WO2022131273A1 - セラミックススクライブ基板、セラミックス基板、セラミックススクライブ基板の製造方法、セラミックス基板の製造方法、セラミックス回路基板の製造方法、及び、半導体素子の製造方法 - Google Patents

セラミックススクライブ基板、セラミックス基板、セラミックススクライブ基板の製造方法、セラミックス基板の製造方法、セラミックス回路基板の製造方法、及び、半導体素子の製造方法 Download PDF

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Definitions

  • the embodiments generally relate to a ceramic scribing substrate, a ceramic substrate, a method for manufacturing a ceramic scribing substrate, a method for manufacturing a ceramic substrate, a method for manufacturing a ceramic circuit board, and a method for manufacturing a semiconductor element.
  • a silicon nitride substrate having high strength, high toughness, and high heat dissipation has a size of 220 [mm] ⁇ 220 [mm] ⁇ 0.32 [mm] disclosed. (Patent Document 1).
  • Patent Document 2 a method of taking a large number of silicon nitride substrates by using a scribe line formed by laser processing is disclosed ( Patent Document 2).
  • Patent Document 2 microcracks in the silicon nitride substrate do not occur more than necessary during division due to multi-cavity by laser machining, and scribe line machining for multi-capping is easy and low cost. It can be carried out.
  • the substrate before division became large and thin, the problems caused by laser processing the silicon nitride substrate having high strength and high toughness became clear.
  • the silicon nitride substrate has high strength, a large force is required to break along the scribe line, so it is necessary to insert the laser deeply in the thickness direction of the silicon nitride substrate.
  • the silicon nitride substrate is thin, there is a high possibility that the silicon nitride substrate will be split due to the processing process after forming the scribe line by the laser or the force applied during transportation.
  • the embodiment relates to a ceramic substrate having excellent cost performance, which solves such a problem and enables efficient production of a small substrate from a high-strength and thin large ceramic substrate having both heat dissipation and electrical insulation.
  • the ceramic scribe substrate according to the embodiment is provided with a continuous groove in which a plurality of grooves are connected by irradiation of a fiber laser on the surface side of the scribe line for forming the ceramic substrate, and the depth of the continuous groove is 50 [ ⁇ m]. It is also large and is within the range of 0.15 times or more and 0.55 times or less of the thickness of the ceramic substrate.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a scribe cross section of a ceramic scribe substrate according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged partial cross-sectional view of portion A in FIG.
  • the figure which shows an example of the ceramics circuit board which concerns on embodiment.
  • the side view which shows an example of the ceramics circuit board integrated with the resin mold which concerns on embodiment.
  • the scribe line provided on the ceramic scribe substrate according to the embodiment is for forming the ceramic substrate, and indicates the scribe line before dividing the ceramic substrate and the scribe line mark after the division (hereinafter, "" Called "scribe line”).
  • the scribe line of the ceramic scribe substrate according to the embodiment has a continuous groove in which a plurality of grooves are connected on the surface side by irradiation with a laser, for example, a fiber laser, and the depth of the continuous groove is larger than 50 [ ⁇ m] and It is characterized in that it is 0.15 times or more and 0.55 times or less the thickness of the ceramic substrate.
  • the ceramic scribing substrate, the ceramic substrate, the manufacturing method of the ceramic scribing substrate, the manufacturing method of the ceramic substrate, the manufacturing method of the ceramic circuit board, and the manufacturing method of the semiconductor element according to the embodiment will be described in detail.
  • FIG. 1 shows a top view of an example of a ceramic substrate according to an embodiment.
  • 1 is a ceramic scribe substrate
  • 2 is a ceramic multi-piece substrate
  • 3 is a scribe line
  • 4 is an individual ceramic substrate to be a product
  • 5 is a peripheral portion not used as a product.
  • the ceramic scribe substrate 1 includes a ceramic multi-layer board 2 capable of acquiring a plurality of ceramic substrates by division, and a ceramic single substrate 2 capable of acquiring one ceramic substrate by division (not shown).
  • FIG. 1 shows an example of a multi-ceramic substrate 2 capable of laser scribing a large number of four ceramic substrates 4 vertically and horizontally along a total of six scribe lines 3 of three vertically and horizontally. It is shown.
  • the ceramic scribe substrate 1 is not limited to such a multi-ceramic substrate 2, and may be a ceramic single substrate having a scribe line capable of processing one ceramic substrate into a product shape. It may be a ceramic multi-piece board having a scribe line capable of taking a large number of pieces exceeding two in length and width.
  • the ceramic scribe substrate 1 has a rectangular shape in the plan view in FIG. 1, it may have a substantially polygonal shape.
  • the three-point bending strength can be as high as 600 [MPa] or more, and further 700 [MPa] or more. Further, there are those having a thermal conductivity of 50 [W / m ⁇ K] or more, and further 80 [W / m ⁇ K] or more.
  • the thermal conductivity can be as high as 170 [W / m ⁇ K] or more, and further 230 [W / m ⁇ K] or more.
  • the ceramic scribing substrate 1 is a silicon nitride substrate
  • the ceramic substrate 4 is also a silicon nitride substrate
  • the three-point bending strength of the ceramic scribing substrate 1 is the three-point bending of the ceramic substrate 4. It is synonymous with strength and the like.
  • These ceramic scribe substrates 1 may be a single plate or may have a three-dimensional structure such as a multilayer structure.
  • the scribe line 3 is a laser scribe line processed by a fiber laser.
  • the fiber laser conforms to the one defined in JIS-Z 3001-5 (2013) as the fiber laser.
  • FIG. 2 shows an example of a scribe cross section of the ceramic scribe substrate 1 according to the embodiment.
  • 6 is a laser irradiation surface (surface) which is a surface on the side where laser irradiation is performed
  • 7 is a continuous groove in which a plurality of grooves are connected to the surface side by laser irradiation
  • 8 is a continuous groove in which a plurality of grooves are connected to the deep side by laser irradiation.
  • the non-continuous groove group (plurality of recesses) and 9 are the laser non-irradiated surface (back surface) which is the side not irradiated with the laser and the opposite surface of the laser irradiation surface 6.
  • the ceramic scribing substrate 1 is provided with the continuous groove 7 so that the continuous groove 7 is provided on the surface side of the scribing line 3 on at least one side of the scribing line 3 on the four sides of the ceramic substrate 4 formed by the ceramic scribing substrate 1. good.
  • FIG. 3 is an enlargement of the cross section of the part A in FIG. T is the thickness of the ceramic scribe substrate 1
  • D1 is the distance from the surface of the ceramic scribe substrate 1 to the deepest part of the continuous groove 7 (depth of the continuous groove 7)
  • D2 is the discontinuous groove group from the deepest part of the continuous groove 7.
  • the distance to the deepest part of 8 (the depth of the discontinuous groove group 8) is shown.
  • the thickness of the ceramic scribe substrate 1 is synonymous with the thickness of the ceramic substrate 4.
  • the depth D1 of the continuous groove 7 and the depth D2 of the discontinuous groove group 8 can be obtained from the cross section of the ceramic substrate 4.
  • the cross section of the ceramics substrate 4 after being divided along the scribe line 3 is photographed with a microscope or a scanning electron microscope (SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • a line is drawn in the deepest part of the continuous groove 7 (the mountain part sandwiched between the adjacent grooves of the discontinuous groove group 8) so as to be parallel to the surface of the ceramic substrate 4, and the surface of the ceramic substrate 4 is concerned.
  • the distance to the deepest part is measured as the depth D1.
  • a line is drawn in the deepest part of the discontinuous groove group 8 so as to be parallel to the surface of the image showing the ceramic substrate 4, and the deepest part of the continuous groove group 7 to the deepest part of the discontinuous groove group 8.
  • the distance to is measured as the depth D2.
  • the depth D1 of the continuous groove 7 may be measured based on the position of one peak of the discontinuous groove group 8, or a plurality of discontinuous groove groups 8 separated at equal intervals, for example, 10 pieces. It may be measured based on the position of the mountain part and arithmetically averaged.
  • the depth of one of the discontinuous groove groups 8 may be measured, or a plurality of discontinuous groove groups 8 separated at equal intervals.
  • the depths of 10 grooves may be measured and arithmetically averaged.
  • the depth D1 of the continuous groove 7 from the laser irradiation surface 6 is larger than 50 [ ⁇ m].
  • the continuous groove 7 is formed to smoothly divide the high-strength ceramic scribe substrate 1. By making the depth of the continuous groove 7 larger than 50 [ ⁇ m], it becomes unnecessary to apply a large force when the ceramic scribe substrate 1 is divided. Further, the depth of the continuous groove 7 is preferably larger than 75 [ ⁇ m], and more preferably larger than 100 [ ⁇ m].
  • the depth D1 of the continuous groove 7 is 0.15 times or more and 0.55 times or less of the thickness T of the ceramic scribe substrate 1.
  • the depth D1 is smaller than 0.15 times the thickness T of the ceramic scribe substrate 1, a large force is applied at the time of division, so that defects such as cracks and cracks are likely to occur at the divided portion of the ceramic substrate 4 after division. ..
  • the depth D1 exceeds 0.55 times the thickness T of the ceramic scribe substrate 1, it will be divided only by applying a small force in the post-process or during transportation, and stable production cannot be performed.
  • the depth D1 of the continuous groove 7 is preferably 0.2 times or more and 0.5 times or less, and more preferably 0.25 times or more and 0.45 times or less of the thickness T of the ceramic scribe substrate 1.
  • the depth D2 of the discontinuous groove group 8 formed on the deep side of the continuous groove 7 is 0 to 0.45 times or less the thickness of the ceramic scribe substrate 1. This is because if the depth D2 exceeds 0.45 times the thickness T of the ceramic scribe substrate 1, it will be divided even if a small force is applied in the post-process or during transportation, and stable production cannot be performed. Further, the depth D2 of the discontinuous groove group 8 is preferably 0.05 times or more and 0.4 times or less, and more preferably 0.1 times or more and 0.35 times or less of the thickness T of the ceramic scribe substrate 1. preferable.
  • W is the width of the opening portion of the discontinuous groove group 8 (hereinafter referred to as “groove opening width”)
  • P is the distance between adjacent grooves of the discontinuous groove group 8 (hereinafter referred to as “groove distance”). Call).
  • the inter-groove distance P of the discontinuous groove group 8 measures the distance between the deepest portions of the adjacent grooves, but it is also possible to measure the distance between the shallowest portions of the adjacent grooves. be.
  • the groove opening width W and the groove opening width P are obtained by, for example, arithmetically averaging the 10 points where the above-mentioned depth D2 is measured by measuring the groove opening distance P and the groove opening width W between the adjacent grooves.
  • the inter-groove distance P of the discontinuous groove group 8 is 10 [ ⁇ m] or more and 100 [ ⁇ m] or less.
  • the inter-groove distance P is larger than 100 [ ⁇ m]
  • a large force is applied at the time of division, so that defects such as chips and cracks are likely to occur at the divided portion of the ceramic substrate 4 after the division.
  • the inter-groove distance P is smaller than 10 [ ⁇ m]
  • the inter-groove distance P of the discontinuous groove group 8 is preferably 20 [ ⁇ m] or more and 90 [ ⁇ m] or less, and more preferably 30 [ ⁇ m] or more and 80 [ ⁇ m] or less.
  • the groove opening width W of the discontinuous groove group 8 is 5 [ ⁇ m] or more and 50 [ ⁇ m] or less.
  • the groove opening width W is larger than 50 [ ⁇ m]
  • a large force is applied at the time of division, so that defects such as chips and cracks are likely to occur at the divided portion of the ceramic substrate 4 after the division.
  • the groove opening width W is smaller than 5 [ ⁇ m]
  • the groove opening width W of the discontinuous groove group 8 is preferably 10 [ ⁇ m] or more and 45 [ ⁇ m] or less, and more preferably 15 [ ⁇ m] or more and 40 [ ⁇ m] or less.
  • the groove opening width W of the discontinuous groove group 8 is 5 [ ⁇ m] or more and 50 [ ⁇ m] or less.
  • the groove opening width W is larger than 50 [ ⁇ m]
  • a large force is applied at the time of division, so that defects such as cracks and cracks are likely to occur at the divided portion of the ceramic substrate 4 after the division.
  • the groove opening width W is smaller than 5 [ ⁇ m]
  • the groove opening width W of the discontinuous groove group 8 is preferably 10 [ ⁇ m] or more and 45 [ ⁇ m] or less, and more preferably 15 [ ⁇ m] or more and 40 [ ⁇ m] or less.
  • the difference (difference in groove brightness) between the brightness of the laser irradiation mark of the continuous groove 7 and the brightness of the surface of the ceramic scribe substrate 1 is 5 or less. If the assist gas is not used during laser machining, the surface of the continuous groove 7 turns black due to the residue of laser machining. The laser residue may be removed in a subsequent process, but if it remains on the surface, it may come off. Further, if the laser output is increased without using the assist gas, the processing speed can be increased, but the damage given to the surface of the continuous groove 7 is increased. Therefore, the smaller the difference between the brightness of the laser irradiation mark of the continuous groove 7 and the brightness of the surface of the ceramic scribe substrate 1, the smaller the damage to the ceramic substrate. Further, the difference between the brightness of the laser irradiation mark of the continuous groove 7 and the brightness of the surface of the ceramic substrate is preferably 4 or less, and more preferably 3 or less. The brightness is based on that defined in JIS Z8721 (1993).
  • FIG. 4 shows an example of the ceramic circuit board 10 according to the embodiment.
  • 4 is a ceramic substrate
  • 6 is a laser irradiation surface
  • 9 is a laser non-irradiation surface
  • 10 is a ceramic circuit board
  • 11 is a metal circuit
  • 12 is a metal heat sink.
  • the metal heat sink 12 is bonded to the laser irradiation surface 6 of the ceramic substrate 4.
  • the metal circuit 11 is bonded to the laser non-irradiated surface 9 of the ceramic substrate 4.
  • the metal plate used in the metal circuit 11 examples include copper (Cu), copper-based alloys, and aluminum (Al). It is preferable that the ceramic substrate (product portion) 4 and the metal circuit 11 are joined via a joining layer (not shown in the figure). Further, when joining the metal heat sink, it is preferable to join via the joining layer. Further, it is preferable to provide a bonding layer between the ceramic substrate 4 and the metal circuit 11 with an active metal brazing material containing an active metal such as Ti (titanium). Examples of the active metal include Zr (zirconium) in addition to Ti. Examples of the active metal brazing material include a mixture containing any one of Ag (silver) and Cu as a main component in addition to Ti.
  • Ti is 0.1 [wt%] or more and 10 [wt%] or less
  • Cu is 10 [wt%] or more and 60 [wt%]
  • Ag is the balance.
  • one or more selected from In (indium), Sn (tin), Al, Si (silicon), C (carbon), and Mg (magnesium) is 1 [wt% or more and 15 [wt%] or less. It may be added.
  • the active metal brazing material paste is applied to the surface of the ceramic substrate 4, and the metal circuit 11 is arranged on the active metal brazing material paste. This is heated at 600 [° C.] or more and 900 [° C.] or less to join.
  • the bonding strength between the ceramic substrate 4 and the metal circuit 11 which is a copper circuit board can be set to 16 [kN / m] or more.
  • a metal thin film containing one selected from Ni (nickel), Ag (silver), and Au (gold) as a main component may be provided on the surface of the metal circuit 11.
  • these metal thin films include a plating film and a sputter film.
  • the metal circuit 11 is formed on the laser non-irradiation surface (laser non-processed surface) 9 on the side opposite to the laser irradiation surface 6 on which the scribe line 3 is formed, but the metal circuit 11 is formed on the laser irradiation surface 6. It is also possible to form. This is because the laser scribing of the present invention causes less damage due to the formation of the laser scribing and can relieve stress. When the metal circuit 11 is formed on the laser irradiation surface 6, it is easy to perform positioning for circuit formation by using the scribe line 3. On the contrary, when the metal heat sink 12 is formed on the laser irradiation surface 6, the adhesion of the resin mold 16 with the resin can be improved.
  • FIG. 5 shows an example of a semiconductor module (semiconductor device) according to the embodiment.
  • 10 is a ceramic circuit board
  • 13 is a semiconductor module
  • 14 is wire bonding
  • 15 is a semiconductor element
  • 16 is a resin mold
  • 17 is a lead frame.
  • the semiconductor element 15 is bonded to the metal circuit 11 of the ceramic circuit board 10 via a bonding layer (not shown).
  • the lead frame 17 is joined via a joining layer (not shown).
  • Adjacent metal circuits 11 are connected to each other by wire bonding 14.
  • the wire bonding 14 and the metal circuit 11 are bonded.
  • the ceramic circuit board 10 to which the wire bonding 14 is connected is integrated with the resin mold 16 to form the semiconductor module 13.
  • the semiconductor module 13 is not limited to such a structure.
  • the wire bonding 14 and the lead frame 17 may be either one.
  • a plurality of semiconductor elements 15, wire bonding 14, and lead frames 17 may be provided in the metal circuit 11.
  • examples of the joining layer for joining the semiconductor element 15 and the lead frame 17 include solder and a brazing material.
  • Lead-free solder is preferable as the solder.
  • the solder has a melting point of 450 [° C.] or less.
  • the brazing material has a melting point of more than 450 [° C].
  • a material having a melting point of 500 [° C.] or higher is called a high temperature brazing material.
  • the high-temperature brazing material include those containing Ag as a main component.
  • the screen surface is opposite to the metal circuit 11 (heat sink side) as in the ceramic circuit board 10 shown in FIG. This is because the non-continuous groove group 8 generated by the laser scribe is difficult for the resin to enter and may become a hole. Since the holes hinder the heat dissipation, the scribe line 3 is formed on the metal heat sink 12 side so as to suppress the generation.
  • the semiconductor element 15 While the semiconductor element 15 is becoming smaller, the amount of heat generated from the chip is steadily increasing. Therefore, it is important to improve the heat dissipation in the ceramic circuit board 10 on which the semiconductor element 15 is mounted. Further, in order to improve the performance of the semiconductor module 13, a plurality of semiconductor elements 15 are mounted on the ceramic circuit board 10. If even one semiconductor element 15 exceeds the intrinsic temperature of the element, the resistance changes to the temperature coefficient on the negative negative side. Along with this, a phenomenon occurs in which a thermal runaway in which electric power flows intensively occurs and the electric power is instantly destroyed. Therefore, it is effective to improve the heat dissipation.
  • the semiconductor device 13 can be used for a PCU, an IGBT, and an IPM module used for an inverter of an automobile (including an electric vehicle), an electric railway vehicle, an industrial machine, an air conditioner, and the like. Automobiles are becoming more and more electric vehicles. Improving the reliability of the semiconductor device 13 directly leads to the safety of the automobile. The same applies to electric railways and industrial equipment.
  • the manufacturing method thereof is not particularly limited, but the following can be mentioned as a method for obtaining a good yield.
  • the thermal conductivity of the silicon nitride substrate is 50 [W / m ⁇ K] or more and the three-point bending strength is 600 [MPa] or more. Is preferable.
  • a silicon nitride substrate having a through hole is prepared.
  • the through hole may be provided in advance at the stage of the molded body.
  • a step of providing a through hole in the silicon nitride sintered body may be performed. The step of providing the through hole is performed by laser machining, cutting, or the like similar to laser scribe. Cutting is performed by drilling or the like with a drill or the like.
  • the silicon nitride substrate is irradiated with a fiber laser to form a scribe line 3 composed of a continuous groove 7 and a discontinuous groove group 8.
  • a continuous groove 7 and a discontinuous groove group 8 having a predetermined size are formed depending on the conditions of the fiber laser machine.
  • the continuous groove 7 may be formed on the surface side by the fiber laser on the silicon nitride substrate as the ceramic scribe substrate 1, and then the discontinuous groove group 8 may be formed on the deep side by the fiber laser.
  • one or a plurality of ceramic substrates 4 are manufactured by applying stress to the silicon nitride substrate as the ceramic scribe substrate 1 to divide the ceramic scribe substrate 1 along the scribe line 3.
  • the metal circuit 11 is joined to the silicon nitride substrate as the ceramic substrate 4. It is preferable that the silicon nitride substrate and the metal circuit 11 are joined by an active metal joining method.
  • the active metal joining method uses an active metal brazing material mixed with an active metal such as Ti.
  • the active metal brazing material include a mixture of Ti, Ag, and Cu.
  • Ti is 0.1 [wt%] or more and 10 [wt%] or less
  • Cu is 10 [wt%] or more and 60 [wt%] or more.
  • %] Ag is the balance.
  • one or more selected from In, Sn, Al, Si, C, and Mg may be added in an amount of 1 [wt%] or more and 15 [wt%] or less.
  • the active metal brazing material is made into a paste.
  • the paste is a mixture of a brazing filler metal component and an organic substance, but the brazing filler metal component needs to be uniformly mixed. This is because if the brazing material components are unevenly distributed, the brazing is not stable and causes poor joining.
  • the active metal brazing paste is applied to the ceramic substrate 4. Place a copper plate on it.
  • a step of heating this at 600 [° C.] or more and 900 [° C.] or less to join is performed.
  • the heating step shall be performed in vacuum or in a non-oxidizing atmosphere, if necessary. Further, when it is performed in a vacuum, it is preferably 1 ⁇ 10-2 [Pa] or less.
  • the non-oxidizing atmosphere includes a nitrogen atmosphere and an argon atmosphere. Oxidation of the bonding layer can be suppressed by creating a vacuum or a non-oxidizing atmosphere. As a result, the joint strength can be improved.
  • the metal circuit 11 to be joined may be either one processed into a pattern shape in advance for circuit formation or a single plate without pattern processing. When a single plate is used, it is processed into a pattern shape by etching after joining. At this time, the metal circuit 11 is formed on the surface opposite to the surface on which the scribe line 3 is formed. By this step, a silicon nitride metal circuit board as a ceramic circuit board 10 can be manufactured.
  • a bonding layer is provided at a position where the semiconductor element 15 is bonded.
  • the bonding layer is preferably solder or brazing material.
  • a bonding layer is provided, and the semiconductor element 15 is provided on the bonding layer.
  • the lead frame 17 is joined via the joining layer.
  • wire bonding 14 shall be provided as needed.
  • the semiconductor element 15, the lead frame 17, and the wire bonding 14 are provided with a necessary number. The inside is sealed by integrating the silicon nitride circuit board on which the semiconductor element 15, the lead frame 17, and the wire bonding 14 are performed with the resin mold 16.
  • the ceramic circuit board 10 has been described as being manufactured by joining the metal circuit 11 or the like to the ceramic substrate 4 after being divided from the ceramic screen substrate 1, but the present invention is not limited to this case.
  • a metal circuit 11 or the like is joined to the ceramic substrate 4 before division in the ceramic scribing substrate, and stress is applied to the ceramic scribing substrate 1 to which the metal circuit 11 or the like is bonded to divide the ceramic substrate 1 along the scribing line 3. (Results of Examples and Comparative Examples described later in Table 2). That is, the order of the division step of the ceramic scribe substrate 1 and the joining step of the metal circuit 11 or the like does not matter.
  • the laser scribe method of the aluminum nitride substrate among the ceramic scribe substrate 1 according to the embodiment will be described.
  • an aluminum nitride substrate is prepared.
  • the thermal conductivity is 170 [W / m ⁇ K] or more and the three-point bending strength is 350 [MPa] or more.
  • the manufacturing method of the laser screen of the aluminum nitride substrate is not particularly limited as long as it has the above-mentioned configuration, but as a method for obtaining a good yield, the above-mentioned silicon nitride substrate and silicon nitride circuit board are used. The same manufacturing process shall be taken.
  • the ceramic screen substrate is a silicon nitride substrate (thermal conductivity 90 [W / m ⁇ K]) having a length of 40 [mm] ⁇ width of 50 [mm] and a thickness of 0.32 [mm] and 0.50 [mm].
  • Three-point bending strength 650 [MPa] was prepared.
  • an aluminum nitride substrate (thermal conductivity 170 [W / m ⁇ K], three-point bending) having a length of 40 [mm] ⁇ a width of 50 [mm] and a thickness of 0.635 [mm] and 0.80 [mm].
  • Strength 400 [MPa] was prepared.
  • an assist gas is used on the surface side of the ceramic scribe substrate by a fiber laser, and six lasers are used for one ceramic scribe substrate under each condition of Examples 1 to 32 and Comparative Examples 1 to 20. Processing was performed on 101 sheets at a time. One of the ceramic screen substrates after laser machining under each condition is divided, and the vicinity of the center of the cross section of the divided ceramic substrate (at a position of about 10 [mm] from the end) is multiplied by 100 by SEM. I observed it and took a picture. Lines were drawn on the surface of the ceramic substrate, the deepest part of the continuous groove, and the deepest part of the discontinuous groove group, and the depth D1 of the continuous groove and the depth D2 of the discontinuous groove group were obtained.
  • the inter-groove distance P and the groove opening width W of the discontinuous groove group are arithmetically averaged by measuring the inter-groove distance P and the groove opening width W with the adjacent discontinuous groove group at 10 consecutive points in the photograph. I asked.
  • Comparative Example 7 and Comparative Example 16 processing was performed without using the assist gas.
  • Table 1 The measurement results of Examples and Comparative Examples are shown in Table 1 (in Table 1, the silicon nitride substrate is referred to as Si 3N 4 and the aluminum nitride substrate is referred to as Al N).
  • the difference was obtained by measuring the brightness of the surface of the ceramic scribe substrate and the continuous groove, which were divided under each condition and observed by SEM photographs, with a microspectroscopic color difference meter.
  • copper plates were joined to both sides by an active metal joining method.
  • oxygen-free copper having a length of 40 [mm] ⁇ a width of 50 [mm] ⁇ a thickness of 0.5 [mm] was used.
  • the active metal brazing material used in the active metal bonding method was made into a paste by mixing 2 [wt%] Ti, 10 [wt%] Sn, 30 [wt%] Cu, and Ag balance with an organic component. An active metal paste was used.
  • a semi-automatic screen printing machine prints and dries the active metal paste on the scribing surface of the ceramic scribe substrate using a 320 x 320 [mm], 250 mesh, stainless V screen mesh, and subsequently prints and dries on the laser-non-irradiated surface. did. At this time, if the ceramic substrate was separated from the scribe line by pressurizing the squeegee of the printer, it was counted as a printing defect and was not distributed to the subsequent process.
  • Copper plates were placed on both the upper and lower surfaces of the ceramic substrate on which the paste was printed and dried, and the paste was further sandwiched by a plate-shaped jig with a jig and a weight was placed from above to perform a heat bonding step.
  • the heat bonding was performed in a vacuum (1 ⁇ 10-2 [Pa] or less) with a bonding temperature of 810 [° C.] and a bonding time of 10 minutes.
  • the copper plate was etched to form a circuit shape.
  • the front copper plate has three circuit shapes, and the back copper plate is also etched to provide a pullback around it.
  • the etched ceramic substrate was scribed by an automatic substrate divider to obtain a ceramic circuit board. That is, a metal circuit or the like is joined to the ceramic substrate before division in the ceramic scribing substrate according to the examples and the comparative examples, and stress is applied to the ceramic scribing substrate to which the metal circuit or the like is bonded to divide the ceramic substrate along the scribing line. By doing so, a ceramic substrate circuit is manufactured. The appearance of the ceramic circuit board was inspected, and the cracks remaining, chips and cracks generated around the board were counted as scribe defects, and the products were not distributed in the subsequent process.
  • a semiconductor element was mounted in the central circuit section of the ceramic circuit board manufactured from the ceramic screen substrate according to the examples and comparative examples. Next, wire bonding was performed. Then, it was integrated by a resin mold by a transfer molding method.
  • the resin and the ceramic circuit board were subjected to the ultrasonic flaw detection method (SAT) around the substrate on the circuit side to which the semiconductor element was bonded.
  • SAT ultrasonic flaw detection method
  • the vacancy rate between them was evaluated.
  • the porosity [%] is (total length of the portion where the resin does not adhere to the ceramic substrate and the pores exist / the peripheral length of the ceramic substrate) ⁇ 100, and a porosity of less than 95 [%] is defective in resin peeling. And said.
  • Table 2 shows the results obtained for Examples and Comparative Examples.
  • the scribe defect rate [%] and the resin peeling defect [%] were calculated as the defect rate per 100 product quantities, excluding the defects generated in the previous step.
  • the defect rate was small as to whether or not the resin peeling defect occurred. Since there was no residue due to laser processing by laser scribe and no trace of continuous groove and discontinuous groove group at the resin molded part, unbonded due to laser residue and vacancies due to trace of continuous groove and discontinuous groove group occurred. Because it wasn't. On the other hand, in the ceramic circuit board manufactured from the ceramic scribe substrate according to the comparative example, many resin peeling defects occurred. This is because the unbonded due to the laser residue and the pores due to the continuous groove and the discontinuous groove group were peeled off and caused a defect.

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Abstract

実施形態に係るセラミックススクライブ基板は、セラミックス基板を形作るためのスクライブラインの表面側に、ファイバーレーザの照射により複数の溝が繋がった連続溝を備え、連続溝の深さが、５０［μｍ］よりも大きく、かつ、セラミックス基板の厚さの０．１５倍以上０．５５倍以下の範囲内である。

Description

セラミックススクライブ基板、セラミックス基板、セラミックススクライブ基板の製造方法、セラミックス基板の製造方法、セラミックス回路基板の製造方法、及び、半導体素子の製造方法
　実施形態は、おおむね、セラミックススクライブ基板、セラミックス基板、セラミックススクライブ基板の製造方法、セラミックス基板の製造方法、セラミックス回路基板の製造方法、及び、半導体素子の製造方法に関する。
　近年、パワーエレクトロニクス、次世代パワー半導体等の大電流を必要とする半導体素子の発展に伴って、放熱性と電気絶縁性を兼ね備えたセラミックス基板の需要は年々増加している。特に、小型化・高性能化に伴い素子の発熱が増加するにつれ、放熱を効率よく行うためにセラミックス基板の厚さは薄くなる傾向にある。
　一方で、セラミックス基板の製造コストを下げるために、より大きな形状で製造をすることが行われている。セラミックス基板のなかで高強度・高靭性を有し高い放熱性を兼ね備えた窒化珪素基板では、２２０［ｍｍ］×２２０［ｍｍ］×０．３２［ｍｍ］の大きさの基板が開示されている（特許文献１）。
　製造コストを下げるために大きく製造した窒化珪素基板を、使用する製品サイズに分割するに方法のひとつとして、レーザ加工により形成されたスクライブラインを利用して多数個取りする方法が開示されている（特許文献２）。特許文献２によれば、レーザ加工による多数個取りに伴う分割の際に、窒化珪素基板のマイクロクラックが必要以上に発生せず、多数個取りのためのスクライブライン加工も、容易かつ低コストで行うことができる。
　その一方で、分割前の基板が大きく薄くなったために、高強度・高靭性を有する窒化珪素基板をレーザ加工することによって発生する課題が明らかになってきた。たとえば、窒化珪素基板が高強度を有するためにスクライブラインに沿ってブレイクするには大きな力が必要となるため、レーザを窒化珪素基板の厚さ方向に深く入れる必要がある。しかしながら、窒化珪素基板が薄いとレーザによるスクライブライン形成後の加工工程や搬送時に加えられた力により分割されてしまう可能性が大きくなる。これとは逆にレーザを窒化珪素基板厚さ方向に浅く入れると、途中工程で分割される可能性は低くなるが、ブレイク時に大きな力をかける必要があり、作業の負荷が発生し、かつ大きな力をかけることによる外周部に欠けや亀裂が発生することがわかった。
　すなわちレーザ加工をすればセラミックス基板にスクライブラインを形成することは可能であるが、スクライブライン形成後の作業能率を向上し、かつ欠けや亀裂の発生を防止するにはスクライブラインの加工方法の制御が必要であることが判明した。
特許第６３９９２５２号公報 特開２００２－１７６１１９号公報
　近年、パワー半導体チップのジャンクション温度上昇に伴い、回路基板の高信頼化が求められている。このため高信頼性を損なうことなく、放熱性と電気絶縁性を兼ね備えた高強度で薄いセラミックス回路基板が求められている。
　実施形態は、このような問題を解決するものであり、放熱性と電気絶縁性を兼ね備えた高強度で薄い大型セラミックス基板から効率よく小型基板を製造可能にしたコストパフォーマンスに優れたセラミックス基板に関する。
　実施形態に係るセラミックススクライブ基板は、セラミックス基板を形作るためのスクライブラインの表面側に、ファイバーレーザの照射により複数の溝が繋がった連続溝を備え、連続溝の深さが、５０［μｍ］よりも大きく、かつ、セラミックス基板の厚さの０．１５倍以上０．５５倍以下の範囲内である。
実施形態に係るセラミックススクライブ基板の一例を示す上面図。 実施形態に係るセラミックススクライブ基板のスクライブ断面の一例を示す断面図。 図２のＡ部分を拡大した部分断面図。 実施形態に係るセラミックス回路基板の一例を示す図。 実施形態に係る、樹脂モールドで一体化されたセラミックス回路基板の一例を示す側面図。
実施形態
　以下、図面を参照しながら、セラミックススクライブ基板、セラミックス基板、セラミックススクライブ基板の製造方法、セラミックス基板の製造方法、セラミックス回路基板の製造方法、及び、半導体素子の製造方法の実施形態について詳細に説明する。
　実施形態に係るセラミックススクライブ基板に設けられるスクライブラインとは、セラミックス基板を形作るためのものであり、セラミックス基板を分割する前のスクライブラインおよび分割後のスクライブライン痕を示すものとする（以下、「スクライブライン」と呼ぶ）。実施形態に係るセラミックススクライブ基板のスクライブラインは、レーザ、例えばファイバーレーザの照射により表面側に複数の溝が繋がった連続溝を有し、連続溝の深さが５０［μｍ］よりも大きく、かつ、セラミックス基板の厚さの０．１５倍以上０．５５倍以下であることを特徴とするものである。さらに、スクライブラインの深部側に、ファイバーレーザの照射により複数の溝が繋がっていない非連続溝群をさらに備えることが好適である。以下、実施形態に係るセラミックススクライブ基板、セラミックス基板、セラミックススクライブ基板の製造方法、セラミックス基板の製造方法、セラミックス回路基板の製造方法、及び、半導体素子の製造方法について詳細に説明する。
　図１に実施形態に係るセラミックス基板の一例の上面図を示した。１はセラミックススクライブ基板、２はセラミックス多個取り基板、３はスクライブライン、４は製品となる個々のセラミックス基板であり、５は製品としては使用しない周辺部である。
　なお、セラミックススクライブ基板１は、分割により複数のセラミックス基板を取得可能なセラミックス多個取り基板２と、分割により１個のセラミックス基板を取得可能なセラミックス１個取り基板（図示省略）とを含む。図１は、縦横２個ずつの計４個のセラミックス基板４を、縦横３個ずつの計６個のスクライブライン３に沿ってレーザスクライブで多数個取り可能なセラミックス多個取り基板２の例を示したものである。セラミックススクライブ基板１は、このようなセラミックス多個取り基板２に限定されるものではなく、１個のセラミックス基板を製品形状に加工可能なスクライブラインを有するセラミックス１個取り基板であっても良いし、縦横２個を超えた数量の多数個取り可能なスクライブラインを有するセラミックス多個取り基板であっても良い。また、セラミックス基板４の周辺全てにスクライブライン３を形成する必要はなく、スクライブライン３は１ヵ所以上あれば良いものとする。また、図１ではセラミックススクライブ基板１は平面図で長方形状をしているが、略多角形状をしていても良い。
　セラミックススクライブ基板１が窒化珪素基板である場合は、三点曲げ強度６００［ＭＰａ］以上、さらには７００［ＭＰａ］以上と高強度にすることができる。また、熱伝導率は５０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上、さらには８０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上のものがある。また、セラミックススクライブ基板１が窒化アルミニウム基板である場合は、熱伝導率１７０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上、さらには２３０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上と高熱伝導率にすることができる。また、三点曲げ強度は３５０［ＭＰａ］以上、さらには４５０［ＭＰａ］以上のものがある。特に、近年は高強度と高熱伝導の両方を併せ持つ窒化珪素基板および窒化アルミニウム基板もある。なお、セラミックススクライブ基板１が窒化珪素基板である場合は、セラミックス基板４も窒化珪素基板であることは言うまでもなく、また、セラミックススクライブ基板１の三点曲げ強度等は、セラミックス基板４の三点曲げ強度等と同義である。
　これらのセラミックススクライブ基板１は単板であってもよいし、多層構造などの立体構造を有していても良い。
　スクライブライン３はファイバーレーザにて加工されたレーザスクライブラインである。ファイバーレーザは、ファイバーレーザとはＪＩＳ－Ｚ　３００１－５（２０１３）で定義されているものに準拠したものである。
　図２に実施形態に係るセラミックススクライブ基板１のスクライブ断面の一例を示す。６はレーザ照射をしている側の面であるレーザ照射面（表面）、７はレーザ照射により表面側に複数の溝が繋がった連続溝、８はレーザ照射により深部側に複数の溝が繋がっていない非連続溝群（複数の凹部）、９はレーザ照射をしていない側であってレーザ照射面６の反対側の面であるレーザ非照射面（裏面）である。なお、セラミックススクライブ基板１が形作るセラミックス基板４の４辺のスクライブライン３の少なくとも１辺のスクライブライン３の表面側に連続溝７が備えられるようにセラミックススクライブ基板１に連続溝７を設ければよい。
　図３は図２のＡ部分の断面を拡大している。Ｔはセラミックススクライブ基板１の厚さ、Ｄ１はセラミックススクライブ基板１の表面から連続溝７の最深部までの距離（連続溝７の深さ）、Ｄ２は連続溝７の最深部から非連続溝群８の最深部までの距離（非連続溝群８の深さ）を示す。なお、セラミックススクライブ基板１の厚さは、セラミックス基板４の厚さと同義である。
　連続溝７の深さＤ１および非連続溝群８の深さＤ２は、セラミックス基板４の断面から求めることができる。スクライブライン３に沿って分割した後のセラミックス基板４の断面を顕微鏡や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により写真撮影する。拡大した写真において、連続溝７の最深部（非連続溝群８の隣り合う溝に挟まれる山部）にセラミックス基板４の表面と平行になるように線を引き、セラミックス基板４の表面から当該最深部までの距離を深さＤ１として測定する。同様に、拡大した写真において、非連続溝群８の最深部にセラミックス基板４を示す像の表面と平行になるように線を引き、連続溝７の最深部から非連続溝群８の最深部までの距離を深さＤ２として測定する。これにより、深さＤ１、Ｄ２を簡易的に得ることができる。連続溝７の深さＤ１は、非連続溝群８の１個の山部の位置に基づいて測定してもよいし、非連続溝群８のうち等間隔で離れた複数、例えば１０個の山部の位置に基づいて測定して算術平均してもよい。また、非連続溝群８の深さＤ２の場合は非連続溝群８のうち１個の溝の深さを測定してもよいし、非連続溝群８のうち等間隔で離れた複数、例えば１０個の溝の深さを測定して算術平均してもよい。
　レーザ照射面６からの連続溝７の深さＤ１は、５０［μｍ］よりも大きくなっている。連続溝７は高強度であるセラミックススクライブ基板１をスムーズに分割するために形成される。連続溝７の深さを５０［μｍ］よりも大きくすることによりセラミックススクライブ基板１の分割時に大きな力をかけることが不要となる。さらには、連続溝７の深さは７５［μｍ］より大きいほうが好ましく、１００［μｍ］よりも大きいことがより好ましい。
　一方で連続溝７の深さＤ１はセラミックススクライブ基板１の厚さＴの０．１５倍以上０．５５倍以下である。深さＤ１がセラミックススクライブ基板１の厚さＴの０．１５倍よりも小さい場合は、分割時に大きな力がかかるため分割後のセラミックス基板４の分割箇所に割れや亀裂などの不良が発生しやすい。また、深さＤ１がセラミックススクライブ基板１の厚さＴの０．５５倍を超えると後工程や搬送時で小さな力がかかっただけで分割されてしまい、安定して製造ができないためである。さらには、連続溝７の深さＤ１はセラミックススクライブ基板１の厚さＴの０．２倍以上０．５倍以下が好ましく、０．２５倍以上０．４５倍以下であることがより好ましい。
　連続溝７より深部側に形成された非連続溝群８の深さＤ２はセラミックススクライブ基板１の厚さの０～０．４５倍以下である。深さＤ２がセラミックススクライブ基板１の厚さＴの０．４５倍を超えると後工程や搬送時で小さな力がかかっただけで分割されてしまい、安定して製造ができないためである。さらには、非連続溝群８の深さＤ２はセラミックススクライブ基板１の厚さＴの０．０５倍以上０．４倍以下が好ましく、０．１倍以上０．３５倍以下であることがより好ましい。
　図３において、Ｗは非連続溝群８の開口箇所の幅（以下、「溝開口幅」と呼ぶ）、Ｐは非連続溝群８の隣り合う溝間の距離（以下「溝間距離」と呼ぶ）を示す。なお、図３において非連続溝群８の溝間距離Ｐは、隣り合う溝の最深部間の距離を測定しているが、隣り合う溝の最浅部間の距離を測定することも可能である。
　溝開口幅Ｗおよび溝間距離Ｐは、例えば前述の深さＤ２を測定した１０点について、隣接する溝との間で溝間距離Ｐと溝開口幅Ｗを測定して算術平均して求める。
　非連続溝群８の溝間距離Ｐは１０［μｍ］以上１００［μｍ］以下である。溝間距離Ｐが１００［μｍ］よりも大きい場合は、分割時に大きな力がかかるため分割後のセラミックス基板４の分割箇所に欠けや亀裂などの不良が発生しやすい。また、溝間距離Ｐが１０［μｍ］よりも小さい場合は後工程や搬送時で小さな力がかかっただけで分割されてしまい、安定して製造ができないためである。さらには、非連続溝群８の溝間距離Ｐは２０［μｍ］以上９０［μｍ］以下が好ましく、３０［μｍ］以上８０［μｍ］以下であることがより好ましい。
　非連続溝群８の溝開口幅Ｗは５［μｍ］以上５０［μｍ］以下である。溝開口幅Ｗが５０［μｍ］よりも大きい場合は、分割時に大きな力がかかるため分割後のセラミックス基板４の分割箇所に欠けや亀裂などの不良が発生しやすい。また、溝開口幅Ｗが５［μｍ］よりも小さい場合は後工程や搬送時で小さな力がかかっただけで分割されてしまい、安定して製造ができないためである。さらには、非連続溝群８の溝開口幅Ｗは１０［μｍ］以上４５［μｍ］以下が好ましく、１５［μｍ］以上４０［μｍ］以下であることがより好ましい。
　非連続溝群８の溝開口幅Ｗは５［μｍ］以上５０［μｍ］以下である。溝開口幅Ｗが５０［μｍ］よりも大きい場合は、分割時に大きな力がかかるため分割後のセラミックス基板４の分割箇所に割れや亀裂などの不良が発生しやすい。また、溝開口幅Ｗが５［μｍ］よりも小さい場合は後工程や搬送時で小さな力がかかっただけで分割されてしまい、安定して製造ができないためである。さらには、非連続溝群８の溝開口幅Ｗは１０［μｍ］以上４５［μｍ］以下が好ましく、１５［μｍ］以上４０［μｍ］以下であることがより好ましい。
　さらに、連続溝７のレーザ照射痕の明度とセラミックススクライブ基板１の表面の明度との差（溝明度の差）は５以下であることが好適である。レーザ加工時にアシストガスを使用しないと連続溝７の表面はレーザ加工の残渣により黒色に変化する。レーザ残渣は後工程により除去されることもあるが、表面に残った場合には、剥がれ落ちる可能性がある。また、アシストガスを使用せずにレーザ出力を大きくすると加工速度を上げることができるが、連続溝７の表面に与えるダメージが大きくなる。このため連続溝７のレーザ照射痕の明度とセラミックススクライブ基板１の表面の明度との差が小さい方がセラミックス基板に与えるダメージが少なくなる。さらには、連続溝７のレーザ照射痕の明度とセラミックス基板の表面の明度の差は４以下が好ましくは、３以下であることがより好ましい。
　なお、明度はＪＩＳ　Ｚ８７２１（１９９３）で定義されているものに準拠したものである。
　レーザ加工により分割後のセラミックス基板４に、金属板などの金属回路を接合してセラミックス回路基板を形成することが可能である。図４に実施形態に係るセラミックス回路基板１０の一例を示す。図４中、４はセラミックス基板、６はレーザ照射面、９はレーザ非照射面、１０はセラミックス回路基板、１１は金属回路、１２は金属放熱板である。セラミックス基板４のレーザ照射面６に金属放熱板１２が接合される。一方で、セラミックス基板４のレーザ非照射面９に金属回路１１が接合される。
　金属回路１１に使用される金属板は銅（Ｃｕ）や銅系合金、アルミニウム（Ａｌ）などがあげられる。セラミックス基板（製品部分）４と金属回路１１は接合層（図中には表示せず）を介して接合されていることが好ましい。また、金属放熱板を接合する場合も接合層を介して接合することが好ましい。また、セラミックス基板４と金属回路１１の間に、Ｔｉ（チタン）などの活性金属を含む活性金属ろう材により接合層を設けることが好ましい。活性金属は、Ｔｉ以外にも、Ｚｒ（ジルコニウム）が挙げられる。活性金属ろう材としては、Ｔｉ以外に、Ａｇ（銀）またはＣｕのいずれか１種を主成分とする混合物が挙げられる。また、Ｔｉは０．１［ｗｔ％］以上１０［ｗｔ％］以下、Ｃｕは１０［ｗｔ％］以上６０［ｗｔ％］、Ａｇは残部である。また、必要に応じ、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（錫）、Ａｌ、Ｓｉ（珪素）、Ｃ（炭素）、Ｍｇ（マグネシウム）から選ばれる１種以上を１［ｗｔ％以上１５［ｗｔ％］以下添加してもよい。活性金属ろう材を用いた活性金属接合法は、セラミックス基板４の表面に活性金属ろう材ペーストを塗布し、その上に金属回路１１を配置する。これを６００［℃］以上９００［℃］以下で加熱して接合するものである。活性金属接合法によれば、セラミックス基板４と銅回路板である金属回路１１の接合強度を１６［ｋＮ／ｍ］以上とすることができる。
　また、金属回路１１の表面に、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）から選ばれる１種を主成分とする金属薄膜を設けても良いものとする。これら金属薄膜としては、めっき膜、スパッタ膜などが挙げられる。金属薄膜を設けることにより、耐食性やはんだ濡れ性を向上させることができる。
　図４では、スクライブライン３が形成されたレーザ照射面６とは反対側のレーザ非照射面（レーザ非加工面）９に金属回路１１を形成しているが、レーザ照射面６に金属回路１１を形成することも可能である。これは、本発明のレーザスクライブであれば、レーザスクライブ形成時によるダメージが小さく応力を緩和できるためである。レーザ照射面６に金属回路１１を形成した場合は、スクライブライン３を利用して回路形成のための位置合わせをすることが容易である。また、逆にレーザ照射面６に金属放熱板１２を形成した場合は、樹脂モールド１６の樹脂との密着性の向上が図られる。
　このようなセラミックス回路基板１０は、金属回路１１に接合層を介して半導体素子を実装したことを特徴とする半導体モジュール１３に好適である。
　図５に実施形態に係る半導体モジュール（半導体装置）の一例を示す。図５中、１０はセラミックス回路基板、１３は半導体モジュール、１４はワイヤーボンディング、１５は半導体素子、１６は樹脂モールド、１７はリードフレームである。
　図５では、セラミックス回路基板１０の金属回路１１上に接合層（図示せず）を介して半導体素子１５を接合している。同様に、接合層（図示せず）を介しリードフレーム１７を接合している。隣り合う金属回路１１同士をワイヤーボンディング１４で導通している。図５では、半導体素子１５の他にワイヤーボンディング１４と金属回路１１を接合している。ワイヤーボンディング１４が接続されたセラミックス回路基板１０を樹脂モールド１６で一体化することで半導体モジュール１３としている。半導体モジュール１３は、このような構造に限定されるものではない。たとえば、ワイヤーボンディング１４とリードフレーム１７はどちらか一方であっても良い。また、半導体素子１５、ワイヤーボンディング１４およびリードフレーム１７は、金属回路１１にそれぞれ複数個設けても良い。
　また、半導体素子１５やリードフレーム１７を接合する接合層は、はんだ、ろう材などが挙げられる。はんだは鉛フリーはんだが好ましい。また、はんだは融点が４５０［℃］以下のものを示す。ろう材は融点が４５０［℃］を越えたものを示す。また、融点が５００［℃］以上のものを高温ろう材と呼ぶ。高温ろう材はＡｇを主成分とするものが挙げられる。
　樹脂モールド１６でセラミックス回路基板１０全体を封止する場合は、図４に示したセラミックス回路基板１０のようにスクライブ面が金属回路１１と反対側（放熱板側）であることが望ましい。これはレーザスクライブで発生した非連続溝群８には樹脂が入り込みにくく空孔になる可能性があるためである。空孔は放熱性を妨げるため発生を抑止するようにスクライブライン３を金属放熱板１２側に形成する。
　半導体素子１５は小型化が進む一方でチップからの発熱量は増加の一途をたどっている。そのため、半導体素子１５を搭載するセラミックス回路基板１０においては放熱性の向上が重要になっている。また、半導体モジュール１３の高性能化のために、セラミックス回路基板１０上に複数の半導体素子１５を実装するようになっている。半導体素子１５一つだけでも素子の真性温度を超えてしまうと、抵抗が負のマイナス側の温度係数に変化してしまう。これに伴い、電力が集中的に流れる熱暴走を起こして瞬時に破壊してしまう現象がおきる。よって、放熱性を向上させることは有効である。また、半導体装置１３は、自動車（電気自動車含む）、電鉄車両、産業機械およびエアコン等のインバータに用いられるＰＣＵ、ＩＧＢＴ、ＩＰＭモジュールに用いることができる。自動車は、電気自動車化が進んでいる。半導体装置１３の信頼性が向上することは、そのまま自動車の安全性につながることである。電鉄、産業機器なども同様である。
　次に、実施形態に係るセラミックススクライブ基板１のうち窒化珪素基板のレーザスクライブ方法について説明する。窒化珪素基板のレーザスクライブは前述の構成を有していれば、その製造方法は特に限定されるものではないが、歩留まり良く得るための方法として次のものが挙げられる。
　まず、窒化珪素基板を用意する。特に、窒化珪素基板から生成されるセラミックス回路基板１０全体の放熱性を考慮すると、窒化珪素基板の熱伝導率５０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上かつ三点曲げ強度６００［ＭＰａ］以上であることが好ましい。
　また、レーザ非照射面９側の金属回路１１とレーザ照射面６側の金属放熱板１２の導通を行うときは、貫通孔を有する窒化珪素基板を用意する。窒化珪素基板に貫通孔を設ける場合は、予め成形体の段階で貫通孔を設けても良い。また、窒化珪素焼結体に貫通孔を設ける工程を行っても良い。貫通孔を設ける工程は、レーザスクライブと同様なレーザ加工、切削加工などにより行われる。切削加工は、ドリルなどによる穴あけ加工などにより行われる。
　窒化珪素基板をファイバーレーザ加工機の精密加工テーブル上にセットする。窒化珪素基板にファイバーレーザを照射して連続溝７と非連続溝群８からなるスクライブライン３を形成する。このときファイバーレーザ加工機の条件により、所定の大きさの連続溝７および非連続溝群８を形成する。この際、セラミックススクライブ基板１としての窒化珪素基板にファイバーレーザにより表面側に連続溝７を形成した後に、ファイバーレーザにより深部側に非連続溝群８を形成すればよい。
　次に、セラミックススクライブ基板１としての窒化珪素基板に応力を印加してスクライブライン３に沿ってセラミックススクライブ基板１を分割することで１また複数のセラミックス基板４を製造する。
　次に、セラミックス基板４としての窒化珪素基板に金属回路１１を接合する。
　窒化珪素基板と金属回路１１の接合は、活性金属接合法で行うことが好ましい。活性金属接合法は、Ｔｉなどの活性金属を混合した活性金属ろう材を用いるものとする。また、活性金属ろう材としては、Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｕの混合物が挙げられ、例えば、Ｔｉは０．１［ｗｔ％］以上１０［ｗｔ％］以下、Ｃｕは１０［ｗｔ％］以上６０［ｗｔ％］以下、Ａｇは残部である。また、必要に応じ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃ、Ｍｇから選ばれる１種以上を１［ｗｔ％］以上１５［ｗｔ％］以下添加してもよいものとする。
　活性金属ろう材をペースト化する。ペーストは、ろう材成分と有機物を混合したものであるが、ろう材成分は均一に成分が混合される必要がある。これは、ろう材成分が不均一に分布するとろう付けが安定せず接合不良の原因となるためである。
　活性金属ろう材ペーストをセラミックス基板４に塗布する。その上に銅板を配置する。次に、これを６００［℃］以上９００［℃］以下で加熱して接合する工程を行うものである。加熱工程は、必要に応じ、真空中や非酸化性雰囲気で行うものとする。また、真空中で行う場合は、１×１０－２［Ｐａ］以下であることが好ましい。また、非酸化性雰囲気は窒素雰囲気やアルゴン雰囲気が挙げられる。
　真空中または非酸化性雰囲気とすることにより、接合層が酸化されるのを抑制することができる。これにより、接合強度の向上が図られる。
　接合する金属回路１１は、回路形成用に予めパターン形状に加工したもの、パターン加工が行われていない一枚板のどちらでもよい。また、一枚板を用いた場合は、接合後にエッチング加工を施して、パターン形状に加工するものとする。このとき金属回路１１はスクライブライン３が形成された面とは反対側の面に形成する。この工程により、セラミックス回路基板１０としての窒化珪素金属回路板を製造することができる。
　次に、半導体素子１５などを接合する工程を行う。半導体素子１５を接合する箇所に接合層を設ける。接合層は、はんだまたはろう材が好ましい。接合層を設けて、その上に半導体素子１５を設ける。また、必要に応じ、接合層を介してリードフレーム１７を接合する。また、必要に応じ、ワイヤーボンディング１４を設けるものとする。また、半導体素子１５、リードフレーム１７、ワイヤーボンディング１４は必要な数を設けるものとする。半導体素子１５、リードフレーム１７、ワイヤーボンディング１４が行われた窒化珪素回路基板を樹脂モールド１６で一体化することにより内部を密閉する。
　以上では、セラミックス回路基板１０が、セラミックススクライブ基板１から分割後のセラミックス基板４に金属回路１１などを接合することで製造されるものとして説明したが、その場合に限定されるものではない。例えば、セラミックススクライブ基板の中の分割前のセラミックス基板４に金属回路１１などを接合し、金属回路１１などが接合されたセラミックススクライブ基板１に応力を印加してスクライブライン３に沿って分割することで製造されてもよい（表２で後述する実施例および比較例の結果）。つまり、セラミックススクライブ基板１の分割工程と、金属回路１１などの接合工程との順序は問わない。
　実施形態に係るセラミックススクライブ基板１のうち窒化アルミニウム基板のレーザスクライブ方法について説明する。まず、窒化アルミニウム基板を用意する。特に、回路基板全体の放熱性を考慮すると熱伝導率１７０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上かつ三点曲げ強度３５０［ＭＰａ］以上であることが好ましい。窒化アルミニウム基板のレーザスクライブは前述の構成を有していれば、その製造方法は特に限定されるものではないが、歩留まり良く得るための方法としては、上述の窒化珪素基板および窒化珪素回路基板と同様の製造工程をとるものとする。
　（実施例１～３２、比較例１～２０）
　セラミックススクライブ基板には、縦４０［ｍｍ］×横５０［ｍｍ］で厚さが０．３２［ｍｍ］および０．５０［ｍｍ］の窒化珪素基板（熱伝導率９０［Ｗ／ｍ・Ｋ］、三点曲げ強度６５０［ＭＰａ］）を用意した。また、縦４０［ｍｍ］×横５０［ｍｍ］で厚さが０．６３５［ｍｍ］および０．８０［ｍｍ］の窒化アルミニウム基板（熱伝導率１７０［Ｗ／ｍ・Ｋ］、三点曲げ強度４００［ＭＰａ］）を用意した。
　次に図１に示すようにセラミックススクライブ基板の表面側にファイバーレーザによりアシストガスを使用して実施例１～３２および比較例１～２０の各条件で１枚のセラミックススクライブ基板あたり６本のレーザ加工を１０１枚ずつ行った。各条件のレーザ加工後のセラミックススクライブ基板のうち１枚を分割して、分割後のセラミックス基板の断面の中央部近傍を（端部から約１０［ｍｍ］の位置）をＳＥＭにて倍率１００倍で観察し写真を撮影した。セラミックス基板の表面、連続溝の最深部、非連続溝群の最深部に線を引き、連続溝の深さＤ１、非連続溝群の深さＤ２を求めた。
　また、非連続溝群の溝間距離Ｐおよび溝開口幅Ｗを、写真の連続した１０点について隣接した非連続溝群との溝間距離Ｐと溝開口幅Ｗを測定して算術平均して求めた。なお、比較例７と比較例１６ではアシストガスを使用せずに加工を行った。実施例と比較例の測定結果を表１に示す（表１において窒化珪素基板はＳｉ３Ｎ４、窒化アルミニウム基板はＡｌＮと表記した）。
　［表１］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　表１から分かる通り、実施例および比較例１６～２０では、セラミックススクライブ基板の連続溝の深さＤ１、非連続溝群の深さＤ２、連続溝の深さ／基板の厚さ（Ｄ１／Ｔ）、非連続溝群の深さ／基板の厚さ（Ｄ２／Ｔ）、溝間距離Ｐ、溝開口幅Ｗの値は好ましい範囲内であった。一方、比較例１～１５では、それらの値が好ましい範囲外となった。
　次に、各条件で分割してＳＥＭ写真観察を行ったセラミックススクライブ基板の表面と連続溝とについて微小面分光色差計により明度を測定して差を求めた。
　また、実施例および比較例で作製した分割前のセラミックススクライブ基板について銅板を活性金属接合法により両面に接合した。銅板は、縦４０［ｍｍ］×横５０［ｍｍ］×厚さ０．５［ｍｍ］の無酸素銅を使用した。活性金属接合法に用いた活性金属ろう材は、２［ｗｔ％］のＴｉ、１０［ｗｔ％］のＳｎ、３０［ｗｔ％］のＣｕ、Ａｇ残部を有機成分と混合してペースト状にした活性金属ペーストを使用した。
　半自動スクリーン印刷機により、３２０×３２０［ｍｍ］、２５０メッシュ、ステンＶのスクリーンメッシュを使用してセラミックススクライブ基板のスクライブ面に活性金属ペーストを印刷し乾燥し、引続きレーザ非照射面にも印刷乾燥した。このときプリンターのスキージの加圧によりセラミックス基板がスクライブラインから分断されたものは印刷不良としてカウントして後工程には流品しなかった。
　ペーストを印刷乾燥したセラミックス基板の上下両面に銅板を配置して、さらに治具により板状の治具により挟み上方より重しを乗せて加熱接合工程を行った。加熱接合は、接合温度は８１０［℃］、接合時間は１０分、真空中（１×１０－２［Ｐａ］以下）で行った。
　加熱接合後に、銅板をエッチング加工して回路形状にした。表銅板は３ヵ所の回路形状とし、裏銅板もエッチング加工して周囲にプルバックを設けた。
　エッチング加工したセラミックス基板を自動基板分割機によりスクライブしてセラミックス回路基板を得た。つまり、実施例および比較例に係るセラミックススクライブ基板の中の分割前のセラミックス基板に金属回路などを接合し、金属回路などが接合されたセラミックススクライブ基板に応力を印加してスクライブラインに沿って分割することでセラミックス基板回路を製造する。セラミックス回路基板の外観を検査して、割れ残り、基板周囲部に発生した欠けや亀裂などをスクライブ不良としてカウントして後工程には流品をしなかった。
　実施例および比較例に係るセラミックススクライブ基板から製造されたセラミックス回路基板に対し、中央回路部に半導体素子を搭載した。次に、ワイヤーボンディングを行った。その後、トランスファーモールド法により樹脂モールドで一体化を行った。
　次に、実施例および比較例に係るセラミックススクライブ基板から製造されたセラミックス回路基板に対し、半導体素子を接合した回路側の基板周囲について、超音波探傷法（ＳＡＴ）により、樹脂とセラミックス回路基板の間の空孔率を評価した。空孔率［％］は（樹脂がセラミックス基板と密着せず空孔が存在した部分の長さの合計／セラミックス基板周囲長さ）×１００として、空孔率９５［％］未満を樹脂剥がれ不良とした。
　実施例および比較例について得られた結果を表２に示す。なお、スクライブ不良率［％］および樹脂剥がれ不良［％］は、前工程で発生した不良を除いているが、製品数量１００枚当たりの不良率として計算した。
　［表２］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　表２から分かる通り、実施例および比較例１～１５に係るセラミックススクライブ基板から製造されたセラミックス回路基板の溝明度の差およびスクライブ面の向きは好ましい範囲内であった。一方、比較例１６～１８に係るセラミックススクライブ基板から製造されたセラミックス回路基板は好ましい範囲外となった。
　また、実施例に係るセラミックススクライブ基板から製造されたセラミックス回路基板は、ペースト印刷不良が発生しないか不良率が小さかった。ペースト印刷時にセラミックススクライブ基板の表面に掛かる圧力に耐えるレーザスクライブが形成されたためである。それに対して比較例では、割れ不良が多く発生した。レーザスクライブが大きく入ったためペースト印刷時の圧力に耐えきれなかったためである。
　また、実施例に係るセラミックススクライブ基板から製造されたセラミックス回路基板は、スクライブ不良が発生しないか不良率が小さかった。スクライブの一定荷重に対してセラミックススクライブ基板を分割可能なレーザスクライブが形成されたためである。それに対して比較例では、スクライブ不良が多く発生した。レーザスクライブが十分に形成されていないため、スクライブの一定荷重ではラインに沿って分割することができず、欠け不良や亀裂不良の原因となったためである。
　また、実施例に係るセラミックススクライブ基板から製造されたセラミックス回路基板は、樹脂剥がれ不良が発生しなかったかは不良率が小さかった。樹脂モールドをした箇所にレーザスクライブによるレーザ加工による残渣および、連続溝と非連続溝群の跡がなかったため、レーザ残渣による未接合や、連続溝と非連続溝群の跡による空孔が発生しなかったためである。それに対して比較例に係るセラミックススクライブ基板から製造されたセラミックス回路基板では、樹脂剥がれ不良が多く発生した。レーザ残渣による未接合、連続溝と非連続溝群による空孔が剥がれ不良の原因となったためである。
　以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

Claims (16)

  1. 　セラミックス基板を形作るスクライブラインの表面側に、ファイバーレーザの照射により複数の溝が繋がった連続溝を備え、
    　前記連続溝の深さが、５０［μｍ］よりも大きく、かつ、前記セラミックス基板の厚さの０．１５倍以上０．５５倍以下の範囲内であることを特徴とするセラミックススクライブ基板。
  2. 　前記スクライブラインの深部側に、ファイバーレーザの照射により複数の溝が繋がっていない非連続溝群を備えることを特徴とする請求項１に記載のセラミックススクライブ基板。
  3. 　前記非連続溝群の深さが、前記セラミックス基板の厚さの０を超えて０．４５倍以下であることを特徴とする請求項２に記載のセラミックススクライブ基板。
  4. 　前記非連続溝群の隣り合う溝間の距離が１０［μｍ］以上１００［μｍ］以下であることを特徴する請求項２ないし請求項３のいずれか１項に記載のセラミックススクライブ基板。
  5. 　前記非連続溝群の各溝の幅が５［μｍ］以上５０［μｍ］以下であることを特徴する請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載のセラミックススクライブ基板。
  6. 　前記連続溝のレーザ照射痕の明度と前記セラミックス基板の表面の明度との差が５以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセラミックススクライブ基板。
  7. 　前記セラミックス基板は窒化珪素基板または窒化アルミニウム基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のセラミックススクライブ基板。
  8. 　４辺のスクライブラインの少なくとも１辺のスクライブラインの表面側に、ファイバーレーザの照射により複数の溝が繋がった連続溝を備え、
    　前記連続溝の深さは、５０［μｍ］よりも大きく、かつ、セラミックス基板の厚さの０．１５倍以上０．５５倍以下の範囲内であることを特徴とするセラミックス基板。
  9. 　前記スクライブラインの深部側に、ファイバーレーザの照射により複数の溝が繋がっていない非連続溝群を備えることを特徴とする請求項８に記載のセラミックス基板。
  10. 　請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の前記セラミックススクライブ基板にファイバーレーザにより前記表面側に前記連続溝を形成した後に、ファイバーレーザにより深部側に複数の溝が繋がっていない非連続溝群を形成することを特徴とするセラミックススクライブ基板の製造方法。
  11. 　請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の前記セラミックススクライブ基板に応力を印加して前記スクライブラインに沿って分割することでセラミックス基板を製造することを特徴とするセラミックス基板の製造方法。
  12. 　請求項１１に記載の前記セラミックス基板の製造方法を含み、
    　前記セラミックス基板に金属回路を接合することでセラミックス回路基板を製造することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
  13. 　請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の前記セラミックススクライブ基板に金属回路を接合し、
    　前記金属回路が接合された前記セラミックススクライブ基板に応力を印加して前記スクライブラインに沿って分割することでセラミックス回路基板を製造することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
  14. 　前記セラミックス基板の、前記スクライブラインが形成された面とは反対側の面に前記金属回路を接合することを特徴とする請求項１２ないし請求項１３のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板の製造方法。
  15. 　請求項１２ないし請求項１４のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板の製造方法を含み、
    　前記セラミックス回路基板に半導体素子を実装することで半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  16. 　前記セラミックス基板と前記金属回路と、前記半導体素子とを樹脂モールドにより一体化することを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
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