JP5736807B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付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 - Google Patents
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Description
このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板では、第一の金属板は回路層として形成され、第一の金属板の上に、はんだ材を介して半導体チップが搭載される。
Siを比較的多く含有するAl−Si系合金においては、延性が不十分であることから圧延等によって箔材を製造するのが困難であった。
さらに、ろう材箔を用いた場合、第二の金属板とヒートシンクとの界面部分には、第二の金属板及びヒートシンクの表面、ろう材箔の両面の4つの面において酸化被膜が存在することになり、酸化被膜の合計厚さが厚くなる傾向にあった。この酸化被膜により、接合が阻害されるおそれがあった。
さらに、ろう材箔を用いた場合、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との界面部分には、第一の金属板及び第二の金属板の表面、セラミックス基板の表面、ろう材箔の両面の4つの面において酸化被膜が存在することになり、酸化被膜の合計厚さが厚くなる傾向にあった。この酸化被膜により、接合が阻害されるおそれがあった。
最近では、ヒートシンク付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、電子部品の発熱量も上昇する傾向にあり、ヒートシンクの冷却能向上のために、天板部の厚さが薄いヒートシンクも使用されている。このため、セラミックス基板の他方の面側に位置する金属層及びヒートシンクの天板部の合計厚さが薄くなる傾向にあり、前述の反りの発生が問題となっている。
さらに、パワーモジュール用基板の冷却を促進するために、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板が要求されている。
また、第一の金属板及び第二の金属板のうちセラミックス基板との接合界面近傍にAgが固溶されている。ここで、Agは、接合界面のアルミニウムを硬化させる効果が小さいことから、冷熱サイクルを負荷させた場合にも、接合界面のアルミニウムでせん断応力を吸収することができるため、セラミックス基板の割れを防止することができる。
この場合、第一の金属板及び第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍におけるAg濃度が0.05質量%以上とされているので、第一の金属板及び第二の金属板の前記接合界面近傍部分を適度に強化することができる。また、第一の金属板及び第二の金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるAg濃度が10質量%以下とされているので、第一の金属板及び第二の金属板の前記接合界面近傍部分の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、このパワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際の熱応力を第一の金属板及び第二の金属板で吸収することにより、セラミックス基板の割れ等を防止できる。
この場合、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの接合界面近傍におけるCu濃度が0.05質量%以上とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍を確実に固溶強化させることができ、反りの発生を確実に防止することができる。また、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの接合界面近傍におけるCu濃度が5質量%以下とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍の強度が必要以上に高くなることを防止できる。
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、第二の金属板とヒートシンクとを接合することができる。
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、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。また、前述の添加元素は、Cuよりもアルミニウムの強度を向上させる効果が小さいものであるので、前記第一の金属板及び前記第二の金属板とセラミックス基板との接合強度が必要以上に高くならない。よって、セラミックス基板に大きなせん断力が作用することが抑制され、セラミックス基板の割れを防止することができる。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの第二の金属板で十分に吸収することができ、セラミックス基板の割れを抑制することができる。
この構成のパワーモジュールによれば、反りの発生が抑制されるとともにヒートシンクとの接合信頼性が高いことから、電子部品から発生する熱をヒートシンクによって効率的に冷却することができ、信頼性に優れたパワーモジュールを提供することができる。
しかも、第二の金属板及びヒートシンクに直接Cuを固着した場合、酸化被膜は、第二の金属板及びヒートシンクの表面にのみ形成されることになり、第二の金属板及びヒートシンクの界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。
しかも、第一の金属板及び第二の金属板、あるいは、セラミックス基板に直接Cuを固着しているので、酸化被膜は、第一の金属板及び第二の金属板の表面にのみ形成されることになる。よって、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板の界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなり、初期接合の歩留りが向上する。
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、第二の金属板とヒートシンクとを確実に接合することができる。
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、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。また、前述の添加元素は、Cuよりもアルミニウムの強度を向上させる効果が小さいものであることから、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合強度が必要以上に高くなることがない。
この場合、ヒートシンク積層工程とセラミックス基板積層工程、ヒートシンク加熱工程とセラミックス基板加熱工程、溶融金属凝固工程と第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、をそれぞれ同時に行うことによって、接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができる。
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、このCu層が優先的に溶融し、第二の金属板とヒートシンクとの界面に溶融金属領域を確実に形成することが可能となる。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。さらに、CuとAlを積層してもよい。
この場合、AgとともにAlを固着させているので、形成される第1Ag層又は第2Ag層がAlを含有することになり、この第1Ag層又は第2Ag層が優先的に溶融し、第一の金属板又は第二の金属板とセラミックス基板との界面に第一溶融金属領域又は第二溶融金属領域を確実に形成することが可能となる。なお、AgとともにAlを固着させるには、AgとAlとを同時に蒸着してもよいし、Ag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。さらに、AgとAlを積層してもよい。
この場合、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が前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に確実に固着されるので、ヒートシンクと第二の金属板との接合界面にCuを確実に介在させ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、溶融金属領域を確実に形成して、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。
この場合、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、Agが確実に固着されるので、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面にAgを確実に介在させることが可能となる。また、Agの固着量を精度良く調整することができ、第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を確実に形成して、第一の金属板及び第二の金属板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。
図1に本発明の第1の実施形態である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チップ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の他方の面に金属板23が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層13は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板23がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
回路層12及び金属層13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Ag濃度が低下する濃度傾斜層32が形成されている。ここで、回路層12及び金属層13の接合界面近傍のAg濃度が、0.05質量%以上10質量%以下の範囲内に設定されている。
なお、回路層12及び金属層13の接合界面近傍のAg濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面30から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図2のグラフは、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)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。
なお、金属層13及びヒートシンク40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3のグラフは、金属層13(金属板23)及びヒートシンク40(天板部41)の幅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。
まず、図5に示すように、回路層12となる金属板22の一面に、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、第1Ag層24を形成するとともに、金属層13となる金属板23の一面にも、Agペーストを塗布・焼成することにより、第2Ag層25を形成する(Ag固着工程S11)。なお、Agペーストの厚さは、乾燥後で約0.02〜200μmとした。第1Ag層24及び第2Ag層25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。
次に、図5に示すように、金属板22をセラミックス基板11の一方の面側に積層し、かつ、金属板23をセラミックス基板11の他方の面側に積層する(セラミックス基板積層工程S12)。このとき、図5に示すように、金属板22の第1Ag層24、金属板23の第2Ag層25が形成された面がセラミックス基板11を向くように、金属板22、23を積層する。
さらに、金属板23の他方の面側に、ヒートシンク40を積層する(ヒートシンク積層工程S02)。このとき、図5に示すように、金属板23のCu層26が形成された面がヒートシンク40を向くように、金属板23とヒートシンク40とを積層する。
すなわち、金属板22、23とセラミックス基板11との間にそれぞれ第1Ag層24、第2Ag層25を介在させ、金属板23とヒートシンク40との間にCu層26を介在させているのである。
次に、金属板22、セラミックス基板11、金属板23、ヒートシンク40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22、23とセラミックス基板11との界面にそれぞれ第一溶融金属領域27、第二溶融金属領域28を形成する(セラミックス基板加熱工程S13)。
また、同時に、金属板23とヒートシンク40との間に溶融金属領域29を形成する(ヒートシンク加熱工程S03)。
ここで、第一溶融金属領域27、第二溶融金属領域28は、図6に示すように、第1Ag層24、第2Ag層25のAgが金属板22、23に向けて拡散することによって、金属板22、23の第1Ag層24、第2Ag層25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。
また、溶融金属領域29は、図7に示すように、Cu層26のCuが金属板23側及びヒートシンク40側に拡散することによって、金属板23及びヒートシンク40のCu層26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。
次に、溶融金属領域29が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域29中のCuが、さらに金属板23側及びヒートシンク40側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域29であった部分のCu濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、ヒートシンク40と金属板23とは、いわゆる拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。
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2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク140とを備えている。
なお、セラミックス基板111は絶縁性の高い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。
金属層113は、回路層112と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板123がセラミックス基板111に接合されることで形成されている。
回路層112及び金属層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Ag濃度及びMg濃度が低下する濃度傾斜層132が形成されている。ここで、回路層112及び金属層113の接合界面近傍のAg濃度及びMg濃度の合計が、0.05質量%以上10質量%以下の範囲内に設定されている。
なお、回路層112及び金属層113の接合界面近傍のAg濃度及びMg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9のグラフは、回路層112及び金属層113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。
金属層113及びヒートシンク140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濃度及びMg濃度が低下する濃度傾斜層133、134が形成されている。ここで、この濃度傾斜層133、134の接合界面側(金属層113及びヒートシンク140の接合界面近傍)のCu濃度及びMg濃度の合計が、0.05質量%以上6.5質量%以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層113及びヒートシンク140の接合界面近傍のCu濃度及びMg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10のグラフは、金属層113及びヒートシンク140(天板部141)の幅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。
まず、図12に示すように、回路層112となる金属板122の一面に、スパッタリングによってAgを固着して第1Ag層124を形成するとともに、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Agを固着して第2Ag層125を形成する。なお、この第1Ag層124、第2Ag層125には、Agに加えてSi,Zn,Mg,Ge,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固着されており、本実施形態では、添加元素としてMgを用いている。
ここで、本実施形態では、第1Ag層124、第2Ag層125におけるAg量は、0.08mg/cm2以上5.4mg/cm2以下に設定されている。また、Mg量は、0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下に設定されている。
次に、図12に示すように、金属板122をセラミックス基板111の一方の面側に積層し、かつ、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。このとき、図12に示すように、金属板122の第1Ag層124、金属板123の第2Ag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122、123を積層する。すなわち、金属板122、123とセラミックス基板111との間にそれぞれ第1Ag層124、第2Ag層125を介在させているのである。
次に、金属板122、セラミックス基板111、金属板123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122、123とセラミックス基板111との界面にそれぞれ第一溶融金属領域、第二溶融金属領域を形成する。このとき、第1Ag層124、第2Ag層125のAg及びMgが金属板122、123に向けて拡散し、金属板122、123の第1Ag層124、第2Ag層125近傍のAg濃度及びMg濃度が上昇して融点が低くなることにより、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域が形成される。
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。
次に、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域中のAg及びMgが、さらに金属板122、123側へと拡散していくことになる。これにより、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域であった部分のAg濃度及びMg濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、セラミックス基板111と金属板122、123とが接合され、パワーモジュール用基板110が製出されることになる。
次に、金属層113の他方の面に、スパッタリングによってCu及びMgを固着してCu層126を形成する。ここで、本実施形態では、Cu層126におけるCu量は、0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下に設定され、Mg量は、0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下に設定されている。
次に、図13に示すように、パワーモジュール用基板110の金属層113の他方の面側に、ヒートシンク140を構成する天板部141、コルゲートフィン146、底板部145を積層する。このとき、天板部141の接合層141B及び底板部145の接合層145Bがコルゲートフィン146側を向くように、天板部141及び底板部145を積層する。また、天板部141とコルゲートフィン146、底板部145とコルゲートフィン146との間には、例えば、KAlF4を主成分とするフラックス(図示なし)を介在させておく。
また、金属板123のCu層126が形成された面が、ヒートシンク140の天板部141を向くように配置し、金属板123とヒートシンク140との間にCu層126を介在させる。
次に、積層されたパワーモジュール用基板110、天板部141、コルゲートフィン146及び底板部145を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、金属板123とヒートシンク140の天板部141との間に溶融金属領域を形成する。このとき、Cu層126のCu及びMgが金属板123及び天板部141に向けて拡散し、Cu層126近傍のCu濃度及びMg濃度が上昇して融点が低くなることにより、溶融金属領域が形成される。
また、同時に、天板部141とコルゲートフィン146、底板部145とコルゲートフィン146との間にも、接合層141B、145Bを溶融させた溶融金属層を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は550℃以上630℃以下の範囲内に設定している。
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のCu及びMgが、さらに金属板123側及びヒートシンク140の天板部141側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のCu濃度及びMg濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、ヒートシンク140の天板部141と金属板223とは、いわゆる拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。
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。
また、セラミックス基板をAlN、Al2O3で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Si3N4等の他のセラミックスで構成されていてもよい。
同様に、Cu層形成工程で、CuとともにMgを固着させるものとして説明したが、これに限定されることはない。添加元素として、Si,Zn,Mg,Ge,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上を用いても良い。
また、Cu層形成工程では、スパッタによって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、めっき、蒸着、CVD、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト又はインクなどの塗布等でCuを固着させてもよい。
さらに、Cu層形成工程において、CuとともにAlを固着する構成としてもよい。
また、Ag固着工程では、ペーストの塗布又はスパッタによってAg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、めっき、蒸着、CVD、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているインクなどの塗布等でAgを固着させてもよい。
さらに、Ag固着工程において、AgとともにAlを固着する構成としてもよい。
また、ヒートシンクと金属層との接合を、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雰囲気等でヒートシンクと金属層との接合を行ってもよい。
さらに、コルゲートフィンの形状等を含め、ヒートシンクの構造も本実施形態に限定されるものではない。
50mm×50mm×0.635mmのAlNからなるセラミックス基板、あるいは、50mm×50mm×0.32mmのAl2O3からなるセラミックス基板に、47mm×47mm×0.6mmの4Nアルミニウムからなる回路層と、47mm×47mm×0.6mmの4Nアルミニウム板及び50mm×50mm×0.9mmの4Nアルミニウム板を積層した金属層とを接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
また、ヒートシンクとして60mm×70mm×5mmのアルミニウム板を準備し、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合した。
また、ヒートシンクの接合面に、表1に示す元素を固着して、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを積層して加圧加熱(温度:610℃、圧力:12kgf/cm2、時間:90分)し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合した。
また、ヒートシンクと金属層との間の接合信頼性を評価した。上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して冷熱サイクル(−45℃〜200℃)を2000回繰り返した後の接合率を比較した。
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
評価結果を表1、2に示す。
これに対して、回路層及び金属層とセラミックス基板とをAgの拡散接合によって接合し、金属層とヒートシンクとをくの拡散接合によって接合した場合には、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りが抑制され、かつ、ヒートシンクと金属層との間の接合信頼性が向上することが確認された。
11、111、211 セラミックス基板
12、112、212 回路層(第一の金属板)
13、113、213 金属層(第二の金属板)
40、140、240 ヒートシンク
24、124 第1Ag層
25、125 第2Ag層
26、126 Cu層
27 第一溶融金属領域
28 第二溶融金属領域
29 溶融金属領域
Claims (13)
- セラミックス基板と、
前記セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、
前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、
該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備え、
前記第一の金属板及び前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍には、Agが固溶されており、
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍には、Cuが固溶されており、
前記第一の金属板及び前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍におけるAg濃度が0.05質量%以上10質量%以下の範囲内に設定され、
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍における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ことを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。 - 前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Cuに加えて、Si,Zn,Mg,Ge,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶されていることを特徴とする請求項1に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 前記第一の金属板及び前記第二の金属板には、Agに加えて、Si,Zn,Mg,Ge,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のヒートシンク付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ヒートシンク付パワーモジュール用基板と、
該ヒートシンク付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。 - セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備えるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、
前記第二の金属板の他面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、
前記セラミックス基板接合工程は、
前記セラミックス基板と前記第一の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第一の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にAgを固着して第1Ag層を形成するとともに、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第二の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にAgを固着して第2Ag層を形成するAg固着工程と、
前記第1Ag層を介して前記セラミックス基板と前記第一の金属板とを積層するとともに、前記第2Ag層を介して前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層するセラミックス基板積層工程と、
積層された前記第一の金属板と前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第1Ag層及び前記第2Ag層のAgを前記第一の金属板側及び前記第二の金属板側に拡散させることにより、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との界面及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に、第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成するセラミックス基板加熱工程と、
前記第一溶融金属領域及び前記第二溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記第一溶融金属領域及び前記第二溶融金属領域中のAgをさらに前記第一の金属板側及び前記第二の金属板側に拡散し、温度を一定に保持した状態で前記第一溶融金属領域及び前記第二溶融金属領域の凝固を進行させることによって、前記第一の金属板と前記セラミックス基板及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合する第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、を有し、
前記ヒートシンク接合工程は、
前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にCuを固着してCu層を形成するCu層形成工程と、
前記Cu層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、
積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記Cu層のCuを前記第二の金属板側及び前記ヒートシンク側に拡散させることにより、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、
前記溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記溶融金属領域中のCuをさらに前記第二の金属板側及び前記ヒートシンク側に拡散し、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 - 前記Cu層形成工程において、Cuに加えて、Si,Zn,Mg,Ge,Ca,Ga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に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記Ag固着工程において、Agに加えて、Si,Zn,Mg,Ge,Ca,Ga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又は請求項7に記載のヒートシンク付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接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことを特徴とする請求項6から請求項8のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記Cu層形成工程では、CuとともにAlを固着させることを特徴とする請求項6から請求項9のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記Ag固着工程においては、AgとともにAlを固着させることを特徴とする請求項6から請求項10のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記Cu層形成工程は、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6から請求項11のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記Ag固着工程は、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Agを固着させることを特徴とする請求項6から請求項12のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
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