(57)【要約】      （修正有）【課題】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構造体を提供する。【解決手段】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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に銅からなる回路層が接合され、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が接合されてなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板に前記回路層をろう付け接合する回路層接合工程と、該回路層接合工程の後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、該表面処理工程の後に前記セラミックス基板の前記他方の面に前記放熱層をろう付け接合する放熱層接合工程とを備え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。
【請求項２】
前記表面処理工程は、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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片面に銅板が接合され、もう一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℃であるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１９７８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、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の接合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たとしても、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り、また、放熱層とヒートシンクとの間の接合方法として、フラックスを用いたろう付けにより接合する場合、フラックスが酸化膜を除去する効果を持つため、前述した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部での界面剥離がより進行する問題があった。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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が接合され、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が接合されてなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板に前記回路層をろう付け接合する回路層接合工程と、該回路層接合工程の後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、該表面処理工程の後に前記セラミックス基板の前記他方の面に前記放熱層をろう付け接合する放熱層接合工程とを備えることを特徴とする。
【０００８】
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し、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することができる。
【０００９】
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する問題があり、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。
【発明の効果】
【００１０】
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することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】酸化膜厚みの測定箇所を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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の厚さに形成される。また、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、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とされる。
本実施形態のパワーモジュール用基板１０の好ましい組合せ例としては、例えばセラミックス基板１１が厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ、回路層１２が厚み０．６ｍｍの純銅板、放熱層１３が厚み１．６ｍｍの４Ｎ−アルミニウム板で構成される。
【００１４】
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、セラミックス基板１１の片面に回路層１２をまず接合した後、セラミックス基板１１の反対面に放熱層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、セラミックス基板１１と放熱層１３との接合には、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材が用いられる。
【００１５】
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の一方の面に回路層１２を接合（回路層接合工程）した後、セラミックス基板１１の他方の面に放熱層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の表面に表面処理を施す（表面処理工程）。以下、これを工程順に説明する。
【００１６】
（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の一方の面に積層し、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の間に挟んだ状態として、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で加圧した状態とする。
【００１７】
この加圧治具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、これらベース板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、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体４０が配設される。
【００１８】
そして、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。
【００１９】
（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とは反対面も高温に晒されるため、その表面に酸化膜が形成される。この表面処理工程では、そのセラミックス基板１１に生じた酸化膜の削減を目的とする。
その方法は、セラミックス基板１１の回路層１２とは反対面を酸によって洗浄することにより行われる。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。
【００２０】
具体的には、回路層１２を接合し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する処理となる。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の回路層１２とは反対面にスプレー等により吹き付けるようにしてもよく、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することができる。
この表面処理工程により、セラミックス基板１１の回路層１２とは反対面の酸化膜の厚みが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以下となるようにする。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、セラミックス基板１１と回路層１２との接合部の周縁部において発生するので、この周縁部における接合界面の酸化膜の厚みを所定値以下にすることが重要である。周縁部としては、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１ｍｍの位置とされる。この酸化膜の厚みはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）による表面状態の分析結果等によって測定することができる。
【００２１】
（放熱層接合工程）
表面処理後のセラミックス基板１１の回路層１２とは反対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で加圧した状態とする。
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とをろう付けする。
【００２２】
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を実施するので、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との接合界面において、その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周縁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。
【実施例】
【００２３】
以上説明したパワーモジュール用基板の製造方法に対する効果を確認するために実験を行った。
３０ｍｍ四方のＡｌＮからなるセラミックス基板ａ〜ｇを用意し、セラミックス基板ｂ〜ｇに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、この熱処理後のセラミックス基板の表面の酸化膜の厚みを測定し、以下の酸による表面処理を行った後の酸化膜厚みを比較した。
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分浸漬したもの
ｄ：熱処理後、１８質量％塩酸に５分浸漬したもの
ｅ：熱処理後、１８質量％塩酸に１０分浸漬したもの
ｆ：熱処理後、３０質量％硝酸水溶液に５分浸漬したもの
ｇ：熱処理後、１４質量％硫酸水溶液に５分浸漬したもの
【００２４】
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の酸素ピーク面積が、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。なお、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の接合予定領域Ｓの周縁から１ｍｍの位置で接合予定領域Ｓの中心を通るＸ軸、Ｙ軸上の位置の４箇所について分析し、その平均を求めた。
【００２５】
ｂ〜ｇの各セラミックス基板の表面に、４Ｎ−アルミニウム板をＡｌ−Ｓｉ系ろう材により接合した後、そのアルミニウム板にアルミニウム合金板をフラックスを用いたろう付けにより接合し、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」の評価は、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部を評価したもので、接合率＝（接合面積−非接合面積）／接合面積の式から算出し、接合率が８５％以上のものを○、８５％に達しなかったものを×とした。ここで、非接合面積は、接合面を撮影した超音波深傷像において非接合部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測定したものである。また、接合面積は、接合前における接合すべき面積、つまりアルミニウム板の接合面の面積とした。
その結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１のａとｂとの比較でわかるように、熱処理することによりセラミックス基板表面の酸化膜厚みが増大し、ｃ〜ｇに示すように酸による表面処理を施すことにより、酸化膜の厚みは減少している。そして、表面処理を施したものは、接合性も良好な結果を得ることができた。この場合、非接合部分はほとんどが接合部の周縁部分に限られるので、その周縁部分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。
【００２８】
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。
【符号の説明】
【００２９】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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