WO2014097880A1 - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

パワーモジュール用基板の製造方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2012-275157 for which it applied on December 17, 2012, and uses the content here.
  • a conventional power module substrate there is known a structure in which a metal plate serving as a circuit layer is laminated on one surface of a ceramic substrate and a metal plate serving as a heat dissipation layer is laminated on the other surface of the ceramic substrate.
  • An electronic component such as a semiconductor chip is soldered on the circuit layer, and a heat sink is bonded to the heat dissipation layer.
  • Patent Document 1 discloses a circuit board in which a copper plate is bonded to one surface of a ceramic substrate and an aluminum plate is bonded to the other surface.
  • the ceramic substrate and the copper plate are joined by a brazing material using an active metal
  • the ceramic substrate and the aluminum plate are joined by an Al—Si based brazing material.
  • the joining temperature is 800 to 930 ° C.
  • the joining temperature using an Al—Si based brazing material is 500 to 650 ° C.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to suppress the separation between the ceramic substrate and the heat dissipation layer particularly during heat sink bonding.
  • the method for manufacturing a power module substrate of the present invention includes a circuit layer bonding step of brazing a circuit layer made of copper on one surface of a ceramic substrate, and a heat dissipation layer made of aluminum on the other surface of the ceramic substrate. After the heat dissipation layer bonding step for brazing, and after the circuit layer bonding step, before the heat dissipation layer bonding step, the oxide film thickness of the other surface of the ceramic substrate is set to at least the ceramic substrate and the heat dissipation layer.
  • a surface treatment step at a peripheral edge of the planned bonding region of 3.2 nm or less, and the ceramic substrate, the circuit layer bonded to the one surface of the ceramic substrate, and the ceramic substrate A power module substrate having the heat dissipation layer bonded to the other surface is manufactured.
  • the thickness of the oxide film is set to 3.2 nm or less at the peripheral portion of the region where the ceramic substrate and the heat dissipation layer are to be bonded, so that the bonding interface between the ceramic substrate and the heat dissipation layer is reduced. Separation can be reduced. Furthermore, in the case of brazing using a flux, erosion to the bonding interface between the ceramic substrate and the heat dissipation layer due to the flux can be suppressed.
  • the other surface of the ceramic substrate may be washed with one or more acids selected from hydrochloric acid, nitric acid, and sulfuric acid.
  • hydrochloric acid has a particularly weak oxidizing action and does not erode even if it adheres to the circuit layer. Therefore, it is suitable for the surface treatment for removing the oxide film.
  • the ceramic substrate is subjected to a surface treatment after the circuit layer to be subjected to a high-temperature heat treatment and the ceramic substrate are bonded, and the surface oxide film is made to have a predetermined thickness or less. Since the heat dissipation layer is bonded, a power module substrate with high bonding reliability can be manufactured at the bonding interface between the ceramic substrate and the heat dissipation layer.
  • the power module 100 shown in FIG. 2 includes a power module substrate 10, an electronic component 20 such as a semiconductor chip mounted on the surface of the power module substrate 10, and a heat sink 30 bonded to the back surface of the power module substrate 10. It is composed of
  • the circuit layer 12 is laminated on one surface (circuit layer surface) of the ceramic substrate 11 in the thickness direction, and the heat radiation layer 13 is disposed on the other surface (heat radiation layer surface) of the ceramic substrate 11. Bonded in a stacked state.
  • the ceramic substrate 11 is formed of AlN, Al 2 O 3 , SiC, or the like, for example, to a thickness of 0.32 mm to 1.0 mm.
  • the circuit layer 12 is made of pure copper or copper alloy such as oxygen-free copper or tough pitch copper.
  • the heat dissipation layer 13 is made of pure aluminum or aluminum alloy having a purity of 99.00% or more.
  • the thicknesses of the circuit layer 12 and the heat dissipation layer 13 are, for example, 0.25 mm to 2.5 mm.
  • the power module substrate 10 of the present embodiment includes, for example, as a preferable combination example, a ceramic substrate 11 made of AlN having a thickness of 0.635 mm, a circuit layer 12 made of a pure copper plate having a thickness of 0.6 mm, and 4N having a thickness of 1.6 mm. -Consists of a heat dissipation layer 13 made of an aluminum plate.
  • the bonding of the ceramic substrate 11, the circuit layer 12, and the heat dissipation layer 13 is performed in two steps as will be described later. That is, after the circuit layer 12 is first bonded to the circuit layer surface of the ceramic substrate 11, the heat dissipation layer 13 is bonded to the heat dissipation layer surface of the ceramic substrate 11.
  • an active metal brazing material of Ag-27.4 mass% Cu-2.0 mass% Ti is used for joining the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12.
  • an Al—Si based or Al—Ge based brazing material is used for joining the ceramic substrate 11 and the heat dissipation layer 13.
  • the circuit layer 12 is first bonded to the circuit layer surface of the ceramic substrate 11 (circuit layer bonding step), and then the heat dissipation layer 13 is bonded to the heat dissipation layer surface of the ceramic substrate 11 (heat dissipation layer bonding step).
  • the surface (heat dissipation layer surface) of the ceramic substrate 11 on which the circuit layer 12 is not bonded is subjected to surface treatment (surface treatment step).
  • the heat sink 30 is bonded to the heat dissipation layer 13.
  • the circuit layer 12 is laminated on one surface (circuit layer surface) of the ceramic substrate 11 with an active metal brazing material made of paste or foil interposed therebetween to form a laminate 40.
  • a plurality of the stacked bodies 40 are stacked in a state of being sandwiched between plate-like cushion sheets 50 made of carbon graphite or the like, and, for example, 0.3 MPa to 1.MP in the stacking direction by a pressing jig 110 as shown in FIG. Pressurize at 0 MPa.
  • the pressurizing jig 110 includes a base plate 111, guide posts 112 vertically attached to the four corners of the upper surface of the base plate 111, a fixed plate 113 fixed to the upper ends of the guide posts 112, a base plate 111, A pressing plate 114 supported by the guide post 112 so as to be movable up and down between the fixing plate 113 and a spring or the like provided between the fixing plate 113 and the pressing plate 114 to urge the pressing plate 114 downward.
  • Force means 115 Between the base plate 111 and the pressing plate 114, the laminated body 40 and the cushion sheet 50 described above are disposed.
  • the pressurizing jig 110 is installed in a heating furnace (not shown), and in a vacuum atmosphere at a temperature of 800 ° C. or higher and 930 ° C. or lower for 1 minute or more.
  • the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 are brazed by heating for 60 minutes.
  • This brazing is a joining using an active metal brazing material, and Ti, which is an active metal in the brazing material, diffuses preferentially to the ceramic substrate 11 to form TiN, and the circuit layer is formed via an Ag—Cu alloy. 12 and the ceramic substrate 11 are joined.
  • the oxide film can be reduced by washing the heat radiation layer surface of the ceramic substrate 11 with an acid.
  • an acid As the cleaning acid, at least one selected from hydrochloric acid, nitric acid, and sulfuric acid is used. Among them, hydrochloric acid is particularly suitable because it has a weak oxidizing action, and for example, 18% by mass hydrochloric acid is used.
  • the ceramic substrate 11 to which the circuit layer 12 is bonded is immersed in 18% hydrochloric acid for 5 minutes, the ceramic substrate 11 is pulled up, washed with distilled water to remove the surface acid, and further immersed in alcohols. dry.
  • alcohols dry.
  • ethanol can be used as the alcohol.
  • nitric acid When nitric acid is used for this surface treatment, it may be sprayed on the surface of the heat dissipation layer of the ceramic substrate 11 instead of immersion. Thereby, generation
  • the thickness of the oxide film on the heat dissipation layer surface of the ceramic substrate 11 is reduced to 3.2 nm or less at least at the peripheral portion of the region where the ceramic substrate 11 and the heat dissipation layer 13 are to be joined.
  • the thickness of the oxide film at the outer peripheral portion of the bonding interface is predetermined. It is important to keep it below the value.
  • the peripheral edge that defines the thickness of the oxide film is at a position where the distance from the peripheral edge of the region where the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 are to be bonded is 1 mm, for example.
  • the thickness of the oxide film can be measured by an analysis result of a surface state by an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (X-ray Photoelectron Spectroscopy).
  • the heat dissipation layer 13 is laminated with a brazing material interposed on the surface of the ceramic substrate 11 after the surface treatment, and a plurality of sets are stacked in a state where the laminate is sandwiched between the cushion sheets 50 described above. 110 is pressurized in the laminating direction at, for example, 0.3 MPa to 1.0 MPa (not shown).
  • the pressure jig 110 and the pressure jig 110 are placed in a heating furnace (not shown), and the temperature is 630 ° C. or higher and 650 ° C. or lower for 1 minute in a vacuum atmosphere.
  • the ceramic substrate 11 and the heat dissipation layer 13 are brazed to manufacture the power module substrate 10.
  • the power module substrate 10 manufactured in this way is subjected to the heat dissipation layer bonding step after the oxide film on the surface of the ceramic substrate 11 generated during the circuit layer bonding step is reduced by the surface treatment step,
  • the oxide film present at the bonding interface with the heat dissipation layer 13 is extremely small, and the bonding reliability at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the heat dissipation layer 13 can be improved.
  • the thickness of the oxide film on the entire surface of the ceramic substrate 11 in the surface treatment step there is a possibility that the peeling progresses in the outer peripheral portion where the thermal stress is most applied in the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the heat dissipation layer 13. Therefore, at least the thickness of the oxide film at the peripheral portion in the outer peripheral portion of the region where the ceramic substrate 11 and the heat dissipation layer 13 are to be bonded should be 3.2 nm or less as described above.
  • ceramic substrates made of 30 mm square AlN were prepared as samples a to g.
  • the ceramic substrates of samples b to g were subjected to heat treatment at 860 ° C. for 30 minutes assuming active metal brazing.
  • samples c to g were subjected to a surface treatment with an acid as follows. The thickness of each oxide film in samples a to g after each treatment was measured.
  • the oxide film thickness was measured by XPS analysis.
  • the analysis conditions are as follows.
  • X-ray source Standard AlK ⁇ 350W Path energy: 187.85 eV (Survey), 58.5 eV (Depth) Measurement interval: 0.8 eV / step (Survey), 0.125 eV (Depth)
  • Photoelectron extraction angle with respect to sample surface 45 deg Analysis area: about 800 ⁇ m ⁇ Sputter rate: 1.6 nm / min
  • the oxide film thickness was calculated from the sputtering time and the sputtering rate, assuming that the oxygen peak area by XPS analysis was 1 ⁇ 2 of the initial oxygen film thickness. As shown by a point A in FIG. 4, the thickness of the oxide film is measured at a position 1 mm inward from the periphery of the bonding area S of the heat radiation layer 13 (4N-aluminum plate) to the ceramic substrate 11 at the position to be bonded S. The four points on the X-axis and Y-axis passing through the center of the sample were measured, and the average was defined as the oxide film thickness in each of the samples a to g (Table 1).
  • a 4N-aluminum plate was joined to the surface of the ceramic substrate with an Al—Si brazing material, imitating the heat radiation layer 13.
  • an aluminum alloy plate was brazed using a flux, simulating the heat sink 30, and the bondability between the ceramic substrate and the 4N-aluminum plate in each sample b to g was evaluated.
  • the ultrasonic deep wound image obtained by photographing the joint surface with the ultrasonic deep wound device the non-joined part is indicated by a white part. Therefore, the area of the white portion in the planned bonding region S was measured and set as a non-bonded area. Further, the planned bonding area is the area of the planned bonding area S, that is, the area of the aluminum plate. Table 1 shows the results of evaluation of bondability.
  • sample a and sample b shows that the thickness of the oxide film on the surface of the ceramic substrate was increased by the heat treatment.
  • the thickness of the oxide film in samples c to g was reduced by the surface treatment with acid.
  • Good bonding properties could be obtained for samples c to g in which the oxide film was reduced to 3.2 nm or less by the surface treatment. Since most non-bonded portions are limited to the outer peripheral portion of the bonding interface, it has been found that if the oxide film can be reduced on the outer peripheral portion, good bonding properties can be exhibited.

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Abstract

　ヒートシンク接合時のセラミックス基板と放熱層との剥離を抑制する。　セラミックス基板１１の一方の面に銅からなる回路層１２が接合され、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウムからなる放熱層１３が接合されてなるパワーモジュール用基板１０の製造方法であって、セラミックス基板１１に回路層１２をろう付け接合する回路層接合工程と、回路層接合工程の後にセラミックス基板１１の前記他方の面の酸化膜厚さを少なくともセラミックス基板１１と放熱層１３との接合予定領域の周縁部で３．２ｎｍ以下にする表面処理工程と、表面処理工程の後にセラミックス基板１１の前記他方の面に放熱層１３をろう付け接合する放熱層接合工程とを備える。

Description

パワーモジュール用基板の製造方法
　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。
　本願は、２０１２年１２月１７日に出願された特願２０１２－２７５１５７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　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チップ等の電子部品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。Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系の活性金属ろう材を用いた場合の接合温度は８００～９３０℃、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材による接合温度は５００～６５０℃である。
特開２００３－１９７８２６号公報
　特許文献１に記載されているように、セラミックス基板と銅板とを活性金属を用いたろう付けにより接合した場合、８００～９３０℃で接合されるため、セラミックス基板の他方の面に酸化膜が形成される。この酸化膜が形成された状態で放熱層をろう付けしても、酸化膜が存在することによりセラミックス基板と放熱層の接合界面で剥離が生じる可能性がある。
　特に、セラミックス基板と放熱層の接合界面のうち、最も熱応力の加わる周縁部において剥離が進行する可能性がある。また、放熱層とヒートシンクとの間をフラックスを用いてろう付けする場合、フラックスが酸化膜を除去する効果を持つため、セラミックス基板と放熱層の接合界面の周縁部の酸化膜がフラックスによって侵食され、セラミックス基板と放熱層との接合界面の剥離がより進行する問題があった。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、特にヒートシンク接合時のセラミックス基板と放熱層との剥離を抑制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、セラミックス基板の一方の面に、銅からなる回路層をろう付けする回路層接合工程と、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウムからなる放熱層をろう付けする放熱層接合工程と、前記回路層接合工程の後、前記放熱層接合工程の前に、前記セラミックス基板の前記他方の面の酸化膜厚さを、少なくとも前記セラミックス基板と前記放熱層との接合予定領域の周縁部で、３．２ｎｍ以下にする表面処理工程と、を有し、前記セラミックス基板と、このセラミックス基板の前記一方の面に接合された前記回路層と、前記セラミックス基板の前記他方の面に接合された前記放熱層とを有するパワーモジュール基盤を製造する。
　本発明では、放熱層を接合する前に、セラミックス基板と放熱層との接合予定領域の周縁部で酸化膜の厚さを３．２ｎｍ以下にすることにより、セラミックス基板と放熱層の接合界面で剥離を低減できる。さらに、フラックスを用いたろう付けの場合、フラックスによるセラミックス基板と放熱層の接合界面への侵食を抑制できる。
　本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記表面処理工程では、前記セラミックス基板の前記他方の面を塩酸、硝酸、硫酸から選ばれる一種以上の酸で洗浄するとよい。
　セラミックス基板の表面を洗浄する場合、アルカリを用いたのではセラミックス基板を侵食する。また、ブラスト処理等の機械的処理では表面部に応力が残留し、クラック等の原因となるおそれがある。酸のうち、特に塩酸は酸化作用が弱く、また、回路層に付着しても侵食しないので、酸化膜除去のための表面処理に好適である。
　本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、高温の加熱処理となる回路層とセラミックス基板との接合後にセラミックス基板に表面処理を施して、表面の酸化膜を所定の厚み以下にしてから放熱層を接合するので、セラミックス基板と放熱層との接合界面において、接合信頼性の高いパワーモジュール用基板を製造できる。
本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法のフローチャートである。 本発明の製造方法を用いて製造されたパワーモジュールを示す断面図である。 本発明の製造方法で用いられる加圧治具の例を示す側面図である。 酸化膜厚みの測定箇所を示す正面図である。
　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２に示すパワーモジュール１００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チップ等の電子部品２０と、パワーモジュール用基板１０の裏面に接合されたヒートシンク３０とから構成されている。
　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（回路層面）に回路層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（放熱層面）に放熱層１３が厚さ方向に積層された状態で接合されている。
　セラミックス基板１１は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ等により、例えば０．３２ｍｍ～１．０ｍｍの厚さに形成されている。回路層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ている。放熱層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。これら回路層１２及び放熱層１３の厚さは、例えば０．２５ｍｍ～２．５ｍｍである。
　本実施形態のパワーモジュール用基板１０は、例えば好ましい組合せ例としては、厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板１１、厚み０．６ｍｍの純銅板からなる回路層１２、および厚み１．６ｍｍの４Ｎ－アルミニウム板からなる放熱層１３で構成される。
　これらセラミックス基板１１、回路層１２及び放熱層１３の接合は、後述するように２回に分けて行われる。すなわち、セラミックス基板１１の回路層面に回路層１２をまず接合した後、セラミックス基板１１の放熱層面に放熱層１３を接合する。この場合、セラミックス基板１１と回路層１２との接合には、例えばＡｇ－２７．４質量％Ｃｕ－２．０質量％Ｔｉの活性金属ろう材が用いられる。セラミックス基板１１と放熱層１３との接合には、例えばＡｌ－Ｓｉ系又はＡｌ－Ｇｅ系のろう材が用いられる。
　次に、こ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。そのフローチャートを図１に示す。
　前述したように、まずセラミックス基板１１の回路層面に回路層１２を接合（回路層接合工程）した後、セラミックス基板１１の放熱層面に放熱層１３を接合する（放熱層接合工程）。また、回路層１２を接合した後、放熱層１３を接合する前に、回路層１２が接合されていない側のセラミックス基板１１の表面（放熱層面）に表面処理を施す（表面処理工程）。その後、放熱層１３にヒートシンク３０を接合する。以下、これらの工程を順に説明する。
（回路層接合工程）
　回路層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（回路層面）に積層して、積層体４０を形成する。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の間に挟んだ状態で複数組積み重ね、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で加圧する。
　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、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。ベース板１１１と押圧板１１４との間に、前述の積層体４０およびクッションシート５０が配設される。
　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と回路層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合金を介して回路層１２とセラミックス基板１１とを接合する。
（表面処理工程）
　回路層接合工程時に、セラミックス基板１１の回路層１２とは反対面（放熱層面）も高温に晒されるため、その表面に酸化膜が形成される。表面処理工程では、そのセラミックス基板１１に生じた酸化膜を削減する。
　セラミックス基板１１の放熱層面を酸によって洗浄することにより、酸化膜が削減される。洗浄用の酸としては、塩酸、硝酸、硫酸から選ばれる一種以上が用いられる。その中でも塩酸は酸化作用が弱いので特に好適であり、例えば１８質量％塩酸が用いられる。
　具体的には、回路層１２が接合されたセラミックス基板１１を１８％塩酸に５分間浸漬した後、引き上げて、表面の酸除去のために蒸留水で洗浄し、さらにアルコール類に浸漬した後に、乾燥させる。アルコール類としては、例えばエタノールを利用することができる。
　この表面処理に硝酸を用いる場合は、浸漬ではなく、セラミックス基板１１の放熱層面にスプレー等により吹き付けるようにしてもよい。これにより、回路層１２に硝酸が付着することによる侵食の発生を防止できる。
　この表面処理工程により、セラミックス基板１１の放熱層面の酸化膜の厚みを、少なくともセラミックス基板１１と放熱層１３との接合予定領域の周縁部で、３．２ｎｍ以下に削減する。後述するように、ヒートシンク３０のろう付け時にフラックスが侵食する場合、侵食はセラミックス基板１１と回路層１２との接合界面の外周部において発生するので、接合界面の外周部における酸化膜の厚みを所定値以下にすることが重要である。ここで、酸化膜の厚さを規定する周縁部は、セラミックス基板１１と回路層１２との接合予定領域の周縁からの距離が例えば１ｍｍの位置とする。酸化膜の厚みは、Ｘ線光電子分光分析法（ＸＰＳ：Ｘ－ｒａｙ　Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による表面状態の分析結果等によって測定できる。
（放熱層接合工程）
　表面処理後のセラミックス基板１１の放熱層面にろう材を介在させた状態で放熱層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、加圧治具１１０により積層方向に例えば０．３ＭＰａ～１．０ＭＰａで加圧する（図示略）。
　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と放熱層１３とをろう付けし、パワーモジュール用基板１０を製造する。
　このようにして製造されるパワーモジュール用基板１０は、回路層接合工程時に生じるセラミックス基板１１表面の酸化膜が表面処理工程により削減された後に放熱層接合工程が実施されるので、セラミックス基板１１と放熱層１３との接合界面に存在する酸化膜が極めて少なく、セラミックス基板１１と放熱層１３との接合界面における接合信頼性を向上させることができる。
　なお、表面処理工程においてセラミックス基板１１の全面の酸化膜厚みを削減することが好ましいが、セラミックス基板１１と放熱層１３の接合界面のうち、最も熱応力の加わる外周部において剥離が進行する可能性があるので、セラミックス基板１１と放熱層１３との接合予定領域の外周部において、少なくとも周縁部の酸化膜の厚みを前述した３．２ｎｍ以下にすればよい。
　以上説明したパワーモジュール用基板の製造方法による効果を確認するために実験を行った。
　まず、試料ａ～ｇとして、３０ｍｍ四方のＡｌＮからなるセラミックス基板を用意した。このうち、試料ｂ～ｇのセラミックス基板に対して、活性金属ろう付け接合を想定して８６０℃で３０分の熱処理を加えた。そして、熱処理を加えた試料ｂ～ｇのうち、試料ｃ～ｇに対して以下のように酸による表面処理を行った。各処理後の試料ａ～ｇにおける各酸化膜厚みを測定した。
　　ａ：熱処理なし
　　ｂ：熱処理のみ
　　ｃ：熱処理後、１８質量％塩酸に２．５分浸漬
　　ｄ：熱処理後、１８質量％塩酸に５分浸漬
　　ｅ：熱処理後、１８質量％塩酸に１０分浸漬
　　ｆ：熱処理後、３０質量％硝酸水溶液に５分浸漬
　　ｇ：熱処理後、１４質量％硫酸水溶液に５分浸漬
　酸化膜厚みは、ＸＰＳ分析により測定した。その分析条件は以下の通りである。
　　Ｘ線源：Ｓｔａｎｄａｒｄ　ＡｌＫα　３５０Ｗ
　　パスエネルギー：１８７．８５ｅＶ（Ｓｕｒｖｅｙ）、５８．５ｅＶ（Ｄｅｐｔｈ）
　　測定間隔：０．８ｅＶ/ｓｔｅｐ（Ｓｕｒｖｅｙ）、０．１２５ｅＶ（Ｄｅｐｔｈ）
　　試料面に対する光電子取り出し角：４５ｄｅｇ
　　分析エリア：約８００μｍφ
　　スパッタレート：１．６ｎｍ／ｍｉｎ
　ＸＰＳ分析による酸素ピーク面積が初期の１／２になったところまでを酸化膜厚と仮定し、スパッタ時間とスパッタレートとから酸化膜の厚みを計算した。酸化膜の厚みの測定は、図４に点Ａで示すように、セラミックス基板１１に対する放熱層１３（４Ｎ－アルミニウム板）の接合予定領域Ｓの周縁から内側に１ｍｍの位置で、接合予定領域Ｓの中心を通るＸ軸、Ｙ軸上の４箇所について行い、その平均を各試料ａ～ｇにおける酸化膜厚みとした（表１）。
　次に、表面処理後の各試料ｂ～ｇについて、セラミックス基板の表面に、放熱層１３を模して４Ｎ－アルミニウム板をＡｌ－Ｓｉ系ろう材により接合した。この４Ｎ－アルミニウム板に対して、ヒートシンク３０を模してアルミニウム合金板をフラックスを用いてろう付けし、各試料ｂ～ｇにおけるセラミックス基板と４Ｎ－アルミニウム板との間の接合性について評価した。
　「接合性」としては、超音波深傷装置を用いてセラミックス基板とアルミニウム板との接合状態を評価した。接合率＝（接合予定面積－非接合面積）／接合予定面積の式から算出し、接合率が８５％以上のものを良、８５％に達しなかったものを不良とした。超音波深傷装置により接合面を撮影した超音波深傷像において、非接合部は白色部で示される。したがって、接合予定領域Ｓ内の白色部の面積を測定し、非接合面積とした。また、接合予定面積は、接合予定領域Ｓの面積、つまりアルミニウム板の面積とした。接合性の評価結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　試料ａと試料ｂとを比較すると、熱処理によりセラミックス基板表面の酸化膜厚みが増大したことがわかる。また、この試料ａ，ｂと比較すると、酸による表面処理により試料ｃ～ｇにおける酸化膜の厚みは減少したことがわかる。そして、表面処理により酸化膜が３．２ｎｍ以下に減少した試料ｃ～ｇについては、良好な接合性を得ることができた。非接合部分は、ほとんどが接合界面の外周部に限られるので、その外周部について酸化膜を削減できれば、良好な接合性を発揮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。
　パワーモジュール用基板の製造において、特に、ヒートシンク接合時のセラミックス基板と放熱層との剥離を抑制する。
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　放熱層
２０　電子部品
３０　ヒートシンク
４０　積層体
５０　クッションシート
１１０　加圧治具
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 (3)

  1. 　セラミックス基板の一方の面に、銅からなる回路層をろう付けする回路層接合工程と、
    　前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウムからなる放熱層をろう付けする放熱層接合工程と、
    　前記回路層接合工程の後、前記放熱層接合工程の前に、前記セラミックス基板の前記他方の面の酸化膜厚さを、少なくとも前記セラミックス基板と前記放熱層との接合予定領域の周縁部で、３．２ｎｍ以下にする表面処理工程と、
    を有し、
    　前記セラミックス基板と、このセラミックス基板の前記一方の面に接合された前記回路層と、前記セラミックス基板の前記他方の面に接合された前記放熱層とを有するパワーモジュール用基板を製造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. 　前記表面処理工程において、前記セラミックス基板の前記他方の面を塩酸、硝酸、硫酸から選ばれる一種以上の酸で洗浄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. 　前記周縁部は、前記接合予定領域の周縁から１ｍｍの位置であ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。
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