JP6694059B2 - パワーモジュール用基板およびパワーモジュール - Google Patents

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Description

本開示は、金属板を有するパワーモジュール用基板、パワーモジュールおよびパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。
従来、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の電子部品が搭載されたパワーモジュール等の電子装置に用いられる回路基板として、例えば、セラミック焼結体等からなる絶縁基板の上面に銅等の金属材料からなる金属板が接合されたパワーモジュール用基板が用いられている。
回路基板の金属板は、電子部品を外部電気回路に電気的に接続するための回路を形成している。回路基板に搭載された電子部品が金属板に電気的に接続され、電子部品がモールド樹脂で被覆されて電子装置が作製される。このような電子装置は、金属板を介して電子部品と外部電気回路とが互いに電気的に接続される。
最近では、電子部品の金属板等への接合に、銀粒子の焼結体を用いる技術が提案されている。また、金属板表面に酸化膜が形成されることを抑制するために、電子部品が搭載される金属板の上面に銀層を設ける技術も提案されている（例えば特許文献１を参照）。
特開2006−202938号公報
本開示の１つの態様のパワーモジュール用基板は、上面および下面を有する絶縁基板と、上面および下面を有し、該下面が前記絶縁基板の前記上面に対向して接合された金属板と、前記金属板の上面の中央部を部分的に被覆している第１電気めっき層とを有している。また、前記第１電気めっき層は少なくとも銀層を有しており、該銀層における銀の粒径が前記金属板の上面部分における金属の粒径以上の大きさである。
本開示の１つの態様のパワーモジュールは、上記構成のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板の前記第１電気めっき層上に搭載された電子部品と、前記金属板の上面のうち前記第１電気めっき層が設けられていない部分から前記電子部品にかけて覆う樹脂層とを有している。
図１（ａ）は本開示の実施形態のパワーモジュール用基板を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 図２（ａ）は図１（ｂ）のＥ部分の一例を拡大して示す断面図であり、図２（ｂ）は図１（ｂ）のＥ部分の他の例を拡大して示す断面図である。 図３（ａ）は本開示の実施形態のパワーモジュールを示す平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 図４（ａ）は図１に示すパワーモジュール用基板の一例における要部を拡大して示す平面図であり、図４（ｂ）および図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線における断面の一例を示す断面図である。 図５は本開示の他の実施形態のパワーモジュール用基板およびパワーモジュールを示す断面図である。 図６は図５のＦ部分の一例を拡大して示す断面図である。 図７は本開示の実施形態のパワーモジュール用基板およびパワーモジュールに含まれる絶縁基板の一例における上面部分を拡大して示す断面図である。 図８（ａ）は本開示の実施形態の製造方法でパワーモジュール用基板を製作する工程に含まれる多数個取りパワーモジュール用基板を示す平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図であ、図８（ｃ）は図８（ａ）の下面図である。 図９（ａ）〜図９（ｃ）はそれぞれ本開示の実施形態におけるパワーモジュール用基板の製造方法を工程順に示す断面図である。 図１０（ａ）〜図１０（ｃ）はそれぞれ本開示の実施形態におけるパワーモジュール用基板の製造方法を工程順に示す断面図である。
従来の回路基板等においては、例えば車載用等の過酷な温度条件下における信頼性の向上が課題になっている。すなわち、エンジンルーム等の車内における温度変化による熱応力の繰り返しに対して、樹脂層と回路基板との接合信頼性を向上させる必要がある。また、銀層の金属板等に対する接合の信頼性も向上させる必要がある。本開示のパワーモジュール用基板は、このような樹脂層と回路基板との接合強度を向上させ、また、銀層の金属板からの剥がれを防止することができる。したがって、樹脂層による電子部品の封止等の信頼性向上に対して有効なパワーモジュール用基板を提供することができる。
本開示の実施形態のパワーモジュール用基板、パワーモジュールおよびパワーモジュール用基板の製造方法について図面を参照して説明する。なお、以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際にパワーモジュール用基板およびパワーモジュール等が使用される際の上下を限定するものではない。
（パワーモジュール用基板およびパワーモジュール）
まず、個片（１個取り）のパワーモジュール用基板およびそれを含むパワーモジュールについて説明する。
図１（ａ）は本開示の実施形態のパワーモジュール用基板を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。また、図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれ図１（ｂ）のＥ部分の一例を拡大して示す断面図である。また、図３（ａ）は本開示の実施形態のパワーモジュールを示す平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。なお、図３（ａ）においては、樹脂層12は省略している。
実施形態のパワーモジュール用基板10は、絶縁基板１と、絶縁基板１上面に設けられた金属板２と、金属板２の上面を部分的に被覆している第１電気めっき層３とを有している。第１電気めっき層３は、少なくとも銀層３ａを有している。第１電気めっき層３は、銀層３ａと金属板２の上面との間に配置されたニッケル層３ｂをさらに含んでいてもよい。図２（ｂ）の例では、さらに、銀層３ａとニッケル層３ｂとの間にパラジウム層３ｃが配置されている。このパワーモジュール用基板10に電子部品11が搭載され、電子部品11が樹脂層12で被覆されて実施形態のパワーモジュール20が基本的に構成されている。
実施形態のパワーモジュール用基板10は、例えば、絶縁基板１の上面にさらに端子板４を有している。端子板４は、電子部品11を外部電気回路（図示せず）に電気的に接続するためのボンディングワイヤ13等の接続材を接続する端子として機能する。
実施形態のパワーモジュール用基板10は、金属板２の上面の中央部に第１電気めっき層３が部分的に設けられている。第１電気めっき層３は、少なくとも銀層３ａを有している。第１電気めっき層３は、上記のように銀層３ａの下側に他の金属層が配置されたものでもよい。言い換えれば、第１電気めっき層３は、少なくともその最表層が銀層３ａである。
金属板２は、例えば銅または銅または銅合金等の金属材料によって形成されている。上記のように銀層３ａを含む第１電気めっき層３が配置されているため、金属板２の上面の電子部品11が搭載される部分の酸化等を抑制することができる。また金属板２上（直接には第１電気めっき層３の銀層３ａ上）に電子部品11を接合して搭載することが容易であり、電気的な接続信頼性の向上についても有利である。
ここで金属板２および端子板４の表面粗さは、第１電気めっき層３の表面粗さより小さく形成することで、ボンディングワイヤ13等の接続材と金属板２および端子板４との接合信頼性を向上させて、第１電気めっき層３と接続材との接合強度を向上させることができる。
なお、端子板４も、金属板２と同様の材料を用い、同様の方法で形成することができる。端子板４の露出表面は、銀層等のめっき層（図示せず）で被覆されていてもよい。
金属板２および端子板４は、例えばチタン等活性金属材料を含むろう材等によって絶縁基板１に接合、つまりろう付けされている。ろう材は、活性金属材料を含まないものでもよい。この場合には、絶縁基板１の上面の所定部位にろう付け用の下地金属層（図示せず）を設けておけばよい。下地金属層は、例えば銀、銅、インジウム、亜鉛、錫、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、モリブデン、オスミウム、レニウムおよびタングステン等から選択される金属を含む金属材料のメタライズ層として絶縁基板１の上面の所定位置に形成することができる。ろう材等による金属板２等の接合方法の詳細については製造方法として後述する。
搭載される電子部品11は、例えば図３に示すように、金属板２の上面のうち第１電気めっき層３が設けられていない部分から電子部品11にかけて覆うように樹脂層12が設けられて封止される。これによって、不活性な銀層３ａではなく金属板２の上面に樹脂層12を接合させることができる。そのため、樹脂層12による電子部品11の封止の信頼性を効果的に向上させることができる。
絶縁基板１は、金属板２を固定して支持するための基体部分である。また、絶縁基板１は、パワーモジュール20を放熱フィン等の外部の放熱用部材30に熱的に接続するときに、金属板２および端子板４と放熱用部材30とを互いに電気的に絶縁させるための絶縁部材として機能することもできる。
第１電気めっき層３の銀層３ａは、前述したように金属板２上に電子部品11が接合され搭載されるときの、電子部品11の接合を容易とするとともに接続信頼性を向上させる機能を有している。
第１電気めっき層３の銀層３ａは、銀の粒子（銀の結晶粒子）（図示せず）が多数個結合して形成された多結晶体である。また、金属板２は、銅等の金属の粒子（金属の結晶粒子）（図示せず）が多数個結合して形成された多結晶体である。銀層３ａにおける銀（の粒子）の粒径は金属板２の上面部分における金属（の粒子）の粒径以上の大きさである。この場合の粒径は、例えば複数の粒子の算術平均粒径である。言い換えれば、銀層３ａを形成している銀の粒子の平均粒径は、金属板２のうち銀層３ａと直接に接している部分およびその近くにおける金属の粒子の平均粒径と同じか、またはより大きい。
銀の粒径が比較的大きいため、金属板２を構成する銅等の金属が銀層３ａへ拡散しにくくなり、この金属と銀との金属間化合物の生成に起因した銀層３ａの金属板２からの剥がれを防止することができる。より詳細には、銀層３ａの銀の粒径が比較的大きいことによって、銀層３ａの単位面積当たりの各粒子間の粒界密度が低くなる。粒界は、金属成分が拡散する経路になりやすいことから、金属板２から拡散した金属成分が粒界から銀層３ａ内の粒子内に拡散しにくくなる。また、金属板２の金属の粒径より大きいことから、銀層３ａ側から上面視した場合の金属板２の金属の粒界と銀層３ａの粒界が重なる領域を小さくすることができるため、金属板２の成分が金属板２の粒界から銀層３ａの粒界を介して拡散しにくくなる。そのため、金属成分の銀層３ａへの拡散を抑制することができる。
上記のような効果に関しては銀の粒径が大きいほどよいが、銀層３ａを形成する作業の容易さ（つまりパワーモジュール用基板10の生産性等）および経済性等を考慮して、例えば、銀の平均粒径が40〜200μｍ程度の範囲であればよい。
一例を挙げれば、例えば金属板２が銅からなり、金属板２の上面部分における銅の粒径が40〜130μｍ程度である場合には、銀層３ａの銀の粒径は、例えば50〜200μｍ程度に設定することができる。
また、上記のような効果を有効に得るためには、銀層３ａにおける銀の粒径は、金属板２の上面部分における銅等の金属の粒径に対して10〜100μｍ程度大きくすることができる。
銀層３ａの粒径は、例えば、電気めっき時の電圧の大きさや電流密度またはめっき液の添加剤の種類や添加量等の条件、または電気めっき後に銀層３ａの加熱処理条件等を調整することによって所望の範囲に調整することができる。
なお、上記の例における金属板２の上面部分とは、金属板２の上面および上面から10μｍ程度の深さの部分である。この上面部分は、銀層３ａまでの距離が比較的小さいため、含有されている金属成分が銀層３ａ中に拡散する可能性が比較的高い部分である。
銀層３ａにおける銀の粒径および金属板２の上面部分における金属の粒径は、例えば金属顕微鏡による表面観察で金属粒子の粒径を測定することによって検知することができる。この場合の粒径は、一般に切片法と呼ばれる方法で算出したものである。切片法ではサンプル断面上に直線を書き、その直線が横切る金属粒子の数を計数する。そして直線の長さを、計数された金属粒子数で除した長さを粒径とする。すなわちこの場合の粒径は、直線が横切る金属粒子の平均的な大きさの量である。なお、上面視した際の銀層３ａの下面と接する金属板２の粒径は、銀層３ａを形成する前に測定しておいてもよいし、銀層３ａを形成した後に、銀層３ａを機械的な手段等で剥離することで測定してもよい。
また、第１電気めっき層３は、上記のようにニッケル層３ｂをさらに含んでいてもよく、金属板２の上面に順次被着されたニッケル層３ｂおよびパラジウム層３ｃをさらに含んでいてもよい。
ニッケル層３ｂは、第１電気めっき層３の金属板２に対する接合強度を向上させる機能を有している。ニッケル層３ｂは、銅等の被めっき材（金属板２）に対する密着強度が高い性質を有している。そのため、ニッケル層３ｂによって第１電気めっき層３が金属板２の上面に強固に被着されている。
また、実施形態のパワーモジュール用基板10において、ニッケル層３ｂと銀層３ａとの間にパラジウム層３ｃが配置されている。パラジウム層３ｃは、ニッケル層３ｂのニッケル成分が銀層３ａに拡散すること抑制する機能を有している。
また、パラジウム層３ｃは、例えばはんだ（図示せず）を介して第１電気めっき層３上に電子部品11が搭載されるときのはんだ濡れ性を向上させる機能も有している。この場合、例えば銀層３ａの一部がはんだ中に溶解したとしても、パラジウム層３ｃにはんだが容易に濡れる。そのため、はんだの濡れ性を向上させることができる。
第１電気めっき層３が銀層３ａである場合、すなわち第１電気めっき層３が銀層３ａのみからなる場合には、めっき、エッチング、熱処理工程数を減らすことができる。また、被覆材除去の際の除去剤による絶縁基板１および第１電気めっき層３の機械的強度の低下を抑制することができる。また工程数削減によりパワーモジュール用基板10のコストを低減することができる。
また、第１電気めっき層３が銀層３ａおよびそのすぐ下側に配置されたニッケル層３ｂを含む場合、すなわち第１電気めっき層３が、金属板２の上面に順次被着されたニッケル層３ｂおよび銀層３ａのみからなる場合には、金属板２から第１電気めっき層３への銅等の金属の拡散を抑制することができる。このことから、第１電気めっき層３の銀層３ａの厚みを抑制することができ、パワーモジュール用基板10のコストを低減することができる。
銀層３ａは、例えばシアン化銀を主成分とするシアン系の電気銀めっき液中で、ニッケル層３ｂおよびパラジウム層３ｃを被着させた金属板２に所定の電流密度および時間で電気めっきを施すことによって形成することができる。形成された銀層３ａは、例えば銀を99.99質量％以上含有する、いわゆる純銀層である。銀層３ａは、前述した例のように金属板２の上面に直接に被着させるようにしてもよい。
ニッケル層３ｂは、例えば硫酸ニッケル等を主成分とするワット浴等のニッケルめっき液中で、金属板２に所定の電流密度および時間で電気めっきを施すことによって形成することができる。形成されたニッケル層３ｂは、例えばニッケルを主成分とし、コバルト等の金属成分を含む金属層となっている。
パラジウム層３ｃは、例えばパラジウムのアンミン錯体等を主成分とするパラジウムめっき液中で、ニッケル層３ｂを被着させた金属板２に所定の電流密度および時間で電気めっきを施すことによって形成することができる。形成されたパラジウム層３ｃは、例えばパラジウムを99.99質量％以上含有する、いわゆる純パラジウム層である。
第１電気めっき層３がニッケル層３ｂおよびパラジウム層３ｃ等を含むときに、銀層３ａの銀の粒径の方が、ニッケル層３ｂに含有されているニッケル粒子（図示せず）およびパラジウム層３ｃに含有されているパラジウム粒子（図示せず）それぞれの粒子の粒径よりも大きくてもよい。上記ニッケルの粒径およびパラジウムの粒径は、前述した銀層３ａにおける銀の粒径と同様の平均粒径であり、同様の方法で測定することができるものである。
この場合にも、銀層３ａの比較的大きい銀の粒子によってニッケルおよびパラジウム等の金属成分の銀層３ａへの拡散を抑制することができる。
ニッケル層３ｂのニッケル粒子およびパラジウム層３ｃにおけるパラジウム粒子の粒径も、銀層３ａにおける銀の粒径と同様に、めっき時電圧や電流、めっき液添加剤の種類や添加量、及びめっき後の熱処理等の各種の条件を調整することによって所定の範囲に調整することができる。
以上のめっき工程において、例えば、金属板２の上面の中央部以外を樹脂材料等からなる被覆材でカバーしておけば、第１電気めっき層３を金属板２の上面の中央部にのみ設けることができる。この場合、被覆材は、めっき工程後に機械的または化学的な手段で除去する。機械的な除去は、ジグ等で樹脂材料を引き剥がす方法であり、化学的な除去は有機溶剤または有機酸等の除去剤で除去する方法である。被覆材を用いた第１電気めっき層３の形成等を含むパワーモジュール用基板10の製造方法の詳細については後述する。
なお、第１電気めっき層３は、ニッケル層３ｂを含むものである場合に、例えば図２（ｂ）に示すように、その側面にニッケル層３ｂの端面が露出していても構わない。言い換えれば、第１電気めっき層３は、その露出面の全面が銀層３ａである必要はなく、一部において銀以外の金属が存在するものであってもよい。銀以外の金属としては、パラジウム、ニッケルおよびコバルト等が挙げられる。
第１電気めっき層３の側面にニッケル層３ｂの端面が露出していれば、ニッケル層３ｂの露出した表面は銀層３ａに比べて活性であるため、樹脂層12の第１電気めっき層３に対する接合の強度を向上させることができる。
また、実施形態のパワーモジュール用基板10およびパワーモジュール20において、例えば図４（ａ）に示すように、平面視において、第１電気めっき層３の外周が凹凸を有する形状であってもよい。図４（ａ）は図１に示すパワーモジュール用基板の変形例における要部を拡大して示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図の他の例である。図４において図１と同様の部位には同様の符号を付している。
図４において示す第１電気めっき層３の上面は銀層３ａの上面である。また、銀層３ａの下側にパラジウム層３ｃおよびニッケル層３ｂも配置されていれば、それらのパラジウム層３ｃおよびニッケル層３ｂも同様に外周に凹凸部分を有している。このような凹凸部分が含まれている場合には、第１電気めっき層３と金属板２との熱膨張差による応力が平面方向の凹凸形状に沿って効果的に分散される。そのため、第１電気めっき層３の外周に沿って直線状に応力が集中する可能性が低減され、第１電気めっき層３の外周部に加わる応力が緩和される。これによって、第１電気めっき層３の金属板２に対する接合の信頼性が効果的に向上する。
なお、このような凹凸部分は、第１電気めっき層３の外周の全周にわたるものである必要はなく、例えば平面視で矩形状であるときの金属板２の外周の辺部分のみでもよく、角およびその近くのみであってもよい。すなわち、凹凸部分の範囲は、金属板２と第１電気めっき層３との間に生じる可能性がある応力の大きさおよび経済性（コスト）等を考慮して、適宜設定されていればよい。
第１電気めっき層３がニッケル層３ｂを有する場合に、上記の凹凸部分において、銀層３ａ上にニッケル３ｂｂが露出していても構わない。すなわち、平面視において、第１電気めっき層３の外周の凹凸部分の少なくとも一部にニッケル３ｂｂが存在していても構わない。この場合には、第１電気めっき層３の上面側においても、表面が比較的活性なニッケル３ｂｂによって樹脂層12の接合の強度を向上させることができる。これによって、樹脂層12による電子部品11の封止の信頼性を効果的に向上させることができる。
このようなニッケル３ｂｂは、例えば、上記のニッケル層３ｂに含まれるニッケル成分の一部であり、ニッケル成分の拡散等によって設けられている。
また、金属板２は、例えば図４に示す例のように、その上面のうち第１電気めっき層３の外周に沿った部分においてくぼみ２ａを有するものであってもよい。図４に示す例では溝状のくぼみである。
この場合には、電子部品11が樹脂層12で覆われて封止されるときに、くぼみ２ａ内の樹脂層12の一部を入り込ませて、金属板２と樹脂層12との接合面積を大きくすることができる。また、このくぼみ２ａの内側面は、金属板２の上面から下側に入り込んだ形状であるため、金属板２と樹脂層12との接合の界面を、熱応力等の応力が生じる方向に対して複数の方向に入り組んだ形状とすることもできる。そのため、単に接合面積を大きくする効果よりも有効に、金属板２と樹脂層12との接合の強度および信頼性を向上させることができる。
このようなくぼみ２ａは、例えば上記のようなめっき工程後に、被覆材を除去する際に金属板２の上面の第１電気めっき層３の外周に沿った部分も多少除去することによって設けることができる。例えば、被覆材を化学的に除去する（溶解する）除去剤として、銅を主成分とする金属板２の上面の一部を溶解する作用を有する塩化第二鉄等の水溶液を用いればよい。
また、この場合に、くぼみ２ａの内側面が、くぼみ２ａの開口から底部に向かって内側に傾斜または湾曲しているものであってもよい。言い換えれば、金属板２の縦断面視において、くぼみ２ａは、図４（ｂ）に示す例のようないわゆる逆三角形状、または図４（ｃ）に示す例のような直径部分を上側にした半円状のものであってもよい。
このようにくぼみ２ａの内側面が傾斜または湾曲している場合には、くぼみ２ａの開口からくぼみ２ａ内に樹脂層12の一部が入り込みやすい。また、くぼみ２ａを樹脂層12の一部が充填すること、つまりくぼみ２ａ内における樹脂層12の金属板２に対する接合面積を大きくすることも容易である。そのため、上記のような樹脂層12と金属板２との接合の強度および信頼性の向上を効果的に得ることができる。
上記のように内側面が傾斜または湾曲したくぼみ２ａは、例えば前述した除去剤によって溝状にくぼみ２ａを形成する際に、その成分の濃度、液温または除去時間等（つまり銅の溶解の速度または時間等）を適宜調整することによって形成することができる。
また、くぼみ２ａの内側面の表面粗さは、金属板２の上面の表面粗さよりも大きいものでもよい。この場合には、くぼみ２ａ内側面における樹脂層12の一部との接合が、比較的粗い内側面によるアンカー効果によって効果的に向上する。したがって、樹脂層12と金属板２との接合の強度および信頼性を効果的に向上させることができる。
内側面の表面粗さが金属板２の上面の表面粗さよりも大きいくぼみ２ａは、例えば、くぼみ２ａの内側面を機械的または化学的に粗化することによって形成することができる。
くぼみ２ａの内側面および金属板２の上面の表面粗さは、例えば算術平均粗さであり、原子間力顕微鏡を用いた測定方法等の方法で測定することができる。
図５は、本開示の他の実施形態のパワーモジュール用基板10およびパワーモジュール20を示す断面図である。図５において図１と同様の部位には同様の符号を付している。図５に示す例において、パワーモジュール用基板10およびパワーモジュール20は、上面および下面を有しており、上面が絶縁基板１の下面に対向して接合された放熱板５をさらに有している。また、放熱板５の下面を覆う第２電気めっき層６をさらに有している。この第２電気めっき層６の外周の少なくとも一部が、放熱板５の下面の外周から離れている。
放熱板５は、電子部品11で発生する熱が金属板２および絶縁基板１を介して絶縁基板１の下面に伝導されたときに、その熱を外部に放散する機能を有する。これによって、パワーモジュール20としての放熱性が向上し、電子部品11の長期の作動信頼性が向上する。また、このような放熱板５を有するパワーモジュール用基板10を用いれば、上記構成のパワーモジュール20を容易に作製することができる。
放熱板５は、例えば金属板２と同様の材料を用い、同様の方法で作製することができる。また、放熱板５は、金属板２と同様の接合手段（ろう付け等）で絶縁基板１に接合することができる。
図５に示すパワーモジュール20は、放熱板５および第２電気めっき層６を含む構成のパワーモジュール用基板10に電子部品11が搭載されて形成されているものである。第２電気めっき層６は、ニッケル層を主成分とするものでもよい。この形態のパワーモジュール20では、放熱板５の下面の外周から電子部品11にかけて覆うように樹脂層12が設けられている。これによって、電子部品11の封止の信頼性を向上させている。パワーモジュール20の放熱用部材30に対する熱的な接続を高くするために、放熱板５の中央部は樹脂層12で覆われていない。なお、樹脂層12は、例えば生産性および経済性等を考慮して、図３に示す例のように絶縁基板１の上面側のみに設けられたものでもよい。
平面視において、放熱板５の大きさは、例えば、金属板２の大きさと同じかそれよりも大きく、絶縁基板１よりも小さいものに設定される。この場合に、放熱板５が金属板２と同じ大きさであれば、金属板２と放熱板５とを絶縁基板１に接合した際に絶縁基板１の上下での熱応力の相違が低減されるため、パワーモジュール用基板10の反りを抑制することに関して有利である。また、放熱板５が金属板２よりも大きければ、パワーモジュール20の使用時に発生する熱を放熱板５の水平方向に効果的に拡散することができ、放熱性を向上させることに関しては有利である。
また放熱板５を絶縁基板１よりも小さくすることで、放熱板５と金属板２との間の電気絶縁性を向上させることができる。
また金属板２の成分として酸素が含有される場合には、金属板２における含有量が少ない方が、ボンディングワイヤ13と金属板２との接合強度の向上に関して有利である。
また、この形態のパワーモジュール用基板10およびパワーモジュール20は、放熱板５の下面を覆う第２電気めっき層６をさらに有している。この第２電気めっき層６の外周の少なくとも一部が、放熱板５の下面の外周から離れている。言い換えれば、放熱板５の下面の外周部の少なくとも一部は第２電気めっき層６で被覆されずに露出している。放熱板５の下面の外周部が全周に渡って第２電気めっき層６で被覆されずに露出していてもよい。あるいは、例えば、平面視における第２電気めっき層６の外周が凹凸形状であり、放熱板５の下面が、第２電気めっき層６の外周が放熱板５の下面の外周まで延びて、第２電気めっき層６に覆われている部分と、第２電気めっき層６の外周が放熱板５の下面の外周に至らずに放熱板５の下面が露出する部分とを有していてもよい。
このように放熱板５の下面の外周が露出しているときには、その放熱板５の下面の外周まで樹脂層12が回り込んで接合されることによって、樹脂層12のパワーモジュール用基板10に対する接合の強度が効果的に向上する。したがって、電子部品11の封止の信頼性が効果的に向上したパワーモジュール20を提供することができる。また、このような放熱板５および第２電気めっき層６を有するパワーモジュール用基板10を用いれば、上記構成のパワーモジュール20を容易に作製することができる。
第２電気めっき層６について、放熱板５の下面の外周から離れるように放熱板５に被着させるには、例えば前述した第１電気めっき層３の場合と同様に、被覆材でめっきしない部分をカバーして、電気めっきする方法が挙げられる。この場合の電気めっきも、第１電気めっき層３と同様のめっき液を用い、同様の方法で行なうことができる。
なお、第２電気めっき層６は、ニッケルを95質量％以上含む、ニッケルを主成分とするものである。第２電気めっき層６は、ニッケル層以外にスズ、白金、亜鉛、銀およびパラジウム等から選択される少なくとも１種の成分を含んでいてもよい。以下、ニッケルを95質量％以上含むものを単にニッケル層という。
第２電気めっき層６は、例えば、ニッケル層（ニッケル層としては符号なし）からなる。言い換えれば、この実施形態において放熱板５の下面の中央部がニッケル層のみで覆われている。
このように第２電気めっき層６がニッケル層からなる場合には、金属板２の酸化を抑制することで半田濡れ性を向上させることができる。また銀層が含まれていないことからパワーモジュール用基板10のコストを抑制することもできる。
第２電気めっき層６がニッケル層から成る場合であれば、放熱板５の下面および側面まで第２電気めっき層６で覆うことができる。比較的活性が高いニッケル層と樹脂層12との接合強度は高いが、銅等の放熱板５の表面はさらに樹脂層12との接合強度が高いので、上記のように放熱板５の下面の外周が露出する構成にすると、樹脂層12のパワーモジュール用基板10に対する接合の強度がさらに高いものとなる。
なお、パワーモジュール用基板10およびパワーモジュール100は上記実施形態に記載された各例に限定されるものではなく、本開示の要旨の範囲内で種々の変更は可能である。
例えば、図６に示す例のように金属板２および放熱板５の外側面が上下方向に凹状に湾曲した面であってもよい。この場合には、金属板２および放熱板５の外周部において金属の体積が比較的小さくなって、絶縁基板１と金属板２および放熱板５との熱膨張率の差による熱応力を低減することができる。つまり、金属板２および放熱板５の絶縁基板１に対する接合の信頼性向上について有効である。このような熱応力の低減効果は、金属板２および放熱板５の少なくとも一方の外側面が上記のように湾曲した面であっても得ることができる。なお、図６は図５のＦ部分の一例を拡大して示す断面図である。図６において図５と同様の部位には同様の符号を付している。
また、例えば図７に示す例のように、金属板２および第１電気めっき層３の外周に近い位置において絶縁基板１の上面が凹部１ａを有していてもよい。このような凹部１ａが含まれている場合には、金属板２の外周部分と絶縁基板１との間の熱応力を緩和することができる。したがって、金属板２の絶縁基板１に対する接合の信頼性向上について有効である。なお、図７は本開示の実施形態のパワーモジュール用基板10およびパワーモジュール20に含まれる絶縁基板１の一例における上面部分を拡大して示す断面図である。図７において図１と同様の部位には同様の符号を付している。
なお、この凹部１ａについても、金属板２のくぼみ２ａと同様に、凹部１ａの開口から底部に向かって内側面が内側に傾斜しているものであってもよい。これによって凹部１ａが設けられている部分における絶縁基板１の変形が容易になり、絶縁基板１と金属板２の外周との間で熱応力が吸収されやすくなり、樹脂層12による電子部品11の封止の信頼性が効果的に向上する。
（パワーモジュール用基板の製造方法）
次に、図８〜図10等を参照して、本開示の実施形態におけるパワーモジュール用基板10の製造方法を説明する。なお、多数個取りパワーモジュール用基板110を分割してパワーモジュール用基板10を作製する例の説明を行なうが、パワーモジュール用基板10は１個取りで作製しても構わない。
図８（ａ）〜（ｃ）は多数個取りパワーモジュール用基板110の例であり、図中の破線部分をレーザースクライブ等で分割することでパワーモジュール用基板10となる。図８（ａ）はこの多数個取りパワーモジュール用基板110の上面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図であり、図８（ｃ）は下面図である。図９および図10は、本開示の実施形態におけるパワーモジュール用基板10の製造方法における工程を順次説明するための断面図であり、図９に示す工程の後に図10に示す工程が続くものである。図９および図10に示す工程で、図８に示すような多数個取りパワーモジュール用基板110を製作することができ、これを上記のように分割して個片のパワーモジュール用基板10を製作することができる。なお、識別を容易にするため、断面図ではない図８（ａ）および（ｃ）にもハッチングを施している。
なお、以下の製造法で製作される多数個取りパワーモジュール用基板110を分割したパワーモジュール用基板10は、上記実施形態のパワーモジュール用基板10と同様の構成のものである。以下の説明において、実施形態のパワーモジュール用基板10に関する説明と同様の事項については説明を簡略にするか、または省略する。
まず、第１工程として、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、上面を有する絶縁母基板101と下面を有する金属母板102とを準備し、絶縁母基板101の上面と金属母板102の下面とをろう材ペースト層115を加熱して接合する。図９、図10には多数個取りの基板（多数個取りパワーモジュール用基板110）の例を示しているが、ここでは、わかりやすくするために１個取りの基板での製造方法として工程を説明する。上記１個取りの基板は、多数個取りパワーモジュール用基板110に配列されている、個片のパワーモジュール用基板10となる複数の領域のうち１つの領域に相当する。つまり、多数個取りの基板のうち１つの領域のみを取り出して、その製造方法を説明する。
絶縁母基板101は、例えば上記実施形態のパワーモジュール用基板10における絶縁基板１と同様の材料からなるものであり、同様の方法で作製することができる。
ろう材ペースト層115は、例えばＡｇ−Ｃｕ系のろう材等の、上記実施形態のパワーモジュール用基板10におけるろう材と同様のろう材成分を有するものを用いることができる。この場合、上記ろう材の粉末を有機溶剤およびペースト等とともに混練することによってろう材ペースト層115用のろう材ペーストを作製することができる。
また、ろう材ペースト層115は、チタン、ハフニウムおよびジルコニウムのうち少なくとも１種の活性金属材料をの粉末をさらに添加して作製してもよい。ろう材ペースト層115の配置は、ろう材ペースト層115用のろう材ペーストをスクリーン印刷等の方法で絶縁母基板101の上面の所定位置に印刷することによって行なうことができる。このろう材ペースト層115の厚みは、例えば約５〜100μｍ程度に設定すればよい。
次に、第２工程として、図９（ｃ）に示す例のように、金属母板102の露出表面に部分的にめっきレジスト116を形成する。めっきレジスト116は例えば、上記実施形態の例に書かれている被覆材と同様の材料からなるものであり、市販のめっきレジスト材料を使用することができる。例えば、樹脂系の材料からなるめっきレジストインクを金属母板102露出表面上にスクリーン印刷等で形成し、熱硬化させることでめっきレジスト116を設けることができる。
次に、第３工程として、図10（ａ）に示す例のように、金属母板102の露出表面のうちめっきレジスト116が形成されていない部分に電気めっき層を形成する。この電気めっき層は、上記実施形態のパワーモジュール用基板10における第１電気めっき層３に相当するものであり、以下では第１電気めっき層３という。第１電気めっき層３は、例えば上記実施形態のパワーモジュール用基板10に関する説明に記載された方法で形成することができる。具体的には、市販のめっき液を用いて形成することができ、金属母板102の端部にめっき用電極を取り付け、めっき液に浸漬し、所定の厚みになるように、所定の電流値で所定の時間被膜を析出させればめっきレジスト116の形成されていない部分だけに第１電気めっき層３を形成することができる。この場合に、複数の種類のめっき液を順次用いることで、銀層３ａ、ニッケル層３ｂ、パラジウム層３ｃ等の単独またはこれらを組み合わせた第１電気めっき層３を形成することができる。
第１電気めっき層３を形成した後、不要なめっきレジスト116を、上記実施形態のパワーモジュール用基板10についての説明と同様の方法で除去する。
次に、第４工程として、図10（ｂ）および図10（ｃ）に示す例のように、金属母板102のうち第１電気めっき層３が形成されていない部分の少なくとも一部をエッチングして除去する。金属母板102の一部の領域を塩化第２鉄等のエッチング液で除去して、回路として機能する金属板２を形成する。
この例において、まず、図10（ｂ）に示すようにエッチングレジスト117を金属母板102の所定位置（除去しない部位）に配置する。エッチングレジスト117は、例えばエッチング液に塩化第２鉄を使用するのであれば、耐酸性のレジストインクをスクリーン印刷等で形成し、熱硬化させることで設けることができる。
その後、図10（ｃ）に示すように、エッチング等の加工によって金属母板102の第１電気めっき層３が形成されていない部分の少なくとも一部をエッチングして除去する。その後、絶縁母基板101の不要部分を分割除去する。絶縁母基板101の分割は、例えばレーザー加工またはダイシング加工等の切断加工で行なうことができる。また、これらの加工で絶縁母基板101の上面等に切れ目を入れた後、その切れ目に沿って絶縁母基板101を機械的に割断（ブレーク）することで行なうこともできる。これによって、例えば図１に示すようなパワーモジュール用基板10を製作することができる。
このような製造方法によれば、金属母板102上にめっきレジスト116を形成して電気めっきすることにより容易に厚い第１電気めっき層３を確保でき、また微細なめっき形状を形成できるようになる。電気めっきによって、いわゆる厚めっきすることが容易にできるようになるので、耐熱性が要求されるパワーモジュール用基板10の長期放熱信頼性を高めることができるようになる。また、めっきレジスト116を繰り返し形成することで、容易に異なっためっき層（第１電気めっき層３・第２電気めっき層６）での多色めっきを行なうことができる。これによって、めっきの自由度が高まり、要求される特性に応じた第１電気めっき層３の形成ができる。例えば、ワイヤボンディング性を要求される部位には、金めっきおよびパラジウムめっき等、ダイボンディング性を要求される部位には銀めっきおよび金めっき等、モールド樹脂密着性等のパワーモジュール用基板として要求される部位にはニッケルめっき等、各々必要な部位に付与することができるようになる。
なお、１個取りで作製した場合の製造方法には上記の効果があるが、多数個取りで作製することもできる。その場合には、第１工程として、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、絶縁母基板101の上面と金属母板102の下面とを、互いに独立した複数のろう材ペースト層115で接合する。ついで、第２工程として、図９（ｃ）に示す例のように、複数のろう材ペースト層115でそれぞれに接合された複数の接合領域同士の間に位置するようにめっきレジスト116を形成する。さらに、第３工程として、図10（ａ）に示す例のように、金属母板102の露出表面のうちめっきレジスト116が形成されていない部分に電気めっきを形成する。そして、第４工程として、図10（ｂ）および図10（ｃ）に示す例のように、金属母板102のうち接合領域同士の間の部分をエッチング等して除去し、金属母板102を互いに離れた複数の金属板２に分割する。以上の工程で、多数個取りパワーモジュール用基板110（多数個取りの形態）となる。多数個取りパワーモジュール用基板110を上記と同様に分割することで、パワーモジュール用基板10となる。多数個取りパワーモジュール用基板110は一箇所のめっき電極を確保するだけで、複数の金属回路板上に厚い第１電気めっき層３を形成できるので高耐熱、高信頼性なパワーモジュール用基板10の生産性を高めることができるようになる。
そして、上記製造方法の一工程（途中の工程）で製作される多数個取りパワーモジュール用基板は、上面を有する絶縁母基板101と下面を有する金属板２と、絶縁母基板101の上面と金属板２の下面とが、互いに独立した複数のろう材ペースト層115で接合されており、複数の金属板２の上面に部分的に第１電気めっき層３を有している。このような多数個取りパワーモジュール用基板110は、多数個取りで容易に厚い第１電気めっき層３が形成されているので、高耐熱、高信頼性な多数個取りパワーモジュール用基板110である。また上記方法で作製した多数個取りパワーモジュール用基板110は、多数個取りの各々のパワーモジュール用基板10（領域）の配置の位置精度が高いために、分割せずに多数個取りパワーモジュール用基板110で電子部品11を実装することも容易にできる。これによって、実装工程の生産性を高めることもでき、パワーモジュール20の生産性を効果的に高めることもできる。
実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法および多数個取りパワーモジュール用基板110においても、上記実施形態のパワーモジュール用基板10と同様に端子板４等を含むものとすることができる。
上記実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法および多数個取りパワーモジュール用基板110では、絶縁母基板101の上面と反対側の下面にも、上面と同様に金属母板102または金属板２を接合した例を示している。この下面側についても、上記の製造方法で金属板２を設けることができる。
また、絶縁母基板101の下面側については、金属母板102を上記実施形態のパワーモジュール用基板10の例と同様に放熱板５としてもよい。また、例えばニッケル層のみからかなる第２電気めっき層６を介して、金属母板102（金属板２または放熱板５）またはその複数の接合領域を絶縁母基板101に接合するようにしてもよい。
１・・・・絶縁基板
１ａ・・・凹部
２・・・・金属板
２ａ・・・くぼみ
３・・・・第１電気めっき層
３ａ・・・銀層
３ｂ・・・ニッケル層
３ｂｂ・・・（凹凸部分の）ニッケル
３ｃ・・・パラジウム層
４・・・・端子板
５・・・・放熱板
６・・・・第２電気めっき層（ニッケル層）
10・・・・パワーモジュール用基板
11・・・・電子部品
12・・・・樹脂層
13・・・・ボンディングワイヤ
20・・・・パワーモジュール
30・・・・放熱用部材
101・・・・絶縁母基板
102・・・・金属母板
110・・・・多数個取りパワーモジュール用基板
115・・・・ろう材ペースト層
116・・・・めっきレジスト
117・・・・エッチングレジスト

Claims (11)

  1. 上面および下面を有する絶縁基板と、
    上面および下面を有し、該下面が前記絶縁基板の前記上面に対向して接合された金属板と、
    前記金属板の上面の中央部を部分的に被覆している第１電気めっき層とを備えており、
    該第１電気めっき層が少なくとも銀層を有しており、該銀層における銀の粒径が前記金属板の上面部分における金属の粒径以上の大きさであるパワーモジュール用基板。
  2. 前記第１電気めっき層が、前記銀層と前記金属板の上面との間に配置されたニッケル層をさらに含んでいる請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
  3. 平面視において、前記第１電気めっき層の外周が凹凸を有する形状である請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
  4. 平面視において、前記第１電気めっき層の外周が、平面視において凹凸を有する形状であり、前記第１電気めっき層の外周の凹凸部分の少なくとも一部にニッケルが存在している請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
  5. 前記金属板が、前記上面のうち前記第１電気めっき層の外周に沿った部分においてくぼみを有する請求項１〜請求項４のいずれかに記載のパワーモジュール用基板。
  6. 前記くぼみの内側面が、該くぼみの開口から底部に向かって内側に傾斜または湾曲している請求項５に記載のパワーモジュール用基板。
  7. 前記くぼみの内側面の表面粗さが、前記金属板の上面の表面粗さよりも大きい請求項５に記載のパワーモジュール用基板。
  8. 上面および下面を有しており、前記上面が前記絶縁基板の下面に対向して接合された放熱板と
    該放熱板の下面を覆う第２電気めっき層とをさらに備えており、
    該第２電気めっき層の外周の少なくとも一部が前記放熱板の下面の外周から離れている請求項１〜請求項７のいずれかに記載のパワーモジュール用基板。
  9. 前記第２電気めっき層がニッケル層を主成分とする請求項８に記載のパワーモジュール用
    基板。
  10. 請求項１〜請求項９のいずれかに記載のパワーモジュール用基板と、
    該パワーモジュール用基板の前記第１電気めっき層上に搭載された電子部品と、
    前記金属板の上面のうち前記第１電気めっき層で被覆されていない部分から前記電子部品にかけて覆う樹脂層とを備えるパワーモジュール。
  11. 請求項８または請求項９に記載のパワーモジュール用基板と、
    該パワーモジュール用基板の前記第１電気めっき層上に搭載された電子部品と、
    前記放熱板の下面の外周から前記電子部品にかけて覆う樹脂層とを備えるパワーモジュール。
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