JP2014183119A - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】セラミックス基板の一方の面に銅板を、他方の面にアルミニウム板を、同時かつ低温で接合でき、さらに製造コストが低いパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。
【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
【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
この発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、他方の面に金属層が配設されたパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。
風力発電、電気自動車等の電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板の一方の面及び他方の面に、導電性の優れた金属板を回路層及び金属層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。さらに、このようなパワーモジュール用基板は、金属層側に、はんだ材を介してヒートシンクが接合されることもある。
例えば、特許文献１に示すパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、銅板を接合することで回路層及び金属層が形成された構造とされている。このパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を介在させて銅板を配置し、加熱処理を行うことにより銅板が接合されている。
ところで、はんだ材を介して特許文献１に開示されたパワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを接合した場合、冷熱サイクルが負荷された際に、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に熱膨張係数の差に起因する熱応力が発生するが、金属層が変形抵抗の大きい銅からなるため、前述の熱応力を金属層が変形することによって吸収することができず、セラミックス基板に割れが発生するおそれがあった。
そこで、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面に銅板を接合することで回路層が形成され、他方の面にアルミニウム板を接合することで金属層が形成されたパワーモジュール用基板が提案されている。このパワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを接合した場合、冷熱サイクルが負荷された際にパワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に生じる熱応力を、比較的変形抵抗が小さいアルミニウムからなる金属層によって吸収し、セラミックス基板に割れが生じることを抑制できる。
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。
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。
ところで、特許文献１、２に開示されたように、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を用いてセラミックス基板と銅板とを接合すると、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材の融点が高いため、セラミックス基板が熱により劣化してしまう問題があった。
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。
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。
また、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材は、その融点がアルミニウム板の融点よりも高いため、特許文献２に開示されたパワーモジュール用基板のように、セラミックス基板の一方の面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を介して銅板を接合し、セラミックス基板の他方の面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介してアルミニウム板を接合する際には、先に銅板を接合した後に、次いでアルミニウム板を接合しなければならなかった。すなわち、回路層及び金属層を形成するために、接合を二度に分けて行わなければならず、製造工程が複雑化するとともに製造に要する時間も長くなり、製造コストが高くなる問題があった。さらに、接合時に二回熱処理が行われることにより、セラミックス基板にかかる熱負荷が大きくなり、セラミックス基板の反りが大きくなったり、セラミックス基板に割れが生じたりするおそれもあった。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、セラミックス基板の一方の面に銅板を、他方の面にアルミニウム板を、同時かつ低温で接合でき、さらに製造コストが低いパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。
前述の課題を解決するために、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、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。
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。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、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を備え、積層された前記セラミックス基板と前記銅板を加熱処理するので、加熱処理時に、溶加材が溶融した液相に活性金属が溶け込み、溶加材の液相とセラミックス基板との濡れ性が良好となる。したがって、溶加材の液相が凝固した際に、溶加材とセラミックス基板との接合が良好となる。
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。
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。
また、溶加材の融点が６６０℃以下とされているので、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を用いた場合と比較して、低温で溶加材の液相を形成することができる。このような低温域で加熱処理を行うと、セラミックス基板への熱的な負荷を軽減することができる。
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。
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。
また、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が好ましい。
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。
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。
また、上述のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記溶加材が液相線温度４５０℃以上のろう材であることが好ましい。
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。
また、上述のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記溶加材が液相線温度４５０℃未満のはんだ材であることが好ましい。
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。
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。
さらに、上述したようにセラミックス基板の一方の面に銅板を低温で接合することができるので、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板を同時に接合することができる。このように、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、銅板及びアルミニウム板を同時に接合することで、製造工程を簡略化するとともに製造に要する時間を短縮し、製造コストを低減できる。さらに、一回の加熱処理で銅板とアルミニウム板を同時に接合できるので、銅板とアルミニウム板を別々に接合する場合と比較して、セラミックス基板にかかる熱負荷を低減し、セラミックス基板の反りを小さくでき、またセラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。
また、上述のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記活性金属材は、Ｔｉ材とされていることが好ましい。
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。
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。
本発明によれば、セラミックス基板の一方の面に銅板を、他方の面にアルミニウム板を、同時かつ低温で接合でき、さらに製造コストが低いパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
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。
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。
パワーモジュール用基板１０は、図２に示すように、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図２において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図２において下面）に配設された金属層１３と、を備えている。
セラミックス基板１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、放熱性の優れた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。
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、導電性を有する銅又は銅合金の金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度９９．９９質量％以上の銅の圧延板を接合することで形成されている。なお、回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムの圧延板を接合することで形成されている。なお、金属層１３の厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．６ｍｍに設定されている。
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。この半導体素子３と回路層１２は、接合層２を介して接合されている。
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。
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。
ヒートシンク３０は、前述のパワーモジュール用基板１０からの熱を放散するためのものである。本実施形態においては、ヒートシンク３０は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、本実施形態ではＡ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。このヒートシンク３０には、冷却用の流体が流れるための流路３１が設けられている。なお、このヒートシンク３０と金属層１３とが、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されている。
次に、本実施形態に係るパワーモジュール１の製造方法について、図３のフロー図及び図４を参照して説明する。
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。
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。
ここで、溶加材２５は、融点が６６０℃以下のＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材、Ｃｕ−Ｓｎ系ろう材、又はＣｕ−Ａｌ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系はんだ材又はＣｕ−Ｓｎ系はんだ材とされている。また、望ましくは、融点が６００℃以下とされているとよい。本実施形態では、溶加材２５としてＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材箔（Ｃｕ−７ｍａｓｓ％Ｐ−１５ｍａｓｓ％Ｓｎ−１０ｍａｓｓ％Ｎｉ）を用いている。溶加材２５の厚みは、５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲とされている。
活性金属材２６は、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆといった活性元素のいずれか１種又は２種以上を含有するものとされており、本実施形態では、活性金属材２６としてＴｉ箔を用いている。活性金属材２６の厚みは、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲とされている。
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。
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。
次に、セラミックス基板１１、溶加材２５、活性金属材２６、銅板２２、接合材２７、及びアルミニウム板２３を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱処理工程Ｓ０３）。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６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、加熱時間は３０分以上３６０分以下の範囲に設定している。
この加熱処理工程Ｓ０３においては、活性金属材２６（Ｔｉ箔）と銅板２２とが固相拡散接合によって接合されるとともに、溶加材２５が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、溶加材２５を介して、セラミックス基板１１と活性金属材２６とが接合されることになる。また、加熱処理工程Ｓ０３においては、接合材２７が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、接合材２７を介してセラミックス基板１１とアルミニウム板２３とが接合される。
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。
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。
次いで、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の下面に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を介してヒートシンク３０を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）。
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。
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。
以上のような構成とされた本実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板１１と銅板２２との間において、セラミックス基板１１側に融点が６６０℃以下の溶加材２５を配置し、銅板２２側に活性金属材２６（本実施形態においてはＴｉ箔）を配置した状態で加熱処理を行う構成とされているので、加熱時に溶加材２５が溶融した液相にＴｉが溶け込み、溶加材２５の液相とセラミックス基板１１との濡れ性が良好となる。したがって、溶加材２５の液相が凝固した際に、溶加材２５とセラミックス基板１１との接合信頼性が向上する。
また、本実施形態においては、活性金属材２６と銅板２２とを積層し、加圧した状態で、温度６００℃以上６５０℃以下に加熱し保持する構成とされているので、活性金属材２６に含まれるＴｉ原子を銅板２２中に拡散させ、銅板２２に含まれる銅原子を活性金属材２６中に拡散させ、活性金属材２６と銅板２２とを固相拡散接合することができる。
加熱温度が６００℃以上の場合、活性金属材２６に含まれるＴｉ原子と銅板２２に含まれる銅原子との拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、加熱温度が６５０℃以下の場合、活性金属材２６と銅板２２との間に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できる。そのため、加熱温度は、上記の範囲に設定されている。
また、加熱処理工程Ｓ０３において、積層方向に加圧される圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２以上の場合は、活性金属材２６と銅板２２とを十分に接合させることができ、活性金属材２６と銅板２２との間に隙間が生じることを抑制できる。また、加圧される圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の場合は、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。そのため、加圧される圧力は上記の範囲に設定されている。
また、溶加材２５の融点が６６０℃以下とされているので、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を用いた場合と比較して、低温で溶加材の液相を形成することができる。
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。
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。
上述のように、溶加材２５がセラミックス基板１１と良好に接合されるとともに、活性金属材２６と銅板２２とが固相拡散接合によって接合されるので、セラミックス基板１１と銅板２２とを良好に接合でき、セラミックス基板１１と回路層１２との接合信頼性を向上させることができる。
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。
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。
さらに、上述したようにセラミックス基板１１の一方の面に銅板２２を低温で接合することができるので、セラミックス基板１１の一方の面に銅板２２を、他方の面にアルミニウム板２３を同時に接合することができる。
このように、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、銅板２２及びアルミニウム板２３を同時に接合することで、製造工程を簡略化するとともに製造に要する時間を短縮し、製造コストを低減できる。さらに、一回の加熱処理で銅板２２とアルミニウム板２３を接合できるので、銅板２２とアルミニウム板２３を別々に接合する場合と比較して、セラミックス基板１１にかかる熱負荷を低減でき、セラミックス基板１１の反りを小さくしたり、セラミックス基板１１の割れの発生を抑制したりすることが可能となる。
また、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０、パワーモジュール１によれば、セラミックス基板１１の一方の面に銅板２２からなる回路層１２が形成されているので、半導体素子３からの熱を拡げてセラミックス基板１１側に放散することができる。また、銅板２２は変形抵抗が大きいので、ヒートサイクルが負荷された際に、回路層１２の変形が抑制され、半導体素子３と回路層１２とを接合する接合層２の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。
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。
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。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
なお、上記実施の形態では、接合材としてＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介してセラミックス基板とアルミニウム板を接合する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ、ＴＬＰ）を適用して接合しても良い。過渡液相接合法では、図５に示すように、アルミニウム板２３のうちセラミックス基板１１との接合面に、スパッタリング法などによってＳｉ、Ｃｕ等の添加元素を固着して固着層１２７を形成した後に、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３を積層し、積層方向に加圧し、加熱処理を行うことでセラミックス基板１１とアルミニウム板２３を接合することができる。すなわち、過渡液相接合法では、接合材として固着層１２７を介してセラミックス基板１１とアルミニウム板２３
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。
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。
また、接合材として金属粒子と有機物とを有する金属ペーストを用いることでセラミックス基板とアルミニウム板を接合することもできる。金属ペーストとしては、例えばＡｇ粒子と有機物とを有するＡｇペーストが挙げられる。具体的には、図６に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、スクリーン印刷などによってＡｇペースト２２７を塗布し、Ａｇペースト２２７を介してセラミックス基板１１とアルミニウム板２３を積層し加熱処理を行うことで、銅板２２とアルミニウム板２３をセラミックス基板１１に同時に接合できる。Ａｇペースト２２７を用いて接合する場合、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。
また、上記の実施形態では、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して接合する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば上述した過渡液相接合法（ＴＬＰ）を適用し、固着層を介してパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合しても良い。また、Ａｇ粒子と有機物とを有するＡｇペーストを介してパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合しても良い。
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。
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。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
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。
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。
そして、積層方向に圧力１２ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面に銅板を接合し、他方の面にアルミニウム板を接合し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に回路層及び金属層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０−６Ｐａ以上、１０−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間は表１に示す条件とした。このようにしてパワーモジュール用基板を得た。
次いで、上述のパワーモジュール用基板の金属層の他方の面側にヒートシンクを接合した。ヒートシンクは、Ａ６０６３からなるアルミニウム板（５０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍｔ）とし、ヒートシンクの接合は表１に示す方法で行った。表１のヒートシンクの接合方法に示す「Ａｌ−Ｓｉ」では、Ａｌ−１０．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用い、「Ｃｕ（ＴＬＰ）」では、Ｃｕの固着層を用い、「Ａｇペースト」では、Ａｇ粒子と有機物とを含むＡｇペーストを用いて接合を行った。パワーモジュール用基板とセラミックス基板の接合時の圧力は１２ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度は６１０℃、加熱時間は６０分とし、真空雰囲気で行った。
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。
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。
上述のようにして得られた本発明例のヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、回路層とセラミックス基板との接合率、及び金属層とセラミックス基板との接合率を評価した。さらに、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、冷熱サイクル試験を行い、試験後の回路層とセラミックス基板との接合率、及び金属層とセラミックス基板との接合率を評価した。
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）
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。
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。
（接合率評価）
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。
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。
融点が６６０℃以下の溶加材を用い、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に回路層及び金属層を同時に形成した本発明例１〜１３においては、初期の接合率は高く、冷熱サイクルが負荷された後も高い接合率を維持できるヒートシンク付パワーモジュール用基板が得られることが確認された。
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
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
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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