JP5699882B2 - パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付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、例えば特許文献2−4に示すように、セラミックス基板の上にアルミニウム合金部材を溶湯接合法によって接合して回路層を形成したパワーモジュール用基板が提案されている。
このようなパワーモジュール用基板においては、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとして使用される。
また、最近は、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、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、熱サイクルの温度差が大きく、回路層の表面にうねりやシワが発生しやすい傾向にある。
また、金属層が、0.2%耐力が10MPa以上20MPa以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されているので、金属層とセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、金属層によって十分に吸収することができ、金属層とセラミックス基板との間の接合信頼性を向上させることができる。
これにより、回路層がセラミックス基板に強固に拘束されなくなり、セラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差に起因する熱歪みの発生を抑制することができる。また、上述のように金属層が熱歪みを十分に吸収することが可能であることから、金属層がセラミックス基板に拘束されても、接合界面に亀裂等が発生することが抑制される。
さらに、金属層の0.2%耐力が10MPa以上とされているので、金属層自体の剛性が確保され、大きく変形することを防止できる。また、金属層の0.2%耐力が20MPa以下とされているので、熱歪みを確実に吸収することができる。
この場合、ピーリング強度を用いて、前記回路層と前記セラミックス基板との間の接合強度及び前記金属層と前記セラミックス基板との間の接合強度を規定している。なお、本発明におけるピーリング強度は、長さ100mm、幅5mmのサイズのアルミニウム板(回路層及び金属層)を用いて、JIS C 6471に規定される方法に従って、短辺の端から回路層及び金属層を剥離し、その応力を測定したものである。なお、引き剥がし角度を90°、引き剥がし速度を50mm/minとしている。
さらに、前記金属層と前記セラミックス基板との間のピーリング強度が、150N/cm以上とされているので、金属層とセラミックス基板とを確実に接合することが可能となる。なお、前記金属層と前記セラミックス基板との間のピーリング強度が強くても、金属層自体が変形し易いので、接合界面近傍において亀裂等が発生することを防止できる。
この場合、回路層の厚さが0.1mm以上とされているので、導電性を確保することができ、半導体素子と電気的に接続することができる。
また、回路層の厚さが0.25mm以下とされているので、回路層全体の剛性が必要以上に高くならず、セラミックス基板の割れ等を防止することができる。
なお、このような接合条件を実現するために、回路層を、液相線温度が635℃以上658℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成し、金属層を、液相線温度が643℃以上661℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成することが好ましい。また、回路層接合工程における温度及び荷重と、金属層接合工程における温度及び荷重が重なる場合には、回路層接合工程と金属層接合工程と同時に実施することも可能となる。
この場合、Al―Si系又はAl−Ge系のろう材は、Al−Cu系又はAl−Ag系のろう材に比べて接合強度が低くなる傾向にある。よって、前記回路層と前記セラミックス基板との間の接合強度を、前記金属層と前記セラミックス基板との間の接合強度よりも低く設定することができる。
ここで、Cuはアルミニウムの強度を大幅に向上させる効果を有することから、金属層の接合界面近傍の強度が向上し、金属層とセラミックス基板との接合強度が高くなる。よって、前記回路層と前記セラミックス基板との間の接合強度を、前記金属層と前記セラミックス基板との間の接合強度よりも低く設定することができる。
前述の添加元素は、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、金属層とセラミックス基板とを確実に接合することができる。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクを備えているので、パワーモジュール用基板をヒートシンクによって効率的に冷却することができる。
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回路層との接合強度が高く、かつ、回路層と半導体素子との間に形成されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制できるので、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可能となる。
図1に、本発明の第1の実施形態である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(いわゆる無鉛はんだ材)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膜(図示なし)が設けられている。
そして、回路層12は、純度が98質量%以下で、0.2%耐力が40MPa以上70MPa以下のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属板22が、セラミックス基板11に接合されることにより形成されている。
本実施形態では、金属板22は、A3003合金の圧延板とされている。そして、回路層12の厚さt1は、0.1mm≦t1≦0.25mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、t1=0.2mmに設定されている。
この金属層13は、純度が99質量%以上で、0.2%耐力が10MPa以上20MPa以下のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属板23が、セラミックス基板11に接合されることにより形成されている。
本実施形態では、金属板23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)の圧延板とされている。そして、金属層13の厚さt2は、0.25mm≦t2≦3.6mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、t2=2.0mmに設定されている。
具体的には、回路層12とセラミックス基板11との間のピーリング強度PF1が、100N/cm≦PF1≦150N/cmとされ、金属層13とセラミックス基板11との間のピーリング強度PF2が、PF2≧150N/cmとされており、さらに、PF1<PF2とされている。
まず、図3に示すように、セラミックス基板11と金属層13となる金属板23とを、ろう材25を介して接合する。本実施形態では、ろう材25として、Al−10質量%Cuからなる厚さ80〜100μmのろう材箔を用いている。
積層されたセラミックス基板11と金属板23とを積層方向に荷重(3〜5kgf/cm2)をかけた状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、セラミックス基板11と金属板23との界面に溶融金属領域を形成する。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640℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
そして、これを冷却することによって、セラミックス基板11と金属板23との界面に形成された溶融金属領域を凝固し、セラミックス基板11と金属板23とを接合する。
次に、図3に示すように、回路層12となる金属板22とセラミックス基板11とを、ろう材24を介して接合する。本実施形態では、ろう材24として、Al−7.5質量%Siからなる厚さ5〜15μmのろう材箔を用いている。
積層された金属板22とセラミックス基板11とを積層方向に荷重(1.5〜2.5kgf/cm2)をかけた状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板22とセラミックス基板11との界面に溶融金属領域を形成する。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620℃以上630℃以下の範囲内に設定している。
そして、これを冷却することによって、金属板22とセラミックス基板11との界面に形成された溶融金属領域を凝固し、金属板22とセラミックス基板11とを接合する。
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が製出される。
次に、パワーモジュール用基板11とヒートシンク40とを接合する。このヒートシンク接合工程S03においては、ヒートシンク40の接合面に、Agペーストを塗布して、150〜200℃で乾燥した後に300〜500℃で焼成を行うことによりAg層を形成する。なお、Agペーストの厚さは、乾燥後で約0.02〜200μmとした。また、Ag層におけるAg量は、0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下に設定されている。
また、本実施形態では、Agペーストの粘度が10Pa・s以上500Pa・s以下、より好ましくは50Pa・s以上300Pa・s以下に調整されている。
溶剤は、沸点が200℃以上のものが適しており、例えば、α−テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレンクリコールジブチルエーテル等を適用することができる。なお、本実施形態では、ジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いている。
樹脂は、Agペーストの粘度を調整するものであり、500℃以上で分解されるものが適しており、例えば、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を適用することができる。なお、本実施形態では、エチルセルロースを用いている。
また、本実施形態では、ジカルボン酸系の分散剤を添加している。なお、分散剤を添加することなくAgペーストを構成してもよい。
この溶融金属領域は、Ag層のAgが金属層13側及びヒートシンク40側に拡散することによって、金属層13及びヒートシンク40のAg層近傍のAg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630℃以下の範囲内に設定している。
この半導体素子接合工程S04においては、回路層12の一面側にNi膜を形成し、このNi膜の上に、はんだ材を介して半導体素子3を載置し、還元炉内においてはんだ接合する。
これにより、はんだ層2を介して半導体素子3がパワーモジュール用基板10上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール1が製出されることになる。
なお、回路層12の0.2%耐力が40MPa以上とされているので、回路層12におけるうねり及びシワの発生を確実に抑制することができる。また、回路層12の0.2%耐力が70MPa以下とされているので、回路層12の変形抵抗が必要以上に大きくならず、セラミックス基板11に大きな曲げ応力が作用することを防止できる。
なお、金属層13の0.2%耐力が10MPa以上とされているので、金属層13自体の強度が確保され、大きく変形することを防止できる。また、金属層13の0.2%耐力が20MPa以下とされているので、熱歪みを確実に吸収することができる。
これにより、回路層12がセラミックス基板11に強固に拘束されなくなり、セラミックス基板11と回路層12との熱膨張係数の差に起因する熱歪みの発生を抑制することができる。また、金属層13が熱歪みを十分に吸収することが可能であることから、金属層13がセラミックス基板11に強固に拘束されても、接合界面に亀裂等が発生することが抑制される。さらに、セラミックス基板11に作用する曲げ応力を小さくすることができ、セラミックス基板11の割れを防止できる。
このパワーモジュール101は、回路層112が配設されたパワーモジュール用基板110と、回路層112の表面にはんだ層102を介して接合された半導体素子103と、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(いわゆる無鉛はんだ材)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。
そして、回路層112は、純度が98質量%以下で、0.2%耐力が40MPa以上70MPa以下のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属板122が、セラミックス基板111に接合されることにより形成されている。
本実施形態では、金属板122は、A6063合金の圧延板とされている。そして、回路層112の厚さt1は、0.1mm≦t1≦0.25mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、t1=0.2mmに設定されている。
この金属層113は、純度が99質量%以上で、0.2%耐力が10MPa以上20MPa以下のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属板123が、セラミックス基板111に接合されることにより形成されている。
本実施形態では、金属板123は、純度が99質量%以上のアルミニウム(いわゆる2Nアルミニウム)の圧延板とされている。そして、金属層113の厚さt2は、0.2mm≦t2≦2.0mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、t2=1.5mmに設定されている。
金属層113の接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次Cu濃度が低下する濃度傾斜層132が形成されている。ここで、金属層113の接合界面近傍のCu濃度が0.05質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層113の接合界面近傍のCu濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図5のグラフは、金属層113(金属板123)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。
具体的には、回路層112とセラミックス基板111との間のピーリング強度PF1が、100N/cm≦PF1≦150N/cmとされ、金属層113とセラミックス基板111との間のピーリング強度PF2が、PF2≧150N/cmとされており、さらに、PF1<PF2とされている。
まず、図7に示すように、回路層112となる金属板122とセラミックス基板111とを、ろう材124を介して接合する。本実施形態では、ろう材124として、Al−7.5質量%Siからなる厚さ5〜15μmのろう材箔を用いている。
積層された金属板122とセラミックス基板111とを積層方向に荷重(圧力1.5〜2.5kgf/cm2)をかけた状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板122とセラミックス基板111との界面に溶融金属領域を形成する。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630℃以上640℃以下の範囲内に設定している。
そして、これを冷却することによって、金属板122とセラミックス基板111との界面に形成された溶融金属領域を凝固し、金属板122とセラミックス基板111とを接合する。
次に、金属層113となる金属板123の一面に、スパッタリングによってCuを固着してCu層125を形成する(Cu固着工程)。Cu層125におけるCu量は、0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下に設定されている。
金属板123をセラミックス基板111の他方の面側に積層する(積層工程)。このとき、図7に示すように、金属板123のCu層125が形成された面がセラミックス基板111を向くように、金属板123を積層する。
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620℃以上630℃以下の範囲内に設定している。
次に、パワーモジュール用基板111とヒートシンク140とを接合する。このヒートシンク接合工程S103においては、ヒートシンク140の接合面に、Agをスパッタリングによって固着することによりAg層を形成する。なお、Ag層におけるAg量は、00.08mg/cm2以上5.4mg/cm2以下に設定されている。
この半導体素子接合工程S104においては、回路層112の一面側にNi膜を形成し、このNi膜の上に、はんだ材を介して半導体素子103を載置し、還元炉内においてはんだ接合する。
これにより、はんだ層102を介して半導体素子103がパワーモジュール用基板110上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール101が製出されることになる。
例えば、セラミックス基板として、AlN、Si3N4を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、高強度Al2O3等の他のセラミックス基板を用いてもよい。なお、セラミックス基板の厚さが0.2mmから0.4mmまでの場合には、曲げ強度が600MPa以上、セラミックス基板の厚さが0.4mmを超えて1.5mmまでの場合には、曲げ強度が400MPa以上であることが好ましい。
同様に、金属層を構成するアルミニウム材料として、4Nアルミ、2Nアルミを例に挙げて説明したが、これに限定されることはない。0.2%耐力が10MPa以上20MPa以下であれば、他のアルミニウム及びアルミニウム合金であってもよい
また、ヒートシンクを液相拡散接合によって接合するものとして説明下が、これに限定されることはなく、ろう付け、はんだ付け等で接合してもよい。
まず、回路層とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層のピーリング強度を測定した。長さ100mm、幅5mm、厚さ0.6mmの回路層形成用金属板と、長さ100mm、幅5mm、厚さ1.3mmの金属層形成用金属板と、30mm×30mmのセラミックス基板と、を準備した。なお、セラミックス基板の材質、厚さについては、表1に示すものとした。また、表1に示すように、回路層形成用金属板は、A3003合金又はA6063合金又は4Nアルミニウムとし、金属層形成用金属板は、純度99.99質量%以上の純アルミニウム(4NAl)とした。
なお、セラミックス基板と金属層形成用金属板との接合は、セラミックス基板と回路層形成用金属板との接合と同時に実施しており、接合温度も同一である。
このピーリング強度測定用試験片を用いて、JIS C 6471に規定される方法に従って、短辺の端から回路層及び金属層を、引き剥がし角度を90°、引き剥がし速度を50mm/minの条件で剥離し、その応力を測定した。測定結果を表1に示す。
実施例5、6及び比較例1では、回路層とセラミックス基板との接合にSiろう材を使用し、金属層とセラミックス基板との接合にTLPを用いることによって、回路層側の接合強度を金属層側の接合強度よりも低くできることが確認された。
比較例2、3では、回路層とセラミックス基板との接合にCuろう材を使用し、金属層とセラミックス基板との接合にTLPを用いることによって、回路層側の接合強度が金属層側の接合強度と同等となることが確認された。
28mm×28mmの回路層形成用金属板と、29mm×29mmの金属層形成用金属板と、30mm×30mmのセラミックス基板と、を準備した。なお、回路層形成用金属板、金属層形成用金属板、セラミックス基板の材質、厚さについては、表2に示すものとした。また、表2に示すように、回路層形成用金属板は、A3003合金又はA6063合金又は4Nアルミニウムとし、金属層形成用金属板は、純度99.99質量%以上の純アルミニウム(4NAl)とした。
なお、セラミックス基板と金属層形成用金属板との接合は、回路層形成用金属板の接合と同時に実施しており、接合温度も同一である。
なお、うねりについては、半径が2μmの球状先端を有し、テーパ角が90°の円錐を触針として用い、2.5(mm/基準長さ)×5区間の距離を、荷重4mN,速度1mm/sで表面を走査して区間平均の粗さ曲線を測定し、その算術平均粗さRa(JIS B0601−1994)を算出した。
また、回路層とセラミックス基板との接合強度が金属層とセラミックス基板との接合強度よりも低く設定されたものでは、セラミックス基板の割れ、回路層とセラミックス基板との剥離が防止されることが確認された。
2、102 はんだ層
3、103 半導体素子(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
40、140 ヒートシンク
Claims (9)
- セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、セラミックス基板の他方の面に金属層が形成されてなり、前記回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層は、0.2%耐力が40MPa以上70MPa以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、
前記金属層は、0.2%耐力が10MPa以上20MPa以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、
前記回路層と前記セラミックス基板との間の接合強度が、前記金属層と前記セラミックス基板との間の接合強度よりも低く設定されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 前記回路層と前記セラミックス基板との間のピーリング強度が、100N/cm以上150N/cm以下とされており、
前記金属層と前記セラミックス基板との間のピーリング強度が、150N/cm以上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。 - 前記回路層の厚さが、0.1mm以上0.25mm以下とされてい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。
- 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層となる金属板と前記セラミックス基板とを接合する回路層接合工程と、前記金属層となる金属板と前記セラミックス基板とを接合する金属層接合工程と、を有し、
前記回路層接合工程では、温度590℃以上630℃以下、荷重1kgf/cm2以上15kgf/cm2以下の条件で接合を行い、
前記金属層接合工程では、温度600℃以上655℃以下、荷重3kgf/cm2以上30kgf/cm2以下の条件で接合を行うことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 - 前記回路層接合工程では、Al−Si系又はAl−Ge系のろう材を用いて接合する構成とされ、
前記金属層接合工程では、Al−Cu系又はAl−Ag系のろう材を用いて接合することを特徴とする請求項4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3のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層となる金属板と前記セラミックス基板とを接合する回路層接合工程と、前記金属層となる金属板と前記セラミックス基板とを接合する金属層接合工程と、を有し、
前記回路層接合工程では、Al−Si系又はAl−Ge系のろう材を用いて接合する構成とされ、
前記金属層接合工程は、前記金属層となる金属板及び前記セラミックス基板の接合面の少なくとも一方にCuを固着してCu固着層を形成するCu固着工程と、前記Cu固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と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と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有することを特徴とする請求項4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に加えて、Si,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着することを特徴とする請求項6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3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を冷却するヒートシンクと、を備えたことを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール基板。
- 請求項1から請求項3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。
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