JP6232725B2 - パワーモジュール用基板の製造方法 - 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。

従来のパワーモジュール用基板として、セラミックス基板の一方の面に回路層となる金属板が積層され、セラミックス基板の他方の面に放熱層となる金属板が積層された構成のものが知られている。そして、この回路層上に半導体素子がはんだ付けされるとともに、放熱層にヒートシンクが接合される。
この種のパワーモジュール用基板において、回路層となる金属板に電気的特性に優れる銅を用い、放熱層となる金属板には、セラミックス基板との間の熱応力を緩和する目的でアルミニウムを用いる場合がある。

例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面に銅板が接合され、他方の面にはアルミニウム板が接合された回路基板が開示されている。この場合、セラミックス基板と銅板とはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の活性金属を用いたろう材により接合され、セラミックス基板とアルミニウム板とはＡｌ−Ｓｉ系ろう材により接合される。

特開２００３−１９７８２６号公報

ところで、このようなパワーモジュール用基板において、セラミックス基板に銅板及びアルミニウム板を接合した後に、表面を洗浄することが行われる。この洗浄はエッチング液を用いて行われるが、通常の銅用エッチング液を用いて銅板をエッチングすると、表面にエッチングピットが発生するという問題がある。
アルミニウム板にもエッチングピットは生じるが、極めて微細であるため、実用上の問題はない。これに対して、銅板の場合は、前述したように、アルミニウム板よりも先にセラミックス基板に接合されるため、２回の加熱処理がなされており、この加熱が繰り返される間に結晶粒が成長し、それによりエッチングピットも大きくなるものと想定される。
この大きなエッチングピットが生じていると、その後に接合される半導体素子やボンディングワイヤに対する接合信頼性を損なうおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、銅板のエッチングピットを低減して、接合信頼性の高いパワーモジュール用基板を製造する方法を提供する。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に無酸素銅からなる銅板が接合され、他方の面にアルミニウム板が接合されてなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記銅板を前記セラミックス基板に接合した後に、前記アルミニウム板を前記セラミックス板に接合する接合工程と、接合後のパワーモジュール用基板を洗浄する洗浄工程とを有し、前記洗浄工程は、前記パワーモジュール用基板をアルカリ液に浸漬するアルカリ洗浄処理と、該アルカリ洗浄処理の後に、過酸化水素、硫酸及び安定化剤としての添加剤を含む酸液に前記パワーモジュール用基板を浸漬した状態で超音波振動を付与する酸洗浄処理とを有することを特徴とする。

この製造方法においても、銅板を接合した後にアルミニウム板を接合するので、通常の銅用エッチング液を用いた洗浄処理ではエッチングピットが大きくなるが、過酸化水素、硫酸及び安定化剤としての添加剤を含む酸液により超音波振動を付与しながら洗浄することにより、銅板表面へのエッチングピットの発生を低減することができ、凹凸の少ない平滑な表面により、接合信頼性を高めることができる。
また、酸洗浄処理の前に、アルカリ洗浄処理を行うことにより、アルミニウム板についても表面洗浄することができ、その際、アルカリ液であるので銅板の表面を反応させることはないが、銅板の表面を脱脂することができ、その後の酸洗浄処理によって前述したように平滑に表面洗浄される。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記酸液は、前記過酸化水素の濃度を１０ｇ／ｌ〜３０ｇ／ｌ、前記硫酸の濃度を１５ｇ／ｌ〜１００ｇ／ｌ、前記添加剤の濃度を１０ｇ／ｌ〜５０ｇ／ｌ、とするとよい。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記酸液の温度が３０℃〜６０℃であるとよい。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、銅板表面へのエッチングピットの発生を低減することができ、凹凸の少ない平滑な表面により、接合信頼性を高めることができる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。 本発明の製造方法により製造されるパワーモジュール用基板の例を示す正面図である。 接合工程において用いられる加圧治具によって積層体を加圧した状態を示す正面図である。 実施例１の表面の顕微鏡写真である。 比較例１の表面の顕微鏡写真である。

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。
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層となる銅板１２が厚さ方向に積層され、セラミックス基板１１の他方の面に放熱層となるアルミニウム板１３が厚さ方向に積層され、これらがろう材によって接合されている。
セラミックス基板１１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等により、例えば０．２５ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さに形成される。また、銅板１２は無酸素銅やタフピッチ銅等の純銅又は銅合金により形成され、アルミニウム板１３は純度９９．００％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金により形成されている。これら銅板１２及びアルミニウム板１３の厚さは、例えば０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍとされる。
本実施形態のパワーモジュール用基板１０の好ましい組合せ例としては、例えばセラミックス基板１１が厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ、銅板１２が厚み０．３ｍｍの純銅板、アルミニウム板１３が厚み１．６ｍｍの４Ｎ−アルミニウム板で構成される。

これらセラミックス基板１１、銅板１２及びアルミニウム板１３の接合材としては、セラミックス基板１１と銅板１２との接合には、Ａｇ−Ｔｉ系又はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の活性金属ろう材、例えばＡｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉのろう材が用いられ、セラミックス基板１１とアルミニウム板１３との接合には、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材が用いられる。

以下、これらセラミックス基板１１、銅板１２及びアルミニウム板１３を接合してパワーモジュール用基板１０を製造する方法について説明する。
＜接合工程＞
接合は２回に分けて行われ、セラミックス基板１１の一方の面に銅板１２をまず接合した後、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウム板１３を接合する。
（１）銅板接合処理
銅板１２を、ペースト又は箔からなる活性金属ろう材を介在させてセラミックス基板１１の一方の面に積層し、この積層体４０をカーボングラファイト等からなる板状のクッションシート５０の間に挟んだ状態として、複数組積み重ね、図３に示すような加圧治具１１０によって積層方向に例えば０．３ＭＰａ〜１．０ＭＰａで加圧した状態とする。

この加圧治具１１０は、ベース板１１１と、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、これらベース板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、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体４０が配設される。

そして、この加圧治具１１０により積層体４０を加圧した状態で、加圧治具１１０ごと加熱炉（図示略）内に設置し、真空雰囲気中で８００℃以上９３０℃以下の温度で１分〜６０分加熱することによりセラミックス基板１１と銅板１２とをろう付けする。
このろう付けは、活性金属ろう材を用いた接合であり、ろう材中の活性金属であるＴｉがセラミックス基板１１に優先的に拡散してＴｉＮを形成し、Ａｇ−Ｃｕ合金を介して銅板１２とセラミックス基板１１とを接合する。

（２）アルミニウム板接合処理
セラミックス基板１１の銅板１２の接合面とは反対面にろう材を介在させた状態でアルミニウム板１３を積層し、この積層体を前述したクッションシート５０の間に挟んだ状態として複数組積み重ね、前述のものと同様の加圧治具１１０により積層方向に例えば０．３ＭＰａ〜１．０ＭＰａで加圧した状態とする。
そして、この加圧治具１１０により積層体を加圧した状態で、加圧治具１１０ごと加熱炉（図示略）内に設置し、真空雰囲気中で６３０℃以上６５０℃以下の温度で１分〜６０分加熱することによりセラミックス基板１１とアルミニウム板１３とをろう付けする。

＜洗浄工程＞
接合工程後にパワーモジュール用基板１０の表面を洗浄する洗浄工程を行う。この洗浄工程は、アルカリ液を用いたアルカリ洗浄処理と酸液を用いた酸洗浄処理、及びこれらの処理の後に行う水洗処理からなり、アルカリ洗浄の後に酸洗浄する。
（１）アルカリ洗浄処理
アルカリ洗浄処理は、主としてアルミニウム板１３のための洗浄である。アルミニウム板１３は酸液でも洗浄することができるが、セラミックス基板１１のアルミニウム板１３とは反対面に銅板１２が接合されているので、この銅板１２と反応しないようにアルカリ液を使用する。また、アルカリ液の方がアルミニウム板１３に対する洗浄効果が高い。
洗浄液としては例えば、濃度３０ｇ／ｌ〜２５０ｇ／ｌの水酸化ナトリウム水溶液が好適であり、４０℃〜６０℃の温度で３０ｇ／ｌ〜７０ｇ／ｌ（より好適には５３ｇ／ｌ）の水酸化ナトリウム水溶液にパワーモジュール用基板を１分〜１０分浸漬する。
なお、このアルカリ洗浄処理は、アルミニウム板１３の表面の洗浄が主目的であるが、銅板１２の表面も脱脂されるという効果がある。
（２）水洗処理
アルカリ液内に所定時間浸漬したら、パワーモジュール用基板１０を引き上げた後、純水等で水洗して表面のアルカリ液を除去する。
（３）酸洗浄処理
酸洗浄処理は、銅板１２のための洗浄である。洗浄液としては、過酸化水素、硫酸及び安定化剤としての添加剤を含有する酸液が使用され、例えば以下の成分の水溶液が好適である。
過酸化水素の濃度：１０ｇ／ｌ〜３０ｇ／ｌ
硫酸の濃度：１５ｇ／ｌ〜１００ｇ／ｌ
添加剤：１０ｇ／ｌ〜５０ｇ／ｌ
添加剤としては、銅のエッチング液として一般に用いられている過酸化水素と硫酸との混合液用の安定化剤であり、例えば上村工業株式会社製「アディティブＭＧＥ−９」を好適に用いることができる。
最も好適には、過酸化水素が１９．６ｇ／ｌ、硫酸が５５ｇ／ｌ、添加剤が３０ｇ／ｌとなるように混合するとよい。
この酸液を２５℃〜４０℃の温度に保持し、超音波振動を付与しながらパワーモジュール用基板１０を０．５分〜５分浸漬する。
超音波振動としては、特に限定されず、市販されている超音波洗浄器等を用いることができる。
（４）水洗処理
酸液にパワーモジュール用基板１０を浸漬して引き上げた後、純水等で水洗して表面の酸液を除去する。

以上のようにして製造されたパワーモジュール用基板１０は、図２の鎖線で示すように、銅板１２に半導体素子２１がはんだ付けされるとともに、ボンディングワイヤ（図示略）により外部端子等と接続され、アルミニウム板１３にはヒートシンク２２がろう付け、はんだ付け、ねじ止め等により固定され、パワーモジュールとして供される。
この場合、回路層となる銅板１２の表面は、前述した洗浄工程のアルカリ洗浄処理によって脱脂された後に、酸洗浄処理によってエッチングピットの発生が低減された状態で平滑な表面に仕上げられており、半導体素子やボンディングワイヤに対する接合信頼性を向上させることができる。

本発明の製造方法に対する効果を確認するために実験を行った。
３０ｍｍ四方のＡｌＮからなるセラミックス基板の一方の面に無酸素銅からなる銅板をＡｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉの活性金属ろう材を用いて８６０℃で３０分加熱して接合した後、セラミックス基板の他方の面に４Ｎ−アルミニウム板をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて６４０℃で３０分間加熱して接合した。
そして、このパワーモジュール用基板に洗浄工程を施した。その際、アルカリ液を用いたアルカリ洗浄処理を行い、水洗後に、表１に示す組成の酸液による洗浄処理を超音波振動を付与しながら行った。アルカリ洗浄は、５０℃に保持した５質量％濃度の水酸化ナトリウム水溶液に２分間浸漬した。酸液中に加えられる添加剤には上村工業株式会社製「アディティブＭＧＥ−９」を用いた。
超音波振動条件としては、ＢＲＡＮＳＯＮ社製５５１０Ｊ−ＭＴ（周波数：４．２ｋＨｚ、容量：９．５Ｌ、出力：１８０Ｗ）を用いた。
比較のため、添加剤を添加しなかったもの、超音波振動を付与しなかったものも試験した。
評価は、得られたパワーモジュール用基板の銅板表面におけるエッチングピットについて観察することにより行った。光学顕微鏡で２０倍の倍率で観察したときの、３００μｍ×２００μｍの領域を１０領域観察して、直径２μｍ以上のエッチングピットが平均１０個以上認められたものを×、５個〜９個認められたものを△、４個以下であったものを○とした。
その結果を表１に示す。

この結果から明らかなように、酸洗浄として過酸化水素、硫酸及び添加剤を含有する酸液を用いることにより、エッチングピットの発生が低減していることが確認された。特に、酸液の温度を４０℃とした実施例１においては、エッチングピットを大きく低減していることが確認された。
また、図５及び図６は銅板表面の顕微鏡写真であり、図５は実施例１、図６は比較例１を示す。図６の比較例の銅板は表面に多数のエッチングピットが認められるのに対して、図５の実施例の銅板にはエッチングピットがほとんど認められず、平滑な表面に仕上げられていることがわかる。

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。

１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 銅板
１３ アルミニウム板
２１ 半導体素子
２２ ヒートシンク
４０ 積層体
５０ クッションシート
１１０ 加圧治具

Claims (3)

1. セラミックス基板の一方の面に無酸素銅からなる銅板が接合され、他方の面にアルミニウム板が接合されてなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記銅板を前記セラミックス基板に接合した後に、前記アルミニウム板を前記セラミックス板に接合する接合工程と、接合後のパワーモジュール用基板を洗浄する洗浄工程とを有し、前記洗浄工程は、前記パワーモジュール用基板をアルカリ液に浸漬するアルカリ洗浄処理と、該アルカリ洗浄処理の後に、過酸化水素、硫酸及び安定化剤としての添加剤を含む酸液に前記パワーモジュール用基板を浸漬した状態で超音波振動を付与する酸洗浄処理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。
2. 前記酸液は、前記過酸化水素の濃度を１０ｇ／ｌ〜３０ｇ／ｌ、前記硫酸の濃度を１５ｇ／ｌ〜１００ｇ／ｌ、前記添加剤の濃度を１０ｇ／ｌ〜５０ｇ／ｌと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。
3. 前記酸液の温度が３０℃〜６０℃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。