JP2014183119A - 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】セラミックス基板11の一方の面側において、活性金属材及び融点が660℃以下の溶加材を介して、前記セラミックス基板と銅板とを積層する第一積層工程と、
前記セラミックス基板の他方の面側において、接合材を介して前記セラミックス基板とアルミニウム板とを積層する第二積層工程と、積層された前記セラミックス基板、前記銅板、及び前記アルミニウム板を加熱処理する加熱処理工程と、を備え、前記セラミックス基板と前記銅板、及び前記セラミックス基板と前記アルミニウム板を同時に接合することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
ここで、特許文献2に記載されたパワーモジュール用基板では、セラミックス基板の一方の面にAg−Cu−Ti系ろう材を介在させて加熱処理を行い、銅板を接合した後に、セラミックス基板の他方の面にAl−Si系ろう材を介在させて加熱処理を行い、アルミニウム板を接合している。
また、Ag−Cu−Ti系ろう材は、高価なAgを含有しているため製造コストが高くなる問題もあった。
活性金属材及び融点が660℃以下の溶加材を介して、前記セラミックス基板と前記銅板とを積層する第一積層工程と、前記セラミックス基板の他方の面側において、接合材を介して前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを積層する第二積層工程と、積層された前記セラミックス基板、前記銅板、及び前記アルミニウム板を加熱処理する加熱処理工程と、を備え、前記セラミックス基板と前記銅板、及び前記セラミックス基板と前記アルミニウム板を同時に接合することを特徴としている。
なお、本発明において融点は、固相線温度としている。また、本発明において溶加材はろう材又ははんだ材等を示す。
また、望ましくは、前記溶加材の融点が600℃以下とされているとよい。
さらに、Agを含有しない溶加材を用いてセラミックス基板と銅板とを接合するので、Ag−Cu−Ti系ろう材を用いた場合よりも製造コストを低減できる。
このような場合、銅板と活性金属材とを加熱処理時に固相拡散接合によって接合することができ、接合界面にCuと活性金属との液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制可能となる。また、溶加材の液相と銅板との間に活性金属材が介在されているので、溶加材の液相と銅板とが直接接触することがなく、接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを確実に抑制できる。
このように、溶加材がセラミックス基板と良好に接合されるとともに、活性金属材と銅板とが固相拡散接合によって接合されるので、低温条件でもセラミックス基板と銅板とを良好に接合することができ、セラミックス基板が熱劣化することを抑制できる。
具体的には、前記ろう材は、Cu−P−Sn−Ni系ろう材、Cu−Sn系ろう材、及びCu−Al系ろう材の中から選択されるいずれか一種であることが望ましい。
このようなろう材を用いた場合、ろう材の融点が低いので、低温条件でも確実にセラミックス基板と銅板との接合を行うことができる。
具体的には、前記はんだ材は、Cu−P−Sn−Ni系はんだ材又はCu−Sn系はんだ材であることが望ましい。
このようなはんだ材を用いた場合、はんだ材の融点が前記ろう材よりも低いので、より低温条件でもセラミックス基板と銅板との接合を行うことができる。
この場合、溶加材の液相中にTiが溶け込むことで確実にセラミックス基板の表面を溶加材の液相で濡れさせることができるとともに、Ti材と銅板とを固相拡散接合することができ、セラミックス基板と銅板とを確実に接合することが可能となる。
図1に、本実施形態に係るパワーモジュール用基板10を備えたパワーモジュール1を示す。
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の一方の面(図1において上面)に接合層2を介して接合された半導体素子3と、パワーモジュール用基板10の他方側(図1において下側)に配置されたヒートシンク30と、を備えている。
接合層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。
まず、図4に示すように、セラミックス基板11の一方の面(図4において上面)に、溶加材25、活性金属材26、及び回路層12となる銅板22を順に積層する(第一積層工程S01)とともに、セラミックス基板11の他方の面(図4において下面)に、図4に示すように、接合材27及び金属層13となるアルミニウム板23を順に積層する(第二積層工程S02)。すなわち、セラミックス基板11と銅板22の間において、セラミックス基板11側に溶加材25を配置し、銅板22側に活性金属材26を配置しており、セラミックス基板11とアルミニウム板23の間において、接合材27を配置している。
接合材27は、本実施形態では、融点降下元素であるSiを含有したAl−Si系ろう材とされており、具体的には、Al−7.5mass%Siろう材を用いている。
なお、固相拡散接合によって接合される活性金属材26と銅板22との接合面は、予め平滑な面とされている。
これにより、セラミックス基板11の一方の面に回路層12が形成されるとともに、セラミックス基板11の他方の面に金属層13が形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板10が製造される。
次に、パワーモジュール用基板10の回路層12の上面に、はんだ材を介して半導体素子3を接合する(半導体素子接合工程S05)。
このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール1が製造される。
また、溶加材25と銅板22との間に活性金属材26が介在されているので、溶加材25の液相と銅板22とが直接接触することがなく、接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制できる。
さらに、活性金属材26と銅板22との接合される面は、予め平滑な面とされているので、接合界面に隙間が生じることを抑制でき、活性金属材26と銅板22とを確実に接合することができる。
さらに、Agを含有しない溶加材25を用いてセラミックス基板11と銅板22とを接合するので、Ag−Cu−Ti系ろう材を用いた場合よりも製造コストを低減できる。
また、セラミックス基板11の他方の面にアルミニウム板23からなる金属層13が形成されているので、ヒートサイクル負荷時にパワーモジュール用基板10とヒートシンク30との間に生じる熱応力を金属層13によって吸収し、セラミックス基板11に割れが発生することを抑制できる。
を積層し、銅板22とアルミニウム板23とを同時に接合することができる。
過渡液相接合法において、積層方向に加圧する際の圧力は、1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下とされている。また、加熱処理における加熱温度及び加熱時間は、600℃以上650℃以下、30分以上360分以下とされている。
なお、固着層の添加元素として、Si、Cuの他に、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga、又はLi等の添加元素を用いても良い。
さらに、ヒートシンクとして冷却用の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はなく、例えば空冷方式のヒートシンクであってもよい。また、ヒートシンクは、放熱フィンを有していても良い。
まず、AlNからなるセラミックス基板(40mm×40mm×0.635mmt)の一方の面に表1に示す溶加材、活性金属材、純度99.99%の銅からなる銅板(37mm×37mm×0.3mmt)を積層し、他方の面に表1に示す接合材を介してアルミニウム板(37mm×37mm×1.6mmt)を積層する。
なお、活性金属の位置が銅板側とされた本発明例1〜12については、セラミックス基板/溶加材/活性金属材/銅板の順に積層し、セラミックス基板側とされた本発明例13についてはセラミックス基板/活性金属材/溶加材/銅板の順に積層した。
なお、表1に示す接合材として、「Al−Si」は、Al−7.5mass%Siろう材とした。「Cu(TLP)」は、固着層としてCuを用いた。「Agペースト」は、Ag粒子と有機物とを含むAgペーストとした。
このようにして、本発明例1〜13のヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
冷熱サイクルの試験方法と、接合率の評価方法を以下に説明する。
冷熱サイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製TSB−51を使用し、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、液相(フロリナート)で、−40℃×5分←→125℃×5分の3000サイクルを実施した。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板に対し、セラミックス基板と回路層との界面の接合率、及びセラミックス基板と金属層との界面の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。
ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち本実施例では回路層及び金属層の面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。なお、セラミックス基板、回路層、及び金属層にクラックが生じた場合、このクラックは超音波探傷像において白色部で示され、クラックも剥離面積として評価されることになる。
(接合率(%))={(初期接合面積)−(剥離面積)}/(初期接合面積)×100
以上の評価の結果を表1に示す。
11 セラミックス基板
12 回路層
13 金属層
22 銅板
23 アルミニウム板
25 溶加材
26 活性金属材
27、127、227 接合材
Claims (7)
- 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銅板が接合されてなる回路層と、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板が接合されてなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板の一方の面側において、活性金属材及び融点が660℃以下の溶加材を介して、前記セラミックス基板と前記銅板とを積層する第一積層工程と、
前記セラミックス基板の他方の面側において、接合材を介して前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを積層する第二積層工程と、
積層された前記セラミックス基板、前記銅板、及び前記アルミニウム板を加熱処理する加熱処理工程と、を備え、
前記セラミックス基板と前記銅板、及び前記セラミックス基板と前記アルミニウム板を同時に接合す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。 - 前記第一積層工程において、前記セラミックス基板側に前記溶加材を配置し、前記銅板側に前記活性金属材を配置することを特徴とする請求項1記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記溶加材が液相線温度450℃以上のろう材であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記ろう材は、Cu−P−Sn−Ni系ろう材、Cu−Sn系ろう材、及びCu−Al系ろう材の中から選択されるいずれか一種であることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記溶加材が液相線温度450℃未満のはんだ材であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記はんだ材は、Cu−P−Sn−Ni系はんだ材又はCu−Sn系はんだ材であることを特徴とする請求項5に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
- 前記活性金属材は、Ti材とされていることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
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