JP2013207236A - パワーモジュール用基板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セラミックス基板の少なくとも一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板をろう付けにより接合してなり、金属板の側縁から200μmの幅の領域内で金属板とセラミックス基板との接合界面から5μmの深さの範囲内の金属板の断面を走査型電子顕微鏡により倍率3000倍の視野で観察した際に、接合界面に沿って2μm以上連続して存在する連続残留酸化物の合計長さが、視野の長さに対して70%以下である。
【選択図】図2
Description
特許文献3では、ヒートシンクの天板とパワーモジュール用基板の金属板との接合方法として、フラックスを塗布したろう付け法が記載されている。このろう付け法は、フッ化物系のフラックスをろう材面に塗布してろう材面の酸化物を除去し、非酸化性雰囲気中で加熱して接合するろう付け法であり、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である。
本発明は、かかる知見の下、以下の解決手段とした。
連続残留酸化物とは、接合界面に沿って存在する残留酸化物のうち、長さが2μm以上有するものとし、2μm以上の長さの残留酸化物が観察視野内に複数存在する場合は、それらの合計の長さが観察視野の長さの70%以下とされる。長さが2μm未満の残留酸化物であっても、隣合う残留酸化物間の距離が1μm以下の場合は連続しているとみなす。
この接合部の端部に連続残留酸化物が70%を超えて存在すると、その金属板とヒートシンクとの接合時にセラミックス基板と金属板との接合界面において、金属板の端部で剥離が生じるおそれがある。
セラミックス基板と接合する前の金属板として、その酸素濃度及び酸化物厚さが上記測定値内のものを用いることにより、接合後の連続残留酸化物を低減して微小ボイドの発生を抑制することができる。
金属板の酸化物としては一般には金属板表面に形成される酸化膜が想定される。しかし、この酸化膜を単純に除去するだけでは接合部の残留酸化物は消滅しない。本発明者は、この酸化膜以外に付着する酸化物について調査研究したところ、金属板の圧延時の磨耗粉等が金属板表面に埋まり込んでおり、この磨耗粉等の酸化物が接合部に残留していることを見出した。この磨耗粉等は、金属板表面の酸化膜に比べて粗大であることから、これを除去するためには、表面層を1.3μm以上除去することが必要である。その除去方法としてはエッチング処理が好適であるが、ブラスト処理や、ブラスト処理とエッチング処理とを併用するものであってもよい。
金属板の表面に生じる微細な凹凸により酸化物が分断されるとともに、ろう付け時に溶融したろう材も分断して接合面内を等方的に流動し、その結果、酸化物が特定の端部に集中することが抑制され、2μm以上連続して存在する連続残留酸化物を低減することができる。
本発明の製造方法において、前記算術平均粗さRaは、前記金属板の圧延方向の算術平均粗さとその直角方向の算術平均粗さとの差が0.10μm以下であるとよい。
金属板の表面状態がより等方的になるので、剥離の異方性が低減し、剥離率の低減効果をより向上させることができる。。
この場合、金属板12,13とセラミックス基板11との接合部は、金属板12,13の側縁から200μmの幅の領域内で金属板13とセラミックス基板11との接合界面から5μmの深さの範囲内の金属板12,13の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により倍率3000倍の視野で観察した際に、接合界面に沿って2μm以上連続して存在する連続残留酸化物の合計長さが、視野の長さに対して70%以下とされる。
この連続残留酸化物とは、接合界面に沿って存在する残留酸化物のうち、長さが2μm以上有するものとし、2μm以上の長さの残留酸化物が観察視野内に複数存在する場合は、それらの合計の長さが観察視野の長さの70%以下とされる。長さが2μm未満の残留酸化物であっても、隣合う残留酸化物間の距離が1μm以下の場合は連続しているとみなす。
エッチング液として5%NaOH溶液を用い、液温を50℃として金属板12,13を所定時間浸漬することによりエッチング処理する。処理時間は、金属板12,13の表面層を1.3μm以上除去できる時間とする。エッチング深さは、金属板12,13の処理前の重量と処理後の重量との差によりエッチング量を算出し、金属板12,13の比重及び面積との関係で求められる。
このエッチング処理により、金属板12,13の表面は、電子線マイクロアナライザ(EPMA)を用いて加速電圧10kV、電流100mA、ビーム径100μmで測定した酸素カウント量から分析した酸素濃度が1.5質量%以下であり、厚さ方向のX線電子分光分析(XPS)により測定した酸化物厚さが35Å以下となる。
X線電子分光分析の測定条件は、X線源の出力100W、パスエネルギー26eV、測定ステップ0.05eV、分析領域としてビーム径100μm×1.4mm、検出角度90°であり、検出深さが80Åとされる。そして、酸化物厚さは、このX線電子分光分析により得られたスペクトルから酸化物由来の酸化物ピークと母材の金属ピークとを波形分離し、これらのデータ解析により、金属ピークの面積比を次の(1)式に代入することにより得られる。
d=2.68×ln(1/A)×10…(1)
d:酸化物厚さ(Å)
A:金属ピークの面積比
金属板に圧延筋が残っていると、ろう材の流動が圧延筋に沿ったものとなり、そのような表面状態の金属板表面に酸化物が残存していると、その酸化物がろう材とともに流動して圧延筋の端部に集中することになる。これに対して、この実施形態の金属板12,13を用いることにより、金属板12,13表面の酸化物が低減されているとともに、わずかに酸化物が残存していたとしても、ろう材が分散して等方的に流動するため、酸化物が特定の端部に集中することがない。そして、この酸化物に微小ボイドが付属していた場合でも、その微小ボイドが接合部の特定箇所に集中することなく分散する。
このフラックスは、ろう付けの際に金属表面の酸化物を洗い流して清浄化するものであり、このフラックスの侵入を防止するためには、フラックスが反応し易い酸化物が存在しなければよい。このパワーモジュール用基板10は前述したようにセラミックス基板11と放熱層となる金属板13との接合部の側縁から所定幅の領域内の連続残留酸化物が少ないので、この端部からのフラックスが侵入することがなく、剥離の発生を防止することができる。
1N99アルミニウムからなる厚さ0.6mmの圧延材を30mm×30mmに打ち抜き、表1に示すエッチング処理又はブラスト処理を施し、その処理による金属板表面の除去深さを測定した。除去深さは、金属板の処理前の重量と処理後の重量との差により除去量を算出し、金属板の比重及び面積との関係で求めた。
また、表面を処理した金属板について、電子線マイクロアナライザ(EPMA)を用いて加速電圧10kV、電流100mA、ビーム径100μmで測定した酸素カウント量から酸素濃度を分析するとともに、厚さ方向のX線電子分光分析(XPS)により酸化物厚さを測定した。
X線電子分光分析の測定条件は、X線源の出力100W、パスエネルギー26eV、測定ステップ0.05eV、分析領域としてビーム径100μm×1.4mm、検出角度90°であり、検出深さが80Åとされ、前述の(1)式により厚さを求めた。
また、金属板表面の算術平均粗さを圧延方向及びその直角方向でそれぞれ測定した。
得られたパワーモジュール用基板の断面観察により、金属板の側縁から100μm〜200μmの部分でセラミックス基板と金属板との接合界面から5μmの深さの範囲内の金属板の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により倍率3000倍の視野で観察し、接合界面に沿って2μm以上連続して存在する連続残留酸化物の合計長さを測定した。
この場合、SEMはCarl Zeiss社製Ultra55を以下の条件で使用した。
観察面:化学研磨による鏡面(蒸着なし)
Signal A:In−lens
Mag:3.00KX
WD:4.0mm
EHT:1kV(加速電圧)
また、長さが2μm未満の残留酸化物であっても、隣合う残留酸化物間の距離が1μm以下の場合は連続しているものとした。
接合後のセラミックス基板とヒートシンクに接合されている金属板との間の接合界面の剥離率と、液相冷熱サイクル試験後の剥離率とを測定した。液相冷熱サイクル試験は、−40℃の液槽と100℃の液槽とにそれぞれ10分ずつ交互に浸漬する操作を3000サイクル繰り返す試験である。
端部剥離率は、超音波探傷装置を用いて接合部を評価し、端部剥離率=端部剥離部の面積/初期接合面積の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち放熱層の金属板面積とした。また、端部剥離部とは、剥離が金属板の端縁にまで至っている剥離部、つまり、金属板の端縁に開口部を有する剥離部とした。超音波探傷像において、剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部のうち、金属板の端縁に開口部を有する端部剥離部の面積を測定した。
剥がれ長さは、超音波探傷装置を用いて、液相冷熱サイクル試験後における放熱層の金属板の四辺の中心位置における剥がれ長さから求めた。具体的には、図4に示すとおり、金属板の圧延方向(X方向)及びその垂直方向(Y方向)の対向する二辺の中心位置における夫々の剥がれAの長さS1,S2及びS3,S4を測定し、X方向及びY方向ごとの平均値(S1+S2)/2,(S3+S4)/2とした。なお、剥がれの長さS1〜S4は、剥がれAの最先端から最短の辺に垂線を下ろしたときの長さとした。
これらの結果を表1に示す。
(1)ブラスト:樹脂コートした砥粒による粒度#8000のブラスト処理
(2)ブラスト:樹脂コートした砥粒による粒度#3000のブラスト処理
図5は比較例6のSEMによる断面写真であり、図の下部がセラミックス基板、上部が金属板を示している。この図4では、セラミックス基板と金属板との接合界面における金属板側に接合界面に沿って白く並んで見えるのが残留酸化物であり、比較的大きい長さで存在していることがわかる。
また、金属板の表面粗さがRa0.05μm〜0.30μmであると、冷熱サイクル後の剥離率低減効果が顕著であり、さらに圧延方向とその直角方向との表面粗さの差が0.10μm以下であると、剥離の異方性が低減し、剥離率の低減効果がより向上していることがわかる。
11 セラミックス基板
12 金属板
13 金属板
13a ヒートシンク接合面
13b 基板接合面
13c 側面
20 電子部品
21 めっき層
22 はんだ接合層
23 ボンディングワイヤ
25 クッション層
30 ヒートシンク
30a 流路
100 パワーモジュール
T 接合界面
Q 連続残留酸化物
Claims (5)
- セラミックス基板の少なくとも一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板をろう付けにより接合してなり、前記金属板の側縁から200μmの幅の領域内で前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面から5μmの深さの範囲内の前記金属板の断面を走査型電子顕微鏡により倍率3000倍の視野で観察した際に、前記接合界面に沿って2μm以上連続して存在する連続残留酸化物の合計長さが、前記視野の長さに対して70%以下であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
- セラミックス基板の少なくとも一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金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、前記セラミックス基板と接合する前の金属板として、電子線マイクロアナライザを用いて加速電圧10kV、電流100mA、ビーム径100μmで測定した酸素カウント量から分析した酸素濃度が1.5質量%以下であり、厚さ方向のX線電子分光分析により測定した酸化物厚さが35Å以下であるものを用い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。
- 前記金属板を前記セラミックス基板に接合する前に、前記金属板の表面層を1.3μm以上除去することを特徴とする請求項2記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記セラミックス基板に接合する前の金属板表面の算術平均粗さRaが0.05μm以上0.30μm以下であることを特徴とする請求項3記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記算術平均粗さRaは、前記金属板の圧延方向の算術平均粗さとその直角方向の算術平均粗さとの差が0.10μm以下であることを特徴とする請求項4記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
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