JP2011210745A

JP2011210745A - パワーモジュール用基板及びその製造方法

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Publication number: JP2011210745A
Application number: JP2010073782A
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: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-10-20

Abstract

【課題】反りや表面のしわの問題を解消し、信頼性を高めることができるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス基板の両面に金属層が積層されたパワーモジュール用基板であって、金属層は、その結晶粒の平均粒径が０．５μｍ以下であり、金属層及びセラミックス基板の表面に真空雰囲気中で表面浄化エッチングを施した後に、真空雰囲気中でセラミックス基板と金属層とのエッチングした面どうしを重ね合わせることにより、セラミックス基板の表面に金属層が直接接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、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及びその製造方法に関する。

従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に、回路層となるアルミニウム金属層を積層し、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされ、一方、セラミックス基板の他方の面に放熱層となるアルミニウム金属層が形成され、この金属層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。

このようなセラミックス基板に回路層又は放熱層となるアルミニウム金属層を積層状態に形成する方法として、例えば特許文献１では、セラミックス基板に、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材を介在させてアルミニウム金属層を重ね合わせ、その積層体を加圧、加熱することにより、ろう材を溶融させて、セラミックス基板とアルミニウム金属層とを接合するようにしている。

この場合、回路層及び放熱層とも同じ板厚で形成されるのが一般的であったが、近年では、放熱層とヒートシンクとの間の熱伸縮を緩和するための緩衝機能を放熱層自身に持たせるために、放熱層を厚肉に形成することが検討されている。その結果、回路層と放熱層との厚さに差が生じることから、ろう付けのための加熱処理を経由すると、全体に反りが生じて、その後のヒートシンクへの取り付けを阻害するという問題が生じてきた。
また、回路層及び放熱層のアルミニウム金属として、応力緩和のために高純度のアルミニウムが用いられる傾向にあるが、厳しい熱サイクル環境下であると、アルミニウム金属層の表面にしわが生じて、電子部品との接合性への悪影響が懸念される。

さらに、放熱層とヒートシンクとの間の接合方法として、高価な設備が不要で比較的容易に安定したろう付けが可能なフラックスろう付け法としてノコロックろう付け法の適用が検討されているが、この接合方法であると、そのろう付け時に、セラミックス基板と放熱層との間にフラックスが侵食して接合部にクラックを生じさせるおそれがある。

また、ろう付けに依存しない接合方法としては特許文献２記載の技術がある。この接合方法では、セラミックス基板を鋳型内に設置して、その鋳型内に溶融状態のアルミニウム合金を注入することにより、セラミックス基板の両面にアルミニウム金属層を形成している。
しかしながら、このようにして形成される回路層及び放熱層は、アルミニウムを溶融して凝固させたものであるため、結晶粒径が例えば数百μｍと大きくなり、反りの問題を解消することはできない。また、高純度のアルミニウムを用いるため、前述した表面のしわの問題も生じ易い。

特開２００８−３１１２９６号公報特開２００７−３６２６３号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、反りや表面のしわの問題を解消し、信頼性を高めることができるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供する。

従来の接合方法では、ろう付け時に例えば６５０℃の温度に加熱されることから、回路層や放熱層のアルミニウム金属の結晶粒径が大きくなり、これが原因で機械的性質が低下し、反りや表面のしわに影響しているものと考えられる。
そこで、セラミックス基板と回路層や放熱層の金属層とを加熱しないで接合することにより、結晶組織を微細なままで接合することができ、反りやしわの問題を解消できると考えた。

すなわち、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両面に金属層が積層されたパワーモジュール用基板であって、前記金属層は、その結晶粒の平均粒径が０．５μｍ以下であり、前記セラミックス基板の表面に直接接合されていることを特徴とする。
また、その製造方法は、セラミックス基板の両面に金属層が積層されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、結晶粒の平均粒径が０．５μｍ以下である金属層及びセラミックス基板の表面に真空雰囲気中で表面浄化エッチングを施した後に、前記真空雰囲気中で前記セラミックス基板と前記金属層とのエッチングした面どうしを重ね合わせて接合することを特徴とする。

本発明では、セラミックス基板及び金属層の表面にイオンビームやプラズマを照射して表面浄化エッチングすることにより、セラミックス基板及び金属層の表面を活性化させ、その活性化状態で直接接合しており、常温で接合できて、熱処理を伴わないことから、微細組織のまま接合することができる。直接接合とは、セラミックス基板と金属層との界面に何の反応層も介在させずに、それらの原子間を異種元素を介在させないで結合するものであり、その接合状態はＴＥＭによる断面観察で確認することができる。

また、本発明のパワーモジュール用基板において、前記金属層は、純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウムからなるものとされる。
この高純度アルミニウムとすることにより、ヒートシンクとの間の熱伸縮差に起因する応力を緩和することができ、しかも、結晶粒が微細であるので、表面のしわの発生も抑制でき、電子部品との接合信頼性を向上させることができる。
そして、本発明のパワーモジュール用基板において、２８ｍｍ長さ当たりの反り量が３０μｍ以下であるのが好ましい。
２８ｍｍ長さ当たりの反り量が３０μｍ以下であると、その後に接合されるヒートシンクとも高精度に位置合わせすることができ、これらを緊密に接触させて放熱特性を向上させることができる。

そして、本発明のパワーモジュールは、上記のパワーモジュール用基板の前記金属層のうちの一方に電子部品がはんだ付けにより接合され、他方の金属層にヒートシンクが接合されていることを特徴とする。

本発明によれば、結晶粒の平均粒径が０．５μｍ以下の金属層及びセラミックス基板の表面を活性化状態で直接接合しており、金属層が微細組織のまま接合されるため、その後の温度変化に伴う反りの発生を防止するとともに、電子部品とのはんだ接合面のしわの発生もなく、その接合信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態のパワーモジュールの全体構成を示す縦断面図である。本発明の製造方法で使用される接合装置の概略構成例を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示している。この図１に示されるパワーモジュール１は、セラミックス等からなるセラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、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の両面に金属層６，７が積層されており、その一方の金属層６が回路層となり、その表面に電子部品４がはんだ付けされる。また、他方の金属層７は放熱層とされ、その表面にヒートシンク５が取り付けられる。
また、セラミックス基板２は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成される。
金属層６，７は、いずれも純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では１Ｎ９９を用いることができる。また、この金属層６，７は、その結晶粒の平均粒径が０．５μｍ以下の微細な結晶組織とされる。好ましくは、０．０５〜０．２μｍの平均結晶粒径とされる。

この場合、各層の厚さについて、個々の寸法は限定されるものではないが、セラミックス基板２の厚さは例えば６３５μｍ、回路層となる金属層６の厚さは６００μｍとされ、放熱層となる金属層７の厚さが１６００μｍとされる。
また、これら金属層６，７は、プレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板２に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板２に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。

そして、これらセラミックス基板２と回路層及び放熱層となる両金属層６，７との相互間の接合界面には、これらセラミックス基板２及び両金属層６，７の構成元素以外の異種元素が介在せず、セラミックス基板２と金属層６，７とが直接接合されている。

なお、金属層６と電子部品４との接合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。図中符号８がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と金属層６の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。
一方、放熱層となる金属層７とヒートシンク５との間の接合法としては、前述したノコロックろう付け法、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によるはんだ付け法が用いられ、あるいは、シリコングリースによって密着させた状態でねじによって機械的に固定される。図ではろう付けした例を示している。

ヒートシンク５は、その形状等は特に限定されないが、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、パワーモジュール用基板３に接合される筒体１５と、筒体１５の内部を複数の流路１６に区画する縦壁１７とが一体に形成された構成とされている。筒体１５の天板部１５ａは、パワーモジュール用基板３の金属層７より大きい四角形状の平面形状を有しており、各縦壁１７は、筒体１５の幅方向に等間隔で相互に平行に並べられ、筒体１５の長さ方向に沿って設けられている。

そして、このような構成のパワーモジュール用基板３を製造するには、セラミックス基板２及び各金属層６，７をそれぞれ形成し、これらの接合表面を次のようにして活性化して接合する。
まず、セラミックス基板２及び一方の金属層６を図２に示す接合装置２１の真空チャンバ２２内に配置する。この接合装置２１は、真空チャンバ２２内に、水平なステージ２３と、このステージ２３の上方でステージ２３に対して離間接近する方向に駆動される上ラム２４とが備えられており、これらステージ２３の上面と上ラム２３の下端面とが対向配置され、これらの対向面に向けてイオンビームをそれぞれ照射するイオンビーム源２５が設けられている。

そして、ステージ２３上に例えばセラミックス基板２を載置するとともに、上ラム２４の下端面に金属層６を保持し、これらセラミックス基板２の上面と金属層６の下面とにイオンビームを照射することにより、これらの表面を浄化エッチングする。例えば、イオンビームの場合であると、アルゴンなどの不活性ガスが用いられ、印加電圧１．５ｋｅＶ程度のアルゴン原子ビームをセラミックス基板２及び金属層６の表面に１０分間程度照射することにより、セラミックス基板２及び金属層６に不安定で活性な表面が露出される。
そして、この活性化処理の後、その真空チャンバ２２内で上ラム２４を下降して、セラミックス基板２及び金属層６の活性化処理された表面どうしを重ね合わせることにより、これらを接合する。

次に、この金属層６を片面に接合したセラミックス基板２の反対面をステージ２３の上方に向けるようにして保持し、もう一方の金属層７を上ラム２４の下端面に保持し、同様にセラミックス基板２と金属層７との対向面にイオンビームを照射して表面浄化エッチングを施した後に、上ラム２４を下降して、セラミックス基板２に金属層７を接合する。

このようにしてセラミックス基板２の両面に金属層６，７を接合したパワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２と金属層６，７とが、その界面に異種元素を介在させないで直接接合されており、強固に接合される。
そして、この接合処理において金属層６，７が加熱されないので、反りが生じることはない。また、加熱されないことから、結晶粒が平均粒径０．５μｍ以下の微細組織のまま接合されている。

次いで、このようにして製造したパワーモジュール用基板３に、放熱層となる金属層７にヒートシンク５がろう付けされる。このろう付けをノコロックろう付け法で行う場合は、ヒートシンク５の上面にＫＡｌＦ_４系のフラックスを塗布して、その上にパワーモジュール用基板３の金属層７を載置して加圧した状態で、窒素ガス雰囲気炉内で５５０〜６３０℃に加熱する。
一方、回路層となる金属層６の上に電子部品４がはんだ付けされる。これらのはんだ付け作業は窒素と水素を混合した還元ガス雰囲気中で行われる。また、その後、大気中で電子部品４と金属層６との間でワイヤボンディングされる。
この一連の工程によってパワーモジュール１が完成する。

このようにして製造されたパワーモジュール１は、金属層６，７が微細組織となっていることから、金属層６，７の表面にしわが生じることが防止される。しかも、軟質の純アルミニウム金属であるから、ヒートシンク５との熱伸縮差に基づく応力を緩和することができ、接合部の信頼性を長期に維持することができる。
なお、パワーモジュール用基板３にヒートシンク５をノコロックろう付け法等によって接合する場合には、全体が加熱されるが、パワーモジュール用基板３のセラミックス基板２と金属層６，７との接合部においては、これらを常温の直接接合としたことから、従来のろう付けによる場合に比べて、熱処理が１回で済み、しかもセラミックス基板と金属層とをろう付けする場合よりも温度は低く、この熱による影響は少ない。したがって、パワーモジュール用基板３の接合部にしわ等が生じることを防止することができる。

本発明の効果確認のために、アルミニウム純度が９９．９９ｗｔ％の金属層と、窒化アルミニウムのセラミックス基板とを使用し、これらの表面に印加電圧１．５ｋｅＶのアルゴン原子ビームを１０分間照射して接合した。比較例として、これら金属層とセラミックス基板とをＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて６３０℃に加熱して接合したものも作製した。金属層は、一方が６００μｍ、他方が１６００μｍの厚さとした。いずれも金属層の平均結晶粒径は０．５μｍ以下のものを用いた。その結晶粒径は、金属層の表面をバレット氏液（塩酸、硝酸、フッ酸の混合液）にてマクロエッチングし、その面積率を偏光顕微鏡を用いて評価した。具体的には、材料表面において、直線で切り取った各粒子の線分の長さと、一定の長さの線分で切り取られる粒子数から粒径を見積もる方法（インターセプト法）により求めた。
このようにして作製したパワーモジュール用基板について、全体の反りを測定したところ、実施例のものは２８ｍｍ長さ当たり３０μｍ以下であったが、比較例のものは２８ｍｍ長さ当たり３０μｍを超えていた。
また、金属層の平均結晶粒径を測定したところ、実施例のものは０．５μｍ以下で変化していなかったが、比較例のものは３．０μｍと大きくなっていた。

次に、そのパワーモジュール用基板において、１６００μｍの厚さの金属層にヒートシンクをノコロックろう付け法により接合し、他方の６００μｍの厚さの金属層に電子部品として半導体チップをはんだ付けにより接合した後、熱サイクル試験を実施した。熱サイクル試験としては、−４０℃から１２５℃の温度範囲で昇温と冷却とを３０００サイクル繰り返した。

試験後、電子部品と金属層との接合部及びセラミックス基板と金属層との接合部を断面観察した結果、実施例のものには特に異常は認められなかったが、比較例のものは、電子部品とのはんだ接合部における金属層の表面の一部に皺が認められたもの、及びセラミックス基板とヒートシンク側の金属層との接合部にわずかにクラックが認められたものがあった。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

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
６，７金属層
８はんだ接合層
１５筒体
１６流路
１７縦壁
２１接合装置
２２真空チャンバ
２３ステージ
２４上ラム
２５イオンビーム源

Claims

セラミックス基板の両面に金属層が積層されたパワーモジュール用基板であって、前記金属層は、その結晶粒の平均粒径が０．５μｍ以下であり、前記セラミックス基板の表面に直接接合されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
前記金属層は、純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウムからなることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板。
２８ｍｍ長さ当たりの反り量が３０μｍ以下である請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の前記金属層のうちの一方に電子部品がはんだ付けにより接合され、他方の金属層にヒートシンクが接合されていることを特徴とするパワーモジュール。
セラミックス基板の両面に金属層が積層されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、結晶粒の平均粒径が０．５μｍ以下である金属層及びセラミックス基板の表面に真空雰囲気中で表面浄化エッチングを施した後に、前記真空雰囲気中で前記セラミックス基板と前記金属層とのエッチングした面どうしを重ね合わせて接合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。