(57)【要約】【課題】絶縁耐圧を、容易に且つ安定して向上させること。【解決手段】本開示の積層基板の製造方法は、セラミックスからなる絶縁基板（２）と、絶縁基板のおもて面に形成された電極（３、４）と、を有し、電極のおもて面に半導体素子を実装可能な積層基板の製造方法であって、電極の外側の周囲における絶縁基板のおもて面を、レーザ加工して、導電性に表面改質した。これにより、簡単な手法により、高耐圧の積層基板を安定して製造することができる。【選択図】図１Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスからなる絶縁基板と、前記絶縁基板のおもて面に形成された電極と、を有し、前記電極のおもて面に半導体素子を実装可能な積層基板の製造方法であって、
前記電極の外側の周囲における前記絶縁基板のおもて面を、レーザ加工して、導電性に表面改質することを特徴とする積層基板の製造方法。
【請求項２】
前記絶縁基板は、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなることを特徴とする請求項１に記載の積層基板の製造方法。
【請求項３】
前記表面改質が前記電極の裏面にまで及ぶように、レーザ加工することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の積層基板の製造方法。
【請求項４】
前記電極から離れた前記絶縁基板のおもて面を、レーザ加工することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の積層基板の製造方法。
【請求項５】
前記絶縁基板のおもて面に前記電極を形成する前に、レーザ加工することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の積層基板の製造方法。
【請求項６】
前記絶縁基板のおもて面に前記電極を形成した後に、レーザ加工することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の積層基板の製造方法。
【請求項７】
前記電極の全周にわたって、レーザ加工することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の積層基板の製造方法。
【請求項８】
前記絶縁基板と前記電極との間には、前記電極よりも外側にはみ出した金属製の接合層を有しており、前記接合層の外側の周囲における前記絶縁基板のおもて面を、レーザ加工することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の積層基板の製造方法。
【請求項９】
前記絶縁基板のおもて面、及び裏面に夫々、前記電極を有し、前記絶縁基板のおもて面、及び裏面を、レーザ加工することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の積層基板の製造方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれかに記載の積層基板の製造方法により製造された前記積層基板に、前記半導体素子を実装することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項１１】
セラミックスからなる絶縁基板と、前記絶縁基板のおもて面に形成された電極と、を有し、前記電極のおもて面に半導体素子を実装可能な積層基板であって、
前記電極の外側の周囲における前記絶縁基板のおもて面に、前記セラミックスを構成する金属元素から構成された金属あるいは合金を主成分とする表面改質部を備えることを特徴とする積層基板。
【請求項１２】
前記絶縁基板が、窒化アルミニウムを主成分としたセラミックスであり、
前記表面改質部が、アルミニウムからなる金属を主成分とすることを特徴とする請求項１１に記載の積層基板。
【請求項１３】
前記表面改質部を、前記電極の裏面にまで備えることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の積層基板。
【請求項１４】
前記表面改質部を、前記電極から離れた前記絶縁基板のおもて面に備えることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の積層基板。
【請求項１５】
前記表面改質部を、前記電極の全周にわたって備えることを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれかに記載の積層基板。
【請求項１６】
前記絶縁基板と前記電極との間には、前記電極よりも外側にはみ出した金属製の接合層を有しており、前記表面改質部を、前記接合層の外側の周囲における前記絶縁基板のおもて面に備えることを特徴とする請求項１１から請求項１５のいずれかに記載の積層基板。
【請求項１７】
前記絶縁基板のおもて面、及び裏面に夫々、前記電極を有し、前記表面改質部を、前記絶縁基板のおもて面、及び裏面に備えることを特徴とする請求項１１から請求項１６のいずれかに記載の積層基板。
【請求項１８】
請求項１１から請求項１７のいずれかに記載の積層基板に、前記半導体素子が実装されたことを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、積層基板の製造方法、半導体モジュールの製造方法、並びに、積層基板、半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュール用の積層基板は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス基板と、セラミックス基板の表面に設けられた電極と、を有して構成される（特許文献１〜特許文献３を参照）。そして、半導体素子が、電極の表面に実装される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−７６１９７号公報
【特許文献２】特開２００２−７６１９０号公報
【特許文献３】特開２００５−１１６６０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、電極の端部には電界が集中する。このため、絶縁破壊が起こりやすい。例えば、特許文献１及び特許文献２では、電極の端部と、セラミックス基板の表面との間を固体絶縁物で固めている。これにより、絶縁耐圧が向上するとしている。
【０００５】
しかしながら、電極の端部付近には、ピットと呼ばれる欠陥が多数存在する。よって、欠陥を固体絶縁物により適切に埋めることができず、十分な絶縁耐圧を確保できない。
【０００６】
また、特許文献３では、セラミックス基板と電極との間に接合層を有する。特許文献３では、接合層が電極の端部より外側にはみ出している。そして、はみ出した接合層の表面をコーティング材で覆っている。
【０００７】
しかしながら、はみ出した接合層の表面は、電極を形成する際のエッチングの影響を受けて欠陥を有している。よって、接合層の欠陥を、コーティング材で適切に埋めることができず、十分な絶縁耐圧を確保できない。
【０００８】
また、各特許文献に記載された固体絶縁物やコーティング材は、剥離する可能性がある。よって、各特許文献の積層基板を用いて製造された半導体モジュールでは、十分な信頼性を得ることができない。
【０００９】
本開示はかかる点に鑑みてなされたものであり、絶縁耐圧を、容易に且つ安定して向上させることができる積層基板の製造方法及び積層基板、並びに、信頼性に優れた半導体モジュールの製造方法及び半導体モジュールを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の一態様の積層基板の製造方法は、セラミックスからなる絶縁基板と、前記絶縁基板のおもて面に形成された電極と、を有し、前記電極のおもて面に半導体素子を実装可能な積層基板の製造方法であって、前記電極の外側の周囲における前記絶縁基板のおもて面を、レーザ加工して、導電性に表面改質することを特徴とする。
【００１１】
本開示の一態様の積層基板は、セラミックスからなる絶縁基板と、前記絶縁基板のおもて面に形成された電極と、を有し、前記電極のおもて面に半導体素子を実装可能な積層基板であって、前記電極の外側の周囲における前記絶縁基板のおもて面に、前記セラミックスを構成する金属元素から構成された金属あるいは合金を主成分とする表面改質部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本開示の積層基板の製造方法によれば、簡単な手法により、高耐圧の積層基板を安定して製造することができる。よって、信頼性に優れた半導体モジュールを製造することができる。
【００１３】
また、本開示の積層基板によれば、安定して高耐圧化を図ることができる。よって、信頼性に優れた半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】第１の実施の形態の積層基板の斜視図である。
【図１Ｂ】第１の実施の形態の積層基板の平面図である。
【図１Ｃ】第１の実施の形態の積層基板の切断部端面図である。
【図２Ａ】比較例における積層基板の３重点を示す部分切断部端面図である。
【図２Ｂ】第１の実施の形態における積層基板の３重点を示す部分切断部端面図である。
【図３Ａ】第２の実施の形態の積層基板の斜視図である。
【図３Ｂ】第２の実施の形態の積層基板の平面図である。
【図３Ｃ】第２の実施の形態の積層基板の切断部端面図である。
【図４Ａ】第１の実施の形態の積層基板の製造工程を示す斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａの次の積層基板の製造工程を示す斜視図である。
【図４Ｃ】図４Ｂの次の積層基板の製造工程を示す斜視図である。
【図４Ｄ】図４Ｃの次の積層基板の製造工程を示す斜視図である。
【図５】図４Ａ〜図４Ｄに代わる、第１の実施の形態の積層基板の製造工程を示す斜視図である。
【図６Ａ】第２の実施の形態の積層基板の製造工程を示す斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ａの次の積層基板の製造工程を示す斜視図である。
【図６Ｃ】図６Ｂの次の積層基板の製造工程を示す斜視図である。
【図７】別の実施の形態の積層基板を示す部分切断部端面図である。
【図８】本実施の形態の半導体モジュールの斜視図である。
【図９】本実施の形態の半導体モジュールの平面図である。
【図１０】図９に示すＣ−Ｃ線に沿って切断した切断部端面図である。
【図１１】図９に示すＤ−Ｄ線に沿って切断した切断部端面図である。
【図１２Ａ】レーザ加工の一例を示す積層基板の部分拡大平面図である。
【図１２Ｂ】レーザ加工の一例を示す積層基板の部分拡大平面図である。
【図１２Ｃ】レーザ加工の一例を示す積層基板の部分拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、第１の実施の形態の積層基板について説明する。図１Ａは、第１の実施の形態の積層基板の斜視図である。図１Ｂは、第１の実施の形態の積層基板の平面図である。図１Ｃは、第１の実施の形態の積層基板の切断部端面図である。図１Ｃの切断部端面図は、図１ＢをＡ−Ａ線に沿って切断した切断部端面である。なお、図１Ａ〜図１Ｃを用いて、積層基板の構成要素を説明すると共に、積層基板の製造方法、特に、絶縁基板に対するレーザ加工についても合わせて説明する。
【００１６】
図１Ａ〜図１Ｃに示すように、積層基板１は、セラミックスからなる絶縁基板２と、絶縁基板２のおもて面２ａ及び裏面２ｂに形成された電極３、４と、を有して構成される。電極３、４は、絶縁基板２のおもて面２ａ及び裏面２ｂの面積より小さい。絶縁基板２のおもて面２ａ及び裏面２ｂは、電極３、４の外側の周囲に露出した表面を有する。ここで、絶縁基板２のおもて面２ａに形成された電極３は、半導体モジュールにおいて、半導体素子を設置する側の回路板である。絶縁基板２の裏面２ｂに形成された電極４は、半導体モジュールにおいて、ベース板側の金属板である。したがって、「絶縁基板２のおもて面２ａ」とは、半導体素子を設置する回路板としての電極３を形成する側の面であり、「絶縁基板２の裏面２ｂ」とは、ベース板側の金属板としての電極４を形成する側の面である。また、絶縁基板２のおもて面２ａに形成された電極３のおもて面は、半導体素子の実装面であり、電極３の裏面は、絶縁基板２との接合面である。また、絶縁基板２の裏面２ｂに形成された電極４のおもて面は、ベース板と対向する側の面であり、電極４の裏面は、絶縁基板２との接合面である。電極３、４は、導電性に優れた銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、または、少なくともこれらの一種を含む合金等により構成されていてもよい。また、電極３、４は、表面にニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等のめっき膜が形成されていてもよい。
【００１７】
本実施の形態では、電極３の外側の周囲における絶縁基板２のおもて面２ａを、レーザ加工する。これにより、セラミックスからなる絶縁基板２のおもて面２ａでは、セラミックスを構成する金属元素が金属あるいは合金として析出し、導電性に表面改質する。本実施の形態では、絶縁基板２は、酸化物セラミックス、窒化物セラミックス、炭化物セラミックス、硼化物セラミックスを使用することができる。例えば、ＡｌＮを主成分とするセラミックスであってよい。ＡｌＮを主成分とするセラミックスの場合、絶縁基板２のおもて面２ａでは、窒素（Ｎ）が脱離し、金属であるＡｌが析出し、導電性に表面改質する。絶縁基板２における「主成分」とは、絶縁基板２を構成する成分の５０％超の体積比率を占めることを指す。図１Ａ〜図１Ｃでは、レーザ加工を施した領域を、表面改質部５として示した。この実施の形態では、表面改質部５を、矩形リング状で形成している。また、「表面改質部」とは、セラミックスを構成する金属元素から構成された金属或いは合金を主成分とする導電性領域、或いは半導電性領域を指す。表面改質部５における「主成分とする」とは、表面改質部５を構成する成分の５０％超の体積比率を占めることを指す。なお、表面改質部５と絶縁基板２との境界は明確でなくてもよく、金属元素の比率が、絶縁基板２から表面改質部５に向けて漸次的に高くなっていてもよい。このように、本実施の形態では、絶縁基板２のおもて面２ａに、絶縁領域と導電性領域或いは半導電性領域とが混在している。
【００１８】
本実施の形態では、レーザの種類を限定するものではないが、例えば、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、或いはエキシマレーザを使用することができる。
【００１９】
本実施の形態では、絶縁基板２の裏面２ｂに形成された電極４の外側の周囲にも、レーザ加工により、導電性の表面改質部５を形成する。ここで、「電極の外側の周囲」とは、電極３、４の端部３ａ、４ａより外側の周囲を意味する。また、本実施の形態では、電極３、４の端部３ａ、４ａの外側を所定幅で囲むように全周にわたって表面改質部５を形成する。ただし、周囲の一部に表面改質部５を形成してもよい。
【００２０】
第１の実施の形態では、図１Ｃに示すように、おもて面２ａ及び裏面２ｂに形成された表面改質部５は、それぞれ電極３、４の外側の周囲から電極３、４の裏面にまで及んでいる。これにより、表面改質部５と、電極３、４とを電気的に接続することができる。
【００２１】
図２Ａは、比較例における積層基板の３重点を示す部分切断部端面図である。図２Ｂは、第１の実施の形態における積層基板の３重点を示す部分切断部端面図である。図２Ａに示す積層基板１０１では、例えば、ＡｌＮを主成分とした絶縁基板１０２のおもて面１０２ａ及び裏面１０２ｂに、電極１０３、１０４を有する。ただし、図２Ａでは、各電極１０３、１０４の外側の周囲における絶縁基板１０２のおもて面１０２ａ及び裏面１０２ｂをレーザ加工していない。したがって、絶縁基板１０２のおもて面１０２ａ及び裏面１０２ｂは、導電性の表面改質部を有していない。また、積層基板１０１において、半導体素子が実装されるおもて面を、図示しない封止樹脂で覆うことができる。例えば、封止樹脂は、絶縁基板１０２のおもて面１０２ａおよび電極１０３を封止することができる。封止樹脂は、エポキシ樹脂やシリコーンゲルを用いることができる。また、封止樹脂は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の無機フィラーが添加されていてもよい。
【００２２】
図２Ａに示す丸で囲った部分は、３つの相が重なる３重点である。３つの相とは、セラミックス、金属、及び樹脂あるいは気体である。図２Ａにおいては、３つの相とは、絶縁基板１０２、電極１０３、１０４、及び図示しない封止樹脂または大気である。３重点には、電界が集中する。加えて、電極１０３、１０４の端部には、ピットと呼ばれる窪み状の欠陥が多数存在する。このため、絶縁破壊は、３重点の位置から生じやすい。絶縁破壊に対する対策として、特許文献１及び特許文献２では、３重点の付近を、固体絶縁物で固める。しかし、３重点に生じた欠陥を、固体絶縁物により適切に埋めることができない。また、固体絶縁物が剥がれることもある。したがって、十分な絶縁耐圧を得ることができない。また、固体絶縁物を設ける工程が増え、且つ施工材料も増えるため、コストアップに繋がる。
【００２３】
これに対して、図２Ｂでは、電極３、４の外側の周囲における絶縁基板２のおもて面２ａ及び裏面２ｂを、レーザ加工して、導電性に表面改質する。図２Ｂでは、表面改質部５は、電極３、４の裏面と電極３、４の端部より外側との間を跨ぐように形成される。これにより、丸で囲った３重点を、ピット等の欠陥が存在する電極３、４の端部３ａ、４ａから外側に離れる方向にシフトすることができる。図２Ｂに示す丸で囲った部分が、３つの相が重なる３重点である。この場合の３つの相とは、絶縁基板２、表面改質部５、及び図示しない封止樹脂または大気である。このように、電界が集中する３重点を、絶縁破壊の起点となる欠陥部分から離すことができ、絶縁耐圧を、安定して向上させることができる。本実施の形態の積層基板の製造方法では、封止構造を変更せずとも、レーザ加工を絶縁基板２のおもて面２ａ及び裏面２ｂに施す簡単な手法により、高耐圧の積層基板１を安定して製造することができる。また、表面改質の際に用いるレーザには、絶縁基板２を切断する際のレーザを用いることで、コストを抑えることができる。表面改質の際のレーザ加工は、絶縁基板２のおもて面２ａ及び裏面２ｂが導電性に表面改質する程度に、例えば、絶縁基板２を切断する際のレーザ加工よりも出力を弱めて行う。また、本実施の形態の積層基板によれば、安定して高耐圧化を図ることができる。
【００２４】
図２Ｂに示す表面改質部５は、例えば、Ａｌを主成分とした導電性領域であり、Ａｌ単層で形成されてもよいし、Ａｌ以外の金属元素、或いは絶縁元素を含んでいてもよい。なお、「主成分」の定義については、上述した。例えば、表面改質部５は、６０体積％Ａｌ−４０体積％ＡｌＯＮとすることができる。表面改質部５を、Ａｌ等の金属元素以外に、絶縁元素も含んだ半導電性とすることができる。半導電性の表面改質部５は、電極３、４と絶縁基板２との中間の体積抵抗率を有する。表面改質部５が半導電性であると、電位を下げることができ３重点への電界集中を緩和できる。よって、高耐圧の積層基板１を、より安定して得ることができる。このように、半導電性の表面改質部５を得るには、表面改質部５に絶縁元素を残し、体積抵抗率が電極より高くなるように、レーザ加工条件を調整する。
【００２５】
次に、第２の実施の形態の積層基板について説明する。図３Ａは、第２の実施の形態の積層基板の斜視図である。図３Ｂは、第２の実施の形態の積層基板の平面図である。図３Ｃは、第２の実施の形態の積層基板の切断部端面図である。図３Ｃの切断部端面図は、図３ＢをＢ−Ｂ線に沿って切断した断面である。なお、図３Ａ〜図３Ｃを用いて、積層基板の構成要素を説明すると共に、積層基板の製造方法、特に、絶縁基板に対するレーザ加工についても合わせて説明する。
【００２６】
図３Ａ〜図３Ｃに示すように、積層基板１１は、セラミックスからなる絶縁基板１２と、絶縁基板１２のおもて面１２ａ及び裏面１２ｂに形成された電極１３、１４と、を有して構成される。ここで、絶縁基板１２のおもて面１２ａに形成された電極１３は、半導体モジュールにおいて半導体素子を設置する側の回路版である。絶縁基板１２の裏面１２ｂに形成された電極１４は、半導体モジュールにおいて、ベース板側の金属板である。「おもて面」及び「裏面」の定義については、上述した第１の実施の形態と同じである。
【００２７】
図３Ａ〜図３Ｃに示すように、電極１３、１４の外側の周囲における絶縁基板１２のおもて面１２ａをレーザ加工し、導電性に表面改質する。このとき、電極１３、１４から離れた絶縁基板１２のおもて面１２ａ及び裏面１２ｂを、レーザ加工する。図３Ａ〜図３Ｃでは、レーザ加工を施した領域を、表面改質部１５として示した。この実施の形態では、表面改質部１５を、矩形リング状で形成している。表面改質部１５は、第１の実施の形態で示した表面改質部５と同様に、セラミックスを構成する金属元素から構成された金属或いは合金を主成分とする導電性領域、或いは半導電性領域である。また、表面改質部１５の材質は、表面改質部５と同様である。
【００２８】
ただし、図３Ａ〜図３Ｃに示す第２の実施の形態では、第１の実施の形態と異なり、表面改質部１５は、電極１３、１４と非接触であり、電気的に接続されていない。これにより、導電性の表面改質部１５は、浮遊電位となる。したがって、電極１３、１４の端部１３ａ、１４ａに位置する３重点の電界を緩和することができ、絶縁耐圧を向上させることができる。本実施の形態の積層基板の製造方法では、レーザ加工を、絶縁基板１２のおもて面１２ａ及び裏面１２ｂに施す簡単な手法により、高耐圧の積層基板１１を安定して製造することができる。また、表面改質の際に用いるレーザには、絶縁基板１２を切断する際のレーザを用いることで、コストを抑えることができる。表面改質の際のレーザ加工は、絶縁基板１２のおもて面１２ａ及び裏面１２ｂが導電性に表面改質する程度に、絶縁基板１２を切断する際のレーザ加工よりも出力を弱めて行う。また、本実施の形態の積層基板によれば、安定して高耐圧化を図ることができる。
【００２９】
なお、図１Ａ〜図１Ｂに示した表面改質部５と、図３Ａ〜図３Ｂに示した表面改質部１５とを組み合わせることもできる。このとき、後述するように、表面改質部５及び表面改質部１５を部分的に形成することもできる。特に、絶縁耐圧の弱い箇所には、二重以上の表面改質部を設けることで、絶縁耐圧をより安定して向上させることができる。
【００３０】
また、図１Ａ〜図１Ｂに示した表面改質部５と、図３Ａ〜図３Ｂに示した表面改質部１５とでは、幅が異なっているが、図面上わかりやすくするためであり、幅は同じであっても異なっていてもよい。なお、幅は、レーザ照射の幅であり、一度のレーザ照射で所定幅に表面改質してもよいし、複数回のレーザ照射を行って、所定幅となるように調整してもよい。
【００３１】
次に、第１の実施の形態の積層基板の製造方法を工程順に説明する。図４Ａ〜図４Ｄは、第１の実施の形態の積層基板の製造工程を示す斜視図である。図４Ａでは、セラミックスからなる絶縁基板２のおもて面２ａの上方に、レーザ照射装置のノズル１７を配置し、絶縁基板２のおもて面２ａにレーザＬを照射する。図４Ｂに示すように、レーザ加工により、絶縁基板２のおもて面２ａに、矩形リング状の表面改質部５を形成する。レーザＬが照射された絶縁基板２のおもて面２ａでは、例えば、Ｎが脱離しＡｌが析出する。したがって、表面改質部５は、導電性を帯びている。
【００３２】
図４Ｃでは、絶縁基板２のおもて面２ａに、電極材料の金属板１８を接合する。接合は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）等の活性金属を含む銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）系ろう材を使って接合する活性金属法で行うことができる。または、あらかじめ絶縁基板２のおもて面２ａを酸化させ、金属板１８と酸素の共晶反応を利用して直接銅板を接合する酸化直接接合法で行うことができる。あるいは、例えば、ＡｌＮを主成分とした絶縁基板２と、Ａｌを主成分とした金属板１８との接合では、アルミニウム直接接合法で行うこともできる。
【００３３】
図４Ｄでは、金属板１８をエッチングし、所定形状の電極３を形成する。これにより、電極３は、絶縁基板２のおもて面２ａよりも小さくなる。このとき、表面改質部５の一部が、電極３の外側の周囲に露出するように、電極３を形成する。なお、図１Ｃで説明したように、表面改質部５の一部は、電極３の裏面にまで及んでいる。
【００３４】
図４Ａ〜図４Ｄは、電極３及び表面改質部５を、絶縁基板２のおもて面２ａに形成する工程であったが、絶縁基板２の裏面２ｂについても同様の工程を用い、電極４及び表面改質部５を形成することができる。
【００３５】
図５は、図４Ａ〜図４Ｄに代わる、第１の実施の形態の積層基板の製造工程を示す斜視図である。図５では、最初に、所定形状の電極３を、絶縁基板２のおもて面２ａに形成する。図５に示すように、電極３は、絶縁基板２のおもて面２ａよりも小さい。そして、図５に示すように、レーザ照射装置からレーザＬを電極３の端部３ａに沿って、絶縁基板２のおもて面２ａに照射する。このとき、レーザ照射装置のノズル１７を斜めに配置してレーザＬを、絶縁基板２のおもて面２ａに対し斜めから照射する。絶縁基板２の裏面２ｂ側に対しても同様に行う。これにより、電極３、４の裏面に位置する絶縁基板２にまで多少、表面改質を進行させることができる。このように、電極３、４の裏面から、電極３、４の端部より外側との間を跨ぐ表面改質部を形成できる。ただし、図４Ａ〜図４Ｄの製造工程を用いるほうが、簡単且つ確実に、電極３、４の裏面にまで表面改質を及ぼすことができる。
【００３６】
次に、第２の実施の形態の積層基板の製造方法を工程順に説明する。図６Ａ〜図６Ｃは、第２の実施の形態の積層基板の製造工程を示す斜視図である。図６Ａに示すように、最初に、所定形状の電極１３を、絶縁基板１２のおもて面１２ａに形成する。図６Ａに示すように、電極１３は、絶縁基板１２のおもて面１２ａより小さい。電極１３を、図４Ｃ及び図４Ｄの工程に準じて形成する。次に、図６Ｂに示すように、電極１３から離れた絶縁基板１２のおもて面１２ａの上方に、レーザ照射装置のノズル１７を配置し、絶縁基板１２のおもて面２ａにレーザＬを照射する。図６Ｃに示すように、レーザ加工により、絶縁基板２のおもて面２ａに、矩形リング状の表面改質部１５を形成する。レーザＬが照射された絶縁基板１２のおもて面１２ａでは、例えば、Ｎが脱離しＡｌが析出する。したがって、表面改質部１５は、導電性を帯びている。図６Ｃに示すように、表面改質部１５は、電極１３と非接触であり、電気的に接続されていない。
【００３７】
図６Ａ〜図６Ｃでは、電極１３及び表面改質部１５を、絶縁基板１２のおもて面１２ａに形成する工程であったが、絶縁基板１２の裏面１２ｂについても同様の工程を用い、電極１４及び表面改質部１５を形成することができる。
【００３８】
図７は、別の実施の形態の積層基板を示す部分切断部端面図である。図７では、絶縁基板２２と電極２３との間に金属製の接合層２６を有する。すなわち、電極２３を、絶縁基板２２のおもて面２２ａに接合層２６を介して接合する。接合層２６は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ及びＴｉを含むろう材である。金属板をエッチングして所定形状の電極２３を形成した際、図７に示すように、接合層２６は、電極２３の端部２３ａよりも多少、外側にはみ出すように残される。なお、図７に示すように、エッチング面は、電極２３から接合層２６にかけて傾斜した面となっている。電極２３の端部２３ａよりも外側にはみ出した接合層２６には、エッチングの影響により、微細な溝や孔が形成されやすい。したがって、封止樹脂が微細な溝や孔に適切に入り込まず空孔となる。空孔は、絶縁破壊の起点となりやすい欠陥である。そこで、図７では、接合層２６の外側の周囲における絶縁基板２２のおもて面２２ａをレーザ加工し、導電性に表面改質する。図７に示す表面改質部２５は、接合層２６の裏面にまで及び、接合層２６を介して電極２３と電気的に接続される。レーザ加工は、図４或いは図５の製造工程に準じて行うことができる。
【００３９】
これにより、３つの相が重なり、電界が集中する３重点を、絶縁破壊の起点となる欠陥部分から外側にシフトできる。したがって、簡単な手法で、高耐圧の積層基板を安定して製造することができる。なお、図６に準じて、レーザ加工を、電極２３及び接合層２６より外側に離れた絶縁基板２２のおもて面２２ａに施すことも可能である。
【００４０】
本実施の形態では、図７に示すように、電極２３が、絶縁基板２２に接合層２６を介して接合されていてもよいし、直接接合されていてもよい。また、絶縁基板２２の裏面についても、図７に準じて、レーザ加工を施すことができる。以上より、製造された高耐圧の積層基板を用いて、半導体モジュールを製造することができる。
【００４１】
図８は、本実施の形態の半導体モジュールの斜視図である。図９は、本実施の形態の半導体モジュールの平面図である。図１０は、図９に示すＣ−Ｃ線に沿って切断した切断部端面図である。図１１は、図９に示すＤ−Ｄ線に沿って切断した切断部端面図である。なお、図９〜図１１は、図８に示す蓋体４１や封止樹脂を取り除いた状態の平面図及び切断部端面図である。また、図９において、網掛けで図示された部分は、回路板を示している。図８〜図１１の各図の寸法比は、図面をわかりやすくするため、必ずしも一致していない。
【００４２】
ここで、図１〜図７で示した積層基板は、本実施の形態の特徴をわかりやすくするために模式的に図示したものである。半導体モジュールに適用される積層基板の構造は、一例として、図９〜図１１に示される。ただし、図９〜図１１には、図面が煩雑になるのを避けるため、レーザ加工による表面改質部は図示していない。表面改質部については、図１２を用いて詳しく説明する。また、図９〜図１１には、半導体素子以外の電子部品、ワイヤーやリードフレーム等の配線部材、及び封止樹脂等は図示していない。
【００４３】
半導体モジュール３０は、複数の半導体素子３８をパッケージングしたものであり、半導体素子３８を搭載した積層基板３１を、ベース板４３とケース３６にて区画された収容部３７内に収容して構成されている。
【００４４】
図１０、図１１に示す積層基板３１は、セラミックスからなる絶縁基板３２と、絶縁基板３２のおもて面に形成された回路板３３と、絶縁基板３２の裏面に形成された金属板３４と、を有する。回路板３３及び金属板３４は、本実施の形態の「電極」に該当する。接続端子４２から印加された主電流が回路板３３を経由して半導体素子３８に入力される。従って、回路板３３は高電位となる。そのため、各回路板３３の間や、回路板３３と金属板３４間には、高電圧がかかる。
【００４５】
本実施の形態の半導体モジュールの製造方法について説明する。すなわち、図１０及び図１１に示すように、複数の半導体素子３８を、はんだ層３９を介して、回路板３３上に接合する。絶縁基板３２の裏面に形成された金属板３４を、はんだ層４０を介して、例えば、銅板であるベース板４３に接合する。これにより、半導体素子３８からの熱を、積層基板３１を介してベース板４３に伝導することができる。なお、積層基板３１の回路板３３上には、半導体素子３８の他に、各種電子部品や配線材が配置される。
【００４６】
図示しないが、収容部３７に収容された積層基板３１及び半導体素子３８を、封止樹脂で覆ってもよい。封止樹脂は、単層であっても複数層であってもよい。複数層であるとき、材質は同じであっても異なっていてもよい。そして、図８に示す蓋体４１を封止樹脂上に接合する。なお、この実施の形態では、図８及び図９に示すように、接続端子４２の先端部は、ケース３６から延出されている。また、ベース板４３には貫通孔４４が形成されている。ボルト等のネジを貫通孔４４に通して、外部の放熱フィンや水冷ジャケット等に固定することができる。
【００４７】
半導体素子３８は、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）等で形成されている。例えば、半導体素子３８は、ＩＧＢＴ（Insulted  Gate  Bipolar  Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field  Effect  Transistor）等のスイッチング素子を含んでいる。このような半導体素子３８は、例えば、裏面に主電極としてドレイン電極（又は、コレクタ電極）を、おもて面に、主電極としてゲート電極及びソース電極（又は、エミッタ電極）を夫々備えている。「おもて面」とは、接続端子４２の先端部が、ケース３６から延出する側の面を指す。「裏面」とは、「おもて面」の逆側の面であり、ベース板４３が設けられている側の面を指す。また、半導体素子３８は、必要に応じて、ＳＢＤ（Schottky  Barrier  Diode）、ＦＷＤ（Free  Wheeling  Diode）等のダイオードを含んでいる。このような半導体素子３８は、裏面に主電極としてカソード電極を、おもて面に主電極としてアノード電極を夫々備えている。
【００４８】
図１２Ａ〜図１２Ｃは、レーザ加工の一例を示す積層基板の部分拡大平面図である。図１２Ａ〜図１２Ｃは、図９に示す積層基板３１に設けられた一組の回路板３３を示しており、回路板３３上の半導体素子３８を省略した。図１２Ａでは、絶縁基板３２のおもて面３２ａを、各回路板３３の全周にわたってレーザ加工する。これにより、絶縁基板３２のおもて面３２ａに、各回路板３３の周囲全体を囲む表面改質部４５を形成することができる。表面改質部の形成方法は、図４〜図７のいずれを用いてもよい。
【００４９】
図１２Ｂ、及び図１２Ｃでは、各回路板３３の周囲の一部に、表面改質部４５ａ、４５ｂを形成する。このように、回路板３３の全周に表面改質部を形成しなくてもよい。例えば、図１２Ｂのように、各回路板３３の角部にのみ表面改質部４５ｂを形成できる。また、図１２Ｃのように、各回路板３３が対向する内側にのみ表面改質部４５ｂを形成できる。ただし、図１２Ｂや図１２Ｃに示す表面改質部の形成位置は、あくまでも一例である。回路板３３の周囲のうち、絶縁耐圧の弱い部分がわかっている場合は、その弱い部分の絶縁基板３２のおもて面３２ａを重点的に、導電性に表面改質することで、絶縁耐圧を向上できる。
【００５０】
絶縁基板３２の裏面についても、レーザ加工を行い、金属板３４の外側の周囲を、導電性に表面改質することが好ましい。このとき、金属板３４の周囲全体を表面改質してもよいし、部分的に表面改質してもよい。
【００５１】
本実施の形態は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
【００５２】
下記に、上記の実施の形態における特徴点を整理する。
上記実施の形態に記載の積層基板の製造方法は、セラミックスからなる絶縁基板と、前記絶縁基板のおもて面に形成された電極と、を有し、前記電極のおもて面に半導体素子を実装可能な積層基板の製造方法であって、前記電極の外側の周囲における前記絶縁基板のおもて面を、レーザ加工して、導電性に表面改質することを特徴とする。この構成によれば、レーザ加工という簡単な手法により、封止構造等を変えることなく、高耐圧の積層基板を安定して製造することができる。また、表面改質の際に用いるレーザには、絶縁基板を切断する際のレーザを用いることで、コストを抑えることができる。
【００５３】
上記実施の形態に記載の積層基板の製造方法において、前記絶縁基板は、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなることが好ましい。これにより、より好適に、高耐圧の積層基板を安定して製造することができる。
【００５４】
上記実施の形態に記載の積層基板の製造方法において、前記表面改質が前記電極の裏面にまで及ぶように、レーザ加工することができる。絶縁基板のおもて面に形成された表面改質部は、電極の裏面から、電極の端部より外側にはみ出して形成される。これにより、３重点を、ピット等の欠陥が存在しやすい電極の端部より外側にシフトすることができる。この結果、絶縁耐圧を、安定して向上させることができる。
【００５５】
上記実施の形態に記載の積層基板の製造方法において、前記電極から離れた前記絶縁基板のおもて面を、レーザ加工することができる。これにより、電極の外側に浮遊電位を設けることができ、３重点への電界集中を緩和できる。この結果、絶縁耐圧を、安定して向上させることができる。
【００５６】
上記実施の形態に記載の積層基板の製造方法において、前記絶縁基板のおもて面に前記電極を形成する前に、レーザ加工することができる。これにより、先に、レーザ加工により表面改質部を形成し、その後、電極を表面改質部の一部に重なるように形成することができる。したがって、表面改質部を、簡単に、電極の裏面と、電極の端部より外側との間を跨ぐように形成することができる。
【００５７】
上記実施の形態に記載の積層基板の製造方法において、前記絶縁基板のおもて面に前記電極を形成した後に、レーザ加工することができる。これにより、電極の外側に露出する絶縁基板のおもて面を、簡単にレーザ加工できる。特に、電極から離れた位置の絶縁基板のおもて面を簡単且つ確実にレーザ加工することができる。
【００５８】
上記実施の形態に記載の積層基板の製造方法において、前記電極の全周にわたって、レーザ加工することができる。本実施の形態では、電極の周囲に沿って絶縁基板のおもて面を部分的に、レーザ加工する形態も含むが、全周にわたってレーザ加工することで、絶縁耐圧を、より安定して向上させることができる。
【００５９】
上記実施の形態に記載の積層基板の製造方法において、前記絶縁基板と前記電極との間には、前記電極よりも外側にはみ出した金属製の接合層を有している。そして、前記接合層の外側の周囲における前記絶縁基板のおもて面を、レーザ加工することを特徴とする。これにより、３重点を、欠陥が生じやすい電極の端部や接合層より外側にシフトすることができる。或いは、欠陥が生じやすい電極の端部や接合層よりも外側に離れた位置に、導電性の表面改質部を形成することができる。以上により、簡単な手法により、絶縁耐圧を、安定して向上させることができる。
【００６０】
上記実施の形態に記載の積層基板の製造方法において、前記絶縁基板のおもて面、及び裏面に夫々、前記電極を有し、前記絶縁基板のおもて面、及び裏面を、レーザ加工することを特徴とする。このように、絶縁基板のおもて面のみならず裏面に対してもレーザ加工することで、絶縁耐圧を、より安定して向上させることができる。
【００６１】
なお、本実施の形態では、少なくとも、半導体素子が実装される側の絶縁基板のおもて面を、レーザ加工する。すなわち、電極が、絶縁基板の裏面に形成されない形態や、電極が、絶縁基板の裏面と同程度の大きさで形成される形態では、絶縁基板の裏面をレーザ加工しなくてもよい。電極が、絶縁基板の裏面よりも小さい面積で形成され、絶縁基板の裏面の一部が露出する形態において、絶縁基板のおもて面と同様に、絶縁基板の裏面を、レーザ加工することが好ましい。
【００６２】
上記実施の形態に記載の半導体モジュールの製造方法は、上記に記載の積層基板の製造方法により製造された前記積層基板に、前記半導体素子を実装することを特徴とする。本実施の形態によれば、半導体モジュールの製造において、高耐圧で且つ安定性に優れた積層基板を用いることができ、信頼性に優れた半導体モジュールの製造することができる。
【００６３】
また、上記実施の形態に記載の積層基板は、セラミックスからなる絶縁基板と、前記絶縁基板のおもて面に形成された電極と、を有し、前記電極のおもて面に半導体素子を実装可能な積層基板であって、前記電極の外側の周囲における前記絶縁基板のおもて面に、前記セラミックスを構成する金属元素から構成された金属あるいは合金を主成分とする表面改質部を備えることを特徴とする。本実施の形態の積層基板によれば、安定して高耐圧化を図ることができる。
【００６４】
上記実施の形態に記載の積層基板は、前記絶縁基板が、窒化アルミニウムを主成分としたセラミックスであり、前記表面改質部が、アルミニウムからなる金属を主成分とすることが好ましい。この構成によれば、導電性に優れた表面改質部を絶縁基板のおもと面に形成することができる。
【００６５】
上記実施の形態に記載の積層基板は、前記表面改質部を、前記電極の裏面にまで備えることができる。これにより、表面改質部と電極とが電気的に接続され、３重点は、ピット等の欠陥が存在しやすい電極の端部より外側にシフトする。この結果、絶縁耐圧を、安定して向上させることができる。
【００６６】
上記実施の形態に記載の積層基板は、前記表面改質部を、前記電極から離れた前記絶縁基板のおもて面に備えることができる。これにより、電極の外側に浮遊電位が設けられ、３重点への電界集中を緩和できる。この結果、絶縁耐圧を、安定して向上させることができる。
【００６７】
上記実施の形態に記載の積層基板は、前記表面改質部を、前記電極の全周にわたって備えることができる。これにより、絶縁耐圧を、より安定して向上させることができる。
【００６８】
上記実施の形態に記載の積層基板は、前記絶縁基板と前記電極との間には、前記電極よりも外側にはみ出した金属製の接合層を有している。そして、前記表面改質部を、前記接合層の外側の周囲における前記絶縁基板のおもて面に備えることができる。これにより、３重点は、欠陥が生じやすい電極の端部や接合層より外側にシフトする。或いは、欠陥が生じやすい電極の端部や接合層よりも外側に離れた位置に、表面改質部が形成される。以上により、絶縁耐圧を、安定して向上させることができる。
【００６９】
上記実施の形態に記載の積層基板は、前記絶縁基板のおもて面、及び裏面に夫々、前記電極を有し、前記表面改質部を、前記絶縁基板のおもて面、及び裏面に備えることができる。このように、絶縁基板のおもて面のみならず裏面に対しても表面改質部が形成されることで、絶縁耐圧を、より安定して向上させることができる。
【００７０】
上記実施の形態に記載の半導体モジュールは、上記に記載の積層基板に、前記半導体素子が実装されたことを特徴とする。本実施の形態によれば、半導体モジュールには、高耐圧で且つ安定性に優れた積層基板が用いられ、信頼性に優れた半導体モジュールを提供することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１、１１、３１        ：積層基板
２、１２、２２、３２        ：絶縁基板
３、４、１３、１４、２３        ：電極
５、１５、２５、４５、４５ａ、４５ｂ        ：表面改質部
１７      ：ノズル
１８      ：金属板
２６      ：接合層
３０      ：半導体モジュール
３３      ：回路板
３４      ：金属板
３６      ：ケース
３７      ：収容部
３８      ：半導体素子
３９、４０      ：はんだ層
４０      ：はんだ層
４１      ：蓋体
４２      ：接続端子
４３      ：ベース板
４４      ：貫通孔
Ｌ        ：レーザ
【図１Ａ】
2020021893.tif 000003
【図１Ｂ】
2020021893.tif 000004
【図１Ｃ】
2020021893.tif 000005
【図２Ａ】
2020021893.tif 000006
【図２Ｂ】
2020021893.tif 000007
【図３Ａ】
2020021893.tif 000008
【図３Ｂ】
2020021893.tif 000009
【図３Ｃ】
2020021893.tif 000010
【図４Ａ】
2020021893.tif 000011
【図４Ｂ】
2020021893.tif 000012
【図４Ｃ】
2020021893.tif 000013
【図４Ｄ】
2020021893.tif 000014
【図５】
2020021893.tif 000015
【図６Ａ】
2020021893.tif 000016
【図６Ｂ】
2020021893.tif 000017
【図６Ｃ】
2020021893.tif 000018
【図７】
2020021893.tif 000019
【図８】
2020021893.tif 000020
【図９】
2020021893.tif 000021
【図１０】
2020021893.tif 000022
【図１１】
2020021893.tif 000023
【図１２Ａ】
2020021893.tif 000024
【図１２Ｂ】
2020021893.tif 000025
【図１２Ｃ】
2020021893.tif 000026