JP2016048774A - パワーモジュール用基板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セラミックス基板に積層された回路層と金属層とを備え、回路層は、セラミックス基板の一方の面に接合された第一アルミニウム層と、第一アルミニウム層に固相拡散接合された第一銅層とを有し、金属層は、セラミックス基板の他方の面に接合された第二アルミニウム層と、第二アルミニウム層に固相拡散接合された第二銅層とを有し、第一銅層又は前記第二銅層の少なくとも一方の銅層には、該銅層を有する回路層又は金属層とセラミックス基板との接合面の長手方向の両端部に対応する銅層の両端部に、該銅層の表面部をその厚みの50%以上95%以下の深さで除去してなる切欠部がそれぞれ設けられ、該銅層を有する回路層又は金属層における接合面の長手方向の長さの半分をLとし、該接合面の長手方向に沿う切欠部の幅をWとしたときに、比率(W/L)が0.02以上0.27以下である。
【選択図】 図1
Description
このように、回路層を銅で形成することにより、アルミニウムを用いる場合と比べて半導体素子で発生する熱を速やかに放熱することができる。
この場合、比率(W/L)が0.02未満では、応力緩和の効果に乏しく、一方、0.27を超えても、それ以上の応力緩和効果が増大することはなく、効果は飽和するとともに、熱抵抗も大きくなる。
パワーモジュール用基板には、冷却時にセラミックス基板に比べて回路層や金属層が大きく収縮するため、セラミックス基板と接合されるアルミニウム層(第一アルミニウム層、第二アルミニウム層)の両端部に引張力が働き、冷却時のひずみが大きくなる。このひずみの発生が最大となる位置は、銅層を切欠いた面とは逆の面のアルミニウム層の両端部であるが、第一銅層又は第二銅層のうちの銅層の厚みが厚い方に切欠部を設けた場合には、熱収縮による引張力に加え、反りによる引張力が加わる。このため、応力は増大し、ひずみも増加する傾向がある。一方、銅層の厚みが薄い方に切欠部を設けた場合には、反りの方向が逆になるので、すなわち厚みの薄い銅層に向けて凸状に反るので、応力を低減させ、ひずみを低減させることができる。したがって、少なくとも厚みが薄い方の銅層に切欠部を設けることで、厚みが厚い方の銅層に切欠部を設ける場合と比較して、高い応力緩和効果とひずみ緩和効果とが得られる。
第一銅層と第二銅層とに、それぞれ切欠部が設けられていると、片側に切欠部を設けた場合よりも、セラミックス基板との接合面に生じる応力を緩和させ、ひずみを緩和させることができる。
セラミックス基板に接合する前に銅層に切欠部を形成しておくことで、セラミックス基板に接合する際にセラミックス基板が受ける銅層の熱伸縮の影響をも低減することができる。
図1に示すパワーモジュール用基板10Aは、セラミックス基板11と、そのセラミックス基板11の一方の面11fに積層された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面11bに積層された金属層13とを有している。
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、AlN,Si3N4,Al2O3等で構成されている。また、セラミックス基板11の厚みは0.2mm〜1.5mmの範囲内に設定されている。本実施形態では、AlNを用い、厚さ0.635mmに設定されている。
第一アルミニウム層12Aは、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板がセラミックス基板11の一方の面11fに接合されることにより形成されており、本実施形態においては、第一アルミニウム層12A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)の圧延板からなるアルミニウム板をセラミックス基板11に接合されることにより形成されている。
また、第一銅層12Bは、第一アルミニウム層12Aの一方側(図1において上側)に純銅や銅合金からなる板が接合されることにより形成されており、本実施形態においては、第一銅層12Bは、無酸素銅の圧延板からなる銅板が第一アルミニウム層12Aに固相拡散接合されることにより形成されている。
第二アルミニウム層13Aは、アルミニウム板がセラミックス基板11の他方の面11bに接合されることにより形成されており、回路層12の第一アルミニウム層12Aと同一材料により形成される。本実施形態においては、上述したように第一アルミニウム層12A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)の圧延板からなるアルミニウム板がセラミックス基板11に接合されることにより形成されており、第二アルミニウム層13Aも、第一アルミニウム層12Aと同一の純度が99.99%質量以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなるアルミニウム板がセラミックス基板11に接合されることにより形成されている。
また、第二銅層13Bは、第二アルミニウム層13Aの他方側(図1において下側)に接合されることにより形成されており、回路層12の第一銅層12Bと同一材料により形成される。したがって、本実施形態においては、第二銅層13Bは、第一銅層12Bと同じ無酸素銅の圧延板からなる銅板が第二アルミニウム層13Aに固相拡散接合されることにより形成されている。
また、パワーモジュール用基板10Aの回路層12の第一アルミニウム層12Aの厚み及び金属層13の第二アルミニウム層13Aの厚みは、ほぼ等しく、0.1mm以上1.0mm以下の範囲とされる。
そして、これら第一銅層12B及び第二銅層13Bのうち、回路層12を構成する第一銅層12Bの周縁部には、その表面部(セラミックス基板11とは反対側の表面部)を除去してなる切欠部15が周方向に沿って形成されている。この切欠部15は、第1銅層12Bの周縁部の厚みを薄くするように形成されている。この場合、セラミックス基板11と回路層12(第一アルミニウム層12A)との接合面の長手方向の長さの半分をL、セラミックス基板11と回路層12との接合面の長手方向に沿う第一銅層12Bの切欠部15の幅をWとしたときに、比率(W/L)が、0.02以上0.27以下とされる。
また、第一銅層12Bの切欠部15の深さd1は、第一銅層12Bの厚みt1の50%以上95%以下とされる。
(アルミニウム層形成工程)
セラミックス基板11の一方の面11fにAl−Si系ろう材40を介してアルミニウム板12aを積層するとともに、セラミックス基板11の他方の面11bに同様にAl−Si系ろう材40を介してアルミニウム板13aを積層する。そして、この積層体を加圧・加熱後に冷却することにより、セラミックス基板11に両アルミニウム板12a,13aを接合して第一アルミニウム層12A及び第二アルミニウム層13Aを形成する。なお、このろう付け温度は、610℃〜650℃に設定される。
次に、周縁部の表面部を機械加工により切除して切欠部15を形成した第一銅層12Bとなる銅板12bを用意するとともに、第二銅層13Bとなる銅板13bを用意しておき、第一アルミニウム層12Aの一方側(上側)に銅板12bを配置し、第二アルミニウム層13Aの他方側(下側)に銅板13bを配置する。そして、これらの積層体をその積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入して、加熱処理を行う。本実施形態においては、第一アルミニウム層12A及び銅板12b、第二アルミニウム層13A及び銅板13b、の接触面に負荷される荷重は、0.29MPa以上3.43MPa以下とされ、加熱温度を400℃以上548℃未満とし、5分以上240分以下保持して固相拡散接合を行う。これにより、第一アルミニウム層12Aに銅板12bを接合して第一銅層12Bを形成すると同時に、第二アルミニウム層13Aに銅板13bを接合して第二銅層13Bを形成することにより、回路層12と金属層13が形成され、本実施形態に係るパワーモジュール用基板10Aが得られる。
また、本実施形態においては、第一アルミニウム層12Aと銅板12b、第二アルミニウム層13Aと銅板13bの、それぞれの接合面は、予め傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合される。また、固相拡散接合における真空加熱の好ましい加熱温度は、AlとCuの共晶温度−5℃以上、共晶温度未満の範囲とされている。
この一連の製造工程において、パワーモジュール用基板10Aは繰り返し加熱されるため、変形抵抗の大きい銅層12B,13Bの熱伸縮に応じてセラミックス基板11の接合面(アルミニウム層12A,13Aとの接合面)に応力が発生するが、第一銅層12Bの周縁部においては、切欠部15により第一銅層12Bの厚さが小さく形成されているので、この切欠部15に対応するセラミックス基板11の接合面の周縁部に生じる応力が緩和される。また、このパワーモジュール基板10Aにより構成したパワーモジュール100の使用環境において、冷熱サイクルが負荷される場合も同様、第一銅層12Bの切欠部15に対応するセラミックス基板11の接合面の周縁部に生じる応力が緩和される。
したがって、このパワーモジュール用基板10Aは、セラミックス基板11の接合面の周縁部に応力が集中することが防止され、この周縁部におけるひずみの蓄積が小さく、剥離の発生を低減することができる。
そして、この図8に示すように、銅層の切欠部15は、必ずしも周縁部の全長にわたって形成しなくてもよく、セラミックス基板との接合面が長手方向を有する場合、その長手方向の両端部に対応する両端部に形成すればよい。
セラミックス基板として厚さ0.635mmで、平面が32mm×32mmの矩形の窒化アルミニウム、第一及び第二アルミニウム層として厚さ0.6mmで、平面が30mm×30mmの矩形の純度99.99質量%以上の4Nアルミニウム、第一及び第二銅層として厚さ2.0mmで、平面が30mm×30mm矩形の無酸素銅を用いた基準モデルを設定し、その基準モデル(切欠部のないモデル)に対して、第一及び第二銅層の端部の切欠部の大きさを変量した各試料を想定し、熱抵抗と、切欠部に対応するセラミックス基板とアルミニウム層との接合面の端部に生じる累積ひずみとを解析した。これらの解析においては、セラミックス基板とアルミニウム層との接合面の長手方向の半分(L=15mm)の部分について解析した。解析結果を表1及び図9〜図11に示す。
この図9からわかるように、切欠部の幅W(W1,W2)が大きくなるほど、また切欠部の深さd(d1,d2)が大きくなるほど、熱抵抗が大きくなる。熱抵抗の増加は切欠部の大きさにほぼ比例すると言える。
一般に、冷熱サイクルによるアルミニウム層の破断及び接合面の剥離に対する寿命は、以下の式(1)で表されるマンソン・コフィン則に従う。
Δεp×Nfb=C ・・・(1)
但し、Δεpは塑性ひずみ振幅、Nfは疲労寿命、Cは材質に基づく定数である。
この式(1)によれば、アルミニウム層の破断及び接合面の剥離に対する寿命を延ばすためには、塑性ひずみ振幅を小さくする必要があることが分かる。
このような理由により、冷熱サイクル試験において、アルミニウム層の塑性ひずみ振幅を算出して、算出した塑性ひずみ振幅に基づき、寿命がどの程度改善されたのかを知ることができる。その塑性ひずみ振幅(Δεp)を累積ひずみとしている。
この図10からわかるように、切欠部の深さd(d1,d2)が大きくなるほど、累積ひずみは小さくなる。これに対して、切欠部の幅W(W1,W2)は、ある程度の大きさまでは累積ひずみが小さくなるが、それ以上はひずみの増加は認められず、ひずみ低減の効果が飽和している。
図11に示すように、すべてのケースで切欠部の幅W=0.3mm以上で変化率がマイナスに転じている。このことから、切欠部の幅Wの下限は接合面の長さLに対して比率(W/L)が(0.3/15)=0.02となる大きさとした。
一方、比率(W/L)が(6/15)=0.4の場合、ひずみは小さくなるものの熱抵抗が基準モデルに対して5%以上上昇することが分かった。そのため、切欠部の幅Wの上限は接合面の長さLに対して比率(W/L)が(4/15)=0.27となる大きさとした。
この結果より、第一銅層と第二銅層とのうち少なくとも一方に切欠部を設け、その切欠部の幅Wと接合面の長さの半分Lとの比率(W/L)が0.02以上0.27以下であれば、切欠部を有しない場合に比べて、接合面に生じるひずみが減少し、かつ熱抵抗の上昇も少ないことがわかる。
例えば、銅層の切欠部を接合前に形成しておいたが、パワーモジュール用基板として接合した後に銅層の切欠部を形成してもよい。この場合でも、仕様環境において冷熱サイクルが負荷される場合に有効であり、セラミックス基板の接合面の端部の応力を緩和して剥離防止することができる。
さらに、セラミックス基板の両面の銅層が同じ材料として説明したが、必ずしも同じ材料でなくてもよい。その場合、セラミックス基板の両側で熱膨張及び変形抵抗が異なるために反りが生じるおそれがあるが、本発明は、そのような反りが生じるものにおいても有効であり、セラミックス基板の接合面の端部の応力を緩和して剥離防止することができる。
11 セラミックス基板
11f 一方の面
11b 他方の面
12 回路層
12a アルミニウム板
12A 第一アルミニウム層
12b 銅板
12B 第一銅層
13 金属層
13a アルミニウム板
13A 第二アルミニウム層
13b 銅板
13B 第二銅層
15,15A,15B 切欠部
31 ヒートシンク
40 ろう材
60 半導体素子
100 パワーモジュール
Claims (5)
- セラミックス基板の一方の面に積層された回路層と、他方の面に積層された金属層とを備えたパワーモジュール用基板であって、
前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第一アルミニウム層と、該第一アルミニウム層に固相拡散接合された第一銅層とを有し、
前記金属層は、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第二アルミニウム層と、前記第二アルミニウム層に固相拡散接合された第二銅層とを有し、
前記第一銅層又は前記第二銅層の少なくとも一方の銅層には、該銅層を有する前記回路層又は前記金属層と前記セラミックス基板との接合面の長手方向の両端部に対応する前記銅層の両端部に、該銅層の表面部をその厚みの50%以上95%以下の深さで除去してなる切欠部がそれぞれ設けられ、
前記銅層を有する前記回路層又は前記金属層における前記接合面の前記長手方向の長さの半分をLとし、該接合面の前記長手方向に沿う前記銅層の前記切欠部の幅をWとしたときに、比率(W/L)が0.02以上0.27以下
であることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 前記第一銅層又は前記第二銅層のうちの厚さが薄い方の銅層に、前記切欠部が設けられていることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール用基板。
- 前記第一銅層と前記第二銅層とに、それぞれ前記切欠部が設けられていることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール用基板。
- 請求項1から3のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記第一銅層の表面上に搭載された半導体素子とを備えるパワーモジュール。
- 請求項1から3のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記切欠部は、前記第一銅層及び前記第二銅層が前記第一アルミニウム層又は第二アルミニウム層を介して前記セラミックス基板に接合される前に形成しておくことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
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