JP2020092134A - 基板の製造方法、電力用半導体装置の製造方法、および基板 - Google Patents

Abstract

【課題】金属回路板の実装面に接合された電子部品の接合信頼性を高めることができる基板を提供する。【解決手段】基板１０の製造方法は、第１の面Ｆ１と第１の面Ｆ１と反対の第２の面Ｆ２とを有するセラミック板１１と、セラミック板１１の第１の面Ｆ１上に設けられた金属放熱板１２と、セラミック板１１の第２の面Ｆ２上に設けられ、電子部品３０が実装されることになる実装面ＭＳを有する金属回路板１３と、を有する基板１０に関するものである。基板１０の製造方法は、以下の工程を有している。金属回路板１３が形成される。金属回路板１３の実装面ＭＳへショットピーニング加工が施される。【選択図】図１

Description

本発明は、基板の製造方法、電力用半導体装置の製造方法、および基板に関し、特に、金属回路板を有する基板の製造方法、電力用半導体装置の製造方法、および金属回路板を有する基板に関するものである。

特開２００６−３３２０８４号公報（特許文献１）に開示されたパワーモジュールは、金属ベース板と、はんだ層と、基板と、はんだ層と、半導体チップとが順に積層された構造を有している。基板は、金属放熱板と、セラミック板と、金属回路板とを有している。金属放熱板および金属回路板は、セラミック板の下面および上面のそれぞれに直接接合されている。半導体チップは、はんだ層を介して金属回路板に接合されている。金属ベース板は、はんだ層を介して金属放熱板に接合されている。金属ベース板は、半導体チップで発生した熱を放散する。

なお上記公報によれば、金属ベース板の上面と基板とをはんだ付けした後に、金属ベース板の下面に対してショットピーニング処理が施される。これにより、基板と金属ベース板とをはんだ付けした際に生じた、金属ベース板の下面の凹状の反りが解消される、と、上記公報によれば主張されている。

特開２００６−３３２０８４号公報

基板に実装された電子部品がその動作時に多量の熱を発する場合、動作が長期にわたって繰り返されることによって、基板は多数回のヒートサイクルにさらされる。特に、電子部品としての電力用半導体素子は多量の熱を発しやすい。このヒートサイクルに起因して、基板の金属回路板に接合された電子部品の接合信頼性が低下することがある。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その一の目的は、金属回路板の実装面に接合された電子部品の接合信頼性を高めることができる基板を提供することである。

本発明の基板の製造方法は、第１の面と第１の面と反対の第２の面とを有するセラミック板と、セラミック板の第１の面上に設けられた金属放熱板と、セラミック板の第２の面上に設けられ、電子部品が実装されることになる実装面を有する金属回路板と、を有する基板に関するものである。基板の製造方法は、以下の工程を有している。金属回路板が形成される。金属回路板の実装面へショットピーニング加工が施される。

本発明によれば、金属回路板の実装面へショットピーニング加工が施される。これにより、ヒートサイクルに起因しての実装面の微細形状の変化が抑えられる。よって、金属回路板の実装面に接合された電子部品の接合信頼性を高めることができる。

本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１における基板の構成を概略的に示す断面図である。 図２の部分拡大図である。 本発明の実施の形態１における基板の製造方法を概略的に示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１における基板の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１における基板の製造方法の一工程を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態１における基板の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。 ショットピーニング加工が施されていない金属回路板の実装面近傍の電子顕微鏡写真である。 ショットピーニング加工が施された金属回路板の実装面近傍の電子顕微鏡写真である。 実施例および比較例についての、ヒートサイクルの回数と実装面の表面粗さの変化との関係を示すグラフ図である。 ヒートサイクル下における金属回路板の実装面の結晶レベルでの微細形状の変化の推測モデルを説明する部分断面図である。 本発明の実施の形態２における基板の構成を概略的に示す部分断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

＜実施の形態１＞
（電力用半導体装置の構成）
図１は、本実施の形態１におけるパワーモジュール９０（電力用半導体装置）の構成を概略的に示す断面図である。パワーモジュール９０は、基板１０と、基板１０に実装された電力用半導体素子３０（電子部品）とを有している。基板１０は、放熱面ＲＳと、放熱面ＲＳと反対の実装面ＭＳとを有している。電力用半導体素子３０は基板１０の実装面ＭＳ上に、導電性を有する接合材３１を介して接合されている。接合材３１は、例えば、はんだ層である。電力用半導体素子３０は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（金属・酸化物・半導体・電界効果トランジスタ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）もしくはＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子、または、ショットキーバリアダイオードもしくはＰｉＮダイオードなどのダイオードである。

パワーモジュール９０はさらに、基板１０の放熱面ＲＳ上に接合されたベース板２０を有していてよい。ベース板２０は基板１０に接合材２１を介して接合されていてよい。接合材２１は、例えば、はんだ層である。ベース板２０は、電力用半導体素子３０からの熱を放散させるためのものである。

パワーモジュールはさらに、基板１０の周囲を囲むケース５０を有していてよい。ケース５０は樹脂からなることが好ましい。ケース５０内に、電力用半導体素子３０を封止する封止材（図示せず）が設けられていてよい。ケース５０はベース板２０に取り付けられていてよく、例えば接着剤５１によって取り付けられていてよい。

パワーモジュール９０はさらに、基板１０の実装面ＭＳおよび電力用半導体素子３０の少なくともいずれかに接続された外部接続端子４０を有していてよい。この接続のために接合材４１が用いられてよく、接合材４１は、例えば、はんだ層である。パワーモジュール９０はさらに、電力用半導体素子３０と、パワーモジュール９０中の他の箇所（図１においては、基板１０の実装面ＭＳ）とを互いに接続するボンディングワイヤ３２を有していてよい。

（基板の構成）
図２は、基板１０（図１）の構成を概略的に示す断面図である。基板１０は、電力用半導体素子３０（図１）が実装されることになる実装面ＭＳと、実装面ＭＳと反対の放熱面ＲＳとを有している。基板１０は、セラミック板１１と、金属放熱板１２と、金属回路板１３とを有している。セラミック板１１は、下面Ｆ１（第１の面）と、上面Ｆ２（第１の面と反対の第２の面）とを有している。金属放熱板１２はセラミック板１１の下面Ｆ１上に設けられている。金属回路板１３はセラミック板１１の上面Ｆ２上に設けられている。

金属回路板１３は、回路パターンを有しており、その目的で、互いに離れた複数の部分から構成されていてよい。金属放熱板１２は、回路パターンを有している必要はなく、単純な１つの形状（典型的には、略矩形形状）から構成されていてよい。金属回路板１３の面積は、通常、金属放熱板１２の面積よりも小さい。セラミック板１１は、例えば、アルミナ、窒化ケイ素、または窒化アルミニウムからなる。金属放熱板１２および金属回路板１３は、例えば、銅または銅合金からなる。金属放熱板１２および金属回路板１３の各々の厚みは、例えば、０．４ｍｍ以上１ｍｍ以下である。

図３は、図２の部分拡大図である。金属回路板１３は、加工硬化層１３ｂを有しており、好ましくは非加工硬化層１３ａも有している。加工硬化層１３ｂは、非加工硬化層１３ａによってセラミック板１１から隔てられていることが好ましい。金属回路板１３は、加工硬化層１３ｂがなす実装面ＭＳを有している。

なお、加工硬化層とは、加工硬化が施された結晶体からなる層である。加工硬化とは、結晶体に塑性変形を与えることによって、さらなる塑性変形に対する抵抗力が増大する現象である。非加工硬化層は、実質的に加工硬化が施されていない結晶体からなる層である。加工硬化層は非加工硬化層よりも硬い。本実施の形態においては、ショットピーニングによる塑性変形によって加工硬化層が形成されている。

（製造方法）
図４は、本実施の形態１における基板１０の製造方法を概略的に示すフローチャートである。図５〜図７は、基板１０の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。

図５を参照して、ステップＳ１０（図４）にて、セラミック板１１の上面Ｆ２上に金属回路板１３が、例えば、鋳造または直接接合によって形成される。またセラミック板１１の下面Ｆ１上に金属放熱板１２が、例えば、鋳造または直接接合によって形成される。

図６を参照して、次に、ステップＳ２０（図４）にて、金属回路板１３の実装面ＭＳへショットピーニング加工が施される。ショットピーニングは、小粒子を金属表面へ強く吹きつけることによって金属表面を冷間加工し、これにより金属表面を硬化させる処理法のことである。例えば、ガラスからなる粒径数百μｍの小粒子７１が、圧力０．３ＭＰａ程度で、３０秒〜６０秒程度、エアノズル７０から吹きつけられる。なお、小粒子７１として、ガラス以外の材料が用いられてもよく、例えば鉄系材料が用いられてもよい。また、エアノズル７０以外のショットピーニング装置が用いられてもよく、例えば、インペラが用いられてもよい。小粒子７１の投射角度は適宜最適化されてよい。ショットピーニング加工後、金属回路板１３上に残留した小粒子７１が、例えばエアブローによって除去される。

上述したショットピーニング加工によって、金属回路板１３の実装面ＭＳ側の部分に加工硬化層１３ｂが形成される。好ましくは、金属回路板１３の加工硬化層１３ｂとセラミック板１１との間に、金属回路板１３に対してショットピーニング加工が実質的に施されなかった部分である非加工硬化層１３ａが設けられる。加工硬化層１３ｂの厚みは、ショットピーニングによる効果を確実に得るために、１０μｍ以上であることが好ましい。加工硬化層１３ｂの厚みは、セラミック板１１へのダメージの抑制、または基板１０の反りの抑制のために、金属回路板１３の厚みの３／４以下であることが好ましく、半分以下であることがより好ましい。

本実施の形態においては、金属回路板１３の実装面ＭＳへショットピーニング加工を施す工程は、セラミック板１１上に配置された金属回路板１３へショットピーニング加工を施すことによって行われる。変形例として、ショットピーニング加工が予め施された金属回路板１３がセラミック板１１上に接合されてもよい。

次に、ステップＳ３０（図４）にて、金属回路板１３の実装面ＭＳが平滑化される。これにより、実装面ＭＳの表面粗さＲａが低減される。

図７を参照して、次に、ステップＳ４０（図４）にて、金属回路板１３がパターニングされる。具体的には、まず、金属回路板１３上に、開口ＯＰを有するエッチングマスク１３Ｍが形成される。言い換えれば、パターンを有するエッチングマスク１３Ｍが形成される。次に、エッチングマスク１３Ｍを用いたエッチングにより、このパターンが金属回路板１３へ転写される。これにより、金属回路板１３へ回路パターンが付与される。次に、エッチングマスク１３Ｍが除去される。これにより基板１０（図２および図３）が得られる。

再び図１を参照して、基板１０の実装面ＭＳ上に電力用半導体素子３０が実装される。その他、必要な部材が取り付けられることによって、パワーモジュール９０（図１）が得られる。

（ショットピーニング加工の前後での金属回路板の微細構造の変化）
図８は、ショットピーニング加工が施されていない金属回路板１３の実装面ＭＳ近傍の電子顕微鏡写真である。なお、図８の視野中には、縦方向に延びる粒界ＢＤが含まれている。図９は、ショットピーニング加工が施された金属回路板１３の実装面ＭＳ近傍の電子顕微鏡写真である。なお、図９の視野中には粒界ＢＤ（図８）が含まれていないが、この相違は、図８と図９とでの観察された視野の位置の相違によるに過ぎず、ショットピーニング加工の前後において粒界ＢＤの構成に特段の相違はない。

図８および図９を参照して、ショットピーニング加工によって、実装面ＭＳの近傍に、多数の転位ＤＬが導入されていることがわかる。よって、非加工硬化層１３ａ（図３）中の転位密度に比して、加工硬化層１３ｂ（図３）中の転位密度の方が高い。本実施の形態において、非加工硬化層１３ａに比して加工硬化層１３ｂが硬いのは、高密度で転位ＤＬが導入されているためと考えられる。

（ヒートサイクル下での実装面の表面粗さの変化）
図１０は、実施例および比較例についての、ヒートサイクルの回数と、実装面ＭＳの表面粗さＲａの変化との関係を示すグラフ図である。比較例は、基板１０の上述した製造方法のうち、ショットピーニング加工が省略されて製造されたものである。なお比較例におけるＲａの初期値は４μｍであり、実施例におけるＲａの初期値は１０μｍである。なお図１０の縦軸においては、表面粗さＲａの初期値がゼロとされている。

比較例の場合、６００回のヒートサイクルによって、表面粗さＲａが約６μｍ増加した。一方、実施例の場合、６００回のヒートサイクルの間、表面粗さＲａの変化量は６μｍよりも十分に小さく、表面粗さＲａの最終的な増加は、比較例の５％程度にまで顕著に抑制された。このことは、実装面ＭＳの表面の微細形状の変化が、実施例においては抑制されたことを意味する。

図１１は、ヒートサイクル下における金属回路板１３の実装面ＭＳの結晶レベルでの微細形状の変化の推測モデルを説明する部分断面図である。図中、多結晶中の結晶粒Ｃ１〜Ｃ３が図示されている。多結晶中の結晶粒Ｃ１〜Ｃ３の結晶方位は互いに異なることから、実装面ＭＳに垂直な方向における熱膨張収縮の挙動は、結晶粒Ｃ１〜Ｃ３の間で異なる。よって、多数回のヒートサイクルを経ると、結晶粒Ｃ１〜Ｃ３の表面高さのばらつきが大きくなってくると考えられる。ショットピーニング加工は、熱膨張収縮の結晶方位依存性を抑制すると考えられる。よって、ヒートサイクルを経ての結晶粒Ｃ１〜Ｃ３の表面高さのばらつきが、ショットピーニング加工によって抑制されると考えられる。すなわち、ショットピーニング加工によって、ヒートサイクルに起因しての実装面ＭＳの、結晶レベルでの微細形状の変化が抑えられると考えられる。

（効果のまとめ）
本実施の形態の基板１０の製造方法によれば、金属回路板１３の実装面ＭＳへショットピーニング加工が施される。これにより、ヒートサイクルに起因しての実装面ＭＳの微細形状の変化が抑えられる。よって、実装面ＭＳに接合された電子部品の接合信頼性を高めることができる。

別な観点で言えば、本実施の形態の基板１０によれば、加工硬化層１３ｂが金属回路板１３の実装面ＭＳをなす。これにより、ヒートサイクルに起因しての実装面ＭＳの微細形状の変化が抑えられる。よって、実装面ＭＳに接合された電子部品の接合信頼性を高めることができる。

上記電子部品として電力用半導体素子３０が実装される場合、電力用半導体素子３０の動作に対応したヒートサイクルが生じる。本実施の形態によれば、このヒートサイクルに起因しての実装面ＭＳの微細形状の変化が抑えられる。

さらに、ショットピーニング加工によって、金属回路板１３中の欠陥である微小空間（ボイド、または、粒界に沿った微小な隙間など）の量が低減される。これにより、微小空間からのガスの発生が抑制される。このようなガスの発生は、金属回路板１３が加熱された際に特に生じやすい。金属回路板１３の実装面ＭＳ上における実装工程は、通常、加熱処理をともなうため、ガスの発生が懸念される。典型的には、実装工程において接合部材として形成されるはんだ層中にガスが内包されてしまう。その結果、接合強度が低下し得る。本実施の形態によれば、この問題の発生を抑制することができる。

ショットピーニング加工後に、金属回路板１３の実装面ＭＳが平滑化されることにより、ショットピーニング加工によって増大した表面粗さを低減することができる。よって、実装面ＭＳの表面粗さが過大なことに起因しての、実装面ＭＳに接合された電力用半導体素子３０の接合信頼性の低下を避けることができる。なお、実装面ＭＳへ電力用半導体素子３０が接合される際における実装面ＭＳの表面粗さが過大でない場合は、平滑化工程は省略されてよい。

ショットピーニング加工の際、金属回路板１３はセラミック板１１上に配置されている。これにより、ショットピーニング加工後に金属回路板１３をセラミック板１１上へ接合する必要がない。なお変形例として、ショットピーニング加工後に金属回路板１３がセラミック板１１上へ接合されてよい。

ショットピーニング加工後に金属回路板１３がパターニングされることにより、セラミック板１１のうちパターニングによって露出された部分にショットピーニング用の小粒子が衝突することが避けられる。よってセラミック板１１へのダメージが抑制される。また、ショットピーニングに用いられた小粒子をショットピーニング後に容易に除去することができる。

＜実施の形態２＞
図１２は、本実施の形態２における基板１０Ｖの構成を概略的に示す部分断面図である。基板１０Ｖにおいては、金属放熱板１２は、加工硬化層１２ｂを有しており、好ましくは非加工硬化層１２ａも有している。これらの層は、実施の形態１において金属回路板１３に加工硬化層１３ｂおよび非加工硬化層１３ａが形成されたのと同様の方法によって形成される。よって基板１０Ｖの製造においては、金属回路板１３だけでなく金属放熱板１２へもショットピーニング加工が施される。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態によれば、金属回路板１３だけでなく金属放熱板１２へもショットピーニング加工が施される。これにより、金属回路板１３にだけショットピーニング加工が施されることに起因しての基板の反りを抑制することができる。

なお、上記各実施の形態においては、電子部品が電力用半導体素子３０（図１）である場合について詳述したが、電子部品はこれに限定されるものではなく、動作時に多量の熱を発する他の素子が電子部品として用いられてよい。

また、パワーモジュール９０（図１）が金属放熱板１２とは別個にベース板２０を有する場合について詳述したが、ベース板２０が省略され、金属放熱板１２がベース板の機能を兼ねてもよい。その場合、ケース５０は金属放熱板１２に取り付けられてよい。

本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

Ｆ１ 下面（第１の面）、Ｆ２ 上面（第２の面）、ＭＳ 実装面、ＲＳ 放熱面、１０，１０Ｖ 基板、１１ セラミック板、１２ 金属放熱板、１３ 金属回路板、１２ａ，１３ａ 非加工硬化層、１２ｂ，１３ｂ 加工硬化層、２０ ベース板、２１，３１，４１ 接合材、３０ 電力用半導体素子（電子部品）、７０ エアノズル、７１ 小粒子、９０ パワーモジュール（電力用半導体装置）。

Claims (7)

1. 第１の面と前記第１の面と反対の第２の面とを有するセラミック板と、前記セラミック板の前記第１の面上に設けられた金属放熱板と、前記セラミック板の前記第２の面上に設けられ、電子部品が実装されることになる実装面を有する金属回路板と、を有する基板の製造方法であって、
   前記金属回路板を形成する工程と、
   前記金属回路板の前記実装面へショットピーニング加工を施す工程と、
   を備える、基板の製造方法。
2. 前記金属回路板の前記実装面へショットピーニング加工を施す工程の後に、前記金属回路板の前記実装面を平滑化する工程をさらに備える、請求項１に記載の基板の製造方法。
3. 前記金属回路板の前記実装面へショットピーニング加工を施す工程は、前記セラミック板上に配置された前記金属回路板へショットピーニング加工を施すことによって行われる、請求項１または２に記載の基板の製造方法。
4. 前記金属回路板の前記実装面へショットピーニング加工を施す工程の後に、前記金属回路板をパターニングする工程をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の基板の製造方法。
5. 前記金属放熱板へショットピーニング加工を施す工程をさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の基板の製造方法。
6. 第１の面と前記第１の面と反対の第２の面とを有するセラミック板と、前記セラミック板の前記第１の面上に設けられた金属放熱板と、前記セラミック板の前記第２の面上に設けられ、実装面を有する金属回路板と、を有する基板を形成する工程を備え、前記基板を形成する工程は、前記金属回路板の前記実装面へショットピーニング加工を施す工程を含み、さらに、
   前記金属回路板の前記実装面上に電力用半導体素子を実装する工程を備える、電力用半導体装置の製造方法。
7. 電子部品が実装されることになる実装面を有する基板であって、
   第１の面と前記第１の面と反対の第２の面とを有するセラミック板と、
   前記セラミック板の前記第１の面上に設けられた金属放熱板と、
   前記セラミック板の前記第２の面上に設けられ、加工硬化層を含み、前記加工硬化層がなす前記実装面を有する金属回路板と、
   を備える、基板。