(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、半田層の濡れ性向上及びボイド率の低減を図ること。【解決手段】金属基板上にＮｉＰ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、ＮｉＰメッキ層の表面を表面酸化膜よりも深く除去して平滑化する表面処理工程と、電解研磨された前記ＮｉＰメッキ層上にＮｉメッキを施してＮｉメッキ層７を形成する第２のメッキ工程とを有する。【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、
該ＮｉＰメッキ層の表面を表面酸化膜よりも深く除去して平滑化する表面処理工程と、
平滑化された前記ＮｉＰメッキ層上にＮｉメッキを施してＮｉメッキ層を形成する第２のメッキ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、
前記表面処理工程は、電解研磨作用と電解エッチング作用との両作用を有する電解液で処理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、
前記表面処理工程は、前記ＮｉＰメッキ層の表面粗さをＲａ０．４以下にし、かつ拡散反射率を６０％以下にまで処理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】
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、図３に示すように、セラミックス基板１上にＡｌ等の回路基板２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。なお、この例では、セラミックス基板１の下面にＡｌ等の金属基板３が接着され、この金属基板３を介して放熱板４上にパワーモジュール用基板全体が接着されている。このような技術は、例えば、下記の特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
実開平０３−５７９４５号公報
【０００４】
上記パワーモジュール用基板の回路基板２及び金属基板３は、パワー素子のＳｉチップ５を搭載するため及び放熱板４上に接着するために、従来、図４の（ａ）に示すように、金属基板３上にＮｉＰメッキ層６の下地メッキを行い、その表層に形成された表面酸化膜６ａをシアン化ナトリウム等で除去する前処理を行い、さらに、図４の（ｂ）に示すように、その上にＮｉメッキ層７をメッキしている。そして、該Ｎｉメッキ層７上に半田付けを行うことにより、半田層８を介してＳｉチップ５をパワーモジュール用基板上に搭載し、またパワーモジュール用基板を放熱板４に接着していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の回路基板の製造技術には、以下の課題が残されている。従来技術では、ＮｉＰメッキ層の表面酸化膜だけを除去するため、粗い下地（ＮｉＰメッキ層）の凹凸をそのまま反映した状態でメッキされたＮｉメッキ層となってしまう。すなわち、Ｎｉメッキ層の表面粗れが大きくなり、その後、半田付けにより形成される半田層の濡れ性の低下やボイド率の増大を招いてしまう不都合があった。このため、半田層の濡れ性が悪くフィレット形成ができない（例えば、図３中の２点鎖線部分）とともに、ボイドの発生率が高くなって応力集中が生じ、いずれも信頼性を低下させてしまう。また、ボイド率を低減させるために、真空中で又は超音波を加えて半田付けを行う必要があり、製造工程の高コスト化を招いていた。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、半田層の濡れ性向上及びボイド率の低減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、該ＮｉＰメッキ層の表面を表面酸化膜よりも深く除去して平滑化する表面処理工程と、平滑化された前記ＮｉＰメッキ層上にＮｉメッキを施してＮｉメッキ層を形成する第２のメッキ工程とを有することを特徴とする。
【０００８】
このパワーモジュール用基板の製造方法では、ＮｉＰメッキ層の表面を表面酸化膜よりも深く除去して平滑化する表面処理工程を有するので、平滑化されたＮｉＰメッキ層により、半田濡れ性の低下やボイド率の増大を防ぐことができる。なお、上記表面処理手段としては、研削、パフ研磨、サンドブラスト、ケミカルエッチング（希硝酸、フッ硝酸等）、電解エッチング、電解研磨等が採用される。
【０００９】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前記表面処理工程において、電解研磨作用と電解エッチング作用との両作用を有する電解液で処理する技術が採用される。
【００１０】
このパワーモジュール用基板の製造方法では、ＮｉＰメッキの表面を電解研磨作用と電解エッチング作用との両作用を有する電解液で処理するので、電解研磨作用でＮｉＰメッキの表面酸化膜を除去すると共に表面の凹凸を緩和することができ、さらに電解エッチング作用により表面に微細な孔が多数形成され、積層される層の密着性を向上（アンカー効果）させることができる。したがって、平滑性及び密着性の優れたＮｉＰメッキ層表面上にＮｉメッキ層を形成するので、さらにその上に形成される半田層の濡れ性が向上すると共に、ボイド率を低減させることができる。また、真空中で又は超音波を加えて半田付けしなくても、十分にボイド率の低い半田層を形成することができる。
なお、上記の「電解研磨作用と電解エッチング作用との両作用を有する」とは、いずれか一方の作用が支配的でないことを意味する。すなわち、電解研磨作用が支配的で電解エッチング作用がほとんど生じない電解液を用いると、微細孔による密着性向上が困難である。また、逆に電解エッチング作用が支配的で電解研磨作用がほとんど生じない電解液を用いると、表面酸化膜及び表面凹凸の除去が困難である。また、上記「表面の凹凸」は、上記「微細な孔」に対して１桁以上大きなサイズ及び周期で形成される凹凸である。
【００１１】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、表面処理工程において、前記ＮｉＰメッキ層の表面粗さをＲａ０．４以下にし、かつ拡散反射率を６０％以下にまで処理することが好ましい。すなわち、このパワーモジュール用基板の製造方法では、表面処理工程において、ＮｉＰメッキ層の表面粗さをＲａ０．４以下にし、かつ拡散反射率を６０％以下にまで処理することにより、高融点半田（Ｓｎ１０％）を半田付けした際に、半田層の濡れ率が７５％以上となると共に、ボイド率が５％以下にすることができる。なお、上記拡散反射率とは、測定対象物の表面に入射させた所定の入射光の光量に対する拡散反射光の光量を百分率で示したものである。
【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４の（ａ）に示すように、ＮｉＰメッキ層６の下地メッキを化学メッキにより行う。
次に、ＮｉＰメッキ層６の表面を、図２の（ａ）に示すように、表面酸化膜６ａよりも深く除去するため、電解研磨作用と電解エッチング作用との両作用を有する電解液で処理する。なお、電解液としては、所定の硫酸濃度とした硫酸溶液を用いる。なお、表面処理の傾向として、電解研磨作用が大きい場合、表面が削れた後の面に光沢が生じ易くなり、電解エッチング作用が大きい場合、表面が削れた後の面は微細に荒れていて白く曇り易くなる。
【００１７】
また、この際、ＮｉＰメッキ層６の表面粗さがＲａ０．４以下、かつ拡散反射率が６０％以下になるまで処理を行う。なお、本実施形態では、表面粗さの値として「ミツトヨ製ｓｕｒｆｔｅｓｔ５０１」でＲａ測定モードにて測定したものを用いると共に、拡散反射率の値として「スガ試験機製カラーコンピュータ」を用いて測定したものを用いている。
【００１８】
この表面処理の工程では、電解研磨作用でＮｉＰメッキ層６の表面酸化膜６ａが除去されると共に表面の凹凸が緩和され、平滑性のある表面となる。さらに電解エッチング作用により表面に微細な孔が多数形成され、アンカー効果の高い表面状態となる。
次に、上記表面処理されたＮｉＰメッキ層６上に、Ｎｉメッキ層７を電解メッキする。この際、平滑性及び密着性の優れたＮｉＰメッキ層６表面上にＮｉメッキ層７を形成するので、ＮｉＰメッキ層６の表面状態が反映されて平滑性及び密着性の優れたＮｉメッキ層７が得られる。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。
【００１９】
なお、上記表面処理されたＮｉＰメッキ層６の平滑レベルは、
Ｒａ（算術平均粗さ）が０．０１から０．４である。
Ｒｚ（十点平均粗さ）が０．０１から３．０である。
Δａ（算術返金傾斜）が１から６である。
Ｓｍ（凹凸の平均間隔）が２０から６０である。
すなわち、Ｒａ、Ｒｚが小さいため、凹凸は小さく半田濡れ性に悪影響を与えることがない。また、Δａ、Ｓｍが小さいので、凹凸の山谷が細かいため、ＮｉＰメッキ層７上に施す電解Ｎｉメッキ層との密着性向上（もしくは確保）を図ることができる。
【００２０】
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Ｎｉメッキ層７上に、Ｓｉチップ５を半田付け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上に半田付けにより接着する。なお、上記半田付けは、高融点半田（Ｓｎ１０％）を用い、真空中ではなく、かつ超音波等を加えずに行う。この半田付けの際、回路基板２上及び金属基板３上のＮｉメッキ層７は、平滑性及び密着性の高い表面状態であるので、半田付けにより形成される半田層８の濡れ性が向上し、良好なフィレット形成（例えば、図１中の２点鎖線部分）ができると共に、ボイド率を低減できる。
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。
【００２１】
本実施形態では、ＮｉＰメッキ層６の表面を電解研磨作用と電解エッチング作用との両作用を有する電解液で処理するので、凹凸が緩和されると共に微細孔を有したＮｉＰメッキ層６表面上に平滑性及び密着性の優れたＮｉメッキ層７を形成することができ、さらにその上に形成される半田層８の濡れ性が向上すると共に、ボイド率を低減させることができる。
【００２２】
さらに、ＮｉＰメッキ層６の表面粗さをＲａ０．４以下にし、かつ拡散反射率を６０％以下にまで処理することにより、高融点半田（Ｓｎ１０％）を半田付けした際に、半田層の濡れ率が７５％以上となると共に、ボイド率が５％以下にすることができる。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
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表面処理工程を行った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、上記回路基板及び金属基板の表面は、荒れている方が上記下地メッキが密着良くつきやすい。すなわち、無電解メッキ（下地メッキ（Ｎｉメッキ））の前処理であるジンケートは、被メッキ表面のうち活性点の高いところから結晶が置換析出してその結晶核を起点に成長が始まるからである。
また、上記表面処理工程の他の例としては、研削、パフ研磨、サンドブラスト、ケミカルエッチング（希硝酸、フッ硝酸等）、電解エッチング、電解研磨等を採用しても構わない。
【００２５】
【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メッキ層の表面を表面酸化膜よりも深く除去して平滑化するので、平滑化されたＮｉＰメッキ層により、半田濡れ性の低下やボイド率の増大を防ぐことができる。したがって、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（表面処理工程及びＮｉメッキ工程）を説明するための断面図である。
【図３】本発明に係る従来例において、パワーモジュールを示す断面図である。
【図４】本発明に係る従来例において、パワーモジュールの製造工程（ＮｉＰメッキ工程及びＮｉ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
６ａ  表面酸化膜
７  Ｎｉメッキ層
８  半田層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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