JP2013179263A5

JP2013179263A5 - パワーモジュール用基板、ヒートシンク付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、並びに、銅部材接合用ペースト

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Publication number: JP2013179263A5
Application number: JP2012267298A
Authority: JP
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2013-10-17

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、ヒートシンク付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、並びに、銅部材接合用ペーストに関するものである。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、セラミックス基板に銅または銅合金からなる銅板が接合されてなり、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制できるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付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、並びに、銅部材接合用ペースト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、セラミックス基板の表面に銅または銅合金からなる銅板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、前記銅板と前記セラミックス基板との間において、前記セラミックス基板の表面に窒化物層が形成されているとともに、Ａｇ−Ｃｕ共晶組織層の厚さが１４μｍ以下とされていることを特徴としている。

この構成のパワーモジュール用基板においては、銅または銅合金からなる銅板とセラミックス基板との接合部において、Ａｇ−Ｃｕ共晶組織層の厚さが１４μｍ以下とされているので、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板と銅板との熱膨張係数の差に起因するせん断応力が作用した場合であっても、銅板側が適度に変形することになり、セラミックス基板の割れを抑制することができる。
また、前記セラミックス基板の表面に窒化物層が形成されているので、セラミックス基板と銅板とを確実に接合することができる。

この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記加熱工程において、Ａｇを前記銅板側に拡散させることにより前記セラミックス基板と前記銅板との界面に前記溶融金属領域を形成しているので、溶融金属領域の厚さを薄く抑えることができ、Ａｇ−Ｃｕ共晶組織層の厚さを１４μｍ以下とすることができる。また、前記加熱工程において、前記セラミックス基板の表面に窒化物層を形成する構成としているので、セラミックス基板と銅板とを強固に接合することができる。

前記Ａｇ及び窒化物形成元素層形成工程では、Ａｇ及び窒化物形成元素を含有する銅部材接合用ペーストを塗布することが好ましい。
この場合、銅部材接合用ペーストを塗布することで、前記セラミックス基板の接合面及び前記銅板の接合面のうち少なくとも一方に、確実にＡｇ及び窒化物形成元素層を形成することが可能となる。

前記銅部材接合用ペーストは、前記窒化物形成元素の水素化物を含有していてもよい。
この場合、窒化物形成元素の水素化物の水素が還元剤として作用するので、銅板の表面に形成された酸化膜等を除去でき、Ａｇの拡散及び窒化物層の形成を確実に行うことができる。
本発明の銅部材接合用ペーストは、前述のパワーモジュール用基板の製造方法で使用されるＡｇ及び窒化物形成元素層含有ペーストであって、Ａｇ及び窒化物形成元素を含む粉末成分と、樹脂と、溶剤と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、セラミックス基板に銅または銅合金からなる銅板が接合されてなり、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制できるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付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、並びに、銅部材接合用ペーストを提供することができる。

図２に、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面の拡大図を示す。セラミックス基板１１の表面には、銅部材接合用ペーストに含有された窒化物形成元素の窒化物からなる窒化物層３１が形成されている。
そして、この窒化物層３１に積層するようにＡｇ−Ｃｕ共晶組織層３２が形成されている。ここで、Ａｇ−Ｃｕ共晶組織層３２の厚さは１４μｍ以下とされている。

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０によれば、銅板２２からなる回路層１２とセラミックス基板１１との接合部において、Ａｇ−Ｃｕ共晶組織層３２の厚さが１４μｍ以下とされているので、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板１１と回路層１２との熱膨張係数の差に起因するせん断応力が作用した場合であっても、回路層１２側が適度に変形することになり、セラミックス基板１１の割れを抑制することができる。
また、セラミックス基板１１の表面に窒化物層３１が形成されているので、セラミックス基板１１と回路層１２とを確実に接合することができる。

また、本実施形態においては、セラミックス基板１１の接合面にＡｇと窒化物形成元素とを含有するＡｇ及び窒化物形成元素層２４を形成するＡｇ及び窒化物形成元素層形成工程Ｓ１１と、このＡｇ及び窒化物形成元素層２４を介してセラミックス基板１１と銅板２２と積層する積層工程Ｓ１２と、積層されたセラミックス基板１１と銅板２２を積層方向に加圧するとともに加熱し、セラミックス基板１１と銅板２２との界面に溶融金属領域２７を形成する加熱工程Ｓ１３と、この溶融金属領域２７を凝固させることによってセラミックス基板１１と銅板２２とを接合する凝固工程Ｓ１４と、を有しており、加熱工程Ｓ１３において、Ａｇを銅板２２側に拡散させることによりセラミックス基板１１と銅板２２との界面に溶融金属領域２７を形成しているので、溶融金属領域２７の厚さを薄く抑えることができ、Ａｇ−Ｃｕ共晶組織層３２の厚さを１４μｍ以下とすることができる。さらに、加熱工程Ｓ１３において、セラミックス基板１１の表面に窒化物層３１を形成する構成としているので、セラミックス基板１１と銅板２２とを強固に接合することができる。

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０によれば、銅板１２２からなる回路層１１２とセラミックス基板１１１との接合部において、Ａｇ−Ｃｕ共晶組織層の厚さが１４μｍ以下とされており、本実施形態では、明確に観察されなくなっているので、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板１１１と回路層１１２との熱膨張係数の差に起因するせん断応力が作用した場合であっても、回路層１１２側が適度に変形することになり、セラミックス基板１１１の割れを抑制することができる。
また、セラミックス基板１１１の表面に窒化物層１３１が形成されているので、セラミックス基板１１１と回路層１１２とを確実に接合することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、窒化物形成元素としてＴｉ、Ｚｒを用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｈｆ，Ｎｂ等の他の窒化物形成元素であってもよい。
また、銅部材接合用ペーストに含まれる粉末成分が、ＴｉＨ_２、ＺｒＨ_２等の窒化物形成元素の水素化物を含んでいてもよい。この場合、窒化物形成元素の水素化物の水素が還元剤として作用するので、銅板の表面に形成された酸化膜等を除去でき、Ａｇの拡散及び窒化物層の形成を確実に行うことができる。
また、第二の実施形態において、添加元素としてＳｎを添加したものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の添加元素を用いてもよい。

比較例１、２、５１においては、共晶組織厚さが１４μｍを超えており、少ないサイクル数でセラミックス基板にクラックが発生した。
また、従来例１及び従来例５１では、共晶組織厚さが１５μｍを超えており、比較例と同様に少ないサイクル数でセラミックス基板にクラックが発生した。
一方、共晶組織厚さが１４μｍ以下とされた本発明例１−２３、５１−７０，７２、８１−９０においては、セラミックス基板におけるクラックの発生が抑制されていることが確認される。また、４０００サイクル後の接合率も９１％以上と高かった。
以上の結果から、本発明例によれば、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制できるパワーモジュール用基板を提供できることが確認された。

Claims

セラミックス基板の表面に銅または銅合金からなる銅板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、
前記銅板と前記セラミックス基板との間において、前記セラミックス基板の表面に窒化物層が形成されているとともに、Ａｇ−Ｃｕ共晶組織層の厚さが１４μｍ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。
前記セラミックス基板は、ＡｌＮ又はＳｉ_３Ｎ_４のいずれかで構成されてい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。
前記窒化物層は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂから選択される１種又は２種以上の元素の窒化物を含有してい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、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えたことを特徴とするヒートシンク付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。
セラミックス基板の表面に銅または銅合金からなる銅板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板の接合面及び前記銅板の接合面のうち少なくとも一方に、Ａｇと窒化物形成元素とを含有するＡｇ及び窒化物形成元素層を形成するＡｇ及び窒化物形成元素層形成工程と、
このＡｇ及び窒化物形成元素層を介して前記セラミックス基板と前記銅板と積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス基板と前記銅板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記銅板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記銅板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記加熱工程において、Ａｇを前記銅板側に拡散させることにより前記セラミックス基板と前記銅板との界面に前記溶融金属領域を形成するとともに、前記セラミックス基板の表面に窒化物層を形成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。
前記窒化物形成元素は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂから選択される１種又は２種以上の元素であることを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
前記Ａｇ及び窒化物形成元素層形成工程では、Ａｇ及び窒化物形成元素以外に、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の添加元素を配設させることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
前記Ａｇ及び窒化物形成元素層形成工程では、Ａｇ及び窒化物形成元素を含有する銅部材接合用ペーストを塗布することを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
前記銅部材接合用ペーストは、前記窒化物形成元素の水素化物を含有していることを特徴とする請求項９に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
請求項９または請求項１０に記載のパワーモジュール用基板の製造方法で使用される銅部材接合用ペーストであって、
Ａｇ及び窒化物形成元素を含む粉末成分と、樹脂と、溶剤と、を含むことを特徴とする銅部材接合用ペースト。