JP6307832B2 - パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール - Google Patents

パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール Download PDF

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Description

この発明は、セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と他方の面に形成された金属層とを備えたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板に半導体素子が接合されたヒートシンク付パワーモジュールに関するものである。
各種の半導体素子のうちでも、電気自動車や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及び他方の面に、金属板を回路層及び金属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。
このようなパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の他方の面側に、熱伝導性の優れたヒートシンクが接合され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板とされる。また、回路層上に、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、ヒートシンク付パワーモジュールとされる。
上記のようなパワーモジュール用基板として、例えば特許文献1には、セラミックス基板の下面に接合された4Nアルミニウム(4N−Al)層と、この4Nアルミニウム層に接合された2Nアルミニウム(2N−Al)層とを有する金属層を備えたパワーモジュール用基板が開示されている。そして、パワーモジュール用基板の金属層とCuで構成された放熱板(ヒートシンク)とが接合され、放熱板付(ヒートシンク付)パワーモジュール用基板とされている。
また、特許文献2には、セラミックス基板の下面に接合された2Nアルミニウム層からなる金属層を備えたパワーモジュール用基板が開示されている。
特許文献3には、セラミックス基板の下面に接合されたCu層からなる金属層を備えたパワーモジュール用基板が開示されている。
特許第4037425号公報 特許第4629016号公報 特開平4−162756号公報
ところで、特許文献1及び特許文献2に示すパワーモジュール用基板においては、上述のように金属層がAlで構成されている。ここで、Alは、はんだ付け性が悪いため、Alで構成された金属層と放熱板とをはんだ接合する際には、表面にNiめっきを形成する必要があり、製造コストの増大を招いていた。また、Niめっきを施すためパワーモジュールの製造工程が長くなり、生産性が低下することも問題であった。
さらには、Alは変形抵抗が比較的低いため、パワーモジュールに冷熱サイクルが負荷された場合に、パワーモジュール用基板と放熱板との間に生じる熱応力によって、はんだにクラックが生じ、接合信頼性が低下したり、熱抵抗が上昇したりする問題もあった。
一方、特許文献3に示すように金属層がCuで構成されている場合、Cuは、はんだ付け性が良いため、上述したNiめっきが不要となる。また、Cuは比較的変形抵抗が高いため、冷熱サイクルが負荷された際に、金属層におけるシワの発生を抑制し、パワーモジュール用基板と放熱板とを接合するはんだにクラックが生じることを抑制できる。
しかしながら、Cuは上記のように比較的変形抵抗が高いため、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板と金属層との間に生じる熱応力により、セラミックス基板に割れが発生する場合があった。
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境が厳しく、半導体素子からの発熱量が大きくなっているため、冷熱サイクルの条件が厳しくなっており、さらに信頼性の高いパワーモジュール用基板が求められている。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、冷熱サイクル負荷時において金属層とヒートシンクとを接合するはんだにクラックが生じることを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑え、かつセラミックス基板に割れが生じることを抑制できるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュールを提供することを目的とする。
前述の課題を解決するために、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、前記金属層は、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第一アルミニウム層と、この第一アルミニウム層に固相拡散接合された第一銅層と、を有しており、前記第一アルミニウム層と前記第一銅層との界面には、金属間化合物層が形成されており、前記金属間化合物層は、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされていることを特徴としている。
本発明のパワーモジュール用基板によれば、セラミックス基板の他方の面に第一アルミニウム層が接合され、さらに第一アルミニウム層に第一銅層が接合されているので、パワーモジュール用基板にヒートシンクを接合する際には第一銅層とヒートシンクとが接合されることになり、金属層にNiめっきを形成することなく金属層とヒートシンクとを良好に接合できる。また、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを、はんだによって接合した場合に、比較的変形抵抗が高い第一銅層とヒートシンクとを接合することになるので、冷熱サイクルが負荷された際に、はんだにクラックが生じることを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑えることができる。
さらに、セラミックス基板の他方の面に比較的変形抵抗が小さい第一アルミニウム層が接合されているので、冷熱サイクルが負荷されてもセラミックス基板と第一銅層との間に生じる熱応力を第一アルミニウム層で吸収してセラミックス基板に割れが生じることを抑制できる。
そして、第一アルミニウム層と第一銅層とが、固相拡散接合によって接合されているので、第一アルミニウム層と第一銅層との接合信頼性を向上させることが可能である。また、冷熱サイクルが負荷された場合に、第一アルミニウム層と第一銅層との間に剥離が生じることが抑制され、金属層の熱伝導性を維持することができる。
また、前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第二アルミニウム層と、この第二アルミニウム層に固相拡散接合された第二銅層と、を有していても良い。
この構成では、回路層が第二銅層を有しており、この第二銅層の上に半導体素子が搭載された場合には、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ伝達する際に、回路層の第二銅層で面方向に拡げて効率的に放散することができる。
さらに、セラミックス基板の一方の面に、比較的変形抵抗の小さい第二アルミニウム層が形成されており、冷熱サイクルが負荷された場合にセラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力を第二アルミニウム層が吸収するので、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。また、第二アルミニウム層の一方側には、比較的変形抵抗の大きい第二銅層が形成されているので、パワーサイクルが負荷された場合に、回路層の変形を抑制することができる。
また、第二アルミニウム層と第二銅層とは、固相拡散接合によって接合されているので、冷熱サイクルが負荷された場合に、第二アルミニウム層と第二銅層との間に剥離が生じることが抑制され、回路層の熱伝導性及び導電性を維持することができる。
なお、ここで、第二アルミニウム層の一方側とは、セラミックス基板と接合されていない面側のことである。
また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、上述のパワーモジュール用基板と、ヒートシンクとを有し、前記第一銅層と前記ヒートシンクとが接合されていることを特徴としている。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、パワーモジュール用基板の第一銅層がヒートシンクに接合されるので、金属層にNiめっきを形成することなく金属層とヒートシンクとをはんだによって接合できる。また、金属層とヒートシンクとをはんだによって接合すると、比較的変形抵抗が高い第一銅層とヒートシンクとを接合することになるので、冷熱サイクル負荷時において、はんだにクラックが発生することを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑えることができる。さらに、セラミックス基板の他方の面に比較的変形抵抗が小さい第一アルミニウム層が接合されているので、冷熱サイクルが負荷された際に熱応力を第一アルミニウム層で吸収でき、セラミックス基板に割れが生じることを抑制できる。
前記ヒートシンクがCuまたはCu合金で構成され、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとがはんだによって接合されていても良い。
この場合、金属層の第一銅層と、CuまたはCu合金で構成されたヒートシンクとをはんだによって良好に接合することができる。また、ヒートシンクが熱伝導性の良好なCuまたはCu合金で構成されているので、パワーモジュール用基板からの熱をヒートシンク側に効率的に放散できる。
前記ヒートシンクは、Niめっきが形成されたAlまたはAl合金で構成され、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとがはんだによって接合されていても良い。
AlまたはAl合金で構成されたヒートシンクにNiめっきが形成されている場合には、上述のパワーモジュール用基板とヒートシンクとを良好にはんだ接合できる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュールは、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層の一方の面に接合された半導体素子と、を備えることを特徴としている。
この場合、上述のパワーモジュール用基板を備えているので、冷熱サイクルが負荷されても、金属層とヒートシンクを接合するはんだにクラックが生じることを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑えることができ、かつセラミックス基板に割れが生じることを抑制できる。
本発明によれば、冷熱サイクル負荷時において金属層とヒートシンクとを接合するはんだにクラックが生じることを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑え、かつセラミックス基板に割れが生じることを抑制できるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュールを提供することができる。
本発明の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の概略説明図である。 金属層における第一アルミニウム層と第一銅層との接合界面の拡大説明図である。 回路層における第二アルミニウム層と第二銅層との接合界面の拡大説明図である。 本発明の実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。 本発明の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法の概略説明図である。 本発明の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。 本発明の他の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、及びパワーモジュール用基板の概略説明図である。 本発明の他の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における第一アルミニウム層と第一銅層との接合界面の概略説明図である。 本発明の他の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における第二アルミニウム層と第二銅層との接合界面の概略説明図である。 図8における金属間化合物層と第一銅層との界面の拡大説明図である。 図9における金属間化合物層と第二銅層との界面の拡大説明図である。 CuとAlの2元状態図である。
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。
図1に、本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール1、ヒートシンク付パワーモジュール用基板30、パワーモジュール用基板10を示す。
ヒートシンク付パワーモジュール1は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板30と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板30の一方側(図1において上側)にはんだ層2を介して接合された半導体素子3と、を備えている。
はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−Cu系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系等のはんだ材(いわゆる鉛フリーはんだ材)とされており、ヒートシンク付パワーモジュール用基板30と半導体素子3とを接合するものである。
半導体素子3は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。本実施形態では、IGBT素子とされている。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板30は、パワーモジュール用基板10と、このパワーモジュール用基板10の他方側(図1において下側)に接合されたヒートシンク40とを備えている。
パワーモジュール用基板10は、図1に示すように、セラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面(図1において上面)に形成された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)に形成された金属層13と、を備えている。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高い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。
金属層13は、図1に示すように、セラミックス基板11の他方の面に接合された第一アルミニウム層13Aと、この第一アルミニウム層13Aの他方側(図1において下側)に積層された第一銅層13Bと、を有している。
第一アルミニウム層13Aは、アルミニウム板がセラミックス基板11の他方の面に接合されることにより形成されている。本実施形態においては、第一アルミニウム層13Aは、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなるアルミニウム板がセラミックス基板11に接合されることにより形成されている。ここで、接合されるアルミニウム板の厚さは0.2mm以上3.0mm以下に設定されていることが好ましい。
第一銅層13Bは、第一アルミニウム層13Aの他方側(図1において下側)に接合されることにより形成されている。本実施形態においては、第一銅層13Bは、無酸素銅の圧延板からなる銅板が第一アルミニウム層13Aに固相拡散接合されることにより形成されている。ここで、接合される銅板の厚さは、0.1mm以上4.0mm以下に設定されていることが好ましい。
そして、これらの第一アルミニウム層13Aと第一銅層13Bとの界面には、図2に示すように、金属間化合物層13Cが形成されている。
金属間化合物層13Cは、第一アルミニウム層13AのAl原子と、第一銅層13BのCu原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この金属間化合物層13Cにおいては、第一アルミニウム層13Aから第一銅層13Bに向かうにしたがい、漸次Al原子の濃度が低くなり、かつCu原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。
金属間化合物層13Cは、CuとAlからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、金属間化合物層13Cの厚さtaは、1μm以上80μm以下の範囲内、好ましくは、5μm以上80μm以下の範囲内に設定されている。
本実施形態では、図2に示すように、3種の金属間化合物が積層された構造とされており、第一アルミニウム層13A側から第一銅層13B側に向けて順に、θ相16a、η2相17a、ζ2相18aとされている。
また、この金属間化合物層13Cと第一銅層13Bとの接合界面には、酸化物19aが、接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物19aは、アルミナ(Al)等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物19aは、金属間化合物層13Cと第一銅層13Bとの界面に分断された状態で分散しており、金属間化合物層13Cと第一銅層13Bとが直接接触している領域も存在している。
さらに、本実施形態では、第一銅層13Bの平均結晶粒径が50μm以上200μm以下の範囲内とされ、第一アルミニウム層13Aの平均結晶粒径が500μm以上とされている。
回路層12は、図1に示すように、セラミックス基板11の一方の面に接合された第二アルミニウム層12Aと、この第二アルミニウム層12Aの一方側(図1において上側)に積層された第二銅層12Bと、を有している。
第二アルミニウム層12Aは、アルミニウム板がセラミックス基板11の一方の面に接合されることにより形成されている。本実施形態においては、第二アルミニウム層12Aは、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなるアルミニウム板がセラミックス基板11に接合されることにより形成されている。
ここで、接合されるアルミニウム板の厚さは0.2mm以上3.0mm以下に設定されていることが好ましい。
第二銅層12Bは、第二アルミニウム層12Aの一方側(図1において上側)に接合されることにより形成されている。本実施形態においては、第二銅層12Bは、無酸素銅の圧延板からなる銅板が第二アルミニウム層12Aに固相拡散接合されることにより形成されている。ここで、接合される銅板の厚さは、0.1mm以上4.0mm以下に設定されていることが好ましい。
そして、これらの第二アルミニウム層12Aと第二銅層12Bとの界面には、図3に示すように、金属間化合物層12Cが形成されている。
金属間化合物層12Cは、第二アルミニウム層12AのAl原子と、第二銅層12BのCu原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この金属間化合物層12Cにおいては、第二アルミニウム層12Aから第二銅層12Bに向かうにしたがい、漸次Al原子の濃度が低くなり、かつ銅原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。
この金属間化合物層12Cは、CuとAlからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、この金属間化合物層12Cの厚さtbは、1μm以上80μm以下の範囲内、好ましくは、5μm以上80μm以下の範囲内に設定されている。
本実施形態では、図3に示すように、3種の金属間化合物が積層された構造とされており、第二アルミニウム層12A側から第二銅層12B側に向けて順に、θ相16b、η2相17b、ζ2相18bとされている(図12)。
また、この金属間化合物層12Cと第二銅層12Bとの接合界面には、酸化物19bが、接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物19bは、アルミナ(Al)等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物19bは、金属間化合物層12Cと第二銅層12Bとの界面に分断された状態で分散しており、金属間化合物層12Cと第二銅層12Bとが直接接触している領域も存在している。
さらに、本実施形態では、第二銅層12Bの平均結晶粒径が50μm以上200μm以下の範囲内とされ、第二アルミニウム層12Aの平均結晶粒径が500μm以上とされている。
ヒートシンク40は、パワーモジュール用基板10側の熱を放散するためのものである。本実施形態では、ヒートシンク40は、パワーモジュール用基板10が接合される放熱板31と冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路42が設けられた冷却部41からなり、放熱板31と冷却部41とがグリース43を介してネジ44によって固定されている。ヒートシンク40は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、放熱板31は無酸素銅で構成されており、冷却部41はAl合金で構成されている。そして、ヒートシンク40の放熱板31と第一銅層13Bとが、はんだ層32によって接合されており、はんだ層32は例えばSn−Sb系、Sn−Ag系、Sn−Cu系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材(いわゆる鉛フリーはんだ材)とされている。
次に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール1、ヒートシンク付パワーモジュール用基板30、パワーモジュール用基板10の製造方法について、図4から図6を用いて説明する。
まず、図4に示すように、セラミックス基板11の一方の面、他方の面に、Al−Si系のろう材(図示なし)を介してアルミニウム板22A、アルミニウム板23Aを積層する。そして、加圧・加熱後冷却することによって、セラミックス基板11とアルミニウム板22A、アルミニウム板23Aを接合し、セラミックス基板11に第二アルミニウム層12A及び第一アルミニウム層13Aを形成する(アルミニウム層形成工程S11)。なお、このろう付けの温度は、640℃〜650℃に設定されている。
次に、第二アルミニウム層12Aの一方側(上側)に銅板22Bを配置し、第一アルミニウム層13Aの他方側(下側)に銅板23Bを配置する。そして、これらを真空加熱炉50の中に配置し、銅板22Bの一方側(上側)及び銅板23Bの他方側(下側)から荷重を負荷し、真空加熱炉50の内部を真空にして加熱処理を行う。本実施形態においては、第二アルミニウム層12A及び銅板22B、第一アルミニウム層13A及び銅板23B、の接触面に負荷される荷重は、3kgf/cm以上35kgf/cm以下とされている。そして、真空加熱の加熱温度を、400℃以上548℃未満とし、5分以上240分以下保持して固相拡散接合を行い、第一アルミニウム層13Aに銅板23Bを接合して第一銅層13Bを形成すると同時に、第二アルミニウム層12Aに銅板22Bを接合して第二銅層12Bを形成する(銅層形成工程S12)。本実施形態においては、第二アルミニウム層12Aと銅板22B、第一アルミニウム層13Aと銅板23Bの接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。
なお、真空加熱の好ましい加熱温度は、AlとCuの共晶温度−5℃以上、共晶温度未満の範囲とされている。
こうして、回路層12と金属層13が形成され、本実施形態に係るパワーモジュール用基板10が得られる。
次に、図5に示すように、パワーモジュール用基板10の他方側(図5において下側)に、はんだによってヒートシンク40(放熱板31)を接合する(ヒートシンク(放熱板)接合工程S13)。
次いで、ヒートシンク40(放熱板31)の他方側に(図5において下側)、グリース43を介してヒートシンク40(冷却部41)を配設する(ヒートシンク(冷却部)配設工程S14)。本実施形態においては、ネジ44によって放熱板31と冷却部41とを接合している。こうして、ヒートシンク付パワーモジュール用基板30が得られる。
最後に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板30の回路層12の一方の面(図5において上面)に、はんだによって半導体素子3を接合する(半導体素子接合工程S15)。
以上のようにして、本実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール1が得られる。
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール1、ヒートシンク付パワーモジュール用基板30、パワーモジュール用基板10によれば、セラミックス基板11の他方の面(下面)に第一アルミニウム層13Aが接合され、この第一アルミニウム層13Aに第一銅層13Bが接合され、さらに第一銅層13Bとヒートシンク40とを接合しているので、金属層13にNiめっきを形成することなく金属層13とヒートシンク40とを良好に接合できる。また、比較的変形抵抗が高い第一銅層13Bと放熱板31とを接合しているので、冷熱サイクルが負荷された際に、はんだ層32にクラックが発生することを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑えることが可能となる。
また、冷熱サイクルが負荷された場合に、セラミックス基板11と金属層13との間に熱応力が発生するが、セラミックス基板11の他方の面に比較的変形抵抗が小さい第一アルミニウム層13Aが接合されているので、熱応力を第一アルミニウム層13Aで吸収することができ、セラミックス基板11に割れが生じることを抑制できる。
そして、金属層13の第一アルミニウム層13Aと第一銅層13Bとが、固相拡散接合によって接合されているので、第一アルミニウム層13Aと第一銅層13Bとの接合信頼性を向上させることが可能であり、冷熱サイクルが負荷された場合に、第一アルミニウム層13Aと第一銅層13Bとの間に剥離が生じることが抑制され、金属層13の熱伝導性を維持することができる。
さらに、回路層12が第二銅層12Bを有しており、この第二銅層12Bの上に半導体素子3が搭載されているので、半導体素子3から発生する熱をパワーモジュール用基板10側へ伝達する際に、第二銅層12Bで面方向に拡げて効率的に放散することができる。
また、セラミックス基板11の一方の面(上面)に、比較的変形抵抗の小さい第二アルミニウム層12Aが形成されているので、冷熱サイクルが負荷された場合にセラミックス基板11と回路層12との熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力を第二アルミニウム層12Aが吸収し、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。
また、第二アルミニウム層12Aの一方側には、比較的変形抵抗の大きい第二銅層12Bが形成されているので、パワーサイクルが負荷された場合に、回路層12の変形を抑制することができ、回路層12と半導体素子3を接合するはんだにクラックが生じることを抑制できる。
また、第二アルミニウム層12Aと第二銅層12Bとが、固相拡散接合によって接合されているので、第二アルミニウム層12Aと第二銅層12Bとの接合信頼性を向上させることが可能であり、冷熱サイクルが負荷された場合に、第二アルミニウム層12Aと第二銅層12Bとの間に剥離が生じることが抑制され、回路層12の熱伝導性及び導電性を維持することができる。
また、本実施形態では、第一アルミニウム層13Aと第一銅層13Bとの間、及び第二アルミニウム層12Aと第二銅層12Bとの間には、CuとAlの金属間化合物層からなる金属間化合物層13C、12Cが形成されている。したがって、第一アルミニウム層13A及び第二アルミニウム層12A中のAlが第一銅層13B及び第二銅層12B側へ、第一銅層13B及び第二銅層12B中のCuが第一アルミニウム層13A及び第二アルミニウム層12A側へとそれぞれ十分に相互拡散し、第一アルミニウム層13Aと第一銅層13B、第二アルミニウム層12Aと第二銅層12Bとが、確実に固相拡散接合されており、十分な接合強度を確保することができる。
また、第一銅層13Bと金属間化合物層13Cとの接合界面、及び第二銅層12Bと金属間化合物層12Cとの接合界面に、酸化物19a、19bがこれらの接合界面に沿ってそれぞれ層状に分散しているので、第一アルミニウム層13A、第二アルミニウム層12Aに形成された酸化膜が確実に破壊され、CuとAlの相互拡散が十分に進行していることになり、第一アルミニウム層13A及び第一銅層13B、第二アルミニウム層12A及び第二銅層12Bとが確実に接合されている。
また、本実施形態では、金属間化合物層12C、13Cは、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされているので、脆い金属間化合物が大きく成長してしまうことを抑制できる。
また、第一銅層13B、第二銅層12B中のCuと、第一アルミニウム層13A、第二アルミニウム層12A中のAlとが、それぞれ相互拡散することにより、第一銅層13B、第二銅層12B側から、第一アルミニウム層13A、第二アルミニウム層12A側に向けてそれぞれの組成に適した金属間化合物が層状に形成されていることから、接合界面の特性を安定させることができる。
具体的には、金属間化合物層13C、12Cは、第一アルミニウム層13A、第二アルミニウム層12A側から第一銅層13B、第二銅層12B側に向けて順に、θ相16a、16b、η2相17a、17b、ζ2相18a、18bの3種の金属間化合物がそれぞれ積層しているので、金属間化合物層13C、12C内部における体積変動が小さくなり、内部歪みが抑えられることになる。
すなわち、固相拡散しなかった場合、例えば、液相が形成された場合には、金属間化合物が必要以上に発生し、金属間化合物層はその体積の変動が大きくなり、金属間化合物層に内部歪みが生じる。しかし、固相拡散した場合には、脆い金属間化合物層が大きく成長せずに、金属間化合物が層状に形成されるため、その内部歪みが抑えられる。
さらに、本実施形態においては、第一アルミニウム層13A、第二アルミニウム層12Aの平均結晶粒径が500μm以上とされ、第一銅層13B、第二銅層12Bの平均結晶粒径が50μm以上200μm以下の範囲内とされており、第一アルミニウム層13A及び第一銅層13B、第二アルミニウム層12A及び第二銅層12Bの平均結晶粒径が比較的大きく設定されている。よって、第一アルミニウム層13A及び第一銅層13B、第二アルミニウム層12A及び第二銅層12Bに過剰な歪み等が蓄積されておらず、疲労特性が向上することになる。したがって、冷熱サイクル負荷において、パワーモジュール用基板10に発生する熱応力に対する信頼性が向上する。
さらに、本実施形態においては、金属間化合物層12C、13Cの厚さta、tbが1μm以上80μm以下、好ましくは5μm以上80μm以下の範囲内とされているので、CuとAlの相互拡散が十分に進行しており、第一アルミニウム層13A及び第一銅層13B、第二アルミニウム層12A及び第二銅層12Bを強固に接合できるとともに、脆い金属間化合物が必要以上に成長することが抑えられており、接合界面の特性が安定することになる。
ここで、アルミニウム板22A、23Aの好ましい厚さは0.2mm以上3.0mm以下とされている。アルミニウム板22A、23Aの厚さを0.2mm以上とすることで、冷熱サイクルにおいてセラミックス基板11に生じる熱応力を低減でき、セラミックス基板11にクラックが生じることを抑制できる。また、アルミニウム板22A、23Aの厚さを3.0mm以下とすることで、パワーサイクルにおける初期の熱抵抗を低減できる。
また、銅板22Bの好ましい厚さは0.1mm以上4.0mm以下とされている。銅板22Bを0.1mm以上とすることで、半導体素子3からの熱を第二銅層12Bで拡げてより効率的に熱を伝達し、パワーサイクル負荷時の初期の熱抵抗を低減することができるので、パワーサイクルに対する信頼性をより高くすることが可能である。また、銅板22Bを4.0mm以下とすることで、回路層12の剛性を低減させ、冷熱サイクル負荷時においてセラミックス基板11に割れが生じることを抑制できる。
さらに、銅板23Bの好ましい厚さは0.1mm以上4.0mm以下とされている。銅板23Bを0.1mm以上とすることで、銅板23Bが十分な剛性を有し、冷熱サイクルにおいてはんだ層32の変形を抑制することができる。また、銅板23Bを4.0mm以下とすることで、金属層13の剛性を低減させ、冷熱サイクル負荷時においてセラミックス基板11に割れが生じることを抑制できる。
上述のようなパワーモジュール用基板10、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板30を用いたヒートシンク付パワーモジュール1においては、半導体素子3から発生する熱を効率的に放散することができる。そして、半導体素子3の温度上昇を抑制して、所定の温度で半導体素子3を動作させることができ、動作の安定性を向上させることが可能となる。
また、本実施形態においては、第一アルミニウム層13A及び第一銅層13B、第二アルミニウム層12A及び第二銅層12Bが、固相拡散接合によって接合されているので、セラミックス基板11の一方の面側に形成された第二アルミニウム層12Aと第二銅層12Bとを有する回路層12と、セラミックス基板11の他方の面側に形成された第一アルミニウム層13Aと第一銅層13Bとを有する金属層13とを備えたパワーモジュール用基板10を得ることができる。
また、固相拡散接合は、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面に、第二アルミニウム層12A及び第一アルミニウム層13Aを形成し、第二アルミニウム層12Aの一方側に銅板22Bを配置し、第一アルミニウム層13Aの他方側に銅板23Bを配置した後に、第二アルミニウム層12Aと銅板22B、第一アルミニウム層13Aと銅板23Bに対して、3kgf/cm以上35kgf/cm以下の荷重が負荷された状態で、400℃以上548℃未満で保持する構成とされている。このような構成にすることによって、第二アルミニウム層12A及び銅板22B、第一アルミニウム層13A及び銅板23Bが十分に密着した状態で、Al原子とCu原子を相互に拡散させ、第二アルミニウム層12A及び銅板22B、第一アルミニウム層13A及び銅板23Bを固相拡散接合し、第二アルミニウム層12Aの一方側に第二銅層12Bを形成し、第一アルミニウム層13Aの他方側に第一銅層13Bを形成することができる。
固相拡散接合する際に第一アルミニウム層13A及び第一銅層13B、第二アルミニウム層12A及び第二銅層12Bに対して負荷される荷重が3kgf/cm以上の場合は、良好に固相拡散接合でき、第一アルミニウム層13A及び第一銅層13B、第二アルミニウム層12A及び第二銅層12Bとの間に隙間が生じることを抑制できる。また、35kgf/cm以下の場合には、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。したがって、固相拡散接合の際に負荷される荷重は、上記の範囲に設定されている。
固相拡散接合する際の温度が400℃以上の場合には、Al原子とCu原子との拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、548℃未満の場合には、AlとCuとの間で液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制できる。そのため、固相拡散接合の好ましい温度は、400℃以上548℃未満の範囲に設定されている。
また、固相拡散接合時におけるより望ましい加熱温度は、AlとCuの共晶温度−5℃以上、共晶温度(共晶温度含まず)未満の範囲とされている。このような温度範囲を選択したときには、液相が形成されずAlとCuの化合物が生成されないので、固相拡散接合の接合信頼性が良好となることに加えて、固相拡散接合の際の拡散速度が速く、比較的短時間で固相拡散接合できる。
また、固相拡散接合する際に、接合される面に傷がある場合、固相拡散接合時に隙間が生じる場合があるが、第一アルミニウム層13Aと銅板23B、第二アルミニウム層12Aと銅板22Bの接合される面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されているので、それぞれの接合界面に隙間が生じることを抑制して接合することが可能である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
なお、上記実施の形態においては、ヒートシンク(放熱板)が無酸素銅の銅板で構成されている場合について説明したが、タフピッチ銅などの純銅や銅合金で構成されていても良い。また、ヒートシンク(放熱板)は、AlやAl合金で構成されていても良く、この場合には、ヒートシンク(放熱板)にNiめっきを施した後に、ヒートシンク(放熱板)とパワーモジュール用基板をはんだによって接合することで良好にはんだ接合できる。
なお、上記の実施形態においては、第一アルミニウム層13Aと銅板23B、第二アルミニウム層12Aと銅板22Bを同時に固相拡散接合する場合について説明したが、別々に固相拡散接合する構成としても良い。
また、ヒートシンクの放熱板と冷却部とをネジで固定する場合について説明したが、放熱板と冷却部との接合方法に限定はなく、例えば固相拡散接合により接合する構成としても良い。
また、上記の実施形態では、純度99.99%の純アルミニウムの圧延板によって第一アルミニウム層と第二アルミニウム層が構成される場合について説明したが、これに限定されることはなく、純度99%のアルミニウム(2Nアルミニウム)やアルミニウム合金等であっても良い。
また、本実施形態ではヒートシンク40が放熱板31と冷却部41から構成され、パワーモジュール用基板10と放熱板31を接合する場合について説明したが、放熱板31を用いることなくパワーモジュール用基板10と冷却部41を接合してもよい。さらに、ヒートシンクはヒートパイプ等熱を放散させる種々の構成をとることができる。
さらに、セラミックス基板としてAlNからなるセラミックス基板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、SiやAl等からなるセラミックス基板を用いても良い。
また、上記の実施形態では、回路層が第二アルミニウム層と第二銅層とを有する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば第二アルミニウム層のみで回路層を構成したり、第二銅層のみで回路層を構成したりしても良い。
また、上記の実施形態のパワーモジュール用基板において、回路層12は、セラミックス基板11の一方の面に形成された第二アルミニウム層12Aと、この第二アルミニウム層12Aの一方側に銅板22Bが接合されてなる第二銅層12Bとを備える場合について説明したが、これに限定されるものではない。
例えば図7のパワーモジュール用基板110に示すように、回路層112が、セラミックス基板11の一方の面に形成された第二アルミニウム層112Aと、この第二アルミニウム層112Aの一方側に接合された第二銅層112Bとを備え、この第二銅層112Bは、半導体素子などが接合されるダイパッド152と、外部端子として用いられるリード部153とを有する銅板からなる構成とされても良い。このパワーモジュール用基板110では、ダイパッド152と第二アルミニウム層112Aとが固相拡散接合されている。ここで、第二アルミニウム層112Aの厚さは、0.1mm以上1.0mm以下とされていることが好ましい。また、第二銅層112Bの厚さは、0.1mm以上6.0mm以下とされていることが好ましい。
また、図7に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板130では、ヒートシンク140が、パワーモジュール用基板110の金属層13側に、はんだ層32を介して接合されている。
また、上記の実施形態では、アルミニウム層(第一アルミニウム層13A、第二アルミニウム層12A)と銅層(第一銅層13B、第二銅層12B)との接合界面には、金属間化合物層13C、12Cが形成され、この金属間化合物層13C、12Cは、アルミニウム層(第一アルミニウム層13A、第二アルミニウム層12A)側から銅層(第一銅層13B、第二銅層12B)側に向けて順に、θ相16a、16b、η2相17a、17b、ζ2相18a、18bが積層して構成されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。
具体的には、アルミニウム層(第一アルミニウム層、第二アルミニウム層)と銅層(第一銅層、第二銅層)との接合界面において、アルミニウム層(第一アルミニウム層、第二アルミニウム層)側から銅層(第一銅層、第二銅層)側に向けて順に、アルミニウムの比率が低くなるように複数のCu及びAlからなる金属間化合物が積層されていても良い。
また、図8、9に示すように、アルミニウム層(第一アルミニウム層213A、第二アルミニウム層212A)と銅層(第一銅層213B、第二銅層212B)との接合界面には、アルミニウム層(第一アルミニウム層213A、第二アルミニウム層212A)側から銅層(第一銅層213B、第二銅層212B)側に向けて順に、前述の接合界面に沿って、θ相216a、216b、η2相217a、217bが積層し、さらにζ2相218a、218b、δ相214a、214b、及びγ2相215a、215bのうち少なくとも一つの相が積層して構成されていても良い(図12)。
また、上記の実施形態では、金属間化合物層13C、12Cと銅層(第一銅層13B、第二銅層12B)との接合界面には、酸化物19a、19bが、接合界面に沿って層状に分散している場合について説明したが、例えば図10、11に示すように、金属間化合物層213C、212Cと銅層(第一銅層213B、第二銅層212B)との界面に沿って、酸化物219a、219bがζ2相218a、218b、δ相214a、214b、又はγ2相215a、215bの内部に層状に分散している構成とされても良い。なお、この酸化物219a、219bは、アルミナ(Al)等のアルミニウム酸化物とされている。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
以下のようにして、本発明例1〜6、比較例1、比較例2となるパワーモジュールを作製した。
本発明例1及び本発明例5については、AlNで構成されたセラミックス基板(厚さ:0.635mm)の一方の面にアルミニウム板(厚さ:0.4mm)をAl−Si系ろう材を介して接合し回路層を形成した。本発明例1では4N−Alのアルミニウム板を用い、本発明例2では2N−Alのアルミニウム板を用いた。次に、セラミックス基板の他方の面に4N−Alのアルミニウム板(厚さ:0.2mm)をAl−Si系ろう材を介して接合して第一アルミニウム層を形成した。さらに、Cu(無酸素銅)で構成された銅板を第一アルミニウム層に固相拡散接合し、金属層を形成した。このようにして得られたパワーモジュール用基板とヒートシンクをSn−Sbはんだによって接合した。なお、本発明例1はヒートシンクが無酸素銅から構成されており、本発明例5ではNiメッキを施したAl合金(A6063)から構成されたヒートシンクを用いた。そして、回路層と半導体素子をはんだによって接合し、本発明例1及び本発明例5となるヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
本発明例2〜4、本発明例6については、表1に示す材質のセラミックス基板(厚さ:0.635mm)の一方の面及び他方の面に、表1に示す材質のアルミニウム板(厚さ:0.2mm)をAl−Si系ろう材を介して接合し、第二アルミニウム層及び第一アルミニウム層を形成した。さらに、第二アルミニウム層及び第一アルミニウム層にCu(無酸素銅)で構成された銅板(厚さ:0.2mm)を固相拡散接合し、回路層及び金属層を形成した。このようにして得られたパワーモジュール用基板に、表1に示すヒートシンクをSn−Sbはんだによって接合し、回路層に半導体素子をはんだ接合し、本発明例2〜4及び本発明例6のヒートシンク付パワーモジュールを得た。なお、本発明例6については、Al合金(A6063)で構成されたヒートシンクに、Niめっきを施した後にパワーモジュール用基板とヒートシンクとをはんだ接合した。
なお、上記の固相拡散接合は、真空加熱炉内の圧力が、10−6Pa以上、10−3Pa以下の範囲内で行った。
比較例1については、AlNで構成されたセラミックス基板(厚さ:0.635mm)の一方の面及び他方の面に4N−Alで構成されたアルミニウム板(厚さ:0.4mm)をAl−Si系ろう材を介して接合し、回路層及び金属層が形成されたパワーモジュール用基板を作製した。パワーモジュール用基板に無酸素銅で構成されたヒートシンクをSn−Sbはんだによって接合した。そして、回路層と半導体素子をはんだによって接合し、比較例1となるヒートシンク付パワーモジュールを得た。
比較例2については、AlNで構成されたセラミックス基板(厚さ:0.635mm)の一方の面及び他方の面に無酸素銅で構成された銅板(厚さ:0.4mm)をAg−Cu−Ti系ろう材を用いた活性金属ろう付け法によって接合し、回路層及び金属層が形成されたパワーモジュール用基板を作製した。さらに、パワーモジュール用基板に無酸素銅で構成されたヒートシンクをSn−Sbはんだによって接合した。そして、回路層と半導体素子をはんだによって接合し、比較例2となるヒートシンク付パワーモジュールを得た。
なお、半導体素子は、IGBT素子とし、12.5mm×9.5mm、厚さ0.25mmのものを使用した。
得られたヒートシンク付パワーモジュールに対して、以下の評価試験を行った。
(冷熱サイクル試験)
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、パワーモジュールに対して、液相(フロリナート)で、−40℃×5分←→125℃×5分の3000サイクル実施した。
(接合率評価)
本発明例1〜6、比較例1、比較例2について、冷熱サイクル試験後のパワーモジュールに対し、セラミックス基板と金属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、以下の式から算出した。さらに、本発明例1及び本発明例2については、冷熱サイクル試験後のパワーモジュールに対して、セラミックス基板と回路層との界面の接合率を評価した。
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金属層の面積とした。また、セラミックス基板と回路層との界面の接合率を評価する際には回路層の面積を初期接合面積とした。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。なお、セラミックス基板、金属層、及びはんだ層にクラックが生じた場合、このクラックは超音波探傷像において白色部で示され、クラックも剥離面積として評価されることになる。
(接合率(%))={(初期接合面積)−(剥離面積)}/(初期接合面積)
(熱抵抗評価)
熱抵抗は、次のようにして測定した。半導体素子としてヒータチップを用い、100Wの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、ヒートシンクを流通する冷却媒体(エチレングリコール:水=9:1)の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とし、冷熱サイクル試験後の熱抵抗上昇率を求めた。
(パワーサイクル試験)
本発明例2、本発明例1については、パワーサイクル試験を行った。パワーサイクル試験として、冷却部(冷却器)中の冷却水温度、流量を一定とした状態で、IGBT素子への通電を、通電(ON)で素子表面温度140℃、非通電(OFF)で素子表面温度80℃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10万回繰り返すパワーサイクル試験を実施した。
このパワーサイクル試験前後における熱抵抗を測定し、熱抵抗の上昇率を求めた。
上記の評価結果を、表1、表2に示す。
表1に示すように、本発明例1〜6では、金属層が第一アルミニウム層と第一銅層とを有しているため、冷熱サイクル試験後のセラミックス基板と金属層の接合率及び金属層とはんだ層の接合率が良好であり、高い信頼性を有するパワーモジュールであることが確認できた。
一方、比較例1では、金属層が4N−Alのみで構成されているため、冷熱サイクル試験後のセラミックス基板と金属層の接合率は良好であるが、熱抵抗の上昇率が本発明例1〜6に比べ増大した。また、比較例2では、金属層が無酸素銅のみで構成されているため、冷熱サイクル試験後のセラミックス基板に割れが発生した。
また、表2に示すように、回路層が第二アルミニウム層と第二銅層とを有する本発明例2は、回路層が4N−Alのみで構成されている本発明例1と比較して、パワーサイクル後の熱抵上昇率を低くできることが確認された。
1 ヒートシンク付パワーモジュール
3 半導体素子
10、110 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
12、112 回路層
12A、112A 第二アルミニウム層
12B、112B 第二銅層
13 金属層
13A 第一アルミニウム層
13B 第一銅層
30、130 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
31 放熱板(ヒートシンク)
40、140 ヒートシンク
41 冷却部(ヒートシンク)

Claims (6)

  1. セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、
    前記金属層は、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第一アルミニウム層と、この第一アルミニウム層に固相拡散接合された第一銅層と、を有しており、
    前記第一アルミニウム層と前記第一銅層との界面には、金属間化合物層が形成されており、
    前記金属間化合物層は、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
  2. 前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第二アルミニウム層と、この第二アルミニウム層に固相拡散接合された第二銅層と、を有し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。
  3. 請求項1または請求項2に記載のパワーモジュール用基板と、ヒートシンクとを有し、
    前記第一銅層と前記ヒートシンクとが接合されてい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。
  4. 前記ヒートシンクがCuまたはCu合金で構成され、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとがはんだによって接合されていることを特徴とする請求項3に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  5. 前記ヒートシンクは、Niめっきが形成されたAlまたはAl合金で構成され、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとがはんだによって接合されていることを特徴とする請求項3に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  6. 請求項3から請求項5のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層の一方の面に接合された半導体素子と、を備えることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール。
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