JP5245989B2 - パワーモジュール用基板の製造方法およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、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、及び、ヒートシンク付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。

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、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
この金属板は回路層とされ、回路層の上には、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載される。なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介してヒートシンクが接合されたものが提案されている。

ここで、アルミニウムからなる回路層においては、表面にアルミニウムの酸化膜（不動態膜）が形成されるため、はんだ材との接合を良好に行うことができないことがあった。
そこで、従来は、例えば特許文献１に開示されているように、回路層の表面に無電解めっき等によってＮｉめっき膜を形成し、このＮｉめっき膜上にはんだ材を配設して半導体素子を接合していた。
また、特許文献２には、はんだ材を用いずにＡｇナノペーストを用いて半導体素子を接合する技術が提案されている。

特開２００６−２１６６５９号公報 特開２００６−２０２９３８号公報

ところで、特許文献１に記載されたように、回路層表面にＮｉめっき膜を形成する場合には、Ｎｉめっき膜を形成した後にろう付け等を行うとＮｉめっき膜が劣化してしまうため、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをろう付けしてヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成した後に、めっき浴内にヒートシンク付パワーモジュール用基板全体を浸漬させていた。このため、回路層以外の部分にもＮｉめっき膜が形成されることになる。ここで、ヒートシンクがアルミニウム及びアルミニウム合金で構成されていた場合には、アルミニウムからなる熱交換器とＮｉめっき膜との間で電食が進行するおそれがあるため、ヒートシンク部分にＮｉめっき膜が形成されないようにマスキング処理を行う必要があった。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をすることになるため、回路層部分にＮｉめっき膜を形成するのには多大な労力が必要であった。

一方、特許文献２に開示されたように、はんだ材を使用せずにＡｇナノペーストを用いて半導体素子を接合する場合には、Ｎｉめっき膜を形成する必要がなくなる。しかしながら、Ａｇナノペーストを用いた場合には、Ａｇナノペースト中に含有される有機溶剤等が残存してしまい、接合後において気泡欠陥となり、回路層と半導体素子との接合部の強度低下、電気的及び熱的な特性の劣化等が発生するおそれがあった。また、Ａｇナノペーストの場合、はんだ材に比べて厚みが薄く形成されるため、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用しやすくなり、半導体素子自体が破損してしまうおそれがあった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、回路層上に半導体素子を容易に、かつ、確実に接合することが可能なパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンク付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。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、回路層となるアルミニウム板又はアルミニウム合金板の表面に金属めっき膜を形成するめっき工程と、前記金属めっき膜の上にＳｉＯ _２ 皮膜を形成するＳｉＯ _２ 皮膜形成工程と、前記金属めっき膜及び前記ＳｉＯ _２ 皮膜が形成されたアルミニウム板又はアルミニウム合金板を前記セラミック基板にろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって前記アルミニウム板又は前記アルミニウム合金板と前記セラミック基板とを接合する工程と、前記金属めっき膜の上に形成された前記ＳｉＯ _２ 皮膜を除去するＳｉＯ _２ 皮膜除去工程と、を備えていることを特徴としている。

この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、回路層の一方の面に、金属めっき膜と、この金属めっき膜の上にＳｉＯ _２ 皮膜と、が形成されているので、パワーモジュール用基板をヒートシンクにろう付けする際に、ＳｉＯ _２ 皮膜によって金属めっき膜の劣化が防止されることになる。また、ＳｉＯ _２ 皮膜を除去することによって金属めっき膜が露出されるので、この金属めっき膜上にはんだ材を配設することによって半導体素子を確実に接合することができる。さらに、はんだ材を用いていることから、はんだ材の厚みを厚く形成することが可能となり、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用することを抑制でき、半導体素子自体の破損を防止することができる。

ここで、前記金属めっき膜が、Ｎｉめっき皮膜又はＣｕめっき皮膜であることが好ましい。
この場合、回路層に予めＮｉめっき処理又はＣｕめっき処理を施しているので、ヒートシンクをろう付けした後にＮｉめっき処理又はＣｕめっき処理を行う必要がない。また、Ｎｉ又はＣｕは、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材との接合性が良好であり、これらのはんだ材を用いて半導体素子を確実に接合することができる。

また、ＳｉＯ_２皮膜は、耐熱性に優れていることから、ろう付け等の加熱処理を伴う工程を実施しても金属めっき膜の劣化を確実に防止することができる。また、ＳｉＯ_２皮膜は、例えば半導体レーザの照射やブラスト加工によって容易に除去することができ、金属めっき膜を露出させてはんだ材により半導体素子を確実に接合することができる。

ここで、前記めっき工程の前段に、前記回路層となるアルミニウム板又はアルミニウム合金板の表面と前記金属めっき膜との間に、導電性を有するとともに、アルミニウムと前記金属めっき膜を構成する金属との拡散を防止する拡散防止膜を形成する拡散防止膜形成工程を備えていることが好ましい。
回路層を構成するアルミニウムと金属めっき膜を構成する金属元素とが拡散し易い場合には、ろう付け等の加熱処理によって、これらの金属元素が相互拡散して合金化してしまうおそれがある。このため、回路層表面と前記金属めっき膜との間に拡散防止膜を設けて、合金化を防止することが好ましい。なお、金属めっき膜がＮｉで構成されている場合には、拡散防止膜として、Ｔｉ膜またはＰｔ膜等を形成することが好ましい。

本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、上述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を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記ＳｉＯ _２ 皮膜除去工程の前段に、前記パワーモジュール用基板の前記セラミックス基板の他方の面側にヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程を、備えていることを特徴とする。
この場合、ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程において、ＳｉＯ _２ 皮膜によって回路層上に形成された金属めっき膜の劣化が防止され、その後の保護膜除去工程及びはんだ接合工程によって、半導体素子を回路層上に確実に接合することができる。
また、この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、予め回路層上に、はんだ材と接合性の良い金属膜と、この金属膜を保護する保護膜とが形成されているので、保護膜を除去するのみで、はんだ材を介して半導体素子を接合することができる。
なお、ヒートシンクは、セラミックス基板の他方の面に直接接合する必要はなく、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層やアルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を介して、セラミックス基板の他方の面側に接合されていてもよい。

本発明によれば、回路層上に半導体素子を容易に、かつ、確実に接合することが可能なパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。 図２のパワーモジュール用基板における回路層表面の拡大説明図である。 図２のパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態であるパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１に本発明の実施形態であるパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ材２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４とを備えている。

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。なお、本実施形態では、図１に示すように、セラミック基板１１の幅は、回路層１２及び金属層１３の幅より広く設定されている。

回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。

金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に金属板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。

ヒートシンク４は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部５と、この天板部５から下方に向けて垂設された放熱フィン６と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路７とを備えている。ヒートシンク４（天板部５）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク４の天板部５と金属層１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層１５が設けられている。

そして、図１に示すパワーモジュール１においては、回路層１２の表面（図１において上面）に、Ｎｉめっき膜３２が形成されている。そして、このＮｉめっき膜３２の表面に、はんだ材２が配設され、半導体チップ３が接合されている。ここで、はんだ材としては、Ｎｉとの接合性が良好なものであって、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系が挙げられる。
なお、本実施形態においては、図１に示すように、回路層１２の表面にのみＮｉめっき膜３２が形成されており、パワーモジュール用基板１０及びヒートシンク４の他の部分には、Ｎｉめっき膜が形成されていない。

図２及び図３に、はんだ材２によって半導体チップ３を接合する前のパワーモジュール用基板１０を示す。
このパワーモジュール用基板１０においては、回路層１２の表面（図２及び図３において上面）に、拡散防止膜３１が形成され、この拡散防止膜３１の上にＮｉめっき膜３２が形成され、さらに、このＮｉめっき膜３２の上に保護膜としてＳｉＯ_２皮膜３３が形成されている。

拡散防止膜３２は、回路層１２を構成するＡｌと、Ｎｉめっき膜３２のＮｉとが、相互に拡散することを防止するために設けられたものであって、本実施形態では、Ｔｉ膜とされている。また、本実施形態では、この拡散防止膜３１の厚さｔｄは、０．５μｍ≦ｔｄ≦５μｍに設定されている。

Ｎｉめっき膜３２は、電解めっき法又は無電解めっき法によって形成されており、そのの厚さｔｍは、３μｍ≦ｔｍ≦１０μｍに設定されている。
ＳｉＯ_２皮膜３３は、Ｎｉめっき膜３２を被覆して保護するために形成されたものであり、そのの厚さｔｐは、１０ｎｍ≦ｔｐ≦３００ｎｍに設定されている。

次に、このパワーモジュール用基板の製造方法について、図４に示すフロー図を参照して説明する。
まず、回路層１２となるアルミニウム板を準備し、このアルミニウム板の表面に、Ｔｉからなる拡散防止膜３１を形成する（拡散防止膜形成工程Ｓ１）。この拡散防止膜３１は、例えば蒸着法、スパッタ法等によって形成することが可能である。

次に、拡散防止膜３１の上に、電解めっき法又は無電解めっき法によって、Ｎｉめっき膜３２を形成する（Ｎｉめっき膜形成工程Ｓ２）。
さらに、Ｎｉめっき膜３２の上に、保護膜としてＳｉＯ_２皮膜３３を形成する（ＳｉＯ_２皮膜形成工程Ｓ３）。ここで、ＳｉＯ_２皮膜３３は、低温スパッタにより加工温度４５０℃以下で形成することが可能である。

そして、拡散防止膜３１、Ｎｉめっき膜３２及びＳｉＯ_２皮膜３３が形成されたアルミニウム板を、セラミックス基板１１にろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、前記アルミニウム板とセラミックス基板１１とを接合する（接合工程Ｓ４）。
これにより、図２に示すように、回路層１２を備えたパワーモジュール用基板１０が製出されることになる。

以下に、図２に示すパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１の製造方法について、図５に示すフロー図を参照して説明する。
回路層１２の表面に、拡散防止膜３１、Ｎｉめっき膜３２及びＳｉＯ_２皮膜３３が形成されたパワーモジュール用基板１０を、ヒートシンク４の天板部５に接合し、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成する（ヒートシンク接合工程Ｓ１１）。このとき、接合温度は、５８０℃以上６５０℃以下とされている。

次に、回路層１２の最外層に形成されているＳｉＯ_２皮膜３３を除去する（ＳｉＯ_２皮膜除去工程Ｓ１２）。ＳｉＯ_２皮膜３３を除去する方法としては、例えば半導体レーザの照射、フッ素を含む溶液又はガスによるエッチング等が挙げられる。なお、本実施形態では、ウォータージェットを衝突されるとともに、このウォータージェットの水柱内においてレーザー光を進行させるウォータージェット・ガイドレーザ加工法によって、ＳｉＯ_２皮膜３３を除去している。

次いで、ＳｉＯ_２皮膜３３が除去されて外部に露出されたＮｉめっき膜３２の表面を洗浄する（洗浄工程Ｓ１３）。なお、本実施形態においては、前述のように、ＳｉＯ_２皮膜３３をウォータージェット・ガイドレーザ加工法によって除去していることから、このウォータージェットによってＮｉめっき膜３２の表面が洗浄されることになる。すなわち、本実施形態では、ＳｉＯ_２皮膜除去工程Ｓ１２と洗浄工程Ｓ１３とが、同一工程で実施されることになる。

そして、外部に露出されたＮｉめっき膜３２の表面に、はんだ材２を介して半導体チップ３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（はんだ接合工程Ｓ１４）。
これにより、図１に示すように、半導体チップ３が回路層１２上に接合されたパワーモジュール１が製出されることになる。

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１においては、回路層１２の表面に、はんだ材２との接合性が良好なＮｉめっき膜３２が形成され、このＮｉめっき膜３２の上に、Ｎｉめっき膜３２を被覆して保護する保護膜としてＳｉＯ_２皮膜３３が形成されているので、このパワーモジュール用基板１０をヒートシンク４の天板部５に、５８０℃以上６５０℃以下の温度条件でろう付けした場合でも、耐熱性の高いＳｉＯ_２皮膜３３によって、Ｎｉめっき膜３２の劣化を防止することができる。

よって、ヒートシンク４をろう付け後に、ＳｉＯ_２皮膜３３を除去することによって、はんだ材２との接合性が良好なＮｉめっき膜３２が劣化することなく露出されることになり、はんだ材２によって半導体チップ３を確実に接合することができる。
特に、本実施形態においては、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のＮｉめっき膜３２との接合性がよいはんだ材２を用いているため、半導体チップ３を強固に接合することができる。
さらに、はんだ材２を用いて半導体チップ３を接合しているので、はんだ材２の厚みを厚く形成することが可能となり、熱サイクル負荷時の応力が半導体チップ３に作用することを抑制でき、半導体チップ３の破損を防止することができる。

また、本実施形態では、回路層１２とＮｉめっき膜３２との間に、拡散防止膜３１が形成されているので、このパワーモジュール用基板１０がろう付け等によって加熱されたとしても、回路層１２を構成するＡｌとＮｉめっき膜３２のＮｉとの拡散が防止され、Ｎｉめっき膜３２の劣化を防止することができる。

また、本実施形態であるパワーモジュールの製造方法においては、回路層１２上に拡散防止膜３１、Ｎｉめっき膜３２及びＳｉＯ_２皮膜３３が形成された状態で、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４とがろう付けされるので、耐熱性の高いＳｉＯ_２皮膜３３によってＮｉめっき膜３２の劣化が防止される。
そして、半導体チップ３を接合する際には、ＳｉＯ_２皮膜３３をウォータージェット・ガイドレーザ加工法によって除去してＮｉめっき膜３２を露出されるとともに、Ｎｉめっき膜３２の表面を洗浄するので、はんだ材２をＮｉめっき膜３２に配置して半導体チップ３を接合することによって、半導体チップ３強固に接合することが可能となる。よって、高品質なパワーモジュール１を容易に製造することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよい。

保護膜として、ＳｉＯ_２皮膜を形成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、ＤＬＣ皮膜やＣｒ膜を形成してもよい。
ＤＬＣ皮膜の場合には、例えばＣＶＤ法等によって形成することができる。また、半導体レーザー等によって除去することが可能である。
Ｃｒ膜の場合には、例えばめっき法によって形成することができる。また、弱塩酸を噴霧することによって除去することが可能である。

また、ＳｉＯ_２皮膜をウォータージェット・ガイドレーザ加工法によって除去するものとして説明したが、これに限定されることはなく、ブラスト法等の他の手段を用いてもよい。
さらに、回路層となるアルミニウム板の表面に、拡散防止膜、Ｎｉめっき膜及びＳｉＯ_２皮膜を形成した後に、このアルミニウム板とセラミックス基板とを接合してパワーモジュール用基板を製出するものとして説明したが、これに限定されることはなく、パワーモジュール用基板を製出した後に、回路層表面に、拡散防止膜、Ｎｉめっき膜及びＳｉＯ_２皮膜を形成してもよい。

また、はんだ材との接合性が良好な金属からなる金属膜として、Ｎｉめっき膜を形成したもので説明したが、これに限定されることはなく、使用されるはんだ材との接合性の良い金属からなる金属膜を形成すればよい。
さらに、拡散防止膜としてＴｉ膜を形成したものとして説明したが、これに限定されることはない。なお、回路層上にＮｉめっき膜を形成する場合には、Ｐｔ膜を拡散防止膜として形成することが可能である。

また、ヒートシンクの天板部と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層がなくてもよい。
さらに、ヒートシンクをアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして、放熱フィン及び冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はない。

１ パワーモジュール
２ はんだ材
３ 半導体チップ（半導体素子）
４ ヒートシンク
５ 天板部
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
３１ 拡散防止膜
３２ Ｎｉめっき膜（金属膜）
３３ ＳｉＯ_２皮膜（保護膜）

Claims (3)

1. セラミックス基板の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
   回路層となるアルミニウム板又はアルミニウム合金板の表面に金属めっき膜を形成するめっき工程と、
   前記金属めっき膜の上にＳｉＯ _２ 皮膜を形成するＳｉＯ _２ 皮膜形成工程と、
   前記金属めっき膜及び前記ＳｉＯ _２ 皮膜が形成されたアルミニウム板又はアルミニウム合金板を前記セラミック基板にろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって前記アルミニウム板又は前記アルミニウム合金板と前記セラミック基板とを接合する工程と、
   前記金属めっき膜の上に形成された前記ＳｉＯ _２ 皮膜を除去するＳｉＯ _２ 皮膜除去工程と、
   を備えてい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. 前記めっき工程の前段に、前記回路層となるアルミニウム板又はアルミニウム合金板の表面と前記金属めっき膜との間に、導電性を有するとともに、アルミニウムと前記金属めっき膜を構成する金属との拡散を防止する拡散防止膜を形成する拡散防止膜形成工程を備えてい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又は請求項２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を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
   前記ＳｉＯ _２ 皮膜除去工程の前段に、前記パワーモジュール用基板の前記セラミックス基板の他方の面側にヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程を、備えていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。

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