JP5668506B2 - パワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板 - Google Patents
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Description
また、例えば特許文献1に示すように、パワーモジュールから発生する熱を効率的に放散するために、セラミックス基板の他方の面側にヒートシンクを配設したものが提案されている。
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のようにヒートシンク上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板がヒートシンクによって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、回路層とセラミックス基板との界面に大きなせん断力が作用することになる。よって、従来にもまして、セラミックス基板と回路層との界面強度を向上させる必要があった。
このため、溶融アルミニウムの接触時間や圧力が変動した際には、セラミックス基板と回路層との界面強度が低下してしまうことになる。また、パワーモジュール用基板を効率良く生産することができないといった問題があった。
前記固着工程におけるCuの固着量が0.1mg/cm2未満の場合には、セラミックス基板と溶融アルミニウムとの反応を促進させる効果を十分に奏功せしめることができなくなるおそれがある。また、前記固着工程におけるCuの固着量が20mg/cm2を超える場合には、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に、CuとAlの反応物が過剰に生成してしまい、界面強度が低下するおそれがある。したがって、前記固着工程におけるCuの固着量を0.1mg/cm2以上20mg/cm2以下の範囲内とすることが好ましい。
Cu、及び、Ag,Mg,Ca,Niといった元素は、アルミニウムとの反応性が高い元素であることから、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に介在することによって界面強度を向上させることが可能となる。なお、Mg,Caといった活性な元素を固着する場合には、Alとともに固着させることにより、酸化ロスを抑えることができる。
前記固着工程におけるCu及び前記添加元素の固着量の合計が0.1mg/cm2未満の場合には、セラミックス基板と溶融アルミニウムとの反応を促進させる効果を十分に奏功せしめることができなくなるおそれがある。また、前記固着工程におけるCu及び前記添加元素の固着量の合計が20mg/cm2を超える場合には、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に、Cu及び添加元素とAlとの反応物が過剰に生成してしまい、界面強度が低下するおそれがある。したがって、前記固着工程におけるCu及び前記添加元素の固着量の合計を0.1mg/cm2以上20mg/cm2以下の範囲内とすることが好ましい。
この場合、セラミックス基板の一方の面に、確実にCuを固着することが可能となる。また、Cuの固着量を精度良く調整することができる。
この場合、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層が形成され、かつ、セラミックス基板の他方の面に第2アルミニウム層が形成されたパワーモジュール用基板が製出されることになる。なお、第2アルミニウム層については、アルミニウム層と同様に、溶融アルミニウムをセラミックス基板の他方の面に接触させることで形成してもよいし、アルミニウム板をろう付け等で接合してもよい。
なお、アルミニウム層中のCu濃度とは、アルミニウム層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。
また、前記セラミックス基板がSi3N4で構成されている場合においては、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との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=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜10質量%:2〜20質量%:25質量%以下とされていることが好ましい。
さらに、前記セラミックス基板がAl2O3で構成されている場合においては、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Cu、Oの質量比が、Al:Cu:O=50〜90質量%:1〜10質量%:0〜45質量%とされていることが好ましい。
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。
この場合、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層が形成され、かつ、セラミックス基板の他方の面に第2アルミニウム層が形成されており、セラミックス基板の反りの発生が抑制される。また、例えば、アルミニウム層を回路層として半導体素子を配設し、第2アルミニウム層側にヒートシンクを配設することで、ヒートシンクを備えたパワーモジュールを構成することが可能となる。
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素子3と、ヒートシンク40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。
金属層13は、セラミックス基板11の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
本実施形態においては、回路層12及び金属層13は、純度が99.99質量%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)で構成されている。
また、回路層12及び金属層13中のCu濃度とは、回路層12及び金属層13のうち界面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濃度である。
このように、本実施形態においては、セラミックス基板11の界面30部分にのみCuが濃縮しているのである。
そして、鋳型50から取り出し、余剰なアルミニウムを切削、又は、エッチング等によって除去し、回路層12及び金属層13を形成する(仕上工程S04)。
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が製出されることになる。
また、本実施形態では、セラミックス基板11の一方の面に回路層12を、他方の面に金属層13を同時に形成する構成とされていることから、セラミックス基板11における反りの発生を防止することができる。
このパワーモジュール101は、パワーモジュール用基板110と、このパワーモジュール用基板110の一方の面(図6において上面)にはんだ層102を介して接合された半導体素子103と、パワーモジュール用基板110の他方の面(図6において下面)側に配設されたヒートシンク140と、を備えている。ここで、はんだ層102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112とはんだ層102との間にNi膜(図示なし)が設けられている。
セラミックス基板111は、その一方の面側と他方の面側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。
本実施形態においては、回路層112は、純度が99.99質量%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)で構成されている。
さらに、このCu高濃度部132においては、Mgを含有しており、界面130におけるMg濃度が、回路層112中のMg濃度よりも高くなっている。
また、回路層112中のCu濃度とは、回路層112のうち界面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濃度である。
このように、本実施形態においては、セラミックス基板111の界面130部分にのみCu及びMgが濃縮しているのである。
そして、所定時間保持後、鋳型150を冷却し、キャビティ151内に充填された溶融アルミニウムMを凝固させる(凝固工程S103)。
そして、所定時間保持後、鋳型150を冷却し、キャビティ151内に充填された第2溶融アルミニウムM2を凝固させる(第2凝固工程S105)。
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及びヒートシンク140が製出されることになる。
さらに、Cu固着工程S101は、スパッタリングによって、セラミックス基板111の一方の面及び他方の面に、Cu及びMgを固着させる構成としているので、第1Cu層124及び第2Cu層125における、Cu量及びMg量を精度良く調整することができる。
このように、セラミックス基板111と回路層112との界面130に、Cu及びMgが濃縮されたCu高濃度部132が形成されているので、界面130にCu原子及びMg原子が介在することにより、Si3N4からなるセラミックス基板111と回路層112との界面強度の向上を図ることが可能となる。
同様に、セラミックス基板111とヒートシンク140との界面にもCu及びMgが濃縮することになり、セラミックス基板111とヒートシンク140との界面強度の向上を図ることが可能となる。
このパワーモジュール201は、パワーモジュール用基板210と、このパワーモジュール用基板210の一方の面(図11において上面)にはんだ層202を介して接合された半導体素子203と、パワーモジュール用基板210の他方の面(図11において下面)側に配設されたヒートシンク240と、を備えている。ここで、はんだ層202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212とはんだ層202との間にNi膜(図示なし)が設けられている。
セラミックス基板211は、その一方の面側と他方の面側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Al2O3(アルミナ)で構成されている。また、セラミックス基板211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212は、純度が99.99質量%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)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240の天板部241と金属層213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215が設けられている。
また、回路層212中のCu濃度とは、回路層212のうち界面230から一定距離(本実施形態では、5nm)離れた部分におけるCu濃度である。
このように、本実施形態においては、セラミックス基板211の界面230部分にのみCuが濃縮しているのである。
なお、金属層213の接合界面236近傍のCu濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面236から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図14のグラフは、金属層213(金属板223)の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の50μm位置での濃度を基準として求めたものである。
そして、所定時間保持後、鋳型250を冷却し、キャビティ251内に充填された溶融アルミニウムMを凝固させる(凝固工程S203)。
まず、上述のセラミックス基板211を鋳型250から取り出し、セラミックス基板211の他方の面に金属板223を積層する。なお、金属板223は、純度99.99質量%以上の4Nアルミニウムの圧延板とされている。
そして、セラミックス基板211と金属板223とを積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板223とセラミックス基板211との界面に溶融金属領域227を形成する。ここで、溶融金属領域227は、図17に示すように、第2Cu層225のCuが金属板223に向けて拡散することによって、金属板223の第2Cu層225近傍のCu濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
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210が製出されることになる。
さらに、Cu固着工程S201は、スパッタリングによって、セラミックス基板211の一方の面及び他方の面に、Cuを固着させる構成としているので、第1Cu層224及び第2Cu層225におけるCuの固着量を精度良く調整することができる。
このように、セラミックス基板211と回路層212との界面230に、Cuが濃縮されたCu高濃度部232が形成されているので、界面230にCu原子が介在することにより、Al2O3からなるセラミックス基板211と回路層212との界面強度の向上を図ることが可能となる。
例えば、回路層を、純度99.99質量%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)で構成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、例えば純度99質量%以上のアルミニウム(2Nアルミニウム)等であってもよい。
さらに、Cuに加えて、Ag,Mg,Ca及びNiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着させる構成としてもよい。
さらに、第3の実施形態において、セラミックス基板と金属板との接合を、真空加熱炉を用いて行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、N2雰囲気、Ar雰囲気及びHe雰囲気等でセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。
40mm角の厚さ0.635mmのAlNからなるセラミックス基板の両面に、スパッタによってCu及び添加元素を固着させた。このセラミックス基板を黒鉛鋳型内に設置し、温度800℃で4Nアルミニウムからなる溶融アルミニウムを充填した。なお、充填圧力を3×105Paとした。そして、この鋳型を15分間で600℃まで冷却し、溶融アルミニウムを凝固させた。その後、鋳型から取り出し、切削加工によって、36mm角、厚さ0.6mmの回路層及び金属層を形成した。
ここで、スパッタによるCu及び添加元素の固着量を、表1に示すように変化させた。
なお、接合率は、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。
接合率 = (初期接合面積−剥離面積)/初期接合面積
これに対して、本発明例1−21においては、比較例に比べて接合率が向上していることが確認される。特に、Cuの固着量を20mg/cm2以下、あるいは、Cu及び添加元素の固着量を20mg/cm2以下とした本発明例1−19においては、接合率が70%以上となっており、接合信頼性が向上していることが確認される。
10、110、210 パワーモジュール用基板
11、111、211 セラミックス基板
12、112、212 回路層(アルミニウム層)
13、213 金属層(第2アルミニウム層)
Claims (11)
- セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層が形成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の一方の面のうち少なくとも前記アルミニウム層が形成される領域に、Cuを固着し、Cuを含有する固着層を形成する固着工程と、
前記固着層が形成された前記セラミックス基板を鋳型内に配置し、この鋳型内に溶融アルミニウムを充填し、前記セラミックス基板と前記溶融アルミニウムとを接触させる溶融アルミニウム充填工程と、
前記セラミックス基板と接触した状態で前記溶融アルミニウムを凝固させる凝固工程と、を備えており、
前記セラミックス基板のうち前記固着層が形成された領域において、前記セラミックス基板と前記溶融アルミニウムとの反応を促進させ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。 - 前記固着工程におけるCuの固着量が0.1mg/cm2以上20mg/cm2以下の範囲内と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の製造方法。
- 前記固着工程において、Cuに加えて、Ag,Mg,Ca及びNiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記固着工程におけるCu及び前記添加元素の固着量の合計が、0.1mg/cm2以上20mg/cm2以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記固着工程においては、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Cuを固着させることを特徴とする請求項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の製造方法。
- 前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第2アルミニウム層を形成することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板であって、
前記アルミニウム層において、前記セラミックス基板との界面から50μmの位置におけるCu濃度と、前記セラミックス基板との界面から100μmの位置におけるCu濃度と、の濃度差が0.1質量%以下とされており、
前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面には、Cu濃度が前記アルミニウム層中の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。 - 前記セラミックス基板がAlNで構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との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=50〜90質量%:1〜10質量%:2〜20質量%:25質量%以下とされていることを特徴とする請求項7の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、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との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=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜10質量%:2〜20質量%:25質量%以下とされていることを特徴とする請求項7の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Al2O3で構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Cu、Oの質量比が、Al:Cu:O=50〜90質量%:1〜10質量%:0〜45質量%とされていることを特徴とする請求項7の記載のパワーモジュール用基板。
- 前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第2アルミニウム層を有することを特徴とする請求項7から請求項10のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
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