JP2018142561A - セラミックス板の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス板の抗折強度を向上でき、パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性の高いセラミックス板の製造方法、及びパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。【解決手段】パワーモジュール用基板の製造方法は、窒化珪素からなるセラミックス板の表面にエネルギ密度０．４０Ｊ／ｍｍ２以上０．５５Ｊ／ｍｍ２以下のレーザ光を照射するレーザ照射工程と、前記セラミックス板に金属板を接合して回路層を形成する回路層形成工程と、を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御するパワーモジュール等に用いられるセラミックス板を製造する方法、及びそのセラミックス板を用いたパワーモジュール用基板の製造方法に関する。

パワーモジュール等に用いられるパワーモジュール用基板として、例えば特許文献１又は特許文献２に記載されるように、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４），酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックス板の一方の面にアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の金属板からなる回路層が積層されたものが知られている。また、この種のパワーモジュール用基板としては、セラミックス板の他方の面にも熱伝導性に優れたアルミニウム等の金属板からなる放熱層が積層されたものも用いられる。そして、このように構成されるパワーモジュール用基板の回路層の表面（上面）に、パワー素子等の半導体素子が搭載（実装）されることにより、パワーモジュールが製造される。

しかし、アルミニウムや銅からなる回路層は、セラミックス板との線膨張率差が大きいことから、パワーモジュール用基板が電子部品の実装工程で加熱されたり、パワーモジュールの使用環境における温度変化にさらされたりすることにより、パワーモジュール用基板に反りが生じる。また、冷熱サイクルの付加等によって、パワーモジュール用基板に繰り返し反りが生じることにより、セラミックス板に割れ（クラック、亀裂）が生じるおそれがある。そして、セラミックス板にクラックが生じた場合には、セラミックス板における熱抵抗が増加し、パワーモジュールの放熱性能の低下を招くおそれがある。そこで、この種のパワーモジュール用基板のセラミックス板には、抗折強度が比較的高い窒化珪素が多く用いられる。

特開２００４‐３１１６５０号公報 特開２００１‐１４８４５１号公報

しかし、回路層の厚さ（板厚）が比較的薄い場合には、抗折強度の高い窒化珪素からなるセラミックス板を用いることにより割れの発生を抑制できるが、回路層の厚さが増すにつれて冷熱サイクル時に生じるパワーモジュール用基板の反り（応力）が大きくなることから、セラミックス板への割れの発生を抑制することが難しくなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セラミックス板の抗折強度を向上でき、パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性の高いセラミックス板の製造方法、及び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。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、窒化珪素からなるセラミックス板の表面にエネルギ密度０．４０Ｊ／ｍｍ^２以上０．５５Ｊ／ｍｍ^２以下のレーザ光を照射するレーザ照射工程と、前記セラミックス板に金属板を接合して回路層を形成する回路層形成工程とを有する。

窒化珪素からなるセラミックス板の表面にエネルギ密度０．４０Ｊ／ｍｍ^２以上０．５５Ｊ／ｍｍ^２以下のレーザ光を照射することにより、そのレーザ光の照射領域においてセラミックス板の抗折強度を増加できる。なお、レーザ光のエネルギ密度が０．４０Ｊ／ｍｍ^２未満では、抗折強度の増加効果が十分に得られない。また、レーザ光のエネルギ密度が０．５５Ｊ／ｍｍ^２を超えると、セラミックス板の表面を加工されるおそれがある。セラミックス板がレーザ光により加工されると、その部分の抗折強度の低下を招くおそれがある。

また、セラミックス板の片面のみにエネルギ密度が０．４０Ｊ／ｍｍ^２以上０．５５Ｊ／ｍｍ^２以下のレーザ光を照射した場合には、そのレーザ光が照射された片面の抗折強度を増加できる。また、セラミックス板の表面の一部にレーザ光を照射することにより、その部分の抗折強度を局所的に増加させることもできるし、セラミックス板の両面全体にレーザ光を照射して抗折強度を全体的に増加させることもできる。

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記レーザ照射工程は、前記回路層形成工程の前に実施することもできるし、前記回路層形成工程の後に実施することもできる。すなわち、レーザ照射工程は、回路層形成工程の前後のいずれのタイミングでも実施できる。

回路層形成工程前のレーザ照射工程の実施としては、セラミックス板の両面に異なる厚さの回路層と放熱層とを接合する場合に、これらの金属層のうち厚さが薄い金属層が接合される面の抗折強度を増加させておくことにより、セラミックス板の回路層側と放熱層側とに生じる応力差を低減し、これらのバランスを図ることができる。
また、回路層形成工程後のレーザ照射工程の実施としては、セラミックス板における回路層との接合界面に比べて非接合面には曲げ応力が集中しやすいことから、回路層のパターン間に露出する回路層との非接合面の表面にレーザ光を照射して抗折強度を増加させることにより、接合界面と非接合面との間に生じる応力差を低減し、応力集中を抑制して応力のバランスを図ることができる。

このように、セラミックス板の抗折強度を向上させることにより、セラミックス板と回路層及び金属層との線膨張率差に起因する反りを低減でき、冷熱サイクル時の熱伸縮によるセラミックス板の割れの発生を抑制できる。したがって、パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性の高いパワーモジュール用基板を形成できる。

本発明のセラミックス板の製造方法は、窒化珪素からなるセラミックス板の表面にエネルギ密度０．４０Ｊ／ｍｍ^２以上０．５５Ｊ／ｍｍ^２以下のレーザ光を照射するレーザ照射工程を有する。

本発明によれば、セラミックス板の抗折強度を向上できるので、温度変化に伴うセラミックス板の割れの発生を抑制でき、パワーモジュール用基板のパワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性を向上できる。

本発明の第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。 図２に示すパワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。 第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法を適用して製造されるパワーモジュール用基板を示す断面図である。 本発明の第２実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。 図４に示すパワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。 第２実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法を適用して製造されるパワーモジュール用基板を示す断面図である。 ３点曲げ試験に用いるセラミックス板を説明する平面図である。 ３点曲げ試験を説明する模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図３は、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法により製造されるパワーモジュール用基板１０Ａを用いたパワーモジュール１０１を示している。このパワーモジュール１０１は、パワーモジュール用基板１０Ａと、パワーモジュール用基板１０Ａの表面に搭載された半導体素子等の電子部品５１と、パワーモジュール用基板１０Ａの裏面に取り付けられたヒートシンク５２とを備えている。

パワーモジュール用基板１０Ａは、図３に示すように、セラミックス板１１Ａと、セラミックス板１１Ａの一方の面（図３において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス板１１Ａの他方の面（図３において下面）に配設された放熱層１３とを備え、これらセラミックス板１１Ａと回路層１２、及びセラミックス板１１Ａと放熱層１３とは、互いに接合されている。

セラミックス板１１Ａは、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）からなる。
回路層１２は、アルミニウム又はアルミニウム合金、あるいは銅又は銅合金からなり、これらのアルミニウム等からなる金属板をセラミックス板１１Ａの一方の面にろう付け等によって接合することにより形成される。
放熱層１３は、必ずしも限定されるものではないが、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム材をセラミックス板１１Ａの他方の面にろう付け等によって接合することにより形成される。

また、寸法は特に限定されるものではないが、例えばセラミックス板１１Ａの厚さは０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下で、３０ｍｍ角程度の大きさとされる。回路層１２は、厚さが０．０５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下のアルミニウム板からなり、放熱層１３は、厚さ０．０５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下のアルミニウム板からなり、２８ｍｍ角程度の大きさとされる。

そして、このように構成されるパワーモジュール用基板１０Ａの回路層１２の表面（図３では上面）に電子部品５１が搭載（実装）されることにより、パワーモジュール１０１が製造される。なお、回路層１２への電子部品５１の実装には、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系、Ｚｎ‐Ａｌ系もしくはＰｂ‐Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。また、図示は省略するが、電子部品５１と回路層１２の端子部との間は、アルミニウム等からなるワイヤ及びリボンボンディング等により接続される。

また、パワーモジュール１０１は、放熱層１３の表面（図３では下面）に放熱板や冷却器等のヒートシンク５２が取り付けられた状態で使用される。ヒートシンク５２は、放熱層１３とヒートシンク５２との間にグリースを介在させ、パワーモジュール１０１とヒートシンク５２とをバネ等により押し付けて固定したり、放熱層１３をヒートシンク５２にはんだ付け又はろう付けして固定したりして、パワーモジュール１０１に取り付けられる。

次に、回路層１２と放熱層１３とがアルミニウムからなり、図３に示されるように、回路層１２の厚さｔ１が放熱層１３の厚さｔ２よりも薄く形成されたパワーモジュール用基板１０Ａを製造する場合を例として、本発明のセラミックス板の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法を適用した第１実施形態について説明する。

第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法は、図２のフロー図に示すように、レーザ照射工程Ｓ１１と、レーザ照射工程Ｓ１１後に実施される回路層・放熱層形成工程Ｓ１２とを有する構成とされ、セラミックス板の製造方法のレーザ照射工程Ｓ１１が製造工程の一部に含まれる。

（レーザ照射工程）
図１（ａ）に示すように、窒化珪素からなる平板状のセラミックス板１１の表面にレーザ光Ｌを照射して、そのレーザ光Ｌの照射領域においてセラミックス板１１の抗折強度を増加させる（レーザ照射工程Ｓ１１）。具体的には、セラミックス板１１の表面に、ＹＡＧレーザにより、エネルギ密度０．４０Ｊ／ｍｍ^２以上０．５５Ｊ／ｍｍ^２以下のレーザ光Ｌを照射する。

レーザ光のエネルギ密度は、レーザのレーザ出力：２０Ｗ、パルスの繰り返し周波数が５０ｋＨｚとすると、１パルス当たりのエネルギ（パルスエネルギ）は２０／５０ｋ（Ｊ）であり、レーザ光Ｌの集光径をＤｍｍ、走査速度をＳｍｍ／秒とすると、１パルス当たりのエネルギＸは、Ｘ＝Ｄ／（Ｓ／５０ｋ）×（２０／５０ｋ）であり、単位面積当たりのエネルギ密度としては、Ｘ／（πＤ^２／４）により計算できる。

また、レーザ光のエネルギ密度は、セラミックス板１１を平面としたときの表面における値である。つまり、エネルギ密度は、セラミックス板１１の表面で０．４０Ｊ／ｍｍ^２以上０．５５Ｊ／ｍｍ^２以下である。なお、レーザ光Ｌのセラミックス板１１への照射は、空気（酸化性雰囲気）中で行われる。

このようにして、セラミックス板１１の表面にエネルギ密度０．４０Ｊ／ｍｍ^２以上０．５５Ｊ／ｍｍ^２以下のレーザ光を照射することにより、そのレーザ光の照射領域において、セラミックス板１１の抗折強度をレーザ光の照射前よりも増加できる。本実施形態では、回路層１２の厚さｔ１を放熱層１３の厚さｔ２よりも薄くすることから、セラミックス板１１の片面のみ、すなわち回路層１２が接合される一方の面のみにレーザ光を照射し、レーザ光を照射した一方の面の抗折強度を、レーザ光を照射しない他方の面の抗折強度よりも増加させる。

なお、セラミックス板１１の表面に照射されるレーザ光のエネルギ密度が０．４０Ｊ／ｍｍ^２未満では、抗折強度の増加効果が十分に得られない。また、セラミックス板１１の表面に照射されるレーザ光のエネルギ密度が０．５５Ｊ／ｍｍ^２を超えると、セラミックス板１１の表面が加工されるおそれがある。セラミックス板１１がレーザ光により加工されると、その部分の抗折強度の低下を招くおそれがある。
以下、レーザ照射後のセラミックス板を符号１１Ａで示す。

（回路層・放熱層形成工程）
レーザ照射工程Ｓ１１後に、セラミックス板１１Ａに、回路層１２となる金属板２２と、放熱層１３となる金属板２３とを接合する（回路層・放熱層形成工程Ｓ１２）。なお、この回路層・放熱層形成工程Ｓ１２に、本発明における回路層形成工程が含まれる。
まず、図１（ｂ）に示すように、セラミックス板１１Ａの一方の面、すなわちレーザ光を照射した面に回路層１２となる金属板２２を接合材３１を介して積層し、レーザ光が照射されていない他方の面に放熱層１３となる金属板２３を接合材３２を介して積層する。つまり、レーザ光による処理が施されたセラミックス板１１Ａの一方の面に、厚さが薄い方の金属板２２を積層する。なお、金属板２２と金属板２３はアルミニウム板であるから、接合材３１，３２には、Ａｌ‐Ｓｉ、Ａｌ‐Ｇｅ、Ａｌ‐Ｃｕ、Ａｌ‐Ｍｇ又はＡｌ‐Ｍｎ等の接合材を用いる。

次に、図１（ｃ）に示すように、これらのセラミックス板１１Ａ、接合材３１，３２，金属板２２，２３の積層体２５を、その積層方向に加圧及び加熱することにより、セラミックス板１１Ａと金属板２２，２３とを接合した後、これらの積層体２５を冷却し、セラミックス板１１Ａの両面に回路層１２と放熱層１３とを形成し、パワーモジュール用基板１０Ａを製造する。
なお、説明は省略するが、回路層・放熱層形成工程Ｓ１２後に、回路層１２に回路パターンを形成するエッチング工程を実施してもよい。

このようにして製造されたパワーモジュール用基板１０Ａにおいては、セラミックス板１１Ａの両面に異なる厚さの回路層１２と放熱層１３とが形成されているが、回路層・放熱層形成工程Ｓ１２前に、予めレーザ照射工程Ｓ１１を実施しており、厚さが薄い回路層１２が接合されるセラミックス板１１Ａの一方の面の抗折強度を、厚さの厚い放熱層１３が接合されるセラミックス板１１Ａの他方の面の抗折強度よりも増加させている。このため、冷熱サイクル時に生じるセラミックス板１１Ａと回路層１２及び放熱層１３との線膨張率差に起因する反りを低減でき、セラミックス板１１Ａの回路層１２側と放熱層１３側との応力差を小さくして、これらの応力のバランスを図ることができる。したがって、パワーサイクルや冷熱サイクル時の熱伸縮によるセラミックス板１１Ａの割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル等に対する信頼性の高いパワーモジュール用基板１０Ａを製造できる。

また、上記の第１実施形態では、レーザ照射工程Ｓ１１後に、回路層・放熱層形成工程Ｓ１２を実施したが、レーザ照射工程は、回路層・放熱層形成工程の前後のいずれのタイミングでも実施できる。以下、回路層・放熱層形成工程後にレーザ照射工程を実施する第２実施形態について説明する。

第２実施形態では、回路層１２と放熱層１３とがアルミニウムからなり、図６に示すように、回路層１２の厚さｔ１と放熱層１３の厚さｔ２とが同程度の厚さで形成されたパワーモジュール用基板１０Ｂを製造する場合を例として説明する。

第２実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法は、図５のフロー図に示すように、回路層・放熱層形成工程Ｓ２１と、エッチング工程Ｓ２２と、レーザ照射工程Ｓ２３とを有する。

（回路層・放熱層形成工程）
セラミックス板１１に、回路層１２となる金属板２２と、放熱層１３となる金属板２３とを接合する（回路層・放熱層形成工程Ｓ２１）。なお、この回路層・放熱層形成工程Ｓ１２に、本発明における回路層形成工程が含まれる。
図４（ａ）に示すように、セラミックス板１１の一方の面に回路層１２となる金属板２２を接合材３１を介して積層し、他方の面に放熱層１３となる金属板２３を接合材３２を介して積層する。この場合、セラミックス板１１の一方の面と他方の面とに区別はなく、どちらの面に金属板２２，２３を重ねても良い。そして、図４（ｂ）に示すように、これらのセラミックス板１１、接合材３１，３２，金属板２２，２３の積層体２６を、その積層方向に加圧及び加熱することにより、セラミックス板１１と金属板２２，２３とを接合した後、これらの積層体２５を冷却し、セラミックス板１１の両面に回路層１２と放熱層１３とが形成された接合体２７を形成する。

（エッチング工程）
回路層・放熱層形成工程Ｓ２１後に、セラミックス板１１に接合された回路層１２（及び金属層１３）にエッチング処理を施すことにより、図４（ｄ）に示すように、回路層１２（及び金属層１３）に回路パターンを形成する（エッチング工程Ｓ２２）。回路層１２に回路パターンが形成された接合体を符号２８で示す。

（レーザ照射工程）
エッチング工程Ｓ２２後に、図４（ｅ）に示すように、回路層１２のパターン間に露出するセラミックス板１１の非接合面の表面、すなわちセラミックス板１１における回路層１２との非接合面の表面に、エネルギ密度０．４０Ｊ／ｍｍ^２以上０．５５Ｊ／ｍｍ^２以下のレーザ光Ｌを照射して、そのレーザ光Ｌの照射領域においてセラミックス板１１の抗折強度を増加させる（レーザ照射工程Ｓ２３）。図４（ｅ）には、レーザ照射後のセラミックス板を符号１１Ｂで示す。つまり、セラミックス板１１の表面の一部にレーザ光Ｌを照射することにより、その部分の抗折強度を局所的に増加させ、回路層１２のパターン間に露出するセラミックス板１１Ｂの非接合面の抗折強度を、回路層１２が接合されたセラミックス板１１Ｂの接合界面の抗折強度に比べて増加させる。このようにして、第２実施形態のパワーモジュール用基板１０Ｂが製造される。

パワーモジュール用基板１０Ｂのように、回路層１２に回路パターンが形成される場合においては、セラミックス板１１Ｂと回路層１２との接合界面に比べて、回路層１２が接合されていない非接合面には、曲げ応力が集中しやすい。本実施形態では、回路層１２のパターン間に露出する非接合面の表面にレーザ光を照射して、応力が集中しやすい部分の抗折強度を増加させているので、接合界面と非接合面との間に生じる応力差を低減し、応力集中を抑制して応力のバランスを図ることができる。したがって、パワーサイクルや冷熱サイクル時の熱伸縮によるセラミックス板１１Ｂの割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル等に対する信頼性の高いパワーモジュール用基板１０Ｂを製造できる。

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。
例えば、上記実施形態では、セラミックス板の片面又は、その片面の一部にレーザ光を照射して、部分的に抗折強度を増加させたが、セラミックス板の両面全体にレーザ光を照射して、抗折強度を全体的に増加させることもできる。
また、実施形態では、ＹＡＧレーザを用いたが、ＣＯ_２レーザ、Ａｒレーザ等を用いることもできる。
また、パワーモジュール用基板の放熱層は必須ではなく、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、レーザ照射工程と、セラミックス板に金属板を接合して回路層を形成する工程（回路層形成工程）とを有していればよい。

以下、本発明の効果を確認するために実施した実験について説明する。
セラミックス板の表面にレーザ光を照射し、照射されるレーザ光のエネルギ密度の違いによるセラミックス板の抗折強度の変化を確認した。
セラミックス板は、窒化珪素からなる厚さ０．３２ｍｍ、平面サイズ４０ｍｍ×４０ｍｍの窒化珪素板を用いた。レーザ照射工程に用いるレーザには、ＹＡＧレーザを用いた。レーザ光は、図７に示すように、セラミックス板１１Ａの片面の表面領域を長手方向に２つの領域に分断するようにして、中心線ＣＬ上に沿って照射した。図７には、二点鎖線でレーザ走査方向を示した。また、レーザ光のエネルギ密度は、表１に示すエネルギ密度でセラミックス板ごとに変更した。エネルギ密度が「０」の試料７は、レーザ光を照射しなかった例である。そして、このようにして得られた各セラミックス板について抗折強度を測定した。

抗折強度は、ＪＩＳ Ｒ１６０１に準拠した３点曲げ試験により測定した。図８に示すように、各セラミックス板１１Ｃのレーザ照射領域を下側にして一対の下部支点６１Ｌ，６１Ｒ上に載置し、負荷速度：０．１０ｍｍ／分、下部支点間距離Ｗ：２０ｍｍの測定条件で、レーザ照射領域と反対側（上側）に垂直に上部支点６２を当接させて実施した。また、試料７を基準として、抗折強度の上昇率（強度上昇率）を算出した。強度上昇率は、試料７よりも抗折強度が高い場合に正（プラス）の値となり、試料７よりも抗折強度が低い場合に負（マイナス）の値となる。結果を表１に示す。

表１から明らかなように、セラミックス板の表面にエネルギ密度０．４０Ｊ／ｍｍ^２以上０．５５Ｊ／ｍｍ^２以下のレーザ光を照射することにより、セラミックス板の抗折強度を増加できることがわかる。また、レーザ光のエネルギ密度０．４０Ｊ／ｍｍ^２未満では、抗折強度の増加効果が得られなかった。また、レーザ光のエネルギ密度が０．５５Ｊ／ｍｍ^２を超える条件では、セラミックス板の表面に加工痕が形成され、抗折強度が低下した。

１０Ａ，１０Ｂ パワーモジュール用基板
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ セラミックス板
１２ 回路層
１３ 放熱層
２２，２３ 金属板
２５，２６ 積層体
２７ 接合体
３１，３２ 接合材
５１ 電子部品
５２ ヒートシンク
６１Ｌ，６１Ｒ 下部支点
６２ 上部支点
１０１ パワーモジュール

Claims (4)

1. 窒化珪素からなるセラミックス板の表面にエネルギ密度０．４０Ｊ／ｍｍ^２以上０．５５Ｊ／ｍｍ^２以下のレーザ光を照射するレーザ照射工程と、
   前記セラミックス板に金属板を接合して回路層を形成する回路層形成工程と、
   を有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. 前記レーザ照射工程を前記回路層形成工程の前に実施す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の製造方法。
3. 前記レーザ照射工程を前記回路層形成工程の後に実施し、
   前記レーザ照射工程では、前記セラミックス板における前記回路層との非接合面の表面に前記レーザ光を照射す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の製造方法。
4. 窒化珪素からなるセラミックス板の表面にエネルギ密度０．４０Ｊ／ｍｍ^２以上０．５５Ｊ／ｍｍ^２以下のレーザ光を照射するレーザ照射工程を有することを特徴とするセラミックス板の製造方法。

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