JP2009277991A - パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Si3N4からなるセラミックス基板11の表面に純アルミニウムからなる金属板12、13が融点降下元素を含有するろう材によって接合されたパワーモジュール用基板であって、金属板12、13とセラミックス基板11との接合界面30には、酸素濃度が金属板12、13中及びセラミックス基板11中の酸素濃度よりも高くされた高濃度部32が形成されており、高濃度部32の厚さが4nm以下とされていることを特徴とする。
【選択図】図2
Description
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にAl等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたものが提案されている。
なお、ここで、金属板中及びセラミックス基板中の酸素濃度とは、金属板及びセラミックス基板のうち接合界面から一定距離(例えば、50nm以上)離れた部分における酸素濃度である。
前記高濃度部を含む接合界面に存在する酸素原子の質量比が20wt%を超えると、酸素濃度の高い部分が厚く存在することになり、熱サイクルを負荷した際に、この高濃度部においてクラックが発生してしまい接合信頼性が低下するおそれがある。このため、酸素濃度は20wt%以下に抑えることが好ましい。
なお、エネルギー分散型X線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記接合界面の複数点(例えば、10〜100点)で測定し、その平均値を算出することになる。また、測定する際には、金属板の結晶粒界とセラミックス基板との接合界面は測定対象とせず、結晶粒とセラミックス基板との接合界面のみを測定対象とする。
ケイ素は、アルミニウムの融点を十分に降下させる元素であるので、接合温度を低く設定することにより、接合時に金属板が溶融することを防止できるとともにろう材を確実に溶融させることができる。
この構成の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強度が高く、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
このパワーモジュール1は、回路層12が配設されたパワーモジュール用基板10と、回路層12の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク4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。なお、本実施形態では、回路層12とはんだ層2との間にNiメッキ層(図示なし)が設けられている。
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、絶縁性の高いSi3N4(窒化珪素)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク4の天板部5と金属層13との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層15が設けられている。
なお、ここで観察する接合界面30は、図2に示すように、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)の格子像の界面側端部とセラミックス基板11の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。
このようにして本実施形態であるパワーモジュール用基板10が製造される。
例えば、ろう材を、Al−Si系のものとして説明したが、これに限定されることはなく、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系等の他の融点降下元素を有するろう材を使用してもよい。
また、ヒートシンクの天板部と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層がなくてもよい。
また、ヒートシンクをアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、銅や銅合金で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
図6に示すように、比較例1−3及び実施例1−3においては、厚さ0.635mmのSi3N4からなるセラミックス基板11と、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる回路層12と、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる金属層13と、厚さ5mmのアルミニウム合金(A6063)からなる天板部5と、厚さ1.0mmの4Nアルミニウムからなる緩衝層15とを共通に有している。
この試験片を用いて接合界面の観察及び接合強度の評価を行った。
観察試料は次のようにして作製した。まず、金属板とセラミックス基板とを接合した試料から試料をダイヤモンドカッタでスライスし、ダイヤモンド砥石によって機械研磨を行い、厚さを約30μm程度にする。その後、アルゴンイオン(5kV、30μA)によってイオンミリングを行い、電子線が透過可能な厚さである0.1μm以下の部分を有する観察試料を作製した。
接合界面の観察においては、接合界面に形成された高濃度部の厚さを20点測定し、その平均値を算出した。高濃度部の平均厚さ測定結果を表1に示す。
なお、前述のTEM観察及びEDS分析には、2軸傾斜分析用ホルダーを使用した。
一方、接合界面に、酸素が濃縮した高濃度部が形成され、その厚さが4nm以下とされた実施例1−3においては、3000サイクル後においても接合率が90%以上となり、熱サイクル信頼性が向上することが確認された。
2 半導体チップ(電子部品)
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
13 金属層
22、23 金属板
24、25 ろう材箔(ろう材)
26、27 溶融アルミニウム層
30 接合界面
32 高濃度部
Claims (5)
- Si3N4からなる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が融点降下元素を含有するろう材によって接合されたパワーモジュール用基板であって、
前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、酸素濃度が前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされた高濃度部が形成されており、該高濃度部の厚さが4nm以下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。 - 前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Si、O、Nの質量比が、Al:Si:O:N=15〜50wt%:25〜50wt%:20wt%以下:10〜40wt%とされ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用基板。
- 前記融点降下元素がケイ素であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のパワーモジュール用基板。
- 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
- Si3N4からなる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融点降下元素を含有するろう材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、
セラミックス基板及び金属板を、ろう材を介して積層して加圧した状態で加熱し、前記ろう材を溶融させてセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程とを有し、
前記溶融工程及び前記凝固工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、酸素濃度が前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされた高濃度部を厚さが4nm以下で生成させ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。
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