JP4702293B2

JP4702293B2 - パワーモジュール用基板の製造方法およびパワーモジュール用基板並びにパワーモジュール

Info

Publication number: JP4702293B2
Application number: JP2007012517A
Authority: JP
Inventors: 慎介青木; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-01-23
Filing date: 2007-01-23
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2027-01-23
Also published as: JP2008181939A

Description

この発明は、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の製造方法およびパワーモジュール用基板並びにパワーモジュールに関するものである。

この種のパワーモジュールは一般に、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層の表面にはんだ接合された半導体チップとを備えている。このうちパワーモジュール用基板は、セラミックス板の表面にろう材箔と回路層とをこの順に配置して積層体とした後に、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱しろう材箔を溶融させて、セラミックス板の表面に回路層をろう付けすることにより形成されている。そして、このろう付けには、例えば下記特許文献１に示されるように、回路層の平面視形状と略同形同大で、かつ全体が同一の材質からなるろう材箔が用いられている。
実公平８−１０２０２号公報

しかしながら、前記従来のパワーモジュール用基板の製造方法では、ろう材箔を溶融させるのに前記積層体を加熱炉内に置いて加熱すると、ろう材箔はまず、その外周縁部に加熱炉内の熱が伝わって溶融し始め、その後徐々に沿面方向の内方に向けて熱が伝導し溶融が進んでいくので、ろう材箔の沿面方向における中央部を溶融させるまで加熱しようとすると、その前に、ろう材箔の外周縁部を構成していた既に溶融したろう材が、回路層とセラミックス板との間からしみ出し、さらにその表面張力で凝集することによって、回路層の側面を伝って半導体チップがはんだ接合される表面に乗り上がるおそれがあった。
このようにして回路層の表面に乗り上げたろう材は視認することができ、外観品質を低減させるおそれがある。特に、Ｓｉを含有する例えばＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔を用いて、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる回路層をセラミックス板にろう付する場合には、溶融後に硬化したろう材は、回路層よりも硬い上にパワーモジュールを使用する過程における熱サイクルでさらに加工硬化させられることによって、回路層に対してその表面および側面から大きな外力が作用して、回路層とセラミックス板との接合界面に大きな応力が作用し、回路層がセラミックス板の表面から剥離し易くなり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を低下させるおそれがある。さらに、上記と同様の材質からなるろう材箔および回路層を用いた場合において、回路層の表面のうちろう材が乗り上げた部分にワイヤボンディングが施されると、ろう材は前記のように回路層と比べて硬いので、この部分とワイヤボンディングとの接合部における熱サイクル寿命を低下させるおそれもある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、セラミックス板の表面に回路層をろう付けする際に、溶融したろう材が回路層の側面を伝って、半導体チップが接合される表面に乗り上がるのを抑制することができるパワーモジュール用基板の製造方法およびパワーモジュール用基板並びにパワーモジュールを提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス板の表面にろう材層と回路層とをこの順に配置して積層体とした後に、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱してろう材層を溶融させることにより、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、この回路層の表面に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュール用基板を形成するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記ろう材層は、前記積層体において、表面に前記回路層の外周縁部が配置される外周部分と、この外周部分に囲まれた内側部分とを備え、前記内側部分は、直径０．１μｍ以下の超微粒子粉末のろう材により形成され、前記外周部分は、内側部分のろう材よりも粒径が大きいろう材又はろう材箔により形成されていることを特徴とする。

この発明では、ろう材層の内側部分が超微粒子粉末により形成されているので、外周部分よりも融点が低くなる。逆に言えば、内側部分よりも外周部分の方が融点が高くなるのであり、前記積層体を加熱したときに、まず、ろう材層の前記内側部分を溶融させて、その後、前記外周部分を溶融させることが可能になる。したがって、ろう材層の前記内側部分が溶融し、この溶融したろう材がろう材層の外周縁に向けて拡がるように流れようとしても、その流れを、ろう材層の前記外周部分でせき止めることができる。
また、加熱してセラミックス板と回路層とをろう付けする過程において、内側部分がまず溶融し、次いで外周部分が溶融するという二段階の溶融過程を経るので、ろう材層の前記外周部分が溶融する時点を、前記従来のように全体がほぼ同時に溶融する場合と比べて遅らせることが可能になり、この外周部分が溶融状態となっている時間を短縮することができる。
以上より、セラミックス板の表面に回路層をろう付けする際に、溶融したろう材が回路層の側面を伝って、半導体チップが接合される表面に乗り上がるのを抑制することができる。

ここで、前記外周部分は前記内側部分より厚く形成されるとよく、内側部分が溶融状態となった後に外部にしみ出すことを確実に阻止することができる。

また、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、この回路層の表面に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュール用基板であって、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法により形成されたことを特徴とする。
さらに、本発明のパワーモジュールは、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層の表面にはんだ接合された半導体チップとを備えたパワーモジュールであって、前記パワーモジュール用基板は、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法により形成されたことを特徴とする。

この発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法およびパワーモジュール用基板並びにパワーモジュールによれば、セラミックス板の表面に回路層をろう付けする際に、超微粒子粉末のろう材によって形成される内側部分よりも外側部分を後に溶融させて、ろう材が外方へ流れ出るのを融点の高い外周部分でせき止めることができ、ろう材が回路層の側面を伝って、半導体チップが接合される表面に乗り上がるのを抑制することができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
このパワーモジュール１０は、セラミックス板１１の表面に回路層１２がろう付けされたパワーモジュール用基板１４と、回路層１２の表面にはんだ層１７を介してはんだ接合された半導体チップ１５とを備えている。

図示の例では、パワーモジュール用基板１４には、回路層１２と同じ材質からなる金属層１８が、セラミックス板１１の裏面にろう付けされて備えられている。さらに、パワーモジュール１０には、冷却器１６が、金属層１８の裏面にろう付けや拡散接合、はんだ付け等により接合されて備えられている。
なお、セラミックス板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４若しくはＳｉＣ等で形成され、回路層１２および金属層１８はそれぞれ、例えば純Ａｌ若しくはＡｌ合金で形成され、冷却器１６は、純Ａｌ、純Ｃｕ、Ａｌ合金若しくはＣｕ合金で形成され、はんだ層１７は、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系若しくはＺｎ−Ａｌ系のはんだ材とされる。
さらに、セラミックス板１１と回路層１２および金属層１８とは、後述する特殊構造を有するＡｌ系のろう材層２０を用いてろう付けされている。

ここで、本実施形態では、回路層１２および金属層１８はそれぞれ、純Ａｌ若しくはＡｌ合金からなる母材を打ち抜いたり、あるいは鋳造により形成されており、回路層１２および金属層１８の各外表面のうち、セラミックス板１１の表裏面から立上がる側面はそれぞれ、セラミックス板１１の表裏面に対して略垂直に延在している。

次に、以上のように構成されたパワーモジュール用基板１４の製造方法について説明する。
まず、図２に示されるように、セラミックス板１１の表面に、ろう材層２０と回路層１２とをこの順に配置するとともに、セラミックス板１１の裏面に、ろう材層２０と金属層１８とをこの順に配置して図２に示すような積層体１４ａを形成する。そして、この積層体１４ａを、加熱炉内に置いて積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材層２０を溶融させることによって、セラミックス板１１の表面に回路層１２をろう付けするとともに、セラミックス板１１の裏面に金属層１８をろう付けし、パワーモジュール用基板１４を形成する。

ここで、本実施形態では、ろう材層２０は、材料としては、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｎｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ―Ｎｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｆｅ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系、およびＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｆｅ−Ｍｎ系等の中から選ばれるが、図３及び図４に示されるように、積層体１４ａにおいて、表面に回路層１２の外周縁部が配置される外周部分２０ａと、この外周部分２０ａに囲まれた内側部分２０ｂとを備えている。

そして、外周部分２０ａは枠状のろう材箔によって構成され、内側部分２０ｂは、直径が０．１μｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の超微粒子の粉末からなるろう材によって構成されている。この場合、内側部分２０ｂのろう材は、セラミックス板１１に外周部分２０ａの枠状のろう材箔を載せ、その枠の中に超微粒子の粉末のまま埋めるか、超微粒子の粉末をペースト状にして塗ることにより供給される。

このときのろう材層２０の厚さは、内側部分２０ｂのろう材の厚さとしては１０μｍ以上３０μｍ以下とされ、外周部分２０ａのろう材箔の厚さは、内側部分２０ｂのろう材の厚さの１．５倍以上２倍以下の範囲となるように厚く形成される。例えば、内側部分２０ｂのろう材の厚さを１０μｍとした場合には、外周部分２０ａのろう材箔の厚さは１５μｍ以上２０μｍ以下とし、内側部分２０ｂのろう材の厚さを３０μｍとした場合には、外周部分２０ａのろう材箔の厚さは４５μｍ以上６０μｍ以下とされる。

また、図示の例では、外周部分２０ａは、回路層１２の裏面の外周縁に沿ってその全周にわたって延在し、その沿面方向における内側に内側部分２０ｂが配置されている。なお、前記沿面方向は、積層体１４ａの積層方向に直交する方向のことをいう。さらに、内側部分２０ｂの外周縁は、外周部分２０ａの内周縁と同形同大とされており、内側部分２０ｂの外周縁と、外周部分２０ａの内周縁との間には略隙間のない状態となっている。

以上のようにして回路層１２とセラミックス板１１との間に、ろう材箔からなる外周部分２０ａと、超微粒子粉末のろう材からなる内側部分２０ｂとに分けたろう材層２０が配置されるが、図示の例では、金属層１８とセラミックス板１１との間に配置されたろう材層２０も、回路層１２とセラミックス板１１との間に配置されたろう材層２０と同様に、外周部分２０ａと内側部分２０ｂとを備えている。なお、本実施形態では、ろう材層２０は、回路層１２の裏面の、セラミックス板１１の表面への投影面における略全域に配置されるとともに、金属層１８の裏面の、セラミックス板１１の裏面への投影面における略全域にも配置されている。

そして、このろう材層２０を介在させた積層体１４ａを加圧しながら加熱してろう材層２０を溶融させるのであるが、このろう材層２０に用いられている外周部分２０ａのろう材箔と内側部分２０ｂの超微粒子粉末のろう材とでは液相温度が異なり、内側部分２０ｂを超微粒子粉末にしたことにより、外周部分２０ａの液相温度に比べて、内側部分２０ｂの液相温度の方が、１０℃以上３０℃以下低くなっている。この融点降下は粒径が小さくなるほど大きくなり、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材の場合は、粒径１μｍ以下でその傾向が現れ、
特に３０ｎｍ以下の粒径の場合に顕著になる。

したがって、このようなろう材層２０を用いて積層体１４ａを加熱する際、まず、内側部分２０ｂが溶融するまで加熱した後に、その温度を内側部分２０ｂが全て液相状態になるまで保持し、その後、外周部分２０ａが溶融するまでさらに加熱し、その温度になったのと略同時に、あるいはその温度に、内側部分２０ｂの液相温度で保持した時間よりも短い時間保持した後に、つまり外周部分２０ａが液相状態になったのと略同時にこの加熱を停止して徐冷し、パワーモジュール用基板１４を形成するのである。
なお、このろう付け時の積層体１４ａへの加圧は、例えば接合面に２２５KＰａ以上２６５KＰａ以下の圧力を作用させる程度とされる。

このように製造される本実施形態のパワーモジュール用基板によれば、ろう材層２０の内側部分２０ｂを超微粒子粉末により形成したことにより、外周部分２０ａのろう材箔に比べて液相温度が低くなり、積層体１４ａを加熱したときに、まず、内側部分２０ｂを溶融させて、その後、外周部分２０ａを溶融させることが可能になる。したがって、ろう材層２０の内側部分２０ｂが溶融し、この溶融したろう材がろう材層２０の外周縁に向けて拡がるように流れようとしても、その流れを、ろう材層２０の外周部分２０ａでせき止めることができる。また、加熱してセラミックス板１１と回路層１２とをろう付けする過程において、ろう材層２０の外周部分２０ａが溶融する時点を、全体を箔からなるろう材層を用いるのと比べて遅らせることが可能になり、この外周部分２０ａが溶融状態となっている時間を短縮することができる。
以上より、セラミックス板１１の表面に回路層１２をろう付けする際に、溶融したろう材が回路層１２の側面を伝って、半導体チップ１５が接合される表面に乗り上がるのを抑制することができる。

この場合、内側部分２０ｂの超微粒子粉末は、外周部分２０ａとの液相温度の差が１０℃以上３０℃以下低くなるように微粒子化したものであれば、前記の作用効果が確実に奏効されることになる。すなわち、両液相温度の差が１０℃より小さいと、ろう付け時の加熱温度を加熱炉内の全域にわたってばらつき少なく均一にしなければ、外周部分２０ａが内側部分２０ｂと略同時に溶融し始めたり、あるいは外周部分２０ａが溶融した後に、内側部分２０ｂが溶融したりするおそれがある。また、両液相温度の差が３０℃より大きいと、ろう材層２０において、内側部分２０ｂを溶融させた後、外周部分２０ａを溶融させるまでに、この内側部分２０ｂのろう材を熱により変質させたり、あるいは外周部分２０ａおよび内側部分２０ｂの各組成が互いに大きく異なったことに起因して、ろう付け時に互いが反応し合い例えばろう付けの接合強度を低下させる等し、さらには、加熱炉の温度制御が困難になる等のおそれがある。

ここで、この製造方法についての具体的な実施例について説明する。
まず、材質については、回路層１２および金属層１８を純度９９．９８ｗｔ％の純Ａｌ、セラミックス板１１をＡｌＮによりそれぞれ形成した。そして、ろう材層２０としてＡｌ−Ｓｉ系のろう材（Ａｌが９２．５ｗｔ％、Ｓｉが７．５ｗｔ％、固相温度が５７７℃、液相温度が６１５℃）を採用し、外周部分２０ａはその箔を使用し、内側部分２０ｂは１μｍ以下の超微粒子粉末として使用した。

この内側部分に使用される超微粒子粉末のろう材を製造する方法としては、例えば特開平６−１７２８２０号公報に開示された熱プラズマ法による技術を用いた。
すなわち、２個のプラズマトーチからプラズマフレームを重畳させるようにして生成させ、その片方のプラズマトーチ（第１トーチ）のみに、ＡｌxＳｉy（x＝９２．５，y＝１００−x）となるようにとＡｌとＳｉを秤量・混合した粉末原料を供給し、他方のプラズマトーチ（第２トーチ）には原料を供給しない状態とし、超微粒子粉末を得る。そのときの実施条件は例えば以下の通りである。

反応容器内圧：０．０７ＭＰａ
反応容器雰囲気：Ａｒガス雰囲気
トーチ個数：２
トーチ対向角度：約８０度（２つのプラズマフレームが高温部で重畳）
第１トーチ作動条件
電流：２００Ａ
電圧：６０Ｖ
ガス：Ａｒ＝０．１３３ｌ／ｓ
Ｎ₂＝０．１１６ｌ／ｓ
原料供給速度：０．１８ｇ／ｓ
第２トーチ作動条件
電流：２５０Ａ
電圧：４０Ｖ
ガス：Ａｒ＝０．１６６ｌ／ｓ
Ｎ₂＝０．０５０ｌ／ｓ
原料供給せず。

また、各層の厚さについては、回路層１２および金属層１８を約０．４ｍｍ、ろう材層２０については外周部分２０ａを約３５μｍ、内側部分２０ｂを約２０μｍとし、セラミックス板１１を約０．６３５ｍｍとした。なお、外周部分２０ａの外周縁の縦および横の寸法をそれぞれ約２８ｍｍおよび約７０ｍｍとし、この外周縁と内周縁との距離は約５ｍｍとした。そして、平面視四角形とされたろう材層２０の内側部分２０ｂは、縦および横の寸法をそれぞれ約１８ｍｍおよび約６０ｍｍとした。
そして、積層体１４ａを接合面に２００KＰａの圧力を作用させた状態として真空状態の加熱炉内に置いて、この加熱炉内を約５５０℃になるまで１０℃／ｍｉｎで加熱する。その後、約５５０℃の温度を約９０分間保持した後に、さらに約６４５℃になるまで１０℃／ｍｉｎで加熱し、そして、約６４５℃の温度を約４０分間保持した後に徐冷して、パワーモジュール用基板１４を形成した。
このように製造されたパワーモジュール用基板１４は、回路層１２の側面及び表面へのろう材のしみ出しは生じなかった。

なお、本発明は前記実施の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。
例えば、前記実施形態では、パワーモジュール用基板１４として金属層１８を備えた構成を示したが、この金属層１８を設けなくてもよい。
また、ろう材層２０の内側部分２０ｂは超微粒子粉末により構成されるが、外周部分２０ａは箔でなくても粉末状等の形態であってもよい。その場合、外周部分２０ａは内側部分２０ｂの超微粒子よりも粒径が大きいものが用いられ、しみ出しを抑制するためには、３０ｎｍ以上の粒径である必要があるとともに、前記した溶融時期を内側部分２０ｂに対して遅らせるために、内側部分２０ｂの超微粒子粉末に対して例えば、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径差のものであることが好ましい。また、外周部分２０ａおよび内側部分２０ｂを形成する各材質は、前記実施形態で示したものに限られるものではない。さらに、外周部分２０ａは、内側部分２０ｂを形成する材質よりも液相温度が高い材質で形成されていてもよい。

さらに、前記実施形態では、ろう材層２０の外周部分２０ａとして、回路層１２の裏面の外周縁に沿ってその全周にわたって延在した構成を示したが、これに代えて、例えば図４に示されるように、周方向に複数に分割された外周部分２０ａを採用してもよい。
また、前記実施形態では、ろう材層２０として、内側部分２０ｂの外周縁と、外周部分２０ａの内周縁との間に略隙間のない構成を示したが、これに代えて、例えば約５０μｍ程度であれば隙間を設けてもよい。さらに、図４に示したように、分割された外周部分２０ａでは、その周方向に隙間のない状態でセラミックス板１１に配置してもよいし、あるいは約５０μｍ程度であればこの周方向に隙間を設けてもよい。また、外周部分２０ａおよび内側部分２０ｂの平面視形状は前記実施形態のものに限られるものではない。

この発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。この発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を製造する途中の積層体の断面側面図である。図２の積層体に用いられているろう材層を示す平面図である。図３のろう材層の縦断面図である。この発明の他の実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法で用いられるろう材層の平面図である。

符号の説明

１０パワーモジュール１１セラミックス板１２回路層１４パワーモジュール用基板１４ａ積層体１５半導体チップ２０ろう材層２０ａ外周部分２０ｂ内側部分

Claims

セラミックス板の表面にろう材層と回路層とをこの順に配置して積層体とした後に、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱してろう材層を溶融させることにより、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、この回路層の表面に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュール用基板を形成するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記ろう材層は、前記積層体において、表面に前記回路層の外周縁部が配置される外周部分と、この外周部分に囲まれた内側部分とを備え、前記内側部分は、直径０．１μｍ以下の超微粒子粉末のろう材により形成され、前記外周部分は、内側部分のろう材よりも粒径が大きいろう材又はろう材箔により形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記外周部分は前記内側部分よりも厚く形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、この回路層の表面に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュール用基板であって、
請求項１または２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法により形成されたことを特徴とするパワーモジュール用基板。
セラミックス板の表面に回路層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層の表面にはんだ接合された半導体チップとを備えたパワーモジュールであって、
前記パワーモジュール用基板は、請求項１または２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法により形成されたことを特徴とするパワーモジュール。