JPWO2005098942A1 - Al/AlN接合体、パワーモジュール用基板及びパワーモジュール並びにAl/AlN接合体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2004年4月5日に出願された特願2004−110879号及び2004年7月29日に出願された特願2004−221700号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
パワーモジュール用基板41は、それぞれAlNからなる絶縁基板(以下、AlN基板と称する)42の一方の面に、Alからなる回路層43を積層し、他方の面にAlからなる金属層44を積層したAlN/Al接合体45と、回路層43上にハンダ34を介して搭載された半導体チップ35とを備えている。金属層43または回路層44として、4N−Al(純度が99.99%以上のアルミニウム)を用いたAlN/Al接合体としてもよい。
なお、蛍光X線分析によるB量とは、蛍光X線分析によってB−Kα及びAl−Kαのピーク高さを求め、B−Kαのピーク高さ/Al−Kαのピーク高さ×100000で求めた値と定義する。
歪み発生領域とは、前記界面におけるセラミックス結晶粒のTEM(透過電子顕微鏡)による明視野像で観察される結晶粒内の暗部領域であり、つまり転位が存在する領域をいう。
この場合、前記溶浸されたロウ材の三次元網目構造体の太さがAlNの表面よりも内部において拡大しているので、アンカー効果によりロウ材がAlNに確実に接合される。その結果、温度サイクルによる剥離がいっそう抑制される。
本発明の他の態様のパワーモジュールは、前記パワーモジュール用基板の前記絶縁基板の他方の面側に、チップを搭載したものである。
前記絶縁基板の前記一方の面側には、空冷または液冷のヒートシンクが備えられていてもよい。
2 金属回路板(金属板)
3 金属板
5 Siチップ(半導体チップ)
10 AlN/Al接合体(絶縁基板)
11 AlN基板(AlN焼結体)
12、13 Al板(Al材)
14 ロウ材
23 脆弱多孔質層
31 放熱体
30 パワーモジュール
32 パワーモジュール用基板
35 半導体チップ(チップ)
37 水冷式ヒートシンク
この接着工程では、ロウ材をセラミックス基板1と金属回路板2及び金属板3との間に挟んで積層し、荷重をかけて600℃以上真空中または還元雰囲気中で加熱して接合する。
すなわち、セラミックス基板1の金属回路板2との接合界面における離型剤の残留量が蛍光X線分析によるB量で5未満であるから、セラミックス基板1を焼結する際に含まれていた離型剤のBNが界面に多く残留して接合性を悪化させることを防ぐことができる。セラミックス基板1表面(接合界面)における離型剤の残留量とダメージ量とは、図3に示すように、ホーニングの度合いによって、トレードオフの関係にあり、残留量及びダメージ量がいずれも低い状態で高い接合強度が得られるためである。
図4は、本発明の第2実施形態のAlN/Al接合体(絶縁基板)10を示す断面図であり、このAlN/Al接合体10は、AlN基板(絶縁セラミック基板)11の両面のそれぞれに、ロウ材層14を介して、Al板(導電層)12、13を接合したものである。
三次元網目構造内にロウ材14が分散、接合されているのでAl/AlN接合体、Al/AlN接合体を構成するAl板、AlN基板が膨張、収縮を繰り返しても応力がAlN表面の結晶粒子それぞれのアンカー部で分散され、接合体初期接合のみならず、熱サイクル後においても、安定した接合を確保することができる。
まず、AlNのグリーンシートの上下に離型のための窒化ホウ素(BN)シートを積層してAlNのグリーン焼結することによって、図6に示すようなAlN基板の素材22を得る。図2において、AlN基板11は、その表層の少なくとも一部が3次元網目構造(図示せず)をなす多孔質層21と、さらに多孔質層21の表層部分に形成された脆弱多孔質層23とを有する。
この場合、ホーニングは、例えば♯600のAl2O3粒子を用いて、圧力500hPa(0.49Kg/cm2)以上かつ2500hPa(2.47Kg/cm2)以下の条件で、最大粗さRy(JIS B0601−1994)が1.50〜3.30μmとなるように行われる。
ホーニング圧力を2500hPa以下とすることで、図7に示すように、AlN基板11表層の多孔質層21の結晶構造の表面凸凹が潰れて平面的になるのが抑制される。ホーニング圧力を500hPa以上とすることにより、AlN表層の多孔質層がグリーン焼結した後のBNを充分に除去することができ、AlN基板11表層にロウ材が浸入するための開口がAlN粒子間に充分に形成されてロウ材の浸入が容易となり、さらに多孔質層21の結晶構造の表面凸凹が保持される。
真空にすることによって、AlN基板11の表層の多孔質層21ならびに3次元網目構造内の気孔を満たしていた空気が排出され、気孔内が真空状態となる。
その後、Al板12、13とAlN基板11の接合面に50〜300kPa(約0.5〜3kg/cm2)の圧力を加えて3次元網目構造内の空孔(真空状態にされた気孔)に、液相とされたロウ材14を浸入させ、その後、融液を冷却速度0.5〜1.0℃/分で約500℃まで冷却することによって、ロウ材14を凝固させることで、AlN多孔質層21を介してAlN基板11とAl板12、13を接合する。
充分な接合強度を確保するためにはロウ材に液相が確実に発生する600℃以上が、前述した結晶粒径を確保するためにはAl板12、13の融点以下に加熱することが好適である。
ロウ付け後、室温まで冷却し、その後、片面のAl板12、13を所定のパターンにエッチングし、回路を形成することによりパワーモジュール用基板を得る。
また、AlN基板11のAl板12、13と当接する面にロウ材14を配置した状態で加圧・真空加熱するので、AlN基板11の表面に形成された多孔質層21の気孔内の空気が除去されて気孔内へのロウ材14の浸入が容易になる。また、ロウ材14及びAlN基板11の接合面が酸化されることがない。また、加圧することにより、融解したロウ材14がその表面張力に抗して気孔内に押し込まれる。
さらに、加圧されることによりロウ材14の表面張力に抗して気孔内の小さな隙間までロウ材が押し込まれる。
パワーモジュール用基板32を放熱体31へロウ付けするには、放熱体31の上にロウ材のシート及びパワーモジュール用基板32をこの順序で重ね、これらに荷重50〜300kPaを加え、真空中または不活性ガス中で580〜650℃に加熱してロウ材を溶融させ、その後冷却する。ロウ材33は融点がロウ材14の融点より低く、500〜630℃、例えば575℃程度のものが好適である(ただし、融点とは液相線を越える点とする)。この場合、AlN基板11とAl板12、13を接合したロウ材14は完全には溶融せずに、放熱体31と第1のAl板13とを接合させることができる。
このようなパワーモジュール用基板32を実装したことにより、熱サイクル時に生じるパワーモジュール用基板32の縁における収縮量の相違も比較的小さく抑制できて、パワーモジュール30の熱サイクル寿命を延ばすことができる。その結果、パワーモジュールとしての信頼性を向上できる。
A : 1 : 弱
B : 1 : 中
C : 1 : 強
D : 2 : 弱
E : 2 : 中
F : 2 : 強
G : 3 : 弱
H : 3 : 中
I : 3 : 強
J :(機械研削)
このように前記サンプルで作製したパワーモジュール用基板を、超音波検査法にて初期状態及び温度サイクル後の接合性について評価した。接合強度測定用サンプルにおいても、同様に初期及び温度サイクル後(温度サイクル条件:タバイエスペック社製装置使用、−40℃×15min〜125℃×15min(気槽)で3000サイクル後)の接合強度(ピーリング強度)について測定した。初期状態及び温度サイクル後の接合性については、はがれ発生がない場合は十分良好(○)、Al接合部端部1mm以内のはがれの場合はやや不十分(△)、1mm以上の領域でのはがれの場合は不十分(×)として評価した。
第2評価は、第1評価と同様に、歪み発生領域の観察として、界面のセラミックス結晶粒のTEM観察を行い、X線回折による結晶子サイズと格子不均一歪み測定において、X線回折による結晶子サイズと格子不均一歪み測定において得られた不均一歪み解析値を結晶粒の歪みと定義し、該ダメージを歪みで示した。なお、TEM観察を行う場合、転位が消滅しないサンプル厚さに設定している。このようにして試験した結果を、以下の表1に示す。
(共通条件)
測定装置:RIX2100
測定径:20mm
測定雰囲気:真空
スピンあり
(Bのピーク高さ測定条件)
元素 B-Kα
ターゲット Rh
電圧 20kV
電流 20mA
フィルタ out
アッテネータ 1/1
スリット std
結晶 RX70
PHA 100-330
角度 49.5°(バックグラウンド 40.0°)
時間 150sec (バックグラウンド 75sec )
(Alのピーク高さ測定条件)
元素 Al-Kα
ターゲット Rh
電圧 20kV
電流 20mA
フィルタ out
アッテネータ 1/1
スリット std
結晶 PET
PHA 100-300
角度 144.8°
時間 45sec
使用装置:RINT2000/PC ULTIMA+試料水平ゴニオメーター(理学電気株式会社製商品名)
使用X線:CuKα
X線出力:40KV、40mA、カウンタモノクロメーター(グラファイト)
使用検出器:シンチレーション、
測定2θ範囲:64から128°、
測定ステップ:0.01°、
積算時間:2秒/ステップ、
スリット条件:発散スリット1°、散乱スリット1°、受光スリット0.15mm
本発明のパワーモジュール用基板及びパワーモジュールによれば、セラミックス基板が、金属板との接合界面における離型剤の残留量が蛍光X線分析によるB量で5未満であると共に、接合界面における結晶粒の歪み発生領域が全体の40%以下または接合界面における結晶粒の歪み量が0.03%以下であるので、初期状態及び温度サイクル試験後においても高い接合強度を得ることができる。したがって、温度変化の厳しい環境下であっても高い信頼性を有するパワーモジュールを得ることができる。
接合前のホーニングの圧力を変化させて接合したAlN基板に、温度サイクル試験(−45〜125℃)をして、1000サイクル毎に剥離の有無を超音波検査装置で調べて剥離が生じない最大の温度サイクル数を寿命とした。
3次元網目構造の深さは、AlN/Al界面付近の断面をSEM(走査型電子顕微鏡)により観察し、Al成分中に含まれるSiのAlN基板への浸入深さをEPMA(電子線マイクロアナライザ)の元素面分析により測定した。
3次元網目構造の深さは、サンプルを加熱処理しAl表面を酸化させた後、面分析で酸素元素の侵入深さを測定する方法で測定してもよいし、AlN基板を裏面から研磨してAlの露出が開始した試料をさらに研磨し、完全にAlNがなくなるまでの段差を侵入深さとしてもよい。
以下に、実施例と比較例とによるAlN基板とAlとの剥離による寿命試験結果を記載する。
例えば、前記第2及び第3の実施形態において、図4に示すように、3次元網目構造がAlN結晶構造の約3層の場合について示したが、3次元網目構造は略0.5〜3層の範囲で存在すればよい。
また、3次元網目構造を形成する手段として、ホーニングによる場合について説明したが、エッチング等の化学的な手段によってもよい。
また、前記実施の形態で記載した加工条件は、一例を示すものであって他の加工条件によってもよい。
Claims (14)
- 金属板と、この金属板に接合されたセラミックス基板とを有するパワーモジュール用基板であって、
前記セラミックス基板は、前記金属板との接合界面における離型剤の残留量が蛍光X線分析によるB量で5未満であり、
前記接合界面における結晶粒の歪み発生領域が全体の40%以下であることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 金属板と、この金属板に接合されたセラミックス基板とを有するパワーモジュール用基板であって、
前記セラミックス基板は、前記金属板との接合界面における離型剤の残留量が蛍光X線分析によるB量で5未満であり、
前記接合界面における結晶粒の歪み量が0.03%以下であることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 請求項1または2に記載のパワーモジュール用基板において、
前記金属板は、アルミニウム板であり、
前記セラミックス基板は、窒化アルミニウム板または窒化ケイ素板であるパワーモジュール用基板。 - 請求項1から3のいずれかに記載のパワーモジュール用基板と、前記パワーモジュール用基板の前記金属板上に搭載された半導体チップとを有するパワーモジュール。
- AlとAlNをロウ材を介して接合してなるAl/AlN接合体であって、
前記AlN表面の多孔質層の内部にロウ材が溶浸され、該溶浸されたロウ材は少なくとも一部がAlN結晶構造の略0.5層以上3層以下の範囲において三次元網目構造体を形成していることを特徴とするAl/AlN接合体。 - 請求項5に記載のAl/AlN接合体であって、前記溶浸されたロウ材からなる三次元網目構造体の太さがAlN表面側よりもAlNの内部側で大きいことを特徴とするAl/AlN接合体。
- 絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面側に設けられた放熱体とを備えたパワーモジュール用基板であって、
前記絶縁基板として請求項5または請求項6のいずれかに記載のAl/AlN接合体を用いることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 請求項7に記載のパワーモジュール用基板と、前記パワーモジュール用基板の前記絶縁基板の他方の面側に搭載されたチップとを有することを特徴とするパワーモジュール。
- 請求項7に記載のパワーモジュール用基板と、前記パワーモジュール用基板の前記絶縁基板の前記一方の面側に設けられた空冷または液冷のヒートシンクを有することを特徴とするパワーモジュール。
- Al/AlN接合体の製造方法であって、
AlNの圧粉成形体を焼結して表面に多孔質層を有するAlN焼結体を得る工程と、前記多孔質層にロウ材を介してAl材を接合する工程とを有することを特徴とするAl/AlN接合体の製造方法。 - 請求項10に記載のAl/AlN接合体の製造方法であって、
前記AlN焼結体の前記Al材が接合される面の表層部の脆弱多孔質層を除去した後に、脆弱多孔質層を除去した面に前記Al材を前記ロウ材を用いてロウ付けすることを特徴とするAl/AlN接合体の製造方法。 - 請求項11に記載のAl/AlN接合体の製造方法であって、
前記AlN焼結体と前記Al材との間に前記ロウ材を配置した状態で、これらを真空加熱及び加圧することを特徴とするAl/AlN接合体の製造方法。 - 請求項12に記載のAl/AlN接合体の製造方法であって、
前記AlN焼結体と前記Al材との間に前記ロウ材を配置した状態でこれらの接合面を真空状態に置いた後、これらを加熱しロウ材に液相を発生させ、さらにこれらを加圧して、前記AlN焼結体の多孔質層に前記ロウ材の融液を含浸させることを特徴とするAl/AlN接合体の製造方法。 - 請求項12または請求項13に記載のAl/AlN接合体の製造方法であって、前記AlN焼結体と前記Al材との間に置いたロウ材の融液を冷却、凝固させることにより、AlN焼結体の多孔質層にロウ材を含浸させ、AlN焼結体とAl材を接合することを特徴とするAl/AlN接合体の製造方法。
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