JP4786407B2

JP4786407B2 - パワーモジュール

Info

Publication number: JP4786407B2
Application number: JP2006138660A
Authority: JP
Inventors: 慎介青木; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-05-18
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2026-05-18
Also published as: JP2007311529A

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、金属層の表面にろう付けされたヒートシンクとが備えられ、回路層に半導体チップがはんだ接合されて用いられている。
そして、従来から、このような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９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌからなる回路層部材または金属層部材を前記のようにろう付けすることにより形成している。
再表０３／０９０２７７号公報

しかしながら、前記従来のパワーモジュールでは、金属層部材が、純度９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成されていたとしても、ろう付け時に、溶融したろう材に含まれるＳｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ若しくはＧｅ等が、金属層部材の、セラミックス板およびヒートシンクとの各ろう付け面から各別にその内部に向けて拡散するため、ろう付けされた金属層では、Ａｌの純度が９９．９８％より小さくなっていた。したがって、この金属層では、ろう付け前の金属層部材と比べて、熱変形に対する抵抗力が大きくなり、さらに、熱サイクル時に熱変形が繰り返されて徐々に硬化することにもなるため、この熱サイクル時に、金属層がセラミックス板やこれらの接合界面に及ぼす負荷が大きくなり、例えば、セラミックス板が割れ易くなったり、金属層とセラミックス板との接合界面が剥離し易くなったりする等、パワーモジュールの熱サイクル寿命が短くなるおそれがあった。
特に、近年では、セラミックス板の表裏面における平面積を大きくして、１つのヒートシンクに搭載するパワーモジュール用基板の数量を少なくすることによって、製造コストを低減させたり、パワーモジュールユニットのコンパクト化を図ることに対する要望があるが、このようにセラミックス板を大きくすると、このセラミックス板の曲げ剛性が低下して熱サイクル時の熱変形量が大きくなるため、前述した金属層におけるＡｌの純度の低下に伴う変形抵抗の増大等が、この要望に対して大きな阻害要因となっていた。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、熱サイクル寿命を向上させることができる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パワーモジュール用基板と、金属層の表面にろう付けされたヒートシンクとが備えられ、回路層に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュールであって、前記セラミックス板は、一辺が３０ｍｍより大きく４０ｍｍ以下とされており、前記金属層は、厚さが１．０ｍｍ以上４．５ｍｍ以下とされるとともに、純度が９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌからなる金属層部材が、セラミックス板の裏面、およびヒートシンクの表面にそれぞれ、Ａｌ系のろう材によりろう付けされてなり、この金属層のうち、該金属層の厚さに対して４０％以上８７％以下の厚さ領域部分は、Ａｌの純度が９９．９８％以上とされるとともに、該金属層の厚さ方向の中央部に位置されていることを特徴とする。
この発明によれば、金属層のうち、該金属層の厚さに対して４０％以上８７％以下の厚さ領域部分が、Ａｌの純度が９９．９８％以上とされているので、この金属層における熱変形に対する抵抗力が大きくなるのを抑えることが可能になるとともに、熱サイクル時に熱変形が繰り返されて徐々に硬化することも抑制することが可能になり、この熱サイクル時に、金属層がセラミックス板やこれらの接合界面に及ぼす負荷を抑えることができる。したがって、熱サイクル時に、セラミックス板が割れ易くなったり、金属層とセラミックス板との接合界面が剥離し易くなったりする等、パワーモジュールの熱サイクル寿命が短くなるのを防ぐことができる。
これにより、例えば、セラミックス板の表裏面における平面積を大きくして、１つのヒートシンクに搭載するパワーモジュール用基板の数量を少なくすることによって、製造コストを低減させる等する一方で、セラミックス板の曲げ剛性の低下に伴い、このセラミックス板が熱サイクル時に大きく変形し易くなったとしても、熱サイクル時に、金属層がセラミックス板やこれらの接合界面に及ぼす負荷を抑えることが可能になるので、このようなパワーモジュールを熱サイクル寿命を短くさせることなく良好に実現することができる。

この発明によれば、パワーモジュールの熱サイクル寿命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、金属層１３の表面にろう付けされたヒートシンク１７とが備えられ、回路層１２に半導体チップ１６がはんだ層１５を介してはんだ接合されるようになっている。

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では純度が９９．９８％より小さいＡｌ合金が挙げられ、はんだ層１５ではＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等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。

さらに、セラミックス板１１は、一辺が３０ｍｍより大きく５０ｍｍ以下の平面視正方形とされるとともに、厚さが０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の板状体とされ、金属層１３は、一辺の大きさがセラミックス板１１よりも小さく、かつ３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の平面視正方形とされるとともに、厚さが０．１ｍｍ以上１．３ｍｍ以下とされている。また、ヒートシンク１７において、例えばその内部に冷媒供給流路が形成されている場合、金属層１３とのろう付け面１７ａ側の厚さが３ｍｍ以上１０ｍｍ以下とされている。

そして、本実施形態では、金属層１３は、純度が９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成された金属層部材が、セラミックス板１１の裏面、およびヒートシンク１７の表面にそれぞれ、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系（例えば、Ａｌが９２．５ｗｔ％、Ｓｉが７．５ｗｔ％）、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｍｇ系、若しくはＡｌ−Ｇｅ系等のＡｌ系のろう材によりろう付けされてなり、この金属層１３のうち、その総厚に対して１０％以上の厚さ領域部分Ａは、Ａｌの純度が９９．９８％以上とされている。そして、金属層１３において、その表裏面１３ａ、１３ｂの近傍に位置する部分は、ろう付け時に、溶融したＡｌ系のろう材に含まれるＳｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、若しくはＧｅ等が、これらの表裏面１３ａ、１３ｂからその内部に向けて拡散することにより、Ａｌの純度が９９．９８％よりも小さくなっている。なお、図示の例では、前記厚さ領域部分Ａは、金属層１３の厚さ方向中央部に位置されている。

次に、以上のように構成されたパワーモジュール１０の製造方法について説明する。
まず、純度が９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌからなる母材を打ち抜いたり、あるいはこのＡｌ合金若しくは純Ａｌの溶湯を用いた鋳造により板状の回路層部材および金属層部材を形成する。また、純度が９９．９８％より小さいＡｌ合金の溶湯を用いて鋳造したり、またはこのＡｌ合金からなる部材に押出し加工を施したり、さらには、これらの鋳造品および押出し加工品をろう付け（例えば真空ろう付け等）することによりヒートシンク１７を形成する。なお、回路層部材は回路層１２と同形同大とされ、金属層部材は金属層１３と同形同大とされている。

そして、セラミックス板１１の表面にＡｌ系のろう材箔と回路層部材とをこの順に配置するとともに、セラミックス板１１の裏面に前記ろう材箔と金属層部材とをこの順に配置し、さらに、金属層部材の表面に、前記ろう材箔とヒートシンク１７とをこの順に配置して積層構造体を形成する。ここで、Ａｌ系のろう材箔は、金属層部材の平面視形状と略同形同大とされるとともに、厚さが０．１μｍ以上３０μｍｍ以下とされている。

そして、この積層構造体を、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、この状態を約１時間維持して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するとともに、セラミックス板１１の裏面に金属層部材をろう付けしてパワーモジュール用基板１４を形成し、これと同時に、金属層部材（金属層１３）とヒートシンク１７とをろう付けすることによってパワーモジュール１０を形成する。

なお、金属層１３の前記厚さ領域部分Ａの大きさは、例えば、前記ろう材箔に含まれるＳｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、若しくはＧｅ等の濃度や厚さ、金属層部材のＡｌ純度や厚さ等を適宜設定することにより変更することができる。

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によれば、金属層１３のうち、その総厚に対して１０％以上の厚さ領域部分Ａが、Ａｌの純度が９９．９８％以上とされているので、この金属層１３における熱変形に対する抵抗力が大きくなるのを抑えることが可能になるとともに、熱サイクル時に熱変形が繰り返されて徐々に硬化することも抑制することが可能になり、この熱サイクル時に、金属層１３がセラミックス板１１やこれらの接合界面に及ぼす負荷を抑えることができる。したがって、熱サイクル時に、セラミックス板１１が割れ易くなったり、金属層１３とセラミックス板１１との接合界面が剥離し易くなったりする等、パワーモジュール１０の熱サイクル寿命が短くなるのを防ぐことができる。

これにより、本実施形態のように、セラミックス板１１の表裏面における平面積を大きくして、１つのヒートシンク１７に搭載するパワーモジュール用基板１４の数量を少なくすることによって、製造コストを低減させる等する一方で、セラミックス板１１の曲げ剛性の低下に伴い、このセラミックス板１１が熱サイクル時に大きく変形し易くなったとしても、熱サイクル時に、金属層１３がセラミックス板１１やこれらの接合界面に及ぼす負荷を抑えることが可能になるので、このようなパワーモジュール１０を熱サイクル寿命を短くさせることなく良好に実現することができる。

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、前記実施形態では、金属層１３として１枚のＡｌ合金若しくは純Ａｌの金属層部材を示したが、これに代えて、この金属層１３を、複数枚の金属層部材が積層されてなる積層体としてもよい。そして、この積層体のうち、その総厚に対して１０％以上の厚さ領域部分が、Ａｌの純度が９９．９８％以上とされていればよい。また、厚さ領域部分Ａは、金属層１３の厚さ方向において複数個所に互いに離れて配置されるようにしてもよい。

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、ろう付け前の金属層１３（金属層部材）を純度が９９．９９％の純Ａｌ、ヒートシンク１７を純度が９９．５％のＡｌ合金、金属層１３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を３．０ｍｍ、ろう材箔を１０μｍ、セラミックス板１１を約０．６３５ｍｍとした。
また、セラミックス板１１、金属層１３およびろう材箔の平面視形状をそれぞれ正方形として、一辺の大きさを、セラミックス板１１では４０ｍｍ、金属層１３およびろう材箔では３８ｍｍとした。
そして、前記積層構造体を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１０を形成した。

このパワーモジュール１０において、金属層１３の厚さ方向におけるＡｌの純度分布を、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）で分析して測定した。その結果、金属層１３の厚さ方向中央部に、Ａｌの純度が９９．９８％以上となる厚さ領域部分Ａが、この金属層１３の総厚に対して約８０％存在していることを確認された。

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。
平面視正方形のセラミックス板における一辺の長さ、および金属層の厚さの少なくとも一方を異ならせて１０種類のパワーモジュールを形成し、各パワーモジュールの金属層において、Ａｌの純度が９９．９８％以上とされた厚さ領域部分Ａの大きさを種々異ならせた。

なお、各パワーモジュールにおいて、セラミックス板の材質および厚さと、金属層部材の材質および一辺の長さと、ろう材箔の材質、厚さおよび一辺の長さと、温度等の製造条件とは、前述の実施例と同様にした。

そして、これらの各パワーモジュールを、−４０℃から１０５℃に約１０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かけて、５００サイクル経過する度に、セラミックス板を目視して割れが生じているか否かを確認するとともに、超音波検査装置を用いて、セラミックス板と金属層との接合界面、および金属層とヒートシンクとの接合界面での剥離面積をそれぞれ測定した。そして、各剥離面積がそれぞれの全接合面積に対して１０％以上になっていたときを熱サイクル寿命として測定した。
結果を表１に示す。

結果、実施例では、熱サイクル寿命が１０００サイクル以上であり、比較例と比べて熱サイクル寿命が向上されたことが確認された。

パワーモジュールの熱サイクル寿命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を示す全体図である。

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
１４パワーモジュール用基板
１６半導体チップ
Ａ厚さ領域部分

Claims

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、金属層の表面にろう付けされたヒートシンクとが備えられ、回路層に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュールであって、
前記セラミックス板は、一辺が３０ｍｍより大きく４０ｍｍ以下とされており、
前記金属層は、厚さが１．０ｍｍ以上４．５ｍｍ以下とされるとともに、純度が９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌからなる金属層部材が、セラミックス板の裏面、およびヒートシンクの表面にそれぞれ、Ａｌ系のろう材によりろう付けされてなり、
この金属層のうち、該金属層の厚さに対して４０％以上８７％以下の厚さ領域部分は、Ａｌの純度が９９．９８％以上とされるとともに、該金属層の厚さ方向の中央部に位置されていることを特徴とするパワーモジュール。