JP2017084921A - パワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】回路層からの半導体素子の剥離を防止でき、冷熱サイクルでの信頼性の高いパワーモジュールを提供する。【解決手段】セラミックス基板１１の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の上面１２ａに搭載された半導体素子３０とを備えたパワーモジュールであって、半導体素子３０は、銀接合層３１を介して回路層１２の上面１２ａに接合されており、回路層１２の上面１２ａには、半導体素子３０の周縁部のうちの少なくともコーナー部分に、その周縁部に沿って凹溝部１５が設けられ、凹溝部１５の内周側面が、半導体素子３０の外周側面と面一、又は該外周側面よりも内側に配設されている。【選択図】 図１
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に関する。
パワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板の回路層は、絶縁基板であるセラミックス基板の一方の面に金属板を接合することにより形成される。なお、この種のパワーモジュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面にも熱伝導性に優れた金属板を接合することで金属層を設け、その金属層を介して放熱板を接合することも行われる。そして、パワーモジュール用基板の回路層の上面に、パワー素子等の半導体素子が搭載されることにより、パワーモジュールが製造される。
このようなパワーモジュール用基板において、回路層や金属層を構成する金属板に、アルミニウムやアルミニウム合金を使用することもあるが、一般には、銅又は銅合金が使用されることが多い。また、銅又は銅合金からなる回路層の上面に半導体素子を搭載するには、一般に、銀ペーストや酸化銀ペーストが用いられる。
例えば特許文献１では、酸化銀ペーストを用いており、酸化銀が還元されたＡｇの焼結体からなるＡｇ焼結層を介して回路層の上面に半導体素子が接合することが行われている。そして、特許文献１には、Ａｇ焼結層は、酸化銀が還元されることにより、非常に微細なＡｇ粒子が生成されており、この微細なＡｇ粒子が焼結することで、高温環境下でも十分な接合信頼性を維持できることが記載されている。また、Ａｇ焼結層は、銅又は銅合金からなる回路層と直接接合されていることから、Ａｇ焼結層と回路層との接合強度を高めることができ、冷熱サイクル時の熱応力に対しても十分な接合信頼性を得られることが記載されている。
例えば特許文献１では、酸化銀ペーストを用いており、酸化銀が還元されたＡｇの焼結体からなるＡｇ焼結層を介して回路層の上面に半導体素子が接合することが行われている。そして、特許文献１には、Ａｇ焼結層は、酸化銀が還元されることにより、非常に微細なＡｇ粒子が生成されており、この微細なＡｇ粒子が焼結することで、高温環境下でも十分な接合信頼性を維持できることが記載されている。また、Ａｇ焼結層は、銅又は銅合金からなる回路層と直接接合されていることから、Ａｇ焼結層と回路層との接合強度を高めることができ、冷熱サイクル時の熱応力に対しても十分な接合信頼性を得られることが記載されている。
しかし、半導体素子の使用温度が高くなるにつれて、冷熱サイクルはより一層大きくなっており、線膨張係数が比較的大きい銅又は銅合金からなる回路層には、冷熱サイクルによって大きな変形が生じる。そのため、半導体素子と回路層との熱膨張差によって、半導体素子が回路層から剥離しやすくなっており、パワーモジュールの信頼性を確保することが難しくなってきている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、回路層からの半導体素子の剥離を防止でき、冷熱サイクルでの信頼性の高いパワーモジュールを提供することを目的とする。
本発明のパワーモジュールは、セラミックス基板の一方の面に銅又は銅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と、前記回路層の上面に搭載された半導体素子とを備えたパワーモジュールであって、前記半導体素子は、銀接合層を介して前記回路層の上面に接合されており、前記回路層の上面には、前記半導体素子の周縁部のうちの少なくともコーナー部分に、該周縁部に沿って凹溝部が設けられ、該凹溝部の内周側面が、前記半導体素子の外周側面と面一、又は該外周側面よりも内側に配設されていることを特徴とする。
パワーモジュールの冷熱サイクルにおいて、半導体素子と回路層との熱膨張差により、銀接合層は引張力と圧縮力とを繰り返し受ける。この際、半導体素子のコーナー部分の銀接合層の端部において、応力が増大し、過大な歪みが発生するため、銀接合層の端部にクラックが生じることがあり、その結果、半導体素子が回路層から剥離される。
そこで、本発明のパワーモジュールでは、半導体素子の周縁部のうちの少なくともコーナー部分に、半導体素子の周縁部に沿って凹溝部を設けることにより、銀接合層の端部に発生する歪みを低減させることが可能である。これにより、回路層からの半導体素子の剥離を防止でき、パワーモジュールの冷熱サイクルでの信頼性を向上させることができる。
また、凹溝部は、半導体素子のコーナー部分に対応する回路層の上面に、部分的に形成するだけで十分に歪みを低減させることができるので、半導体素子の接合面積を十分に確保できるとともに、良好な放熱性能を維持できる。
そこで、本発明のパワーモジュールでは、半導体素子の周縁部のうちの少なくともコーナー部分に、半導体素子の周縁部に沿って凹溝部を設けることにより、銀接合層の端部に発生する歪みを低減させることが可能である。これにより、回路層からの半導体素子の剥離を防止でき、パワーモジュールの冷熱サイクルでの信頼性を向上させることができる。
また、凹溝部は、半導体素子のコーナー部分に対応する回路層の上面に、部分的に形成するだけで十分に歪みを低減させることができるので、半導体素子の接合面積を十分に確保できるとともに、良好な放熱性能を維持できる。
本発明のパワーモジュールにおいて、前記凹溝部の幅が５０μｍ以上とされ、前記凹溝部の深さが２５μｍ以上１００μｍ以下とされているとよい。
凹溝部の幅と深さを上記範囲に設定した場合に、さらに歪みを低減させることができる。
凹溝部の幅と深さを上記範囲に設定した場合に、さらに歪みを低減させることができる。
本発明によれば、回路層からの半導体素子の剥離を防止でき、パワーモジュールの信頼性を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
第１実施形態のパワーモジュール１００は、図１に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の上面１２ａに搭載された半導体素子３０と、半導体素子３０の搭載面とは反対側のパワーモジュール用基板１０の他方の面に配設された冷却器４０とを備えている。
第１実施形態のパワーモジュール１００は、図１に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の上面１２ａに搭載された半導体素子３０と、半導体素子３０の搭載面とは反対側のパワーモジュール用基板１０の他方の面に配設された冷却器４０とを備えている。
パワーモジュール用基板１０は、絶縁基板であるセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に配設された金属層１３とを備えている。
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を用いることができる。また、セラミックス基板１１の厚さは０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定することができる。
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を用いることができる。また、セラミックス基板１１の厚さは０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定することができる。
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、銅又は銅合金からなる金属板が接合されることにより形成されており、好ましくは純度が９９．９９質量％以上の無酸素銅の圧延板からなる銅板をセラミックス基板１１に接合することにより形成される。
また、回路層１２の上面１２ａには、図２に示すように、搭載される半導体素子３０の周縁部のうちの少なくともコーナー部分に、その周縁部に沿って、凹溝部１５が設けられている。なお、本実施形態のパワーモジュール１００では、図２に示すように、半導体素子３０の４箇所のコーナー部分に４つの凹溝部１５が設けられている。この凹溝部１５についての詳細は、後述する。
また、回路層１２の上面１２ａには、図２に示すように、搭載される半導体素子３０の周縁部のうちの少なくともコーナー部分に、その周縁部に沿って、凹溝部１５が設けられている。なお、本実施形態のパワーモジュール１００では、図２に示すように、半導体素子３０の４箇所のコーナー部分に４つの凹溝部１５が設けられている。この凹溝部１５についての詳細は、後述する。
そして、金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、銅又は銅合金、若しくはアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板が接合されることにより形成されている。アルミニウムとしては、例えば純度が９９．９９質量％以上のいわゆる４Ｎアルミニウムの圧延板からなるアルミニウム板を用いることができる。
また、冷却器４０は、パワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、本実施形態の冷却器４０は、パワーモジュール用基板１０の金属層１３が固定される天板部４１と、冷却媒体（例えば、冷却水）を流通するための流路４３が設けられた冷却部４２とからなる。
冷却器４０は、熱伝導性が良好な材料で構成されることが望ましく、本実施形態においては、アルミニウム合金（Ａ６０６３合金）により形成されている。また、パワーモジュール用基板１０が固定される冷却器４０としては、平板状のもの、熱間鍛造等によって多数のピン状フィンを一体に形成したもの、押出成形によって相互に平行な帯状フィンを一体に形成したもの等、適宜の形状のものを採用することができる。
なお、パワーモジュール用基板と冷却器４０とは、パワーモジュール用基板１０の金属層１３と冷却器４０の天板部４１との間に、例えばグリースを介在させ、パワーモジュール用基板１０と冷却器４０とをバネ等により押し付けて固定したり、パワーモジュール用基板１０を冷却器４０にはんだ付けして固定することも可能である。
冷却器４０は、熱伝導性が良好な材料で構成されることが望ましく、本実施形態においては、アルミニウム合金（Ａ６０６３合金）により形成されている。また、パワーモジュール用基板１０が固定される冷却器４０としては、平板状のもの、熱間鍛造等によって多数のピン状フィンを一体に形成したもの、押出成形によって相互に平行な帯状フィンを一体に形成したもの等、適宜の形状のものを採用することができる。
なお、パワーモジュール用基板と冷却器４０とは、パワーモジュール用基板１０の金属層１３と冷却器４０の天板部４１との間に、例えばグリースを介在させ、パワーモジュール用基板１０と冷却器４０とをバネ等により押し付けて固定したり、パワーモジュール用基板１０を冷却器４０にはんだ付けして固定することも可能である。
図３は、図１に示すパワーモジュール１００の回路層１２と半導体素子３０との接合部分の要部図である。図３に示すように、回路層１２と半導体素子３０との間には、銀接合層３１が形成されており、半導体素子３０は、銀接合層３１を介して回路層１２の上面１２ａに接合されている。また、銀接合層３１は、図１に示すように、回路層１２の上面１２ａ全体には形成されておらず、半導体素子３０が配設される部分にのみ選択的に形成されている。
銀接合層３１は、銀粒子が焼結された銀の焼結体とされており、銀粉末と樹脂等からなる銀ペーストを塗布して焼成することにより形成される。この銀接合層３１は、銀の体積密度が５５％〜９５％で、残部は気孔とされる。また、銀接合層３１の厚さは、５μｍ〜５０μｍに形成されている。
そして、回路層１２の上面１２ａには、前述したように、半導体素子３０の周縁部のうちの少なくともコーナー部分に、その周縁部に沿って凹溝部１５が設けられている。また、凹溝部１５の内周側面１５ｉは、半導体素子３０の外周側面３０ｏと面一、又は外周側面３０ｏよりも内側に配設されている。本実施形態では、凹溝部１５は、図２に示すように、半導体素子３０の４箇所のコーナー部分に４つの凹溝部１５が設けられ、各凹溝部１５の内周側面１５ｉは、図３に示すように、半導体素子３０の外周側面３０ｏと面一に設けられている。また、凹溝部１５は、好ましくは、幅Ｗが５０μｍ以上で、深さＨが２５μｍ以上１００μｍ以下に設けられているとよい。また、半導体素子３０の外周側面３０ｏと凹溝部１５の内周側面１５ｉとの距離Ｓ（シフト量Ｓ）は、０μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。
このように構成されたパワーモジュール１００を製造する方法について説明する。
＜パワーモジュール用基板の製造＞
まず、回路層１２となる銅板とセラミックス基板１１とを接合し、回路層１２を形成する。セラミックス基板１１の一方の面に、予めスクリーン印刷等によって銅部材接合用ペースト（Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ及び有機物を含有するペースト）を塗布して乾燥させておく。そして、乾燥させた銅部材接合用ペースト上に銅板を積層し、その積層方向に０．１ＭＰａ〜３．４ＭＰａで加圧した状態で真空加熱炉に装入して、７９０℃〜８５０℃に加熱する。そして、銅板とセラミックス基板１１との接合部をＣｕとＡｇとの反応によって溶融させた後、冷却することにより、溶融金属を凝固させて銅板とセラミックス基板１１とを接合して回路層１２を形成する。
＜パワーモジュール用基板の製造＞
まず、回路層１２となる銅板とセラミックス基板１１とを接合し、回路層１２を形成する。セラミックス基板１１の一方の面に、予めスクリーン印刷等によって銅部材接合用ペースト（Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ及び有機物を含有するペースト）を塗布して乾燥させておく。そして、乾燥させた銅部材接合用ペースト上に銅板を積層し、その積層方向に０．１ＭＰａ〜３．４ＭＰａで加圧した状態で真空加熱炉に装入して、７９０℃〜８５０℃に加熱する。そして、銅板とセラミックス基板１１との接合部をＣｕとＡｇとの反応によって溶融させた後、冷却することにより、溶融金属を凝固させて銅板とセラミックス基板１１とを接合して回路層１２を形成する。
次に、回路層１２の上面１２ａに、凹溝部１５を形成する。回路層１２の上面１２ａに、凹溝部１５を形成する部分を残してエッチングレジストインキを塗布し、紫外線を照射してエッチングレジストを形成することにより、パターニングを行う。なお、ドライフィルムレジストを貼り付けることにより、パターニングを行うこともできる。
そして、塩化第二銅や塩化第二鉄等の水溶液を用いてエッチング処理を行い、凹溝部１５を形成する。エッチングレジストは、凹溝部１５の形成後に水酸化ナトリウムで剥離する。
そして、塩化第二銅や塩化第二鉄等の水溶液を用いてエッチング処理を行い、凹溝部１５を形成する。エッチングレジストは、凹溝部１５の形成後に水酸化ナトリウムで剥離する。
凹溝部１５が形成された回路層１２とセラミックス基板１１との積層体に、金属層１３となるアルミニウム板を接合する。セラミックス基板１１の他方の面にＡｌ‐Ｓｉ系ろう材を介してアルミニウム板を積層し、その積層方向に０．１ＭＰａ〜３．４ＭＰａで加圧した状態で、真空加熱炉に装入して５５０℃〜６５０℃に加熱することによりろう材とアルミニウム板との一部を溶融させた後、冷却することにより溶融金属を凝固させてアルミニウム板とセラミックス基板１１とを接合して金属層１３を形成する。これにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が配設され、他方の面に金属層１３が配設されたパワーモジュール用基板１０が形成される。
＜冷却器の接合＞
パワーモジュール用基板１０の金属層１３に、Ａｌ‐Ｓｉ系ろう材を介して冷却器４０の天板部４１を重ねて積層し、その積層方向に０．１ＭＰａ〜３．４ＭＰａで加圧した状態で真空加熱炉に装入して、５５０℃〜６５０℃の加熱温度で加熱する。そして、ろう材と金属層１３の一部とを溶融させた後、冷却することにより、溶融金属を凝固させ、パワーモジュール用基板１０に冷却器４０を接合する。
パワーモジュール用基板１０の金属層１３に、Ａｌ‐Ｓｉ系ろう材を介して冷却器４０の天板部４１を重ねて積層し、その積層方向に０．１ＭＰａ〜３．４ＭＰａで加圧した状態で真空加熱炉に装入して、５５０℃〜６５０℃の加熱温度で加熱する。そして、ろう材と金属層１３の一部とを溶融させた後、冷却することにより、溶融金属を凝固させ、パワーモジュール用基板１０に冷却器４０を接合する。
＜半導体素子の搭載＞
回路層１２の上面１２ａに、スクリーン印刷法によって銀ペーストを直接塗布する。なお、銀ペーストは、スクリーン印刷法の他にも、オフセット印刷法、感光性プロセス等の種々の手段を採用できる。
銀ペーストは、粒径０．０５μｍ〜１００μｍの銀粉末と、樹脂と、溶剤とを含有するものであり、樹脂にはエチルセルロース等を用いることができ、溶剤にはα‐テルピネオール等を用いることができる。銀ペーストの組成としては、銀粉末の含有量を瓶ペースト全体の６０質量％以上９２質量％以下とし、樹脂の含有量を銀ペースト全体の１質量％以上１０質量％以下とし、残部を溶剤とするとよい。また、銀ペーストに、蟻酸銀、酢酸銀、プロピオン酸銀、シュウ酸銀等のカルボン酸系金属塩等の有機金属化合物粉末を銀ペースト全体の０質量％以上１０質量％以下含有させることもできる。また、必要に応じて、アルコールや有機酸等の還元剤を銀ペースト全体に対して、０質量％以上１０質量％以下含有させることもできる。
なお、この銀ペーストは、その粘度が１０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは３０Ｐａ・ｓ以上８０Ｐａ・ｓ以下に調整されており、回路層１２への部分的な塗布が容易で、作業性が良い。
回路層１２の上面１２ａに、スクリーン印刷法によって銀ペーストを直接塗布する。なお、銀ペーストは、スクリーン印刷法の他にも、オフセット印刷法、感光性プロセス等の種々の手段を採用できる。
銀ペーストは、粒径０．０５μｍ〜１００μｍの銀粉末と、樹脂と、溶剤とを含有するものであり、樹脂にはエチルセルロース等を用いることができ、溶剤にはα‐テルピネオール等を用いることができる。銀ペーストの組成としては、銀粉末の含有量を瓶ペースト全体の６０質量％以上９２質量％以下とし、樹脂の含有量を銀ペースト全体の１質量％以上１０質量％以下とし、残部を溶剤とするとよい。また、銀ペーストに、蟻酸銀、酢酸銀、プロピオン酸銀、シュウ酸銀等のカルボン酸系金属塩等の有機金属化合物粉末を銀ペースト全体の０質量％以上１０質量％以下含有させることもできる。また、必要に応じて、アルコールや有機酸等の還元剤を銀ペースト全体に対して、０質量％以上１０質量％以下含有させることもできる。
なお、この銀ペーストは、その粘度が１０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは３０Ｐａ・ｓ以上８０Ｐａ・ｓ以下に調整されており、回路層１２への部分的な塗布が容易で、作業性が良い。
この銀ペーストを回路層１２の上面１２ａに、スクリーン印刷法等によって厚さが１０μｍ〜４０μｍとなるように塗布し、乾燥した後、その銀ペースト層の上に半導体素子３０の下面を重ね合わせるようにして配置し、加熱炉内で、加圧力０ＭＰａ〜１０ＭＰａ、焼成温度１５０℃〜４００℃で加熱焼成することにより、回路層１２と半導体素子３０とが銀接合層３１を介して接合される。これにより、本実施形態のパワーモジュール１００が製造される。
このように構成したパワーモジュール１００は、半導体素子３０の周縁部のうちの少なくともコーナー部分に、半導体素子３０の周縁部に沿って凹溝部１５を設けているので、パワーモジュール１００の冷熱サイクルにおいて銀接合層３１の端部に生じる歪みを低減させることができる。したがって、回路層１２から半導体素子３０が剥離することを防止でき、パワーモジュール１００の冷熱サイクルにおける信頼性を向上させることができる。
そして、凹溝部１５は、図２に示すように、半導体素子３０のコーナー部分に対応する回路層１２の上面１２ａに、部分的に形成するだけで、銀接合層３１の端部の歪みを十分に低減させることができる。また、凹溝部１５の幅Ｗを５０μｍ以上とし、凹溝部１５の深さＨを２５μｍ以上１００μｍ以下の範囲に設定することで、冷熱サイクル時において、銀接合層３１の端部の歪みをさらに低減させることができる。したがって、パワーモジュール１００は、半導体素子３０の接合面積を十分に確保できるとともに、良好な放熱性能を維持できる。
また、半導体素子３０の搭載時に銀ペーストが凹溝部１５内に入り込み、銀接合層３１の一部が凹溝部１５内に付着した場合であっても、凹溝部１５の幅Ｗの全長が銀接合層３１により塞がれることがなく、凹溝部１５の外周側面１５ｏとの間に僅かな隙間が確保できていれば、その隙間によって、凹溝部１５による銀接合層３１の端部の歪みを低減させることができる。
なお、図４に示す第２実施形態のパワーモジュール１０１のように、凹溝部１５を半導体素子３０の周縁部の周囲を囲うように全周設けることで、銀接合層３１の端部の歪みをさらに低減させることができる。
なお、図４に示す第２実施形態のパワーモジュール１０１のように、凹溝部１５を半導体素子３０の周縁部の周囲を囲うように全周設けることで、銀接合層３１の端部の歪みをさらに低減させることができる。
また、上記の第１実施形態のパワーモジュール１００では、図３に示すように、凹溝部１５の内周側面１５ｉを、半導体素子３０の外周側面３０ｏと面一に配設していたが、図５に示すように、凹溝部１５の内周側面１５ｉを、半導体素子３０の外周側面３０ｏよりも内側に配設した場合でも、銀接合層３１の端部の歪みを低減させることができる。
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、上記以外の種々の変更を加えることも可能である。
例えば、上記実施形態において用いた銀ペーストの代わりに、酸化銀ペーストを用いることもできる。酸化銀ペーストは、酸化銀粉末と、還元剤と、樹脂と、溶剤とを含有しており、これらに加えて有機金属化合物粉末を含有している。酸化銀粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の６０質量％以上９２質量％以下とされ、還元剤の含有量が酸化銀ペースト全体の５質量％以上１５質量％以下とされ、有機金属化合物粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の０質量％以上１０質量％以下とされており、残部が溶剤とされている。このような、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いることによって、接合（焼結）時に、酸化銀を還元することにより析出する還元銀粒子が、例えば粒径１０ｎｍ〜１μｍと非常に微細であることから、緻密な銀接合層を形成することができる。
例えば、上記実施形態において用いた銀ペーストの代わりに、酸化銀ペーストを用いることもできる。酸化銀ペーストは、酸化銀粉末と、還元剤と、樹脂と、溶剤とを含有しており、これらに加えて有機金属化合物粉末を含有している。酸化銀粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の６０質量％以上９２質量％以下とされ、還元剤の含有量が酸化銀ペースト全体の５質量％以上１５質量％以下とされ、有機金属化合物粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の０質量％以上１０質量％以下とされており、残部が溶剤とされている。このような、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いることによって、接合（焼結）時に、酸化銀を還元することにより析出する還元銀粒子が、例えば粒径１０ｎｍ〜１μｍと非常に微細であることから、緻密な銀接合層を形成することができる。
また、上記実施形態では、回路層１２となる銅又は銅合金からなる金属板を、銅部材接合用ペーストを用いて接合していたが、この回路層１２となる銅又は銅合金からなる金属板をセラミックス基板１１に接合する際に、銅直接接合法（ＤＢＣ法）等を適用することもできる。
さらに、凹溝部１５は、エッチング処理を施すことにより形成したが、この他にも、ダイシングブレードによる加工等、他の加工方法によって形成することもできる。
また、金属層１３となるアルミニウム板をセラミックス基板１１に接合し、さらに冷却器４０を接合した後に、回路層１２の上面１２ａに銀接合層３１を形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、アルミニウム板をセラミックス基板１１に接合する前や、冷却器４０を接合する前に銀接合層３１を形成してもよい。
さらに、凹溝部１５は、エッチング処理を施すことにより形成したが、この他にも、ダイシングブレードによる加工等、他の加工方法によって形成することもできる。
また、金属層１３となるアルミニウム板をセラミックス基板１１に接合し、さらに冷却器４０を接合した後に、回路層１２の上面１２ａに銀接合層３１を形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、アルミニウム板をセラミックス基板１１に接合する前や、冷却器４０を接合する前に銀接合層３１を形成してもよい。
次に、本発明の効果確認のために、凹溝部の有無により冷熱サイクル時に生じる銀接合層歪みを確認する解析を行った。
図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、凹溝部を有しない回路層１２により構成された従来のパワーモジュールに対応するモデルＡ１（図６（ａ））と、回路層１２に凹溝部１５を形成したパワーモジュールのモデルＡ２（図６（ｂ）），モデルＡ３（図６（ｃ））とについて、２０℃から１５０℃まで加熱後、−４０℃まで冷却する過程を１サイクルとし、このサイクルを３サイクル行い、３サイクルの平均を１サイクル当たりの累積歪みとする解析を行った。
ここで、冷熱サイクルによる銀接合層と回路層の剥離に対する寿命は、以下の式（１）で表されるマンソン・コフィン則に従う。
Δεｐ×Ｎｆｂ＝Ｃ ・・・（１）
ただし、Δεｐは塑性ひずみ振幅、Ｎｆは疲労寿命、Ｃは材質に基づく定数である。
この式（１）によれば、銀接合層と回路層の剥離に対する寿命を延ばすためには、塑性ひずみ振幅を小さくする必要があることがわかる。このような理由により、冷熱サイクルを付加した場合における、銀接合層の塑性ひずみ振幅を算出して、算出した塑性ひずみ振幅に基づき、寿命がどの程度改善されたのかを知ることができる。本発明においては、塑性ひずみ振幅（Δεｐ）を累積歪みとしている。
ここで、冷熱サイクルによる銀接合層と回路層の剥離に対する寿命は、以下の式（１）で表されるマンソン・コフィン則に従う。
Δεｐ×Ｎｆｂ＝Ｃ ・・・（１）
ただし、Δεｐは塑性ひずみ振幅、Ｎｆは疲労寿命、Ｃは材質に基づく定数である。
この式（１）によれば、銀接合層と回路層の剥離に対する寿命を延ばすためには、塑性ひずみ振幅を小さくする必要があることがわかる。このような理由により、冷熱サイクルを付加した場合における、銀接合層の塑性ひずみ振幅を算出して、算出した塑性ひずみ振幅に基づき、寿命がどの程度改善されたのかを知ることができる。本発明においては、塑性ひずみ振幅（Δεｐ）を累積歪みとしている。
各モデルＡ１，Ａ２，Ａ３を構成する回路層１２等の寸法は、以下のように設定した。〔モデルの共通条件〕
回路層：３０ｍｍ×３０ｍｍで厚さ０．３ｍｍの無酸素銅
セラミックス基板：３２ｍｍ×３２ｍｍで厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ
金属層：３０ｍｍ×３０ｍｍで厚さ０．３ｍｍの無酸素銅
半導体素子：５ｍｍ×５ｍｍ
銀接合層：厚さ３０μｍ
回路層：３０ｍｍ×３０ｍｍで厚さ０．３ｍｍの無酸素銅
セラミックス基板：３２ｍｍ×３２ｍｍで厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ
金属層：３０ｍｍ×３０ｍｍで厚さ０．３ｍｍの無酸素銅
半導体素子：５ｍｍ×５ｍｍ
銀接合層：厚さ３０μｍ
図６（ａ）のモデルＡ１は、回路層１２に凹溝部を設けることなく、半導体素子３０の下面全体が回路層１２の上面１２ａに一定の厚みの銀接合層３１を介して接合されたものである。また、図６（ｂ）のモデルＡ２は、半導体素子３０の外周側面３０ｏと、凹溝部１５の外周側面１５ｏとを面一に設け、凹溝部１５の内周側面１５ｉを半導体素子３０の内側に配設し、凹溝部１５内に銀接合層３１を充填することにより、半導体素子３０の下面全体が回路層１２の上面１２ａに銀接合層３１を介して接合されている。そして、図６（ｃ）のモデルＡ３は、半導体素子３０の外周側面３０ｏと、凹溝部１５の内周側面１５ｉとを面一に設け、凹溝部１５の外周側面１５ｏを半導体素子３０の外側に配設し、凹溝部１５内に銀接合層３１を充填することなく、半導体素子３０の下面全体が回路層１２の上面１２ａに銀接合層３１を介して接合されている。また、モデルＡ２とモデルＡ３の凹溝部１５は、いずれも半導体素子３０の周縁部の周囲全体を囲うように形成し、各凹溝部１５の寸法は、幅Ｗ３０μｍ×深さＨ３０μｍに設定した。
これらのモデルＡ１，Ａ２，Ａ３について、３サイクルの冷熱サイクルを付与した場合の銀接合層３１に生じる１サイクル当たりの累積歪みを解析した。その結果、いずれのモデルにＡ１，Ａ２，Ａ３おいても、半導体素子３０のコーナー部分の銀接合層３１の端部において、最大の累積歪みが生じていることが確認できた。また、基準となるモデルＡ１についての１サイクル当たりの累積歪みを１とした場合に、モデルＡ２の１サイクル当たりの累積歪みの結果（１サイクル当たりの累積歪みの相対量）はモデルＡ１と同様に１となり累積歪みを低減できなかったが、モデルＡ３では１サイクル当たりの累積歪みの相対量が０．８程度に低減できることが確認できた。
〔凹溝部の寸法の検討〕
次に、図７（ａ）のモデルＢ１と、図７（ｂ）に示すモデルＢ２とについて、それぞれ凹溝部１５の幅Ｗのみを変量した場合と、凹溝部１５の深さＨのみを変量した場合の銀接合層３１に生じる累積歪みの変化を解析した。なお、モデルＢ１とモデルＢ２の凹溝部１５は、いずれも半導体素子３０の周縁部の周囲全体を囲うように形成し、銀接合層３１を凹溝部１５内に浸入させることなく、凹溝部１５の内周側面１５ｉよりも内側の回路層１２の上面１２ａにおいて、銀接合層３１を介して半導体素子３０を接合する構成とした。
次に、図７（ａ）のモデルＢ１と、図７（ｂ）に示すモデルＢ２とについて、それぞれ凹溝部１５の幅Ｗのみを変量した場合と、凹溝部１５の深さＨのみを変量した場合の銀接合層３１に生じる累積歪みの変化を解析した。なお、モデルＢ１とモデルＢ２の凹溝部１５は、いずれも半導体素子３０の周縁部の周囲全体を囲うように形成し、銀接合層３１を凹溝部１５内に浸入させることなく、凹溝部１５の内周側面１５ｉよりも内側の回路層１２の上面１２ａにおいて、銀接合層３１を介して半導体素子３０を接合する構成とした。
そして、図７（ａ）のモデルＢ１では、半導体素子３０の外周側面３０ｏと、凹溝部１５の内周側面１５ｉとを面一に設け、凹溝部１５の外周側面１５ｏを半導体素子３０の外側に配設した。そして、このモデルＢ１について、幅Ｗを５０μｍに固定し、深さＨを２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、２００μｍと変量した場合の解析と、深さＨを５０μｍに固定し、凹溝部１５の外周側面１５ｏを外側に移動させて幅Ｗを５０μｍ、１００μｍ、２００μｍと変量した場合の２つの解析を行った。
また、図７（ｂ）のモデルＢ２では、半導体素子３０の外周側面３０ｏと、凹溝部１５の外周側面１５ｏとを面一に設け、凹溝部１５の内周側面１５ｉを半導体素子３０の内側に配設した。そして、このモデルＢ２について、幅Ｗを５０μｍに固定し、深さＨを２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍと変量した場合の解析と、深さＨを５０μｍに固定し、凹溝部１５の内周側面１５ｉを内側に移動させて幅Ｗを５０μｍ、１００μｍと変量した場合の２つの解析を行った。
また、図７（ｂ）のモデルＢ２では、半導体素子３０の外周側面３０ｏと、凹溝部１５の外周側面１５ｏとを面一に設け、凹溝部１５の内周側面１５ｉを半導体素子３０の内側に配設した。そして、このモデルＢ２について、幅Ｗを５０μｍに固定し、深さＨを２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍと変量した場合の解析と、深さＨを５０μｍに固定し、凹溝部１５の内周側面１５ｉを内側に移動させて幅Ｗを５０μｍ、１００μｍと変量した場合の２つの解析を行った。
これらの結果を、図８〜図１１のグラフに示す。なお、図８〜図１１では、凹溝部１５の幅Ｗが０、又は深さＨが０の場合は、凹溝部を有しない基準となるモデルＡ１（図６（ａ））の結果を示している。そして、図８〜図１１には、基準となるモデルＡ１の１サイクル当たりの累積歪みを１とした場合の各モデルＢ１，Ｂ２の１サイクル当たりの累積歪み相対量の変化が表されている。
図８〜図１１の結果からわかるように、凹溝部１５の内周側面１５ｉを、半導体素子３０の外周側面３０ｏと面一、又は外周側面３０ｏよりも内側に配設した場合のいずれであっても、凹溝部１５を形成することで、凹溝部を有しない場合（１サイクル当たりの累積歪み相対量が１の場合）と比較して累積歪みを低減することができる。
また、半導体素子３０の外周側面３０ｏと凹溝部１５の内周側面１５ｉとを面一にした凹溝部１５を有するモデルＢ１（図７（ａ））では、図８からわかるように、幅Ｗを５０μｍに固定して深さＨを変量した場合において、深さＨを２５μｍ以上１００μｍ以下の範囲に設定した場合に、１サイクル当たりの累積歪み相対量を０．７程度とすることができ、深さＨを２００μｍにした場合と比べて、累積歪みを低減できることがわかった。また、深さＨを２５μｍ以上７５μｍ以下の範囲に設定した場合は、１サイクル当たりの累積歪み相対量を０．６程度とすることができる。
また、図９からわかるように、モデルＢ１において、凹溝部１５の深さＨを５０μｍに固定し、幅Ｗを変量した場合には、幅Ｗが５０μｍ、１００μｍ、２００μｍのいずれにおいても、１サイクル当たりの累積歪み相対量を０．６程度に低減することができた。
また、半導体素子３０の外周側面３０ｏと凹溝部１５の内周側面１５ｉとを面一にした凹溝部１５を有するモデルＢ１（図７（ａ））では、図８からわかるように、幅Ｗを５０μｍに固定して深さＨを変量した場合において、深さＨを２５μｍ以上１００μｍ以下の範囲に設定した場合に、１サイクル当たりの累積歪み相対量を０．７程度とすることができ、深さＨを２００μｍにした場合と比べて、累積歪みを低減できることがわかった。また、深さＨを２５μｍ以上７５μｍ以下の範囲に設定した場合は、１サイクル当たりの累積歪み相対量を０．６程度とすることができる。
また、図９からわかるように、モデルＢ１において、凹溝部１５の深さＨを５０μｍに固定し、幅Ｗを変量した場合には、幅Ｗが５０μｍ、１００μｍ、２００μｍのいずれにおいても、１サイクル当たりの累積歪み相対量を０．６程度に低減することができた。
また、半導体素子３０の外周側面３０ｏと凹溝部１５の外周側面１５ｏとを面一にしたモデルＢ２（図７（ｂ））では、図１０からわかるように、凹溝部１５の幅Ｗを５０μｍに固定し、深さＨを変量した場合において、深さＨが２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍのいずれの場合においても、１サイクル当たりの累積歪み相対量を０．６程度に低減することができた。
そして、図１１からわかるように、モデルＢ２において、凹溝部１５の深さＨを５０μｍに固定し、幅Ｗを変量した場合には、幅Ｗが５０μｍ、１００μｍのいずれにおいても、１サイクル当たりの累積歪み相対量を０．６程度に低減することができた。
そして、図１１からわかるように、モデルＢ２において、凹溝部１５の深さＨを５０μｍに固定し、幅Ｗを変量した場合には、幅Ｗが５０μｍ、１００μｍのいずれにおいても、１サイクル当たりの累積歪み相対量を０．６程度に低減することができた。
〔凹溝部の形成位置の検討〕
次に、凹溝部１５の寸法を幅Ｗ５０μｍ×深さＨ５０μｍに固定したモデルＣ１について、図１２（ａ）に示すように、半導体素子３０の外周側面３０ｏに対して凹溝部１５の位置を外側に変化させた場合と、図１２（ｂ）に示すように、半導体素子３０の外周側面３０ｏに対して凹溝部１５の位置を内側に変化させた場合の解析を行った。なお、モデルＣ１の凹溝部１５は、半導体素子３０の周縁部の周囲全体を囲うように形成し、銀接合層３１を凹溝部１５内に浸入させることなく、凹溝部１５の内周側面１５ｉよりも内側の回路層１２の上面１２ａにおいて、銀接合層３１を介して半導体素子３０を接合する構成とした。結果を図１３に示す。
次に、凹溝部１５の寸法を幅Ｗ５０μｍ×深さＨ５０μｍに固定したモデルＣ１について、図１２（ａ）に示すように、半導体素子３０の外周側面３０ｏに対して凹溝部１５の位置を外側に変化させた場合と、図１２（ｂ）に示すように、半導体素子３０の外周側面３０ｏに対して凹溝部１５の位置を内側に変化させた場合の解析を行った。なお、モデルＣ１の凹溝部１５は、半導体素子３０の周縁部の周囲全体を囲うように形成し、銀接合層３１を凹溝部１５内に浸入させることなく、凹溝部１５の内周側面１５ｉよりも内側の回路層１２の上面１２ａにおいて、銀接合層３１を介して半導体素子３０を接合する構成とした。結果を図１３に示す。
図１３のシフト量Ｓは、半導体素子３０の外周側面３０ｏと凹溝部１５の内周側面１５ｉとの距離を表しており、シフト量Ｓが０の場合は、図７（ａ）に示すように、半導体素子３０の外周側面３０ｏと凹溝部１５の内周側面１５ｉとを面一に配設した場合を表す。つまり、シフト量Ｓがプラス（＋）の場合が、図１２（ｂ）に示すように、凹溝部１５の位置を半導体素子３０の内側に変化させたことを表し、シフト量Ｓがマイナス（−）の場合が、図１２（ａ）に示すように、凹溝部１５の位置を半導体素子３０の外側に変化させたことを表す。
図１３からわかるように、凹溝部１５の内周側面１５ｉを、図１２（ａ）に示すように、半導体素子３０の外周側面３０ｏよりも外側に配設した場合には、凹溝部を有しない場合（１サイクル当たりの累積歪み相対量が１の場合）と比較して、累積歪みが増加する結果となった。
一方、図７（ａ）に示すように、半導体素子３０の外周側面３０ｏと凹溝部１５の内周側面１５ｉとを面一に配設した場合と、図１２（ｂ）に示すように、凹溝部１５の内周側面１５ｉを半導体素子３０の外周側面３０ｏよりも内側に配設した場合には、１サイクル当たりの累積歪み相対量を０．６程度に低減できることがわかった。
一方、図７（ａ）に示すように、半導体素子３０の外周側面３０ｏと凹溝部１５の内周側面１５ｉとを面一に配設した場合と、図１２（ｂ）に示すように、凹溝部１５の内周側面１５ｉを半導体素子３０の外周側面３０ｏよりも内側に配設した場合には、１サイクル当たりの累積歪み相対量を０．６程度に低減できることがわかった。
〔凹溝部の長さの検討〕
図１４（ａ），（ｂ）に示すモデルＤ１について、凹溝部１５の長さＬを変量した場合の銀接合層３１に生じる累積歪みの変化を解析した。
モデルＤ１は、図１４（ａ）に示すように、半導体素子３０の４箇所のコーナー部分に４つの凹溝部１５を設けたモデルであり、各凹溝部１５は、図１４（ｂ）に示すように、半導体素子３０の外周側面３０ｏと、凹溝部１５の内周側面１５ｉとを面一に設け、凹溝部１５の外周側面１５ｏを半導体素子３０の外側に配設した。そして、各凹溝部１５の寸法は、幅Ｗ５０μｍ×深さＨ５０μｍに固定し、凹溝部１５の長さＬのみを５０μｍ、１００μｍ、１０００μｍ、２５００μｍに変量した場合の解析を行った。結果を図１５のグラフに示す。
図１４（ａ），（ｂ）に示すモデルＤ１について、凹溝部１５の長さＬを変量した場合の銀接合層３１に生じる累積歪みの変化を解析した。
モデルＤ１は、図１４（ａ）に示すように、半導体素子３０の４箇所のコーナー部分に４つの凹溝部１５を設けたモデルであり、各凹溝部１５は、図１４（ｂ）に示すように、半導体素子３０の外周側面３０ｏと、凹溝部１５の内周側面１５ｉとを面一に設け、凹溝部１５の外周側面１５ｏを半導体素子３０の外側に配設した。そして、各凹溝部１５の寸法は、幅Ｗ５０μｍ×深さＨ５０μｍに固定し、凹溝部１５の長さＬのみを５０μｍ、１００μｍ、１０００μｍ、２５００μｍに変量した場合の解析を行った。結果を図１５のグラフに示す。
なお、図１５において、凹溝部１５の長さＬが０の場合は、凹溝部を有しない基準となるモデルＡ１（図６（ａ））の結果を示しており、図１５には、この基準となるモデルＡ１の１サイクル当たりの累積歪みを１とした場合の各モデルの１サイクル当たりの累積歪み相対量の変化が表されている。また、半導体素子３０の一辺の長さＬ０は、５ｍｍ（５０００μｍ）であり、凹溝部１５の長さＬが２５００μｍの場合は、各コーナー部分に形成された４つの凹溝部１５どうしがぞれぞれ接続された状態になるので、図４に示すように、凹溝部１５が半導体素子３０の周縁部の全周に設けられた状態となる。
図１５からわかるように、半導体素子３０のコーナー部分に、長さＬが５０μｍの小さな凹溝部１５を設けた場合であっても、凹溝部を有しない場合（１サイクル当たりの累積歪み相対量が１の場合）と比較して、１サイクル当たりの累積歪み相対量を０．６５程度まで低減させることができ、凹溝部１５の長さＬを長くするほど、累積歪みを低減できることがわかった。
以上の結果から、凹溝部１５の内周側面１５ｉを、半導体素子３０の外周側面３０ｏと面一、又は外周側面３０ｏよりも内側に配設することで、銀接合層３１の端部に生じる累積歪みを低減できること、すなわち銀接合層３１の端部に生じる歪みを低減することができることが確認できた。また、凹溝部１５は、半導体素子３０のコーナー部分に対応する回路層１２の上面１２ａに、部分的に形成するだけで、銀接合層３１の端部に生じる歪みを十分に低減できることが確認された。さらに、凹溝部１５の幅Ｗを５０μｍ以上とし、凹溝部１５の深さＨを２５μｍ以上１００μｍ以下の範囲に設定することで、銀接合層３１の端部に生じる歪みをさらに低減できることが確認できた。
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
１２ａ 上面
１３ 金属層
１５ 凹溝部
３０ 半導体素子
３１ 銀接合層
４０ 冷却器
１００，１０１ パワーモジュール
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１２ａ 上面
１３ 金属層
１５ 凹溝部
３０ 半導体素子
３１ 銀接合層
４０ 冷却器
１００，１０１ パワーモジュール
Claims (2)
- セラミックス基板の一方の面に銅又は銅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と、前記回路層の上面に搭載された半導体素子とを備えたパワーモジュールであって、
前記半導体素子は、銀接合層を介して前記回路層の上面に接合されており、
前記回路層の上面には、前記半導体素子の周縁部のうちの少なくともコーナー部分に、該周縁部に沿って凹溝部が設けられ、該凹溝部の内周側面が、前記半導体素子の外周側面と面一、又は該外周側面よりも内側に配設されていることを特徴とするパワーモジュール。 - 前記凹溝部の幅が５０μｍ以上とされ、前記凹溝部の深さが２５μｍ以上１００μｍ以下とされていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
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