JP6853455B2

JP6853455B2 - パワーモジュール用基板の製造方法

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Publication number: JP6853455B2
Application number: JP2017032352A
Authority: JP
Inventors: 石塚　博弥; 博弥石塚
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2017-02-23
Filing date: 2017-02-23
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2037-02-23
Also published as: JP2018137396A

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として、絶縁基板であるセラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、セラミックス基板の他方の面に熱伝導性に優れた金属層が形成された構成のものが知られている。なお、この種のパワーモジュール用基板には、金属層を介して放熱板（ヒートシンク）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表面（上面）に、パワー素子等の半導体素子がはんだ付け（実装）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は、全体の反り量を制御するために、セラミックス基板の表裏（回路層と金属層）で異なる厚さの金属板を接合させたり、セラミックス基板と表裏の金属板との接合時又は接合後に荷重を負荷することにより反り形状を付与したりすることが行われている。

例えば特許文献１には、金属回路板とセラミックス基板とを接合してセラミックス回路基板を形成した後に、このセラミックス回路基板に荷重を負荷することによりセラミックス回路基板を金属回路板側に凹状に反らせることが記載されている。また、この特許文献１には、金属回路板の接合面側が凹形状となるように所定の反り量を有するように形成したときに、セラミックス回路基板全体の曲げ強度及びたわみ量を大きくすることができ、割れの発生が少ないセラミックス回路基板が得られることが記載されている。

特開平１１‐３３０３０８号公報

ところが、セラミックス基板の表裏に異なる厚さの金属板を接合した場合には、パワーモジュールの冷熱サイクル時において、セラミックス基板と金属板との熱膨張差に起因する反りの変化が大きくなる。このため、ヒートシンクとパワーモジュール用基板間に隙間が生じることにより放熱性能が低下し、パワーモジュールの信頼性を低下させることになる。

一方、セラミックス基板の表裏の両面に同種材料、同形状、同厚の金属板を接合した場合は、セラミックス基板と各金属板との熱膨張差が表裏で同一となるため、理論的にはパワーモジュール用基板に反りは生じないはずである。しかしながら、この場合にも、製造条件のわずかな違いによって、複数のパワーモジュール用基板において、反りの方向や反り量がばらつく問題がある。また、特許文献１のように、セラミックス基板と金属板との接合後に反り形状を付与した場合には、反りを付与するための別途の工程が必要となることから工程が煩雑化し、さらに、その反り付与に伴いセラミックス基板を損傷させるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、基板の信頼性を損ねることなく、反りの方向や反り量が制御された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、セラミックス母材から複数のセラミックス基板を分割するためのスクライブラインを該セラミックス母材の片面のみに形成するスクライブライン形成工程と、前記スクライブライン形成工程後に、前記セラミックス母材の前記スクライブラインにより区画された各セラミックス基板の形成領域において、前記セラミックス母材の両面のそれぞれと銅又はアルミニウムを主成分とする同種材料からなる同形状かつ同厚の金属板との間に接合材を挟んで配置し、これらの積層体をその積層方向に０．０５ＭＰａ以上１．０ＭＰａ以下の圧力で加圧及び加熱することにより接合した後、該積層体を冷却することにより前記セラミックス母材を介して対称形状の回路層及び金属層を形成する接合工程と、前記接合工程後に、前記セラミックス母材を前記スクライブラインに沿って分割して、前記セラミックス基板に前記回路層と前記金属層とが接合されたパワーモジュール用基板を複数形成する分割工程と、を有し、前記スクライブラインは、前記セラミックス母材の厚みの比率０．１８以上０．２２以下の深さで形成することを特徴とする。

セラミックス母材と各金属板との接合後の冷却中において、これらの接合面には、熱収縮の小さいセラミックス母材と熱収縮の大きい金属板と間の熱膨張差によりセラミックス母材を面方向に圧縮する方向に応力がかかる。この場合、セラミックス母材の両面のそれぞれに接合された金属板は、同種材料により形成され、セラミックス母材を介して対称形状（同形状、同厚）とされているから、各接合面には、同様の応力がかかる。しかし、セラミックス母材には、予め片面のみにスクライブライン（分割溝）が形成されていることから、そのスクライブラインが形成された片面（スクライブライン形成面）側の圧縮応力に対する剛性が、スクライブラインが形成されていない片面側の圧縮応力に対する剛性と比べて弱くなる。このため、セラミックス母材に金属板を接合した積層体には、スクライブライン形成面側に凸となる反りが発現する。このように、予めスクライブラインを形成しておくことにより、そのスクライブライン形成面側に凸の反りを有する積層体を形成できる。そして、その積層体を分割して個片化することにより、積層体と同様に、スクライブライン形成面側に凸の反りが付与された状態のパワーモジュール用基板を複数形成できる。すなわち、各パワーモジュール用基板の反りの方向や反り量を揃えて形成できる。また、この製造方法により製造されたパワーモジュール用基板において、セラミックス基板の両面に形成された回路層と金属層とは同種材料により形成され、さらにセラミックス基板を介して対称形状とされているので、パワーモジュールの冷熱サイクル時の反り変化を抑制でき、基板の信頼性を良好に維持できる。
スクライブラインの深さがセラミックス母材の厚みの比率０．１０未満では、接合工程において、積層体全体にスクライブライン形成面側に凸の反りを発現させることが難しくなり、全てのパワーモジュール用基板に予定した反り量の反りを発現させることが難しくなるとともに、分割工程において、セラミックス母材をスクライブラインに沿って確実に分割することが難しくなる。また、スクライブラインの深さをセラミックス母材の厚みの比率０．２５を超えて深く形成した場合は、接合工程の積層体の加圧中や接合後の冷却中に、セラミックス母材がスクライブラインで分割されるおそれがあり、全てのパワーモジュール用基板に予定した反り量の反りを発現させることが難しくなる。

なお、この製造方法では、接合工程後に積層体やパワーモジュール用基板に反り形状を付与する別途の工程を必要としないので、スクライブラインを形成して、その個々の領域に金属板を積層して接合するという単純な工程により、反りの方向や反り量が制御されたパワーモジュール用基板を形成できる。また、パワーモジュール用基板に反り形状を付与する別途の工程を必要としないので、セラミックス基板を損傷させるおそれもない。

本発明によれば、基板の信頼性を損ねることなく、反りの方向や反り量が制御されたパワーモジュール用基板を製造できる。

本発明の実施形態の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。図１に示すパワーモジュール用基板の製造方法の製造工程を説明する模式断面図である。図１に示すパワーモジュール用基板の製造方法の製造工程を説明する模式斜視図である。本実施形態の製造方法により製造されたパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図４は、本発明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１０を用いたパワーモジュール１０１を示している。このパワーモジュール１０１は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０の表面に搭載された半導体素子等の電子部品４０と、パワーモジュール用基板１０の裏面に取り付けられたヒートシンク５０とを備えている。

パワーモジュール用基板１０は、図４に示すように、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面（図４において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図４において下面）に配設された金属層１３とを備え、これらセラミックス基板１１と回路層１２、及びセラミックス基板１１と金属層１３とは、互いに接合されている。そして、このパワーモジュール用基板１０の回路層１２の表面（図４では上面）に電子部品４０が搭載（実装）され、パワーモジュール１０１が製造される。また、図４に示すパワーモジュール１０１においては、金属層１３の表面（図４では下面）にヒートシンク５０が取り付けられた状態で使用されるようになっている。

セラミックス基板１１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミックス材料からなるセラミックス母材２１（図２参照）を分割することにより形成される。

回路層１２と金属層１３とは、銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする同種材料により、同形状かつ同厚に形成される。好適には、回路層１２と金属層１３とは、無酸素銅やタフピッチ銅等の純銅又は銅合金、４Ｎ‐Ａｌや２Ｎ‐Ａｌ等の高純度アルミニウム及びアルミニウム合金（純度９７．００質量％以上のアルミニウム）等により形成される。

ヒートシンク５０は、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）を主成分とする金属材料により形成される。また、ヒートシンク５０は、平板状のもの、熱間鋳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。

なお、回路層１２と電子部品４０との接合（実装）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。また、図示は省略するが、電子部品４０と回路層１２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。

次に、以上のように構成されるパワーモジュール用基板１０の製造方法について説明する。本実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法は、図１に示すように、複数の製造工程Ｓ１１〜Ｓ１３により構成される。

（スクライブライン形成工程）
まず、図２（ａ）及び図３（ａ）に示すように、セラミックス基板１１を構成するセラミックス母材２１に、複数のセラミックス基板１１を分割するためのスクライブライン（分割溝）２１ａを形成する（スクライブライン形成工程Ｓ１１）。スクライブライン２１ａは、例えば図２（ａ）に示すように、レーザ加工により形成できる。具体的には、セラミックス母材２１の片面に、Ｃｏ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ_４レーザ、ＹＬＦレーザ等のレーザ光Ｌを照射することにより、スクライブライン２１ａの加工を行うことができる。レーザ加工によるスクライブライン２１ａの加工では、セラミックス母材２１の表面においてレーザ光Ｌが照射された部分が切削加工され、スクライブライン２１ａが形成される。

スクライブライン２１ａは、図３（ａ）に示すように、セラミックス母材２１の片面のみに形成し、セラミックス母材２１の厚みｔ１の比率０．１０以上０．２５以下の深さｄ（ｄ＝０．１０×ｔ１〜０．２５×ｔ１）で形成する。また、スクライブライン２１ａは、セラミックス基板１１の形成領域２１ｂの外形形状に沿って形成する。この場合、スクライブライン２１ａは、縦横に１本ずつ格子状に形成しており、これらの２本のスクライブライン２１ａにより、セラミックス母材２１には、セラミックス基板１１の外形形状の大きさに区画された４つのセラミックス基板１１の形成領域２１ｂが縦横に２つずつ整列して形成される。

なお、図示は省略するが、レーザ加工後に、スクライブライン２１ａが形成されたセラミックス母材２１を、ホーニング処理により洗浄する。

（接合工程）
スクライブライン形成工程（Ｓ１１）後に、セラミックス母材２１のスクライブライン２１ａにより区画された各セラミックス基板１１の形成領域２１ｂに、回路層１２となる金属板２２と、金属層１３となる金属板２３とを接合する（接合工程Ｓ１２）。回路層１２となる金属板２２と金属層１３となる金属板２３とは、銅又はアルミニウムを主成分とする同種材料からなる同形状（同平面サイズ）かつ同厚（同板厚）に形成する。そして、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、各セラミックス基板１１の形成領域２１ｂにおいて、セラミックス母材２１の両面のそれぞれと金属板２２，２３との間に接合材３１を挟んで配置する。

次に、図２（ｃ）に示すように、これらのセラミックス母材２１、接合材３１、金属板２２，２３の積層体２５をその積層方向に加圧（例えば、０．０５ＭＰａ〜１．０ＭＰａ）及び加熱（例えば、８００℃以上９３０℃以下）することにより（例えば、接合時間１分以上６０分以下）、セラミックス母材２１と金属板２２，２３とを接合した後、これらの積層体２５を３０℃まで冷却することにより、セラミックス母材２１を介して対称形状の回路層１２及び金属層１３を形成する。これにより、図２（ｄ）及び図３（ｃ）に示すように、セラミックス母材２１のスクライブライン２１ａにより区画された各領域２１ｂに回路層１２及び金属層１３が形成された積層体２６が形成されるが、積層体２６には、そのスクライブライン２１ａが形成された片面（スクライブライン形成面）側に凸となる反りが発現する。

この反りについて詳細に説明すると、セラミックス母材２１と各金属板２２，２３との接合後の冷却中において、これらの接合面には、熱収縮の大きい金属板２２，２３と熱収縮の小さいセラミックス母材２１との熱収縮差によりセラミックス母材２１を面方向に圧縮する方向に応力がかかる。この場合、セラミックス母材２１の両面のそれぞれに接合された金属板２２，２３は、同種材料により形成され、セラミックス母材２１を介して対称形状（同形状、同厚）とされているから、各接合面には、同様の応力がかかる。しかし、セラミックス母材２１には、予め片面のみにスクライブライン２１ａが形成されていることから、そのスクライブライン２１ａが形成された片面（スクライブライン形成面）側の圧縮応力に対する剛性が、スクライブライン２１ａが形成されていないもう一方の片面側の圧縮応力に対する剛性と比べて弱くなる。したがって、図２（ｄ）及び図３（ｃ）に示すように、スラライブライン２１ａを広げるようにして、積層体２６にはスクライブライン形成面側に凸となる反りが発現する。

なお、この接合工程Ｓ１２において、金属板２２，２３がアルミニウムを主成分とする金属材料により形成される場合は、Ａｌ‐Ｓｉ、Ａｌ‐Ｇｅ、Ａｌ‐Ｃｕ、Ａｌ‐Ｍｇ又はＡｌ‐Ｍｎ等の接合材３１を用いて、金属板２２，２３とセラミックス母材２１とがろう付け接合される。また、金属板２２，２３が銅を主成分とする金属材料により形成される場合は、Ａｇ‐Ｃｕ‐ＴｉやＡｇ‐Ｔｉ等の接合材３１を用いて、金属板２２，２３とセラミックス母材２１とが活性金属ろう付けにより接合される。

また、金属板２２，２３とセラミックス母材２１との接合は、ろう付け以外にもＴＬＰ接合法（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＢｏｎｄｉｎｇ）と称さされる過渡液相接合法によって接合してもよい。この過渡液相接合法においては、金属板２２，２３の接合表面に予め接合材となる銅層を蒸着しておき、金属板２２，２３とセラミックス母材２１との間（界面）に銅層を配設する。

（分割工程）
接合工程Ｓ１２後に、ダイシング装置等の切断手段により、積層体２６のセラミックス母材２１をスクライブライン２１ａに沿って分割してセラミックス母材２１を個片化し、図２（ｅ）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とが接合されたパワーモジュール用基板１０を複数（ここでは４個）形成する（分割工程Ｓ１３）。これらのパワーモジュール用基板１０においては、分割前の積層体２６と同様に、スクライブライン形成面側に凸の反りが付与された状態となり、各パワーモジュール用基板１０の反りの方向や反り量を揃えて形成できる。

このようにして製造されたパワーモジュール用基板１０においては、セラミックス基板１１の両面に形成された回路層１２と金属層１３とが同種材料により形成され、さらに、これらの回路層１２と金属層１３とはセラミックス基板１１を介して対称形状とされているので、パワーモジュールの冷熱サイクル時の反り変化を抑制でき、基板の信頼性を良好に維持できる。

また、本実施形態の製造方法では、接合工程Ｓ１２後に積層体やパワーモジュール用基板に反り形状を付与するための別途の工程を必要としないので、スクライブライン２１ａを形成して、その個々の領域に金属板２２，２３を積層して接合するという単純な工程により、反りの方向や反り量が制御されたパワーモジュール用基板１０を形成できる。また、パワーモジュール用基板に反り形状を付与する別途の工程を必要としないので、セラミックス基板を損傷させるおそれもない。

なお、本発明は、上記実施形態のものに限定されるものではなく、細部構成においては、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。

例えば、上記実施形態では、スクライブライン形成工程Ｓ１１をレーザ加工により実施したが、スクライブライン２１ａは、レーザ加工ではなく、ダイヤモンドブレードを使用したダイシング等の他の加工方法により形成してもよい。

また、上記実施形態では、セラミックス母材２１のスクライブライン形成面を回路層１２側として、回路層１２側に凸の反りが付与された状態のパワーモジュール用基板を複数形成したが、これに限定されない。セラミックス母材２１のスクライブライン形成面を金属層１３側とすることにより、金属層１３側に凸の反りが付与された状態のパワーモジュール用基板を複数形成することができる。このように、回路層及び金属層の接合前に、セラミックス母材２１の片面のみにスクライブラインを形成しておくことで、そのスクライブライン形成面側に凸の反りが付与された状態のパワーモジュール用基板を再現性良く複数製造できる。

以下、本発明の効果を確認するために行った実施例及び比較例について説明する。
（実施例１〜６、比較例２）
表１に示す条件のセラミックス基板を構成するセラミックス母材と、回路層及び金属層を構成する金属板とを用いて、パワーモジュール用基板を作製した。各セラミックス母材には平面サイズが１００ｍｍ×１００ｍｍとされる矩形板を用い、各金属板には平面サイズが２７ｍｍ×２７ｍｍとされる矩形板を用いた。

スクライブライン形成工程は、波長１０μｍのＣＯ_２レーザを用いて行った。そして、各セラミックス母材の片面のみにレーザ加工を施し、３０ｍｍ間隔で表１に示すスクライブ深さｄの縦横４本ずつのスクライブラインを形成して、格子状に区画された３×３（９個／シート）のセラミックス基板の形成領域を形成した。なお、比較例２では、両面にスクライブラインを形成した。そして、レーザ加工後に、スクライブラインが形成されたセラミックス母材を、ホーニング処理により洗浄した。

接合工程は、接合材にＡｇ‐Ｃｕ‐Ｔｉペーストを用い、活性金属ろう付けにより行った。セラミックス母材の各セラミックス基板の形成領域（３０ｍｍ×３０ｍｍの領域）において、セラミックス母材の両面のそれぞれとＣｕからなる金属板との間に接合材を挟んで配置し、これらの積層体を０．１ＭＰａの加圧力（荷重）で、８６０℃の接合温度で、３０分加圧しながら加熱した後、３０℃まで冷却することにより、セラミックス母材と各金属板とを接合した。

分割工程では、分割機を用いた。そして、セラミックス母材をスクライブラインに沿って分割して個片化し、合計９０個（１０シート分）のパワーモジュール用基板を作製した。そして、得られた各パワーモジュール用基板について、３０℃における反りの方向と反り量とを、それぞれ評価した。

（比較例１）
表１に示す条件のセラミックス基板を構成するセラミックス母材（１００ｍｍ×１００ｍｍ）にスクライブラインを形成した後、表１に記載の金属板（９７ｍｍ×９７ｍｍ）を接合した。接合条件は実施例１と同様とした。接合後に、回路層及び金属層の大きさが２７ｍｍ×２７ｍｍ、かつ、スクライブラインが露出するように金属板をエッチングし、スクライブラインに沿って分割することで、９個のパワーモジュール用基板を作製した。この作業を１０回行い、合計９０個のパワーモジュール用基板を作製した。得られた各パワーモジュール用基板について、３０℃における反りの方向と反り量とを、それぞれ評価した。

反り量の測定は、ミツトヨ社製のＳＪ‐４００を用いて行い、各パワーモジュール用基板のスクライブライン形成面に接合した回路層の表面（上面）の反り量を測定した。また、反り方向と反り量とは、スクライブライン形成面側、すなわち回路層の上面側に凸状の変形を正（＋）とした。結果を表２に示す。

表２からわかるように、予めセラミックス母材の片面のみに、セラミックス基板の形成領域を区画するスクライブラインを形成しておくことにより、そのスクライブライン形成面側に凸の反りを有するパワーモジュール用基板を多く得ることが可能であった。なお、セラミックス母材の両面にスクライブラインを設けた比較例２では、分割工程を行う前に既に分割された状態であった。

１０パワーモジュール用基板
１１セラミックス基板
１２回路層
１３金属層
２１セラミックス母材
２１ａスクライブライン
２１ｂ形成領域
２２，２３金属板
２５，２６積層体
３１接合材
４０電子部品
５０ヒートシンク
１０１パワーモジュール

Claims

セラミックス母材から複数のセラミックス基板を分割するためのスクライブラインを該セラミックス母材の片面のみに形成するスクライブライン形成工程と、
前記スクライブライン形成工程後に、前記セラミックス母材の前記スクライブラインにより区画された各セラミックス基板の形成領域において、前記セラミックス母材の両面のそれぞれと銅又はアルミニウムを主成分とする同種材料からなる同形状かつ同厚の金属板との間に接合材を挟んで配置し、これらの積層体をその積層方向に０．０５ＭＰａ以上１．０ＭＰａ以下の圧力で加圧及び加熱することにより接合した後、該積層体を冷却することにより前記セラミックス母材を介して対称形状の回路層及び金属層を形成する接合工程と、
前記接合工程後に、前記セラミックス母材を前記スクライブラインに沿って分割して、前記セラミックス基板に前記回路層と前記金属層とが接合されたパワーモジュール用基板を複数形成する分割工程と、
を有し、
前記スクライブラインは、前記セラミックス母材の厚みの比率０．１８以上０．２２以下の深さで形成する
ことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。