JP6631333B2 - パワーモジュール用基板の製造方法 - 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の製造方法に関する。

パワーモジュール基板は、セラミックス基板の一方の面に回路層が積層状態に接合され、セラミックス基板の他方の面に金属層が積層状態に接合されたものであり、その金属層にヒートシンクが接合されてヒートシンク付きパワーモジュール用基板となり、回路層に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされることによりパワーモジュールが構成される。

特許文献１には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等からなるセラミックス基板（絶縁基板）の両面に、銅からなる回路層及び金属層をろう材を用いて接合することが開示されている。この場合、回路層及び金属層をセラミックス基板に接合する方法として、セラミックス基板と回路層及び金属層との間にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材の箔を挟んだ状態で、これらに荷重を加え、真空中で８００〜９００℃に加熱して、これらを接合状態とする活性金属法が紹介されている。また、併せて、金属層とヒートシンク（放熱体）との接合にはんだが用いられることも記載されている。

特開２００４−２２１５４７号公報

しかしながら、金属層にヒートシンクをはんだ付けした場合、その後の使用環境における熱負荷によって、金属層とヒートシンクとの接合界面から剥離が生じ、パワーモジュールとしての熱抵抗が上昇してしまうという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、銅又は銅合金からなる金属層とヒートシンクとの接合界面の剥離を確実に防止して、熱抵抗の上昇を抑制し、長寿命化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を提供することを目的とする。

発明者は、金属層とヒートシンクとの間の剥離について鋭意研究した結果、銅又銅合金からなる金属板を活性金属ろう材を介してセラミックス基板に接合すると、加熱により溶融したろう材が金属板の側面を這い上がり、接合後の金属層の表面にろうシミとなって残存し、その上にヒートシンクがはんだ付けされると、ろうシミが生じていた部分から剥離が生じることを見出した。
そこで、ヒートシンク接合前に金属層のろうシミを除去する解決手段を採用した。

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、セラミックス基板に銅又は銅合金からなる金属板を銀を含有する活性金属ろう材により接合して金属層を形成した後、前記金属層の表面を銀剥離液に接触させて、前記金属層の周縁部に付着した銀を除去し、前記金属層は、金属板を打ち抜き成形したものを前記セラミックス基板に積層して接合することにより形成されたものであり、打ち抜き成形時に生じるだれ面を前記セラミックス基板との接合面とは反対面に配置して前記金属板を前記セラミックス基板に接合する。

銀を含有する活性金属ろう材を用いて金属層とヒートシンクとを接合する場合に生じる
ろうシミの主成分は銀であり、銀剥離液を用いて除去することができる。銀剥離剤としては市販の銀めっき剥離剤等を用いることができる。このろうシミの銀を銀剥離剤によって除去すると、その部分の表面の銀が除去された分、凹凸が生じて表面が粗くなる。このため、その上にヒートシンクをはんだ付けすることにより、はんだ層に対するアンカー効果が期待でき、金属層とヒートシンクとの強固な接合状態を維持することができる。
また、セラミックス基板の表面に金属層を形成する場合、銅又は銅合金からなる金属板を用意し、これをセラミックス基板の表面に積層してろう付けする。この場合、金属板は一般にプレスによる打ち抜きによって形成され、このため、金属板の一方の面の周縁部がだれ面に形成され、他方の面の周縁部にバリが生じ易い。そして、この金属板をセラミックス基板に積層する際にだれ面側をセラミックス基板に重ねると金属板が動きやすいため、バリが生じている面をセラミックス基板に重ねて接合すると強固な接合を得ることができる。しかしながら、接合時にはカーボン板の当て板によってセラミックス基板と金属板との積層体を挟み込んで荷重をかけると、金属板のだれ面の部分で当て板との間に隙間が形成され、この隙間に溶融したろう材が入り込んで金属層表面のろうシミとなる。
本発明の方法を用いることにより、金属層のだれ面における銀を除去してはんだを強固に接合することができ、打ち抜き成形した金属板とセラミックス基板との強固な接合と相俟って、長期的に信頼性の高いヒートシンク付きパワーモジュール用基板を製造することができる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記銀を除去した後の前記金属層の周縁部における算術平均粗さＲａを１．０μｍ以上５．０μｍ以下とするとよく、この程度の算術平均粗さとすることにより、はんだ層に対するアンカー効果を有効に発揮することができる。

本発明のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法は、本発明の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板の前記金属層の前記セラミックス基板とは反対面にヒートシンクをはんだ付けする。

本発明によれば、銅又は銅合金からなる金属層とヒートシンクとの接合界面の剥離を確実に防止して、熱抵抗の上昇を抑制し、長寿命化を図ることができる。

本発明の実施形態のパワーモジュール用基板の全体構成を示す縦断面図である。 図１のパワーモジュール用基板にヒートシンクをはんだ付けしてなるヒートシンク付きパワーモジュール基板の縦断面図である。 プレス成形の打ち抜きにより形成された金属板の周縁部の縦断面図である。 金属板をセラミックス基板に接合している状態を示す要部の縦断面図である。 接合に用いられる加圧装置の例を示す正面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
パワーモジュール用基板１０は、図１に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２が厚さ方向に積層された状態に接合され、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３が厚さ方向に積層された状態に接合されている。そして、金属層１３にヒートシンク１５が接合されることにより、図２に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０が構成され、回路層１２の表面にはんだ付けによって半導体素子３１が搭載され、必要な配線、樹脂によるモールディングがなされることにより、パワーモジュールが構成される。

セラミックス基板１１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等により、例えば０．２５ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さに形成される。また、回路層１２及び金属層１３は無酸素銅やタフピッチ銅等の銅又は銅合金により形成され、その厚さは、例えば０．１ｍｍ〜１０ｍｍとされる。
本実施形態のパワーモジュール用基板１０の好ましい組合せ例としては、例えばセラミックス基板１１が厚み０．３２ｍｍの窒化珪素、回路層１２が厚み０．８ｍｍの純銅板、金属層１３が厚み０．８ｍｍの純銅板で構成される。これら回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１とは銀チタン（Ａｇ−Ｔｉ）系又は銀銅チタン（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）系等のろう材を用いた活性金属ろう付け法によって接合される。

次に、このパワーモジュール用基板１０及びヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０の製造方法について説明する。
この製造方法においては、まず、金属板、セラミックス基板を形成（金属板・セラミックス板形成工程）し、これらを積層状態に接合（接合工程）することによりパワーモジュール用基板１０を作製し、金属層１３の表面に付着した銀を除去（銀除去工程）した後、金属層１３にヒートシンク１５をはんだ付け（ヒートシンクはんだ付け工程）することによりヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０を作製する。
以下、この工程順に説明する。

（金属板・セラミックス基板形成工程）
銅又は銅合金からなる平板をプレス成形して、回路層１２及び金属層１３となる金属板１７を打ち抜き加工する。この打ち抜き加工においては、プレスのパンチとダイとの間のクリアランスにより、図３に示すように、金属板１７には、その一方の面（加工時にダイの成形孔に向いた面）の周縁部にだれ面１７ａが形成され、他方の面（成形時にパンチに押圧される面）の周縁部にバリ１７ｂが生じ易い。
一方、セラミックス基板１１は、複数個のパワーモジュール用基板１０を形成できる大きさの平板を作製して、個々のパワーモジュール用基板１０の大きさに分割できる溝を形成しておく。

（接合工程）
そして、各セラミックス基板１１の領域にそれぞれ金属板１７を活性金属ろう材を介して積層する。このとき、図３に示すように金属板１７のだれ面１７ａがセラミックス基板１１との接合面とは反対側に配置されるように積層する。
この積層体Ｓを図５に示す加圧装置によって積層方向に加圧した状態とする。
この加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備えている。

固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されており、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体Ｓが配置される。積層体Ｓの両面には加圧を均一にするためにクッションシート１１６が配設される。クッションシート１１６は、カーボンシートとグラファイトシートの積層板で形成されている。

この加圧装置１１０により積層体Ｓを加圧した状態で、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設置し、真空雰囲気下で接合温度に加熱してセラミックス基板１１に金属板１７をろう付け接合する。この場合の接合条件としては、例えば０．０５ＭＰａ以上１．０ＭＰａ以下の加圧力で、８００℃以上９３０℃以下の接合温度で、１分〜６０分の加熱とする。

このろう付けは、活性金属ろう付け法であり、ろう材中の活性金属であるＴｉがセラミックス基板１１に優先的に拡散して窒化チタン（ＴｉＮ）を形成し、銀銅（Ａｇ−Ｃｕ）合金を介して金属板１７とセラミックス基板１１とを接合する。これにより、セラミックス基板１１の両面に回路層１２及び金属層１３を接合した接合体が形成される。

このようにして接合された接合体Ｓにおいては、金属板１７とセラミックス基板１１との間に介在していたろう材が金属板１７の側面を伝って表面に染み出す現象が生じる。特に、前述したようにプレス成形で打抜かれた金属板１７のだれ面１７ａがセラミックス基板１１との接合面とは反対側に配置されているため、図４に示すように、加圧装置１１０のクッションシート１１６との間にだれ面１７ａの部分に隙間が生じており、この隙間に鎖線で示すようにろう材が侵入し易い。

（銀除去工程）
接合体を銀剥離液に浸漬させ、回路層１２及び金属層１３表面に付着した銀を除去する。ろう材の主成分は銀であるので、銀剥離液を用いる。
銀剥離液としては、例えば佐々木化学薬品株式会社製「エスバックＡＧ−６０１」が用いられる。この「エスバックＡＧ−６０１」は、酢酸及びキレート剤を主成分とした銀めっき剥離剤であり、過酸化水素水及び水とを配合した状態で用いられ、過酸化水素水で銀を酸化（イオン化）させて、キレート剤の作用で液中に円滑に溶かし出すことができる。
その好ましい配合比は、以下の通りである。
「エスバックＡＧ−６０１」：１容量
３５％過酸化水素水：５容量
水：４容量
この銀剥離液に接合体を適宜の時間浸漬すると、回路層１２及び金属層１３の周縁部に付着した銀が除去される。その結果、その周縁部が中央部分の表面に比べて粗い状態となり、回路層１２及び金属層１３の中央部分の表面の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以上０．９μｍ以下であるのに対して、周縁部の算術平均粗さＲａが１．０μｍ以上５．０μｍ以下となる。
この場合、回路層１２や金属層１３の周縁部の表面粗さは、接合時のろうシミ状態に依存し、ろうシミ量が多いほど粗くなる。このため、ろうシミ量を制御すれば、銀除去工程後の表面粗さも制御することができ、金属板１７とセラミックス基板１１との接合面積から割り出される必要ろう材量に対する増加分を制御すればよい。
なお、この周縁部は、回路層１２や金属層１３の周縁からからの幅Ｌが０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲である。なお、幅Ｌは回路層１２や金属層１３の周縁のダレ量によって制御することが可能である。

（ヒートシンクはんだ付け工程）
このようにして製造されたパワーモジュール用基板１０の金属層１３にヒートシンク１５をはんだ付けすることにより、図２に示すヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０が形成される。このとき、ヒートシンク１５は金属層１３の全面にはんだ付けされる。したがって、先の銀除去工程で表面が粗くなった金属層１３の周縁部にもはんだが付着して、表面の凹凸部分に侵入し、そのアンカー効果により金属層１３とヒートシンク１５とが強固に接合状態を維持することができる。図２において、符号１８はそのはんだ接合層を示す。

以上のようにして製造されたヒートシンク付きパワーモジュール用基板２０の回路層１２に半導体素子３１をはんだ付けし、必要な配線後に樹脂でモールディングすることにより、パワーモジュールが形成される。回路層１２の周縁部の表面粗さが大きくなっているので、モールディングされた樹脂との密着性も向上する。

本発明例及び比較例のヒートシンク付きパワーモジュール用基板は、次のように製造した。４０ｍｍ角で厚み０．３２ｍｍの窒化珪素からなるセラミックス基板と、３７ｍｍ角で厚み０．８ｍｍの無酸素銅からなる金属板とを用意した。なお、金属層となる金属板は、無酸素銅からなる銅板をダレ量（銅板の面方向の寸法）が表１記載の値になるようプレス加工によって得た。そして、セラミックス基板の両面にＡｇ−２７．３質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉペーストを表１記載の厚さで塗布し、その上に金属板のバリ面を重ねるようにして、金属板とセラミックス基板とを積層し、その積層体を０．５ＭＰａの加圧力で、８７０℃の温度で、３０分加熱することにより接合した。
そして、接合体を水酸化ナトリウム水溶液で処理した後、水洗し、硫酸と過酸化水素の混合水溶液で洗浄処理を行った。この洗浄処理の時間によって中央部分のＲａを表１の範囲内に調製した。
その接合体を前述のようにして「エスバックＡＧ−６０１」で作った２５℃の銀剥離液に５分間浸漬した。
この金属層の表面に、ニッケルめっきされたアルミニウム製ヒートシンク（厚み５ｍｍ）をＳｎ‐Ａｇ系のはんだを用いてはんだ付けし、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板を得た。
なお、比較例１については、銀剥離液の処理を行わなかった。
そして、得られたヒートシンク付きパワーモジュール用基板について、−４０℃×５分と１５０℃×５分との間で繰り返す冷熱サイクルを２０００サイクル実施し、試験前後の金属層とヒートシンクとの接合界面を超音波探傷装置を用いて撮影し、接合率＝（接合面積−非接合面積）／接合面積を求めた。
評価結果を表１に示す。

表１の結果から、銀剥離液によって処理を行ったヒートシンク付きパワーモジュール用基板は、金属層とヒートシンクの接合信頼性が高いことが確認された。

なお、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可能である。
実施形態では金属板、セラミックス基板接合工程後に銀除去工程によって金属層、回路層とも周縁部の銀を除去したが、本発明においては、銀除去工程は少なくとも金属層の周縁部に対して行われればよい。

１０…パワーモジュール用基板
１１…セラミックス基板
１２…回路層
１３…金属層
１５…ヒートシンク、
１７…金属板
１７ａ…だれ面
１７ｂ…バリ
１８…はんだ接合層
２０…ヒートシンク付きパワーモジュール用基板
３１…半導体素子、
１１０…加圧装置
１１６…クッションシート

Claims (3)

1. セラミックス基板に銅又は銅合金からなる金属板を銀を含有する活性金属ろう材により接合して金属層を形成した後、前記金属層の表面を銀剥離液に接触させて、前記金属層の周縁部に付着した銀を除去し、
   前記金属層は、金属板を打ち抜き成形したものを前記セラミックス基板に積層して接合することにより形成されたものであり、打ち抜き成形時に生じるだれ面を前記セラミックス基板との接合面とは反対面に配置して前記金属板を前記セラミックス基板に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。
2. 前記銀を除去した後の前記金属層の周縁部における算術平均粗さＲａを１．０μｍ以上５．０μｍ以下とすることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
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よって製造されたパワーモジュール用基板の前記金属層の前記セラミックス基板とは反対面にヒートシンクをはんだ付けすることを特徴とするヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法。