JP2007311528A

JP2007311528A - パワーモジュール用基板およびパワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュール

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Publication number: JP2007311528A
Application number: JP2006138659A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Aoki; 慎介青木; Toshiyuki Nagase; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-05-18
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2026-05-18
Also published as: JP4725412B2

Abstract

【課題】熱サイクル寿命を向上させることができる。
【解決手段】セラミックス板１１の表面に回路層１２がろう付けされてなり、回路層１２に半導体チップ１６がはんだ接合されるとともに、セラミックス板１１の裏面側にヒートシンク１７が接合されるパワーモジュール用基板１４であって、回路層１２とセラミックス板１１との接合界面の外周部において、その外周縁を含む外周縁部よりも内方に位置する部分は全周にわたって非接合とされている。
【選択図】図１

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パワーモジュール用基板およびパワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュールに関するものである。

この種のパワーモジュールは、例えば下記特許文献１に示されるように、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層の表面に接合された半導体チップと、セラミックス板の裏面側に接合されたヒートシンクとを備えている。
特開平１０−２４２３３０号公報

しかしながら、従来のパワーモジュールでは、このパワーモジュールを形成した後これを冷却する際、あるいはこのパワーモジュールを熱サイクル下で使用する過程において、パワーモジュール全体に反りが発生したり、回路層がセラミックス板の表面に沿った方向に伸縮したりすることによって、この回路層とセラミックス板との接合界面に応力が発生し、回路層がセラミックス板から剥離するおそれがあり、近年の熱サイクル寿命の向上に対する要望に応えることが困難であるという問題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、熱サイクル寿命を向上させることができるパワーモジュール用基板およびパワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュールを提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、回路層に半導体チップがはんだ接合されるとともに、セラミックス板の裏面側にヒートシンクが接合されるパワーモジュール用基板であって、回路層とセラミックス板との接合界面の外周部において、その外周縁を含む外周縁部よりも内方に位置する部分は全周にわたって非接合とされていることを特徴とする。
この発明によれば、回路層とセラミックス板との接合界面の外周部において、その外周縁を含む外周縁部よりも内方に位置する部分は全周にわたって非接合とされているので、パワーモジュールを形成した後これを冷却する際、あるいはこのパワーモジュールを熱サイクル下で使用する過程において、パワーモジュール全体に反りが発生したり、回路層がセラミックス板の表面に沿った方向に伸縮したりすることによって、この回路層とセラミックス板との接合界面に応力が発生しようとした場合においても、回路層の接合面で生ずる熱ひずみを前記非接合の部分で吸収することが可能になり、この接合界面に発生する応力を緩和させることができる。したがって、回路層がセラミックス板から剥離するのを抑えパワーモジュールの熱サイクル寿命を向上させることができる。

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、回路層の平面視形状と略同形同大の平面視形状とされたろう材箔を、セラミックス板の表面と回路層との間に挟み込み、これらを積層方向に加圧した状態で加熱することにより、本発明のパワーモジュール用基板を形成するパワーモジュール用基板の製造方法であって、ろう材箔の外周部においてその外周縁を含む外周縁部よりも内方に、その全周にわたって切り欠き部が形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、本発明のパワーモジュール用基板を容易かつ高効率に形成することができる。
さらに、ろう材箔に切り欠き部が形成されていることから、回路層をセラミックス板の表面にろう付けする際に、溶融したろう材がこれらの接合界面に沿った方向に拡がろうとしたときに、その一部が前記切り欠き部を埋めるように拡がることになり、回路層とセラミックス板との間から溢れ出る溶融ろう材の量を抑え、このろう材がその表面張力により凝集することによって回路層の側面を伝ってこの表面に乗り上がるのを防ぐことができる。
しかも、前記切り欠き部は、ろう材箔の外周部においてその外周縁を含む外周縁部よりも内方に形成され、回路層の接合面における外周縁部はセラミックス板にろう付けされているので、回路層とセラミックス板との接合強度は十分に確保することができる。
以上より、回路層とセラミックス板との接合不良を生じさせることなく、溶融ろう材の回路層の表面への乗り上げをも防ぐことができる。
なお、前記ろう材箔に代えて、その外周部に、側方に開口する切り欠き部が周方向に間隔をあけて複数形成されたろう材箔を採用してもよい。

また、本発明のパワーモジュールは、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層の表面に接合された半導体チップと、セラミックス板の裏面側に接合されたヒートシンクとを備えたパワーモジュールであって、前記パワーモジュール用基板が、本発明のパワーモジュール用基板であることを特徴とする。
この発明によれば、熱サイクル寿命の向上されたパワーモジュールを得ることができる。

この発明によれば、パワーモジュールの熱サイクル寿命を向上させることができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
このパワーモジュール１０は、セラミックス板１１の表面に、例えば、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる回路層１２がＡｌ−Ｓｉ系のろう材により接合されたパワーモジュール用基板１４と、回路層１２の表面に第１はんだ層１５を介してはんだ接合された半導体チップ１６と、セラミックス板１１の裏面側に接合されたヒートシンク１７とを備えている。

図示の例では、パワーモジュール用基板１４には、回路層１２と同じ材質により形成されるとともに、セラミックス板１１の裏面にろう付けされた金属層１３が備えられている。そして、ヒートシンク１７は、金属層１３の表面に、第２はんだ層１８を介してはんだ接合、若しくはろう付けや拡散接合により接合されている。

セラミックス板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等により形成され、ヒートシンク１７は、純Ａｌ、純Ｃｕ、Ａｌ合金若しくはＣｕ合金により形成され、第１、第２はんだ層１５、１８は、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等のはんだ材により形成されている。また、回路層１２および金属層１３はそれぞれ、例えば、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる母材を打ち抜いたり、または純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる溶湯を用いた鋳造により形成されることによって、パワーモジュール用基板１４において、回路層１２および金属層１３それぞれの側面は、セラミックス板１１の表裏面からそれぞれ略垂直に立上がっている。

ここで、本実施形態では、回路層１２とセラミックス板１１との接合界面の外周部において、その外周縁を含む外周縁部よりも内方に位置する部分は全周にわたって非接合とされている。図２に示す例では、この非接合とされた部分（以下、「非接合部１９」という）は前記接合界面に複数設けられ、各非接合部１９は、回路層１２におけるセラミックス板１１との接合面１２ａの外周部、つまり前記接合界面の外周部において、その外周縁から内方に間隔Ａをあけた状態で、この接合界面の全周にわたって点在している。
また、本実施形態では、金属層１３とセラミックス板１１との接合界面にも、回路層１２とセラミックス板１１との接合界面と同様に非接合部１９が設けられている。

次に、以上のように構成されたパワーモジュール用基板１４の製造方法について説明する。
まず、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる母材を打ち抜いて回路層１２を形成する。
すなわち、本実施形態では、母材の表裏面のうち、形成される回路層１２の接合面１２ａを有する裏面にろう材箔を配置しておき、この母材における回路層１２の形成予定部をその裏面側から押圧し、この回路層１２の形成予定部の外周縁にせん断力を作用させてその厚さ方向途中まで切断するとともに、ろう材箔のうちこの回路層１２の形成予定部の外周縁に位置する部分を切断した後に、この回路層１２の形成予定部をその表面側から押圧して押し戻す。

ここで、母材の裏面に配置されたろう材箔において、回路層１２の形成予定部上に位置する部分の外周部には、この外周縁を含む外周縁部よりも内方に、その全周にわたって切り欠き部２０が形成されている。本実施形態では、前述のように切断されたろう材箔２１には、図３に示されるように、その外周縁から内方に間隔Ｂをあけた状態でこの外周縁に沿って延びる切り欠き部２０が、ろう材箔２１の全周にわたってその周方向に間隔Ｃをあけて複数形成されている。なお、切り欠き部２０の大きさは、前記切断されたろう材箔２１の平面積の５％以下とされている。

その後、この母材の裏面とセラミックス板１１の表面とをテンプレートを挟んで対向させた状態で、回路層１２の形成予定部の表面をセラミックス板１１の表面に向けて押圧して母材から分離し回路層１２を形成するとともに、この回路層１２をその接合面１２ａ側からテンプレートのガイド孔に挿入することにより、セラミックス板１１の表面にろう材箔と回路層１２とをこの順に配置する。

これにより、回路層１２の接合面１２ａがろう材箔を介してセラミックス板１１の表面に載置される。一方、セラミックス板１１の裏面に、回路層１２と同様にしてろう材箔を介して金属層１３を配置する。
以上より、セラミックス板１１の表面に、ろう材箔と回路層１２とがこの順に配置され、裏面にろう材箔と金属層１３とがこの順に配置された積層体を形成する。

そして、この積層体を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、セラミックス板１１の表面に回路層１２をろう付けするとともに、セラミックス板１１の裏面に金属層１３をろう付けしてパワーモジュール用基板１４を形成する。

ここで、ろう材箔が溶融してセラミックス板１１の表裏面に沿った方向に拡がると、その一部が切り欠き部２０を埋めるように拡がることになるが、この際、各切り欠き部２０において、その周方向の全域で幅方向に一部を残すように拡がったり、あるいは、その周方向の複数個所で幅方向全域に拡がったりすることにより、前記各接合界面の外周部において、その外周縁を含む外周縁部よりも内方に位置する部分が全周にわたって非接合部１９になる。
すなわち、前者の場合、前記各接合界面の平面視において、その外周縁から内方に間隔Ａをあけた状態でこの外周縁に沿って延びる非接合部が、それぞれの接合界面の全周にわたってその周方向に間隔をあけて複数形成されることになり、後者の場合、図２に示されるように、前記各接合界面の平面視において、その外周縁から内方に間隔Ａをあけた状態で、その全周にわたって非接合部１９が点在することになる。

ここで、この製造方法についての具体的な実施例について説明する。
まず、材質については、回路層１２および金属層１３を純度９９．９８％の純Ａｌ、ろう材箔２１をＡｌ−Ｓｉ系（Ａｌが９３ｗｔ％、Ｓｉが７ｗｔ％）、セラミックス板１１をＡｌＮによりそれぞれ形成した。厚さについては、回路層１２および金属層１３を約０．４ｍｍ、ろう材箔２１を約１３μｍ、セラミックス板１１を約０．６３５ｍｍとした。なお、回路層１２、金属層１３およびろう材箔２１は平面視四角形とされ、縦および横の寸法はそれぞれ、約２８ｍｍおよび約７０ｍｍとした。また、前記積層体を構成するセラミックス板１１、回路層１２、金属層１３およびろう材箔２１は、揮発性有機媒体（オクタンジオール）により仮固定した。また、ろう材箔２１において、前記間隔Ｂは約１ｍｍ、切り欠き部２０の幅は約０．５ｍｍ、前記間隔Ｃは約１ｍｍとした。
そして、前記積層体を６００℃〜６５０℃の真空中に置いた状態で、約１時間、積層方向に０．２３ＭＰａ〜０．３５ＭＰａで加圧して、パワーモジュール用基板１４を形成した。

以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール用基板によれば、回路層１２とセラミックス板１１との接合界面の外周部において、その外周縁を含む外周縁部よりも内方に位置する部分は全周にわたって非接合とされているので、パワーモジュール１０を形成した後これを冷却する際、あるいはこのパワーモジュール１０を熱サイクル下で使用する過程において、パワーモジュール１０全体に反りが発生したり、回路層１２がセラミックス板１１の表面に沿った方向に伸縮したりすることによって、この回路層１２とセラミックス板１１との接合界面に応力が発生しようとした場合においても、回路層１２の接合面１２ａで生ずる熱ひずみを非接合部１９で吸収することが可能になり、この接合界面に発生する応力を緩和させることができる。したがって、回路層１２がセラミックス板１１から剥離するのを抑えパワーモジュール１０の熱サイクル寿命を向上させることができる。さらに本実施形態では、金属層１３とセラミックス板１１との接合界面にも非接合部１９が設けられているので、金属層１３がセラミックス板１１から剥離するのも抑えることが可能になり、パワーモジュール１０の熱サイクル寿命を確実に向上させることができる。

また、ろう材箔２１の外周部においてその外周縁を含む外周縁部よりも内方に、その全周にわたって切り欠き部２０が形成されているので、本実施形態のパワーモジュール用基板１４を容易かつ高効率に形成することができる。
さらに、ろう材箔２１に切り欠き部２０が形成されていることから、回路層１２をセラミックス板１１の表面にろう付けする際に、溶融したろう材がこれらの接合界面に沿った方向に拡がろうとしたときに、その一部が切り欠き部２０を埋めるように拡がることになり、回路層１２とセラミックス板１１との間から溢れ出る溶融ろう材の量を抑え、このろう材がその表面張力により凝集することによって回路層１２の側面を伝ってこの表面に乗り上がるのを防ぐことができる。

特に、本実施形態では、回路層１２が母材から打ち抜かれて形成されて、その側面がセラミックス板１１の表面から略垂直に立上がっているので、エッチング処理で形成された回路層よりも側面の立上がり方向の長さが小さくされて、この表面への溶融ろう材の乗り上がりが生じ易くなっているが、この乗り上がりを確実に防ぐことができる。
さらに本実施形態では、金属層１３についてもこのような作用効果が奏効されることになる。

なお、例えば、回路層１２の表面にろう材が乗り上がると、この乗り上げたろう材上にさらに半導体チップ１６を接合したときに、このろう材の組成成分の一部が溶融することがあり、半導体チップ１６と回路層１２の表面との接合部にボイドが発生し、半導体チップ１６と回路層１２との接合信頼性を低下させるおそれがある。特に、ろう材がＡｌ−Ｓｉ系とされてＳｉを含有し、回路層１２が純Ａｌ若しくはＡｌ合金により形成されている場合には、回路層１２の表面に乗り上げたろう材は、この回路層１２よりも硬い上に、パワーモジュール１０を使用する過程での熱サイクルによりさらに加工硬化させられることによって、回路層１２に対してその表面および側面から大きな外力を作用させ、回路層１２とセラミックス板１１との接合界面に大きな応力が作用し、回路層１２がセラミックス板１１の表面から剥離し易くなり、パワーモジュール１０の熱サイクル寿命を低下させるおそれがある。
また、回路層１２の表面においてろう材が乗り上げた部分に、ワイヤボンディングが施されると、ろう材は前記のように回路層１２と比べて硬いので、この部分とワイヤボンディングとの接合部における熱サイクル寿命を低下させるおそれがある。
さらに、回路層１２の表面に前記のように乗り上げたろう材は、視認することができ、外観品質を低減させるおそれもある。
さらにまた、金属層１３については、ヒートシンク１７が剥離し易くなり、パワーモジュール１０の熱サイクル寿命を低下させるおそれがある。

以上より、半導体チップ１６と回路層１２との接合信頼性や、ヒートシンク１７と金属層１３との接合信頼性を低下させたり、パワーモジュール１０の熱サイクル寿命を低減させたり、さらには、パワーモジュール用基板１４の外観品質を低下させたりするのを防ぐことができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では、回路層１２および金属層１３を母材から打ち抜いて形成したが、これに代えて、鋳造により形成してもよいし、あるいはセラミックス板１１にろう付けした後に、エッチング処理を施して形成するようにしてもよい。

また、非接合部１９を、前記各接合界面の全周にわたって点在させたが、これに代えて、例えば、各接合界面の全周にわたって周方向に連続的に延在させるようにしてもよい。さらに、これらに代えて、前記各接合界面の外周縁に沿って延びる非接合部を、それぞれの接合界面の全周にわたってその周方向に間隔をあけて複数形成するようにしてもよい。

また、母材を打ち抜いて回路層１２を形成する方法として、前記実施形態に代えて、例えば、裏面にろう材箔が配置された母材における回路層１２の形成予定部に向けて打ち抜きパンチを前進移動し、この母材における回路層１２の形成予定部をその裏面側から押圧して、このパンチの前進移動を、回路層１２の形成予定部の外周縁を母材の厚さ方向全域でせん断変形させて破断するまで継続することにより母材から打ち抜いて形成してもよい。さらにまた、金属層１３もこのような方法で形成してもよい。
さらに、ろう材箔２１は、回路層１２および金属層１３を母材から打ち抜く際同時に切断して形成するのに代えて、例えば予め形成しておいてもよい。

さらに、図３で示した切り欠き部２０に代えて、例えば、図４に示されるように、前記切断されたろう材箔２１の外周部において、この外周縁から内方に間隔Ｂをあけた状態で、複数の切り欠き部２０をろう材箔２１の全周にわたって点在させてもよい。
さらにこれに代えて、例えば図５に示されるように、前記切断されたろう材箔２１の外周縁から内方に向けて延びる切り欠き部２０を、このろう材箔２１の全周にわたってその周方向に間隔をあけて複数形成してもよい。すなわち、ろう材箔２１の外周部に、側方に開口する切り欠き部２０を周方向に間隔をあけて複数形成してもよい。

パワーモジュールの熱サイクル寿命を向上させることができる。

この発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。図１に示すパワーモジュール用基板の上面図または底面図である。この発明の第１実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法に用いるろう材箔の平面図である。この発明の第２実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法に用いるろう材箔の平面図である。この発明の第３実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法に用いるろう材箔の平面図である。

符号の説明

１０パワーモジュール
１１セラミックス板
１２回路層
１３金属層
１４パワーモジュール用基板
１６半導体チップ
１７ヒートシンク
２０切り欠き部
２１ろう材箔

Claims

セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、回路層に半導体チップがはんだ接合されるとともに、セラミックス板の裏面側にヒートシンクが接合されるパワーモジュール用基板であって、
回路層とセラミックス板との接合界面の外周部において、その外周縁を含む外周縁部よりも内方に位置する部分は全周にわたって非接合とされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
回路層の平面視形状と略同形同大の平面視形状とされたろう材箔を、セラミックス板の表面と回路層との間に挟み込み、これらを積層方向に加圧した状態で加熱することにより、請求項１記載のパワーモジュール用基板を形成するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
ろう材箔の外周部においてその外周縁を含む外周縁部よりも内方に、その全周にわたって切り欠き部が形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
回路層の平面視形状と略同形同大の平面視形状とされたろう材箔を、セラミックス板の表面と回路層との間に挟み込み、これらを積層方向に加圧した状態で加熱することにより、請求項１記載のパワーモジュール用基板を形成するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
ろう材箔の外周部には、側方に開口する切り欠き部が周方向に間隔をあけて複数形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
セラミックス板の表面に回路層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層の表面に接合された半導体チップと、セラミックス板の裏面側に接合されたヒートシンクとを備えたパワーモジュールであって、
前記パワーモジュール用基板が、請求項１記載のパワーモジュール用基板であることを特徴とするパワーモジュール。