JP6259625B2 - 絶縁基板と冷却器の接合構造体、その製造方法、パワー半導体モジュール、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1実施形態に係る絶縁基板と冷却器の接合構造体1000(以下、単に「接合構造体1000」と略す)の構成を示す断面図である。第1実施形態に係る接合構造体1000は、金属製の冷却器100と、絶縁基板200と、冷却器100と絶縁基板200とを接合する超高温接合層10と、から構成されている。本発明の重要な構造上の特徴の1つである超高温接合層10は、AgとCuを基材とし、600℃以上に融点または固相線温度(溶け始める温度)を有する合金接合材(純Agも含む)を融解して形成した接合層である。超高温接合層10を形成する接合材としては、基材にInを添加した、Ag−24%、Cu−15%In合金や、基材にSnを添加した、Au−30%、Cu−10%Sn合金(mass%、以下同様)が挙げられる。なお、これ以外の組成比の合金、これ以外の元素を添加した合金を用いることも可能である。
ある部品を、屋外の酷環境で使用される製品に適用する場合、規定された冷熱サイクル試験条件下で、その部品には寿命3000サイクル以上の寿命を達成することが信頼性の目安とされている。第2実施形態及び後述の第3実施形態では、この条件を満足するようにしている。
図3は、第3実施形態に係る接合構造体3000の構成を示す要部断面図である。前述した図1と同一部分には同一符号を付して、説明を省略する。第3実施形態に係る接合構造体3000は、第1実施形態に係る接合構造体1000と同様に、基本構造は、冷却器101と、絶縁基板200と、冷却器101と絶縁基板200とを接合する超高温接合層10と、から構成されている。
図4は、本発明の第4実施形態に係るパワー半導体モジュール4000の構成を示す要部断面図である。第4実施形態に係るパワー半導体モジュール4000は、前述した第1実施形態に係る接合構造体1000を備える。更に、該接合構造体1000の上部回路金属板13の上に載置され、且つ、耐熱接合層20を介して上部回路金属板13の一の要素の上面に電気的、機械的に接合されたワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体装置チップ21を備える。また、該パワー半導体装置チップ21の上部電極(図示省略)と、上部回路金属板13の他の要素を電気的に接続するボンディングワイヤ22(空間結線手段)を備えている。
図5は、本発明の第5実施形態に係るパワー半導体モジュール5000の構成を示す要部断面図である。第5実施形態に係るパワー半導体モジュール5000は、前述の第2実施形態に係る接合構造体2000と、該接合構造体2000の上部回路金属板13の上に載置され、且つ、耐熱接合層20を介して上部回路金属板13に電気的、機械的に接合されたワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体装置チップ21を備えている。更に、該パワー半導体装置チップ21の上部電極と上部回路金属板13の他の要素を電気的に接続するボンディングワイヤ22を備えている。接合構造体2000の構造及びその製造方法は、第2実施形態にて説明したので、ここでの説明を省略する。
図6は、本発明の第6実施形態に係るパワー半導体モジュール6000の構成を示す要部断面図である。第6実施形態に係るパワー半導体モジュール6000は、前述した第3実施形態に係る接合構造体3000と、該接合構造体3000の上部回路金属板13の上に載置され、且つ、耐熱接合層20を介して該上部回路金属板13に電気的、機械的に接合されたワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体装置チップ21を備える。また、該パワー半導体装置チップ21の上部電極(図示省略)と上部回路金属板13の他の要素を電気的に接続するボンディングワイヤ22を備えている。
11 セラミック基板
12,12a 下部回路金属板
13 上部回路金属板
14 逆テーパ部
15 台座
16 非接合領域
20 耐熱接合層
21 パワー半導体装置チップ
22 ボンディングワイヤ(空間結線手段)
100,101 冷却器
200,201 絶縁基板
1000,2000,3000 絶縁基板と冷却器との接合構造体
4000,5000,6000 パワー半導体モジュール
Claims (24)
- 平板形状のセラミック基板と、該セラミック基板の上面に接合された上部回路金属板と、前記セラミック基板の下面に接合された下部回路金属板と、からなる絶縁基板と、
金属製の冷却器と、
前記下部回路金属板の下面と前記冷却器の上面を接合する接合層と、を有し、
前記下部回路金属板は、合成線熱膨張係数が8ppm/℃以下の金属層を少なくとも1層備え、
前記接合層は、融点または固相線温度が600℃以上の材料で形成され、
前記下部回路金属板の周縁は、下面に向けて幅が狭くなる逆テーパ形状となっており、前記逆テーパ形状の下面でのみ前記接合層と接合していること
を特徴とする絶縁基板と冷却器の接合構造体。 - 前記下部回路金属板の周縁に形成される逆テーパ形状のテーパ角度は、35°〜85°の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
- 平板形状のセラミック基板と、該セラミック基板の上面に接合された上部回路金属板と、前記セラミック基板の下面に接合された下部回路金属板と、からなる絶縁基板と、
金属製の冷却器と、
前記下部回路金属板の下面と前記冷却器の上面を接合する接合層と、を有し、
前記下部回路金属板は、合成線熱膨張係数が8ppm/℃以下の金属層を少なくとも1層備え、
前記接合層は、融点または固相線温度が600℃以上の材料で形成され、
前記冷却器の、前記下部回路金属板との接触側となる上面には、前記下部回路金属板に対して平面視で縮小相似形状をなす台座が形成され、該台座と前記下部回路金属板とが、等角写像的関係を保ちつつ前記接合層を介して接合されたこと
を特徴とする絶縁基板と冷却器の接合構造体。 - 前記台座と前記下部回路金属板の接合で、該下部回路金属板の内縁に生じた等幅帯状非接合領域の幅は、該下部回路金属板の厚みを基準に±0.2mm以内の範囲であることを特徴とする請求項3に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
- 前記下部回路金属板は、Mo、W、CuW、CuMo、Kovar、Alloy4、64Fe−36Ni合金、63Fe−32Ni−5Co合金、36.5Fe−54Co−9.5Cr合金、の何れかの金属材料から選ばれた1層以上の板材で形成されることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
- 前記下部回路金属板の厚みは、0.1mm〜2mmの範囲であること特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
- 前記接合層は、AgとCuを基材する合金、またはAgであることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
- 前記接合層は、Agを24%、Cuを15%含むIn合金、及び、Auを30%、Cuを10%含むSn合金、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
- 前記セラミック基板は、窒化珪素(SiN)、アルミナ(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、ベリリア(BeO)から選ばれた1つであることを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
- 前記セラミック基板の厚みは0.1mm〜2mmの範囲であることを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
- 前記冷却器は、Cu、またはCuを基材とする合金からなることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
- 平板形状のセラミック基板、該セラミック基板の上面に接合された上部回路金属板、及び、前記セラミック基板の下面に接合された下部回路金属板からなる絶縁基板と、金属製の冷却器と、を独立に準備する準備工程と、
前記下部回路金属板の周縁の下側の底面を、切削加工、またはウェットエッチングのいずれかにより、逆テーパ形状に加工する加工工程と、
前記下部回路金属板の逆テーパ形状の下面と、前記冷却器を、接合材を介在させて重ね合わせる重ね合わせ工程と、
前記絶縁基板と冷却器を加圧した状態で、不活性ガス雰囲気、或いは真空雰囲気で前記接合材の融点よりも30℃以上高い温度まで上昇させ、その後、徐々に冷却する接合工程と、
を備えたことを特徴とする絶縁基板と冷却器の接合構造体の製造方法。 - 前記準備工程において、前記セラミック基板と前記上部回路金属板との間、及び、前記セラミック基板と前記下部回路金属板との間に活性金属接合材を介在させて、絶縁基板を形成する工程
を備えたことを特徴とする請求項12に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体の製造方法。 - 請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体と、
前記絶縁基板と冷却器の接合構造体に設けられる上部回路金属板の、一の要素の上面に設けられるパワー半導体装置チップと、
前記上部回路金属板の上面と、前記パワー半導体装置チップを、電気的に且つ機械的に接合する耐熱接合層と、
前記パワー半導体装置チップの上部電極と、前記上部回路金属板の他の要素と、を電気的に接続する空間結線手段と、
を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 前記パワー半導体装置チップは、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ダイヤモンド(C)、酸化ガリウム(Ga2O3)の少なくとも一つを主材料とすることを特徴とする請求項14に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記耐熱接合層は、融点、固相線温度、接合プロセス温度、のうちの少なくとも一つが、パワー半導体装置チップの最大作動温度よりも30℃以上高く、且つ、パワー半導体装置チップのアセンブリプロセス耐熱温度以下である金属、または合金を原料として形成されることを特徴とする請求項14または請求項15に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記耐熱接合層は、Au−Snはんだ、Au−Geはんだ、Au−Siはんだ、Zn−Alはんだ、から選ばれた1つ、
または、AgまたはAuまたはCuのナノ粒子、またはナノロッド、またはナノフレーク材から選ばれた1つ、
を原料として形成された層であることを特徴とする請求項14〜請求項16のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。 - 前記空間結線手段は、ボンディングワイヤ、ボンディングリボン、及びクリップリードから選ばれた1つであることを特徴とする請求項14〜請求項17のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記空間結線手段の材料は、AlまたはAlの合金、或いは、Cu母材の外周をAl膜で被覆したAlクラッドCu、のいずれかであることを特徴とする請求項14〜請求項18のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記空間結線手段は、ボンディングワイヤであり、該ボンディングワイヤの直径は、50μm〜600μmの範囲であることを特徴とする請求項14〜請求項19のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記絶縁基板と冷却器の接合構造体の、上部回路金属板の表面は、Niめっきで覆われていることを特徴とする請求項14〜請求項20のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記Niめっきの厚みは0.5μm〜15μmの範囲であることを特徴とする請求項21に記載のパワー半導体モジュール。
- 平板形状のセラミック基板、該セラミック基板の上面に接合された上部回路金属板、及び、前記セラミック基板の下面に接合された下部回路金属板からなる絶縁基板と、金属製の冷却器と、を独立に準備する準備工程と、
前記下部回路金属板の周縁の下側の底面を、切削加工、またはウェットエッチングのいずれかにより、逆テーパ形状に加工する加工工程と、
前記下部回路金属板の逆テーパ形状の下面と、前記冷却器を、接合材を介在させて重ね合わせる重ね合わせ工程と、
前記絶縁基板と冷却器を加圧した状態で、不活性ガス雰囲気、或いは真空雰囲気で前記接合材の融点よりも30℃以上高い温度まで上昇させ、その後、徐々に冷却する接合工程と、により、絶縁基板と冷却器の接合構造体を作製し、
更に、前記絶縁基板と冷却器の接合構造体の金属部分にNiめっきを被覆する被覆工程と、
前記Niめっきで被覆した、絶縁基板と冷却器の接合構造体の上部回路金属板の一の要素の上面に耐熱接合材料を用いてパワー半導体装置チップを、熱プロセスで接合するリフロー工程と、
接合したパワー半導体装置チップの上面と、前記上部回路金属板の他の要素を空間結線手段で電気的に接続する電気接続工程と、
を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。 - 前記リフロー工程は、耐熱接合材料の融点よりも30℃以上高く、且つ、パワー半導体装置チップの瞬時耐熱温度よりも低い温度領域で実施されることを特徴とする請求項23に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
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