JP6732239B2 - パワーモジュール基板およびその生産方法 - Google Patents

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御することが可能な半導体装置に用いられるパワーモジュール基板、およびその生産方法に関する。

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基板は、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）、Ａｌ₂Ｏ₃（アルミナ）、Ｓｉ₃Ｎ₄（窒化ケイ素）等のセラミックス基板が用いられることが多かった。そして、このセラミックス基板の一方または両方の主面に、ロウ材を介して金属回路板を接合する活性金属ロウ付け法が、従来広く採用されてきた。とりわけ、銅回路板は、電気抵抗が少なく電気伝導性に優れ、かつ、安価なことから、注目されてきた。

このようなパワーモジュール基板を製造する際には、ロウ材および金属回路板を所望の形状に加工する作業が行われることがあるが、その作業においてエッチング技術が用いられることがあった。例えば、金属回路板に耐エッチング性のあるレジスト材を所望の形状に塗布した上で、この金属回路板に対してエッチング処理をすることによって、所望の形状を呈する金属回路板が形成されていた。

ところが、エッチング処理においては、通常、金属回路板の深さ方向と同時に幅方向にもエッチングが進むサイドエッチングが発生する。このため、金属回路板を所望形状に加工する際に、サイドエッチングの影響を考慮する必要が生じ、その結果として、設計上の制約という不都合が生じることがあった。

そこで、従来技術の中には、セラミックス基板の主面に金属回路板が接合された回路基板において、金属回路板は、縦断面形状が台形状の接地導体と、縦断面形状が三角形状でかつ頂部の高さが接地導体の上面よりも低い線路導体とを併設して成る構成を採用するものがあった（例えば、特許文献１参照。）。このような構成を採用することにより、線路導体の一部狭ピッチ化、およびそれに伴う小型化を実現でき、安価でかつ小型で、大電流を流す接地導体と小電流を流す線路導体を高密度に混在させること等が可能になる、とされていた。

特許４４８４６７６号

しかしながら、上述の従来技術では、サイドエッチングが生じた際における不具合の程度を最小限にする試みがされているだけであり、サイドエッチング自体を積極的に抑制しようという試みが十分になされているとは言えなかった。サイドエッチングはエッチング処理において不可避的に発生する現象であるが、本来は、このサイドエッチング自体の発生を抑制することが好ましいのである。サイドエッチング自体の発生を抑制することができれば、エッチング処理を行う場合でも、設計上の制約を受けにくくなるため、サイドエッチング自体の発生を抑制する試みは非常に重要であると言える。

本発明の目的は、設計上の制約を受けにくい構成のパワーモジュール基板、およびこのパワーモジュール基板の生産方法を提供することである。

この発明に係るパワーモジュール基板は、セラミックス基板および金属回路板を少なくとも備える。セラミックス基板の素材の代表例は、Ｓｉ₃Ｎ₄（窒化ケイ素）であるが、ＡｌＮ（窒化アルミ）やＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）やその他の素材を用いることも可能である。金属回路板は、セラミックス基板にロウ材を介して接合される。この金属回路板は、その輪郭部にテーパ部を有する。テーパ部は、その水平方向の幅が、垂直方向の高さの半分以下になる形状を呈している。

エッチング処理によって金属回路板やロウ材の加工を行った場合、サイドエッチングの影響でテーパ部の幅と高さがほぼ等しくなり、傾斜角度が４５度程度の形状になってしまう。このような形状であれば、微細な回路パターンが形成しにくくなったり、金属回路板のトップ部分を幅広に形成しにくかったりと設計上の制約を受けることがあった。この発明では、テーパ部は、その水平方向の幅が、垂直方向の高さの半分以下になる形状を呈していることから、微細な回路パターンや幅広のトップ部分等を実現し易い。

この発明に係るパワーモジュール基板の生産方法は、セラミックス基板にロウ材を介して金属回路板が接合されてなるパワーモジュール基板に適用するものであり、マスキングステップ、パターニングステップ、およびエッチングステップを少なくとも含んでいる。マスキングステップでは、金属回路板に自己粘着型耐エッチングフィルムを貼付する。パターニングステップでは、自己粘着型耐エッチングフィルムに対して、所望形状の回路パターンに対応するパターニング処理を施すことによって、自己粘着型耐エッチングフィルムにおける回路パターンに対応する領域以外を除去する。エッチングステップでは、自己粘着型耐エッチングフィルムが除去された領域をスプレイエッチング処理によってエッチングする。

このような生産方法においては、自己粘着型耐エッチングフィルムで覆われていない領域に対してスプレイエッチングを行うことによって、サイドエッチングが発生しにくくなり、エッチング処理によって形成される金属回路板やロウ材の輪郭部におけるテーパ部の傾斜面が垂直に近づき易くなる。この結果、テーパ部は、その水平方向の幅が垂直方向の高さの半分以下、さらに好ましくは４分の１程度になる形状を呈しやすくなり、微細な回路パターンや幅広のトップ部分等を実現し易くなる。

上述のパターニングステップにおいて、レーザによって、自己粘着型耐エッチングフィルムとともに金属回路板の一部を除去することが好ましい。エッチング処理の前に予め金属回路板のエッチング箇所を除去しておくことにより、サイドエッチングの影響をさらに低減させることが可能になる。

この発明によれば、設計上の制約を受けにくい構成のパワーモジュール基板を実現することが可能になる。

本発明の一実施形態に係るパワーモジュール基板の概略を示す図である。 パワーモジュール基板における金属回路板端部の形状を示す図である。 パワーモジュール基板に対するエッチング処理の一例を示す図である。 パワーモジュール基板に対するエッチング処理の一例を示す図である。 パワーモジュール基板に対するレーザパターニング処理の例を示す図である。 パワーモジュール基板に対するエッチング処理の一例を示す図である。 エッチング処理におけるフィルム剥離機構の概略を示す図である。 エッチング処理に用いるスプレイエッチング装置のバリエーションを示す図である。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係るパワーモジュール基板１０の概略を示している。パワーモジュール基板１０は、Ｓｉ₃Ｎ₄（窒化ケイ素）を主成分とする厚さ１〜１０ｍｍ程度のセラミックス基板１６を備える。このセラミックス基板１６の第１の主面（図中の上側主面）には、ロウ材１４を介して、厚さ０．５〜４ｍｍ程度の上側回路銅板１２が接合される。ロウ材は、活性銅接着の用途で用いられるものであり、銀、銅、およびバインダ等を含んでいる公知のロウ材を用いることが可能である。一般的にはロウ材の厚みは、０．０１〜０．１０ｍｍ程度である。上側回路銅板１２は、半導体素子を搭載して電気的導通状態を形成するように構成される。

一方で、セラミックス基板１６の第２の主面（図中の下側主面）には、ロウ材１４を介して下側回路銅板１８が接合される。下側回路銅板１８の厚みは概ね上側回路銅板１２と同様である。下側回路銅板１８は、上側回路銅板１２に搭載される半導体素子から発生する熱を放熱させるように構成される。ここで説明した、上側回路銅板１２および下側回路銅板１８の構成はあくまで一例であり、本発明はこのような構成に限定されるものではない。

続いて、図２を用いて、パワーモジュール基板１０における上側回路銅板１２および下側回路銅板１８の形状の特徴を説明する。同図に示すように、上側回路銅板１２および下側回路銅板１８は、ともに端部が垂直に近い状態でエッジが立った形状を呈している。

例えば、上側回路銅板１２においては、サイドエッチングによって形成されるテーパ部の水平方向における幅（サイドエッチング幅）Ｄ１が垂直方向のエッチング量Ｔ１の半分以下に抑えられている。また、下側回路銅板１８においても同様に、サイドエッチングによって形成されるテーパ部の水平方向における幅Ｄ２が垂直方向のエッチング量Ｔ２の半分以下に抑えられている。テーパ部の幅は、水平面に投影した幅を直接測定しても良いが、例えば、銅回路板の最上位置の幅（Ｔｏｐ幅）を銅回路板の最下位置の幅（Ｂｏｔｔｏｍ幅）で減じた値を、さらに２で割った値で求めることが可能である。

通常は、上側回路銅板１２のサイドエッチング幅Ｄ１は、上側回路銅板１２の垂直方向のエッチング量Ｔ１とほぼ等しくなり、下側回路銅板１８のサイドエッチング幅Ｄ２は、下側回路銅板１８の垂直方向のエッチング量Ｔ２とほぼ等しくなる傾向があるが、この実施形態では、後述する処理を行うことによって、サイドエッチング幅Ｄ１およびサイドエッチング幅Ｄ２の抑制を図っている。

続いて、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）および図４（Ａ）〜図４（Ｃ）を用いて、パワーモジュール基板１０の生産方法について説明する。まず、図３（Ａ）および図４（Ａ）に示すように、上側回路銅板１２および下側回路銅板１８のそれぞれにマスキングフィルム２０を貼付する。このマスキングフィルム２０は、自己粘着型耐エッチングフィルムである。マスキングフィルム２０の厚みは、０．０５ｍｍ〜０．２０ｍｍ程度である。

自己粘着型貼着というものは、粘着剤を使わずに、フィルムやシート自身の粘着力で粘着可能であるとともに剥離も可能であり、剥離した後に糊残りが全く無いという特徴を有している。すなわち、自己粘着型貼着は、粘着及び剥離が可逆的に可能である着脱自在という特徴を有している。自己粘着性を有するフィルムやシートとして、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）や、エチレン−酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）や、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）等が使用可能である。

この実施形態では、アキレス製のアキレスハイタック（軟質塩化ビニル樹脂）を用いている。ただし、マスキングフィルム２０として、スミロン社製のＥ−７５Ｍ（ポリエチレン樹脂）やＶ−３２５（軟質塩化ビニル樹脂）、パナップ製のゲルポリ（ポリオレフィン系樹脂）、龍田化学のＫＴ−Ｖ２９０（ポリエチレン／EVA系樹脂等の自己粘着型耐エッチングフィルムを用いることも可能であり、かつ、ここに列挙しているフィルムに限定されるものではない。

マスキングフィルム２０の貼付に続いて、図３（Ｂ）および図４（Ｂ）に示すパターニング処理が行われる。ここでは、ピコ秒レーザを出力可能なレーザパターニング装置を用いてマスキングフィルム２０を所望の回路形状に加工している。

その後、図３（Ｃ）および図４（Ｃ）に示すように、マスキングフィルム２０が剥離された部分をエッチング液に接触させるエッチング処理が実行される。上側回路銅板１２および下側回路銅板１８と、ロウ材１４とは、それぞれ異なるエッチング液によってエッチング処理される。この実施形態では、上側回路銅板１２および下側回路銅板１８のエッチング処理には、塩化第二鉄液と塩酸を一定の割合で混合したエッチング液が用いられており、ロウ材１４のエッチング処理には、フッ化アンモニウム（ＮＨ₄Ｆ）、フッ化水素アンモニウム（ＮＨ₄）ＨＦ₂、および過酸化水素水（Ｈ₂Ｏ₂）を混合したエッチング液が用いられている。ただし、上側回路銅板１２、下側回路銅板１８、およびロウ材１４のエッチング処理に用いるエッチング液の組成はこれらに限定されるものではない。

この実施形態において特徴的なことは、図３（Ｂ）および図４（Ｂ）に示すレーザパターニングにおいて、マスキングフィルム２０を除去する通常の処理に加えて、さらに上側回路銅板１２および下側回路銅板１８をレーザパターニング装置によって削ることである。例えば、図５（Ａ）に示すように、レーザ加工によって上側回路銅板１２および下側回路銅板１８の一部を削ることによって、エッチング処理によって削る必要量が少なくなるため、サイドエッチングの影響を低減することが可能になる。

理想的には、図５（Ｂ）に示すように、レーザパターニング装置において上側回路銅板１２および下側回路銅板１８とロウ材１４との界面ぎりぎりまで削ることである。ただし、この場合レーザの焦点を設定することが難しくなることがあり、かつ、レーザがセラミックス基板１６まで到達してセラミックス基板を汚損してしまうリスクが考えられる。このため、実際には、図５（Ｃ）に示すように板厚の中央、好ましくは板厚の４分の３程度削ることが可能な位置にレーザの焦点を設定すると良い。焦点の設定においては、マスキングフィルム２０から焦点を離し過ぎてしまって、本来の目的であるマスキングフィルム２０の剥離が適切にできなくならないように留意することが必要である。また、焦点の設定以外にも、レーザの照射量や加工速度等を適宜調整することにより、好ましい処理条件を都度設定することが重要である。

また、図６（Ａ）に示すようなスプレイエッチング装置１００を用いることによっても、サイドエッチング幅Ｄ１およびサイドエッチング幅Ｄ２の抑制を図ることができる。スプレイエッチング装置１００は、導入部１１２、前処理室１１４、エッチング室（１１５，１１６）、洗浄室（１１７，１１８）、ピーリング室１２０、および排出部１２２を備えている。これらの各部の間にはそれぞれパワーモジュール母材１２４が通過可能なスリット状の開口が設けられた隔壁が配置されており、パワーモジュール母材１２６が複数の搬送ローラ１２６によって導入部１１２から各部を経由して排出部１２２まで搬送される。

この実施形態では、スプレイエッチング装置１００で処理されるパワーモジュール母材１２４として、パワーモジュール基板を９面取り（３×３）することが可能なものを使用しているが、この構成には限定されない。また、複数の搬送ローラ１２６によって搬送路を構成しているが、ベルトコンベアを採り入れた搬送路を構成するようにしても良い。

導入部１１２は、上面が開放されており、スプレイエッチング装置１００にてエッチング処理が施されるパワーモジュール母材１２４を受け入れるように構成される。通常、処理すべきパワーモジュール母材１２４は、オペレータまたはロボットによって導入部１１２の搬送ローラ２６上に載置される。前処理室１１４は、パワーモジュール母材１２４に対してエッチング処理の前処理を施すように構成される。この実施形態では、前処理室１４にて、パワーモジュール母材の表面を硫酸によって酸洗いする。ただし、前処理室１１４において、水洗浄、脱脂、他の酸洗浄、アルカリ洗浄等を実施することも可能であり、また、前処理が不要な場合には、前処理室１１４自体をスプレイエッチング装置１００から省略することも可能である。

エッチング室１１５およびエッチング室１１６は、それぞれパワーモジュール母材１２４に対してエッチング処理を行うように構成される。エッチング室１１５内においては、第１の銅板１２および第２の銅板１８のエッチング処理が行われる。この実施形態では、エッチング室１１５内において、塩化第二鉄液と塩酸を一定の割合で混合し、純水または塩酸を適宜補充されるエッチング液が、スプレイノズルからパワーモジュール母材１２４に吹き付けられる。

一方で、エッチング室１１６内においては、ロウ材のエッチング処理が行われる。この実施形態では、エッチング室１１６内において、フッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）、フッ化水素アンモニウム、過酸化水素水を適宜混合したエッチング液が、スプレイノズルからパワーモジュール母材１２４に吹き付けられる。

洗浄室１１８は、洗浄水によってパワーモジュール母材１２４を洗浄するように構成される。

ピーリング室１２０は、パワーモジュール母材１２４に貼り付けられた、マスキングフィルム２０（自己粘着型耐エッチングフィルム）を自動的に剥離するように構成される。

ピーリング室１２０は、搬送路におけるエッチング室１１５，１１６および洗浄室１１７，１１８の下流に配置される。ピーリング室１２０は、パワーモジュール母材１２４に貼付されたマスキングフィルム２０を剥離するピーリングユニット２００を備えている。ピーリングユニット２００は、図７に示すように、ピーリングシート２０２、供給ロール２０４、巻取ロール２０６、加圧ロール２０８、およびテンションロール２１０を備える。

ピーリングシート２０２は、パワーモジュール母材１２４に貼付されたマスキングフィルム２０を剥離するためのもので、本実施形態では日東電工製の粘着シート（ポリエステル粘着テープＮｏ．３１５）が用いられる。ピーリングシート２０２としては粘着力が所望の範囲に入るものあれば特にその構成が限定されるものではなく、ナイロンまたはポリエステルの微細繊維から構成されるクロスや、紙ウェスやその他の材質のものを用いることが可能である。

供給ロール２０４は、ピーリング位置に供給されるピーリングシート２０２を巻きつけて収容するように構成される。巻取ロール２０６は、ピーリング位置において剥離処理を行った使用済のピーリングシート２０２をマスキングフィルム２０ごと回収するように構成される。加圧ロール２０８は、ピーリングシート２０２をパワーモジュール母材１２４の方向に押し付けるように構成される。テンションロール２１０は、ピーリングシート２０２を効果的に張った状態で架けまわすために設けられる。

ピーリング位置において加圧ロール２０８によってパワーモジュール母材１２４に押し当てられたピーリングシート２０２が、パワーモジュール母材１２４に貼り付いたマスキングフィルム２０を粘着して取り除く。ピーリングシート２０２とマスキングフィルム２０との間の粘着力が、マスキングフィルム２０と上側回路銅板１２および下側回路銅板１８との粘着力よりも強固であれば、マスキングフィルム２０を上側回路銅板１２および下側回路銅板１８側からピーリングシート２０２側に移すことが可能となる。

この発明に好適に用いられる自己粘着型のフィルムの１８０度引き剥がし法による粘着力は、概ね０．１Ｎ／幅２５ｍｍ〜３．２Ｎ／幅２５ｍｍの範囲内になっている。この実施形態では、日東電工製のポリエステル粘着テープＮｏ．３１５をピーリングシート２０２に用いることにより、好適にマスキングフィルム２０の自動剥離を行っている。ピーリングシート２０２に用いる粘着シートは、必ずしもこれに限定されるものではなく、１．３５Ｎ／１０ｍｍ程度の粘着力を有するシートであれば、ピーリングシート２０２として使用することが可能である。

さらに、ピーリング処理を行う前に、５〜２０重量％程度の水酸化ナトリウム水溶液に５〜２０分程度接触させることによって、ピーリング処理がより円滑に行えるようになることが出願人の実験によって明らかになっている。その理由は、水酸化ナトリウム水溶液がマスキングフィルム２０と上側回路銅板１２および下側回路銅板１８との間に侵入することによってこれらの間の粘着力を低下させる一方で、マスキングフィルム２０表面の不純物や汚れが除去されることによってピーリングシート２０２とマスキングフィルム２０との間の粘着力が増加するからであると考えられている。

スプレイエッチング装置１００のような枚葉式の連続処理を行う装置においては、例えば、図８に示すように、ピーリング室１２０の前段に水酸化ナトリウム水溶液をオーバーフローさせつつ、搬送中のパワーモジュール母材１２４に接触させる中間処理室１３０と、パワーモジュール母材１２４から水酸化ナトリウムを洗い流す洗浄室１４０を設けることが好ましい。水酸化ナトリウムをスプレイする構成も採用可能であるが、その場合には、水酸化ナトリウム水溶液がマスキングフィルム２０と上側回路銅板１２および下側回路銅板１８との間に侵入し易くなるように、パワーモジュール母材１２４に対して水平方向や斜め方向から水酸化ナトリウム水溶液をスプレイする構成を採り入れることが好ましい。

マスキングフィルム２０は、粘着剤が残らない自己粘着型のフィルムであるため、ピーリング処理によって確実にマスキングフィルム２０の剥離が可能となる。この実施形態のように自動的に剥離処理を行わない場合には、手動で剥離処理を行うようにしても良い。その場合においても、粘着剤が残らない自己粘着型のフィルムは作業性の向上に寄与する。

ピーリング室１２０において、パワーモジュール母材１２４がピーリング位置に到達したことをセンサ（図示省略）によって検出すると、巻取ロール２０６がピーリングシート２０２の巻取を開始するため、パワーモジュール母材は常に供給ロール２０４から供給される清潔なピーリングシート２０２に接触する。この結果、ピーリング処理時におけるパワーモジュール母材１２４の汚損を防止することが可能になる。ここでは、ピーリング位置においてピーリングシート２０２がパワーモジュール母材１２４の搬送方向と同じ方向（順方向）に進行するように供給ロール２０４および巻取ロール２０６を配置することで、ピーリングシート２０２によるピーリング効率の向上を図っているが、この構成に限定されることはない。

ピーリング室１１８の下流には洗浄室１２０が配置されており、ピーリングされたパワーモジュール母材１２４は洗浄室１２０に案内される。洗浄室１２０は、パワーモジュール母材１２４を水洗いするための水洗シャワーノズルおよびパワーモジュール母材１２４の水切りを行うためのエアナイフを備えており、必要に応じて、パワーモジュール母材は洗浄室１２０において水洗いされる。なお、洗浄室１２０において、水ではなく洗浄液を用いた洗浄が必要な場合には、適宜、そのような洗浄を行うようにすると良い。

洗浄室１２０の後段の排出部１２２は、搬送路の最下流に配置されており、上方が開放するように構成される。スプレイエッチング装置１００内にてエッチング処理およびピーリング処理が施されたパワーモジュール母材１２４は、排出部１２２まで搬送され、搬送ローラ１２６の上からオペレータまたはロボットによって回収される。

スプレイエッチング装置１００を用いることにより、エッチング液に浸漬（ディップ）する場合に比較してサイドエッチングの量を抑制することが可能になる。また、エッチング液に浸漬（ディップ）する場合に比較して、ロウ材のエッチングにかかる時間を短縮することが可能になる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０−パワーモジュール基板
１２−上側銅回路板
１４−ロウ材
１６−セラミックス基板
１８−下側銅回路板
２０−マスキングフィルム
１００−スプレイエッチング装置
１２４−パワーモジュール母材
２００−ピーリングユニット

Claims (2)

1. セラミックス基板にロウ材を介して金属回路板が接合されてなるパワーモジュール基板の生産方法であって、
   前記金属回路板に自己粘着型耐エッチングフィルムを貼付するマスキングステップと、
   前記自己粘着型耐エッチングフィルムに対して、所望形状の回路パターンに対応するパターニング処理を施すことによって、前記自己粘着型耐エッチングフィルムにおける回路パターンに対応する領域以外を除去するパターニングステップと、
   前記自己粘着型耐エッチングフィルムが除去された領域をスプレイエッチング処理によってエッチングするエッチングステップと、
   を少なくとも含むパワーモジュール基板の生産方法。
2. 前記パターニングステップにおいて、レーザによって、前記自己粘着型耐エッチングフィルムとともに前記金属回路板の一部を除去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基板の生産方法。

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