JP6481409B2 - パワーモジュール用基板及びパワーモジュール - Google Patents

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パワーモジュールに関する。

従来のパワーモジュール用基板として、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からなる回路層が接合されるとともに、他方の面に放熱のためのアルミニウムからなる金属層が接合された構成のものが知られている。そして、このパワーモジュール用基板の金属層に、熱伝導性に優れたヒートシンクが接合され、回路層上にはんだ材を介してパワー素子等の半導体素子が搭載され、パワーモジュールが製造される。

また、このようなパワーモジュールにおいて、回路層上に搭載された半導体素子の固定及び良好な接合性を維持する目的で、エポキシ樹脂等からなる封止材を使用しモールド樹脂を成形することで、パワーモジュール用基板及び半導体素子を樹脂封止することがある。
ところが、モールド樹脂によりパワーモジュール用基板と半導体素子とを樹脂封止した場合においても、モールド樹脂と回路層との密着性が悪いと、モールド樹脂と回路層との界面に破断が生じ、半導体素子と回路層との間のはんだ層が破断することがある。

そこで、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されるように、半導体素子の周辺の回路層（電極）表面にディンプル加工を施すことにより、モールド樹脂の密着性の向上を図ることが行われている。

特開２００７‐３２９３６２号公報 特開２０１３‐３８２５９号公報

しかし、回路層表面へのディンプル加工は、ディンプル形成時に形状が潰れたり、ディンプルが形成されない等、手間がかかることが問題である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、容易に、モールド樹脂により封止されるパワーモジュール用基板の回路層とモールド樹脂との密着性を向上させることができ、半導体素子の良好な接合性を維持することができ、長期的に信頼性の高いパワーモジュール用基板及びそのパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することを目的とする。

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積層された回路層と他方の面に積層された放熱層とを備え、前記回路層表面上に搭載される半導体素子とともにモールド樹脂により封止されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層表面上にはんだ接合される前記半導体素子の搭載予定位置の直下を除く位置に多孔質金属層が接合されており、
前記多孔質金属層は、気孔率７０％以上９８％以下の多孔質に形成された発泡金属により形成され、かつ該多孔質金属層の空隙の開口径が０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。

回路層表面の半導体素子搭載予定位置に半導体素子が搭載された後に、パワーモジュール用基板と半導体素子とをモールド樹脂により樹脂封止をする際に、そのモールド樹脂が、回路層に積層された多孔質金属層の空隙に入り込む。したがって、モールド樹脂が剥がれにくくなり、半導体素子実装面である回路層とモールド樹脂との密着性を向上させることができる。
また、あらかじめ空隙が形成された多孔質金属層を用いることで、回路層にディンプル加工を施す工程が不要となり、工程の低減や歩留まりの向上を図ることができる。
さらに、多孔質金属層を半導体素子の搭載予定位置の直下を除く位置に設けることにより、放熱性能を良好に維持することができる。

本発明のパワーモジュールは、前記パワーモジュール用基板と、前記回路層の表面上に搭載された半導体素子とを備え、前記パワーモジュール用基板及び前記半導体素子がモールド樹脂により封止されている。

パワーモジュール用基板の回路層に積層された多孔質金属層により、パワーモジュールをモールド樹脂により封止する際に、モールド樹脂が多孔質金属層の空隙に食い込み、パワーモジュール用基板にモールド樹脂を強固に保持して、半導体素子の良好な接合性を維持することができる。

本発明によれば、あらかじめ空隙が形成された多孔質金属層を用いることにより、容易に、モールド樹脂により封止されるパワーモジュール用基板の回路層とモールド樹脂との密着性を向上させることができるので、半導体素子の良好な接合性を維持することができ、長期的に信頼性の高いパワーモジュール用基板及びそのパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することができる。

本発明のパワーモジュールの第１実施形態を示す断面図である。 第１実施形態に係る多孔質金属層及び半導体素子の位置を示す平面図である。 本発明のパワーモジュール用基板の第１実施形態の製造方法を工程毎に示す断面図である。 本発明の第２実施形態を示すパワーモジュールの断面図である。 本発明の第３実施形態を示すパワーモジュールの断面図である。 本発明の製造方法に用いる加圧装置の正面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示す第１実施形態のパワーモジュール用基板７０は、回路層１０と、絶縁層であるセラミックス基板２０と、放熱層３０と、回路層１０の表面の一部に積層された多孔質金属層４０とを備える。そして、このパワーモジュール用基板７０の回路層１０の表面に半導体素子５０が搭載され、半導体素子５０にはリードフレーム６０が接合され、さらに半導体素子５０とパワーモジュール用基板７０とリードフレーム６０とをエポキシ樹脂等からなるモールド樹脂８０により封止することで、パワーモジュール１００が構成される。また、パワーモジュール１００は、ヒートシンク１１０の上面に熱伝達グリス９０を介して接触させ、クランプ等により押し付けて使用する。

パワーモジュール用基板７０を構成するセラミックス基板２０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を用いることができ、厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。

回路層１０は、純アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板をセラミックス基板２０に接合することにより形成される。本実施形態においては、例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．１ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内に設定された金属板が用いられ、この金属板をセラミックス基板２０にろう付けすることにより形成されている。

放熱層３０は、セラミックス基板２０の回路層１０と反対面に接合された放熱層用第一金属層３１と、その放熱層用第一金属層１１のセラミックス基板２０とは反対面に接合された放熱層用第二金属層３２とを備える。放熱層用第一金属層３１及び放熱層用第二金属層３２を構成する金属板は、回路層１０と同様に、純アルミニウム又はアルミニウム合金とされる。

本実施形態において、放熱層用第一金属層３１を構成する金属板は、例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる厚さが０．１ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内に設定された金属板が用いられ、この金属板をセラミックス基板２０にろう付けすることにより放熱層用第一金属層３１が形成されている。
また、放熱層用第二金属層３２を構成する金属板は、例えば、Ａ３００３合金、Ａ６０６３合金等のアルミニウム合金からなり、厚さが２．０ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲内に設定された金属板が用いられ、この金属板を放熱層用金属層３１にろう付けすることにより放熱層用第二金属層３２が形成されている。この放熱層用第二金属層３２の面積は、図１及び図２に示す例では、放熱層用第一金属層３１の２倍以上となるように広く形成され、２枚の放熱層用第一金属層３１が並列に接合されている。

多孔質金属層４０は、多数の発泡孔により三次元網目構造をなす発泡金属により形成される。多孔質金属層４０には、例えば平均粒径０．５〜５μｍの銅、アルミニウム等の金属粉末、炭素数５〜８の非水溶性炭化水素系有機溶剤であるネオベンタン、ヘキサン、ヘプタン等の発泡剤、メチルセルロースやヒドロキシプロピルメチルセルロース等の樹脂バインダ、溶媒（水等）等を混合したスラリーをシート状に成形して乾燥させたものを焼結することにより、表面に開口した空隙を有する例えば気孔率７０％以上９８％以下の多孔質に形成された発泡金属を用いることができる。空隙の開口径としては、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内のものが好ましい。本実施形態においては、多孔質金属層４０は、例えばアルミニウム粉末を焼結して製造された厚み０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の発泡金属シートを、回路層１０にろう付けすることにより接合されている。

また、図１及び図２に示すように、多孔質金属層４０は、回路層１０の表面にはんだ接合される半導体素子５０の搭載予定位置の直下を除く位置に、接合される。本実施形態においては、多孔質金属層４０は枠状に形成され、半導体素子５０を取り囲むようにして、回路層１０の外周部表面に積層される。また、多孔質金属層４０は、枠状の一部が切欠かれた形状とされており、その切欠部４１により、回路層１０の表面にリードフレーム６０との接続部分が設けられている。

そして、このパワーモジュール用基板７０の回路層１０の表面に、半導体素子５０がはんだ付けされる。
なお、必要とされる機能に応じてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子５０が選択される。そして、半導体素子５０を接合するはんだ材は、例えばＳｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされる。

リードフレーム６０は、半導体素子５０にはんだ等を用いて接合されている。そして、パワーモジュール用基板７０及び半導体素子５０、リードフレーム６０が、エポキシ樹脂等からなるモールド樹脂８０により樹脂封止され、パワーモジュール１００が形成されている。

次に、このような構成のパワーモジュール用基板７０及びパワーモジュール１００を製造する方法について説明する。
このパワーモジュール用基板７０は、回路層１０及び放熱層３０を構成する金属板と、セラミックス基板２０と、多孔質金属層４０を構成する発泡金属シートとを用意して、セラミックス基板２０と回路層１０となる金属板及び放熱層用第一金属層３１となる金属板とを接合する第一接合工程、第一接合工程で得られた積層体Ｓ１に多孔質金属層４０となる発泡金属シート及び放熱層用第二金属層３２となる金属板を接合する第二接合工程を経て製造される。以下、これらの工程を説明する。

（第一接合工程）
図３（ａ）に示すように、セラミックス基板２０の一方の面にろう材１５を介して回路層１０となる金属板１０ａを積層し、さらに、他方の面にろう材１５を介して放熱層用第一金属層３１となる金属板３１ａを積層し、これらを一体に接合する。ろう材１５は、Ａｌ−Ｓｉ系等の合金で箔の形態で用いるとよい。
具体的には、セラミックス基板２０と回路層１０となる金属板１０ａ及び放熱層用第一金属層３１となる金属板３１ａとを、図３（ａ）に示すようにろう材１５を介して積層した積層体Ｓ１を図５に示す加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧した状態とする。

この加圧装置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とを備えている。

固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されており、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体Ｓ１が配置される。積層体Ｓ１の両面には加圧を均一にするためにクッションシート１１６が配設される。クッションシート１１６は、カーボンシートとグラファイトシートの積層板で形成されている。この加圧装置１１０により加圧した状態で、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設置し、真空雰囲気下で接合温度に加熱してセラミックス基板２０に回路層１０と放熱層用第一金属層３１とをろう付け接合する。この場合の加圧力としては例えば０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下、接合温度としては６１０℃以上６５０℃以下、加熱時間としては１分以上６０分以下とされる。

（第二接合工程）
図３（ｂ）に示すように、放熱層用第二金属層３２となる金属板３２ａの上面に、ろう材１８を介して第一接合工程で得られた積層体Ｓ１を２個並べ、その各々の積層体Ｓ１の放熱層用第一金属層３１とは反対側の面に、ろう材１８を介して多孔質金属層４０となる発泡金属シート４０ａをそれぞれ積層し、これらを一体に接合する。ろう材１８には、例えば、アルミニウム合金（Ａ３００３）からなる芯材の両面にＡｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系のろう材層が形成された両面ろうクラッド材を用いるとよく、この両面ろうクラッド材を用いたフラックスレスろう付け方法により、第一接合工程で得られた積層体Ｓ１と多孔質金属層４０及び放熱層用第二金属層３２とを接合する。
具体的には、これら放熱層用第二金属層３２と２個の積層体Ｓ１と多孔質金属層４０とを、ろう材１８を介して積層した積層体を図５に示す加圧装置１１０と同様の加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態とする。この場合の加圧力としては、例えば０．００１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下、接合温度としては５５９℃以上６２０℃以下とされ、不活性雰囲気下において加熱を行うことにより、第一接合工程で得られた積層体Ｓ１と多孔質金属層４０及び放熱層用第二金属層３２とを接合する。

このように製造されたパワーモジュール用基板７０には図１で示すように、回路層１０の上面に半導体素子５０が搭載され、半導体素子５０にはリードフレーム６０が接合される。
そして、図１に示すようにパワーモジュール用基板７０の放熱層３０下面と、リードフレーム６０の外部接続用端子部分６１とを除き、半導体素子３０とパワーモジュール基板７０とリードフレーム６０とをモールド樹脂８０により封止する。具体的には、例えばエポキシ樹脂等からなる封止材を用いてトランスファーモールディング方法によってモールド樹脂８０を形成し封止する。このようにしてパワーモジュール１００を製造する。

上記のようにして製造されるパワーモジュール１００は、回路層１０の表面の一部に、封止用のモールド樹脂８０が食い込み可能な空隙を有する多孔質金属層４０を積層していることから、パワーモジュール用基板７０と半導体素子５０とをモールド樹脂８０により樹脂封止をする際に、そのモールド樹脂８０が、回路層１０に積層された多孔質金属層４０の空隙に入り込む。これにより、モールド樹脂８０が回路層１０から剥がれにくくなり、半導体素子実装面である回路層１０とモールド樹脂７０との密着性を向上させることができる。
また、あらかじめ空隙が形成された多孔質金属層４０を用いることで、回路層１０にディンプル加工を施す工程が不要となり、工程の低減や歩留まりの向上を図ることができる。

また、多孔質金属層４０を半導体素子５０の搭載予定位置の直下を除く位置に設けることにより、放熱性能を良好に維持することができる。
なお、多孔質金属層４０は、気孔率が７０％以上９８％以下とされるものを用いることが望ましい。気孔率が７０％未満では、多孔質金属層４０の表面に露出する凹凸面が少なくなるので、モールド樹脂８０と回路層１０との十分な密着性を確保することが難しくなるおそれがある。一方で、気孔率が９８％を超える多孔質金属層４０は、形状を維持することが難しくなるおそれがある。また、多孔質金属層４０の厚みは、０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下とされるが、多孔質金属層４０の厚みが０．１ｍｍ未満では、多孔質金属層４０に対する空隙の気孔径が大きくなり、シート形状（平板形状）を維持することが難しくなるおそれがある。また、多孔質金属層４０の厚みが３ｍｍを超えると、リードフレーム６０の取り回しが困難になり、外部回路との接続が難しくなるおそれがある。

また、上記実施形態では、図１及び図３に示すように、回路層１０は一定の厚みに形成した平板状の金属板により構成し、多孔質金属層４０についても平板状の発泡金属シートにより構成したが、回路層１０及び多孔質金属層４０の形状はこれに限定されるものではない。
例えば、図４に示す第２実施形態のパワーモジュール用基板７０Ａのように、回路層１０Ａの表面外周部に段差部１６Ａを形成しておき、その段差部１６Ａに多孔質金属層４０Ａを接合することもできる。回路層１０Ａの段差部１６Ａは、プレス加工等により容易に加工することができる。

また、図５に示す第３実施形態のパワーモジュール用基板７０Ｂのように、回路層１０Ｂを、セラミックス基板２０に接合される回路層用第一金属層１１と、その回路層用第一金属層１１のセラミックス基板２０とは反対の面に接合される回路層用第二金属層１２との二層構造とすることもできる。この場合、回路層用第二金属層１２を、回路層用第一金属層１１よりも平面積を小さく形成して、回路層１０Ａの表面外周部に段差部１６Ｂを形成し、その段差部１６Ｂに多孔質金属層４０Ｂを接合する。
この回路層１０Ｂに使用する金属板は、例えば、回路層用第一金属層１１は純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）で、回路層用第二金属層１２は、Ａ３００３合金、Ａ６０６３合金等のアルミニウム合金等を用いることができる。また、多孔質金属層４０Ｂは、例えばアルミニウム粉末を焼結して製造された発泡金属シートを用いることができる。

そして、第一接合工程において、セラミックス基板２０と回路層用第一金属層１１及び放熱層用第一金属層３１とを接合した後、第二接合工程において、放熱層用第二金属層３２となる金属板の上面に、ろう材を介して第一接合工程で得られた積層体を２個並べ、その各々の積層体の放熱層用第一金属層３１とは反対側の面に、ろう材を介して多孔質金属層４０となる発泡金属シートと回路層用第二金属層１２をそれぞれ積層し、これらを一体に接合する。この場合のろう材には、例えば、アルミニウム合金（Ａ３００３）からなる芯材の両面にＡｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系のろう材層が形成された両面ろうクラッド材を用いるとよく、この両面ろうクラッド材を用いたフラックスレスろう付け方法により、第一接合工程で得られた積層体の回路層用第一金属層１１と多孔質金属層４０Ｂ及び回路層用第二金属層１２とを接合するとともに、積層体の放熱層用第一金属層３１と放熱層用第二金属層３２とを接合することにより、パワーモジュール用基板７０Ｂを製造できる。

なお、回路層１０Ｂに使用する回路層用第一金属層１１と回路層用第二金属層１２との組合せは、上記の組合せに限定するものでなく、以下の組合せとしてもよい。
例えば、回路層用第一金属層１１は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）で、回路層用第二金属層１２は純度９９．９６質量％以上の銅（無酸素銅）や純度９９．９０質量％以上の銅（タフピッチ銅）、三菱伸銅株式会社製のＺＣ合金（Ｃｕ９９．９８質量％−Ｚｒ０．０２質量％）等の金属板の組合せでもよい。この場合、回路層用第一金属層１１と回路層用第二金属層１２とは、固相拡散接合により接合可能である。具体的には、回路層用第一金属層１１となる金属板と回路層用第二金属層１２となる金属層とを積層し、加圧力としては、例えば、０．２９ＭＰａ以上３．４３ＭＰａ以下とし、加熱温度としては５００℃以上５４８℃未満とする。そして、この加圧及び加熱状態を５分以上２４０分以下の間で保持することにより、固相拡散接合することができる。

以上の各実施形態に示すように、多孔質金属層は、回路層の表面、すなわち回路層のセラミックス基板の接合面とは反対側の表面上に接合しておけばよい。このように、回路層の表面に多孔質金属層を接合しておくことにより、モールド樹脂による樹脂封止の際に、多孔質金属層の露出面からモールド樹脂が多孔質金属層の空隙に入り込み、半導体素子実装面である回路層とモールド樹脂との密着性を向上させることができる。

なお、上記の各実施形態では、多孔質金属層は、アルミニウム粉末を焼結して製造される発泡金属シートにより構成していたが、銅粉末を焼結して製造される発泡金属シートにより構成することもできる。
また、第１実施形態では、回路層１０に使用する金属板を、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）としていたが、純度９９．９６質量％以上の銅（無酸素銅）や純度９９．９０質量％以上の銅（タフピッチ銅）又は三菱伸銅株式会社製のＺＣ合金（Ｃｕ９９．９８質量％−Ｚｒ０．０２質量％）等の銅又は銅合金からなる金属板とすることも可能である。

さらに、回路層と多孔質金属層との接合を、アルミニウム合金（Ａ３００３）からなる芯材の両面にＡｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系のろう材層が形成された両面ろうクラッド材を用いたフラックスレスろう付け方法により行うこととしていたが、上記フラックスレスろう付け方法以外にも、Ａｌ−Ｓｉ系等の合金からなるろう材によりろう付けにより接合することもできる。また、ろう材面にフッ化物系のフラックスを塗布して、非酸化性雰囲気中で加熱を行うフラックスろう付け方法により接合することもできる。この場合、フラックスには、ＫＡｌＦ_４，Ｋ_２ＡｌＦ_５，Ｋ_３ＡｌＦ_６等が用いられ、これらのフラックスが回路層表面や多孔質金属層表面の酸化物を除去する働きをする。

そして、上記の各実施形態においては、第一接合工程によりセラミックス基板と回路層とを接合した後に、第二接合工程において回路層と多孔質金属層との接合を行うこととしていたが、これに限定されるものではない。セラミックス基板と回路層、回路層と多孔質金属を、それぞれろう材を介して積層した積層体を構成することにより、これらセラミックス基板、回路層及び多孔質金属層を一度にろう付けすることとしてもよい。

なお、本発明は、上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、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。

１０，１０Ａ，１０Ｂ…回路層
１１…回路層用第一金属層
１２…回路層用第二金属層
１５，１８…ろう材
１６Ａ，１６Ｂ…段差部
２０…セラミックス基板
３０…放熱層
３１…放熱層用第一金属層
３２…放熱層用第二金属層
４０，４０Ａ，４０Ｂ…多孔質金属層
５０…半導体素子
６０…リードフレーム
７０，７０Ａ，７０Ｂ…パワーモジュール用基板
８０…モールド樹脂
１００…パワーモジュール
１１０…加圧装置

Claims (2)

1. セラミックス基板の一方の面に積層された回路層と他方の面に積層された放熱層とを備え、前記回路層表面上に搭載される半導体素子とともにモールド樹脂により封止されるパワーモジュール用基板であって、
   前記回路層表面上にはんだ接合される前記半導体素子の搭載予定位置の直下を除く位置に多孔質金属層が接合されており、
   前記多孔質金属層は、気孔率７０％以上９８％以下の多孔質に形成された発泡金属により形成され、かつ該多孔質金属層の空隙の開口径が０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であるパワーモジュール用基板。
2. 請求項１に記載の前記パワーモジュール用基板と、前記回路層の表面上に搭載された半導体素子とを備え、前記パワーモジュール用基板及び前記半導体素子がモールド樹脂により封止されているパワーモジュール。

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