JP4747315B2 - 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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Description
また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。
なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにAl等の金属板が接合された金属層が形成され、この金属層を介して放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたパワーモジュールが提案されている。
例えば、セラミックス基板の表面に対して、乾式でAl2O3粒子によるホーニング処理を行い、表面粗さをRa=0.2μmにしても、剥離試験で界面剥離が生じてしまう場合があることが分かった。
また、研磨法により表面粗さをRa=0.1μm以下にしても、やはり同様に界面剥離が生じてしまう場合があった。
この場合、パワーモジュール用基板が放熱板によって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用する。そのため、さらなる接合強度の向上及び信頼性の向上が求められている。
これにより、セラミックス基板と金属板との界面に熱サイクルによるせん断力が作用した場合においても、せん断力による歪みが金属板のうち接合界面から離れた部分まで熱サイクル中に結晶粒が微細化することで吸収され、接合界面若しくは接合界面近傍での破断の進展を防止することができる。従って、このパワーモジュール用基板の信頼性の向上を図ることができる。
また、金属板において、ろう材に含有された融点降下元素の濃度分布が前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面から離間するにしたがい低くなるように分布しているので、金属板の強度変化が滑らかになり、応力集中する部分がなく、金属板における破断の進展を防止できる。
この場合、Al−Si系のろう材を用いることによって、セラミックス基板と金属板とを簡単に、かつ、確実に接合することができる。
また、Siの濃度変化によって金属板の硬度が変化するが、この硬度が滑らかに変化しているので、応力集中がなく、金属板における破断の進展を防止できる。
この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との接合界面若しくは接合界面近傍での破断の進展を防止することが可能となり、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
図1に本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール1は、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の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク4とを備えている。
ここで、はんだ層2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とはんだ層2との間にNiメッキ層(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基板であり、例えばAlN(窒化アルミ)、Si3N4(窒化珪素)等の絶縁性の高いセラミックスで構成されており、本実施形態では、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。
本実施形態においては、回路層12は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板22がセラミックス基板11にろう付けされることにより形成されている。
ここで、本実施形態においては、融点降下元素としてSiを含有したAl−Si系のろう材を用いており、ろう付けによってSiが拡散することで、回路層12には図2に示すようなSiの濃度分布が生じている。
即ち、セラミックス基板11と金属層13(回路層12)との接合界面から離れるにしたがって、Siの濃度が減少するような濃度分布が金属層13の内部において生じている。また、後述するように、接合界面におけるSiの濃度の平均は、0.27wt%である。また、Siの濃度が半減値となる、接合界面からの距離の平均は、0.198mmである。
本実施形態においては、金属層13は、回路層12と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板23がセラミックス基板11にろう付けされることで形成されている。
本実施形態においてはAl−Si系のろう材を用いており、ろう付けによってSiが拡散することで金属層13には図2に示すようなSiの濃度分布が生じている。
ヒートシンク4(天板部5)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。
また、本実施形態においては、ヒートシンク4の天板部5と金属層13との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる緩衝層15が設けられている。
具体的に、パワーモジュール用基板10は、以下のようにして製造される。
図3(a)及び図4(a)に示すように、AlNからなるセラミックス基板11と、回路層12となる金属板22(4Nアルミニウムの圧延板)と、金属層13となる金属板23(4Nアルミニウムの圧延板)とを準備する。
その後、図3(b)に示すように、セラミックス基板11の一方の面に、金属板22が、厚さ15〜30μm、本実施形態では20μmのろう材箔24を介して積層される。セラミックス基板11の他方の面に金属板23が厚さ15〜30μm、本実施形態では20μmのろう材箔25を介して積層される。
ここで、ろう材箔24,25の組成に含まれるSi含有量は、7.5〜11.0wt%であることが好ましい。
ここで、加熱条件は、接合面への圧力が2〜3kgf/cm2に設定されている。また、接合温度は、645〜655℃に設定されている。
この溶融工程によって、図4(b)に示すように、回路層12及び金属層13となる金属板22,23の一部とろう材箔24,25とが溶融し、セラミックス基板11の表面に溶融アルミニウム層26,27が形成される。
このとき、回路層12及び金属層13となる金属板22,23の結晶方位に揃うように結晶成長させて溶融アルミニウム層26,27を凝固させる。
ここで、回路層12及び金属層13となる金属板22,23が4Nアルミニウムの圧延板であるので、ピーク温度にまで加熱する過程において回路層12及び金属層13とセラミックス基板11との接合界面近傍の結晶は、[001]方位に配向することになる。
このようにして本実施形態であるパワーモジュール用基板10が製造される。
熱サイクル負荷がない場合において、セラミックス基板11と回路層12(金属層13)との接合界面における結晶粒径は、通常、例えば、0.6mm程度であり、比較的大きな粒径である。ところが、熱サイクル負荷が加わるにしたがって、接合界面に大きなせん断力が作用し、結晶粒が徐々に微細化されていく。
また、熱サイクル負荷に伴う微細化の速度に着目すると、[101]方位及び[111]方位の結晶は、微細化の速度が速い。即ち、熱サイクル負荷に伴うせん断力が作用すると、[101]方位及び[111]方位の結晶は優先的に歪みを受けてしまい、クラックが生じ、破断が進展してしまう。
そのため、接合界面の結晶が[101]方位又は[111]方位に揃っている従来のパワーモジュール用基板においては、微細化の速度が速いため、結晶粒が微細化されやすく、微細化された結晶の粒界に沿ってクラックが生じ、容易に破断してしまうという問題があった。
これに対し、[001]方位の結晶は、[101]方位又は[111]方位の結晶に比べて、微細化の速度が遅い。即ち、熱サイクル負荷に伴うせん断力が作用した場合であっても、[001]方位の結晶はせん断歪みを受けにくく、結晶粒が微細化が抑制され、クラックの発生及び破断の進展が防止される。
そのため、接合界面の結晶が[001]方位に揃っている本実施形態のパワーモジュール用基板においては、熱サイクル負荷に起因して結晶粒が微細化された場合であっても、結晶の粒界においてクラックが生じることが抑制され、破断が防止されている。
具体的には、金属板22,23とセラミックス基板11との接合界面付近において、接合界面の法線方向に配向した[001]方位の結晶粒の発生領域が接合界面の全体領域の95%以上とされている。
このため、回路層12及び金属層13(金属板22,23)とセラミックス基板11との界面近傍の結晶が接合界面の法線方向に、つまり、熱サイクルによって発生するせん断力の作用方向に対して直交する方向に配向することになり、熱サイクル負荷時における接合界面及び接合界面近傍での破断の進展を確実に抑制することができる。
ここで、Siの濃度変化によって回路層12及び金属層13(金属板22,23)の硬度が変化することになるが、その変化が滑らかとなるので、回路層12及び金属層13(金属板22,23)において応力集中する部分が生じることがなくなり、回路層12及び金属層13(金属板22,23)における破断の進展を防止できる。
例えば、上記の実施形態においてはセラミックス基板としてAlN(窒化アルミニウム)で構成された基板を用いる場合について説明したが、セラミックス基板の材料は、絶縁性を有していればよく、Si3N4、Al2O3、SiC等であってもよい。
また、Al−Si系のろう材に限定されることはなく、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系等のろう材を使用してもよい。
さらに、ヒートシンクが冷却媒体の流路を有する場合を説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
図5は、比較実験における試験片として用いたパワーモジュール用基板を示す断面図である。
図5に示すパワーモジュール用基板の試験片は、厚さ0.635mmのAlNからなるセラミックス基板11と、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる回路層12と、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる金属層13と、厚さ5mmの2Nアルミニウムからなる天板部5と、厚さ1.0mmの4Nアルミニウムからなる緩衝層15とを有している。
比較実験では、従来のパワーモジュール用基板の製造方法によって得られた試験片(以下、「比較例の試験片」と称する)と、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によって得られた試験片(以下、「実施例の試験片」と称する)とを用意し、各試験片における接合界面の評価及び接合強度の測定を行った。
なお、比較例の試験片は、ろう材厚10〜17μm,ろう材に含まれるSi含有量5.0〜7.5wt%,及び接合温度635〜642℃の作製条件によって作製されている。
また、実施例の試験片は、ろう材厚20〜30μm,ろう材に含まれるSi含有量7.5〜11.0wt%,及び接合温度645〜655℃の作製条件によって作製されている。
まず、接合界面の評価について説明する。
この接合界面の評価に際しては、電子後方散乱回折像(Electron Back Scatter Diffraction Patterns)法(以下、EBSP法と称す)に基づき、接合界面付近の結晶方位を測定した。
EBSP法は、SEM(走査電子顕微鏡)にEBSP検出器を接続し、収束電子ビームを試料表面に照射したときに発生する個々の結晶の回折像(EBSP)の方位を解析、方位データと測定点の位置情報から材料の結晶方位を測定する方法である。その測定結果は結晶方位マップ(IPF(Inverse Pole Figure)Map)として示される。
なお、図6においては、アルミニウム(Al)からなる金属層と窒化アルミニウム(AlN)からなるセラミックス基板とが接合された試料が示されている。図6に示す試料と図5に示す試験片とは構成が若干異なるが、図5に示す試験片をEBSP法によって評価する場合であっても、図6と同じように試験片を配置し、EBSP法による評価が行なわれる。
まず、試料の測定面(断面)に対する測定範囲は、W180μm×90μmとした。測定ステップは、0.6μmとした。取り込み時間は、0.07sec/pointとした。また、SEMの条件としては、加速電圧を15kVとし、ビーム電流を約1.2nAとし、WDを15mmとした。また、CP加工(条件:5kV,12hr)を試料に施すことにより、試験片(試料)における金属層(Al)とセラミックス基板(AlN)との界面に直交する方向に断面を形成した。
通常、EBSP法によって得られたIPFマップにおいては、微細粒の方位、結晶の歪み、結晶粒群、結晶粒の生成状況、結晶粒の配列等の結晶構造が、赤、青、緑からなる3原色の組合せによってカラーマッピング化されて表される。図7(a),図7(b),図8(a),及び図8(b)は、カラーマッピング化されたIPFマップにおける結晶方位を模式的に示すものである。
図7(a)及び図7(b)は、比較例の試験片におけるAlの金属層とAlNのセラミックス基板との界面近傍の結晶方位を示している。また、図7(a)は図6の符号NDで示された方向から得られた回折像に基づくIPFマップの模式図である。また、図7(b)は図6の符号RDで示された方向から得られた回折像に基づくIPFマップの模式図である。
図8(a)及び図8(b)は、実施例の試験片におけるAlの金属層とAlNのセラミックス基板との界面近傍の結晶方位を示している。また、図8(a)は図6の符号NDで示された方向から得られた回折像に基づくIPFマップの模式図である。また、図8(b)は図6の符号RDで示された方向から得られた回折像に基づくIPFマップの模式図である。
図7(a)のIPFマップの模式図に示すように、Alの金属層とAlNのセラミックス基板との界面近傍に、符号(1)〜(5)で示されたAlの結晶領域が分布している。ここで、領域(1)は、[111]方位の結晶と[101]方位の結晶とが混在している領域である。また、領域(2)は、[111]方位の結晶と[001]方位の結晶とが混在している領域である。また、領域(3)は、[101]方位の結晶領域である。また、領域(4)は、[001]方位の結晶が高い割合で存在しているものの、[111]方位の結晶及び[101]方位の結晶が点状に存在している領域である。また、領域(5)は、[001]方位の結晶領域である。
また、図7(b)のIPFマップの模式図に示すように、Alの金属層とAlNのセラミックス基板との界面近傍に、符号(6)〜(10)で示されたAlの結晶領域が分布している。ここで、領域(6)は、[111]方位の結晶と[101]方位の結晶とが混在している領域である。また、領域(7)は、[101]方位の結晶と[001]方位の結晶とが混在している領域である。また、領域(8)は、[111]方位の結晶領域である。また、領域(9)は、[001]方位の結晶と[101]方位の結晶とが混在している領域である。また、領域(9)においては[111]方位の結晶及び[101]方位の結晶が点状に存在している領域である。また、領域(5)は、[001]方位の結晶と[111]方位の結晶とが混在している領域である。
図8(a)のIPFマップの模式図に示すように、Alの金属層とAlNのセラミックス基板との界面近傍に、符号(11),(12)で示されたAlの結晶領域が分布している。ここで、領域(11)は、[001]方位の結晶の領域であり、[111]方位の結晶及び[101]方位の結晶が点状に存在している領域である。また、領域(12)は、[001]方位の結晶領域である。
また、図8(b)のIPFマップの模式図に示すように、Alの金属層とAlNのセラミックス基板との界面近傍に、符号(13),(14)で示されたAlの結晶領域が分布している。ここで、領域(13)は、[001]方位の結晶の領域であり、[111]方位の結晶及び[101]方位の結晶が点状に存在している領域である。また、領域(14)は、[001]方位の結晶領域である。
一方、実施例の試験片においては、図8(a)及び図8(b)に示すように、領域(11)〜(14)が存在している。即ち、Alの金属層とAlNのセラミックス基板との界面に、[001]方位の結晶が高い割合で存在していることが分かる。換言すると、領域(11)〜(14)には、[111]方位の結晶と[101]方位の結晶とが殆ど存在していない。
以上述べたように、Alの金属層とAlNのセラミックス基板とが接合されている界面近傍に着目すると、実施例の試験片における[001]方位の結晶の占有率が、比較例の試験片における[001]方位の結晶の占有率よりも高いことが分かる。
図9において符号Aがアルミニウムの金属板の部分を示し、この部分は大半が[001]方位の結晶である。
また、符号Bはセラミックス基板を示しており、このセラミックス基板との界面付近に界面に沿って複数の結晶が並んでいる。
そのうち、符号Cで示す結晶が[001]方位の結晶であり、その他の符号D1、D2の各結晶は[001]以外の方位の結晶であることを示している。
次に、実施例の試験片における[001]方位を有する結晶の占有率を算出した結果について説明する。
占有率の算出方法は、実施例の試験片における[001]方位の結晶のIPFマップを180μmの視野範囲で10視野分測定し、その測定結果から接合界面付近の断面において、基準長さに対して接合界面の法線方向に[001]方位が配向した結晶の発生領域の長さを測定した。そして、結晶の発生領域の長さに基づいて、[001]方位を有する結晶の占有率を算出した。また、同時に結晶の平均粒径も測定した。なお、結晶方位に関しては±5°の範囲を同一の方位とみなした。
その結果、実施例の試験片において、接合界面の法線方向に配向した[001]方位の結晶粒の発生領域が、前記接合界面の全体領域の95%以上であるという結果が得られた。
次に、接合強度の測定について説明する。
接合強度の測定としては、まず、比較例の試験片と実施例の試験片とを準備した。比較例の試験片としては、界面近傍における[001]方位の結晶の占有率が30%,45%,及び50%である3つの試験片1〜3を用意した。また、実施例の試験片としては、界面近傍における[001]方位の結晶の占有率が95%,97%,及び98%である3つの試験片1〜3を用意した。これら6つの試験片の各々に対して熱サイクル試験を行なった。この熱サイクル試験は、−45℃〜125℃の温度変化を1つの熱サイクルとし、これを4000回繰り返すものである。その後、6つの試験片の各々について接合率を算出し、各試験片の接合率を比較した。
評価結果を表1に示す。
一方、[001]方位に配向した結晶の占有率が95%以上とされた実施例1〜3においては、4000回の熱サイクルを行なった後においても接合率が85%以上となり、熱サイクル信頼性が向上することが確認された。
第2実施例においては、上記実施形態のパワーモジュール用基板を構成する金属層13の内部の濃度分布を測定した結果について説明する。
図10(a)〜図10(c)は、図2に示すセラミックス基板11と金属層13(回路層12)との接合界面から離れるにしたがって濃度が減少するSiの濃度分布をEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)によって測定した結果である(DBAのSiライン分析結果)。
図10(a)〜図10(c)において、横軸は距離を示しており、縦軸はSiの濃度を示している。また、「AlN側」とは、セラミックス基板11と金属層13との接合界面の位置を示しており、即ち、接合界面からの距離が0mmであることを示している。また、図10(a)及び図10(c)においては、接合界面からの距離が増加するにしたがって、図中左方向にSiの濃度が減少する分布が示されている。一方、図10(b)においては、接合界面からの距離が増加するにしたがって、図中右方向にSiの濃度が減少する分布が示されている。いずれも、金属層13中において、接合界面から離れるにしたがって変化するSiの濃度分布を示している。
図10(a)においては、接合界面におけるSiの濃度が0.28wt%であり、金属層13の表面(接合界面の反対面)におけるSiの濃度が0.08wt%であるという測定結果が得られた。また、Siの濃度が半減値となる、接合界面からの距離は、0.203mmであるという結果(測定結果1)が得られた。
図10(b)においては、接合界面におけるSiの濃度が0.28wt%であり、金属層13の表面におけるSiの濃度が0.09wt%であるという測定結果が得られた。また、Siの濃度が半減値となる、接合界面からの距離は、0.192mmであるという結果(測定結果2)が得られた。
図10(c)においては、接合界面におけるSiの濃度が0.26wt%であり、金属層13の表面におけるSiの濃度が0.07wt%であるという測定結果が得られた。また、Siの濃度が半減値となる、接合界面からの距離は、0.200mmであるという結果(測定結果3)が得られた。
これらの測定結果1〜3を表2に示す。
以上のように、本発明のパワーモジュール用基板においては、ろう材に含まれているSiがセラミックス基板11と金属層13との界面近傍において拡散しており、Siの濃度は、セラミックス基板11から離れるにしたがって漸次低くなるように分布している。
Claims (3)
- パワーモジュール用基板であって、
セラミックス基板と、
純アルミニウムからなる金属板と、
前記セラミックス基板と前記金属板とを接合し、融点降下元素を含有するろう材と、
を含み、
前記金属板においては、前記融点降下元素の濃度が、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面から離間するにしたがい漸次低くなるように分布し、
前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面付近においては、前記接合界面の法線方向に配向した[001]方位の結晶粒の発生領域が、前記接合界面の全体領域の95%以上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。 - 請求項1に記載のパワーモジュール用基板であって、
前記融点降下元素がSiであることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 請求項1または請求項2に記載のパワーモジュール用基板と、
前記パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、
を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
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