JP4998100B2 - パワーモジュール用基板及びパワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、大電流、高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及びパワーモジュールに関する。

一般に、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、パワーモジュール用基板としては、例えば、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等からなるセラミックス基板上にアルミニウム層をＡｌ−Ｓｉ系等のろう材料を介して接合させたものが用いられている。このアルミニウム層は、後工程のエッチングにおいて回路が形成されて、回路層となる。そして、エッチング後は、この回路層の表面にはんだ材を介して電子部品（半導体チップ等のパワー素子）が搭載されて、パワーモジュールとなされるようになっている。

この回路層には、前記エッチングによって、導体パターン（回路）が形成されている。この導体パターンは、その各回路同士の間に溝状や穴状をなす間隙が設けられており、これらにより各回路同士を絶縁している。一般に、エッチングとしては、回路層の表面にレジスト膜で所定のパターンのマスクを施し、エッチング液に浸漬したり又はこの液を吹き付けたりしてこの回路層を溶解し所定の回路形状を形成する、所謂ウェットエッチングによる方法が知られている。

ところで、近年、パワーモジュールには、種々の用途に合わせさらなる大電流・高電圧化が求められるとともに、装置の小型化・低価格化が求められており、いかにして、この回路層上に形成される各回路同士の間隙を狭められるかという点に着目がなされている。この回路層の各回路同士の間隔を狭めるためには、この間隙を形成する溝や穴の壁面を、この回路層の表面に対し極力垂直に形成させる必要がある。

しかし実際には、ウェットエッチング時には、エッチング液が回路層をその積層される方向に溝状・穴状に溶解していくに連れ、漸次液の入り込み量が少なくなり液溜まりするため、溶解力が低下し、形成される溝や穴の壁面はその深部に行くに連れ傾斜が緩くなり、なだらかな勾配で形成される。

前記壁面の深部が、傾斜が緩く勾配もなだらかに形成されると、隣り合うこれら壁面同士が互いに接触し、回路が絶縁不良となる虞がある。また、この絶縁不良を防止するための措置として各回路同士の間隔を必要以上に広く取ると、装置全体の寸法を小型化することが難しくなる。

そこで、各回路同士の間隙を形成する前記壁面を極力垂直に形成させるための手段として、例えば特許文献１には、エッチング液を構成する混合液の成分に着目した方法が開示されている。この方法によれば、前記混合液の成分を特定することで前記壁面を垂直に近い形状に形成させることができる。そしてその壁面は、傾斜の水平方向の幅寸法が２００μｍ以下、または、その傾斜の前記回路層の厚み寸法に対するこの水平方向の幅寸法の比が０．５以下となされている。
特開２００４−３５６５０２号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、このエッチング液を構成する混合液の成分を常に特定の状態に維持させ続ける必要があり、製造時、連続して大量にエッチングを行うにあたっては、このエッチング液には回路層から溶け出す成分等、他の要素も混ざり合うため、この液を精度よく調整し維持し続けることは難しかった。また、前記壁面の傾斜についても、近年、前述の値以上にその垂直さが求められており、これらが課題とされていた。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、回路層の各回路同士が良好に絶縁されるとともに、小型化・低価格化が可能な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。

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。すなわち本発明は、セラミックス基板の表面に、その上に接合したアルミニウム層のエッチングにより回路層を形成してなるパワーモジュール用基板であって、前記アルミニウム層は、純度９９．９９％以上のアルミニウムからなる平板状とされており、前記回路層は、その前記セラミックス基板との接合界面から２００μｍ以内のＳｉの含有量が０．７ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下とされていることを特徴とする。

この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、前記回路層は、セラミックス基板と回路層との接合界面から２００μｍ以内のＳｉ含有量が０．７ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下とされているので、エッチングによってこの回路層を形成させる際、エッチング液が回路層の溝状や穴状をなす各回路同士の間隙をその積層方向に溶解して形成していくに連れて、その深部にＳｉを豊富に含む層が露出されるので、このエッチング液の溶解力を低下させることなく、深部まで溶解が良好に行われる。よって、前記間隙を形成する壁面の傾斜を、極力垂直に形成させることができる。

また、本発明に係るパワーモジュール用基板は、前記回路層の回路間の壁面の傾斜は、前記接合界面方向の幅寸法が５４μｍ以下、または、前記回路層の厚み寸法に対する前記幅寸法の比が０．０９以下とされていることとしてもよい。また、本発明に係るパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板の前記回路層の表面に電子部品が搭載されていることを特徴とする。

この発明に係る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、回路層に形成される回路間の壁面の傾斜は、接合界面方向の幅寸法が５４μｍ以下とされ、または、回路層の厚み寸法に対する前記幅寸法の比が０．０９以下とされて、極力狭い幅になるよう形成されている。そして、この壁面は前記回路層の表面に対し極力垂直に近い形状に形成されている。よって、回路層の各回路同士の間隔を極力狭めることができるとともに、これら各回路同士を良好に絶縁させることができる。

本発明に係る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、回路層の各回路同士が良好に絶縁されるとともに、小型化・低価格化が可能となる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１乃至図５は本発明の一実施形態のパワーモジュール用基板の製造工程を示す概略図、図６は回路層の各回路同士の間隙を形成する壁面の拡大図である。

図１、図２に示すように、このパワーモジュール用基板を製造するには、まず、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等からなる平板状のセラミックス基板１の表面に、純度９９．９９％以上のアルミニウムからなる平板状のアルミニウム層２を配置し、これらの間に、Ａｌ−１０．５％Ｓｉの１５μｍ以上２０μｍ以下、または、Ａｌ−７．５％Ｓｉの２５μｍ以上３０μｍ以下のろう材箔３を介在させて、これらを積層方向に圧力をかけつつろう付け接合する。接合されたアルミニウム層２は、後工程のエッチングにおいてこのパワーモジュール用基板の回路を形成するための回路層２ａとされる。

次に、図３に示すように、セラミックス基板１上の回路層２ａ（アルミニウム層２）の表面に、所定の導体パターン（回路）の形状を有するレジスト膜４を形成する。そして、この回路層２ａにエッチング液として塩化第二鉄液（ＦｅＣｌ_３濃度４４％以上、ＦｅＣｌ_２濃度０．１３％以下、ＨＣＬ（遊離酸）濃度０．１５％以下、比重（ボーメ度）４７±２°）を用いて吹き付け、エッチングにより溶解を行い回路を形成させる。図４に示すように、このエッチングで形成される溝状や穴状の各回路同士の間隙５は、レジスト膜４の表面側からセラミックス基板１の表面側へと、これらの積層方向に向けて形成されていく。

そして、このエッチングによる溶解は、図５に示すように、セラミックス基板１と回路層２ａとの接合界面６の位置まで進行していく。この溶解では、まず回路層２ａの表面側から延びる壁面５ａが形成され、壁面５ａが積層方向の深部へ向かうに連れ、傾斜の異なる壁面５ｂが形成されていき、壁面５ｂが接合界面６に到達して、この間隙５が形成されるようになっている。そしてこの間隙５は、その両脇に配置される回路７ａと回路７ｂとを電気的に分断し、これらを絶縁している。エッチング後は、レジスト膜４は除去されて、パワーモジュール用基板１０が得られる。

図６に示すように、壁面５ａ，５ｂは、夫々の面の傾斜が異なっている。壁面５ａは、面の傾斜が比較的急であり、回路層２ａの表面に対し垂直に近い傾斜で形成されている。また、壁面５ｂは、エッチング時にエッチング液が間隙５の深部に入り込むに連れ、若干その溶解力が低下するために、面の傾斜が壁面５ａに比べ緩やかに形成されている。

ここで、回路層２ａの、接合界面６に近接する層Ａには、前述のろう付け時にろう材箔３から拡散されたＳｉが、０．７ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下含有されている。本実施形態では、回路層２ａの厚み寸法ｔが６００μｍで、この層Ａが２００μｍとされている。そして、連続して形成される壁面５ａ，５ｂは、その接合界面６方向の幅寸法Ｗ１が、５４μｍ以下とされている。また、壁面５ａ，５ｂは、その傾斜が回路層２ａの厚み寸法ｔに対する幅寸法Ｗ１の比で０．０９以下とされて形成されている。

ところで、従来のパワーモジュール用基板では、回路層２ａの接合界面６に近接する層Ａには、Ｓｉが本実施形態ほど多くは含有されておらず、一般に０．７ｗｔ％未満とされていた。また、図６の２点鎖線で示すように、エッチングにより形成される壁面５ｂの面の傾斜も、本実施形態の壁面５ｂ（実線）と比較し緩やかな勾配で形成されていた。そして、連続する壁面５ａ，５ｂの、接合界面６方向の幅寸法Ｗ２が、本実施形態の幅寸法Ｗ１に比べて大きく形成されていた。

本発明の実施形態によれば、セラミックス基板１の表面に、純度９９．９９％以上のアルミニウムからなるアルミニウム層２を積層させ、これらセラミックス基板１とアルミニウム層２との間に、Ａｌ−１０．５％Ｓｉからなる厚み１５μｍ以上２０μｍ以下のろう材箔３を介在させ、または、Ａｌ−７．５％Ｓｉからなる厚み２５μｍ以上３０μｍ以下のろう材箔３を介在させてろう付け接合している。そして、製造されたパワーモジュール用基板１０の回路層２ａの接合界面６から２００μｍ以内の層ＡにおけるＳｉ含有量を０．７ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下としている。

そして、エッチングの際、エッチング液が回路層２ａの溝状や穴状をなす各回路同士の間隙５をその積層方向に溶解し形成していくに連れて、その深部にＳｉを豊富に含む層Ａが露出されてくるので、このエッチング液の溶解力を低下させることなく深部まで溶解が良好に行われる。詳しくは、その回路層２ａに形成される各回路同士を絶縁する間隙５の壁面５ａ，５ｂの傾斜が、接合界面６方向の幅寸法Ｗ１が５４μｍ以下とされ、または、回路層２ａの厚み寸法ｔに対する前記接合界面６方向の幅寸法Ｗ１の比が０．０９以下とされて、極力狭い幅になるよう形成されている。

よって、この壁面５ａ，５ｂは、回路層２ａの表面に対し極力垂直に近い形状に形成されている。これにより、回路層２ａのこれら各回路同士の間隔５を極力狭めて形成させることができるとともに、各回路同士を良好に絶縁させることができ、装置の小型化・低価格化が可能となる。

また、前述の層ＡのＳｉ含有量が、従来のように０．７ｗｔ％未満の場合はエッチング液の溶解力を低下させてしまうため十分な効果が得られず、逆に１．２ｗｔ％を超える場合はこのパワーモジュール用基板１０の熱サイクル時の接合信頼性を低下させる虞がある。よって、Ｓｉ含有量の範囲は、本発明の０．７ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下とされるのが好ましい。そして、このＳｉ含有量の範囲によれば、これらＳｉ成分が接合界面６の微細組織の転位の動きを妨げ、結晶粒の微細化を防止するので、結晶粒界に沿ってクラックが発生するのを防止し、よって、セラミックス基板１と回路層２ａとの熱サイクル時における接合信頼性も向上させることができる。

なお、本発明は前述の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可能である。例えば、本実施形態ではパワーモジュール用基板１０の製造方法について説明したが、その後工程において、このパワーモジュール用基板１０の表面に半導体チップ等の電子部品を搭載して、パワーモジュールとしてもよい。

また、本実施形態のパワーモジュール用基板１０では、セラミックス基板１の表面に回路層２ａが接合されるのみの構成としたが、これに限らず、例えばこのセラミックス基板１の表面に回路層２ａを接合し、裏面に放熱のための金属層を接合する構成として、セラミックス基板１の両面に層を形成してもよい。

また、本実施形態では、ろう材箔３として、Ａｌ−１０．５％Ｓｉからなる厚み１５μｍ以上２０μｍ以下、または、Ａｌ−７．５％Ｓｉからなる厚み２５μｍ以上３０μｍ以下のものを用いたが、同様のＳｉを含むろう材料であれば、ろう材箔３に限らず、例えばペースト状のろう材料であっても構わない。

また、本実施形態では回路層２ａの厚み寸法ｔを６００μｍとしたが、これに限らず、その厚み寸法ｔを増減させてもよい。そして、間隙５を形成する壁面５ａ，５ｂが、その回路層２ａの厚み寸法ｔに対する幅寸法Ｗ１の比で０．０９以下とされて形成されていればよい。

また、本実施形態ではエッチング液として塩化第二鉄液（ＦｅＣｌ_３濃度４４％以上、ＦｅＣｌ_２濃度０．１３％以下、ＨＣＬ（遊離酸）濃度０．１５％以下、比重（ボーメ度）４７±２°）を用いて、吹き付けにより溶解して回路を形成させるとしたが、同等の効果を持つエッチング液であればこれに限らず、他のエッチング液を使用してもよい。また、エッチングの方法を吹き付けによらず、浸漬によって行っても構わない。

また、本実施形態では、説明の便宜上、間隙５の壁面をその積層方向の浅部と深部とで夫々傾斜の異なる壁面５ａ，５ｂとして説明したが、これに限らず、これら連続する壁面５ａ，５ｂの断面形状が、緩やかにカーブする円弧状であってもよい。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。ただし本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
[実施例１]
まず、ＡｌＮからなるセラミックス基板１を用意し、この表面に純度９９．９９％のアルミニウムからなるアルミニウム層２を配置し、Ａｌ−１０．５％Ｓｉの厚み２０μｍのろう材箔３を間に介在させて接合した。このろう付けは、これらセラミックス基板１、ろう材箔３、アルミニウム層２からなる積層体を積層方向に加圧した状態で、５６０℃にて９０分加熱した後、６４５℃にて４５分間加熱して行った。そしてろう付け後の回路層２ａの厚み寸法ｔが６００μｍであるパワーモジュール用基板１０を得た。

そして、パワーモジュール用基板１０の回路層２ａ（アルミニウム層２）の表面にレジスト膜４を形成し、この回路層２ａに塩化第二鉄液（ＦｅＣｌ_３濃度４４％以上、ＦｅＣｌ_２濃度０．１３％以下、ＨＣＬ（遊離酸）濃度０．１５％以下、比重（ボーメ度）４７±２°）を、温度５５±１℃、処理時間３分〜２０分の条件下で吹き付けてエッチングを行い、回路を形成させた。

エッチング後、レジスト膜４を除去し、このパワーモジュール用基板１０の回路層２ａの表面の状態をレーザー顕微鏡を用いて観察し、画像処理を行って、その形成された各回路同士の間隙５の壁面５ａ，５ｂの幅寸法Ｗを測定した。また、回路層２ａの厚み寸法ｔに対する幅寸法Ｗの比を算出した。また、回路層２ａの接合界面６から２００μｍ以内の層Ａに含まれるＳｉ含有量を分析した。これらの結果を、表１として示す。

[実施例２]
ろう材箔３を、Ａｌ−７．５％Ｓｉの厚み２６μｍとした以外は、実施例１と同様にして評価を行った。
[比較例]
従来例として、ろう材箔を、Ａｌ−７．５％Ｓｉの厚み１７μｍとした以外は、実施例１と同様にして評価を行った。

表１に示す通り、実施例１・実施例２においては、幅寸法Ｗ、及び幅寸法Ｗの厚み寸法ｔに対する比、ともに非常に小さい値に形成されており、その壁面５ａ，５ｂは垂直に近い状態とされ良好な結果と言える。そして、層Ａに含まれるＳｉ量は、０．７ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下であった。一方、比較例においては、幅寸法Ｗ、及び幅寸法Ｗの厚み寸法ｔに対する比、ともに実施例１・実施例２に比較し大きい値となり、その壁面５ａ，５ｂは間隙５の深部において傾斜の緩い裾野状に形成された。また、層Ａに含まれるＳｉ量は、０．７ｗｔ％未満であった。

本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造工程を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造工程を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造工程を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造工程を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造工程を示す概略図である。 回路層の各回路同士の間隙を形成する壁面を示す拡大図である。

符号の説明

１ セラミックス基板
２ アルミニウム層
２ａ 回路層
３ ろう材箔
５ａ，５ｂ 壁面
６ 接合界面
１０ パワーモジュール用基板
Ａ 接合界面近傍の回路層側の層
ｔ 回路層の厚み寸法
Ｗ１，Ｗ２ 各回路同士の間隙に形成される壁面の接合界面方向の幅寸法

Claims (3)

1. セラミックス基板の表面に、その上に接合したアルミニウム層のエッチングにより回路層を形成してなるパワーモジュール用基板であって、
   前記アルミニウム層は、純度９９．９９％以上のアルミニウムからなる平板状とされており、
   前記回路層は、その前記セラミックス基板との接合界面から２００μｍ以内のＳｉの含有量が０．７ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下とされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
2. 請求項１記載のパワーモジュール用基板であって、
   前記回路層の回路間の壁面の傾斜は、前記接合界面方向の幅寸法が５４μｍ以下、または、前記回路層の厚み寸法に対する前記幅寸法の比が０．０９以下とされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
3. 請求項１または請求項２記載のパワーモジュール用基板の前記回路層の表面に電子部品が搭載されていることを特徴とするパワーモジュール。

Images