JP5772088B2

JP5772088B2 - パワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板

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Publication number: JP5772088B2
Application number: JP2011053232A
Authority: JP
Inventors: 丈嗣北原; 長瀬　敏之; 敏之長瀬; 慎介青木
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: JP2012191004A

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の製造方法及びパワーモジュール用基板に関する。

半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば特許文献１に示すように、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上に、回路層となるＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が広く用いられている。
また、例えば特許文献２〜４に示すように、セラミックス基板の上にアルミニウム合金部材を溶湯接合法によって接合して回路層を形成したパワーモジュール用基板が提案されている。
このようなパワーモジュール用基板においては、使用時に熱サイクルの負荷を受けると、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差による応力がセラミックス基板と回路層との接合界面に作用し、接合信頼性が低下するおそれがある。そこで、従来は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで回路層を構成して熱応力を回路層の変形によって吸収することで、接合信頼性の向上を図っている。

特開２００５−３２８０８７号公報特開２００２−３２９８１４号公報特開２００５−２５２１３６号公報特開２００７−０９２１５０号公報

ところで、回路層を純度が９９．９９％以上等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで構成した場合、熱サイクルの負荷を受けた際に、回路層の表面にうねりやシワが発生してしまうといった問題があった。このように回路層の表面にうねりやシワが発生すると、はんだ層にクラックが発生してしまうため、パワーモジュールの信頼性が低下することになる。
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、熱サイクルの温度差が大きく、回路層の表面にうねりやシワが発生するおそれがある。

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、熱サイクル負荷を受けた際にも、回路層の表面にうねりやシワ等の塑性変形が発生することを抑制でき、かつ、セラミックス基板と回路層との接合界面に熱応力が作用することを抑制でき、その接合信頼性を向上させたパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板を提供する。

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表面に回路層が接合されるとともに、前記セラミックス基板の裏面に純度９９．０％以上の純アルミニウムからなる金属層が接合されてなり、前記金属層にヒートシンクが接合されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層として、電子部品搭載面を構成するアルミニウム純度が質量％で９９．０％以上９９．９５％以下の第１層と、アルミニウム純度９９．９９％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を用い、前記クラッド材の前記第２層を前記セラミックス基板に接合することを特徴とする。

パワーモジュール用基板におけるろう付け温度は例えば６４０〜６５０℃と高いので、回路層のアルミニウムとしては融点の高い純アルミニウムが用いられる。また、この回路層においては、セラミックス基板にろう付けされる第２層はアルミニウム純度が９９．９９％以上と極めて高純度であるため、ろう付け性が良く、セラミックス基板に強固に接合される。また、高純度のアルミニウムからなるので、変形抵抗が小さく、セラミックス基板との間の熱応力を変形によって吸収することができる。一方、電子部品搭載面を構成する第１層は、アルミニウム純度が比較的低いため、機械的強度、硬度が高く、電子部品搭載面の塑性変形を抑制して、電子部品とのはんだ接合部を健全に維持することができる。この第１層のアルミニウム純度が９９．９５質量％を超えると塑性変形抑制効果がなく、９９．０質量％未満では、硬くなってクラッドすることが難しくなる。これら少なくとも２層のクラッド材によって回路層を形成したことにより、回路層の厚肉化に対応することが可能になる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記第１層は１００μｍ以上４００μｍ以下の厚さを有するとよい。
この第１層の電子部品搭載面に生じる塑性変形は、深さ１００μｍの範囲内に蓄積されるので、第１層の厚さが１００μｍ以上であれば、この塑性変形を抑制することができる。第１層の厚さが４００μｍを超えるのは電子部品搭載面の塑性変形を抑制する効果には無駄であり、回路層全体の厚肉化を招くので好ましくない。

前記第１層がＪＩＳ規格品の１０００番台のアルミニウムであるとよい。
電子部品がはんだ付けにより搭載された後、そのはんだ接合面に、Ａｌ_３ＦｅなどのＡｌ−Ｆｅ系の析出物、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系析出物が析出し、これら析出物がはんだ接合面を硬くして、その変形抑制効果を高めることができる。

そして、本発明のパワーモジュール用基板は、上記の製造方法によって製造されたものであり、パワーモジュールは、そのパワーモジュール用基板の回路層の前記第１層の回路搭載面に電子回路がはんだ付けにより接合されていることを特徴とする。

本発明によれば、クラッド材からなる回路層のうち、アルミニウム純度が９９．９９％以上と極めて高い第２層によりセラミックス基板とのろう付けによる接合性を高め、アルミニウム純度が９９．0％以上９９．９５％以下の第１層により、電子回路面の塑性変形を抑制して、電子部品とのはんだ接合部の接合信頼性を高めており、回路層の厚肉化に対応可能で、高出力のパワーモジュールを得ることができる。

本発明の実施形態の製造方法が適用されるパワーモジュールの全体構成を示す縦断面図である。

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、本発明に係る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に示されるパワーモジュール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とから構成されている。

パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の表面側に回路層７がろう付けにより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８がろう付けにより積層されており、セラミックス基板２と反対側の回路層７の表面が電子部品搭載面７ａとされ、金属層８にヒートシンク５が取り付けられる構成である。
また、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、若しくは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る。

回路層７は、アルミニウム純度の異なる第１層１１と第２層１２との２層のアルミニウムが予めクラッドされたクラッド材が用いられている。これら第１層１１及び第２層１２は、ろう付け前の組成で、第１層１１がアルミニウム純度が質量％で９９．０％以上９９．９５％以下とされ、第２層１２がアルミニウム純度９９．９９％以上とされている。この場合、比較的アルミニウム純度の低い第１層１１の不純物成分としては、質量％で、Ｓｉが０．０１％〜１．０％、Ｆｅが０．０１％〜１．０％、Ｃｕが０．０１％〜０．３％、Ｍｎが０〜０．０５％、Ｚｎが０〜０．１％、Ｔｉが０〜０．０５％の範囲で含まれる。これら不純物成分のうち、特に、Ｓｉ、Ｆｅ及びＣｕを含有しているのが好ましい。
ＪＩＳ規格品では、第１層１１として１０００番台のアルミニウム、第２層１２としては１Ｎ９９を用いることができる。
そして、この第１層１１の表面が電子部品搭載面７ａとされ、第２層１２の表面（図の下面）がセラミックス基板３への接合面とされている。

一方、金属層８は、ろう付け前の組成でアルミニウム純度９９．０％以上の純アルミニウムにより形成されている。
この場合、各層の厚さについて、個々の寸法は限定されるものではないが、セラミックス基板２の厚さは例えば６３５μｍ、金属層８の厚さは４００μｍとされ、回路層７の厚さが６００μｍとされる。この回路層７は、さらに第１層１１が厚さ２００μｍ、第２層１２が厚さ４００μｍとされる。

また、これらセラミックス基板２、回路層７、金属層８の相互間は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等のろう材によって接合されている。金属層８とヒートシンク５との間はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材やＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ系等のろう材によって接合され、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。図でははんだ付けした例を示しており、符号１３ははんだ接合層を示す。

ヒートシンク６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、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８より大きい四角形状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。

そして、回路層７の第１層１１の電子部品搭載面７ａ上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によって電子部品４が接合される。図中符号１８がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と回路層７の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。

そして、このような構成のパワーモジュール用基板３を製造するには、セラミックス基板２の各面にろう材箔を介して回路層７及び金属層８を積層し、これら積層体を不活性ガス雰囲気、還元ガス雰囲気又は真空雰囲気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回路層７及び金属層８をそれぞれセラミックス基板２に接合する。このうち、回路層７は、アルミニウム純度の異なる第１層１１と第２層１２とを予めクラッド圧延によって積層状態に形成したものが用いられる。また、これら回路層７及び金属層８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、これら回路層７及び金属層８とセラミックス基板２とのろう付け時には、６４０〜６５０℃、あるいはそれ以上の温度になるが、回路層７及び金属層８とも融点の高い純アルミニウム或いは高純度アルミニウムを使用しているので、高温での接合により、強固なパワーモジュール用基板３を得ることができる。

このようにして製造したパワーモジュール用基板３に、その金属層８にヒートシンク５がはんだ付けされるとともに、回路層７の上に電子部品４がはんだ付けされる。これらのはんだ付け作業は窒素と水素を混合した還元ガス雰囲気中で行われる。また、冷却後に、大気中で電子部品４と回路層７との間でワイヤボンディングされる。
この一連の工程によってパワーモジュール１が完成する。

このように構成されるパワーモジュール１においては、回路層７が比較的厚肉に形成されているので、電子部品４からの熱が速やかに回路層７に伝達して速やかに放熱することができ、電子部品４の高出力化に対応することが可能である。その場合に、回路層７とセラミックス基板２との間のろう付け接合部においては、回路層７のろう付け接合面がアルミニウム純度の極めて高い第２層１２によって形成されているので、ろう付け性が良く、セラミックス基板２に強固に接合される。
この場合、ろう付け時に、回路層７の第２層１２にろう材中に含まれるＳｉ等の成分が拡散するが、その拡散層は２００μｍの深さの範囲に形成されるため、第２層１２の厚さとしては少なくとも２００μｍあるとよい。２００μｍより薄いと、ろう材が回路層７の側面にしみ出すおそれがある。
また、セラミックス基板２と接合される第２層１２が高純度（９９．９９％）のアルミニウムからなるので、変形抵抗が小さく、セラミックス基板との間の熱応力を変形によって吸収することができる。

一方、回路層７と電子部品４とのはんだ接合部においては、回路層７の電子部品搭載面７ａがアルミニウム純度の比較的低い第１層１１によって形成されており、その機械的強度、硬度が高いので、熱サイクル負荷が作用した際でもうねりやしわ等の塑性変形が生じにくく、電子部品搭載面７ａの平坦性を長期的に安定して維持することができ、接合信頼性を大幅に高めることができる。この塑性変形抑制の効果を有効に発揮するために、第１層１１のアルミニウム純度は９９．９０〜９９．９５質量％が好ましく、９９．９５質量％を超えると塑性変形抑制効果がなく、９９．０質量％未満では、硬くなってクラッドすることが難しくなる。
また特に、第１層１１を構成するアルミニウムの不純物成分として、ＳｉやＦｅを含有している場合、Ａｌ−Ｆｅ系、あるいはＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系の析出物が電子部品搭載面７ａに析出し、これらの析出物によって電子部品搭載面７ａが硬くなり（析出硬化）、その変形抑制効果をより高めることができる。Ｓｉ及びＦｅの含有量は、０．０１質量％未満では変形抑制効果がなく、１．０質量％を超えると硬くなってクラッドすることが難しくなる。
この第１層１１の厚さとしては、電子部品搭載面７ａの変形抑制効果を発揮させるために１００μｍ以上とするのが望ましい。

前述したように、回路層７について、その第１層１１は１００μｍ以上、第２層１２は２００μｍ以上あればよいが、回路層７全体としては、その上に搭載される電子部品４からの熱を速やかに吸収して放熱する目的のものであり、その目的のためには、アルミニウムとしてはできるだけ高純度の方がよい。したがって、この回路層７を厚肉化する場合、第１層１１として少なくとも１００μｍ確保し、残りの厚さ分をアルミニウム純度の高い第２層１２とするのが好ましい。回路層７の厚さを６００μｍにする場合、第１層１１と第２層１２との厚さ比率を第１層：第２層＝１：５〜１：２にするとよい。
また、第１層１１としては、アルミニウム純度９９．０％以上９９．９５％以下とされるが、導電層としては、なるべくアルミニウム純度が高いもの（例えば９９．９０％以上）が好ましい。

本発明の製造方法による効果確認のために、回路層として、アルミニウム純度が９９．０％の第１層とアルミニウム純度が９９．９９％の第２層とのクラッド材を用いたものと、アルミニウム純度が９９．９９％の単体層によるものとをセラミックス基板にそれぞれろう付けにより接合して、実施例のパワーモジュール用基板と比較例のパワーモジュール用基板とを作製した。回路層としては、実施例のものは第１層が１００μｍ、第２層が５００μｍとし、比較例のものは６００μｍとした。これらパワーモジュール用基板の回路層における電子部品搭載面に電子部品として半導体チップをはんだ付けにより接合した後、熱サイクル試験を実施した。熱サイクル試験としては、−４０℃から１２５℃の温度範囲で昇温と冷却とを３０００サイクル繰り返した。
試験後、電子部品との接合部を断面観察した結果、実施例のものには特に異常は認められず、平坦な回路層（第１層）により均一にはんだ接合部が形成されていたが、比較例のものは、回路層の電子部品搭載面の一部に皺が認められたものがあった。

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。

１パワーモジュール
２セラミックス基板
３パワーモジュール用基板
４電子部品
５ヒートシンク
７回路層
７ａ電子部品搭載面
８放熱層
１１第１層
１２第２層
１３はんだ接合層
１５筒体
１６流路
１７縦壁
１８はんだ接合層

Claims

セラミックス基板の表面に回路層が接合されるとともに、前記セラミックス基板の裏面に純度９９．０％以上の純アルミニウムからなる金属層が接合されてなり、前記金属層にヒートシンクが接合されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層として、電子部品搭載面を構成するアルミニウム純度が質量％で９９．０％以上９９．９５％以下の第１層と、アルミニウム純度９９．９９％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を用い、前記クラッド材の前記第２層を前記セラミックス基板に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。
前記第１層は１００μｍ以上４００μｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール基板の製造方法。
前記第１層がＪＩＳ規格品の１０００番台のアルミニウムであることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板。
請求項４記載のパワーモジュール用基板の前記回路層の第１層における前記電子部品搭載面に電子部品がはんだ付けにより接合されていることを特徴とするパワーモジュール。