱シート４０とを積み重ねたものが配置される。なお、積層体３０の両面に、加圧を均一にするために耐熱シート４０が配設される。

この加圧装置１００により、積層体３０を加圧した状態で、加圧装置１００ごと不図示の加熱炉内に設置し、真空雰囲気中で例えば６３０℃のろう付け温度に加熱し、ろう材を溶融させることによって回路層６及び放熱層７とセラミックス基板２とをろう付け接合する（ろう付け工程）。
そして、ろう付け接合後に、例えば５０℃、２質量％ＮａＯＨ溶液に浸すことにより、回路層６の表面をエッチング処理する（第１エッチンング処理工程）。この第１エッチング処理工程は、回路層６を形成するアルミニウム材料とともにカーボン及びろう材等の付着物をエッチングして、回路層６の表面から、カーボン及びろう材を除去するものである。
次に、回路層６の表面に投射材（ＳｉＣの微粒子）を投射することによりブラスト処理を施し、回路層６の表面を算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以上０．７μｍ以下に仕上げる（ブラスト処理工程）。

そして、ブラスト処理後の回路層６の表面を、例えば２０℃（ＲＴ）、５０％ＨＮＯ_３溶液に浸して再度エッチング処理する（第２エッチング処理工程）。この第２エッチング処理工程は、ブラスト処理に使用した投射材の除去を目的とするものであり、回路層６の表面を中和洗浄するとともに、その表面に強制的に酸化膜を形成するものである。そして、第２エッチング処理工程において、回路層６表面を少なくとも０．８μｍ以上エッチング除去することによって、回路層６表面のカーボン量を２．０ａｔ％以下、シリコン量を０．５ａｔ％以下となるように形成することができる。
最後に、この回路層６の表面に無電解めっきによりニッケルメッキ膜９を形成して（めっき形成工程）、パワーモジュール用基板３とする。
このようにして製造したパワーモジュール用基板３には、その回路層６の上面に電子部品４がはんだ付けされるとともに、放熱層７がヒートシンク５にはんだ付けされる。そして、電子部品４と回路層６との間がボンディワイヤ１５で接続され、パワーモジュール１が完成する。

以上の一連の製造工程において、ブラスト処理前に、エッチング処理を行う第１エッチング処理工程を設け、回路層６の表面からカーボン及びろう材を除去した後にブラスト処理を行うことで、カーボン及びシリコンが回路層６の表面に入り込む現象を回避することができる。この場合、第２エッチング処理工程後における回路層６表面のカーボン量を２．０ａｔ％以下、シリコン量を０．５ａｔ％以下となるように処理することで、回路層６とニッケルメッキ膜９との密着性を向上させることができ、ニッケルメッキ膜９の剥がれを防止できる。

次に、本発明の効果確認のために、セラミックス基板の両面にそれぞれ回路層及び放熱層をろう付け接合した後に、回路層に第１エッチング処理工程、ブラスト処理工程、第２エッチング処理工程を実施したものに、無電解めっきにより４μｍ〜７μｍのニッケルメッキ膜を形成した実施例１〜４及び比較例の試験片を製作し、これらの「メッキ密着性」をそれぞれ評価した。なお、従来例は、セラミックス基板の両面にそれぞれ回路層及び放熱層をろう付け接合した後に、回路層に第１エッチング処理工程、ブラスト処理工程を実施したものに、無電解めっきにより４μｍ〜７μｍのニッケルメッキ膜を形成して作製した。

回路層及び放熱層には、ＪＩＳ規格における１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）、セラミックス基板にはＡｌＮを用いた。また、第１エッチング処理工程は、５０℃、２質量％ＮａＯＨ溶液に浸すことにより行い、試験片ごとに浸漬時間を変更して行った。
また、ブラスト処理工程は、第１エッチング処理工程後の全ての試験片について同じ条件で行い、ＳｉＣ（炭化珪素）の投射材を回路層表面に投射することにより行った。ブラスト処理条件を以下に示す。
（ブラスト処理条件）
投射材：ＳｉＣ、平均粒径３０±２μｍ（昭和電工株式会社製のデンシックＣ＃４００Ｊ）
投射速度：加工圧力として０．１５ＭＰａ〜０．２０ＭＰａ
ブラスト処理後の回路層の表面粗さ：≦０．７μｍ

そして、第２エッチング処理工程は、表１記載のとおり、エッチング深さを変化させた以外は同じ条件で行い、２０℃（ＲＴ）、５０質量％ＨＮＯ_３溶液に２０ｓｅｃ間浸すことにより行った。
表１に示す「カーボン量」及び「シリコン量」は、各試験片の回路層６の表面のニッケルメッキ膜９を硝酸（ＨＮＯ_３）で溶解して、回路層６表面をＸ線光電子分光装置（ＸＰＳ）により測定したものである。

Ｘ線光電子分光には、アルバック・ファイ社製のＸ線光電子分光装置を用い、測定条件は以下に示すとおりとした。
（測定条件）
Ｘ線源：ＳｔａｎｄａｒｄＡｌＫα ３５０Ｗ
パスエネルギー：１８７．８５ｅＶ（Ｓｕｒｖｅｙ）、２３．５ｅＶ（Ｄｅｐｔｈ）
測定間隔：０．８ｅＶ／ｓｔｅｐ、０．０５ｅＶ（Ｄｅｐｔｈ）
測定面に対する光電子取出角：４５ｄｅｇ
分光エリア：約８００μｍφ

そして、このようにして製作したそれぞれの試験片について、９８％水素ガス雰囲気に３６０℃、１分間さらす加速試験を行った後に、「メッキ密着性」を評価した。
「メッキ密着性」は、基盤目付着試験（一辺１ｍｍの１０×１０の升目状の切り目をカッターナイフで膜につけ、１８ｍｍ幅の粘着テープを貼り付けて剥がしたとき、剥がれずに残った升目の数で表す）で評価した。粘着テープで升目が剥がされることなく、残った升目の数が１００であったものを「○」、残った升目の数が９９以下で、升目の1つでも剥がれが発生したものを「×」として評価した。

表１からわかるように、カーボン量が２．０ａｔ％以下、シリコン量が０．５ａｔ％以下とした実施例１〜４では、メッキ密着性が良くなった。
また、第２エッチング量が０．５μｍとした比較例では、カーボン量が２．０ａｔ％超、及びシリコン量が０．５ａｔ％超となり、メッキ密着性が劣化した。さらに、第２エッチング処理を施さなかった従来例でも、カーボン量が２．０ａｔ％超、及びシリコン量が０．５ａｔ％超となり、メッキ密着性が劣化した。
このことから、回路層表面のカーボン量が２．０ａｔ％以下、シリコン量が０．５ａｔ％以下となると、ニッケルメッキ膜の剥がれを防止することができることがわかった。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

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
６，７金属層
８はんだ接合層
９ニッケルメッキ膜
１５ボンディングワイヤ
３０積層体
４０耐熱シート
１００加圧装置
１１１ベース板
１１２ガイドポスト
１１３固定板
１１４押圧板
１１５付勢手段

Claims

セラミックス基板の表面にろう材を介在させて回路層をろう付け接合し、ろう付け接合後の前記回路層上にニッケルメッキ膜を形成するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板に前記ろう材を介在させて積層した前記回路層にカーボン板を重ねて、これらを加圧した状態で加熱することにより、前記セラミックス基板に前記回路層をろう付け接合するろう付け工程と、ろう付け接合後に前記回路層表面をエッチング処理する第１エッチング処理工程と、該第１エッチング処理工程後の前記回路層表面にブラスト処理を施すブラスト処理工程と、ブラスト処理後の前記回路層表面を再度エッチング処理する第２エッチング処理工程と、該第２エッチング処理工程後の回路層上にニッケルメッキ膜を形成するメッキ形成工程とを有し、前記第２エッチング処理工程において、前記回路層表面を０．８μｍ以上除去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。