JPWO2007105361A1 - 電子部品モジュール - Google Patents

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JPWO2007105361A1
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brazing material
component module
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metal plate
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寛正 加藤
寛正 加藤
隆之 那波
隆之 那波
中山　憲隆
憲隆 中山
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Toshiba Corp
Toshiba Materials Co Ltd
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Toshiba Corp
Toshiba Materials Co Ltd
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Abstract

電子部品モジュール１は、セラミックス基板３の両面に金属板５、７が接合された回路基板２と、回路基板２の少なくとも一方の金属板５に接合され、少なくとも１２５℃で動作可能な電子部品９とを具備する。電子部品９は、電子部品９の使用温度より高い融点を有するろう材からなるろう材層８を介して、金属板５に接合されている。

Description

本発明は電子部品モジュールに関する。
電気自動車や電車等の大電流を制御する部品として、パワー半導体モジュールが使用されている。また、廃熱を利用して発電を行う装置、半導体プロセスにおける恒温装置、電子デバイスを冷却する装置等に熱電変換モジュールが使用されている。これら電子部品モジュールにおいては、パワー半導体素子や熱電素子を実装する基板として、セラミックス基板の両面に金属板を接合した回路基板が用いられている（特許文献１、２参照）。
例えば、回路基板の一方の金属板上にはパワー半導体素子や熱電素子等の電子部品が半田付けされ、他方の金属板はベース板と呼ばれる金属板や複合板に半田付けされて固定される。また、薄型の半導体素子を銅のような導電性の良好な電極ブロックで挟み、周囲を気密性のシール構造で構成すると共に、電極ブロックの外側より加圧して複数の電子部品を一体化した構造等も知られている（特許文献３参照）。
パワー半導体モジュールや熱電変換モジュールを構成する電子部品がＳｉ素子や温調用の熱電素子である場合には、それらの使用最高温度が１２５℃程度であるため、従来の鉛半田を用いた半田付けや圧接による固定であっても、均等加熱やヒートサイクル（例えば室温〜１２５℃）に十分耐えるものとすることができる。
しかしながら、今後のパワー半導体モジュールや熱電変換モジュールにおいては、次のような課題がある。例えば、Ｓｉ素子に代えてＳｉＣ素子のような高温動作型のワイドギャップ半導体単結晶素子を用いた場合、その特性を十分に発揮させるためには３００〜５００℃といった高温環境下で動作させる必要がある。高温環境下で動作させるＳｉＣ素子を従来の半田付けで回路基板上に固定した場合、ＳｉＣ素子の動作温度で回路基板との固定状態が不安定になり、ＳｉＣ素子の剥がれ等を招いてしまう。
高温環境下で動作可能な熱電変換モジュールを使用した場合、例えば自動車や工場等から排出される５００℃前後の高温廃熱から電気エネルギーを作り出すことができ、環境負荷の低減が期待できる。しかしながら、パワー半導体モジュールと同様に、高温環境下で使用される熱電素子を従来の半田付けで回路基板上に固定した場合には、回路基板に対する熱電素子の固定状態を安定に保つことができない。熱電変換モジュールでは拡散防止や応力緩和のために、熱電素子と電極との間にチタン層等を中間層として介在させることも行われている（特許文献４参照）。しかし、ここでは中間層や電極を溶射法で形成しているため、熱電変換モジュールの製造性に難点を有している。
上述したような高温環境下での電子部品の固定性を改善するために、高温半田でＳｉＣ素子や熱電素子等の電子部品を回路基板に接合することが考えられる。しかしながら、近年、半田の鉛フリー化が望まれており、回路基板に電子部品を半田付けする場合にも鉛を含まない半田を使用することが望まれている。高温半田は鉛を含まずに従来と同等以上の特性を得ることが困難であることから、高温半田でＳｉＣ素子や熱電素子等の電子部品を回路基板に接合することは実質的に困難である。
さらに、半導体素子や熱電素子は歩留りや信頼性の点から素子サイズが微細化され、また素子サイズの微細化により素子の搭載数が大幅に増加することが予想される。このため、例えばパワー半導体モジュールでは使用温度がますます高くなるものと予想される。パワー半導体モジュールの使用温度が高くなるにつれて、ヒートサイクルはより一層大きくなり、熱変形や熱膨張差による揺動も増大する。従って、ＳｉＣ素子等の電子部品が回路基板から剥離しやすくなり、信頼性を確保することがより一層困難となる。
特開２００２−２０１０７２公報 特開２００２−２０３９９３公報 特開平１０−０９８１４０号公報 特開２００３−３０９２９４公報
本発明の目的は、高温環境下における回路基板からの電子部品の剥離を抑制することによって、信頼性を高めることを可能にした電子部品モジュールを提供することにある。
本発明の態様に係る電子部品モジュールは、第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面とを有するセラミックス基板と、前記セラミックス基板の前記第１の主面に接合された第１の金属板と、前記セラミックス基板の前記第２の主面に接合された第２の金属板とを備える回路基板と、前記第１および第２の金属板の少なくとも一方にろう材層を介して接合され、少なくとも１２５℃で動作可能な電子部品とを具備し、前記ろう材層は前記電子部品の使用温度より高い融点を有するろう材からなることを特徴としている。
図1は本発明の第1の実施形態による電子部品モジュールの構成を示す断面図である。 図２は本発明の第２の実施形態による電子部品モジュールの構成を示す断面図である。 図３は本発明の第２の実施形態による電子部品モジュールを適用した熱電変換モジュールの一例を示す断面図である。 図４は本発明の第２の実施形態による電子部品モジュールを適用した熱電変換モジュールの他の例を示す断面図である。
符号の説明
１…電子部品モジュール、２…回路基板、３…セラミックス基板、４，６…接合層、５…第１の金属板、７…第２の金属板、８，１０…ろう材層、９…電子部品、１１…ベース板、２０…熱電変換モジュール、２１…ケース、２２…電極、２３…導電性ワイヤ、２４…絶縁物質。
発明を実施するための形態
以下、本発明を実施するための形態について説明する。図１は本発明の第１の実施形態による電子部品モジュールを示している。図２は本発明の第２の実施形態による電子部品モジュールを示している。これらの図に示す電子部品モジュール１は、絶縁基板としてセラミックス基板３を有する回路基板２を具備している。回路基板２はセラミックス基板３の一方の主面に接合層４を介して接合された第１の金属板５と、他方の主面に接合層６を介して接合された第２の金属板７とを備えている。
第１の金属板５は回路板としての役割を有している。第２の金属板７は例えばベース板への接合板、あるいは放熱板や吸熱板としての役割を有している。第１の金属板５にはろう材層８を介して電子部品９が接合されている。ろう材層８は電子部品９の使用温度より高い融点を有するろう材からなる。第２の金属板７は電子部品９の使用温度より高い融点を有するろう材からなるろう材層１０を介してベース板１１に接合されている。
セラミックス基板３は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体、炭化ケイ素（ＳｉＣ）焼結体等のセラミックス焼結体からなる。これらの中でも、高い熱伝導率を有する観点からは窒化アルミニウム焼結体が好適に用いられる。また、強度が高くて基板面積を大面積化できるという観点からは窒化珪素焼結体が好適に用いられる。
窒化アルミニウム焼結体としては、例えば熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが好適に用いられ、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるものがより好適に用いられる。このような窒化アルミニウム焼結体としては、例えば特開２００２−２０１０７２公報に記載されているように、直線距離５０μｍに含まれる窒化アルミニウム結晶粒子の数が１５〜３０個となるように、窒化アルミニウム粒子の粒径と焼結助剤からなる粒界相の割合を調整し、熱伝導率を２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上としたものが例示される。
窒化珪素焼結体としては、例えば熱伝導率が６５Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが好適に用いられ、８５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるものがより好適に用いられる。このような窒化珪素焼結体としては、例えば焼結後の炉冷温度を１００℃／ｈ以下とすることにより、窒化珪素焼結体中の粒界相の２０％以上（全粒界相に対する割合）を結晶化したものが挙げられる。
第１および第２の金属板５、７としては、例えば銅およびアルミニウムから選ばれる少なくとも１種を主成分とする金属板が用いられる。これら金属板５、７の厚さは、第２の金属板７の厚さｔ２に対する第１の金属板５の厚さｔ１の比（（ｔ１／ｔ２）×１００［％］）が５０％以上２００％以下の範囲となるように調整することが好ましい。
金属板５、７の厚さ比（ｔ１／ｔ２比）が５０％未満あるいは２００％を超えると、いずれの場合にもセラミックス基板３に第１の金属板５と第２の金属板７を接合して得られる回路基板２の反り量が大きくなり、電子部品９やベース板１１を接合するためのろう材層８、１０を均一な厚さに塗布することが困難となる。このため、例えば複数の電子部品９を接合する際に、それらを回路基板２上に均等に接触、配置することが困難となり、接合が不十分な電子部品９が発生するおそれがある。
第１の金属板５と第２の金属板７との厚さ比を５０％以上２００％以下とすることによって、回路基板２の反り量を例えば回路基板２の大きさが６０ｍｍ×６０ｍｍ以下の場合に１５μｍ以下とすることができる。従って、ろう材層８、１０を均一な厚さに塗布することができる。電子部品９が複数個ある場合、それらを一括して適切に回路基板２上に接触、配置して接合することができる。金属板５、７の厚さ比（ｔ１／ｔ２比）は回路基板２の反り量をさらに低減する観点から、７５％以上１５０％以下の範囲とすることが好ましく、１００％程度とすればさらに好ましい。このような金属板５、７の厚さ比は、特に使用環境温度が２００℃以上のときに好適である。
セラミックス基板３と第１および第２の金属板５、７とは、例えば接合層４、６を介して接合される。なお、接合層４、６は必ずしも必要なものではない。接合層４、６を介さずに、セラミックス基板３と第１および第２の金属板５、７とは直接接合してもよい。このような場合には、接合層４、６の形成は省略される。
セラミックス基板３と第１および第２の金属板５、７とは、公知の直接接合法（ＤＢＣ法やＤＢＡ法等）、活性金属接合法、ろう材接合法等を適用して接合される。活性金属接合法に用いられる活性金属としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等が挙げられる。これらは１種のみで用いてもよいし、あるいは２種以上を併用してもよい。このような活性金属を用いた活性金属接合法を適用することによって、セラミックス基板３と第１および第２の金属板５、７とを強固に接合することができる。
電子部品９は第１の金属板５のセラミックス基板３と接合された面とは反対側の面にろう材層８を介して接合されている。このようにして、電子部品９は回路基板２に搭載されている。電子部品９は少なくとも１２５℃で動作可能なものであり、例えばＳｉＣ半導体素子（ＳｉＣ単結晶を用いた半導体素子）や熱電変換素子等が挙げられる。電子部品９は１２５℃以上の温度下で動作可能なものであればよく、従来から用いられているＳｉ素子、抵抗体素子、コンデンサ素子等であってもよい。
電子部品９は１２５℃以上の動作環境温度に起因してヒートサイクル（温度差）が大きくなるため、信頼性や特性等を確保することが難しい。ＳｉＣ素子のようなワイドギャップ半導体素子を用いる場合、その特性を十分に発揮させるためには３００〜５００℃といった高温で動作させる必要がある。高温で動作させるとヒートサイクルが大きくなるため、電子部品モジュール１の各部の熱変形や熱膨張率の差による負荷が増大し、信頼性の確保が難しくなる。さらに、素子サイズの微細化により素子の搭載数が増加した場合、使用温度はますます高くなり、各部の熱変形や熱膨張差による負荷がさらに大きくなる。
この実施形態の電子部品モジュール１においては、ろう材層８に電子部品９の使用温度より高い融点を有するろう材を適用しているため、少なくとも１２５℃で動作可能な電子部品９の剥離や特性劣化等を抑制することができる。例えば、電子部品９がＳｉ素子等の場合、Ｓｉ素子の使用最高温度は１２５℃程度であるため、Ｓｉ素子の使用最高温度（１２５℃）より高い融点を有するろう材を適用することによって、使用時における電子部品９の剥離や劣化を抑制することができる。従って、電子部品モジュール１の信頼性や特性を向上させることが可能となる。
さらに、電子部品９がＳｉＣ素子や高温動作型の熱電素子の場合、それらの動作環境温度は３００℃以上となる。ろう材層８にＳｉＣ素子や熱電素子等の電子部品９の動作環境温度（３００℃以上）より高い融点を有するろう材を適用することで、高温環境下で使用した際の電子部品９の剥離や劣化を抑制することができる。従って、電子部品モジュール１の信頼性や特性を向上させることが可能となる。熱電素子としては特開２００５−２８６２２９公報等に記載されているハーフホイスラー系化合物が例示される。このような熱電素子であれば、３００℃以上の環境温度下でも適用可能である。
この実施形態の電子部品モジュール１は、少なくとも１２５℃で動作可能な電子部品９に適用される。特に、３００℃以上の環境温度下で動作可能な電子部品９をモジュール化する場合に、この実施形態の電子部品モジュール１は好適である。なお、ろう材層８を構成するろう材の融点の基準となる電子部品９の使用温度は、Ｓｉ素子等の一般的な電子部品９の場合には使用最高温度、ＳｉＣ素子や熱電素子等の高温動作型の電子部品９の場合には動作環境温度を示すものとする。
ベース板１１は第２の金属板７のセラミックス基板３と接合された面とは反対側の面にろう材層１０を介して接合されている。ベース板１１としては、例えば銅およびアルミニウムから選ばれる少なくとも１種を主成分とするものが好適である。このようなベース板１１についても、電子部品９の使用温度より高い融点を有するろう材からなるろう材層１０で第２の金属板７に接合されているため、電子部品モジュール１の使用時におけるベース板１１の剥離を抑制することができる。
電子部品モジュール１の放熱性を十分に確保する観点からは、第２の金属板７にベース板１１を接合することが好ましい。ただし、ベース板１１を接合しなくても十分な放熱性を確保することが可能であれば、ベース板１１は必ずしも接合しなくてもよい。この場合には、第２の金属板７が放熱板として機能する。
ろう材層８は第１の金属板５上の電子部品９と接合される部分に形成される。同様に、ろう材層１０は第２の金属板７上のベース板１１と接合される部分に形成される。ろう材層８、１０は少なくともそのような部分に形成されている必要があるが、絶縁性等に支障がない範囲でその他の部分に形成されていてもよい。
ろう材層８、１０は電子部品９（電子部品モジュール１）の使用温度より高い融点を有するろう材からなる。このようなろう材層８、１０で電子部品９やベース板１１を接合することによって、電子部品モジュール１の使用時におけるろう材層８、１０の軟化、さらには電子部品９やベース板１１の剥離等を抑制することができる。さらに、第１の金属板５と電子部品９との熱膨張差による熱ストレスが緩和されるため、電子部品９の剥離や特性劣化等を抑制することができる。これらによって、信頼性や動作特性等に優れた電子部品モジュール１を提供することが可能となる。
電子部品モジュール１は少なくとも１２５℃で動作可能な電子部品９を具備しているため、ろう材層８、１０を構成するろう材の融点は少なくとも１２５℃より高いことが必要となる。このような融点を有するろう材を用いることによって、使用最高温度が１２５℃程度のＳｉ素子等の電子部品９を適用した電子部品モジュール１の信頼性や動作特性等を十分に高めることが可能となる。
電子部品９がＳｉＣ素子の場合、その動作環境温度は３００〜５００℃となる。このため、ろう材層８、１０を構成するろう材はＳｉＣ素子の動作環境温度（３００℃以上）より高い融点を有する必要がある。さらに、電子部品９が高温動作型の熱電素子の場合には、例えば５００℃前後の高温廃熱に晒される。このため、ろう材層８、１０を構成するろう材は熱電素子が晒される高温環境より高い融点を有する必要がある。なお、電子部品モジュール１は電子部品９の種類によらず、電子部品モジュール１の実際の使用温度より高い融点を有するろう材でろう材層８、１０が構成されていればよい。
ろう材層８、１０を構成するろう材としては、共晶組成を有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材やＡｌ系ろう材が例示される。これらのうちでも、６００℃以上の融点を有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材やＡｌ系ろう材が好適である。このようなＡｇ−Ｃｕ系ろう材やＡｌ系ろう材を用いることによって、電子部品９の使用最高温度が１２５℃程度の場合はもちろんのこと、電子部品９として例えば動作環境温度が３００℃以上となるＳｉＣ素子や高温動作型の熱電素子を適用した場合であっても、回路基板２からの電子部品９やベース板１１の剥離、電子部品９の特性劣化等を抑制することができる。
さらに、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材やＡｌ系ろう材等を用いることによって、電子部品モジュール１の鉛フリー化を容易に実現することができる。Ａｇ−Ｃｕ系ろう材やＡｌ系ろう材等を用いた場合には、半田濡れ性を向上させるためのメッキ処理を行う必要もないため、電子部品モジュール１の製造工数の低減等を図ることができる。
Ａｇ−Ｃｕ系ろう材としては、ＡｇおよびＣｕの２元素の合計含有量が８５質量％以上で、導電性を有するものが好ましい。ＡｇおよびＣｕの２元素の合計含有量が８５質量％未満であると、第１の金属板５と電子部品９との接合、あるいは第２の金属板７とベース板１１との接合が困難となるおそれがある。また、接合自体は可能であるとしてもボイド等が発生し、接合強度が低下するおそれがある。
Ａｇ−Ｃｕ系ろう材は、具体的にはＡｇおよびＣｕの２元素を合計で８５質量％以上含有し、さらにＴｉ、ＺｒおよびＨｆから選択される少なくとも１種を１質量％以上５質量％以下の範囲で含有し、残部がＳｎおよびＩｎから選択される少なくとも１種からなる組成を有することが好ましい。ＡｇとＣｕの比率は、ＡｇとＣｕの合計量を１００質量部としたとき、Ｃｕの割合が１０〜３５質量部の範囲、残部がＡｇとすることが好ましく、特に共晶組成を満足する比率とすることが望ましい。
Ａｇ−Ｃｕ系ろう材にＴｉ、ＺｒおよびＨｆから選択される少なくとも１種を１〜５質量％の範囲で含有させることによって、融点を上昇させて接合強度を向上させつつ、ボイドの発生等も抑制することができる。Ａｇ−Ｃｕ系ろう材の中でも、特にＡｇおよびＣｕの２元素を合計で８５質量％以上含有し、Ｔｉを１質量％以上５質量％以下の範囲で含有し、残部がＳｎからなるものが好適である。
Ａｌ系ろう材としては、Ａｌの含有量が９０質量％以上で、導電性を有するものが好ましい。Ａｌの含有量が９０質量％未満であると、第１の金属板５と電子部品９との接合、あるいは第２の金属板７とベース板１１との接合が困難となるおそれがある。また、接合自体は可能であるとしてもボイド等が発生し、接合強度が低下するおそれがある。
Ａｌ系ろう材は、具体的にはＡｌを９０質量％以上含有し、Ｙやランタノイド元素等の希土類元素から選択される少なくとも１種を０．１質量％以上３質量％以下の範囲で含有し、残部がＳｉからなる組成を有することが好ましい。Ａｌ系ろう材に０．１〜３質量％の希土類元素を含有させることによって、融点を上昇させて接合強度を向上させつつ、ボイドの発生等も抑制することができる。Ａｌ系ろう材の中でも、特に９０質量％以上のＡｌと０．１〜３質量％のＹを含有し、残部がＳｉからなるものが好適である。
次に、上述した実施形態の電子部品モジュール１の製造方法について説明する。まず、電子部品モジュール１の製造に先立って回路基板２を製造する。すなわち、セラミックス基板３の両主面に公知の接合方法により第１の金属板５と第２の金属板７を接合し、回路基板２を製造する。
次いで、回路基板２の第１の金属板５の表面上のうち、少なくとも電子部品９を接合しようとする部分に、電子部品９の使用温度より高い融点を有するろう材のペーストを例えばスクリーン印刷により塗布して乾燥させる。また、第２の金属板７の表面上のうち少なくともベース板１１を接合しようとする部分にも、同様なろう材のペーストを例えばスクリーン印刷により塗布して乾燥させる。
さらに、第１の金属板５および第２の金属板７に塗布されたろう材ペースト上に、電子部品９およびベース板１１を接触させて配置した後、それら全体をろう材の融点程度に加熱し、第１の金属板５と電子部品９、および第２の金属板７とベース板１１とを接合することによって、電子部品モジュール１を作製する。この際、電子部品９が複数個ある場合には、それらの全てを一括して塗布されたろう材ペースト上に接触、配置して接合する。このようにすることで、第１の金属板５上に複数の電子部品９を一括して均等に接合することができる。さらに、ベース板１１も同時に第２の金属板７に接合することができる。
次に、第１および第２の実施形態による電子部品モジュール１の具体例について説明する。図１に示す第１の実施形態は、回路基板２上に電子部品９としてＳｉ素子やＳｉＣ素子等の半導体素子を搭載した電子部品モジュール１に好適である。図１に示す電子部品モジュール１は例えばパワー半導体モジュールである。電子部品９は例えば３００℃以上の高温環境下で動作可能なＳｉＣ素子であることが好ましい。電子部品９としてＳｉ素子やＳｉＣ素子等を適用する場合においても、図２に示したように複数の電子部品９を回路基板２上に搭載して電子部品モジュール１を構成することも可能である。
電子部品９としてＳｉ素子やＳｉＣ素子等の半導体素子を搭載した電子部品モジュール（パワー半導体モジュール）１においては、電子部品９の使用温度より高い融点を有するろう材層８、９を用いることによって、回路基板２からの電子部品９やベース板１１の剥離、電子部品９の特性劣化等を抑制することができる。
さらに、ろう材層８、９に適用されるＡｇ−Ｃｕ系ろう材やＡｌ系ろう材は、従来の半田層に比べて厚さを薄くすることができるため、回路基板２との間の熱抵抗を低減することにができる。Ａｇ−Ｃｕ系ろう材やＡｌ系ろう材からなるろう材層８、９の厚さは例えば３０μｍ以下、さらには１０μｍ以下とすることができる。ろう材層８、９の厚さは３μｍ以上とすることが好ましい。ろう材層８、９の厚さが３μｍ未満の場合には、十分な接合強度が得られないおそれがある。これらによって、パワー半導体モジュール１のヒートサイクル特性（ＴＣＴ特性）を高めることが可能となる。
図２に示す第２の実施形態は回路基板２上に電子部品９として熱電素子を搭載した電子部品モジュール１に好適である。電子部品９は例えば３００℃以上、さらには５００℃程度の高温環境下で動作可能な高温動作型の熱電素子であることが好ましい。このような熱電素子の構成材料としては、ＭｇＡｇＡｓ型結晶構造を有する金属間化合物相を主相とする熱電材料（ハーフホイスラー材料）が例示される。図３に熱電変換モジュールの具体的な構成を示す。図３に示す熱電変換モジュール２０は複数のｐ型熱電素子９Ａと複数のｎ型熱電素子９Ｂとを有している。これらｐ型熱電素子９Ａとｎ型熱電素子９Ｂは同一平面上に交互に配列されており、モジュール全体としてはマトリックス状に配置されている。
ｐ型熱電素子９Ａとｎ型熱電素子９Ｂは、第１の回路基板２Ａと第２の回路基板２Ｂとの間に配置されている。１個のｐ型熱電素子９Ａとこれに隣接する１個のｎ型熱電素子９Ｂの下部には、これら素子間を接続する第１の電極として第１の回路基板２Ａの第１の金属板５Ａが配置されている。他方、１個のｐ型熱電素子１１とこれに隣接する１個のｎ型熱電素子１２の上部には、これら素子間を接続する第２の電極として第２の回路基板２Ｂの第１の金属板５Ｂが配置されている。第１の電極としての金属板５Ａと第２の電極としての金属板５Ｂは素子１個分だけずれた状態で配置されている。
このようにして、複数のｐ型熱電素子９Ａと複数のｎ型熱電素子９Ｂとが電気的に直列に接続されている。すなわち、ｐ型熱電素子９Ａ、ｎ型熱電素子９Ｂ、ｐ型熱電素子９Ａ、ｎ型熱電素子９Ｂ…の順に直流電流が流れるように、第１の電極５Ａと第２の電極５Ｂがそれぞれ配置されている。ｐ型熱電素子９Ａおよびｎ型熱電素子９Ｂと電極（金属板）５Ａ、５Ｂとは、前述したように熱電素子９Ａ、９Ｂの動作環境温度より高い融点を有するろう材層８を介して接合されている。第１の回路基板２Ａの第２の金属板７Ａはベース板１１に接合されている。
図３に示す熱電変換モジュール２０は、上下の回路基板２Ａ、２Ｂ間に温度差を与えるように、第１の回路基板２Ａを低温側（Ｌ）に配置すると共に、第２の回路基板２Ｂを高温側（Ｈ）に配置して使用される。この温度差に基づいて第１の電極５Ａと第２の電極５Ｂとの間に電位差が生じ、電極の終端に負荷を接続すると電力を取り出すことができる。このように、高温動作型の熱電素子９Ａ、９Ｂを使用することによって、熱電変換モジュール２０を発電装置として利用することができる。
熱電素子９Ａ、９Ｂを搭載した熱電変換モジュール２０においては、熱電素子９Ａ、９Ｂの動作環境温度より高い融点を有するろう材層８を用いることによって、回路基板２からの熱電素子９Ａ、９Ｂの剥離や特性劣化等を抑制することができる。さらに、高温側（Ｈ）に配置される第１の電極（第１の回路基板２Ａの第１の金属板５Ａ）の厚さを低温側（Ｌ）に配置される第２の電極（第２の回路基板２Ｂの第１の金属板５Ｂ）の厚さより薄くすることが好ましい。これによって、熱電変換モジュール２０のヒートサイクル特性（ＴＣＴ特性）をさらに高めることが可能となる。特に、高温側（Ｈ）と低温側（Ｌ）との温度差が３００℃以上、さらには４００℃以上の動作環境下におけるヒートサイクル特性等を向上させることができる。
なお、熱電変換モジュール２０は熱を電力に変換する発電用途に限らず、電気を熱に変換する加熱用途にも使用可能である。すなわち、直列接続されたｐ型熱電素子９Ａとｎ型熱電素子９Ｂに直流電流を流すと、一方の回路基板側では放熱が起こり、他方の回路基板側では吸熱が起こる。従って、放熱側の回路基板上に被処理体を配置することで、被処理体を加熱することができる。例えば、半導体製造装置では半導体ウエハの温度制御を実施しており、このような温度制御に熱電変換モジュール２０を適用することができる。
熱電変換モジュール２０は図４に示すようにケース２１内に収容して使用することも可能である。熱電変換モジュール２０はケース２１に設けられた電極２２と導電性ワイヤ２３を介して電気的に接続されている。ケース２１内には熱電変換モジュール２０を封止するように絶縁物質２４が充填されている。絶縁物質２４としては、例えばシリコーンゲル等のゲル状封止体が好適に用いられる。ケース２１による封止構造は熱電変換モジュール２０のみならず、パワー半導体モジュールに対しても有効である。
次に、電子部品モジュール１のろう材層８を構成するろう材の融点と組成、さらに第２の金属板７の厚さに対する第１の金属板５の厚さの比が、電子部品モジュール１の接合性、動作可能温度に与える影響について、実際に図２に示した電子部品モジュール１を製造して評価した結果について述べる。なお、ここでは電子部品モジュール１にろう材層１０およびベース板１１を設けない構造を適用した。
まず、評価の対象となる電子部品モジュールを以下のようにして製造した。すなわち、縦３０ｍｍ×横３５ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍ、熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度が５００ＭＰａ程度のＳｉ３Ｎ４焼結体からなるセラミックス基板３を用意した。このセラミックス基板３の両面に活性金属を含むろう材を１５μｍの厚さで印刷し、さらにそれぞれのろう材上に第１の金属板５および第２の金属板７を接触させ、１×１０−３Ｐａの真空中にて８００℃×１０分間の熱処理を施して接合した。
ここで、第２の金属板７の厚さｔ２は０．２５ｍｍで一定とし、第１の金属板５の厚さｔ１は第２の金属板７ｔ２の厚さに対する比（（ｔ１／ｔ２）×１００［％］）が表１に示すような値となるように設定した。なお、第１の金属板５および第２の金属板７としてはＣｕ板を使用した。そして、第１の金属板５上にエッチングレジストを所定の形状に印刷し、塩化第二鉄液によりエッチング処理を行って回路パターンを形成した後、エッチングレジストを除去して回路基板２とした。
次いで、第１の金属板５の電子部品９が接合される部分に、表１に示すような融点および組成を有するろう材を２０μｍの厚さに印刷した。なお、この印刷された部分のろう材がろう材層８となるものである。また、表１に示すＡｇ−Ｃｕ系ろう材を主として構成するＡｇ−Ｃｕ合金は、ＡｇおよびＣｕの合計量に対してＣｕの量が２８質量％となる共晶組成を有するものである。接合後のろう材層の厚さは１０〜１５μｍの範囲であった。
この後、第１の金属板５のろう材を印刷した部分に、電子部品９としてｐ型熱電素子（ｐ型半導体素子）とｎ型熱電素子（ｎ型半導体素子）とを順に接触させて配置し、８００℃で１０分間の熱処理を施して接合した。熱電素子の配置数は７２個とした。このようにして、図２に示したような構造を有する電子部品モジュール１（ろう材層１０およびベース板１１は設けず）を得た。
Figure 2007105361
次に、各電子部品モジュール１について目視で電子部品９の接合状態を調べ、接合が可能であったものについて接合強度を測定した（ＴＣＴ前の接合性）。さらに、各電子部品モジュール１に対し、−５０℃×３０分→室温×１０分→１５５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとして３０００サイクルの熱サイクル試験を実施した。この後、目視で電子部品９の接合の維持性を調べた。接合の維持が可能であったものについては、接合強度を測定した（ＴＣＴ後の接合性）。それらの結果を表２に示す。
なお、表２において、ＴＣＴ前における接合性の「良好」は、目視により接合が可能であることが確認されると共に、接合強度が９．８ｋＮ／ｍ以上であったことを示す。ＴＣＴ前における接合性の「不良」は、目視により接合が可能であることが確認されたものの、接合強度が９．８ｋＮ／ｍ未満であったことを示す。ＴＣＴ前における接合性の「接合不可」は、目視により接合が不可能であることが確認されたことを示す。
ＴＣＴ後における接合性の「良好」は、ＴＣＴ後に目視により接合が維持されていることが確認されると共に、９．８ｋＮ／ｍ以上の接合強度が維持されていたことを示す。ＴＣＴ後における接合性の「不良」は、目視により接合が維持されていることが確認されたものの、接合強度が９．８ｋＮ／ｍ未満であったことを示す。ＴＣＴ後における接合性の「接合維持不可」は、目視により接合が維持されていないことが確認されたことを示す。
次に、接合性（ＴＣＴ前、ＴＣＴ後）が良好であった電子部品モジュール１について、実際に３００℃または５００℃の条件下で動作させ、動作可能であるかどうかを試験した。その結果を併せて表２に示す。なお、表２中の「５００℃まで」は３００℃および５００℃で動作することが確認されたことを示す。「３００℃まで」は３００℃では動作することが確認されたものの、５００℃では動作が確認されなかったことを示す。
Figure 2007105361
表１および表２から明らかなように、ろう材層８を構成するろう材としては、特にＡｇおよびＣｕの２元素の合計した含有量が８５ｗｔ％以上であるＡｇ−Ｃｕ系ろう材、またはＡｌの含有量が９０ｗｔ％以上であるＡｌ系ろう材が好ましいことが分かる。第２の金属板７の厚さに対する第１の金属板５の厚さの比は５０％以上２００％以下であることが好ましく、７５％以上１５０％以下であればより好ましいことが分かる。
次に、図１に構造を示したパワー半導体モジュールを作製し、そのＴＣＴ特性を測定、評価した。回路基板は上述した具体例と同様なものとした。電子部品９としてはＳｉＣ素子を適用した。ＳｉＣ素子は表１の試料３と試料１３と同様な組成を有するろう材で回路基板に接合した。試料３の同様なろう材を用いたパワー半導体モジュールを試料２０、試料１３の同様なろう材を用いたパワー半導体モジュールを試料２１とした。これらパワー半導体モジュールのＴＣＴ特性を以下のようにして評価した。
すなわち、試料３と試料１３と同様な組成を有するろう材層を用いてＳｉＣ素子を接合した各パワー半導体モジュールに対し、２５℃×１０分→３００℃×１０分を１サイクルとして３０００サイクルの熱サイクル試験を実施した。さらに、２５℃×１０分→５００℃×１０分を１サイクルとする熱サイクル試験、また２５℃×１０分→６００℃×１０分を１サイクルとする熱サイクル試験を、それぞれ３０００サイクル実施した。これら各熱サイクル試験後の接合不良の有無を確認した。これらの結果を表３に示す。
Figure 2007105361
表３から明らかなように、ろう材としてＳｎを１０〜１４質量％の範囲で含有するＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を用いることによって、高温でのＴＣＴ特性を高めることができる。ろう材の接合温度より２００℃低い温度までは動作が確認されたが、ろう材の融点から１００℃低い温度では接合不良が多く確認された。試料２１（Ａｌ−Ｓｉ系ろう材）はろう材の融点が低いため、５００℃以上ではＴＣＴ特性が低下した。このことから、ろう材の融点より２００℃低い温度までは接合の信頼性を維持できることが分かる。
次に、図３に構造を示した熱電変換モジュールを作製し、そのＴＣＴ特性を測定、評価した。ただし、高温側（Ｈ）に配置される第１の電極５Ａの厚さＴ１と低温側（Ｌ）に配置される第２の電極５Ｂの厚さＴ２との比を、表４に示すように変化させて熱電変換モジュール（試料２２〜２６）を作製した。これら各熱電変換モジュールのＴＣＴ特性を以下のようにして評価した。
すなわち、低温側（Ｌ）を２５℃、高温側（Ｈ）を２００℃または５００℃とし、２５℃×１０分→２００℃または５００℃×３０分を１サイクルとして３０００サイクルの熱サイクル試験を実施した。各熱サイクル試験後の熱電モジュールの動作を確認した。ＴＣＴ試験後も動作したものを「良好」、動作しなかったものを「不良」とした。ＴＣＴ試験後も熱電モジュールが動作するということは、熱電素子と電極との間に接合不良が発生していないことを意味する。これらの結果を表４に示す。
熱電素子９Ａ、９Ｂとしては、ＭｇＡｇＡｓ型結晶構造を有する金属間化合物相を主相とする熱電材料を用いた。回路基板３としては窒化珪素基板（厚さ０．３ｍｍ×横６０ｍｍ×縦６０ｍｍ）に電極５Ａ、５Ｂとして銅板を接合したものを用いた。熱電素子と電極との接合、および電極と窒化珪素基板との接合には、Ａｇを６９質量％、Ｃｕを２１質量％、Ｔｉを２質量％含有し、残部がＳｎの組成を有するろう材を使用した。接合後のろう材層の厚さは１０〜１５μｍとなるようにした。熱電素子（９Ａ、９Ｂ）は回路基板３上に６４個（＝８×８個）接合した。参考例（試料２７）として、接合層に厚さ２０μｍのＴｉ層を用いたものを用意した。
Figure 2007105361
表４から明らかなように、高温側の温度が２００℃以下の場合、つまりは高温側の温度と低温側の温度差が２００℃以下の場合には、不良が確認されなかった。一方、高温側と低温側の温度差が３００℃以上の場合には、高温側の電極厚さＴ１を低温側の電極厚さＴ２より薄くする（Ｔ１＜Ｔ２）ことによって、ＴＣＴ特性を高めることができる。一方、高温側を５００℃としたときに不良が発生した試料２２、試料２６、試料２７を比べると、電極の剥がれ等の接合不良の発生割合は、参考例（試料２７）が熱電素子数６４個中平均３０個、試料２６が２３個、試料２２が１７個であった。これはＴｉ単層では熱応力の緩和が十分ではなかったためであると考えられる。
なお、本発明は上記した実施形態に限られるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な範囲で適宜組合せて実施することができ、その場合には組合せた効果が得られる。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。
本発明の態様に係る電子部品モジュールによれば、使用温度に基づく電子部品の剥離等を抑制することできる。従って、信頼性に優れた電子部品モジュールを提供することが可能となる。このような電子部品モジュールは各種の電子部品、特に高温環境下で使用される電子部品に有効に利用されるものである。

Claims (15)

  1. 第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面とを有するセラミックス基板と、前記セラミックス基板の前記第１の主面に接合された第１の金属板と、前記セラミックス基板の前記第２の主面に接合された第２の金属板とを備える回路基板と、
    前記第１および第２の金属板の少なくとも一方にろう材層を介して接合され、少なくとも１２５℃で動作可能な電子部品とを具備し、
    前記ろう材層は前記電子部品の使用温度より高い融点を有するろう材からなることを特徴とする電子部品モジュール。
  2. 請求項１記載の電子部品モジュールにおいて、
    前記ろう材は前記電子部品の動作環境温度より高い融点を有することを特徴とする電子部品モジュール。
  3. 請求項２記載の電子部品モジュールにおいて、
    前記電子部品の前記動作環境温度は３００℃以上であることを特徴とする電子部品モジュール。
  4. 請求項３記載の電子部品モジュールにおいて、
    前記電子部品はＳｉＣ半導体素子であることを特徴とする電子部品モジュール。
  5. 請求項３記載の電子部品モジュールにおいて、
    前記電子部品は熱電素子であることを特徴とする電子部品モジュール。
  6. 請求項１記載の電子部品モジュールにおいて、
    前記第１の金属板には複数の前記電子部品が接合されていることを特徴とする電子部品モジュール。
  7. 請求項１記載の電子部品モジュールにおいて、
    前記第２の金属板にはろう材層を介してベース板が接合されていることを特徴とする電子部品モジュール。
  8. 請求項７記載の電子部品モジュールにおいて、
    前記ろう材層は前記電子部品の使用温度より高い融点を有するろう材からなることを特徴とする電子部品モジュール。
  9. 請求項１記載の電子部品モジュールにおいて、
    前記第２の金属板の厚さに対する前記第１の金属板の厚さの比は５０％以上２００％以下の範囲であることを特徴とする電子部品モジュール。
  10. 請求項１記載の電子部品モジュールにおいて、
    前記ろう材はＡｇおよびＣｕを合計で８５質量％以上含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材であることを特徴とする電子部品モジュール。
  11. 請求項１０記載の電子部品モジュールにおいて、
    前記Ａｇ−Ｃｕ系ろう材は、さらにＴｉ、ＺｒおよびＨｆから選択される少なくとも１種を１質量％以上５質量％以下の範囲で含有し、残部がＳｎおよびＩｎから選択される少なくとも１種からなる組成を有することを特徴とする電子部品モジュール。
  12. 請求項１０記載の電子部品モジュールにおいて、
    前記Ａｇ−Ｃｕ系ろう材は、ＡｇとＣｕの合計量を１００質量部としたとき、Ｃｕの割合が１０〜３５質量部の範囲の組成を有することを特徴とする電子部品モジュール。
  13. 請求項１記載の電子部品モジュールにおいて、
    前記ろう材はＡｌを９０質量％以上含有するＡｌ系ろう材であることを特徴とする電子部品モジュール。
  14. 請求項１３記載の電子部品モジュールにおいて、
    前記Ａｌ系ろう材は、さらに希土類元素から選択される少なくとも１種を０．１質量％以上３質量％以下の範囲で含有し、残部がＳｉからなる組成を有することを特徴とする電子部品モジュール。
  15. 請求項１記載の電子部品モジュールにおいて、
    さらに、前記電子部品が接合された前記回路基板を収容するケースと、前記ケースに設けられた電極と、前記電子部品と前記回路基板とを封止するように前記ケース内に充填された絶縁物質とを具備することを特徴とする電子部品モジュール。
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