JP2014039062A - 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 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セラミックス基板11と回路層12とを備えたパワーモジュール用基板10であって、回路層12は、セラミックス基板11の一方の面に配設されたアルミニウム層12Aと、アルミニウム層12Aの一方側に、固相拡散接合によって積層された銅層12Bと、を有し、アルミニウム層12Aと銅層12Bとの接合界面には、CuとAlからなる金属間化合物で構成された拡散層が形成されており、拡散層の厚さが1μm以上80μm以下の範囲内とされている。
【選択図】図1
Description
そして、このようなパワーモジュール用基板は、その回路層上に、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとされる。なお、この種のパワーモジュール用基板としては、セラミックス基板の下面にも放熱のために、熱伝導性が優れたヒートシンクを接合して、放熱させる構造としたものが知られている。
また、特許文献2には、セラミックス基板の一方の面に銅板からなる回路層が接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
このように、銅で構成された回路層は、パワーサイクルに対する信頼性は高いものの、ヒートサイクルに対する信頼性が低下し、アルミニウムで構成された回路層はヒートサイクルに対する信頼性は高いものの、パワーサイクルに対する信頼性が低下することとなる。よって、従来はパワーサイクルもしくはヒートサイクルのどちらか一方の信頼性を優先することしかできず、両方の信頼性を両立させることはできなかった。
さらに、セラミックス基板の一方の面に、比較的変形抵抗の小さいアルミニウム層が形成されており、ヒートサイクルが負荷された場合にセラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力をアルミニウム層が吸収するので、セラミックス基板に割れが発生することを抑制でき、接合に対する高い信頼性を得ることができる。
また、アルミニウム層の一方側には、比較的変形抵抗の大きい銅層が形成されているので、パワーサイクルが負荷された場合に、回路層の変形を抑制することができる。そのため、パワーサイクルに対する信頼性を得ることができる。
また、アルミニウム層と銅層とは、固相拡散接合によって接合されているので、ヒートサイクルが負荷された場合に、アルミニウム層と銅層との間に剥離が生じることが抑制され、回路層の熱伝導性及び導電性を維持することができる。
なお、アルミニウム層の一方側とは、セラミックス基板と接合されていない面側のことである。
また、アルミニウム層と銅層との接合界面に、CuとAlからなる金属間化合物で構成された拡散層が形成されていることから、アルミニウム層中のAl(アルミニウム原子)と銅層中のCu(銅原子)とが十分に相互拡散しており、アルミニウム層と銅層とが強固に接合されている。
銅層と拡散層との接合界面には、酸化物が、接合界面に沿って層状に分散していることから、アルミニウム層の表面に形成された酸化膜が破壊されて固相拡散接合が十分に進行している。
上記の範囲に銅板の厚さを設定することによって、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伝達する際に、回路層の銅層で面方向に熱を拡げてより効率的に放散することができるので、パワーサイクル負荷時の初期の熱抵抗を低減することが可能である。さらには、パワーサイクル負荷後においてもはんだに割れが発生することを抑制できるので、熱抵抗の上昇を抑制することが可能である。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、上述のようなパワーモジュール用基板の他方側にヒートシンクが接合されているので、パワーモジュール用基板側の熱をヒートシンクへ効率的に放散することができる。
本発明のパワーモジュールによれば、上述のようなパワーモジュール用基板を用いているので、パワーサイクルが負荷された場合に、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伝達する際に、回路層の銅層で面方向に拡げて、効率的に放散することができる。そして、半導体素子の温度上昇を抑制して、所定の温度で半導体素子を動作させることができ、動作の安定性を向上させることが可能となる。
また、半導体素子がはんだを介して銅層に接合される構成とされているので、アルミニウムで回路層を構成した場合と比較して、はんだ接合を良好に行うことができる。
なお回路層の一方側とは、セラミックス基板と接合されていない面側のことである。
このような条件で固相拡散接合を行うことにより、アルミニウム層と銅層とを確実に固相拡散によって接合できる。また、アルミニウム層と銅層との界面に、隙間が生じることを抑制することが可能である。
図1に、本発明の実施形態であるパワーモジュール1、ヒートシンク付パワーモジュール用基板30、パワーモジュール用基板10を示す。
このパワーモジュール1は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板30と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板30の一方側(図1において上側)にはんだ層2を介して接合された半導体素子3と、を備えている。
半導体素子3は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。本実施形態では、IGBT素子とされている。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板30は、パワーモジュール用基板10と、パワーモジュール用基板10の他方側(図1において下側)に接合されたヒートシンク31とを備えている。
金属層13は、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層13は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなるアルミニウム板23がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
アルミニウム層12Aは、図5に示すように、アルミニウム板22Aがセラミックス基板11の一方の面に接合されることにより形成されている。本実施形態においては、アルミニウム層12Aは、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなるアルミニウム板22Aがセラミックス基板11に接合されることにより形成されている。
そして、これらのアルミニウム層12Aと銅層12Bとの界面には、図2で示すように、拡散層12Cが形成されている。この銅板22Bの厚さは、0.1mm以上6.0mm以下に設定されていることが好ましい。
本実施形態では、図3に示すように、3種の金属間化合物が積層された構造とされており、アルミニウム層12A側から銅層12B側に向けて順に、θ相16、η2相17、ζ2相18とされている。
さらに、本実施形態では、銅層12Bの平均結晶粒径が50μm以上200μm以下の範囲内とされ、アルミニウム層12Aの平均結晶粒径が500μm以上とされている。
そして、本実施形態においては、パワーモジュール用基板10の金属層13とヒートシンク31とが、接合層33を介して接合されている。
まず、図5で示すように、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面に、Al−Si系のろう材を介してアルミニウム板22A、23を積層する。そして、加圧・加熱後冷却することによって、セラミックス基板11とアルミニウム板22A、23を接合し、アルミニウム層12A及び金属層13を形成する(アルミニウム層及び金属層接合工程S11)。なお、このろう付けの温度は、640℃〜650℃に設定されている。
なお、同時に、アルミニウム層12Aの一方側に銅板22Bを固相拡散接合し、金属層13の他方側に銅板43を固相拡散接合し、銅板43の他方側にはさらにヒートシンク31を固相拡散接合する場合の真空加熱の好ましい加熱温度は、アルミニウム板22Aを構成する金属(Al)と銅板22Bを構成する金属(Cu)、アルミニウム板23を構成する金属(Al)と銅板43を構成する金属(Cu)、及びヒートシンク31を構成する金属(Al−Mg−Si系)と銅板43を構成する金属(Cu)、の共晶温度のうち、最も低い共晶温度(共晶温度含まず)から共晶温度−5℃の範囲とされている。
上述のようにして、本実施形態であるセラミックス基板11の一方側に回路層12が形成されたヒートシンク付パワーモジュール用基板30、及びパワーモジュール用基板10が得られる。
上述のようにして、本実施形態であるパワーモジュール1が製出される。
具体的には、拡散層12Cは、アルミニウム層12A側から銅層12B側に向けて順に、θ相16、η2相17、ζ2相18の3種の金属間化合物が積層しているので、拡散層12C内部における体積変動が小さくなり、内部歪みが抑えられることになる。
銅板22Bを0.1mm以上とすることで、半導体素子3からの熱を銅層12Bで拡げてより効率的に熱を伝達し、パワーサイクル負荷時の初期の熱抵抗を低減することができるので、パワーサイクルに対する信頼性をより高くすることが可能である。また、銅板22Bを6.0mm以下とすることで、回路層12の剛性を低減させ、ヒートサイクル負荷時においてセラミックス基板11に割れが生じることを抑制できる。
また、銅層12B及びヒートシンク31を一度に接合可能な構成とされているので、製造コストを大幅に低減することが可能である。
また、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層を形成した後に、アルミニウム層の一方側に銅層を固相拡散接合する場合について説明したが、アルミニウム板と銅板を固相拡散接合した後に、セラミックス基板の一方の面に接合する構成とされても良い。
さらに、セラミックス基板としてAlNからなるセラミックス基板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、Si3N4やAl2O3等からなるセラミックス基板を用いても良い。
また、上記実施の形態では、パワーモジュールがヒートシンクを備える場合について説明したが、ヒートシンクを備えていなくても良い。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験(実施例1)の結果について説明する。
図4のフロー図に記載した手順に従って、表1に示す条件で固相拡散接合を行い、発明例1−1〜1−10のヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
なお、セラミックス基板は、AlNで構成され、40mm×40mm、厚さ0.635mmのものを使用した。
また、回路層のアルミニウム層は、4Nアルミニウムの圧延板で構成され、37mm×37mm、厚さ0.1mmのものを使用した。
回路層の銅層は、無酸素銅の圧延板で構成され、37mm×37mm、厚さ0.3mmのものを使用した。
金属層は、4Nアルミニウムの圧延板で構成され、37mm×37mm、厚さ1.6mmのものを使用した。
接合層は、無酸素銅の圧延板で構成され、37mm×37mm、厚さ0.05mmのものを使用し、ヒートシンクは、A6063合金の圧延板で構成され、50mm×50mm、厚さ5mmのものを使用した。
また、固相拡散接合は、真空加熱炉内の圧力が、10−6Pa以上、10−3Pa以下の範囲内で行った。
半導体素子は、IGBT素子とし、12.5mm×9.5mm、厚さ0.25mmのものを使用した。
ヒートサイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製TSB−51を使用し、試験片(ヒートシンク付パワーモジュール)に対して、液相(フロリナート)で、−40℃×5分←→125℃×5分の3000サイクル実施した。
(パワーサイクル試験)
パワーサイクル試験は、Sn−Ag−Cuはんだを用いてIGBT素子を銅層へはんだ付けするとともに、アルミニウム合金からなる接続配線をボンディングしてヒートシンク付パワーモジュールとし、これを用いて行った。ヒートシンク中の冷却水温度、流量を一定とした状態で、IGBT素子への通電を、通電(ON)で素子表面温度140℃、非通電(OFF)で素子表面温度80℃となる1サイクルを10秒毎に繰り返すようにして調整し、これを10万回繰り返すパワーサイクル試験を実施した。
このヒートサイクル試験前後及びパワーサイクル試験前後における、アルミニウム層と銅層との界面における接合率及びヒートシンク付パワーモジュールの熱抵抗を測定した。
パワーサイクル試験前後のヒートシンク付パワーモジュールに対して、アルミニウム層と銅層との界面の接合率について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、すなわち本実施例ではアルミニウム層及び銅層の面積とした。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、この白色部の面積を剥離面積とした。
(接合率)={(初期接合面積)−(剥離面積)}/(初期接合面積)
熱抵抗は、次のようにして測定した。ヒータチップ(半導体素子)を100Wの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、ヒートシンクを流通する冷却媒体(エチレングリコール:水=9:1)の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
上記の評価の結果を表1に示す。
また、発明例1−1〜1−6では、パワーサイクル試験後及びヒートサイクル試験後の接合率が共にさらに高く、パワーサイクル負荷及びヒートサイクル負荷に対し、さらに高い接合の信頼性を有するヒートシンク付パワーモジュールであることが確認できた。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験(実施例2)の結果について説明する。
図4のフロー図に記載した手順に従って、荷重:9kgf/cm2、温度:540℃、保持時間:180分の条件で固相拡散接合を行い、発明例2−1〜2−8のヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
なお、セラミックス基板は、AlNで構成され、40mm×40mm、厚さ0.635mmのものを使用した。
回路層のアルミニウム層は、4Nアルミニウムの圧延板で構成され、37mm×37mm、発明例2−1〜2−7においては厚さ0.6mmのものを、発明例2−8においては厚さ0.1mmのものを使用した。
回路層の銅層は、無酸素銅の圧延板(銅板)で構成され、37mm×37mmのものを使用し、銅板の厚さは表2に示す厚さに設定した。
金属層は、4Nアルミニウムの圧延板で構成され、37mm×37mm、厚さ1.6mmのものを使用した。
接合層は、無酸素銅の圧延板で構成され、37mm×37mm、厚さ0.05mmのものを使用し、ヒートシンクは、A6063合金の圧延板で構成され、50mm×50mm、厚さ5mmのものを使用した。
また、固相拡散接合は、真空加熱炉内の圧力が、10−6Pa以上、10−3Pa以下の範囲内で行った。
半導体素子は、IGBT素子とし、12.5mm×9.5mm、厚さ0.25mmのものを使用した。
まず、回路層となる無酸素銅からなる銅板(37mm×37mm、厚さ0.3mm)とAlNで構成されたセラミックス基板と金属層となる無酸素銅からなる銅板(37mm×37mm、厚さ0.3mm)とを、Ag−27.4質量%Cu−2.0質量%Tiのろう材箔を介して積層し、積層方向に0.5kgf/cm2で加圧した状態で、10−3Paの真空雰囲気とした真空加熱炉内に装入し、850℃で10分加熱することによって、接合し、パワーモジュール用基板を作製した。次に前記パワーモジュール用基板とIGBT素子(12.5mm×9.5mm、厚さ0.25mm)及びヒートシンクを接合し、ヒートシンク付パワーモジュールを作成した。
まず、回路層となるアルミニウム板(37mm×37mm、厚さ0.4mm)とAlNで構成されたセラミックス基板と金属層となるアルミニウム板(37mm×37mm、厚さ0.4mm)とを、Al−10質量%Siのろう材箔を介して積層し、積層方向に5kgf/cm2で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、650℃で30分加熱することによって、接合しパワーモジュール用基板を作製した。次に前記パワーモジュール用基板とIGBT素子(12.5mm×9.5mm、厚さ0.25mm)及びヒートシンクを接合し、ヒートシンク付パワーモジュールを作成した。
実施例1と同様にして、ヒートシンク付パワーモジュールに対してヒートサイクル試験を行った。
このヒートサイクル試験後において、セラミックス基板と回路層との界面における接合率を測定した。
(セラミックス基板と回路層との界面の接合率評価)
ヒートサイクル試験後のヒートシンク付パワーモジュールに対して、セラミックス基板と回路層との界面の接合率について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、すなわち本実施例では回路層の面積とした。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、この白色部の面積を剥離面積とした。なお、ヒートサイクル試験においてセラミックス基板に割れが生じた場合、超音波探傷像において白色部として示され、接合率が小さくなる。したがって、接合率は、界面における剥離面積とセラミックス基板の割れの面積とが合わされて評価されたものである。
(接合率)={(初期接合面積)−(剥離面積)}/(初期接合面積)
実施例1と同様に、ヒートシンク付パワーモジュールに対してパワーサイクル試験を行った。
このパワーサイクル試験における初期の熱抵抗、及びパワーサイクル試験後の熱抵抗を測定した。熱抵抗の測定については、実施例1と同様の方法で行った。
上記の評価の結果を表2に示す。
また、従来例2では、ヒートサイクル試験後のセラミックス基板と回路層との間の接合率は高いが、パワーサイクル試験において初期の熱抵抗が大きく、試験後の熱抵抗の上昇も大きかった。
一方、発明例2−1〜2−8では、パワーサイクル試験において初期の熱抵抗が小さく、試験後の熱抵抗の上昇も小さく良好であった。さらに、ヒートサイクル試験後において、セラミックス基板とアルミニウム層(回路層)との界面における接合率が大きく良好であった。このように、発明例2−1〜2−8は、パワーサイクル及びヒートサイクルの負荷に対して高い信頼性を有するヒートシンク付パワーモジュールであることが確認できた。
3 半導体素子
10 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
12 回路層
12A アルミニウム層
12B 銅層
12C 拡散層
13 金属層
30 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
31 ヒートシンク
Claims (7)
- セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、
前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に配設されたアルミニウム層と、
前記セラミックス基板の一方の面に配設されたアルミニウム層の一方側に、固相拡散接合によって積層された銅層と、を有し、
前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面には、CuとAlからなる金属間化合物で構成された拡散層が形成されており、前記拡散層の厚さが1μm以上80μm以下の範囲内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。 - 前記銅層と前記拡散層との接合界面には、酸化物が、前記接合界面に沿って層状に分散し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。
- 前記銅板の厚さは、0.1mm以上6.0mm以下とされていることを特徴とする請求項1または請求項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前記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の他方側に接合されたヒートシンクと、を備えている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、前記回路層の一方側に接合された半導体素子と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
- セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備え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一方の面に、回路層を形成する回路層形成工程を備え、
前記回路層形成工程は、
前記セラミックス基板の一方の面に、アルミニウム層を配設するアルミニウム層配設工程と、
前記アルミニウム層の一方側に、銅層を積層する銅層積層工程と、を有し、
前記銅層積層工程において、前記アルミニウム層と前記銅層とを固相拡散接合し、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面に、CuとAlからなる金属間化合物で構成され、厚さが1μm以上80μm以下の範囲内とされた拡散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。 - 前記銅層積層工程において、
前記アルミニウム層の一方側に銅板を積層し、
前記アルミニウム層と前記銅板に対して、3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下の荷重を負荷した状態で、400℃以上548℃未満で保持することにより、前記アルミニウム層と前記銅板とを固相拡散接合す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。
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