JP4998404B2 - パワーモジュール用基板及びその製造方法並びにパワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、大電流、大電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板及びその製造方法並びにパワーモジュールに関する。

一般に、半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは、その発熱量が比較的高いことが知られている。パワーモジュールに搭載されるパワーモジュール用基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）のセラミックス基板の表面に回路層を接合し、裏面に金属層を接合して形成されたものがある。この回路層の上には、はんだ材を介して半導体チップ等の電子部品が搭載される。また、金属層はこの電子部品から発せられる熱を効率良く放熱させるための熱伝達層として設けられており、この金属層を介してヒートシンク等の放熱板上にパワーモジュール用基板が接合されるようになっている。

セラミックス基板と金属層（又は回路層）との良好な接合強度を得るために、例えば、特許文献１には、この金属層として、異なる金属材料を積層してなるクラッド材を用いる方法が提案されている。そしてこのクラッド材として、例えば、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃｕの３層のものが用いられている。

前記Ａｌ層は、この金属層（クラッド材）のセラミックス基板側の面に配置され、前記Ｃｕ層は、セラミックス基板側と反対側の面に配置され、Ｔｉ層は、このＡｌ層とＣｕ層との間に介在して配置されている。そしてこれらセラミックス基板と金属層との各層間がろう付けにより接合されている。このように、金属層として異なる金属材料からなるクラッド材を用いることで、夫々の材料の熱膨張係数の違いを利用し、熱サイクル時における接合信頼性を向上させるようになされている。
特開平１１−９７８０７号公報

しかしながら、前記金属層を、異なる金属材料のクラッド材で形成した場合、それら金属材料間で腐食が発生したり、或いは各金属材料間の接合面の密着性が十分に確保できなかったりして、熱サイクル時にこれら接合面が剥離してしまうという問題があった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであって、熱サイクル時の接合信頼性を向上することができるパワーモジュール用基板及びその製造方法並びにパワーモジュールを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。すなわち本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の表面に回路層が配置され、裏面に金属層が配置されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層は、アルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満の第１層と、アルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上の第２層とを含む２以上の層を積層してなるクラッド材により形成されており、前記クラッド材の前記第１層を、前記セラミックス基板側と反対側の面として、これらセラミックス基板と金属層とを、互いにろう付けにより接合することを特徴とする。また、本発明に係るパワーモジュールは、前記パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールであって、前記回路層の表面に半導体チップが接合され、前記第１層の裏面にヒートシンクが接合されていることを特徴とする。

この発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュールによれば、前記金属層が、同一金属（アルミニウム）の２以上の層を積層してなるクラッド材により形成されているので、各層の間に異種金属材料に起因する腐食が発生する虞がなく、接合面の密着性が十分に確保される。また、前記クラッド材は、そのセラミックス基板側と反対側の面がアルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満で形成される高硬度・高強度の第１層とされているので、この第１層が、後工程においてこの層の裏面に接合される高熱膨張係数のヒートシンクの熱膨張・熱収縮を効果的に拘束し、熱サイクル時における接合信頼性を向上することができる。

また、前記第１層の前記セラミックス基板側がアルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上で形成される低硬度・低耐力の第２層とされているので、熱サイクル時において、この第２層が、高熱膨張係数のヒートシンクと低熱膨張係数のセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因して発生する応力を緩和する緩衝材の役割を果たし、これらの接合信頼性をより向上させることができる。

本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法において、前記金属層として、前記第１層と第２層とを含む計３層からなるクラッド材を用いることとしてもよい。これによれば、前記クラッド材の表面・裏面が夫々アルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満で形成される高硬度・高強度の層とされ、これらの層に接合されるヒートシンク及びセラミックス基板の熱膨張・熱収縮を効果的に拘束することができる。またこれら２つの層の間がアルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上で形成される低硬度・低耐力の層とされるので、この層が熱サイクル時においてこの積層体に発生する応力を緩和し、接合信頼性をより向上させることができる。また、種々の用途に応じて、多様に対応可能なパワーモジュール用基板を提供することができる。

また、本発明に係るパワーモジュール用基板において、前記セラミックス基板は、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４の内、いずれかの材料で形成されていることとしてもよい。

本発明に係るパワーモジュール用基板及びその製造方法並びにパワーモジュールによれば、熱サイクル時の接合信頼性を向上することができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の第一実施形態のパワーモジュールを示す縦断面図、図２は本発明の第二実施形態のパワーモジュールを示す縦断面図である。

本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール１０（１０ａ）は、図１に示すように、セラミックス基板１を有するパワーモジュール用基板４と、該パワーモジュール用基板４の表面に搭載された半導体チップ５と、パワーモジュール用基板４の裏面に接合されたヒートシンク７とから構成されている。

パワーモジュール用基板４は、セラミックス基板１の表面側に回路層２が積層されるとともに、裏面側に放熱のための熱伝達層となる金属層３が積層された構成である。セラミックス基板１は、例えばＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物系セラミックスにより形成される。また回路層２は純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウムの単層により形成されている。また金属層３は、純度の異なる２層のアルミニウムが予めクラッドされるクラッド材であり、そのセラミックス基板１側と反対側の面が純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満のアルミニウムの第１層３ａとされ、そのセラミックス基板１側の面が純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウムの第２層３ｂとされている。これら第１層３ａ及び第２層３ｂは、夫々約０．１〜１．５ｍｍの厚みで形成されている。

セラミックス基板１、回路層２、金属層３の相互間、及び金属層３とヒートシンク７との間は、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を介してろう付け接合されている。また、回路層２と半導体チップ５との間は、はんだ材によってはんだ接合されている。図中符号６は、このはんだ材の接合層を示している。

ヒートシンク７は、Ａｌ合金の押し出し成形によって形成された扁平な筒体８内に、この筒体８の押し出し方向に沿って形成される複数のフィン９が幅方向に並べられて配置されている。そして、各フィン９間に複数の微細流路１１が形成されている。

次に、このような積層構造とされるパワーモジュール用基板４並びにパワーモジュール１０を製造する方法について説明する。パワーモジュール用基板４を製造するには、まず、セラミックス基板１の両面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔を配置し、その表面に回路層２、裏面に金属層３を夫々配置する。そして、これらセラミックス基板１、ろう材箔、回路層２、金属層３からなる積層体を、真空雰囲気中において積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させることによって、このセラミックス基板１の表面に回路層２、裏面に金属層３がろう付け接合されたパワーモジュール用基板４が製造されるようになっている。

また、パワーモジュール１０を製造するには、前述のようにしてパワーモジュール用基板４を製造した後、このパワーモジュール用基板４に、表面の脱脂、エッチング、ディマット処理し、ダブルジンケート処理を施し、めっき浴により１〜７μｍ程度のＮｉ−Ｐめっき膜を形成する。次に、このパワーモジュール用基板４の回路層２表面に、半導体チップ５をはんだ材６によりはんだ接合し、金属層３の裏面にヒートシンク７をはんだ接合又はろう付け接合して、パワーモジュール１０が製造される。

前述のように構成されたパワーモジュール１０は、パワーモジュール用基板４の金属層３を同一金属（アルミニウム）からなる積層構造とすることにより、このパワーモジュール用基板４とヒートシンク７との接合界面における腐食・剥離の発生を有効に防止することができるものである。また、本発明の実施形態によれば、金属層３の、セラミックス基板１側と反対側の面がアルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満で形成される高硬度・高強度の第１層３ａとされ、この第１層３ａが、その裏面に接合される高熱膨張係数のヒートシンク７の熱膨張・熱収縮を効果的に拘束し、熱サイクル時における接合信頼性を向上することができる。

また、第１層３ａのセラミックス基板１側がアルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上で形成される低硬度・低耐力の第２層３ｂとされているので、熱サイクル時において、この第２層３ｂが、高熱膨張係数のヒートシンク７と低熱膨張係数のセラミックス基板１との熱膨張係数の差に起因して発生する応力を緩和する緩衝材の役割を果たし、これらの接合信頼性をより向上させることができる。

次に、本発明の第二実施形態について、図２を用いて説明する。尚、前述の第一実施形態と同様の部位には、同一の符号を付しその説明を省略する。
図２において、パワーモジュール１０（１０ｂ）は、その金属層３が３層のアルミニウムのクラッド材からなり、そのセラミックス基板１側と反対側の面が純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満のアルミニウムの第１層３ａとされ、第１層３ａに隣接するセラミックス基板１側の層が純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウムの第２層３ｂとされている。また、この第２層３ｂのセラミックス基板１側が、純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満のアルミニウムの第３層３ｃとされている。これら第１層３ａ、第２層３ｂ、第３層３ｃは、夫々約０．１〜１．５ｍｍの厚みで形成されている。

また、セラミックス基板１、回路層２、金属層３の相互間、及び金属層３とヒートシンク７との間は、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を介してろう付け接合されている。

本発明の第二実施形態によれば、金属層３を形成する３層からなるクラッド材の表面・裏面が夫々アルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満で形成される高硬度・高強度の第１層３ａ、第３層３ｃとされているので、これらの層に接合されるヒートシンク７及びセラミックス基板１の熱膨張・熱収縮を有効に拘束することができる。またこれら２つの層３ａ，３ｃの間の層がアルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上で形成される低硬度・低耐力の第２層３ｂとされるので、この層が熱サイクル時においてこの積層体に発生する応力を緩和し、熱サイクル時における接合信頼性をより向上させることができる。また、種々の用途に応じて、多様に対応可能なパワーモジュール用基板４を提供することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、本実施形態では回路層２を純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウムの単層により形成されるとしたがこれに限らず、回路層２を金属層３の積層構造と同様にアルミニウムの２又は３層からなるクラッド材を用いて形成し、セラミックス基板１を対称面として、金属層３の積層構造と面対称に配置して構成してもよい。

また本実施形態では、セラミックス基板１、回路層２、金属層３の相互間、及び金属層３とヒートシンク７との間は、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材によって接合されるとしたが、Ａｌ合金系のろう材であればこれに限ることなく、例えば、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｇｅ系のものを用いてもよい。

また本実施形態では、パワーモジュール用基板４の裏面に複数の微細流路１１を備えるヒートシンク７が接合されるとしたが、放熱効果を持つものであればこれに限らず、例えば、ヒートシンク７の代わりに複数の放熱フィンを備えた放熱板を用いてもよい。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。ただし本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
[実施例１]
まず、パワーモジュール用基板４として、Ａｌ（回路層２）／ＡｌＮ（セラミックス基板１）／Ａｌ（金属層３）をこの順に積層するとともに、各層の間にＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔を配置し、真空中で積層方向に荷重をかけて加熱しろう付け接合した。ここで、回路層２には、アルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上の単層のものを用いた。また金属層３には、アルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満（２Ｎ−Ａｌ）の第１層３ａと、アルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上（４Ｎ−Ａｌ）の第２層３ｂとからなる２層のクラッド材を用いた。そして、金属層３のセラミックス基板１側と反対側の面が第１層３ａとされ、そのセラミックス基板１側の面が第２層３ｂとされるよう配置して前記接合を行った。第１層３ａ及び第２層３ｂの厚みは、夫々０．３ｍｍとした。

次に、このパワーモジュール用基板４に、表面の脱脂、エッチング、ディマット処理後、ダブルジンケート処理を施し、無電解Ｎｉ−Ｐめっき浴（市販）中で１０分間浸漬し、約５μｍのＮｉ−Ｐめっき膜を形成した。そして、このパワーモジュール用基板４の表面に半導体（Ｓｉ）チップ５を、裏面にヒートシンク７を、夫々はんだ付けにより接合した。

次に、このようにして得られたパワーモジュール用基板４を用いて、熱サイクル試験（―４０℃⇔１２５℃）を繰り返し行い、これを３０００サイクル行った時点で、熱抵抗の上昇を測定し、また超音波探傷によりクラックの進展を検査して、その接合信頼性を評価した。その結果を、表１として示す。

[実施例２]
金属層３として、第１層３ａの厚みが０．４ｍｍ、第２層３ｂの厚みが０．２ｍｍからなるクラッド材を用い、実施例１と同様にＡｌ（回路層２）／ＡｌＮ（セラミックス基板１）／Ａｌ（金属層３）の順に積層させ、各層の間にＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔を配置し、真空中で積層方向に荷重をかけ加熱しろう付け接合してパワーモジュール用基板４を得た。次に、このパワーモジュール用基板４とヒートシンク７とをＡｌ合金系のろう材箔を用いて接合させた後、表面の脱脂、エッチング、ディマット処理を行い、ダブルジンケート処理を施した。そして、無電解Ｎｉ−Ｐめっき浴（市販）中で１０分間浸漬し、約５μｍのＮｉ−Ｐめっき膜を形成した。その後、このパワーモジュール用基板４の表面に半導体（Ｓｉ）チップ５をはんだ付けした。このはんだ付けには、Ｐｂ−１０ｗｔ％Ｓｎはんだ材を用い、Ｈ_２＋Ｎ_２＝７：９３の混合雰囲気中で、３６０℃加熱により行った。それ以外は実施例１と同様にして、その評価を行った。

[実施例３]
金属層３として、アルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満（２Ｎ−Ａｌ）の第１層３ａ及び第３層３ｃと、これら第１層３ａ及び第３層３ｃの間に配置されるアルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上（４Ｎ−Ａｌ）の第２層３ｂとからなる３層のクラッド材を用いた。また、第１層３ａ、第２層３ｂ、第３層３ｃの各厚みを、夫々０．２ｍｍとした以外は、実施例２と同様にして、その評価を行った。

[比較例１]
金属層として、Ａｌ及びＣｕの異なる金属材料からなる２層のクラッド材を用いた。そして回路層２、セラミックス基板１、前記金属層を積層させる際、この金属層のセラミックス基板１側と反対側の面にＣｕ層を配置し、そのセラミックス基板１側の面にＡｌ層を配置して、これらを接合した。そして、得られたパワーモジュール用基板の表面に半導体（Ｓｉ）チップ５を、裏面にヒートシンク７を、夫々はんだ付けにより接合した以外は、実施例１と同様にして、その評価を行った。

[比較例２]
パワーモジュール用基板とヒートシンク７との接合にＡｌ合金系のろう材箔を用いてろう付け接合させた後、このパワーモジュール用基板の表面に半導体（Ｓｉ）チップ５をはんだ付けした以外は、比較例１と同様にして、その評価を行った。

[比較例３]
金属層として、Ａｌ／Ｎｉ／Ｃｕの順に積層され、異なる金属材料からなる３層のクラッド材を用いた。そして回路層２、セラミックス基板１、前記金属層を積層させる際、この金属層のセラミックス基板１側と反対側の面にＣｕ層を配置し、そのセラミックス基板１側の面にＡｌ層を配置して、これらを接合した。そして、得られたパワーモジュール用基板の表面に半導体（Ｓｉ）チップ５を、裏面にヒートシンク７を、夫々はんだ付けにより接合した。それ以外は、比較例１と同様にして評価を行った。

[比較例４]
パワーモジュール用基板とヒートシンク７との接合にＡｌ合金系のろう材箔を用いてろう付け接合させた後、このパワーモジュール用基板の表面に半導体（Ｓｉ）チップ５をはんだ付けした以外は、比較例３と同様にして、その評価を行った。

[比較例５]
金属層として、Ａｌ／Ｔｉ／Ｃｕの順に積層され、異なる金属材料からなる３層のクラッド材を用いた以外は、比較例３と同様にして、その評価を行った。

[比較例６]
パワーモジュール用基板とヒートシンク７との接合にＡｌ合金系のろう材箔を用いてろう付け接合させた後、このパワーモジュール用基板の表面に半導体（Ｓｉ）チップ５をはんだ付けした以外は、比較例５と同様にして、その評価を行った。

表１に示す通り、実施例１乃至実施例３においては、パワーモジュール用基板４とヒートシンク７との接合がはんだ付け・ろう付けのどちらの手段によるに関わらず、接合界面の剥離やクラックの進展が認められず、その熱サイクル時における接合信頼性が高いことがわかった。

一方、比較例１、比較例２、比較例４においては、金属層の異種金属材料間における接合界面の剥離が起きた。また、比較例３、比較例５、比較例６においては、セラミックス基板１にクラックが進展し、割れが発生した。

本発明の第一実施形態のパワーモジュールを示す縦断面図である。 本発明の第二実施形態のパワーモジュールを示す縦断面図である。

符号の説明

１ セラミックス基板
２ 回路層
３ 金属層
３ａ 第１層
３ｂ 第２層
３ｃ 第３層
４ パワーモジュール用基板
５ 半導体チップ
７ ヒートシンク
１０ パワーモジュール

Claims (4)

1. セラミックス基板の表面に回路層が配置され、裏面に金属層が配置されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
   前記金属層は、アルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満の第１層と、アルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上の第２層とを含む２以上の層を積層してなるクラッド材により形成されており、
   前記クラッド材の前記第１層を、前記セラミックス基板側と反対側の面として、
   これらセラミックス基板と金属層とを、互いにろう付けにより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。
2. 請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法により製造されるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールであって、
   前記回路層の表面に半導体チップが接合され、
   前記第１層の裏面にヒートシンクが接合されていることを特徴とするパワーモジュール。
3. 請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法であって、
   前記金属層として、前記第１層と第２層とを含む計３層からなるクラッド材を用い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。
4. 請求項１又は請求項３記載のパワーモジュール用基板の製造方法により製造されるパワーモジュール用基板であって、
   前記セラミックス基板は、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４の内、いずれかの材料で形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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