(57)【要約】【課題】パワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュール用基板及びパワーモジュールにおいて、半田の濡れ性向上及びボイドの低減を図ること。【解決手段】金属基板２、３上にＮｉＰ無電解メッキを施してＮｉＰメッキ層６を形成する第１のメッキ工程と、前記ＮｉＰメッキ層上にＣｕ原子を付着させてＣｕ原子層７を形成するＣｕ付着工程とを有する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板上にＮｉＰ無電解メッキを施してＮｉＰメッキ層を形成する第１のメッキ工程と、
前記ＮｉＰメッキ層上にＣｕ原子を付着させてＣｕ原子層を形成するＣｕ付着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の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、
前記Ｃｕ付着工程は、Ｃｕを含有するＮｉ電解メッキ液中において前記金属基板に電流を流さずに犠牲電極にのみ電流を流して前記ＮｉＰメッキ層上にＣｕ原子を付着させ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３】
請求項１又は２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、
前記Ｃｕ付着工程は、前記Ｃｕ原子をナノメートルオーダーの厚さで付着させ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４】
請求項１から３のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の製造方法で作製されたことを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項５】
金属基板上にＮｉＰメッキ層が形成され、
該ＮｉＰメッキ層上にＣｕ原子が付着したＣｕ原子層が形成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６】
セラミックス基板と該セラミックス基板上に回路基板とを備え、該回路基板上に半導体チップが搭載されたパワーモジュールであって、
前記回路基板は、請求項４又は５に記載のパワーモジュール用基板であり、
前記半導体チップは、前記回路基板上に半田付けにより接着されてい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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車や電気車両等、大電流・大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並びにパワーモジュール用基板及びパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、通常、セラミックス基板上にＡｌ等の回路基板が直接又はろう材を介して接着されたパワーモジュール用基板が用いられる。
【０００３】
上記パワーモジュール用基板の回路基板は、パワー素子のＳｉチップを搭載するために、従来、金属基板上にＮｉ−Ｐ無電解メッキによりＮｉＰメッキ層を形成、又はその上にさらに、電解メッキによりＮｉメッキ層をメッキ形成している。そして、これらメッキ層上に半田付けを行うことにより、半田層を介してＳｉチップをパワーモジュール用基板上に搭載していた。この技術は、例えば、下記特許文献１に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２２６２７４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のパワーモジュール用基板技術には、以下の課題が残されている。すなわち、ＮｉＰメッキ層のみ設けた従来技術では、表面に酸化膜が形成されて半田濡れ性が悪く、ボイド等が発生する場合があり、また、ＮｉＰメッキ層とＮｉメッキ層との２層メッキ構造では、半田濡れ性は向上するが製造コストが高くなるという不都合があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、半田濡れ性の向上及び低コスト化を図ることができるパワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、金属基板上にＮｉＰ無電解メッキを施してＮｉＰメッキ層を形成する第１のメッキ工程と、前記ＮｉＰメッキ層上にＣｕ原子を付着させてＣｕ原子層を形成するＣｕ付着工程とを有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、金属基板上にＮｉＰメッキ層が形成され、該ＮｉＰメッキ層上にＣｕ原子が付着したＣｕ原子層が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
このパワーモジュール用基板の製造方法では、ＮｉＰメッキ層上にＣｕ原子を付着させてＣｕ原子層を形成するＣｕ付着工程を有するので、又はこのパワーモジュール用基板では、ＮｉＰメッキ層上にＣｕ原子が付着したＣｕ原子層が形成されているので、Ｃｕ原子層によってＮｉＰメッキ層表面の酸化膜形成を抑制でき、半田濡れ性が大幅に向上すると共に、従来の２層メッキ構造に比べて製造コストを低減することができる。
【００１０】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前記Ｃｕ付着工程において、Ｃｕを含有するＮｉ電解メッキ液中において前記金属基板に電流を流さずに犠牲電極にのみ電流を流して前記ＮｉＰメッキ層上にＣｕ原子を付着させることを特徴とする。すなわち、このパワーモジュール用基板の製造方法では、Ｃｕを含有するＮｉ電解メッキ液中において金属基板に電流を流さずに犠牲電極にのみ電流を流してＮｉＰメッキ層上にＣｕ原子を付着させるので、ＮｉＰメッキ層上に数十原子層の極薄Ｃｕ原子層を形成することができる。
【００１１】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前記Ｃｕ付着工程において、前記Ｃｕ原子をナノメートルオーダーの厚さで付着させることを特徴とする。すなわち、このパワーモジュール用基板の製造方法では、Ｃｕ原子をナノメートルオーダーの厚さで付着させることにより、ナノメートルオーダーを超えた厚いＣｕ層の場合に生じやすい半田との化合層が形成されることを防ぐことができる。
【００１２】
本発明のパワーモジュール用基板は、上記本発明のパワーモジュール用基板の製造方法で作製されたことを特徴とする。すなわち、このパワーモジュール用基板では、上記本発明のパワーモジュール用基板の製造方法で作製されているので、接着特性の優れた半田付けが可能であり、半導体チップの接着に関し高い信頼性を得ることができる。
【００１３】
本発明のパワーモジュールは、セラミックス基板と該セラミックス基板上に回路基板とを備え、該回路基板上に半導体チップが搭載されたパワーモジュールであって、前記回路基板は、上記本発明のパワーモジュール用基板であり、前記半導体チップは、前記回路基板上に半田付けにより接着されていることを特徴とする。すなわち、このパワーモジュールでは、回路基板が、上記本発明のパワーモジュール用基板であり、半導体チップが、回路基板上に半田付けにより接着されているので、接着特性の優れた半田付けにより高い信頼性を有することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュール用基板及びパワーモジュールの一実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００１５】
本実施形態のパワーモジュール用基板及びこれを用いたパワーモジュールは、図１に示すように、電力供給用のパワー素子を有するＳｉチップ（半導体チップ）５を搭載するものである。
このパワーモジュール用基板及びパワーモジュールの構造を、その製造プロセスと合わせて説明すると、まず、Ａｌ２Ｏ３等を含むセラミックス基板１の上面にＡｌ（アルミニウム）等の回路基板２を直接又はろう材を介して接着すると共に、セラミックス基板１の下面にＡｌ等の金属基板３を直接又はろう材を介して接着する。なお、上記回路基板２の表面には、所望の回路パターンが形成されている。
【００１６】
次に、上記回路基板２及び金属基板３の表面上に、従来と同様に、図２の（ａ）に示すように、ＮｉＰ無電解メッキを施してＮｉＰメッキ層６を形成する（第１のメッキ工程）。次に、不純物としてＣｕを含有するＮｉ電解メッキ液中において、ＮｉＰメッキ層６を形成した回路基板２及び金属基板３に電流を流さずに（金属基板３に電極を付けないで）犠牲電極にのみ電流を流してＮｉＰメッキ層６上にＣｕ原子を付着させ、図２の（ｂ）に示すように、Ｃｕ原子層７を形成する（Ｃｕ付着工程）。
【００１７】
このＣｕ原子層７は、数十原子層（例えば、６ｎｍ）のナノメートルオーダーの厚さに形成される。なお、このＣｕ原子層７は、一様な膜状の他に、表面上に複数の島状に形成される場合でも構わない。
このように上記工程により、本実施形態のパワーモジュール用基板が作製される。
【００１８】
次に、上記パワーモジュール用基板の回路基板２上面、すなわちＣｕ原子層７上に、Ｓｉチップ５を半田８により接着すると共に、パワーモジュール用基板を、金属基板３を介して放熱板４上に半田８により接着する。
この半田付けの際、回路基板２上及び金属基板３上のＮｉＰメッキ層６は、Ｃｕ原子層７により半田層８の濡れ性が向上し、良好なフィレット形成ができると共に、低いボイド率を得ることができる。
このようにして、本実施形態のパワーモジュールが作製される。
【００１９】
本実施形態では、ＮｉＰメッキ層６上にＣｕ原子を付着させてＣｕ原子層７を形成するので、Ｃｕ原子層７によってＮｉＰメッキ層６表面の酸化膜形成を抑制でき、半田濡れ性が大幅に向上すると共に、従来の２層メッキ構造に比べて製造コストを低減することができる。
【００２０】
また、Ｃｕを含有するＮｉ電解メッキ液中において回路基板２及び金属基板３に電流を流さずに犠牲電極にのみ電流を流してＮｉＰメッキ層６上にＣｕ原子を付着させるので、ＮｉＰメッキ層６上に数十原子層の極薄Ｃｕ原子層７を形成することができる。また、Ｃｕ原子をナノメートルオーダーの厚さで付着させることにより、ナノメートルオーダーを超えた厚いＣｕ層の場合に生じやすい半田との化合層が形成されることを防ぐことができる。
【００２１】
このように、回路基板２上にＳｉチップ５を接着特性の優れた半田付けにより搭載することができ、パワーモジュールとして高い信頼性を有することができる。
【００２２】
なお、本発明の技術範囲は上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。
【００２３】
例えば、上記実施形態では、回路基板２及び金属基板３の両表面において上記メッキ及び半田付けを行ったが、いずれか一方にのみ行っても構わない。なお、回路基板２及び金属基板３の両表面に適用すれば、両方で半田接合部の高い信頼性が得られ、より好ましいことは言うまでもない。
また、Ｃｕ原子層を形成する方法としては、上記メッキ方法以外の手段を用いても構わない。例えば、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法を用いてＣｕ原子層を形成してもよい。なお、上述したように、上記メッキ方法によれば低コスト化を実現可能である。
【００２４】
【実施例】
次に、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法を、実施例により具体的に説明する。
【００２５】
上記実施形態により実際に作製したパワーモジュール用基板において、その半田濡れ性を測定した。この半田濡れ性試験は、還元雰囲気炉中（Ｎ２：９３％、Ｈ２：７％の混合ガス）、ピーク温度３６５℃にて１０％Ｓｎの半田ボール２ｍｍφを回路基板２上に半田付けしてその濡れ率を測定した。比較として、Ｎｉ−Ｐメッキ層のみの場合と、さらに電解Ｎｉメッキ層を形成した２層メッキ構造の場合についても同様に測定した。この試験結果を下記の表１に示す。
【００２６】
【表１】
2004207445.tif 000003
【００２７】
この表１から、本発明品の場合、Ｎｉ−Ｐメッキ層のみの場合及び電解Ｎｉメッキ層を形成した場合よりも、半田濡れ性が向上していることがわかる。また、Ｎｉ−Ｐメッキ層のみの場合には、濡れ率３０％程度のものも発生しており、濡れ率に大きなバラツキがあるのに対し、本発明品の場合、濡れ率が全て７５％以上で安定した濡れ性を有している。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュール用基板及びパワーモジュールによれば、ＮｉＰメッキ層上にＣｕ原子を付着させてＣｕ原子層を形成するので、Ｃｕ原子層によってＮｉＰメッキ層表面の酸化膜形成を抑制でき、半田濡れ性が大幅に向上すると共に、従来の２層メッキ構造に比べて製造コストを低減することができる。したがって、ボイドを低減することができ、低コストで接合部分の高い信頼性を有するパワーモジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施形態において、パワーモジュールを示す断面図である。
【図２】本発明に係る一実施形態において、パワーモジュールの製造工程（回路基板及び金属基板のメッキ工程）を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１  セラミックス基板
２  回路基板（金属基板）
３  金属基板
４  放熱板
５  Ｓｉチップ（半導体チップ）
６  ＮｉＰメッキ層
７  Ｃｕ原子層
８  半田
【図１】
2004207445.tif 000004
【図２】
2004207445.tif 000005