JPWO2005032225A1 - セラミック回路基板、その製造方法およびパワーモジュール - Google Patents
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Abstract
Description
上記のような接合方法を用いて形成されたセラミックス材と金属材との接合体は、様々な分野に用いられており、その代表例として半導体素子等を搭載接合するセラミックス回路基板が挙げられる。このセラミックス回路基板に要求される特性としては、放熱性が良好であること、セラミックス回路基板全体としての構造強度が高いこと、セラミックス基板と金属回路板との接合強度が高いこと、回路基板としての耐熱サイクル特性が良好であることなどが挙げられる。
また、セラミックス回路基板を構成するセラミックス基板としては、従来から窒化アルミニウム(AlN)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)などの焼結体が使用されている。
例えば、窒化アルミニウム基板は熱伝導率が160W/m・K以上であり、他のセラミックス基板と比べて高い熱伝導率を具備していることから特に放熱性に優れている。また、窒化珪素基板は三点曲げ強度(室温)が600MPa以上であるため、セラミックス基板構成材として使用した場合には回路基板の強度を向上させることができる。それに対し、酸化アルミニウム基板は熱伝導率が20W/m・K程度であり、また三点曲げ強度も360MPa程度である。そのため、特に高い放熱性や構造強度を得るためには、酸化物系セラミックス基板より窒化物系セラミックス基板を使用する方が回路基板としては好ましいと言える。
一方、セラミックス基板と金属回路板との接合強度に着目すると前述の接合方法の中では活性金属法が好ましい。活性金属法は、Ti,Hf,Zr,Nb等の活性金属の少なくとも1種を含む金属箔、またはこれら活性金属をAg−Cuろう材に添加したペーストをセラミックス基板と金属回路板との間に塗布した後に、熱処理することにより両部材を一体に接合する方法である。窒化物系セラミックス基板を用いた活性金属法による接合を行う場合には、熱処理後に前記活性金属の窒化物から成る接合層が形成され、より強固な接合状態が形成される。このように活性金属法による窒化物系セラミックスと金属部材との接合体は回路基板として求められる特性を満たしており、パワー半導体素子を搭載した半導体モジュール(パワーモジュール)用基板等の電子回路用基板として広く活用されている。
また、従来の半導体実装用絶縁回路基板として、例えばセラミックス基板の両面のいずれか一方または双方にAl−Si系またはAl−Ge系の金属層用ろう材を介して金属回路層を積層接着した構造を有し、上記金属層のビッカース硬度および厚さと、上記セラミックス基板の厚さおよび抗折強度を所定値に調整することにより、回路基板の耐熱サイクル寿命を延ばした回路基板も提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
さらに従来のセラミックス配線基板として、ろう材との濡れ性に優れたAlやNiなどの金属層をセラミックス基板表面に1〜10μmの厚さで形成した配線基板も提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
上記のような問題点を解決するために、回路層としての銅板の代わりに、アルミニウム板を用い、Al合金ろう材を用いて、セラミックス基板と接合する方式も採用されている。上記アルミニウムは、銅に次ぐ導電性と高い放熱性を有するだけでなく、熱応力により塑性変形し易い性質を有し、セラミックス基板及びはんだ等のクラックを防止できる。一方、Al−Si合金はセラミックス基板表面に存在する酸素と結合して接合するが、特に窒化アルミニウム、窒化けい素などの窒化物系セラミックス基板の場合には、アルミナに代表される酸化物系セラミックス基板と異なり、基板組織の単位面積あたりの酸素が少ないため、接合性(Al−Si合金とセラミックス界面の濡れ性)が低い。それを補うために、接合時に荷重を掛けながら接合しているが、窒化アルミニウム、特に窒化けい素とは、接合性に起因する問題があり、耐熱サイクル特性のばらつきがあり十分対応できているとは言えなかった。
また、ろう材の濡れ性を向上させるために前記のように、Al金属膜を予めセラミックス基板表面に形成しておき、しかる後に接合する方式も採用されていたが、Al金属膜中のAl元素の拡散によって組織表面が部分的に盛り上がる、いわゆるヒロック現象(Hillrock現象)が起こり、Al金属膜とAl−Siろう材との間にボイド(空隙部)が形成され易く、金属回路層の接合強度が低下して回路基板全体としての耐熱サイクル特性が低下し易い難点があった。また、Al金属膜の厚さが1〜10μm程度に厚く形成されていたために、Al金属の蒸着時間が長くなり、製造コストが増大化する欠点もあった。
また、半導体分野において、LSIの集積化や高速化が進展していることに加え、GTOやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワーデバイスの用途が拡大しているなどの事情から、シリコンチップ(半導体素子)の発熱量が増加の一途をたどっている。そして、前記パワーモジュールが電気鉄道車両や電気自動車などの長期の信頼性が要求される分野に採用されるに及んで、シリコンチップが搭載されている回路基板、あるいは回路基板が搭載されているモジュールの放熱特性および耐久性が一層重大な関心事となっている。しかしながら、従来のパワーモジュールにおいては接合部の耐久性が不十分であり十分な信頼性が確保できない問題点があった。
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであり、特に接合界面でのボイドの発生を効果的に抑制でき回路層としての金属材の接合強度を高くすることが可能であり、耐熱サイクル特性を大幅に改善することが可能なセラミックス回路基板、その製造方法およびその回路基板を使用したパワーモジュールを提供することを目的とする。
すなわち、本発明に係るセラミックス回路基板は、Al板とAl−Siろう材とのクラッド材から成る回路層とセラミックス基板とを一体に接合したセラミックス回路基板において、上記クラッド材のAl−Siろう材側の表面が、セラミックス基板表面に形成した厚さ1μm未満のAl合金膜を介して上記セラミックス基板に接合されていることを特徴とする。
本発明において、回路層はAl板とAl−Siろう材とのクラッド材から構成され、回路層の厚さは通電容量を勘案して0.15〜0.5mmの範囲が好ましい。
また、上記セラミックス回路基板において、前記セラミックス基板が窒化アルミニウム焼結体または窒化けい素焼結体により形成されていることが好ましい。
本発明に係るセラミックス回路基板を構成するセラミックス基板としては、所定の放熱性および構造強度を有する限り、特に限定されるものではなく、窒化アルミニウム,窒化けい素,サイアロン(Si−Al−O−N)等の窒化物系セラミックスの焼結体、炭化けい素(SiC)等の炭化物系セラミックスの焼結体、酸化アルミニウム(Al2O3),ジルコニア(ZrO2)等の酸化物系セラミックスの焼結体からなる基板が好適に使用できる。しかしながら、基板組織表面における酸素濃度が低い窒化物系セラミックス基板であっても接合性の改善効果が高いため、特にセラミックス基板が窒化アルミニウム基板または窒化けい素基板である場合に特に優れた作用効果が得られる。
また、セラミックス基板表面に形成したAl合金膜は、Al−Siろう材の濡れ性を改善し回路層としてのクラッド材のセラミックス基板に対する接合強度を高めるものであり、スパッタリング法や蒸着法などで形成される。またAl合金膜によれば、加熱接合時においても、Al元素の拡散移動は起こらず、Alの拡散によってボイドが発生することもない。このAl合金膜の厚さは1μm未満とされる。Al合金膜の厚さが0.1μm未満と過小になると上記濡れ性の改善効果が不十分となる一方、1μm以上となるように形成しても、上記効果は飽和してしまうと共にAl合金膜の形成に長時間を要することに成り、製造効率が低下する。したがって、Al合金膜の厚さは1μm未満とされるが、0.1〜0.5μmの範囲がより好ましい。
また、上記セラミックス回路基板において、前記Al合金膜は、Y,Sc,La,Ce,Nd,Sm,Gd,Tb,Dy,Er,ThおよびSrから選択される少なくとも1種の希土類元素を1〜5at%含有することが好ましい。このように、所定の希土類元素を所定量含有する合金でAl合金膜を形成した場合には、特にろう材の濡れ性を更に適度に調整することが可能となり、濡れ性の過度の亢進によるろう材の流失を防止することが可能となり、回路層の接合強度をさらに高めることができる上に、接合面におけるボイドの発生を効果的に防止することができる。
さらに、上記セラミックス回路基板において、前記Al−Siろう材のAl含有量が85質量%以上であり、かつSi含有量が6〜15質量%の範囲であることが好ましい。このAl−Siろう材のAl含有量およびSi含有量が上記範囲内であると、Alより融点が50〜100℃低くなり、回路層としてのAl−Si合金層の接合が容易である一方、Al−Siろう材による接合も容易になる。
上記のような本発明に係るセラミックス回路基板の製造方法は、Al板とAl−Siろう材とのクラッド材から成る回路層とAl合金膜とを一体に接合したセラミックス回路基板の製造方法において、Al板とAl−Siろう材とのクラッド材から成る回路層と、表面にAl合金膜を形成したセラミックス基板とを重ね、押圧力が0.2MPa以上となるように荷重を加えた状態で、真空度が10−2Pa以上である雰囲気中で、温度580〜630℃で加熱して上記回路層とセラミックス基板とを接合することを特徴とする。
上記製造方法において、接合時の押圧力が0.2MPa未満の場合には、クラッド材から成る回路層とセラミックス基板との密着性が不完全になる。また、上記真空度の範囲の雰囲気において、Al−Siの酸化が進行し、濡れ性が低下して接合性も低下する。さらに上記接合温度範囲(580〜630℃)で加熱することにより、上記クラッド材からなる回路層を、Al合金膜を形成したセラミックス基板に短時間に一体に接合することが可能である。
また、本発明に係るパワーモジュールは、Al板とAl−Siろう材とのクラッド材から成る回路層とセラミックス基板とを一体に接合したセラミックス回路基板であり、上記クラッド材のAl−Siろう材側の表面が、セラミックス基板表面に形成した厚さ1μm未満のAl合金膜を介して上記セラミックス基板に接合されているセラミックス回路基板と、上記回路層に搭載された半導体素子と、この半導体素子から発生した熱を上記セラミックス回路基板を経由して放出するヒートシンクとを備えることを特徴とする。
第2図は、本発明に係るセラミックス回路基板を使用したパワーモジュールの構成例を示す断面図である。
[実施例1〜116および比較例1〜45]
各実施例用および比較例用のセラミックス基板として、表1〜表6に示すように、厚さが0.625〜1.2mmの窒化けい素(Si3N4)基板,窒化アルミニウム(AlN)基板,サイアロン(Si−Al−O−N)基板,炭化けい素(SiC)基板および酸化アルミニウム(Al2O3)基板を多数用意し、回路層としてのクラッド材を接合するセラミックス基板表面に対してブラスト処理と研摩加工とを実施して表面粗さ(Ra)が1μmとなるように調整した。
次に、表面粗さを調整したセラミックス基板の回路層接合箇所に、表1〜表6に示すような組成および厚さを有するAl合金膜を蒸着法により形成した。
一方、表1〜表6に示すような組成を有するAl回路板とAl−Siろう材とを75:25の厚さ比で圧延加工して両者を一体に接合した回賂層としてのクラッド材をそれぞれ調製した。調製した各クラッド材の厚さは表1〜表6に示す値に設定した。
次に、上記のように調製した回路板としてのAl板とAl−Siろう材とのクラッド材から成る回路層と、表面にAl合金膜(実施例)やAl金属膜(比較例1)を形成したセラミックス基板とを重ね、表1〜表6に示す押圧力となるように荷重を加えた状態で、表1〜表6に示す真空度の雰囲気中で、表1〜表6に示す温度まで加熱処理して上記回路層とセラミックス基板とを接合することにより、各実施例および比較例に係るセラミックス回路基板を製造した。
上記製造されたセラミックス回路基板1は、第1図に示すようにAl板から成る回路板2とAl−Siろう材層3とのクラッド材から成る回路層4が、表面にAl合金膜5(実施例)やAl金属膜(比較例1)を形成したセラミックス基板6の表面に一体に接合された構造を有する。
上記のように製造された各実施例および比較例に係るセラミックス回路基板の特性を評価するために、次のような測定試験を実施した。まず、超音波探傷装置により各セラミックス回路基板の回路層下部の接合面におけるボイド率を測定した。このボイド率は超音波探傷装置により撮影された20mm四方の接合面に存在するボイドの影像を画像解析して求め、接合面積20mm□当りのボイド面積率として測定した。
また、各実施例および比較例に係るセラミックス回路基板1の回路層4を、第1図において垂直上方に引張り上げ回路層4がセラミックス基板6から剥離した時の引張り荷重を接合面積で除した値を接合強度として測定した。各測定値およびセラミックス回路基板の仕様、接合条件等を下記表1〜表6にまとめて示す。
上記表1〜表6に示す結果から明らかなように、セラミックス基板表面に所定厚さのAl合金膜を形成した各実施例に係るセラミックス回路基板によれば、Al合金膜の厚さが1μm未満と薄い場合であっても、比較例と較べてボイド面積率が小さく、加熱接合時におけるAl元素の拡散および接合面での噴出し(ヒロック現象)が効果的に抑制されていることが判明した。そのため、接合面におけるボイドの発生を効果的に防止でき、接合強度が大幅に増大する方向に改善されることが確認できた。また、Al合金膜の厚さが1μm未満と薄くできるため、蒸着等によるAl合金膜の成膜時間が短縮でき、かつ接合操作も簡略化できるために、回路基板の接合組立てが容易になり製造コストも大幅に低減できることが判明した。
一方、セラミックス基板表面に予めAl金属膜を形成した比較例1に係るセラミックス回路基板によれば、加熱接合時におけるAl元素の拡散が顕著であり、接合面でのAl元素の噴出し(ヒロック現象)が抑制されておらず、ボイド面積率の急増に比例して接合強度も大幅に低下してしまうことが再確認された。
また、比較例2〜7に示すように、Al合金膜の組成(比較例1および比較例7)、接合温度(比較例1および比較例5)、Al−Siろう材組成(比較例2および比較例4)、Al合金膜の厚さ(比較例3)、接合時の押圧力(比較例6)などが、本発明で規定される好ましい範囲を外れる場合には回路層の接合強度およびボイド面積特性が低下することが判明した。
図2は本発明に係るセラミックス回路基板を使用した一実施例に係るパワーモジュールの構成例を示す断面図である。すなわち、本実施例に係るパワーモジュール10の内部に配置されたセラミックス回路基板1のAl回路板2の表面には、パワー素子としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が形成された半導体チップ(半導体素子)11が半田12で固定されている。
Al回路板2はコレクタ用電極端子(図示せず)に接続されており、半導体チップ11にコレクタ電圧を供給する。AlやAu等の金属細線で構成されるボンディングワイア13の両端は、半導体チップ11上のゲート電極14とセラミックス基板6上の金属膜15に超音波溶接で接合されている。金属膜15はゲート用電極端子(図示せず)に接続されているため、ボンディングワイア13とゲート用電極端子とは電気的に接続され、ゲート用電極端子からボンディングワイア13を介してゲート電圧が供給される。また、ボンディングワイア16の両端は、半導体素子11上のエミッタ電極17とセラミックス基板6上の金属膜18に超音波溶接で接合されている。エミッタ用電極端子19は半田20で金属膜18に取り付けられているので、ボンディングワイア16とエミッタ用電極端子19とは電気的に接続され、エミッタ用電極端子19からボンディングワイア16を介してエミッタ電圧が供給される。
セラミックス基板6の下面は、金属膜22および半田26を介して金属基板(ヒートシンク)24上に接合されている。プラスチック等の材質で形成された外殻ケース28と金属基板24とでパッケージ29が構成され、半導体チップ11、セラミックス基板6、Al回路層2、金属膜15、18、ボンディングワイア13、16とエミッタ用電極端子19一部分は、パッケージ29に封止されており、一つのパワーモジュール10を構成している。金属基板24はヒートシンクを兼ねるものとして形成できるが、金属基板24とは別に放熱フィン(ヒートシンク)を設置しても良い。半導体チップ11で発生した熱は金属基板24を介して半導体チップ11の下面側に放熱されることにより、半導体チップ11が冷却されるため、その動作機能が良好に維持される。
上記構成を有する実施例に係るパワーモジュールによれば、セラミックス基板の接合界面でのボイドの発生を効果的に抑制でき回路層としての金属材の接合強度を高くすることが可能となるため、耐熱サイクル特性を大幅に改善することが可能なパワーモジュールが得られ、十分な信頼性を確保することが可能になる。
Claims (6)
- Al板とAl−Siろう材とのクラッド材から成る回路層とセラミックス基板とを一体に接合したセラミックス回路基板において、上記クラッド材のAl−Siろう材側の表面が、セラミックス基板表面に形成した厚さ1μm未満のAl合金膜を介して上記セラミックス基板に接合されていることを特徴とするセラミックス回路基板。
- 前記セラミックス基板が窒化アルミニウム焼結体,窒化けい素焼結体,炭化けい素焼結体およびサイアロン焼結体のいずれかにより形成されていることを特徴とする請求の範囲第1項記載のセラミックス回路基板。
- 前記Al−Siろう材のAl含有量が85質量%以上であり、かつSi含有量が6〜15質量%の範囲であることを特徴とする請求の範囲第1項記載のセラミックス回路基板。
- 前記Al合金膜は、Y,Sc,La,Ce,Nd,Sm,Gd,Tb,Dy,Er,ThおよびSrから選択される少なくとも1種の希土類元素を1〜5at%含有することを特徴とする請求の範囲第1項記載のセラミックス回路基板。
- Al板とAl−Siろう材とのクラッド材から成る回路層とAl合金膜とを一体に接合したセラミックス回路基板の製造方法において、上記Al板とAl−Siろう材とのクラッド材から成る回路層と、表面にAl合金膜を形成したセラミックス基板とを重ね、押圧力が2kg/cm2以上となるように荷重を加えた状態で、真空度が10−2Pa以上である雰囲気中で、温度580〜630℃で加熱して上記回路層とセラミックス基板とを接合することを特徴とするセラミック回路基板の製造方法。
- Al板とAl−Siろう材とのクラッド材から成る回路層とセラミックス基板とを一体に接合したセラミックス回路基板であり、上記クラッド材のAl−Siろう材側の表面が、セラミックス基板表面に形成した厚さ1μm未満のAl合金膜を介して上記セラミックス基板に接合されているセラミックス回路基板と、上記回路層に搭載された半導体素子と、この半導体素子から発生した熱を上記セラミックス回路基板を経由して放出するヒートシンクとを備えることを特徴とするパワーモジュール。
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