JP6540540B2 - 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。

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の回路層は、絶縁基板であるセラミックス基板の一方の面に金属板を接合することにより形成される。なお、この種のパワーモジュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面にも熱伝導性に優れた金属板を接合することで金属層を設け、その金属層を介して放熱板を接合することも行われる。そして、パワーモジュール用基板の回路層の上面に、パワー素子等の半導体素子が搭載されることにより、パワーモジュールが製造される。

このようなパワーモジュール用基板において、回路層にはアルミニウム又は銅が用いられている。このうち銅は、熱的特性、電気的特性がアルミニウムより優れるが、変形抵抗が高い。このため、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板と銅の回路層との間に大きな熱応力が生じ、セラミックス基板に割れを生じやすい。

そこで、特許文献１では、パワーモジュール用基板の絶縁層（セラミックス基板）の一方の面に形成された回路層を、絶縁層の一方の面に配設されたアルミニウム層と、このアルミニウム層の一方側（絶縁層とは接合されていない面側）に積層された銅層との二重構造とし、銅に比べて変形抵抗の小さいアルミニウム層を絶縁層との間に介在させて熱応力を緩和している。また、特許文献１には、回路層の銅層の上に半導体素子が搭載されることから、回路層を二重構造とすることで、半導体素子で発生する熱を伝熱する際に、銅層において面方向に拡げて効率的に放散できることが記載されている。

国際公開第２０１３／１４７１４４号

ところで、この種の回路層が銅層とアルミニウム層との二重構造とされるパワーモジュール用基板において、セラミックス基板上に回路層を形成するには、セラミックス基板上に銅層及びアルミニウム層を接合した後にエッチングする方法が考えられる。しかし、セラミックス基板に銅層とアルミニウム層とからなる回路層を形成した後にエッチングにより回路パターンを形成しようとする場合には、銅層よりもアルミニウム層の方がエッチングされやすいことから、銅層とアルミニウム層とのエッチングレートの違いにより、図４に示すように、銅層２２の端面がアルミニウム層２１の端面よりもせり出した鋭角形状となる。そして、このように回路層１２に鋭角形状が形成された場合には、回路層１２の鋭角形状に電界が集中しやすくなり、部分放電特性及び耐電圧特性の悪化を招く。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、回路層を構成する銅層とアルミニウム層とのエッチングレートを揃えることができ、耐電圧特性に優れたパワーモジュール用基板を製造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。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁層の一方の面に接合されたアルミニウム層と該アルミニウム層の前記絶縁層とは反対の面に接合された銅層とを有する回路層にエッチングを施して、前記回路層に回路パターンが形成されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記回路層の回路パターン形成領域にレジスト被膜を形成するマスキング工程と、前記レジスト被膜が形成された前記回路層の前記レジスト被膜が形成されていない部分にエッチング液を接触させることにより前記回路層に前記回路パターンを形成するエッチング工程とを有し、前記エッチング液は、塩化鉄（ＩＩＩ）とアルミニウムとが含有された酸性溶液であり、前記アルミニウムの濃度が５ｇ／Ｌ以上１０ｇ／Ｌ以下であることを特徴とする。

エッチング工程では、回路層のレジスト被膜が形成されていない部分、すなわちレジスト被膜から露出した部分をエッチング液にさらすことにより銅層とアルミニウム層とをエッチングする。この際、塩化鉄（ＩＩＩ）とアルミニウムとが含有された酸性溶液のエッチング液を用いてエッチングをすることで、アルミニウムに対して高い腐食性を有する塩化鉄（ＩＩＩ）を含有する酸性溶液を使用した場合と比べて、アルミニウムの溶出を低く抑えることができる。これにより、銅層のエッチングレートとアルミニウム層のエッチングレートを同等に揃えることができ、回路層に銅層が外方に突出した鋭角形状が形成されることを抑制できる。したがって、回路層の端部への電界集中を回避できるので、部分放電発生の開始電圧を高くでき、耐電圧特性に優れたパワーモジュール用基板を製造できる。
なお、エッチング液のアルミニウム濃度が５ｇ／Ｌ未満の場合、アルミニウムの溶出を低く抑える効果を奏することができない。また、エッチング液のアルミニウム濃度が１０ｇ／Ｌを超えた場合、回路層に銅層が外方に突出した鋭角形状が形成されることを抑制できるが、スラッジ等が堆積し、部分放電の発生電圧が低くなり、耐電圧特性が悪化する。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記エッチング液に含有される前記塩化鉄（ＩＩＩ）の濃度が１．４ｍｏｌ／Ｌ以上１．７ｍｏｌ／Ｌ以下、ｐＨが２．０以下とされているとよい。

塩化鉄（ＩＩＩ）の濃度、アルミニウムの濃度、ｐＨが上記範囲で含有されたエッチング液を用いてエッチング工程を行うことで、銅層とアルミニウム層とのエッチングレートを揃えることができ、所望の回路パターンを良好に形成できる。

本発明によれば、回路層を構成する銅層とアルミニウム層とのエッチングレートを揃えることができ、耐電圧特性に優れたパワーモジュール用基板を製造できる。

本発明の実施形態に係るパワーモジュール用基板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縦断面図である。 本発明の実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法を説明するフロー図である。 本発明の実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法を説明する縦断面図である。 回路層用アルミニウム層よりも回路層用銅層が突出した回路層を説明する要部断面図である。

以下、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法により製造されるパワーモジュール用基板を示している。この図１に示すパワーモジュール基板１０１は、セラミックス基板１１（絶縁層）と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に接合された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に接合された金属層１３とを備える。そして、このパワーモジュール用基板１０１の回路層１２の表面に半導体素子６１がはんだ付けされ、金属層１３の表面にヒートシンク５１が接合されることにより、パワーモジュールが製造される。

そして、回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、そのセラミックス基板１１に接合されたアルミニウム層２１と、アルミニウム層２１のセラミックス基板とは反対の面に接合された銅層２２とを有し、アルミニウム層２１と銅層２２との積層構造とされている。また、金属層１３は、セラミックス基板１１の回路層１２の反対の面に接合されたアルミニウム層３１と、アルミニウム層３１のセラミックス基板１１とは反対の面に接合された銅層３２とを有し、アルミニウム層３１と銅層３２との積層構造とされている。
以下、これらの回路層１２と金属層１３とを区別するために、回路層１２を構成するアルミニウム層２１を回路層用アルミニウム層、銅層２２を回路層用銅層とし、金属層１３を構成するアルミニウム層３１を金属層用アルミニウム層、銅層３２を金属層用銅層とする。

パワーモジュール用基板１０１を構成するセラミックス基板１１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を用いることができる。また、セラミックス基板１１の厚さは０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とされる。

回路層用アルミニウム層２１は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が、セラミックス基板１１の一方の面（図１では上面）に接合されることにより形成されており、本実施形態においては、回路層用アルミニウム層２１は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板をセラミックス基板１１に接合することにより形成されている。
また、回路層用銅層２２は、回路層用アルミニウム層２１のセラミックス基板１１とは反対の面（図１において上面）に、純銅又は銅合金からなる銅板が接合されることにより形成されており、本実施形態においては、回路層用銅層２２は、無酸素銅の圧延板からなる銅板が回路層用アルミニウム層２１に固相拡散接合されることにより形成されている。
そして、回路層用アルミニウム層２１の厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下、回路層用銅層２２の厚さは０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲に設けられる。

金属層用アルミニウム層３１は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が、セラミックス基板１１の他方の面に接合されることにより形成されており、本実施形態においては、金属層用アルミニウム層３１は、純度９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎ‐Ａｌ）からなるアルミニウム板をセラミックス基板１１にろう付けすることにより形成されている。
また、金属層用銅層３２は、純銅又は銅合金からなる銅板が、金属層用アルミニウム層３１の他方の面（図１において下面）に接合されることにより形成されており、本実施形態においては、金属層用銅層３２は、無酸素銅からなる銅板が金属層用アルミニウム層３１に固相拡散接合されることにより形成されている。
そして、金属層用アルミニウム層３１の厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下、金属層用銅層３２に厚さは０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲に設けられる。

このように構成されるパワーモジュール用基板１０１は、セラミックス基板１１に回路層用アルミニウム層２１と金属層用アルミニウム層３１とを接合するアルミニウム層形成工程（Ｓ１）と、回路層用アルミニウム層２１に回路層用銅層２２を接合して回路層１２を形成するとともに、金属層用アルミニウム層３１に金属層用銅層３１を接合して金属層１３を形成して、セラミックス基板１１に回路層１２と金属層１３とが接合された積層基板１０（図２（ｃ）参照）を形成する銅層形成工程（Ｓ２）と、回路層１２と金属層１３の表面に所望形状のレジスト被膜５１を形成することにより、回路層１２の回路パターン形成領域にレジスト被膜５１形成するマスキング工程（Ｓ３）と、レジスト被膜５１が形成された積層基板１０の回路層１２をエッチングすることにより回路層１２に回路パターンを形成するエッチング工程（Ｓ４）と、レジスト被膜５１を剥離するマスキング剥離工程（Ｓ５）とを行うことにより製造される。以下、パワーモジュール用基板１０１の製造方法を、この工程順に説明する。

（アルミニウム層形成工程（Ｓ１））
図２（ａ）に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２のうちの回路層用アルミニウム層２１となるアルミニウム板２１ａをろう材４１を介して積層し、他方の面に金属層１３のうちの金属層用アルミニウム層３１となるアルミニウム板３１ａをろう材４１を介して積層する。ろう材４１は、Ａｌ‐Ｓｉ系合金等のろう材を箔の形態で用いるとよい。そして、これらの積層体を積層方向に加圧した状態で加熱することにより接合して、セラミックス基板１１の一方の面（上面）に回路層用アルミニウム層２１を形成するとともに、セラミックス基板１１の他方の面（下面）に金属層用アルミニウム層３１を形成して、図２（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１と回路層用アルミニウム層２１と金属層用アルミニウム層３１とを一体に形成する。
なお、この場合の加圧力としては例えば０．３ＭＰａ、加熱温度としては例えば６４０℃とされる。

（銅層形成工程（Ｓ２））
次に、図２（ｂ）に示すように、回路層用アルミニウム層２１のセラミックス基板１１とは反対の面（上面）に、回路層用銅層２２となる銅板２２ａを積層し、金属層アルミニウム層３１のセラミックス基板１１とは反対の面（下面）に、金属層用銅層３２となる銅板３２ａを積層する。そして、これらの積層体をその積層方向に加圧した状態で加熱することにより固相拡散接合して、回路層用アルミニウム層２１の上面に回路層用銅層２２を形成することにより回路層１２が形成されるとともに、金属層用アルミニウム層３１の下面に金属層用銅層３２を形成することにより金属層１３が形成され、図２（ｃ）に示すように、セラミックス基板１１に回路層１２と金属層１３とが接合された積層基板１０が得られる。
なお、この場合の加圧力としては例えば０．８ＭＰａ、加熱温度としては例えば５４０℃とされる。

（マスキング工程（Ｓ３））
図２（ｃ）に示すように、積層基板１０の回路層１２の表面に、所望形状のレジスト被膜５１を形成するとともに、金属層１３の表面に、所望形状のレジスト被膜５１を形成する。具体的には、エッチングレジストインキを回路層１２と金属層１３との各表面に塗布し、紫外線を照射してレジスト被膜５１を形成する。この際、回路パターン形成領域を除く部分を残してエッチングレジストインキを塗布してレジスト被膜５１を形成することにより、回路パターン形成領域を除く部分にエッチング液を回路層１２に接触させるための溝５２を形成してパターニングを行う。

（エッチング工程（Ｓ４））
エッチング工程では、レジスト被膜５１が形成されていない回路層１２のレジスト被膜５１から露出した部分（溝５２により露出した部分）にエッチング液を接触させることにより、図２（ｄ）に示すように、レジスト被膜５１に形成された溝５２に沿って回路層用銅層２２と回路層用アルミニウム層２１とをエッチング（除去）して、回路層１２に回路パターンを形成する。エッチング液は、塩化鉄（ＩＩＩ）とアルミニウムとが含有された酸性溶液であり、このように、塩化鉄（ＩＩＩ）以外にアルミニウムが５ｇ／Ｌ以上１０ｇ／Ｌ以下の濃度で含有された酸性溶液のエッチング液を用いて回路層１２のエッチングをすることで、アルミニウムに対して高い腐食性を有する塩化鉄（ＩＩＩ）を含有する酸性溶液を使用した場合と比べて、アルミニウムの溶出を低く抑えることができる。つまり、銅よりもイオン化傾向の大きいアルミニウムは、銅よりもエッチングされやすいが、予めエッチング液中にアルミニウムを溶出させておくことで、アルミニウムの溶出を抑制して、アルミニウムのエッチングレートを銅のエッチングレートと同程度にすることができる。したがって、回路層銅層２２のエッチングレートと回路層用アルミニウム層２１のエッチングレートとを揃えることができ、回路層用銅層２２のエッチング溝２４の溝幅と回路層用アルミニウム層２１のエッチング溝２３の溝幅との差が小さく抑えられる。

なお、エッチング液としては、エッチング液に含有される塩化鉄（ＩＩＩ）の濃度が１．４ｍｏｌ／Ｌ以上１．７ｍｏｌ／Ｌ以下、ｐＨが２．０以下とされるものを好適に用いることができる。なお、塩化鉄（ＩＩＩ）の濃度は、アルミニウムを溶解させる前の濃度である。
塩化鉄（ＩＩＩ）の濃度とｐＨとが上記範囲で含有されたエッチング液を用いてエッチング工程を行うことで、回路層用銅層２２と回路層用アルミニウム層２１とのエッチングレートを揃えることができ、所望の回路パターンを良好に形成できる。具体的には、エッチング液は、例えば塩酸を添加することで酸性に調整でき、塩酸を使用する場合は、ｐＨが２．０以下となるようエッチング液に添加するとよい。

また、エッチング方法としては、エッチング液をスプレーする方法や、積層基板をエッチング液中に浸漬させる方法のいずれも使用できる。また、例えば、塩酸を含有するエッチング液をスプレーしてエッチングを行う場合は、エッチング液の温度を４５℃以上６０℃以下、スプレー圧を０．０５ＭＰａ以上０．１５ＭＰａ以下に保持して行うとよい。

（マスキング剥離工程（Ｓ５））
最後に、図２（ｅ）に示すように、回路層１２と金属層１３の表面からレジスト被膜５１を水酸化ナトリウム溶液で剥離して除去する。これにより、回路層１２に回路パターンが形成されたパワーモジュール用基板１０１が得られる。

そして、このようにして製造されたパワーモジュール用基板１０１に、図１に示すように、金属層１３の下面にヒートシンク７１が接合され、回路層１２の上面に半導体素子６１がはんだ付けによって接合されて、パワーモジュールが製造される。

このようにして製造されるパワーモジュール用基板１０１では、回路層１２の回路層用銅層２２のエッチング溝２４の溝幅と、回路層用アルミニウム層２１のエッチング溝２３の溝幅とが同程度に形成されている。このように、本実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、回路層１２の端部に、回路層用銅層２２が回路層用アルミニウム層２１よりも外方に突出した鋭角形状が形成されることを抑制できる。したがって、回路層１２の端部への電界集中を回避でき、部分放電発生の開始電圧を高くでき、耐電圧特性に優れたパワーモジュール用基板１０１を製造できる。

次に、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明する。
厚さ１ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板と、厚さ０．４ｍｍの４Ｎ‐Ａｌからなる回路層用アルミニウム層と、厚さ０．２ｍｍの無酸素銅からなる回路層用銅層と、厚さ０．４ｍｍの４Ｎ‐Ａｌからなる金属層用アルミニウム層と、厚さ０．２ｍｍの無酸素銅からなる金属層用銅層とが積層された積層基板を用意し、発明例１〜７と比較例１，２のパワーモジュール用基板を作製した。なお、各部材の平面サイズは、セラミックス基板が５０ｍｍ×６０ｍｍ、回路層用アルミニウム層及び回路層用銅層が４６ｍｍ×５６ｍｍ、金属層用アルミニウム層及び金属層用銅層が４６ｍｍ×５６ｍｍとした。また、セラミックス基板と回路層用アルミニウム層及び金属層用アルミニウム層とは、Ａｌ‐Ｓｉ系合金のろう材を用いて接合し（アルミニウム層形成工程）、回路層用アルミニウム層と回路層用銅層及び、金属層用アルミニウム層と金属層用銅層とは、固相拡散接合により接合した（銅層形成工程）。

各積層基板の回路層の表面を、エッチング液を回路層に接触させるための溝（溝幅１ｍｍ）を残してレジスト被膜で被覆してパターニングを行い（マスキング工程）、表１に示す条件のエッチング液をスプレーして、回路層用銅層のエッチング溝の溝幅が１ｍｍに到達するまでエッチングを行った後（エッチング工程）、レジスト被膜を水酸化ナトリウム溶液で剥離して（マスキング剥離工程）、パワーモジュール用基板を作製した。

なお、エッチング液は、塩化鉄（ＩＩＩ）濃度が３７ｗｔ％と６．２ｗｔ％塩酸との混合液を、表１記載の塩化鉄（ＩＩＩ）濃度となるよう、水で希釈し、アルミニウム板を溶解させ、表１記載のアルミニウム濃度となるように調製した。なお、アルミニウム濃度は、アルミニウム板の溶解前後の重量より算出した。また、エッチング液のｐＨは２．０以下とした。エッチング液の温度は５５℃とし、スプレー圧は０．０１ＭＰａとした。

そして、耐電特性の評価として、得られた各パワーモジュール用基板を絶縁油（３Ｍ社製、フロリナートＦＣ‐７７０）に浸漬して、５秒間で０．５ｋＶ昇圧し、その後、３０秒保持するサイクルを繰り返し、保持中に放電電荷量が１０ｐＣを超した時の電圧を部分放電開始電圧とした。
表１に結果を示す。

表１の結果からわかるように、塩化鉄（ＩＩＩ）とアルミニウムを５ｇ／Ｌ以上１０ｇ／Ｌ以下の濃度で含有する酸性溶液のエッチング液を用いてエッチングを行うことにより、部分放電開始電圧を比較例１，２と比べて３ｋＶ以上高くでき、耐電圧特性に優れたパワーモジュール用基板を製造できる。
なお、アルミニウムの濃度が１０ｇ／Ｌ以上であるエッチング液を用いた比較例２では、銅の突出量は小さくできるものの、スラッジ等が堆積し、部分放電開始電圧が低くなり、耐電圧特性が悪化した。

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。

１０ 積層基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
２１ 回路層用アルミニウム層
２１ａ，３１ａ アルミニウム板
２２ 回路層用銅層
２２ａ，３２ａ 銅板
２３，２４ エッチング溝
３１ 金属層用アルミニウム層
３２ 金属層用銅層
４１ ろう材
５１ レジスト被膜
５２ 溝
６１ 半導体素子
７１ ヒートシンク
１０１ パワーモジュール用基板

Claims (2)

1. 絶縁層の一方の面に接合されたアルミニウム層と該アルミニウム層の前記絶縁層とは反対の面に接合された銅層とを有する回路層にエッチングを施して、前記回路層に回路パターンが形成されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、
   前記回路層の回路パターン形成領域にレジスト被膜を形成するマスキング工程と、
   前記レジスト被膜が形成された前記回路層の前記レジスト被膜が形成されていない部分にエッチング液を接触させることにより前記回路層に前記回路パターンを形成するエッチング工程とを有し、
   前記エッチング液は、塩化鉄（ＩＩＩ）とアルミニウムとが含有された酸性溶液であり、前記アルミニウムの濃度が５ｇ／Ｌ以上１０ｇ／Ｌ以下であ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. 前記エッチング液に含有される前記塩化鉄（ＩＩＩ）の濃度が１．４ｍｏｌ／Ｌ以上１．７ｍｏｌ／Ｌ以下、ｐＨが２．０以下とされていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。