(57)【要約】【課題】アルミニウムを主成分とする金属層を用いた場合でも、放熱特性を維持しながら回路パターンの高精細化を図ることができるとともに、作業性を向上させることができるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供する。【解決手段】パワーモジュール用基板１０は、回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面部１５，１７におけるＳｉ濃度が０．１質量％以上１．５％質量以下に設定されており、回路層１２とセラミックス基板１１との接合界面部１５のＳｉ濃度は、金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面部１７とのＳｉ濃度よりも高く設定されるとともに、回路層１２のＳｉ濃度は表面部１４から接合界面部１５にかけて漸次増加するように設定されている。【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アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が積層され、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が積層され、前記セラミックス基板と前記回路層及び前記金属層とがろう付接合されたパワーモジュール用基板であって、前記回路層及び前記金属層と前記セラミックス基板との接合界面部におけるＳｉ濃度が０．１質量％以上１．５％質量以下に設定されており、前記回路層と前記セラミックス基板との接合界面部のＳｉ濃度は、前記金属層と前記セラミックス基板との接合界面部とのＳｉ濃度よりも高く設定されるとともに、前記回路層のＳｉ濃度は表面部から前記接合界面部にかけて漸次増加するように設定されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項２】
前記回路層の接合界面部と前記金属層の接合界面部とのＳｉ濃度差が、０．２質量％以上に設定されてい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。
【請求項３】
セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層を積層し、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層を積層して、前記セラミックス基板と前記回路層及び前記金属層とをろう付けした後に、前記回路層に回路パターンを形成するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層及び前記金属層と前記セラミックス基板との接合にはＡｌ‐Ｓｉ系ろう材を用いるとともに、前記回路層と前記セラミックス基板との接合に用いるろう材は、前記金属層と前記セラミックス基板との接合に用いるろう材よりもＳｉ含有量が高く設定されてい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。
【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及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、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面にアルミニウム又は銅等からなる回路層が積層され、この回路層の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、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム又は銅等からなる金属層が形成され、この金属層を介してヒートシンクが接合された構成のものが知られている。また、金属層を介さずにセラミックス基板を直接ヒートシンクに接合した構成のパワーモジュールも知られている。
【０００３】
この種のパワーモジュール用基板においては、半導体素子から発生する熱量も増加しており、その熱を効率よく放散させるために熱伝導性に優れた金属を使用することが望ましいが、その一方で、使用時の環境変化やスイッチングによる熱等によって熱衝撃を繰り返して受けるため、金属層とセラミックス基板の熱膨張差による熱応力を考慮して金属を選択する必要がある。そこで、特許文献１に記載されるパワーモジュール用基板のように、回路層に引張強度や耐力が小さい金属であるアルミニウムを選択し、それをセラミックス基板と接合することによって、セラミックス基板との熱膨張差による熱応力を低減させることが行われている。
【０００４】
また、このようなパワーモジュール用基板に回路層を形成する際には、プレス加工等により予め所定の回路パターンに打抜き成形された金属板をセラミックス基板に接合したり、金属板をセラミック基板に接合した後にエッチング処理によって所望の回路パターンを形成したりすること（特許文献１参照）が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４‐３５６５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年ではパワーモジュールの小型化が求められており、回路パターンの高集積化、すなわち配線の高精細化が求められてきている。
しかし、特許文献１に記載されるパワーモジュール用基板のように、回路層をアルミニウムにより形成した場合には、アルミニウムのエッチングレートが低いため、高精細化された回路パターンを形成することが難しい。また、放熱性能を確保するために回路層の厚みを厚く設定した場合には、さらにエッチングの処理時間が増加してファインパターンを形成しにくくなるという問題がある。
さらに、回路層と金属層とを同時にエッチングしようとしても、それぞれが必要とするエッチング量が異なるため、回路層と金属層とを同時に処理することができず、作業性が悪いことが問題であった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、アルミニウムを主成分とする金属層を用いた場合でも、放熱特性を維持しながら回路パターンの高精細化を図ることができるとともに、作業性を向上させることができるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が積層され、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が積層され、前記セラミックス基板と前記回路層及び前記金属層とがろう付接合されたパワーモジュール用基板であって、前記回路層及び前記金属層と前記セラミックス基板との接合界面部におけるＳｉ濃度が０．１質量％以上１．５％質量以下に設定されており、前記回路層と前記セラミックス基板との接合界面部のＳｉ濃度は、前記金属層と前記セラミックス基板との接合界面部とのＳｉ濃度よりも高く設定されるとともに、前記回路層のＳｉ濃度は表面部から前記接合界面部にかけて漸次増加するように設定されていることを特徴とする。
【０００９】
回路層及び金属層のＳｉ濃度が高いほど、エッチング処理が促進される。このため、回路層の接合界面部のＳｉ濃度を、金属層の接合界面部のＳｉ濃度よりも高く設定することで、回路層と金属層とで処理されるエッチング量に差を生じさせることができ、必要とするエッチング量の異なる回路層と金属層とを同時に処理することが可能となる。
また、回路層の表面部から接合界面部にかけて回路層中に含まれるＳｉの濃度が漸次増加するように勾配を設けることで、Ｓｉ濃度が高い接合界面部のエッチングレートを高くできる一方で、表面部のエッチングレートを低く抑えることができる。これにより、回路層の表面部にダレが形成されることを防止することができ、回路パターンを垂直に切り立つように形成することができる。
したがって、アルミニウム又はアルミニウム合金の回路層を用いた場合においても、放熱特性を良好に維持することができる板厚を確保できるとともに、回路パターンの高精細化を図ることが可能となる。
【００１０】
なお、回路層及び金属層とセラミックス基板との接合界面部のＳｉ濃度が０．１質量％以上１．５質量％以下の範囲内であれば、これらは良好にろう付け接合される。一方、接合界面部のＳｉ濃度が０．１質量％未満の場合には、接合不良を引き起こすおそれがある。また、１．５質量％を超えるＳｉ濃度では、ろう付けの際にろう材の融点が低下し、接合時にろう材が接合部から流れ出て、ろう瘤等の品質上の問題が発生し易くなることがある。
【００１１】
本発明のパワーモジュール用基板において、前記回路層の接合界面部と前記金属層の接合界面部とのＳｉ濃度差が、０．２質量％以上に設定されているとよい。
この場合、エッチング量の多い回路層を、エッチング量の少ない金属層よりも確実に速く処理することができ、回路層にファインパターンを形成し易くなる。
【００１２】
本発明は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層を積層し、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層を積層して、前記セラミックス基板と前記回路層及び前記金属層とをろう付けした後に、前記回路層に回路パターンを形成するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層及び前記金属層と前記セラミックス基板との接合にはＡｌ‐Ｓｉ系ろう材を用いるとともに、前記回路層と前記セラミックス基板との接合に用いるろう材は、前記金属層と前記セラミックス基板との接合に用いるろう材よりもＳｉ含有量が高く設定されていることを特徴とする。
【００１３】
この場合、回路層及び金属層とセラミックス基板とをＡｌ‐Ｓｉ系ろう材によってろう付することにより、セラミックス基板との接合界面部から回路層及び金属層にＳｉを拡散させることができる。そして、回路層のＳｉ濃度を、表面部から接合界面部にかけて漸次増加するようにＳｉの濃度の勾配を設けることができる。
したがって、Ｓｉ濃度が高い接合界面部のエッチングレートを高くすることができるとともに、表面部のエッチングレートを低く抑えることができ、ファインパターンを形成することができる。
また、回路層とセラミックス基板との接合に用いるろう材が、金属層とセラミックス基板との接合に用いるろう材よりもＳｉ濃度が高く設定されているので、回路層のＳｉ濃度を、金属層のＳｉ濃度よりも高くすることができる。これにより、回路層と金属層とで処理されるエッチング量に差を生じさせることができ、必要とするエッチング量の異なる回路層と金属層とを同時に処理することが可能となる。
なお、回路層及び金属層の板厚や接合前の回路層及び金属層に予め含有されているＳｉ含有量等を考慮して、ろう材のＳｉ含有量、ろう材の使用量、加熱時間等を調整することにより、Ｓｉの回路層及び金属層への拡散量及び拡散深さを調整することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、エッチング時間を短縮することができるので、アルミニウムを主成分とする回路層を用いた場合でも、放熱特性を維持しながら回路パターンの高精細化を図ることができるとともに、回路層と金属層とで処理されるエッチング量に差を生じさせることができるので、必要とするエッチング量の異なる回路層と金属層とを同時に処理することが可能となり、作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るパワーモジュール用基板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２】回路層の接合界面部からの距離とＳｉ濃度との関係を示すグラフである。
【図３】本発明に係るパワーモジュール用基板の実施例１において、回路層に形成された回路パターンを示す拡大画像である。
【図４】図３に示すＸ‐Ｘ線に沿う断面における回路パターンの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について説明する。
図１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。
また、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の他方の面に金属層１３が厚さ方向に積層された状態で、Ａｌ‐Ｓｉ系ろう材によって接合されている。
【００１７】
セラミックス基板１１は、厚み０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下のＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＣ等からなる。本実施形態では、厚み０．６３５ｍｍに設定されている。
回路層１２は、厚み０．１ｍｍ以上１．１ｍｍ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金板からなり、本実施形態では厚み０．６ｍｍに設定されている。そして、回路層１２とセラミックス基板１１との接合界面部１５におけるＳｉ濃度は、０．１質量％以上１．５％質量以下に設定されている。また、接合界面部１５のＳｉ濃度は、後述する金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面部１７とのＳｉ濃度よりも高く設定されている。そして、回路層１２のＳｉ濃度は、表面部１４から接合界面部１５にかけて漸次増加するように設定されており、回路層１２中に含まれるＳｉの濃度に勾配が設けられている。また、図１に示すパワーモジュール１００においては、回路層１２はエッチング等により所定の回路パターンに成形されており、その上に電子部品２０がはんだ材等によって接合されている。
【００１８】
金属層１３は、回路層１２よりも厚く、厚さ０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金板からなり、本実施形態では厚み０．６ｍｍに設定されている。また、金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面部１７におけるＳｉ濃度は、０．１質量％以上１．５％質量以下に設定されている。そして、回路層１２の接合界面部１５と金属層１３の接合界面部１７とのＳｉ濃度差が、０．２質量％以上に設定されている。
パワーモジュール１００においては、金属層１３の表面にヒートシンク３０がろう付け等によって接合されている。
【００１９】
本実施形態の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。
パワーモジュール用基板１０の製造方法では、セラミックス基板１１に回路層１２及び金属層１３をろう付けした後に、その回路層１２に回路パターンを形成することによりパワーモジュール用基板１０を製造する。
【００２０】
まず、セラミックス基板１１の両面に、Ａｌ‐Ｓｉ系ろう材を介在させて回路層１２及び金属層１３を積層し、これらをろう付け接合する。
セラミックス基板１１と接合前の回路層１２は、好ましくは純度９９．９９質量％以上の４Ｎ‐Ａｌ板（Ｓｉ含有量：０．００６質量％以下）により形成されている。また、金属層１３には、例えば純度９９．０質量％以上のＡｌ板が用いられる。
そして、回路層１２とセラミックス基板１１との接合に用いるろう材には、金属層１３とセラミックス基板１１との接合に用いるろう材よりもＳｉ含有量が高く設定されたＡｌ‐Ｓｉ系ろう材を用い、回路層１２、セラミックス基板１１及び金属層１３の積層体を加圧した状態のまま、真空中で６３５℃以上６５５℃以下の温度で加熱することにより回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１とを接合する。
【００２１】
この際、セラミックス基板１１との接合時において、Ａｌ‐Ｓｉ系ろう材から回路層１２及び金属層１３にＳｉを効果的に拡散させることができる。そして、回路層１２のＳｉ濃度を、表面部１４から接合界面部１５にかけて漸次増加するようにＳｉの濃度勾配を設けることができる。
また、回路層１２とセラミックス基板１１との接合に用いるろう材が、金属層１３とセラミックス基板１１との接合に用いるろう材よりもＳｉ濃度が高く設定されているので、回路層１２の接合界面部１５のＳｉ濃度を、金属層１３の接合界面部１７のＳｉ濃度よりも高くすることができる。
なお、回路層１２及び金属層１３の板厚や接合前の回路層１２及び金属層１３に予め含有されているＳｉ含有量等を考慮して、ろう材のＳｉ含有量、ろう材の使用量、加熱時間等を調整することにより、Ｓｉの回路層１２及び金属層１３への拡散量及び拡散深さを調整することができる。
【００２２】
次に、回路層１２の表面部１４及び金属層１３の表面部１６に、エッチング除去部を残してエッチングレジストインキ（図示略）をスクリーン印刷によって塗布し、紫外線を照射してパターニングを行う。なお、エッチングレジストインキを塗布する代わりに、ドライフィルムレジストを貼り付けてもよい。
そして、塩化第二銅や塩化第二鉄等の水溶液を用いてエッチング処理を行い、回路層１２及び金属層１３にパターンを形成する。エッチングレジストは、回路層１２及び金属層１３へのパターンの形成後に水酸化ナトリウム水溶液等で剥離することにより、パワーモジュール用基板１０を製造することができる。
【００２３】
このように製造されるパワーモジュール用基板１０では、回路層１２の接合界面部１５のＳｉ濃度が、金属層１３の接合界面部１７のＳｉ濃度よりも高く設定されるので、回路層１２と金属層１３とでエッチング処理の際に処理されるエッチング量に差を生じさせることができる。このため、必要とするエッチング量の異なる回路層１２と金属層１３とを同時にエッチング処理することが可能となる。
また、回路層１２の表面部１４から接合界面部１５にかけて回路層１２中に含まれるＳｉの濃度勾配が設けられることで、Ｓｉ濃度が高い接合界面部１５のエッチングレートを高くできる一方で、表面部１４のエッチングレートを低く抑えることができる。これにより、回路層１２の表面部１４にダレが形成されることを防止することができ、回路パターンを垂直に切り立つように形成することができる。
したがって、アルミニウム又はアルミニウム合金の回路層を用いた場合においても、放熱特性を良好に維持することができるような板厚を確保できるとともに、回路パターンの高精細化を図ることが可能となる。
【００２４】
なお、上記実施形態では、回路層１２の接合界面部１５と金属層１３の接合界面部１７とのＳｉ濃度差が、０．２質量％以上に設定されているので、エッチング量の多い回路層１２を、エッチング量の少ない金属層１３よりも確実に速く処理することができ、回路層１２にファインパターンを形成し易くなる。
また、回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面部１５，１７のＳｉ濃度が０．１質量％以上１．５質量％以下の範囲内に設定されており、この範囲内であれば、これらは良好にろう付け接合される。一方、接合界面部１５，１７のＳｉ濃度が０．１質量％未満の場合には、接合不良を引き起こすおそれがある。また、１．５質量％を超えるＳｉ濃度では、ろう付けの際にろう材の融点が低下し、接合時にろう材が接合部から流れ出て、ろう瘤等の品質上の問題が発生し易くなることがある。
【００２５】
次に、本発明の効果を確認するために確認実験を行った。
パワーモジュール用基板として、表１に示す構成を有するものを製作した。
回路層１２として２７ｍｍ×２７ｍｍで厚みが表１に示すアルミニウム又はアルミニウム合金を、セラミックス基板１１として３０ｍｍ×３０ｍｍで厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ板を、金属層１３として２８ｍｍ×２８ｍｍで厚み１．６ｍｍの純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム板を、ろう材としてＡｌ‐Ｓｉ系ろう材（Ｓｉ含有量５．５質量％〜１０．５質量％）をそれぞれの板材の間に介在させて、ろう付けした。ろう付け接合条件としては、真空雰囲気中、表２に示す温度及び時間とし、回路層１２、セラミックス基板１１及び金属層１３の積層体を荷重３．５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧して行った。
【００２６】
そして、各パワーモジュール用基板について、エッチングレジストインキを塗布して幅０．５ｍｍのエッチング除去部を想定したパターニングを行い、塩化第二鉄の水溶液を用いてエッチング処理を行った。結果を表２に示す。
【００２７】
また、得られたパワーモジュール用基板に対し、接合性及びろう瘤について評価を行った。
接合性の評価は、超音波深傷装置を用いて回路層及び金属層とセラミックス基板との接合部の接合率を評価したもので、接合率＝（接合面積−剥離面積）／接合面積×１００の式から算出した。ここで、剥離面積は、接合面を撮影した超音波深傷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である回路層及び金属層の接合面の面積とした。そして、接合率が９５％以上の良好な結果が得られたものを「○」とし、９５％未満を「×」と評価した。
また、ろう瘤の評価は、目視により回路層及び金属層の表面を観察し、ろう瘤が観察されなかったもの「○」、ろう瘤が観察されたものを「×」と評価した。
なお、これら接合率及びろう瘤の評価は、前述のエッチング処理を行う前に評価を行った。
【００２８】
【表１】
2015185647.tif 000003
【００２９】
【表２】
2015185647.tif 000004
【００３０】
図２は、実施例２〜４のパワーモジュール用基板における回路層の接合界面部からの距離とＳｉ濃度との関係を示すグラフである。
図２からわかるように、Ｓｉ含有量５．５質量％〜１０．５質量％のＡｌ‐Ｓｉ系ろう材を用いて回路層１２とセラミックス基板１１との接合を行うことで、表面部１４よりも接合界面部１５のＳｉ濃度を高く設定できるとともに、回路層１２に表面部１４から接合界面部１５にかけて回路層１２中に含まれるＳｉの濃度勾配を設けることができた。
【００３１】
そして、図３は実施例１のパワーモジュール用基板を上方から（回路層１２の表面部１４側から）撮影した画像であり、エッチング除去部は、図４に示すように表面部１４の開口幅Ａに対して接合界面部１５の溝幅Ｂが狭く形成されることがわかる。
また、表２からわかるように、上記のようにＳｉの濃度勾配が設けられた回路層１２においては、回路層１２の表面部１４の幅Ａ（０．５ｍｍ）と接合界面部１５の幅Ｂとの差を０．０２ｍｍ〜０．２６ｍｍの範囲に抑えて形成することができ、幅０．５ｍｍのファインパターンを良好に形成することができることが確認できた。
【００３２】
さらに、回路層１２とセラミックス基板１１との接合に用いるろう材に、金属層１３とセラミックス基板１１との接合に用いるろう材よりもＳｉ含有量が高く設定されたろう材を用いることで、回路層１２の接合界面部１５のＳｉ濃度を、金属層１３の接合界面部１７のＳｉ濃度よりも高くすることができることが確認できた。
また、回路層１２の接合界面部１５と金属層１３の接合界面部１７とのＳｉ濃度差を０．２質量％以上に設定することで、回路層１２にファインパターンを形成し易くすることができる。
【００３３】
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】
【００３４】
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（金属層）
１３  放熱層
１４，１６  表面部
１５，１７  接合界面部
２０  電子部品
３０  ヒートシンク
１００  パワーモジュール
【図１】
2015185647.tif 000005
【図２】
2015185647.tif 000006
【図４】
2015185647.tif 000007
【図３】
2015185647.tif 000008