(57)【要約】【課題】セラミックス板を高精度に形成することが可能になるとともに、熱サイクル使用時の反りによってセラミックス板に割れが生ずるのを抑制する。【解決手段】セラミックス母材の表面２１にレーザ光を照射して溝状のスクライブライン２２を形成するレーザ加工工程と、セラミックス母材２０をスクライブライン２２に沿って分割しセラミックス板１１を形成する分割工程と、セラミックス母材２０またはセラミックス板１１に回路層をろう付けするろう付け工程と、を有し、セラミックス板１１に回路層がろう付けされてなり、この回路層に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュール用基板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、レーザ加工工程は、ＹＡＧレーザを用いて、波長が２５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下のレーザ光をセラミックス母材の表面２１に照射してスクライブライン２２を形成する。【選択図】図２
2008041945.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス母材の表面にレーザ光を照射して溝状のスクライブラインを形成するレーザ加工工程と、
セラミックス母材を前記スクライブラインに沿って分割しセラミックス板を形成する分割工程と、
セラミックス母材またはセラミックス板に回路層をろう付けするろう付け工程と、を有し、
セラミックス板に回路層がろう付けされてなり、この回路層に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュール用基板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、
前記レーザ加工工程は、ＹＡＧレーザを用いて、波長が２５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下のレーザ光を前記セラミックス母材の表面に照射して前記スクライブラインを形成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。
【請求項２】
セラミックス板に回路層がろう付けされてなり、この回路層に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュール用基板であって、
請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法により形成され、前記セラミックス板の側面において前記レーザ加工工程でレーザ光が照射されたレーザ加工部の表層部は、厚さが１０μｍ以下のガラス質と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３】
セラミックス板に回路層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層にはんだ接合された半導体チップとを備えるパワーモジュールであって、
前記パワーモジュール用基板は、請求項２記載のパワーモジュール用基板であることを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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およびパワーモジュール用基板並びにパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のパワーモジュール用基板の製造方法として、例えば下記特許文献１および２に示されるように、セラミックス母材の表面にレーザ光を照射して溝状のスクライブラインを形成するレーザ加工工程と、セラミックス母材を前記スクライブラインに沿って分割しセラミックス板を形成する分割工程と、セラミックス母材またはセラミックス板に回路層をろう付けするろう付け工程と、を有する方法が知られている。
【特許文献１】特開２００４−１８１５１５号公報
【特許文献２】特開２００５−２４６５１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記従来のパワーモジュール用基板の製造方法では、前記レーザ加工工程で、ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）やＣＯ２レーザを用いてセラミックス母材の表面にレーザ光を照射してスクライブラインを形成していたので、セラミックス板を高精度に形成することが困難であるとともに、熱サイクル使用時にパワーモジュール全体に生ずる反りによってセラミック板に割れが生じ易くなるおそれがあった。
すなわち、これらのレーザを用いてスクライブラインを形成すると、スクライブラインを画成する側壁、すなわち前記分割工程で得られるセラミックス板の側面においてレーザ光が照射されたレーザ加工部の表層部が熱によりガラス化（アモルファス化）し、さらにその後の冷却によりこの表層部の略全域に無数の微小なクラックが発生することによって、熱サイクル使用時にパワーモジュール全体が反ったときに、これらのクラックが起点となってセラミックス板が割れ易くなるおそれがあった。特に、ＣＯ２レーザでは、スクライブラインの断面視形状が略Ｕ字状となるので、セラミックス板の寸法精度が低下するおそれもあった。
【０００４】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、セラミックス板を高精度に形成することが可能になるとともに、熱サイクル使用時の反りによってセラミックス板に割れが生ずるのを抑制することができるパワーモジュール用基板の製造方法およびパワーモジュール用基板並びに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】
【０００５】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス母材の表面にレーザ光を照射して溝状のスクライブラインを形成するレーザ加工工程と、セラミックス母材を前記スクライブラインに沿って分割しセラミックス板を形成する分割工程と、セラミックス母材またはセラミックス板に回路層をろう付けするろう付け工程と、を有し、セラミックス板に回路層がろう付けされてなり、この回路層に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュール用基板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、前記レーザ加工工程は、ＹＡＧレーザを用いて、波長が２５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下のレーザ光を前記セラミックス母材の表面に照射して前記スクライブラインを形成することを特徴とする。
この発明によれば、前記レーザ加工工程で、ＹＡＧレーザを用いて、波長が前記範囲に設定されたレーザ光をセラミックス母材の表面に照射してスクライブラインを形成するので、スクライブラインを画成する側壁、すなわち前記分割工程で得られるセラミックス板の側面においてレーザ光が照射されたレーザ加工部に、前記レーザ加工工程で付与する熱を、前記従来のＣＯ２レーザからのレーザ光や、ＹＡＧレーザからの波長１０６４ｎｍのレーザ光と比べて低減することが可能になり、このレーザ加工部の表層部の厚さ、つまりガラス質の厚さを薄く抑えることができる。したがって、前記レーザ加工部の表層部に発生する微小なクラックを低減させることが可能になり、熱サイクル使用時のパワーモジュール全体の反りによってセラミックス板に割れが生ずるのを抑制することができる。また、前記レーザ加工工程で、ＹＡＧレーザを用いて波長が従来よりも短い前記範囲に設定されたレーザ光をセラミックス母材の表面に照射するので、スクライブラインを、その一対の側壁がなす角度をより一層鋭角にして形成することが可能になり、このセラミックス板を高精度に形成することができる。
【０００６】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス板に回路層がろう付けされてなり、この回路層に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュール用基板であって、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法により形成され、前記セラミックス板の側面において前記レーザ加工工程でレーザ光が照射されたレーザ加工部の表層部は、厚さが１０μｍ以下のガラス質とされていることを特徴とする。
この場合、熱サイクル使用時にパワーモジュールに生ずる反りによってセラミックス板に割れが生ずるのを抑制することができる。
【０００７】
さらに、本発明のパワーモジュールは、セラミックス板に回路層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層にはんだ接合された半導体チップとを備えるパワーモジュールであって、前記パワーモジュール用基板は、本発明のパワーモジュール用基板であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、セラミックス板を高精度に形成することが可能になるとともに、熱サイクル使用時の反りによってセラミックス板に割れが生ずるのを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
このパワーモジュール１０は、セラミックス板１１において、その一方の表面１１ａに回路層１２がろう付けされるとともに、他方の表面１１ｂに金属層１３がろう付けされたパワーモジュール用基板１４と、回路層１２の表面にはんだ層１５を介してはんだ接合された半導体チップ１６と、金属層１３の表面にろう付けされたヒートシンク１７とを備えている。
【００１０】
ここで、これらの各部材を形成する材質としては、例えば、セラミックス板１１ではＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４若しくはＳｉＣ等が挙げられ、回路層１２、金属層１３およびヒートシンク１７では純Ａｌ、純Ｃｕ、Ａｌ合金若しくはＣｕ合金等が挙げられる。また、セラミックス板１１と回路層１２および金属層１３とをそれぞれろう付けするろう材では、例えばＡｌ−Ｓｉ系等のＡｌ系のろう材が挙げられる。なお、回路層１２および金属層１３は、純度が９９．９８ｗｔ％以上の純Ａｌ若しくはＡｌ合金、または純度が９９．９９９ｗｔ％の純Ｃｕで形成されるのが望ましい。
【００１１】
また、セラミックス板１１は例えば一辺が３０ｍｍ以上６０ｍｍ以下の平面視正方形とされ、回路層１２の厚さは例えば０．４ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とされ、金属層１３の厚さは例えば０．４ｍｍ以上３．６ｍｍ以下とされている。
【００１２】
次に、以上のように構成されたパワーモジュール用基板１４の製造方法について説明する。この製造方法は、セラミックス母材２０の表面２１にレーザ光を照射してスクライブライン２２を形成するレーザ加工工程と、セラミックス母材２０をスクライブライン２２に沿って分割しセラミックス板１１を形成する分割工程と、セラミックス母材２０またはセラミックス板１１に回路層１２をろう付けするろう付け工程と、を有している。
【００１３】
本実施形態では、まず、セラミックス母材２０の表面２１に金属層１３をろう付けするとともに、セラミックス母材２０の裏面において、この母材２０の表面２１に金属層１３をろう付けする位置と対応する位置に回路層１２をろう付けする（ろう付け工程）。次に、セラミックス母材２０の表面２１において金属層１３がろう付けされた周辺部分に、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）レーザを用いて、波長が２５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下のレーザ光を照射して、この金属層１３の外周縁に沿って延びる溝状のスクライブライン２２を格子状に形成する（レーザ加工工程）。なお、レーザ光の波長が５００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の場合、加工点出力は２０Ｗ以下にするのが好ましい。そして最後に、スクライブライン２２に沿ってセラミックス母材２０を分割することにより、セラミックス板１１とともにパワーモジュール用基板１４を形成する（分割工程）。
【００１４】
そして、以上のように形成されたパワーモジュール用基板１４では、セラミックス板１１の側面１１ｃにおいて前記レーザ加工工程でレーザ光が照射されたレーザ加工部１１ｄの表層部１１ｅは、厚さが１０μｍ以下のガラス質とされている。また、この表層部１１ｅ内の略全域には無数の微小なクラックが生じている。なお、図示の例では、金属層１３がろう付けされたセラミックス板１１の他方の表面１１ｂは、セラミックス母材２０において前記レーザ光が照射された表面２１とされている。
【００１５】
以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール用基板の製造方法によれば、レーザ加工工程で、ＹＡＧレーザを用いて、波長が前記範囲に設定されたレーザ光をセラミックス母材２０の表面２１に照射してスクライブライン２２を形成するので、スクライブライン２２を画成する側壁、すなわち前記分割工程で得られるセラミックス板１１の側面１１ｃにおいてレーザ光が照射されたレーザ加工部１１ｄに、前記レーザ加工工程で付与する熱を、従来のＣＯ２レーザからのレーザ光や、ＹＡＧレーザからの波長１０６４ｎｍのレーザ光と比べて低減することが可能になり、このレーザ加工部１１ｄの表層部１１ｅの厚さ、つまりガラス質の厚さを１０μｍ以下と薄く抑えることができる。したがって、レーザ加工部１１ｄの表層部１１ｅに発生する微小なクラックを低減させることが可能になり、熱サイクル使用時のパワーモジュール１０全体の反りによってセラミックス板１１に割れが生ずるのを抑制することができる。
また、前記レーザ加工工程で、ＹＡＧレーザを用いて波長が従来よりも短い前記範囲に設定されたレーザ光をセラミックス母材２０の表面２１に照射するので、スクライブライン２２を、その一対の側壁がなす角度をより一層鋭角にして形成することが可能になり、このセラミックス板１１を高精度に形成することができる。
【００１６】
さらに、本実施形態では、ろう付け工程の後にレーザ加工工程を経るので、このレーザ加工工程の後にろう付け工程を経る場合と比べて、パワーモジュール用基板１４を形成する過程において、セラミックス母材２０が不用意に割れて分割させられるのを防ぐことができる。例えば、ろう付け工程では、セラミックス板１１の一方の表面１１ａにろう材箔と回路層１２とをこの順に配置するとともに、セラミックス板１１の他方の表面１１ｂにろう材箔と金属層１３とをこの順に配置して積層体とした後に、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し前記ろう材箔を溶融させてろう付けするが、この加圧時に、セラミックス母材２０が不用意に分割させられるのを防ぐことができる。
【００１７】
また、本実施形態では、セラミックス板１１の側面１１ｃにおいて前記レーザ光が照射されたレーザ加工部１１ｄが、金属層１３側に配置されているので、パワーモジュール１０を形成した後これを冷却する際、あるいはこのパワーモジュール１０を熱サイクル下で使用する過程において温度が低下した際、パワーモジュール１０に半導体チップ１６側が凸となるように反りが生ずると、セラミックス板１１は、レーザ加工部１１ｄの表層部１１ｅに発生している微小なクラックを閉じるように反ることになり、このクラックが起点となって亀裂が進展しセラミックス板１１が割れ易くなるのを防ぐことができる。
【００１８】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の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。
例えば、パワーモジュール１０を構成する各部材の材質や寸法は前記実施形態に限られるものではない。
また、パワーモジュール用基板１４を形成する方法として、前記実施形態に代えて、例えば、まず、前記レーザ加工工程で、セラミックス母材２０の表面２１にスクライブライン２２を格子状に形成し、その後、前記ろう付け工程で、セラミックス母材２０の表面２１において、各格子の内側に金属層１３をそれぞれろう付けするとともに、セラミックス母材２０の裏面において前記各格子の内側と対応する部分に回路層１２をそれぞれろう付けし、その後、スクライブライン２２に沿ってセラミックス母材２０を分割することにより、パワーモジュール用基板１４を形成するようにしてもよい。
あるいは、これに代えて、例えば、セラミックス母材２０の表面２１にスクライブライン２２を格子状に形成した後に、このスクライブライン２２に沿ってセラミックス母材２０を分割してセラミックス板１１を形成し、その後、このセラミックス板１１に回路層１２および金属層１３をそれぞれろう付けしてパワーモジュール用基板１４を形成するようにしてもよい。
【００１９】
さらに、前記実施形態では、パワーモジュール用基板１４に金属層１３を設けたが、この金属層１３は設けなくてもよく、また、パワーモジュール１０にヒートシンク１７を設けたが、このヒートシンク１７は設けなくてもよい。
さらにまた、前記実施形態では、金属層１３が接合されたセラミックス板１１の他方の表面１１ｂを、セラミックス母材２０において前記レーザ光が照射された表面２１としたが、回路層１２が接合されたセラミックス板１１の一方の表面１１ａをこのセラミックス母材２０の表面２１としてもよい。
【００２０】
次に、以上説明した作用効果についての検証試験を実施した。
まず、ＹＡＧレーザを用い、波長の異なる４種類のレーザ光をそれぞれ、加工速度を一定にして出力値を異ならせ、セラミックス母材の表面に各別に照射してスクライブラインを格子状に形成した後に、このスクライブラインに沿ってセラミックス母材を分割して１１種類のセラミックス板を形成した。そして、各セラミックス板について、そのレーザ加工部の表層部の厚さ、すなわちガラス質の厚さを測定するとともに、これらの各セラミックス板を用いてパワーモジュールを形成し、これらのパワーモジュールを、−４０℃から１０５℃に約１０分間で昇温した後、１０５℃から−４０℃に１０分間で降温する温度履歴を１サイクルとした熱サイクルを１０００サイクル付与した。その後、各パワーモジュールのセラミックス板に割れが生じたか否かを目視により確認した。
【００２１】
その結果、ＹＡＧレーザを用いて、波長が２５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下のレーザ光をセラミックス母材の表面に照射してスクライブラインを形成すれば、出力値によらず、図３に示されるように、前記ガラス質の厚さを１０μｍ以下とすることが可能であることが確認された。さらに、このようにガラス質の厚さが１０μｍ以下であれば、１０００サイクル後にセラミックス板に割れが生じていない一方、ガラス質の厚さが１０μｍより大きければ、１０００サイクル後にセラミックス板に割れが生じていることが目視により確認された。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
セラミックス板を高精度に形成することが可能になるとともに、熱サイクル使用時の反りによってセラミックス板に割れが生ずるのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】この発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法のレーザ加工工程において、スクライブラインの一部拡大断面図である。
【図３】この発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板の作用効果を検証した試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  パワーモジュール
１１  セラミックス板
１１ｃ  セラミックス板の側面
１１ｄ  レーザ加工部
１１ｅ  レーザ加工部の表層部
１２  回路層
１４  パワーモジュール用基板
１６  半導体チップ
２０  セラミックス母材
２１  セラミックス母材の表面
２２  スクライブライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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