JP6152681B2 - パワーモジュール用基板およびその製造方法 - Google Patents

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およびその製造方法に関する。

従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム等からなる回路層が積層され、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム等からなる放熱層が形成され、この放熱層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。

この種のパワーモジュールを製造する方法として、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されるような製造方法が知られている。
この製造方法では、まずセラミックス基板の一方の面にＡｌ‐Ｓｉ系等のろう材を介して回路層を積層し、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して放熱層を積層して、これを積層方向に加圧するとともに加熱し、セラミックス基板と回路層及び放熱層とを接合する。
次に、放熱層のセラミックス基板が接合されている面とは反対側の面に、ろう材を介してヒートシンクの天板部を積層し、積層方向に加圧するとともに加熱して、放熱層とヒートシンクとを接合するようにしている。
一方、放熱層とヒートシンクとの間の接合方法としては、高価な設備が不要で比較的容易に安定したろう付けが可能なフラックスろう付け法として、フッ化物系のフラックスをろう材面に塗布してろう材面の酸化物を除去し、非酸化性雰囲気中で加熱して接合するろう付け法が適用されている。

特開２００７‐３１１５２７号公報 特開２００２‐００９２１２号公報

ところで、放熱層とヒートシンクとの間の接合にフラックスを用いたろう付け法を用いると、用いたフラックスの余剰分が放熱層の側面部を伝ってセラミックス基板と放熱層との接合部を侵食し、接合部に剥離を生じさせるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セラミックス基板と放熱層との接合部に剥離を生じさせることなく放熱層とヒートシンクとを接合して、接合信頼性を高めることができるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、他方の面に放熱層がろう付け接合され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と前記放熱層との接合部界面の周縁から面方向に８０μｍ以上離れた内側部分における前記セラミックス基板と前記放熱層との接合部界面にＥＢＳＤ法により測定した母材との結晶方位差が５°以上となっているろう材痕跡層が形成されていることを特徴とする。

フラックスは、金属表面の酸化物と反応して、金属表面を清浄化するものである。このため、放熱層の表面に酸化物があると、酸化物に沿ってフラックスが移動する。
ところで、セラミックス基板と放熱層との接合時に、接合に寄与しない余剰分のろう材が接合部から押し出される等によって、放熱層の側面部に付着した場合、その放熱層の側面部に付着した余剰分ろう材中には、接合部間を流れる間に取り込まれた摩耗粉等の酸化物（残留酸化物）が多く含まれる。このため、フラックスの余剰分が放熱層の側面部を伝って、残留酸化物に接触した場合、さらにフラックスが接合部間に引き込まれ易くなる。
そこで、本発明では、セラミックス基板と放熱層とのろう付け時において、セラミックス基板と放熱層との接合部界面の端部を除く内側部分でろう材を留めておくことで、放熱層の界面端部の残留酸化物に接触することを防いでいる。

この場合、接合部界面の内側にろう材を留めた部分においては、放熱層（母材）の結晶方位とは無関係にろう材が凝固するため、その痕跡がろう材痕跡層として残る。そして、ろう材痕跡層を、セラミックス基板と放熱層との接合部界面の周縁から面方向に８０μｍ以上離れた内側部分に形成して、接合部界面の周縁から一定の距離を確保することで、フラックスが接合部の間に入り込むことを防ぐことができる。
したがって、酸化物とフラックスとの反応を防ぎ、セラミックス基板と放熱層との剥離を防止することができるので、接合信頼性を高めることができる。
なお、ろう材痕跡層は、ＥＢＳＤ法等の結晶方位解析法によって確認することができる。

本発明は、セラミックス基板の一方の面にろう材を介して回路層を重ね合わせるとともに、他方の面にろう材を介して放熱層を重ね合わせた基板積層体を、その積層方向に加圧した状態で加熱することにより、前記セラミックス基板と前記放熱層とを接合するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記基板積層体の加熱時において、熱膨張した前記放熱層を押圧することにより該放熱層の周縁部を前記ろう材の周縁よりも面方向に突出させた状態に塑性変形させ、該放熱層の周縁部を前記セラミックス基板に接触させた状態で接合することを特徴とする。

熱膨張した放熱層を塑性変形させることで、セラミックス基板と放熱層とをその接合部界面の周縁部で接触させ、余剰分ろう材が接合部から押し出されることを防ぐことができる。したがって、接合部界面の内側部分にろう材を留めた状態で、セラミックス基板と放熱層とをろう付け接合することができる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記基板積層体の加圧には、該基板積層体をクッションシートの間に挟んだ状態で、その積層方向に加圧する加圧治具が用いられ、前記基板積層体を前記加圧治具ごと加熱して、前記クッションシートの熱膨張により前記基板積層体に加圧力を付加して、前記放熱層を塑性変形させる構成とされる。
このようなクッションシートを用いた加圧治具で基板積層体を加圧する構成としたので、放熱層の熱膨張に応じて基板積層体に大きな押圧力を負荷して、放熱層の周縁部をセラミックス基板に接触させた状態に塑性変形させることができる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記基板積層体は、前記放熱層に前記ろう材の箔を積層状態に仮固定した放熱層部材に、前記セラミックス基板を積層することにより構成されており、前記放熱層部材は、前記放熱層の表面に前記ろう材の箔を溶接することで形成された溶接部が、前記放熱層の周縁部よりも面方向内側に位置するように設けられているとよい。
放熱層とろう材の箔とを溶接して一体にしているので、セラミックス基板との積層時や、ろう付け接合時に、放熱層とろう材の箔との位置がずれることがなく、組立作業性を向上させることができる。また、ろう材の箔は、放熱層の周縁部よりも面方向内側に位置するように溶接部が設けられており、放熱層の周縁部とは固定されない状態となっていることから、放熱層を塑性変形させた際に、ろう材を介在させることなく、放熱層の周縁部をセラミックス基板と接触させることができる。

本発明によれば、セラミックス基板と放熱層との接合部にフラックスが侵入することを防止することができることから、セラミックス基板と放熱層との接合部に剥離を生じさせることなく放熱層とヒートシンクとを接合することができ、パワーモジュール用基板の接合信頼性を高めることができる。

本発明に係るパワーモジュール用基板を用いて製造されたパワーモジュールを示す断面図である。 図１のパワーモジュール用基板の構成を説明する要部断面図であり、（ａ）が接合前の状態、（ｂ）が接合後の状態を示す。 本発明の製造方法で用いられる基板積層体の断面図である。 本発明の製造方法で用いられる加圧治具の例を示す側面図である。 放熱層用金属板にろう材箔を溶接した放熱層部材を説明する平面図である。 図５に示す放熱層部材を用いたパワーモジュール用基板の構成を説明する要部断面図である。 セラミックス基板と放熱層用金属板との接合部界面を観察したＥＢＳＤによるＩＱマップとＩＰＦマップとを組み合わせた画像であり、（ａ）がろう材痕積層を有する場合、（ｂ）がろう材痕積層を有さない場合を示す。

以下、本発明の一実施形態について説明する。
図１に示すパワーモジュール１００は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品２０と、パワーモジュール用基板１０の裏面に接合されたヒートシンク３０とから構成されている。

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層用金属板１２が厚さ方向に積層され、セラミックス基板１１の他方の面に放熱層用金属板１３が厚さ方向に積層され、Ａｌよりも低融点のろう材（好ましくはＡｌ‐Ｓｉ系ろう材）によって接合されている。
また、図２（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１と放熱層用金属板１３との接合部界面には、その接合部界面の周縁から面方向に８０μｍ以上離れた内側部分にろう材痕跡層７０が形成されている。

ろう材痕跡層７０は、セラミックス基板１１と放熱層用金属板１３とをろう付け接合する際に、これらの接合部界面の間にろう材を留めた状態で凝固させることにより形成されるものである。ろう材痕跡層７０は、母材である放熱層用金属板１３の結晶方位（主に立方体方位集合組織の（１００）面、〔００１〕方向）に対し、ランダムな結晶方位を有する部分であり、ＥＢＳＤ法により測定した母材との結晶方位差が５°以上となっている部分として確認することができる。接合部界面にろう材を留めた部分においては、母材の放熱層用金属板１３の結晶方位とは無関係にろう材が凝固するため、その痕跡がろう材痕跡層７０として残ることになる。

セラミックス基板１１は、厚さ０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下のＡｌＮ，Ｓｉ_３Ｎ_４，Ａｌ_２Ｏ_３等からなる。
また、回路層用金属板１２は、厚さ０．１ｍｍ以上１．１ｍｍ以下の純アルミニウム板（好ましくは純度９９．９９質量％以上の４Ｎ‐Ａｌ板）からなる。パワーモジュール１００においては、回路層用金属板１２はエッチング等により所定の回路パターン状に成形されており、その上に電子部品２０がはんだ材等によって接合されている。
放熱層用金属板１３は、回路層用金属板１２よりも厚く、厚さ０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の純アルミニウム板（好ましくは純度９９．０質量％以上のＡｌ板）からなる。パワーモジュール１００においては、この放熱層用金属板１３の表面にヒートシンク３０がろう付け等によって接合されている。
なお、各金属板１２，１３には、Ａｌ板の他、Ｃｕ板を用いることもできる。
また、本実施形態のパワーモジュール用基板の好ましい組合せ例としては、各部材は、例えばセラミックス基板１１が厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ、回路層用金属板１２が厚み０．６ｍｍの４Ｎ‐Ａｌ板、放熱層用金属板１３が厚み１．６ｍｍのＡｌ板で構成される。

本実施形態のパワーモジュール用基板１０の製造方法について説明する。
まず、図３に示すように、回路層用金属板１２を、ろう材箔１７を介在させてセラミックス基板１１の一方の面に積層するとともに、そのセラミックス基板１１の他方の面に、放熱層用金属板１３をろう材箔１７を介在させて積層することにより、基板積層体４０を形成する。
この基板積層体４０を、カーボングラファイト層からなる板状のクッションシート５０との間に挟んだ状態とし、複数の基板積層体４０を、図４に示すような加圧治具１１０によって積層した状態で保持する。

この加圧治具１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上側に取り付けられた押圧板１１３と、ガイドポスト１１２の上端部に押圧板１１３を介して締結された固定ナット１１４とを備え、ベース板１１１と押圧板１１３との間に前述の基板積層体４０が配設される。

そして、この加圧治具１１０により基板積層体４０を保持した状態で、加圧治具１１０ごと加熱炉（図示略）内に配置し、真空雰囲気中で、例えば６５０℃のろう付け温度に加熱することにより、セラミックス基板１１と両金属板１２，１３とをろう付けして、パワーモジュール用基板１０を製造することができる。
このセラミックス基板１１と両金属板１２，１３とのろう付け接合時においては、加熱にしたがって、金属板１２，１３の熱膨張が大きくなる。また、加熱によりクッションシート５０も熱膨張する。基板積層体４０とクッションシート５０とは、ベース板１１１と押圧板１１３との間に固定ナット１１４によって保持された状態であるので、クッションシート５０の間に挟まれた基板積層体４０は、加熱に伴うクッションシート５０の熱膨張にしたがって、加圧力が付加されて積層方向に押圧されることになる。

セラミックス基板１１と放熱層用金属板１３との接合部界面に着目すると、図２（ａ）に二点鎖線で示すように、加熱に伴い放熱層用金属板１３は熱膨張する。そして、この放熱層用金属板１３の熱膨張に応じてクッションシート５０により基板積層体４０に大きな押圧力が付加されることで、放熱層用金属板１３が積層方向に潰される。この際、放熱層用金属板１３の周縁部は、ろう材箔１７の周縁よりも面方向に突出させた状態に塑性変形させられ、図２（ｂ）に示すように、その放熱層用金属板１３の周縁部は、セラミックス基板１１に接触した状態で接合されることになる。
セラミックス基板１１と放熱層用金属板１３とが、その接合部界面の周縁部で接触した状態では、溶融したろう材が接合部から押し出されることが防止される。そして、接合部界面の内側部分にろう材を留めた状態で、セラミックス基板１１と放熱層用金属板１３とをろう付けして、パワーモジュール用基板１０を製造することができる。

このように、本実施形態において、セラミックス基板１１と放熱層用金属板１３とのろう付け接合時において、セラミックス基板１１と放熱層用金属板１３との接合部界面の端部を除く内側部分でろう材を留めておくことで、放熱層（放熱層用金属板１３）の界面端部の残留酸化物に接触することを防ぐことができる。
この場合、接合部界面の内側にろう材を留めた部分においては、放熱層（母材）の結晶方位とは無関係にろう材が凝固するため、その痕跡がろう材痕跡層７０として残る。そして、ろう材痕跡層７０を、セラミックス基板１１と放熱層との接合部界面の周縁から面方向に８０μｍ以上離れた内側部分に形成して、接合部界面の周縁から一定の距離を確保することで、フラックスが接合部の間に入り込むことを防ぐことができる。
したがって、ろう材とフラックスとの反応を防ぎ、セラミックス基板１１と放熱層との剥離を防止することができるので、接合信頼性を高めることができる。

また、上記実施形態では、基板積層体４０は、セラミックス基板１１の両面にそれぞれろう材箔１７を介在させて両金属板１２，１３を積層することにより構成していたが、金属板１２，１３に予めろう材箔１７を積層状態に仮固定した放熱層部材１９を用いて構成してもよい。例えば、図５に示すように、金属板１２，１３の表面にろう材箔１７の一部を溶接して複数の溶接部１８を形成することにより仮固定することができる。この放熱層部材１９は、金属帯板に帯状のろう材箔を重ね合わせて部分的に溶接した後、金属板１２，１３の形状に打ち抜くことにより形成される。したがって、金属板１２，１３とろう材箔１７とは同一形状に形成される。また、金属板１２，１３とろう材箔１７との溶接部１８は、金属板１２，１３の周縁部よりも面方向内側に位置するように設けられる。

この場合、金属板１２，１３と、ろう材箔１７とを溶接して一体にしているので、セラミックス基板１１との積層時や、ろう付け接合時に、金属板１２，１３とろう材箔１７との位置がずれることがなく、組立作業性を向上させることができる。
また、ろう材箔１７の溶接部１８は、図６に示すように、金属板１２，１３の周縁部よりも面方向内側に位置するように設けられており、ろう材箔１７の周縁１７ａは、金属板１２，１３の周縁部とは固定されない状態となっている。このため、熱膨張した金属板１２，１３を塑性変形させた際に、金属板１２，１３の周縁部とセラミックス基板１１との間にろう材箔１７の周縁１７ａが引き込まれることがない。したがって、ろう材を介在させることなく、金属板１２，１３の周縁部をセラミックス基板１１と接触させることができる。

上記において説明した本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法において、その効果を確認するために実験を行った。
厚み０．６ｍｍで２６ｍｍ×２６ｍｍ（２６ｍｍ角）の回路層用金属板１２、厚み１．６ｍｍで２８ｍｍ×２８ｍｍ（２８ｍｍ角）の放熱層用金属板１３、厚み０．６３５ｍｍで３０ｍｍ×３０ｍｍ（３０ｍｍ角）のセラミックス基板１１を用意し、これらをろう付けすることによりパワーモジュール用基板を製造した。
回路層用金属板１２には４Ｎ‐Ａｌ板、放熱層用金属板１３には純度９９．０質量％のＡｌ板、セラミックス基板１１にはＡｌＮを用いた。

また、回路層用金属板１２及び放熱層用金属板１３に、厚み１４μｍのＡｌ‐７．５質量％Ｓｉのろう材箔１７を超音波シーム溶接することにより仮固定した放熱層部材を形成し、これら放熱層部材をセラミックス基板１１に積層することにより基板積層体４０を構成した。そして、この基板積層体４０を、クッションシート５０を介して１２枚積層した状態で加圧治具１１０内に設置し、真空雰囲気中で６５０℃のろう付け温度に加熱することによりろう材痕跡層７０を有するパワーモジュール用基板を製造した。この際、ろう付け接合時に基板積層体４０に加わる加圧力を変化させて、表１及び図２（ｂ）に示すように、接合部界面の周縁からろう材痕跡層７０の形成領域までの距離ｗの異なる試料を複数作製した。

そして、このように作製した各試料について、フッ化物系のフラックスを用いたフラックスろう付法によってヒートシンクの取り付けを行い、モジュール化したものについて、「初期接合率」を評価した。
「初期接合率」の評価は、超音波深傷装置を用いて放熱層とセラミックス基板との接合部を評価したもので、初期接合率＝（接合面積−剥離面積）／接合面積×１００（％）の式から算出した。ここで、剥離面積は、接合面を撮影した超音波深傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を測定したものである。また、接合面積は、接合前における接合すべき面積である放熱層の接合面の面積とした。評価結果を表１に示す。
また、ろう材痕跡層７０をＥＢＳＤで分析した結果を図７に示す。図７は、セラミックス基板１１と放熱層用金属板１３との接合部界面を観察したＥＢＳＤによるＩＱマップとＩＰＦマップとを組み合わせた画像であり、（ａ）がろう材痕跡層７０を有する場合、（ｂ）がろう材痕跡層７０を有さない場合を示す。

表１に示されるように、距離ｗが８０μｍ以上、すなわち、接合部界面の周縁から面方向に８０μｍ以上離れた内側部分にろう材痕跡層７０が形成されている実施例１〜３の試料については、良好な接合性を得られた。
なお、比較例２の試料には、ろう材痕積層７０が形成されなかった。ろう材痕跡層７０の有無は、図７に示すように、ＥＢＳＤのマップ画像によって確認することができる。接合部界面の内側にろう材を留めた部分においては、図７（ａ）に示されるように、母材である放熱層と異なる結晶方位を有するろう材痕跡層７０が確認できる。また、接合部界面にろう材痕跡層７０が無い場合には、図７（ｂ）に示されるように、放熱層全体で均一な結晶方位となる。

なお、本発明は、上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。

１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層用金属板
１３ 放熱層用金属板
１７ ろう材箔
１７ａ 周縁
１８ 溶接部
１９ 放熱層部材
２０ 電子部品
３０ ヒートシンク
４０ 基板積層体
５０ クッションシート
７０ ろう材痕跡層
１００ パワーモジュール
１１０ 加圧治具
１１１ ベース板
１１２ ガイドポスト
１１３ 押圧板
１１４ 固定ナット

Claims (4)

1. セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、他方の面に放熱層がろう付け接合され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と前記放熱層との接合部界面の周縁から面方向に８０μｍ以上離れた内側部分における前記セラミックス基板と前記放熱層との接合部界面にＥＢＳＤ法により測定した母材との結晶方位差が５°以上となっているろう材痕跡層が形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
2. セラミックス基板の一方の面にろう材を介して回路層を重ね合わせるとともに、他方の面にろう材を介して放熱層を重ね合わせた基板積層体を、その積層方向に加圧した状態で加熱することにより、前記セラミックス基板と前記放熱層とを接合するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記基板積層体の加熱時において、熱膨張した前記放熱層を押圧することにより該放熱層の周縁部を前記ろう材の周縁よりも面方向に突出させた状態に塑性変形させ、該放熱層の周縁部を前記セラミックス基板に接触させた状態で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。
3. 前記基板積層体の加圧には、該基板積層体をクッションシートの間に挟んだ状態で、その積層方向に加圧する加圧治具が用いられ、前記基板積層体を前記加圧治具ごと加熱して、前記クッションシートの熱膨張により前記基板積層体に加圧力を付加して、前記放熱層を塑性変形させる構成とされることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
4. 前記基板積層体は、前記放熱層に前記ろう材の箔を積層状態に仮固定した放熱層部材に、前記セラミックス基板を積層することにより構成されており、前記放熱層部材は、前記放熱層の表面に前記ろう材の箔を溶接することで形成された溶接部が、前記放熱層の周縁部よりも面方向内側に位置するように設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。