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JP4434545B2 - 半導体実装用絶縁基板及びパワーモジュール - Google Patents

半導体実装用絶縁基板及びパワーモジュール Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体実装用絶縁基板及びパワーモジュール、特に、パワーモジュール等の大電力電子部品の実装に好適な耐ヒートサイクル性に優れた金属セラミックス回路基板及びこの基板を用いたパワーモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車、電車、工作機械などの大電流制御にパワーモジュールが用いられている。パワーモジュールには主に複数の半導体チップが搭載され、その表面および裏面から大電流を取り出すため、半導体チップを固定する基板には高い電気的絶縁性や放熱性が要求される。また、自動車や電車などに搭載されることから高い信頼性や耐久性も要求される。
【０００３】
信頼性や耐久性を計る指標の一つにヒートサイクル試験がある。これは使用環境で考え得る最低到達温度と最高到達温度を短時間で往来させて熱衝撃を与える試験であり、このような熱衝撃サイクルを重ねても、基板および周辺部の絶縁性や放熱性が損なわれないことが必要である。一般に自動車や電車ではより高いヒートサイクル耐量が必要とされ、その値は1000サイクル以上と言われている。
【０００４】
一般的なパワーモジュールの断面構造を図２に示す。このような従来のパワーモジュールでは、半導体チップ１が絶縁性基材としてのセラミックス基板２上の金属層３に半田４で固定され、更にこのセラミックス基板２が他方の金属層５を介して半田６により金属ベース板７に固定される。なお、８は金属層３と５及び金属ベース板７に形成したメッキ層である。また、図２においては、チップ間等の配線の表示は省略している。
【０００５】
上述した自動車や電車用の高信頼性パワーモジュールにはアルミニウムをセラミックスと接合した絶縁基板が向いているとされている。この絶縁基板にヒートサイクルをかけた場合、金属とセラミックスは熱膨張係数が異なるためにその接合界面に応力が生じ、最終的にはセラミックスが破壊されてしまう。しかし、金属にアルミニウムを用いると、アルミニウムの変形しやすい性質がセラミックスへの応力集中を緩和して銅などに比べ、ヒートサイクル耐量が格段に向上すると言われている。
【０００６】
アルミニウムをセラミックス基板へろう接した先行技術としては、実開平2−68448号や実開平3−57945号に示されたものがあり、これらは、窒化アルミニウム基板やアルミナ基板にアルミニウムをAl−Si系やAl−Ge系ろう材を用いて接合するものである。これには、さらに先行技術として1976年の米国特許第3994430号のアルミニウム結合助剤としてのシリコン使用がある。
【０００７】
アルミニウムをセラミックス基板に直接接合した先行技術として、特開平7−193358号や特開平7−276035号に示されたものがあり、これらは、窒化アルミニウム基板やアルミナ基板にアルミニウムの溶融体を接触させ、凝固することでアルミニウムをセラミックスに直接接合させるものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、アルミニウム−セラミックス絶縁基板は、半導体素子を半田付けする等でパワーモジュールの部品として使用され、このためアルミニウム−セラミックス絶縁基板におけるアルミニウムは、セラミックスと半田層および半導体素子に挟まれる状態となり、アルミニウムはセラミックスを保護する役割と半田層および半導体素子とを配設させる機能が必要となり、アルミニウムの上に配設される半田および半導体素子がより多岐にわたり複雑化していることからより熱衝撃による影響の少ないものが望まれていた。即ち、この影響の1つであるアルミニウムと特に鉛半田系の半田層における半田や半田とアルミニウムの接合界面に生じる半田クラックによりパワーモジュールの放熱性は著しく低下し、半導体の温度上昇が起こり、最終的には半導体が破壊される可能性があり、これを防止することが望まれていた。
【０００９】
従って、本発明の目的は、上述の問題点を解決することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は鋭意研究したところ、アルミニウム−セラミックス絶縁基板のアルミニウムの硬度を一定範囲にすることで、上記の課題を解決出来ることを見いだした。
【００１１】
即ち、絶縁基板のアルミニウムの硬度に、熱衝撃を与えたときにセラミックスを保護し、なおかつ半田クラックを生じさせない、一定の範囲があることを見いだした。その範囲はビッカース硬度で25以上、35未満である。ビッカース硬度が25未満であると熱衝撃を与えたときにセラミックスは保護されるが、アルミニウムの変形量が大きく、ヒートサイクルを重ねたときに半田クラックが生じやすい。一方、ビッカース硬度が35より大きいと、アルミニウムが変形しにくくなるため、熱衝撃時に応力を吸収しにくくなり、サイクルを重ねたときにセラミックスにクラックが生じやすい。
【００１２】
また、上記のような一定範囲の硬度を実現するためにはアルミニウムに他の金属元素を添加すれば良い、例えばシリコンを加えた合金を用いることが出来る。また、シリコンはアルミニウムに拡散しやすく、比較的低温で共晶を作ることから用いることが容易である。上記のビッカース硬度25以上、40未満を実現するのに必要なシリコン添加量は0.2重量％以上、5重量％未満である。他に、Mn，Mg，Cu，Zn，Ni等を更に加える事も可能である。
【００１３】
本発明はかかる知見をもとになされたものである。
【００１４】
本発明の半導体実装用絶縁基板は、セラミックス基板の少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成された半導体実装用絶縁基板において、上記合金金属層がシリコンを含有し、その含有量が0.2重量％以上、5重量％未満であり、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、35未満であり、上記合金層の厚さが0.5ｍｍ以下であり、上記セラミックス基板の厚さが0.635ｍｍであることを特徴とする。
【００１５】
本発明のパワーモジュールは、金属ベース板と、一面を上記金属ベース板に接合された少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成されたセラミックス基板と、上記セラミックス基板の他面に設けた半導体チップとを有し、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、35未満であることを特徴とする。
【００１７】
上記合金金属層は、Mnを含有し、その含有量が1.5重量％以下であることを特徴とする。
【００１８】
上記合金金属層は、Mgを含有し、その含有量が１重量％以下であることを特徴とする。
【００１９】
上記合金金属層は、銅、亜鉛またはニッケルを含有し、その含有量が0.2重量％以上、3重量％以下であることを特徴とする。
【００２０】
上記セラミックス基板はアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素から選ばれる一種で作られることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の金属セラミックス基板の実施例を詳細に説明する。
【００２２】
（実施例１）
【００２３】
図１に示すように黒鉛鋳型９の上部の凹み１０内に重量でアルミニウム99.8％、シリコン0.2％の原料１１および黒鉛ピストン１２を設置し、鋳型９の下部空洞１３内に厚さ0.635mmの窒化アルミニウムのセラミックス基板１４を設置し、この鋳型９を800℃に加熱した炉の中に入れた。この結果、原料１１が溶けてピストン１２の重量で窒化アルミニウムのセラミックス基板１４を設置した空洞１３内に入り込んだ後、鋳型９を加熱炉から取り出し、室温まで冷却した。なお、本実施例においては、黒鉛鋳型９の酸化を防ぐために、加熱および冷却を窒素雰囲気中で行った。このように作製したセラミックス基板１４の両面に夫々0.5mm厚さのアルミニウム合金層を有するセラミックス基板１４を機械研磨および電解研磨した。
【００２４】
この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ25であった。次いで、アルミニウム合金属上に無電解Ni−Pメッキを3μｍ施した後この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００２５】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００２６】
（実施例２）
【００２７】
原料１１の組成を重量でアルミニウム99.5％、シリコン0.5％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ30であった。次いで、アルミニウム合金属上に無電解Ni−Pメッキを3μｍ施した後この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００２８】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００２９】
（実施例３）
【００３０】
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、シリコン2％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ35であった。次いで、アルミニウム合金属上に無電解Ni−Pメッキを3μｍ施した後この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００３１】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００３２】
（実施例４）
【００３３】
セラミックスの種類をアルミナとした以外は実施例２と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ30であった。次いで、アルミニウム合金属上に無電解Ni−Pメッキを3μｍ施した後この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００３４】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００３５】
（実施例５）
【００３６】
セラミックスの種類を窒化珪素とした以外は実施例２と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ30であった。次いで、アルミニウム合金属上に無電解Ni−Pメッキを3μｍ施した後この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００３７】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００３８】
（実施例６）
【００３９】
厚さ0.635mmの窒化アルミニウム基板の両面に重量でアルミニウム87.5％、シリコン12.5％の厚さ50μmろう材層を挟んで重量でアルミニウム99.5％、シリコン0.5％の厚さ0.4mmの板を積層し、これを640℃に加熱した真空雰囲気の炉の中に入れて、アルミニウム合金板と窒化アルミニウムを接合して、金属セラミック基板を得た。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ31であった。次いで、アルミニウム合金属上に無電解Ni−Pメッキを3μｍ施した後この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００４０】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００４１】
（実施例７）
【００４２】
原料１１の組成を重量でアルミニウム97.9％、シリコン0.6％、Mn1.5％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ32であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。ここでMnは、硬度を上げるために加えたものである。
【００４３】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００４４】
（実施例８）
【００４５】
積層する板の組成を重量でアルミニウム98.6％、シリコン0.4％、Mg1％とした以外は実施例６と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ30であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。ここでMgは硬度を上げるために加えたものである。
【００４６】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００４７】
（実施例９）
【００４８】
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、Mn2％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ30であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００４９】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００５０】
（実施例１０）
【００５１】
原料１１の組成を重量でアルミニウム99.8％、Mg0.2％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ25であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００５２】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００５３】
（実施例１１）
【００５４】
原料１１の組成を重量でアルミニウム99.5％、Mg0.5％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ27であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００５５】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００５６】
（実施例１２）
【００５７】
セラミックスの種類をアルミナとした以外は実施例１１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ27であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００５８】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００５９】
（実施例１３）
【００６０】
セラミックスの種類を窒化珪素とした以外は実施例１１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ27であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００６１】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００６２】
（実施例１４）
【００６３】
原料１１の組成を重量でアルミニウム99％、Cu1％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ30であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００６４】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００６５】
（実施例１５）
【００６６】
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、Cu2％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ32であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００６７】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００６８】
（実施例１６）
【００６９】
セラミックスの種類をアルミナとした以外は実施例１５と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ32であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００７０】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００７１】
（実施例１７）
【００７２】
セラミックスの種類を窒化珪素とした以外は実施例１５と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ32であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００７３】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００７４】
（実施例１８）
【００７５】
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、Zn2％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ34であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００７６】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００７７】
（実施例１９）
【００７８】
原料１１の組成を重量でアルミニウム99.5％、Ni0.5％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ33であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００７９】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００８０】
（実施例２０）
【００８１】
厚さ0.635mmの窒化アルミニウム基板の両面に重量でアルミニウム87.5％、シリコン12.5％の厚さ50μmろう材層を挟んで重量でアルミニウム98％、Mn2％の厚さ0.4mmの板を積層し、これを640℃に加熱した真空雰囲気の炉の中に入れて、アルミニウム合金板と窒化アルミニウムを接合して、金属セラミック基板を得た。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ25であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００８２】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００８３】
（実施例２１）
【００８４】
積層する板の組成を重量でアルミニウム99.8％、Mg0.2％とした以外は実施例２０と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ25であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。ここでMgは硬度を上げるために加えたものである。
【００８５】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００８６】
（実施例２２）
【００８７】
積層する板の組成を重量でアルミニウム99.5％、Mg0.5％とした以外は実施例２０と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ27であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。ここでMgは硬度を上げるために加えたものである。
【００８８】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００８９】
（実施例２３）
【００９０】
セラミックスの種類をアルミナとした以外は実施例２２と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ27であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００９１】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００９２】
（実施例２４）
【００９３】
セラミックスの種類を窒化珪素とした以外は実施例２２と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ27であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００９４】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００９５】
（実施例２５）
【００９６】
原料１１の組成を重量でアルミニウム99％、Cu1％とした以外は実施例２０と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ31であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【００９７】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【００９８】
（実施例２６）
【００９９】
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、Cu2％とした以外は実施例２０と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ33であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１００】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【０１０１】
（実施例２７）
【０１０２】
セラミックスの種類をアルミナとした以外は実施例２６と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ33であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１０３】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【０１０４】
（実施例２８）
【０１０５】
セラミックスの種類を窒化珪素とした以外は実施例２６と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ33であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１０６】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【０１０７】
（実施例２９）
【０１０８】
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、Zn2％とした以外は実施例２０と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ35であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１０９】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【０１１０】
（実施例３０）
【０１１１】
原料１１の組成を重量でアルミニウム99.5％、Ni0.5％とした以外は実施例２０と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ33であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１１２】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【０１１３】
（実施例３１）
【０１１４】
原料１１の組成を重量でアルミニウム99.4％、シリコン0.1％、Mg0.5％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ28であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。ここでMnは、硬度を上げるために加えたものである。
【０１１５】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【０１１６】
（実施例３２）
【０１１７】
厚さ0.635mmの窒化アルミニウム基板の両面に重量でアルミニウム87.5％、シリコン12.5％の厚さ50μmろう材層を挟んで重量でアルミニウム99.4％、シリコン0.1％、Mg0.5％の厚さ0.4mmの板を積層し、これを640℃に加熱した真空雰囲気の炉の中に入れて、アルミニウム合金板と窒化アルミニウムを接合して、金属セラミック基板を得た。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ28であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１１８】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【０１１９】
（実施例３３）
【０１２０】
積層する板の組成を重量でアルミニウム98.9％、シリコン0.1％、Cu1％とした以外は実施例３１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ32であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１２１】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【０１２２】
（実施例３４）
【０１２３】
積層する板の組成を重量でアルミニウム98.9％、シリコン0.1％、Cu1％とした以外は実施例３２と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ32であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１２４】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【０１２５】
（実施例３５）
【０１２６】
積層する板の組成を重量でアルミニウム98.8％、シリコン0.1％、Mg0.1％、Cu1％とした以外は実施例３１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ33であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１２７】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【０１２８】
（実施例３６）
【０１２９】
積層する板の組成を重量でアルミニウム98.8％、シリコン0.1％、Mg0.1％、Cu1％とした以外は実施例３２と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ33であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１３０】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
【０１３１】
（比較例１）
【０１３２】
比較の目的で以下のサンプルを作成した。図１示すように黒鉛鋳型９の上部の凹み１０内に重量でアルミニウム100％の原料１１および黒鉛ピストン１２を設置し、下部空洞１３内に厚さ0.635mmの窒化アルミニウム基板４を設置し、鋳型９を800℃に加熱した炉の中に入れた。原料１１が溶けて、ピストン１２の重量で、窒化アルミニウムのセラミックス基板１４を設置した空洞１３内に入り込んだ後、鋳型９を加熱炉から取り出し、室温まで冷却した。なお、この比較例においては、黒鉛鋳型９の酸化を防ぐために、加熱および冷却を窒素雰囲気中で行った。このように作製した両面に夫々0.5mm厚さのアルミニウム合金層を有するセラミックス基板を機械研磨および電解研磨した。
【０１３３】
この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ20であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１３４】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル2000回でセラミックス−ベース板間の半田に微少クラックが発生した。但し、モジュール機能の低下はなかった。
【０１３５】
（比較例２）
【０１３６】
原料１１の組成を重量でアルミニウム95％、シリコン5％とした以外は比較例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ40であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１３７】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル1000回でセラミックスにクラックが発生した。
【０１３８】
（比較例３）
【０１３９】
厚さ0.635mmの窒化アルミニウム基板の両面に重量でアルミニウム87.5％、シリコン12.5％の厚さ50μmろう材層を挟んでアルミニウム95％、シリコン5％の厚さ0.4mmの板を積層し、これを640℃に加熱した真空雰囲気の炉の中に入れて、アルミニウム合金板と窒化アルミニウムを接合して、金属セラミックス基板を得た。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ40であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１４０】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル1000回でセラミックスにクラックが発生した。
【０１４１】
（比較例４）
【０１４２】
原料１１の組成を重量でアルミニウム95％、Ni5％とした以外は比較例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ42であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１４３】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル1000回でセラミックスにクラックが発生した。また、ヒートサイクル1000回でもセラミックス−ベース板間の半田にクラックが発生しなかった。
【０１４４】
（比較例５）
【０１４５】
原料１１の組成を重量でアルミニウム95％、Cu5％とした以外は比較例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ68であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１４６】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル100回でセラミックスにクラックが発生した。また、ヒートサイクル100回でもセラミックス−ベース板間の半田にクラックが発生しなかった。
【０１４７】
（比較例６）
【０１４８】
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、Mg2％とした以外は比較例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ67であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１４９】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル100回でセラミックスにクラックが発生した。また、ヒートサイクル100回でもセラミックス−ベース板間の半田にクラックが発生しなかった。
【０１５０】
（比較例７）
【０１５１】
原料１１の組成を重量でアルミニウム95％、Zn5％とした以外は比較例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ40であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１５２】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル1000回でセラミックスにクラックが発生した。また、ヒートサイクル1000回でもセラミックス−ベース板間の半田にクラックが発生しなかった。
【０１５３】
（比較例８）
【０１５４】
原料１１の組成を重量でアルミニウム95％、Cu5％とした以外は比較例３と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ68であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１５５】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル100回でセラミックスにクラックが発生した。また、ヒートサイクル100回でもセラミックス−ベース板間の半田に微少クラックが発生しなかった。
【０１５６】
（比較例９）
【０１５７】
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、Mg2％とした以外は比較例３と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ67であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１５８】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル100回でセラミックスにクラックが発生した。また、ヒートサイクル100回でもセラミックス−ベース板間の半田に微少クラックが発生しなかった。
【０１５９】
（比較例１０）
【０１６０】
原料１１の組成を重量でアルミニウム99.9％、Cu0.1％とした以外は比較例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ22であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
【０１６１】
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル2000回でもセラミックスにクラックが発生した。また、ヒートサイクル2000回でセラミックス−ベース板間の半田にクラックが発生しなかった。
【０１６２】
以上の結果を表１〜表５に示す。
【０１６３】
【表１】
Figure 0004434545
【０１６４】
【表２】
Figure 0004434545
【０１６５】
【表３】
Figure 0004434545
【０１６６】
【表４】
Figure 0004434545
【０１６７】
【表５】
Figure 0004434545
【０１６８】
【発明の効果】
上記のように本発明によれば、アルミニウム−セラミックス絶縁基板のアルミニウムの硬度を一定範囲にすることで、熱衝撃を与えたときにセラミックスを保護し、なおかつ半田クラックを生じさせない、高ヒートサイクル耐量、高信頼性のパワーモジュールをもたらすことができる。
【０１６９】
なお、上記セラミックス基板上には半田濡れ性や耐食性を向上させるためにAuメッキ、Niメッキ等を行うことができる。
【０１７０】
また、セラミックスのなかでも特にアルミナは絶縁性が高く安価であり、窒化アルミニウムは熱伝導率が高いことで放熱性に優れ、大電流コントロール用のチップを搭載することができ、窒化珪素は強度が高いので耐ヒートサイクル性が高くエンジンルームなどの厳しい環境での対応性に優れている。
【０１７１】
なお、ビッカース硬度はマイクロビッカース硬度計（株式会社明石社製のMVK−G1）を用い、50gを15秒間加重して、セラミックスにアルミニウムを接合した後の、アルミニウム表面を測定した。表１に示す測定値は20個所を測定した平均値である。また、ヒートサイクル試験の条件は気相式で1サイクルは、−40℃を30分保持、25℃を10分保持、125℃を30分保持、25℃を１０分保持、−40℃を30分保持のプロセスとした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基板の製造装置の説明図である。
【図２】従来のパワーモジュールの縦断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体チップ
２ セラミックス基板
３ 金属層
４ 半田
５ 他方の金属層
６ 半田
７ 金属ベース板
８ メッキ層
９ 鋳型
１０ 凹み
１１ 原料
１２ 黒鉛ピストン
１３ 空洞
１４ 窒化アルミニウムのセラミックス基板

Claims (14)

  1. セラミックス基板の少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成された半導体実装用絶縁基板において、上記合金金属層がシリコンを含有し、その含有量が0.2重量％以上、5重量％未満であり、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、35未満であり、上記合金金属層の厚さが0.5ｍｍ以下であり、上記セラミックス基板の厚さが0.635ｍｍであることを特徴とする半導体実装用絶縁基板。
  2. セラミックス基板の少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成された半導体実装用絶縁基板において、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、35未満であり、上記合金金属層の厚さが0.5ｍｍ以下であり、上記セラミックス基板の厚さが0.635ｍｍであり、上記合金金属層がMnを含有し、その含有量が1.5重量％以下であることを特徴とする半導体実装用絶縁基板。
  3. セラミックス基板の少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成された半導体実装用絶縁基板において、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、35未満であり、上記合金金属層の厚さが0.5ｍｍ以下であり、上記セラミックス基板の厚さが0.635ｍｍであり、上記合金金属層がMgを含有し、その含有量が１重量％以下であることを特徴とする半導体実装用絶縁基板。
  4. セラミックス基板の少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成された半導体実装用絶縁基板において、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、35未満であり、上記合金金属層の厚さが0.5ｍｍ以下であり、上記セラミックス基板の厚さが0.635ｍｍであり、上記合金金属層が銅を含有し、その含有量が0.2重量％以上、3重量％以下であることを特徴とする半導体実装用絶縁基板。
  5. セラミックス基板の少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成された半導体実装用絶縁基板において、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、35未満であり、上記合金金属層の厚さが0.5ｍｍ以下であり、上記セラミックス基板の厚さが0.635ｍｍであり、上記合金金属層が亜鉛を含有し、その含有量が0.2重量％以上、3重量％以下であることを特徴とする半導体実装用絶縁基板。
  6. セラミックス基板の少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成された半導体実装用絶縁基板において、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、35未満であり、上記合金金属層の厚さが0.5ｍｍ以下であり、上記セラミックス基板の厚さが0.635ｍｍであり、上記合金金属層がニッケルを含有し、その含有量が0.2重量％以上、3重量％以下であることを特徴とする半導体実装用絶縁基板。
  7. 上記セラミックス基板がアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素から選ばれる一種で作られることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の半導体実装用絶縁基板。
  8. 金属ベース板と、一面を上記金属ベース板に接合された少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成されたセラミックス基板と、上記セラミックス基板の他面に設けた半導体チップとを有し、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、35未満であり、上記合金金属層の厚さが0.5ｍｍ以下であり、上記セラミックス基板の厚さが0.635ｍｍであり、上記合金金属層がシリコンを含有し、その含有量が0.2重量％以上、5重量％未満であることを特徴とするパワーモジュール。
  9. 金属ベース板と、一面を上記金属ベース板に接合された少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成されたセラミックス基板と、上記セラミックス基板の他面に設けた半導体チップとを有し、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、35未満であり、上記合金金属層の厚さが0.5ｍｍ以下であり、上記セラミックス基板の厚さが0.635ｍｍであり、上記合金金属層がMnを含有し、その含有量が1.5重量％以下であることを特徴とするパワーモジュール。
  10. 金属ベース板と、一面を上記金属ベース板に接合された少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成されたセラミックス基板と、上記セラミックス基板の他面に設けた半導体チップとを有し、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、35未満であり、上記合金金属層の厚さが0.5ｍｍ以下であり、上記セラミックス基板の厚さが0.635ｍｍであり、上記合金金属層がMgを含有し、その含有量が１重量％以下であることを特徴とするパワーモジュール。
  11. 金属ベース板と、一面を上記金属ベース板に接合された少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成されたセラミックス基板と、上記セラミックス基板の他面に設けた半導体チップとを有し、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、35未満であり、上記合金金属層の厚さが0.5ｍｍ以下であり、上記セラミックス基板の厚さが0.635ｍｍであり、上記合金金属層が銅を含有し、その含有量が0.2重量％以上、3重量％以下であることを特徴とするパワーモジュール。
  12. 金属ベース板と、一面を上記金属ベース板に接合された少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成されたセラミックス基板と、上記セラミックス基板の他面に設けた半導体チップとを有し、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、35未満であり、上記合金金属層の厚さが0.5ｍｍ以下であり、上記セラミックス基板の厚さが0.635ｍｍであり、上記合金金属層が亜鉛を含有し、その含有量が0.2重量％以上、3重量％以下であることを特徴とするパワーモジュール。
  13. 金属ベース板と、一面を上記金属ベース板に接合された少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成されたセラミックス基板と、上記セラミックス基板の他面に設けた半導体チップとを有し、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、35未満であり、上記合金金属層の厚さが0.5ｍｍ以下であり、上記セラミックス基板の厚さが0.635ｍｍであり、上記合金金属層がニッケルを含有し、その含有量が0.2重量％以上、3重量％以下であることを特徴とするパワーモジュール。
  14. 上記セラミックス基板がアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素から選ばれる一種で作られることを特徴とする請求項８、９、１０、１１、１２または１３記載のパワーモジュール。
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