JP5966379B2 - パワーモジュール、及び、パワーモジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
そして、このようなパワーモジュール用基板は、その回路層上に、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載される。なお、この種のパワーモジュール用基板としては、セラミックス基板の下面にも放熱のために熱伝導性に優れた金属板を接合し、その金属板を介して冷却器を接合して、放熱させる構造としたものが知られている。
ここで、アルミニウムからなる回路層においては、表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材との接合を良好に行うことができない。また、銅からなる回路層においては、溶融したはんだ材と銅とが反応して回路層の内部にはんだ材の成分が侵入し、回路層の導電性が劣化するといった問題がある。
また、特許文献2には、はんだ材を用いずにAgナノペーストを用いて半導体素子を接合する技術が提案されている。
さらに、特許文献3、4には、はんだ材を用いずに金属酸化物粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化物ペーストを用いて半導体素子を接合する技術が提案されている。
また、パワーモジュール用基板に冷却器をろう付けで接合する場合には、回路層表面にNiめっき膜を形成した後にろう付け等を行えば、Niめっき膜が劣化してしまうため、通常は、パワーモジュール用基板と冷却器とをろう付けして冷却器付パワーモジュール用基板を形成した後に、めっき浴内にその冷却器付パワーモジュール用基板全体を浸漬させることが行なわれている。この場合、回路層以外の部分にもNiめっき膜が形成されることになるが、冷却器がアルミニウムやアルミニウム合金で構成されていた場合には、アルミニウムからなる冷却器とNiめっき膜との間で電食が進行するおそれがある。そのため、Niめっき工程においては、冷却器部分にNiめっき膜が形成されないように、マスキング処理を行う必要があった。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をする場合、回路層部分にNiめっき膜を形成するためだけの工程に多大な労力が必要となり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加してしまうといった問題がある。
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る。このため、パワーモジュールの使用時において、回路層と半導体素子との接合界面に作用する応力も増加する傾向にあり、従来にも増して、回路層と半導体素子との間の接合信頼性の向上が求められている。
また、この第1焼成層の上に、酸化銀が還元されたAgの焼成体からなる第2焼成層が形成されているので、この第2焼成層を形成する際に半導体素子を接合することが可能となる。ここで、酸化銀を還元した場合には、微細なAg粒子が生成することから、第2焼成層を緻密な構造とすることができる。
さらに、第1焼成層及び第2焼成層が積層されているので、回路層と半導体素子との間に介在する接合層の厚さを確保することができる。よって、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用することを抑制でき、半導体素子自体の破損を防止することができる。
この場合、回路層の表面に形成されている酸化皮膜をガラス層に反応させて除去することができ、回路層と半導体素子とを確実に接合することができる。
この場合、酸化銀ペーストを焼成する際に、酸化銀が還元剤によって確実に還元されて微細なAg粒子が生成し、第2焼成層を緻密な構造とすることができる。また、還元剤は、酸化銀を還元する際に分解されるため、第2焼成層中に残存しにくく、第2焼成層における導電性を確保することができる。さらに、例えば300℃といった比較的低温条件で焼成することが可能となるため、半導体素子の接合温度を低く抑えることができ、半導体素子への熱負荷を低減することができる。
この場合、酸化銀が還元されて得られるAg粒子と、酸化銀ペーストに含有されたAg粒子とが焼結することになり、第2焼成層をさらに緻密な構造とすることができる。また、Ag粒子の平均粒径としては、20nm以上800nm以下が望ましい。
AlN、Si3N4又はAl2O3から選択されるセラミックス基板は、絶縁性及び強度に優れており、パワーモジュールの信頼性の向上を図ることができる。また、このセラミックス基板上に金属板を接合することによって、容易に回路層を形成することが可能となる。
また、前記第1焼成層の上に、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを塗布する工程と、塗布された酸化銀ペーストの上に半導体素子を積層する工程と、前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層した状態で加熱して、前記第1焼成層の上に第2焼成層を形成する工程と、を備えているので、第2焼成層を焼成する際に前記半導体素子と前記回路層とを接合することができる。
この場合、前記酸化銀ペーストの焼成温度が400℃以下とされているので、酸化銀ペーストを焼成して半導体素子を接合する際の温度を低く抑えることができ、半導体素子への熱負荷を低減することができる。また、前記酸化銀ペーストの焼成温度が150℃以上とされているので、酸化銀ペーストに含まれる還元剤等を除去することができ、第2焼成層における導電性及び強度を確保することができる。
この場合、前記ガラス含有Agペーストの焼成温度が350℃以上とされているので、ガラス含有Agペースト内の有機成分等を除去でき、第1焼成層を確実に形成することができる。また、前記ガラス含有Agペーストの焼成温度が645℃以下とされているので、回路層や絶縁層の熱劣化を防止することができる。
この場合、より確実に半導体素子とパワーモジュール用基板とを接合することが可能となる。
この場合、Ag粒子が酸化銀粉末の間に介在し、酸化銀が還元されて得られるAg粒子と、酸化銀ペーストに含有されたAg粒子とが焼結することになり、第2焼成層をさらに緻密な構造とすることができる。また、接合時における半導体素子の加圧圧力を低く設定することができる。また、Ag粒子の平均粒径としては、20nm以上800nm以下が望ましい。
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の一方の面(図1において上面)に接合された半導体チップ3と、パワーモジュール用基板10の他方側に配設された冷却器40とを備えている。
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。
なお、第1焼成層31及び第2焼成層38は、図1に示すように、回路層12の表面全体には形成されておらず、半導体チップ3が配設される部分にのみ選択的に形成されている。
ガラス層32内部には、粒径が数ナノメートル程度の微細な導電性粒子34が分散されている。この導電性粒子34は、Ag又はAlの少なくとも一方を含有する結晶性粒子とされている。なお、ガラス層32内の導電性粒子34は、例えば透過型電子顕微鏡(TEM)を用いることで観察されるものである。
また、Ag層33の内部には、粒径が数ナノメートル程度の微細なガラス粒子35が分散されている。
本実施形態においては、ガラス層32の厚さtgが0.01μm≦tg≦5μm、Ag層33の厚さtaが1μm≦ta≦100μm、第1焼成層31全体の厚さt1が1.01μm≦t1≦105μmとなるように構成されている。
本実施形態においては、第2焼成層38の厚さt2が5μm≦t2≦50μmとされている。
このガラス含有Agペーストは、Ag粉末と、ZnOを含有する無鉛ガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、Ag粉末と無鉛ガラス粉末とからなる粉末成分の含有量が、ガラス含有Agペースト全体の60質量%以上90質量%以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、Ag粉末と無鉛ガラス粉末とからなる粉末成分の含有量は、ガラス含有Agペースト全体の85質量%とされている。
また、このガラス含有Agペーストは、その粘度が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。
無鉛ガラス粉末は、主成分としてBi2O3、ZnO、B2O3を含むものとされており、そのガラス転移温度が300℃以上450℃以下、軟化温度が600℃以下、結晶化温度が450℃以上とされている。また、Ag粉末の重量Aと無鉛ガラス粉末の重量Gとの重量比A/Gは、80/20から99/1の範囲内に調整されており、本実施形態では、A/G=80/5とした。
樹脂は、ガラス含有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いる。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ガラス含有Agペーストを構成してもよい。
Bi2O3:68質量%以上93質量%以下、
ZnO:1質量%以上20質量%以下、
B2O3:1質量%以上11質量%以下、
SiO2:5質量%以下、
Al2O3:5質量%以下、
Fe2O3:5質量%以下、
CuO:5質量%以下、
CeO2:5質量%以下、
ZrO2:5質量%以下、
アルカリ金属酸化物:2質量%以下、
アルカリ土類金属酸化物:7質量%以下、
とされている。
得られた溶融物を、カーボン、スチール、銅板、双ロール、水等に投下して急冷することにより、均一なガラス塊を製出する。
このガラス塊を、ボールミル、ジェットミル等で粉砕し、粗大粒子を分級することにより、無鉛ガラス粉末が得られる。ここで、本実施形態では、無鉛ガラス粉末の中心粒径d50を0.1μm以上5.0μm以下の範囲内としている。
まず、前述したAg粉末と無鉛ガラス粉末とを混合して混合粉末を生成する(混合粉末形成工程S01)。また、溶剤と樹脂とを混合して有機混合物を生成する(有機物混合工程S02)。
そして、混合粉末と有機混合物と分散剤とをミキサーによって予備混合する(予備混合工程S03)。
次に、予備混合物を、ロールミル機を用いて練り込みながら混合する(混錬工程S04)。
そして、得られた混錬をペーストろ過機によってろ過する(ろ過工程S05)。
このようにして、前述のガラス含有Agペーストが製出されることになる。
この酸化銀ペーストは、酸化銀粉末と、還元剤と、樹脂と、溶剤と、を含有しており、本実施形態では、これらに加えて有機金属化合物粉末を含有している。
酸化銀粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の60質量%以上80質量%以下とされ、還元剤の含有量が酸化銀ペースト全体の5質量%以上15質量%以下とされ、有機金属化合物粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の0質量%以上10質量%以下とされており、残部が溶剤とされている。ここで、酸化銀ペーストにおいては、焼結によって得られる第2焼成層38に未反応の有機物が残存することを抑制するために、分散剤や樹脂は添加していない。
なお、この酸化銀ペーストは、その粘度が10Pa・s以上100Pa・s以下、より好ましくは30Pa・s以上80Pa・s以下に調整されている。
アルコールであれば、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブチルアルコール、ペンチルアルコール、ヘキシルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルアルコール、ウンデシルアルコール、ドデシルアルコール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、セチルアルコール、ステアリルアルコール等の1級アルコールを用いることができる。なお、これら以外にも、多数のアルコール基を有する化合物を用いてもよい。
有機酸であれば、例えば、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、ノナンデカン酸などの飽和脂肪酸を用いることができる。なお、これら以外にも、不飽和脂肪酸を用いてもよい。
具体的には、α-テルピネオール、酢酸2エチルヘキシル、酢酸3メチルブチル等を用いることができる。
まず、前述した酸化銀粉末と、還元剤(固体)と、有機金属化合物粉末と、を混合し、固体成分混合物を生成する(固体成分混合工程S11)。
次に、この固体成分混合物に、溶剤を添加して撹拌する(撹拌工程S12)。
そして、撹拌物を、ロールミル機(例えば3本ロールミル)を用いて練り込みながら混合する(混練工程S13)。
このようにして、前述の酸化銀ペーストが製出されることになる。なお、得られた酸化銀ペーストは、冷蔵庫等によって低温(例えば5〜15℃)で保存しておくことが好ましい。
まず、回路層12となるアルミニウム板及び金属層13となるアルミニウム板を準備し、これらのアルミニウム板を、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面にそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、前記アルミニウム板とセラミックス基板11とを接合する(回路層接合工程S21)。なお、このろう付けの温度は、640℃〜650℃に設定されている。
なお、ガラス含有Agペーストを塗布する際には、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、感光性プロセス等の種々の手段を採用することができる。本実施形態では、スクリーン印刷法によってガラス含有Agペーストを回路層12の半導体チップ3が搭載される部分に形成した。
この第1焼成工程S24により、回路層12の一方の面に、ガラス層32とAg層33とを備えた第1焼成層31が形成される。このとき、ガラス層32によって、回路層12の表面に自然発生していたアルミニウム酸化皮膜が溶融除去されることになり、回路層12に直接ガラス層32が形成される。
さらに、Ag層33の内部に、粒径が数ナノメートル程度の微細なガラス粒子35が分散されることになる。このガラス粒子35は、Ag粒子の焼結が進行していく過程で、残存したガラス成分が凝集したものと推測される。
なお、酸化銀ペーストを塗布する際には、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、感光性プロセス等の種々の手段を採用することができる。本実施形態では、スクリーン印刷法によって酸化銀ペーストを印刷した。
そして、半導体素子3とパワーモジュール用基板10とを積層した状態で加熱炉内に装入し、酸化銀ペーストの焼成を行う(第2焼成工程S27)。このとき、荷重を0〜10MPaとし、焼成温度を150〜400℃とする。
また、望ましくは半導体素子3とパワーモジュール用基板10とを積層方向に加圧した状態で加熱することによって、より確実に接合することができる。この場合、加圧圧力は0〜10MPaが望ましい。
したがって、第1焼成層31及び第2焼成層38を介して半導体素子3と回路層12との間で電気を確実に導通することが可能となり、信頼性の高いパワーモジュール1を構成することができる。
さらに、本実施形態では、セラミックス基板11の他方側(図1において下側)に、金属層13および緩衝層15を介して冷却器40が配設されているので、半導体チップ3からの発熱によってパワーモジュール1が高温となることを防止することができる。
さらに、酸化銀ペーストに混合する還元剤として、室温で固体であるものを用いているので、焼成前に還元反応が進行することを防止できる。
また、酸化銀ペーストには、分散剤や樹脂が添加されていないことから、第2焼成層38に有機物が残存することを防止できる。
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、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよい。また、回路層及び金属層を構成する金属板を、純銅、または、銅合金で構成されたものとしてもよい。
さらに、回路層及び金属層を構成する金属板を銅又は銅合金で構成した場合には、銅又は銅合金からなる金属板をセラミックス基板に接合する際に、直接接合法(DBC法)、活性金属法、鋳造法等を適用することができる。
さらに、酸化銀ペーストの原料、配合量については、実施形態に記載されたものに限定されることはない。例えば有機金属化合物を含有しないものであってもよい。
また、第1焼成層31におけるガラス層32とAg層33の厚さ、第2焼成層38の厚さについても、本実施形態に限定されるものではない。
さらに、冷却器の天板部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、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよいし、その他の材料で構成されていてもよい。さらに、冷却器として、放熱フィン及び冷却媒体の流路を有するもので説明したが、冷却器の構造に特に限定はない。
さらに、このAg粒子の表層には、有機物を含んでいてもよい。この場合、有機物が分解する際の熱を利用して低温での焼結性を向上させることが可能となる。
本発明例として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール1を準備した。すなわち、純度99.99%以上のアルミニウム板からなる回路層12上に、ガラス含有Agペーストの焼成体からなる第1焼成層31を形成し、かつ、この第1焼成層31の上に、酸化銀ペーストの焼成体からなる第2焼成層38を形成して半導体素子3を接合した。
また、回路層12及び金属層13は、4Nアルミニウムで構成され、25mm×15mm、厚さ0.6mmのものを使用した。
半導体素子3は、IGBT素子とし、13mm×10mm、厚さ0.25mmのものを使用した。
本発明例1では、市販の酸化銀粉末(和光純薬工業株式会社製)と、還元剤としてミリスチルアルコールと、溶剤として2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールモノ(2−メチルプロパノエート)と、を用いて、酸化銀粉末;80質量%、還元剤(ミリスチルアルコール);10質量%、溶剤(2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールモノ(2−メチルプロパノエート));残部、の割合で混合した酸化銀ペーストを用いた。
本発明例2では、市販の酸化銀粉末(和光純薬工業株式会社製)と、還元剤としてミリスチルアルコールと、有機金属化合物として酢酸銀粉末と、溶剤として2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールモノ(2−メチルプロパノエート)と、を用いて、酸化銀粉末;75質量%、還元剤(ミリスチルアルコール);8質量%、有機金属化合物(酢酸Ag);8質量%、溶剤(2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールモノ(2−メチルプロパノエート));残部、の割合で混合した酸化銀ペーストを用いた。
また、第1焼成層31の上に酸化銀ペーストを塗布する酸化銀ペースト塗布工程S25では、酸化銀ペーストの塗布厚さを50μmとした。また、第2焼成工程S27では、焼成温度を300℃、焼成時間を2時間とした。さらに、半導体素子3の加圧圧力を3MPaとした。
従来例として、上述の回路層12の表面に厚さ5μmのNiめっき膜を形成し、はんだ材(Sn−Ag−Cu系無鉛はんだ)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したパワーモジュールを準備した。なお、半導体素子3の加圧圧力を0MPaとした。
比較例1、2として、上述の回路層12の表面に、本発明例1,2で使用する酸化銀ペーストを直接回路層12の表面に塗布して半導体素子3を接合した。焼成条件は、本発明例1,2と同様とした。なお、半導体素子3の加圧圧力を3MPaとした。
まず、本発明例1のパワーモジュールにおいて、回路層と半導体素子との接合界面を倍率200倍でSEM観察した。結果を図7に示す。なお、(a)が二次電子像、(b)が試料の面分析結果(Agマップ)、(c)が試料の面分析結果(Biマップ)である。
図7(c)より、回路層の表面にガラス成分であるBiが層状に分布しており、ガラス層が形成されていることが確認される。また、図7(b)および(c)より、ガラス層の上には、Agの母相中にガラス粒子が分散されたAg層が確認される。さらに、この倍率では、Ag層の上に形成された第2焼成層にガラス粒子が分散されていないことが確認される。
次に、本発明例、従来例、比較例のパワーモジュールを用いて、冷熱サイクル試験及びパワーサイクル試験し、冷熱サイクル試験後の接合率並びに熱抵抗の上昇率、及びパワーサイクル試験後の熱抵抗の上昇率を評価した。
接合率は、超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。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、すなわち半導体素子面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
接合率 = (初期接合面積−剥離面積)/初期接合面積
パワーサイクル試験は、ヒータチップに、15V、150Aの通電条件で、通電時間2秒、冷却時間8秒を繰り返し実施し、IGBT素子の温度を30℃から130℃の範囲で変化させた。本実施例では、このパワーサイクルを20万回実施した。
この冷熱サイクル試験後、接合率及び熱抵抗の上昇率を測定した。また、パワーサイクル試験後、熱抵抗の上昇率を測定した。
その評価結果を表1に示す。
本発明例6−8に用いた酸化銀ペーストは、本発明例2及び比較例2で用いた酸化銀ペーストに、平均粒径800nmのAg粉を添加したものである。なお、酸化銀粉末とAg粉との混合比は、質量比で酸化銀粉末:Ag粉=9:1とした。
本発明例9−11に用いた酸化銀ペーストは、本発明例1及び比較例1で用いた酸化銀ペーストに、平均粒径40nmのAg粉を添加したものである。なお、酸化銀粉末とAg粉との混合比は、質量比で酸化銀粉末:Ag粉=9:1とした。
回路層12に関して、本発明例3−8はAl、本発明例9−11はCuであるものを用いた。
3 半導体素子
10 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板(絶縁層)
12 回路層
31 第1焼成層
32 ガラス層
33 Ag層
34 導電性粒子
35 ガラス粒子
38 第2焼成層
Claims (10)
- 絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールであって、
前記回路層の一方の面には、ガラス成分を含有するガラス含有Agペーストの焼成体からなる第1焼成層が形成されており、
この第1焼成層の上に、酸化銀が還元されたAgの焼成体からなる第2焼成層が形成されており、
前記第1焼成層の厚さが1.01μm以上105μm以下の範囲内とされ、前記第2焼成層の厚さが5μm以上50μm以下の範囲内とされていることを特徴とするパワーモジュール。 - 前記第1焼成層は、回路層の一方の面に形成されたガラス層と、このガラス層上に積層されたAg層と、を備えており、
前記Ag層には、ガラス粒子が分散し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。 - 前記第2焼成層は、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体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。
- 前記酸化銀ペーストは、前記酸化銀及び前記還元剤に加えて、Ag粒子を含有し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。
- 前記絶縁層が、AlN、Si3N4又はAl2O3から選択されるセラミックス基板であ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。
- 絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールの製造方法であって、
前記回路層の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Agペーストを塗布し、加熱処理することにより、第1焼成層を形成する工程と、
前記第1焼成層の上に、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを塗布する工程と、
塗布された酸化銀ペーストの上に半導体素子を積層する工程と、
前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層した状態で加熱して、前記第1焼成層の上に第2焼成層を形成する工程と、を備え、
前記第1焼成層の厚さを1.01μm以上105μm以下の範囲内、前記第2焼成層の厚さを5μm以上50μm以下の範囲内とするとともに、
前記半導体素子と前記回路層とを接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 - 第2焼成層を形成する工程における前記酸化銀ペーストの焼成温度が、150℃以上400℃以下であ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の製造方法。
- 前記第1焼成層を形成する工程における前記ガラス含有Agペーストの焼成温度が、350℃以上645℃以下であることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載のパワーモジュールの製造方法。
- 前記第2焼成層を形成する工程において、前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層方向に加圧した状態で加熱する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パワーモジュールの製造方法。
- 前記酸化銀ペーストは、前記酸化銀及び前記還元剤に加えて、Ag粒子を含有してい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パワーモジュールの製造方法。
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