JP2014187252A - 接合材、接合構造体およびその製造方法、並びに半導体モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】接合構造体は、セラミックス基板と金属板とを、金属と、SbまたはBaの少なくとも一方の元素とPとVとを含む酸化物と、を有する接合材層を介して接合し、接合材層を構成する金属とセラミックス基板との間の少なくとも一部にSbまたはBaの少なくとも一方の元素とPとVとを含有する酸化物が存在している。
【選択図】図10
Description
すなわち、接合構造体は、セラミックス基板と金属板とを、金属と、SbまたはBaの少なくとも一方の元素とPとVとを含む酸化物と、を有する接合材層を介して接合し、接合材層を構成する金属とセラミックス基板との間の少なくとも一部にSbまたはBaの少なくとも一方の元素とPとVとを含有する酸化物が存在している。
図10は実施の形態に係る接合構造体の断面図である。接合構造体100は第一の基材101と第二の基材102を接合したものである。第一の基材101は20℃における熱伝導率が10W/mKより高い高熱伝導セラミックス基板とする。例としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素などが挙げられる。第二の基材102は20℃における電気抵抗率が4μΩcmより低い金属板とする。例としては、Cu、Alなどが挙げられる。第一の基材と第二の基材は接合材層103を介して接合される。接合材層103とは、接合のために基材の間に挟んだ基材とは異なる材料のことである。接合材層103は、金属104と酸化物105から構成され、酸化物105にはV(バナジウム)、P(リン)とともに、Sb(アンチモン)またはBa(バリウム)の少なくともいずれかが含まれる。また、接合材層103内の金属104とセラミックス基板101との間には、少なくとも一部に上述した成分の酸化物105が存在する。
接合材に用いるガラス組成物の作製方法について説明する。出発原料を所定の重量比となるように評量した。出発原料としては、(株)高純度化学研究所製の酸化物粉末(純度99.9%)を用いた。一部の試料においては、Ba源およびP源としてラサエ業(株)製のBa(PO3)2(バリウム・メタリン酸塩)を用いた。出発原料を混合して白金るつぼに入れた。混合にあたっては、原料粉末への余分な吸湿を避けることを考慮して、金属製スプーンを用いて、るつぼ内で混合した。原料混合粉末が入ったるつぼをガラス溶融炉内に設置し、加熱・融解した。10℃/minの昇温速度で昇温し、設定温度(1100〜1150℃)で融解しているガラスを撹拌しながら1時間保持した。その後、るつぼをガラス溶融炉から取り出し、あらかじめ150℃に加熱しておいた黒鉛鋳型にガラスを鋳込んだ(溶かして流し込んだ)。
接合構造体を作製するにあたり、上記方法で作製したガラス組成物のフリット(粉末ガラス)と金属粒子と溶媒から成るペーストの作製方法を説明する。まず、ガラス組成物のフリットをジェットミルで平均体積粒径が2μm以下に粉砕した。続いて、ガラス組成物と金属粒子とを所定の配合比で混合した。混合にはメノウ乳鉢を用いた。4%の樹脂バインダーを添加した溶剤を混合してペースト化した。ここで、樹脂バインダーにはエチルセルロース、溶剤にはブチルカルビトールアセテートを用いた。エチルセルロースは300℃程度に加熱することで揮発させることが可能であり、表1のガラスNo.1〜7のガラス組成物を軟化流動させることなく除去可能である。すなわち、No.1〜7のガラス組成物を用いたペーストは、接合基材に塗布した後、300℃程度に加熱して溶剤と樹脂バインダーを除去して用いる。
接合性の簡易的な評価のため、図2に示すような試料を用いた。図2(a)は評価用試料の外観の斜視図であり、図2(b)は評価用試料の断面図である。この試料は、セラミックス基板1に、上記方法実で作製した接合用ペーストを用いて円柱状金属基材2を接合したものである。ペーストの塗布膜は加熱によって接合材層3となる。
本実施例に係る接合構造体では、セラミックス基板1の一例である酸化アルミニウム基材1aと金属基材2の一例である無酸素銅基材2aとを用いた。接合材の材料にはガラス組成物として表1のNo.6を、金属粒子として粒径1μmのAg粒子を用いた。以下に、本実施例に係る接合構造体の作製方法について説明する。
(1)金属粒子同士が十分に結合して金属焼結体になっている。
(2)金属バルク体は酸化アルミニウム基板と極薄い酸化物の層によって接合されており、酸化物はガラス組成物の成分を含む。
(3)接合材層中の酸化物や空隙は、金属焼結体内で分散した状態で存在する。
本変形例に係る接合構造体では、セラミックス基板1の一例である窒化アルミニウム基材1bと無酸素銅基材2aとを用いた。しかし、接合材の材料および接合構造体の作製方法は実施例1と同じである。ペーストへのガラス組成物の添加量xGは5vol%である。ここでは、実施例1と全く同様の検討をした。
実施例1および変形例1に係る接合構造体に用いた接合材層の熱伝導率について、以下に説明する。
粒径1μmのAg粉末に表1のNo.6のガラス粒子をxG=10vol%の添加量で添加して、混合した。金型に混合粉末を充填してハンドプレス機で加圧することで、直径10mm、厚み1mmのペレットを成形した。ペレットを大気中500℃10minで加熱することで、ペレットを焼結させた。キセノンフラッシュ法により、出来上がったペレットの熱伝導率を測定したところ、180W/mKであり、はんだ材の40〜60W/mKと比較して極めて高い熱伝導率を得られることがわかった。
本実施例で作製した接合構造体において、無酸素銅板13をはんだごてで加熱しながらSn−3.0Ag−0.5Cuの組成のはんだ材を供給し、無酸素銅板13の全面をはんだ材によって濡らした。このときの無酸素銅板13の温度は300〜400℃まで上昇したと推定されるが、この加熱によって、窒化アルミニウム基板11と無酸素銅板13との接合は特に問題なかった。また、接合前後で超音波探傷法により剥離箇所の有無を調べたが、とくに変化はないことがわかった。この結果から、無酸素銅板13に対して半導体チップをはんだ材によって実装することが可能であることがわかった。
これまでの実施例1、変形例1および実施例2では、ペーストに用いる金属粒子をAgとしたが、これは、大気中でも酸化することなく、400〜500℃で良好に焼結が進むためである。真空中、不活性雰囲気(窒素、アルゴン)中でのみ加熱するのであれば、粒子にCuやAlを用いても良い。また、セラミックス基板(絶縁基板)には窒化アルミニウムを用いたが、これは20℃における熱伝導率が180W/mKと、酸化アルミニウムの30W/mK、窒化珪素の30W/mKと比較して高いためである。ただし、基板の強度が必要な場合には、酸化アルミニウムや窒化珪素の方が良く、用途に応じて使い分けられるべきものである。電気回路用金属板には無酸素銅を用いたが、これは半導体チップの実装にはんだ材を用いることを想定したためであり、電気回路用金属板はアルミニウムであっても接合は可能である。
本実施例によれば、セラミックスと金属の複合材料を放熱構造体とし、それに溶湯接合によって直に貼り付けたセラミックス基板に対して、放熱構造体の耐熱温度より低温で金属板の接合することができる。また、極めて低い熱抵抗の放熱構造体とセラミックス基板と電気回路用金属板の接合構造体を提供することができる。
2、102・・・第二の基材(金属)
3、103・・・接合材層
4・・・金属焼結体
41・・・金属粒子
5、105・・・酸化物
51・・・酸化物
52・・・酸化物
6・・・空隙
7・・・クラック
8・・・酸化物層
10・・・金属とセラミックスとの複合材料
11・・・セラミックス絶縁基板
12・・・接合材層
13・・・電気回路用金属板
14・・・フィン付の放熱構造体
15・・・セラミックス絶縁基板
16・・・接合材層
17・・・電気回路用金属板
21・・・接合材
22・・・珪素チップ
100・・・接合構造体
104・・・金属
110・・・半導体モジュール用の基板
111・・・半導体モジュール
Claims (15)
- 第一の基材と、第二の基材と、前記第一の基材と前記第二の基材を接合する接合材層と、を具備し、
前記第一の基材は20℃における熱伝導率が10W/mKより高いセラミックスであり、
前記第二の基材は20℃における電気抵抗率が4μΩcmより低い金属であり、
前記接合材層は金属と酸化物を含み、
前記酸化物はSbまたはBaの少なくとも一方の元素とPとVとを含み、
前記第一の基材と前記接合材層に含まれる金属との間の少なくとも一部に前記酸化物が存在している接合構造体。 - 前記金属中には前記酸化物が分散している請求項1に記載の接合構造体。
- 前記金属中には空隙が分散している請求項2に記載の接合構造体。
- 前記酸化物はMn、W、Zn、Fe、アルカリ金属の少なくとも一種類の元素を成分に含む請求項1に記載の接合構造体。
- 前記第一の基材が酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素のいずれかであり、前記第二の基材が銅またはアルミニウムである請求項1に記載の接合構造体。
- 前記第一の基材と第三の基材とが接合され、
前記第三の基材はアルミニウムとセラミックスの複合材料である請求項1に記載の接合構造体。 - 前記第三の基材はアルミニウムとシリコンカーバイドとの複合材料である請求項6に記載の接合構造体。
- 請求項7に記載の接合構造体と半導体チップを有する半導体モジュール。
- 前記接合材層に含まれる金属が、AgまたはCuまたはAlである請求項1に記載の接合構造体。
- 前記第一の基材の少なくとも一部が窒化アルミニウム、または窒化珪素であって、表面に0.1から5μmの範囲の主成分が酸化物となっている請求項1に記載の接合構造体。
- BaまたはSbのいずれかと、V、Pを成分に含むガラス粒子と金属粒子と溶媒とを含む請求項1に記載の接合構造体を製造するための接合材。
- 前記ガラス粒子と前記金属粒子の総体積に対する金属粒子の体積比率が1〜30vol%である請求項11に記載の接合材。
- (a)請求項11または12のいずれかの接合材を準備する工程と、
(b)セラミックス基板上に前記接合用ペーストを塗布する工程と、
(c)加熱することによって、前記セラミックス基板上に接合材層を形成する工程と、
(d)加熱することによって、前記接合材層上に金属部材を接合する工程と、
を具備する接合構造体の製造方法。 - 前記(b)工程の前に、金属とセラミックスの複合材料と、前記セラミックスとは溶湯接合法、または接合基材を用いることにない接合方法によって接合する工程を具備する請求項13の接合構造体の製造方法。
- 前記(b)工程および(c)工程の加熱温度は、前記金属とセラミックスの複合材料の耐熱温度より低温である請求項14の接合構造体の製造方法。
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