JP5569305B2

JP5569305B2 - パワーモジュール用基板及びパワーモジュール用基板の製造方法

Info

Publication number: JP5569305B2
Application number: JP2010219567A
Authority: JP
Inventors: 慎介青木; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: JP2012074610A

Description

本発明は、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パワーモジュール用基板及びパワーモジュール用基板の製造方法に関する。

従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に、回路層となるアルミニウム金属層が積層され、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となるアルミニウムの金属層が形成され、この金属層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。
また、特許文献１には、放熱層となる金属層を設けず、セラミックス基板に直接アルミニウム製のヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。

このようなセラミックス基板に回路層又は放熱層となる金属層を積層状態に形成する方法として、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等からなるセラミックス基板に、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材を介在させて金属層を重ね合わせ、その積層体を加圧、加熱することにより、ろう材を溶融させて、セラミックス基板と金属層とを接合することが知られている（特許文献２）。そして、この金属層は、予め回路形状に打ち抜き成形したものを接合するか、あるいは、平板状のものを接合した後にエッチング加工により回路を形成して回路層とされる。この回路層の表面に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、パワーモジュールが構成される。
上述したセラミックス基板材料の中でも、特にＡｌＮは熱伝導性に優れており、幅広く利用されている。

特開２００８−２０５３７２号公報特開２００８−３１１２９６号公報

このようなパワーモジュール用基板の製造においては、接合時に、セラミックス基板の片面もしくは両面に金属層を積層してなる積層体を複数積み重ねた状態で、加熱炉に入れて加熱している。その加熱炉として一般には真空加熱炉を使用しているが、サイクルタイムが長くなり、生産効率が悪い。そのため、ランプ炉等により急加熱することが検討されているが、セラミックス基板と金属層との積層体が複数積層状態とされているため、各積層体の中央部に熱が伝わりにくく、面方向に温度分布の差が生じたまま接合すると、均一に接合することができない。このため、全ての積層体を面内均一に加熱状態とするまでに時間を要し、生産効率の向上には限界がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板と金属層とを短時間で均一に接合することができるパワーモジュール用基板及びパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。

本発明のパワーモジュール用基板は、複数の赤外線透過性窒化アルミニウム層の間に、その赤外線透過性窒化アルミニウム層に比べて赤外線吸収率が高い赤外線吸収層が積層されたセラミックス基板と、該セラミックス基板に接合された金属層とを有し、前記赤外線吸収層がタングステンと窒化アルミニウムとが混合して焼結された焼結体により形成されていることを特徴とする。

セラミックス基板を構成する赤外線透過性窒化アルミニウム層は赤外線透過性を有しており、赤外線発生源から発する赤外線は赤外線透過性窒化アルミニウム層を透過して中央部まで導かれ、赤外線吸収層を加熱する。赤外線吸収層は赤外線の吸収率が高く、その赤外線吸収層自体が短時間で均一に加熱されるので、その熱を赤外線吸収層の周囲にある赤外線透過性窒化アルミニウム層に速やかに伝達することができる。これにより、セラミックス基板と金属層との接合面を効率良く面内均一に加熱することができるので、これらを短時間で接合することができる。

タングステンは、黒色で赤外線吸収率が高く、また熱伝導率が高いため、赤外線を効率良く吸収して短時間で加熱されるとともに、その熱をセラミックス基板全体に均一に伝達することができる。また、タングステンは窒化アルミニウムと熱膨張係数が近く、加熱されても赤外線吸収層と赤外線透過性窒化アルミニウム層との間に亀裂等を生じさせにくい。

そして、前記熱吸収層は、前記セラミックス基板と前記金属層との接合面を投影する領域に設けられているとよい。
この場合、セラミックス基板と金属層との接合面の全面を確実に加熱することができる。

また、本発明のパワーモジュールは、上記のパワーモジュール用基板の前記金属層に電子部品が接合されていることを特徴とする。

さらに、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板に金属層が接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、複数の赤外線透過性窒化アルミニウム層の間にその赤外線透過性窒化アルミニウム層に比べて赤外線吸収率が高いタングステンと窒化アルミニウムとが混合して焼結された焼結体からなる赤外線吸収層が積層されたセラミックス基板に、前記金属層を重ねて配置し、これらの積層体を厚さ方向に複数積み重ねて加圧するとともに、前記積層体の側方に配置された赤外線発生源により前記赤外線吸収層を加熱して接合することを特徴とする。

本発明によれば、赤外線透過性窒化アルミニウム層により赤外線をセラミックス基板の中心部まで導いて赤外線吸収層を速やかに加熱することができるので、セラミックス基板と金属層とを短時間で接合して、接合信頼性の高いパワーモジュール用基板を作製することができる。

本発明の一実施形態であるパワーモジュールの全体構成を示す縦断面図である。赤外線吸収層の一例を説明する斜視図である。セラミックス基板の製造方法を説明する図である。本発明のパワーモジュール用基板の製造装置を示す縦断面図である。図４に示す製造装置の要部拡大図である。本発明の他の実施形態のセラミックス基板を示す縦断面図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態のパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示している。この図１のパワーモジュール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、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とから構成される。

パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の両面に金属層６，７が積層されており、その一方の金属層６が回路層となり、その表面に電子部品４がはんだ付けされる。また、他方の金属層７は放熱層とされ、その表面にヒートシンク５が取り付けられる。

金属層６，７は、いずれも純度９９．９０質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１Ｎ９０（純度９９．９０質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。
このパワーモジュール用基板３は、放熱層となる金属層７に緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属層６よりも肉厚に形成されたものを用いている。

本実施形態のパワーモジュール用基板３においては、例えば、回路層となる金属層６の厚さは０．６ｍｍとされ、放熱層となる金属層７の厚さが１．５ｍｍとされている。
これら金属層６，７は、プレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板２に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板２に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。

セラミックス基板２は、赤外線透過性窒化アルミニウム層２１の間に、その赤外線透過性窒化アルミニウム層２１に比べて赤外線吸収率が高い赤外線吸収層２２が積層されて形成され、その厚さは例えば０．６３５ｍｍとされる。
赤外線透過性窒化アルミニウム層２１は、本来無色透明であるＡｌＮの含有量が９９質量％以上で、かつ真密度に対する相対密度が９５％以上とされ、内部の気孔数が少ない透明度の高い窒化アルミニウム焼結層である。ＡｌＮの含有量が９９質量％未満かつ相対密度が９５％未満では、透明度が低く、所望の赤外線透過性が得られない。この赤外線透過性窒化アルミニウム層２１としては、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）の測定により４０％以上の赤外線透過率を有しているものが好ましい。

赤外線吸収層２２は、タングステン又はタングステンと窒化アルミニウムとが混合して焼結された焼結体により、厚さ１０〜５０μｍに形成されている。タングステンは、黒色で赤外線を効率良く吸収することができるので、赤外線の照射により短時間で加熱される。また、タングステンは熱伝導率が高く、その熱をセラミックス基板２の全体に均一に伝達することができる。さらに、タングステンは窒化アルミニウムと熱膨張係数が近く、加熱されても赤外線吸収層２２と赤外線透過性窒化アルミニウム層２１との間に亀裂等を生じさせることがない。この赤外線吸収層２２としては、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）による透過率及び反射率の測定結果から、１００％−（透過率＋反射率）として、３０％以上の赤外線反射率を有しているものが好ましい。

赤外線吸収層２２をタングステンと窒化アルミニウムとの焼結体で構成した場合、タングステンの含有量としては１０〜５０質量％とするのがよい。タングステン含有量が１０質量％未満であると赤外線吸収率が低く、セラミックス基板２全体を所定の温度まで加熱するのに時間を要する。また、タングステンの含有量が５０質量％を超えると、セラミックス基板の全面に赤外線吸収層を設ける場合には、赤外線透過性窒化アルミニウム層２１との十分な接合強度が得られない。
赤外線吸収層２２をタングステン単体又はタングステンの含有量が５０質量％を超える焼結体で形成する場合は、図２に示すように、赤外線吸収層２２に複数の孔２２ａを設けて、その孔２２ａ内で赤外線透過性窒化アルミニウム層２１同士が接合されるように構成するとよい。
これらの赤外線吸収層２２については、セラミックス基板２に接合される金属層６，７の接合面の大きさ等に合わせて、上述の構成を適宜選択する。

赤外線透過性窒化アルミニウム層２１内に赤外線吸収層２２が積層されたセラミックス基板２を形成するには、図３に示すように、ＡｌＮ粉末とバインダーとを混合して、ドクターブレード法により、まず片側の赤外線透過性窒化アルミニウム層２１となるＡｌＮシート２５を連続的に形成する。この連続して形成されるＡｌＮシート２５の表面に、赤外線吸収層２２となるタングステンおよびＡｌＮ粉末と溶媒とを混合したペースト２６をスクリーン印刷等により平坦に塗布する。そして、ペースト２６を塗布したＡｌＮシート２５上に、さらにドクターブレード法によりＡｌＮシート２５を積層する。この三層に積層された原料シート２７を加圧した状態で真空雰囲気下または窒素雰囲気下で焼結し、その後、所定長さに切断してセラミックス基板２を形成する。

次に、このように構成されるセラミックス基板２に、回路層および放熱層となる金属層６，７を接合してパワーモジュール用基板３を製造する方法について説明する。
図４に示すように、セラミックス基板２の一方の面に回路層となる金属層６をろう材箔（図示略）を介して積層し、セラミックス基板２の他方の面に放熱層となる金属層７もろう材箔を介して積層する。ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金が使用される。この積層体４０と、クッション性及び耐熱性を有するカーボン及びグラファイトの薄膜からなるクッションシート３１とを、その積層方向に交互に重ねて加圧手段３０の間に載置し、これらを厚さ方向（積層方向）に加圧した状態でランプ炉内に装入する。そして、この加圧状態で積層体４０の側方に配置されたハロゲンランプ（赤外線発生源）３２を照射して積層体４０を加熱することにより、ろう付けを行う。

この際、積層体４０の外周部は、図５の実線矢印で示すように、ハロゲンランプ３２からの輻射熱によって直接的に加熱される。また、上述したように、セラミックス基板２を構成する赤外線透過性窒化アルミニウム層２１は赤外線透過性を有しており、赤外線発生源であるハロゲンランプ３２の光を破線矢印で示すように透過させてセラミックス基板２の中央部まで導くことができ、各積層体４０の赤外線吸収層２２を集中的に加熱する。これにより、赤外線吸収層２２の周囲にある赤外線透過性窒化アルミニウム層２１を短時間で均一に加熱することができる。
したがって、セラミックス基板２の両面の接合面を効率良く均一に加熱することができ、セラミックス基板と金属層とを短時間で均一に接合することができる。

なお、金属層６と電子部品４との接合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｚｎ−Ａｌ系もしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。図中符号８がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と金属層６の端子部との間は、アルミニウム等からなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。

一方、放熱層となる金属層７とヒートシンク５との間の接合法としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金のろう材によるろう付け法や、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材にフラックスを用いたノコロックろう付け法、金属層およびヒートシンクにＮｉめっきを施し、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−ＡｌもしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によりはんだ付けする方法が用いられ、あるいは、シリコングリースによって密着させた状態でねじによって機械的に固定される。図１では、ろう付けした例を示している。

なお、本発明は上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。
上記の実施形態においては、セラミックス基板２を構成する赤外線吸収層２２を赤外線透過性窒化アルミニウム層２１の全面に積層した構成としていたが、部分的に積層する構成としてもよい。その場合、セラミックス基板と金属層との接合面が投影される領域に赤外線吸収層が積層されているとよく、接合面の全面を確実に加熱することができる。
また、図６に示すように、赤外線透過性窒化アルミニウム層２１ａに赤外線吸収層２２ａを埋設させて、金属層６よりも内側の中央部だけに赤外線吸収層２２ａを形成してもよい。この場合でも、赤外線発生源から遠くに配置されているセラミックス基板の中央部付近を、赤外線吸収層２２Ａａにより集中的に加熱することができ、赤外線発生源に近く比較的加熱され易い積層体の外周部付近との温度差を小さくすることができるので、より均一に積層体全体を加熱することができる。

また、上記実施形態では、金属層に純度９９．９０％以上のアルミニウムを用いたが、純度９９％以上のアルミニウム又はアルミニウム合金を用いてもよい。また、回路層及び放熱層となる金属層に同じ材質のものを用いたが、両金属層はこれに限定されるものではなく、回路層及び放熱層を別々の材質としてもよい。例えば、放熱層にアルミニウムを用い、回路層に銅を用いる構成とすることができる。
さらに、上記の実施形態においては、セラミックス基板の両面に回路層及び放熱層となる金属層を積層してパワーモジュール用基板を構成し、その放熱層にヒートシンクを取り付ける構成としていたが、放熱層を設けずにセラミックス基板の裏面に直接ヒートシンクをろう付け等により接合してパワーモジュール用基板を構成してもよい。

さらに、セラミックス基板と金属層とは、拡散接合（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＤｉｆｆｕｓｉｏｎＢｏｎｄｉｎｇ）によって接合してもよい。その接合方法について簡単に説明すると、金属層にスパッタリングによってＡｇを含有する固着層を形成した後、その固着層をセラミックス基板に接触させた状態で積層し、この積層体を加圧、加熱することにより、Ａｇが金属層に拡散して金属層の固着層近傍の融点を低下させ、セラミックス基板と金属層との界面に溶融金属層を形成する。さらに、拡散が進むと、溶融金属層のＡｇ濃度が低下して融点が上昇することにより凝固して、セラミックス基板と金属層とが接合される。

また、本発明はランプ炉以外の加熱炉に適用することも可能であり、側方に赤外線発生源が配置され、輻射熱で加熱される構成のものであれば使用することができる。
また、赤外線吸収層としてはタングステンが好適に使用されるが、タングステン以外に、カーボン、Ｔｉ、Ｃｒ等を用いることも可能である。

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
５ヒートシンク
６，７金属層
８はんだ接合層
２１，２１ａ赤外線透過性窒化アルミニウム金属層
２２，２２ａ赤外線吸収層
２２ａ孔
２５ＡｌＮシート
２６ペースト
２７原料シート
３０加圧手段
３１クッションシート
３２ハロゲンランプ（赤外線発生源）
４０積層体

Claims

複数の赤外線透過性窒化アルミニウム層の間に、その赤外線透過性窒化アルミニウム層に比べて赤外線吸収率が高い赤外線吸収層が積層されたセラミックス基板と、該セラミックス基板に接合された金属層とを有し、前記赤外線吸収層がタングステンと窒化アルミニウムとが混合して焼結された焼結体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。
前記赤外線吸収層は、前記セラミックス基板と前記金属層との接合面を投影する領域に設けら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。
請求項１又は２に記載のパワーモジュール用基板の前記金属層に電子部品が接合されていることを特徴とするパワーモジュール。
セラミックス基板に金属層が接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、複数の赤外線透過性窒化アルミニウム層の間にその赤外線透過性窒化アルミニウム層に比べて赤外線吸収率が高いタングステンと窒化アルミニウムとが混合して焼結された焼結体からなる赤外線吸収層が積層されたセラミックス基板に、前記金属層を重ねて配置し、これらの積層体を厚さ方向に複数積み重ねて加圧するとともに、前記積層体の側方に配置された赤外線発生源により前記赤外線吸収層を加熱して接合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。