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 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
なお、セラミックス板11は、例えばAlN、Al2O3、Si3N4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。
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。
特に30nm以下の粒径の場合に顕著になる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (4)
- 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。
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