JP5045613B2

JP5045613B2 - パワーモジュール用基板及びその製造方法

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Publication number: JP5045613B2
Application number: JP2008215848A
Authority: JP
Inventors: 敏之長瀬; 和明久保
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2028-08-25
Also published as: JP2010050415A

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その製造方法に関する。

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、このパワーモジュール用基板としては、例えば特許文献１及び特許文献２に示されるように、セラミックス基板の両面に金属板をろう付け接合し、その表面側の金属板にエッチング処理によって所望パターンの回路を形成したものが用いられている。
この場合、特許文献１記載のパワーモジュール用基板では、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板がＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を介して接合されており、一方、特許文献２記載のパワーモジュール用基板では、ＡｌＮのセラミックス基板に銅板がＴｉ−Ａｇ−Ｃｕのろう材によって接合されている。また、いずれのパワーモジュール用基板も、回路パターンが形成された金属板（表面側の金属板）よりも裏面側の金属板の方を厚く形成しており、これにより、回路パターンを形成したときの応力解放に伴って生じるおそれのある反りを防止するようにしている。

特開２００４−３５６５０２号公報特開平５−１７０５６４号公報

ところで、このようなパワーモジュール用基板を製造する場合、エッチング処理による回路パターン形成の前に、セラミックス基板の両面に金属板をろう付け接合することが行われる。このろう付け工程は、セラミックス基板の両面に例えばろう材箔を介在させて両金属板を当接させ、これらを加圧した状態で加熱する処理となる。このため、両特許文献記載のパワーモジュール用基板のように、セラミックス基板の両面の金属板の板厚が異なっていると、最終製品では反りが防止されるものの、ろう付け接合後の中間体に表面側を凸とする反りが発生し易い。

この場合、回路パターンを形成して最終製品とする際には、表面側の金属板に所望パターンにレジスト膜をスクリーン印刷した後にエッチング処理が施される。このときに、その前段階のろう付け工程後の中間体に反りが生じていると、レジスト膜が正確に印刷されないという不具合が生じる。また、このレジスト膜をスクリーン印刷する際に、セラミックス基板が反りを押し戻すようにスキージで押圧されるので、割れ等が生じるおそれもある。

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、最終製品だけでなく、レジスト膜印刷時にも反りのない状態とする、あるいは、必要に応じて若干の反りを生じさせるなどの反りを制御したパワーモジュール用基板及びその製造方法の提供を目的とする。

本発明に係るパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の表裏両面に金属板がろう付け接合されるとともに、その表面側の金属板に回路パターンが形成されてなるパワーモジュール用基板であって、前記表面側の金属板が純アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなり、裏面側の金属板が純度９９．０質量％以上の純アルミニウムからなり、前記表面側の金属板と前記裏面側の金属板がほぼ同じ厚さに設定され、両金属板のうちの前記表面側の金属板の表面のみに、内部応力を圧縮応力とした厚さ４μｍ〜６μｍの反り制御用Ｎｉ−Ｐ無電解めっき被膜が形成されていることを特徴とする。

すなわち、反り制御用めっき被膜を形成することにより、該めっき被膜を形成した面に圧縮応力を付与することができる。これにより、このめっき被膜を形成する前の段階で裏面側を凹とするように反りが生じている場合には、この反り制御用めっき被膜を表面側に形成することにより、その反りを矯正してフラットにすることができる。また、このめっき被膜を形成する前の段階で反りのないフラットな状態である場合には、反り制御用めっき被膜を形成して、裏面側を若干の凸とするように反りを生じさせることもできる。

このパワーモジュール用基板では、表裏両面の金属板がほぼ同一厚さであるので、ろう付け接合した後の段階では反りは生じない。したがって、フラットな状態でレジスト印刷することができる。ただ、エッチング処理後には、パターン形成によって削除された分、応力解放されるので、若干の反りが生じるものの、その後の反り制御用めっき被膜形成により、反りを矯正して最終製品をフラットな状態とすることができる。

本発明に係るパワーモジュール用基板において、前記裏面側を凸とするように反りが生じている構成としてもよい。
このパワーモジュール用基板は、裏面側にヒートシンク等を当接させて組み立てる場合に、その裏面側の凸面を接触させながら反りを戻すように押圧することになるので、ヒートシンク等との間に隙間を形成することなく密接状態に組み立てることができる。

そして、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の表裏両面にほぼ同じ厚さからなる金属板がろう付け接合されるとともに、その表面側の金属板に回路パターンが形成されてなる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の表面に純アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる金属板を、裏面に純度９９．０質量％以上の純アルミニウム金属板を、それぞれろう付け接合し、前記表面側の金属板に回路パターンを形成した後、両金属板のうちの前記表面側の金属板の表面のみに、内部応力を圧縮応力とした厚さ４μｍ〜６μｍの反り制御用Ｎｉ−Ｐ無電解めっき被膜を形成することを特徴とする。

本発明によれば、反り制御用めっき被膜を形成したことにより、このめっき被膜を形成する前の段階で裏面側を凹とするように反りが生じている場合には、表面側への反り制御用めっき被膜の形成によってフラットにすることができ、また、めっき被膜形成前の段階で反りのないフラットな状態である場合には、裏面側を若干の凸とするように反りを生じさせることができるなど、所望の形状のものを得ることができる。このため、最終製品をフラットにすることができるだけでなく、レジスト膜印刷時にも反りのない状態とすることが可能であり、生産性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態のパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの全体構成について示している。この図１に示されるパワーモジュール１は、セラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、該パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４と、パワーモジュール用基板３の裏面に接合されるヒートシンク５とから構成されている。

パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の表面側に電子部品４を搭載するための回路層用金属板６が積層され、セラミックス基板２の裏面側に放熱層用金属板７が積層され、この放熱層用金属板７にヒートシンク５が取り付けられる構成である。
また、セラミックス基板２は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを母材として形成されている。回路層用金属板６は、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金により形成され、放熱層用金属板７は、純度９９．０ｗｔ％以上の純アルミニウムにより形成されている。また、この第１実施形態では、これら両金属板６，７は同一厚さに形成されている。

また、これらセラミックス基板２、回路層用金属板６、放熱層用金属板７の相互間はろう付けによって接合されており、そのろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等が使用される。
両金属板６，７のうち、回路層用金属板６には、エッチング処理がされて所望の回路パターンが形成されている。また、この回路層用金属板６は、その表面にめっき被膜８が形成されている。このめっき被膜の材料としてはニッケルが好適であり、無電解めっきによる場合はＮｉ−１〜１３ｗｔ％ＰやＮｉ−０．５ｗｔ％Ｂ等、電解めっきによる場合は純Ｎｉ等が用いられる。

そして、回路層用金属板６の上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によって電子部品４が接合される。図中符号９がそのはんだ接合層を示す。なお、電子部品４と回路層用金属板６の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。
一方、ヒートシンク５は、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、その長さ方向に沿って冷却水を流通させるための多数の流路１０が形成されており、セラミックス基板２との間はろう付け、はんだ付け、ボルト等によって接合される。

次に、このような構成のパワーモジュール１に使用されているパワーモジュール用基板３の製造方法について説明する。
まず、セラミックス基板２を製作し、そのセラミックス基板２の両面にろう材箔（図示略）を介在させて同一面積及び同一厚さの回路層用金属板６及び放熱層用金属板７を積層する。そして、これら積層体を不活性ガス雰囲気、還元ガス雰囲気又は真空雰囲気において積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させることによって、図２（ａ）に示すように回路層用金属板６及び放熱層用金属板７をそれぞれセラミックス基板２に接合する。
このろう付けにより両金属板６，７を接合した状態では、これら両金属板６，７が同一厚さ（Ｔ_１＝Ｔ_２）であるので、反りは生じない。

次に、回路層用金属板６の上に図２（ａ）に鎖線で示したように所望パターンのレジスト膜Ｒを印刷する。このときは、回路層用金属板６の表面はフラットな状態であるので、レジスト膜Ｒの印刷を容易にすることができるとともに、スクリーン印刷時のスキージによる押圧で変形することもない。
レジスト膜Ｒを印刷したら、回路層用金属板６をエッチング処理して回路パターンを形成する。この回路パターンの形成後は、回路層用金属板６の面積がエッチング処理によって削減され、その削減された部分の応力が解放されることから、その分、図２（ｂ）に示すように、回路層用金属板６側、つまり表面側を凸とするように反りが生じる。

次に、この回路層用金属板６の表面に無電解めっきによりめっき被膜８を形成する。このめっき被膜８は、内部応力が圧縮応力となるので、図２（ｂ）に示す反りを戻すようにパワーモジュール用基板３の表面側に圧縮応力を作用させることにより、図１に示すようにパワーモジュール用基板３をフラットにするのである。

このように製造されるパワーモジュール用基板３では、セラミックス基板２の両面の金属板６，７を同一厚さとしたことにより、これら両金属板６，７のろう付け接合後は図２（ａ）に示すようにフラットな状態とすることができ、その後のレジスト膜Ｒの印刷作業を容易かつ正確に行うことができる。また、エッチング処理によって若干の反りが生じるが、その後のめっき処理によって最終製品をフラットに仕上げることができる。
すなわち、この第１実施形態の場合、回路層用金属板６の表面に形成しためっき被膜８が反り制御用めっき被膜とされる。めっき被膜８の厚さとしては、例えばＮｉ−Ｐの無電解めっき被膜の場合、４〜６μｍとされる。めっき被膜中の圧縮応力については、例えばＸ線回析を利用した応力測定法を用いて測定することができる。

なお、このパワーモジュール用基板３は前述したように電子部品４がはんだ付けされるが、従来例のパワーモジュール用基板であると、その前段階で生じていた反りがはんだ付け時の熱によって助長され、さらに大きい反りとなる。本実施形態のパワーモジュール用基板３の場合は、反りのないフラットな状態であり、はんだ付け時に加熱されても、フラットな状態を維持することができ、電子部品４の接合信頼性を高めることができる。

図３は本発明の第２実施形態を示している。この第２実施形態のパワーモジュール用基板２１は、図３（ａ）に最終製品を示したように、セラミックス基板２の両面に同一厚さの金属板６，７がろう付け接合されている点は第１実施形態と同様であるが、セラミックス基板２の両面の金属板６，７のいずれにもめっき被膜２２，２３が形成されており、これらめっき被膜２２，２３は、回路層用金属板６のめっき被膜２２膜厚ｔ_１の方が放熱層用金属板７のめっき被膜２３の膜厚ｔ_２よりも厚く形成された構成とされている。

このパワーモジュール用基板２１を製造する場合、両面に同一厚さの金属板６，７をろう付け接合して、その表面側の回路層用金属板６にエッチング処理によって回路パターンを形成するまでの工程は、第１実施形態の図２（ａ）、図２（ｂ）に示す工程と同様である。そして、これら金属板６，７に図３（ｂ）に示すように無電解めっきによって無電解めっき被膜２２Ａ，２３を形成する。これら無電解めっき被膜２２Ａ，２３は同一厚さに形成される。次に、表面側の回路層用金属板６に対して選択的に電解めっき処理を施すことにより、該回路層用金属板６の無電解めっき被膜２２Ａの上に電解めっき被膜２２Ｂを形成する。これにより、この電解めっき被膜２２Ｂの分、図３（ａ）に示すように回路層用金属板６のめっき被膜２２膜厚ｔ_１の方が放熱層用金属板７のめっき被膜２３の膜厚ｔ_２よりも厚く形成されるのである。そして、厚くなった電解めっき被膜２２Ｂの分、回路層用金属板６側の圧縮応力が放熱層用金属板７側より大きくなり、図２（ｂ）に示す例と同様に回路層用金属板６側を凸とするように生じていた反りが戻されて、フラットなパワーモジュール用基板２１に仕上げられる。

この第２実施形態の場合、回路層用金属板６の表面に形成した厚肉のめっき被膜２２、もしくは無電解めっき被膜２２Ａの上に積層された電解めっき被膜２２Ｂが反り制御用めっき被膜とされる。この場合の両めっき被膜２２，２３の厚さは、例えばＮｉ−Ｐの無電解めっき被膜で放熱層用金属板７のめっき被膜２３が１〜３μｍ、回路層用金属板６のめっき被膜２２が５〜９μｍとされる。

図４は本発明の第３実施形態を示している。この第３実施形態のパワーモジュール用基板３１においても、セラミックス基板２の両面に同一厚さの金属板６，７がろう付け接合されている点は第１及び第２実施形態と同様である。また、この第３実施形態でも、セラミックス基板２の両面の金属板６，７のいずれにもめっき被膜３２，３３が形成されているが、回路層用金属板６のめっき被膜３２の方が放熱層用金属板７のめっき被膜３３よりも大きい面積で形成された構成とされている。例えば、両めっき被膜３２，３３ともＮｉ−Ｐの無電解めっき被膜で５μｍの膜厚の場合、回路層用金属板６のめっき被膜３２の総面積に対して、放熱層用金属板７のめっき被膜３３が７０％の面積とされる。

すなわち、図２（ａ）、図２（ｂ）で示す例と同様にしてセラミックス基板２の両面に金属板６，７をろう付け接合して、回路パターンをエッチングした後、裏面側の放熱層用金属板７に部分的にマスキングして、両面に無電解めっき処理を施すことにより、回路層用金属板７のめっき被膜３２を放熱層用金属板７のめっき被膜３３よりも大きい面積で形成するものである。このため、回路層用金属板６側の圧縮応力が放熱層用金属板７側より大きくなり、第２実施形態の場合と同様に、図２（ｂ）に示す例と同様に生じていた反りが戻されて、フラットなパワーモジュール用基板３１に仕上げられる。
この第３実施形態の場合、回路層用金属板６の表面に形成した面積の大きいめっき被膜３２が反り制御用めっき被膜とされる。

図５は本発明の第４実施形態を示している。この第４実施形態のパワーモジュール用基板４１は、部材構成としては第１実施形態と同様であるが、回路層用金属板６に形成しためっき被膜４２の圧縮応力によって、裏面側である放熱層用金属板７側が凸となるように若干の反りが生じた状態とされている。つまり、この回路層用金属板６の表面に形成しためっき被膜４２が反り制御用めっき被膜とされるものである。

そして、このパワーモジュール用基板４１をヒートシンク５に取り付ける際に、凸面側をヒートシンク５に当接させ、図５（ａ）の矢印で示すように、その反りを戻すようにパワーモジュール用基板４１を変形させながら、図５（ｂ）に示すようにパワーモジュール用基板４１をフラットにしてねじ４３によりヒートシンク５に固定される。したがって、パワーモジュール用基板４１の放熱層用金属板７がヒートシンク５に圧接され、これらの間に隙間が生じることを防止することができ、パワーモジュール用基板４１からヒートシンク５へ速やかに熱伝達されるので、放熱効果を高めることができる。
なお、このパワーモジュール用基板４１の製造過程において、図２（ａ）に示す例のように両金属板６，７をろう付け接合した状態ではフラットであること、そのために図２（ｂ）に示す例のように回路層用金属板６にパターンを形成した状態では回路層用金属板６側に凸となるように若干の反りが生じていることは、上記各実施形態の場合と同様である。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、両金属板の厚さは、ろう付け接合後のレジスト膜の印刷がフラットな状態でできれば、必ずしも厳密に同一寸法でなくてもよく、ほぼ同一のものであればよい。
また、めっき被膜は、後工程で電子部品のはんだ付け等が予定される場合や耐腐食性が要求される場合は、ニッケルめっきが好適であるが、はんだ付けがなされない場合等には他の材料を用いてもよい。

本発明の第１実施形態のパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの全体構成例を示す縦断面図である。図１のパワーモジュール用基板を製造する過程を工程順に示したもので、（ａ）がセラミックス基板の両面に金属板をろう付け接合した後の状態を示す縦断面図、（ｂ）が回路層用金属板にパターンを形成した後の状態を示す縦断面図である。本発明の第２実施形態を示しており、（ａ）がパワーモジュール用基板を示す縦断面図、（ｂ）がその製造途中の段階を示す縦断面図である。本発明の第３実施形態のパワーモジュール用基板を示す縦断面図である。本発明の第４実施形態を示しており、（ａ）がパワーモジュール用基板を示す縦断面図、（ｂ）がそのパワーモジュール用基板をヒートシンクに取り付けた状態を示す縦断面図である。

符号の説明

１パワーモジュール
２セラミックス基板
３パワーモジュール用基板
４電子部品
５ヒートシンク
６回路層用金属板
７放熱層用金属板
８めっき被膜（反り制御用めっき被膜）
９はんだ接合層
１０流路
２１パワーモジュール用基板
２２めっき被膜（反り制御用めっき被膜）
２３めっき被膜
２２Ａ無電解めっき被膜
２２Ｂ電解めっき被膜
３１パワーモジュール用基板
３２めっき被膜（反り制御用めっき被膜）
３３めっき被膜
４１パワーモジュール用基板
４２めっき被膜（反り制御用めっき被膜）
４３ねじ
Ｒレジスト膜

Claims

セラミックス基板の表裏両面に金属板がろう付け接合されるとともに、その表面側の金属板に回路パターンが形成されてなるパワーモジュール用基板であって、
前記表面側の金属板が純アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなり、裏面側の金属板が純度９９．０質量％以上の純アルミニウムからなり、
前記表面側の金属板と前記裏面側の金属板がほぼ同じ厚さに設定され、
両金属板のうちの前記表面側の金属板の表面のみに、内部応力を圧縮応力とした厚さ４μｍ〜６μｍの反り制御用Ｎｉ−Ｐ無電解めっき被膜が形成されていることを特徴とするパワーモジュー用基板。
前記裏面側を凸とするように反りが生じていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
セラミックス基板の表裏両面にほぼ同じ厚さからなる金属板がろう付け接合されるとともに、その表面側の金属板に回路パターンが形成されてなる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の表面に純アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる金属板を、裏面に純度９９．０質量％以上の純アルミニウム金属板を、それぞれろう付け接合し、前記表面側の金属板に回路パターンを形成した後、両金属板のうちの前記表面側の金属板の表面のみに、内部応力を圧縮応力とした厚さ４μｍ〜６μｍの反り制御用Ｎｉ−Ｐ無電解めっき被膜を形成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。