(57)【要約】  電子部品及びボンディングワイヤの金属銅板に対する実装信頼性を大幅に向上させることができると共に、パワーモジュールとしたときの熱抵抗を低減させることができる安価なパワーモジュール用基板を提供する。  単体又は複数個の金属銅板（１２）からなる回路銅板（１３）がセラミック基板（１１）の一方の主面に接合され、少なくとも１の金属銅板（１２）上にパワー半導体素子（１５）を含む電子部品（１７）が接合されると共に、電子部品（１７）のうちのパワー半導体素子（１５）と金属銅板（１２）がボンディングワイヤ（１８）で接続されて実装されるパワーモジュール用基板（１０，１０ａ，１０ｂ）において、金属銅板（１２）の少なくともパワー半導体素子（１５）が接合される部位の表面に銀又は金を主成分とするコーティング被膜（１９）を有すると共に、金属銅板（１２）のボンディングワイヤ（１８）の端部が接続される部位の表面にコーティング被膜（１９）を有さない。
2015114987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単体又は複数個の金属銅板（１２）からなる回路銅板（１３）がセラミック基板（１１）の一方の主面に接合され、少なくとも１の前記金属銅板（１２）上にパワー半導体素子（１５）を含む電子部品（１７）が接合されると共に、前記電子部品（１７）のうちの前記パワー半導体素子（１５）と前記金属銅板（１２）がボンディングワイヤ（１８）で接続されて実装されるパワーモジュール用基板（１０，１０ａ，１０ｂ）において、
前記金属銅板（１２）の少なくとも前記パワー半導体素子（１５）が接合される部位の表面に銀又は金を主成分とするコーティング被膜（１９）を有すると共に、前記金属銅板（１２）の前記ボンディングワイヤ（１８）の端部が接続される部位の表面に前記コーティング被膜（１９）を有さないことを特徴とするパワーモジュール用基板（１０，１０ａ，１０ｂ）。
【請求項２】
前記コーティング被膜（１９）の膜厚が０．１μｍから２０μｍまでの範囲からな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（１０，１０ａ，１０ｂ）。
【請求項３】
前記コーティング被膜（１９）は銀めっき被膜又は金めっき被膜からなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のパワーモジュール用基板（１０，１０ａ，１０ｂ）。
【請求項４】
前記コーティング被膜（１９）は無電解銀めっき被膜又は無電解金めっき被膜からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のパワーモジュール用基板（１０，１０ａ，１０ｂ）。
【請求項５】
前記金属銅板（１２）の縁に対する前記コーティング被膜（１９）のパターンの位置の誤差は±０．１ｍｍ以下であり、前記金属銅板（１２）表面に前記コーティング被膜（１９）以外の銀又は金が存在しないことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のパワーモジュール用基板（１０，１０ａ，１０ｂ）。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のパワーモジュール用基板（１０，１０ａ，１０ｂ）の前記金属銅板（１２）表面に設けられる前記コーティング被膜（１９）上に、前記パワー半導体素子（１５）を含む前記電子部品（１７）のうち少なくとも前記パワー半導体素子（１５）が銀粒子の焼結体を介して接合され、前記パワー半導体素子（１５）と前記金属銅板（１２）とを接続する前記ボンディングワイヤ（１８）の前記金属銅板（１２）側の端部は、前記コーティング被膜（１９）を介さずに前記金属銅板（１２）表面に接続されることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項７】
セラミック基板（１１）の一方の主面に接合される単体又は複数個の金属銅板（１２）からなる回路銅板（１３）を備えるパワーモジュール用基板（１０，１０ａ）に対し、前記金属銅板（１２）の表面に銀めっき被膜又は金めっき被膜を形成させるコーティング被膜工程と、
このコーティング被膜工程で形成されたコーティング被膜（１９）表面にスクリーン印刷マスクを介して液状レジストペーストをスクリーン印刷法で印刷して、前記金属銅板（１２）表面の銀めっき被膜形成領域又は金めっき被膜形成領域となる部分にレジスト被膜（２２）を形成させるレジスト被膜形成工程と、
このレジスト被膜形成工程で形成されたレジスト被膜（２２）形成部以外の露出したコーティング被膜（１９）をエッチング処理で除去するエッチング処理工程と、
前記レジスト被膜形成工程で形成されたレジスト被膜（２２）形成部のレジスト被膜（２２）を剥離させるレジスト被膜剥離工程と、を有することを特徴とするパワーモジュール用基板製造方法。
【請求項８】
セラミック基板（１１）の一方の主面に接合される単体又は複数個の金属銅板（１２）からなる回路銅板（１３）を備えるパワーモジュール用基板（１０，１０ｂ）に対し、前記金属銅板（１２）の表面にドライフィルムレジスト（２４）を貼付するドライフィルムレジスト貼付工程と、
このドライフィルムレジスト貼付工程で貼付されたドライフィルムレジスト（２４）表面にフォトマスク（２６）を当接させるフォトマスク工程と、
このフォトマスク工程で当接されたフォトマスク（２６）を介して前記ドライフィルムレジスト（２４）に対して光を照射する露光工程と、
前記フォトマスク（２６）を取り外して、前記露光工程で光の照射によって現像液に対する溶解性が低下した露光済みドライフィルムレジスト（２４ａ）を残して、前記フォトマスク（２６）でマスクされていた箇所のドライフィルムレジスト（２４）を除去する現像工程と、
この現像工程において前記ドライフィルムレジスト（２４）が除去された箇所に対して、銀めっき被膜又は金めっき被膜から成るコーティング被膜（１９）を形成させるコーティング被膜工程と、
前記現像工程で残存した露光済みドライフィルムレジスト（２４ａ）を剥離させるレジスト被膜剥離工程と、を有することを特徴とするパワーモジュール用基板製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単体又は複数個の金属銅板からなる回路銅板がセラミック基板の一方の主面に接合され、それぞれの金属銅板上にパワー半導体素子や、コンデンサ等の電子部品を接合し、パワー半導体素子と金属銅板とをボンディングワイヤで接続して実装するパワーモジュール用基板の実装信頼性向上に関すると共に、そのパワーモジュール用基板の製造方法とそのパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミック基板の両主面のそれぞれに金属銅板を接合したパワーモジュール用基板としては、一方の主面に単体又は複数個の金属銅板を島状に接合してなる回路銅板と、他方の主面に略主面全面からなる単体のベタ状の金属銅板を接合してなるベタ銅板を有するＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板がよく知られている。このＤＣＢ基板であるパワーモジュール用基板は、セラミック基板の一方の主面に単体又は複数個の金属銅板を接合してなる回路銅板の所定の金属銅板上にパワー半導体素子や、コンデンサ等の電子部品が搭載されるようになっている。
セラミック基板と金属銅板の接合方法には、直接接合法と、活性金属ろう材接合法とがあるが、アルミナセラミック基板と金属銅板の接合では直接接合法が広く使用されている。パワー半導体素子や、コンデンサ等の電子部品は、通常、回路銅板の金属銅板上にＰｂ−Ｓｎハンダや、Ｐｂフリーハンダによって接合されるようになっていた。そして、接合された電子部品のうちパワー半導体素子は、金属銅板との間でアルミニウム線等のボンディングワイヤにより電気的に接続されている。
パワー半導体素子等の電子部品が実装されたパワーモジュール用基板は、インバータや、コンバータ等のパワー制御機器に組み込まれるパワーモジュールとして使用されている。このようなパワーモジュールでは、パワー半導体素子からの発熱量が大きく、動作温度も高温となる。そのため、パワーモジュール用基板には、高い放熱性と、パワー半導体素子及びボンディングワイヤの金属銅板に対する接合信頼性を確保することが要求されている。【０００３】
パワー半導体素子や、コンデンサ等の電子部品をＰｂ−Ｓｎハンダや、Ｐｂフリーハンダによって金属銅板に接合する従来技術では、Ｐｂ−Ｓｎハンダや、Ｐｂフリーハンダの高温における接合信頼性が低いため、１５０℃以上の動作温度域でのパワー半導体素子と金属銅板間の接合信頼性の不足を解消することが難しくなっている。
また、Ｐｂ−Ｓｎハンダ材や、Ｐｂフリーハンダ材の熱伝導率は、金属銅板に比べて大幅に低いため電子部品に対する放熱性能が低下し、パワーモジュールとしての高出力の動作が困難となっている。このほかの接合材には、熱伝導性に優れた銀ろう材があるが、その接合温度は高温の７００℃以上であるため接合部の残留応力が高くなり、接合工程における冷却過程でパワー半導体素子やコンデンサ等の電子部品にクラックが発生するなどの不具合が生じるため、パワー半導体素子や、コンデンサ等の電子部品の実装に使用することが困難であった。【０００４】
そこで、最近では、電子部品の金属銅板への接合に、銀粒子の焼結体で接合できる接合材が用いられ、この接合材を電子部品と金属銅板との間に設け加熱下で加圧することで銀粒子の焼結体を形成し、電子部品と金属銅板を接合させる技術が開発されている。このような接合材に用いられる銀粒子の焼結は銀のバルクの融点（約９６０℃）よりもはるかに低い温度で進行するので、接合部の残留応力を低くできる。その一方、この銀の焼結体の耐熱温度はバルクの融点程度である。そのため低温接合と高温使用を両立できる。また銀の焼結体であるため、Ｐｂ−Ｓｎハンダ材や、Ｐｂフリーハンダ材よりも熱伝導率が高い。【０００５】
従来のパワーモジュール用基板には、金属銅板へのパワー半導体素子の良好な接合方法として、接合材に銀ナノペーストを使用し、加熱して接合することが提案されている。この銀ナノペーストは前述の低温接合と高温使用を両立できる仕様となっている。また、この接合材はアルミニウム板へのパワー半導体素子の接合にも適用できるが、その場合はアルミニウム表面に形成される強固な酸化膜（アルミナ）が接合を阻害するため、銀めっきなどの被膜をアルミニウム表面に設けて銀ナノペーストの濡れ性を確保する必要がある（例えば、特許文献１参照）。【０００６】
また、従来のパワーモジュール用基板には、パワー半導体素子が確実に接合され、熱サイクル及びパワーサイクル信頼性に優れたパワーモジュールを提供できる技術として、アルミニウム板の表面にガラス成分を含有するガラス含有銀ペーストの焼成体からなる第１焼成層を設け、さらに、この第１焼成層の表面に酸化銀を還元した銀の焼成体からなる第２焼成層を形成することが提案されている。パワー半導体素子は第２焼成層上に搭載される。前述したアルミニウム表面に形成される強固な酸化膜（アルミナ）については、第１焼成層に含まれるガラス成分によって除去されるため、第１焼成層とアルミニウム表面は良好に接合される。この接合技術は金属銅板とパワー半導体素子の接合にも適用できる（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２０２９３８号公報
【特許文献２】特開２０１３−１２７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述したような従来のパワーモジュール用基板は、次のような課題がある。【０００９】
特許文献１に記載される従来のパワーモジュール用基板では、接合材に銀ナノペーストを使用し、加熱して金属銅板に電子部品を接合するが、車載用途などの過酷な使用条件のもとでは、銀ナノペーストを加熱処理することで形成される接合層と金属銅板との接合力が不足してしまうおそれがあった。
アルミニウム板の場合と同様に金属銅板表面に銀めっき被膜を前述のコーティング被膜として設けることで接合層と金属銅板との接合力が高まる可能性も考えられるが、このような銀めっき被膜は金属銅板の表面全体に設けられる（図２−図５参照）。この場合、電子部品と金属銅板との間を電気的導通状態にしようとするときのアルミニウム線や銅線からなるボンディングワイヤ端部の銀めっき被膜への接続信頼性が問題となる可能性があるが、この点について特許文献１では何ら検討されていなかった。【００１０】
また、特許文献２に記載される従来のパワーモジュール用基板は、ガラス含有銀ペーストの焼成体からなる第１焼成層と、この表面に設けられる酸化銀を還元した銀の焼成体からなる第２焼成層によって、金属銅板にパワー半導体素子を確実に接合させることができるものの、ガラス成分を含むため、第１焼成層の熱抵抗、電気抵抗が高くなり、高出力下でパワー半導体素子の正確な動作が要求される車載用等におけるパワーモジュールでは十分な放熱性や実装信頼性が得られない。【００１１】
本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであって、電子部品及びボンディングワイヤの金属銅板に対する実装信頼性を大幅に向上させることができると共に、パワーモジュールとしたときの熱抵抗を低減させることができる安価なパワーモジュール用基板とその製造方法及びそのパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュール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】
【００１２】
前記目的に沿う本発明に係る請求項１に記載のパワーモジュール用基板は、単体又は複数個の金属銅板からなる回路銅板がセラミック基板の一方の主面に接合され、少なくとも１の金属銅板上にパワー半導体素子を含む電子部品が接合されると共に、前記電子部品のうちのパワー半導体素子と前記金属銅板がボンディングワイヤで接続されて実装されるパワーモジュール用基板において、前記金属銅板の少なくとも前記パワー半導体素子が接合される部位の表面に銀又は金を主成分とするコーティング被膜を有すると共に、前記金属銅板の前記ボンディングワイヤの端部が接続される部位の表面に前記コーティング被膜を有さないことを特徴とするものである。
すなわち、下地被膜として予め金属銅板の少なくともパワー半導体素子が接合される領域であって、かつ、ボンディングワイヤの端部が接続されない領域に銀又は金を主成分とするコーティング被膜を施しておくものである。なお、金属銅板表面の酸化物（酸化銅）はアルミニウム板の場合とは異なり、銀粒子の焼結体からなる接合材の使用に対し、一般に重大な接合阻害要因とならない。しかしながら、本発明ではパワー半導体素子と金属銅板の接合信頼性を従来よりも高めるために金属銅板表面に銀又は金を主成分とするコーティング被膜を施した。
なお、本願明細書及び特許請求の範囲においては、「金属銅板の表面に設ける」と「金属銅板の上に設ける」は明確に区別して用いている。前者は金属銅板の面に直接設ける概念であり、後者は金属銅板との間に膜や層を介在させて設ける概念である。【００１３】
ここで、請求項２に記載のパワーモジュール用基板は、請求項１記載のパワーモジュール用基板において、前記コーティング被膜は膜厚が０．１μｍから２０μｍまでの範囲からなることを特徴とするものである。【００１４】
また、請求項３に記載のパワーモジュール用基板は、請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板において、前記コーティング被膜は銀めっき被膜又は金めっき被膜からなることを特徴とするものである。
銀めっき被膜又は金めっき被膜によるコーティング被膜では、銀ペーストに比較して、（１）熱抵抗（膜厚を熱伝導率で除した値）が低い、（２）残留熱応力が低い、（３）薄くても均一な被膜を形成することができるという優れた特徴を備えている。特許文献２で用いられたような仕様の銀ペーストは、高温で焼き付けされることから残留熱応力が高くなり、また、焼結体となることからボイドを含み放熱を阻害するためである。特許文献２のように銀ペーストがガラス成分を含む場合は、このガラス成分も放熱を阻害するため更に熱抵抗が大きくなってしまう。めっき被膜の膜厚は請求項２に記載されている膜厚と同等であり、請求項２を引用することに特に矛盾はない。
以上のことから、銀めっき被膜と金めっき被膜は、本願発明におけるコーティング被膜としては最適な被膜ということができる。
しかしながら、発明者らは金属銅板表面に設けられるこれらのめっき被膜からなるコーティング被膜が必ずしもアルミニウム線や銅線からなるボンディングワイヤとの接続強度においては十分ではないことを発明過程の試験により発見し、ボンディングワイヤが接続される部位については、めっき被膜からなるコーティング被膜が存在しないことが接続強度上重要であることを見出した。
一方、銀ペーストは特許文献２にも開示されるとおり、スクリーン印刷法、オフセット印刷法などの印刷法を用いて塗布されるため、その領域を限定することが容易であるものの、めっき法はめっき液の中に被めっき物を浸漬する処理であるためにその領域を限定することは容易ではない。従って特に目的がない場合、めっき被膜は金属表面の全体に設けられる。
そこで発明者らは、請求項７及び請求項８に記載するパワーモジュール用基板製造方法を発明することで、コーティング被膜を、下地被膜として予め金属銅板の少なくともパワー半導体素子が接合される領域であって、かつ、ボンディングワイヤの端部が接続されない領域に施すことに成功したのである。【００１５】
更に、請求項４に記載のパワーモジュール用基板は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のパワーモジュール用基板において、前記コーティング被膜は無電解銀めっき被膜又は無電解金めっき被膜からなることを特徴とするものである。【００１６】
請求項５に記載のパワーモジュール用基板は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のパワーモジュール用基板において、前記金属銅板の縁に対する前記コーティング被膜のパターンの位置の誤差は±０．１ｍｍ以下であり、前記金属銅板表面にコーティング被膜以外の銀又は金が存在しないことを特徴とするものである。【００１７】
請求項６に記載のパワーモジュールは、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のパワーモジュール用基板の前記金属銅板表面に設けられる前記コーティング被膜上に、パワー半導体素子を含む電子部品のうち少なくともパワー半導体素子が銀粒子の焼結体を介して接合され、前記パワー半導体素子と前記金属銅板とを接続するボンディングワイヤの前記金属銅板側の端部は、前記コーティング被膜を介さずに前記金属銅板表面に、直接、接続されることを特徴とするものである。【００１８】
請求項７に記載のパワーモジュール用基板製造方法は、セラミック基板の一方の主面に接合される単体又は複数個の金属銅板からなる回路銅板を備えるパワーモジュール用基板に対し、前記金属銅板の表面に銀めっき被膜又は金めっき被膜を形成させるコーティング被膜工程と、このコーティング被膜工程で形成されたコーティング被膜表面にスクリーン印刷マスクを介して液状レジストペーストをスクリーン印刷法で印刷して、前記金属銅板表面の銀めっき被膜形成領域又は金めっき被膜形成領域となる部分にレジスト被膜を形成させるレジスト被膜形成工程と、このレジスト被膜形成工程で形成されたレジスト被膜形成部以外の露出したコーティング被膜をエッチング処理で除去するエッチング処理工程と、前記レジスト被膜形成工程で形成されたレジスト被膜形成部のレジスト被膜を剥離させるレジスト被膜剥離工程と、を有することを特徴とするものである。【００１９】
請求項８に記載のパワーモジュール用基板製造方法は、セラミック基板の一方の主面に接合される単体又は複数個の金属銅板からなる回路銅板を備えるパワーモジュール用基板に対し、前記金属銅板の表面にドライフィルムレジストを貼付するドライフィルムレジスト貼付工程と、このドライフィルムレジスト貼付工程で貼付されたドライフィルムレジスト表面にフォトマスクを当接させるフォトマスク工程と、このフォトマスク工程で当接されたフォトマスクを介して前記ドライフィルムレジストに対して光を照射する露光工程と、前記フォトマスクを取り外して、前記露光工程で光の照射によって現像液に対する溶解性が低下した露光済みドライフィルムレジストを残して、前記フォトマスクでマスクされていた箇所のドライフィルムレジストを除去する現像工程と、この現像工程において前記ドライフィルムレジストが除去された箇所に対して、銀めっき被膜又は金めっき被膜から成るコーティング被膜を形成させるコーティング被膜工程と、前記現像工程で残存した露光済みドライフィルムレジストを剥離させるレジスト被膜剥離工程と、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
上記のパワーモジュール用基板は、金属銅板の電子部品が接合される部位の表面に銀又は金を主成分とするコーティング被膜を有している。そのため金属銅板表面に銅との結合強度の高い銀又は金を主成分とするコーティング被膜を設けることで、このコーティング被膜と濡れ性のよい銀粒子の焼結体で接合できる接合材を用いて、電子部品と金属銅板を電子部品の動作温度以下の低温（３００℃以下）で強固に接合できる。また、パワーモジュール用基板は、金属銅板のボンディングワイヤの端部が接続される部位の表面にコーティング被膜を有さないので、金属銅板と電子部品を電気的な接続状態とするためのアルミニウム製や銅製等からなるボンディングワイヤの端部を、金属銅板表面に対し熱圧着で容易に接続できて接続信頼性を高めることができる。更に、銀又は金を主成分とするコーティング被膜は部分的にしか設けられないので、安価なパワーモジュール用基板を提供することができる。【００２１】
特に、上記のパワーモジュール用基板では、銀又は金を主成分とするコーティング被膜の膜厚が０．１μｍから２０μｍの範囲からなる。このようなコーティング被膜によって、これと濡れ性のよい銀粒子の焼結体で接合できる接合材を用いて、電子部品と金属銅板を電子部品の動作温度以下の低温（３００℃以下）で強固に接合できる。
接合温度は銀粒子の焼結温度であることから接合温度に対する下地の影響はほとんどなく、金属銅板表面に銀又は金を主成分とするコーティング被膜がなくとも電子部品を低温で接合すること自体は可能である。しかしながら、金属銅板に対する銀粒子の焼結体で接合できる接合材の濡れ性よりも、コーティング被膜に対する銀粒子の焼結体で接合できる接合材の濡れ性の方がよいため、電子部品を金属銅板上に強固に接合できるのである。
このコーティング被膜は、膜厚が０．１μｍを下まわる場合には、銀粒子の焼結体で接合できる接合材の濡れ性が低下し、接合強度が低くなる。また、下地となるコーティング被膜が薄く、コーティング被膜の変形によって接合部の残留熱応力を緩和する効果が弱い場合には、膜厚をペースト印刷と同程度となる２０μｍを超えない程度まで厚くしてもよい。しかしながら、コーティング被膜は、膜厚が２０μｍを超える場合には、銀の使用量が増加しすぎて安価なパワーモジュール用基板を提供することが難しくなる。
更に、コーティング被膜の膜厚は、比較的薄いコーティング被膜の膜厚の場合には、スパッタリング手法、蒸着手法、又は無電解めっき手法によるコーティング被膜の形成が可能であり、比較的厚いコーティング被膜の膜厚の場合には、電解めっき手法によって容易にコーティング被膜の形成が可能である。このようなコーティング被膜の膜厚が０．１μｍから２０μｍの範囲の場合には、電子部品及びボンディングワイヤの金属銅板に対する実装信頼性を大幅に向上させることができると共に、パワーモジュールとしたときの熱抵抗を低減させることができる安価なパワーモジュール用基板を提供することができる。【００２２】
また、特に、上記のパワーモジュール用基板におけるコーティング被膜は、金属銅板表面の所望位置に部分的に設けられる部分銀めっき被膜又は部分金めっき被膜からなる。このため電解及び／又は無電解めっき手法と、所望のパターンのレジスト膜を形成及び剥離する手法を用いて、ボンディングワイヤが接続される金属銅板表面の所望位置には部分銀めっき被膜又は部分金めっき被膜を設けることなく、電子部品が搭載される金属銅板表面の所望位置に的確に部分銀めっき被膜又は部分金めっき被膜を設けることができる。この結果、電子部品及びボンディングワイヤの金属銅板に対する実装信頼性の向上とパワーモジュールとしたときの熱抵抗の低減化ができる安価なパワーモジュール用基板を提供することができる。
本願発明では、金属銅板の表面に設ける下地被膜として高純度の銀や金からなるコーティング被膜を採用し、ガラスや金属酸化物などの添加物を含む銀ペースト等の金属ペーストを用いないので、緻密でありながら薄膜化が可能であり、かつ熱抵抗も残留熱応力も小さくすることができたのである。しかも、前述の通り、接合を阻害するほどの強固な酸化膜を表面に有さないためコーティング被膜は不要であると従来考えられていた金属銅板に対して上記のようなコーティング被膜を設けた。このようなコーティング被膜は金属銅板表面との結合が強固であり、また、パワー半導体素子を接合するための接合材である銀粒子の焼結体に対する濡れ性も優れている。そのため、コーティング被膜を下地被膜として用いることにより、パワー半導体素子と金属銅板の接合信頼性を従来よりも高めることができたのである。
しかしながら、前述のとおり発明者らは、これらの優位性を認めながらもパワー半導体素子と金属銅板を電気的に接続するためのボンディングワイヤに対しては、この高純度の銀や金を主成分とするコーティング被膜が必ずしも有効でないことを発明の創作過程において見出した。具体的には、発明の実施の形態を説明する際に詳細に説明するが、金属銅板の全面に無電解銀めっきを施した表面に接合されたボンディングワイヤについては、引っ張り試験で界面剥がれを起こしてしまうという不具合が生じた。
一方、そもそも高純度の銀や金からなるコーティング被膜は、銀めっきや金めっきに代表されるとおり、液体のめっき液を用いることから、回路銅板の表面全面にめっきを施すことが通常であり、回路銅板の表面に対し部分めっきを施すことはこれまで実施されていない技術であった。
そこで、本願の発明者は鋭意研究を重ねた結果、特にボンディングワイヤの端部が接続される部位の金属銅板表面においては、高純度の銀や金を主成分とするコーティング被膜を形成させず、少なくともパワー半導体素子が接合される部位の金属銅板表面にのみそのコーティング被膜を形成させることで、パワー半導体素子の接合を強固にすることとボンディングワイヤの接続を強固にすることを両立させることに成功したのである。【００２３】
更に、特に、上記のパワーモジュール用基板は、コーティング被膜を無電解銀めっき被膜又は無電解金めっき被膜から構成することができるので、電解銀めっき被膜を形成する場合のような給電用端子の金属銅板への接続が不用なため、工程が簡素化されて安価なパワーモジュール用基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態に係るパワーモジュール用基板の平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図である。
【図２】（Ａ）乃至（Ｅ）は、それぞれ本発明の実施例１に係るパワーモジュール用基板の製造方法を説明するための工程分解図である。
【図３】（Ａ）乃至（Ｇ）は、それぞれ本発明の実施例２に係るパワーモジュール用基板の製造方法を説明するための工程分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化して実施するための形態について説明し、本発明の理解に供する。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板１０は、アルミナを主成分とするセラミック基板１１の一方の主面にそれぞれ形状の異なる単体又は複数の個片金属銅板１２を島状に接合してなる回路銅板１３と、他方の主面に略主面全面からなる単体のベタ状金属銅板１２ａを接合して得られるベタ銅板１４を有している。このパワーモジュール用基板１０は、回路銅板１３を構成する金属銅板１２上にパワー半導体素子１５や、コンデンサ１６等の電子部品１７が搭載される。更に、パワー半導体素子１５と、金属銅板１２との間は、アルミニウム線や、銅線からなるボンディングワイヤ１８を用いて電気的に接続されるようになっている。このパワーモジュール用基板１０には、アルミナを主成分とするセラミック基板１１に金属銅板１２，１２ａを直接接合法で接合したのが一般的であるが、セラミック基板１１にジルコニア入りアルミナや、窒化アルミニウム、窒化珪素等を使用したものも適用可能である。また、金属銅板１２，１２ａの接合方法は、直接接合法の他に活性金属ろう材接合法も適用可能である。
【００２６】
上記のパワーモジュール用基板１０は、回路銅板１３を構成する金属銅板１２の電子部品１７が接合される部位の表面に銀又は金を主成分とするコーティング被膜１９を有している。そして、このコーティング被膜１９上には、接合材２０を介して電子部品１７が接合されるようになっている。この接合には、銀粒子の焼結体で接合できる接合材２０が用いられ、この接合材２０をコーティング被膜１９表面に設けてから電子部品１７を載置し、電子部品１７の動作温度以下の低温（３００℃以下）で電子部品１７の上面を加圧することで銀粒子の焼結体を形成して接合させている。銀粒子のサイズについては、平均粒径が１００ｎｍ以下のものが焼結性が高いため扱い易いが、平均粒径がミクロンオーダー（０．１〜１０μｍ）であっても電子部品１７の動作温度以下で接合できるものであれば使用できる。
銀又は金を主成分とするコーティング被膜１９は金属銅板１２の表面との結合強度が高い。さらに、このようなコーティング被膜１９は銀粒子の焼結体で接合できる接合材２０との濡れ性がよい。このためコーティング被膜１９を設けずに金属銅板１２の表面に接合材２０を設ける場合に比べて、電子部品１７を金属銅板１２の上に強固に接合することができる。
【００２７】
上記のパワーモジュール用基板１０は、回路銅板１３を構成する金属銅板１２の電子部品１７が接合される部位の表面に銀を主成分とするコーティング被膜１９を有すると共に、この金属銅板１２と同一、又は異なる金属銅板１２のボンディングワイヤ１８の端部が接続される部位の表面に銀を主成分とするコーティング被膜１９を有していない。このパワーモジュール用基板１０は、回路銅板１３を構成する金属銅板１２の表面に設けられる銀を主成分とするコーティング被膜１９上に、パワー半導体素子１５や、コンデンサ１６等の電子部品１７を高い接合信頼性で接合できると共に、銀を主成分とするコーティング被膜１９を有さない金属銅板１２表面に、アルミニウム線や、銅線からなるボンディングワイヤ１８の端部を高い接続信頼性で接続でき、実装信頼性を向上できる。
【００２８】
銀を主成分とするコーティング被膜１９の形成には、銀めっき処理による方法が一般的であるが、中でも無電解銀めっき処理は、電解銀めっき処理では必要となる金属銅板１２への給電用の端子の接続が不要なため適用しやすい。また、同一の膜厚であれば、電解めっき処理よりも無電解めっき処理の方が膜厚のバラツキが小さい。これは凸部への電流集中作用が無電解めっき処理には無いためである。しかしながら、無電解銀めっき処理は、得られるめっき厚が４μｍ程度と比較的薄いため、厚付けが必要な用途では別途電解銀めっき処理が必要となる。銀めっき処理以外の方法としては、銀スパッタリングや、銀蒸着によるコーティング被膜１９の形成方法を適用することも可能である。これらの被膜形成方法で得られる膜厚も、無電解めっき処理と同等以下であり、厚付けが必要な用途では別途電解銀めっき処理が必要となる。
【００２９】
上記のパワーモジュール用基板１０は、コーティング被膜１９の膜厚が０．１μｍから２０μｍの範囲からなるのがよい。このパワーモジュール用基板１０は、金属銅板１２表面に０．１μｍから２０μｍの範囲の銀を主成分とするコーティング被膜１９を設けることで、これと濡れ性のよい銀粒子の焼結体で接合できる接合材２０を用いて電子部品１７を電子部品１７の動作温度以下の低温で金属銅板１２の上に強固に接合させることができる。
なお、このコーティング被膜１９は、膜厚が０．１μｍを下まわる場合にはコーティング被膜１９が形成されない部分が生じやすくなるため、銀粒子の焼結体で接合できる接合材２０の濡れ性が低下し、電子部品１７の接合強度が低くなる。また、コーティング被膜１９は、膜厚が２０μｍを超える場合には、銀の使用量が増加しすぎて安価なパワーモジュール用基板１０を提供することが難しくなる。
【００３０】
上記のパワーモジュール用基板１０は、コーティング被膜１９がこの金属銅板１２表面の所望位置に部分的に設けられる部分銀めっき被膜からなるのがよい。
このパワーモジュール用基板１０は、金属銅板１２の表面に電解めっき手法、及び／又は無電解めっき手法と、所望のパターンのレジスト膜を形成及び剥離する手法とで、ボンディングワイヤ１８の端部が接続される金属銅板１２表面の所望位置には部分銀めっき被膜を設けることなく、また一方、電子部品１７が搭載される金属銅板１２表面の所望位置には的確に部分銀めっき被膜を設けることができる。
従って、パワーモジュール用基板１０は、電子部品１７及びボンディングワイヤ１８の端部を金属銅板１２に確実に接合でき、パワーモジュールとしたときの熱抵抗の低減化ができ、さらに安価に製造できる。
【００３１】
なお、上記のパワーモジュール用基板１０は、コーティング被膜が無電解銀めっき被膜からなるのがよい。同一の膜厚であれば、電解めっき処理よりも無電解めっき処理の方が膜厚のバラツキが小さい。これは凸部への電流集中作用が無電解めっき処理には無いためである。このパワーモジュール用基板１０は、電解銀めっき処理では必要となる金属銅板１２への給電用の端子の接続が不要なため、コーティング被膜を形成するための工程が簡素化されて安価なパワーモジュール用基板を提供することができる。
【実施例１】
【００３２】
以下、実施例１について説明する。
まず、図２を参照しながら実施例１に係るパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
図２（Ａ）は実施例１に係るパワーモジュール用基板１０ａの製造方法のＤＣＢ基板２１ａ準備工程を示している。図中、ＤＣＢ基板２１ａでは、大きさ５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚み０．３２ｍｍのジルコニア（ＺｒＯ２）入りアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなるセラミック基板１１の一方の主面に、板厚０．３ｍｍの無酸素銅からなる複数個の金属銅板１２と、他方の主面に板厚０．３ｍｍの無酸素銅からなり主面と同程度の面積を持つ単体のベタ状の金属銅板１２ａが接合されている。この接合は、酸素１−１０ｐｐｍの窒素雰囲気下で、最高温度１０６８−１０８３℃で加熱することによって金属銅板１２，１２ａの表面に酸化銅の液相を形成させる直接接合法で行われた。なお、本実施例で製造したＤＣＢ基板２１ａに係るセラミック基板１１の大きさ及び厚み、さらに金属銅板１２，１２ａの厚みについては一例であり、その仕様は用途等によって適宜変更可能である。
そして、図２（Ｂ）はＤＣＢ基板２１ａの金属銅板１２，１２ａ表面全体に銀めっきから成るコーティング被膜１９を形成させるコーティング被膜工程である。通常のめっき工程はここまでで完了とされるが、本発明では銀めっきから成るコーティング被膜１９を必要とされる部分にのみ形成させるため、さらに以下に述べる追加の工程を必要とする。
図中、得られたＤＣＢ基板２１ｂには、金属銅板１２，１２ａ表面全体に、置換型または還元型の無電解銀めっき処理で銀めっきの被膜厚みが０．１μｍ−４μｍ厚程度になるようなコーティング被膜１９が形成されている。
更に、銀めっき被膜厚みを厚く形成する場合には、無電解めっき被膜に対し追加で電解銀めっき処理を行う。この場合、無電解めっき処理を行わずに金属銅板１２，１２ａの表面に直接、電解めっき処理を行ってもよい。このようにして、銀めっき被膜厚みが０．１μｍの実施例１（ａ）、銀めっき被膜厚みが１μｍの実施例１（ｂ）、銀めっき被膜厚みが２μｍの実施例１（ｃ）、銀めっき被膜厚みが４μｍの実施例１（ｄ）、銀めっき被膜厚みが２０μｍの実施例１（ｅ）のＤＣＢ基板２１ｂを準備した。なお、これらの銀めっき被膜の厚みは、５カ所で測定して得られた値の平均値である。この測定は蛍光Ｘ線法によって行われた。
その後、これらのＤＣＢ基板２１ｂの金属銅板１２の表面に、パワー半導体素子や、コンデンサ等の電子部品搭載部に相当する所望の金属銅板の銀めっき被膜形成領域となる部分を開口とし、ボンディングワイヤの端部が接続される部分を含めたその他の部分を閉口とするスクリーン印刷マスク（図示せず）を当接させた。【００３３】
そして、図２（Ｃ）は、レジスト被膜形成工程を示しており、前工程で作成されたＤＣＢ基板２１ｂに対し、スクリーン印刷マスクを介して液状レジストペーストをスクリーン印刷法で印刷して所望の金属銅板表面の銀めっき被膜形成領域となる部分に液状のレジスト印刷被膜を形成させた。
次に、液状のレジスト印刷被膜が形成されたＤＣＢ基板２１ｃに対して、適当な加熱条件にて液状のレジスト印刷被膜を硬化して、金属銅板表面の所望とする部位にレジスト被膜２２を形成させてＤＣＢ基板２１ｃを作製した。
なお、金属銅板１２の主面だけでなく側面にもコーティング被膜１９が形成されている。
更に、図２（Ｄ）は、エッチング処理工程を示しており、このレジスト被膜２２が形成されたＤＣＢ基板２１ｃに対し、銀のエッチング処理にてレジスト被膜２２が形成されずに露出したままの銀めっき被膜からなるコーティング被膜１９を除去して、ＤＣＢ基板２１ｄを作成した。従って、この工程では金属銅板１２の側面の銀めっき被膜からなるコーティング被膜１９も除去されている。
最後に、レジスト被膜２２は、アルカリ性剥離液にて除去されて、図２（Ｅ）に示されるようなパワーモジュール用基板１０ａが完成した。【００３４】
上記のようにして得られたパワーモジュール用基板１０ａには、所望の金属銅板１２の表面に銀めっき被膜からなるコーティング被膜１９が局所的に形成されている。この形成部は電子部品搭載部に該当し、電子部品は銀粒子の焼結体で接合できる接合材を用いて接合される。この接合材は、電子部品の動作上限温度以下である３００℃以下の温度で強固な接合が得られる銀ペーストとなっている。この銀ペーストをスクリーン印刷法にて、電子部品搭載部となるコーティング被膜１９表面に１５μｍ程度の厚さで、コーティング被膜１９と同じかやや小さめの面積となるように形成し、大気中１２０℃程度で約１０分間程度乾燥してペースト中の溶剤成分を除去した。
そして、乾燥後の銀ペースト表面に電子部品を搭載し、１２０℃、１秒間の処理で仮接合した後、このパワーモジュール用基板１０ａを加圧チャンバに入れて大気雰囲気中の２３０℃、１０ＭＰａの加熱、加圧下で２分間放置した。その結果、銀粒子の焼結体が形成され、電子部品をコーティング被膜上に接合することができた。更に、パワー半導体素子と金属銅板との間を電気的に接続するために、断面の直径が０．３ｍｍのアルミニウム製ボンディングワイヤの一方の端部を金属銅板のボンディングワイヤ接続部位に、また他方の端部をパワー半導体素子の所定の箇所にそれぞれ熱圧着して取り付けた。熱圧着とは、一定の荷重をボンディングワイヤに加えた状態で超音波振動をワイヤボンディングに印加して摩擦圧接する方式である。【００３５】
また、上記の実施例１（ａ）−（ｅ）と比較するため、金属銅板表面に銀めっき被膜であるコーティング被膜を形成しないＤＣＢ基板を準備した（このＤＣＢ基板は図２（Ａ）のＤＣＢ基板２１ａと同じ）。その金属銅板上に直接、実施例１（ａ）−（ｅ）で用いた銀ペーストの接合材でパワー半導体素子を接合した。さらに、実施例１（ａ）−（ｅ）と同様に、直径０．３ｍｍのアルミニウム製ボンディングワイヤを、金属銅板表面のボンディングワイヤ接続部位とパワー半導体素子に、それぞれ熱圧着して接続した比較例１を作製した。
またさらに、金属銅板表面に銀めっき被膜であるコーティング被膜を形成しないＤＣＢ基板を準備した（このＤＣＢ基板は図２（Ａ）のＤＣＢ基板２１ａと同じ）。このＤＣＢ基板の金属銅板表面に従来のＰｂ−Ｓｎハンダの接合材でパワー半導体素子を接合した。さらに、実施例１（ａ）−（ｅ）と同様に、直径０．３ｍｍのアルミニウム製のボンディングワイヤを金属銅板表面のボンディングワイヤ接続部位とパワー半導体素子に、それぞれ熱圧着して接続した。これを比較例２とした。
更に、金属銅板表面の全面に銀めっき被膜であるコーティング被膜を設けたＤＣＢ基板を準備した（このＤＣＢ基板は図２におけるＤＣＢ基板２１ｂと同一）。このＤＣＢ基板の金属銅板上に実施例１（ａ）−（ｅ）で用いた銀ペーストの接合材でパワー半導体素子を接合した。さらに、実施例１（ａ）−（ｅ）と同様に、直径０．３ｍｍのアルミニウム製ボンディングワイヤを銀めっき被膜であるコーティング被膜を設けた金属銅板表面のボンディングワイヤ接続部位とパワー半導体素子に、それぞれ熱圧着して接続した。これを比較例３とした。なお、この比較例３における銀めっき被膜（コーティング被膜）の厚さは実施例１（ｃ）と同じ２μｍとした。【００３６】
上記の実施例１（ａ）−（ｅ）及び比較例１−３の評価結果を表１にまとめて記載する。【００３７】
【表１】
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【００３８】
実施例１（ａ）−（ｅ）、及び比較例１、３で用いた銀ペーストからなる接合材は、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫであり、従来のＰｂ−Ｓｎハンダからなる接合材の熱伝導率５０Ｗ／ｍＫに比べて３倍高いため、高熱を発生するパワー半導体素子の接合部における熱抵抗を従来よりも下げることができる。
なお、従来のＰｂ−Ｓｎハンダからなる接合材を用いてパワー半導体素子を接合する比較例２は、パワー半導体素子の接合部における熱抵抗を下げることや実装信頼性を高めることに限界があることから、比較例１、３のような熱伝導率の高い銀ペーストからなる接合材を用いるようになったことは既に述べたことである。【００３９】
通常、パワーモジュール用基板にパワー半導体素子を接合材で実装したパワーモジュールに対し、パワー半導体素子の接合信頼性を確認するために、水素還元雰囲気における２３５℃、９分間の通炉試験をおこなっている。この試験において、金属銅板表面に銀めっき被膜からなるコーティング被膜を設け、銀ペーストからなる接合材でパワー半導体素子を接合した実施例１（ａ）−（ｅ）、比較例３では、パワー半導体素子の剥がれの発生を確認できなかった。
しかしながら、金属銅板表面に銀めっき被膜であるコーティング被膜を設けないで銀ペーストからなる接合材でパワー半導体素子を接合した比較例１では、パワー半導体素子の剥離が発生した。この剥離は銀ペーストからなる接合材と金属銅板の界面で発生していた。
Ｐｂ−Ｓｎハンダからなる接合材を用いパワー半導体素子を接合した比較例２においても、金属銅板表面に銀めっき被膜からなるコーティング被膜を設けなくてもＰｂ−Ｓｎハンダからなる接合材と金属銅板の界面での剥離によるパワー半導体素子の剥離は発生しなかった。【００４０】
また、通常、パワーモジュール用基板にパワー半導体素子を接合材で実装したパワーモジュール用に対し、パワー半導体素子の剥離等の異常を確認するための長期信頼性試験として、最低温度４０℃で通電オン／オフを各１５秒間、さらに最高温度１５０℃（最低温度からの温度差１１０℃）で通電オン／オフを各１５秒間の合計６０秒間を１サイクルとする負荷を何サイクルまで行って異常発生がないかのパワーサイクル試験を実施している。この際、パワーモジュール用基板のパワー半導体素子を実装しない方のベタ銅板は厚さ３ｍｍの銅放熱板にＰｂ−Ｓｎハンダで接合され、さらに銅放熱板は放熱グリース等の接合材料を使って水冷ヒートシンクに取り付けられ、パワー半導体素子が発する熱を効率的に放熱する構成となっていた。
この試験において、金属銅板表面に銀めっき被膜からなるコーティング被膜を設け、銀ペーストからなる接合材でパワー半導体素子を接合した実施例１（ａ）−（ｅ）、及び比較例３では、いずれも１５万サイクル以上可能な耐久性があった。
しかしながら、金属銅板表面に銀めっき被膜であるコーティング被膜を設けないで銀ペーストからなる接合材でパワー半導体素子を接合した比較例１では、４万サイクル程度でパワー半導体素子の剥離が発生し、長期信頼性に問題があった。この剥離は銀ペーストからなる接合材と金属銅板の界面で発生していた。
また、金属銅板表面に銀めっき被膜であるコーティング被膜を設けないでＰｂ−Ｓｎハンダからなる接合材でパワー半導体素子を接合した比較例２に対しても同様の試験を行ったが、３万サイクル程度でＰｂ−Ｓｎハンダからなる接合材層の内部にクラックが生じることでパワー半導体素子の剥離が発生し、長期信頼性に問題があった。【００４１】
更に、ボンディングワイヤの金属銅板との接続信頼性を確認するために以下の引っ張り試験を行った。まず、ＤＣＢ基板を固定した状態で直径０．３ｍｍのアルミニウム製ボンディングワイヤの両方の端部を金属銅板表面に接続した。その結果、ボンディングワイヤはブリッジ状の形状となった。このようなボンディングワイヤの中央部に鉤状の金属部材を引っ掛けて上方に引っ張ることでボンディングワイヤの一方もしくは両方の端部が金属銅板から剥離するか、又はボンディングワイヤの中央部が破壊されて切断するかを確認した。
実施例１（ａ）−（ｅ）、比較例１、比較例２では、ボンディングワイヤの両方の端部は、銀めっき被膜であるコーティング被膜の無い金属銅板表面に直接、熱圧着により、ブリッジ状に接続された。また、比較例３ではボンディングワイヤの両方の端部は銀めっき被膜であるコーティング被膜表面に熱圧着により、ブリッジ状に接続された。
この試験において、金属銅板のボンディングワイヤ接続部位に銀めっき被膜であるコーティング被膜を設けない実施例１（ａ）−（ｅ）、及び金属銅板の表面全体にコーティング被膜を設けない比較例１、２は、いずれもボンディングワイヤの端部が金属銅板から剥離することなく、５００グラム重程度の力で引っ張るとボンディングワイヤの中央部が破壊されて切断される結果となった。このことはボンディングワイヤの端部と金属銅板表面の接合強度がボンディングワイヤ自体の強度よりも高いことを示しており、ボンディングワイヤの接続信頼性が高いことが確認できた。
しかしながら、金属銅板のボンディングワイヤ接続部位に銀めっき被膜であるコーティング被膜を設けた比較例３では、４００グラム重程度の力でボンディングワイヤの中央部分を引っ張ると、ボンディングワイヤの一方もしくは両方の端部が金属銅板の表面から剥離し、ボンディングワイヤの接続信頼性が低いことが確認できた。
すなわち、パワー半導体素子を実装する場合には、金属銅板に銀めっき被膜であるコーティング被膜を形成させてから銀粒子の焼結体を接合材として接合することが望ましい一方、アルミニウム線からなるボンディングワイヤを金属銅板に接続する場合には、むしろコーティング被膜を介さずに、直接、金属銅板表面に接続する方が、接続強度を高めることができることがわかった。
そこで、本実施例においては、ボンディングワイヤの端部が接続される部位の表面においては、高純度の銀や金からなるコーティング被膜を形成させず、少なくともパワー半導体素子が接合される部位の表面にそのコーティング被膜を形成させることで、パワー半導体素子の接合を強固にすることとボンディングワイヤの接続を強固にすることの両方を満足させたのである。【００４２】
上記の評価結果より、金属銅板表面の銀ペーストからなる接合材でパワー半導体素子を接合する部位に銀めっき被膜であるコーティング被膜を設け、金属銅板表面のボンディングワイヤ接続部位に銀めっき被膜であるコーティング被膜を設けない実施例１（ａ）−（ｅ）は、パワー半導体素子の接合信頼性と、ボンディングワイヤの接続信頼性の両方を兼ね備えたパワーモジュール用基板であることが確認できた。【００４３】
なお、実施例１（ａ）−（ｄ）は、コーティング被膜が無電解銀めっきのみにより形成された０．１μｍ−４μｍ程度までの薄い膜であるので、低い材料コストで製造できる。しかも、従来のＰｂ−Ｓｎハンダ接合（比較例２）よりも高いレベルのパワー半導体素子の接合信頼性と、従来のＰｂ−Ｓｎハンダ接合（比較例２）と同等のボンディングワイヤの接続信頼性の両方を兼ね備えたパワーモジュール用基板である。
特に、実施例１（ａ）は、コーティング被膜厚みが０．１μｍ程度の極めて薄い膜でも従来のＰｂ−Ｓｎハンダ接合（比較例２）よりも高いレベルのパワー半導体素子の接合信頼性と、従来のＰｂ−Ｓｎハンダ接合（比較例２）と同等のボンディングワイヤの接続信頼性の両方を兼ね備えたパワーモジュール用基板であるので、極めて低い材料コストでパワーモジュール用基板を製造できる。【００４４】
また、無電解銀めっきのみにより形成できるコーティング被膜の厚みは４μｍ程度までであるので、実施例１（ｅ）のような２０μｍ程度の厚いコーティング被膜の形成には、無電解銀めっきに加えて電解銀めっき処理が必要となる。一般にＤＣＢ基板のようなパワーモジュール用基板は、パワー半導体素子を実装する側の回路銅板が複数個の金属銅板で構成されており、各金属銅板間には電気的な接続がない。
このため各金属銅板表面を電解銀めっき処理するためには、通電用の給電端子を全ての金属銅板に予め接続させておく必要があると共に、電解銀めっき処理後に通電用の給電端子を除去する必要がある。このような、作業工数の多い電解銀めっき処理が必要なパワーモジュール用基板は、特に高い信頼性を要求される用途に限定して適用される。【００４５】
本実施例や次の実施例２においては、ＤＣＢ基板としてジルコニア（ＺｒＯ２）入りアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなるセラミック基板の両面に金属銅板を接合したものを用いたが、ジルコニアを含有しないアルミナ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、更には窒化ホウ素（ＢＮ）入りの窒化アルミニウム、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などからなるセラミック基板の両面に金属銅板を接合したものを用いてもよい。銅板の材質は無酸素銅が好適に用いられるが、酸素を微量含むタフピッチ銅でもよいし、銅を主成分とする合金でもよい。
また、図１（Ａ）と（Ｂ）に示されるベタ状の金属銅板１２ａにはパワーモジュール用基板１０の放熱性を向上させる作用があるが、使用形態によっては、セラミック基板１１に接合される金属銅板を電子部品を搭載するための回路銅板１３のみとし、ベタ状の金属銅板１２ａが無い、セラミック基板１１の一方の主面のみに金属銅板１２が接合された状態であってもよい。この場合、ベタ状の金属銅板１２ａの無い、セラミック基板１１の他方の主面に厚さ３ｍｍ程度の銅放熱板を放熱グリースを介して取り付けるなどして、パワーモジュール用基板１０が使用される。
また、めっきは銀めっきを用いて説明しているが、コストを重要視しなければ、金めっきを用いても同様の技術的な効果が得られる。さらに、金めっきに関する処理も銀めっきに関する処理と同様に可能であるし、金蒸着や金スパッタリング方式もコーティング被膜を形成する手法として適用可能である。
金は銀よりも高価な金属であるが、銀のように空気中の硫黄と反応して硫化銀を形成しないため、品質（銀粒子に対する濡れ性）を維持する上では銀よりも有利である。また、めっきと同じ理由から、接合材料として銀粒子を含む銀ペーストの代わりに金粒子を含む金ペーストを用いてもよい。
【実施例２】
【００４６】
次に、図３を参照しながら実施例２に係るパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
図３（Ａ）は、実施例２に係るパワーモジュール用基板の製造方法のＤＣＢ基板２３ａ準備工程を示している。図中、実施例１と同様にＤＣＢ基板２３ａでは、大きさ５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚み０．３２ｍｍのジルコニア入りアルミナからなるセラミック基板１１の一方の主面に板厚０．３ｍｍの無酸素銅からなる複数個の金属銅板１２と、他方の主面に板厚０．３ｍｍの無酸素銅からなる単体のベタ状の金属銅板１２ａが接合されている。この接合は、酸素１−１０ｐｐｍの窒素雰囲気下で、最高温度１０６８−１０８３℃で加熱することによって金属銅板１２，１２ａの表面に酸化銅の液相を形成させる直接接合法で行われた。但し、実施例１と同様に、ＤＣＢ基板２３ａに係るセラミック基板１１の大きさ及び厚み、さらに金属銅板１２，１２ａの厚みについては一例であり、その仕様は用途等によって適宜変更可能である。
次に、図３（Ｂ）はドライフィルムレジスト貼付工程を示しており、先のＤＣＢ基板準備工程で得られたＤＣＢ基板２３ａの金属銅板１２，１２ａ表面にドライフィルムレジスト２４を貼付した状態のＤＣＢ基板２３ｂを示している。従って、島状に形成された金属銅板１２同士の隙間がドライフィルムレジスト２４で覆われることによって空隙２５が形成されることになる。【００４７】
図３（Ｃ）は、貼付されたドライフィルムレジスト２４にフォトマスク２６を当接させるフォトマスク工程である。この工程では、ドライフィルムレジスト２４に、所望の金属銅板１２の銀めっき被膜形成領域となる部分を閉口とし、ボンディングワイヤの端部が接続される部分を含めたその他の部分を開口とするフォトマスク２６を当接させてＤＣＢ基板２３ｃを形成させるものである。すなわち、実施例１とはマスクにおける開口と閉口の部分が逆となる。この銀めっき被膜形成領域となる部分は、パワー半導体素子１５やコンデンサ１６等の電子部品１７の搭載部に該当する。
次の図３（Ｄ）は、ドライフィルムレジスト２４に対して光を照射する露光工程を示している。従って、フォトマスク２６が当接された範囲以外のドライフィルムレジスト２４は、露光されて露光済みドライフィルムレジスト２４ａとなり、ＤＣＢ基板２３ｄが形成される。このドライフィルムレジスト２４の例としてはフォトレジストがあり、露光の光源としては紫外線が用いられる。【００４８】
その後、図３（Ｅ）に示されるように、ＤＣＢ基板２３ｄからフォトマスク２６を取り外し、現像液に浸漬してフォトマスク２６でマスクされていた箇所のドライフィルムレジスト２４を除去してＤＣＢ基板２３ｅを形成させる。この工程は、ドライフィルムレジストを除去する現像工程である。この現像工程では、露光済みドライフィルムレジスト２４ａは露光によって現像液に対する溶解性が低下するため、現像時においても溶解することなく残存する。
図３（Ｆ）は、ドライフィルムレジスト２４が除去された箇所に対して、銀めっきから成るコーティング被膜１９を形成させるコーティング被膜工程である。
実施例２においても、置換型または還元型の無電解銀めっき処理で銀めっきの被膜厚みが０．１μｍ−４μｍ厚程度になるようなコーティング被膜１９を形成させてＤＣＢ基板２３ｆとする。実施例１と同様に、更に銀めっき被膜厚みを厚く形成する場合には、追加で電解銀めっき処理を行う。
なお、金属銅板１２の主面だけでなく側面にもコーティング被膜１９が形成される。
その後、図３（Ｇ）に示されるように、ＤＣＢ基板２３ｆに残存していた露光済みドライフィルムレジスト２４ａをアルカリ性剥離液にて除去するレジスト剥離工程を経て、パワーモジュール用基板１０ｂが完成する。【００４９】
このように構成される実施例２に係るパワーモジュール用基板の製造方法においては、無電解銀めっきから成るコーティング被膜１９をレジストが剥離される前に必要な箇所だけに処理するので、実施例１に比べ、銀めっき液の消費量が少ない。
また、実施例１では不要な箇所に処理された無電解銀めっき被膜をエッチングで処理しなければならず、エッチングが不十分で銀めっき被膜の一部が金属銅板１２表面に残留している箇所が存在する可能性もあり、これがボンディングワイヤ１８の接合性を低下させる可能性もないとは言い切れない。具体的には、表１の比較例３に示されるボンディングワイヤの界面剥がれのような事象の可能性である。
これに対して、実施例２では元々コーティング被膜１９が必要な箇所にしか処理されないため、銀めっき被膜のエッチング残渣がパワーモジュール用基板１０ｂの金属銅板１２表面に残るような不具合やそれによって生じるボンディングワイヤの接続性の低下などの不具合はない。
このことについて、発明者らは実施例２に係るパワーモジュール用基板１０ｂを用い、その金属銅板１２における、コーティング被膜１９が設けられていない銅板表面に存在する銀についてオージェ電子分光法で検出できるかどうかを確認したが検出されなかった。
なお、実施例２においては、図３（Ｂ）のドライフィルムレジスト貼付工程において、空隙２５も含め金属銅板１２の側面を完全に覆うように、ドライフィルムレジスト２４を貼付すれば、金属銅板１２の側面に銀めっき被膜１９は形成されない。このように、金属銅板１２の主面に対するドライフィルムレジスト２４の貼り付け方によって図３（Ｆ）や（Ｇ）のように金属銅板１２の側面に銀めっき被膜１９が形成されるかどうかが左右される。ただし、金属銅板１２の側面はボンディングワイヤ１８の接合性には影響はないため、そこに銀めっき被膜１９が形成されるかどうかはとくに品質上の問題にはならない。
さらに、実施例２においては、コーティング被膜１９のパターンはフォトマスク２６のパターンにほぼ従うため、金属銅板１２の縁に対するコーティング被膜１９のパターンの位置精度を高くできる。具体的には、金属銅板１２の縁に対する、コーティング被膜１９の位置精度の誤差を±０．１ｍｍ以下とすることが可能である。
一方、実施例１のようにレジストペーストをスクリーン印刷マスクを使って印刷する場合、液状のレジスト印刷被膜からなる印刷パターンの縁がにじんで直線性が悪くなるので、実施例２に比べると金属銅板１２の縁に対するコーティング被膜１９のパターンの位置精度が低く、例えば±０．３ｍｍ以下程度である。
従って、実施例１におけるレジスト被膜２２よりも実施例２における露光済みドライフィルムレジスト２４ａの方がレジストパターンの形成精度が高く、少なくとも金属銅板１２の縁に対するコーティング被膜１９の正確な位置決めが可能である。【００５０】
なお、この実施例２に係るパワーモジュール用基板１０ｂにおいても表１に示す実施例１（ａ）−（ｅ）と同様の寸法を備えたものを作製し同様に試験を実施した。その結果、製造方法が異なる２つの方法によっても表１に示される水素雰囲気通炉試験、パワー半導体素子実装後のパワーサイクル試験、ボンディングワイヤ引張試験共に実施例１（ａ）−（ｅ）と同等の評価結果が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明のパワーモジュール用基板は、高出力のパワー半導体素子や、コンデンサ等の電子部品を回路銅板の金属銅板上に実装する際に高い実装信頼性や放熱性を要求される分野に最適であり、例えば、車載用の電子部品あるいは風力発電用の電子部品の実装に用いることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０，１０ａ，１０ｂ…パワーモジュール用基板
１１…セラミック基板
１２，１２ａ…金属銅板
１３…回路銅板
１４…ベタ銅板
１５…パワー半導体素子
１６…コンデンサ
１７…電子部品
１８…ボンディングワイヤ
１９…コーティング被膜
２０…接合材
２１ａ−２１ｄ…ＤＣＢ基板
２２…レジスト被膜
２３ａ−２３ｆ…ＤＣＢ基板
２４…ドライフィルムレジスト
２４ａ…露光済みドライフィルムレジスト
２５…空隙
２６…フォトマスク
【図１】
2015114987.tif 000004
【図２】
2015114987.tif 000005
【図３】
2015114987.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成27年12月11日(2015.12.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単体又は複数個の金属銅板からなる回路銅板がセラミック基板の一方の主面に接合され、少なくとも１の前記金属銅板上にパワー半導体素子を含む電子部品が接合されると共に、前記電子部品のうちの前記パワー半導体素子と前記金属銅板がボンディングワイヤで接続されて実装されるパワーモジュール用基板において、
前記金属銅板の少なくとも前記パワー半導体素子が銀粒子の焼結体を介して接合される部位の表面に銀又は金を主成分とするコーティング被膜を有すると共に、前記金属銅板の前記ボンディングワイヤの端部が接続される部位の表面に前記コーティング被膜を有さないことを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項２】
前記コーティング被膜の膜厚が０．１μｍから２０μｍまでの範囲からな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】
前記コーティング被膜は銀めっき被膜又は金めっき被膜からなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記コーティング被膜は無電解銀めっき被膜又は無電解金めっき被膜からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記金属銅板の縁に対する前記コーティング被膜のパターンの位置の誤差は±０．１ｍｍ以下であり、前記金属銅板表面に前記コーティング被膜以外の銀又は金が存在しないことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のパワーモジュール用基板の前記金属銅板表面に設けられる前記コーティング被膜上に、前記パワー半導体素子を含む前記電子部品のうち少なくとも前記パワー半導体素子が銀粒子の焼結体を介して接合され、前記パワー半導体素子と前記金属銅板とを接続する前記ボンディングワイヤの前記金属銅板側の端部は、前記コーティング被膜を介さずに前記金属銅板表面に接続されることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項７】
セラミック基板の一方の主面に接合される単体又は複数個の金属銅板からなる回路銅板を備えるパワーモジュール用基板に対し、前記金属銅板の表面に銀めっき被膜又は金めっき被膜を形成させるコーティング被膜工程と、
このコーティング被膜工程で形成されたコーティング被膜表面にスクリーン印刷マスクを介して液状レジストペーストをスクリーン印刷法で印刷して、前記金属銅板表面の銀めっき被膜形成領域又は金めっき被膜形成領域となる部分にレジスト被膜を形成させるレジスト被膜形成工程と、
このレジスト被膜形成工程で形成されたレジスト被膜形成部以外の露出したコーティング被膜をエッチング処理で除去するエッチング処理工程と、
前記レジスト被膜形成工程で形成されたレジスト被膜形成部のレジスト被膜を剥離させるレジスト被膜剥離工程と、
パワー半導体素子が前記金属銅板の表面に形成されたコーティング被膜の上に銀粒子の焼結体を介して接合される工程と、
前記金属銅板の前記コーティング被膜を有さない部位の表面にボンディングワイヤの端部が接続される工程と、を有することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項８】
セラミック基板の一方の主面に接合される単体又は複数個の金属銅板からなる回路銅板を備えるパワーモジュール用基板に対し、前記金属銅板の表面にドライフィルムレジストを貼付するドライフィルムレジスト貼付工程と、
このドライフィルムレジスト貼付工程で貼付されたドライフィルムレジスト表面にフォトマスクを当接させるフォトマスク工程と、
このフォトマスク工程で当接されたフォトマスクを介して前記ドライフィルムレジストに対して光を照射する露光工程と、
前記フォトマスクを取り外して、前記露光工程で光の照射によって現像液に対する溶解性が低下した露光済みドライフィルムレジストを残して、前記フォトマスクでマスクされていた箇所のドライフィルムレジストを除去する現像工程と、
この現像工程において前記ドライフィルムレジストが除去された箇所に対して、銀めっき被膜又は金めっき被膜から成るコーティング被膜を形成させるコーティング被膜工程と、
前記現像工程で残存した露光済みドライフィルムレジストを剥離させるレジスト被膜剥離工程と、
パワー半導体素子が前記金属銅板の表面に形成されたコーティング被膜の上に銀粒子の焼結体を介して接合される工程と、
前記金属銅板の前記コーティング被膜を有さない部位の表面にボンディングワイヤの端部が接続される工程と、を有することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、単体又は複数個の金属銅板からなる回路銅板がセラミック基板の一方の主面に接合され、それぞれの金属銅板上にパワー半導体素子や、コンデンサ等の電子部品を接合し、パワー半導体素子と金属銅板とをボンディングワイヤで接続して実装するパワーモジュール用基板の実装信頼性向上に関すると共に、そのパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールとそのパワーモジュールの製造方法に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
前記目的に沿う本発明に係る請求項１に記載のパワーモジュール用基板は、単体又は複数個の金属銅板からなる回路銅板がセラミック基板の一方の主面に接合され、少なくとも１の金属銅板上にパワー半導体素子を含む電子部品が接合されると共に、前記電子部品のうちのパワー半導体素子と前記金属銅板がボンディングワイヤで接続されて実装されるパワーモジュール用基板において、前記金属銅板の少なくとも前記パワー半導体素子が銀粒子の焼結体を介して接合される部位の表面に銀又は金を主成分とするコーティング被膜を有すると共に、前記金属銅板の前記ボンディングワイヤの端部が接続される部位の表面に前記コーティング被膜を有さないことを特徴とするものである。
すなわち、下地被膜として予め金属銅板の少なくともパワー半導体素子が接合される領域であって、かつ、ボンディングワイヤの端部が接続されない領域に銀又は金を主成分とするコーティング被膜を施しておくものである。なお、金属銅板表面の酸化物（酸化銅）はアルミニウム板の場合とは異なり、銀粒子の焼結体からなる接合材の使用に対し、一般に重大な接合阻害要因とならない。しかしながら、本発明ではパワー半導体素子と金属銅板の接合信頼性を従来よりも高めるために金属銅板表面に銀又は金を主成分とするコーティング被膜を施した。
なお、本願明細書及び特許請求の範囲においては、「金属銅板の表面に設ける」と「金属銅板の上に設ける」は明確に区別して用いている。前者は金属銅板の面に直接設ける概念であり、後者は金属銅板との間に膜や層を介在させて設ける概念である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また、請求項３に記載のパワーモジュール用基板は、請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板において、前記コーティング被膜は銀めっき被膜又は金めっき被膜からなることを特徴とするものである。
銀めっき被膜又は金めっき被膜によるコーティング被膜では、銀ペーストに比較して、（１）熱抵抗（膜厚を熱伝導率で除した値）が低い、（２）残留熱応力が低い、（３）薄くても均一な被膜を形成することができるという優れた特徴を備えている。特許文献２で用いられたような仕様の銀ペーストは、高温で焼き付けされることから残留熱応力が高くなり、また、焼結体となることからボイドを含み放熱を阻害するためである。特許文献２のように銀ペーストがガラス成分を含む場合は、このガラス成分も放熱を阻害するため更に熱抵抗が大きくなってしまう。めっき被膜の膜厚は請求項２に記載されている膜厚と同等であり、請求項２を引用することに特に矛盾はない。
以上のことから、銀めっき被膜と金めっき被膜は、本願発明におけるコーティング被膜としては最適な被膜ということができる。
しかしながら、発明者らは金属銅板表面に設けられるこれらのめっき被膜からなるコーティング被膜が必ずしもアルミニウム線や銅線からなるボンディングワイヤとの接続強度においては十分ではないことを発明過程の試験により発見し、ボンディングワイヤが接続される部位については、めっき被膜からなるコーティング被膜が存在しないことが接続強度上重要であることを見出した。
一方、銀ペーストは特許文献２にも開示されるとおり、スクリーン印刷法、オフセット印刷法などの印刷法を用いて塗布されるため、その領域を限定することが容易であるものの、めっき法はめっき液の中に被めっき物を浸漬する処理であるためにその領域を限定することは容易ではない。従って特に目的がない場合、めっき被膜は金属表面の全体に設けられる。
そこで発明者らは、請求項７及び請求項８に記載するパワーモジュールの製造方法を発明することで、コーティング被膜を、下地被膜として予め金属銅板の少なくともパワー半導体素子が接合される領域であって、かつ、ボンディングワイヤの端部が接続されない領域に施すことに成功したのである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
請求項７に記載のパワーモジュールの製造方法は、セラミック基板の一方の主面に接合される単体又は複数個の金属銅板からなる回路銅板を備えるパワーモジュール用基板に対し、前記金属銅板の表面に銀めっき被膜又は金めっき被膜を形成させるコーティング被膜工程と、このコーティング被膜工程で形成されたコーティング被膜表面にスクリーン印刷マスクを介して液状レジストペーストをスクリーン印刷法で印刷して、前記金属銅板表面の銀めっき被膜形成領域又は金めっき被膜形成領域となる部分にレジスト被膜を形成させるレジスト被膜形成工程と、このレジスト被膜形成工程で形成されたレジスト被膜形成部以外の露出したコーティング被膜をエッチング処理で除去するエッチング処理工程と、前記レジスト被膜形成工程で形成されたレジスト被膜形成部のレジスト被膜を剥離させるレジスト被膜剥離工程と、パワー半導体素子が前記金属銅板の表面に形成されたコーティング被膜の上に銀粒子の焼結体を介して接合される工程と、前記金属銅板の前記コーティング被膜を有さない部位の表面にボンディングワイヤの端部が接続される工程と、を有することを特徴とするものである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
請求項８に記載のパワーモジュールの製造方法は、セラミック基板の一方の主面に接合される単体又は複数個の金属銅板からなる回路銅板を備えるパワーモジュール用基板に対し、前記金属銅板の表面にドライフィルムレジストを貼付するドライフィルムレジスト貼付工程と、このドライフィルムレジスト貼付工程で貼付されたドライフィルムレジスト表面にフォトマスクを当接させるフォトマスク工程と、このフォトマスク工程で当接されたフォトマスクを介して前記ドライフィルムレジストに対して光を照射する露光工程と、前記フォトマスクを取り外して、前記露光工程で光の照射によって現像液に対する溶解性が低下した露光済みドライフィルムレジストを残して、前記フォトマスクでマスクされていた箇所のドライフィルムレジストを除去する現像工程と、この現像工程において前記ドライフィルムレジストが除去された箇所に対して、銀めっき被膜又は金めっき被膜から成るコーティング被膜を形成させるコーティング被膜工程と、前記現像工程で残存した露光済みドライフィルムレジストを剥離させるレジスト被膜剥離工程と、パワー半導体素子が前記金属銅板の表面に形成されたコーティング被膜の上に銀粒子の焼結体を介して接合される工程と、前記金属銅板の前記コーティング被膜を有さない部位の表面にボンディングワイヤの端部が接続される工程と、を有することを特徴とするものである。
【手続補正書】
【提出日】平成28年5月9日(2016.5.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単体又は複数個の金属銅板からなる回路銅板がセラミック基板の一方の主面に接合され、少なくとも１の前記金属銅板上にパワー半導体素子を含む電子部品が接合されると共に、前記電子部品のうちの前記パワー半導体素子と前記金属銅板がボンディングワイヤで接続されて実装されるパワーモジュール用基板において、
前記金属銅板の少なくとも前記パワー半導体素子が銀粒子の焼結体を介して接合される部位の表面に銀又は金を主成分とするコーティング被膜を有し、
前記コーティング被膜は、銀めっき被膜又は金めっき被膜であり、
前記金属銅板の少なくとも主面における前記コーティング被膜を有しない領域では、オージェ電子分光法により前記コーティング被膜の主成分が検出されないことを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項２】
前記コーティング被膜は前記銀めっき被膜であり、
前記金属銅板の側面は、前記コーティング被膜を備え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】
前記コーティング被膜の膜厚が０．１μｍから２０μｍまでの範囲からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記コーティング被膜は無電解銀めっき被膜又は無電解金めっき被膜からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記金属銅板の縁に対する前記コーティング被膜のパターンの位置の誤差は±０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のパワーモジュール用基板の前記金属銅板表面に設けられる前記コーティング被膜上に、前記パワー半導体素子を含む前記電子部品のうち少なくとも前記パワー半導体素子が銀粒子の焼結体を介して接合され、前記パワー半導体素子と前記金属銅板とを接続する前記ボンディングワイヤの前記金属銅板側の端部は、前記コーティング被膜を介さずに前記金属銅板表面に接続されることを特徴とするパワーモジュール。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
前記目的に沿う本発明に係る請求項１に記載のパワーモジュール用基板は、単体又は複数個の金属銅板からなる回路銅板がセラミック基板の一方の主面に接合され、少なくとも１の金属銅板上にパワー半導体素子を含む電子部品が接合されると共に、電子部品のうちのパワー半導体素子と金属銅板がボンディングワイヤで接続されて実装されるパワーモジュール用基板において、金属銅板の少なくともパワー半導体素子が銀粒子の焼結体を介して接合される部位の表面に銀又は金を主成分とするコーティング被膜を有し、コーティング被膜は、銀めっき被膜又は金めっき被膜であり、金属銅板の少なくとも主面におけるコーティング被膜を有しない領域では、オージェ電子分光法によりコーティング被膜の主成分が検出されないことを特徴とするものである。
すなわち、下地被膜として予め金属銅板の少なくともパワー半導体素子が接合される領域であって、かつ、ボンディングワイヤの端部が接続されない領域に銀又は金を主成分とするコーティング被膜を施しておくものである。なお、金属銅板表面の酸化物（酸化銅）はアルミニウム板の場合とは異なり、銀粒子の焼結体からなる接合材の使用に対し、一般に重大な接合阻害要因とならない。しかしながら、本発明ではパワー半導体素子と金属銅板の接合信頼性を従来よりも高めるために金属銅板表面に銀又は金を主成分とするコーティング被膜を施した。
なお、本願明細書及び特許請求の範囲においては、「金属銅板の表面に設ける」と「金属銅板の上に設ける」は明確に区別して用いている。前者は金属銅板の面に直接設ける概念であり、後者は金属銅板との間に膜や層を介在させて設ける概念である。
また、銀めっき被膜又は金めっき被膜によるコーティング被膜では、銀ペーストに比較して、（１）熱抵抗（膜厚を熱伝導率で除した値）が低い、（２）残留熱応力が低い、（３）薄くても均一な被膜を形成することができるという優れた特徴を備えている。特許文献２で用いられたような仕様の銀ペーストは、高温で焼き付けされることから残留熱応力が高くなり、また、焼結体となることからボイドを含み放熱を阻害するためである。特許文献２のように銀ペーストがガラス成分を含む場合は、このガラス成分も放熱を阻害するため更に熱抵抗が大きくなってしまう。めっき被膜の膜厚は請求項３に記載されている膜厚と同等であり、請求項３を引用することに特に矛盾はない。
以上のことから、銀めっき被膜と金めっき被膜は、本願発明におけるコーティング被膜としては最適な被膜ということができる。
しかしながら、発明者らは金属銅板表面に設けられるこれらのめっき被膜からなるコーティング被膜が必ずしもアルミニウム線や銅線からなるボンディングワイヤとの接続強度においては十分ではないことを発明過程の試験により発見し、ボンディングワイヤが接続される部位については、めっき被膜からなるコーティング被膜が存在しないことが接続強度上重要であることを見出した。
一方、銀ペーストは特許文献２にも開示されるとおり、スクリーン印刷法、オフセット印刷法などの印刷法を用いて塗布されるため、その領域を限定することが容易であるものの、めっき法はめっき液の中に被めっき物を浸漬する処理であるためにその領域を限定することは容易ではない。従って特に目的がない場合、めっき被膜は金属表面の全体に設けられる。
そこで発明者らは、本発明の実施の形態に記載するパワーモジュールの製造方法を発明することで、コーティング被膜を、下地被膜として予め金属銅板の少なくともパワー半導体素子が接合される領域であって、かつ、ボンディングワイヤの端部が接続されない領域に施すことに成功したのである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
ここで、請求項２に記載のパワーモジュール用基板は、請求項１記載のパワーモジュール用基板において、コーティング被膜は銀めっき被膜であり、金属銅板の側面は、コーティング被膜を備えることを特徴とするものである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また、請求項３に記載のパワーモジュール用基板は、請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板において、コーティング被膜の膜厚が０．１μｍから２０μｍまでの範囲からなることを特徴とするものである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
請求項５に記載のパワーモジュール用基板は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のパワーモジュール用基板において、金属銅板の縁に対するコーティング被膜のパターンの位置の誤差は±０．１ｍｍ以下であることを特徴とするものである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2015114987.tif 000007
2015114987.tif 000008
2015114987.tif 000009
2015114987.tif 000010