JP6079345B2 - 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
例えば、特許文献1には、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムの少なくとも1種を主成分とするセラミックス基板の片面に銅板が接合され、もう一方の面にはアルミニウム板が接合された回路基板が開示されている。この場合、セラミックス基板と銅板とは活性金属を用いたろう材により接合され、セラミックス基板とアルミニウム板とはAl−Si系ろう材により接合される。Ag−Cu−Ti系の活性金属ろう材を用いた場合の接合温度は800〜930℃、Al−Si系ろう材による接合温度は500〜650℃であるとされている。
特に、セラミックス基板と放熱層の接合界面のうち、最も熱応力の加わる周縁部において剥離が進行する可能性があり、また、放熱層とヒートシンクとの間の接合方法として、フラックスを用いたろう付けにより接合する場合、フラックスが酸化膜を除去する効果を持つため、前述した周縁部の酸化膜がフラックスによって侵食され、セラミックス基板と放熱層との接合部での界面剥離がより進行する問題があった。
セラミックス基板の表面を洗浄する場合、アルカリを用いたのではセラミックス基板を侵食する。また、ブラスト処理等の機械的処理では表面部に応力が残留する問題があり、クラック等の原因となるおそれがある。酸のうち、特に塩酸は酸化作用が弱く、また、回路層に付着しても侵食しないので、酸化膜除去のための表面処理に好適である。
そして、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前記放熱層接合工程の後に、前記放熱層にフラックスを用いたろう付けによりヒートシンクを接合する。
図2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。
セラミックス基板11は、窒化珪素(Si3N4)により、例えば0.25mm〜1.0mmの厚さに形成される。また、回路層12は無酸素銅やタフピッチ銅等の純銅又は銅合金により形成され、放熱層13は純度99.00%以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金により形成されている。これら回路層12及び放熱層13の厚さは、例えば0.25mm〜2.5mmとされる。
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、例えばセラミックス基板11が厚み0.32mmのSi3N4、回路層12が厚み0.3mmの純銅板、放熱層13が厚み1.6mmの4N−アルミニウム板で構成される。
前述したように、まずセラミックス基板11の一方の面に回路層12を接合(回路層接合工程)した後、セラミックス基板11の他方の面に放熱層13を接合する(放熱層接合工程)。また、回路層12を接合した後、放熱層13を接合する前に、回路層12が接合されていない側のセラミックス基板11の表面に表面処理を施す(表面処理工程)。以下、これを工程順に説明する。
回路層12を、ペースト又は箔からなる活性金属ろう材を介在させてセラミックス基板11の一方の面に積層し、この積層体40をカーボングラファイト等からなる板状のクッションシート50の間に挟んだ状態として、複数組積み重ね、図3に示すような加圧治具110によって積層方向に例えば0.3MPa〜1.0MPaで加圧した状態とする。
このろう付けは、活性金属ろう材を用いた接合であり、ろう材中の活性金属であるTiがセラミックス基板11に優先的に拡散してTiNを形成し、Ag−Cu合金を介して回路層12とセラミックス基板11とを接合する。
回路層接合工程時にセラミックス基板11の回路層12とは反対面も高温に晒されるため、その表面に酸化膜が形成される。この表面処理工程では、そのセラミックス基板11に生じた酸化膜の削減を目的とする。
その方法は、セラミックス基板11の回路層12とは反対面を酸によって洗浄することにより行われる。酸としては、塩酸、硝酸、硫酸から選ばれる一種以上が用いられる。その中でも塩酸は酸化作用が弱いので特に好適であり、例えば18質量%塩酸が用いられる。
この表面処理に硝酸を用いる場合は、浸漬ではなく、セラミックス基板11の回路層12とは反対面にスプレー等により吹き付けるようにしてもよく、これにより回路層12に硝酸が付着することによる侵食の発生を防止することができる。
この表面処理工程により、セラミックス基板11の回路層12とは反対面の酸化膜の厚みが少なくともセラミックス基板11と放熱層13との接合予定領域Sの周縁部で3.2nm以下となるようにする。後述するように、ヒートシンク30のろう付け時にフラックスが侵食する場合、セラミックス基板11と放熱層13との接合部の周縁部において発生するので、この周縁部における接合界面の酸化膜の厚みを所定値以下にすることが重要である。周縁部としては、セラミックス基板11と放熱層13との接合予定領域Sの周縁からの距離が1mmの位置とされる。この酸化膜の厚みはX線光電子分光分析法(XPS)による表面状態の分析結果等によって測定することができる。
表面処理後のセラミックス基板11の回路層12とは反対面にろう材を介在させた状態で放熱層13を積層し、この積層体を前述したクッションシート50の間に挟んだ状態として複数組積み重ね、加圧治具110により積層方向に例えば0.3MPa〜1.0MPaで加圧した状態とする。
そして、この加圧治具110により積層体を加圧した状態で、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630℃以上650℃以下の温度で1分〜60分加熱することによりセラミックス基板11と放熱層13とをろう付けする。
また、このパワーモジュール用基板10は、セラミックス基板11として機械的強度が高い窒化珪素を用いていることにより、放熱層13にヒートシンク(アルミニウム製)をろう付する場合などに、セラミックス基板11とヒートシンクとの熱膨張係数の差に基づき発生する熱応力に対する曲げ強度が高く、反りや割れ等の発生を防止することができる。
なお、表面処理工程においてセラミックス基板11の全面の酸化膜厚みを削減することが好ましいが、セラミックス基板11と放熱層13の接合界面のうち、最も熱応力の加わる周縁部において剥離が進行する可能性があるので、セラミックス基板11と放熱層13との接合予定領域Sの少なくとも周縁部の酸化膜の厚みを前述した5nm以下にすればよい。
30mm四方のSi3N4からなるセラミックス基板a〜eを用意し、セラミックス基板b〜eに活性金属ろう付け接合を想定して860℃で30分の熱処理を加えた。そして、この熱処理後のセラミックス基板の表面の酸化膜の厚みを測定し、以下の酸による表面処理を行った後の酸化膜厚みを比較した。
a:熱処理なし
b:熱処理のみ
c:熱処理後、18質量%塩酸に5分浸漬したもの
d:熱処理後、30質量%硝酸水溶液に5分浸漬したもの
e:熱処理後、14質量%硫酸水溶液に5分浸漬したもの
X線源:Standard AlKα 350W
パスエネルギー:187.85eV(Survey)、58.5eV(Depth)
測定間隔:0.8eV/step(Survey)、0.125eV(Depth)
試料面に対する光電子取り出し角:45deg
分析エリア:約800μmφ
スパッタレート:1.6nm/min
XPSの酸素ピーク面積が、初期の1/2になったところまでを酸化膜厚と仮定し、スパッタ時間とスパッタレートとから酸化膜の厚みを計算した。なお、酸化膜の厚みの測定は、図4に点Aで示すように、セラミックス基板11の接合予定領域Sの周縁から1mmの位置で接合予定領域Sの中心を通るX軸、Y軸上の位置の4箇所について分析し、その平均を求めた。
「接合性」の評価は、超音波深傷装置を用いてセラミックス基板とアルミニウム板との接合部を評価したもので、接合率=(接合面積−非接合面積)/接合面積の式から算出し、接合率が85%以上のものを○、85%に達しなかったものを×とした。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、つまりアルミニウム板の接合面の面積とした。
その結果を表1に示す。
11 セラミックス基板
12 回路層
13 放熱層
20 電子部品
30 ヒートシンク
40 積層体
50 クッションシート
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
S 接合予定領域
Claims (3)
- 窒化珪素からなるセラミックス基板の一方の面に銅からなる回路層が接合され、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなる放熱層が接合されてなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、真空雰囲気中で前記セラミックス基板に前記回路層をろう付け接合する回路層接合工程と、該回路層接合工程の後に前記セラミックス基板の前記他方の面の酸化膜厚さを少なくとも前記セラミックス基板と前記放熱層との接合予定領域の周縁からの距離が1mmの位置で5.0nm以下にする表面処理工程と、該表面処理工程の後に前記セラミックス基板の前記他方の面に前記放熱層をろう付け接合する放熱層接合工程とを備え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。
- 前記表面処理工程は、前記セラミックス基板の前記他方の面を塩酸、硝酸、硫酸から選ばれる一種以上の酸で洗浄す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。
- 前記放熱層接合工程の後に、前記放熱層にフラックスを用いたろう付けによりヒートシンクを接合することを特徴とする請求項1又は2記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
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