JP2011029323A - パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】絶縁層11の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層12が配設されたパワーモジュール用基板10であって、回路層12の一方の面に、コールドスプレー法によって形成された金属被膜30が形成されており、金属被膜がNi、Cu、Agのいずれか一種からなることを特徴とする。また、金属被膜30の表面を、電界放射型走査電子顕微鏡を用いて加速電圧3kV以下で観察した際に、粒径3μm以下の小粒子と、この小粒子が凝集して形成された粒径5μm以上20μm以下の中粒子と、この中粒子が凝集して形成された粒径30μm以上の大粒子と、が観察されることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
また、例えば特許文献2に示すように、一つのパワーモジュール用基板上に複数の半導体素子が搭載されたパワーモジュールも提案されている。
そこで、従来は、例えば特許文献3に開示されているように、回路層の表面に無電解めっき等によってNiめっき膜を形成し、このNiめっき膜上にはんだ材を配設して半導体素子を接合していた。
ここで、特許文献2に記載されたように、パワーモジュール用基板に複数の半導体素子が搭載される場合には、これらの半導体素子を一度に接合する必要がある。すなわち、複数の半導体素子のうちの一つが接合不良を起こした場合、これを再度接合するためには、良好に接合されている他の半導体素子も再度接合することになってしまう。このため、一度の接合で確実に半導体素子を接合可能なパワーモジュール用基板が望まれている。
さらに、回路層の表面に形成された酸化アルミニウム被膜を金属粉末の衝突によって除去した上で、回路層上に金属被膜が形成されることになり、回路層と金属被膜とが強固に接合されることになる。
また、コールドスプレー法によって成膜された金属被膜においては、ピーニング効果によって、金属被膜内部及び回路層の表面に圧縮応力が生じることになり、金属被膜や回路層表面に亀裂が生じることが抑制される。
あるいは、前記金属被膜の前記回路層表面に平行な面に対する投影面積Spと前記金属被膜の表面積Saとの比Sa/Spが、1.5以上とされていることが好ましい。
これらの場合、金属被膜の表面積が確保され、はんだ材の濡れ性を確実に向上させることができる。
この構成のパワーモジュールにおいては、回路層上に形成された金属被膜のはんだ濡れ性が良好なため、はんだ層内部のボイドの発生を抑制でき、半導体素子と回路層とを強固に接合することが可能となる。よって、接合信頼性に優れた高品質のパワーモジュールを提供することができる。
この場合、コールドスプレー法によって成膜される金属被膜が、粒径3μm以下の小粒子と、この小粒子が凝集して形成された粒径5μm以上20μm以下の中粒子と、この中粒子が凝集して形成された粒径30μm以上の大粒子と、を有する構造となる。よって、はんだ濡れ性が良好なパワーモジュール用基板を製出することができる。
このパワーモジュール1は、回路層12が配設されたパワーモジュール用基板10と、回路層12の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、冷却器40とを備えている。
なお、金属被膜30は、図1及び図2に示すように、回路層12の表面全体には形成されておらず、半導体チップ3が配設される部分等に選択的に形成されている。
図3から図5に示すように、この金属被膜30は、粒径3μm以下の小粒子31と、この小粒子31が凝集して形成された粒径5μm以上20μm以下の中粒子32と、この中粒子32が凝集して形成された粒径30μm以上の大粒子33と、を有する構造とされている。
具体的には、金属被膜30の算術平均粗さRaは、0.5μm以上とされ、より好ましくは、0.5μm以上1.2μm以下とされている。なお、金属被膜30の算術平均粗さRaは、接触式表面粗さ計等を用いて測定することが可能である。
また、金属被膜30の回路層12表面に平行な面に対する投影面積Spと金属被膜30の表面積Saとの比Sa/Spが、1.5以上とされ、より好ましくは、2.0以上5.0以下とされている。ここで、金属被膜30の表面積Saは、例えばレーザ顕微鏡を用いて測定することができる。
まず、回路層12となるアルミニウム板及び金属層13となるアルミニウム板を準備し、これらのアルミニウム板を、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面にそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、前記アルミニウム板とセラミックス基板11とを接合する(回路層接合工程S1)。なお、回路層接合工程S1におけるろう付けの温度は、610℃〜655℃に設定されている。
このコールドスプレー法は、加熱及び加圧された作動ガスを用いて金属粉末をノズルから噴出し、金属粉末を回路層12の表面に衝突させ、粉末を塑性変形させつつ積層することによって成膜するものである。
また、作動ガスとしては、例えばN2、空気、ヘリウム等を用いることができる。また、Ni粉末を用いることから、作動ガスの温度は550℃〜650℃の範囲内に設定することが好ましく、作動ガスの圧力は、2.5MPa〜3.5MPaの範囲内に設定することが好ましい。
なお、本実施形態では、作動ガスとしてN2を使用し、作動ガスの温度を600℃、作動ガスの圧力を3MPaに設定した。
これにより、はんだ層2を介して半導体チップ3が回路層12上に接合されたパワーモジュール1が製出される。
なお、金属被膜30の算術平均粗さRaが0.5μm以上とされているので、はんだ濡れを確実に良くすることができる。また、金属被膜30の算術平均粗さRaが1.2μm以下とされているので、はんだボイドの発生を確実に抑制することができるのである。
さらに、本実施形態では、セラミックス基板11の他方側(図1において下側)に、金属層13および緩衝層15を介して冷却器40が配設されているので、半導体チップ3からの発熱によってパワーモジュール1が高温となることを防止することができる。
本発明例として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板を準備した。すなわち、純度99.99%以上のアルミニウム板からなる回路層上にNiからなる金属被膜をコールドスプレー法によって形成したものを本発明例とした。
従来例として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板において、金属被膜の代わりに、回路層表面に厚さ5μmのNiめっき膜を形成したものを準備した。
ここで、本実施例では、はんだ材としてPb−10wt%Sn材を用いて、350℃で0.1時間保持後のはんだ層の高さを測定した。
そして、得られたはんだ層内部のボイド率を、マイクロフォーカスX線検査装置(TOSMICRON 6090FP)を用いて、管電圧40kV〜70kV、管電流20μA〜120μAの条件で測定した、
また、はんだ層内部のボイド率については、Niめっき膜を形成した従来例においては5%程度とされているのに対して、コールドスプレー法によって金属被膜を形成した本発明例においては、ボイド率が1%以下に抑えられている。
なお、算術平均粗さRaの測定は、接触式表面粗さ計(ミツトヨ製SV−414)を用いて行った。また、Ni膜の表面積Saの測定は、レーザ顕微鏡(キーエンス製VK−9700、VK9710)を用いて対物倍率20倍で測定した。
例えば、回路層及び金属層を構成する金属板を純度99.99%の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度99%のアルミニウム(2Nアルミニウム)であってもよく、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていればよい。
また、コールドスプレー法の成膜条件は、本実施形態に限定されることはなく、粉末の性状、形成する金属被膜の厚さや広さ、回路層の材質や表面性状等を考慮して、適宜設計変更することが好ましい。
また、冷却器の天板部と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層がなくてもよい。
さらに、冷却器の天板部をアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよい。さらに、冷却器として、放熱フィン及び冷却媒体の流路を有するもので説明したが、冷却器の構造に特に限定はない。
2 はんだ層
3 半導体チップ(半導体素子)
10 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
12 回路層
30 金属被膜
31 小粒子
32 中粒子
33 大粒子
Claims (7)
- 絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層の一方の面には、金属粉末をその融点以下の温度で吹き付けて成膜するコールドスプレー法によって形成された金属被膜が形成されており、
前記金属被膜が、Ni、Cu、Agのいずれか一種からなることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層の表面には、Ni、Cu、Agのいずれか一種からなる金属被膜が形成されており、
前記金属被膜の表面を、電界放射型走査電子顕微鏡を用いて加速電圧3kV以下で観察した際に、
粒径3μm以下の小粒子と、
この小粒子が凝集して形成された粒径5μm以上20μm以下の中粒子と、
この中粒子が凝集して形成された粒径30μm以上の大粒子と、
が観察されることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 前記金属被膜表面の算術平均粗さRaが、0.5μm以上とされていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記金属被膜の前記回路層表面に平行な面に対する投影面積Spと前記金属被膜の表面積Saとの比Sa/Spが、1.5以上とされていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
- 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の前記回路層の一方の面側に配設された半導体素子と、を備え、前記半導体素子は、はんだ層を介して接合されていることを特徴とするパワーモジュール。
- 絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層の一方の面に、金属粉末をその融点以下の温度で吹き付けて成膜するコールドスプレー法によって、Ni、Cu、Agのいずれか一種からなる金属被膜を形成する工程を備えていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 - 前記金属粉末の粒径が5μm以上100μm以下であることを特徴とする請求項6に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
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