JP5682779B2 - 高密度かつ接合性に優れたパワーモジュール用基板 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス焼結体を用いたセラミックス基板を備えるとともに、大電流・大電圧を制御する高放熱性絶縁基板として用いられるパワーモジュール用基板に関し、さらに詳しくは、焼結性および接合性に優れたパワーモジュール用基板に関する。

従来、半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高く、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等からなるセラミックス基板上にアルミニウム層をＡｌ−Ｓｉ系等のろう材料を介して接合させたパワーモジュール用基板が用いられている。このアルミニウム層は、後工程のエッチングにおいて回路が形成されて回路層となる。そして、エッチング後は、この回路層の表面にはんだ材を介して半導体チップ等のパワー素子（電子部品）が搭載されパワーモジュールが構成される。セラミックス基板の中でもＳｉ_３Ｎ_４は、機械的強度に優れており、高温かつ衝撃が加わるような、例えば、自動車のエンジンルームなどの過酷な使用条件下においても割れ等の問題を回避することができるため、注目を集めている（例えば、特許文献１参照）。

なお、セラミックス基板の下面にも放熱のための熱伝導層としてＡｌ等の金属板が接合され、この金属板を介してヒートシンク等の放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたものが知られている。

前述のパワーモジュール用基板のセラミックス基板として、セラミックス材料を焼結してなるセラミックス焼結体を適用することが可能である。例えば、セラミックス焼結体は、セラミックス粒子を母材とするマトリックスと、このマトリックスに分散されるセラミックス球状粒子およびセラミックス板状粒子とから形成されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−７６６４９号公報 特開平７−８２０４７号公報

しかしながら、Ｓｉ_３Ｎ_４は高強度であるが、ＡｌＮやＡｌ_２Ｏ_３と比較して、Ｓｉ_３Ｎ_４自身が針状の出発材料が一般的であるため難焼結性であり、高密度かつ平滑な表面を持つセラミックス基板を得ることが困難である。そのため同じ接合温度で比較した場合、接合性が悪くなる傾向があるという課題があった。

すなわち、Ｓｉ_３Ｎ_４焼結体からなるセラミックス基板を用いても、未だパワーモジュール用基板の熱サイクル時における耐久性は充分とは言えず、使用時にこのセラミックス焼結体を形成する粒子の粒界に沿って亀裂が進展することがあった。そのため、熱サイクル時の強度をさらに向上させ、耐久性の高いパワーモジュール用基板を製作可能なセラミックス焼結体が求められていた。

そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、熱サイクル時における亀裂の進展が抑制されるとともに、焼結性および接合性に優れたパワーモジュール用基板を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、本発明は、以下の手段を提案している。

すなわち、本発明は、回路層となる金属板をセラミックス基板に接合したパワーモジュール用基板であって、前記セラミックス基板は、平均面粗さＲａが０．４μｍ以下、密度が９３．８％以上であり、繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子と、非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子とが焼結されており、前記繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子が、０．０５μｍ以上３μｍ以下の短軸径と３以上２０以下のアスペクト比を有し、且つ、一つの断面における前記繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子のセラミックス基板に占める割合が、５面積％以上９５面積％以下であり、前記非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の平均粒子径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明に係るセラミックス基板によれば、セラミックス焼結体に含まれる繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子は、短軸径が０．０５μｍ以上３μｍ以下、且つアスペクト比が３以上２０以下とされているので、前記非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子同士を架橋し繋ぎ留める効果を充分に発揮することができる。従って、非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の粒界に沿って亀裂が発生した際には、この繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子がこれら非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子同士を架橋するようにして繋ぎ留めるとともに、ピン留め効果を奏効せしめて、亀裂が進展するのを防止する。ここで、繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の短軸径は、０．０５μｍより小さい場合や３μｍより大きい場合には、充分なピン留め効果が得られないため、０．０５μｍ以上３μｍ以下の範囲とすることが好ましい。また、アスペクト比は、３より小さい場合には充分なピン留め効果が得られにくくなり、２０より大きい場合には焼結体の密度や表面の平滑性が低下するおそれがあるため、３以上２０以下の範囲とすることが好ましい。

さらに、このセラミックス基板の非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子は、平均粒子径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下とされており、繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の粒界近傍に配置されやすくなされているので、これら繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子同士を密着させるようにして繋ぎ留め、前述の繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の架橋効果をより促進することができる。また、これら非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子が、繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の転位の移動を抑制する（ピン留め効果）ため、強度が向上される。また、ナノサイズの粒子が繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の粒界の隙間を埋めるようにして配置されるので、このセラミックス基板は相対密度が非常に高く形成されるとともにその焼結性が向上する。ここで、非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の平均粒子径は、１ｎｍより小さく作製することは困難であり、また５００ｎｍより大きくすると粒子間の空隙を埋めるのに適さないため、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲とすることが好ましい。

また、一つの断面における繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子のセラミックス基板に占める割合が、５面積％以上９５面積％以下とされており、非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子が繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の粒界の隙間を埋めるようにして配置されるので、繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子および非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の夫々の作用効果を確実に奏功せしめるとともに、このセラミックス基板の強度および熱サイクル時の耐久性が向上される。これら各Ｓｉ_３Ｎ_４粒子のセラミックス基板に占める割合が夫々５面積％に満たない場合は、夫々の粒子の作用効果が充分に現れず、また、これら各Ｓｉ_３Ｎ_４粒子のセラミックス基板に占める割合が夫々９５面積％を超えると緻密体の作製が困難となり、焼結体の強度が逆に低減する虞があるので、前述の５面積％以上９５面積％以下とされるのが好ましい。

Ｓｉ_３Ｎ_４粒子のアモルファス化の方法としては、特に限定されるものではないが、再現性、生産性の観点からメカノケミカル処理を用いることが好ましい。

さらに、焼結後の表面粗さは、接合性向上の観点から、Ｒａで０．４μｍ以下であることがより望ましい。

本発明に係るパワーモジュール用基板によれば、前述のようなセラミックス基板を用いるので、熱サイクル時における亀裂の進展が抑制されるとともに、焼結性および接合性を向上することができる。

本発明に係るセラミックス基板およびパワーモジュール用基板によれば、熱サイクル時における亀裂の進展が抑制されるとともに、焼結性および接合性が向上される。

本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を示す概略図である。 図１のパワーモジュール用基板のセラミックス基板を示す拡大した概略断面図である。

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、本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を示す概略図、図２は、図１のパワーモジュール用基板を示す拡大した概略断面図である。

本実施形態に係るパワーモジュール用基板１は、図１に示すように、矩形板状のセラミックス基板１１を有しており、このセラミックス基板１１の表面側に回路層となる回路層用金属板１３が積層されるとともに、裏面側に放熱のための熱伝導層となる熱伝導層用金属板１２が積層された構成である。例えば、これら回路層用金属板１３および熱伝導層用金属板１２は、純Ａｌにより形成されている。

セラミックス基板１１は、後述するＳｉ_３Ｎ_４の板状のセラミックス材料によって構成されている。ここで、セラミックス基板１１は、その厚さが例えば０．６３５ｍｍとなっている。

熱伝導層用金属板１２は、例えばＡｌ（アルミニウム）のような高熱伝導率を有する金属により形成されており、ロウ材層によってセラミックス基板１１に接合固定されている。ここで、熱伝導層用金属板１２の厚さは、例えば０．６ｍｍとなっている。また、ロウ材層１６は、例えばＡｌ−Ｓｉ（珪素）系（例えばＡｌ：９３重量％、Ｓｉ：７重量％、厚さ１０μｍ以上１５μｍ）またはＡｌ−Ｇｅ（ゲルマニウム）系のロウ材により形成されている。

回路層用金属板１３は、熱伝導層用金属板１２と同様に、例えばＡｌのような高熱伝導率を有する金属により形成されており、間隔を適宜あけて配置されることで回路を構成する。そして、回路層用金属板１３は、ロウ材層１７によってセラミックス基板１１に接合固定されている。ここで、回路層用金属板１３の厚さは、例えば０．６ｍｍとなっている。また、ロウ材層１７は、例えばＡｌ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｇｅ系のロウ材により形成されている。

また、回路層用金属板１３の上面には、電子部品１８がハンダ層１９によって固着される。ここで、電子部品１８としては、例えば半導体チップが適用可能であり、半導体チップとしてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのパワーデバイスが挙げられる。

また、図２において、本実施形態のパワーモジュール用基板１に用いられるセラミックス基板１１は、セラミックス材料を焼結してなるセラミックス焼結体より形成されている。詳しくは、このセラミックス基板１１は、繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ａおよび非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ｂとから構成されている。

また、繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ａは、短軸径が０．０５μｍ以上３μｍ以下、且つアスペクト比が３以上２０以下とされている。また、非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ｂは、平均粒子径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下とされており、繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ａの粒界近傍およびこれら粒子同士の間隙を埋めるようにして配置されている。これら非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ｂにより、このセラミックス基板１１の相対密度は一定以上の高い状態が確保されており、例えば、その相対密度は９３．８％以上９８％程度まで高められている。

また、これら繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ａ、非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ｂは夫々のセラミックス基板１１に占める割合が、一つの断面において５面積％以上９５面積％以下とされている。つまり、夫々の粒子が少なくとも５面積％以上含まれているのである。

このセラミックス基板１１の繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ａは、例えば、グラファイト等の反応容器内に珪素ブロックを入れ、これを真空雰囲気中で加熱し珪素蒸気を発生させるとともに、この反応容器内に窒素ガスを流入し反応させて、原料の粉末を得ることができる。また、非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ｂは、例えば、酸化珪素微粉末とカーボンブラック微粉末とに高純度の窒化珪素微粉末を添加して十分に混合し、これを加圧して圧成体とし、この圧成体を窒素雰囲気中で１５５０℃〜１６５０℃に加熱して還元窒化し、さらに６００℃〜７００℃で加熱してカーボンブラックを除去することにより、原料の粉末を得ることができる。そして、これら夫々の原料粉末を十分に混合した後、Ａｒガス雰囲気中において１８００〜２２００℃にて１５０〜２５０ＭＰａの条件で加圧焼結して、本実施形態のセラミックス基板１１を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態のパワーモジュール用基板１によれば、セラミックス基板１１の繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ａは、短軸径が０．０５μｍ以上３μｍ以下、且つアスペクト比が３以上２０以下とされているので、前述の非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ｂ同士を架橋し繋ぎ留める効果を充分に発揮することができる。従って、非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ｂの粒界に沿って亀裂が発生した際には、この繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ａがこれら非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ｂ同士を架橋するようにして繋ぎ留めるとともに、ピン留め効果を奏効せしめて、亀裂が進展するのを防止する。ここで、繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ａの短軸径は、０．０５μｍより小さい場合や３μｍより大きい場合には、充分なピン留め効果が得られないため、０．０５μｍ以上３μｍ以下の範囲とすることが好ましい。

さらに、このセラミックス基板１１の非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ｂは、平均粒子径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下とされており、繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ａの粒界近傍に配置されやすくなされているので、これら非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ｂ同士を密着させるようにして繋ぎ留め、前述の繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ａの架橋効果をより促進することができる。また、これら非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ｂが、繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ａの転位の移動を抑制する（ピン留め効果）ため、強度が向上される。また、ナノサイズの粒子が繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ａの粒界の隙間を埋めるようにして配置されるので、このセラミックス基板１１は相対密度が非常に高く形成されるとともにその焼結性が向上する。ここで、非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ｂの粒子径は、１ｎｍより小さく作製することは困難であり、また５００ｎｍより大きくすると粒子間の空隙を埋めるのに適さないため、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲とすることが好ましい。

また、これら、繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ａ、非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子２ｂは夫々のセラミックス基板２に占める割合が、一つの断面において５面積％以上９５面積％以下とされているので、夫々の粒子の作用効果を確実に奏功せしめるとともに、このセラミックス基板２の強度および熱サイクル時の耐久性が向上される。これら各Ｓｉ_３Ｎ_４粒子のセラミックス基板１１に占める割合が一つの断面において夫々５面積％に満たない場合は、夫々の粒子の作用効果が充分に現れず、また、これら各Ｓｉ_３Ｎ_４粒子のセラミックス基板１１に占める割合が夫々９５面積％を超えると緻密体の作製が困難となり、焼結体の強度が逆に低減する虞があるので、各Ｓｉ_３Ｎ_４粒子のセラミックス基板１１に占める割合は、５面積％以上９５面積％以下の範囲とすることが好ましい。

以下に、実施例および比較例を示す。
＜セラミックス基板の作成＞
グラファイト等の反応容器内に珪素ブロックを入れ、これを真空雰囲気中で加熱し珪素蒸気を発生させるとともに、この反応容器内に窒素ガスを流入し反応させて、繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子を得た。

なお、導入する窒素ガス流量を調整することにより、短軸径およびアスペクト比が異なる複数種類の繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子を得た。

酸化珪素微粉末とカーボンブラック微粉末とに高純度の窒化珪素微粉末を添加して十分に混合し、これを加圧して圧成体とし、この圧成体を窒素雰囲気中で１５５０℃〜１６５０℃に加熱して還元窒化し、さらに６００℃〜７００℃で加熱してカーボンブラックを除去することにより、非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子を得た。

なお、焼成温度を調整することにより、平均粒径が異なる複数種類の繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子を得た。

そして、これら夫々のＳｉ_３Ｎ_４粒子を十分に混合した後、Ａｒガス雰囲気中において、２０００℃にて２００ＭＰａの条件で加圧焼結して、本実施形態のセラミックス基板１１を得た。
＜パワーモジュール用基板の作成＞
前述のセラミックス基板（板厚０．６３５ｍｍ、一辺が３０ｍｍの正方形）の両面に、Ａｌ−Ｓｉ合金のろう材箔を介して２８ｍｍ角のアルミニウム金属層（回路層の厚み０．６ｍｍ、放熱層の厚み１．５ｍｍ）を配置した。そして、各積層体の両面にクッションシートを積層してベース板と押圧板との間に配置して加熱処理（６５０℃、２．５×１０^５Ｐａ）を施し、それぞれパワーモジュール用基板を得た。
＜セラミックス基板およびパワーモジュール用基板の評価＞
（Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の粒径、アスペクト比、面積比率）
ＥＰＭＡでの観察において０．０５ｍｍ^２の観察視野の写真（５００倍）を１０枚撮影し、その中で観察可能なＳｉ_３Ｎ_４粒子のサイズを測定し、平均粒径、アスペクト比を計算した。また、同じ観察視野の写真から、繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子および非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の占める面積比率を算出した。

（セラミックス基板の平滑性）
平均面粗さ（Ｒａ）を原子間力顕微鏡によって測定した。

（セラミックス基板の焼結性）
セラミックス基板の焼結性に関し、下記の各物性を評価した。

アルキメデス法によってセラミックス基板の密度（理論密度に対する百分率）を測定した。

焼結体の曲げ強度を、ＪＩＳ Ｒ １６０１に従って評価した。焼結体から３×４×４０ｍｍの棒状試験片を切り出し、表面をダイアモンドホイールにて長軸方向に研磨した後、スパン３０ｍｍ、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／分の条件で室温および１３００℃で３点曲げ試験を行うことにより測定した。試験片の個数は室温用に３０本、１３００℃用に１０本とし、値はそれらの平均値で示した。

（パワーモジュール用基板の接合性）
接合性評価は、次のように行った。各実施例および比較例のパワーモジュール用基板に、−５０℃×３０分→室温×１０分→１５０℃×３０℃→室温×１０分を１サイクルとするヒートサイクルを１０００回実施した。その後、目視および超音波探傷により、焼結板の剥離やクラック発生状況を観察した。

以上の結果を表１に示した。

なお、本発明は前記実施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、本実施形態ではパワーモジュール用基板１について説明したが、これに限られず、このパワーモジュール用基板１の表面に半導体チップ等の電子部品（不図示）を搭載し、パワーモジュール用基板１の裏面に熱交換器であるヒートシンク（不図示）を接合することによってパワーモジュールを形成してもよい。

また、本実施形態では加圧焼結で作製したセラミックス基板をアルミニウム金属層と接合して、パワーモジュール用基板を作成する方法の一例を示したが、これに限定されず、例えば、セラミックス基板にホーニング処理を施した後で、セラミックス基板をアルミニウム金属層とを接合してもよい。

１ ・・・ パワーモジュール用基板
１１ ・・・ セラミックス基板
１２ ・・・ 熱伝導層用金属板
１３ ・・・ 回路層用金属板
１６、１７ ・・・ ロウ材層
１８ ・・・ 電子部品
１９ ・・・ ハンダ層
２０ ・・・ セラミックス焼結体
２ａ ・・・ 繊維状Ｓｉ３Ｎ４粒子
２ｂ ・・・ 非晶質Ｓｉ３Ｎ４粒子

Claims (1)

1. セラミックス基板の表面に回路層となる金属板を接合したパワーモジュール用基板であって、
   前記セラミックス基板は、平均面粗さＲａが０．４μｍ以下、密度が９３．８％以上であり、繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子と、非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子とが焼結されており、
   前記繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子が、０．０５μｍ以上３μｍ以下の短軸径と３以上２０以下のアスペクト比を有し、且つ、一つの断面における前記繊維状Ｓｉ_３Ｎ_４粒子のセラミックス基板に占める割合が、５面積％以上９５面積％以下であり、
   前記非晶質Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の平均粒子径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
   

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