JP5359942B2 - パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法 - 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て金属層とされ、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ものが提案されている。
また、熱サイクルが負荷された場合において、接合界面の剥離のみでなく、セラミックス基板に割れが発生することも知られている
なお、金属板中のCu濃度とは、金属板のうち接合界面から一定距離(例えば、5nm)離れた部分におけるCu濃度である。
この場合、接合界面に酸素が介在することにより、AlN又はSi3N4からなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板との接合強度のさらなる向上を図ることが可能となる。
また、接合界面に高濃度で存在する酸素は、セラミックス基板の表面に存在する酸素及び金属板の表面に形成された酸化膜から取り込まれたものであると考えられる。ここで、酸素濃度が接合界面において高濃度に存在するということは、これらの酸化膜等が確実に除去されるように十分に加熱されていることになり、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
あるいは、前記セラミックス基板がSi3N4で構成されており、前記Cu高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Si、Cu、O、Nの質量比が、Al:Si:Cu:O:N=15〜45wt%:15〜45wt%:1〜10wt%:2〜20wt%:25wt%以下とされていることが好ましい。
また、前記Cu高濃度部を含む接合界面に存在する酸素原子の質量比が20wt%を超えると、酸素濃度の高い部分が厚く存在することになり、熱サイクルを負荷した際に、この高濃度部においてクラックが発生してしまい接合信頼性が低下するおそれがある。このため、酸素濃度は2〜20wt%とすることが好ましい。
なお、本明細書中におけるエネルギー分散型X線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡JEM−2010Fに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光X線元素分析装置NORAN System7を用いて加速電圧200kVで行った。
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強度が高く、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。
また、Cu層の厚さが0.15μm未満であると、セラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を十分に形成することができないおそれがある。また、Cu層の厚さが3μmを超えると、CuとAlとの反応物が接合界面に過剰に発生し、金属板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、熱サイクル負荷時にAlNからなるセラミックス基板に割れが発生するおそれがある。このため、AlNからなるセラミックス基板の場合、Cu層の厚さは、0.15μm以上3μm以下とすることが好ましい。
また、Cu層の厚さが0.15μm未満であると、セラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を十分に形成することができないおそれがある。また、Cu層の厚さが3μmを超えると、CuとAlとの反応物が接合界面に過剰に発生し、接合を阻害するおそれがある。このため、Si3N4からなるセラミックス基板の場合、Cu層の厚さは、0.15μm以上3μm以下とすることが好ましい。
あるいは、前記Cu層が、前記積層工程の前に、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にCuを固着させるCu固着工程によって形成されていることが好ましい。
これらの手段によれば、セラミックス基板と金属板との間に、所望の厚さのCu層を形成することが可能となり、確実にセラミックス基板と金属板とを接合することができる。
この場合、CuとともにAlを固着させているので、形成されるCu層がAlを含有することになり、加熱工程において、このCu層が優先的に溶融して溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することができる。なお、CuとともにAlを固着させるには、CuとAlとを同時に蒸着してもよいし、CuとAlの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。
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ものであって、絶縁性の高い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。
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若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層15が設けられている。
さらに、このCu高濃度部32においては、酸素濃度が、回路層12及び金属層13(中の酸素濃度よりも高く設定されている。
また、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)中のCu濃度及び酸素濃度とは、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)のうち接合界面30から一定距離(本実施形態では、5nm)離れた部分におけるCu濃度及び酸素濃度である。
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。
図5に本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板110及びパワーモジュール101を示す。なお、第1の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
セラミックス基板111は、回路層112と金属層113との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いSi3N4(窒化ケイ素)で構成されている。また、セラミックス基板111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、0.32mmに設定されている。
さらに、このCu高濃度部132においては、酸素濃度が、回路層112及び金属層113中の酸素濃度よりも高く設定されている。
また、回路層112及び金属層113中のCu濃度及び酸素濃度とは、回路層112及び金属層13のうち接合界面130から一定距離(本実施形態では、5nm)離れた部分におけるCu濃度及び酸素濃度である。
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110が製造される。
例えば、回路層及び金属層を構成する金属板を純度99.99%の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度99%のアルミニウム(2Nアルミニウム)であってもよい。
さらに、真空蒸着によってCuを固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、スパッタリング、CVD、めっき、銅ペーストの塗布等の手段によって、Cuを固着させてもよい。
さらに、ヒートシンクをアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、銅や銅合金で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
40mm角で厚さ0.635mmのAlNからなるセラミックス基板の両面に、真空蒸着によってCuを固着させ、このセラミックス基板の両面に、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる金属板をそれぞれ積層し、積層方向に圧力1〜5kg/cm2で加圧した状態で真空炉(真空度10−3Pa〜10−5Pa)で加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。
同様に、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる金属板の片面に、真空蒸着によってCuを固着させ、この金属板を40mm角で厚さ0.635mmのAlNからなるセラミックス基板の両面に、両方の金属板の蒸着側をAlN側になるようにそれぞれ積層し、積層方向に圧力1〜5kg/cm2で加圧した状態で真空炉(真空度10−3Pa〜10−5Pa)で加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。
ここで、真空蒸着によるCuの固着量(Cu厚さ)を、0.1μm、0.5μm、1.0μm、2.0μm、3.0μmの5水準とし、加熱温度を610℃、630℃、650℃の3水準とし、計30種類のパワーモジュール用基板を成形した。
この試験片を、−40℃−105℃の熱サイクルを3000回負荷し、セラミックス基板の割れの有無を確認した。なお、同一水準のパワーモジュール用基板をそれぞれ2個ずつ試験に供した。この結果を図9に示す。なお、図9において、全ての試験片でセラミックス基板の割れが発生しなかったものを○、セラミックス基板の割れが一つでも認められたものを△、全ての試験片でセラミックス基板の割れが発生したものを×とした。
なお、接合面積比率は、以下の式で算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積のこととした。
接合面積比率 = (初期接合面積−剥離面積)/初期接合面積
一方、図10に示すように、加熱温度が高いほど接合信頼性が向上する傾向が認められる。また、Cu厚さが2μm程度の場合には、加熱温度が低温でも接合信頼性が向上していることが確認される。
これらの試験結果から、AlNからなるセラミックス基板においては、接合時に金属板とセラミックス基板との界面に存在するCu厚さを2.5μm以下とすることが好ましいことが確認された。
同様に、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる金属板の片面に、真空蒸着によってCuを固着させ、この金属板を40mm角で厚さ0.32mmのSi3N4からなるセラミックス基板の両面に、両方の金属板の蒸着側をSi3N4側になるようにそれぞれ積層し、積層方向に圧力1〜5kg/cm2で加圧した状態で真空炉(真空度10−3Pa〜10−5Pa)で加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。
ここで、真空蒸着によるCuの固着量(Cu厚さ)を、0.1μm、0.5μm、1.0μm、2.0μm、3.0μmの5水準とし、加熱温度を610℃、630℃、650℃の3水準とし、計30種類のパワーモジュール用基板を成形した。
この試験片を、−40℃−105℃の熱サイクルを3000回負荷し、セラミックス基板の割れの有無を確認した。なお、同一水準のパワーモジュール用基板をそれぞれ 2個ずつ試験に供した。この結果を図11に示す。なお、図11において、全ての試験片でセラミックス基板の割れが発生しなかったものを○、セラミックス基板の割れが一つでも認められたものを△、全ての試験片でセラミックス基板の割れが発生したものを×とした。
なお、接合面積比率は、以下の式で算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積のこととした。
接合面積比率 = (初期接合面積−剥離面積)/初期接合面積
また、図12に示すように、加熱温度が高いほど接合信頼性が向上する傾向が認められる。また、Cu厚さが2μm程度の場合には、加熱温度が低温でも接合信頼性が向上していることが確認される。
これらの試験結果から、Si3N4からなるセラミックス基板においては、接合時に金属板とセラミックス基板との界面に存在するCu厚さを0.15μm以上3μm以下とすることが好ましいことが確認された。
一方、本発明例1−4においては、接合界面におけるCu濃度(Cu質量比)が、金属板中のCu濃度(Cu質量比)の2倍以上とされており、このCu原子によって接合強度の向上が図られていることが確認された。
3 半導体チップ(電子部品)
10、110 パワーモジュール用基板
11、111 セラミックス基板
12、112 回路層
13、113 金属層
22、23、122、123 金属板
24、25 銅箔(Cu層)
26、27 溶融アルミニウム層
30、130 接合界面
32、132 Cu高濃度部
124、125 Cu固着層(Cu層)
Claims (11)
- AlN又はSi3N4からなる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が接合されたパワーモジュール用基板であって、
前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、Cu濃度が前記金属板中のCu濃度の2倍以上とされたCu高濃度部が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。 - 前記Cu高濃度部においては、酸素濃度が、前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされていることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記セラミックス基板がAlNで構成されており、
前記Cu高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Cu、O、Nの質量比が、Al:Cu:O:N=50〜90wt%:1〜10wt%:
2〜20wt%:25wt%以下とされていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパワーモジュール用基板。 - 前記セラミックス基板がSi3N4で構成されており、
前記Cu高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Si、Cu、O、Nの質量比が、Al:Si:Cu:O:N=15〜45wt%:15〜45wt%:1〜10wt%:2〜20wt%:25wt%以下とされていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパワーモジュール用基板。 - 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、この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。
- AlNからなる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が接合されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、
前記セラミックス基板と前記金属板とを、厚さ0.15μm以上3μm以下のCu層を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板及び前記金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、
前記溶融工程及び前記凝固工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、Cu濃度が前記金属板中のCu濃度の2倍以上とされたCu高濃度部を形成す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。 - Si3N4からなる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が接合されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、
前記セラミックス基板と前記金属板とを、厚さ0.15μm以上3μm以下のCu層を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板及び前記金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、
前記溶融工程及び前記凝固工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、Cu濃度が前記金属板中のCu濃度の2倍以上とされたCu高濃度部を形成す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。 - 前記Cu層が、前記積層工程において前記セラミックス基板及び前記金属板の間に銅箔を介装することによって形成されていることを特徴とする請求項6または請求項7に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記Cu層が、前記積層工程の前に、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にCuを固着させるCu固着工程によって形成されていることを特徴とする請求項6または請求項7に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記Cu固着工程では、CuとともにAlを固着させることを特徴とする請求項9に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記Cu固着工程は、蒸着、CVD、スパッタリング、めっき又はCuペーストの塗布のいずれかから選択される手段により、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にCuを固着させることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
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