JP2014222788A - パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このようなパワーモジュール基板では、回路層の上に、はんだ材を介してパワー素子の半導体素子が搭載される。
そして、金属層の他方の面側に、パワーモジュール用基板を冷却するためのヒートシンクが接合される。
なお、特許文献1には、ヒートシンクと金属層との間に介在する有機系耐熱性接着剤によって熱歪みを緩和することが記載されているが、この有機系耐熱性接着剤が介在することで熱抵抗が高くなるため、回路層の上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱をヒートシンク側に効率的に放散することができないといった問題があった。
ここで、銅とアルミニウムとを比較すると、アルミニウムの方が熱伝導率が低いため、回路層を構成する第一の金属板としてアルミニウム板を用いた場合には、回路層の上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱を拡げて放散することが銅よりも劣ることになる。このため、電子部品の小型化や高出力化により、パワー密度が上昇した場合には、熱を十分に放散することができなくなるおそれがあった。よって、パワーサイクルを負荷した際の耐久性が低下するおそれがあった。
また、鋳造法によってヒートシンクを形成していることから、ヒートシンクの構造が比較的簡単になり、冷却能力の高いヒートシンクを形成することができず、熱の放散を促進することができないといった問題があった。
また、比較的変形抵抗の小さいアルミニウム及びアルミニウム合金で構成された金属層の厚さt2が0.5mm以上とされているので、金属層が変形することによってパワーモジュール用基板に負荷される応力が緩和されることになり、絶縁基板の割れを抑制することが可能となる。また、金属層の厚さt2が6mm以下とされているので、金属層における熱抵抗を低く抑えることができる。なお、上記観点から金属層の厚さt2は3mm以下とすることが望ましい。
さらに、前記回路層の厚さt1と前記金属層の厚さt2との関係が、t2/t1≧4.0とされているので、パワーモジュール用基板における反りの発生を抑制することができる。
また、上述のパワーモジュール用基板においては、電子部品が搭載される搭載面を有する回路層が無酸素銅又は6N−Cuで構成されているので、電子部品から発生する熱を十分に拡げることができ、熱の放散を促進することが可能となる。よって、パワーサイクルを負荷した際の耐久性を向上させることができる。
以上のように、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、回路層の上に搭載された電子部品等の発熱体からの熱の放散を促進でき、優れたパワーサイクル特性を有するとともに、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制できる信頼性の高いパワーモジュール用基板を製造することができる。
この場合、前記回路層のうち前記絶縁基板との接合界面近傍のインデンテーション硬度HB1が、60mgf/μm2以上とされているので、回路層の接合界面近傍の強度が確保され、回路層自体にクラックが生じることが防止される。また、前記インデンテーション硬度HB1が、120mgf/μm2以下とされているので、絶縁基板が回路層に強固に拘束されることがなく、絶縁基板の割れを抑制できる。
この場合、前記金属層のうち前記絶縁基板との接合界面近傍のインデンテーション硬度HB2が、30mgf/μm2以上とされているので、金属層の接合界面近傍の強度が確保され、金属層自体にクラックが生じることが防止される。また、前記インデンテーション硬度HB2が、80mgf/μm2以下とされているので、金属層の変形抵抗を低く抑えることができ、金属層の変形によって応力を緩和して絶縁基板の割れを抑制することが可能となる。
測定装置:株式会社エリオニクス製ENT−1100a
圧子:バーコビッチ三角錐圧子
試験荷重:5000mgf
分割数:500step
ステップインターバル:20msec
温度:27℃
モード:負荷−除荷試験
測定値:HIT=最大荷重/接触投影面積
この場合、パワーモジュール用基板が、無酸素銅又は6N−Cuで構成された回路層と、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された金属層と、を有し、前記回路層の厚さt1及び前記金属層の厚さt2が、上述のように規定されているので、パワーモジュール用基板の剛性が確保されることになり、熱サイクル負荷時にパワーモジュール用基板が変形しにくく、はんだ層におけるクラックの発生を抑制できる。
この構成のパワーモジュールの製造方法によれば、回路層上に搭載された電子部品からの熱を効率的に放散することができ、電子部品のパワー密度(発熱量)が向上した場合であっても、十分に対応することができるパワーモジュールを製造することが可能となる。また、パワーサイクル負荷時の耐久性を向上させることができる。
図1に本発明の参考実施形態であるパワーモジュール用基板10、ヒートシンク付パワーモジュール用基板40及びこのパワーモジュール用基板10を用いたパワーモジュール1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40と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板40の一方側(図1において上側)の面にはんだ層2を介して接合された半導体素子(電子部品)3と、を備えている。
ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。
本実施形態におけるヒートシンク41は、パワーモジュール用基板10と接合される天板部42と、この天板部42に積層配置される冷却部材43と、を備えている。冷却部材43の内部には、冷却媒体が流通する流路44が形成されている。
本実施形態では、回路層12(銅板22)の厚さt1がt1=0.3mm、金属層13(アルミニウム板23)の厚さt2がt2=2.0mmに設定され、t2/t1=6.67とされている。
さらに、金属層13のうち絶縁基板11との接合界面近傍のインデンテーション硬度HB2が、30mgf/μm2≦HB2≦80mgf/μm2の範囲内とされている。
金属層13の接合界面近傍の添加元素の濃度(本実施形態ではCu濃度)が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。なお、金属層13の接合界面近傍の添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、金属層13から50μmの位置で5点測定した平均値である。
金属層13及び天板部42の接合界面近傍の添加元素の濃度(本実施形態ではCu濃度)が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。なお、この金属層13及び天板部42の接合界面近傍の添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面から50μmの位置で5点測定した平均値である。
なお、ここで観察する接合界面は、金属層13の格子像の界面側端部と絶縁基板11の格子像の接合界面側端部との間の中央を基準面Sとする。また、金属層13中の添加元素の濃度(Cu濃度)は、金属層13のうち接合界面から一定距離(本実施形態では5nm)離れた部分における添加元素の濃度(Cu濃度)である。
このとき、図3に示すように、アルミニウム板23の第1固着層51が形成された面が絶縁基板11を向くように、かつ、アルミニウム板23の第2固着層52が形成された面が天板部42を向くようにして、これらを積層する。
また、第2固着層52の添加元素(Cu)がアルミニウム板23側及び天板部42側に拡散することにより、アルミニウム板23と天板部42との界面に第2溶融金属領域が形成される。
すると、第1溶融金属領域中のCuが、さらにアルミニウム板23側へと拡散し、第1溶融金属領域であった部分のCu濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、絶縁基板11とアルミニウム板23とが接合される。
同様に、第2溶融金属領域中のCuが、さらにアルミニウム板23側及び天板部42側へと拡散し、第2溶融金属領域であった部分のCu濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、アルミニウム板23と天板部42とが接合される。
さらに、本実施形態においては、ヒートシンク41と絶縁基板11との間に、金属層13が介在しているので、絶縁基板11とヒートシンク41との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、十分に厚く形成された金属層13が変形することによって緩和することが可能となり、絶縁基板11の割れを抑制することができる。
また、本実施形態では、金属層13のうち絶縁基板11との接合界面近傍のインデンテーション硬度HB2が、30mgf/μm2≦HB2≦80mgf/μm2の範囲内とされているので、金属層13の接合界面近傍の強度が確保され、金属層13自体にクラックが生じることが防止されるとともに、金属層13が比較的容易に変形することから、金属層13の変形によって応力を緩和でき、絶縁基板11の割れを抑制できる。
図4に示すパワーモジュール101は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板140と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板140の一方側(図4において上側)の面に第1はんだ層102を介して接合された半導体素子(電子部品)3と、を備えている。ここで、第1はんだ層102は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。
本実施形態では、回路層112の厚さt1がt1=0.3mm、金属層113の厚さt2がt2=2.0mmに設定され、t2/t1=6.67とされている。
このヒートシンク141は、パワーモジュール用基板110の金属層113と、第2はんだ層108を介して接合されている。なお、金属層113の表面には、図示しないNiめっき膜が形成されている。なお、ヒートシンク141がアルミニウム又はアルミニウム合金から構成される場合、ヒートシンク141の表面にNiめっき膜が形成されていることが望ましい。また、第2はんだ層108は、上述の第1はんだ層102と同様に、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系等の各種はんだ材を用いることができる。
絶縁基板111の一方の面に活性ろう材(Ag−Cu−Ti等)を介して回路層112となる銅板を積層し、絶縁基板111、銅板を積層方向に1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(9.8×104Pa以上343×104Pa以下)の範囲で加圧した状態で加熱炉内に装入して加熱し、回路層112となる銅板と絶縁基板111とを接合する。ここで、加熱温度は850℃、加熱時間は10分とされている。
絶縁基板111とアルミニウム板とを、ろう材を介して積層し、ろう付けによって絶縁基板111とアルミニウム板を接合する。このとき、ろう材としては、例えば、厚さ20〜110μmのAl−Si系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は600〜620℃とすることが好ましい。
これにより、本実施形態であるパワーモジュール用基板110が製造される。
これにより、金属層113とヒートシンク141との間にはんだ層108が形成され、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板140が製造される。
さらに、本実施形態においては、回路層112が銅板で構成され、この回路層112の厚さt1が0.1mm≦t1≦0.6mmの範囲内に設定され、さらに具体的には0.3mmとされているので、パワーモジュール用基板110全体の剛性が確保されることになり、熱サイクル負荷時にパワーモジュール用基板110が変形しにくく、第2はんだ層108におけるクラックの発生を抑制することができる。
特に、本実施形態では、金属層113が、アルミニウムの含有量が99.0質量%以上99.85質量%以下のアルミニウム(いわゆる2Nアルミニウム)の圧延板で構成されているので、熱サイクル負荷時に金属層113が容易に変形せず、第2はんだ層108におけるクラックの発生を確実に抑制することができる。
例えば、金属層となるアルミニウム板を、純度99.99質量%以上の純アルミニウムの圧延板、または、純度99.0質量%以上99.85質量%以下のアルミニウムの圧延板と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、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。
同様に、回路層となる銅板を、無酸素銅の圧延板と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、6N−Cuで構成されたものであってもよい。
また、ヒートシンクとして、放熱板のものを例示して説明したが、これに限定されることはなく、放熱フィンを備えた放熱板であってもよいし、内部に冷却媒体が流通される流路を備えた冷却器としてもよい。
例えば、図6及び図7に示すパワーモジュール201のように、セラミックス基板211をAlN(窒化アルミ)で構成し、このセラミックス基板211の一方の面にAl2O3層225を形成し、このAl2O3層225と銅板とをDBC法によって接合することによって、回路層212を形成してもよい。なお、Al2O3層225の厚さは、1μm以上とされていることが好ましい。このAl2O3層225は、AlNの酸化処理を1200℃以上でAr−O2混合ガス雰囲気にて行うことで形成することができる。酸素分圧PO2を10kPaとし、水蒸気分圧PH2Oを0.05kPaに調整し、高酸素分圧/低水蒸気分圧雰囲気にてAlNの酸化処理を行うことにより、AlNとの密着性に優れた緻密なAl2O3層225が形成される。
さらに、参考実施形態において、ヒートシンクとして、天板部と冷却部材とを備えた構造のものを例示して説明したが、これに限定されることはなく、放熱フィンを備えた放熱板であってもよいし、内部に冷却媒体が流通される流路を備えた冷却器としてもよい。
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
表1に示すように、絶縁基板、回路層となる銅板、金属層となるアルミニウム板、を、接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
回路層のサイズは37mm×37mm、絶縁基板のサイズは40mm×40mm、金属層のサイズは37mm×37mmとした。
表2に示す「DBC」は、窒素ガス雰囲気中で1075℃で10分加熱することにより、銅板と絶縁基板とを接合した。
表2に示す「Al−Siロウ」は、Al―7.5質量%Siからなるろう材箔(厚さ100、μm)を用いて、積層方向に12kgf/cm2で加圧した状態で、10−3Paの真空中にて、650℃で30分加熱することによって、アルミニウム板と絶縁基板とを接合した。
このようにして得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いて、冷熱サイクル試験を実施した。評価結果を表2に示す。なお、500サイクル毎に観察を実施し、絶縁基板の割れが確認された時点でのサイクル数で評価した。測定条件を以下に示す。
評価装置:エスペック株式会社製TSB−51
液相:フロリナート
温度条件:−40℃×5分 ←→ 125℃×5分
このようにして得られたパワーモジュールを用いて、パワーサイクル試験を実施した。評価結果を表2に示す。なお、パワーサイクルを10万回負荷した後の熱抵抗率の上昇率で評価した。
温度差:80℃
温度範囲:55℃〜135℃(IGBT素子内の温度センスダイオードで測定)
通電時間:6秒
冷却時間:4秒
回路層となる銅板の厚さが金属層となるアルミニウム板の厚さよりも厚く形成された比較例2においては、冷熱サイクル試験において1000サイクル以下で絶縁基板に割れが認められた。さらに、パワーサイクル試験でも熱抵抗の上昇が認められた。
回路層をアルミニウム板で構成した比較例4−6においては、冷熱サイクル試験の結果は良好であるものの、パワーサイクル試験において大きく熱抵抗が上昇することが確認された。
以上の結果から、本発明例によれば、回路層の上に搭載された電子部品等の発熱体からの熱の放散を促進でき、優れたパワーサイクル特性を有するとともに、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制できる信頼性の高い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、パワーモジュールを提供することが可能であることが確認された。
次に、上述の本発明の実施形態に示すように、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを第2はんだ層を介して接合し、この第2はんだ層における接合率について評価した。
表3に示すように、絶縁基板、回路層となる銅板、金属層となるアルミニウム板、を、接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
回路層のサイズは37mm×37mm、絶縁基板のサイズは40mm×40mm、金属層のサイズは37mm×37mmとした。
なお、表4に示す「活性金属ロウ」、「DBC」、「TLP」、「Al−Siロウ」は、上述の実施例1及び表2と同様の接合方法とした。
そして、接合初期及び2000回の冷熱サイクル負荷後において、第2はんだ層における接合率を測定した。評価結果を表4に示す。
これに対して、参考例11−14においては、冷熱サイクル後においても接合率が大きく低下しなかった。参考例11−14によれば、第2はんだ層におけるクラックの発生を抑制できることが確認された。
3 半導体素子(電子部品)
10、110、210 パワーモジュール用基板
11、111、211 絶縁基板
12、112、212 回路層
13、113、213 金属層
22 銅板
23 アルミニウム板
40、140、240 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
41、141、241 ヒートシンク
225 Al2O3層
Claims (4)
- 絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層は、無酸素銅又は6N−Cuで構成され、前記金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が接合されて構成されており、
前記回路層の厚さt1が、0.1mm≦t1≦0.6mmの範囲内とされ、前記金属層の厚さt2が、0.5mm≦t2≦6mmの範囲内とされ、前記回路層の厚さt1と前記金属層の厚さt2との関係が、t2/t1≧4.0とされており、
前記回路層となる銅板と前記絶縁基板とを、DBC法又は活性ろう材を用いて接合する銅板接合工程と、
前記金属層となる前記アルミニウム板と前記絶縁基板とを、Al−Si系ろう材箔を用いて接合するアルミニウム板接合工程と、を有して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。 - 絶縁基板と該絶縁基板の一方の面に形成された回路層と前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層とを備えたパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
請求項1に記載のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板の前記金属層と、前記ヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程を有し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の製造方法。 - 前記ヒートシンク接合工程では、前記ヒートシンクと前記金属層とをはんだ材を用いて接合することを特徴とする請求項2に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
- 絶縁基板と該絶縁基板の一方の面に形成された回路層と前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層とを備えたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えたパワーモジュールの製造方法であって、
請求項1に記載のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板の前記回路層と、前記電子部品とを接合する工程を有していることを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
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