JP2015092552A - Cu/セラミックス接合体、Cu/セラミックス接合体の製造方法、及び、パワーモジュール用基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】銅又は銅合金からなる銅部材と、AlN又はAl2O3からなるセラミックス部材11とが、Ag及びTiを含む接合材を用いて接合されたCu/セラミックス接合体であって、前記銅部材とセラミックス部材11との接合界面には、Ti窒化物又はTi酸化物からなるTi化合物層31が形成されており、このTi化合物層31内にAg粒子35が分散されていることを特徴とする。
【選択図】図2
Description
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等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、このようなパワー半導体素子を搭載する基板としては、例えばAlN(窒化アルミ)、Al2O3(アルミナ)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導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備え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。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層が形成したものも提供されている。
また、特許文献2に開示されているように、活性金属ろう付け法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、接合温度が900℃と比較的高温とされていることから、やはり、セラミックス基板が劣化してしまうといった問題があった。ここで、接合温度を低下させると、ろう材がセラミックス基板と十分に反応せず、セラミックス基板と銅板との界面でとの接合率が低下してしまい、信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することができない。
この場合、Ti化合物層にAg粒子が十分に分散していることになり、Ti化合物の生成が促進され、Ti化合物層が十分に形成されることになり、銅部材とセラミックス部材とが強固に接合されることになる。
この場合、Ti化合物層内に分散するAg粒子は、粒径が10nm以上100nm以下と比較的微細であり、Tiと窒素又は酸素とが反応して上述のTi化合物層が形成される過程で生成したものであることから、Ti化合物の生成が促進されてTi化合物層が十分に形成されることになり、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合されたCu/セラミックス接合体を得ることが可能となる。
この場合、接合材は、AgとTiの他にCuも含有しており、Ti化合物層内にCu粒子が分散しているので、セラミックス部材の表面にTi化合物層が十分に形成されることになり、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合されたCu/セラミックス接合体を得ることができる。
ここで、低温保持工程における保持温度がAgとAlの共晶点温度以上とされているので、銅部材とセラミックス部材との界面にAlとAgの共晶反応による液相を確実に生成することができる。また、低温保持工程における保持温度がAgとCuの共晶点温度未満とされているので、AgがCuとの反応によって消費されずAlと反応するAgを確保することができ、AlとAgの共晶反応による液相を確実に生成することができる。
この場合、低温保持工程における保持時間が30分以上とされているので、Ti化合物層が十分に形成され、セラミックス部材と銅部材とを確実に接合することが可能となる。一方、低温保持工程における保持時間が5時間以下とされているので、エネルギー消費量を削減することができる。
この場合、加熱工程における加熱温度が790℃以上830℃以下と比較的低温に設定されているので、接合時におけるセラミックス部材への熱負荷を軽減でき、セラミックス部材の劣化を抑制することができる。また、上述のように、低温保持工程を有しているので、加熱工程における加熱温度が比較的低温であっても、セラミックス部材と銅部材とを確実に接合することができる。
この構成のパワーモジュール用基板によれば、上述のCu/セラミックス接合体で構成されているので、低温条件で接合することによりセラミックス基板への熱負荷を軽減でき、セラミックス基板の劣化を抑制することができる。また、低温条件で接合した場合であっても、セラミックス基板と銅板とが確実に接合しており、接合信頼性を確保することができる。なお、セラミックス基板の表面に接合された銅板は、回路層あるいは金属層として用いられる。
まず、本発明の第1の実施形態について、図1から図5を参照して説明する。
本実施形態に係るCu/セラミックス接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板11と、銅部材である銅板22(回路層12)とが接合されることにより構成されたパワーモジュール用基板10とされている。
図1に、本発明の第1の実施形態である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を用いたパワーモジュール1を示す。
ここで、はんだ層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。
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、本実施形態では、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。ここで、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。
このヒートシンク51(天板部52)は、本実施形態においては、パワーモジュール用基板10の金属層13にろう付けによって直接接合されている。
そして、セラミックス基板11と回路層12(銅板22)との接合界面には、図2に示すように、TiN(窒化チタン)からなるTi化合物層31と、Ag−Cu共晶層32と、が形成されている。なお、好ましい上記Ag−Cu−Ti系ろう材24のCuの含有量は、18mass%以上34mass%以下、Tiの含有量は、0.3mass%以上7mass%以下であるが、これに限定されることはない。また、本実施形態では、Ag−Cu−Ti系ろう材24として箔材を用い、厚さは3μm以上50μm以下の範囲内に設定するとよい。
Ag粒子35は、Ti化合物層31のセラミックス基板11側に多く分布しており、Ti化合物層31のうちセラミックス基板11との界面から500nmまでの界面近傍領域31AにおけるAg濃度が0.3原子%以上、好ましくは0.3原子%以上15原子%以下の範囲内とされている。なお、本実施形態では、Ti化合物層31内で観察されるAg粒子35の90%以上が、上述の界面近傍領域31Aに分布している。なお、上記界面近傍領域31Aに分布するAg粒子35のより好ましい割合は95%以上であり、上限値は100%であるが、これに限定されることはない。
また、本実施形態では、Ti化合物層31内に分散するAg粒子35の粒径が10nm以上100nm以下の範囲内とされている。なお、上記Ag粒子35の粒径は10nm以上50nm以下の範囲内に設定されてもよい。
なお、本実施形態では、このTi化合物層31には、Ag粒子35の他にCu粒子36も分散している。
セラミックス基板11とアルミニウム板23とを、ろう材25を介して積層し、積層方向に加圧するとともに真空炉内に装入してろう付けを行う。これにより、セラミックス基板11とアルミニウム板23を接合する。このとき、ろう材25としては、例えば、Al−Si系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は600〜650℃とすることが好ましい。
これにより、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。
パワーモジュール用基板10とヒートシンク51とを、ろう材26を介して積層し、積層方向に加圧するとともに真空炉内に装入してろう付けを行う。これにより、パワーモジュール用基板10の金属層13とヒートシンク51の天板部52とを接合する。このとき、ろう材26としては、例えば、厚さ20〜110μmのAl−Si系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は、アルミニウム接合工程S02におけるろう付け温度よりも低温に設定することが好ましい。
以上の工程により、図1に示すパワーモジュール1が製出される。
銅板接合工程S01では、まず、セラミックス基板11の一方の面にAg−Cu−Ti系ろう材24を介して回路層12となる銅板22を積層する(積層工程S11)。
そして、TiNからなるTi化合物層31内に、Ag粒子35及びCu粒子36が分散されることになる。
次に、本発明の第2の実施形態について、図6から図10を参照して説明する。
本実施形態に係るCu/セラミックス接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板111と、銅部材である銅板122(回路層112)及び銅板123(金属層113)とが接合されることにより構成されたパワーモジュール用基板110とされている。
図6に本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板110及びこのパワーモジュール用基板110を用いたパワーモジュール101を示す。
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、本実施形態では、絶縁性の高いAl2O3(アルミナ)で構成されている。ここで、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0.635mmに設定されている。
放熱板152は、前述のパワーモジュール用基板110からの熱を面方向に拡げるものであり、熱伝導性に優れた銅又は銅合金で構成されている。なお、放熱板152とパワーモジュール用基板110の金属層113とは、第2はんだ層108を介して接合されている。
なお、放熱板152と冷却器153とは、図6に示すように、グリース層(図示なし)を介して固定ネジ156によって締結されている。
このセラミックス基板111と回路層112(銅板122)との接合界面、および、セラミックス基板111と金属層113(銅板123)との接合界面には、図7に示すように、TiO2(酸化チタン)からなるTi化合物層131と、Ag−Cu共晶層132と、が形成されている。なお、好ましい上記Ag−Ti系ろう材124のTiの含有量は、0.4mass%以上75mass%以下であるが、これに限定されることはない。また、本実施形態ではAg−Ti系ろう材124として箔材を用い、厚さは、3μm以上25μm以下の範囲内に設定するとよい。
Ag粒子135は、Ti化合物層131のセラミックス基板111側に多く分布しており、Ti化合物層131のうちセラミックス基板111との界面から500nmまでの界面近傍領域131AにおけるAg濃度が0.3原子%以上、好ましくは0.3原子%以上15原子%以下の範囲内とされている。なお、本実施形態では、Ti化合物層131内で観察されるAg粒子135の90%以上が、上述の界面近傍領域131Aに分布している。なお、上記界面近傍領域131Aに分布するAg粒子135のより好ましい割合は95%以上であり、上限値は100%であるが、これに限定されることはない。
また、本実施形態では、Ti化合物層131内に分散するAg粒子135の粒径が10nm以上100nm以下の範囲内とされている。なお、Ag粒子135の粒径は10nm以上50nm以下の範囲内に設定されてもよい。
この銅板接合工程S101により、本実施形態であるパワーモジュール用基板110が製造される。
パワーモジュール用基板110と放熱板152とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、パワーモジュール用基板110と放熱板152とをはんだ接合する。
放熱板152と冷却器153との間にグリース(図示無し)を塗布し、放熱板152と冷却器153とを固定ネジ156によって連結する。
以上の工程により、図6に示すパワーモジュール101が製出される。
銅板接合工程S101では、まず、セラミックス基板111の一方の面にAg−Ti系ろう材124を介して回路層112となる銅板122を積層するとともに、セラミックス基板111の他方の面にAg−Ti系ろう材124を介して金属層113となる銅板123を積層する(積層工程S111)。
そして、TiO2からなるTi化合物層131内に、Ag粒子135が分散されることになる。
次に、本発明の第3の実施形態について、図11から図15を参照して説明する。
本実施形態に係るCu/セラミックス接合体は、図11に示すように、セラミックス部材であるセラミックス基板211と、銅部材である銅板222(回路層212)とが接合されることにより構成されたパワーモジュール用基板210とされている。
回路層212は、図14に示すように、セラミックス基板211の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板222が接合されることにより形成されており、第2の実施形態と同様の構成とされている。
このセラミックス基板211と回路層212(銅板222)との接合界面には、図12に示すように、TiO2(酸化チタン)からなるTi化合物層231と、Ag−Cu共晶層232と、が形成されている。
Ag粒子235は、Ti化合物層231のセラミックス基板211側に多く分布しており、Ti化合物層231のうちセラミックス基板211との界面から500nmまでの界面近傍領域231AにおけるAg濃度が0.3原子%以上、好ましくは0.3原子%以上15原子%以下の範囲内とされている。なお、本実施形態では、Ti化合物層231内で観察されるAg粒子235の90%以上が、上述の界面近傍領域231Aに分布している。なお、上記界面近傍領域231Aに分布するAg粒子235のより好ましい割合は95%以上であり、上限値は100%であるが、これに限定されることはない。
また、本実施形態では、Ti化合物層231内に分散するAg粒子235の粒径が10nm以上100nm以下の範囲内とされている。なお、Ag粒子235の粒径は10nm以上50nm以下の範囲内に設定されてもよい。
まず、セラミックス基板211の一方の面に、スクリーン印刷によってAg−Ti系ろう材ペースト224を塗布する(ろう材ペースト塗布工程S211)。なお、Ag−Ti系ろう材ペースト224の厚さは、乾燥後で20μm以上300μm以下とされている。
本実施形態では、粉末成分の含有量が、Ag−Ti系ろう材ペースト224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、Ag−Ti系ろう材ペースト224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。
また、本実施形態においては、Ag及びTiを含む粉末成分として、AgとTiとの合金粉末を使用している。この合金粉末は、アトマイズ法によって作製されたものであり、作製された合金粉末を篩い分けすることによって、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。
次に、銅板222及びセラミックス基板211を積層方向に0.5kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(4.9×104Pa以上343×104Pa以下)の範囲で加圧した状態で、真空又はアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱して保持する(低温保持工程S213)。ここで、低温保持工程S213における保持温度は、AgとAlの共晶点温度以上、AgとCuの共晶点温度未満の温度範囲とされており、具体的には570℃以上770℃以下の範囲内とされている。また、低温保持工程S213における保持時間は、30分以上5時間以下の範囲内とされている。なお、低温保持工程S213における保持温度は、590℃以上750℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、低温保持工程S213における保持時間は、60分以上3時間以下の範囲内とすることが好ましい。
そして、TiO2からなるTi化合物層231内に、Ag粒子235が分散されることになる。
また、本実施形態では、Ag−Ti系ろう材ペースト224をセラミックス基板211の一方の面に塗布するろう材ペースト塗布工程S211と、銅板222とセラミックス基板211とを、塗布したAg−Ti系ろう材ペースト224を介して積層する積層工程S212と、積層した銅板222とセラミックス基板211を積層方向に押圧した状態で、AgとAlの共晶点温度以上、AgとCuの共晶点温度未満の温度範囲で保持する低温保持工程S213と、低温保持工程S213後に、AgとCuの共晶点温度以上に加熱してAg−Ti系ろう材ペースト224を溶融する加熱工程S214と、加熱工程S214の後、冷却を行うことによって溶融したAg−Ti系ろう材ペースト224を凝固させる冷却工程S215と、を備えているので、銅板222とセラミックス基板211とを確実に接合することができる。
例えば、回路層又は金属層を構成する銅板を、無酸素銅又はタフピッチ銅の圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよい。
また、本実施形態では、Ti化合物層に分散されるAg粒子の粒径が10nm以上100nm以下の範囲内とされているものとして説明したが、これ以外のサイズのAg粒子が分散していてもよい。
また、ヒートシンクの天板部や放熱板と金属層との間に、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てもよい。
また、Ag−Ti系ろう材ペーストをセラミックス基板に塗布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、銅板にAg−Ti系ろう材ペースト等を塗布してもよい。
さらに、Ag−Ti系ろう材ペーストをスクリーン印刷によって塗布するものとして説明したが、塗布方法に限定はない。
また、積層工程(S212)の前に、Ag−Ti系ろう材ペーストの乾燥を行う工程を設けても良い。
また、Ti粉末の代わりにTiH2粉末を用いることもできる。TiH2粉末を用いた場合、粉末成分の組成は、TiH2の含有量が0.4質量%以上50質量%以下され、残部がAg及び不可避不純物とすると良い。用いられるTiH2粉末の粒径は15μm以下が好ましく、より好ましくは5μm以下であるとよい。また、TiH2粉末を用いたペーストの場合、塗布されたペーストの厚さは、乾燥後で20μm以上300μm以下とすると良い。
また、Ag粉末と、Cu粉末と、Ti粉末又はTiH2粉末との混合粉末からなるペーストを用いることもできる。
さらに、Ag−Ti系ろう材ペーストとして、TiとIn、Sn、Al、Mn及びZnから選択される1種又は2種以上の元素と、残部がAg及び不可避不純物からなるペーストを用いることもできる。この場合、接合温度をさらに低下させることができる。
また、第2の実施形態において、Ag−Ti系ろう材の箔の代わりに第3の実施形態で記載したAg−Ti系ろう材ペーストを用いることもできる。
表1に示すセラミックス基板、ろう材、銅板を用いて、Cu/セラミックス接合体を形成した。詳述すると、40mm角で厚さ0.635mmのセラミックス基板の片面に、厚さ20μmのAg及びTiを含むろう材箔を用いて、表1に示す条件で、38mm角の厚さ0.6mmの銅板を接合し、Cu/セラミックス接合体を形成した。また、ろう材として、Ag−Cu−Tiの場合にはAg−28mass%Cu−3mass%Tiのろう材を、Ag−Tiの場合にはAg−10mass%Tiのろう材を用いた。また、積層方向への加圧力(荷重)は1.5kgf/cm2とした。
なお、ろう材ペーストとして、Ag−Cu−Tiの場合には、粉末成分の組成がAg−28mass%Cu−3mass%Tiのろう材粉末(粒径20μm)と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストとし、塗布厚さは表2に記載した値とした。
Ag−TiH2の場合には、Ag粉末(粒径5μm)とTiH2粉末(粒径5μm)からなる混合粉末と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを用いた。混合粉末の組成は、TiH2:20質量%、残部:Ag及び不可避不純物とし、塗布厚さは表2に記載した値とした。
Ag−Cu−TiH2の場合にはAg粉末(粒径5μm)とCu粉末(粒径2.5μm)とTiH2粉末(粒径5μm)からなる混合粉末と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを用いた。混合粉末の組成は、Cu:27質量%、TiH2:3質量%、残部:Ag及び不可避不純物とし、塗布厚さは表2に記載した値とした。
なお、本実施例においてはペースト塗布後に150℃で乾燥を行った。表2記載の塗布厚さは乾燥後の値とした。
銅板とセラミックス基板との接合界面を、走査型電子顕微鏡(カールツァイスNTS社製ULTRA55)を用いて、倍率15000倍(測定範囲:6μm×8μm)、視野数5で観察を行い、Ti化合物層中のAg粒子及びCu粒子の有無を確認した。
銅板とセラミックス基板との接合界面を、エネルギー分散型X線検出器(ThermoFisher Scientific社製SDD検出器およびNorton System Six)を用いて、ライン分析を行い、Ti化合物層中の界面近傍のAg濃度を測定した。
銅板とセラミックス基板との接合率は、超音波探傷装置(日立パワーソリューションズ社製FineSAT200)を用いて以下の式を用いて求めた。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である銅板の面積(38mm角)とした。超音波探傷像を二値化処理した画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。
(接合率)={(初期接合面積)−(剥離面積)}/(初期接合面積)
11、111,211 セラミックス基板
12、112、212 回路層
13、113 金属層
22、122、123、222 銅板
24 Ag−Cu−Ti系ろう材
31、131、231 Ti化合物層
31A、131A、231A 界面近傍領域
35、135、235 Ag粒子
36 Cu粒子
124 Ag−Ti系ろう材
224 Ag−Ti系ろう材ペースト
Claims (8)
- 銅又は銅合金からなる銅部材と、AlN又はAl2O3からなるセラミックス部材とが、Ag及びTiを含む接合材を用いて接合されたCu/セラミックス接合体であって、
前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面には、Ti窒化物又はTi酸化物からなるTi化合物層が形成されており、
このTi化合物層内にAg粒子が分散されていることを特徴とするCu/セラミックス接合体。 - 前記Ti化合物層のうち前記セラミックス部材との界面から500nmまでの界面近傍領域におけるAg濃度が0.3原子%以上とされていることを特徴とする請求項1に記載のCu/セラミックス接合体。
- 前記Ti化合物層内に分散する前記Ag粒子の粒径が10nm以上100nm以下の範囲内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Cu/セラミックス接合体。
- 前記接合材はさらにCuを含有しており、前記Ti化合物層内にCu粒子が分散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Cu/セラミックス接合体。
- 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載されたCu/セラミックス接合体を製造するCu/セラミックス接合体の製造方法であって、
前記銅部材と前記セラミックス部材との間にAg及びTiを含む接合材を介在させた状態で、AgとAlの共晶点温度以上、AgとCuの共晶点温度未満の温度範囲で保持する低温保持工程と、
前記低温保持工程の後に、AgとCuの共晶点温度以上の温度に加熱して前記接合材を溶融する加熱工程と、
前記加熱工程の後に、冷却を行って溶融した前記接合材を凝固させて前記銅部材と前記セラミックス部材とを接合する冷却工程と、を備えていることを特徴とするCu/セラミックス接合体の製造方法。 - 前記低温保持工程における保持時間が30分以上5時間以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項5に記載のCu/セラミックス接合体の製造方法。
- 前記加熱工程における加熱温度が790℃以上830℃以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載のCu/セラミックス接合体の製造方法。
- AlN又はAl2O3からなる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接合されたパワーモジュール用基板であって、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のCu/セラミックス接合体で構成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
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