JP2014172802A - 銅部材接合用ペースト、接合体、及びパワーモジュール用基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Ag及び活性金属を含む金属粉末成分と、セラミックス粉末と、樹脂と、溶剤と、を含み、前記金属粉末成分の組成は、前記活性金属の含有量が1質量%以上30質量%以下とされ、残部がAg及び不可避不純物とされ、前記金属粉末成分の含有量に対する前記セラミックス粉末の含有量が1質量%以上15質量%以下とされていることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
このパワーモジュール用基板は、例えば、AlN(窒化アルミ)、Al2O3(アルミナ)、Si3N4(窒化ケイ素)などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に第一の金属板が接合されて構成された回路層と、セラミックス基板の他方の面に第二の金属板が接合されて構成された金属層と、を備えている。
セラミックス基板上に接合された回路層は、所定のパターンにエッチングされることにより、回路パターンとされる。このとき、回路層を構成する銅板だけではなく、Ag−Cu共晶組織層もエッチングすることが必要となる。回路層をエッチングする際には、FeCl3やCuCl2等の銅のエッチング液が用いられるが、このエッチング液ではAg−Cu共晶組織層をエッチングすることができない。そのため、Ag−Cu共晶組織層を除去するためには、さらに別のエッチング液を用いて二次エッチングを行う必要があった。
このAg−Cu共晶組織層は非常に硬いことから、銅部材とセラミックス部材との接合部に、銅部材とセラミックス部材の熱膨張係数の差に起因するせん断応力が作用したときに、Ag−Cu共晶組織層及び銅部材の変形が抑制され、セラミックス部材に割れ等が発生するといった問題があった。
特に近年では、回路層に形成される回路パターン間が微細化し、回路パターン同士が短絡しやすい傾向にあり、さらにろう染みを低減することが求められている。
すなわち、Agの銅部材への拡散によって溶融金属領域が形成されることから、接合部において溶融金属領域が必要以上に形成されなくなり、接合後(凝固後)に形成されるAg−Cu共晶組織層の厚さが薄くなるのである。このように、硬いAg−Cu共晶組織層の厚さが薄く形成されることから、セラミックス部材における割れの発生を抑制することができる。
ここで、活性金属の含有量が1質量%未満では、活性金属層を確実に形成することができず、セラミックス部材と銅部材との接合強度が低下するおそれがある。また、活性金属層の含有量が30質量%を超えると、銅部材へ拡散するAg量を確保するために、銅部材接合用ペーストを厚く塗布する必要があり、ろう染みが増加するおそれがある。以上のことから、金属粉末成分において、活性金属の含有量を1質量%以上30質量%以下の範囲内に設定しているのである。
セラミックス粉末の含有量が1質量%未満の場合では、活性金属の余剰分を十分に消費することができず、ろう染みを低減することが困難となる。また、セラミックス粉末の含有量が15質量%を超える場合では、活性金属とセラミックス粉末との反応が過剰となり、上述の活性金属層を十分に形成することができず、セラミックス部材と銅部材との接合強度が低下するおそれがある。以上のことから、金属粉末成分の含有量に対するセラミックス粉末の含有量を1質量%以上15質量%以下の範囲内に設定しているのである。
この場合、上述の活性金属層を十分に形成できるとともに、銅部材とセラミックス部材との間の隙間をセラミックス粉末によって保ち、ろう染みを低減することができる。
セラミックス粉末の粒径が0.5μm未満の場合には、セラミックス粉末の表面積が増加することにより活性金属との反応量が多くなり、活性金属を過剰に消費し、活性金属層を十分に形成することができず接合強度が低下するおそれがある。また、セラミックス粉末の粒径が20μmを超える場合には、銅部材とセラミックス部材との間隔が大きくなり過ぎるために銅部材中へのAgの拡散が生じ難くなり、接合強度が低下するおそれがある。したがって、セラミックス粉末の粒径は、上記の範囲に設定することが好ましい。
この場合、銅部材とセラミックス部材を銅部材接合用ペーストで接合する際に、セラミックス粉末と活性金属とを効率的に反応させることができ、活性金属の余剰分を確実に消費し、ろう染みを低減できる。
また、セラミックス部材(セラミックス基板)の表面に活性金属層を形成することができ、銅部材(銅板)とセラミックス部材(セラミックス基板)との接合強度の向上を図ることができる。
さらに、銅部材接合用ペーストに含まれるセラミックス粉末が活性金属の余剰分を消費するとともに、セラミックス粉末によって銅部材(銅板)とセラミックス部材(セラミックス基板)との間隔を保つことができるため、ろう染みを低減できる。
まず、第一の実施形態について説明する。
本実施形態である銅部材接合用ペーストは、Agおよび活性金属を含む金属粉末成分と、セラミックス粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものである。
ここで、金属粉末成分の含有量が、銅部材接合用ペースト全体の40質量%以上90質量%以下とされている。
また、本実施形態では、銅部材接合用ペーストの粘度が10Pa・s以上500Pa・s以下、より好ましくは50Pa・s以上300Pa・s以下に調整されている。
ここで、金属粉末成分の組成は、活性金属(本実施形態ではTi)の含有量が1質量%以上30質量%以下とされ、残部がAg及び不可避不純物とされている。本実施形態では、Tiを10質量%含んでおり、残部がAg及び不可避不純物とされている。
なお、この合金粉末の粒径は、例えば、マイクロトラック法を用いることで測定することができる。
ここで、セラミックス粉末の含有量は、前述の金属粉末成分の含有量に対して1質量%以上15質量%以下とされている。
セラミックス粉末の粒径は、0.5μm以上20μm以下、好ましくは1μm以上10μm以下に設定されている。
溶剤は、前述の金属粉末成分及びセラミックス粉末の溶媒となるものであり、例えば、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、テルピネオール、トルエン、テキサノ−ル、トリエチルシトレート等を適用できる。
可塑剤は、銅部材接合用ペーストの成形性を向上させるものであり、例えば、フタル酸ジブチル、アジピン酸ジブチル等を適用することができる。
還元剤は、金属粉末成分の表面に形成された酸化皮膜等を除去するものであり、例えば、ロジン、アビエチン酸等を適用することができる。なお、本実施形態では、アビエチン酸を用いている。
なお、分散剤、可塑剤、還元剤は、必要に応じて添加すればよく、分散剤、可塑剤、還元剤を添加することなく銅部材接合用ペーストを構成してもよい。
まず、前述のように、Agと活性金属(Ti)とを含有する合金粉末をアトマイズ法によって作製し、これを篩い分けすることによって粒径40μm以下の合金粉末を得る(合金粉末作製工程S01)。
また、溶剤と樹脂とを混合して有機混合物を生成する(有機物混合工程S02)。
そして、合金粉末作製工程S01で得られた合金粉末と、有機物混合工程S02で得られた有機混合物と、セラミックス粉末(AlN粉末)、分散剤、可塑剤、還元剤等の副添加剤と、をミキサーによって予備混合する(予備混合工程S03)。
次いで、予備混合物を、複数のロールを有するロールミル機を用いて練り込みながら混合する(混錬工程S04)。
混錬工程S04によって得られた混錬物を、ペーストろ過機によってろ過する(ろ過工程S05)。
このようにして、本実施形態である銅部材接合用ペーストが製出されることになる。
図2に、本実施形態である接合体の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板10、及び、このパワーモジュール用基板10を用いて構成されたパワーモジュール1を示す。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
本実施形態においては、銅板22(回路層12)は、純度99.99質量%以上の無酸素銅(OFC)の圧延板とされている。
そして、セラミックス基板11と回路層12との接合に、本実施形態である銅部材接合用ペーストが使用されている。
本実施形態においては、アルミニウム板23(金属層13)は、純度が99.99質量%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板とされている。
本実施形態においては、緩衝板41は、純度が99.99質量%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板とされている。
本実施形態においては、ヒートシンク51は、アルミニウム及びアルミニウム合金で構成されており、具体的にはA6063合金の圧延板とされている。また、ヒートシンク51の厚さは1mm以上10mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、5mmに設定されている。
そして、この活性金属層31に積層するようにAg−Cu共晶組織層32が形成されている。ここで、Ag−Cu共晶組織層32の厚さは15μm以下とされている。
回路層12に形成される回路パターンは、図3に示すように、回路層12、活性金属層31及びAg−Cu共晶組織層32に設けられた溝部12aによって形成されており、回路パターン間はこの溝部12aが設けられることで絶縁されている。
まず、図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面に、スクリーン印刷によって、前述の本実施形態である銅部材接合用ペーストを塗布して乾燥させることにより、銅部材接合用ペースト層24を形成する。このとき、回路層12に形成される回路パターンに対応した溝部24aを形成するように銅部材接合用ペーストを塗布する。なお、銅部材接合用ペースト層24の厚さは、乾燥後で20μm以上300μm以下とされている。
次に、銅板22をセラミックス基板11の一方の面側に積層する。すなわち、セラミックス基板11と銅板22との間に、銅部材接合用ペースト層24を介在させているのである。
次いで、銅板22、セラミックス基板11を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。すると、図6に示すように、銅部材接合用ペースト層24のAgが銅板22に向けて拡散する。このとき、銅板22の一部がCuとAgとの反応によって溶融し、銅板22とセラミックス基板11との界面に、溶融金属領域27が形成されることになる。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は790℃以上850℃以下の範囲内に設定している。
次に、溶融金属領域27を凝固させることによりAg−Cu共晶組織層32を形成し、セラミックス基板11と銅板22とを接合する。
なお、凝固工程S14が終了した後では、銅部材接合用ペースト層24のAgが十分に拡散されており、セラミックス基板11と銅板22との接合界面に銅部材接合用ペースト層24が残存することはない。
次いで、回路層12上に、形成される回路パターンに対応したレジスト層26を形成する。このレジスト層26は、例えばフォトリソグラフィー法によって形成される。
(エッチング工程S16)
次に、回路層12が形成されたセラミックス基板11を、銅のエッチング液であるFeCl3又はCuCl2溶液中に浸漬し、回路層12のエッチングを行う。このとき、レジスト層26が形成されていない領域がエッチングされ、溝部12aが形成されることにより、所定の回路パターンを得ることができる。
エッチングが終了したら、セラミックス基板11を溶液中から取り出し、洗浄後、レジスト層26を剥離する。
次に、セラミックス基板11の他方の面側に金属層13となるアルミニウム板23を接合する。本実施形態では、図5に示すように、セラミックス基板11の他方の面側に、金属層13となるアルミニウム板23が厚さ5〜50μm(本実施形態では14μm)のろう材箔25を介して積層される。なお、本実施形態においては、ろう材箔25は、融点降下元素であるSiを含有したAl−Si系のろう材とされている。
次に、セラミックス基板11、アルミニウム板23を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で加熱炉内に装入して加熱する。すると、ろう材箔25とアルミニウム板23の一部とが溶融し、アルミニウム板23とセラミックス基板11との界面に溶融金属領域が形成される。ここで、加熱温度は550℃以上650℃以下、加熱時間は30分以上180分以下とされている。
次に、アルミニウム板23とセラミックス基板11との界面に形成された溶融金属領域を凝固させることにより、セラミックス基板11とアルミニウム板23とを接合する。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板10が製出される。
次に、図5に示すように、パワーモジュール用基板10の金属層13の他方の面側(図5において下側)に、緩衝板41と、ヒートシンク51とを、それぞれろう材箔42,52を介して積層する。
本実施形態では、ろう材箔42、52は、厚さ5〜50μm(本実施形態では14μm)とされ、融点降下元素であるSiを含有したAl−Si系のろう材とされている。
次に、パワーモジュール用基板10、緩衝板41、ヒートシンク51を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で加熱炉内に装入して加熱する。すると、金属層13と緩衝板41との界面及び緩衝板41とヒートシンク51との界面に、それぞれ溶融金属領域が形成される。ここで、加熱温度は550℃以上650℃以下、加熱時間は30分以上180分以下とされている。
これにより、ヒートシンク及び緩衝板付パワーモジュール用基板が製出されることになる。
これにより、はんだ層2を介して半導体素子3が回路層12上に接合されたパワーモジュール1が製出されることになる。
そして、このように形成されたAg−Cu共晶組織層上に回路層12が接合され、所定のパターンのレジスト層26を形成した後にエッチングを行うことによって、Ag−Cu共晶組織層32と回路層12に溝部12aを設け、回路層12に形成された回路パターン間を溝部12aで絶縁できる。
セラミックス粉末の含有量が1質量%未満の場合では、活性金属の余剰分を十分に消費することができず、ろう染みを低減することが困難となる。また、セラミックス粉末の含有量が15質量%を超える場合では、活性金属とセラミックス粉末との反応が過剰となり、活性金属層31を十分に形成することができず、セラミックス基板11と銅板22との接合強度が低下するおそれがある。以上のことから、金属粉末成分の含有量に対するセラミックス粉末の含有量を1質量%以上15質量%以下の範囲内に設定しているのである。
セラミックス粉末の粒径が0.5μm未満の場合には、セラミックス粉末の表面積が増加することにより活性金属との反応量が多くなり、活性金属を過剰に消費し、活性金属層31を十分に形成することができず接合強度が低下するおそれがある。また、セラミックス粉末の粒径が20μmを超える場合には、銅板22とセラミックス基板11との間の隙間が大きくなり過ぎるために銅板22中へのAgの拡散が生じ難くなり、接合強度が低下するおそれがある。したがって、セラミックス粉末の粒径は、上記の範囲に設定されているのである。
さらに、本実施形態では、必要に応じて可塑剤を含有しているので、銅部材接合用ペーストの形状を比較的自由に成形することができ、銅板22とセラミックス基板11の接合部に確実に塗布することができる。
また、本実施形態では、必要に応じて還元剤を含有しているので、還元剤の作用により、金属粉末成分の表面に形成された酸化皮膜等を除去でき、Agの拡散及び活性金属層31の形成を確実に行うことができる。
次に、第二の実施形態について説明する。
本実施形態である銅部材接合用ペーストは、Ag及び活性金属を含む金属粉末成分と、セラミックス粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものである。
また、本実施形態では、銅部材接合用ペーストの粘度が10Pa・s以上500Pa・s以下、より好ましくは50Pa・s以上300Pa・s以下に調整されている。
ここで、金属粉末成分の組成は、活性金属(本実施形態ではZr及びZrH2)の含有量が1質量%以上30質量%以下とされ、残部がAg及び不可避不純物とされている。本実施形態では、Zr;25質量%を含んでおり、残部がAg及び不可避不純物とされている。
これらのAg粉末、Zr粉末、ZrH2粉末は、それぞれ粒径を40μm以下、好ましくは20μm以下、さらに好ましくは10μm以下に設定している。
なお、これらのAg粉末、Zr粉末、ZrH2粉末の粒径は、例えば、マイクロトラック法を用いることで測定することができる。
また、本実施形態である銅部材接合用ペーストは、第一の実施形態で示した製造方法に準じて製造されている。すなわち、合金粉末の代わりに、Ag粉末、Zr粉末、ZrH2粉末を用いた以外は、第一の実施形態と同様の手順で製造されているのである。
セラミックス基板111は、回路層112と金属層113との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いAl2O3(アルミナ)で構成されている。また、セラミックス基板111の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.32mmに設定されている。
本実施形態においては、銅板122(回路層112)は、純度99.99質量%以上の無酸素銅(OFC)の圧延板とされている。
本実施形態においては、銅板123(金属層113)は、純度99.99質量%以上の無酸素銅(OFC)の圧延板とされている。
そして、この活性金属層131に積層するようにAg−Cu共晶組織層132が形成されている。ここで、Ag−Cu共晶組織層132の厚さは15μm以下とされている。
回路層112に形成される回路パターンは、図8に示すように、回路層112、活性金属層131及びAg−Cu共晶組織層132に設けられた溝部112aによって形成されており、回路パターン間はこの溝部112aが設けられることで絶縁されている。
また、本実施形態においては、セラミックス基板111と金属層113との接合界面にも、セラミックス基板111と回路層112との接合界面と同様に活性金属層131が形成されている。
まず、図10に示すように、セラミックス基板111の一方の面及び他方の面に、スクリーン印刷によって、前述の本実施形態である銅部材接合用ペーストを塗布し、銅部材接合用ペースト層124,125を形成する。なお、セラミックス基板111の一方の面(上面)には、回路層112に形成される回路パターンに応じた溝部124aが形成されるように、銅部材接合用ペーストを塗布する。また、銅部材接合用ペースト層124,125の厚さは、乾燥後で20μm以上300μm以下とされている。
次に、銅板122をセラミックス基板111の一方の面側に積層する。また、銅板123をセラミックス基板111の他方の面側に積層する。すなわち、セラミックス基板111と銅板122、セラミックス基板111と銅板123との間に、銅部材接合用ペースト層124,125を介在させているのである。
次いで、銅板122、セラミックス基板111、銅板123を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。すると、銅部材接合用ペースト層124のAgが銅板122に向けて拡散するとともに、銅部材接合用ペースト層125のAgが銅板123に向けて拡散する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は790℃以上850℃以下の範囲内に設定している。
次に、溶融金属領域を凝固させることにより、セラミックス基板111と銅板122、123とを接合する。なお、凝固工程S114が終了した後では、銅部材接合用ペースト層124、125のAgが十分に拡散されており、セラミックス基板111と銅板122、123との接合界面に銅部材接合用ペースト層124、125が残存することはない。
次いで、回路層112上に、形成される回路パターンに対応したレジスト層126を形成する。また、金属層113の下面には、全面にレジスト層126を形成する。このレジスト層126は、例えばフォトリソグラフィー法によって形成される。
(エッチング工程S116)
次に、回路層112及び金属層113が形成されたセラミックス基板111を、銅のエッチング液であるFeCl3又はCuCl2溶液中に浸漬し、回路層112のエッチングを行う。このとき、レジスト層126が形成されていない領域がエッチングされ、溝部112aが形成されることにより、所定の回路パターンを得ることができる。
エッチングが終了したら、セラミックス基板111を溶液中から取り出し、洗浄後、レジスト層126を剥離する。
このパワーモジュール用基板110には、回路層112の上に半導体素子が搭載されるとともに、金属層113の他方側にヒートシンクが配設されることになる。
例えば、本実施形態の銅部材接合用ペーストは、セラミックス基板と銅板とを接合する際に使用するものとして説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス部材と銅部材とを接合する際に、本発明の銅部材接合用ペーストを用いてもよい。
また、銅部材接合用ペーストに含まれる金属粉末成分がTiH2等の活性金属の水素化物を含んでいてもよい。
また、セラミックス粉末の粒径を0.5μm以上20μm以下としたもので説明したが、これに限定されることはなく、粒径に限定はない。
また、分散剤、可塑剤、還元剤を含むものとして説明したが、これに限定されることはなく、これらを含んでいなくてもよい。これら分散剤、可塑剤、還元剤は、必要に応じて添加すればよい。
AlNのセラミックス基板(40mm×40mm×0.635mmt)の一方の面に、パターン間隔を2mmに設定した所定のパターン状に銅部材接合用ペーストをスクリーン印刷で塗布し、乾燥させた。また、セラミックス基板の他方の面には、37mm×37mmの面積になるように銅部材接合用ペーストをスクリーン印刷で塗布し、乾燥させた。なお、金属粉末成分に含まれる各元素の比率、銅部材接合用ペーストに対する要素粉末の成分割合、及び金属粉末成分に対するセラミックス粉末の比率は、表1に記載の条件とした。なお、表1には、活性金属の水素化物の要素粉混合比の他に、活性金属含有量も併せて記載した。また、銅部材接合用ペーストには、分散剤としてアニオン性界面活性剤を、可塑剤としてアジピン酸ジブチルを、還元剤としてアビエチン酸を用いた。樹脂、溶剤、分散剤、可塑剤、還元剤の混合比率は、質量比で、樹脂:溶剤:分散剤:可塑剤:還元剤=7:70:3:5:15とした。なお、実施例1〜3及び比較例1、2については粉末成分として合金粉末を使用し、実施例4〜7及び比較例3、4については、粉末成分として各元素の粉末(要素粉末)を使用した。
上記の評価の結果を表1に示す。
一方、比較例1は活性金属が少ないため、接合率が低下した。また、比較例2は、銅部材接合用ペースト中に含まれるセラミックス粉末が多すぎるために、活性金属が過剰に消費され、接合率が低下した。
比較例3は、銅部材接合用ペースト中の活性金属の量が多く、接合に必要なAg量を確保するため、ペーストの塗布量が多くなり、さらにセラミックス粉末が含有されていないので、ろうの染み出し量が大きくなった。比較例4は、銅部材接合用ペースト中に含まれるセラミックス粉末が少なすぎるために、ろうの染み出し量が大きくなった。
11、111 セラミックス基板(セラミックス部材)
22、122、123 銅板(銅部材)
23、223 アルミニウム板
Claims (5)
- 銅または銅合金からなる銅部材とセラミックス部材とを接合する際に使用される銅部材接合用ペーストであって、
Ag及び活性金属を含む金属粉末成分と、セラミックス粉末と、樹脂と、溶剤と、を含み、
前記金属粉末成分の組成は、前記活性金属の含有量が1質量%以上30質量%以下とされ、残部がAg及び不可避不純物とされ、
前記金属粉末成分の含有量に対する前記セラミックス粉末の含有量が1質量%以上15質量%以下とされていることを特徴とする銅部材接合用ペースト。 - 前記セラミックス粉末の粒径が0.5μm以上20μm以下とされていることを特徴とする請求項1に記載の銅部材接合用ペースト。
- 前記セラミックス粉末は、AlN、Al2O3、BNから選択される1種又は2種以上のセラミックスであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の銅部材接合用ペースト。
- 銅または銅合金からなる銅部材とセラミックス部材とが接合されてなる接合体であって、
前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の銅部材接合用ペーストを介在させた状態で加熱処理を行うことにより前記銅部材と前記セラミックス部材とが接合されていることを特徴とする接合体。 - セラミックス基板の表面に銅又は銅合金からなる銅板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、
前記銅板と前記セラミックス基板との間に、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の銅部材接合用ペーストを介在させた状態で加熱処理を行うことにより前記銅板と前記セラミックス基板とが接合されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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