JP5614127B2

JP5614127B2 - パワーモジュール用基板及びその製造方法

Info

Publication number: JP5614127B2
Application number: JP2010146877A
Authority: JP
Inventors: 慎介青木; 長瀬　敏之; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2030-06-28
Also published as: JP2012009787A

Description

本発明は、大電流、高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に関する。

従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に、回路層となるアルミニウム金属層が積層され、この回路層の上に半導体チップなどの電子部品がはんだ付けされ、一方、セラミックス基板の他方の面に放熱層となるアルミニウムの金属層が形成され、この金属層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。

このようなセラミックス基板に回路層又は放熱層となるアルミニウム金属層を積層状態に形成する方法として、例えば特許文献１では、セラミックス基板に、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材を介在させてアルミニウム金属層を重ね合わせ、その積層体を加圧、加熱することにより、ろう材を溶融させて、セラミックス基板とアルミニウム金属層とを接合するようにしている。

この場合、回路層及び放熱層とも同じ板材で形成されるのが一般的であったが、近年では、放熱層とヒートシンクとの間の熱伸縮を緩和するための緩衝機能を放熱層自身に持たせるために、放熱層を肉厚に形成することが検討されている。その結果、回路層と放熱層との厚さに差が生じることから、ろう付けのための加熱処理を経由すると、全体に薄肉の回路層側を凸とする反りが生じて、その後のヒートシンクへの取り付けを阻害するという問題が生じてきた。
また、ろう付け等の製造時に加わる熱だけでなく、使用環境においても、例えば５０℃の比較的高温の状態で長期間使用され続けると、同様の反りが生じる。

ろう付けに依存しない接合方法としては、特許文献２記載の技術がある。この接合方法では、セラミックス基板を鋳型内に設置して、その鋳型内に溶融状態のアルミニウム合金を注入することにより、セラミックス基板の両面にアルミニウム金属層を形成している。

特開２００８−３１１２９６号公報特開２００７−３６２６３号公報

しかしながら、このようにして形成される回路層及び放熱層においても、アルミニウムを溶融して凝固させたものであるため、結晶粒径が例えば数百μｍと大きくなり、反りは発生していた。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、加熱もしくは冷却時に発生する反りを解消し、接合の信頼性を高め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を提供する。

緩衝機能を放熱層自身にもたせるため、回路層より放熱層の方が厚肉に形成されるので、両金属層とも同じ組成、同じ性状であるとすると、前述したように、薄肉の回路層側を凸とする反りが生じる。ここで、本願発明者らは、回路層及び放熱層を、異なる結晶粒径の同じ厚さの金属層で形成する場合には、結晶粒径の大きい金属層側を凸とする反りが生じることを見出した。そして、セラミックス基板の両面に異なる厚さの金属層を積層する場合、厚みの厚い金属層よりも薄い金属層の方の結晶粒径を小さくすることにより、厚さの違いにより生じる反りと、結晶粒径の違いにより生じる反りとを相殺して、全体の反りを解消することができることを見出した。

本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の両面に異なる厚さの純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなる金属層が接合された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に接合された状態の両金属層を構成する結晶粒の平均粒径が、厚みの厚い金属層よりも薄い金属層の方が小さく形成されていることを特徴とする。

本発明のパワーモジュール用基板において、さらに好ましくは、前記厚い金属層に対する前記薄い金属層の厚さの比率が０．２以上０．８以下であり、対応する結晶粒の平均粒径の比率が０．１以上０．８以下であるとよい。

このように、回路層及び放熱層となる金属層を、それぞれの厚さに合わせた結晶粒径で構成することにより、ろう付け等の加熱処理あるいはその後の温度環境に伴う反りの発生を防止して、パワーモジュール用基板の接合信頼性を向上させることができる。

そして、本発明のパワーモジュールは、上記のパワーモジュール用基板の前記金属層のうちの一方に電子部品がはんだ付けにより接合され、他方の金属層にヒートシンクが接合されていることを特徴とする。

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の両面に異なる厚さの純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなる金属層が接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、両金属層を構成する結晶粒の平均粒径を、厚みの厚い金属層よりも薄い金属層の方を小さく形成しておき、これら両金属層を前記セラミックス基板の両面にろう材を介して配置した状態で加熱して接合することにより、前記セラミックス基板に接合された状態の両金属層を構成する結晶粒の平均粒径が、厚みの厚い金属層よりも薄い金属層の方が小さく形成されたパワーモジュール用基板を製造することを特徴とする。

本発明によれば、パワーモジュール用基板の厚さの異なる金属層に、その厚みに合わせた結晶粒径の異なる金属層を用いることにより、ろう付け等の加熱処理あるいはその後の温度環境に伴う反りの発生を防止して、接合信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態のパワーモジュールの全体構成を示す縦断面図である。金属層の厚み及び結晶粒径に起因する反りを説明する図である。パワーモジュール用基板の結晶粒径比と反り量との関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態のパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示している。この図１のパワーモジュール１は、セラミックス等からなるセラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４と、パワーモジュール用基板３の裏面に接合されたヒートシンク５とから構成される。

パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の両面に金属層６，７が積層されており、その一方の金属層６が回路層となり、その表面に電子部品４がはんだ付けされる。また、他方の金属層７は放熱層とされ、その表面にヒートシンク５が取り付けられる。
セラミックス基板２は、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成され、その厚さは例えば０．６３５ｍｍとされる。
金属層６，７は、いずれも純度９９．９ｗｔ％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１Ｎ９０（純度９９．９ｗｔ％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９ｗｔ％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。
このパワーモジュール用基板３は、放熱層となる金属層７に緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属層６よりも肉厚に形成されたものを用いている。

この場合、回路層及び放熱層となる金属層６，７の厚さは、その金属層７に対する金属層６の厚さの比率（金属層６の厚さ／金属層７の厚さ）が０．２以上０．９以下となるように形成され、これら金属層６，７を構成する結晶粒の平均粒径は、その比率（金属層６の平均粒径／金属層７の平均粒径）が０．０１以上１以下とされている。より好ましくは、金属層７に対する金属層６の厚さの比率が０．２以上０．８以下であり、対応する結晶粒の平均粒径の比率が０．１以上０．８以下であるとよい。
本実施形態のパワーモジュール用基板３においては、例えば、回路層となる金属層６の厚さは０．６ｍｍとされ、放熱層となる金属層７の厚さが１．６ｍｍとされており、その厚さの比率は０．３７５となる。また、例示した厚さの場合、例えば、金属層６の平均粒径が０．５ｍｍとされ、金属層７の平均粒径が１．０ｍｍとされていることが好ましい。

これら金属層６，７は、プレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板２に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板２に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。

なお、本実施形態のパワーモジュール用基板３は、放熱層となる金属層７の厚さの方が回路層となる金属層６の厚さよりも厚い例であるが、逆の形態として、放熱層となる金属層７の厚さの方が回路層となる金属層６の厚さよりも薄く設けられるものであってもよい。その場合、金属層６に対する金属層７の厚さの比率（金属層７の厚さ／金属層６の厚さ）が０．２以上０．９以下とされ、対応する平均粒径の比率（金属層７の平均粒径／金属層６の平均粒径）が０．０１以上１以下とされ、より好ましくは、金属層６に対する金属層７の厚さの比率が０．２以上０．８以下であり、対応する結晶粒の平均粒径の比率が０．１以上０．８以下であるとよい。
以下、特に指定しない限り、金属層７の厚さの方が金属層６の厚さよりも厚いものとして説明する。

セラミックス基板２と回路層及び放熱層となる金属層６，７とは、ろう付けにより積層されている。ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等が使用される。ろう材は、例えばろう材の箔により構成され、このろう材箔をセラミックス基板２と両金属層６，７との間に介在させて、これらを真空中で厚さ方向に加圧しながら、６００〜６５０℃で約１時間加熱することにより、セラミックス基板と金属層６，７とを接合する。
なお、金属層６と電子部品４との接合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｚｎ−Ａｌ系もしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。図中符号８がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と金属層６の端子部との間は、アルミニウムなどからなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。
一方、放熱層となる金属層７とヒートシンク５との間の接合法としては、ノコロックろう付け法、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−ＡｌもしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によるはんだ付け法が用いられ、あるいは、シリコングリースによって密着させた状態でねじによって機械的に固定される。図１では、ろう付けした例を示している。

ヒートシンク５は、その形状等は特に限定されないが、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、パワーモジュール用基板３に接合される筒体１５と、この筒体１５の内部を複数の流路１６に区画する縦壁１７とが一体に形成された構成とされている。筒体１５の天板部１５ａは、パワーモジュール用基板３の金属層７よりも大きい四角形の平面形状を有しており、各縦壁１７は、筒体１５の幅方向に等間隔で相互に平行に並べられ、筒体１５の長さ方向に沿って設けられている。

パワーモジュール１は、パワーモジュール用基板３を構成する回路層又は放熱層となる金属層６，７を異なる厚さとするとともに、その金属層６，７をそれぞれの厚さに合わせた結晶粒径で構成することにより、ろう付け等の加熱処理による温度変化に伴う反りの発生を防止できる。

厚みの異なる金属層６，７により構成されたパワーモジュール用基板３において、仮に、回路層及び放熱層となる金属層６，７の結晶粒径を同じにして構成した場合、図２（ａ）に示すパワーモジュール用基板３ａのように、回路層及び放熱層となる金属層６ａ，７ａとの厚さに差が生じることから、ろう付け等の加熱処理あるいは高温環境下での使用によって、金属層６ａ側を凸とする反りが生じる。また、図２（ｂ）に示すパワーモジュール用基板３ｂのように、回路層及び放熱層となる金属層６，７を異なる結晶粒径の同じ厚さの金属層６ａ，７ｂで形成する場合には、結晶粒径の大きい金属層７ｂ側を凸とする反りが生じる。
そこで、本実施形態のパワーモジュール用基板３においては、図２（ｃ）に示すパワーモジュール用基板３ｃのように、厚肉の金属層７ｃよりも薄肉の金属層６ａの方の結晶粒の粒径を小さくしたことにより、厚さの違いにより生じる反りと、結晶粒径の違いにより生じる反りとを相殺して、反りの問題を解消させている。

図３は、パワーモジュール用基板を構成する回路層及び放熱層となる金属層の結晶粒径比と、パワーモジュール用基板の反り量との関係を示したものである。

アルミニウム純度９９．９９ｗｔ％の３０ｍｍ角の金属層を用い、回路層となる金属層の厚さは０．６ｍｍ、放熱層となる金属層の厚さは１．６ｍｍとした。これらの金属層の厚さの比率（回路層の厚さ／放熱層の厚さ）は０．３７５である。セラミックス基板には、ＡｌＮを用い、厚さ０．６３５ｍｍとした。これら金属層とセラミックス基板とは、厚さ１０μｍ〜１５μｍのＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて６３０℃に加熱して接合した。このようにして接合したパワーモジュール用基板について全体の反りを測定し、２８ｍｍ長さ当りの反り量をグラフに示した。
また、下記の表１に、図３のグラフ上の粒径比０．２（実施例１）及び粒径比０．６７（実施例２）のデータを示す。
そして、下記の表２の実施例３〜５には、両金属層の平均粒径の比率（回路層の平均粒径／放熱層の平均粒径）を０．１とした場合の各金属層の厚さの比率（厚み比）に対するパワーモジュール用基板の反り量を示す。

なお、結晶粒径の測定は、金属層をバレット氏液（塩酸、硝酸、フッ酸の混合液）によりマクロエッチングし、その面積率を偏光顕微鏡を用いて評価した。面積率から結晶粒径を求める方法は、材料表面や切断面において直径で切り取られる粒子の数から結晶粒径を見積もるインターセプト法を用いた。
また、使用した金属層は、焼却炉で２００〜４００℃の範囲で１〜２４時間の任意の処理条件で熱処理を行い、結晶粒径比の異なるものを作製した。

図３から明らかなように、両金属板の結晶粒径が同じとされる粒径比１の場合に、反り量が１２５μｍ程度であったのに対して、粒径比０．１の場合には、６５μｍ程度まで抑えられている。このように、パワーモジュール用基板の厚さの異なる金属層に、その厚みに応じて結晶粒径の異なる金属層を用いることにより、温度変化に伴う反りを抑制することができる。
また、表２から明らかなように、両金属層の粒径比が０．１とされるような各金属層の結晶粒径の差が大きい場合、対応する金属層の厚さも、差が大きい場合（表２の例では実施例３）に最も反り量を小さく抑えられている。このように、両金属層の粒径比と厚み比とを対応させてバランスをとることにより、温度変化に伴う反りを抑制することができる。
なお、上記の実施例１〜５の両金属層６，７の結晶粒径の比率は、ろう付け接合前の状態で説明したが、ろう付け接合後の状態においても、表１に示すように、それぞれの結晶粒径は大きくなるが、結晶粒径の比率はほとんど変化しない。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
上記実施形態では、金属層をセラミックス基板にろう付けするものとしたが、セラミックス基板と金属層との接合面に真空中でイオンビームを照射して活性化させた状態として、これらを接合する、常温での直接接合としてもよい。

１パワーモジュール
２セラミックス基板
３，３ａ，３ｂ，３ｃパワーモジュール用基板
４電子部品
５ヒートシンク
６，６ａ，７，７ａ，７ｂ，７ｃ金属層
８はんだ接合層
１５筒体
１５ａ天板部
１６流路
１７縦壁

Claims

セラミックス基板の両面に異なる厚さの純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなる金属層が接合された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に接合された状態の両金属層を構成する結晶粒の平均粒径が、厚みの厚い金属層よりも薄い金属層の方が小さく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。
前記厚い金属層に対する前記薄い金属層の厚さの比率が０．２以上０．８以下であり、対応する結晶粒の平均粒径の比率が０．１以上０．８以下であ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。
請求項１又は２に記載のパワーモジュール用基板の前記金属層のうちの一方に電子部品がはんだ付けにより接合され、他方の金属層にヒートシンクが接合されることを特徴とするパワーモジュール。
セラミックス基板の両面に異なる厚さの純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなる金属層が接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、両金属層を構成する結晶粒の平均粒径を、厚みの厚い金属層よりも薄い金属層の方を小さく形成しておき、これら両金属層を前記セラミックス基板の両面にろう材を介して配置した状態で加熱して接合することにより、前記セラミックス基板に接合された状態の両金属層を構成する結晶粒の平均粒径が、厚みの厚い金属層よりも薄い金属層の方が小さく形成されたパワーモジュール用基板を製造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。