JP6031784B2 - パワーモジュール用基板及びその製造方法 - Google Patents
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Description
しかし、特許文献1に提案されているように、回路層にメッキ層を形成した場合、回路層との密着性は高くなるが、はんだ付け時に生じる回路層とメッキ層との熱膨張差によって、メッキ層に割れ(クラック)が発生することがある。そして、メッキ層内にクラックが生じると、熱サイクル負荷時にそのクラックを起点にして、はんだにもクラックが生じ、熱抵抗の上昇を招くことがある。
したがって、はんだ接合層の割れ発生を防止でき、パワーサイクル耐性に優れたパワーモジュール用基板を製造することができる。
これらの硬質粒子は、Niより熱膨張係数が小さいため、熱サイクル負荷時のうねりやシワの発生を有効に抑制することができる。
本発明の製造方法により、硬質粒子が分散した硬質メッキ層上に硬質粒子を含有しない被覆メッキ層を重ねて形成することができるため、硬質粒子が露出しない最表面を確実に形成することができる。したがって、良好なはんだ濡れ性を得ることができる。
図1は、この発明により製造されるパワーモジュール基板3を用いたパワーモジュール1を示している。この図1のパワーモジュール1は、セラミックス基板2を有するパワーモジュール用基板3と、パワーモジュール用基板3の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品4と、パワーモジュール用基板3の裏面に接合されたヒートシンク5とから構成される。
パワーモジュール用基板3は、セラミックス基板2の両面に金属層が積層されており、その一方の金属層が回路層6となり、その表面に電子部品4が接合される。また、他方の金属層は放熱層7とされ、その表面にヒートシンク5が取り付けられる。
回路層6及び放熱層7は、いずれも純度99.90質量%以上のアルミニウムが用いられ、JIS規格では、1N90(純度99.90質量%以上:いわゆる3Nアルミニウム)又は1N99(純度99.99質量%以上:いわゆる4Nアルミニウム)を用いることができる。なお、回路層6及び放熱層7には、アルミニウムの他、アルミニウム合金を用いることもできる。
また、回路層6及び放熱層7は、それぞれプレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板2に接合するか、あるいは平板状のものをセラミックス基板2に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。
これらの硬質粒子は、Niより熱膨張係数が小さいため、熱サイクル負荷時のうねりやシワの発生を有効に抑制することができる。例えば、W,SiCは、熱膨張係数がそれぞれ4.5×10−6、4.1×10−6で、Niの熱膨張係数13.4×10−6よりも低く、IGBTチップ(熱膨張係数2.4×10−6)との熱膨張差の緩和効果に寄与する。また、熱伝導率がNiの90W/m・Kよりも高く、それぞれ173W/m・K、170W/m・Kであり、IGBTチップで発生した熱を効率的に拡散させるのに有効である。さらに、これらの硬質粒子は、通常のニッケルメッキよりも硬度が高いため、回路層6及びはんだ接合層9の変形を抑制することができる。
また、被覆メッキ層92は、硬質粒子を含まないニッケルメッキ層で構成され、Ni‐Pメッキにより、厚み1μm〜15μmに形成される。
また、セラミックス基板2と回路層6及び放熱層7との接合は、ろう付け以外にもTLP接合法(Transient Liquid Phase Bonding)と称される過渡液相接合法によって接合してもよい。この過渡液相接合法においては、回路層及び放熱層の表面に蒸着させた銅層を、回路層及び放熱層とセラミックス板との界面に介在させて行う。加熱により、回路層及び放熱層のアルミニウム中に銅が拡散し、回路層及び放熱層の銅層近傍の銅濃度が上昇して融点が低下し、アルミニウムと銅との共晶域にて接合界面に金属液相が形成される。この金属液相が形成された状態で温度を一定に保持しておくと、金属液相がセラミックス板と反応するとともに、銅がさらにアルミニウム中に拡散することに伴い、金属液相中の銅濃度が徐々に低下して融点が上昇し、温度を一定に保持した状態で凝固が進行する。これにより、回路層及び放熱層とセラミックス板との強固な接合が得られる。
また、セラミックス基板と銅製の回路層とを、活性金属ろう材を用いて接合する方法を採用することもできる。例えば、活性金属であるTiを含む活性金属ろう材(Ag‐27.4質量%Cu‐2.0質量%Ti)を用い、銅製の回路層とセラミックス基板との積層体を加圧した状態のまま真空中で加熱し、活性金属であるTiをセラミックス基板に優先的に拡散させて、Ag‐Cu合金を介して回路層とセラミックス基板とを接合できる。
また、ヒートシンク5は、平板状のもの、熱間鍛造等によって多数のピン状フィンを一体に形成したもの、押出成形によって相互に平行な帯状フィンを一体に形成したもの等、適宜の形状のものを採用することができる。また、ヒートシンク5と放熱層7との間に、さらにアルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金などの金属板で形成された放熱板若しくは応力緩衝層を設けることもできる。
まず、セラミックス基板2の各面にろう材を介して回路層6及び放熱層7を積層し、これらの積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材を溶融させることによって回路層6及び放熱層7をそれぞれセラミックス基板2に接合する。
そして、この回路層6の表面に、ニッケルメッキ処理を施して、ニッケルメッキ層9を形成し、パワーモジュール用基板3とする。
まず、回路層6との密着性を確保するため、回路層6の表面をZnで被覆するジンケート処理を施す(ジンケート処理工程)。次に、ジンケート処理後の回路層6を、硬質粒子が分散したニッケルメッキ浴中に浸漬することによって、ZnをNiで置換して硬質メッキ層91を形成し(無電解ニッケルメッキ処理工程)、その硬質メッキ層91が形成された回路層6を、硬質粒子を含有しないニッケルメッキ浴中に浸漬することによって、被覆メッキ層92を形成する(被覆メッキ処理工程)。このように、ニッケルメッキ層9は、回路層6の表面上に硬質メッキ層91を形成した後、この硬質メッキ層91上に被覆メッキ層92を形成することにより構成される。
したがって、はんだ接合層の割れ発生を防止でき、パワーサイクル耐性に優れたパワーモジュール用基板を製造することができる。
試料1は、SiCの硬質粒子を含有する硬質メッキ層(Ni‐P‐SiC複合メッキ)を形成した上に、被覆メッキ層(Ni‐Pメッキ)を重ねて被覆してニッケルメッキ層を形成した。同様に、試料2,3は、硬質メッキ層として、それぞれNi‐P‐BN複合メッキ、Ni‐P‐Al2O3複合メッキ層を形成し、その上に被覆メッキ層(Ni‐Pメッキ)を被覆形成した。一方、試料4は、ニッケルメッキ層の最表面に硬質粒子が露出した状態に設けた。また、試料5は、硬質粒子を含有しない被覆メッキ層(Ni‐Pメッキ)のみでニッケルメッキ層を形成した。
なお、試料1〜4の硬質メッキ層で用いたSiC、Al2O3、BNの硬質粒子は、粒子径1μm以上10μm以下とし、硬質粒子の分散量が12vol%程度となるように形成した。
「硬質粒子の露出状態」の評価は、ニッケルメッキ層の最表面を、走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察することにより実施した。1000倍の視野にて5箇所観察し、SEI像より凹凸、COMPO像より元素の情報を確認し、1μm以上の粒子状露出物の有無を判断した。そして、SEM観察によって粒子状露出物が確認できないものを「無」として硬質粒子が露出していないものと判断し、粒子状露出物が確認できるものを「有」として硬質粒子が露出しているものと判断した。
「パワーサイクル後の熱抵抗上昇率」の評価は、各試料のニッケルメッキ層の表面に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、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。
また、「はんだ濡れ性」は、各試料のニッケルメッキ層の表面に、10mm×10mm(100mm2)厚さ0.15mmのはんだ箔(Sn‐Ag‐Cu系)を載せ、260℃〜280℃で5分間、水素含有雰囲気下(水素濃度3%以上)で加熱し、ニッケルメッキ層上におけるはんだ材の濡れ広がりを、はんだ箔の初期面積との比率で評価した。そして、はんだ材の面積比率が60%以上であったものを「○」、60%未満であったものを「×」として評価した。
一方、硬質粒子を含有していないメッキ層で形成した試料5(従来例)は、パワーサイクル後の熱抵抗が上昇していた。
また、硬質粒子が表面に露出した試料4(比較例)は、はんだ濡れ性が悪く、電子部品の実装ができなかった。
2 セラミックス基板
3 パワーモジュール用基板
4 電子部品
5 ヒートシンク
6 金属層(回路層)
7 金属層(放熱層)
8 はんだ接合層
9 ニッケルメッキ層
10 硬質粒子
91 硬質メッキ層
92 被覆メッキ層
Claims (4)
- セラミックス基板にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が積層されるとともに、前記回路層の表面にニッケルメッキ層が形成されてなり、該ニッケルメッキ層の表面に電子部品がはんだ付けされるパワーモジュール用基板であって、前記ニッケルメッキ層内には、粒子径0.1μm以上10μm以下の硬質粒子が分散量2vol%以上30vol%以下で分散して設けられ、前記硬質粒子は、ニッケルメッキ層の最表面に露出しておらず、
前記ニッケルメッキ層は、前記硬質粒子が分散して設けられた硬質メッキ層の上に、硬質粒子を含有しない被覆メッキ層が1μm〜15μmの厚みで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。 - 前記硬質粒子は、SiC、Al2O3、TiO2、ZrO2、SiO2、B4C、Cr3C2、Cr2O3、TiC、WC、BN、CBN、ダイヤモンド、MoS2から選択される1種又は2種以上で構成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。
- セラミックス基板にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が積層されるとともに、前記回路層の表面にニッケルメッキ層が形成されてなり、該ニッケルメッキ層の表面に電子部品がはんだ付けされるパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層の表面をZnで被覆するジンケート処理工程と、粒子径0.1μm以上10μm以下の硬質粒子が分散したニッケルメッキ浴中に浸漬することによって、ZnをNiで置換して前記硬質粒子の分散量が2vol%以上30vol%以下とされる硬質メッキ層を形成する無電解ニッケルメッキ処理工程と、前記硬質粒子を含有しないニッケルメッキ浴中に浸漬することによって厚み1μm〜15μmの被覆メッキ層を形成する被覆メッキ処理工程とを有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。
- 前記硬質粒子は、SiC、Al2O3、TiO2、ZrO2、SiO2、B4C、Cr3C2、Cr2O3、TiC、WC、BN、CBN、ダイヤモンド、MoS2から選択される1種又は2種以上で構成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。
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