JP5082972B2 - 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。

従来のパワーモジュールとして、セラミックスからなる絶縁基板の一方の面に、アルミニウム製の回路層を積層し、この回路層の上に電子部品となる半導体チップがはんだ付けされ、一方、絶縁基板の他方の面に放熱層が形成され、この放熱層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。この場合、回路層の表面には、一般に、はんだ付け性の向上のためニッケルメッキが施される。

この回路層にニッケルメッキを施す場合、例えば、特許文献１に示されるニッケルメッキ技術が用いられる。この特許文献１に示されるＮｉめっき技術は、アルミニウム又はその合金からなるアルミニウム基材上にニッケルメッキを施す工程と、該ニッケルメッキで被覆されてなるアルミニウム基材を２５０℃以上で、かつアルミニウム母材の融点未満の温度で加熱する工程とを有するものであって、このような工程によって、母材に対して密着性の良いニッケルメッキ膜を形成するものである。そして、このニッケルメッキ膜によってはんだ層の濡れ性を向上させ、ボイド率の低減を図るようにしている。
特開昭６２‐２８０３９５号公報

ところで、このようにして回路層にニッケルメッキを施したパワーモジュール用基板では、通常、その上面に搭載される半導体チップのはんだ付けを酸化防止のために水素を含有する還元雰囲気中で行ない、その後、回路層と半導体チップとを電気的に接続するワイヤボンディングを大気中にて行っている。
しかしながら、回路層へのボンディングワイヤの接合部において、ニッケルメッキ膜が母材から剥がれるという不具合が生じており、その対策が望まれていた。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ボンディングワイヤが接続されるニッケルメッキ膜の剥がれを防止す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。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
すなわち、本発明の製造方法では、絶縁基板の上にアルミニウム製の回路層が形成されるとともに、該回路層の表面にニッケルメッキ膜が形成されてなるパワーモジュール用基板の製造方法において、前記ニッケルメッキ膜を形成した後、不活性ガス雰囲気とした炉内を２００〜３８０℃のピーク温度に到達させた後、冷却する熱処理を行うことを特徴とする。
この製造方法においては、回路層にニッケルメッキを施した後に、不活性ガス雰囲気中で熱処理することにより、表面からの酸化を防止しながら、ニッケルメッキとアルミニウム製の回路層との界面で両金属どうしが拡散し合って強固に接合するのである。

また、本発明の製造方法において、前記熱処理は、その昇温速度が１０〜２０℃／分であるとよい。
なお、不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウム等を使用することができる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法では、回路層の表面にニッケルメッキ膜を形成した後に、不活性ガス中で熱処理することにより、回路層とニッケルメッキ膜との密着力を高めることができる。その結果、ニッケルメッキ膜の剥がれによりボンディングワイヤが外れるなどの不具合の発生を確実に防止することができる。また、その熱処理として、不活性ガス雰囲気とした炉内を２００〜３８０℃のピーク温度に到達させた後、冷却する処理とすることにより、ニッケルメッキ膜の密着力をより高めることができ、昇温速度を１０〜２０℃／分とすることにより、さらに信頼性を向上させることができる。

以下、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示している。この図１に示されるパワーモジュール１は、セラミックス等からなる絶縁基板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の裏面にベースプレート５を介して接合されたヒートシンク６とから構成されている。

パワーモジュール用基板３は、絶縁基板２の表面側にアルミニウム製の回路層７が積層されるとともに、裏面側に放熱層８が積層され、この放熱層８を介してヒートシンク６が取り付けられた構成である。

また、絶縁基板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により形成され、回路層７は、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる母材により形成されている。また、この回路層７は、その表面にはんだの濡れ性を向上させるために、ニッケルメッキ処理によってニッケルメッキ膜９が形成されている。放熱層８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。この場合、絶縁基板２は平面視四角形状に形成され、放熱層８は、絶縁基板２よりも若干小さいが、同様に平面視四角形状に形成されている。

また、これら絶縁基板２、回路層７、放熱層８の相互間は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材によって接合されている。放熱層８とベースプレート５との間はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によって接合され、ベースプレート５とヒートシンク６との間は、シリコングリースによって密着させた状態でねじ１０によって機械的に固定されている。

ベースプレート５は純アルミニウム又はアルミニウム合金から構成される。ヒートシンク６は、アルミニウム合金の押し出し成形によって、パワーモジュール用基板３に接合される筒体１１と、該筒体１１の内部流路１２内に立設された多数のフィン１３とが形成された構成とされている。天板部１１は、パワーモジュール用基板３の放熱層８より大きい四角形状の平面形状を有しており、各フィン１２は、筒体１１の幅方向に等間隔で相互に平行に並べられ、筒体１１の長さ方向に沿って設けられている。

そして、回路層７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１４がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と回路層７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１５により接続される。
なお、符号１６は放熱層８とベースプレート５との間のはんだ接合層を示している。

そして、このような構成のパワーモジュール用基板３の製造に際しては、まず、絶縁基板２の各面にろう材箔を介して回路層７及び放熱層８を積層し、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回路層７及び放熱層８をそれぞれ絶縁基板２に接合する。そして、その回路層７の表面に、無電解めっきにより、ニッケルメッキ膜９を形成する。

その後、不活性ガスが充満された炉（図示略）内にパワーモジュール基板３を置き、炉内の不活性ガス温度をピーク温度である２００〜３８０℃にまで到達させた後、炉内放置により冷却するという熱処理を行なう。この場合、不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウムのいずれかが一部又は全割合で含有されたものを使用する。また、ピーク温度までの昇温速度は１０〜２０℃／分とされ、ピーク温度に到達したら冷却開始するが、そのピーク温度で若干保持してもよい。保持時間としては０〜１０分とされる。図２のグラフは、この熱処理における温度の経時的変化を示しており、ピーク温度Ｔが２００〜３８０℃とされ、そのピーク温度Ｔへの到達時間Ｍは１５〜３０分とされる。この熱処理により、回路層７の表面とニッケルメッキ膜９との接合面における両金属相互の拡散が促進されることにより、両者が界面付近で一体になり、その密着力が高められるのである。

このようにして製造したパワーモジュール用基板３には、その回路層６の上に電子部品がはんだ付けされるとともに、放熱層７がベースプレート５上にはんだ付けされる。これらのはんだ付け作業は窒素と水素を混合した還元ガス雰囲気中で行われる。そして、冷却後に、大気中で電子部品４と回路層７との間でワイヤボンディングされる。最後にヒートシンク６をシリコングリースを介してベースプレート５に接触させ、ねじ１０によって固定する。この一連の工程によってパワーモジュール１が完成する。

次に、上記のような構成のパワーモジュール用基板３の回路層７について、ボンディングワイヤの剥離がどのような場合に生じるかについて行った試験の結果を以下に示す。

この試験では、絶縁基板に回路層及び放熱層をろう付けにより積層し、回路層にニッケルメッキ膜を形成した後、そのニッケルメッキ膜の上にワイヤボンディングして試験片とした。使用したボンディングワイヤとしては、材質がＡｌ−１ｗｔ％Ｓｉのアルミニウム製し、ワイヤ径が１５０〜５００μｍ、ピッチが１ｍｍで試験片１枚につき１５本ずつワイヤボンディングした。このようにして製作した試験片を６枚ずつ、図３（ａ）に示すように、窒素雰囲気（窒素９３％、水素７％）で熱処理した場合（Ｔ）、窒素雰囲気で熱処理した後、さらに水素雰囲気（水素１００％）で加熱処理した場合（Ｔ→Ｈ）、事前の熱処理をすることなく、水素雰囲気で加熱処理した場合（Ｈ）の３種類の条件で試験した。また、同様にして製作した試験片を同じく６枚ずつ、図３（ｂ）に示すように、アルゴン雰囲気（アルゴン１００％）で熱処理した場合（Ａ）、アルゴン雰囲気で熱処理した後、さらに水素雰囲気で加熱処理した場合（Ａ→Ｈ）、事前の熱処理をすることなく、水素雰囲気で加熱処理した場合（Ｈ）の３種類の条件で試験した。

いずれの熱処理の場合もピーク温度は３６０℃とし、そのピーク温度までの到達時間は２０〜２５分、到達後は炉内放置によって冷却した。この熱処理条件において、水素雰囲気での加熱処理は、電子部品を搭載するときのはんだ付け条件を模擬したものである。なお、図３（ａ）と（ｂ）とで回路層のアルミニウム板のロットが若干異なるものを使用している。

図３において、ＷＢ剥離とは、ワイヤボンディング部の剥離を意味しており、ボンディングワイヤを１本ずつ中央で切断して、ワイヤの根元の部分をピンセットでつまんで持ち上げたときに、ワイヤが切れたものあるいはニッケルメッキ膜の表面でワイヤが外れたものは正常、ニッケルメッキ膜から剥離したものをＮＧとして、試験した。各表の１行目の数値は、試験片６枚中の何枚に剥離が生じたかを分数で示している。また、２行目は、剥離が生じたボンディングワイヤの全本数を示し、１枚につき１５本であるから、総本数は９０本であり、９０本中何本に剥離が生じたかを分数で示している。３行目は、ろう付けした回路層の表面にろうのシミが生じていた場合に、そのシミの部分に固着されたボンディングワイヤの総本数に対して何本に剥離が生じたかを分数で示している。剥離が生じる場合、ろうのシミが発生した部分で生じており、その剥離率を４行目に示した。

この図３の試験結果から明らかなように、水素ガス雰囲気で加熱処理する前に、窒素ガス雰囲気又はアルゴンガス雰囲気で熱処理を加えておくことにより、ボンディングワイヤの剥離率が、窒素ガスでの熱処理の場合は６９．０％から７．４％に、またアルゴンガスでの熱処理の場合は７３．８％から０％に、それぞれ大幅に低下することが確認された。

以上詳細に説明したように本実施形態に示されるパワーモジュール用基板の製造方法では、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気中で熱処理することによって、回路層７とニッケルメッキ槽９との密着力を高めることができ、その結果、その後に電子部品４をはんだ付けしてワイヤボンディングにより接続したパワーモジュール１は、ニッケルメッキ膜の剥がれに起因する不具合の発生が確実に防止されるものである。
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。

本発明の実施形態の製造方法が適用されるパワーモジュールの全体構成を示す縦断面図である。 本発明の実施形態における熱処理の温度変化状態を示すグラフである。 ワイヤボンディング部からの剥離を確認するために実施した試験結果を示す表である。

符号の説明

１ パワーモジュール
２ 絶縁基板
３ パワーモジュール用基板
４ 電子部品
５ ベースプレート
６ ヒートシンク
７ 回路層
８ 放熱層
９ ニッケルメッキ膜
１０ ねじ
１１ 筒体
１２ 内部流路
１３ フィン
１４ はんだ接合層
１５ ボンディングワイヤ
１６ はんだ接合層

Claims (2)

1. 絶縁基板の上にアルミニウム製の回路層が形成されるとともに、該回路層の表面にニッケルメッキ膜が形成されてなるパワーモジュール用基板の製造方法において、
   前記ニッケルメッキ膜を形成した後、不活性ガス雰囲気とした炉内を２００〜３８０℃のピーク温度に到達させた後、冷却する熱処理を行うことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール基板の製造方法。
2. 前記熱処理は、その昇温速度が１０〜２０℃／分であ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。

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