JP2008198635A - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体チップがはんだ接合される回路層をセラミックス板11にろう付けしてなるパワーモジュール用基板の製造方法において、略板状のセラミックス母材20の少なくとも一方の表面21にレーザ光を照射して溝状のスクライブライン31を形成するレーザ加工工程と、前記レーザ加工工程において前記スクライブライン31の内面31aに形成されて前記レーザ光の熱によってガラス質に変性された熱変性層33を除去するエッチング工程と、セラミックス母材20をスクライブライン31に沿って個々のセラミックス板11に分割する分割工程とを実施する。
【選択図】図2
Description
このような微小なクラックがセラミックス板に存在する場合には、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、微小なクラックを起点としてセラミックス板が割れ易くなる虞がある。
また、レーザ光を照射して形成されるスクライブラインは、断面視形状で略V字状に形成することができるため、上述のようにレーザ加工工程を実施した場合、分割工程を経て得られるセラミックス板の一方の表面とこれに隣り合う側面との角部には、スクライブラインによって一方の表面から側面に向けて傾斜する傾斜面が形成されることになる。このように、傾斜面を形成したセラミックス板の角部は鋭利とならないため、この角部に衝撃が付与されても、上記角部に欠けが生じることを抑制できる。
すなわち、傾斜面の形成によってセラミックス板の全ての角部が鋭利とならないため、セラミックス板に衝撃が付与されても、全ての角部に欠けが生じることを抑制できる。したがって、分割工程後のパワーモジュール用基板やパワーモジュールの製造に際してセラミックス板のハンドリングを容易としながら、セラミックス板やこれを備えるパワーモジュール用基板、パワーモジュールの歩留まり向上を図ることができる。
このパワーモジュール10は、セラミックス板11において、その表面(一方の表面)11aに回路層12がろう付けされると共に、裏面(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。
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。
本実施形態では、はじめに、略板状のセラミックス母材20の表面(一方の表面)21に回路層12をろう付けすると共に、セラミックス母材20の裏面(他方の表面)22うち回路層12とセラミックス母材20の厚さ方向に重なる位置に金属層13をろう付けする(ろう付け工程)。
このレーザ加工工程においては、レーザ光をセラミックス母材20の表面21や裏面22のうち回路層12や金属層13をろう付けした周辺部分に照射することで、回路層12や金属層13の外周縁に沿って延びるスクライブライン31,32が格子状に形成されることになる。また、セラミックス母材20の表面21に形成される一のスクライブライン31は、裏面22に形成される他のスクライブライン32とセラミックス母材20の厚さ方向に重なるように形成される。
また、各スクライブライン31,32の開き角度θ1,θ2は、照射するレーザ光の波長を長くする等してより高温のレーザ光を照射する、また、同一波長でもレーザ光の焦点をずらすことで大きくすることができる。したがって、この開き角度θ1,θ2は、例えば使用するレーザの種類や加工条件を変更することで容易に変化させることができる。
また、例えば波長10μmのレーザ光をCO2レーザから照射して深さ寸法が0.12mmのスクライブライン31,32を形成した場合には、熱変性層33,34の厚さ寸法が約35μmとなり、スクライブライン31,32の開き角度θ1,θ2が20°となる。
最後に、スクライブライン31,32に沿ってセラミックス母材20を個々のセラミックス板11に分割する(分割工程)ことで、図1に示すパワーモジュール用基板14の製造が完了する。
まず、上述した製造方法で形成されたセラミックス板11の抗折強度を測定した結果を表1に示す。ここで、抗折強度は、セラミックス板11の裏面11bの両端の2点を支持した状態でセラミックス板11の表面11aの中央の1点を押圧する3点曲げ試験を行うことで測定されるものである。
また、上述した製造方法からエッチング工程を除いて形成されたセラミックス板を各実施例1〜4に対応する比較例1〜4として取り上げ、同様に抗折強度を測定した結果も表1に示す。
つまり、比較例1〜4のセラミックス板では、スクライブライン31,32からなる角部41,42に熱変性層33,34が残存するため、熱変性層33,34に微小なクラックが無数に生じ、これに基づいて抗折強度が低下する。これに対して、実施例1〜4のセラミックス板11の角部41,42には熱変性層33,34が残存しないため、上述した微小なクラックの発生が抑制されて抗折強度が低下しない。
また、抗折強度について実施例1〜4のセラミックス板11同士を比較すると、レーザ加工工程において照射するレーザ光の波長が短い程、抗折強度が向上することが分かる。これは、レーザ光の波長が短い程レーザ加工工程で形成される熱変性層33,34が薄くなって微小なクラックの形成が抑制されるためである。
その結果、表1に示すように、同一波長のレーザ光について比較すると、実施例1〜4のセラミックス板11を備えたパワーモジュール10における不良品の割合は、いずれも比較例1〜4のセラミックス板を備えたパワーモジュールにおける不良品の割合よりも小さくなっていることが分かる。これは、比較例1〜4のセラミックス板では角部に生じる無数の微小なクラックに基づいて欠けが生じやすくなるのに対し、実施例1〜4のセラミックス板11では微小なクラックの発生が抑制されているために欠けの発生も抑制できることを示している。
したがって、レーザ加工工程においては開き角度θ1,θ2が大きくなるようにスクライブライン31,32を形成することがより好ましく、具体的には開き角度θ1,θ2を15°以上に設定することが好ましい。ただし、分割工程においてスクライブライン31,32に沿って容易にセラミックス母材20を分断することを考慮すると、開き角度θ1,θ2は60°以下に設定されることが好ましい。
これは、同一波長のレーザ光について、実施例1〜4と比較例1〜4の抗折強度を比較すると、比較例2に対する実施例2の抗折強度の上昇率が約29%と最も高くなっているためである。また、同一波長のレーザ光について、実施例1〜4と比較例1〜4の不良品の割合を比較しても、比較例2に対する実施例2の不良品の割合の低下率が約0.7%と最も大きくなっているためである。
したがって、第2高調波のレーザ光を使用することで、エッチング工程の実施に伴う抗折強度の向上を効果的に図りながら、セラミックス板11の角部における欠けの発生を効果的に抑制することができる。
なお、レーザ加工工程でCO2レーザのように波長の長いレーザ光を照射する場合には、スクライブライン31,32が高温で形成されるために熱変性層33,34の厚さも大きくなってしまうが、エッチング工程で熱変性層33,34を除去することで、レーザ加工工程で使用するレーザの種類やレーザ光の波長に関係なく、上述した微小なクラックの発生を容易に抑制することができる。
ここで、CO2レーザを用いる場合には、YAGレーザ等の他のレーザと比較して安価に波長の長いレーザ光を高い出力で照射することができるため、より高温でスクライブライン31,32を形成することが容易に可能となり、これによってスクライブライン31,32の開き角度θ1,θ2を容易に拡大することができる。したがって、傾斜面11d,11eの傾斜角度をより小さくして、上記角部41,42に欠けが生じることを容易に抑制することができる。
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。
さらに、パワーモジュール用基板14に金属層13を設けるとしたが、この金属層13は設けなくてもよい、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。
この場合には、熱変性層33,34の下側にまで尖った形状の微小なクラックが形成されていたとしても、エッチング処理により熱変性層33,34の下側の微小なクラックを除去、若しくは、このクラックの形状を滑らかに形成することができるため、セラミックス板11の抗折強度の向上を図ることもできる。
また、エッチング工程は、レーザ加工工程と分割工程との間に行われるとしたが、少なくともレーザ加工工程後に行われれば良く、例えば分割工程後に行われるとしても構わない。
11 セラミックス板
11a 表面(一方の表面)
11b 裏面(他方の表面)
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 表面(一方の表面)
22 裏面(他方の表面)
31 一のスクライブライン
31a,32a 内面
32 他のスクライブライン
33,34 熱変性層
Claims (2)
- 半導体チップがはんだ接合される回路層をセラミックス板にろう付けしてなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
略板状のセラミックス母材の少なくとも一方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、
前記レーザ加工工程において前記スクライブラインの内面に形成されて前記レーザ光の熱によってガラス質に変性された熱変性層を除去するエッチング工程と、
前記セラミックス母材を前記スクライブラインに沿って個々の前記セラミックス板に分割する分割工程とを備え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。 - 前記レーザ加工工程において、前記セラミックス母材の他方の表面にも前記レーザ光を照射して、前記一方の表面に形成された一のスクライブラインと前記セラミックス母材の厚さ方向に重なる他のスクライブラインを形成することを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
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