JP2015043393A - 接合体の製造方法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】Pを3mass%以上10mass%以下含有するCu−P系ろう材と、活性金属材とを介して、セラミックス部材11とCu部材12とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス部材及び前記Cu部材を加熱処理する加熱処理工程と、を備えていることを特徴とする接合体の製造方法。前記積層工程において、前記セラミックス部材側に前記Cu−P系ろう材を配置し、前記Cu部材側に前記活性金属材を配置することが好ましい。
【選択図】図1
Description
風力発電、電気自動車等の電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばAlN(窒化アルミ)などからなるセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。また、セラミックス基板の他方の面に、金属板を金属層として接合することもある。
このセラミックス基板とろう材との接合界面に形成される金属間化合物層は、硬いため、セラミックス基板と回路層との接合率が悪化し、セラミックス基板と回路層とを良好に接合できないおそれがあった。
また、Pを3mass%以上10mass%以下含有するCu−P系ろう材は、融点が低いので、比較的低温でセラミックス部材とCu部材とを接合でき、接合時にセラミックス部材にかかる熱的な負荷を軽減することができる。
ここで、活性金属材は、例えばTi、Zr、Nb、Hfといった活性元素のいずれか1種又は2種以上を含有するものとされている。また、活性金属材の形状は、例えば箔や粉末などとされている。
この構成では、Cu部材と活性金属材とを加熱処理することにより、Cu部材と活性金属材とを固相拡散接合によって接合することができる。したがって、Cu−P系ろう材の融液が凝固することで、確実にセラミックス部材とCu部材とを接合することが可能となる。
このようなろう材を用いた場合、ろう材の融点が低いので、低温条件でも確実にセラミックス部材とCu部材との接合を行うことができる。また、セラミックス部材とCu部材の接合時において、ろう材に含まれるPなどが活性金属材に含まれる元素と結合して金属間化合物を形成し、セラミックス部材側にPを含有する金属間化合物を有しない若しくは非常に少ないCu層を確実に形成することができる。
この場合、加熱処理工程において、TiとCu−P系ろう材に含まれるPとが結合してP及びTiを含有する金属間化合物が形成され、この金属間化合物にPが取り込まれることにより、セラミックス部材側にCu層が確実に形成される。したがって、セラミックス部材とCu層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されることを確実に抑制し、セラミックス部材とCu部材との接合率を向上させ、セラミックス部材とCu部材とを良好に接合できる。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、加熱処理工程において、活性金属材とPとが結合してPを含有する金属間化合物が形成され、この金属間化合物にPが取り込まれることにより、セラミックス基板側にCu層が形成される。このとき、セラミックス基板とCu層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されないので、セラミックス基板と回路層との接合率が向上し、セラミックス基板と回路層とを良好に接合できる。
また、Cu−P系ろう材は融点が低く、比較的低温でセラミックス基板の一方の面に回路層を形成することができるので、回路層の形成時にセラミックス基板が熱劣化することを抑制できる。
この構成では、セラミックス基板の一方の面及び他方の面において、活性金属材とCu−P系ろう材に含まれるPとが結合してPを含有する金属間化合物が形成されることによりCu層が形成され、セラミックス基板とCu層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されないので、セラミックス基板と回路層、及びセラミックス基板と金属層の接合率が向上し、セラミックス基板と回路層、及びセラミックス基板と金属層とを良好に接合することができる。
また、比較的低温で、セラミックス基板の一方の面に回路層を、他方の面に金属層を形成することができるので、セラミックス基板が熱劣化することを抑制できる。
また、このパワーモジュール用基板の製造方法においては、セラミックス基板の一方の面に回路層を、他方の面に金属層を、同時に形成でき、セラミックス基板にかかる熱的な負荷を低減するとともに、製造コストを低減することも可能である。
また、比較的低温でセラミックス基板の一方の面に回路層を、他方の面に金属層を形成することができるので、セラミックス基板が熱劣化することを抑制できる。
また、このパワーモジュール用基板の製造方法においても、セラミックス基板の一方の面に回路層を、他方の面に金属層を同時に形成でき、セラミックス基板にかかる熱的な負荷を低減するとともに、製造コストを低減することも可能である。
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。まず、本発明の第一実施形態について説明する。
本実施形態に係る接合体の製造方法は、セラミックス基板11(セラミックス部材)と回路層12(Cu部材)とを接合することにより、接合体としてパワーモジュール用基板10を製造するものである。図1に、本実施形態に係るパワーモジュール用基板10を備え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、回路層12が配設されたパワーモジュール用基板10と、回路層12の一方の面(図1において上面)に接合層2を介して接合された半導体素子3とを備えている。
ここで、本実施形態において、Cu−P系ろう材のPの含有量は、3mass%以上10mass%以下とされている。以下に、Pの含有量が3mass%以上10mass%以下に設定されている理由について説明する。
Pは、ろう材の融点を低下させる作用効果を有する元素である。また、このPは、Pが酸化することで発生するP酸化物により、ろう材表面を覆うことでろう材の酸化を防止するとともに、溶融したろう材の表面を流動性の良いP酸化物が覆うことでろう材の濡れ性を向上させる作用効果を有する元素である。
Pの含有量が3mass%未満では、ろう材の融点を低下させる効果が十分に得られずろう材の融点が上昇したり、ろう材の流動性が不足し、セラミックス基板11と回路層12との接合性が低下したりするおそれがある。また、Pの含有量が10mass%超では、脆い金属間化合物が多く形成され、セラミックス基板11と回路層12との接合性や接合信頼性が低下するおそれがある。
このような理由からCu−P系ろう材に含まれるPの含有量は、3mass%以上10mass%以下の範囲内に設定されている。
Snは、ろう材の融点を低下させる作用効果を有する元素である。
Snの含有量が0.5mass%以上では、ろう材の融点を確実に低くすることができる。また、Snの含有量が25mass%以下では、ろう材の低温脆化を抑制することができ、セラミックス基板と回路層との接合信頼性を向上させることができる。
このような理由からCu−P系ろう材にSnを含有させる場合、その含有量は0.5mass%以上25mass%以下の範囲内に設定されている。
Ni、Cr、Fe、Mnは、セラミックス基板11とろう材との界面にPを含有する金属間化合物が形成されることを抑制する作用効果を有する元素である。
Ni、Cr、Fe、Mnのうちいずれか1種または2種以上の含有量が2mass%以上では、セラミックス基板11とろう材との接合界面にPを含有する金属間化合物が形成されることを抑制することができ、セラミックス基板11と回路層12との接合信頼性が向上する。また、Ni、Cr、Fe、Mnのうちいずれか1種または2種以上の含有量が20mass%以下では、ろう材の融点が上昇することを抑制し、ろう材の流動性が低下することを抑え、セラミックス基板11と回路層12との接合性を向上させることができる。
このような理由からCu−P系ろう材にNi、Cr、Fe、Mnのうちいずれか1種または2種以上を含有させる場合、その含有量は2mass%以上20mass%以下の範囲内に設定されている。
Znは、ろう材の耐酸化性を向上させる作用効果を有する元素である。
Znの含有量が0.5mass%以上では、ろう材の耐酸化性を十分に確保し、接合性を向上させることができる。また、Znの含有量が50mass%以下では、脆い金属間化合物が多く形成されることを防止し、セラミックス基板11と回路層12との接合信頼性を確保することができる。
このような理由からCu−P系ろう材にZnを含有させる場合、その含有量は0.5mass%以上50mass%以下の範囲内に設定されている。
また、Cu−P−Sn−Niろう材24の組成は、具体的には、Cu−7mass%P−15mass%Sn−10mass%Niとされている。ここで、Cu−P−Sn−Niろう材24の厚さは、5μm以上150μm以下とされている。
第一実施形態では、活性金属材として、Ti箔25を用いており、Ti箔25の厚さは、6μm以上25μm以下とされている。
すなわち、第一実施形態において、回路層12は、セラミックス基板11の一方の面にCu−P−Sn−Niろう材24、Ti箔25、無酸素銅からなるCu板22を積層し、加熱処理によってCu板22を接合することで形成されている(図5参照)。
なお、回路層12の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
そして、回路層12とTi層15との間には、CuとTiからなる第一金属間化合物層16が形成されている。また、Cu−Sn層14とTi層15との間には、P及びNiを含有する第二金属間化合物層17が形成されている。
Ti層15は、上述したように、セラミックス基板11とCu板22とを、Cu−P−Sn−Niろう材24及びTi箔25を介して接合することによって形成される層である。
第二金属間化合物層17は、Cu−P−Sn−Niろう材24に含まれるP及びNiがTi箔25に含まれるTiと結合することにより形成される。本実施形態において、第二金属間化合物層17は、図3に示すように、Cu−Sn層14側から順に形成された、P−Ni−Ti層17aと、P−Ti層17bと、Cu−Ni−Ti層17cとを有している。
接合層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。
まず、図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面(図5において上面)に、Cu−P−Sn−Niろう材24、Ti箔25、及び回路層12となるCu板22を順に積層する(積層工程S01)。すなわち、セラミックス基板11とCu板22の間において、セラミックス基板11側にCu−P−Sn−Niろう材24を配置し、Cu板22側にTi箔25を配置している。
なお、本実施形態においては、厚さ20μmのCu−P−Sn−Niろう材24及び厚さ7μm、純度99.8%のTi箔25を用いた。
これにより、セラミックス基板11の一方の面に回路層12が形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板10が製造される。
このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール1が製造される。
また、Ti箔25とCu板22との接合される面は、予め平滑な面とされているので、接合界面に隙間が生じることを抑制でき、Ti箔25とCu板22とを確実に接合することができる。
次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図6に、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板110を備えたパワーモジュール101を示す。
このパワーモジュール101は、回路層112が配設されたパワーモジュール用基板110と、回路層112の一方の面(図6において上面)に接合層2を介して接合された半導体素子3と、パワーモジュール用基板110の他方側(図6において下側)に配置されたヒートシンク130とを備えている。
なお、回路層112の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、第二実施形態では、0.6mmに設定されている。
本実施形態において、金属間化合物層117は、図8に示すように、P−Ni−Ti相117aと、P−Ti相117bと、Cu−Ni−Ti相117cとを有している。
この金属層113の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
すなわち、このセラミックス基板11と金属層113との接合界面は、上述したセラミックス基板11と回路層112との接合界面と同様の構造となっている。
まず、図11に示すように、セラミックス基板11の一方の面(図11において上面)に、Cu−P−Sn−Niろう材24、Ti箔125、及び回路層112となるCu板122を順に積層する(第一積層工程S11)とともに、セラミックス基板11の他方の面(図11において下面)にも、Cu−P−Sn−Niろう材24、Ti箔125、及び金属層113となるCu123板を順に積層する(第二積層工程S12)。すなわち、セラミックス基板11とCu板122、123の間において、セラミックス基板11側にCu−P−Sn−Niろう材24を配置し、Cu板122、123側にTi箔125を配置している。なお、本実施形態において、Cu−P−Sn−Niろう材24の組成はCu−7mass%P−15mass%Sn−10mass%Niとし、厚さは20μmとした。また、Ti箔125として、厚さ1μm、純度99.8%のTi箔を用いた。
これにより、セラミックス基板11の一方の面に回路層112が形成され、他方の面に金属層113が形成され、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。
次に、パワーモジュール用基板110の回路層112の上面に、はんだ材を介して半導体素子3を接合する(半導体素子接合工程S15)。
このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール101が製造される。
また、セラミックス基板11の一方の面に回路層112を、他方の面に金属層113を同時に接合することができるので製造コストを低減できる。
また、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板110において、金属層113には、ヒートシンク130が接合されているので、ヒートシンク130から熱を効率的に放散することができる。
次に、本発明の第三実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図12に、第三実施形態に係るパワーモジュール用基板210を備えたパワーモジュール201を示す。
このパワーモジュール201は、回路層212が配設されたパワーモジュール用基板210と、回路層212の一方の面(図12において上面)に接合層2を介して接合された半導体素子3と、パワーモジュール用基板210の他方側(図12において下側)に接合層232を介して接合されたヒートシンク230とを備えている。
樹脂としては、例えば、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメチルメタクリレート、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を用いることができる。また、溶剤としては、例えば、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、テルピネオール、トルエン、テキサノ−ル、トリエチルシトレート等を用いることができる。
なお、回路層212の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、第三実施形態では、0.3mmに設定されている。
この金属層213の厚さは0.1mm以上3.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、1.6mmに設定されている。
また、Tiペースト225は、Ti量が2mg/cm2以上10mg/cm2以下となるように塗布することが望ましい。
また、乾燥は120℃以上150℃以下で、10分以上30分以下の範囲で行うことが好ましい。
なお、接合材227、242は、本実施形態では、融点降下元素であるSiを含有したAl−Si系ろう材とされており、第三実施形態においては、Al−7.5mass%Siろう材を用いている。
また、本実施形態において、Cu−P−Sn−Niろう材24の組成はCu−7mass%P−15mass%Sn−10mass%Niとし、厚さは20μmとした。
これにより、第三実施形態であるパワーモジュール用基板210が製造される。
このようにして、第三実施形態に係るパワーモジュール201が製造される。
また、セラミックス基板11の他方の面にAl板223からなる金属層213が形成されているので、ヒートサイクル負荷時にパワーモジュール用基板210とヒートシンク230との間に生じる熱応力を金属層213によって吸収し、セラミックス基板11に割れが発生することを抑制できる。
また、第三実施形態においては、Tiペースト225をCu板222側に配置し、Cu−P−Sn−Niろう材24をセラミックス基板11側に配置する場合について説明したが、Tiペースト225をセラミックス基板11側に配置し、Cu−P−Sn−Niろう材24をCu板222側に配置する構成としても良い。
また、第三実施形態においては、TiペーストとCu−P−Sn−Niろう材とを、セラミックス基板とCu板との間に配置する場合について説明したが、Tiペーストに限定されるものではなく、例えば、Ti粉末(活性金属材)とCu−P−Sn系ろう材とをセラミックス基板とCu板との間に配置する構成とされても良い。
さらに、第三実施形態においては、第一積層工程S21において、Tiペーストの脱脂を行うこともできる。この場合、Tiペーストに含有されている樹脂の残渣量が減り、接合性がより向上する。
過渡液相接合法において、積層方向に加圧する際の圧力は、1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下とされている。また、加熱処理における加熱温度及び加熱時間は、600℃以上650℃以下、30分以上360分以下とされている。
なお、固着層の添加元素として、Si、Cuの他に、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga、又はLi等の添加元素を用いても良い。
また、第一実施形態及び第二実施形態では、Ti箔を用いる場合について説明したが、Cu部材の一方の面に活性金属材を配設したCu部材/活性金属クラッド材を用いることもできる。また、Cu部材に蒸着等によって活性金属を配設し、用いることもできる。
さらに、活性金属材の一方の面にCu−P−Sn系ろう材を配設した活性金属材/ろう材クラッド材や、Cu部材、活性金属材、Cu−P−Sn系ろう材の順に積層されたCu部材/活性金属材/ろう材クラッドを用いることができる。
また、上記の実施形態では、パワーモジュール用基板の他方の面にヒートシンクを接合する場合について説明したが、ヒートシンクは接合されていなくても良い。
また、上記の実施形態では、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをはんだ材又はろう材で接合する場合について説明したが、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間にグリースを介してネジ止めなどによって固定する構成とされても良い。
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。
AlNからなるセラミックス基板(40mm×40mm×0.635mmt)の一方の面に、表1及び表2に示す活性金属材、Cu−P系ろう材(40μmt)、無酸素銅からなるCu板(37mm×37mm×0.3mmt)を積層する。
なお、活性金属材の種類が粉末の場合は、その活性金属の粉末を含有するペーストをスクリーン印刷法によってセラミックス基板又はCu板に塗布し積層した。ここで、ペーストは、粒径5〜40μmの活性金属材の粉末と、アクリル樹脂と、テキサノールとを含有するものとした。塗布量は、表2に記載した量とした。また、活性金属材とCu−P系ろう材の配置は、表1及び表2に示す配置とした。
なお、比較例1については、セラミックス基板とCu板との間に活性金属材を介在させずに、Cu−P系ろう材のみを介在させる構成とした。
このようにして、本発明例1〜24、比較例1〜3のパワーモジュール用基板を得た。
パワーモジュール用基板に対し、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。
(接合率(%))={(初期接合面積)−(剥離面積)}/(初期接合面積)×100
(活性金属層の有無の確認方法)
回路層とセラミックス基板との接合界面において、EPMA(電子線マイクロアナライザー)による活性金属材の元素のマッピングを取得し、活性金属層の有無を確認した。
一方、比較例1は、セラミックス基板とCu板との接合の際に、活性金属材を介在させずに接合が行われているため、セラミックス基板とCu板(回路層)とを接合することができなかった。
また、比較例2及び比較例3は、Cu−P系ろう材に含まれるPの含有量が本発明の範囲外であるため、セラミックス基板と回路層との接合率が、本発明例と比較して劣った。
次に、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。
AlNからなるセラミックス基板(40mm×40mm×0.635mmt)の一方の面及び他方の面に、表3及び表4に示す活性金属材、Cu−P系ろう材(40μmt)、無酸素銅からなるCu板(37mm×37mm×0.3mmt)を積層する。なお、活性金属材の種類が粉末の場合は、実施例1と同様に、その活性金属の粉末を含有するペーストをスクリーン印刷法によってセラミックス基板又はCu板に塗布し積層した。活性金属材とCu−P系ろう材との配置は、表3及び表4に示す配置とした。
このようにして本発明例41〜52のパワーモジュール用基板を得た。
なお、接合率の評価、及び活性金属層の有無の確認については、実施例1と同様にして行った。また、冷熱サイクル試験は、下記の通り行った。
冷熱サイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製TSB−51を使用し、パワーモジュール用基板に対して、液相(フロリナート)で、−40℃×5分←→150℃×5分の2000サイクルを実施した。
以上の評価の結果を表3及び表4に示す。
次に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験(実施例3)の結果について説明する。
AlNからなるセラミックス基板(40mm×40mm×0.635mmt)の一方の面に、表5及び表6に示す活性金属材、Cu−P系ろう材(40μmt)、無酸素銅からなるCu板(37mm×37mm×0.3mmt)を積層する。また、セラミックス基板の他方の面に、Al−Si系ろう材を介して純度99.99%のAlからなるAl板(37mm×37mm×1.6mmt)を積層する。なお、活性金属材の種類が粉末の場合は、実施例1と同様に、その活性金属の粉末を含有するペーストをスクリーン印刷法によってセラミックス基板又はCu板に塗布し積層した。活性金属材とCu−P系ろう材との配置は、表5及び表6に示す配置とした。
また、従来例61、62については、セラミックス基板とCu板との間に活性金属材を介在させずに、Cu−P系ろう材のみを介在させる構成とした。
なお、Cu−P系ろう材の温度がAl板の融点を超える場合には、セラミックス基板の一方の面に回路層を形成した後に、セラミックス基板の他方の面に金属層を形成した。
以上のようにして本発明例61〜74のパワーモジュール用基板を得た。
以上の評価の結果を表5及び表6に示す。
11 セラミックス基板(セラミックス部材)
12、112、212 回路層(Cu部材)
113、213 金属層(Cu部材)
25、125 Ti箔(活性金属材、Ti材)
Claims (7)
- セラミックスからなるセラミックス部材と、Cu又はCu合金からなるCu部材とが接合されてなる接合体の製造方法であって、
Pを3mass%以上10mass%以下含有するCu−P系ろう材と、活性金属材とを介して、前記セラミックス部材と前記Cu部材とを積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス部材及び前記Cu部材を加熱処理する加熱処理工程と、を備えていることを特徴とする接合体の製造方法。 - 前記積層工程において、前記セラミックス部材側に前記Cu−P系ろう材を配置し、前記Cu部材側に前記活性金属材を配置することを特徴とする請求項1記載の接合体の製造方法。
- 前記Cu−P系ろう材は、Cu−Pろう材、Cu−P−Snろう材、Cu−P−Sn−Niろう材、Cu−P−Znろう材の中から選択されるいずれか1種であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の接合体の製造方法。
- 前記活性金属材は、Tiを含有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の接合体の製造方法。
- セラミックス基板の一方の面にCu又はCu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の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記回路層とを、請求項1から請求項4のいずれか一項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用基板の製造方法。 - セラミックス基板の一方の面にCu又はCu合金からなる回路層が配設され、他方の面にCu又はCu合金からなる金属層が配設され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と前記回路層、及び前記セラミックス基板と前記金属層を請求項1から請求項4のいずれか一項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用基板の製造方法。 - セラミックス基板の一方の面にCu又はCu合金からなる回路層が配設され、他方の面にAl又はAl合金からなる金属層が配設され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と前記回路層とを請求項1から請求項4のいずれか一項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用基板の製造方法。
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