JP2010103168A - セラミックス基板の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｓｉを含有してなるセラミックス基板と金属部材とを接合させた際に充分な接合強度が得られ、熱サイクル時における接合信頼性が高められるセラミックス基板の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。
【解決手段】Ｓｉを含有するセラミックス母材を焼結する工程Ｓ１０と、前記セラミックス母材の表面にフッ化物イオンを含むガスを用いてドライエッチングを施す表面処理工程Ｓ２０と、前記セラミックス母材の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度を電子プローブマイクロアナライザを用いた表面測定で２．７Ａｔｏｍ％以下とする工程Ｓ３０と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図３
【解決手段】Ｓｉを含有するセラミックス母材を焼結する工程Ｓ１０と、前記セラミックス母材の表面にフッ化物イオンを含むガスを用いてドライエッチングを施す表面処理工程Ｓ２０と、前記セラミックス母材の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度を電子プローブマイクロアナライザを用いた表面測定で２．７Ａｔｏｍ％以下とする工程Ｓ３０と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図３
Description
本発明は、Ｓｉを含有してなるセラミックス基板の製造方法及びこのセラミックス基板を用いたパワーモジュール用基板の製造方法に関する。
例えば半導体チップなどの電子部品が実装されたパワーモジュールは、一般にＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＡｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）などからなるセラミックス基板と、該セラミックス基板の上面に配置された金属部材の回路層と、該セラミックス基板の下面に配置された金属部材の金属層とを有するパワーモジュール用基板を備え、該パワーモジュール用基板の回路層上に、発熱体である半導体チップを配設し、金属層の下面には冷却用のヒートシンクを配設している（特許文献１参照）。
そして、パワーモジュールは、半導体チップで発生した熱を、金属層を介してヒートシンク中の冷却水へ放散させる構成となっている。
ここで、セラミックス基板としてＡｌＮよりも高い曲げ強度を有するなど機械的特性に優れるＳｉ３Ｎ４を用いることにより、セラミックス基板の薄肉化が図れる。
特開２００２−９２１２号公報
ここで、セラミックス基板としてＡｌＮよりも高い曲げ強度を有するなど機械的特性に優れるＳｉ３Ｎ４を用いることにより、セラミックス基板の薄肉化が図れる。
しかしながら、上記従来のパワーモジュール用基板には、以下の課題が残されている。
例えば、Ｓｉを含有するＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板とＡｌ（アルミニウム）からなる金属部材とを用いてこれらを接合させた際に、セラミックス基板と金属部材との間で接合不良が発生することがある。
例えば、Ｓｉを含有するＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板とＡｌ（アルミニウム）からなる金属部材とを用いてこれらを接合させた際に、セラミックス基板と金属部材との間で接合不良が発生することがある。
すなわち、セラミックス基板の接合する表面部分には、セラミックス基板を焼結した際に生じたＳｉＯ２（酸化シリコン）やシリコンの複合酸化物が存在しており、接合時において、これら酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物に起因したＳｉＯガスが発生し、セラミックス基板と金属部材との接合面積が充分に確保できなくなる。そして、このような接合不良により、熱サイクル時において、セラミックス基板と金属部材との剥離が生じやすくなる。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、Ｓｉを含有してなるセラミックス基板と金属部材とを接合させた際に充分な接合強度が得られ、熱サイクル時における接合信頼性が高められるセラミックス基板の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的としている。
前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
すなわち本発明に係るセラミックス基板の製造方法は、Ｓｉを含有するセラミックス母材を焼結する工程と、前記セラミックス母材の表面にフッ化物イオンを含むガスを用いてドライエッチングを施す表面処理工程と、前記セラミックス母材の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度を電子プローブマイクロアナライザを用いた表面測定で２．７Ａｔｏｍ％以下とする工程と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法は、Ｓｉを含有するセラミックス母材を焼結する工程と、前記セラミックス母材の表面にフッ化物イオンを含むガスを用いてドライエッチングを施す表面処理工程と、前記セラミックス母材の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度を電子プローブマイクロアナライザを用いた表面測定で２．７Ａｔｏｍ％以下とする工程と、を備えて製造されたセラミックス基板に、金属部材を接合することを特徴とする。
すなわち本発明に係るセラミックス基板の製造方法は、Ｓｉを含有するセラミックス母材を焼結する工程と、前記セラミックス母材の表面にフッ化物イオンを含むガスを用いてドライエッチングを施す表面処理工程と、前記セラミックス母材の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度を電子プローブマイクロアナライザを用いた表面測定で２．７Ａｔｏｍ％以下とする工程と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法は、Ｓｉを含有するセラミックス母材を焼結する工程と、前記セラミックス母材の表面にフッ化物イオンを含むガスを用いてドライエッチングを施す表面処理工程と、前記セラミックス母材の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度を電子プローブマイクロアナライザを用いた表面測定で２．７Ａｔｏｍ％以下とする工程と、を備えて製造されたセラミックス基板に、金属部材を接合することを特徴とする。
本発明に係るセラミックス基板の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法によれば、Ｓｉを含有するセラミックス母材を焼結した後、表面に酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物が付着した状態のセラミックス母材に、フッ化物イオンを含むガスを用いてドライエッチングが施されるので、該セラミックス母材の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度が電子プローブマイクロアナライザを用いた表面測定で２．７Ａｔｏｍ％以下にまで低減される。すなわち、表面処理工程において、セラミックス母材の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物がフッ化物イオンと反応し、揮発性の高いＳｉＦ４（四フッ化珪素）ガス等となり表面から除去されるため、該表面における酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度が前記表面測定で２．７Ａｔｏｍ％以下にまで確実に低減されるようになっている。
従って、このようにして製造されたセラミックス基板と金属部材とを接合した際に、酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物に起因するＳｉＯ（一酸化珪素）ガスの発生が抑制されることから、セラミックス基板と金属部材との接合面積が充分に確保されるとともに、熱サイクル時におけるセラミックス基板と金属部材との剥離が防止されて、接合信頼性が高められている。
また、ドライエッチングのガスに含まれるフッ化物イオンは、前述した反応によりＳｉＦ４ガスとなることから、セラミックス母材の表面にフッ化物として残留することがない。また、ドライエッチングは、例えばセラミックス母材をウェットエッチングする場合と対比して反応の回り込みが少ないため、必要以上に焼結助剤に反応してフッ化物が残留してしまうことが抑制される。よってセラミックス基板と金属部材とを接合した際に、フッ化物に起因して接合不良が生じるようなことが防止され、セラミックス基板と金属部材との接合信頼性が確実に高められる。
また、本発明に係るセラミックス基板の製造方法において、前記ガスは、少なくともフッ化炭素及びフッ化窒素のうちいずれかを含むこととしてもよい。
また、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法において、前記金属部材として、アルミニウムを用いることとしてもよい。
本発明によれば、接合時において、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）と共にＳｉＯガスが発生することを抑制するので、セラミックス基板と金属部材とを充分な強度で接合することができる。すなわち、セラミックス基板と金属部材とを接合する際、セラミックス基板の表面に酸化シリコン又はシリコンの複合酸化物が存在すると、金属部材におけるセラミックス基板との界面及びその近傍にアルミニウムの酸化物であるアルミナが形成されると共に一酸化珪素ガスが発生するのだが、セラミックス基板の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物が表面処理により良好に除去されているので、接合時における一酸化珪素ガスの発生が抑制されている。
本発明によれば、接合時において、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）と共にＳｉＯガスが発生することを抑制するので、セラミックス基板と金属部材とを充分な強度で接合することができる。すなわち、セラミックス基板と金属部材とを接合する際、セラミックス基板の表面に酸化シリコン又はシリコンの複合酸化物が存在すると、金属部材におけるセラミックス基板との界面及びその近傍にアルミニウムの酸化物であるアルミナが形成されると共に一酸化珪素ガスが発生するのだが、セラミックス基板の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物が表面処理により良好に除去されているので、接合時における一酸化珪素ガスの発生が抑制されている。
また、ドライエッチング後のセラミックス基材の表面にはフッ化物が残留しないことから、前記表面にＡｌＦ３（フッ化アルミニウム）が発生することが防止され、ＡｌＦ３に起因してセラミックス基板と金属部材との接合強度が低減させられることがない。従って、セラミックス基板と金属部材との接合強度が充分に確保される。
また、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法において、前記セラミックス基板と前記金属部材との接合が、ロウ付けで行われることとしてもよい。
本発明では、セラミックス基板と金属部材とをロウ付けにより接合することとしている。
本発明では、セラミックス基板と金属部材とをロウ付けにより接合することとしている。
本発明に係るセラミックス基板の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法によれば、Ｓｉを含有してなるセラミックス基板と金属部材とを接合させた際に充分な接合強度が得られ、熱サイクル時における接合信頼性が高められる。
以下、本発明に係るセラミックス基板の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
図１は本発明の第１の実施形態に係るパワーモジュール用基板の概略構成を示す断面図、図２は本発明の第１の実施形態のパワーモジュール用基板に用いるセラミックス基板を電子プローブマイクロアナライザにより定量分析した結果を示す表、図３は本発明の第１の実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法を説明するフローチャート、図４は本発明の第１の実施形態に係るパワーモジュール用基板を備えるパワーモジュールの概略構成を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態におけるパワーモジュール用基板１は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の下面に配置された金属層（金属部材）１２と、セラミックス基板１１の上面に配置された複数の回路層（金属部材）１３とを備えている。すなわち、セラミックス基板１１を上下面から挟むようにして、表面に金属部材が接合された構成とされている。
セラミックス基板１１は、Ｓｉ（珪素）を含有してなるＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）からなり、板状に形成されている。
また、セラミックス基板１１の上下面それぞれにおける酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度は、ＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）を用いた表面測定において２．７Ａｔｏｍ％以下となっている。
また、セラミックス基板１１の上下面それぞれにおける酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度は、ＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）を用いた表面測定において２．７Ａｔｏｍ％以下となっている。
ここで、ＥＰＭＡを用いた表面測定方法について、図２を参照しながら説明する。
なお、図２に示す定量分析結果は、表面測定方法を説明するために使用する一例である。
本実施形態では、ＪＥＯＬ社製のＪＸＡ−８６００を用いており、動作圧力を１．３×１０−３Ｐａ、加速電圧を１５．０ｋＶ、プローブに供給する電流を５．０×１０−８Ａとしている。また、セラミックス基板１１の表面には、膜厚が１００ｎｍ未満であるＡｕ膜が蒸着により形成されている。
なお、図２に示す定量分析結果は、表面測定方法を説明するために使用する一例である。
本実施形態では、ＪＥＯＬ社製のＪＸＡ−８６００を用いており、動作圧力を１．３×１０−３Ｐａ、加速電圧を１５．０ｋＶ、プローブに供給する電流を５．０×１０−８Ａとしている。また、セラミックス基板１１の表面には、膜厚が１００ｎｍ未満であるＡｕ膜が蒸着により形成されている。
まず、上記条件でセラミックス基板１１の表面を定量分析する（図２（ａ）に示すＡ）。そして、定量分析により検出された元素のうちＣ（炭素）とＡｕ（金）の検出量を０とする（図２（ａ）に示すＢ）。さらに、ＣとＡｕとを除く他の元素の検出量の和が１００Ａｔｏｍ％となるように換算する（図２（ａ）に示すＣ）。
次に、Ｓｉ（シリコン）以外の金属元素が最も一般的な酸化物（例えば、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｙ２Ｏ３（酸化イットリウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、Ｅｒ２Ｏ３（酸化エルビウム）など）として存在していると仮定し、Ｓｉ以外の金属元素に結合しているＯ（酸素）の原子量を算出する（図２（ｂ））。
続いて、換算したＯの原子量とＳｉ以外の金属元素に結合しているＯの原子量との差を算出する。そして、算出したＯの全量がＳｉと結合してＳｉＯ２を構成しているものとし、算出したＯの原子量に１．５を乗じて得た値をセラミックス基板１１の表面におけるＳｉＯ２濃度とする。例えば、図２に示す定量分析結果例では、ＳｉＯ２濃度が０．２５３Ａｔｏｍ％となる。
なお、ＥＰＭＡを用いた表面測定は、セラミックス基板１１の上面における任意の５箇所において測定している。ここで、表面測定は、５点測定に限らず、１０点測定や他の複数個所であってもよい。
次に、Ｓｉ（シリコン）以外の金属元素が最も一般的な酸化物（例えば、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｙ２Ｏ３（酸化イットリウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、Ｅｒ２Ｏ３（酸化エルビウム）など）として存在していると仮定し、Ｓｉ以外の金属元素に結合しているＯ（酸素）の原子量を算出する（図２（ｂ））。
続いて、換算したＯの原子量とＳｉ以外の金属元素に結合しているＯの原子量との差を算出する。そして、算出したＯの全量がＳｉと結合してＳｉＯ２を構成しているものとし、算出したＯの原子量に１．５を乗じて得た値をセラミックス基板１１の表面におけるＳｉＯ２濃度とする。例えば、図２に示す定量分析結果例では、ＳｉＯ２濃度が０．２５３Ａｔｏｍ％となる。
なお、ＥＰＭＡを用いた表面測定は、セラミックス基板１１の上面における任意の５箇所において測定している。ここで、表面測定は、５点測定に限らず、１０点測定や他の複数個所であってもよい。
金属層１２は、例えばＡｌ（アルミニウム）などの高熱伝導率を有する金属により形成されており、ロウ材層１４によりセラミックス基板１１に接合されている。
回路層１３は、金属層１２と同様に例えばＡｌなどの高熱伝導率を有する金属により形成されており、間隔を適宜あけて配置されることで回路を構成する。そして、回路層１３は、ロウ材層１５によりセラミックス基板１１に接合されている。
また、回路層１３の上面には、電子部品１６がハンダ層１７により固着されている。電子部品１６としては、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのパワーデバイスが挙げられる。
回路層１３は、金属層１２と同様に例えばＡｌなどの高熱伝導率を有する金属により形成されており、間隔を適宜あけて配置されることで回路を構成する。そして、回路層１３は、ロウ材層１５によりセラミックス基板１１に接合されている。
また、回路層１３の上面には、電子部品１６がハンダ層１７により固着されている。電子部品１６としては、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのパワーデバイスが挙げられる。
次に、以上のような構成のパワーモジュール用基板１の製造方法について、図３を参照しながら説明する。
まず、セラミックス基板１１の基材であり、該セラミックス基板１１と略同形状のＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス母材を用意し、このセラミックス母材を、Ｓ１０に示すように焼成（焼結）する（焼結工程）。焼結後のセラミックス母材の表面には、焼結時に生じた、Ｓｉからなる酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物が存在している。
まず、セラミックス基板１１の基材であり、該セラミックス基板１１と略同形状のＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス母材を用意し、このセラミックス母材を、Ｓ１０に示すように焼成（焼結）する（焼結工程）。焼結後のセラミックス母材の表面には、焼結時に生じた、Ｓｉからなる酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物が存在している。
次いで、表面処理工程として、Ｓ２０に示すように、このセラミックス母材の表面にフッ化物イオンを含むガスを用いてプラズマエッチング又は反応性イオンエッチングによりドライエッチングを施す。前記ガスは、主ガス、副ガス及びキャリアガスを混合して構成されており、具体的には、主ガスはフッ化炭素（ＣｎＦ２ｎ＋２、ＣｎＦ２ｎ等）、フッ化窒素（ＮＦ３等）の少なくとも一つからなり、副ガスはＨ２、ＳＦ６（六フッ化硫黄）又は希ガスからなり、キャリアガスはＡｒ＋、Ｎｅ＋、Ｈｅ＋（イオンビームとして）からなる。
なお、副ガスとしてＨ２を用いた場合には、ＳｉＯ２のエッチングレート比を確実に高めることができ、ＳＦ６を用いた場合には、ＳＦ５ ＋がキャリアガスとなる。又、副ガスとして希ガスを用いた場合には、ガスのフッ素濃度を下げることでＳｉＯ２のエッチングレート比を高めることができる。
表面処理工程においては、セラミックス母材の表面のＳｉＯ２は前記ガスと反応して、主にＳｉＦ４とＮＯｘ又はＣＯｘとなり、ガス化されセラミックス母材の表面から除去される。このように、セラミックス母材の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物は精度よく除去される。
なお、前記ガスに水素が含まれる場合には、セラミックス母材の表面にＮＨ４Ｆや（ＮＨ４）２ＳｉＦ６が形成されるが、これらＮＨ４Ｆや（ＮＨ４）２ＳｉＦ６は、後工程において除去することが好ましい。
また図示しないが、表面処理工程後は、セラミックス母材を蒸留水洗浄工程において洗浄し、乾燥工程においてエアブロー乾燥し、さらにエタノールを用いた超音波洗浄工程において洗浄することが好ましい。
また図示しないが、表面処理工程後は、セラミックス母材を蒸留水洗浄工程において洗浄し、乾燥工程においてエアブロー乾燥し、さらにエタノールを用いた超音波洗浄工程において洗浄することが好ましい。
次いで、表面測定工程として、Ｓ３０に示すように、表面処理工程後のセラミックス母材の表面における酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度をＥＰＭＡにより表面測定し、２．７Ａｔｏｍ％以下であるか確認する。なお、ＥＰＭＡによる表面測定方法は、上述と同様である。また、ＥＰＭＡによる表面測定は、セラミックス母材の表面における任意の５箇所において測定している。
表面測定工程の結果が２．７Ａｔｏｍ％以下であれば、セラミックス基板１１の製造が終了し、次工程へと移行する。
表面測定工程の結果が２．７Ａｔｏｍ％を超える場合には、セラミックス母材に再度Ｓ２０の表面処理工程が施される。
表面測定工程の結果が２．７Ａｔｏｍ％以下であれば、セラミックス基板１１の製造が終了し、次工程へと移行する。
表面測定工程の結果が２．７Ａｔｏｍ％を超える場合には、セラミックス母材に再度Ｓ２０の表面処理工程が施される。
次に、パワーモジュール用基板１の製造のための金属部材接合工程として、Ｓ４０に示すように、セラミックス基板１１の上下両面に、金属層１２及び回路層１３それぞれの金属部材をロウ付けにより一体に接合する。
以上のようにして、パワーモジュール用基板１を製造する。
以上のようにして、パワーモジュール用基板１を製造する。
以上説明したように、パワーモジュール用基板１のセラミックス基板１１の上下両面においては、Ｓ２０の表面処理工程で酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物が精度よく除去されているため、接合時においてこれら酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物に起因するＳｉＯ（一酸化珪素）ガスの発生が抑制されている。
すなわち、表面処理工程において、セラミックス母材の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物がフッ化物イオンと反応し、揮発性の高いＳｉＦ４ガス等となり表面から除去されるため、該表面における酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度が前記表面測定で２．７Ａｔｏｍ％以下にまで確実に低減されるようになっている。従って、このようにして製造されたセラミックス基板１１と金属部材とを接合した際に、酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物に起因するＳｉＯガスの発生が抑制されることから、回路層１３及びセラミックス基板１１との接合面積と金属層１２及びセラミックス基板１１との接合面積とのそれぞれが充分に確保されるとともに、熱サイクル時におけるセラミックス基板１１と金属部材との剥離が防止されて、接合信頼性が高められている。
また、ドライエッチングのガスに含まれるフッ化物イオンは、前述した反応により揮発性の高いＳｉＦ４ガスとなることから、セラミックス母材の表面にフッ化物として残留することがない。また、ドライエッチングは、例えばセラミックス母材をウェットエッチングする場合と対比して反応の回り込みが少ないため、必要以上に焼結助剤に反応してフッ化物が残留してしまうことが抑制される。
また、ドライエッチングでは、セラミックス母材において表面のＳｉＯ２をエッチングして除去し、Ｓｉ３Ｎ４に達するとエッチング反応が抑制されるため、効率よくＳｉＯ２のみを除去することができる。
従って、セラミックス基板１１と金属部材とを接合した際に、フッ化物に起因して接合不良が生じるようなことが防止され、セラミックス基板１１と金属部材との接合信頼性が確実に高められている。
従って、セラミックス基板１１と金属部材とを接合した際に、フッ化物に起因して接合不良が生じるようなことが防止され、セラミックス基板１１と金属部材との接合信頼性が確実に高められている。
また、接合時において、Ａｌ２Ｏ３と共にＳｉＯガスが発生することを抑制するので、セラミックス基板１１と金属部材とを充分な強度で接合することができる。すなわち、セラミックス基板１１と金属部材とを接合する際、セラミックス基板１１の表面に酸化シリコン又はシリコンの複合酸化物が存在すると、金属部材におけるセラミックス基板１１との界面及びその近傍にアルミニウムの酸化物であるアルミナが形成されると共に一酸化珪素ガスが発生するのだが、セラミックス基板１１の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物が表面処理により良好に除去されているので、接合時における一酸化珪素ガスの発生が抑制されている。
また、ドライエッチング後のセラミックス基材１１の表面にはフッ化物が残留しないことから、前記表面にＡｌＦ３（フッ化アルミニウム）が発生することが防止され、ＡｌＦ３に起因してセラミックス基板１１と金属部材との接合強度が低減させられることがない。従って、セラミックス基板１１と金属部材との接合強度が充分に確保される。
このような構成のパワーモジュール用基板１においては、セラミックス基板１１と金属部材との接合面積及び接合強度が充分に確保されているため、温度サイクル試験における例えば１０００サイクル程度までの間に、回路層１３や金属層１２がセラミックス基板１１から剥離することが確実に抑制される。
尚、図３において説明したＳ３０の表面測定工程は、その測定結果が安定して２．７Ａｔｏｍ％以下に得られる場合には、省略してもよい。
また、Ｓ２０の表面処理工程は、Ｓ４０の金属部材接合工程の接合直前に行われることがより好ましい。
また、Ｓ３０の表面測定工程の結果が２．７Ａｔｏｍ％を超えた場合に、前述のようにセラミックス母材に再度Ｓ２０の表面処理工程を施さずに、廃棄することとしてもよく、種々の要望・用途に対応して選択可能である。
また、Ｓ２０の表面処理工程は、Ｓ４０の金属部材接合工程の接合直前に行われることがより好ましい。
また、Ｓ３０の表面測定工程の結果が２．７Ａｔｏｍ％を超えた場合に、前述のようにセラミックス母材に再度Ｓ２０の表面処理工程を施さずに、廃棄することとしてもよく、種々の要望・用途に対応して選択可能である。
このようにして製造されたパワーモジュール用基板１は、例えば図４に示すようなパワーモジュール３０に用いられる。このパワーモジュール３０は、上述のパワーモジュール用基板１と、電子部品１６と、冷却器３１と、放熱板３２とを備えている。
冷却器３１は、水冷式のヒートシンクであって、内部に冷媒である冷却水が流通する流路が形成されている。
放熱板３２は、平面視でほぼ矩形状の平板形状を有しており、例えばＡｌやＣｕ（銅）、ＡｌＳｉＣ（アルミシリコンカーバイド）、Ｃｕ−Ｍｏ（モリブデン）などで形成されている。
冷却器３１は、水冷式のヒートシンクであって、内部に冷媒である冷却水が流通する流路が形成されている。
放熱板３２は、平面視でほぼ矩形状の平板形状を有しており、例えばＡｌやＣｕ（銅）、ＡｌＳｉＣ（アルミシリコンカーバイド）、Ｃｕ−Ｍｏ（モリブデン）などで形成されている。
そして、放熱板３２は、熱伝導グリースなどを介して冷却器３１に対してネジ３３により固定されている。また、放熱板３２とパワーモジュール用基板１の金属層１２とは、ハンダ層３４により接合されている。なお、放熱板３２と金属層１２とは、ロウ付けにより接合されてもよい。このとき、パワーモジュール用基板１の製造時において、金属層１２、セラミックス基板１１及び回路層１３の積層体に放熱板３２をさらに積層した状態で各部材を一括してロウ付けしてもよい。また、パワーモジュール３０は、放熱板３２を設けずに冷却器３１の上面にパワーモジュール用基板１を設ける構成としてもよい。
次に、本発明の第２の実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法について、図５を参照しながら説明する。
図５は本発明の第２の実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法を説明する工程図である。
尚、前述の第１の実施形態と同一部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図５は本発明の第２の実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法を説明する工程図である。
尚、前述の第１の実施形態と同一部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
まず、Ｓｉ３Ｎ４からなり、焼成（焼結）された後のセラミックス母材２０を用意する。セラミックス母材２０の表面には、焼結時に生じたＳｉからなる酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物が存在している。このセラミックス母材２０の一面に、図５（ａ）に示すように、複数のスクライブライン２１を形成する。
ここでは、セラミックス母材２０の一面にレーザ光（エネルギー光）Ｌを照射することで、直線状のスクライブライン２１を形成する。このとき、レーザ光Ｌの照射によりセラミックス母材２０から飛散するヒューム２２が、スクライブライン２１の形成領域及びその近傍に付着する。このヒューム２２も、セラミックス母材２０がＳｉ３Ｎ４からなるため、酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物で形成されている。
次いで、第１の表面処理として、セラミックス母材２０の上下両面にＺｒＯ２（二酸化ジルコニウム）粉末を噴き付けるブラスト処理を施す（図５（ｂ））。これにより、セラミックス母材２０の上下両面の平坦化を行うと共に、セラミックス母材２０の一面に付着しているヒューム２２を除去する。
次いで、第２の表面処理として、図５（ｃ）に示すように、ヒューム２２を除去したセラミックス母材２０を容器状のドライエッチング装置Ｐに収容し、このドライエッチング装置Ｐにフッ化物イオンを含むガスＧを流入して、ドライエッチングを施す。ガスＧは、前述した主ガス、副ガス及びキャリアガスを混合して構成されている。
ガスＧは、セラミックス母材２０の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物と反応して、主にＳｉＦ４とＮＯｘ又はＣＯｘとなり、これら酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物はセラミックス母材の表面から除去されるとともに、排気ガスＥとしてドライエッチング装置Ｐから排出される。このように、ドライエッチングによって、セラミックス母材２０の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物が精度よく除去されるようになっている。
尚、ガスＧに水素が含まれる場合には、セラミックス母材２０の表面にＮＨ４Ｆや（ＮＨ４）２ＳｉＦ６が形成されるが、これらＮＨ４Ｆや（ＮＨ４）２ＳｉＦ６は、後工程において除去することが好ましい。
また図示しないが、ドライエッチング後は、このセラミックス母材２０を蒸留水洗浄工程において洗浄し、乾燥工程においてエアブロー乾燥し、さらにエタノールを用いた超音波洗浄工程において洗浄した後、乾燥雰囲気において保管することが好ましい。
また図示しないが、ドライエッチング後は、このセラミックス母材２０を蒸留水洗浄工程において洗浄し、乾燥工程においてエアブロー乾燥し、さらにエタノールを用いた超音波洗浄工程において洗浄した後、乾燥雰囲気において保管することが好ましい。
ドライエッチング後のセラミックス母材２０の表面における酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度は、ＥＰＭＡによる表面測定において２．７Ａｔｏｍ％以下にまで低減されている。なお、ＥＰＭＡによる表面測定方法は、上述と同様である。また、ＥＰＭＡによる表面測定は、セラミックス母材２０においてスクライブライン２１で区画される複数の領域それぞれで任意の５箇所において測定している。
次に、セラミックス母材２０をスクライブライン２１に沿って分割する（図５（ｄ））。このようにして、セラミックス基板４１が製造される。そして、製造したセラミックス基板４１の上下両面に、金属層１２及び回路層１３それぞれをロウ付けにより接合する（図５（ｅ））。
以上のようにして、パワーモジュール用基板５１を製造する。
以上のようにして、パワーモジュール用基板５１を製造する。
以上説明したように、本実施形態のセラミックス基板４１を備えたパワーモジュール用基板５１においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。
このような構成のパワーモジュール用基板５１においては、セラミックス基板４１と金属部材との接合面積及び接合強度が充分に確保されているため、温度サイクル試験における例えば１０００サイクル程度までの間に、回路層１３や金属層１２がセラミックス基板４１から剥離することが確実に抑制される。
このような構成のパワーモジュール用基板５１においては、セラミックス基板４１と金属部材との接合面積及び接合強度が充分に確保されているため、温度サイクル試験における例えば１０００サイクル程度までの間に、回路層１３や金属層１２がセラミックス基板４１から剥離することが確実に抑制される。
尚、本発明は上記実施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できる。
例えば、第２の実施形態のセラミックス基板の製造方法では、焼結後のセラミックス母材２０にスクライブライン２１を設け、スクライブライン２１の形成時に生じるヒューム２２をブラスト処理で除去することとして説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、スクライブライン２１の代わりにカッター等を用いてセラミックス母材２０を切断して複数のセラミックス基板４１とし、前述のブラスト処理を省略しても構わない。
例えば、第２の実施形態のセラミックス基板の製造方法では、焼結後のセラミックス母材２０にスクライブライン２１を設け、スクライブライン２１の形成時に生じるヒューム２２をブラスト処理で除去することとして説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、スクライブライン２１の代わりにカッター等を用いてセラミックス母材２０を切断して複数のセラミックス基板４１とし、前述のブラスト処理を省略しても構わない。
また第１、第２の実施形態では、セラミックス基板１１，４１の上下両面における酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度を２．７Ａｔｏｍ％以下とすることとして説明したが、これに限らず、少なくとも金属部材が接合される表面部分における酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度が２．７Ａｔｏｍ％以下であればよい。すなわち、セラミックス基板１１，４１において、接合する金属部材の形状に対応した表面部分のみ、酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度を２．７Ａｔｏｍ％以下とすることとしても構わない。
また第１、第２の実施形態では、セラミックス基板１１，４１の一面を上面として回路層１３を接合しているが、一面を下面として金属層１２を接合する構成としてもよい。
また、セラミックス基板１１，４１と回路層１３または金属層１２とは、ロウ付け接合されていることとして説明したが、それ以外の方法により接合されていても構わない。
また、セラミックス基板１１，４１と回路層１３または金属層１２とは、ロウ付け接合されていることとして説明したが、それ以外の方法により接合されていても構わない。
また第２の実施形態では、セラミックス母材２０を分割してセラミックス基板４１を形成した後に金属層１２及び回路層１３それぞれを接合しているが、スクライブライン２１が形成されたセラミックス母材２０に金属層１２及び回路層１３の少なくとも一方を接合した後に該セラミックス母材２０を分割してセラミックス基板４１を形成してもよい。
また、スクライブライン２１は、レーザ光Ｌを照射することで形成されているが、それ以外の他のエネルギー光の照射により形成されてもよい。
また、スクライブライン２１は、レーザ光Ｌを照射することで形成されているが、それ以外の他のエネルギー光の照射により形成されてもよい。
また、スクライブライン２１を形成した場合の第１の表面処理としては、粉末の噴き付けによるブラスト処理のほか、ホーニング処理などそれ以外の処理を用いても構わない。
また、金属層１２及び回路層１３それぞれは、アルミニウムで形成されていることとして説明したが、それ以外の金属材料で形成されていてもよい。
また、金属層１２及び回路層１３それぞれは、アルミニウムで形成されていることとして説明したが、それ以外の金属材料で形成されていてもよい。
また、パワーモジュール用基板１，５１は、セラミックス基板１１，４１の下面に金属層１２を接合しているが、金属層１２を設けずにセラミックス基板１１，４１の下面に放熱板３２や冷却器３１を直接接合する構成としても構わない。
また、冷却器３１は、本実施形態の水冷式に限らずに、空冷式や他の液冷式であっても構わない。
また、冷却器３１は、本実施形態の水冷式に限らずに、空冷式や他の液冷式であっても構わない。
また、セラミックス基板１１，４１は、Ｓｉを含有するＳｉ３Ｎ４からなるとして説明したが、これに限定されるものではなく、Ｓｉを含有するそれ以外の材料であっても構わない。
また第１、第２の実施形態では、ドライエッチングに用いるガスは、主ガスがフッ化炭素（ＣｎＦ２ｎ＋２、ＣｎＦ２ｎ等）、フッ化窒素（ＮＦ３等）の少なくとも一つからなり、副ガスがＨ２、ＳＦ６（六フッ化硫黄）又は希ガスからなることとして説明したが、これらに限定されるものではない。
１，５１ パワーモジュール用基板
１１，４１ セラミックス基板
１２ 金属層（金属部材）
１３ 回路層（金属部材）
１４，１５ ロウ材層
２０ セラミックス母材
Ｇ ガス
Ｐ ドライエッチング装置
Ｓ１０ 焼結工程
Ｓ２０ 表面処理工程（ドライエッチング）
Ｓ３０ 表面測定工程
Ｓ４０ 金属部材接合工程
１１，４１ セラミックス基板
１２ 金属層（金属部材）
１３ 回路層（金属部材）
１４，１５ ロウ材層
２０ セラミックス母材
Ｇ ガス
Ｐ ドライエッチング装置
Ｓ１０ 焼結工程
Ｓ２０ 表面処理工程（ドライエッチング）
Ｓ３０ 表面測定工程
Ｓ４０ 金属部材接合工程
Claims (5)
- Ｓｉを含有するセラミックス母材を焼結する工程と、
前記セラミックス母材の表面にフッ化物イオンを含むガスを用いてドライエッチングを施す表面処理工程と、
前記セラミックス母材の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度を電子プローブマイクロアナライザを用いた表面測定で２．７Ａｔｏｍ％以下とする工程と、を備えることを特徴とするセラミックス基板の製造方法。 - 請求項１記載のセラミックス基板の製造方法であって、
前記ガスは、少なくともフッ化炭素及びフッ化窒素のうちいずれかを含むことを特徴とするセラミックス基板の製造方法。 - Ｓｉを含有するセラミックス母材を焼結する工程と、前記セラミックス母材の表面にフッ化物イオンを含むガスを用いてドライエッチングを施す表面処理工程と、前記セラミックス母材の表面の酸化シリコン及びシリコンの複合酸化物の濃度を電子プローブマイクロアナライザを用いた表面測定で２．７Ａｔｏｍ％以下とする工程と、を備えて製造されたセラミックス基板に、金属部材を接合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に記載のパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記金属部材として、アルミニウムを用い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又は４に記載のパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記金属部材との接合が、ロウ付けで行われ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。
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