JP2014029964A - 接合体の製造方法、パワーモジュールの製造方法、及びパワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アルミニウム部材12の接合面の表面に下地層31と下地層の非被覆部分を形成し、下地層の非被覆部分を接合面の周縁部にまで延在するように形成する下地層形成工程と、アルミニウム部材12と他の部材3との間に、接合材を配置する接合材配置工程と、接合材を焼結することによって、非接合部及び接合層38を形成する焼成工程と、を備え、アルミニウム部材12と他の部材3とを、接合材の焼成体からなる接合層38を介して接合する。
【選択図】図1
Description
例えば、特許文献1に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面に金属からなる回路層が形成されたパワーモジュール用基板と、この回路層上に接合される半導体素子と、を備えた構造とされている。そして、パワーモジュール用基板の他方側に放熱板が接合されており、半導体素子で発生した熱を、パワーモジュール用基板側に伝達し、放熱板を介して外部へ放散する構成とされている。
特に、最近では、シリコン半導体からSiC又はGaNなど化合物半導体素子の実用化が期待されており、半導体素子自体の耐熱性が向上しており、従来のようにはんだ材で接合した構造では対応が困難となってきている。
酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化物ペーストにおいては、酸化銀粒子が還元剤によって還元されることによって生成する金属粒子が焼結することで、導電性の焼成体からなる接合層が形成され、この接合層を介して半導体素子等の電子部品が回路上に接合されることになる。
このように、金属粒子の焼成体によって接合層を形成した場合には、比較的低温条件で接合層を形成できるとともに接合層自体の融点は高くなるため、高温環境下においても接合強度が大きく低下しない。
例えば、上述したパワーモジュールにおいて、半導体素子と回路層とを酸化物ペーストによって接合する場合、酸化物ペーストの焼結は、温度の不均一性などから半導体素子と回路層の接合面の周縁部から中央部に向けて進行してしまう場合がある。このため、接合面の中央部で酸化物ペーストが焼結する時点では、接合面の周縁部の焼結が完了しており、接合面の中央部で発生した酸化銀粒子の還元反応や有機物の分解反応によるガスが接合層内部に残存してしまい、半導体素子と回路層とを接合できなくなるおそれがあった。このため、半導体素子と回路層との間の熱抵抗が大きくなり、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ効率よく伝達することができなくなるおそれがあった。
この構成のパワーモジュールの製造方法によれば、半導体素子と回路層との間の接合層内に、酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によるガスが残存することを抑制でき、半導体素子と回路層とを確実に接合することができる。よって、半導体素子と回路層との間の熱抵抗を抑えることができ、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ効率よく伝達することができる。
この場合、前記非接合部の合計面積が、前記接合面全体の10%以下とされているので、半導体素子と回路層とが確実に接合されるとともに、半導体素子と回路層との間の熱抵抗が大きくなることを抑制できる。また、前記接合面全体の2%以上とされていることから、酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によって生じたガスを確実に外部に排出することができる。
本実施形態である接合体の製造方法は、半導体素子を他の部材とし、パワーモジュール用基板の回路層をアルミニウム部材とし、これら半導体素子とパワーモジュール用基板とを接合することにより、接合体としてのパワーモジュールを製造するものである。図1に、本実施形態であるパワーモジュールを示す。
なお、下地層31及び接合層38は、図1に示すように、回路層12の表面全体には形成されておらず、半導体素子3が配設される部分、すなわち、半導体素子3との接合面にのみ選択的に形成されている。
ガラス層32内部には、粒径が数ナノメートル程度の微細な導電性粒子が分散されている。なお、ガラス層32内の導電性粒子は、例えば透過型電子顕微鏡(TEM)を用いることで観察されるものである。
また、Ag層33の内部には、粒径が数ナノメートル程度の微細なガラス粒子が分散されている。
無鉛ガラス粉末は、主成分としてBi2O3、ZnO、B2O3を含むものとされており、そのガラス転移温度が300℃以上450℃以下、軟化温度が600℃以下、結晶化温度が450℃以上とされている。
また、このガラス含有Agペーストは、その粘度が10Pa・s以上500Pa・s以下、より好ましくは50Pa・s以上300Pa・s以下に調整されている。
酸化銀粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の60質量%以上80質量%以下とされ、還元剤の含有量が酸化銀ペースト全体の5質量%以上15質量%以下とされ、有機金属化合物粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の0質量%以上10質量%以下とされており、残部が溶剤とされている。この酸化銀ペーストにおいては、焼結によって得られる接合層38に未反応の有機物が残存することを抑制するために、分散剤及び樹脂は添加しないことが望ましい。
還元剤は、還元性を有する有機物とされており、例えば、アルコール、有機酸を用いることができる。
有機金属化合物は、熱分解によって生成する有機酸によって酸化銀の還元反応や有機物の分解反応を促進させる作用を有するものであり、例えば蟻酸Ag、酢酸Ag、プロピオン酸Ag、安息酸Ag、シュウ酸Agなどのカルボン酸系金属塩等が適用される。
なお、この酸化銀ペーストは、その粘度が10Pa・s以上100Pa・s以下、より好ましくは30Pa・s以上80Pa・s以下に調整されている。
この下地層の非被覆部分35は、回路層12に設けられた突条部12aが外部に露呈された構造とされており、図2に示すように、この下地層の非被覆部分35の領域には、下地層31が形成されていない。
本実施形態では、図3に示すように、半導体素子3との接合面の中央部から接合面がなす四角形の各辺に向かう4本の下地層の非被覆部分35が配設されている。
まず、回路層12となるアルミニウム板の片面に、プレス、研削、エッチング、表面処理等によって突条部12aを形成する(突条部形成工程S01)。
次に、回路層12及び金属層13となるアルミニウム板と、セラミックス基板11とを接合する(回路層及び金属層形成工程S02)。回路層12となるアルミニウム板をセラミックス基板11の一方の面にろう材を介して積層し、金属層13となるアルミニウム板をセラミックス基板11の他方の面にろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、前記アルミニウム板とセラミックス基板11とを接合する。なお、このろう付けの温度は、620℃〜650℃に設定されている。
まず、回路層12の表面に、下地層31となるガラス含有Agペーストを塗布する(下地ペースト塗布工程S41)。
なお、ガラス含有Agペーストを塗布する際には、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、感光性プロセス等の種々の手段を採用することができる。本実施形態では、スクリーン印刷法によってガラス含有Agペーストを回路層12の半導体素子3が接合される接合面に形成した。
このとき、ガラス含有Agペーストを、回路層12に形成された突条部12aが外部に露出するようにパターン状に塗布することになる。
下地ペースト塗布工程S41及び下地層焼成工程S42により、回路層12の一方の面に、ガラス層32とAg層33とを備えた下地層31及び下地層の非被覆部分35が形成される。
まず、下地層31及び下地層の非被覆部分35の表面に、酸化銀ペーストを塗布する(酸化銀ペースト塗布工程S51)。
なお、酸化銀ペーストを塗布する際には、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、感光性プロセス等の種々の手段を採用することができる。本実施形態では、スクリーン印刷法によって酸化銀ペーストを印刷した。
そして、半導体素子3とパワーモジュール用基板10とを積層した状態で加熱炉内に装入し、酸化銀ペーストの焼成を行う(焼成工程S06)。このとき、荷重を0〜10MPaとし、焼成温度を150〜400℃とする。
また、望ましくは半導体素子3とパワーモジュール用基板10とを積層方向に加圧した状態で加熱することによって、より確実に接合することができる。この場合、加圧圧力は0.5〜10MPaが望ましい。
この焼成工程S06においては、通常、酸化銀ペーストの焼成が接合面の周縁部から中央部に向かって進行していくことになる。また、酸化銀ペーストが焼成される際には、酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によるガスが発生する。
これにより、半導体素子3と回路層12とを確実に接合され、半導体素子3と回路層12との間の熱抵抗を抑えることができ、半導体素子3から発生する熱をパワーモジュール用基板10側へ効率よく伝達することが可能となる
しかも、本実施形態では、ガラス層32内部に、粒径が数ナノメートル程度とされた微細な導電性粒子が分散されていて、ガラス層32においても導電性が確保されており、具体的には、ガラス層32を含めた下地層31の厚さ方向の電気抵抗値Pが0.5Ω以下に設定されているので、下地層31及び接合層38を介して半導体素子3と回路層12との間で電気を確実に導通することが可能となり、信頼性の高いパワーモジュール1を構成することができる。
例えば、本実施形態では、回路層及び金属層をアルミニウム板で構成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、回路層がアルミニウム合金板で構成されていてもよい。一方、金属層は、アルミニウム板又はアルミニウム合金板、銅板又は銅合金板で構成されていてもよい。
あるいは、図8に示すように、回路層312の一方の面に、接合面の中央から接合面がなす四角形の各辺に向かうように複数の下地層の非被覆部分335を形成してもよい。
次に示すパワーモジュール用基板を用いて、非接合部の面接率比率を変更し、実施例1−3のパワーモジュールを作製した。
また、従来例として、非接合部を有さない状態で回路層と半導体素子とを接合し、パワーモジュールを作製した。
接合率は、超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。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、すなわち半導体素子面積とした。超音波探傷像において非接合部分は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を非接合面積とした。
接合率 = (初期接合面積−非接合面積)/初期接合面積
なお、非接合部を形成しなかった従来例を基準として1とし、この従来例との比率で評価した。評価結果を表1に示す。
一方、非接合部を形成した実施例1−3においては、初期接合率が高く、熱抵抗も、従来例に比べて低くなっていることが確認される。酸化銀の還元によるガスが接合層の外部へと排出されたためと推測される。
なお、非接合部の合計面積を接合面全体の面積の2%以上10%以下とした実施例1、2については、特に、初期接合率、熱抵抗率に優れていた。
3、103 半導体素子(他の部材)
10 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板(絶縁層)
12、112、212、312 回路層(アルミニウム部材)
35、135、235、335 下地層の非被覆部分
S 非接合部
Claims (3)
- 酸化銀と還元剤とを含む接合材を用いて、アルミニウムと他の部材とを接合する接合体の製造方法であって、
前記アルミニウム部材の接合面の表面に下地層及び下地層の非被覆部分を形成し、前記下地層の非被覆部分が前記接合面の周縁部にまで延在するように形成する下地層形成工程と、
前記アルミニウム部材と前記他の部材との間に、前記接合材を配置する接合材配置工程と、
前記接合材を焼結することによって、前記下地層の非被覆部分において前記アルミニウム部材と前記接合材とが接合されない非接合部を形成するとともに、前記下地層において前記アルミニウム部材と前記他の部材の間に接合層を形成する焼成工程と、を備え、
前記アルミニウム部材と前記他の部材とを、前記接合層を介して接合することを特徴とする接合体の製造方法。 - 絶縁層の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回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールの製造方法であって、
前記回路層と前記半導体素子とを、請求項1に記載の接合体の製造方法によって接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 - 絶縁層の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回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールであって、
前記回路層と前記半導体素子とが、請求項1に記載の接合体の製造方法によって接合されており、前記回路層と前記半導体素子との間に、酸化銀と還元剤とを含む接合材の焼成体からなる接合層が形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
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