JP6028497B2 - パワーモジュール用基板およびその製造方法 - Google Patents
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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およびその製造方法に関する。
従来のパワーモジュール用基板として、セラミックス基板の一方の面に銅又はアルミニウム等からなる回路層が積層され、セラミックス基板の他方の面に銅又はアルミニウム等からなる放熱層が形成された構成のものが知られている。そして、この回路層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、放熱層にヒートシンクが接合されている。
この種のパワーモジュールにおいては、半導体素子から発生する熱量も増加しており、その熱を効率よく放散させるために熱伝導性に優れた金属を使用することが望ましいが、その一方で、使用時の環境の変化やスイッチングによる熱等によって熱衝撃を繰り返して受けるため、金属層とセラミックス基板の熱膨張差による熱応力を考慮して金属を設定する必要がある。
そこで、特許文献１から特許文献３では、引張強度や耐力が小さい金属としてアルミニウムを選び、それをセラミックス基板と接合することによって、セラミックス基板との熱膨張差による熱応力を低減させ、そのアルミニウムの上に電気的特性の良好な銅を合わせて、金属層を形成することが提案されている。
特許文献１及び特許文献２では、セラミックス基板にアルミニウムをろう付けした後に、銅にニッケルをめっきしたものを接合することによってパワーモジュール用基板を形成している。また、特許文献３では、予めアルミニウムと銅との間にニッケル等を介在させることにより３層に接合しておいたクラッド箔をセラミックス基板の両面にろう付けしている。
特許文献１及び特許文献２では、セラミックス基板にアルミニウムをろう付けした後に、銅にニッケルをめっきしたものを接合することによってパワーモジュール用基板を形成している。また、特許文献３では、予めアルミニウムと銅との間にニッケル等を介在させることにより３層に接合しておいたクラッド箔をセラミックス基板の両面にろう付けしている。
特許文献１及び特許文献２では、セラミックス基板にアルミニウムをろう付けした後に、銅にニッケルをめっきしたものを接合することによってパワーモジュール用基板を形成していることから、少なくとも２回の６００℃付近での接合加熱工程が必要となる。そのため、セラミックス基板に熱的負荷が掛かり、冷熱サイクル後の接合信頼性が劣化するおそれがあった。
また、特許文献３では、予め接合しておいたアルミニウム、チタニウム及び銅のクラッド箔をセラミックス基板の両面にろう付けするため、接合加熱工程を１回とすることができる。しかし、クラッド箔のアルミニウムと銅との中間層を構成するチタニウム層の厚さが５μｍ〜３０μｍと薄いため、セラミックス基板とクラッド箔との接合工程において、アルミニウムと銅とが加熱時に一部反応し、冷熱サイクルが劣化してしまうおそれがある。
また、特許文献３では、予め接合しておいたアルミニウム、チタニウム及び銅のクラッド箔をセラミックス基板の両面にろう付けするため、接合加熱工程を１回とすることができる。しかし、クラッド箔のアルミニウムと銅との中間層を構成するチタニウム層の厚さが５μｍ〜３０μｍと薄いため、セラミックス基板とクラッド箔との接合工程において、アルミニウムと銅とが加熱時に一部反応し、冷熱サイクルが劣化してしまうおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、冷熱サイクル性に優れ、製造が容易なパワーモジュール用基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に、純アルミニウムからなるアルミニウム層、銅層、及び前記アルミニウム層と前記銅層との間にニッケル層を有し、前記ニッケル層の厚みが０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下に設定された回路層用金属板を、該回路層用金属板のアルミニウム層と前記セラミックス基板の間に接合材を介在させて積層するとともに、該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放熱層用金属板を接合材を介在させて積層した基板積層体を形成し、前記基板積層体を積層方向に加圧した状態で加熱することで前記セラミックス基板と前記回路層用金属板及び前記放熱層用金属板とを接合することを特徴とする。
回路層用金属板を、電気特性に優れた銅層と、引張強度や耐力が小さいアルミニウム層とを組み合わせて構成して、そのアルミニウム層をセラミックス基板に接合し、放熱層用金属板をアルミニウム又はアルミニウム合金により構成したので、セラミックス基板との間の熱応力を低減して、冷熱サイクル性に優れたパワーモジュール用基板を構成することができる。
また、回路層用金属板を、予めアルミニウム層にニッケル層を介して銅層を接合した構成としたことで、例えばろう付け温度まで加熱しても、ニッケル層がバリア層として機能してアルミニウム層と銅層との反応を防ぐことができる。このため、セラミックス基板との接合に、接合信頼性の高いろう付けを採用することができる。さらに、このようにして製造されたパワーモジュール用基板をヒートシンクに取り付ける際にも、ろう付けを採用することができるので、放熱層用金属板とヒートシンクとの接合強度を高めることができ、放熱性能を向上させることが可能となっている。
この場合、ニッケル層は、厚みを０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下に設定することで良好に機能する。ニッケル層の厚みが０．０８ｍｍ未満の場合は、厚みが薄いためにバリア層として機能せず、アルミニウム層と銅層が反応するおそれがある。また、ニッケル層の厚みが０．２５ｍｍを超える場合は、ニッケル層は剛性が高いため、その厚みによりろう付け時の荷重が不均一となりやすくなる。その結果、初期接合率が低下するおそれがある。このような理由により、ニッケル層の厚みは、０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下に設定している。また、上記観点から、０．１０ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下に設定することがより好ましい。
また、セラミックス基板と回路層用金属板及び放熱層用金属板とを、１回の加熱で接合することが可能であるので、作業性を向上させることができる。
この場合、ニッケル層は、厚みを０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下に設定することで良好に機能する。ニッケル層の厚みが０．０８ｍｍ未満の場合は、厚みが薄いためにバリア層として機能せず、アルミニウム層と銅層が反応するおそれがある。また、ニッケル層の厚みが０．２５ｍｍを超える場合は、ニッケル層は剛性が高いため、その厚みによりろう付け時の荷重が不均一となりやすくなる。その結果、初期接合率が低下するおそれがある。このような理由により、ニッケル層の厚みは、０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下に設定している。また、上記観点から、０．１０ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下に設定することがより好ましい。
また、セラミックス基板と回路層用金属板及び放熱層用金属板とを、１回の加熱で接合することが可能であるので、作業性を向上させることができる。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記セラミックス基板と前記回路層用金属板及び前記放熱層用金属板との接合温度は、６３５℃以上６３９．９℃以下に設定されているとよい。
ろう付け接合の場合、６３５℃未満の加熱では、セラミックス基板と回路層用金属板及び放熱層用金属板とを１回の加熱で接合することが難しく、各部材間の接合性を良好に確保することができない。また、６３９．９℃以上に加熱した場合は、回路層用金属板を構成するアルミニウム層とニッケル層との間に、金属間化合物が生成されるおそれがある。
ろう付け接合の場合、６３５℃未満の加熱では、セラミックス基板と回路層用金属板及び放熱層用金属板とを１回の加熱で接合することが難しく、各部材間の接合性を良好に確保することができない。また、６３９．９℃以上に加熱した場合は、回路層用金属板を構成するアルミニウム層とニッケル層との間に、金属間化合物が生成されるおそれがある。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記アルミニウム層及び前記銅層は、それぞれの厚みが０．０５ｍｍ以上に設定されているとよい。
各金属層の厚みが０．０５ｍｍ未満では、アルミニウム層及び銅層が固相拡散してしまうことから、各金属層を保持することができずに、それぞれの機能が失われるおそれがある。
また、銅層の厚みは、電気特性の観点から、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下に設定することがより好ましく、アルミニウム層の厚みは、セラミックス基板との接合性を良好に確保する観点から０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下に設定することがより好ましい。
各金属層の厚みが０．０５ｍｍ未満では、アルミニウム層及び銅層が固相拡散してしまうことから、各金属層を保持することができずに、それぞれの機能が失われるおそれがある。
また、銅層の厚みは、電気特性の観点から、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下に設定することがより好ましく、アルミニウム層の厚みは、セラミックス基板との接合性を良好に確保する観点から０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下に設定することがより好ましい。
本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面に、純アルミニウムからなるアルミニウム層、銅層、及び前記アルミニウム層と前記銅層との間にニッケル層を有し、前記ニッケル層の厚みが０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下に設定された回路層用金属板が厚さ方向に積層された状態で接合されており、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放熱層用金属板が厚さ方向に積層された状態で接合されていることを特徴とする。
本発明のパワーモジュール用基板によれば、初期接合率に優れ、セラミックス基板との間の熱応力を低減して、冷熱サイクル性を向上させることができる。
本発明のパワーモジュール用基板によれば、初期接合率に優れ、セラミックス基板との間の熱応力を低減して、冷熱サイクル性を向上させることができる。
本発明によれば、電気特性に優れた銅層と、引張強度や耐力が小さいアルミニウム層とを組み合わせて構成された回路層用金属板をセラミックス基板に接合することができ、冷熱サイクル性に優れたパワーモジュール用基板を容易に製造することができる。
以下、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の実施形態について説明する。
図１に示すパワーモジュール１００は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品２０と、パワーモジュール用基板１０の裏面に接合されたヒートシンク３０とから構成されている。
図１に示すパワーモジュール１００は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品２０と、パワーモジュール用基板１０の裏面に接合されたヒートシンク３０とから構成されている。
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層用金属板１２が厚さ方向に積層され、セラミックス基板１１の他方の面に放熱層用金属板１３が厚さ方向に積層された状態で接合されている。本実施形態では、Ａｌよりも低融点のろう材（本発明でいう接合材であり、好ましくはＡｌ‐Ｓｉ系ろう材）を用いて接合されている。
なお、セラミックス基板１１と回路層用金属板１２及び放熱層用金属板１３との接合は、ろう付けの他に、回路層用金属板１２及び放熱層用金属板１３の接合面に接合材として、Ａｇ若しくはＣｕを付着させて積層方向に加圧しながら加熱接合するいわゆる過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）を用いることもできる。
なお、セラミックス基板１１と回路層用金属板１２及び放熱層用金属板１３との接合は、ろう付けの他に、回路層用金属板１２及び放熱層用金属板１３の接合面に接合材として、Ａｇ若しくはＣｕを付着させて積層方向に加圧しながら加熱接合するいわゆる過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）を用いることもできる。
また、セラミックス基板１１は、厚み０．５ｍｍ〜１．０ｍｍのＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＣ等からなる。
図２に示すように、回路層用金属板１２は、引張強度や耐力が小さいアルミニウム層１４に、ニッケル層１５を介して電気特性に優れた銅層１６を接合することにより形成されている。各金属層１４，１５，１６を接合して形成された回路層用金属板１２は、総厚が０．２ｍｍ以上に設定されており、放熱性能等の観点から、好ましくは０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下に設定されているとよい。
また、回路層用金属板１２を構成するアルミニウム層１４は、アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられる。ここでは、純アルミニウム板（好ましくは純度９９．９９質量％以上の４Ｎ‐Ａｌ板）で形成されている。また、ニッケル層１５は、ニッケル又はニッケル合金が用いられる。ここでは、純ニッケル板を用いた。さらに、銅層１６は、銅又は銅合金が用いられる。ここでは、純銅板（好ましくは純度９９．９６％以上の無酸素銅）により形成されている。
アルミニウム層１４及び銅層１６は、厚みが０．０５ｍｍ以上に設定され、ニッケル層１５は、厚みが０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下に設定される。
また、（銅層１６の厚み）／（アルミニウム層１４の厚み）の比率は、０．１〜４．０に設定され、好ましくは０．２５〜１．０に設定される。
そして、これらアルミニウム層１４、ニッケル層１５、銅層１６の接合方法は、特に限定されるものでないが、例えば熱間圧延法、表面活性化による接合方法を採用して接合することができる。
図２に示すように、回路層用金属板１２は、引張強度や耐力が小さいアルミニウム層１４に、ニッケル層１５を介して電気特性に優れた銅層１６を接合することにより形成されている。各金属層１４，１５，１６を接合して形成された回路層用金属板１２は、総厚が０．２ｍｍ以上に設定されており、放熱性能等の観点から、好ましくは０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下に設定されているとよい。
また、回路層用金属板１２を構成するアルミニウム層１４は、アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられる。ここでは、純アルミニウム板（好ましくは純度９９．９９質量％以上の４Ｎ‐Ａｌ板）で形成されている。また、ニッケル層１５は、ニッケル又はニッケル合金が用いられる。ここでは、純ニッケル板を用いた。さらに、銅層１６は、銅又は銅合金が用いられる。ここでは、純銅板（好ましくは純度９９．９６％以上の無酸素銅）により形成されている。
アルミニウム層１４及び銅層１６は、厚みが０．０５ｍｍ以上に設定され、ニッケル層１５は、厚みが０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下に設定される。
また、（銅層１６の厚み）／（アルミニウム層１４の厚み）の比率は、０．１〜４．０に設定され、好ましくは０．２５〜１．０に設定される。
そして、これらアルミニウム層１４、ニッケル層１５、銅層１６の接合方法は、特に限定されるものでないが、例えば熱間圧延法、表面活性化による接合方法を採用して接合することができる。
表面活性化接合においては、アルミニウム層１４、ニッケル層１５、銅層１６のそれぞれの接合面の金属酸化物やゴミ、油等の付着物を除去し、各金属層同士の密着性を向上させるための活性化処理（表面処理）を行う。活性化処理は、接合面の表面洗浄できるものであれば好適に使用することができ、例えば、圧接しようとする各金属層のそれぞれの接合面をスパッタエッチング処理することで、活性化処理を行うことができる。そして、活性化処理を施した各金属層の接合面同士を重ね合わせて圧接することにより、回路層用金属板１２を製造することができる。この表面活性化による接合方法は、常温、低圧下の圧接で接合することが可能であり、熱及び加工応力による材料への影響を少なくすることができる。
放熱層用金属板１３は、厚み０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金板（好ましくは純度９９．０質量％以上のＡｌ板）からなる。
そして、パワーモジュール１００においては、回路層用金属板１２は、エッチング等により所定の回路パターン状に成形されており、その上に電子部品２０がはんだ材等によって接合されている。また、放熱層用金属板１３の表面にヒートシンク３０がろう付け等によって接合されている。
そして、パワーモジュール１００においては、回路層用金属板１２は、エッチング等により所定の回路パターン状に成形されており、その上に電子部品２０がはんだ材等によって接合されている。また、放熱層用金属板１３の表面にヒートシンク３０がろう付け等によって接合されている。
本実施形態のパワーモジュール用基板１０の好ましい組合せ例としては、各部材は、例えばセラミックス基板１１が厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ、回路層用金属板１２が厚み約０．７ｍｍ、放熱層用金属板１３が厚み１．６ｍｍのＡｌ板（純度９９．０質量％以上）で構成される。また、回路層用金属板１２を構成する各金属層は、例えばアルミニウム層１４が厚み０．４ｍｍの４Ｎ‐Ａｌ板、ニッケル層１５が厚み０．１０ｍｍの純ニッケル板（純度９９．９６質量％以上）、銅層１６が厚み０．２ｍｍの純銅板（純度９９．９６質量％以上の無酸素銅）に設定される。
本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０の製造方法について説明する。
まず、図２に示すように、予めニッケル層１５を介してアルミニウム層１４と銅層１６とを接合した回路層用金属板１２を用いて、その回路層用金属板１２のアルミニウム層１４がセラミックス基板１１の一方の面と対向するように配置し、アルミニウム層１４とセラミックス基板１１の間にろう材箔１７を介在させて積層するとともに、そのセラミックス基板１１の他方の面に、放熱層用金属板１３をろう材箔１７を介在させて積層することにより、基板積層体４０を組み立てる。この基板積層体４０を、比較的剛性の高いカーボン製板材からなるカーボン板（図示略）と、クッション性を有する板状のクッションシート（図示略）との間に挟んだ状態とし、複数の基板積層体４０を、図３に示すような加圧治具１１０によって積層方向に０．３ＭＰａ〜１．０ＭＰａで加圧した状態とする。
まず、図２に示すように、予めニッケル層１５を介してアルミニウム層１４と銅層１６とを接合した回路層用金属板１２を用いて、その回路層用金属板１２のアルミニウム層１４がセラミックス基板１１の一方の面と対向するように配置し、アルミニウム層１４とセラミックス基板１１の間にろう材箔１７を介在させて積層するとともに、そのセラミックス基板１１の他方の面に、放熱層用金属板１３をろう材箔１７を介在させて積層することにより、基板積層体４０を組み立てる。この基板積層体４０を、比較的剛性の高いカーボン製板材からなるカーボン板（図示略）と、クッション性を有する板状のクッションシート（図示略）との間に挟んだ状態とし、複数の基板積層体４０を、図３に示すような加圧治具１１０によって積層方向に０．３ＭＰａ〜１．０ＭＰａで加圧した状態とする。
この加圧治具１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備え、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の基板積層体４０が配設される。
そして、この加圧治具１１０により基板積層体４０を加圧した状態で、加圧治具１１０ごと加熱炉（図示略）内に設置し、真空雰囲気中で６３５℃以上６３９．９℃以下のろう付け温度まで加熱することによりセラミックス基板１１と両金属板１２，１３とをろう付けして、パワーモジュール用基板１０を製造することができる。
このセラミックス基板１１と両金属板１２，１３とのろう付け接合時において、回路層用金属板１２を構成するニッケル層１５はバリア層として良好に機能するため、アルミニウム層１４と銅層１６との反応を防止することができる。したがって、アルミニウム層１４と銅層１６とが積層された状態の回路層を有するパワーモジュール用基板１０を、容易に製造することができる。
このセラミックス基板１１と両金属板１２，１３とのろう付け接合時において、回路層用金属板１２を構成するニッケル層１５はバリア層として良好に機能するため、アルミニウム層１４と銅層１６との反応を防止することができる。したがって、アルミニウム層１４と銅層１６とが積層された状態の回路層を有するパワーモジュール用基板１０を、容易に製造することができる。
このように、本実施形態において、回路層用金属板１２を、電気特性に優れた銅層１６と、引張強度や耐力が小さいアルミニウム層１４とを組み合わせて構成して、そのアルミニウム層１４をセラミックス基板１１に接合し、放熱層用金属板１３もまたアルミニウム又はアルミニウム合金により構成したので、セラミックス基板１１との間の熱応力を低減して冷熱サイクル性に優れたパワーモジュール用基板１０を構成することができる。
また、回路層用金属板１２は、アルミニウム層１４と銅層１６との間にニッケル層１５が形成された構成とし、ニッケル層１５の厚みを０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下に設定したことで、ろう付け温度まで加熱しても、ニッケル層１５がバリア層として機能してアルミニウム層１４と銅層１６との反応を防ぐことができる。このため、セラミックス基板１１との接合に、接合信頼性の高いろう付けを採用することができる。さらに、このようにして製造されたパワーモジュール用基板１０にヒートシンク３０を取り付ける際にも、ろう付けを採用することができるので、放熱層用金属板１３とヒートシンク３０との接合強度を高めることができ、放熱性能を向上させることが可能となっている。
また、回路層用金属板１２は、アルミニウム層１４と銅層１６との間にニッケル層１５が形成された構成とし、ニッケル層１５の厚みを０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下に設定したことで、ろう付け温度まで加熱しても、ニッケル層１５がバリア層として機能してアルミニウム層１４と銅層１６との反応を防ぐことができる。このため、セラミックス基板１１との接合に、接合信頼性の高いろう付けを採用することができる。さらに、このようにして製造されたパワーモジュール用基板１０にヒートシンク３０を取り付ける際にも、ろう付けを採用することができるので、放熱層用金属板１３とヒートシンク３０との接合強度を高めることができ、放熱性能を向上させることが可能となっている。
この場合、ニッケル層１５は、上述したように、厚みを０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下に設定することで良好に機能する。ニッケル層１５の厚みが０．０８ｍｍ未満の場合は、厚みが薄いためにバリア層として機能せず、アルミニウム層１４と銅層１６が反応するおそれがある。また、ニッケル層１５の厚みが０．２５ｍｍを超える場合、ニッケル層は剛性が高いため、その厚みによりろう付け時の荷重が不均一となりやすくなる。その結果、初期接合率が低下するおそれがある。上記観点から、ニッケル層１５の厚みは、０．１０ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下に設定することがより好ましい。
また、アルミニウム層１４の厚みは、ろう付け時の熱により固相拡散してしまうことを防止するために０．０５ｍｍ以上に設定し、さらに緩衝性能や放熱性能を良好に確保するために０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の厚みに設定することが好ましい。また同様に、銅層１６の厚みは、固相拡散してしまうことを防止するために０．０５ｍｍ以上に設定し、電気特性を良好に確保するために０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の厚みに設定することが好ましい。
また、セラミックス基板１１と回路層用金属板１２及び放熱層用金属板１３とをろう付け接合する場合、接合温度を６３５℃以上６３９．９℃以下に設定することで、各部材同士を、１回の加熱でろう付けすることが可能であるので、作業性を向上させることができる。
この場合、６３５℃未満の加熱では、セラミックス基板１１と回路層用金属板１２及び放熱層用金属板１３とを１回の加熱で接合することが難しく、各部材間の接合性を良好に確保することができない。また、６３９．９℃以上に加熱した場合は、回路層用金属板１２を構成するアルミニウム層１４とニッケル層１５との間に、金属間化合物が生成されるおそれがあり、好ましくない。
この場合、６３５℃未満の加熱では、セラミックス基板１１と回路層用金属板１２及び放熱層用金属板１３とを１回の加熱で接合することが難しく、各部材間の接合性を良好に確保することができない。また、６３９．９℃以上に加熱した場合は、回路層用金属板１２を構成するアルミニウム層１４とニッケル層１５との間に、金属間化合物が生成されるおそれがあり、好ましくない。
上記において説明した本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法において、その効果を確認するために実験を行った。
表１に記載の厚みを有するアルミニウム層（Ａｌ層）、ニッケル層（Ｎｉ層）及び銅層（Ｃｕ層）からなり、２６ｍｍ×２６ｍｍ（２６ｍｍ角）の回路層用金属板１２、厚み１．６ｍｍで２８ｍｍ×２８ｍｍ（２８ｍｍ角）の放熱層用金属板１３、厚み０．６３５ｍｍで３０ｍｍ×３０ｍｍ（３０ｍｍ角）のセラミックス基板１１を用意し、これらをろう付けすることによりパワーモジュール用基板を製造した。
回路層用金属板１２は、表１に示す条件に設定された各金属層を用いて、これら金属層を表面活性化接合により接合することにより形成した。また、放熱層用金属板１３には純度９９．９９質量％のＡｌ板、セラミックス基板１１にはＡｌＮを用いた。
表１に記載の厚みを有するアルミニウム層（Ａｌ層）、ニッケル層（Ｎｉ層）及び銅層（Ｃｕ層）からなり、２６ｍｍ×２６ｍｍ（２６ｍｍ角）の回路層用金属板１２、厚み１．６ｍｍで２８ｍｍ×２８ｍｍ（２８ｍｍ角）の放熱層用金属板１３、厚み０．６３５ｍｍで３０ｍｍ×３０ｍｍ（３０ｍｍ角）のセラミックス基板１１を用意し、これらをろう付けすることによりパワーモジュール用基板を製造した。
回路層用金属板１２は、表１に示す条件に設定された各金属層を用いて、これら金属層を表面活性化接合により接合することにより形成した。また、放熱層用金属板１３には純度９９．９９質量％のＡｌ板、セラミックス基板１１にはＡｌＮを用いた。
そして、回路層用金属板１２とセラミックス基板１１との間に、厚み１２μｍのＡｌ‐７．５質量％Ｓｉのろう材箔１７を介在させ、セラミックス基板１１と放熱層用金属板１３との間に、厚み１４μｍのＡｌ‐７．５質量％Ｓｉのろう材箔１７を介在させて積層し、この基板積層体４０を、真空雰囲気中で６３５℃以上６３９．９℃以下のろう付け温度まで加熱することによりパワーモジュール用基板１０を製造した。また、このパワーモジュール用基板１０を、厚み５ｍｍで６０ｍｍ×５０ｍｍのＡｌ合金材（Ａ６０６３）のヒートシンクにろう付け接合した。
そして、このようにして製作したパワーモジュール用基板について、「初期接合性」、「冷熱サイクル特性」と「パワーサイクル特性」とを評価した。
「初期接合性」の評価は、ろう付けによる接合後、超音波深傷装置を用いてアルミニウム層１４とセラミックス基板１１との接合部を評価し、初期接合率＝（接合面積−非接合面積）／接合面積の式から算出した。ここで、非接合面積は、接合面を撮影した超音波深傷像において非接合部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測定したものである。また、接合面積は、接合前における接合すべき面積、すなわちアルミニウム層１４の接合面の面積とした。
「冷熱サイクル特性」の評価は、パワーモジュール用基板に対して−４０℃から１２５℃の温度範囲で昇温と冷却とを３０００サイクル繰り返す冷熱サイクル試験を実施して行った。そして、冷熱サイクル試験後に、セラミックス基板１１とアルミニウム層１４とのＡｌＮ／Ａｌ界面の冷熱サイクル試験後接合率を評価した。なお、冷熱サイクル試験後接合率＝（接合面積−冷熱サイクル試験後剥離面積）／接合面積の式から算出した。ここで、冷熱サイクル試験後剥離面積とは、超音波深傷像において白色部の面積を測定したものである。
「初期接合性」の評価は、ろう付けによる接合後、超音波深傷装置を用いてアルミニウム層１４とセラミックス基板１１との接合部を評価し、初期接合率＝（接合面積−非接合面積）／接合面積の式から算出した。ここで、非接合面積は、接合面を撮影した超音波深傷像において非接合部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測定したものである。また、接合面積は、接合前における接合すべき面積、すなわちアルミニウム層１４の接合面の面積とした。
「冷熱サイクル特性」の評価は、パワーモジュール用基板に対して−４０℃から１２５℃の温度範囲で昇温と冷却とを３０００サイクル繰り返す冷熱サイクル試験を実施して行った。そして、冷熱サイクル試験後に、セラミックス基板１１とアルミニウム層１４とのＡｌＮ／Ａｌ界面の冷熱サイクル試験後接合率を評価した。なお、冷熱サイクル試験後接合率＝（接合面積−冷熱サイクル試験後剥離面積）／接合面積の式から算出した。ここで、冷熱サイクル試験後剥離面積とは、超音波深傷像において白色部の面積を測定したものである。
また、「パワーサイクル特性」の評価は、パワーモジュール用基板１０の回路層（回路層用金属板１２）の表面にＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系はんだを用いてＩＧＢＴ半導体チップをはんだ付けするとともに、アルミニウム合金からなる接続配線をボンディングしてモジュール化したものを製作し、これを用いて行った。
ヒートシンク中の冷却水温度、流量を一定とした状態で、半導体チップへの通電を、半導体チップ表面の温度が通電（ＯＮ）で１４０℃、非通電（ＯＦＦ）で６０℃となる１サイクルを１０秒毎に繰り返すようにして調整し、これを１５万回繰り返すパワーサイクル試験を実施した。そして、パワーサイクル試験の前後で半導体チップ表面とヒートシンク内表面（ヒートシンク底面）との間の熱抵抗を半導体チップ表面温度からそれぞれ測定し、パワーサイクル試験実施による熱抵抗の上昇率を求めた。評価結果を表１に示す。
ヒートシンク中の冷却水温度、流量を一定とした状態で、半導体チップへの通電を、半導体チップ表面の温度が通電（ＯＮ）で１４０℃、非通電（ＯＦＦ）で６０℃となる１サイクルを１０秒毎に繰り返すようにして調整し、これを１５万回繰り返すパワーサイクル試験を実施した。そして、パワーサイクル試験の前後で半導体チップ表面とヒートシンク内表面（ヒートシンク底面）との間の熱抵抗を半導体チップ表面温度からそれぞれ測定し、パワーサイクル試験実施による熱抵抗の上昇率を求めた。評価結果を表１に示す。
表１に示されるように、ニッケル層の厚みが０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下に設定された実施例１〜３のパワーモジュール用基板は、初期接合率が９５．０％〜９９．１％と高く、良好な結果を得ることができた。また、冷熱サイクル試験後の接合率も、初期接合率から大きく低下することがなく、高い接合率を保持することができた。さらに、パワーサイクル試験後の熱抵抗上昇率も低く抑えることができた。
一方、ニッケル層の厚みが０．０８ｍｍ未満に設定された比較例１のパワーモジュール用基板は、初期接合率が５０．０％となり、実施例１〜３のパワーモジュール用基板と比べて著しく低下する結果となった。また、冷熱サイクル試験後の接合率も低下し、パワーサイクル試験後の熱抵抗上昇率も高くなる結果となった。
また、ニッケル層の厚みが０．２５ｍｍを超えて設定された比較例２のパワーモジュール用基板は、実施例１〜３のパワーモジュール用基板と比べて初期接合率が低く、冷熱サイクル試験後の接合率も低下する結果となった。
一方、ニッケル層の厚みが０．０８ｍｍ未満に設定された比較例１のパワーモジュール用基板は、初期接合率が５０．０％となり、実施例１〜３のパワーモジュール用基板と比べて著しく低下する結果となった。また、冷熱サイクル試験後の接合率も低下し、パワーサイクル試験後の熱抵抗上昇率も高くなる結果となった。
また、ニッケル層の厚みが０．２５ｍｍを超えて設定された比較例２のパワーモジュール用基板は、実施例１〜３のパワーモジュール用基板と比べて初期接合率が低く、冷熱サイクル試験後の接合率も低下する結果となった。
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。
例えば、本実施形態では、セラミックス基板と回路層用金属板及び放熱層用金属板とをろう付けによって接合したが、いわゆる過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）又はその他の接合方法を用いることができる。
例えば、本実施形態では、セラミックス基板と回路層用金属板及び放熱層用金属板とをろう付けによって接合したが、いわゆる過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）又はその他の接合方法を用いることができる。
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層用金属板
１３ 放熱層用金属板
１４ アルミニウム層
１５ ニッケル層
１６ 銅層
１７ ろう材箔
２０ 電子部品
３０ ヒートシンク
４０ 基板積層体
１００ パワーモジュール
１１０ 加圧治具
１１１ ベース板
１１２ ガイドポスト
１１３ 固定板
１１４ 押圧板
１１５ 付勢手段
１１ セラミックス基板
１２ 回路層用金属板
１３ 放熱層用金属板
１４ アルミニウム層
１５ ニッケル層
１６ 銅層
１７ ろう材箔
２０ 電子部品
３０ ヒートシンク
４０ 基板積層体
１００ パワーモジュール
１１０ 加圧治具
１１１ ベース板
１１２ ガイドポスト
１１３ 固定板
１１４ 押圧板
１１５ 付勢手段
Claims (4)
- セラミックス基板の一方の面に、純アルミニウムからなるアルミニウム層、銅層、及び前記アルミニウム層と前記銅層との間にニッケル層を有し、前記ニッケル層の厚みが０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下に設定された回路層用金属板を、該回路層用金属板のアルミニウム層と前記セラミックス基板の間に接合材を介在させて積層するとともに、該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放熱層用金属板を接合材を介在させて積層した基板積層体を形成し、前記基板積層体を積層方向に加圧した状態で加熱することで前記セラミックス基板と前記回路層用金属板及び前記放熱層用金属板とを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。
- 前記セラミックス基板と前記回路層用金属板及び前記放熱層用金属板との接合温度は、６３５℃以上６３９．９℃以下に設定されていることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記アルミニウム層及び前記銅層は、それぞれの厚みが０．０５ｍｍ以上に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- セラミックス基板の一方の面に、純アルミニウムからなるアルミニウム層、銅層、及び前記アルミニウム層と前記銅層との間にニッケル層を有し、前記ニッケル層の厚みが０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下に設定された回路層用金属板が厚さ方向に積層された状態で接合されており、
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放熱層用金属板が厚さ方向に積層された状態で接合されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
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