JP6102271B2

JP6102271B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法

Info

Publication number: JP6102271B2
Application number: JP2013006711A
Authority: JP
Inventors: 拓也松尾
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-01-17
Also published as: JP2014138124A

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ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関する。

従来のパワーモジュールとして、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面に、アルミニウム等からなる回路層が積層され、この回路層の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、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム等からなる金属層が形成され、この金属層を介してヒートシンクが接合された構成のものが知られている。

そして、この種のパワーモジュールにおいて、特許文献１から３に記載されているようにヒートシンクを低熱膨張で高熱伝導率のＡｌＳｉＣ系複合材料により形成したものが知られている。
ＡｌＳｉＣ系複合材料は、特許文献１に記載されるように、主に炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる多孔体にアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属を含浸して形成されたアルミニウムと炭化ケイ素の複合体である。また、ＡｌＳｉＣ系複合材料は、低熱膨張で高熱伝導率であることから、セラミックス基板と金属層との熱膨張差による応力を緩和して優れた放熱特性を有するという特徴がある。

特許文献１には、ＡｌＳｉＣ系複合材料を構成するアルミニウムを主成分とする金属の初晶温度を６１５℃以上に設定することが記載されている。そして、ＡｌＳｉＣ系複合材料からなるヒートシンク（放熱部品）を用いて、パワーモジュール用基板をアルミニウム系ろう材でろう付けする温度（ろう付け温度５９０℃）まで昇温させた場合、アルミニウムを主成分とする金属が溶融せず、ヒートシンクの表面への溶け出しを防ぐことができるとされている。したがって、ＡｌＳｉＣ系複合材料内部の密度低下を生じずに気密性を維持でき、熱伝導率、曲げ強さ、ヤング率を高い値に維持できることが記載されている。

しかし、ＡｌＳｉＣ系複合材料とパワーモジュール用基板とをろう付けする場合は、ろう付けの接合温度が高くなることから、特許文献１に記載されるＡｌＳｉＣ系複合材料のように、アルミニウムを主成分とする金属の初晶温度を６１５℃以上とする必要があり、使用できる金属が限定されるという問題があった。
また、ＡｌＳｉＣ系複合材料とパワーモジュール用基板とをはんだ付けする場合には、はんだの熱抵抗が高く、放熱特性が阻害されることが問題であった。

一方、特許文献２には、はんだやろう材を用いずにＡｌＳｉＣ系複合材料からなるヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合することが記載されている。この場合、ヒートシンクの上にパワーモジュール用基板のアルミニウム板を重ねて、これらに荷重を加えて真空中で加熱することにより、ヒートシンク中のアルミニウム合金が溶融して、ヒートシンクをアルミニウム板に積層接着することができる。

また、特許文献３には、アルミニウム又はアルミニウム合金が充填されたＡｌＳｉＣ系複合材料（アルミニウム基複合材料）からなるヒートシンク(天板部)にパワーモジュール用基板を接合する技技術において、ＡｌＳｉＣ系複合材料に用いられるアルミニウム合金として、Ａｌ‐Ｓｉ，Ａｌ‐Ｍｇ，Ａｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ合金が用いられており、また、パワーモジュール用基板に接合される側の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる被覆層（スキン層）を設けることが記載されている。

特開２００３‐３０６７３０号公報特許第３１８０６７７号公報特開２０１０‐９８０６０号公報

しかし、特許文献２及び特許文献３に記載されるヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、ＡｌＳｉＣ系複合材料からなるヒートシンクとパワーモジュール用基板とを真空中で加圧して接合することから、ヒートシンク内部から溶融したアルミニウムがヒートシンク外部に排出され、放熱性能が低下するおそれがある。
また、真空中で接合を行うことは、加熱炉内の真空引きに時間を要するだけではなく、冷却及び加熱等の作業に時間を要することから、生産性を低下させていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、接合信頼性が高く、放熱特性に優れたヒートシンク付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方法を提供することを目的とする。

本発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が積層され、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金属層が積層されてなるパワーモジュール用基板を、ヒートシンクに接合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であって、前記ヒートシンクは、炭化ケイ素の多孔体に固相線温度と液相線温度との差が３０℃以上でＳｉが２．０質量％以上１１．０質量％以下、Ｍｇが０．０５質量％以上２．０質量％以下の範囲で含有されたアルミニウム合金を含浸させるとともに、前記多孔体の表面に該アルミニウム合金の被覆層を３０μｍ以上５００μｍ以下の厚みで形成したＡｌＳｉＣ系複合材料からなり、前記パワーモジュール用基板の金属層に前記ヒートシンクを重ねて配置し、これらを不活性雰囲気下において５２０℃以上６５０℃以下であって前記ヒートシンクのアルミニウム合金の固相線温度より５℃以上高く、液相線温度より１０℃以上低い温度で加熱することにより前記ヒートシンク表面の被覆層の少なくとも一部を溶融させて前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを直接接合することを特徴とする。

パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合加熱温度を上記温度に設定することにより、ヒートシンク表面の被覆層の少なくとも一部を溶融させることができるとともに、ヒートシンク内部のアルミニウム合金を完全に溶融させることなく、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを直接接合することができる。
すなわち、固相線温度より５℃以上高く設定することで、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合可能な程度に被覆層の一部を溶融させることができるので、これらの接合信頼性を向上させることができる。また、液相線温度より１０℃以上低く設定することで、ヒートシンク内部のアルミニウム合金が完全に溶融するのを防ぐことができ、溶融したアルミニウム合金が、ヒートシンクの外部に排出されることを回避することができる。したがって、ヒートシンクのアルミニウム合金の密度低下を防ぐことができ、放熱性能の低下を防ぐことができる。

さらに、不活性雰囲気下において５２０℃以上６５０℃以下で接合していることから、真空雰囲気よりも正確に接合温度を制御することが可能となり、接合不良を発生させることなく、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合することができる。ここで、接合加熱温度の下限を５２０℃以上としたのは、５２０℃未満の温度では、接合不良を引き起こすおそれがあるためである。そして、上限を６５０℃以下としたのは、６５０℃を超える温度では、予めろう付け等により接合されたパワーモジュール用基板のセラミックス基板と回路層、金属層との接合界面に劣化が発生するおそれがあるためである。
また、ヒートシンクのアルミニウム合金は、固相線温度と液相線温度との差が３０℃未満では、ヒートシンク表面の被覆層だけを溶融させるような温度制御を行うことが難しいことから、固相線温度と液相線温度との差が３０℃以上のアルミニウム合金を使用することとしている。

また、ＡｌＳｉＣ系複合材料を構成するアルミニウム合金にはＳｉとＭｇが含有されるものが用いられる。Ｓｉを２．０質量％以上１１．０質量％以下の範囲で含有させることにより、被覆層がろう材として良好に機能する。Ｓｉの濃度が２．０質量％を下回ると、被覆層の融点が上昇し、接合不良を引き起こすおそれがある。そして、Ｓｉの濃度が１１．０質量％を超えた場合も被覆層の融点が上昇し、接合不良を引き起こすおそれがある。
また、Ｍｇを０．０５質量％以上２．０質量％以下の範囲で含有することにより、Ｍｇが金属層及びヒートシンクの表面酸化被膜（Ａｌ_２Ｏ_３）を分解・反応し、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）を形成して、金属層及びヒートシンク表面の酸化被膜を良好に除去することができる。このため、接合を真空中で行う必要がなく、不活性雰囲気により接合工程が容易になり、酸化被膜を除去するためのフラックスも必要としないので、パワーモジュール用基板と金属層との接合を簡便に行うことができる。
なお、スピネルも酸化物であるが、細かい粒子であり、また外部に流れ出ることから、金属層とヒートシンクとの接合に影響を与えずに良好に作用する。
この場合、Ｍｇの含有量が０．０５質量％未満では、金属層及びヒートシンク表面の酸化被膜の除去が十分ではなく、接合不良を引き起こしやすい。また、２．０質量％以上では、余剰なＭｇによりＭｇＯが過剰に生成されることにより、ＭｇＯによって金属層とヒートシンクとの接合が阻害されて、接合不良を引き起こすおそれがある。

また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを適切な接合強度で接合するためには、被覆層の厚みが３０μｍ以上５００μｍ以下に設定することが好ましい。

本発明によれば、ＡｌＳｉＣ系複合材料からなるヒートシンクとパワーモジュール用基板とをはんだやろう材を用いることなく接合することができ、接合信頼性が高く、放熱特性に優れたヒートシンク付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。

本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の全体構成を示す側面図である。ヒートシンクの構成を説明する要部断面図である。加圧治具の例を示す側面図である。

以下、本発明に係るヒートシンク付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、図面を参照しながら説明する。
図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａ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に接合されるヒートシンク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の他方の面に金属層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（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１２及び金属層１３との接合は、ろう付けの他に、回路層１２及び金属層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（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＤｉｆｆｕｓｉｏｎＢｏｎｄｉｎｇ）を用いることもできる。

セラミックス基板１１は、厚さ０．３ｍｍ〜１．０ｍｍのＡｌＮ，Ｓｉ_３Ｎ_４，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ等からなる。
回路層１２は、厚さ０．２ｍｍ〜２．５ｍｍの純アルミニウム板（好ましくは純度９９．９９質量％以上の４Ｎ‐Ａｌ板）からなる。パワーモジュール用基板１０においては、エッチング等により所定の回路パターン状に成形された回路層１２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。なお、回路層１２には、純アルミニウム板の他、アルミニウム合金板、銅又は銅合金板を用いることもできる。
また、金属層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、このように構成されたパワーモジュール用基板１０の金属層１３に、ヒートシンク３０が接合されている。
ヒートシンク３０は、図２に示すように、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の多孔体３１に固相線温度と液相線温度との差が３０℃以上でＳｉが２．０質量％以上１１．０質量％以下、Ｍｇが０．０５質量％以上２．０質量％以下の範囲で含有されたアルミニウム合金を含浸させるとともに、多孔体３１の表面にそのアルミニウム合金の被覆層３２を形成したＡｌＳｉＣ系複合材料により、平板状に形成されている。また、ヒートシンク３０の被覆層３２の厚みは、３０μｍ以上５００μｍ以下に設定されている。
このように多孔体３１の表面に被覆層３２が形成されたヒートシンク３０は、例えば、ＳｉＣの多孔体３１をその周囲に所定の隙間を有するように設けられた型内に配置し、その型内に加熱溶融したアルミニウム合金を圧入して、その加圧された状態で冷却することにより製造される。アルミニウム合金を圧入することで、アルミニウム合金との濡れ性が悪いＳｉＣの内部にアルミニウム合金を含浸させることができる。また、多孔体３１の周囲の隙間にアルミニウム合金を充填して、多孔体３１の表面に所定の厚みの被覆層３２を形成することができる。
なお、固相線温度と液相線温度との差が３０℃以上のアルミニウム合金には、アルミニウム合金鋳物、ダイカスト用アルミニウム合金等を用いることができる。

また、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａの好ましい組合せ例として、例えばパワーモジュール用基板１０の各部材は、セラミックス基板１１が厚み０．６３５のＡｌＮ、回路層１２が厚み０．６ｍｍの４Ｎ‐Ａｌ板、金属層１３が厚み０．６ｍｍのＡｌ板（純度９９．０質量％以上）とされる。また、ヒートシンク３０が厚み５．０ｍｍで、その被覆層３２が厚み５０μｍ程度で構成される。

本実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板１０Ａの製造方法について説明する。
まず、予めセラミックス基板１１に回路層１２及び金属層１３がろう付けされたパワーモジュール用基板１０を用いて、そのパワーモジュール用基板１０の金属層１３が、ヒートシンク３０と対向するように重ねて配置することにより、基板積層体４０を組み立てる。この基板積層体４０を、カーボングラファイト層からなるクッションシート５０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、不活性雰囲気下において５２０℃以上６５０℃以下であって、ヒートシンク３０のアルミニウム合金の固相線温度より５℃以上高く、液相線温度より１０℃以上低い温度で加熱することにより、ヒートシンク３０内部のアルミニウム合金は完全に溶融させることなく、被覆層３２の少なくとも一部を溶融させてパワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とを直接接合することができる。不活性雰囲気としては、窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気などが利用できる。
また、不活性雰囲気下において５２０℃以上６５０℃以下で接合していることから、真空雰囲気よりも正確に接合温度を制御することが可能となり、接合不良を発生させることなく、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合することができる。

また、ヒートシンク３０のアルミニウム合金の固相線温度より５℃以上高く設定することで、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク３０とを接合可能な程度に被覆層３２の一部を溶融させることができるので、はんだやろう材を用いることなく、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とを直接接合することができるとともに、これらの接合信頼性を向上させることができる。
また、加熱温度を液相線温度より１０℃以上低く設定することで、ヒートシンク３０内部のアルミニウム合金が完全に溶融するのを防ぐことができ、溶融したアルミニウム合金が、ヒートシンク３０の外部に排出されることを回避することができる。したがって、ヒートシンク３０のアルミニウム合金の密度低下を防ぐことができ、放熱性能の低下を防ぐことができる。

さらに、接合加熱温度の下限を５２０℃以上としたのは、５２０℃未満の温度では、被覆層３２の溶融が充分ではなく接合不良を引き起こすおそれがあるためである。そして、上限を６５０℃以下としたのは、６５０℃を超える温度では、予め接合されたパワーモジュール用基板１０のセラミックス基板１１と回路層１２、金属層１３との接合界面に劣化が発生するおそれがあるためである。
また、ヒートシンク３０のアルミニウム合金は、固相線温度と液相線温度との差が３０℃以上のものを使用することにしているが、固相線温度と液相線温度との差が３０℃未満では、ヒートシンク３０表面の被覆層３２だけを溶融させるような温度制御を行うことが難しいためである。

また、ヒートシンク３０のアルミニウム合金には、ＳｉとＭｇが含有されるが、Ｓｉを２．０質量％以上１１．０質量％以下の範囲で含有することで、被覆層がろう材として良好に機能する。Ｓｉの濃度が２．０質量％を下回ると、被覆層の融点が上昇し、接合不良を引き起こすおそれがある。そして、Ｓｉの濃度が１１．０質量％を超えた場合も被覆層の融点が上昇し、接合不良を引き起こすおそれがある。
また、Ｍｇを０．０５質量％以上２．０質量％以下の範囲で含有することで、Ｍｇが金属層及びヒートシンクの表面酸化被膜（Ａｌ_２Ｏ_３）を分解・反応し、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）を形成して、金属層１３及びヒートシンク３０（被覆層３２）表面の酸化被膜を良好に除去することができる。このため、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０との接合を真空中で行う必要がなく、不活性雰囲気により接合工程が容易になり、酸化被膜を除去するためのフラックスも必要としないので、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０との接合を簡便に行うことができる。
なお、スピネルも酸化物であるが、細かい粒子であり、また外部に流れ出ることから、金属層１３とヒートシンク３０との接合に影響を与えずに良好に作用する。
この場合、Ｍｇの含有量が０．０５質量％未満では、金属層１３及びヒートシンク３０表面の酸化被膜の除去が十分ではなく、接合不良を引き起こしやすい。また、２．０質量％以上では、余剰なＭｇによりＭｇＯが過剰に生成されることにより、ＭｇＯによって金属層１３とヒートシンク３０との接合が阻害されて、接合不良を引き起こすおそれがある。
また、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とを適切な接合強度で接合するためには、上記実施形態ように、ヒートシンク３０の被覆層３２の厚みを３０μｍ以上５００μｍ以下に設定することが好ましい。

上記において説明した本発明に係るヒートシンク付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。
回路層１２には厚み０．６ｍｍで３１．４ｍｍ×２６．４ｍｍの４Ｎ‐Ａｌ板、金属層１３には厚み０．６ｍｍで３１．４ｍｍ×２６．４ｍｍの純度９９．０質量％のＡｌ板、セラミックス基板１１には厚み０．６３５ｍｍで３３．８ｍｍ×２８．８ｍｍのＡｌＮを用いて、ろう付けすることによりパワーモジュール用基板１０を製造した。なお、これらセラミックス基板１１と回路層１２、金属層１３とのろう付けには、Ａｌ‐７．５質量％Ｓｉのろう材を用いた。
また、ヒートシンク３０には、ＳｉＣの多孔体３１にアルミニウム合金を含浸させて形成された複数種類のＡｌＳｉＣ系複合材料を用いた。各ヒートシンク３０のアルミニウム合金の条件は、表１に示すとおりである。
次に、これらパワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とを積層した基板積層体４０を、クッションシート５０を介して積層した状態で加圧治具１１０内に設置し、表１に示す所定の接合加熱温度や接合時間等で接合し、各試料を作製した。
なお、表１に示す実施例１〜５及び従来例１のアルミニウム合金（ヒートシンク３０の含浸金属）は、固相線温度と液相線温度との差が３０℃以上である。例えば、実施例１及び従来例１のアルミニウム合金は、固相線温度が５５７℃、液相線温度が６１２℃であり、その固相線温度と液相線温度との差は５５℃である。

そして、このように作製した各試料について、「接合性」を評価した。
「接合性」の評価は、超音波深傷装置を用いて金属層１３とヒートシンク３０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である、金属層１３の接合面の面積とした。表１に結果を示す。

表１に示されるように、ヒートシンク３０を構成するアルミニウム合金の固相線温度と液相線温度との差が３０℃以上で、Ｓｉが２．０質量％以上１１．０質量％以下、Ｍｇが０．０５質量％以上２．０質量％以下の範囲で含有された実施例１〜５は、不活性雰囲気下において接合加熱温度を固相線温度より５℃以上高く、液相線温度より１０℃以上低い温度に設定することにより、接合率が８５％〜９５％と高く、良好な結果を得ることができた。
また、実施例１と同じアルミニウム合金によりヒートシンク３０を構成し、真空中で接合した従来例１においては、良好な接合性が得られたが、一方で加熱炉への投入後から取り出しまでの接合に必要とする時間（接合時間）は、実施例１の５倍必要であった。

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、上記実施形態では、平板状に形成したヒートシンク３０を用いて説明を行ったが、本発明のヒートシンクには、平板部に複数の放熱フィンが形成されたフィン付きのヒートシンクを用いることもできる。また、本発明のヒートシンクには、いわゆる冷却器の他、放熱板、緩衝層等も含まれる。

１０パワーモジュール用基板
１０Ａヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１セラミックス基板
１２回路層
１３金属層
２０電子部品
３０ヒートシンク
３１多孔体
３２被覆層
４０基板積層体
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

Claims

セラミックス基板の一方の面に回路層が積層され、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金属層が積層されてなるパワーモジュール用基板を、ヒートシンクに接合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であって、前記ヒートシンクは、炭化ケイ素の多孔体に固相線温度と液相線温度との差が３０℃以上でＳｉが２．０質量％以上１１．０質量％以下、Ｍｇが０．０５質量％以上２．０質量％以下の範囲で含有されたアルミニウム合金を含浸させるとともに、前記多孔体の表面に該アルミニウム合金の被覆層を３０μｍ以上５００μｍ以下の厚みで形成したＡｌＳｉＣ系複合材料からなり、前記パワーモジュール用基板の金属層に前記ヒートシンクを重ねて配置し、これらを不活性雰囲気下において５２０℃以上６５０℃以下であって前記ヒートシンクのアルミニウム合金の固相線温度より５℃以上高く、液相線温度より１０℃以上低い温度で加熱することにより前記ヒートシンク表面の被覆層の少なくとも一部を溶融させて前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを直接接合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。