JP6323103B2

JP6323103B2 - 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用基板

Info

Publication number: JP6323103B2
Application number: JP2014060679A
Authority: JP
Inventors: 丈嗣北原; 加藤　浩和; 浩和加藤
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2034-03-24
Also published as: JP2015185679A

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用基板に関する。

従来のパワーモジュール用基板として、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されているように、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板等の回路板（回路層）が接合されるとともに、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板等の金属板（金属層）が接合された構成のものが知られている。そして、この金属層に、アルミニウム合金や銅合金製の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が製造されている。

このように構成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、特許文献１に示されるように金属板の純度を９８．００％以上９９．９０％以下に形成することや、特許文献２に示されるように金属層においてセラミックス板とのろう付け面と反対の表面側のＦｅ濃度を０．１ｗｔ％以上とすることで、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとの接合信頼性を高めることができる。

特開２００７‐８１２０２号公報特開２００８‐１０８９９３号公報

ところが、特許文献１及び特許文献２に示されるように、セラミックス基板に比較的純度の低いアルミニウムやＦｅを含有するアルミニウムを接合して金属層を形成すると、セラミックス基板と接合される面とは反対の面側の金属層表面に変質（染み出し）が生じることがある。このような表面の変質（染み出し）があると、セラミックス基板と金属層の接合界面にボイドが発生し、セラミックス基板と金属層の接合信頼性が低下するおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、接合信頼性に優れた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用基板を提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意検討した結果、次のようなことが確認された。Ａｌ母材中にＦｅが０．１質量％を超えて含有されると、セラミックス基板と金属層とのろう付けによってろう材中のＳｉが金属層に拡散することにより、金属層を構成するアルミニウム合金中に析出するＡｌ‐Ｆｅ系の析出物とＳｉとが反応し、金属層を部分的に溶融させる。この部分的な溶融が金属層の表面（セラミックス基板と反対側の面）に達すると、表面の変質（染み出し）となることが確認された。そして、このような表面の変質（染み出し）が生じると、セラミックス基板と金属層の接合界面のボイドが増加することが確認された。また、ボイドが増加することにより、セラミックス基板と金属層の接合信頼性が低下する。このような表面の変質（染み出し）やボイドは、金属層の厚みが薄い、特に厚み０．４ｍｍ未満の場合に、より顕著に発生する。
そこで、本発明のパワーモジュール用基板においては、以下の構成により問題を解決した。

本発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が設けられ、他方の面にアルミニウムからなる金属層がろう付け接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属層は、Ａｌが９７質量％以上９９．９５質量％以下、Ｆｅが０．１質量％以上０．５質量％以下、Ｍｎが０．０５質量％以上０．３質量％以下または１．８質量％以上１．９質量％以下とされるとともに、Ｆｅに対するＭｎの割合Ｍｎ／Ｆｅが０．５以上１９．０以下の範囲で含有される、厚み０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ未満のアルミニウム合金により形成されていることを特徴とする。

この場合、Ｆｅを含有することにより、剛性を高めることができる。その一方で、Ｍｎを含むことにより、Ｆｅを含有することで引き起こされるろう材による金属層の部分的な溶融を抑制することができるとともに、ボイドの発生を防ぐことができる。つまり、金属層を構成するアルミニウム合金中に含まれるＡｌ‐Ｆｅ‐Ｍｎの析出物にＳｉが取り込まれることで、Ｓｉの過剰な拡散を抑えて金属層の部分的な溶融を防止することができる。したがって、金属層の厚みが０．４ｍｍ未満と薄くした場合でも、ボイドの増加を防ぎ、セラミックス基板と金属層の接合信頼性が優れたパワーモジュール用基板を形成することが可能となる。
また、Ｆｅが０．５質量％、又はＭｎが１．９質量％を超えて含有される場合は、金属層の剛性が高くなり、冷熱サイクル時にセラミックス基板の割れを生じるおそれがある。なお、Ｆｅが０．１質量％未満の含有量では、ろう付けによる部分的な溶融は発生しないが、金属層の剛性が低くなることで金属層の変形抵抗が低くなり、ヒートシンクをはんだによって接合した場合、冷熱サイクル時にはんだ層にクラックが生じる。また、Ｆｅに対するＭｎの含有量が少ない場合には、ろう付けによるＳｉの拡散を抑制することができずに、金属層に部分的な溶融を発生させるおそれがある。このため、Ｆｅに対するＭｎの割合Ｆｅ／Ｍｎは、０．５以上１９．０以下とされる。
また、金属層の厚みが０．１ｍｍ未満だと、ヒートシンクをはんだ付けした場合、冷熱サイクルを付加すると、金属層での熱応力の緩衝効果が得られないため、はんだ層にクラックが生じる。

本発明は、前記パワーモジュール用基板の前記金属層にヒートシンクがはんだ付けされたヒートシンク付パワーモジュール用基板である。
金属層の厚みを０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ未満として薄く設けた場合であっても、パワーモジュール用基板とヒートシンクとのはんだ付け時の接合性を損なうことなく、良好な接合信頼性を維持することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成することができる。

本発明によれば、金属層の厚みを薄くしてもセラミックス基板と金属層との接合信頼性が優れた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用基板を形成することができる。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。パワーモジュール用基板の製造方法を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、ヒートシンク付パワーモジュール用基板５０は、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０とを備え、このヒートシンク付パワーモジュール用基板５０の表面に半導体チップ等の電子部品３０が搭載されることにより、パワーモジュール１００が製造される。

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に積層された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に積層された金属層１３とを備える。そして、このパワーモジュール用基板１０の回路層１２の表面に電子部品３０がはんだ付けされ、金属層１３の表面にヒートシンク２０がはんだ付けされる。

セラミックス基板１１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成され、本実施形態ではＡｌＮを用いた。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。

回路層１２には、純度９９質量％以上で、厚みを０．２ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とするアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では１０００番台のアルミニウム、特に１Ｎ９０（純度９９．９質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。また、回路層１２には、アルミニウム以外にもアルミニウム合金や、銅又は銅合金を用いることもできる。本実施形態においては、回路層１２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とされ、その厚みは０．４ｍｍとされている。

また、金属層１３は、Ａｌが９７質量％以上９９．９５質量％以下、Ｆｅが０．１質量％以上１．０質量％以下、Ｍｎが２．０質量％以下とされるとともに、Ｆｅに対するＭｎの割合Ｍｎ／Ｆｅが０．５以上２０以下の範囲で含有される、厚み０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ未満のアルミニウム合金により形成される。

そして、これら回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１とは、Ａｌ‐Ｓｉ系合金のろう材によりろう付けにより接合される。

なお、パワーモジュール１００を構成する電子部品３０は、回路層１２の表面に形成されたＮｉめっき（不図示）上に、Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系、Ｚｎ‐Ａｌ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｓｂ系もしくはＰｂ‐Ｓｎ系等のはんだ材を用いて接合される。図１中の符号３１が、そのはんだ接合層を示す。また、電子部品３０と回路層１２の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ（不図示）により接続される。

また、パワーモジュール用基板１０に接合されるヒートシンク２０としては、板状の放熱板、内部に冷媒が流通する冷却器、フィンが形成された冷液・空冷放熱器、ヒートパイプなど、熱の放散によって温度を下げることを目的とした金属部品が含まれる。ヒートシンク２０は、アルミニウムやアルミニウム合金、純銅や銅合金、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の多孔体にアルミニウム又はアルミニウム合金を含浸して形成されたＡｌＳｉＣ系複合材料などによって構成される。本実施形態では、ヒートシンク２０は無酸素銅により形成された板状の放熱板とされ、このヒートシンク２０と金属層１３とは、Ｓｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ‐Ｓｂ系等の無鉛系のはんだ材を用いて接合される。そして、図１中の符号２１が、ヒートシンク２０と金属層１３とのはんだ接合層を示す。

次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１の製造方法を説明する。
まず、図２に示すように、回路層１２として４Ｎ‐Ａｌからなるアルミニウム圧延板、金属層１３として３００３系アルミニウム合金のアルミニウム圧延板を準備する。３００３系アルミニウム合金のアルミニウム圧延板には、Ａｌが９７質量％以上９９．９５質量％以下、Ｆｅが０．１質量％以上１．０質量％以下、Ｍｎが２．０質量％以下とされるとともに、Ｆｅに対するＭｎの割合Ｍｎ／Ｆｅが０．５以上２０以下の範囲で含有されている。そして、これらのアルミニウム圧延板を、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面にそれぞれＡｌ‐Ｓｉ系のろう材箔１４を介して積層し、その積層方向に０．２ＭＰａ〜０．６ＭＰａで加圧した状態で、６００℃〜６５５℃のろう付け温度で加熱することによって、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面にアルミニウム圧延板が接合されたパワーモジュール用基板１０を製造する。

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を、Ｓｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ‐Ｓｂ系等の無鉛系のはんだ材を用いて、３００℃〜３５０℃の加熱温度でヒートシンク２０に接合することにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板５０を製造することができる。

このようにして製造される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５０においては、金属層１３の厚みを０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ未満として薄く設けた場合であっても、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０とのはんだ付け時の接合性を損なうことなく、良好な接合信頼性を維持することができる。

このように、金属層１３にＦｅを含有することにより、剛性を高めることができ、その一方で、Ｍｎを含むことにより、Ｆｅを含有することで引き起こされるろう材による金属層１３の部分的な溶融を抑制することができるとともに、ボイドの発生を防ぐことができる。つまり、金属層１３を構成するアルミニウム合金中に含まれるＡｌ‐Ｆｅ‐Ｍｎの析出物に、ろう材のＳｉが取り込まれることで、Ｓｉの過剰な拡散を抑えて金属層１３の部分的な溶融を防止することができる。
したがって、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との間の熱抵抗を低減させることができ、熱サイクル負荷による接合信頼性を良好に維持することができる。

なお、Ｆｅが１．０質量％、又はＭｎが２．０質量％を超えて含有される場合は、金属層１３の剛性が高くなり、冷熱サイクル時にセラミックス基板１１の割れを生じるおそれがある。また、Ｆｅが０．１質量％未満の含有量では、ろう付けによる部分的な溶融は発生しないが、金属層１３の剛性が低くなることで金属層１３の変形抵抗が低くなり、ヒートシンク２０をはんだによって接合した場合、冷熱サイクル時にはんだ層にクラックが生じる。また、Ｆｅに対するＭｎの含有量が少ない場合には、ろう付けによるＳｉの拡散を抑制することができずに、金属層１３に部分的な溶融を発生させるおそれがある。このため、Ｆｅに対するＭｎの割合Ｆｅ／Ｍｎは、０．５以上２０以下とされる。

次に、本発明の効果を確認するために行った本発明例及び比較例について説明する。
本発明例及び比較例として、厚み０．４ｍｍの４Ｎ‐Ａｌからなる回路層１２と、表１に示す組成の元素（Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｕ）を含有するアルミニウム又はアルミニウム合金により、表１の厚みｔに形成された金属層１３とを、厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板に、厚み２５μｍのＡｌ‐Ｓｉ系のろう材箔１４により接合したパワーモジュール用基板１０の試料を作製した。なお、回路層１２及び金属層１３の平面サイズは３７ｍｍ×３７ｍｍとし、セラミックス基板１１の平面サイズは４０ｍｍ×４０ｍｍとした。
また、各パワーモジュール用基板１０の金属層１３に、ヒートシンク２０として厚み３ｍｍの無酸素銅からなる放熱板を４００μｍ厚のＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ‐Ｓｂ系はんだ材によりはんだ付けして、ヒートシンク付パワーモジュール用基板５０の試料を作製した。なお、放熱板の平面サイズは、７０ｍｍ×７０ｍｍとした。

そして、これらのヒートシンク付パワーモジュール用基板５０の試料について、パワーモジュール用基板の製造時のろう付け時に生じる「セラミックス基板‐金属層界面のボイド」と、パワーモジュール用基板とヒートシンクとのはんだ接合後の冷熱サイクル時に生じる「セラミックス基板割れ」及び「はんだクラック」について評価した。

「セラミックス基板‐金属層界面のボイド」の評価は、まず、超音波探傷装置により、金属層１３とセラミックス基板１１の接合界面の測定を行い、以下の式からボイド率を算出した。
ここで、超音波探傷像においてボイドは白色部で示されることから、この白色部の面積をボイド面積とした。
ボイド率（％）＝｛（ボイド面積）／（金属層面積）｝×１００そして、ボイド率が３％未満の良好な結果が得られたものを「○」、ボイド率が３％以上とされたものを「×」として評価した。

「セラミックス基板割れ」の評価は、冷熱サイクル試験を実施した後にセラミックス基板１１の割れやクラックの発生の有無を確認した。
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、液相（フロリナート）で−４０℃×５分←→１２５℃×５分を１０００サイクル実施した。そして、セラミックス基板１１の割れやクラックの発生の有無は、超音波探傷装置により回路層１２とセラミックス基板１１の接合界面を測定することで評価した。セラミックス基板１１に割れやクラックが確認されずに良好な結果が得られたものを「○」と評価し、割れ等が確認されたものを「×」と評価した。

「はんだクラック」の評価は、超音波探傷装置により、金属層１３とヒートシンク２０のはんだ界面の測定を行い、以下の式からクラック進展率を算出した。
ここで、超音波探傷像においてはんだクラックは白色部で示されることから、この白色部の面積をクラック面積とした。
クラック進展率（％）＝｛（クラック面積）／（金属層面積）｝×１００
そして、クラック進展率を１０％未満とする良好な結果が得られたものを「○」、クラック進展率が１０％以上のものを「×」として評価した。
表１に、各試料の評価結果を示す。

表１からわかるように、Ａｌが９７質量％以上９９．９５質量％以下、Ｆｅが０．５質量％以下、Ｍｎが０．０５質量％以上０．３質量％以下または１．８質量%以上１．９質量％以下とされるとともに、Ｆｅに対するＭｎの割合Ｍｎ／Ｆｅが０．５以上１９．０以下の範囲で含有される金属層を用いて作製された本発明例１〜５の試料においては、「セラミックス基板‐金属層界面のボイド」、「セラミックス基板割れ」及び「はんだクラック」の評価において、良好な結果が得られた。

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。

１０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
１４ろう材箔
２０ヒートシンク
２１はんだ接合層
３０電子部品
３１はんだ接合層
５０ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１００パワーモジュール

Claims

セラミックス基板の一方の面に回路層が設けられ、他方の面にアルミニウムからなる金属層がろう付け接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属層は、Ａｌが９７質量％以上９９．９５質量％以下、Ｆｅが０．１質量％以上０．５質量％以下、Ｍｎが０．０５質量％以上０．３質量％以下または１．８質量％以上１．９質量％以下とされるとともに、Ｆｅに対するＭｎの割合Ｍｎ／Ｆｅが０．５以上１９．０以下の範囲で含有される、厚み０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ未満のアルミニウム合金により形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
請求項１記載の前記パワーモジュール用基板の前記金属層にヒートシンクがはんだ付けされてな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。