JP2015185679A - Board for power module and board for power module with heat sink - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板に関する。 The present invention relates to a power module substrate and a power module substrate with a heat sink used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.
従来のパワーモジュール用基板として、例えば特許文献1及び特許文献2に開示されているように、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面にアルミニウム板等の回路板(回路層)が接合されるとともに、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板等の金属板(金属層)が接合された構成のものが知られている。そして、この金属層に、アルミニウム合金や銅合金製のヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造されている。 As a conventional power module substrate, for example, as disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, a circuit board (circuit layer) such as an aluminum plate is bonded to one surface of a ceramic substrate serving as an insulating layer. A structure in which a metal plate (metal layer) such as an aluminum plate is bonded to the other surface of the ceramic substrate is known. And the board | substrate for power modules with a heat sink by which the heat sink made from an aluminum alloy or a copper alloy was joined to this metal layer is manufactured.
このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、特許文献1に示されるように金属板の純度を98.00%以上99.90%以下に形成することや、特許文献2に示されるように金属層においてセラミックス板とのろう付け面と反対の表面側のFe濃度を0.1wt%以上とすることで、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとの接合信頼性を高めることができる。 In the power module substrate with a heat sink configured as described above, the purity of the metal plate is formed to 98.00% or more and 99.90% or less as shown in Patent Document 1, or as shown in Patent Document 2. Thus, by making the Fe concentration on the surface side opposite to the brazing surface with the ceramic plate in the metal layer to be 0.1 wt% or more, it is possible to improve the bonding reliability between the metal layer of the power module substrate and the heat sink. .
ところが、特許文献1及び特許文献2に示されるように、セラミックス基板に比較的純度の低いアルミニウムやFeを含有するアルミニウムを接合して金属層を形成すると、セラミックス基板と接合される面とは反対の面側の金属層表面に変質(染み出し)が生じることがある。このような表面の変質(染み出し)があると、セラミックス基板と金属層の接合界面にボイドが発生し、セラミックス基板と金属層の接合信頼性が低下するおそれがある。 However, as shown in Patent Document 1 and Patent Document 2, when a metal layer is formed by bonding relatively low-purity aluminum or aluminum containing Fe to a ceramic substrate, it is opposite to the surface bonded to the ceramic substrate. Deterioration (seepage) may occur on the surface of the metal layer. If such surface alteration (exudation) occurs, voids are generated at the bonding interface between the ceramic substrate and the metal layer, which may reduce the bonding reliability between the ceramic substrate and the metal layer.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the board | substrate for power modules and the board | substrate for power modules with a heat sink excellent in joining reliability.
本発明者は、鋭意検討した結果、次のようなことが確認された。 Al母材中にFeが0.1質量%を超えて含有されると、セラミックス基板と金属層とのろう付けによってろう材中のSiが金属層に拡散することにより、金属層を構成するアルミニウム合金中に析出するAl‐Fe系の析出物とSiとが反応し、金属層を部分的に溶融させる。この部分的な溶融が金属層の表面(セラミックス基板と反対側の面)に達すると、表面の変質(染み出し)となることが確認された。そして、このような表面の変質(染み出し)が生じると、セラミックス基板と金属層の接合界面のボイドが増加することが確認された。また、ボイドが増加することにより、セラミックス基板と金属層の接合信頼性が低下する。このような表面の変質(染み出し)やボイドは、金属層の厚みが薄い、特に厚み0.4mm未満の場合に、より顕著に発生する。
そこで、本発明のパワーモジュール用基板においては、以下の構成により問題を解決した。
As a result of intensive studies, the present inventor has confirmed the following. When Fe is contained in an Al base material in an amount of more than 0.1% by mass, aluminum in the brazing material diffuses into the metal layer by brazing the ceramic substrate and the metal layer, thereby forming the metal layer. The Al—Fe-based precipitates precipitated in the alloy react with Si to partially melt the metal layer. It was confirmed that when this partial melting reaches the surface of the metal layer (surface opposite to the ceramic substrate), the surface is altered (seepage). Then, it was confirmed that voids at the bonding interface between the ceramic substrate and the metal layer increased when such surface alteration (seepage) occurred. In addition, the increase in voids reduces the bonding reliability between the ceramic substrate and the metal layer. Such surface alteration (seepage) and voids are more prominent when the thickness of the metal layer is thin, particularly when the thickness is less than 0.4 mm.
Therefore, the power module substrate of the present invention solved the problem by the following configuration.
本発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が設けられ、他方の面にアルミニウムからなる金属層がろう付け接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属層は、Alが97質量%以上99.95質量%以下、Feが0.1質量%以上1.0質量%以下、Mnが2.0質量%以下とされるとともに、Feに対するMnの割合Mn/Feが0.5以上20以下の範囲で含有される、厚み0.1mm以上0.4mm未満のアルミニウム合金により形成されていることを特徴とする。 The present invention is a power module substrate in which a circuit layer is provided on one surface of a ceramic substrate, and a metal layer made of aluminum is brazed and bonded to the other surface, and the metal layer has 97 mass% of Al. 99.95% by mass or less, Fe is 0.1% by mass to 1.0% by mass, Mn is 2.0% by mass or less, and the ratio of Mn to Fe is Mn / Fe of 0.5 to 20%. It is formed of an aluminum alloy having a thickness of 0.1 mm or more and less than 0.4 mm contained in the following range.
この場合、Feを含有することにより、剛性を高めることができる。その一方で、Mnを含むことにより、Feを含有することで引き起こされるろう材による金属層の部分的な溶融を抑制することができるとともに、ボイドの発生を防ぐことができる。つまり、金属層を構成するアルミニウム合金中に含まれるAl‐Fe‐Mnの析出物にSiが取り込まれることで、Siの過剰な拡散を抑えて金属層の部分的な溶融を防止することができる。したがって、金属層の厚みが0.4mm未満と薄くした場合でも、ボイドの増加を防ぎ、セラミックス基板と金属層の接合信頼性が優れたパワーモジュール用基板を形成することが可能となる。
また、Feが1.0質量%、又はMnが2.0質量%を超えて含有される場合は、金属層の剛性が高くなり、冷熱サイクル時にセラミックス基板の割れを生じるおそれがある。なお、Feが0.1質量%未満の含有量では、ろう付けによる部分的な溶融は発生しないが、金属層の剛性が低くなることで金属層の変形抵抗が低くなり、ヒートシンクをはんだによって接合した場合、冷熱サイクル時にはんだ層にクラックが生じる。また、Feに対するMnの含有量が少ない場合には、ろう付けによるSiの拡散を抑制することができずに、金属層に部分的な溶融を発生させるおそれがある。このため、Feに対するMnの割合Fe/Mnは、0.5以上20以下とされる。
また、金属層の厚みが0.1mm未満だと、ヒートシンクをはんだ付けした場合、冷熱サイクルを付加すると、金属層での熱応力の緩衝効果が得られないため、はんだ層にクラックが生じる。
In this case, the rigidity can be increased by containing Fe. On the other hand, by containing Mn, partial melting of the metal layer due to the brazing material caused by containing Fe can be suppressed, and generation of voids can be prevented. In other words, by incorporating Si into the Al-Fe-Mn precipitates contained in the aluminum alloy that constitutes the metal layer, excessive diffusion of Si can be suppressed and partial melting of the metal layer can be prevented. . Therefore, even when the thickness of the metal layer is reduced to less than 0.4 mm, it is possible to prevent an increase in voids and form a power module substrate having excellent bonding reliability between the ceramic substrate and the metal layer.
Moreover, when Fe contains 1.0 mass% or Mn contains more than 2.0 mass%, the rigidity of a metal layer becomes high and there exists a possibility of producing the crack of a ceramic substrate at the time of a thermal cycle. Note that when the Fe content is less than 0.1% by mass, partial melting due to brazing does not occur, but the rigidity of the metal layer is lowered, so that the deformation resistance of the metal layer is lowered, and the heat sink is joined by soldering. In this case, cracks occur in the solder layer during the cooling and heating cycle. Moreover, when there is little content of Mn with respect to Fe, the spreading | diffusion of Si by brazing cannot be suppressed but there exists a possibility of generating a partial melting in a metal layer. For this reason, the ratio Fe / Mn of Mn to Fe is set to 0.5 or more and 20 or less.
Further, if the thickness of the metal layer is less than 0.1 mm, when the heat sink is soldered, if a thermal cycle is applied, the effect of buffering the thermal stress in the metal layer cannot be obtained, so that a crack occurs in the solder layer.
本発明は、前記パワーモジュール用基板の前記金属層にヒートシンクがはんだ付けされたヒートシンク付パワーモジュール用基板である。
金属層の厚みを0.1mm以上0.4mm未満として薄く設けた場合であっても、パワーモジュール用基板とヒートシンクとのはんだ付け時の接合性を損なうことなく、良好な接合信頼性を維持することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成することができる。
The present invention is a power module substrate with a heat sink in which a heat sink is soldered to the metal layer of the power module substrate.
Even when the metal layer is thinly provided with a thickness of 0.1 mm or more and less than 0.4 mm, good bonding reliability is maintained without impairing the bonding property when the power module substrate and the heat sink are soldered. A power module substrate with a heat sink can be formed.
本発明によれば、金属層の厚みを薄くしてもセラミックス基板と金属層との接合信頼性が優れたパワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成することができる。 According to the present invention, even if the thickness of the metal layer is reduced, it is possible to form a power module substrate and a power module substrate with a heat sink having excellent bonding reliability between the ceramic substrate and the metal layer.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図1に示すように、ヒートシンク付パワーモジュール用基板50は、パワーモジュール用基板10とヒートシンク20とを備え、このヒートシンク付パワーモジュール用基板50の表面に半導体チップ等の電子部品30が搭載されることにより、パワーモジュール100が製造される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, a
パワーモジュール用基板10は、セラミックス基板11と、セラミックス基板11の一方の面に積層された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面に積層された金属層13とを備える。そして、このパワーモジュール用基板10の回路層12の表面に電子部品30がはんだ付けされ、金属層13の表面にヒートシンク20がはんだ付けされる。
The
セラミックス基板11は、例えばAlN(窒化アルミニウム)、Si3N4(窒化珪素)等の窒化物系セラミックス、もしくはAl2O3(アルミナ)等の酸化物系セラミックスにより形成され、本実施形態ではAlNを用いた。また、セラミックス基板11の厚さは0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では0.635mmに設定されている。
The
回路層12には、純度99質量%以上で、厚みを0.2mm以上3.0mm以下とするアルミニウムが用いられ、JIS規格では1000番台のアルミニウム、特に1N90(純度99.9質量%以上:いわゆる3Nアルミニウム)又は1N99(純度99.99質量%以上:いわゆる4Nアルミニウム)を用いることができる。また、回路層12には、アルミニウム以外にもアルミニウム合金や、銅又は銅合金を用いることもできる。本実施形態においては、回路層12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とされ、その厚みは0.4mmとされている。
Aluminum having a purity of 99% by mass or more and a thickness of 0.2 mm or more and 3.0 mm or less is used for the
また、金属層13は、Alが97質量%以上99.95質量%以下、Feが0.1質量%以上1.0質量%以下、Mnが2.0質量%以下とされるとともに、Feに対するMnの割合Mn/Feが0.5以上20以下の範囲で含有される、厚み0.1mm以上0.4mm未満のアルミニウム合金により形成される。本実施形態においては、金属層12は、Feを0.25質量%、Siを0.21質量%、Mnを1.05質量%、Cuを0.15質量%含有する3003系アルミニウム合金の圧延板からなるアルミニウム板とされ、その厚みは0.2mmとされている。
The
そして、これら回路層12及び金属層13とセラミックス基板11とは、Al‐Si系合金のろう材によりろう付けにより接合される。
The
なお、パワーモジュール100を構成する電子部品30は、回路層12の表面に形成されたNiめっき(不図示)上に、Sn‐Ag‐Cu系、Zn‐Al系、Sn‐Ag系、Sn‐Cu系、Sn‐Sb系もしくはPb‐Sn系等のはんだ材を用いて接合される。図1中の符号31が、そのはんだ接合層を示す。また、電子部品30と回路層12の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ(不図示)により接続される。
The
また、パワーモジュール用基板10に接合されるヒートシンク20としては、板状の放熱板、内部に冷媒が流通する冷却器、フィンが形成された冷液・空冷放熱器、ヒートパイプなど、熱の放散によって温度を下げることを目的とした金属部品が含まれる。ヒートシンク20は、アルミニウムやアルミニウム合金、純銅や銅合金、炭化ケイ素(SiC)の多孔体にアルミニウム又はアルミニウム合金を含浸して形成されたAlSiC系複合材料などによって構成される。本実施形態では、ヒートシンク20は無酸素銅により形成された板状の放熱板とされ、このヒートシンク20と金属層13とは、Sn‐Sb系、Sn‐Ag‐Cu‐Sb系等の無鉛系のはんだ材を用いて接合される。そして、図1中の符号21が、ヒートシンク20と金属層13とのはんだ接合層を示す。
Further, as the
次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板1の製造方法を説明する。
まず、図2に示すように、回路層12として4N‐Alからなるアルミニウム圧延板、金属層13として3003系アルミニウム合金のアルミニウム圧延板を準備する。3003系アルミニウム合金のアルミニウム圧延板には、Alが97質量%以上99.95質量%以下、Feが0.1質量%以上1.0質量%以下、Mnが2.0質量%以下とされるとともに、Feに対するMnの割合Mn/Feが0.5以上20以下の範囲で含有されている。そして、これらのアルミニウム圧延板を、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面にそれぞれAl‐Si系のろう材箔14を介して積層し、その積層方向に0.2MPa〜0.6MPaで加圧した状態で、600℃〜655℃のろう付け温度で加熱することによって、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面にアルミニウム圧延板が接合されたパワーモジュール用基板10を製造する。
Next, a method for manufacturing the power module substrate 1 with a heat sink will be described.
First, as shown in FIG. 2, an aluminum rolled plate made of 4N—Al is prepared as the
そして、このように構成されたパワーモジュール用基板10を、Sn‐Sb系、Sn‐Ag‐Cu‐Sb系等の無鉛系のはんだ材を用いて、300℃〜350℃の加熱温度でヒートシンク20に接合することにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板50を製造することができる。
Then, the
このようにして製造されるパワーモジュール用基板10及びヒートシンク付パワーモジュール用基板50においては、金属層13の厚みを0.1mm以上0.4mm未満として薄く設けた場合であっても、パワーモジュール用基板10とヒートシンク20とのはんだ付け時の接合性を損なうことなく、良好な接合信頼性を維持することができる。
In the
このように、金属層13にFeを含有することにより、剛性を高めることができ、その一方で、Mnを含むことにより、Feを含有することで引き起こされるろう材による金属層13の部分的な溶融を抑制することができるとともに、ボイドの発生を防ぐことができる。つまり、金属層13を構成するアルミニウム合金中に含まれるAl‐Fe‐Mnの析出物に、ろう材のSiが取り込まれることで、Siの過剰な拡散を抑えて金属層13の部分的な溶融を防止することができる。
したがって、パワーモジュール用基板10とヒートシンク20との間の熱抵抗を低減させることができ、熱サイクル負荷による接合信頼性を良好に維持することができる。
Thus, by including Fe in the
Therefore, the thermal resistance between the
なお、Feが1.0質量%、又はMnが2.0質量%を超えて含有される場合は、金属層13の剛性が高くなり、冷熱サイクル時にセラミックス基板11の割れを生じるおそれがある。また、Feが0.1質量%未満の含有量では、ろう付けによる部分的な溶融は発生しないが、金属層13の剛性が低くなることで金属層13の変形抵抗が低くなり、ヒートシンク20をはんだによって接合した場合、冷熱サイクル時にはんだ層にクラックが生じる。また、Feに対するMnの含有量が少ない場合には、ろう付けによるSiの拡散を抑制することができずに、金属層13に部分的な溶融を発生させるおそれがある。このため、Feに対するMnの割合Fe/Mnは、0.5以上20以下とされる。
In addition, when Fe contains 1.0 mass% or Mn exceeds 2.0 mass%, the rigidity of the
次に、本発明の効果を確認するために行った本発明例及び比較例について説明する。
本発明例及び比較例として、厚み0.4mmの4N‐Alからなる回路層12と、表1に示す組成の元素(Al、Fe、Mn、Si、Cu)を含有するアルミニウム又はアルミニウム合金により、表1の厚みtに形成された金属層13とを、厚み0.635mmのAlNからなるセラミックス基板に、厚み25μmのAl‐Si系のろう材箔14により接合したパワーモジュール用基板10の試料を作製した。なお、回路層12及び金属層13の平面サイズは37mm×37mmとし、セラミックス基板11の平面サイズは40mm×40mmとした。
また、各パワーモジュール用基板10の金属層13に、ヒートシンク20として厚み3mmの無酸素銅からなる放熱板を400μm厚のSn‐Ag‐Cu‐Sb系はんだ材によりはんだ付けして、ヒートシンク付パワーモジュール用基板50の試料を作製した。なお、放熱板の平面サイズは、70mm×70mmとした。
Next, examples of the present invention and comparative examples performed for confirming the effects of the present invention will be described.
As an example of the present invention and a comparative example, a
In addition, a heat sink made of oxygen-free copper having a thickness of 3 mm is soldered to the
そして、これらのヒートシンク付パワーモジュール用基板50の試料について、パワーモジュール用基板の製造時のろう付け時に生じる「セラミックス基板‐金属層界面のボイド」と、パワーモジュール用基板とヒートシンクとのはんだ接合後の冷熱サイクル時に生じる「セラミックス基板割れ」及び「はんだクラック」について評価した。
For these samples of the
「セラミックス基板‐金属層界面のボイド」の評価は、まず、超音波探傷装置により、金属層13とセラミックス基板11の接合界面の測定を行い、以下の式からボイド率を算出した。
ここで、超音波探傷像においてボイドは白色部で示されることから、この白色部の面積をボイド面積とした。
ボイド率(%)={(ボイド面積)/(金属層面積)}×100 そして、ボイド率が3%未満の良好な結果が得られたものを「○」、ボイド率が3%以上とされたものを「×」として評価した。
Evaluation of “void at the interface between the ceramic substrate and the metal layer” was performed by first measuring the bonding interface between the
Here, since the void is indicated by a white portion in the ultrasonic flaw detection image, the area of the white portion is defined as the void area.
Void ratio (%) = {(Void area) / (Metal layer area)} × 100 And “Good” indicates that the void ratio is less than 3%, and the void ratio is 3% or more. Were evaluated as “×”.
「セラミックス基板割れ」の評価は、冷熱サイクル試験を実施した後にセラミックス基板11の割れやクラックの発生の有無を確認した。
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、液相(フロリナート)で−40℃×5分←→125℃×5分を1000サイクル実施した。そして、セラミックス基板11の割れやクラックの発生の有無は、超音波探傷装置により回路層12とセラミックス基板11の接合界面を測定することで評価した。セラミックス基板11に割れやクラックが確認されずに良好な結果が得られたものを「○」と評価し、割れ等が確認されたものを「×」と評価した。
For the evaluation of “ceramic substrate crack”, the
In the thermal cycle test, a thermal shock tester TSPE-51 manufactured by Espec was used, and 1000 cycles of -40 ° C. × 5 minutes ← → 125 ° C. × 5 minutes were performed in the liquid phase (Fluorinert). The presence or absence of cracks or cracks in the
「はんだクラック」の評価は、超音波探傷装置により、金属層13とヒートシンク20のはんだ界面の測定を行い、以下の式からクラック進展率を算出した。
ここで、超音波探傷像においてはんだクラックは白色部で示されることから、この白色部の面積をクラック面積とした。
クラック進展率(%)={(クラック面積)/(金属層面積)}×100
そして、クラック進展率を10%未満とする良好な結果が得られたものを「○」、クラック進展率が10%以上のものを「×」として評価した。
表1に、各試料の評価結果を示す。
The evaluation of “solder crack” was performed by measuring the solder interface between the
Here, since the solder crack is shown by the white part in the ultrasonic flaw detection image, the area of this white part was made into the crack area.
Crack growth rate (%) = {(crack area) / (metal layer area)} × 100
And the thing with which the favorable result which makes a crack progress rate less than 10% was obtained was evaluated as "(circle)", and the thing with a crack progress rate of 10% or more was evaluated as "x".
Table 1 shows the evaluation results of each sample.
表1からわかるように、Alが97質量%以上99.95質量%以下、Feが1.0質量%以下、Mnが2.0質量%以下とされるとともに、Feに対するMnの割合Mn/Feが0.5以上20以下の範囲で含有される金属層を用いて作製された本発明例1〜9の試料においては、「セラミックス基板‐金属層界面のボイド」、「セラミックス基板割れ」及び「はんだクラック」の評価において、良好な結果が得られた。 As can be seen from Table 1, Al is 97 mass% or more and 99.95 mass% or less, Fe is 1.0 mass% or less, Mn is 2.0 mass% or less, and the ratio of Mn to Fe is Mn / Fe. In the samples of Examples 1 to 9 of the present invention produced using a metal layer contained in a range of 0.5 or more and 20 or less, “a void at the ceramic substrate-metal layer interface”, “ceramic substrate crack” and “ In the evaluation of “solder crack”, good results were obtained.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
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
13 金属層
14 ろう材箔
20 ヒートシンク
21 はんだ接合層
30 電子部品
31 はんだ接合層
50 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
100 パワーモジュール
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