JP4629016B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板およびヒートシンク付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 - Google Patents

Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板およびヒートシンク付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関するものである。

この種のパワーモジュールは一般に、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に金属層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層にはんだ接合された半導体チップと、金属層に接合されたヒートシンクとを備えている。
そして、従来から、パワーモジュールの接合信頼性を向上させるために、例えば下記特許文献１に示されるように、回路層または金属層を純度が９９．９８ｗｔ％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成している。
再公表ＷＯ０３／０９０２７７号公報

ところで、近年では、パワーモジュールの接合信頼性をさらに向上させることに対する要求がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、パワーモジュールの接合信頼性を向上させることができるヒートシンク付パワーモジュール用基板およびヒートシンク付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を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に金属層がろう付けされ、回路層に半導体チップがはんだ接合されるヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層は、全体の平均純度が９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下のＡｌ合金により形成されるとともに、前記セラミックス板とのろう付け面側に含まれるＦｅの濃度が、０．１ｗｔ％未満とされ、かつこのろう付け面と反対の表面側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされており、その表面に純ＣｕからなるヒートシンクをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅ系の無鉛はんだではんだ接合されていることを特徴とする。
この発明によれば、金属層において、ろう付け面側に含まれるＦｅの濃度が、０．１ｗｔ％未満とされているので、熱サイクル時に、セラミックス板および金属層の各熱膨張係数の差に起因して、これらの接合界面に応力が生じようとした場合においても、金属層のろう付け面側を塑性変形させることによりこの応力を吸収させることが可能になる。これにより、前記接合界面に作用する応力を抑えることが可能になり、セラミックス板と金属層との接合信頼性を向上させることができる。
一方、金属層において、前記反対の表面側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされているので、熱サイクル時に金属層が繰り返し熱変形するのに伴い、徐々にこの反対の表面側を硬化させることが可能になり、この部分が塑性変形するのを抑えることができる。これにより、熱サイクル時に、金属層の前記反対の表面とヒートシンクとの接合部に亀裂が発生してもその進展を抑えることが可能になり、パワーモジュールの接合信頼性を向上させることができる。

ここで、前記ろう付け面側は、金属層においてこのろう付け面から前記反対の表面に向けて金属層の厚さの１０％以上５０％以下までに位置する部分とされ、残部が前記反対の表面側とされてもよい。
この場合、前記の作用効果が確実に奏効されることになる。

また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に金属層がろう付けされ、回路層に半導体チップがはんだ接合されるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、セラミックス板の裏面に、Ａｌ系のろう材箔と、Ｆｅを０．０５ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下含有する純度が９８．５ｗｔ％以上９９．９５ｗｔ％以下のＡｌ合金からなる金属層部材とをこの順に配置して積層体とした後に、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させて、セラミックス板の裏面に金属層部材をろう付けすることにより、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成することを特徴とする。
この発明では、前記積層体を積層方向に加圧してろう付けするので、セラミックス板の裏面と金属層部材とを良好にろう付けすることが可能になり、金属層部材においてセラミックス板とのろう付け面側に含まれるＦｅを、前記接合界面で溶融しているろう材中に良好に溶解させることができる。したがって、金属層のろう付け面側に含まれるＦｅの濃度が、０．１ｗｔ％未満とされ、かつこのろう付け面と反対の表面側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされたヒートシンク付パワーモジュール用基板を確実に形成することができる。

さらに、本発明のパワーモジュールは、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に金属層がろう付けされたヒートシンク付パワーモジュール用基板と、回路層の表面にはんだ接合された半導体チップとを備えたパワーモジュールであって、前記ヒートシンク付パワーモジュール用基板が本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板であることを特徴とする。

この発明によれば、パワーモジュールの接合信頼性を向上させることができる。

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はこの発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板（以下、パワーモジュール用基板と略す）を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
このパワーモジュール１０は、セラミックス板１１においてその表面に回路層１２がろう付けされるとともに、裏面に金属層１３がろう付けされたパワーモジュール用基板１４と、回路層１２の表面に第１はんだ層１５を介してはんだ接合された半導体チップ１６とを備える。金属層１３の表面には第２はんだ層１８を介してはんだ接合されたヒートシンク１７を備える。

ここで、これらの各部材を形成する材質としては、例えば、セラミックス板１１ではＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等が挙げられ、回路層１２では純Ａｌ若しくはＡｌ合金が挙げられ、ヒートシンク１７では純Ａｌ、純Ｃｕ、Ａｌ合金若しくはＣｕ合金等が挙げられ、第２はんだ層１８では例えば無鉛系のはんだ材が挙げられる。また、セラミックス板１１と回路層１２および金属層１３とをろう付けするろう材では、例えばＡｌ−Ｓｉ系等のＡｌ系のろう材が挙げられる。本実施形態では、Ｓｉを、１１．６ｗｔ％以下で、かつ金属層１３を形成する後述の金属層部材に含まれるＳｉの濃度より高い濃度含有するＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされている。

そして、本実施形態では、金属層１３は、全体の平均純度が９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下のＡｌ合金により形成されるとともに、セラミックス板１１とのろう付け面１３ａ側に含まれるＦｅの濃度が、０．１ｗｔ％未満とされ、かつこのろう付け面１３ａと反対の表面１３ｂ側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされている。また、ろう付け面１３ａ側は、金属層１３においてこのろう付け面１３ａから前記反対の表面１３ｂに向けて金属層１３の厚さの１０％以上５０％以下までに位置する部分とされ、残部が前記反対の表面１３ｂ側とされている。

ここで、金属層１３において前記ろう付け面１３ａ側、および前記反対の表面１３ｂ側の特定は、金属層１３を切断して得られた断面において、電子マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）装置を用い、前記反対の表面１３ｂから前記ろう付け面１３ａに向かって、加速電圧１５ｋＶ、電流値５×１０^−８Ａ、スポットサイズ１μｍ、１点測定時間５秒、移動間隔１μｍの条件でＥＰＭＡの線分析を行い、得られたデータから、Ｆｅの濃度が０．１ｗｔ％以上である領域と、０．１ｗｔ％未満である領域との境界を特定することにより行った。
そして、このようにして特定された前記ろう付け面１３ａ側および前記反対の表面１３ｂ側それぞれについて、ＥＰＭＡ装置において加速電圧を１５ｋＶとし、かつ電流値を５×１０^−８Ａとして、スポットサイズを３０μｍに設定し、前記断面における任意の１０箇所で測定し、得られた測定値の平均値を算出することにより、前記ろう付け面１３ａ側、および前記反対の表面１３ｂ側それぞれに含まれるＦｅの濃度を求めた。
また、金属層１３全体の平均純度は、まず、金属層１３を、水、フッ化水素酸および硝酸がそれぞれ同量ずつ混入された水浴中（約１００℃）に浸して分解し、その後、この分解した試料を、ＩＣＰ−ＡＥＳ法（誘導結合プラズマ−発光分析法）を用いることにより測定した。

次に、以上のように構成されたパワーモジュール用基板１４の製造方法について説明する。
まず、金属層１３と同形同大の金属層部材を形成する。ここで、金属層部材は、その全体の平均で、Ｆｅを０．０５ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下含有する純度が９８．５ｗｔ％以上９９．９５ｗｔ％以下のＡｌ合金からなっている。その後、セラミックス板１１の裏面にろう材箔と金属層部材とをこの順に配置する。また、セラミックス板１１の表面にろう材箔を介して回路層１２と同形同大の回路層部材を配置する。
以上より、セラミックス板１１において、その表面にろう材箔と回路層部材とがこの順に配置され、裏面に前記ろう材箔と金属層部材とがこの順に配置された積層体を形成する。

そして、この積層体を、不活性雰囲気、還元雰囲気、または真空中（真空度１×１０^−５Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^−３Ｐａ）以下）に置いて、積層方向に０．０９８ＭＰａ〜０．２９４ＭＰａで加圧した状態で、５７７℃以上６６０℃以下で加熱し、ろう材箔を溶融させることによって、セラミックス板１１の表面に回路層部材をろう付けにより接合して回路層１２を形成し、セラミックス板１１の裏面と金属層部材とをろう付けにより接合して金属層１３を形成してパワーモジュール用基板１４を形成する。

以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール用基板によれば、金属層１３において、ろう付け面１３ａ側に含まれるＦｅの濃度が、０．１ｗｔ％未満とされているので、熱サイクル時に、セラミックス板１１および金属層１３の各熱膨張係数の差に起因して、これらの接合界面に応力が生じようとした場合においても、金属層１３のろう付け面１３ａ側を塑性変形させることによりこの応力を吸収させることが可能になる。これにより、前記接合界面に作用する応力を抑えることが可能になり、セラミックス板１１と金属層１３との接合信頼性を向上させることができる。

一方、金属層１３において、前記反対の表面１３ｂ側に含まれるＦｅの濃度が、０．１ｗｔ％以上とされているので、熱サイクル時に金属層１３が繰り返し熱変形するのに伴い、徐々にこの反対の表面１３ｂ側を硬化させることが可能になり、この部分が塑性変形するのを抑えることができる。これにより、熱サイクル時に、金属層１３の前記反対の表面１３ｂとヒートシンク１７とを接合する第２はんだ層１８に亀裂が発生してもその進展を抑えることが可能になり、パワーモジュール１０の接合信頼性を向上させることができる。

また、金属層部材とセラミックス板１１とをろう付けする際、前記積層体を積層方向に加圧するので、セラミックス板１１の裏面と金属層部材との接合界面に酸化膜が形成されるのを防ぐことが可能になり、金属層部材においてセラミックス板１１とのろう付け面側に含まれるＦｅを、前記接合界面で溶融しているろう材中に良好に溶解させることができる。したがって、金属層１３のろう付け面１３ａ側に含まれるＦｅの濃度が、０．１ｗｔ％未満とされ、かつこのろう付け面１３ａと反対の表面１３ｂ側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされたパワーモジュール用基板１４を確実に形成することができる。

さらに、金属層部材とセラミックス板１１とを接合するろう材箔に含まれるＳｉの濃度が、金属層部材に含まれるＳｉの濃度よりも高くなっているので、ろう付け時の加熱により金属層部材におけるＳｉの限界固溶量が増大することと相俟って、溶融したろう材に含まれるＳｉを、金属層部材の内部に向けてろう付け面側から拡散させることが可能になり、金属層部材において、ろう付け面側に含まれるＳｉの濃度を、前記反対の表面側よりも高めることができる。これにより、ろう付け面側におけるＦｅの限界固溶量が、前記反対の表面側よりも小さくなるので、ろう付け面側に含まれるＦｅの濃度を前記反対の表面側よりも低くすることが可能になる。したがって、前述のように、金属層部材においてセラミックス板１１とのろう付け面側に含まれるＦｅを、前記接合界面で溶融しているろう材中に良好に溶解させることが可能になることと相俟って、接合信頼性の向上された前記のパワーモジュール用基板１４をより一層確実に形成することができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の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、金属層部材や回路層部材は、母材を打ち抜いて形成したり、あるいはいわゆるエッチング法により形成してもよい。

次に、この製造方法についての具体的な実施例について説明する。
まず、材質については、金属層部材および回路層部材を、Ｆｅを約０．３ｗｔ％含有する純度が９９．５％のＡｌ合金、金属層１３および回路層１２とセラミックス板１１とを接合するろう材をＡｌ−Ｓｉ系（Ａｌが９２．５ｗｔ％、Ｓｉが７．５ｗｔ％）、セラミックス板１１をＡｌＮによりそれぞれ形成した。厚さについては、金属層１３および回路層１２をそれぞれ約０．６ｍｍ、ろう材箔を約３０μｍ、セラミックス板１１を約０．６３５ｍｍとした。なお、金属層１３は平面視四角形とされ、縦および横の寸法はそれぞれ、約３０ｍｍとした。
そして、前記積層体を６００℃〜６５０℃の真空中（真空度１×１０^−５Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^−３Ｐａ）以下）に置いて、約１時間、積層方向に０．０９８ＭＰａ〜０．２９４ＭＰａで加圧して、パワーモジュール用基板１４を形成した。

このパワーモジュール用基板１４の金属層１３に対して、電子マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用い、ろう付け面１３ａ側の領域と前記反対の表面１３ｂ側の領域とを判定した。具体的には、金属層１３を切断して得られた断面において、前記反対の表面１３ｂからろう付け面１３ａに向かって、加速電圧１５ｋＶ、電流値５×１０^−８Ａ、スポットサイズ１μｍ、１点測定時間５秒、移動間隔１μｍの条件でＥＰＭＡの線分析を行った。その結果を図２に示す。
この図より、金属層１３においてろう付け面１３ａから前記反対の表面１３ｂに向かって金属層１３の厚さの約３３％までに位置する部分では、Ｆｅの濃度が０．１ｗｔ％未満で低くなっており、それより前記反対の表面１３ｂ側ではＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上で高くなっていることが確認される。

次に、以上説明した作用効果についての検証試験を実施した。
金属層を形成する金属層部材において、Ａｌの純度、厚さおよびＦｅの濃度の少なくとも１つを異ならせて８種類のパワーモジュール用基板を形成し、各パワーモジュール用基板の金属層において、ろう付け面側に含まれるＦｅの濃度、前記反対の表面側に含まれるＦｅの濃度、ろう付け面側の厚さ、および前記反対の表面側の厚さの少なくとも１つを異ならせた。そして、これらのパワーモジュール用基板それぞれの金属層の表面に、同一の性能を有する純ＣｕからなるヒートシンクをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅ系の無鉛はんだではんだ接合したものを、−４０℃から１０５℃に約３分間で昇温した後、１０５℃から−４０℃に１０分間で降温する温度履歴を１サイクルとした熱サイクルを２０００サイクル付与した。

その後、セラミックス板および金属層の接合界面を超音波映像装置（１５ＭＨｚプローブ）を用いて撮像し、この撮像データを２値化して得られた剥離部分の接合界面全体に占める面積から剥離面積率を算出した。
同様に、金属層およびヒートシンクのはんだによる接合界面を超音波映像装置（１５ＭＨｚプローブ）を用いて撮像し、この撮像データを２値化して得られたはんだクラック進展領域の接合界面全体に占める面積からはんだクラック進展領域面積率を算出した。ここで、剥離面積率、およびはんだクラック進展領域面積率の各評価は、２０％を超えたものを×、１０％より大きく２０％以下のものを○、１０％以下のものを◎で評価した。
結果を表１に示す。

この結果、金属層１３が、その全体の平均純度が９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下のＡｌ合金により形成されるとともに、セラミックス板１１とのろう付け面１３ａ側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされ、かつこのろう付け面１３ａと反対の表面１３ｂ側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされていれば、前記の温度サイクルを２０００サイクル付与しても、剥離面積率が最小限に抑えられ、このパワーモジュール１０の接合信頼性を向上できたことが確認された。

パワーモジュールの接合信頼性を向上させることができる。

この発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。 図１に示す金属層の厚さ方向におけるＦｅの濃度分布の一例を示す図である。

符号の説明

１０ パワーモジュール
１１ セラミックス板
１２ 回路層
１３ 金属層
１３ａ ろう付け面
１３ｂ 反対の表面
１４ パワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）
１６ 半導体チップ
１８ 第２はんだ層

Claims (4)

1. セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に金属層がろう付けされ、回路層に半導体チップがはんだ接合されるヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
   前記金属層は、全体の平均純度が９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下のＡｌ合金により形成されるとともに、前記セラミックス板とのろう付け面側に含まれるＦｅの濃度が、０．１ｗｔ％未満とされ、かつこのろう付け面と反対の表面側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされており、その表面に純ＣｕからなるヒートシンクをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅ系の無鉛はんだではんだ接合されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
2. 請求項１記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、
   前記ろう付け面側は、金属層においてこのろう付け面から前記反対の表面に向けて金属層の厚さの１０％以上５０％以下までに位置する部分とされ、残部が前記反対の表面側とされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
3. セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に金属層がろう付けされ、回路層に半導体チップがはんだ接合されるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
   セラミックス板の裏面に、Ａｌ系のろう材箔と、Ｆｅを０．０５ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下含有する純度が９８．５ｗｔ％以上９９．９５ｗｔ％以下のＡｌ合金からなる金属層部材とをこの順に配置して積層体とした後に、
   この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させて、セラミックス板の裏面に金属層部材をろう付けすることにより、請求項１または２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
4. セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に金属層がろう付けされたヒートシンク付パワーモジュール用基板と、回路層の表面にはんだ接合された半導体チップとを備えたパワーモジュールであって、
   前記ヒートシンク付パワーモジュール用基板が請求項１または２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であることを特徴とするパワーモジュール。

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