JP2015095624A - 接合体及びパワーモジュール用基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面にCu板が接合されてなるCu層12A、13Aと、このCu層のうち前記セラミックス基板が接合された面と反対側の面に純度99.95mass%以上のAl板が接合されてなるAl層12B、13Bと、を備え、前記Cu板の厚さが0.05mm以上とされており、前記Al板の厚さが0.2mm以上0.6mm以下とされていることを特徴とする。
【選択図】図2
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。
さらにCu層には0.2mm以上0.6mm以下のAl層が接合されているので、熱抵抗をさらに低減することができる。また、接合されるAl板の純度が99.95mass%以上かつ板厚が0.6mm以下とされているのでAl層の変形抵抗が小さく、接合体に冷熱サイクルが負荷された場合でも、セラミックス基板に生じる熱応力を低減し、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。
この場合、セラミックス基板がAlN及び96%アルミナのうちいずれか一方からなり、Cu板の厚さが0.15mm未満とされているので、接合体に冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に生じる熱応力を低減し、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。
この場合、強化アルミナやSi3N4は比較的強度が高いため、Cu板の厚さを0.45mm未満のように比較的厚く設定しても、接合体に冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。
Cu層とAl層を接合すると、液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることがあるが、この場合、Cu層とAl層とが固相拡散接合されているので、Al層とCu層とを良好に接合できる。
この場合、固相拡散接合時の加圧力が3kgf/cm2以上とされているので、Cu層とAl層との接合界面に隙間が生じることを抑制できる。また、固相拡散接合時の加圧力が35kgf/cm2以下とされているので、接合時にセラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。
この場合、Cu層とAl層との間にTi箔及びNi箔のいずれか一方を介在して加熱処理を行うことでCu層とAl層とが接合されているので、Ni又はTiがバリア層として働きCuとAlが直接接触することがなくなり、Cu層とAl層との液相を生じることなく確実に接合することができる。
この場合、接合時の加圧力が1kgf/cm2以上とされているので、接合界面に隙間が生じることを抑制できる。また、接合時の加圧力が35kgf/cm2以下とされているので、接合時にセラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。
この場合、接合体に伝達される熱をヒートシンクから外部へと効率的に放散することができる。
さらに、回路層においてCu層の一方の面には、0.2mm以上0.6mm以下のAl層が接合されているので、熱抵抗をさらに低減することができる。また、接合されるAl板の純度が99.95mass%以上かつ板厚が0.6mm以下とされているのでAl層の変形抵抗が小さく、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された場合でも、セラミックス基板に生じる熱応力を低減し、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。
この場合、金属層がセラミックス基板の他方の面に、板厚が0.05mm以上のCu板が接合されて形成されたCu層を備えているので、回路層側から伝達される熱を効率的に金属層から放散することができる。また、このCu層には、純度99.95mass%以上かつ厚さが0.2mm以上0.6mm以下のAl板が接合されてAl層が形成されているので、さらに効率的に金属層から熱を放散することができる。また、このAl層は変形抵抗が小さいので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に発生する熱応力をAl層で吸収し、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。
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。
本発明の実施形態に係る接合体は、セラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面及び他方の面に形成された回路層12及び金属層13を備えたパワーモジュール用基板10を構成するものである。
図1に、この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。
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、半導体素子3は、IGBT素子とされている。
ヒートシンク30は、パワーモジュール用基板10側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク30は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、A6063(Al合金)で構成されている。このヒートシンク30には、冷却用の流体が流れるための流路31が設けられている。
Al層12Bは、純度が99.95mass%以上のAlの圧延板からなるAl板22BがCu層12Aの一方の面(上面)に接合されることにより形成されている。ここで、Al板22Bの厚さは、0.2mm以上0.6mm以下とされている。本実施形態では、Al板22Bとして、厚さ0.5mmのAl板を用いた。
そして、これらのCu層12AとAl層12Bとの界面には、図3に示すように、拡散層12Cが形成されている。
本実施形態では、図3に示すように、CuとAlからなる金属間化合物が積層された構造とされており、Al層12B側からCu層12A側に向けて順に、Al層12BとCu層12Aとの接合界面に沿って、θ相16、η2相17が積層し、さらにζ2相18A、δ相18B及びγ2相18Cのうち少なくとも一相が積層した構造とされている(図14参照)。
さらに、本実施形態では、Cu層12Aの平均結晶粒径が50μm以上200μm以下の範囲内とされ、Al層12Bの平均結晶粒径が500μm以上とされている。
Al層13Bは、純度が99.95mass%以上のAlの圧延板からなるAl板23Bが、Cu層13Aのうちセラミックス基板11が接合された面と反対側の面(下面)に接合されることにより形成されている。ここで、Al板23Bの厚さは、0.2mm以上0.6mm以下とされている。本実施形態では、Al板23Bとして厚さ0.5mmのAl板を用いた。
そして、これらのCu層13AとAl層13Bとの界面には、Cu層12AとAl層12Bとの界面と同様に、図4に示すように、拡散層13Cが形成されている。
さらに、本実施形態では、Cu層13Aの平均結晶粒径が50μm以上200μm以下の範囲内とされ、Al層13Bの平均結晶粒径が500μm以上とされている。
まず、図6に示すように、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面に、Ag−Cu−Tiからなる活性ろう材25を介してCu板22A、23Aを積層する(Cu板積層工程S11)。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Cu板22A、23Aを接合し、Cu層12A、13Aを形成する。(Cu層形成工程S12)。なお、このろう付けの温度は、800℃〜900℃に設定されている。
また、本実施形態においては、Cu層12A、13AとAl板22B、23Bとの接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後、固相拡散接合されている。
こうして、本実施形態に係るパワーモジュール用基板10が製造される。
以上のようにして、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、Cu層12A、13AとAl層12B、13Bとが、3kgf/cm2以上35kgf/cm2で加圧されて400℃以上548℃未満で加熱処理を行うことにより固相拡散接合されているので、Cu層12A、13AとAl層12B、13Bとの液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制してCu層12A、13AとAl層12B、13Bとを接合することができる。
具体的には、拡散層12C、13Cは、Al層12B、13B側からCu層12A、13A側に向けて順に、θ相16、η2相17が積層し、さらにζ2相18A、δ相18B及びγ2相18Cのうち少なくとも一つの相が積層しているので、拡散層12C、13C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。
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7に、本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール101を示す。
パワーモジュール101は、パワーモジュール用基板110と、このパワーモジュール用基板110の一方側(図7において上側)に、第一はんだ層2を介して接合された半導体素子3と、を備えている。なお、本実施形態においては、パワーモジュール用基板110の他方側(図1において下側)に、第二はんだ層32を介してヒートシンク30が接合されている。
Al層112Bは、純度が99.95mass%以上のAlの圧延板からなるAl板122BがCu層112Aの一方の面(上面)にTi箔122Cを介して接合されることにより形成されている。ここで、Al板122Bの厚さは、0.2mm以上0.6mm以下とされている。本実施形態では、Al板122Bとして厚さ0.5mmのAl板を用いた。
Al層113Bは、純度が99.95mass%以上のAlの圧延板からなるAl板123Bが、Cu層113Aのうちセラミックス基板111が接合された面と反対側の面(下面)に、Ti箔123Cを介して接合されることにより形成されている。ここで、Al板123Bの厚さは、0.2mm以上0.6mm以下とされている。本実施形態では、Al板123Bとして厚さ0.5mmのAl板を用いた。
まず、図10に示すように、セラミックス基板111の一方の面及び他方の面に、Ag−Cu−Tiからなる活性ろう材25を介してCu板122A、123Aを積層する(Cu板積層工程S21)。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111とCu板122A、123Aを接合し、Cu層112A、113Aを形成する。(Cu層形成工程S22)。なお、このろう付けの温度は、800℃〜900℃に設定されている。
こうして、本実施形態に係るパワーモジュール用基板110が製造される。
以上のようにして、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、金属層113がセラミックス基板111の他方の面に、板厚が0.05mm以上のCu板123Aが接合されて形成されたCu層113Aを備えているので、半導体素子3側から伝達される熱を効率的に金属層113からヒートシンク130側へ放散することもできる。
さらに、図13に示すように、回路層312がCu層のみで構成されていても良い。また、回路層312をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成することもできる。
Ti箔に代えてNi箔を用いる場合、接合時の加熱温度は、630℃以上639.9℃以下の範囲にすることが好ましい。また、接合時の加圧力は、3kgf/cm2以上10kgf/cm2の範囲にすることが好ましい。また、Ni箔の厚さは、0.08mm以上0.25mm以下の範囲にすることが好ましい。
また、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとをはんだ材によって接合する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えばグリースを介して接合する構成とされても良い。
また、上記実施の形態では、ヒートシンクがA6063(アルミニウム合金)からなる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、純アルミニウム、無酸素銅などの純銅、又は銅合金等からなる構成とされても良い。例えば、ヒートシンクが無酸素銅からなる場合、金属層のAl層とヒートシンクとを固相拡散接合によって接合することもできる。
また、上記の実施形態では、ヒートシンクが放熱フィンを備えていない場合について説明したが、放熱フィンを備えていても良い。
(本発明例1〜14、比較例1〜4)
まず、表1に示すセラミック基板の一方の面及び他方の面に活性ロウ材を介して表1に示すCu板を積層し、積層方向に加圧して850℃で30分保持して接合し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にCu層を形成した。
次に、表1に示すAl板をそれぞれのCu層に積層した後に、真空雰囲気において表1に示す加圧力及び加熱温度条件で90分保持して接合し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、回路層及び金属層を形成した。
以上のようにして、本発明例1〜14、比較例1〜4のパワーモジュール用基板を製造した。なお、本発明例12については、回路層をCu層のみで構成した。また、本発明例13については、金属層をCu層のみで構成した。
表2に示すセラミック基板の一方の面及び他方の面に活性ロウ材を介して表2に示すCu板を積層し、積層方向に加圧して850℃で30分保持して接合し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にCu層を形成した。次に、表2に示すAl板を、純度99mass%のTi箔又はNi箔(28mm×28mm、厚さ:表2参照)を介してそれぞれのCu層に積層した後に、真空雰囲気において表2に示す加圧力及び加熱温度条件で90分保持して接合し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、回路層及び金属層を形成した。
以上のようにして、本発明例15〜29、比較例5〜8のパワーモジュール用基板を製造した。
表1に示すセラミック基板の一方の面及び他方の面に活性ロウ材を介して表1に示すCu板を積層し、積層方向に加圧して850℃で30分保持して接合し、従来例1のパワーモジュール用基板を製造した。
(従来例2)
表1に示すセラミック基板の一方の面及び他方の面にAl−10mass%Siロウ材を介して表1に示すAl板を積層し、積層方向に加圧して645℃で30分保持して接合し、従来例2のパワーモジュール用基板を製造した。
また、Cu板のサイズは、28mm×28mm(厚さ:表1、表2参照)に設定した。
また、Al板のサイズは、28mm×28mm(厚さ:表1、表2参照)に設定した。
また、熱抵抗測定用パワーモジュールについては、IGBT素子の代わりにヒータチップをはんだ付けし、次いでNiめっきをしたアルミニウム合金(A6063)製放熱板とパワーモジュール用基板の金属層を接合し、これをグリースを介して、ヒートシンクに固定して作製した。このパワーモジュールを用いて熱抵抗測定を実施した。冷熱サイクル試験と熱抵抗測定の方法について、以下に説明する。
冷熱サイクル試験の試験条件を以下に示す。
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
冷熱サイクルの500サイクル毎にパワーモジュールの観察を実施し、セラミックス基板の割れが確認された時点でのサイクル数(冷熱サイクル寿命)を評価した。
なお、本発明例1〜14、比較例1〜4及び従来例1〜2についてはサイクル数1000回以下を×、1000回を超え3000回未満を○、3000回以上を◎と評価した。
また、本発明例15〜29及び比較例5〜8についてはサイクル数1000回以下を×、1000回を超え1500回以下を○、1500回を超えたものを◎と評価した。
ヒータチップを100Wの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度(T1)とヒートシンク上面の温度(T2)を測定した。そして、ヒータチップとヒートシンク上面の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
なお、本発明例1〜14、比較例1〜4及び従来例1〜2については、熱抵抗の値が0.205(℃/W)以上を×、0.205(℃/W)未満を○と評価した。
また、本発明例15〜29及び比較例5〜8については、熱抵抗の値が0.215(℃/W)以上を×、0.215(℃/W)未満を○と評価した。
以上の試験の結果を表3、表4に示す。
また、Al板の厚さが0.6mmを超えた比較例3、7及びAl板の純度が99.95mass%未満とされた比較例5、8については、セラミックス基板の割れが早期に発生し、冷熱サイクル寿命が短いことが確認された。
回路層及び金属層にCu板のみを接合した従来例1では、熱抵抗は低いもののセラミックス基板の冷熱サイクル寿命が短かった。
回路層及び金属層にAl板のみを接合した従来例2では、セラミックス基板の冷熱サイクル寿命は長いものの熱抵抗が高いことが確認された。
一方、本発明例1〜29では、熱抵抗を低くすると共に、冷熱サイクルが負荷された場合でもセラミックス基板の割れが抑制し、冷熱サイクル寿命が長いパワーモジュールであることが確認された。
10、110、210 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
12、112、312 回路層
12A、13A、112A、113A Cu層
12B、13B、112B、113B Al層
12C、13C 拡散層
13、113、313 金属層
22A、23A Cu板
22B、23B Al板
30 ヒートシンク
122C、123C Ti箔
Claims (11)
- 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Cu板が接合されてなるCu層と、このCu層のうち前記セラミックス基板が接合された面と反対側の面に純度99.95mass%以上のAl板が接合されてなるAl層と、を備え、
前記Cu板の厚さが0.05mm以上とされており、
前記Al板の厚さが0.2mm以上0.6mm以下とされていることを特徴とする接合体。 - 前記セラミックス基板が、AlN及び96%アルミナのうちいずれか一方からなり、
前記Cu板の厚さが0.15mm未満とされていることを特徴とする請求項1に記載の接合体。 - 前記セラミックス基板が、強化アルミナ及びSi3N4のうちいずれか一方からなり、
前記Cu板の厚さが0.45mm未満とされていることを特徴とする請求項1に記載の接合体。 - 前記Cu層と前記Al層とが、固相拡散接合されてい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。
- 前記固相拡散接合は、前記Cu層と前記Al層の積層方向に3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下の加圧力を負荷して行われていることを特徴とする請求項4に記載の接合体。
- 前記Cu層と前記Al層は、間にTi箔及びNi箔のうちいずれか一方を介在させて加熱処理を行うことにより接合されてい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。
- 前記Cu層と前記Al層の積層方向に1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下の加圧力を負荷して加熱処理を行い接合されていることを特徴とする請求項6に記載の接合体。
- 前記セラミックス基板の一方側又は他方側にヒートシンクが接合されていることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の接合体。
- 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の接合体からなり、前記セラミックス基板と、前記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、
前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面にCu板が接合されてなるCu層と、このCu層の一方の面に純度99.95mass%以上のAl板が接合されてなるAl層と、を有し、
前記Cu板の厚さが0.05mm以上とされており、
前記Al板の厚さが0.2mm以上0.6mm以下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。 - 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の接合体からなり、前記セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備え、
前記金属層は、前記セラミックス基板の他方の面にCu板が接合されてなるCu層と、このCu層のうち前記セラミックス基板が接合された面と反対側の面に純度99.95mass%以上のAl板が接合されてなるAl層と、を有し、
前記Cu板の厚さが0.05mm以上とされており、
前記Al板の厚さが0.2mm以上0.6mm以下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。 - 前記セラミックス基板の他方の面に金属層を備え、
前記金属層は、前記セラミックス基板の他方の面にCu板が接合されてなるCu層と、このCu層のうち前記セラミックス基板が接合された面と反対側の面に純度99.95mass%以上のAl板が接合されてなるAl層と、を有し、
前記Cu板の厚さが0.05mm以上とされており、
前記Al板の厚さが0.2mm以上0.6mm以下とされていることを特徴とする請求項9に記載のパワーモジュール用基板。
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