JP6780398B2 - Manufacturing method of resin-sealed power module - Google Patents
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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樹脂封止パワーモジュールの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a resin-sealed power module used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、このようなパワー半導体素子を搭載する基板としては、絶縁性に優れたセラミックス基板の一方の面に銅やアルミニウム等からなる回路層が形成されたパワーモジュール用基板が用いられている。
最近では、大電流化、高電圧化に伴い、半導体素子からの発熱量が大きくなっており、この半導体素子とパワーモジュール用基板との接合信頼性をさらに向上させることが求められている。
Power semiconductor devices for high power control used for controlling wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, etc. generate a large amount of heat, so that a substrate on which such a power semiconductor element is mounted has insulating properties. A substrate for a power module in which a circuit layer made of copper, aluminum, or the like is formed on one surface of an excellent ceramic substrate is used.
Recently, as the current and voltage have increased, the amount of heat generated from the semiconductor element has increased, and it is required to further improve the bonding reliability between the semiconductor element and the substrate for the power module.
そこで、例えば特許文献1には、半導体素子とこの半導体素子が搭載されるパワーモジュール用基板とをモールド樹脂で封止することにより、接合界面に生じる応力を分散させて、半導体素子とパワーモジュール用基板との接合信頼性を向上させる技術が開示されている。
また、半導体素子が搭載されたパワーモジュール用基板をモールド樹脂で樹脂封止する際には、例えば特許文献2に開示されているように、パワーモジュール用基板及び半導体素子の表面にポリイミド樹脂等からなる下地層を形成するためにプライマー処理液が塗布される。
Therefore, for example, in
Further, when the power module substrate on which the semiconductor element is mounted is resin-sealed with a mold resin, for example, as disclosed in
ところで、窒化ケイ素からなるセラミックス基板を備えたパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の表面にプライマー処理液を塗布して乾燥しても、ポリイミド樹脂等からなる下地層が十分に形成されず、セラミックス基板とモールド樹脂との密着性が低下するといった問題があった。このため、セラミックス基板とモールド樹脂との界面部分からモールド樹脂に割れが生じるおそれがあった。また、冷熱サイクルが負荷された場合には、モールド樹脂による応力分散効果が作用せず、セラミックス基板と回路層との接合界面に亀裂が生じ、回路層とセラミックスとの接合信頼性が不十分となるおそれがあった。
さらに、パワーモジュール用基板が銅又は銅合金で構成されたCu層を有し、このCu層がモールド樹脂と接触する樹脂接触面を有している場合には、モールド樹脂とCu層との密着性が低下し、Cu層とモールド樹脂とが剥離してしまうおそれがあった。
By the way, in a power module provided with a ceramic substrate made of silicon nitride, even if a primer treatment liquid is applied to the surface of the ceramic substrate and dried, a base layer made of a polyimide resin or the like is not sufficiently formed, and the ceramic substrate and the ceramic substrate are formed. There is a problem that the adhesion with the mold resin is lowered. Therefore, there is a possibility that the mold resin may be cracked from the interface portion between the ceramic substrate and the mold resin. In addition, when a cold cycle is applied, the stress dispersion effect of the mold resin does not work, cracks occur at the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer, and the bonding reliability between the circuit layer and the ceramic is insufficient. There was a risk of becoming.
Further, when the power module substrate has a Cu layer made of copper or a copper alloy and the Cu layer has a resin contact surface in contact with the mold resin, the mold resin and the Cu layer are in close contact with each other. There was a risk that the properties would deteriorate and the Cu layer and the mold resin would peel off.
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、窒化ケイ素からなるセラミックス基板とモールド樹脂、及び、銅又は銅合金で構成されたCu層とモールド樹脂との密着性に優れた樹脂封止パワーモジュールを製造することが可能な樹脂封止パワーモジュールの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a resin having excellent adhesion between a ceramic substrate made of silicon nitride and a mold resin, and a Cu layer made of copper or a copper alloy and a mold resin. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a resin-sealed power module capable of manufacturing a sealed power module.
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明者ら鋭意検討した結果、窒化ケイ素からなるセラミックス基板は、その表面に複数の針状粒が存在していることから、プライマー処理液を塗布した際に、この針状粒の間にプライマー処理液が十分に浸透せずにボイドが形成されてしまい、これにより、下地層が良好に形成されず、モールド樹脂との密着性が低下することが判明した。また、パワーモジュール用基板が銅又は銅合金で構成されたCu層を有し、このCu層がモールド樹脂と接触する樹脂接触面を有している場合には、塗布したプライマー処理液を乾燥する過程で、Cu層の脂接触面に酸化膜が厚く形成されることにより、Cu層とモールド樹脂との密着性が低下するとの知見を得た。 As a result of diligent studies by the present inventors in order to solve such a problem and achieve the above object, a ceramic substrate made of silicon nitride has a plurality of needle-like particles on its surface. When the primer treatment solution is applied, the primer treatment solution does not sufficiently permeate between the needle-shaped particles and voids are formed, which prevents the underlying layer from forming well and adheres to the mold resin. It turned out to be less sexual. When the power module substrate has a Cu layer made of copper or a copper alloy and the Cu layer has a resin contact surface in contact with the mold resin, the applied primer treatment liquid is dried. In the process, it was found that the adhesion between the Cu layer and the mold resin is lowered by forming a thick oxide film on the oil contact surface of the Cu layer.
本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明の樹脂封止パワーモジュールの製造方法は、窒化ケイ素からなるセラミックス基板の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の前記回路層上に搭載された半導体素子と、からなるパワーモジュールを、モールド樹脂で封止した樹脂封止パワーモジュールの製造方法であって、前記パワーモジュール用基板は、銅又は銅合金で構成されたCu層を有し、このCu層は、前記モールド樹脂と接触する樹脂接触面を有し、前記セラミックス基板のうち少なくとも前記回路層との接合界面の延長面上であって前記モールド樹脂との接触面の表面粗さを、最大高さRyで1.7μm以上2.7μm以下の範囲内に調整するセラミックス基板表面粗さ調整工程と、前記回路層の上に前記半導体素子を搭載する半導体素子搭載工程と、前記パワーモジュールの表面にプライマー処理液を塗布するプライマー処理液塗布工程と、塗布した前記プライマー処理液を、非酸化雰囲気で乾燥するプライマー処理液乾燥工程と、前記モールド樹脂を用いて前記パワーモジュールを樹脂封止する樹脂封止工程と、を備え、前記プライマー処理液乾燥工程後において、前記Cu層の前記樹脂接触面に形成された酸化膜の厚さを25nm以下とすることを特徴としている。 The present invention has been made based on the above findings, and the method for manufacturing a resin-sealed power module of the present invention is for a power module in which a circuit layer is formed on one surface of a ceramic substrate made of silicon nitride. A method for manufacturing a resin-sealed power module in which a power module composed of a substrate and a semiconductor element mounted on the circuit layer of the power module substrate is sealed with a mold resin. Has a Cu layer made of copper or a copper alloy, the Cu layer has a resin contact surface in contact with the mold resin, and is an extension surface of at least the bonding interface of the ceramic substrate with the circuit layer. Above, the ceramic substrate surface roughness adjusting step of adjusting the surface roughness of the contact surface with the mold resin within the range of 1.7 μm or more and 2.7 μm or less at the maximum height Ry, and above the circuit layer. The semiconductor element mounting step of mounting the semiconductor element, the primer treatment liquid coating step of applying the primer treatment liquid to the surface of the power module, and the primer treatment liquid drying of drying the applied primer treatment liquid in a non-oxidizing atmosphere. A step and a resin sealing step of sealing the power module with a resin using the mold resin are provided, and after the primer treatment liquid drying step, an oxide film formed on the resin contact surface of the Cu layer is provided. It is characterized in that the thickness is 25 nm or less.
この構成の樹脂封止パワーモジュールの製造方法においては、セラミックス基板のうち少なくとも前記回路層との接合界面の延長面上であって前記モールド樹脂との接触面の表面粗さを、最大高さRyで1.7μm以上2.7μm以下の範囲内に調整するセラミックス基板表面粗さ調整工程を備えているので、セラミックス基板の表面に存在する針状粒の少なくとも一部を除去して平坦化させることができ、その後のプライマー処理液塗布工程において、プライマー処理液をセラミックス基板の内部にまで浸透させることが可能となる。よって、その後のプライマー処理液乾燥工程によって下地層を良好に形成することができ、モールド樹脂とセラミックス基板との密着性を向上させることが可能となる。
また、前記プライマー処理液乾燥工程後において、前記Cu層の前記樹脂接触面に形成された酸化膜の厚さを25nm以下としていることにより、Cu層とモールド樹脂との密着性を確実に向上させることが可能となる。
なお、Cu層の表面に形成される自然酸化膜の厚さを3nm未満に制御することは、工業上非常に困難であることから、前記Cu層の前記樹脂接触面に形成された酸化膜の厚さは3nm以上25nm以下の範囲内となる。
In the method for manufacturing a resin-sealed power module having this configuration, the surface roughness of at least the extension surface of the bonding interface with the circuit layer of the ceramic substrate and the contact surface with the mold resin is set to the maximum height Ry. Since the ceramic substrate surface roughness adjusting step for adjusting within the range of 1.7 μm or more and 2.7 μm or less is provided, at least a part of needle-like particles existing on the surface of the ceramic substrate should be removed and flattened. In the subsequent step of applying the primer treatment liquid, the primer treatment liquid can be permeated into the inside of the ceramic substrate. Therefore, the underlying layer can be satisfactorily formed by the subsequent primer treatment liquid drying step, and the adhesion between the mold resin and the ceramic substrate can be improved.
Further, after the primer treatment liquid drying step, the thickness of the oxide film formed on the resin contact surface of the Cu layer is set to 25 nm or less, so that the adhesion between the Cu layer and the mold resin is surely improved. It becomes possible.
Since it is industrially very difficult to control the thickness of the natural oxide film formed on the surface of the Cu layer to less than 3 nm, the oxide film formed on the resin contact surface of the Cu layer The thickness is in the range of 3 nm or more and 25 nm or less.
また、塗布した前記プライマー処理液を、非酸化雰囲気で乾燥するプライマー処理液乾燥工程を備えているので、銅又は銅合金で構成されたCu層の樹脂接触面において酸化膜が厚く形成されることを抑制でき、Cu層とモールド樹脂との密着性を向上させることができる。
以上のように、セラミックス基板とモールド樹脂、及び、Cu層とモールド樹脂との密着性が向上されることから、冷熱サイクル後の接合信頼性に優れた樹脂封止パワーモジュールを提供することが可能となる。
Further, since the primer treatment liquid drying step of drying the applied primer treatment liquid in a non-oxidizing atmosphere is provided, a thick oxide film is formed on the resin contact surface of the Cu layer made of copper or a copper alloy. Can be suppressed, and the adhesion between the Cu layer and the mold resin can be improved.
As described above, since the adhesion between the ceramic substrate and the mold resin and the Cu layer and the mold resin are improved, it is possible to provide a resin-sealed power module having excellent bonding reliability after a cooling / heating cycle. It becomes.
ここで、本発明の樹脂封止パワーモジュールの製造方法においては、前記プライマー処理液乾燥工程を、酸素分圧が32Pa以下の低酸素雰囲気で実施することが好ましい。
この場合、前記プライマー処理液乾燥工程において前記Cu層の前記樹脂接触面に酸化膜が厚く形成されることを抑制でき、Cu層とモールド樹脂との密着性を確実に向上させることが可能となる。
Here, in the method for producing a resin-sealed power module of the present invention, it is preferable to carry out the primer treatment liquid drying step in a low oxygen atmosphere having an oxygen partial pressure of 32 Pa or less.
In this case, it is possible to suppress the formation of a thick oxide film on the resin contact surface of the Cu layer in the primer treatment liquid drying step, and it is possible to reliably improve the adhesion between the Cu layer and the mold resin. ..
また、本発明の樹脂封止パワーモジュールの製造方法においては、前記プライマー処理液乾燥工程を、真空度150Pa以下の真空雰囲気で実施することが好ましい。
この場合、前記プライマー処理液乾燥工程において前記Cu層の前記樹脂接触面に酸化膜が厚く形成されることを抑制でき、Cu層とモールド樹脂との密着性を確実に向上させることが可能となる。また、プライマー処理液塗布工程後に真空雰囲気下で乾燥されるため、セラミックス基板にプライマー処理液を塗布した際に少量のボイドが発生した場合であっても、真空雰囲気下に保持することでボイドを除去することが可能となる。よって、セラミックス基板中にプライマー処理液をより確実に浸透させることができ、下地層を良好に形成することができる。
Further, in the method for manufacturing a resin-sealed power module of the present invention, it is preferable to carry out the primer treatment liquid drying step in a vacuum atmosphere having a vacuum degree of 150 Pa or less.
In this case, it is possible to suppress the formation of a thick oxide film on the resin contact surface of the Cu layer in the primer treatment liquid drying step, and it is possible to reliably improve the adhesion between the Cu layer and the mold resin. .. In addition, since it is dried in a vacuum atmosphere after the primer treatment liquid application step, even if a small amount of voids are generated when the primer treatment liquid is applied to the ceramic substrate, the voids are kept in the vacuum atmosphere. It can be removed. Therefore, the primer treatment liquid can be more reliably permeated into the ceramic substrate, and the underlying layer can be formed satisfactorily.
本発明によれば、窒化ケイ素からなるセラミックス基板とモールド樹脂、及び、銅又は銅合金で構成されたCu層とモールド樹脂との密着性に優れた樹脂封止パワーモジュールを製造することが可能な樹脂封止パワーモジュールの製造方法を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to manufacture a resin-sealed power module having excellent adhesion between a ceramic substrate made of silicon nitride and a mold resin, and a Cu layer made of copper or a copper alloy and a mold resin. It becomes possible to provide a method for manufacturing a resin-sealed power module.
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、本発明の一実施形態である樹脂封止パワーモジュール50を示す。
この樹脂封止パワーモジュール50は、パワーモジュール用基板10と半導体素子3とを備えたパワーモジュール1と、このパワーモジュール1を樹脂封止するモールド樹脂5とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a resin-sealed
The resin-sealed
パワーモジュール1は、パワーモジュール用基板10と、パワーモジュール用基板10の一方の面(図1において上面)にはんだ層2を介して接合された半導体素子3と、を備えている。
ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。
The
Here, the
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、本実施形態では、絶縁性の高い窒化ケイ素(Si3N4)で構成されている。ここで、セラミックス基板11の厚さは、0.2mm以上1.5mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.32mmに設定されている。
The
The
回路層12は、図3に示すように、セラミックス基板11の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板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を構成する銅板22として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層12には、回路パターンが形成されており、その一方の面(図1において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層12の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.6mmに設定されている。
なお、この回路層12は、ワイヤーボンディングによって外部接続端子7と接続されている。
As shown in FIG. 3, the
The
金属層13は、図3に示すように、セラミックス基板11の他方の面にアルミニウム板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、純度が99.99mass%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなるアルミニウム板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。
なお、このアルミニウム板23は、0.2%耐力が30N/mm2以下とされている。ここで、金属層13(アルミニウム板23)の厚さは0.5mm以上6mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、2.0mmに設定されている。
As shown in FIG. 3, the
The
そして、本実施形態では、図1に示すように、パワーモジュール用基板10、半導体素子3がモールド樹脂5で封止されている。このモールド樹脂5として、例えば、エポキシ系樹脂を適用することができる。また、パワーモジュール用基板10、半導体素子3のうちモールド樹脂5との接触面には、下地層(図示なし)が形成されている。
Then, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
以下に、本発明の実施形態である樹脂封止パワーモジュール50の製造方法について、図2から図4を参照して説明する。
本実施形態である樹脂封止パワーモジュール50の製造方法は、図2に示すように、パワーモジュール用基板10を形成するパワーモジュール用基板形成工程S01と、セラミックス基板11のモールド樹脂5との接触面の表面粗さを調整するセラミックス基板表面粗さ調整工程S02と、パワーモジュール用基板10の回路層12上に半導体素子3を搭載する半導体素子搭載工程S03と、パワーモジュール1の表面にプライマー処理液を塗布するプライマー処理液塗布工程S04と、塗布したプライマー処理液を乾燥させて下地層を形成するプライマー処理液乾燥工程S05と、モールド樹脂5を用いてパワーモジュール1を樹脂封止する樹脂封止工程S06と、を備えている。
Hereinafter, a method for manufacturing the resin-sealed
As shown in FIG. 2, the method for manufacturing the resin-sealed
(パワーモジュール用基板形成工程S01)
まず、図3に示すように、回路層12となる銅板22とセラミックス基板11とを接合する(銅板接合工程S11)。本実施形態では、Ag−Cu−Ti系ろう材24を用いて、回路層12となる銅板22とセラミックス基板11とを接合している。
次に、図3に示すように、金属層13となるアルミニウム板23とセラミックス基板11とを接合する(アルミニウム板接合工程S12)。本実施形態では、Al−Si系ろう材25を用いて、金属層13となるアルミニウム板23とセラミックス基板11とを接合している。
以上の工程によって、本実施形態におけるパワーモジュール用基板10が形成される。
(Substrate forming step S01 for power module)
First, as shown in FIG. 3, the
Next, as shown in FIG. 3, the
By the above steps, the
(セラミックス基板表面粗さ調整工程S02)
次に、セラミックス基板11のうち少なくとも回路層12との接合界面の延長面上であってモールド樹脂5との接触面の表面粗さを調整する。本実施形態では、図3に示すように、回路層12との接合界面の延長面上及び金属層13との接合界面の延長面上の表面粗さを調整する構成されている。
(Ceramics substrate surface roughness adjustment step S02)
Next, the surface roughness of at least the extension surface of the bonding interface with the
本実施形態では、セラミックス基板11の表面にブラスト処理を行うことによって、セラミックス基板11の表面粗さを調整している。ブラスト粒子としては、SiC粒子やAl2O3粒子等を用いることができる。また、ブラスト粒子の粒子径は、13μm以上15μm以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、ブラスト処理時の圧力は、0.2MPa以上 0.25MPa以下の範囲内とすることが好ましい。
In the present embodiment, the surface roughness of the
上述のような条件でブラスト処理を行うことにより、窒化ケイ素からなるセラミックス基板11の表面に存在する針状粒が平坦化され、セラミックス基板11のモールド樹脂5との接触面の表面粗さが、最大高さRy(JIS B0601−1994)で1.7μm以上2.7μm以下の範囲内に調整される。
なお、ブラスト処理後には、セラミックス基板11の表面を、アルカリ洗浄、酸洗浄、水洗、乾燥を行うことが好ましい。
By performing the blasting treatment under the above-mentioned conditions, the acicular grains existing on the surface of the
After the blast treatment, it is preferable that the surface of the
(半導体素子搭載工程S03)
次に、パワーモジュール用基板10の回路層12上に半導体素子3を搭載する。本実施形態では、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材を用いて、回路層12と半導体素子3とをはんだ接合する。これにより、パワーモジュール1が形成される。
(Semiconductor element mounting process S03)
Next, the
(プライマー処理液塗布工程S04)
次に、パワーモジュール1の表面にプライマー処理液(図なし)を塗布する。このプライマー処理液は、乾燥後においてポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド等を基本構造とする樹脂からなる下地層を形成することが可能なものとされている。プライマー処理液としては、例えば、日立化成(株)社製HL−1200やH−1210N等を用いることができる。HL−1200やH−1210Nを用いる場合、N−メチル−2−ピロリドンとブチルセロソルブアセテートの混合液で、1倍〜10倍に希釈して用いるとよい。塗布方法としては、パワーモジュール1をプライマー処理液に浸漬して塗布する方法やスピンコート等を用いることができる。
(Primer treatment liquid application step S04)
Next, a primer treatment solution (not shown) is applied to the surface of the
(プライマー処理液乾燥工程S05)
次に、塗布したプライマー処理液を非酸化雰囲気で乾燥して、パワーモジュール1の表面に、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド等を基本構造とする樹脂からなる下地層を形成する。
ここで、本実施形態においては、乾燥炉61内の酸素分圧を32Pa以下の低酸素雰囲気として乾燥を行っている。具体的には、真空度150Pa以下の真空雰囲気で乾燥を行う。このように真空雰囲気下でプライマー処理液乾燥工程S05を行うことで、プライマー処理液乾燥工程S05後において、回路層12の表面に形成された酸化膜の厚さを25nm以下に抑えることが可能となる。また、真空雰囲気下以外にも、窒素雰囲気下やアルゴン雰囲気下等の非酸化雰囲気下でもプライマー処理液乾燥工程S05を行うこともできる。この場合であっても、酸素分圧が32Pa以下であることが好ましい。
(Primer treatment liquid drying step S05)
Next, the applied primer treatment liquid is dried in a non-oxidizing atmosphere to form a base layer made of a resin having a basic structure such as polyamide, polyimide, or polyamideimide on the surface of the
Here, in the present embodiment, drying is performed with the oxygen partial pressure in the drying
(樹脂封止工程S06)
次に、下地層を形成したパワーモジュール1を、モールド樹脂5によって樹脂封止する。この樹脂封止工程S06においては、例えば、金型温度160℃〜180℃、成形圧(注入圧)7MPa〜15MPa、成形温度160℃〜180℃、成形時間220秒〜260秒としたトランスファーモールドによって樹脂封止することができる。
以上のようにして、本実施形態である樹脂封止パワーモジュール50が製出される。
(Resin sealing step S06)
Next, the
As described above, the resin-sealed
前述の構成とされた本実施形態である樹脂封止パワーモジュール50の製造方法によれば、セラミックス基板11のうち回路層12及び金属層13との接合界面の延長面上であってモールド樹脂5との接触面の表面粗さを、最大高さRyで1.7μm以上2.7μm以下の範囲内に調整するセラミックス基板表面粗さ調整工程S02を備えているので、セラミックス基板11の表面に存在する針状粒の少なくとも一部を除去して平坦化させることができる。よって、その後のプライマー処理液塗布工程S04において、プライマー処理液をセラミックス基板11の内部にまで十分に浸透させることができ、下地層を良好に形成することができる。これにより、モールド樹脂5とセラミックス基板11との密着性を向上させることが可能となる。
According to the method for manufacturing the resin-sealed
ここで、セラミックス基板表面粗さ調整工程S02において、セラミックス基板11のモールド樹脂5との接触面の表面粗さを、最大高さRyで1.7μm未満とした場合には、アンカー効果を得ることができず、モールド樹脂5とセラミックス基板11との密着性が低下するおそれがある。一方、セラミックス基板11のモールド樹脂5との接触面の表面粗さを、最大高さRyで2.7μmを超える場合には、プライマー処理液の浸透が不十分となって下地層を良好に形成することができず、モールド樹脂5とセラミックス基板11との密着性が低下するおそれがある。
以上のことから、本実施形態においては、セラミックス基板11のモールド樹脂5との接触面の表面粗さを、最大高さRyで1.7μm以上2.7μm以下の範囲内に設定している。
Here, in the ceramic substrate surface roughness adjusting step S02, when the surface roughness of the contact surface of the
From the above, in the present embodiment, the surface roughness of the contact surface of the
なお、モールド樹脂5とセラミックス基板11との密着性をさらに確実に向上させるためには、セラミックス基板11のモールド樹脂5との接触面の表面粗さの下限を、最大高さRyで2.4μm以上とすることが好ましい。さらに、セラミックス基板11のモールド樹脂5との接触面の表面粗さの上限を、最大高さRyで2.6μm以下とすることが好ましい。
In order to further reliably improve the adhesion between the
また、本実施形態においては、プライマー処理液乾燥工程S05を真空度150Pa以下の真空雰囲気で実施しているので、セラミックス基板11にプライマー処理液を塗布した際に少量のボイドが発生した場合であっても、真空雰囲気下に保持することでボイドを除去することができ、セラミックス基板11中にプライマー処理液をより確実に浸透させて、下地層を良好に形成することができる。
Further, in the present embodiment, since the primer treatment liquid drying step S05 is carried out in a vacuum atmosphere with a vacuum degree of 150 Pa or less, a small amount of voids may be generated when the primer treatment liquid is applied to the
また、プライマー処理液乾燥工程S05において、塗布したプライマー処理液を非酸化雰囲気下で乾燥した場合、銅又は銅合金で構成された回路層12の樹脂接触面において酸化膜が厚く形成されることを抑制でき、回路層12とモールド樹脂5との密着性を向上させることができる。
特に、本実施形態においては、プライマー処理液乾燥工程S05を、酸素分圧が32Pa以下の低酸素雰囲気で実施する構成とされ、具体的には、真空度150Pa以下の真空雰囲気で実施しているので、回路層12の樹脂接触面に形成された酸化膜の厚さを25nm以下に制限することができ、回路層12とモールド樹脂5との密着性を確実に向上させることができる。
Further, in the primer treatment liquid drying step S05, when the applied primer treatment liquid is dried in a non-oxidizing atmosphere, a thick oxide film is formed on the resin contact surface of the
In particular, in the present embodiment, the primer treatment liquid drying step S05 is configured to be carried out in a low oxygen atmosphere having an oxygen partial pressure of 32 Pa or less, and specifically, is carried out in a vacuum atmosphere having a vacuum degree of 150 Pa or less. Therefore, the thickness of the oxide film formed on the resin contact surface of the
また、本実施形態では、セラミックス基板表面粗さ調整工程S02において、ブラスト処理を行うことでセラミックス基板11の表面粗さを調整しているので、セラミックス基板11の表面に存在する針状粒の少なくとも一部が確実に除去して平坦化することが可能となる。
Further, in the present embodiment, since the surface roughness of the
また、本実施形態である樹脂封止パワーモジュール50によれば、上述の本実施形態である樹脂封止パワーモジュール50の製造方法によって製造されており、セラミックス基板11とモールド樹脂5、及び、回路層12とモールド樹脂5との密着性が向上されることから、冷熱サイクル後の接合信頼性に優れている。
Further, according to the resin-sealed
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、本実施形態では、回路層を銅又は銅合金で構成し、金属層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成したものとして説明したが、回路層をアルミニウム又はアルミニウム合金等で構成してもよいし、金属層を銅又は銅合金等で構成してもよい。パワーモジュール用基板に、銅又は銅合金からなり、モールド樹脂と接触するCu層が形成されていればよい。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to this, and can be appropriately changed without departing from the technical idea of the invention.
For example, in the present embodiment, the circuit layer is made of copper or a copper alloy, and the metal layer is made of aluminum or an aluminum alloy. However, the circuit layer may be made of aluminum or an aluminum alloy. The metal layer may be made of copper, a copper alloy, or the like. A Cu layer made of copper or a copper alloy and in contact with the mold resin may be formed on the power module substrate.
さらに、図5に示す樹脂封止パワーモジュール150のように、回路層112及び金属層113をAl層112A,113AとCu層112B、113Bとの積層構造としたものであってもよい。この場合、Cu層112B、113Bのうちモールド樹脂5と接触する接触面において酸化膜が厚く形成されることを抑制すればよい。なお、この場合、Cu層112B、113Bの厚さを0.1mm〜6.0mmの範囲内とするとよい。
Further, as in the resin-sealed
また、図6に示す樹脂封止パワーモジュール250のように、回路層212が銅又は銅合金からなるリードフレーム230のダイパッド部231とされ、リード部232がモールド樹脂5の外部に突出した構造とされていてもよい。この場合、リードフレーム230のうちモールド樹脂5と接触する接触面において酸化膜が厚く形成されることを抑制すればよい。
Further, as in the resin-sealed
また、本実施形態では、セラミックス基板と銅板とをAg−Cu−Ti系ろう材を用いて接合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、Ag−Ti系ろう材を用いて接合してもよいし、あるいは、DBC法によって銅板とセラミックスとを接合したものであってもよい。 Further, in the present embodiment, the ceramic substrate and the copper plate have been described as being joined by using an Ag-Cu-Ti brazing material, but the present invention is not limited to this, and an Ag-Ti brazing material is used. It may be joined, or the copper plate and the ceramics may be joined by the DBC method.
さらに、本実施形態では、セラミックス基板とアルミニウム板とをAl−Si系ろう材を用いて接合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、過渡液相接合法(Transient Liquid Phase Bonding)、鋳造法、金属ペースト法等を用いて接合してもよい。 Further, in the present embodiment, the ceramic substrate and the aluminum plate have been described as being bonded by using an Al—Si brazing material, but the present invention is not limited to this, and the transient liquid phase bonding method (Transient Liquid Phase Bonding) is not limited to this. ), Casting method, metal paste method, etc. may be used for joining.
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。 A comparative experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板(40mm×40mm×厚さ0.32mm)を準備し、表1に示す条件でブラスト処理を行い、セラミックス基板の表面粗さを表1に示すように調整した。
なお、ブラスト処理後のセラミックス基板の表面粗さは、表面粗さ測定機SV−400(株式会社ミツトヨ製)を用い、基準長さLr=0.8mm、評価長さLn=4mmとし測定した。
ブラスト処理後には、5%NaOH水溶液を用いて50℃で82秒間のアルカリ洗浄、5%HCl水溶液を用いて室温で30秒間の酸洗浄、水洗、乾燥を行った。
そして、ブラスト処理を行ったセラミックス基板の一方の面及び他方の面に、無酸素銅(C1020)からなる銅板(37mm×37mm×厚さ0.3mm)を接合して回路層及び金属層を形成した。その後、回路層上に、半導体素子としてIGBT素子(13mm×10mm×厚さ0.6mm)をはんだ接合してパワーモジュールを得た。なお、はんだ材としてSn−Ag−Cu系を用いた。
A ceramic substrate (40 mm × 40 mm × thickness 0.32 mm) made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) is prepared and blasted under the conditions shown in Table 1, and the surface roughness of the ceramic substrate is shown in Table 1. Adjusted to.
The surface roughness of the ceramic substrate after the blast treatment was measured using a surface roughness measuring machine SV-400 (manufactured by Mitutoyo Co., Ltd.) with a reference length Lr = 0.8 mm and an evaluation length Ln = 4 mm.
After the blast treatment, alkaline washing was carried out at 50 ° C. for 82 seconds using a 5% NaOH aqueous solution, acid washing, water washing and drying were carried out at room temperature for 30 seconds using a 5% HCl aqueous solution.
Then, a copper plate (37 mm × 37 mm × thickness 0.3 mm) made of oxygen-free copper (C1020) is joined to one surface and the other surface of the blasted ceramic substrate to form a circuit layer and a metal layer. did. Then, an IGBT element (13 mm × 10 mm × thickness 0.6 mm) as a semiconductor element was solder-bonded onto the circuit layer to obtain a power module. A Sn-Ag-Cu system was used as the solder material.
その後、パワーモジュールに表1記載のプライマー処理液を塗布し、表1記載の条件でプライマー処理液を乾燥して、下地層を形成した。なお、プライマー処理液は、日立化成(株)社製HL−1200を、N−メチル−2−ピロリドンとブチルセロソルブアセテートの混合液(35:65(体積比))で、2倍に希釈し、パワーモジュールをプライマー処理液に浸漬して塗布した。 Then, the primer treatment solution shown in Table 1 was applied to the power module, and the primer treatment solution was dried under the conditions shown in Table 1 to form an underlayer. As the primer treatment solution, HL-1200 manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd. was diluted 2-fold with a mixed solution of N-methyl-2-pyrrolidone and butyl cellosolve acetate (35:65 (volume ratio)) to obtain power. The module was dipped in a primer treatment solution and applied.
次に、下地層が形成されたパワーモジュールに、トランスファーモールドによってモールド樹脂を成型した。トランスファーモールドは、金型温度170℃、成形圧(注入圧)10MPa、成形温度170℃、成形時間240秒で行った。なお、モールド樹脂の材質を表1に示す。
そして、大気中で180℃、4時間保持の条件でアフターキュアを行い、モールド樹脂を硬化させた。
Next, a mold resin was molded into the power module on which the base layer was formed by a transfer mold. The transfer molding was performed at a mold temperature of 170 ° C., a molding pressure (injection pressure) of 10 MPa, a molding temperature of 170 ° C., and a molding time of 240 seconds. The material of the mold resin is shown in Table 1.
Then, after-cure was performed in the air under the condition of holding at 180 ° C. for 4 hours to cure the mold resin.
なお、回路層表面の酸化膜の厚さについては、下地層が形成後、トランスファーモールド前の回路層の断面をXPS(ULVAC PHI社製 model−5600LS)を用い、酸化膜の厚さを測定した。評価結果を表1に示す。 Regarding the thickness of the oxide film on the surface of the circuit layer, the thickness of the oxide film was measured by using XPS (Model-5600LS manufactured by ULVAC-PHI) on the cross section of the circuit layer before the transfer mold after the base layer was formed. .. The evaluation results are shown in Table 1.
また、得られた樹脂封止パワーモジュールについて、−40℃×5分←→125℃×3分、3000サイクルの冷熱サイクルを負荷し、セラミックス基板とモールド樹脂、回路層(Cu層)とモールド樹脂との剥離率を評価した。
剥離率の評価は、超音波探傷装置(インサイト社製INSIGHT−300)を用い、セラミックス基板とモールド樹脂との界面、及び、回路層(Cu層)とモールド樹脂との界面を測定した。超音波探傷装置により得られる二値化画像では、剥離した部分は白色で表示されることから、基準面積に対する白色部面積の割合を剥離率とした。なお、基準面積は、セラミックス基板とモールド樹脂との界面を測定する場合、セラミックス基板において回路層(Cu層)が形成されていない部分の面積とした。回路層(Cu層)とモールド樹脂との界面測定する場合、回路層(Cu層)の面積(37mm×37mm)とした。
評価結果を表1に示す。
Further, the obtained resin-sealed power module was loaded with a cooling / heating cycle of -40 ° C × 5 minutes ← → 125 ° C × 3 minutes and 3000 cycles, and a ceramic substrate and a mold resin, a circuit layer (Cu layer) and a mold resin were applied. The peeling rate with and was evaluated.
The peeling rate was evaluated by measuring the interface between the ceramic substrate and the mold resin and the interface between the circuit layer (Cu layer) and the mold resin using an ultrasonic flaw detector (INSIGHT-300 manufactured by Insight Co., Ltd.). In the binarized image obtained by the ultrasonic flaw detector, the peeled portion is displayed in white, so the ratio of the white part area to the reference area was defined as the peeling rate. The reference area was defined as the area of the portion of the ceramic substrate on which the circuit layer (Cu layer) was not formed when measuring the interface between the ceramic substrate and the mold resin. When measuring the interface between the circuit layer (Cu layer) and the mold resin, the area of the circuit layer (Cu layer) (37 mm × 37 mm) was used.
The evaluation results are shown in Table 1.
セラミックス基板の表面粗さRyが2.7μmを超えた比較例1や1.7μm未満とされた比較例2では、冷熱サイクル後のモールド樹脂と窒化ケイ素との界面での剥離が大きくなった。また、回路層表面の酸化膜の厚さが25nmを超えた比較例3では樹脂と回路層との界面での剥離が大きくなった。
これに対し、本発明例1〜8では、冷熱サイクル後の界面剥離が少なく、密着性に優れた樹脂封止パワーモジュールが得られることが確認された。
In Comparative Example 1 in which the surface roughness Ry of the ceramic substrate exceeded 2.7 μm and Comparative Example 2 in which the surface roughness Ry was less than 1.7 μm, the peeling at the interface between the mold resin and the silicon nitride after the thermal cycle was large. Further, in Comparative Example 3 in which the thickness of the oxide film on the surface of the circuit layer exceeded 25 nm, the peeling at the interface between the resin and the circuit layer became large.
On the other hand, in Examples 1 to 8 of the present invention, it was confirmed that a resin-sealed power module having less interfacial peeling after a thermal cycle and excellent adhesion can be obtained.
1 パワーモジュール
3 半導体素子
5 モールド樹脂
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(Cu層)
50 樹脂封止パワーモジュール
1
50 Resin-sealed power module
Claims (3)
前記パワーモジュール用基板は、銅又は銅合金で構成されたCu層を有し、このCu層は、前記モールド樹脂と接触する樹脂接触面を有し、
前記セラミックス基板のうち少なくとも前記回路層との接合界面の延長面上であって前記モールド樹脂との接触面の表面粗さを、最大高さRyで1.7μm以上2.7μm以下の範囲内に調整するセラミックス基板表面粗さ調整工程と、
前記回路層の上に前記半導体素子を搭載する半導体素子搭載工程と、
前記パワーモジュールの表面にプライマー処理液を塗布するプライマー処理液塗布工程と、
塗布した前記プライマー処理液を、非酸化雰囲気で乾燥するプライマー処理液乾燥工程と、
前記モールド樹脂を用いて前記パワーモジュールを樹脂封止する樹脂封止工程と、
を備え、
前記プライマー処理液乾燥工程後において、前記Cu層の前記樹脂接触面に形成された酸化膜の厚さを25nm以下とすることを特徴とする樹脂封止パワーモジュールの製造方法。 A power module composed of a power module substrate having a circuit layer formed on one surface of a ceramic substrate made of silicon nitride and a semiconductor element mounted on the circuit layer of the power module substrate is made of a mold resin. A method for manufacturing a sealed resin-sealed power module.
The power module substrate has a Cu layer made of copper or a copper alloy, and the Cu layer has a resin contact surface in contact with the mold resin.
The surface roughness of at least the extension surface of the bonding interface with the circuit layer of the ceramic substrate and the contact surface with the mold resin is within the range of 1.7 μm or more and 2.7 μm or less at the maximum height Ry. Ceramic substrate surface roughness adjustment process to be adjusted and
A semiconductor element mounting process for mounting the semiconductor element on the circuit layer,
The primer treatment liquid application step of applying the primer treatment liquid to the surface of the power module, and
A primer treatment liquid drying step of drying the applied primer treatment liquid in a non-oxidizing atmosphere,
A resin sealing step of resin-sealing the power module using the mold resin, and
With
A method for manufacturing a resin-sealed power module, characterized in that the thickness of the oxide film formed on the resin contact surface of the Cu layer is 25 nm or less after the primer treatment liquid drying step.
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