JP2023141007A

JP2023141007A - 絶縁回路基板

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Publication number: JP2023141007A
Application number: JP2022047119A
Authority: JP
Inventors: 駿木宮; Shun Kimiya
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2022-03-23
Filing date: 2022-03-23
Publication date: 2023-10-05

Abstract

【課題】冷熱が繰り返される環境においても金属層の剥離を抑制し、信頼性の高い絶縁回路基板を提供する。【解決手段】セラミックス基板と該セラミックス基板の表面に形成された金属層とを備え、前記金属層は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなるとともに、Ｃｕの含有量が３０ｐｐｍ以下であり、前記金属層の平面視で計測される結晶粒径の標準偏差が１ｍｍ未満であり、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂｅ，Ｍｇの含有量の合計が３５ｐｐｍ以下である。【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用基板等の絶縁回路基板に関する。

絶縁回路基板として、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等のセラミックス基板からなる絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに、他方の面に放熱層が形成されたパワーモジュール用基板が知られている。この絶縁回路基板の放熱層にはヒートシンクが接合される。

例えば、特許文献１には、セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、セラミックス基板の他方の面に形成された金属層（放熱層）とを有するパワーモジュール用基板が開示されており、その回路層及び放熱層として、高純度アルミニウム材料、例えば、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板を用い、さらに不純物を除去することが記載されている。

特開２０１５－１８５７０７号公報

特許文献１記載のようないわゆる４Ｎアルミニウムは、応力緩衝効果、熱伝導率、導電率といった特性が高いことから、セラミックス基板に接合される回路層や放熱層に広く用いられてきた。
ところで、回路層や放熱層を形成するためのアルミニウム金属板は、セラミックス基板にろう材を用いて接合される。その際に、４Nアルミニウム板が接合時の温度によって再結晶が発生し、種々の方位・粒径をもつ結晶粒が発生する。これらの結晶粒径が面内でばらついていると、その絶縁回路基板に冷熱が繰り返される使用環境において、金属層に剥離が生じる不具合があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、冷熱が繰り返される環境においても金属層の剥離を抑制し、信頼性の高い絶縁回路基板を提供することを目的とする。

本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板と該セラミックス基板の表面に形成された金属層とを備え、前記金属層は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなるとともに、Ｃｕの含有量が３０ｐｐｍ以下であり、前記金属層の平面視で計測される結晶粒径の標準偏差が１ｍｍ未満である。

純アルミニウムにＣｕを所定量の範囲内に抑えることにより、加熱時の再結晶を制御し、その粒径のばらつきを抑える効果がある。このＣｕの含有量を３０ｐｐｍ以下に抑え、結晶粒径の標準偏差を１ｍｍ未満とすることにより、冷熱が繰り返される環境においても、金属層に生じる応力の偏りが少なくなり、金属層の剥離を抑制することができる。もちろん、４Ｎアルミニウムであるので、応力緩衝効果、熱伝導率、導電率等の特性にも優れており、これらの効果と相俟って、絶縁回路基板として高い信頼性を維持することができる。
このため、金属層となる金属板を元素分析することにより、接合後の接合信頼性を予測することが可能になり、材料選定指針として活用することも可能である。

本発明の絶縁回路基板において、前記金属層は、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂｅ，Ｍｇの含有量の合計が３５ｐｐｍ以下であるとよい。

これらＦｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂｅ，Ｍｇの含有量の合計を３５ｐｐｍ以下に抑えることにより、結晶粒径のばらつきをさらに抑制して、剥離抑制に効果がある。

本発明によれば、金属層の結晶粒径の標準偏差が小さく、冷熱が繰り返される環境においても金属層の剥離を抑制することができ、４Ｎアルミニウムとしての応力緩衝効果、熱伝導率、導電率等の特性に優れる効果と相俟って、絶縁回路基板として高い信頼性を維持することができる。

本発明の一実施形態であるパワーモジュール用基板を示す縦断面図である。図１に示すパワーモジュール用基板の回路層側に第二層及び放熱層側にヒートシンクをそれぞれ接合した一体型基板を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態の絶縁回路基板としてパワーモジュール用基板１０を示している。このパワーモジュール用基板１０は、図１に示すように、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層（本発明の金属層）１２と、セラミックス基板１１の他方の面に形成された放熱層（本発明の金属層）１３と、を備えている。

セラミックス基板１１は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等の窒化物系セラミックス、もしくはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の酸化物系セラミックスが用いられ、厚さは限定されるものではないが、例えば０．２ｍｍ～１．５ｍｍの範囲内に設定される。

回路層１２及び放熱層１３は、いずれも純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）により構成されている。
これら回路層１２及び放熱層１３を構成するＪＩＳ規格の1Ｎ９９に相当する高純度アルミニウムは、ＪＩＳには、展伸材の標準化学成分について、アルミニウムの純度が９９．９９質量％以上で、Ｓｉが６０ｐｐｍ以下、Ｆｅが４０ｐｐｍ以下、Ｃｕが８０ｐｐｍ以下と記載されており、例えば、Ｆｅが１６ｐｐｍ、Ｓｉが２４ｐｐｍ、Ｃｕが６１ｐｐｍのものが市販されている。なお、アルミニウムの純度はＪＩＳＨ４１７０－１９９１の５．１（２）に記載されている方法により求められる純度である。

これに対して、本発明では、アルミニウムの純度が９９．９９質量％以上、Ｓｉが６０ｐｐｍ以下、Ｆｅが４０ｐｐｍ以下、Ｃｕが３０ｐｐｍ以下であり、かつ、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂｅ，Ｍｇの含有量の合計が３５ｐｐｍ以下に設定されている。特にＣｕの含有量を抑えており、これにより、後述する接合工程での加熱時の再結晶を制御し、結晶粒径のばらつきを抑えている。
また、回路層１２及び放熱層１３の表面平面視で計測される平均結晶粒径が１ｍｍ以上２ｍｍ以下で、その標準偏差が１ｍｍ以下とされている。
これら回路層１２及び放熱層１３の厚さは特に限定されないが、いずれも０．１ｍｍ～３．０ｍｍに設定される。この範囲内で、回路層１２、放熱層１３とも同じ厚さでもよいし、異なる厚さに設定してもよい。

このパワーモジュール用基板（絶縁回路基板）１０を製造するには、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２とするための金属板をろう材を介して積層し、セラミックス基板１１の他方の面に、放熱層１３とするための金属板をろう材を介して積層した状態とし、これらの積層体を真空雰囲気下で加圧した状態で加熱することにより、ろう材を溶融させて、セラミックス基板１1に両金属板を接合することにより、行われる。

ろう材としては、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系またはＡｌ－Ｍｎ系、Aｌ－Ｓｉ系等の合金のろう材が用いられる。
この場合の荷重としては例えば０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下、加熱温度としては６１０℃以上６５０℃以下、加熱時間としては１分以上６０分以下とされる。回路層１２及び放熱層１３を構成しているアルミニウム板は、圧延加工等が施されて加工硬化しており、このときの加熱温度が純アルミニウムの再結晶温度（例えば３００℃）よりも高いので、回路層１２及び放熱層１３に再結晶が生じ、結晶粒の成長により、結晶粒径の分布や結晶方位の分布も新しくなる。

そして、この接合工程を経た後に回路層１２及び放熱層１３の平面視で計測される平均結晶粒径が１ｍｍ以上２ｍｍ以下で、その結晶粒径の標準偏差が１ｍｍ未満である。前述したように回路層及び放熱層のＣｕの含有量が３０ｐｐｍ以下と低く抑えられていることから、再結晶時の結晶の成長が面内で均一になり、標準偏差が小さく抑えられる。
また、断面でＥＢＳＤ測定したときに、結晶方位が、従来のアルミニウム板の場合は、（００１）方位のものの面積占有率が大きいのに対して、後述するように（００１）の方位のものが少なく、逆極点図によるところの（００１）方位と（１１１）方位の間の方位のものが多く現れる。

なお、このように構成されるパワーモジュール用基板１０には、図２に示すように、その回路層１２の上に第二層１５が形成され、放熱層１３の表面にはヒートシンク２０が接合され、セラミックス基板１１に、回路層１２，第二層１５、放熱層１３，ヒートシンク２０が一体化した一体型基板３０が形成される。
このヒートシンク２０はＪＩＳ６０００系等のアルミニウム合金、例えばＪＩＳ６０６３合金からなり、図示例の場合、平板状部２１に多数のピン状フィン２２が突設された構成であり、平板状部２１の表面が放熱層１３に接合され、ピン状フィン２２が冷却流路に配置される。第二層１５もヒートシンク３０と同じＪＩＳ６０００系等のアルミニウム合金により構成される。

なお、これらヒートシンク２０及び回路層１２の第二層１５を設ける場合、上記のようにして得られた絶縁回路基板１０に第二層用金属板及びヒートシンクをろう材を介してそれぞれ積層し、同様に加圧した状態で加熱することにより接合することが行われる。あるいは、このように接合を２回に分けるのではなく、セラミックス基板１１の一方の面に回路層用金属板及び第二層用金属板をそれぞれろう材を介して積層し、他方の面に放熱層用金属板及びヒートシンク２０をそれぞれろう材を介して積層して、これらを真空雰囲気下で加圧した状態で加熱することにより一括して接合することも可能である。このときの荷重としては例えば０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下、加熱温度としては５８０℃以上６２０℃以下、加熱時間としては１分以上６０分以下とされる。

回路層１２の上に第二層１５を設けるのは、ヒートシンク２０がアルミニウム合金からなり、放熱層１３にろう付けにより固定されるため、回路層１２の表面に同じＪＩＳ６０００系等のアルミニウム合金からなる第二層１５を接合して、セラミックス基板１０を介する機械的強度の対称構造を確保するためである。
したがって、ヒートシンク２０の固定をねじ止め等により行う場合は、必ずしも第二層１５を形成する必要はない。

このように構成されるパワーモジュール用基板（絶縁回路基板）１０は、その回路層１２（あるいは一体型基板３０の場合は第二層１５）の上に、必要とされる機能に応じてＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（ＦｒｅｅＷｈｅｅｌｉｎｇＤｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子４０が接合される。これら半導体素子４０を接合するはんだ材は、例えばＳｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされる。

以上説明したように、この絶縁回路基板１０は、セラミックス基板１１の両面に接合されている回路層１２及び放熱層１３が、いずれも純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなるとともに、Ｃｕの含有量が３０ｐｐｍ以下であり、平面視で計測される結晶粒径の標準偏差が１ｍｍ未満であることから、冷熱が繰り返される使用環境下においても第二層１５の回路層１２からの剥離を抑制することができる。もちろん、４Ｎアルミニウムであるので、応力緩衝効果、熱伝導率、導電率等の特性にも優れており、これらの効果と相俟って、絶縁回路基板として高い信頼性を維持することができる。

なお、純アルミニウムでＣｕの含有量が３０ｐｐｍ以下であれば、高い接合信頼性を確保できるので、金属層となる金属板を元素分析することにより、接合後の接合信頼性を予測することが可能になり、材料選定指針として活用することも可能になる。

金属層用金属板として純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウム板、セラミックス基板として窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）板をそれぞれ用意した。４Ｎアルミニウム板は実施例と比較例との材種が異なる２種類を用意した。４Ｎアルミニウム板の厚さは０．９ｍｍ、セラミックス基板の厚さは０．３２ｍｍとした。
各４Ｎアルミニウム板については、ＧＤ-ＭＳ（ＧｌｏｗＤｉｓｃｈａｒｇｅＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：グロー放電質量分析法）で元素分析したところ、表１の通りであった。下記元素含有量の合計は、実施例で８１ｐｐｍ、比較例で１２０ｐｐｍであり、それぞれアルミニウムの純度は９９．９９％である。

そして、セラミックス基板の両面にＡｌ－Ｓｉ系ろう材を介して同じ種類の金属板を積層し、真空雰囲気下で加圧した状態で加熱することによって、この４Ｎアルミニウム板とセラミックス基板とを直接接合して、絶縁回路基板を作製した。このときの接合条件は上述の通りとした。
得られた絶縁回路基板について、金属層表面で平均結晶粒径を測定し、その標準偏差を求めた。
平均結晶粒径は、金属層表面を顕微鏡観察し、その平面視におけるへイン画像切断法により測定した。１．８ｍｍ×１．４ｍｍの視野で、計測対象の結晶粒が５０個となるまで測定して平均し、標準偏差を求めた。

次いで、この絶縁回路基板の一方の金属層に第二層としてのＪＩＳ６０６３からなるアルミニウム合金板をＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系ろう材を介して積層し、他方の金属層に同じくＪＩＳ６０６３からなるヒートシンクをＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系ろう材を介して積層して、加圧した状態で加熱することにより、これらを接合して、一体型基板を作製した。第二層の厚さは０．８ｍｍ、ピン状フィン付きヒートシンクの平板部の厚さは０．７ｍｍとした。このときの接合条件は、上述の通りとした。

この一体型基板について、冷熱信頼性試験を実施した。
冷熱信頼性試験は、一体型基板をチャンバー内に配置し、－４０℃×３０分⇔２５℃×１０分⇔１５０℃×３０分の冷熱サイクルを２０００サイクル繰り返した後、各界面の剥離率を測定した。チャンバー内の空気を置換することで、冷熱環境を形成した。
界面の剥離の確認は、超音波探傷検査により行い、剥離率は、接合前における金属層の接合すべき面積に対して、剥離が生じていた面積（超音波探傷画像で白く映った部分の面積）の比率とした。セラミックス基板の両面と両金属層とのそれぞれの界面、金属層と第二層との界面、金属層とヒートシンクとの界面のそれぞれについて測定し、その平均値を求めた。

これらの結果を表２に示す。

この表２の結果からわかるように、同じ９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムであるが、実施例の方が比較例より剥離率が小さかった。
実施例のアルミニウム材は、アルミニウム以外の含有元素のうち、特にＣｕの濃度が２５ｐｐｍと低く、その結果、加熱後（再結晶後）の結晶粒径の標準偏差が０．６ｍｍと小さいことから、均一な結晶粒径を有していることがわかる。平均結晶粒径も１．５３７ｍｍと小さいものだった。
これに対して、比較例では、特にＣｕの濃度が高く、そのため、平均結晶粒径、その標準偏差とも大きく、剥離率も大きかった。

次に、実施例の金属層の断面をＥＢＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：電子線後方散乱回折法）にて方位観察した。
金属層の厚さ方向に沿った断面をイオンミリング法によって加工し、ＥＢＳＤ装置付き電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ：ＦｉｅｌｄＥｍｉｓｓｉｏｎ－ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（株式会社日立ハイテク製ＳＵ－７０）を用いて、加速電圧１５ｋＶ、測定範囲１．２ｍｍ×７．２ｍｍ、測定ステップ１５μｍで結晶方位を測定し、結晶方位分布を求めた。

その結果、従来の４Ｎアルミニウム板の場合は、（００１）方位のものの面積占有率が大きいことが知られているが、この実施例では、（００１）方位から５°～５０°ずれており、かつ、（１０１）方位から１０°～４０°ずれた、逆極点図における（００１）方位と（１１１）方位の中間に位置する方位の面積占有率が大きかった。
なお、この断面のＥＢＳＤによる方位観察において、金属層の表層からセラミックス基板との界面までが同一の結晶粒であることが確認されており、したがって、表２の表面における結晶粒径及びその標準偏差は断面視においても適用できると言える。ただ、金属層の厚さが小さいため、表面の平面視における結晶粒径を測定した。

１０パワーモジュール用基板（絶縁回路基板）
１１セラミックス基板
１２回路層（金属層）
１３金属層（金属層）
１６第二層
２０ヒートシンク
２１平板状部
２２フィン
３０一体型基板
４０半導体素子

Claims

セラミックス基板と該セラミックス基板の表面に形成された金属層とを備え、前記金属層は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなるとともに、Ｃｕの含有量が３０ｐｐｍ以下であり、前記金属層の平面視で計測される結晶粒径の標準偏差が１ｍｍ未満であることを特徴とする絶縁回路基板。
前記金属層は、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂｅ，Ｍｇの含有量の合計が３５ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板。