JP6572732B2 - パワーモジュール - Google Patents
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Description
例えば特許文献1では、酸化銀ペーストを用いており、酸化銀が還元されたAgの焼結体からなるAg焼結層を介して回路層の上面に半導体素子が接合することが行われている。そして、特許文献1には、Ag焼結層は、酸化銀が還元されることにより、非常に微細なAg粒子が生成されており、この微細なAg粒子が焼結することで、高温環境下でも十分な接合信頼性を維持できることが記載されている。また、Ag焼結層は、銅又は銅合金からなる回路層と直接接合されていることから、Ag焼結層と回路層との接合強度を高めることができ、冷熱サイクル時の熱応力に対しても十分な接合信頼性を得られることが記載されている。
そこで、本発明のパワーモジュールでは、半導体素子の周縁部のうちの少なくともコーナー部分に、半導体素子の周縁部に沿って凹溝部を設けることにより、銀接合層の端部に発生する歪みを低減させることが可能である。これにより、回路層からの半導体素子の剥離を防止でき、パワーモジュールの冷熱サイクルでの信頼性を向上させることができる。
また、凹溝部は、半導体素子のコーナー部分に対応する回路層の上面に、部分的に形成するだけで十分に歪みを低減させることができるので、半導体素子の接合面積を十分に確保できるとともに、良好な放熱性能を維持できる。
第1実施形態のパワーモジュール100は、図1に示すように、セラミックス基板11の一方の面に回路層12が配設されたパワーモジュール用基板10と、回路層12の上面12aに搭載された半導体素子30と、半導体素子30の搭載面とは反対側のパワーモジュール用基板10の他方の面に配設された冷却器40とを備えている。
セラミックス基板11は、例えばAlN(窒化アルミニウム)、Si3N4(窒化珪素)等の窒化物系セラミックス、もしくはAl2O3(アルミナ)等の酸化物系セラミックスを用いることができる。また、セラミックス基板11の厚さは0.2〜1.5mmの範囲内に設定することができる。
また、回路層12の上面12aには、図2に示すように、搭載される半導体素子30の周縁部のうちの少なくともコーナー部分に、その周縁部に沿って、凹溝部15が設けられている。なお、本実施形態のパワーモジュール100では、図2に示すように、半導体素子30の4箇所のコーナー部分に4つの凹溝部15が設けられている。この凹溝部15についての詳細は、後述する。
冷却器40は、熱伝導性が良好な材料で構成されることが望ましく、本実施形態においては、アルミニウム合金(A6063合金)により形成されている。また、パワーモジュール用基板10が固定される冷却器40としては、平板状のもの、熱間鍛造等によって多数のピン状フィンを一体に形成したもの、押出成形によって相互に平行な帯状フィンを一体に形成したもの等、適宜の形状のものを採用することができる。
なお、パワーモジュール用基板と冷却器40とは、パワーモジュール用基板10の金属層13と冷却器40の天板部41との間に、例えばグリースを介在させ、パワーモジュール用基板10と冷却器40とをバネ等により押し付けて固定したり、パワーモジュール用基板10を冷却器40にはんだ付けして固定することも可能である。
<パワーモジュール用基板の製造>
まず、回路層12となる銅板とセラミックス基板11とを接合し、回路層12を形成する。セラミックス基板11の一方の面に、予めスクリーン印刷等によって銅部材接合用ペースト(Ag、Cu、Ti及び有機物を含有するペースト)を塗布して乾燥させておく。そして、乾燥させた銅部材接合用ペースト上に銅板を積層し、その積層方向に0.1MPa〜3.4MPaで加圧した状態で真空加熱炉に装入して、790℃〜850℃に加熱する。そして、銅板とセラミックス基板11との接合部をCuとAgとの反応によって溶融させた後、冷却することにより、溶融金属を凝固させて銅板とセラミックス基板11とを接合して回路層12を形成する。
そして、塩化第二銅や塩化第二鉄等の水溶液を用いてエッチング処理を行い、凹溝部15を形成する。エッチングレジストは、凹溝部15の形成後に水酸化ナトリウムで剥離する。
パワーモジュール用基板10の金属層13に、Al‐Si系ろう材を介して冷却器40の天板部41を重ねて積層し、その積層方向に0.1MPa〜3.4MPaで加圧した状態で真空加熱炉に装入して、550℃〜650℃の加熱温度で加熱する。そして、ろう材と金属層13の一部とを溶融させた後、冷却することにより、溶融金属を凝固させ、パワーモジュール用基板10に冷却器40を接合する。
回路層12の上面12aに、スクリーン印刷法によって銀ペーストを直接塗布する。なお、銀ペーストは、スクリーン印刷法の他にも、オフセット印刷法、感光性プロセス等の種々の手段を採用できる。
銀ペーストは、粒径0.05μm〜100μmの銀粉末と、樹脂と、溶剤とを含有するものであり、樹脂にはエチルセルロース等を用いることができ、溶剤にはα‐テルピネオール等を用いることができる。銀ペーストの組成としては、銀粉末の含有量を瓶ペースト全体の60質量%以上92質量%以下とし、樹脂の含有量を銀ペースト全体の1質量%以上10質量%以下とし、残部を溶剤とするとよい。また、銀ペーストに、蟻酸銀、酢酸銀、プロピオン酸銀、シュウ酸銀等のカルボン酸系金属塩等の有機金属化合物粉末を銀ペースト全体の0質量%以上10質量%以下含有させることもできる。また、必要に応じて、アルコールや有機酸等の還元剤を銀ペースト全体に対して、0質量%以上10質量%以下含有させることもできる。
なお、この銀ペーストは、その粘度が10Pa・s以上100Pa・s以下、より好ましくは30Pa・s以上80Pa・s以下に調整されており、回路層12への部分的な塗布が容易で、作業性が良い。
なお、図4に示す第2実施形態のパワーモジュール101のように、凹溝部15を半導体素子30の周縁部の周囲を囲うように全周設けることで、銀接合層31の端部の歪みをさらに低減させることができる。
例えば、上記実施形態において用いた銀ペーストの代わりに、酸化銀ペーストを用いることもできる。酸化銀ペーストは、酸化銀粉末と、還元剤と、樹脂と、溶剤とを含有しており、これらに加えて有機金属化合物粉末を含有している。酸化銀粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の60質量%以上92質量%以下とされ、還元剤の含有量が酸化銀ペースト全体の5質量%以上15質量%以下とされ、有機金属化合物粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の0質量%以上10質量%以下とされており、残部が溶剤とされている。このような、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いることによって、接合(焼結)時に、酸化銀を還元することにより析出する還元銀粒子が、例えば粒径10nm〜1μmと非常に微細であることから、緻密な銀接合層を形成することができる。
さらに、凹溝部15は、エッチング処理を施すことにより形成したが、この他にも、ダイシングブレードによる加工等、他の加工方法によって形成することもできる。
また、金属層13となるアルミニウム板をセラミックス基板11に接合し、さらに冷却器40を接合した後に、回路層12の上面12aに銀接合層31を形成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、アルミニウム板をセラミックス基板11に接合する前や、冷却器40を接合する前に銀接合層31を形成してもよい。
ここで、冷熱サイクルによる銀接合層と回路層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)
ただし、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、銀接合層と回路層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わかる。このような理由により、冷熱サイクルを付加した場合における、銀接合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。本発明においては、塑性ひずみ振幅(Δεp)を累積歪みとしている。
回路層:30mm×30mmで厚さ0.3mmの無酸素銅
セラミックス基板:32mm×32mmで厚さ0.635mmのAlN
金属層:30mm×30mmで厚さ0.3mmの無酸素銅
半導体素子:5mm×5mm
銀接合層:厚さ30μm
次に、図7(a)のモデルB1と、図7(b)に示すモデルB2とについて、それぞれ凹溝部15の幅Wのみを変量した場合と、凹溝部15の深さHのみを変量した場合の銀接合層31に生じる累積歪みの変化を解析した。なお、モデルB1とモデルB2の凹溝部15は、いずれも半導体素子30の周縁部の周囲全体を囲うように形成し、銀接合層31を凹溝部15内に浸入させることなく、凹溝部15の内周側面15iよりも内側の回路層12の上面12aにおいて、銀接合層31を介して半導体素子30を接合する構成とした。
また、図7(b)のモデルB2では、半導体素子30の外周側面30oと、凹溝部15の外周側面15oとを面一に設け、凹溝部15の内周側面15iを半導体素子30の内側に配設した。そして、このモデルB2について、幅Wを50μmに固定し、深さHを25μm、50μm、75μm、100μmと変量した場合の解析と、深さHを50μmに固定し、凹溝部15の内周側面15iを内側に移動させて幅Wを50μm、100μmと変量した場合の2つの解析を行った。
また、半導体素子30の外周側面30oと凹溝部15の内周側面15iとを面一にした凹溝部15を有するモデルB1(図7(a))では、図8からわかるように、幅Wを50μmに固定して深さHを変量した場合において、深さHを25μm以上100μm以下の範囲に設定した場合に、1サイクル当たりの累積歪み相対量を0.7程度とすることができ、深さHを200μmにした場合と比べて、累積歪みを低減できることがわかった。また、深さHを25μm以上75μm以下の範囲に設定した場合は、1サイクル当たりの累積歪み相対量を0.6程度とすることができる。
また、図9からわかるように、モデルB1において、凹溝部15の深さHを50μmに固定し、幅Wを変量した場合には、幅Wが50μm、100μm、200μmのいずれにおいても、1サイクル当たりの累積歪み相対量を0.6程度に低減することができた。
そして、図11からわかるように、モデルB2において、凹溝部15の深さHを50μmに固定し、幅Wを変量した場合には、幅Wが50μm、100μmのいずれにおいても、1サイクル当たりの累積歪み相対量を0.6程度に低減することができた。
次に、凹溝部15の寸法を幅W50μm×深さH50μmに固定したモデルC1について、図12(a)に示すように、半導体素子30の外周側面30oに対して凹溝部15の位置を外側に変化させた場合と、図12(b)に示すように、半導体素子30の外周側面30oに対して凹溝部15の位置を内側に変化させた場合の解析を行った。なお、モデルC1の凹溝部15は、半導体素子30の周縁部の周囲全体を囲うように形成し、銀接合層31を凹溝部15内に浸入させることなく、凹溝部15の内周側面15iよりも内側の回路層12の上面12aにおいて、銀接合層31を介して半導体素子30を接合する構成とした。結果を図13に示す。
一方、図7(a)に示すように、半導体素子30の外周側面30oと凹溝部15の内周側面15iとを面一に配設した場合と、図12(b)に示すように、凹溝部15の内周側面15iを半導体素子30の外周側面30oよりも内側に配設した場合には、1サイクル当たりの累積歪み相対量を0.6程度に低減できることがわかった。
図14(a),(b)に示すモデルD1について、凹溝部15の長さLを変量した場合の銀接合層31に生じる累積歪みの変化を解析した。
モデルD1は、図14(a)に示すように、半導体素子30の4箇所のコーナー部分に4つの凹溝部15を設けたモデルであり、各凹溝部15は、図14(b)に示すように、半導体素子30の外周側面30oと、凹溝部15の内周側面15iとを面一に設け、凹溝部15の外周側面15oを半導体素子30の外側に配設した。そして、各凹溝部15の寸法は、幅W50μm×深さH50μmに固定し、凹溝部15の長さLのみを50μm、100μm、1000μm、2500μmに変量した場合の解析を行った。結果を図15のグラフに示す。
11 セラミックス基板
12 回路層
12a 上面
13 金属層
15 凹溝部
30 半導体素子
31 銀接合層
40 冷却器
100,101 パワーモジュール
Claims (2)
- セラミックス基板の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層の上面に搭載された半導体素子とを備えたパワーモジュールであって、
前記半導体素子は、銀接合層を介して前記回路層の上面に接合されており、
前記回路層の上面には、前記半導体素子の周縁部のうちの少なくともコーナー部分に、該周縁部に沿って凹溝部が設けられ、該凹溝部の内周側面が、前記半導体素子の外周側面よりも内側に配設され、かつ、前記凹溝部の外周側面が、前記半導体素子の外周側面と面一に配設されていることを特徴とするパワーモジュール。 - 前記凹溝部内には、銀接合層が充填さ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。
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