JP2013030662A - パワー半導体用絶縁基板、その製造方法及びパワー半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】パワー半導体素子との接合に融点の低い半田を用いる必要がなく、かつ高い動作温度域でもその形状を保持することができる、高温で動作するパワー半導体装置用の絶縁基板を提供する。
【解決手段】パワー半導体用絶縁基板１１は、Ａｌめっき鋼板のＡｌめっき表面に、軟化点が５００℃以下のＳｉＯ_２系ガラスフリット又はＰ_２Ｏ_５系ガラスフリットを軟化点以上７００℃未満の温度で焼成して得られる絶縁層が形成されていることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体用絶縁基板、その製造方法及びパワー半導体モジュールに関する。

現在、パワー半導体として主流となっているのは、Ｓｉ半導体である。しかし、Ｓｉ半導体は動作電圧などの点において限界にきており、次世代半導体の開発が積極的に進められている。次世代半導体として注目を浴びているのはＳｉＣやＧａＮである。Ｓｉ半導体からＳｉＣ半導体やＧａＮ半導体へシフトすることで、動作温度の上限が１３０℃程度から２５０℃程度に上昇すると言われている。この温度域になると、半導体素子を水冷等で強制冷却しなくても装置と外気との温度勾配のみで装置を動作温度以下に抑えることが可能となる。パワー半導体装置に強制冷却が不要となった場合、装置を構成する材料に対する要求も変化する。具体的には、放熱性（熱伝導性）よりも高温実装可能であるかが重要になる。

ところが、現行の半導体装置では、絶縁基板と半導体素子とを接合するのにＳｎ系半田が用いられている（例えば、特許文献１を参照）が、Ｓｎ系半田の融点は２３０℃程度であるためそれより高い動作温度域では使用できないという問題があった。また、現行の半導体装置では、窒化アルミニウム等からなるセラミックス基板にアルミニウム部材が接合された絶縁基板が使用されている（例えば、特許文献２を参照）が、高い動作温度域ではアルミニウム板が軟化してしまい、その形状を維持することが困難になるという問題があった。

特開２００４−２９６８３７号公報 特開２００９−１３５３９２号公報

従って、本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、高温で動作するパワー半導体装置に使用することのできる絶縁基板を提供することを目的とする。

そこで、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、Ａｌめっき鋼板のＡｌめっき表面に特定のガラスフリットを焼成してなる絶縁層を形成した絶縁基板が、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、Ａｌめっき鋼板のＡｌめっき表面に、軟化点が５００℃以下のＳｉＯ_２系ガラスフリット又はＰ_２Ｏ_５系ガラスフリットを焼成して得られる絶縁層が形成されていることを特徴とするパワー半導体用絶縁基板である。

本発明によれば、高温で動作するパワー半導体装置に使用することのできる絶縁基板を提供することができる。

本発明のパワー半導体用絶縁基板を用いたパワー半導体モジュールの一構成例を説明するための模式断面図である。 本発明のパワー半導体用絶縁基板を用いたパワー半導体モジュールの一構成例を説明するための模式断面図である。

本発明のパワー半導体用絶縁基板は、Ａｌめっき鋼板のＡｌめっき表面に、軟化点が５００℃以下のＳｉＯ_２系ガラスフリット又はＰ_２Ｏ_５系ガラスフリットを焼成して得られる絶縁層が形成されているものである。

本発明で使用するＡｌめっき鋼板としては、低炭素鋼、高張力鋼、ステンレス鋼、特殊鋼等のめっき原板にＡｌめっきが形成されているものであれば特に限定されない。より具体的には、例えば ＪＩＳ Ｇ ３３１４「溶融アルミニウムめっき鋼板及び鋼帯」に規定されるＡｌめっき鋼板、あるいはＪＩＳ Ｇ ３１４１「冷間圧延鋼板及び鋼帯」、ＪＩＳ Ｇ ３３１１「みがき特殊鋼帯」、ＪＩＳ Ｇ ４３０５「冷間圧延ステンレス鋼板及び鋼帯」等に記載された鋼板に溶融アルミニウムめっきを施したＡｌめっき鋼板が挙げられる。Ａｌめっき鋼板の厚さは、機械的強度の確保や製造性及び熱伝導性を考慮すると、０．０５ｍｍ〜３．５ｍｍが好ましい。Ａｌめっきの好ましい組成は、Ａｌ−０〜１２％Ｓｉである。Ａｌめっきの組成が上記範囲内であれば、ガラスフリットとの密着性がより向上する。また、Ａｌめっきの好ましい膜厚は、片面当たり５〜１００μｍである。Ａｌめっきの膜厚が上記範囲内であれば、めっき層が十分に平坦かつ耐熱性を有するものとなる。

本発明で使用する軟化点が５００℃以下のＳｉＯ_２系ガラスフリット（ガラス粉末）としては、ＳｉＯ_２を３０〜４０質量％、Ｎａ_２ＯとＫ_２Ｏとを合計で２５〜３５質量％、ＴｉＯ_２を１５〜２５質量％、ＺｎＯを２〜１０質量％、及びＶ_２Ｏ_５を１〜１０質量％含むものが好ましい。ＳｉＯ_２の含有量が３０質量％未満であると、絶縁層の形成が難しい場合があるので好ましくなく、また、４０質量％を超えると、軟化点が５００℃を超える場合があるので好ましくない。Ｎａ_２ＯとＫ_２Ｏとを合計した含有量が２５質量％未満であると、低軟化点化が不十分な場合があるので好ましくなく、また、３５質量％を超えると、耐水性に劣る場合があるので好ましくない。ＴｉＯ_２の含有量が１５質量％未満であると、絶縁性が不十分な場合があるので好ましくなく、また、２５質量％を超えると、絶縁層の形成が難しくなる場合があるので好ましくない。ＺｎＯの含有量が２質量％未満であると、絶縁層の平滑性が損なわれる場合があるので好ましくなく、また、１０質量％を超えると、絶縁層の形成が難しくなる場合があるので好ましくない。Ｖ_２Ｏ_５の含有量が１質量％未満であると、絶縁層の均一性が損なわれる場合があるので好ましくなく、また、１０質量％を超えると、絶縁層の形成が難しくなる場合があるので好ましくない。
より好ましくは、ＳｉＯ_２を３５〜４０質量％、Ｎａ_２ＯとＫ_２Ｏとを合計で２７〜３２質量％、ＴｉＯ_２を１８〜２２質量％、ＺｎＯを４〜６質量％、及びＶ_２Ｏ_５を４〜６質量％含むＳｉＯ_２系ガラスフリットである。
また、ＳｉＯ_２系ガラスフリットには、２５質量％以下のＰ_２Ｏ_５を更に含有させてもよい。ＳｉＯ_２系ガラスフリットにＰ_２Ｏ_５を含有させることで、さらに低軟化点にすることができる。Ｐ_２Ｏ_５のより好ましい含有量は、１５質量％以下である。

本発明で使用する軟化点が５００℃以下のＰ_２Ｏ_５系ガラスフリット（ガラス粉末）としては、Ｐ_２Ｏ_５を２５〜４０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３を１５〜２５質量％、Ｎａ_２Ｏを６〜１８質量％、Ｓｂ_２Ｏ_３を５〜１５質量％、及びＢ_２Ｏ_３を５〜１５質量％含むものが好ましい。Ｐ_２Ｏ_５の含有量が２５質量％未満であると、絶縁層の形成が難しくなる場合があるので好ましくなく、また、４０質量％を超えると、耐水性が劣る場合があるので好ましくない。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が１５質量％未満であると、絶縁性が不十分な場合があるので好ましくなく、また、２５質量％を超えると、５００℃以下の軟化点にすることが難しい場合があるので好ましくない。Ｎａ_２Ｏの含有量が６質量％未満であると、７００℃未満の温度で絶縁層を形成することが難しくなる場合があるので好ましくなく、また、１８質量％を超えると、耐水性が劣る場合があるので好ましくない。Ｓｂ_２Ｏ_３の含有量が５質量％未満であると、絶縁層の平滑性が損なわれる場合があるので好ましくなく、また、１５質量％を超えると、絶縁層の形成が難しくなる場合があるので好ましくない。Ｂ_２Ｏ_３の含有量が５質量％未満であると、絶縁層の均一性が損なわれる場合があるので好ましくなく、また、１５質量％を超えると、５００℃以下の軟化点にするのが難しくなる場合があるので好ましくない。
より好ましくは、Ｐ_２Ｏ_５を３０〜３５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３を１８〜２３質量％、Ｎａ_２Ｏを１０〜１５質量％、Ｓｂ_２Ｏ_３を８〜１３質量％、及びＢ_２Ｏ_３を８〜１３質量％含むＰ_２Ｏ_５系ガラスフリットである。

ガラスフリットの軟化点を５００℃以下に規定した理由は、５００℃を超える軟化点では、焼成時の温度を高くする必要があり、それによりＡｌめっき中のＡｌ成分とめっき原板中のＦｅ成分とが反応（合金化）して脆い金属間化合物を生成するためである。このような脆い金属間化合物が生成すると、熱歪などの応力によって界面が剥離するという問題が起こる。金属間化合物の成長を抑制すると共に半導体素子の作動温度で軟化しないという観点から、ガラスフリットの好ましい軟化点は、４３０〜４９０℃である。ガラスフリットの軟化点は、各成分の含有量を調節することで変更することができ、例えば、ＳｉＯ_２系ガラスフリットの場合、ＳｉＯ_２の含有量を増減させればよく、Ｐ_２Ｏ_５系ガラスフリットの場合、Ｐ_２Ｏ_５の含有量を増減させればよい。

上記したガラスフリットを構成する各成分の平均粒子径（Ｄ_５０）は、特に限定されるものではないが、より平滑で均一な絶縁層を形成するという観点から、好ましくは０．５〜２０μｍであり、より好ましくは３〜５μｍである。なお、平均粒子径は、レーザー式粒度分布計を用いて測定される値である。

上記したガラスフリットの焼成により得られる絶縁層は、窒化アルミニウムからなる従来の絶縁層よりも絶縁性が高いので、厚さを薄くしても十分に絶縁性を確保することができる。そのため、絶縁基板を薄型化することができ、結果として、パワー半導体装置の小型化が可能となる。具体的には、厚さが６００μｍの一般的な窒化アルミニウムからなる絶縁層と同程度の絶縁性を、本発明では３０〜４０μｍ程度の厚さの絶縁層で達成することができる。例えば、窒化アルミニウムの絶縁破壊電圧は４０ｋＶ／ｃｍ程度であるので、厚さ６００μｍの窒化アルミニウムによる絶縁層では２．４ｋＶ程度の耐電圧が得られる。この耐電圧は、パワー半導体の動作電圧として１ｋＶ程度を想定する場合には充分に余裕のある値である。しかし、窒化アルミニウムよりも絶縁破壊電圧が大きい絶縁材料で絶縁層を構成することができれば、より薄い絶縁層でも同等の耐電圧が得られる。本発明に従ったガラスフリットの焼成により得られる絶縁層は、７００ｋＶ／ｃｍ程度の大きな絶縁破壊電圧を呈するので、３５μｍの絶縁層厚さがあれば２．４ｋＶ程度の耐電圧が得られるのである。絶縁層の厚さは、求められる絶縁性に応じて適宜設定すればよいが、好ましくは１０〜２００μｍであり、より好ましくは２０〜１００μｍである。なお、絶縁層の厚さは、例えば、電磁誘導式膜厚計で測定することができる。

また、本発明のパワー半導体用絶縁基板における絶縁層は、ガラスフリットの組成を上記した範囲内で調整することにより、Ａｌめっき鋼板の熱膨張率に近づけたり、パワー半導体素子とＡｌめっき鋼板との間の熱膨張率にすることができる。このように熱膨張率を調整することで、パワー半導体装置で生じる熱応力を緩和することができるという利点を有する。

この絶縁層は、Ａｌめっき鋼板のＡｌめっき表面に、上記したガラスフリットを含むスラリーを塗布した後、これを、ガラスフリットの軟化点以上７００℃未満の温度で焼成することにより形成することができる。ガラスフリットを含むスラリーの塗布は、スプレー法等の琺瑯の技術分野で公知の方法により行うことができる。絶縁層形成時の焼成温度がガラスフリットの軟化点未満であると、Ａｌめっき鋼板に絶縁層を密着させることができず、一方、７００℃以上の焼成温度では、Ａｌめっき中のＡｌ成分とめっき原板中のＦｅ成分とが反応（合金化）して脆い金属間化合物を生成する。好ましい焼成温度は、ガラスフリットの軟化点以上６００℃以下である。焼成時間は、特に限定されるものではないが、通常、１〜６０分である。

本発明のパワー半導体用絶縁基板の絶縁層上には、回路層が形成されていてもよい。本発明における回路層は、絶縁層上に導電性ペーストを印刷した後、１５０℃以上ガラスフリットの軟化点未満の温度で焼成することにより形成することができる。窒化アルミニウム等からなるセラミックス基板にアルミニウム部材が接合された従来の絶縁基板では、金属層を約６００℃でろう付け接合した後、金属層をエッチングして回路層を形成する必要があったが、本発明のパワー半導体用絶縁基板では、絶縁層上に回路層を直接形成することができるので、エッチング工程が不要になるという利点がある。ここで使用する導電性ペーストとしては、Ａｇナノ粒子を含む低温焼成型導電性ペーストが好ましく、より具体的には、Ａｇナノ粒子：酸化Ａｇ粒子が重量比で１０〜０．０１：１である混合粉末とアクリル等の樹脂バインダーとを水や有機溶媒中に添加したものである。導電性ペーストの印刷は、スクリーン印刷等により行うことができる。回路層形成時の焼成温度が１５０℃未満であると、回路としての導電性が不十分となり、一方、ガラスフリットの軟化点以上の焼成温度では、ガラスフリットの軟化が起きてしまうである。

上記のように回路層が形成されたパワー半導体用絶縁基板を用いたパワー半導体モジュールの具体的な構成例としては、図１に示されるように、パワー半導体素子１０の片面に、パワー半導体用絶縁基板１１の回路層１２が金属溶加材料１３を介して接合されたものや、図２に示されるように、パワー半導体素子１０の両面に、２枚のパワー半導体用絶縁基板１１の回路層１２が金属溶加材料１３を介してそれぞれ接合され、更にパワー半導体素子１０が樹脂１４で封止されたものが挙げられる。窒化アルミニウム等からなるセラミックス基板にアルミニウム部材が接合された従来の絶縁基板では、パワー半導体素子が搭載される面にＮｉ無電解めっきを施す必要があったが、本発明のパワー半導体用絶縁基板では、Ａｇ焼成層がＮｉめっき層の代替として作用するので、そのようなＮｉ無電解めっき工程が不要になるという利点がある。
本発明のパワー半導体用絶縁基板に搭載されるパワー半導体素子１０としては、ＳｉＣ半導体素子、ＧａＮ半導体素子等が挙げられる。
パワー半導体素子１０と、パワー半導体用絶縁基板１１の回路層１２とを接合するのに使用される金属溶加材料１３としては、２００℃以上該ガラスフリットの軟化点未満の融点を有するものであればよい。このような金属溶加材料１３の具体例としては、Ａｇ、Ｚｎ−Ａｌ等を主体とする合金が挙げられる。
パワー半導体素子１０の封止に使用する樹脂１４としては、シリコーン等が挙げられる。
また、上記のように構成されたパワー半導体モジュールには、ヒートシンクなどの強制冷却器を設ける必要がないので、装置を小型化することができるという利点がある。

３８質量％のＳｉＯ_２、３０質量％のＮａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ、２０質量％のＴｉＯ_２、６質量％のＺｎＯ及び６質量％のＶ_２Ｏ_５からなる軟化点４８０℃のガラスフリット（平均粒子径３〜５μｍ）を水と混合してスラリーを作製した。厚さ０．５ｍｍのＡｌめっき低炭素鋼板（Ａｌめっき膜厚３０μｍ）のＡｌめっき表面に、スラリーをスプレー塗布し、５３０℃で３０分間焼成して厚さ２０μｍの絶縁層を形成した。

＜耐電圧の評価＞
ＪＩＳ Ｃ ２１１０に基づいた測定方法により、２０μｍの厚さの絶縁層を形成したＡｌめっき鋼板の絶縁破壊電圧を測定したところ、１．５ｋＶであった。この耐電圧は、現在の自動車関連部品において一般的に必要とされる動作電圧７００Ｖの２倍を超える値である。

＜熱膨張係数の測定＞
ＪＩＳ Ｒ ３１０２に基づいた測定方法により、絶縁層を形成するガラスフリットを単体で棒状に焼成し、焼成後の熱膨張係数を測定したところ、１３×１０^―６／℃であり、絶縁層の素地である鋼材の熱膨張係数（１０×１０^−６／℃〜１７×１０^−６／℃）に近い値を示した。

＜耐冷熱衝撃性の評価＞
大気雰囲気中で−４０℃×３０ｍｉｎ→２５０℃×３０ｍｉｎ（１サイクル）とサンプルの温度を変化させる冷熱衝撃試験を１０００サイクル実施した。試験実施後のＡｌめっき層と絶縁層との界面や絶縁層には大きな亀裂や欠陥は認められなかった。

上記の評価結果から分かるように、実施例で得られた絶縁基板は、ガラスフリット焼成による絶縁破壊電圧が高い絶縁層を備えているため、絶縁層を従来よりも薄くでき、それにより冷熱繰り替えし衝撃試験にも耐え、高温動作可能なパワー半導体装置に好適に使用することができると言える。

１０ パワー半導体素子、１１ パワー半導体用絶縁基板、１２ 回路層、１３ 金属溶加材料、１４ 樹脂。

Claims (9)

1. Ａｌめっき鋼板のＡｌめっき表面に、軟化点が５００℃以下のＳｉＯ_２系ガラスフリット又はＰ_２Ｏ_５系ガラスフリットを焼成して得られる絶縁層が形成されていることを特徴とするパワー半導体用絶縁基板。
2. 前記ＳｉＯ_２系ガラスフリットが、ＳｉＯ_２を３０〜４０質量％、Ｎａ_２ＯとＫ_２Ｏとを合計で２５〜３５質量％、ＴｉＯ_２を１５〜２５質量％、ＺｎＯを２〜１０質量％、及びＶ_２Ｏ_５を１〜１０質量％含むことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体用絶縁基板。
3. 前記ＳｉＯ_２系ガラスフリットが、２５質量％以下のＰ_２Ｏ_５を更に含むことを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体用絶縁基板。
4. 前記Ｐ_２Ｏ_５系ガラスフリットが、Ｐ_２Ｏ_５を２５〜４０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３を１５〜２５質量％、Ｎａ_２Ｏを６〜１８質量％、Ｓｂ_２Ｏ_３を５〜１５質量％、及びＢ_２Ｏ_３を５〜１５質量％含むことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体用絶縁基板。
5. 前記絶縁層の厚さが、１０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のパワー半導体用絶縁基板。
6. 前記絶縁層上に回路層が形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のパワー半導体用絶縁基板。
7. Ａｌめっき鋼板のＡｌめっき表面に、軟化点が５００℃以下のＳｉＯ_２系ガラスフリット又はＰ_２Ｏ_５系ガラスフリットを含むスラリーを塗布した後、該軟化点以上７００℃未満の温度で焼成してＡｌめっき表面上に絶縁層を形成する工程と、
   該絶縁層上に導電性ペーストを印刷した後、１５０℃以上該ガラスフリットの軟化点未満の温度で焼成して回路層を形成する工程と
   を有することを特徴とするパワー半導体用絶縁基板の製造方法。
8. パワー半導体素子の片面に、請求項６に記載のパワー半導体用絶縁基板の回路層が２００℃以上該ガラスフリットの軟化点未満の融点を有する金属溶加材料を介して接合されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
9. パワー半導体素子の両面に、請求項６に記載のパワー半導体用絶縁基板の回路層が２００℃以上該ガラスフリットの軟化点未満の融点を有する金属溶加材料を介してそれぞれ接合され、該パワー半導体素子が樹脂で封止されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。

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