JPS60177634A - パワ−半導体モジユ−ル基板の製造方法 - Google Patents

パワ−半導体モジユ−ル基板の製造方法

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明はパワー半導体モジュール基板の製造方法の改良
に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
近年、パワー半導体素子に対する高密度集積化、ハイブ
リッド化、更には大電流の制御など、種々の要求が高ま
っている。こうした要求を達成しようとすると、半導体
素子より発生する多量の熱が問題となる。このため1発
生する多量の熱を放出して半導体素子の温度上昇を防ぐ
必要がある。
このようなことから、従来、放熱基板を用いた第1図に
示すパワー半導体モジュールが多用されている。即ち第
1図中の1はCu等からなるヒートシンクであシ、この
ヒートシンクl上には後記熱拡散板との絶縁を図るため
のAt、O,からなる第1絶縁板z1が半田層3を介し
て接合されている。
この絶縁板2m上には熱拡散板4が半田層3を介して接
合されている。また、この熱拡散板4上には実装すべき
半導体素子5との絶縁を図るためのA L mOsから
なる第2絶縁板ムが半田層3を介して接合されている。
そして、これら絶縁板Z2上には半導体素子5が半田層
3を介して夫々接合されている。なお、図中の6は第1
.第2の絶縁板Z1+Z、と半田層3の間に形成された
接合層である。
しかしながら、従来のパワー半導体モジュールに用いら
れる放熱基板は同第1図に示す如く非常に複雑となる欠
点があった。これは第1.第2の絶縁板Zt 、 Z意
を構成するA A意Osは耐電圧が100k V /a
mと良好であるものの、熱伝導率が20W/m・℃ と
低いために、放熱と絶縁の両機能をCuとAt2ONの
両材料を用いて満足させる必要があるからである。
一方、最近窒化アルミニウム(AtN)は耐電圧(14
0170kV/6n)と熱伝導率(6QW/m−℃)が
共に優れていることに着目し、これをCu部材に接合し
てモジュール基板を造ることが試みられている。しかし
ながら、AtN はろう材に対する濡れ性が劣るため、
銀ろう材等でA4N部材とCu部材を接合しようとして
も充分な接合強度を得ることはほとんど困難であった。
またTi 及びZrのような活性金属を用いた接合によ
シ強固に接合されてなるパワー半導体モジュール基板が
知られている。このようなパワー半導体モジュール基板
においてはAtNとCuの熱膨張係数(Cu:17xl
O/C,AtN:4xlO/l)が大きく異なるため、
都合部の温度上昇や下降に伴い接合部に大きな応力が生
じる。しかるに接合部に活性金属とCuの合金層が厚く
存在すると、これらの合金は硬く変形しにくいため、応
力の緩和作用が小さく、AtN部材に応力が加わってク
ラックが発生する問題点があるのみならず接合部の合金
層が加熱溶融時に外部まではみだし広がり、そのためC
u部材間の絶縁性を低下させ、半導体モジュール基板と
しての機能を損なうことにガる問題があった。
〔発明の目的〕
本発明は前記問題点を解決した簡素化された構造で、か
つ良好な絶縁耐圧を有することはもとよシ放熱特性の優
れたパワー半導体モジュール基板の製造方法を提供しよ
うとするものである。
〔発明の概要〕
本発明者らは、電気絶縁性及び熱伝導性が優れているも
のの、ろう材等との濡れ性の悪いkLNに対する接合法
について鋭意研究を重ねだ結果、パワー半導体モジュー
ル基板に適した製造方法として、厚さ0.5μmから1
0μmのTi層をAtN部材とCu部材の間に介在させ
、加熱溶融することKよシ、良好な濡れ性を有し、さら
に溶融材が接合外部まではみ出し広がらないことを究明
し、該接合材を用いてAtN部材とCu部材を接合する
ことによって、接合強度が高く、既述の如く簡素化され
た構造で放熱特性の優れたパワー半導体モジュール基板
の製造方法を見い出した。
即ち、本発明のパワー半導体モジュール基板の製造方法
はAtN部材とCu部材とを厚さ0.5μmから10μ
mのTi層を用いて接合してなるものである。
次に本発明のパワー半導体モジュール基板の製造方法を
説明する。まず、AtN部材とCu部材の接合部に厚さ
0.5μmから10μmのTi 層を介在させる。この
工程において、Ti層を接合部に介在させる手法として
は、Ti の金属箔を用いて介在させる方法、或はT1
をスパッタリング法、蒸着法、めっき法等によj5 A
tN部材又はCu部材に堆積して介在させる方法を採用
し得る。
Ti層が0.5μm未満であるとAtN部材とCu部材
の高い接合強度が得られず、また10μmを超えると加
熱溶融時に溶融材が接合部、外部まではみ出し広がシ、
半導体モジュール基板としての機能全損なうことになる
スパッタリング法、蒸着法等によるTIの堆積は、At
N部材、Cu部材いずれに行なって−も良いがCu部材
堆積する方法が、工程上容易であり、かつ安定した接合
材を得ることができる。
次いで、AtN部材とCu部材の接合部を真空雰囲気或
いは不活性雰囲気中にて加熱する。この工程において、
基本的には圧力を加えなくともよいが、必要に応じて0
〜l #/rrrr?の低圧を加えて加熱してもよい。
加熱温度はCu部材の融点より低いことが必要である。
具体的には、880〜1082℃の範囲で加熱すればよ
い。こうしだ熱処理によりAtN部材とCu部材の間に
、Ti−Cuの合金融液が生成され、この後冷却するこ
とによりAtN部材とCu部材とが強固に接合され、さ
らにTi−Cu合金融液が接合部外部まではみ出し広が
ることなく、接合されたパワー半導体モジュール基板が
得られる。
なお、上記加熱工程において、更に加熱を続行して合金
融液をCu部材に拡散させてもよい。このような方法を
行なうことによって、熱衝撃によるAtN部材のクラッ
ク発生を防止したパワー半導体モジュール基板を得るこ
とが出来る。即ち、CuとAtNとは熱膨張係数(cu
:17x1o /’c 。
AzN:4x10 /℃)が大きく異なるため、接合部
の温度が上昇したシ、下降したシすると、その接合部に
大きな応力が生じる。この場合、Cuはその硬度が低く
、柔かいため前記応力によシ容易に変形して応力を緩和
し易い。これに対しT i −Cu合金層は、Cuに比
較し硬く、変形し難いため接合部に合金層が厚く存在す
ると、応力の緩和作用が小さく、AtN部材に応力が加
わってクラックが発生するものと考える。このようなこ
とから、接合層の厚さを著しく薄くするか或いはほとん
ど存在しない状態にすることによって、AtNの熱衝撃
によるクラック発生を防止することが出来る。すなわち
1本発明による厚さ0.5〜10μmのTi層を用いる
とと′によシ、著しく薄い接合層が得ることができ、さ
らに既述の如く接合部の合金をCu部材に拡散してその
合金層の厚さをほとんど存在しない状態にすることが、
比較的短時間の拡散処理で容易に行なえる。
なお、本発明のパワー半導体モジュール基板を得るため
の製造方法を用いるならば、他の高熱伝導性セラミック
ス材料、例えば炭化珪素(8iC)とCuとの接合でも
強固でかつ良好な接合材を得ることができる。
〔発明の効果〕
以上詳述した如く本発明方法によれば簡素化された構造
で、良好な絶縁耐圧を有することは、もとよシ放熱特性
の優れたパワー半導体モジュール基板を提供できる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の実施例と図面を参照して説明する。
実施例1 まず蒸着法にてTi を1μm堆積した複数枚のCu板
12と、絶縁板、放熱板及びシートシンクを兼ねたAt
N板とをトリクレン及びアセトンで洗浄して脱脂した後
、蒸着面を接合面として。
2X10 torrの真空度に保持したホットプレス中
にセットした。つづいて、AtN板11と複数枚のCu
板12間に上下方向からQ、l kg/rrrr! の
圧力を加え、高周波加熱によシ接合部を990℃に1゜
分間保持しTi−Cu合金融液を生成した。加熱後アル
ゴンガス雰囲気中で冷却して第2図に示す如(AtN板
11にCu12をTi−Cuの合金層13を介して接合
した構造のパワー半導体モジュール基板14を得た。
得られたモジュール基板14はAtN板11とCu板1
2とが合金層13によシ強固に接合されかつ、合金層が
接合部よシ、はみ出し広がっていないものであった。
また前記モジュール基板14のCu板12に第3図に示
す如く半導体素子15をPb−8n系半田16を介して
実装したところ、半導体素子15からの多量を熱をCu
板12及びAtN板11よシ良好に放出できるパワー半
導体モジュールを得ることができた。
実施例2 まず、複数板のCu板及びCu製熱拡散板17の接合面
に蒸着法によって、Tj を1μm堆積した後、 At
N板と共にトリクレン及びアセトンで脱脂し、2xlO
torrの真空度に保持したホットプレス中にセットし
た。ひきつづき上方のCu板12と下方の熱拡散板17
の間に上下方向から0.1 kf/−の圧力を加え、高
周波加熱によりAtN板1とCu板12及びAtN板1
と熱拡散板17の接合部を990℃に10分間保持し、
Ti−Cu合金融液を生成しこの後アルゴンガス雰囲気
中で冷却してAAN板11の上面にCu板12をAtN
板11の下面に熱拡散板17を、夫々Ti−Cu合金層
13’を介して接合した。次いで熱拡散板17の下面に
Cu製ヒートシンク18をPd−8n系半田16を介し
て接合し、第4図に示すパワー半導体モジュール基板1
41を製造した。
得られたモジュール基板141はAtN板11とCu板
12及びA4N板11と熱拡散板17が夫々合金層13
1によシ強固に接合され、また合金層131の接合部外
へのはみだし広がシのないものであった。
また、前記牟ジュール基板141のCu板12に第5図
に示す如く半導体素子15をPd=Sn系半田16を介
して実装したところ半導体素子15からの多量の熱をC
u板12、AtN板11、熱拡散板17及びヒートシン
ク18よシ良好に放出できるパワー半導体モジューνを
得ることができた。
実施例3 まず、蒸着法にてTi を2μm堆積したAtN板と、
複数枚のCu板とをトリクレン及びアセトンで、洗浄し
て脱脂した後、蒸着面を接合面として2X10 tor
rの真空度に保持したホットプレス中にセットした。つ
づいてAtN板と複数枚のCu板間に上下方向から、0
.01 H/rrrr!の圧力を加え、高周波加熱によ
シ接合部を990℃に10分間保持しTi−Cuの合金
融液を生成した。加熱後アルゴン雰囲気中で冷却して、
AAN板にCu板をTi−Cu合金層を介して接合した
構造のパワー半導体モジュール基板を得た。
得られたモジュール基板はAtN板とCu板とが合金層
によシ強固に接合され、かつ合金層が接合部よシはみ出
し広がっていないものであった。
また前記モジュール基板のCu板に、半導体素子をPb
−8n系半田を介して実装したところ半導体素子からの
多量の熱をCu板及びAtN板より良好に放出できるパ
ワー半導体モジュールを得ることができた。
モジニールを示す断面図、第2図は本発明の実施例1に
おけるパワー半導体モジュール基板を示す断面図、第3
図は第2図のモジュール基板に半導体素子を実装したパ
ワー半導体モジュールの断面図、第4図は本発明例3に
おけるパワー半導体モジュール基板を示す断面図、第5
図は第4図のモジュール基板に半導体素子を実装したパ
ワー半導体モジュールの断面部である。
11−AtN板、12−Cu 板、13 、13’ ・
・・合金層、14.14!・・・パワー半導体モジュー
ル基板。
15・・・半導体素子、16・・・半田、17・・・熱
拡散板、18・・・ヒートシンク。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 窒化アルミニウム(AtN)部材と銅(Cu)部材との
    間に、厚さ0.5μm から10′μmのチタン(Ti
    )層を介在せしめ、加熱によシ前記窒化アルミニウム(
    AtN)部材と銅(Cu)部材とを接合する事を特徴と
    したパワー半導体モジュール基板の製造方法。
JP3262784A 1984-02-24 1984-02-24 パワー半導体モジユール基板の製造方法 Expired - Fee Related JPH0697671B2 (ja)

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