JP2017088439A - セラミックス/アルミニウム接合体、パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュール - Google Patents
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Abstract
Description
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等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)、Al2O3(アルミナ)などからなる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導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備え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。なお、パワー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金属板を接合して金属層が形成したものも提供されている。
このようなパワーモジュール用基板においては、回路層の上に、はんだ層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して使用される。また、金属層側には、はんだを介して銅製のヒートシンクが接合されることもある。
これらのセラミックス回路基板においては、偏在させたMgによって接合を阻害する酸化物を除去することにより、セラミックス基板とアルミニウム板との接合性の向上を図っている。
さらに、接合界面から前記アルミニウム部材側に10μm離間した位置におけるMg量[Mg]Iが0.8mass%以下とされているので、アルミニウム部材自体が硬くなることを抑制でき、アルミニウム部材の変形抵抗が上昇してしまうことを抑制できる。
この場合、前記偏析部において、Cu量が1.2mass%以下、Fe量が0.6mass%以下に制限されているので、アルミニウム部材のうちセラミックス部材との接合界面近傍が、過剰に硬くなることを抑制でき、セラミックス部材に亀裂等が生じることを抑制できる。
さらに、接合界面から前記アルミニウム板側に10μm離間した位置におけるMg量[Mg]Iが0.8mass%以下とされているので、アルミニウム板の変形抵抗が高くなることを抑制できる。
この場合、前記偏析部において、Cu量が1.2mass%以下、Fe量が0.6mass%以下に制限されているので、アルミニウム板のうちセラミックス基板との接合界面近傍が、過剰に硬くなることを抑制でき、このパワーモジュール用基板に冷熱サイクルを負荷した際に、セラミックス基板に亀裂等が生じることを抑制できる。
この構成のパワーモジュールにおいては、上述のパワーモジュール用基板を備えているので、セラミックス基板とアルミニウム板とが強固に接合されており、信頼性に特に優れている。
このパワーモジュール1は、回路層12及び金属層13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)に第1はんだ層2を介して接合された半導体素子3と、金属層13の他方の面(図1において下面)に第2はんだ層4を介して接合されたヒートシンク40と、を備えている。
ここで、第1はんだ層2及び第2はんだ層4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。なお、本実施形態では、回路層12と第1はんだ層2との間、及び、金属層13と第2はんだ層4との間にNiめっき層(図示なし)が設けられている。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
放熱板41は、前述のパワーモジュール用基板10からの熱を面方向に拡げるものであり、本実施形態では、熱伝導性に優れた銅板とされている。
冷却器42は、図1に示すように、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路43を備えている。冷却器42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(アルミニウム合金)で構成されている。
なお、放熱板41と冷却器42とは、図1に示すように、固定ネジ45によって締結されている。
なお、観察されたMg含有酸化物36については、以下の方法により確認できる。
接合界面を透過型電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM、加速電圧200kV)を用いて電子回折図形を、エネルギー分散型X線分析法(サーモサイエンティフィック社製NSS7)を用いて組成を分析した後、電子回折図形からスピネル構造と同定された領域かつ組成がMg=6〜12at%,O=30〜60at%,Al=残部となっている領域をMg含有酸化物36とした。なお、電子回折図形は、1nm程度に絞った電子ビームを照射することで得た(NBD法)。
ここで、偏析部31におけるMg量[Mg]S,Si量[Si]S,O量[O]Sと、接合界面30から回路層12側及び金属層13側にH=10μm離間した位置におけるMg量[Mg]I,Si量[Si]I,O量[O]Iとの比が、それぞれ、1<[Mg]S/[Mg]I≦15,1<[Si]S/[Si]I≦25,1<[O]S/[O]I≦25の範囲内とされている。
なお、偏析部31におけるMg量[Mg]Sが0.1mass%以上1.5mass%以下の範囲内、Si量[Si]Sが0.1mass%以上2.5mass%以下の範囲内、O量[O]Sが1.5mass%以上15mass%以下の範囲内とされている。
さらに、本実施形態においては、偏析部31におけるCu量が1.2mass%以下、Fe量が0.6mass%以下とされている。
まず、アルミニウム板22,23とセラミックス基板11とを接合し、回路層12及び金属層13を形成する。
本実施形態では、図3に示すように、回路層及び金属層形成工程S01は、積層工程S11と加熱工程S12と溶融金属凝固工程S13と、を備えている。
この加圧装置50においては、ガイドポスト52の熱膨張係数が、付勢手段55の熱膨張係数よりも大きく設定されており、室温で加圧した状態で接合温度まで加熱すると、加圧荷重が低下するおそれがある。
ここで、上述の接合温度における加圧荷重が0.01kgf/cm2未満の場合には、セラミックス基板11の反りを矯正することができないおそれがある。また、溶融金属領域が形成された時点でアルミニウム板22,23の位置ズレが生じるおそれがある。一方、上述の接合温度における加圧荷重が1.0kgf/cm2以上の場合には、接合界面におけるMgの偏析量が多くなり過ぎて、接合信頼性が低下してしまうおそれがある。
以上のことから、本実施形態においては、上述の接合温度における加圧荷重が0.01kgf/cm2以上1.0kgf/cm2未満の範囲内とされている。
これにより、セラミックス基板11に回路層12及び金属層13が形成されたパワーモジュール用基板10が製造される。
次に、このパワーモジュール用基板10の金属層13の他方の面(セラミックス基板11とは反対側の面)に、第2はんだ層4を介して放熱板41を接合するとともに、この放熱板41を固定ネジ45によって冷却器42に締結する。これにより、ヒートシンク40とパワーモジュール用基板10とが接合される。
また、回路層12の一方の面(セラミックス基板11とは反対側の面)に第1はんだ層2を介して半導体素子3を搭載する。これにより、本実施形態であるパワーモジュール1が製出される。
さらに、接合界面30から厚さ方向に2μmの範囲内におけるMg含有酸化物36の面積率が18%以下とされているので、Mg含有酸化物36が過剰に存在せず、接合界面30近傍におけるクラックの発生等を抑制することができる。
また、回路層12及び金属層13のうちセラミックス基板11との接合界面30近傍が、過剰に硬くなることを抑制でき、このパワーモジュール用基板10に冷熱サイクルを負荷した際に、セラミックス基板11に亀裂等が生じることを抑制できる。
このため、本実施形態においては、偏析部31におけるMg量[Mg]S,Si量[Si]S,O量[O]Sと、接合界面30から回路層12側及び金属層13側にH=10μm離間した位置におけるMg量[Mg]I,Si量[Si]I,O量[O]I、との比を、それぞれ、1<[Mg]S/[Mg]I≦15,1<[Si]S/[Si]I≦25,1<[O]S/[O]I≦25の範囲内に設定している。
特に、本実施形態においては、偏析部31において、Cu量が1.2mass%以下、Fe量が0.6mass%以下に制限されているので、回路層12及び金属層13のうちセラミックス基板11との接合界面30近傍が、過剰に硬くなることを抑制でき、セラミックス基板11に亀裂等が生じることを抑制できる。
例えば、本実施形態では、パワーモジュール用基板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、AlNからなるセラミックス部材とアルミニウム部材とを接合してなるセラミックス/アルミニウム接合体であればよい。
具体的には、金属層がアルミニウム板で構成されている場合であれば、回路層を、銅又は銅合金からなる銅板、アルミニウムと銅との積層板等で構成してもよい。また、回路層がアルミニウム板で構成されている場合であれば、金属層を、銅又は銅合金からなる銅板、アルミニウムと銅との積層板等で構成してもよいし、金属層自体を形成しない構造としてもよい。
また、ヒートシンクは、本実施形態で例示してものに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
回路層を構成するアルミニウム板として、表1に示す組成及び厚さの圧延板(37mm×37mm)を準備した。
また、セラミックス基板として、表1に示す組成及び厚さのもの(40mm×40mm)を準備した。
さらに、金属層を構成するアルミニウム板として、純度99.99mass%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)の圧延板(37mm×37mm×厚さ1.6mm)を準備した。
偏析層の組成([Mg]S,[Si]S,[O]S,Cu,Fe)及び回路層内の組成([Mg]I,[Si]I,[O]I)は次の方法で測定した。
得られたパワーモジュール用基板を積層方向に機械切断し、得られた断面を厚さ約50μmまで機械研磨し、断面試料とする。その後、接合界面付近に4kVのアルゴンイオンを上下(積層方向と垂直の面)から4度の角度で入射させ、スパッタリングで断面試料に穴が開くまで薄片化する。穴の縁がエッジ状になって電子線が透過可能な厚さ0.1μm程度となるので、この部分をTEM及びEDSで測定し、偏析層の組成を測定した。
TEM及びEDSの測定は、FEI社製Titan ChemiSTEM(EDS検出器付)、加速電圧:200kV、ビーム径:1nm、倍率:100万倍で行った。
また、接合界面から10μmアルミニウム板側に離間した位置における組成を回路層内の組成とした。
測定は5箇所行い、その平均値を組成とした。 評価結果を表2に示す。
セラミックス基板と金属層との接合界面から厚さ方向に2μmの範囲内を、透過型電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM、加速電圧200kV)を用いて電子回折図形を、エネルギー分散型X線分析法(サーモサイエンティフィック社製NSS7)を用いて組成を分析した後、電子回折図形からスピネル構造と同定された領域かつ組成がMg=6〜12at%,O=30〜60at%,Al=残部となっている領域をMg含有酸化物とし、Mg含有酸化物の有無を調べた。なお、電子回折図形は、1nm程度に絞った電子ビームを照射することで得た(NBD法)。
次に、セラミックス基板と金属層との接合界面から厚さ方向に2μmの範囲内を、透過型電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM)を用い、倍率10000倍でN及びMgのマッピングを行い、Nの検出される領域とされない領域の境界を接合界面とし、MgのマッピングからMg濃度6〜12at%の領域をMg含有酸化物とし、2値化後に、Mg含有酸化物の面積を測定面積で割ることにより、Mg含有酸化物の面積率を求めた。測定は5ヶ所行い、その平均値を面積率とした。
スピネル結晶構造を有するMg含有酸化物の接合界面から厚さ方向に2μmの範囲内における面積率を表3に示す。
上述のパワーモジュール用基板の金属層の他方の面側にヒートシンクを接合した。ヒートシンクは、50mm×60mm×5mmtのA3003合金のアルミニウム板とした。接合条件は、Al−Siろう箔を用いて、3.0kgf/cm2で加圧した状態で、真空中にて、610℃で加熱することによる接合とした。
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。
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金属層の面積(37mm×37mm)とした。超音波探傷像を二値化処理した画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)
上述の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。測定条件を以下に示す。2000サイクル後に、セラミックス基板の割れの有無を、超音波探傷装置を用いて確認した。評価結果を表3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 ←→ 150℃×5分
一方、Mg,Si,Oの比が本発明の範囲内より小さい比較例1,4,6では接合率の低下が確認された。Mg,Si,Oの比が本発明の範囲内より大きい比較例2,5,7や、[Mg]Iが0.8mass%を超えた比較例3では、セラミックス基板の割れが確認された。また、セラミックス基板にAl2O3を用いた比較例8では、[Mg]S/[Mg]Iが本発明の範囲外となり、冷熱サイクル試験後の接合率が低下した。
11 セラミックス基板(セラミックス部材)
12 回路層(アルミニウム部材)
13 金属層(アルミニウム部材)
24 Al−Si−Mg系ろう材
25 Al−Si−Mg系ろう材
Claims (5)
- AlNからなるセラミックス部材と、アルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス/アルミニウム接合体であって、
前記アルミニウム部材のうち前記セラミックス部材との接合界面から厚さ方向に2μmの範囲内に、スピネル結晶構造を有するMg含有酸化物が分散しており、
前記アルミニウム部材のうち前記セラミックス部材との接合界面近傍領域に、Mg,Si,Oが偏析した偏析部を有し、
前記偏析部におけるMg量[Mg]S,Si量[Si]S,O量[O]Sと、接合界面から前記アルミニウム部材側に10μm離間した位置におけるMg量[Mg]I,Si量[Si]I,O量[O]I、との比が、それぞれ、
1<[Mg]S/[Mg]I≦15,
1<[Si]S/[Si]I≦25,
1<[O]S/[O]I≦25
の範囲内とされるとともに、接合界面から前記アルミニウム部材側に10μm離間した位置におけるMg量[Mg]Iが0.8mass%以下とされていることを特徴とするセラミックス/アルミニウム接合体。 - 前記偏析部において、Cu量が1.2mass%以下、Fe量が0.6mass%以下とされていることを特徴とする請求項1に記載のセラミックス/アルミニウム接合体。
- AlNからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板に接合されたアルミニウム板とを備えたパワーモジュール用基板であって、
前記アルミニウム板のうち前記セラミックス基板との接合界面から厚さ方向に2μmの範囲内に、スピネル結晶構造を有するMg含有酸化物が分散しており、
前記アルミニウム板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍領域に、Mg,Si,Oが偏析した偏析部を有し、
前記偏析部におけるMg量[Mg]S,Si量[Si]S,O量[O]Sと、接合界面から前記アルミニウム板側に10μm離間した位置におけるMg量[Mg]I,Si量[Si]I,O量[O]I、との比が、それぞれ、
1<[Mg]S/[Mg]I≦15,
1<[Si]S/[Si]I≦25,
1<[O]S/[O]I≦25
の範囲内とされるとともに、接合界面から前記アルミニウム板側に10μm離間した位置におけるMg量[Mg]Iが0.8mass%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。 - 前記偏析部において、Cu量が1.2mass%以下、Fe量が0.6mass%以下とされていることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール用基板。
- 請求項3又は請求項4に記載のパワーモジュール用基板と、半導体素子と、を備えることを特徴とするパワーモジュール。
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