JP6561883B2

JP6561883B2 - 回路基板の製造方法

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Publication number: JP6561883B2
Application number: JP2016053966A
Authority: JP
Inventors: 加藤　浩和; 浩和加藤; 拓也松尾
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: JP2017168730A

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御するパワーモジュール等に用いられる回路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回路基板の回路層は、特許文献１〜３に記載されているように、絶縁基板であるセラミックス基板の一方の面にアルミニウム等の金属板をろう接合することにより形成される。また、回路基板としては、セラミックス基板の他方面にも熱伝導性に優れた金属板をろう接合することにより金属層を設けて、その金属層を介して放熱板や冷却器を接合することも行われる。そして、回路基板の回路層の上面に、はんだ等で半導体素子を接合することにより、パワーモジュールが製造される。

また、回路基板の回路層は複数の小パターンが組み合わされた回路パターンが形成されれることがあり、このような回路パターンを形成する手法として、例えば特許文献３に開示されているように、エッチングにより回路パターンを形成したり、又はセラミックス基板に複数の金属板を並べて接合して、セラミックス基板上に回路パターンを形成する手法が知られている。

特開２００５‐７９５９３号公報特開２００６‐３５１８３４号公報特開平１０‐６５０７５号公報

ところで、半導体素子の小型化に伴い、パワーモジュールの回路の高集積化の要望が高まっている。そこで、回路基板の回路層に微細パターンを形成することが考えられるが、セラミックス基板に金属板がろう接合された回路基板では、エッチングにより回路パターンを形成しようとしても、アスペクト比の高いパターンは形成できず、１ｍｍ以下の微細パターンを形成することが困難である。また、回路層となる金属板にプレス加工により微細な回路パターンを形成しておくことはできるが、セラミックス基板との接合の際に回路間の間隔を維持することが難しいことから、エッチングの場合と同様に、１ｍｍ以下の微細パターンの形成が困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、回路の高集積化を図ることができるとともに、放熱性能を良好に維持できる回路基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の回路基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に、ろう材を介して回路層となるアルミニウム材を積層して、その積層方向に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が接合された回路基板を製造する方法であって、前記アルミニウム材には、厚さ０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の純度９６質量％以上で、かつＳｉ濃度が０．６質量％以下のアルミニウムの表面に、厚さ２ｎｍ以上１１ｎｍ以下の酸化膜が形成されているものを用い、前記ろう材はＡｌ‐Ｓｉ系合金とされ、前記ろう材の含有Ｓｉ濃度をａ１（％）、前記ろう材の厚さをｔ１（μｍ）、前記アルミニウム材の厚さをｔ２（μｍ）、前記アルミニウ材と前記ろう材の平均Ｓｉ濃度をａ２（％）とした場合に、ａ２＝（ａ１×ｔ１）／（ｔ２＋ｔ１）より算出される前記平均Ｓｉ濃度ａ２が０．１％以上３．０％以下となるよう前記ろう材にＳｉを含有させることを特徴とする。

回路基板の回路層に微細な回路パターンを形成する手段として、予め回路層の厚さを薄く設けることが可能であれば、後の回路パターン形成のためのエッチング処理を短時間で終えることが可能になるので、微細パターンを形成できる。ところが、回路層となるアルミニウム材とセラミックス基板とをろう材を用いて接合する場合には、アルミニウム材、ろう材及びセラミックス基板の積層体をその積層方向に加圧した状態を保持する必要があり、積層体をカーボン板等の加圧板の間で挟持することが行われるが、アルミニウム材を厚さが０．１ｍｍ以下の薄肉に設けた場合には、アルミニウム材中に拡散するろう材のろう成分がアルミニウム材の表面に到達して回路基板と加圧板とが接合されるおそれがある。その結果、回路基板の生産性が著しく低下することが問題となる。

この点、本発明では、厚さが０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の薄肉のアルミニウム材を用いて回路層を形成するが、表面に厚さが２ｎｍ以上１１ｎｍ以下の酸化膜が形成された純度９６質量％以上で、かつＳｉ濃度が０．６質量％以下のアルミニウム材を用いるとともに、ろう材としてＡｌ‐Ｓｉ系合金をを用い、ろう材の含有Ｓｉ濃度をａ１（％）、ろう材の厚さをｔ１（μｍ）、アルミニウム材の厚さをｔ２（μｍ）、アルミニウム材とろう材の平均Ｓｉ濃度をａ２（％）とした場合に、ａ２＝（ａ１×ｔ１）／（ｔ２＋ｔ１）より算出される平均Ｓｉ濃度ａ２が０．１％以上３．０％以下となるようろう材にＳｉを含有させることにより、薄肉のアルミニウム材を用いた場合であっても、表面の酸化膜がバリア層となってろう成分の回路層表面への到達を防止できる。したがって、回路基板の生産性を低下させることなく、薄肉の回路層を有する回路基板を製造できる。また、このように製造された回路基板にエッチング処理を施すことにより、回路層に微細な回路パターンを形成できる。
さらに、本発明の製造方法により製造された回路基板は、回路層の厚さが０．１ｍｍ以下の薄肉に設けられているので、回路基板の使用環境においても、回路層とセラミックス基板との間の熱伸縮差による反りが生じ難い。したがって、回路基板と、その回路基板の回路層とは反対側に配設される放熱板や冷却器等との密着性を向上でき、放熱性能を良好に維持できる。

ここで、酸化膜の厚さが２ｎｍ未満の場合は、バリア層の効果が無くなり、ろう材成分が回路層表面へ到達することとなる。この場合、回路層表面、特にアルミニウム材の粒界にろう染みが生じ、回路層表面を観察するとセラミックス基板が透けて観察されるようになる。このような回路層にエッチングによって、回路パターンを形成すると、セラミックス基板が観察された部分では回路パターンの断線が生じることとなる。一方、酸化膜の厚さが１１ｎｍを超えると、アルミニウム材とセラミックス基板とを接合することが困難となり、特に、冷熱サイクル後の接合性が低下することとなる。
また、平均Ｓｉ濃度ａ２が０．１％未満の場合は、加熱時に生成する液相の量が低下するため、冷熱サイクル後の接合性が低下する。さらに、平均Ｓｉ濃度ａ２が３．０％を超えると、液相の量が増加するため、酸化膜の厚さが２ｎｍ未満の場合と同様に、回路層表面を観察するとセラミックス基板が透けて観察されるようになる。

本発明によれば、回路層を薄肉化でき、回路の高集積化を図ることができるとともに、放熱性能を良好に維持できる。

本発明の実施形態に係る回路基板を示す断面図である。本発明の実施形態の回路基板の製造方法を説明する断面図である。クラッド材を用いた回路基板の製造方法を説明する断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る実施形態の回路基板の製造方法により製造される回路基板１０を示している。この図１に示す回路基板１０は、絶縁基板であるセラミックス基板１１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とを備えている。

回路基板１０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０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とされる。

回路層１２は、厚さｔ０が０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下のアルミニウム合金からなり、純度９６質量％以上で、かつＳｉ濃度が０．６質量％以下のアルミニウム材をセラミックス基板１１の一方の面にろう材を用いて接合することにより形成されている。
また、金属層１３は、必ずしも限定されるものではないが、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材をセラミックス基板１１の他方の面にろう材を用いて接合することにより形成され、厚さが０．００５ｍｍ以上５ｍｍ以下に設けられる。

そして、このように構成される回路基板１０の回路層１２の上面に半導体素子５０がはんだ付けによって接合されることにより、パワーモジュール１００が製造される。なお、回路基板１０の金属層１３の表面には、放熱板や冷却器等が配設されて使用される。

なお、パワーモジュール１００（回路基板１０）の一方の面（金属層１３）に配設される放熱板や冷却器は、回路基板１０を冷却するものであり、銅やアルミニウム等の熱伝導性が良好な材料で構成されることが望ましい。本実施形態においては、回路基板１０に配設される放熱板４０は、アルミニウム合金（Ａ６０６３合金）により平板状に形成されている。また、回路基板１０に固定される放熱板４０としては、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できる。
また、回路基板１０と放熱板４０とは、回路基板１０の金属層１３と放熱板４０との間に、例えばグリースを介在させ、回路基板１０と放熱板４０とをバネ等により押し付けて固定したり、回路基板１０を放熱板４０にはんだ付けしたり、ろう付けして固定することも可能である。

そして、このように構成される回路基板１０は、図２（ａ）に示すように、セラミックス基板１１の一方の面にろう材４１を介して回路層１２となるアルミニウム材２１を積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面にろう材４２を介して金属層１３となるアルミニウム材３１を積層し、これらの積層体を図２（ｂ）に示すように、その積層方向に加圧した状態で加熱して、図２（ｃ）に示すように、セラミックス基板１１に回路層１２及び金属層１３をろう接合することにより製造される。以下、回路基板１０の製造方法を、詳細に説明する。

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となる回路層用アルミニウム材２１をろう材４１を介して積層し、他方の面に金属層１３となる金属層用アルミニウム材３１をろう材４２を介して積層する。
回路層用アルミニウム材２１としては、厚さが０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の純度９６質量％以上で、かつＳｉ濃度が０．６質量％以下のアルミニウムの表面に、熱処理により厚さが３ｎｍ以上１１ｎｍ以下の酸化膜が形成されたものを用い、例えばＪＩＳ規格では純度９９．９９質量％以上の純アルミニウム板（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板を好適に用いることができる。熱処理は、大気中で２５０℃〜４００℃の範囲内で、１０分〜４８０分の条件で行うことができる。
そして、回路層用アルミニウム材２１とセラミックス基板１１との間に介在されるろう材４１は、ろう材４１の含有Ｓｉ濃度をａ１（％）、ろう材４１の厚さをｔ１（μｍ）、回路層用アルミニウム材２１の厚さをｔ２（μｍ）、回路層用アルミニウム材２１とろう材４１の平均Ｓｉ濃度をａ２（％）とした場合に、ａ２＝（ａ１×ｔ１）／（ｔ２＋ｔ１）より算出される平均Ｓｉ濃度ａ２が０．１％以上３．０％以下となるようろう材４１にＳｉを含有させたＡｌ‐Ｓｉ系合金ろう材を好適に用いることができる。好ましくは平均Ｓｉ濃度ａ２を０．２％以上１．３％以下とするとよい。

また、金属層用アルミニウム材３１としては、厚さが０．００５ｍｍ以上５ｍｍ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金を用いることができ、金属層用アルミニウム材３１とセラミックス基板１１との間に介在されるろう材４２は、Ａｌ‐Ｓｉ系合金等のろう材を用いることができる。なお、回路基板１０の反りを抑制したい場合は、回路層用アルミニウム材２１と同様に、厚さが０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金を用いるとよい。

そして、これらの積層体を、図２（ｂ）に示すように、一対の加圧板６１，６１の間に配置して、積層方向に加圧した状態で加熱することにより、セラミックス基板１１と回路層用アルミニウム材２１と、セラミックス基板１１と金属層用アルミニウム材３１とをろう付けする。これにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２を形成するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３を形成して、図２（ｃ）に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２、セラミックス基板１１と金属層１３とが一体に接合された回路基板１０を製造する。
なお、この場合の加圧力としては例えば０．２〜０．４ＭＰａ、加熱温度としては例えば６００〜６４０℃とされる。

この際、回路層１２となる回路層用アルミニウム材２１は厚さが０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の薄肉に設けられており、回路層用アルミニウム材２１とセラミックス基板１１とのろう接合時には、ろう材４１のろう成分（Ｓｉ）が回路層用アルミニウム材２１中の全体にわたって拡散するが、回路層アルミニウム材２１に、表面に２ｎｍ以上１１ｎｍ以下の厚さを有する酸化膜が形成された純度９６質量％以上のアルミニウム材を用いるとともに、ろう材４１としてａ２＝（ａ１×ｔ１）／（ｔ２＋ｔ１）より算出される平均Ｓｉ濃度ａ２が０．１％以上３．０％以下となるようろう材にＳｉを含有させたＡｌ‐Ｓｉ系合金ろう材を用いることにより、回路層用アルミニウム材２１の表面に設けられた酸化膜がバリア層となって、ろう成分の回路層１２表面への到達を防止できる。
したがって、回路基板１０の生産性を低下させることなく、薄肉の回路層１２を有する回路基板１０を製造できる。また、このように製造された回路基板１０にエッチング処理を施すことにより、回路層１２に微細な回路パターンを形成できる。

また、このようにして製造される回路基板１０では、回路層１２は、純度９６質量％以上で、かつＳｉ濃度が０．６質量％以下のアルミニウム材にろう材４１のろう成分（Ｓｉ）が拡散されたアルミニウム合金により構成され、回路層１２の厚さｔ０は、接合前の回路層用アルミニウム材２１と同様に０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下に設けられる。

このように、本実施形態の製造方法により製造された回路基板１０は、回路層１２の厚さｔ０が０．１ｍｍ以下の薄肉に設けられているので、回路基板１０の使用環境においても、回路層１２とセラミックス基板１１との間の熱伸縮差による反りが生じ難い。したがって、回路基板１０と、その回路基板１０とは反対側に配設される放熱板４０や冷却器等との密着性を向上でき、放熱性能を良好に維持できる。

なお、上記実施形態では、ろう材４１を箔の形態で用いたが、図３に示すように、予め、回路層１２となる回路層用アルミニウム材２１のセラミックス基板１１との接合面に、ろう材４１と同成分のろう材層４１ａが積層されたクラッド材２２を用意しておき、このクラッド材２２を用いることで、ろう材の取り回しを容易に進めることができる。また、セラミックス基板１１と回路層用アルミニウム材２１との間に、ろう材を確実に介在させてろう付けを行うことができ、セラミックス基板１１と回路層１２とを強固に接合できる。
なお、金属層１３とセラミックス基板１１とのろう接合においても、回路層１２と同様に、金属層用アルミニウム材３１のセラミックス基板１１との接合面に、ろう材４２と同成分のろう材層４２ａが積層されたクラッド材３２を用いることができる。

また、上記実施形態において、微細な回路層１２上に銅材（Ｃｕ）を接合した構造とすることもできる。この場合、熱伝導性の良い銅材が回路層１２上に形成されることで、回路基板の放熱性を向上させることができる。なお、回路層１２と銅材の接合は、固相拡散接合で行うとよい。また、銅材の厚さを厚くしたい場合には、回路層１２に純度９９．９９質量％以上のアルミニウム材と銅材を順に接合してもよい。

また、ろう材４１に、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉ等の元素を含有させることができる。この場合、ろう材の融点を下げることができ、低温でセラミックス基板と回路層用アルミニウム材を接合することが可能となる。

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。

表１記載のアルミニウム材を表１記載の条件で熱処理した後、ＡｌＮからなるセラミックス基板の両面に表１記載のＡｌ‐Ｓｉ系合金のろう材箔を介してアルミニウム材を積層し、荷重０．３ＭＰａ、加熱温度６４０℃、加熱時間３０分の条件で接合し、回路層及び金属層を有する回路基板を作製した。なお、表１において、アルミニウム材の純度が９６質量％の試料は、アルミニウム材としてＡ３００３合金を用いた。
そして、得られた各回路基板に対し、冷熱サイクル後の接合率及び回路層の表面観察を行った。なお、酸化膜の厚さは、熱処理後のアルミニウム材に対し、表面からオージェ分析によりスパッタ厚さ方向に行い、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を比較サンプルとして測定した。

（冷熱サイクル後の接合率）
冷熱サイクル後の接合率は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×１０分←→１５０℃×１０分の３０００サイクルを実施し、回路層とセラミックス基板との接合率を評価した。具体的には、回路基板において、回路層とセラミックス基板との界面の接合率について超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち回路層の面積とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（非接合部面積）｝／（初期接合面積）×１００
接合率が９０％以上の場合を「○」、９０％未満の場合を「×」と評価した。

（回路層表面の観察）
回路基板の表面を目視にて観察し、回路層表面からセラミックス基板が透けて観察された場合を「×」、透けて観察されなかった場合を「○」と評価した。
評価結果を表１に示す。

表１の結果からわかるように、アルミニウム材の酸化膜の厚さを２ｎｍ以上１１ｎｍ以下とし、平均Ｓｉ濃度ａ２を０．１％以上０．３％以下とした本発明例については、接合率も高く、表面にろう材成分が達することのない回路基板が得られることが確認できた。

１０回路基板
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材
２２，３２クラッド材
３１金属層用アルミニウム材
４１，４２ろう材
４１ａ，４２ａろう材層
５０半導体素子
６１加圧板
１００パワーモジュール

Claims

セラミックス基板の一方の面に、ろう材を介して回路層となるアルミニウム材を積層して、その積層方向に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が接合された回路基板を製造する方法であって、
前記アルミニウム材には、厚さ０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の純度９６質量％以上で、かつＳｉ濃度が０．６質量％以下のアルミニウムの表面に、厚さ２ｎｍ以上１１ｎｍ以下の酸化膜が形成されているものを用い、
前記ろう材はＡｌ‐Ｓｉ系合金とされ、
前記ろう材の含有Ｓｉ濃度をａ１（％）、前記ろう材の厚さをｔ１（μｍ）、前記アルミニウム材の厚さをｔ２（μｍ）、前記アルミニウム材と前記ろう材の平均Ｓｉ濃度をａ２（％）とした場合に、ａ２＝（ａ１×ｔ１）／（ｔ２＋ｔ１）より算出される前記平均Ｓｉ濃度ａ２が０．１％以上３．０％以下となるよう前記ろう材にＳｉを含有させることを特徴とする回路基板の製造方法。