JP6287682B2 - 接合体及びパワーモジュール用基板 - Google Patents
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Description
風力発電、電気自動車等の電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばAlN(窒化アルミ)などからなるセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。また、セラミックス基板の他方の面に、金属板を金属層として接合することもある。
また、セラミックス基板とCu板とを、ろう材を介して接合する際に、セラミックス基板とろう材との接合界面に硬い金属間化合物層が厚く形成されると、セラミックス基板と回路層の接合率が悪化し、良好に接合できないおそれもあった。
また、セラミックス部材とCu−Sn層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されていないので、セラミックス部材とCu部材との接合率が向上し、セラミックス部材とCu部材とが良好に接合されている。
この場合、セラミックス基板の他方の面に金属層が形成されているので、金属層を介してセラミックス基板側の熱を効率的に放散することができる。
この場合、Al又はAl合金からなる金属層は、強度が低いので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板に生じる熱応力を低減することができる。
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。まず、本発明の第一実施形態について説明する。
本実施形態に係る接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板11と、Cu部材であるCu板22(回路層12)とが接合されてなるパワーモジュール用基板10である。図1に、本実施形態であるパワーモジュール用基板10を備えたパワーモジュール1を示す。
このパワーモジュール1は、回路層12が配設されたパワーモジュール用基板10と、回路層12の一方の面(図1において上面)に接合層2を介して接合された半導体素子3とを備えている。
セラミックス基板11は、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)、Si3N4(窒化ケイ素)、Al2O3(アルミナ)等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、セラミックス基板11は、放熱性の優れたAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
Cu−P−Sn系のろう材として、具体的には、Cu−P−Snろう材、Cu−P−Sn−Ni系ろう材、Cu−P−Sn−Zn系ろう材、Cu−P−Sn−Mn系ろう材、Cu−P−Sn−Cr系ろう材などが挙げられ、本実施形態では、Cu−P−Sn系ろう材としてCu−P−Sn−Niろう材25を用いている。
なお、Cu−P−Sn系ろう材の融点は710℃以下であり、本実施形態で用いられるCu−P−Sn−Niろう材25の融点は580℃である。なお、本実施形態においては、Cu−P−Sn系ろう材の固相線温度をCu−P−Sn系ろう材の融点としている。
樹脂としては、例えば、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメチルメタクリレート、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を用いることができる。
また、溶剤としては、例えば、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、テルピネオール、トルエン、テキサノ−ル、トリエチルシトレート等を用いることができる。
なお、回路層12の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
接合層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。
まず、図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面(図5において上面)に、スクリーン印刷法により、Tiペースト24を塗布した後、乾燥させる。(Tiペースト塗布工程S01)。本実施形態においては、このTiペースト24に含有されるTi粉の粒径は、5μm以上40μm以下とされている。また、Tiペースト24中のTi粉の含有量は、40mass%以上90mass%以下とすることが好ましい。
また、Tiペースト24は、Ti量が1mg/cm2以上20mg/cm2以下となるように塗布するとよい。より好ましくは、Ti量が2mg/cm2以上10mg/cm2以下となるよう塗布するとよい。
また、乾燥は120℃以上150℃以下で、10分以上30分以下の範囲で行うことが好ましい。
なお、Tiペースト24とCu−P−Sn−Niろう材25の配置を逆にすることも可能である。この場合、セラミックス基板11側にCu−P−Sn−Niろう材25が配置され、Cu板22側にTiペースト24が配置される。
また、本実施形態において、Cu−P−Sn−Niろう材25の組成は、Cu−7mass%P−15mass%Sn−10mass%Niとされている。また、Cu−P−Sn−Niろう材25の厚みは、5μm以上150μm以下の範囲とされ、本実施形態では、Cu−P−Sn−Niろう材25の厚みを30μmとしている。
これにより、セラミックス基板11の一方の面に回路層12が形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板10が製造される。
このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール1が製造される。
さらに、加熱処理工程S03において、加熱時間が30分以上の場合、セラミックス基板11とCu板22との接合界面において、溶融したCu−P−Sn−Niろう材25に含まれるPと、Ti粉に含まれるTiとが結合する時間が十分に確保され、セラミックス基板11側にCu−Sn層を確実に形成可能となる。また、加熱時間が360分を超えても、加熱時間が360分の場合以上にセラミックス基板11と回路層12との接合性が向上しない。さらに、加熱時間が360分を超えると生産性が低下してしまう。このような理由のため、本実施形態では、加熱時間は、30分以上360分以下の範囲内に設定されている。
また、本実施形態においては、ろう材の融点が580℃であるCu−P−Sn−Niろう材25を用いているので、低温でろう材の液相を形成することができる。
次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図6に、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板110を備えたパワーモジュール101を示す。
このパワーモジュール101は、回路層112が配設されたパワーモジュール用基板110と、回路層112の一方の面(図6において上面)に接合層2を介して接合された半導体素子3と、パワーモジュール用基板110の他方側(図6において下側)に配置されたヒートシンク130と、を備えている。
セラミックス基板11は、放熱性の優れたAlN(窒化アルミ)で構成されている。
なお、回路層112の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、第二実施形態では、0.6mmに設定されている。
この金属層113の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
まず、図9に示すように、セラミックス基板11の一方の面(図9において上面)及び他方の面(図9において下面)に、スクリーン印刷法によりTiペースト24を塗布した後、乾燥させる(Tiペースト塗布工程S11)。
なお、Tiペースト24とCu−P−Sn−Niろう材25の配置を逆にすることも可能である。この場合、セラミックス基板11側にCu−P−Sn−Niろう材25が配置され、Cu板122、123側にTiペースト24が配置される。
これにより、セラミックス基板11の一方の面に回路層112が形成されるとともに、他方の面に金属層113が形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板110が製造される。
次に、パワーモジュール用基板110の回路層112の上面に、はんだ材を介して半導体素子3を接合する(半導体素子接合工程S16)。
このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール101が製造される。
また、パワーモジュール用基板110においては、セラミックス基板11の他方の面にCu板123からなる金属層113が形成されているので、半導体素子3からの熱を、金属層113を介して効率的に放散することができる。
また、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板110において、金属層113には、ヒートシンク130が接合されているので、ヒートシンク130から熱を効率的に放散することができる。
次に、本発明の第三実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図10に、第三実施形態に係るパワーモジュール用基板210を備えたパワーモジュール201を示す。
このパワーモジュール201は、回路層212が配設されたパワーモジュール用基板210と、回路層212の一方の面(図10において上面)に接合層2を介して接合された半導体素子3と、パワーモジュール用基板210の他方側(図10において下側)に接合層232を介して接合されたヒートシンク230と、を備えている。
セラミックス基板11は、放熱性の優れたAlN(窒化アルミ)で構成されている。
なお、回路層212の厚さは0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、第三実施形態では、0.6mmに設定されている。
この金属層213の厚さは0.1mm以上3.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、1.6mmに設定されている。
まず、図13に示すように、回路層212となるCu板222の下面(接合面)に、スクリーン印刷法によりTiペースト24を塗布した後、乾燥させる(Tiペースト塗布工程S21)。
なお、接合材227、242は、本実施形態では、融点降下元素であるSiを含有したAl−Si系ろう材とされており、第三実施形態においては、Al−7.5mass%Siろう材を用いている。
これにより、第三実施形態であるパワーモジュール用基板210が製造される。
このようにして、第三実施形態に係るパワーモジュール201が製造される。
また、第三実施形態に係るパワーモジュール用基板210においては、セラミックス基板11の他方の面にAl板223が接合されてなる金属層213が形成されているので、半導体素子3からの熱を、金属層213を介して効率的に放散することができる。また、Alは比較的変形抵抗が低いので、冷熱サイクルが負荷された際に、パワーモジュール用基板210とヒートシンク230との間に生じる熱応力を金属層213によって吸収し、セラミックス基板11に割れが発生することを抑制できる。
なお、本実施形態では、Cu板222の下面(接合面)に、Tiペースト24を塗布したが、セラミックス基板11の一方の面にTiペースト24を塗布することもできる。この場合、セラミックス基板11側にTiペースト24が配置され、Cu板222側にCu−P−Sn−Niろう材25が配置される。
次に、本発明の第四実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図14に、第四実施形態に係るパワーモジュール用基板310を示す。
このパワーモジュール用基板310は、図14に示すように、セラミックス基板11と、セラミックス基板11の一方の面(図14において上面)に配設された回路層312と、を備えている。
セラミックス基板11は、放熱性の優れたAlN(窒化アルミ)で構成されている。
Tiペースト324の組成は、TiH2粉の含有量が3mass%以上50mass%以下の範囲内とされ、残りが有機成分(樹脂+溶剤+分散剤+可塑剤)とされている。
このTiペースト324の粘度は、10Pa・s以上500Pa・s以下の範囲内とされており、好ましくは50Pa・s以上300Pa・s以下の範囲内とされている。
樹脂としては、例えば、エチルセルロース、アクリル樹脂等を用いることができる。本実施形態では、アクリル樹脂を用いている。
溶剤としては、例えば、テルピネオール系、アセテート系、シトレート系等を用いることができる。本実施形態では、α−テルピネオールを用いている。
分散剤としては、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤等を用いることができる。本実施形態では、アニオン性界面活性剤を用いている。
また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル、アジピン酸ジブチル等を用いることができる。
本実施形態では、Tiペースト324が配設された位置に対応するように、金属間化合物317が層状に分散されている。ここで、本実施形態では、金属間化合物317の中心部にはTi粒子がほとんど存在していない。これは、TiH2粉の粒径が微細であることから、TiH2粉に含まれるTiが金属間化合物317の形成に消費されたためと推測される。
また、セラミックス基板11と回路層312との接合界面には、Cu3P相319が観察される。これは、Tiと反応しなかったPがCuと反応することで形成されたものと推測される。
まず、図17に示すように、回路層312となるCu板322の下面(接合面)に、スクリーン印刷法によりTiペースト324を塗布した後、乾燥させる(Tiペースト塗布工程S31)。
本実施形態では、Tiペースト塗布工程S31において、乾燥後の膜厚が5μm以上200μmの範囲内となるように、Tiペースト324の塗布量を調整している。このとき、Cu板322の下面に塗布されるTiH2量は、0.01mg/cm2以上12mg/cm2以下の範囲内とされる。より好ましくは、TiH2量が、0.04mg/cm2以上8mg/cm2以下の範囲内となるよう塗布するとよい。
そして、セラミックス基板11、Cu−P−Sn−Niろう材25、Tiペースト324、Cu板322を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2(0.10〜3.43MPa))した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する(加熱処理工程S33)。ここで、第四実施形態では、真空加熱炉内の圧力を10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度を600℃以上650℃以下の範囲内に、加熱時間を30分以上360分以下の範囲内に設定している。なお、加熱時間は30分以上240分以下の範囲内とすることがより好ましい。
これにより、第四実施形態であるパワーモジュール用基板310が製造される。
また、第四実施形態に係るパワーモジュール用基板310においては、微細なTiH2粉を含有するTiペースト324を用いているので、TiH2粉の表面積が大きく、Tiの反応が速く進行する。これにより、比較的短時間の条件でも、セラミックス基板11と銅板322とを確実に接合することが可能となる。
なお、本実施形態では、Cu板322の下面(接合面)に、Tiペースト324を塗布したが、セラミックス基板11の一方の面にTiペースト324を塗布することもできる。この場合、セラミックス基板11側にTiペースト324が配置され、Cu板322側にCu−P−Sn−Niろう材25が配置される。
また、上記実施の形態においては、TiペーストとCu−P−Sn系ろう材とを、セラミックス基板とCu板との間に配置する場合について説明したが、Tiペーストに限定されるものではなく、例えば、Ti粉とCu−P−Sn系ろう材とをセラミックス基板とCu板との間に配置する構成とされても良い。
さらに、上述したパワーモジュール用基板の製造方法において、Tiペースト塗布工程と積層工程の間に、Tiペーストの脱脂を行う工程を設けることもできる。この場合、Tiペーストに含有されている樹脂の残渣量が減り、接合性がより向上する。
また、第三実施形態において、回路層、金属層、及びヒートシンクを同時に接合する場合について説明したが、回路層と金属層をセラミックス基板に接合した後に、金属層とヒートシンクとを接合する構成としても良い。
また、第三実施形態において、セラミックス基板の他方の面にAl−Si系ろう材を介して金属層を接合する場合について説明したが、過渡液相接合法(TLP)やAgペーストなどによって接合しても良い。
さらに、第四実施形態において、セラミックス基板11と回路層312との接合界面にCu3P相319が観察されるものを例示して説明したが、Cu3P相319を有さないものであってもよい。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験(実施例1)の結果について説明する。
表1及び表2記載のセラミックス基板(40mm×40mm)の一方の面に、Ti材、表1及び表2に示すCu−P−Sn系ろう材、無酸素銅からなるCu板(37mm×37mm×0.3mmt)を積層する。ここで、本発明例1−1〜1−14においては、Ti材としてTiペーストを用いた。このTiペーストは、粒径10μmのTi粉末と、アクリル樹脂と、テキサノールとを含有するペーストとした。また、Tiペーストは、スクリーン印刷法により表1及び表2記載のTi量となるようにセラミックス基板又はCu板に塗布した。TiペーストとCu−P−Sn系ろう材の配置は、表1及び表2に示す配置とした。なお、セラミックス基板の材質がAlNの場合は厚さ0.635mmとし、材質がSi3N4の場合は、0.32mmとした。さらに、本発明例1−15及び1−16では、Ti材として、Tiペーストの代わりに表2記載のTi量となるように厚さを調整したTi箔を用いた。また、本発明例1−17〜1−20では、Ti材として、Tiペーストの代わりに表2記載のTi量となるように厚さを調整したTi蒸着膜を用いた。
そして、積層方向に圧力15kgf/cm2(1.47MPa)で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによって、セラミックス基板の一方の面にCu板を接合し、回路層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を10−6Pa以上、10−3Pa以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間は、表1及び表2の条件に設定した。このようにして本発明例1−1〜1−20のパワーモジュール用基板を得た。
比較例1のパワーモジュール用基板は、Ti材を用いずにセラミックス基板と回路層とを接合したことを除いて、本発明例の1−1〜1−20のパワーモジュール用基板と同様にして得た。
パワーモジュール用基板に対し、セラミックス基板と回路層との界面の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から接合率を算出した。
ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち本実施例では回路層の面積とした。超音波探傷像において剥離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剥離面積とした。
(接合率(%))={(初期接合面積)−(剥離面積)}/(初期接合面積)×100
以上の評価の結果を表1及び表2に示す。
一方、比較例1は、セラミックス基板とCu板との接合の際に、Ti材を介在させずに接合が行われているため、セラミックス基板とCu板(回路層)とを接合することができなかった。
次に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験(実施例2)の結果について説明する。
表3記載のセラミックス基板(40mm×40mm)の一方の面及び他方の面に、Ti材、表3に示すCu−P−Sn系ろう材、無酸素銅からなるCu板(37mm×37mm×0.3mmt)を積層する。ここで、本発明例2−1〜2−14においては、Ti材としてTiペーストを用いた。このTiペーストは、実施例1と同様のTiペーストを用いて、スクリーン印刷法により表3記載のTi量となるようにセラミックス基板又はCu板に塗布した。TiペーストとCu−P−Sn系ろう材の配置は、表3に示す配置とした。なお、セラミックス基板の材質がAlNの場合は厚さ0.635mmとし、材質がSi3N4の場合は、0.32mmとした。また、本発明例2−15では、Ti材として、Tiペーストの代わりに表3記載のTi量となるように厚さを調整したTi箔を用いた。
そして、積層方向に圧力15kgf/cm2(1.47MPa)で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面及び他方の面にCu板を接合し、回路層及び金属層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を10−6Pa以上、10−3Pa以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間は表3に示す条件とした。このようにして本発明例2−1〜2−15のパワーモジュール用基板を得た。
比較例2のパワーモジュール用基板は、Ti材を用いずにセラミックス基板と回路層とを接合したことを除いて、本発明例の2−1〜2−15のパワーモジュール用基板と同様にして得た。
なお、接合率の評価は、実施例1と同様にして行った。また、冷熱サイクル試験は、下記の通り行った。
以上の評価の結果を表3に示す。
冷熱サイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製TSB−51を使用し、パワーモジュール用基板に対して、液相(フロリナート)で、−40℃×5分←→150℃×5分のサイクルを1サイクルとし、これら2000サイクル実施した。なお、冷熱サイクル試験を2000サイクル行った後もセラミックス基板に割れが発生しなかったパワーモジュール用基板については、表3において「>2000」と記載した。
一方、比較例2は、セラミックス基板とCu板との接合の際に、Ti材を介在させずに接合が行われているため、セラミックス基板とCu板(回路層)とを接合することができなかった。
次に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験(実施例3)の結果について説明する。
表4記載のセラミックス基板(40mm×40mm)の一方の面に、Ti材、表4に示すCu−P−Sn系ろう材、無酸素銅からなるCu板(37mm×37mm×0.3mmt)を積層する。また、セラミックス基板の他方の面に、Al−Si系ろう材を介して純度99.99mass%のAlからなるAl板(37mm×37mm×1.6mmt)を積層する。ここで、本発明例3−1〜3−14においては、Ti材としてTiペーストを用いた。このTiペーストは、実施例1と同様のTiペーストを用いて、スクリーン印刷法により表4記載のTi量となるようにセラミックス基板又はCu板に塗布した。TiペーストとCu−P−Sn系ろう材の配置は、表4に示す配置とした。なお、セラミックス基板の材質がAlNの場合は厚さ0.635mmとし、材質がSi3N4の場合は、0.32mmとした。また、本発明例3−15では、Ti材として、Tiペーストの代わりに、表4記載のTi量となるように厚さを調整したTi蒸着膜を用いた。
そして、積層方向に圧力15kgf/cm2(1.47MPa)で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面にCu板を接合して回路層を形成し、他方の面にAl板を接合して金属層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間は表4に示す条件とした。このようにして本発明例3−1〜3−15のパワーモジュール用基板を得た。
比較例3のパワーモジュール用基板は、Ti材を用いずに、セラミックス基板と回路層とを接合したことを除いて、本発明例3−1〜3−15のパワーモジュール用基板と同様にして得た。
なお、接合率の評価、冷熱サイクル試験は、実施例2と同様にして行った。
以上の評価の結果を表4に示す。
一方、比較例3は、セラミックス基板とCu板との接合の際に、Ti材を介在させずに接合が行われているため、セラミックス基板とCu板(回路層)とを接合することができなかった。
次に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験(実施例4)の結果について説明する。
実施例1と同様に、表5記載のセラミックス基板と無酸素銅からなるCu板とを接合し、その接合率を評価した。
実施例4では、Tiペーストとして、表5に示すTiH2粉と、アクリル樹脂(樹脂)と、α−テルピネオール(溶剤)と、アニオン性界面活性剤(分散剤)と、を含有するものとした。なお、有機成分(樹脂+溶剤+分散剤)の質量比を、溶剤:樹脂:分散剤=82.5:15:2.5とした。
ここで、Tiペースト中のTiH2粉の含有量と塗布量とを調整することにより、表5に示すようにTiH2量を制御した。
11 セラミックス基板(セラミックス部材)
12、112、212、312 回路層(Cu部材)
113、213 金属層(Cu部材)
14 Cu−Sn層
17、317 金属間化合物
22、122、123、222、322 Cu板(Cu部材)
Claims (5)
- セラミックスからなるセラミックス部材と、Cu又はCu合金からなるCu部材とがCu−P−Sn系ろう材及びTi材を介して接合された接合体であって、
前記セラミックス部材と前記Cu部材との接合界面には、SnがCu中に固溶したCu−Sn層が形成され、
このCu−Sn層中には、P及びTiを含有する金属間化合物が分散していることを特徴とする接合体。 - 請求項1に記載の接合体からなり、
前記セラミックス部材からなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面にCu−P−Sn系ろう材及びTi材を介して前記Cu部材からなるCu板が接合されてなる回路層と、を備え、
前記セラミックス基板と前記回路層との接合界面には、SnがCu中に固溶したCu−Sn層が形成され、
このCu−Sn層中には、P及びTiを含有する金属間化合物が分散していることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 前記セラミックス基板の他方の面に金属層が形成されていることを特徴とする請求項2に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記金属層は、
前記セラミックス基板の他方の面に、Cu−P−Sn系ろう材及びTi材を介してCu又はCu合金からなるCu板が接合されてなり、
前記セラミックス基板と前記金属層との接合界面には、SnがCu中に固溶したCu−Sn層が形成され、
このCu−Sn層中には、P及びTiを含有する金属間化合物が分散し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。 - 前記金属層は、Al又はAl合金からな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。
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