JP5119753B2

JP5119753B2 - 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: JP5119753B2
Application number: JP2007153949A
Authority: JP
Inventors: 義幸長友; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-06-11
Filing date: 2007-06-11
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2027-06-11
Also published as: JP2008306107A

Description

本発明は、大電流、大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並びにパワーモジュールに関する。

一般に、半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高く、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）のセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ（シリコン）系等のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。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、はんだ材を介して電子部品（半導体チップ等のパワー素子）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の熱伝達層としてＡｌ等の金属板が接合され、この金属板を介してヒートシンク等の放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたものが知られている。

前記回路層としての金属板とセラミックス基板との良好な接合強度を得るために、例えば、特許文献１には、ＡｌＮセラミックス基板の表面粗さを０．５μｍ未満とする技術が開示されている。
特開平３−２３４０４５号公報

しかしながら、金属板をセラミックス基板に接合する場合、単にセラミックス基板の表面粗さを低減するのみでは十分に高い接合強度が得られるとは言えず、クラックが発生することがあった。そのクラックを観察すると、金属板とセラミックス基板との接合界面よりもわずかに金属板内に入った位置で発生、進展していた。このクラックをいかにして防止し、熱サイクル時における接合信頼性を向上させるかということが課題とされていた。

本発明は、前述課題に鑑みてなされたもので、金属板とセラミックス基板との熱サイクル時における接合信頼性を向上させることができる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。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。すなわち本発明に係るパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板を接合したパワーモジュール用基板であって、前記金属板における前記セラミックス基板との接合界面から５０μｍまでの範囲には、複数のＳｉ析出粒子が析出されており、前記Ｓｉ析出粒子は、その粒子径が３ｎｍ〜１７０ｎｍとされ、互いに隣り合う最も近傍に存在するＳｉ析出粒子同士の間の距離が１００ｎｍ〜９００ｎｍとされていることを特徴とする。また、本発明に係るパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板を用い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の前記金属板の上に電子部品が搭載されていることを特徴とする。

本発明者らは、この接合界面近傍における金属板の微細組織に着目したところ、熱サイクル時にこの接合界面近傍で転位が動くことによって、前記金属板を構成する結晶粒の微細化が促進され、その結果、微細化された結晶粒界に沿ってクラックが発生することを見出した。この発明に係る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、前記接合界面近傍には複数のＳｉ析出粒子が析出されており、これらのＳｉ析出粒子によって転位の動きを妨げることができる。そして、転位の動きが妨げられることにより、結晶粒の微細化が防止され、結晶粒界に沿ってクラックが発生するのを防止し、セラミックス基板と金属板との熱サイクル時における接合信頼性を向上させることができる。

本発明に係る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、金属板とセラミックス基板との熱サイクル時における接合信頼性を向上させることができる。

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のパワーモジュールを示す縦断面図、図２は金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す拡大図である。図１に示すように、この実施形態におけるパワーモジュール１は、セラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、該パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４と、パワーモジュール用基板３の裏面に接合されたヒートシンク５とから構成されている。

パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の表面側に回路層となる回路層用金属板６が積層されるとともに、裏面側に放熱のための熱伝達層となる熱伝達層用金属板７が積層された構成である。この場合、セラミックス基板２は、例えばＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物系セラミックスにより形成され、回路層用金属板６及び熱伝達層用金属板７は、純度９９．０ｗｔ％以上の純Ａｌ（アルミニウム）、好ましくは９９．９９ｗｔ％以上の純Ａｌにより形成されている。

また、これらセラミックス基板２、回路層用金属板６、熱伝達層用金属板７の相互間、及び熱伝達層用金属板７とヒートシンク５との間は、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材によって接合されている。回路層用金属板６と電子部品４との間は、はんだ材によって接合されている。図中符号８は、このはんだ材の接合層を示している。

前記ヒートシンク５は、Ａｌ合金の押し出し成形によって形成された扁平な筒体９内に、長さ方向に沿う多数のフィン１０が幅方向に並べられて形成されていることにより、各フィン１０の間に多数の微細流路１１が形成された構成とされている。

このような積層構造とされるパワーモジュール１は、図２において、セラミックス基板２と両金属板６，７との接合界面から５０μｍまでの範囲に析出するＳｉ析出粒子２０の粒子径が、３ｎｍ〜１７０ｎｍ（平均径８５ｎｍ）となされている。また、互いに隣り合う最も近傍に存するＳｉ析出粒子２０同士の距離が、１００ｎｍ〜９００ｎｍ（平均距離４２５ｎｍ）となるようになされている。

このように構成されたパワーモジュール１を製造する場合には、まず、パワーモジュール用基板３を製造した後、このパワーモジュール用基板３に電子部品４及びヒートシンク５を接合することにより行われる。このパワーモジュール用基板３を製造するには、まず、セラミックス基板２の両面にろう材箔を介して金属板６，７をそれぞれ配置する。そして、これらセラミックス基板２、ろう材箔、金属板６，７の積層体を真空雰囲気中において積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させることによってセラミックス基板２の表面に回路層用金属板６、裏面に熱伝達層用金属板７をろう付けにより接合して、パワーモジュール用基板３を製造する。

ここで、前記ろう材箔としては、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を使用する。詳しくは、Ｓｉ濃度が１０．５ｗｔ％（Ａｌ−１０．５％Ｓｉ）のもの、またはＳｉ濃度が７．５ｗｔ％でその厚みが２５μｍ以上のものを使用するのが好ましい。このろう付け工程において、接合時の昇温による拡散現象により、ろう材内のＳｉは接合される界面近傍からその外側へと拡散されるが、従来に比べそのＳｉ濃度が高く（又は箔の厚みが厚く）設定されているため、接合の終了時における界面近傍に留まるＳｉ量が多く、金属板６，７に固溶できないＳｉが、結晶粒内に析出粒子として析出されるようになっている。

このようにして得られたＡｌ／ＡｌＮ／Ａｌ接合体の回路層用金属板６上にレジストを印刷した後、エッチングすることにより所定の回路パターンを形成し、パワーモジュール用基板３が作製される。次に、このパワーモジュール用基板３の回路パターンが形成された回路層用金属板６上面に、半導体チップ等の電子部品４をはんだ材８により接合し、このパワーモジュール用基板３の裏面の熱伝達層用金属板７にヒートシンク５をろう付け接合して、パワーモジュール１が製造される。

このように構成されたパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板３のろう付け工程を前述の条件によって行うことにより、セラミックス基板２と金属板６，７との接合界面における剥離の発生を有効に防止することができるものである。
ところで、従来のパワーモジュール用基板におけるクラックを観察したところ、金属板とセラミックス基板との接合界面よりもわずかに金属板内に入った位置で発生し、進展していた。そこで、この界面付近における金属板の微細組織に着目した。

図２において、金属板６，７を構成しているアルミニウムＡは、アルミニウム原子が金属結合された多数の結晶粒Ｂから成り、これら結晶粒Ｂ中の原子配列の規則性にずれやすべりが生じたものが転位である。熱サイクル時には、この転位が動くことにより、金属板６，７を構成する結晶粒Ｂの微細化が促進され、その結果、微細な結晶粒界に沿ってクラックが発生する。

本発明の実施形態によれば、接合界面近傍には、図２に示すように複数のＳｉ析出粒子２０が配置されており、これらのＳｉ析出粒子２０が夫々の結晶粒Ｂ内部をピン止めする如く拘束して、この結晶粒Ｂ内に配置されている。これにより、この結晶粒Ｂ内の転位の動きを妨げることができるため、結晶粒Ｂがそれ以上に微細化されるのを防止し、従来のように、微細な結晶の粒界に沿ってクラックが発生するのを防止するようになされている。よって、金属板６，７とセラミックス基板２との熱サイクル時における接合信頼性を向上させることができる。

また、金属板６，７の接合界面から５０μｍの間に配置されるＳｉ析出粒子２０の粒子径を３ｎｍ〜１７０ｎｍとし、また、互いに隣り合う最も近傍に存在するＳｉ析出粒子２０同士の距離を１００ｎｍ〜９００ｎｍとしたので、結晶粒Ｂの微細化の要因となる転位が動くことを防止する効果が十分に得られる。また、上記Ｓｉ析出粒子２０の設定を接合界面から５０μｍの間としたのは、クラックが発生する場合の殆どが、この接合界面から５０μｍの間で起こることによる。

なお、本発明は前記実施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、本実施形態ではパワーモジュール用基板３をセラミックス基板２の両面に夫々金属板６，７が接合される構成としたが、これに限らず、セラミックス基板２の表面に金属板６が接合され、このセラミックス基板２の裏面にヒートシンク５が直接接合される構成としてもよい。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。ただし本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
[実施例１]
まず、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ製セラミックス基板２の両面に、ろう材箔として厚さ２０μｍのＡｌ−１０．５％Ｓｉ箔を挟んだ状態で、厚さ０．６ｍｍの純度９９．９９％以上のＡｌ製金属板６，７をそれぞれ積層し、これらを接合してパワーモジュール用基板３を得た。このパワーモジュール用基板３の接合界面の評価に際しては、このパワーモジュール用基板３の冷熱サイクル試験（―４０℃・５分⇔１０５℃・５分）を繰り返し行い、夫々２０００サイクル、４０００サイクル、６０００サイクル行った時点で、超音波探傷による方法で金属板６，７とセラミックス基板２との接合界面の剥離状態を観察し、剥離率の推移を２値化処理によって測定した。また、極低加速電圧ＳＥＭ（ＺＥＩＳＳ社「ＵＬＴＲＡ５５」）を用いて、析出粒子の元素成分・析出粒子径・互いに最も近傍に存在する析出粒子間距離につき、夫々測定した。このようにして測定された結果を、表１として示す。

[実施例２]
実施例１のろう材箔を厚さ２５μｍのＡｌ−７．５％Ｓｉとした以外は、実施例１と同様にして評価を行った。
[比較例]
従来例として、ろう材箔を厚さ１０μｍのＡｌ−７．５％Ｓｉとした以外は、実施例１と同様にして評価を行った。

表１に示す通り、実施例１・実施例２においては、冷熱サイクルが６０００サイクルに及んだ時点でも殆ど剥離が見受けられず、良好な結果であった。また、接合界面近傍に析出する粒子元素はＳｉであることが確認され、その析出粒子径及び析出粒子間距離の範囲・平均は、表に示す通りであった。一方、比較例においては、冷熱サイクルが４０００サイクルに及んだ時点で剥離率２．４％となり、６０００サイクルに到っては８．３％となって、クラックの発生・進展が認められた。また接合界面近傍に析出する粒子は特に見受けられなかった。

本発明の一実施形態のパワーモジュールを示す縦断面図である。金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す拡大図である。

符号の説明

１パワーモジュール
２セラミックス基板
３パワーモジュール用基板
４電子部品
６回路層用金属板
７熱伝達層用金属板
２０Ｓｉ析出粒子
Ａアルミニウム

Claims

セラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板を接合したパワーモジュール用基板であって、
前記金属板における前記セラミックス基板との接合界面から５０μｍまでの範囲には、複数のＳｉ析出粒子が析出されており、
前記Ｓｉ析出粒子は、その粒子径が３ｎｍ〜１７０ｎｍとされ、互いに隣り合う最も近傍に存在するＳｉ析出粒子同士の間の距離が１００ｎｍ〜９００ｎｍ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記載のパワーモジュール用基板の前記金属板の上に電子部品が搭載されていることを特徴とするパワーモジュール。