JP2008192705A - パワーモジュール用基板、その製造方法、パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】金属板とセラミックス基板との高い接合強度が得られるパワーモジュール用基板及びその製造方法、パワーモジュールを提供する。
【解決手段】アルミニウム系セラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板を接合したパワーモジュール用基板であって、前記金属板における前記セラミックス基板との接合界面付近の結晶粒は、その平均粒径が５μｍ以上３０μｍ以下であるとともに、接合界面の法線方向に配向した［００１］方位の結晶粒の発生領域が前記接合界面の全体領域の５０％未満である。
【選択図】図２

Description

本発明は、大電流、大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及びその製造方法、パワーモジュールに関する。

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（窒化アルミニウム）のセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ（シリコン）系のろう材を介して接着されたパワーモジュール用基板が用いられる。
また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。
なお、セラミックス基板の下面にも放熱のための熱伝達層としてＡｌ等の金属板が接着され、この金属板を介して放熱板上に半田によりパワーモジュール用基板全体が接着される。

従来、前記回路層としての金属板とセラミックス基板との良好な接合強度を得るため、例えば下記特許文献１に、ＡｌＮセラミックス基板の表面粗さを０．５μｍ未満にしている技術が開示されている。
特開平３−２３４０４５号公報

しかしながら、金属板をセラミックス基板に接合する場合、単にセラミックス基板の表面粗さを低減しても十分に高い接合強度が得られず、信頼性の向上が図れないという不都合があった。例えば、セラミックス基板の表面に対して、乾式でＡｌ_２Ｏ_３粒子によるホーニング処理を行い、表面粗さをＲａ＝０．２μｍにしても、剥離試験で界面剥離が生じてしまう場合があることが分かった。また、研磨法により表面粗さをＲａ＝０．１μｍ以下にしても、やはり同様に界面剥離が生じてしまう場合があった。

本発明は、前述課題に鑑みてなされたもので、金属板とセラミックス基板との高い接合強度が得られるパワーモジュール用基板及びその製造方法、パワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板を接合したパワーモジュール用基板であって、前記金属板における前記セラミックス基板との接合界面付近の結晶粒は、その平均粒径が５μｍ以上３０μｍ以下であるとともに、接合界面の法線方向に配向した［００１］方位の結晶粒の発生領域が前記接合界面の全体領域の５０％未満であることを特徴とする。

このパワーモジュール用基板における界面剥離は、セラミックス基板と金属板との熱膨張係数に差があることから、その熱膨張係数差に基づく歪が接合界面付近に集中して生じるものと考えられるが、そのクラックを観察すると、金属板とセラミックス基板との接合界面よりもわずかに金属板内に入った位置で発生し、接合界面に沿って進展していた。そこで、この界面付近における金属板の結晶粒に着目し、せん断すべりが生じにくい方位である［００１］方位に配向している結晶粒を５０％未満と少なくすることにより、結晶内のすべりを有効に生じさせて歪を吸収し得るようにしたのである。
なお、この［００１］方位は、これと等価な複数の方位を含むものであり、これら複数の方位を代表するものとする。

また、結晶の平均粒径が５μｍ以上３０μｍ以下の範囲としたのは、結晶内のすべり面での転位の移動は粒界によって妨げられるが、結晶粒径が５μｍよりも小さいと、すべり面での転位の移動距離が小さいため、結晶内での転位がすぐに止められて粒界に堆積することにより、粒界でのクラックの起点となり易いからであり、結晶粒径が３０μｍよりも大きいと、結晶の異方性が顕在化することにより、金属板に反りが生じ易くなるからである。
そして、このようなパワーモジュール用基板の金属板に電子部品を搭載することによりパワーモジュールが構成される。

一方、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板をろう付けにより接合してパワーモジュール用基板を製造する方法であって、そのろう付け工程は、セラミックス基板と金属板との接合部に１００KＰａ以上２９０KＰａ以下の圧力を作用させた状態とし、加熱によりろう材を溶融させた後に、３００℃〜４００℃の温度で２分以上３０分以下の時間保持してから室温まで冷却することを特徴とする。

このろう付け工程時の加圧条件を１００KＰａ以上２９０KＰａ以下とすることにより、接合界面付近における金属板の結晶方位に関して、［００１］方位に配向している結晶粒を５０％未満と少なくすることができ、また、ろう付け後の冷却方法として、途中で３００℃〜４００℃の温度で２分以上３０分以下の時間保持することにより、金属板の結晶の平均粒径を５μｍ以上３０μｍの範囲に制御することが可能になる。

また、ろう付けが終了しているパワーモジュール用基板に対しては、１５０℃〜５００℃の温度で２分以上３０以下の時間熱処理することとしてもよい。

本発明に係るパワーモジュール用基板及びパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との接合界面付近における金属板に結晶内のすべりを有効に生じさせて、両者の熱膨張係数の差によって生じる歪を吸収することができるので、高い接合強度を発揮し得て、温度変化の厳しい環境下であっても高い信頼性を有するパワーモジュールを得ることができる。

以下、本発明に係るパワーモジュール用基板及びパワーモジュールの一実施形態を図面を参照しながら説明する。
この実施形態におけるパワーモジュール１は、セラミックス基板2を有するパワーモジュール用基板3と、該パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４と、パワーモジュール用基板３の裏面に接合されたヒートシンク５とから構成されている。

パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の表面側に回路層となる金属板６が積層されるとともに、裏面側に放熱のための熱伝達層となる金属板７が積層された構成である。
この場合、セラミックス基板２は、例えばＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物系セラミックスにより形成され、回路層用金属板６及び熱伝達層用金属板７は、純度９９．０ｗｔ％以上の純Ａｌ（アルミニウム）、好ましくは９９．９９ｗｔ％以上の純Ａｌにより形成されている。

また、これらセラミックス基板２、回路層用金属板６、熱伝達層用金属板７の相互間、及び熱伝達層用金属板７とヒートシンク５との間は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材によって接合される。回路層用金属板６と電子部品４との間は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によって接合される。図中符号８がその接合層を示す。なお、熱伝達層用金属板７とヒートシンク５との間は、前記ろう材による接合の他、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によって接合してもよい。

なお、前記ヒートシンク５は、Ａｌ合金の押し出し成形によって形成された扁平な筒体９内に、長さ方向に沿う多数のフィン１０が幅方向に並べて形成されていることにより、各フィンの間に多数の小流路１１が形成された構成とされている。

そして、このような積層構造とされるパワーモジュール１は、セラミックス基板２と両金属板６・７との接合界面付近、例えば接合界面から３０μｍまでの範囲の結晶粒は、その平均粒径が５μｍ以上３０μｍ以下とされ、接合界面の法線方向に配向した［００１］方位の結晶粒の発生領域が接合界面の全体領域の５０％未満とされている。

このように構成されたパワーモジュール１を製造する場合、まず、パワーモジュール用基板３を製造した後、そのパワーモジュール基板３に電子部品４及びヒートシンク５を接合することにより行われる。
このパワーモジュール用基板３を製造する場合は、まず、セラミックス基板２の両面にろう材箔を介して金属板６・７をそれぞれ配置する。
そして、これらセラミックス基板３、ろう材箔、金属板６・７の積層体を真空雰囲気中において積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させることによってセラミックス基板２の表面に回路層用金属板６、裏面に熱伝達層用金属板７をろう付けにより接合して、パワーモジュール用基板３を製造する。

このろう付け工程において、接合面には１００KＰａ以上２９０KＰａ以下の圧力をかけた状態とし、まず６４０℃以上６５５℃以下の温度にまで加熱し、その温度範囲において１分以上６０分以下の時間保持し、その後、冷却途中の４００℃以下３００℃以上の温度範囲において２分以上３０分以下の時間保持した後に室温まで冷却する。

このようにして得られたＡｌ／ＡｌＮ／Ａｌ接合体の回路層用金属板６上にレジストを印刷した後、エッチングすることにより所定の回路パターンを形成し、パワーモジュール用基板３が作製される。
次に、このパワーモジュール用基板３の回路パターンが形成された金属板６上面に、半導体チップ等の電子部品４をはんだ材により接合するとともに、このパワーモジュール用基板３の裏面の熱伝達層用金属板７にヒートシンク５をはんだ材により接合することにより、パワーモジュール１が製造される。

このように構成されたパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板３のろう付け工程を前述の条件によって行うことにより、セラミックス基板２と金属板６・７との接合界面における剥離の発生を有効に防止することができるものである。
従来のパワーモジュール用基板における界面剥離を観察したところ、金属板とセラミックス基板との接合界面よりもわずかに金属板内に入った位置で発生し、接合界面に沿って進展していた。そこで、この界面付近における金属板の結晶粒に着目した。

すなわち、金属板６・７を構成しているアルミニウムは、アルミニウム原子が金属結合によって配列した面心立方格子構造を有している。そのような金属のすべり面は、原子が最も蜜に配列した（１１１）面であり、そのすべり面で転位が移動することにより、界面に作用する歪を吸収することができるが、その界面付近に［００１］方位に配向した結晶粒が多く存在していると、この［００１］方位の結晶粒はせん断すべりが生じにくい方位であるため、すべりによる歪吸収作用が小さくなり、その結果、結晶粒界にひずみが集中してクラックが生じ易くなる。したがって、この［００１］方位の結晶粒を５０％未満と少なくすることにより、すべりによる歪吸収作用を有効に発揮させることができるのである。

前述したろう付け工程において、セラミックス基板２と金属板６・７との積層体に１００KＰａ以上２９０KＰａ以下の圧力をかけた状態としているが、通常のろう付けの場合よりも若干低い圧力であり、この圧力下でろう付けすることが、金属板６・７の結晶方位の制御に有効であり、この圧力条件とすることにより、［００１］方位の結晶粒を少なくすることができる。

一方、接合界面付近における金属板６・７の結晶の平均粒径を５μｍ以上３０μｍの範囲としたが、結晶粒径が５μｍよりも小さいと、すべり面での転位の移動距離が小さいため、結晶内での転位がすぐに止められて粒界に堆積することにより、粒界でのクラックの起点となり易いからであり、結晶粒径が３０μｍよりも大きいと、結晶の異方性が顕在化することにより、金属板に反りが生じ易くなるからである。
セラミックス基板２に金属板６・７をろう付けして冷却する際に、室温まで冷却する途中で、４００℃以下３００℃以上の温度範囲において２分以上３０分以下の時間保持しているが、この温度条件に保持することが金属板６・７の結晶の粒径制御に有効であり、その平均粒径を５μｍ以上３０μｍ以下の範囲に制御することができる。

なお、本発明は前記実施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、前記実施形態では結晶粒径の制御のために、セラミックス基盤２に金属板６・７をろう付けする際の冷却途中で４００℃以下３００℃以上の温度範囲において２分以上 ３０分以下の時間保持するようにしたが、ろう付け工程が終了したパワーモジュール用基板３に熱処理を施すことによっても、結晶粒径を制御することができる。すなわち、パワーモジュール用基板３に１５０℃〜５００℃の温度で２分以上３０分以下の時間熱処理するのである。この場合、この熱処理は、パワーモジュール用基板３に電子部品４やヒートシンク５をはんだ付けする工程によって行うようにしてもよい。

次に、本発明に係るパワーモジュール用基板の実施例について説明する。
まず、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ製セラミックス基板の両面に、ろう材箔として厚さ０．０１ｍｍのＡｌ−７．５％Ｓｉ箔を挟んだ状態で、厚さ０．４ｍｍの純度９９．９%以上のＡｌ製金属板をそれぞれ積層し、ろう付け条件を変えて複数組のパワーモジュール用基板のサンプルを製造した。
そして、得られた各サンプルについて、接合界面の評価及び接合強度の測定を行った。

この接合界面の評価に際しては、電子後方散乱回折像（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎｓ）法（以下、ＥＢＳＰ法と称す）に基づき、接合界面付近の結晶方位を測定した。このＥＢＳＰ法は、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）にＥＢＳＰ検出器を接続し、収束電子ビームを試料表面に照射したときに発生する個々の結晶の回折像（ＥＢＳＰ）の方位を解析し、方位データと測定点の位置情報から材料の結晶方位を測定する方法であり、その測定結果は結晶方位マップ（ＩＰＦ（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｐｏｌｅ Ｆｉｇｕｒｅ）Ｍａｐ）として示される。この結晶方位マップを１８０μｍの視野範囲で１０視野分測定し、その測定結果から接合界面付近の金属板において、接合界面の法線方向に［００１］方位が配向した結晶の発生領域が接合界面全体領域に占める面積比率を測定し、［００１］結晶存在率とした。また、同時に結晶の平均粒径も測定した。なお、結晶方位に関しては±５°の範囲を同一の方位とみなした。

図２は、このＥＢＳＰ法によって測定したＩＰＦマップを模式的に示したものである。この図においてＡがアルミニウムの金属板の部分を示し、この部分は大半が［００１］方位の結晶である。また、Ｂはセラミックス基板を示しており、このセラミックス基板との界面付近に界面に沿って複数の結晶が並んでいる。そのうち、Ｃで示す結晶が［００１］方位の結晶であり、その他のＤ_１〜Ｄ_７の各結晶は［００１］以外の方位のものであることを示している。

次いで、このサンプルを−４０℃で１５分保持し、約３分で１２５℃まで昇温させた後、この１２５℃に１５分（気槽）保持し、その後、約１０分で−４０℃まで冷却する温度サイクルを４０００サイクル付与した（タバイエスペック社製装置使用）。そして、この温度サイクルを付与したサンプルについて、セラミックス基板と金属板との接合界面を超音波映像装置（１５ＭＨｚプローブ）を用いて撮像し、この撮像データを２値化して得られた剥離部分の接合界面全体に占める面積から剥離面積率を算出した。この剥離面積率の評価は、２０％を超えたものを×、１０％より大きく２０％以下のものを○、１０％以下のものを◎とした。この温度サイクル付与による剥離試験は、過酷な条件の促進試験であるため、剥離面積率が２０％以下であれば実用上は問題ない。
このようにして試験した結果を、以下の表１に示す。

表１において、冷却時温度保持条件の「−」は温度保持を行わずに一定速度で冷却したものである。また、試料８は、剥離評価は問題ない程度であったが、反りが発生していた。
この試験結果から明らかなように、結晶の平均粒径が５μｍ以上３０μｍ以下で、［００１］方位の結晶粒の発生領域が接合界面の全体領域の５０％未満である場合に、十分に高い接合強度のものが得られた。

次に、ろう付けが終了したパワーモジュール用基板に対して、熱処理を施して同様な試験を実施した。その結果を表２に示す。この場合、ろう付けは、すべて６３５℃×１分に加熱して行った。

この表２に示されるように、１５０℃〜５００℃の温度で２分以上３０分以下の時間熱処理することが、結晶の平均粒径を５μｍ以上３０μｍ以下、［００１］方位の結晶粒の発生領域を接合界面の全体領域の５０％未満とすることができ、その場合に十分に高い接合強度のものが得られた。

本発明の一実施形態のパワーモジュールを示す縦断面図である。 セラミックス基板と金属板との接合界面付近のＩＰＦマップを模式化して示す拡大断面図である。

符号の説明

１…パワーモジュール、２…セラミックス基板、３…パワーモジュール用基板、４…電子部品、５…ヒートシンク、６…回路層用金属板、７…熱伝達層用金属板、８…はんだ層

Claims (4)

1. セラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板を接合したパワーモジュール用基板であって、
   前記金属板における前記セラミックス基板との接合界面付近の結晶粒は、その平均粒径が５μｍ以上３０μｍ以下であるとともに、接合界面の法線方向に配向した［００１］方位の結晶粒の発生領域が前記接合界面の全体領域の５０％未満であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
2. 請求項１記載のパワーモジュール用基板の前記金属板の上に電子部品が搭載されていることを特徴とするパワーモジュール。
3. セラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板をろう付けにより接合してパワーモジュール用基板を製造する方法であって、
   そのろう付け工程は、セラミックス基板と金属板との接合部に１００KＰａ以上２９０KＰａ以下の圧力を作用させた状態とし、加熱によりろう材を溶融させた後に、３００℃〜４００℃の温度で２分以上３０分以下の時間保持してから室温まで冷却す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。
4. セラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板をろう付けにより接合したパワーモジュール用基板に対して、１５０℃〜５００℃の温度で２分以上３０分以下の時間熱処理す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。

Images