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、パワーモジュール、パワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法
【課題】金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高い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、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス基板11の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板12,13が積層されて接合されたパワーモジュール用基板10であって、金属板12,13には、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶されており、金属板12,13のうちセラミックス基板11との界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されていることを特徴とする。
【解決手段】セラミックス基板11の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板12,13が積層されて接合されたパワーモジュール用基板10であって、金属板12,13には、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶されており、金属板12,13のうちセラミックス基板11との界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール、このパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
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Al(アルミニウム)の金属板がろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子(半導体素子)が搭載される。
なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにAl等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して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提案されている。
【0003】
また、回路層を形成する手段としては、セラミックス基板に金属板を接合した後に、この金属板に回路パターンを形成する方法の他に、例えば特許文献2に開示されているように、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する方法が提案されている。
【0004】
ここで、前記回路層及び前記金属層としての金属板とセラミックス基板との良好な接合強度を得るため、例えば下記特許文献3に、セラミックス基板の表面粗さを0.5μm未満とした技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2003−086744号公報
【特許文献2】特開2008−311294号公報
【特許文献3】特開平3−234045号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、金属板をセラミックス基板に接合する場合、単にセラミックス基板の表面粗さを低減しても十分に高い接合強度が得られず、信頼性の向上が図れないという不都合があった。例えば、セラミックス基板の表面に対して、乾式でAl2O3粒子によるホーニング処理を行い、表面粗さをRa=0.2μmにしても、剥離試験で界面剥離が生じてしまう場合があることが分かった。また、研磨法により表面粗さをRa=0.1μm以下にしても、やはり同様に界面剥離が生じてしまう場合があった。
【0007】
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、搭載される半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のように放熱板上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板が放熱板によって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになり、従来にも増して、セラミックス基板と金属板との間の接合強度の向上及び信頼性の向上が求められている。
【0008】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高い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、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
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用基板は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属板には、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶されており、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されていることを特徴としている。
【0010】
この構成のパワーモジュール用基板においては、前記金属板に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶しているので、金属板の接合界面側部分が固溶強化することになる。これにより、金属板部分での破断を防止することができ、接合信頼性を向上させることができる。
ここで、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上とされているので、金属板の接合界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が5質量%以下とされているので、金属板の接合界面の強度が過剰に高くなることを防止でき、このパワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を金属板で吸収することが可能となり、セラミックス基板の割れ等を防止できる。
【0011】
ここで、前記セラミックス基板がAlN又はSi3N4で構成されており、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、酸素濃度が前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部が形成されており、該酸素高濃度部の厚さが4nm以下とされていてもよい。
この場合、AlN又はSi3N4からなるセラミックス基板とアルミニウムからなる金属板との接合界面に、酸素濃度が前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部が形成されているので、接合界面に存在する酸素によってAlN又はSi3N4からなるセラミックス基板とアルミニウムからなる金属板との接合強度が向上する。さらに、この酸素高濃度部の厚さが4nm以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって酸素高濃度部にクラックが発生することが抑制される。
なお、金属板中及びセラミックス基板中の酸素濃度とは、金属板及びセラミックス基板のうち接合界面から一定距離(例えば、5nm以上)離れた部分における酸素濃度である。
【0012】
また、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、前記添加元素の濃度が前記金属板中の前記添加元素の濃度の2倍以上とされた添加元素高濃度部が形成されていることが好ましい。
この場合、セラミックス基板と金属板との接合界面に、前記添加元素の濃度が前記金属板中の前記添加元素の濃度の2倍以上とされた添加元素高濃度部が形成されているので、界面近傍に存在する前記添加元素原子により、セラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることが可能となる。
なお、金属板中の前記添加元素の濃度とは、金属板のうち接合界面から一定距離(例えば、5nm以上)離れた部分における前記添加元素の濃度である。
【0013】
さらに、前記セラミックス基板がAlNで構成されており、前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、前記添加元素、O、Nの質量比が、Al:添加元素:O:N=50〜90質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることが好ましい。
あるいは、前記セラミックス基板がSi3N4で構成されており、前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Si、前記添加元素、O、Nの質量比が、Al:Si:添加元素:O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることが好ましい。
また、前記セラミックス基板がAl2O3で構成されており、前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、前記添加元素、Oの質量比が、Al:添加元素:O=50〜90質量%:1〜30質量%:45質量%以下とされていることが好ましい。
【0014】
接合界面に存在する前記添加元素原子の質量比が30質量%を超えると、Alと添加元素との反応物が過剰に生成されることになり、この反応物が接合を阻害するおそれがある。また、この反応物によって金属板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、熱サイクル負荷時にセラミックス基板に応力が作用し、セラミックス基板が割れてしまうおそれがある。一方、前記添加元素原子の質量比が1質量%未満であると、添加元素原子による接合強度の向上を充分に図ることができなくなるおそれがある。よって、接合界面における添加元素原子の質量比は、1〜30質量%の範囲内とすることが好ましい。
【0015】
ここで、エネルギー分散型X線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記接合界面の複数点(例えば、10〜100点)で測定し、その平均値を算出することになる。また、測定する際には、金属板の結晶粒界とセラミックス基板との接合界面は測定対象とせず、結晶粒とセラミックス基板との接合界面のみを測定対象とする。
なお、本明細書中におけるエネルギー分散型X線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡JEM−2010Fに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光X線元素分析装置NORAN System7を用いて加速電圧200kVで行った。
【0016】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前述のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えたことを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクを備えているので、パワーモジュール用基板で発生した熱をヒートシンクによって効率的に冷却することができる。
【0017】
ここで、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、前記セラミックス基板の一方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第一の金属板が接合され、前記セラミックス基板の他方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第二の金属板が接合されており、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合面とは反対側の面に、前記ヒートシンクが接合されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
【0018】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに、それぞれZn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶しているので、第二の金属板及びヒートシンクのそれぞれの接合界面側部分が固溶強化することになる。
そして、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が5質量%以下とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面の強度が過剰に高くなることを防止でき、熱歪みを前記第二の金属板で吸収することができる。
【0019】
また、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第二の金属板の厚さが、前記第一の金属板の厚さよりも厚くなるように設定されていることが好ましい。
この場合、ヒートシンクが設けられている側の剛性を、その反対側の剛性と比較して高くすることができ、これによりヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを抑えることができる。
【0020】
さらに、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることが好ましい。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みをこの第二の金属板で十分に緩和することができ、セラミックス基板での割れの発生を抑制することができる。
【0021】
本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との接合強度が高く、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【0022】
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、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記添加元素を、0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下の範囲内で介在させ、前記加熱工程において、前記添加元素を前記金属板に向けて拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴としている。
【0023】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程を備えているので、前記金属板と前記セラミックス基板の接合界面には、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が介在することになる。ここで、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温な条件においても、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
【0024】
また、加熱工程において、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を前記金属板に向けて拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記金属板と前記セラミックス基板を接合する構成としているので、ろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、金属板とセラミックス基板とが確実に接合されたパワーモジュール用基板を製造することができる。
【0025】
このように、ろう材箔を使用せずに、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合可能であることから、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、例えば、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する場合であっても、位置ズレ等によるトラブルを未然に防止することができる。
【0026】
また、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在される前記添加元素の固着量を0.01mg/cm2以上としているので、セラミックス基板と金属板との界面に、溶融金属領域を確実に形成することができ、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
さらに、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在される前記添加元素の固着量を10mg/cm2以下としているので、固着層にクラックが発生することを防止することができ、セラミックス基板と金属板との界面に溶融金属領域を確実に形成することができる。さらに、前記添加元素が過剰に金属板に向けて拡散して界面近傍の金属板の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を金属板で吸収することができ、セラミックス基板の割れ等を防止できる。
【0027】
さらに、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記添加元素を、0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下の範囲内で介在させているので、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上5質量%以下の範囲内とされたパワーモジュール用基板を製造することができる。
【0028】
しかも、金属板及びセラミックス基板に直接固着層を形成しているので、酸化被膜は、金属板の表面にのみ形成されることになる。すると、両面に酸化被膜が形成されたろう材箔を用いた場合に比べて、金属板及びセラミックス基板の界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるため、初期接合の歩留りを向上させることができる。
【0029】
なお、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に直接、前記添加元素を固着させる構成としているが、生産性の観点から、金属板の接合面に前記添加元素を固着させることが好ましい。
また、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、前記添加元素をそれぞれ単独で固着して複数の添加元素層を形成してもよい。
【0030】
ここで、前記固着工程では、前記添加元素とともにAlを固着させる構成とすることが好ましい。
この場合、前記添加元素とともにAlを固着させているので、形成される固着層がAlを含有することになり、加熱工程において、この固着層が優先的に溶融して溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することができる。また、Mg,Ca,Liなどの酸化活性元素の酸化を防止することができる。なお、前記添加元素とともにAlを固着させるには、前記添加元素とAlとを同時に蒸着してもよいし、前記添加元素とAlの合金をターゲットとして用いてスパッタリングを行ってもよい。また、Alと添加元素を積層してもよい。
【0031】
また、前記固着工程は、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に前記添加元素を固着させるものとすることが好ましい。
この場合、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、前記添加元素が前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に確実に固着されるので、セラミックス基板と金属板との接合界面に前記添加元素を確実に介在させることが可能となる。また、前記添加元素の固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域を確実に形成して、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
なお、前記添加元素を含むペーストを用いる場合には、大気で加熱した際の金属板の酸化を防止するために、セラミックス基板側に塗布することが好ましい。また、前記添加元素を含むペーストを塗布した状態で前記セラミックス基板と前記金属板と積層しておき、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱する際に、前記添加元素を含むペーストの焼成を行う構成としてもよい。
【0032】
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、セラミックス基板の一方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第一の金属板が接合され、前記セラミックス基板の他方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第二の金属板が接合されており、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合面とは反対側の面に、前記ヒートシンクが接合されてな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、前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、前記第二の金属板の一面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、前記ヒートシンク接合工程は、前記第二の金属板の接合面及び前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着して添加元素層を形成する添加元素層形成工程と、前記添加元素層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有し、前記ヒートシンク加熱工程において、前記添加元素層の添加元素を前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに向けて拡散させることにより、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴としている。
【0033】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、第二の金属板とヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程が、前記第二の金属板の接合面及び前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着して添加元素層を形成する添加元素層形成工程を備えているので、第二の金属板とヒートシンクとの接合界面には、添加元素が介在することになる。この添加元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、ヒートシンクと第二の金属板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。
【0034】
また、添加元素層内の添加元素を前記第二の金属板及びヒートシンクに向けて拡散させることにより、前記ヒートシンクと前記第二の金属板との界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記第二の金属板と前記ヒートシンクを接合する構成としているので、製造が困難なAl−Si系のろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、第二の金属板とヒートシンクとが確実に接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。
さらに、ろう材箔を使用せずに、前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に、直接、添加元素を固着しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がない。
しかも、前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面に、直接、添加元素を固着した場合、酸化被膜は、第二の金属板及びヒートシンクの表面にのみ形成されることになり、第二の金属板及びヒートシンクの界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。
【0035】
ここで、前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことが好ましい。
この場合、前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことによって、接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができる。
【0036】
さらに、前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることが好ましい。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、この第二の金属板で十分に緩和することができ、セラミックス基板での割れの発生を抑制することができる。
【0037】
また、前記添加元素層形成工程は、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に、添加元素を固着させることが好ましい。
この場合、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、添加元素が前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に確実に固着されるので、ヒートシンクと第二の金属板との接合界面に添加元素を確実に介在させることが可能となる。また、添加元素の固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域を確実に形成して、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。
【0038】
さらに、前記添加元素層形成工程では、前記添加元素とともにAlを固着させることが好ましい。
この場合、前記添加元素とともにAlを固着させているので、形成される添加元素層がAlを含有することになり、ヒートシンク加熱工程において、この添加元素層が優先的に溶融して溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することができる。また、Mg,Ca,Liなどの酸化活性元素の酸化を防止することができる。なお、前記添加元素とともにAlを固着させるには、前記添加元素とAlとを同時に蒸着してもよいし、前記添加元素とAlの合金をターゲットとして用いてスパッタリングを行ってもよい。また、Alと添加元素を積層してもよい。
【発明の効果】
【0039】
本発明によれば、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高い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、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図2】本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層の添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図3】本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層(金属板)とセラミックス基板との接合界面の模式図である。
【図4】本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図5】本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図6】図5における金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。
【図7】本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図8】本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層の添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図9】本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層(金属板)とセラミックス基板との接合界面の模式図である。
【図10】本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図11】本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図12】本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図13】本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層の添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図14】本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層(金属板)とセラミックス基板との接合界面の模式図である。
【図15】本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図16】本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図17】本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図18】本発明の第4の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図19】本発明の第4の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンクの添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図20】本発明の第4の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図21】本発明の第4の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図22】図21における第二の金属板(金属層)とヒートシンクとの接合界面近傍を示す説明図である。
【図23】本発明の第5の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図24】本発明の第5の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図25】本発明の第5の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図26】本発明の第5の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図27】本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0041】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
まず、図1から図6を用いて、本発明の第1の実施形態である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及びパワーモジュール、並びに、パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
【0042】
図1に示すパワーモジュール1は、回路層12が配設されたパワーモジュール用基板10と、回路層12の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク4とを備えている。ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層12とはんだ層2との間にNiめっき層(図示なし)が設けられている。
【0043】
パワーモジュール用基板10は、セラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面(図1において上面)に配設された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)に配設された金属層13とを備えている。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。なお、本実施形態では、図1に示すように、セラミック基板11の幅(図1の左右方向長さ)は、回路層12及び金属層13の幅より広く設定されている。
【0044】
回路層12は、図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面に導電性を有する金属板22が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層12は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板22がセラミックス基板11に接合されることにより形成されている。
【0045】
金属層13は、図5に示すように、セラミックス基板11の他方の面に金属板23が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層13は、回路層12と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板23がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
【0046】
ヒートシンク4は、前述のパワーモジュール用基板10を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板10と接合される天板部5と、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路6と、を備えている。ヒートシンク4(天板部5)は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、A6063(アルミニウム合金)で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク4の天板部5と金属層13との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層15が設けられている。
【0047】
そして、図2に示すように、セラミックス基板11と回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)との接合界面30においては、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶している。
回路層12及び金属層13の接合界面30近傍には、接合界面30から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度が低下する濃度傾斜層33が形成されている。ここで、回路層12及び金属層13の接合界面30近傍の添加元素の濃度の合計が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
ここで、本実施形態では、Geを添加元素として用いており、回路層12及び金属層13の接合界面30近傍のGe濃度が0.01質量%以上5質量%以下に設定されている。
【0048】
なお、回路層12及び金属層13の接合界面30近傍の添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面30から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図2のグラフは、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の50μm位置での濃度を基準として求めたものである。
【0049】
また、セラミックス基板11と回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)との接合界面30を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図3に示すように、接合界面30に添加元素(Ge)が濃縮した添加元素高濃度部32が形成されている。この添加元素高濃度部32においては、添加元素の濃度(Ge濃度)が、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)中の添加元素の濃度(Ge濃度)の2倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部32の厚さHは4nm以下とされている。
さらに、この添加元素高濃度部32においては、酸素濃度が、セラミックス基板11中の酸素濃度よりも高く設定されている。
【0050】
なお、ここで観察する接合界面30は、図3に示すように、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)の格子像の界面側端部とセラミックス基板11の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。また、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)中の添加元素の濃度(Ge濃度)とは、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)のうち接合界面30から一定距離(本実施形態では、5nm以上)離れた部分における添加元素の濃度(Ge濃度)である。
また、セラミックス基板11中の酸素濃度とは、セラミックス基板11のうち接合界面30から一定距離(本実施形態では、5nm以上)離れた部分における結晶粒内の酸素濃度である。
【0051】
また、この接合界面30をエネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した際のAl、添加元素(Ge)、O、Nの質量比が、Al:添加元素(Ge):O:N=50〜90質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下の範囲内に設定されている。なお、EDSによる分析を行う際のスポット径は1〜4nmとされており、接合界面30を複数点(例えば、本実施形態では20点)で測定し、その平均値を算出している。また、回路層12及び金属層13を構成する金属板22、23の結晶粒界とセラミックス基板11との接合界面30は測定対象とせず、回路層12及び金属層13を構成する金属板22、23の結晶粒とセラミックス基板11との接合界面30のみを測定対象としている。
【0052】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板10の製造方法について、図4から図6を参照して説明する。
【0053】
(固着工程S01)
まず、図5及び図6に示すように、金属板22、23のそれぞれの接合面に、スパッタリングによって、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、固着層24、25を形成する。
ここで、本実施形態では、Geを添加元素として用いており、固着層24、25における添加元素量(Ge量)は0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下に設定されている。
【0054】
(積層工程S02)
次に、図5に示すように、金属板22をセラミックス基板11の一方の面側に積層し、かつ、金属板23をセラミックス基板11の他方の面側に積層する。このとき、図5及び図6に示すように、金属板22、23のうち固着層24、25が形成された面がセラミックス基板11を向くように積層する。すなわち、金属板22、23とセラミックス基板11との間にそれぞれ固着層24、25(添加元素:Ge)を介在させているのである。このようにして積層体20を形成する。
【0055】
(加熱工程S03)
次に、積層工程S02において形成された積層体20を、その積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、図6に示すように、金属板22、23とセラミックス基板11との界面にそれぞれ溶融金属領域26、27を形成する。この溶融金属領域26、27は、図6に示すように、固着層24、25の添加元素(Ge)が金属板22、23に向けて拡散することによって、金属板22、23の固着層24、25近傍の添加元素の濃度(Ge濃度)が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。なお、上述の圧力が1kgf/cm2未満の場合には、セラミックス基板11と金属板22、23との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が35kgf/cm2を超えた場合には、金属板22,23が変形するおそれがある。よって、上述の加圧圧力は、1〜35kgf/cm2の範囲内とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−3〜10−6Paの範囲内に、加熱温度は550℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
【0056】
(凝固工程S04)
次に、溶融金属領域26、27が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域26、27中の添加元素(Ge)が、さらに金属板22、23に向けて拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域26、27であった部分の添加元素の濃度(Ge濃度)が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板11と金属板22、23とは、いわゆる拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【0057】
このようにして、回路層12及び金属層13となる金属板22、23とセラミックス基板11とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板10が製造される。
【0058】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板10、パワーモジュール1及びパワーモジュール用基板の製造方法においては、金属板22、23の接合面に添加元素(Ge)を固着させる固着工程S01を備えているので、金属板22、23とセラミックス基板11の接合界面30には、添加元素(Ge)が介在することになる。ここで、Geは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において金属板22,23とセラミックス基板11との界面に溶融金属領域26,27を形成することができる。
【0059】
さらに、セラミックス基板11と回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)とが、金属板22、23の接合面に形成された前記添加元素(Ge)を含有する固着層24、25の前記添加元素(Ge)を金属板22、23に向けて拡散させることによって溶融金属領域26、27を形成し、この溶融金属領域26、27中の添加元素(Ge)を金属板22、23へ拡散させることによって凝固させることによって接合されているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板11と金属板22、23とを強固に接合することが可能となる。
【0060】
また、セラミックス基板11と回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)との接合界面30においては、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)に前記添加元素が固溶しており、回路層12及び金属層13のそれぞれの接合界面30側の前記添加元素の濃度の合計が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、Geを添加元素として用いており、回路層12及び金属層13の接合界面30近傍のGe濃度が0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されているので、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)の接合界面30側の部分が固溶強化し、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)における亀裂の発生を防止することができる。
また、加熱工程S03において前記添加元素(Ge)が十分に金属板22、23に向けて拡散しており、金属板22、23とセラミックス基板11とが強固に接合されていることになる。
【0061】
また、本実施形態では、セラミックス基板11がAlNで構成されており、回路層12及び金属層13となる金属板22、23とセラミックス基板11との接合界面30に、添加元素(Ge)が濃縮した添加元素高濃度部32が形成されており、この添加元素高濃度部32の添加元素の濃度(Ge濃度)が、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)中の添加元素の濃度(Ge濃度)の2倍以上とされているので、界面近傍に存在する添加元素原子(Ge原子)により、セラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることが可能となる。また、この添加元素高濃度部32の厚さが4nm以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって添加元素高濃度部32にクラックが発生することが抑制される。
【0062】
さらに、本実施形態では、接合界面30をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、添加元素(Ge)、O、Nの質量比が、Al:添加元素(Ge):O:N=50〜90質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされているので、接合界面30に、添加元素が過剰に存在して接合を阻害することを防止できるとともに、添加元素原子(Ge原子)による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。また、接合界面30に酸素濃度の高い部分が厚く存在することが防止され、熱サイクルを負荷した際のクラックの発生を抑制することができる。
【0063】
また、金属板の接合面に添加元素(Ge)を固着させて固着層24、25を形成する固着工程S01を備えており、加熱工程S03において、固着層24、25の添加元素(Ge)を金属板22、23に向けて拡散させることにより、セラミックス基板11と金属板22、23との界面に溶融金属領域26、27を形成する構成としているので、製造が困難なAl−Si系のろう材箔を用いる必要がなく、低コストで、金属板22、23とセラミックス基板11とが確実に接合されたパワーモジュール用基板10を製造することができる。
【0064】
また、本実施形態では、固着工程S01において、セラミックス基板11と金属板22、23との界面に介在されるGe量を0.01mg/cm2以上としているので、セラミックス基板11と金属板22、23との界面に、溶融金属領域26、27を確実に形成することができ、セラミックス基板11と金属板22、23とを強固に接合することが可能となる。
【0065】
さらに、セラミックス基板11と金属板22、23との界面に介在されるGe量を10mg/cm2以下としているので、固着層24、25にクラックが発生することを防止することができ、セラミックス基板11と金属板22,23との界面に溶融金属領域26,27を確実に形成することができる。さらに、添加元素(Ge)が過剰に金属板22,23に向けて拡散して界面近傍の金属板22,23の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板10に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を回路層12、金属層13(金属板22,23)で吸収することができ、セラミックス基板11の割れ等を防止できる。
【0066】
また、ろう材箔を使用せずに、金属板22、23の接合面に直接固着層24、25を形成しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実にセラミックス基板11と金属板22,23とを接合することができる。よって、このパワーモジュール用基板10を効率良く製出することが可能となる。
しかも、金属板22、23の接合面に固着層24、25を形成しているので、金属板22、23とセラミックス基板11との界面に介在する酸化被膜は、金属板22、23の表面にのみ存在することになるため、初期接合の歩留りを向上させることができる。
【0067】
次に、本発明の第2の実施形態である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及びパワーモジュール、並びに、パワーモジュール用基板の製造方法について、図7から図11を参照して説明する。
【0068】
図7に示すパワーモジュール101は、回路層112が配設されたパワーモジュール用基板110と、回路層112の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク140とを備えている。ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層112とはんだ層2との間にNiめっき層(図示なし)が設けられている。
【0069】
パワーモジュール用基板110は、セラミックス基板111と、このセラミックス基板111の一方の面(図7において上面)に配設された回路層112と、セラミックス基板111の他方の面(図7において下面)に配設された金属層113とを備えている。
セラミックス基板111は、回路層112と金属層113との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いAl2O3(アルミナ)で構成されている。また、セラミックス基板111の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
【0070】
回路層112は、セラミックス基板111の一方の面に導電性を有する金属板122が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層112は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板122がセラミックス基板111に接合されることにより形成されている。
金属層113は、セラミックス基板111の他方の面に金属板123が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層113は、回路層112と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板123がセラミックス基板111に接合されることで形成されている。
【0071】
ヒートシンク140は、前述のパワーモジュール用基板110を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板110と接合される天板部141と、冷却媒体が流通する流路142と、を備えている。ヒートシンク140(天板部141)は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、A6063(アルミニウム合金)で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク140の天板部141と金属層113との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層115が設けられている。
【0072】
そして、図8に示すように、セラミックス基板111と回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)との接合界面130においては、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶している。
詳述すると、回路層112及び金属層113の接合界面130近傍には、接合界面130から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素濃度が低下する濃度傾斜層133が形成されている。ここで、回路層112及び金属層113の接合界面130近傍の添加元素濃度が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
ここで、本実施形態では、Mgを添加元素として用いており、回路層112及び金属層113の接合界面130近傍のMg濃度が0.01質量%以上5質量%以下に設定されている。
【0073】
なお、回路層112及び金属層113の接合界面130近傍の添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面130から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図8のグラフは、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の50μm位置での濃度を基準として求めたものである。
【0074】
また、セラミックス基板111と回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)との接合界面130を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図9に示すように、接合界面130に添加元素(Mg)が濃縮した添加元素高濃度部132が形成されている。この添加元素高濃度部132においては、添加元素の濃度(Mg濃度)が、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)中の添加元素の濃度(Mg濃度)の2倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部132の厚さHは4nm以下とされている。
【0075】
なお、ここで観察する接合界面130は、図9に示すように、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)の格子像の界面側端部とセラミックス基板111の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。また、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)中の添加元素の濃度(Mg濃度)は、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)のうち接合界面130から一定距離(本実施形態では5nm)離れた部分における添加元素の濃度(Mg濃度)である。
【0076】
また、この接合界面130をエネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した際のAl、添加元素(Mg)、Oの質量比が、Al:添加元素(Mg):O=50〜90質量%:1〜30質量%:45質量%以下の範囲内に設定されている。なお、EDSによる分析を行う際のスポット径は1〜4nmとされており、接合界面130を複数点(例えば、本実施形態では20点)で測定し、その平均値を算出している。また、回路層112及び金属層113を構成する金属板122、123の結晶粒界とセラミックス基板111との接合界面130は測定対象とせず、回路層112及び金属層113を構成する金属板122、123の結晶粒とセラミックス基板111との接合界面130のみを測定対象としている。
【0077】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板の製造方法について、図10から図11を参照して説明する。
【0078】
(固着工程S101)
まず、図11に示すように、セラミックス基板111の一方の面及び他方の面に、蒸着によってZn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、固着層124、125を形成する。
ここで、本実施形態では、Mgを添加元素として用いており、固着層124、125における添加元素量(Mg量)は0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下に設定されている。
【0079】
(積層工程S102)
次に、金属板122をセラミックス基板111の一方の面側に積層し、かつ、金属板123をセラミックス基板111の他方の面側に積層する。
【0080】
(加熱工程S103)
次に、金属板122、セラミックス基板111、金属板123を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。このとき、固着層124、125のMgが金属板122、123に向けて拡散し、金属板122、123とセラミックス基板111との界面に溶融金属領域が形成される。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
【0081】
(凝固工程S104)
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておき、溶融金属領域中の添加元素(Mg)を、さらに金属板122、123に向けて拡散させる。すると、溶融金属領域であった部分の添加元素濃度(Mg濃度)が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板111と金属板122、123とは、いわゆる拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。このように凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
このようにして、パワーモジュール用基板110が製出される。
【0082】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板110及びパワーモジュール101、パワーモジュール用基板の製造方法においては、セラミックス基板111と回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)とが、セラミックス基板111の一方の面及び他方の面に形成された固着層124、125のMgを金属板122、123に向けて拡散させることによって溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域中のMgを金属板122、123へさらに拡散させて凝固させることにより接合されているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板111と金属板122、123とを強固に接合することが可能となる。
【0083】
また、セラミックス基板111と回路層112及び金属層113との接合界面130においては、回路層112及び金属層113に添加元素(Mg)が固溶しており、回路層112及び金属層113のそれぞれの接合界面130側の添加元素濃度(Mg濃度)が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されているので、回路層112及び金属層113の接合界面130側部分が固溶強化し、回路層112及び金属層113における亀裂の発生を防止することができる。
【0084】
また、本実施形態では、セラミックス基板111がAl2O3で構成されており、回路層112及び金属層113となる金属板122、123とセラミックス基板111との接合界面130に、添加元素(Mg)が濃縮した添加元素高濃度部132が形成されており、この添加元素高濃度部132の添加元素濃度(Mg濃度)が、回路層112及び金属層113中の添加元素濃度(Mg濃度)の2倍以上とされているので、界面近傍に存在する添加元素原子(Mg原子)により、セラミックス基板111と金属板122、123との接合強度の向上を図ることが可能となる。また、この添加元素高濃度部132の厚さが4nm以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって添加元素高濃度部132にクラックが発生することが抑制される。
【0085】
さらに、本実施形態では、接合界面130をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、添加元素(Mg)、Oの質量比が、Al:添加元素(Mg):O=50〜90質量%:1〜30質量%:45質量%以下とされているので、接合界面130に、Alと添加元素(Mg)との反応物が過剰に生成して接合を阻害することを防止できるとともに、添加元素原子(Mg原子)による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。
【0086】
次に、本発明の第3の実施形態である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及びパワーモジュール、並びに、パワーモジュール用基板の製造方法について、図12から図17を参照して説明する。
【0087】
図12に示すパワーモジュール201は、回路層212が配設されたパワーモジュール用基板210と、回路層212の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク240とを備えている。ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層212とはんだ層2との間にNiめっき層(図示なし)が設けられている。
【0088】
パワーモジュール用基板210は、セラミックス基板211と、このセラミックス基板211の一方の面(図12において上面)に配設された回路層212と、セラミックス基板211の他方の面(図12において下面)に配設された金属層213とを備えている。
セラミックス基板211は、回路層212と金属層213との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いSi3N4(窒化珪素)で構成されている。また、セラミックス基板211の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.32mmに設定されている。
【0089】
回路層212は、セラミックス基板211の一方の面に導電性を有する金属板222が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層212は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板222がセラミックス基板211に接合されることにより形成されている。
金属層213は、セラミックス基板211の他方の面に金属板223が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層213は、回路層212と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板223がセラミックス基板211に接合されることで形成されている。
【0090】
ヒートシンク240は、前述のパワーモジュール用基板210を冷却するためのものである。本実施形態におけるヒートシンク240は、パワーモジュール用基板210と接合される天板部241と、この天板部241に対向するように配置された底板部245と、天板部241と底板部245との間に介装されたコルゲートフィン246と、を備えており、天板部241と底板部245とコルゲートフィン246とによって、冷却媒体が流通する流路242が画成されている。
【0091】
ここで、このヒートシンク240は、天板部241とコルゲートフィン246、コルゲートフィン246と底板部245が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図17に示すように、天板部241及び底板部245は、基材層241A、245Aと、基材層241A、245Aよりも融点の低い材料からなる接合層241B、245Bが積層された積層アルミ板で構成されており、接合層241B、245Bがコルゲートフィン246側を向くように、天板部241及び底板部245が配設されている。つまり、天板部241の基材層241Aが金属層213に接する構成とされているのである。
なお、本実施形態では、基材層241A,245AがA3003合金で構成されており、接合層241B、245BがA4045合金で構成されている。
【0092】
そして、図13に示すように、セラミックス基板211と回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)との接合界面230においては、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶している。
詳述すると、回路層212及び金属層213の接合界面230近傍には、接合界面230から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素濃度が低下する濃度傾斜層233が形成されている。ここで、回路層212及び金属層213の接合界面230近傍の添加元素濃度が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
ここで、本実施形態では、Znを添加元素として用いており、回路層212及び金属層213の接合界面230近傍のZn濃度が0.01質量%以上5質量%以下に設定されている。
【0093】
なお、回路層212及び金属層213の接合界面230近傍の添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面230から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図13のグラフは、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の50μm位置での濃度を基準として求めたものである。
【0094】
また、セラミックス基板211と回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)との接合界面230を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図14に示すように、接合界面230に添加元素(Zn)が濃縮した添加元素高濃度部232が形成されている。この添加元素高濃度部232においては、添加元素濃度(Zn濃度)が、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)中の添加元素濃度(Zn濃度)の2倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部232の厚さHは4nm以下とされている。
さらに、この添加元素高濃度部232においては、酸素濃度が、セラミックス基板211中の酸素濃度よりも高く設定されている。
【0095】
なお、ここで観察する接合界面230は、図14に示すように、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)の格子像の界面側端部とセラミックス基板211の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。また、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)中の添加元素濃度(Zn濃度)は、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)のうち接合界面230から一定距離(本実施形態では5nm)離れた部分における添加元素濃度(Zn濃度)である。
また、セラミックス基板211中の酸素濃度とは、セラミックス基板211のうち接合界面230から一定距離(本実施形態では5nm)離れた部分における結晶粒内の酸素濃度である。
【0096】
また、この接合界面230をエネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した際のAl、Si、添加元素(Zn)、O、Nの質量比が、Al:Si:添加元素(Zn):O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下の範囲内に設定されている。なお、EDSによる分析を行う際のスポット径は1〜4nmとされており、接合界面230を複数点(例えば、本実施形態では20点)で測定し、その平均値を算出している。また、回路層212及び金属層213を構成する金属板222、223の結晶粒界とセラミックス基板211との接合界面230は測定対象とせず、回路層212及び金属層213を構成する金属板222、223の結晶粒とセラミックス基板211との接合界面230のみを測定対象としている。
【0097】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図15から図17を参照して説明する。
【0098】
(めっき工程S201)
まず、図16に示すように、金属板222、223の表面に、添加元素(Zn)を含むめっき層224、225をそれぞれ形成する。なお、このめっき層224、225の厚さは、1μm〜5μmの範囲内に設定されている。本実施形態では、このめっき層224、225が添加元素の固着層となる。
【0099】
(積層工程S202)
次に、金属板222をセラミックス基板211の一方の面側に積層し、かつ、金属板223をセラミックス基板211の他方の面側に積層する。このとき、めっき層224、225がそれぞれセラミックス基板211側に向くように、金属板222、223を配置する。
【0100】
(加熱工程S203)
次に、金属板222、セラミックス基板211、金属板223を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、めっき層224、225の添加元素(Zn)を金属板222,223に向けて拡散させることにより、金属板222、223とセラミックス基板211との界面に溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
【0101】
(凝固工程S204)
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておき、溶融金属領域中の添加元素(Zn)を、さらに金属板222、223に向けて拡散させる。すると、溶融金属領域であった部分の添加元素の濃度(Zn濃度)が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板211と金属板222、223とは、いわゆる拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。このように凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
このようにして、パワーモジュール用基板210が製出される。
【0102】
(ヒートシンク積層工程S205)
次に、パワーモジュール用基板210の金属層213の他方の面側に、ヒートシンク240を構成する天板部241、コルゲートフィン246、底板部245を積層する。このとき、金属層213と天板部241との間に添加元素(Zn)を含む固着層226を介在させる。本実施形態では、固着層226は、金属層213の他方の面にスパッタやめっきを施すことで形成されている。
また、天板部241の接合層241B及び底板部245の接合層245Bがコルゲートフィン246側を向くように、天板部241及び底板部245を積層する。
【0103】
(ヒートシンク加熱工程S206)
次に、積層されたパワーモジュール用基板210、天板部241、コルゲートフィン246及び底板部245を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、固着層226の添加元素(Zn)を金属層213及び天板部241に向けて拡散させることにより、金属層213とヒートシンク240の天板部241との間に溶融金属領域を形成する。同時に、天板部241とコルゲートフィン246、底板部245とコルゲートフィン246との間にも、接合層241B、245Bを溶融させて溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は550℃以上630℃以下の範囲内に設定している。
【0104】
(溶融金属凝固工程S207)
そして、冷却することにより、金属層213とヒートシンク240の天板部241との間に溶融金属領域、天板部241とコルゲートフィン246、底板部245とコルゲートフィン246の間に形成された溶融金属領域を凝固させることによって、金属層213と天板部241、天板部241とコルゲートフィン246、底板部245とコルゲートフィン246とが接合されることになる。
【0105】
このようにして、天板部241とコルゲートフィン246と底板部245とがろう付けされてヒートシンク240が形成されるとともに、このヒートシンク240とパワーモジュール用基板210とが接合されてヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造されることになる。
【0106】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板210及びパワーモジュール201においては、セラミックス基板211と回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)とが、金属板222、223に形成されためっき層224、225の添加元素(Zn)を金属板222、223に向けて拡散させることによって溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域中の添加元素(Zn)を金属板222、223へさらに拡散させて凝固させることにより接合されているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板211と金属板222、223とを強固に接合することが可能となる。
【0107】
また、本実施形態では、セラミックス基板211がSi3N4で構成されており、回路層212及び金属層213となる金属板222、223とセラミックス基板211との接合界面230に、添加元素(Zn)が濃縮した添加元素高濃度部232が形成されており、この添加元素高濃度部232の添加元素濃度(Zn濃度)が、回路層212及び金属層213中の添加元素濃度(Zn濃度)の2倍以上とされているので、界面近傍に存在する添加元素原子(Zn原子)により、セラミックス基板211と金属板222、223との接合強度の向上を図ることが可能となる。また、この添加元素高濃度部232の厚さが4nm以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって添加元素高濃度部232にクラックが発生することが抑制される。
【0108】
さらに、本実施形態では、接合界面230をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Si、添加元素(Zn)、O、Nの質量比が、Al:Si:添加元素(Zn):O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされているので、接合界面230に、Alと添加元素(Zn)との反応物が過剰に生成して接合を阻害することを防止できるとともに、添加元素原子(Zn原子)による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。また、接合界面230に酸素濃度の高い部分が厚く存在することが防止され、熱サイクルを負荷した際のクラックの発生を抑制することができる。
【0109】
また、本実施形態では、金属板222、223に形成しためっき層224、225を固着層としているので、セラミックス基板211と金属板222、223との間に添加元素(Zn)を確実に介在させることができる。
【0110】
次に、本発明の第4の実施形態について、図18から図22を参照して説明する。
図18に示すパワーモジュール301は、回路層312が配設されたパワーモジュール用基板310と、回路層312の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク340とを備えている。ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層312とはんだ層2との間にNiメッキ層(図示なし)が設けられている。
【0111】
パワーモジュール用基板310は、セラミックス基板311と、このセラミックス基板311の一方の面(図18において上面)に配設された回路層312と、セラミックス基板311の他方の面(図18において下面)に配設された金属層313とを備えている。
セラミックス基板311は、回路層312と金属層313との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板311の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
【0112】
回路層312は、セラミックス基板311の一方の面に導電性を有する第一の金属板322が接合されることにより形成されている。
金属層313は、セラミックス基板311の他方の面に第二の金属板323が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、第一の金属板322及び第二の金属板323は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板とされている。
【0113】
ヒートシンク340は、前述のパワーモジュール用基板310を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板310と接合される天板部341と、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路342と、を備えている。ヒートシンク340(天板部341)は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、A6063(アルミニウム合金)で構成されている。
【0114】
そして、図19に示すように、金属層313(第二の金属板323)とヒートシンク340との接合界面330においては、金属層313(第二の金属板323)及びヒートシンク340に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶している。
詳述すると、金属層313とヒートシンク340との接合界面330近傍には、接合界面330から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素濃度が低下する濃度傾斜層333、334が形成されている。そして、金属層313とヒートシンク340との接合界面330近傍の添加元素濃度が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
【0115】
ここで、本実施形態では、Geを添加元素として用いており、金属層313とヒートシンク340との接合界面330近傍のGe濃度が0.01質量%以上5質量%以下に設定されている。
なお、金属層313とヒートシンク340との接合界面330近傍の添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面330から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図19のグラフは、金属層313(金属板323)及びヒートシンク340(天板部341)の幅中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の50μm位置での濃度を基準として求めたものである。
【0116】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図20から図22を参照して説明する。
【0117】
(添加元素層形成工程S301/固着工程S311)
まず、図21に示すように、回路層312となる第一の金属板322の一面に、スパッタリングによって添加元素であるGeを固着して第1Ge層324を形成するとともに、金属層313となる第二の金属板323の一面に、スパッタリングによってGeを固着して第2Ge層325を形成する(固着工程S311)。
また、金属層313となる第二の金属板323の他面に、スパッタリングによって添加元素であるGeを固着してGe層326を形成する(添加元素層形成工程S301)。
ここで、本実施形態では、第1Ge層324、第2Ge層325及びGe層326におけるGe量は、0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下に設定されている。
【0118】
(ヒートシンク積層工程S302/セラミックス基板積層工程S312)
次に、図21に示すように、第一の金属板322をセラミックス基板311の一方の面側に積層し、かつ、第二の金属板323をセラミックス基板311の他方の面側に積層する(セラミックス基板積層工程S312)。このとき、図21に示すように、第一の金属板322の第1Ge層324、第二の金属板323の第2Ge層325が形成された面がセラミックス基板311を向くように、第一の金属板322及び第二の金属板323を積層する。
さらに、第二の金属板323の他方の面側に、ヒートシンク340を積層する(ヒートシンク積層工程S302)。このとき、図21に示すように、第二の金属板323のGe層326が形成された面がヒートシンク340を向くように、第二の金属板323とヒートシンク340とを積層する。
すなわち、第一の金属板322とセラミックス基板311との間に第1Ge層324を介在させ、第二の金属板323とセラミックス基板311との間に第2Ge層325を介在させ、第二の金属板323とヒートシンク340との間にGe層326を介在させているのである。
【0119】
(ヒートシンク加熱工程S303/セラミックス基板加熱工程S313)
次に、第一の金属板322、セラミックス基板311、第二の金属板323、ヒートシンク340を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。第1Ge層324のGeが第一の金属板322に向けて拡散されることにより、第一の金属板322とセラミックス基板311との界面に第一溶融金属領域327を形成する。また、第2Ge層325のGeが第二の金属板323に向けて拡散されることにより、第二の金属板323とセラミックス基板311との界面に第二溶融金属領域328を形成する(セラミックス基板加熱工程S313)。
また、同時に、第二の金属板323とヒートシンク340との間に溶融金属領域329を形成する(ヒートシンク加熱工程S303)。溶融金属領域329は、図22に示すように、Ge層326のGeが第二の金属板323及びヒートシンク340に向けて拡散することによって、第二の金属板323及びヒートシンク340のGe層326近傍のGe濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
【0120】
(溶融金属凝固工程S304/第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程S314)
次に、溶融金属領域329が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域329中のGeが、さらに第二の金属板323及びヒートシンク340に向けて拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域329であった部分のGe濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、ヒートシンク340と第二の金属板323とは、いわゆる拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。
【0121】
同様に、第一溶融金属領域327中のGeが、さらに第一の金属板322に向かって拡散していく。また、第二溶融金属領域328中のGeが、さらに第二の金属板323に向かって拡散していく。これにより、第一溶融金属領域327、第二溶融金属領域328であった部分のGe濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。これにより、セラミックス基板311と第一の金属板322、セラミックス基板311と第二の金属板323が接合される。つまり、セラミックス基板311と第一の金属板322及び第二の金属板323とは、いわゆる拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【0122】
以上のようにして、回路層312となる第一の金属板322とセラミックス基板311とが接合され、金属層313となる第二の金属板323とセラミックス基板311とが接合され、かつ、第二の金属板323とヒートシンク340とが接合され、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【0123】
以上のような構成とされた本実施形態においては、金属層313となる第二の金属板323とヒートシンク340との間にGe層326を形成するGe層形成工程S301を備えているので、第二の金属板323とヒートシンク340との接合界面330には、Geが介在することになる。このGeは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、ヒートシンク340と第二の金属板323との界面に溶融金属領域329を形成することができる。よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンク340と第二の金属板323とを強固に接合することが可能となる。
【0124】
また、本実施形態では、第一の金属板322とセラミックス基板311の接合面及び第二の金属板323とセラミックス基板311の接合面に、Geを固着させる固着工程S311を備えているので、第一の金属板322とセラミックス基板311の接合界面、第二の金属板323とセラミックス基板311の接合界面にもGeが介在することになり、セラミックス基板311と第一の金属板322、セラミックス基板311と第二の金属板323を強固に接合することが可能となる。
【0125】
さらに、ヒートシンク加熱工程S303において、第二の金属板323の接合面に形成されたGe層326のGeを第二の金属板323及びヒートシンク340に向けて拡散させることによって溶融金属領域329を形成し、溶融金属凝固工程S304において、溶融金属領域329中のGeをさらに第二の金属板323及びヒートシンク340に向けて拡散させることによって凝固させて、ヒートシンク340と第二の金属板323(金属層313)とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンク340と第二の金属板323とを強固に接合することが可能となる。
【0126】
また、本実施形態では、セラミックス基板311と第一の金属板322(回路層312)及び第二の金属板323(金属層313)についても、セラミックス基板加熱工程S313において、第一の金属板322、第二の金属板323の接合面に形成された第1Ge層324、第2Ge層325のGeを第一の金属板322、第二の金属板323に向けて拡散させることによって第一溶融金属領域327、第二溶融金属領域328を形成し、第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程S314において、第一溶融金属領域327、第二溶融金属領域328中のGeをさらに第一の金属板322、第二の金属板323に向けて拡散させることによって凝固させて、セラミックス基板311と第一の金属板322(回路層312)及び第二の金属板323(金属層313)とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板311と第一の金属板322(回路層312)及び第二の金属板323(金属層313)とを強固に接合することが可能となる。
【0127】
さらに、ヒートシンク340と第二の金属板323との接合、及び、セラミックス基板311と第一の金属板322及び第二の金属板323との接合に、ろう材箔を使用していないので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実に、ヒートシンク340と第二の金属板323、セラミックス基板311と第一の金属板322及び第二の金属板323、をそれぞれ接合することができる。よって、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を、低コストで効率良く製出することが可能となる。
【0128】
また、本実施形態では、セラミックス基板311と第一の金属板322及び第二の金属板323との接合と、第二の金属板323とヒートシンク340との接合とを、同時に行う構成としているので、これらの接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、セラミックス基板311に対して繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができ、高品質なヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出することができる。
【0129】
さらに、Ge層形成工程S301は、スパッタリングによって第二の金属板323の接合面にGeを固着させてGe層326を形成する構成としているので、ヒートシンク340と第二の金属板323との間にGeを確実に介在させることが可能となる。また、Geの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域329を確実に形成して、ヒートシンク340と第二の金属板323とを強固に接合することが可能となる。
【0130】
また、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、ヒートシンク340と第二の金属板323(金属層313)との接合界面330において、第二の金属板323(金属層313)及びヒートシンク340に添加元素であるGeが固溶しており、第二の金属板323(金属層313)及びヒートシンク340のそれぞれの接合界面330側のGe濃度が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されているので、第二の金属板323(金属層313)及びヒートシンク340の接合界面330側の部分が固溶強化し、第二の金属板323(金属層313)及びヒートシンク340における亀裂の発生を防止することができる。よって、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。
【0131】
次に、本発明の第5の実施形態について、図23から図26を用いて説明する。
このパワーモジュール401は、回路層412が配設されたパワーモジュール用基板410と、回路層412の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク440とを備えている。
【0132】
パワーモジュール用基板410は、セラミックス基板411と、このセラミックス基板411の一方の面(図23において上面)に配設された回路層412と、セラミックス基板411の他方の面(図23において下面)に配設された金属層413とを備えている。 なお、セラミックス基板411は絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。
【0133】
回路層412は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる第一の金属板422がセラミックス基板411に接合されることにより形成されている。
金属層413は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる第二の金属板423がセラミックス基板411に接合されることで形成されている。
【0134】
ヒートシンク440は、前述のパワーモジュール用基板410を冷却するためのものである。本実施形態であるヒートシンク440は、パワーモジュール用基板410と接合される天板部441と、この天板部441に対向するように配置された底板部445と、天板部441と底板部445との間に介装されたコルゲートフィン446と、を備えており、天板部441と底板部445とコルゲートフィン446とによって、冷却媒体が流通する流路442が画成されている。
【0135】
ここで、このヒートシンク440は、天板部441とコルゲートフィン446、コルゲートフィン446と底板部445が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図26に示すように、底板部445は、基材層445Aと、基材層445Aよりも融点の低い材料からなる接合層445Bが積層された積層アルミ板で構成されている。なお、本実施形態では、基材層445AがA3003合金で構成されており、接合層445BがA4045合金で構成されている。
【0136】
そしてヒートシンク440の天板部441と第二の金属板423(金属層413)との接合界面においては、第二の金属板423(金属層413)及び天板部441に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶している。なお、本実施形態では、添加元素としてMgが固溶している。
また、第一の金属板422(回路層412)とセラミックス基板411との接合界面、及び、第一の金属板423(金属層413)とセラミックス基板411との接合界面においては、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態ではMgが固溶している。
【0137】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
【0138】
(固着層形成工程S401)
まず、図25に示すように、回路層412となる第一の金属板422の一面に、スパッタリングによってMgを固着して第1Mg層424を形成するとともに、金属層413となる第二の金属板423の一面に、スパッタリングによってMgを固着して第2Mg層425を形成する。さらに、第二の金属板423の他面にもスパッタリングによってMgを固着してMg層426を形成する。
ここで、本実施形態では、第1Mg層424、第2Mg層425、Mg層426におけるMg量は、は0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下に設定されている。
【0139】
(積層工程S402)
次に、図25に示すように、第一の金属板422をセラミックス基板411の一方の面側に積層し、かつ、第二の金属板423をセラミックス基板411の他方の面側に積層する。このとき、図25に示すように、第一の金属板422の第1Mg層424、第二の金属板423の第2Mg層425が形成された面がセラミックス基板411を向くように、第一の金属板422及び第二の金属板423を積層する。
さらに、第二の金属板423のMg層426が形成された面側に、天板部441を積層配置する。
【0140】
(加熱工程S403)
次に、第一の金属板422、セラミックス基板411、第二の金属板423、天板部441を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する。第1Mg層424のMgが第一の金属板422に向けて拡散することにより、第一の金属板422とセラミックス基板411との界面に第一溶融金属領域427を形成する。第2Mg層425のMgが第二の金属板423に向けて拡散することにより、第二の金属板423とセラミックス基板411との界面に第二溶融金属領域428を形成する。さらに、Mg層426のMgが第二の金属板423及び天板部441に向けて拡散することにより、第二の金属板423と天板部441との間に、溶融金属領域429を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
【0141】
(溶融金属凝固工程S404)
次に、第一溶融金属領域427、第二溶融金属領域428が形成された状態で温度を一定に保持しておく。第一溶融金属領域427中のMgが第一の金属板422に向けて拡散し、第二溶融金属領域428中のMgが、第二の金属板423に向けて拡散していくことになる。すると、第一溶融金属領域427、第二溶融金属領域428であった部分のMg濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、セラミックス基板411と第一の金属板422及び第二の金属板423とが接合される。
また、溶融金属領域429が形成された状態で温度を一定に保持しておく。溶融金属領域429中のMgが、第二の金属板423及び天板部441に向けて拡散していくことになる。すると、溶融金属領域429であった部分のMg濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、第二の金属板423と天板部441とが接合される。
【0142】
(フィン積層工程S405)
次に、図26に示すように、天板部441の他方の面側に、ろう材箔447(例えば、Al−10%Si合金箔等の低融点アルミニウム合金箔)、コルゲートフィン446、底板部445を積層する。このとき、底板部445の接合層445Bがコルゲートフィン446側を向くように底板部445を積層する。また、天板部441とコルゲートフィン446、底板部445とコルゲートフィン446との間には、例えば、KAlF4を主成分とするフラックス(図示なし)を介在させておく。
【0143】
(ろう付け工程S406)
次に、天板部441、コルゲートフィン446及び底板部445を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、天板部441とコルゲートフィン446、底板部445とコルゲートフィン446との間に、ろう材箔447及び接合層445Bを溶融させた溶融金属層を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は550℃以上630℃以下の範囲内に設定している。
そして、冷却することによって、天板部441とコルゲートフィン446、底板部445とコルゲートフィン446の間に形成された溶融金属層を凝固させ、天板部441とコルゲートフィン446、底板部445とコルゲートフィン446とをろう付けする。このとき、天板部441、コルゲートフィン446、底板部445の表面には、酸化被膜が形成されているが、前述のフラックスによってこれらの酸化被膜が除去されることになる。
【0144】
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【0145】
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付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の製造方法においては、ヒートシンク440の天板部441と第二の金属板423(金属層413)との間にMgを固着させ、このMgを拡散させることによって溶融金属領域429を形成し、さらに溶融金属領域429中のMgを拡散させて、ヒートシンク440の天板部441とパワーモジュール用基板410とを接合しているので、比較的低温条件においても、ヒートシンク440の天板部441とパワーモジュール用基板410とを確実に接合することが可能となる。
【0146】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層及び金属層を構成する金属板を純度99.99%の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度99%のアルミニウム(2Nアルミニウム)やアルミニウム合金であってもよい。
【0147】
また、添加元素として、Ge,Mg,Znを用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を用いても良い。
さらに、スパッタ、ペーストの塗布、めっきによって添加元素を固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、蒸着、CVD、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているインクの塗布によって、前記添加元素を固着させてもよい。
【0148】
また、固着工程において、添加元素とともにAlを固着させてもよい。特に、添加元素として、Mg,Ca,Liなどの酸化活性元素を用いる場合には、Alとともに固着させることによって、これらの元素の酸化を防止することが可能となる。
【0149】
さらに、ヒートシンクをアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はなく、種々の構成のヒートシンクを用いることができる。
また、本発明の第3の実施形態においては、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを同時に接合してもよい。
【0150】
さらに、図27に示すように、金属層513を、複数の金属板513A、513Bを積層した構造としてもよい。この場合、金属層513のうち一方側(図27において上側)に位置する金属板513Aがセラミックス基板511に接合され、他方側(図27において下側)に位置する金属板513Bがヒートシンク540の天板部541に接合されることになる。そして、他方側に位置する金属板513Bとヒートシンク540の天板部541との間に添加元素層を形成することで、他方側に位置する金属板513Bとヒートシンク540の天板部541とが接合されているのである。ここで、積層された金属板513A、513B同士を添加元素層を介して接合することで金属層513を構成してもよい。なお、図27では、2枚の金属板513A、513Bを積層させたものとしているが、積層する枚数に制限はない。また、積層する金属板同士の大きさ、形状が異なっていても良いし、同じ大きさ、形状に調整されたものであってもよい。さらに、これらの金属板の組成が異なっていても良い。
【実施例】
【0151】
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
厚さ0.635mmのAlNからなるセラミックス基板に、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる回路層と、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる金属層とを接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
ここで、回路層及び金属層となるアルミニウム板(4Nアルミニウム)の接合面に、添加元素を固着して固着層を形成し、金属板とセラミックス基板とを積層して加圧加熱(温度:650℃、圧力:4kgf/cm2、時間:30分)し、金属板とセラミックス基板とを接合した。
【0152】
そして、固着する添加元素を変更した種々の試験片を製出し、接合界面近傍(接合界面から50μmの位置)における添加元素の濃度をEPMA分析した。また、これらの試験片を用いて接合信頼性の評価を行った。接合信頼性の評価としては、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後の接合率を比較した。結果を表1、表2に示す。なお、接合率は、以下の式で算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積のこととした。
接合率 = (初期接合面積−剥離面積)/初期接合面積
【0153】
【表1】
【0154】
【表2】
【0155】
固着層の添加元素の固着量が合計で10.35mg/cm2とされた比較例1では、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後の接合率が65.9%であった。これは、添加元素の量が多く金属板が硬くなり過ぎて、冷熱サイクルによる熱応力が接合界面に負荷されたためと推測される。
【0156】
固着層の添加元素の固着量が0.009mg/cm2とされた比較例2では、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後の接合率が59.8%であった。これは、界面に介在する添加元素量が少なく、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を十分に形成することができなかったためと判断される。
【0157】
これに対して、本発明例1−43においては、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後の接合率が全て70%以上であった。各種添加元素の拡散によって、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、金属板とセラミックス基板とを強固に接合できたと判断される。
【符号の説明】
【0158】
1 パワーモジュール
3 半導体チップ(電子部品)
10、110、210、310、410、510 パワーモジュール用基板
11、111、211、311、411、511 セラミックス基板
12、112、212、312、412、512 回路層
13、113、213、 金属層
22、122、222、322、422 金属板(第一の金属板)
23、123、223、323、423 金属板(第二の金属板)
24、25、124、125、324、325、424、425 固着層
26、27 溶融金属領域
30、130、230 接合界面
【技術分野】
【0001】
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用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール、このパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
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Al(アルミニウム)の金属板がろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子(半導体素子)が搭載される。
なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにAl等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して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提案されている。
【0003】
また、回路層を形成する手段としては、セラミックス基板に金属板を接合した後に、この金属板に回路パターンを形成する方法の他に、例えば特許文献2に開示されているように、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する方法が提案されている。
【0004】
ここで、前記回路層及び前記金属層としての金属板とセラミックス基板との良好な接合強度を得るため、例えば下記特許文献3に、セラミックス基板の表面粗さを0.5μm未満とした技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2003−086744号公報
【特許文献2】特開2008−311294号公報
【特許文献3】特開平3−234045号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、金属板をセラミックス基板に接合する場合、単にセラミックス基板の表面粗さを低減しても十分に高い接合強度が得られず、信頼性の向上が図れないという不都合があった。例えば、セラミックス基板の表面に対して、乾式でAl2O3粒子によるホーニング処理を行い、表面粗さをRa=0.2μmにしても、剥離試験で界面剥離が生じてしまう場合があることが分かった。また、研磨法により表面粗さをRa=0.1μm以下にしても、やはり同様に界面剥離が生じてしまう場合があった。
【0007】
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、搭載される半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のように放熱板上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板が放熱板によって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになり、従来にも増して、セラミックス基板と金属板との間の接合強度の向上及び信頼性の向上が求められている。
【0008】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高い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、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
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用基板は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属板には、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶されており、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されていることを特徴としている。
【0010】
この構成のパワーモジュール用基板においては、前記金属板に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶しているので、金属板の接合界面側部分が固溶強化することになる。これにより、金属板部分での破断を防止することができ、接合信頼性を向上させることができる。
ここで、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上とされているので、金属板の接合界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が5質量%以下とされているので、金属板の接合界面の強度が過剰に高くなることを防止でき、このパワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を金属板で吸収することが可能となり、セラミックス基板の割れ等を防止できる。
【0011】
ここで、前記セラミックス基板がAlN又はSi3N4で構成されており、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、酸素濃度が前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部が形成されており、該酸素高濃度部の厚さが4nm以下とされていてもよい。
この場合、AlN又はSi3N4からなるセラミックス基板とアルミニウムからなる金属板との接合界面に、酸素濃度が前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部が形成されているので、接合界面に存在する酸素によってAlN又はSi3N4からなるセラミックス基板とアルミニウムからなる金属板との接合強度が向上する。さらに、この酸素高濃度部の厚さが4nm以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって酸素高濃度部にクラックが発生することが抑制される。
なお、金属板中及びセラミックス基板中の酸素濃度とは、金属板及びセラミックス基板のうち接合界面から一定距離(例えば、5nm以上)離れた部分における酸素濃度である。
【0012】
また、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、前記添加元素の濃度が前記金属板中の前記添加元素の濃度の2倍以上とされた添加元素高濃度部が形成されていることが好ましい。
この場合、セラミックス基板と金属板との接合界面に、前記添加元素の濃度が前記金属板中の前記添加元素の濃度の2倍以上とされた添加元素高濃度部が形成されているので、界面近傍に存在する前記添加元素原子により、セラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることが可能となる。
なお、金属板中の前記添加元素の濃度とは、金属板のうち接合界面から一定距離(例えば、5nm以上)離れた部分における前記添加元素の濃度である。
【0013】
さらに、前記セラミックス基板がAlNで構成されており、前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、前記添加元素、O、Nの質量比が、Al:添加元素:O:N=50〜90質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることが好ましい。
あるいは、前記セラミックス基板がSi3N4で構成されており、前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Si、前記添加元素、O、Nの質量比が、Al:Si:添加元素:O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることが好ましい。
また、前記セラミックス基板がAl2O3で構成されており、前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、前記添加元素、Oの質量比が、Al:添加元素:O=50〜90質量%:1〜30質量%:45質量%以下とされていることが好ましい。
【0014】
接合界面に存在する前記添加元素原子の質量比が30質量%を超えると、Alと添加元素との反応物が過剰に生成されることになり、この反応物が接合を阻害するおそれがある。また、この反応物によって金属板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、熱サイクル負荷時にセラミックス基板に応力が作用し、セラミックス基板が割れてしまうおそれがある。一方、前記添加元素原子の質量比が1質量%未満であると、添加元素原子による接合強度の向上を充分に図ることができなくなるおそれがある。よって、接合界面における添加元素原子の質量比は、1〜30質量%の範囲内とすることが好ましい。
【0015】
ここで、エネルギー分散型X線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記接合界面の複数点(例えば、10〜100点)で測定し、その平均値を算出することになる。また、測定する際には、金属板の結晶粒界とセラミックス基板との接合界面は測定対象とせず、結晶粒とセラミックス基板との接合界面のみを測定対象とする。
なお、本明細書中におけるエネルギー分散型X線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡JEM−2010Fに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光X線元素分析装置NORAN System7を用いて加速電圧200kVで行った。
【0016】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前述のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えたことを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクを備えているので、パワーモジュール用基板で発生した熱をヒートシンクによって効率的に冷却することができる。
【0017】
ここで、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、前記セラミックス基板の一方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第一の金属板が接合され、前記セラミックス基板の他方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第二の金属板が接合されており、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合面とは反対側の面に、前記ヒートシンクが接合されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
【0018】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに、それぞれZn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶しているので、第二の金属板及びヒートシンクのそれぞれの接合界面側部分が固溶強化することになる。
そして、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が5質量%以下とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面の強度が過剰に高くなることを防止でき、熱歪みを前記第二の金属板で吸収することができる。
【0019】
また、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第二の金属板の厚さが、前記第一の金属板の厚さよりも厚くなるように設定されていることが好ましい。
この場合、ヒートシンクが設けられている側の剛性を、その反対側の剛性と比較して高くすることができ、これによりヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを抑えることができる。
【0020】
さらに、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることが好ましい。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みをこの第二の金属板で十分に緩和することができ、セラミックス基板での割れの発生を抑制することができる。
【0021】
本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との接合強度が高く、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【0022】
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、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記添加元素を、0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下の範囲内で介在させ、前記加熱工程において、前記添加元素を前記金属板に向けて拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴としている。
【0023】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程を備えているので、前記金属板と前記セラミックス基板の接合界面には、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が介在することになる。ここで、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温な条件においても、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
【0024】
また、加熱工程において、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を前記金属板に向けて拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記金属板と前記セラミックス基板を接合する構成としているので、ろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、金属板とセラミックス基板とが確実に接合されたパワーモジュール用基板を製造することができる。
【0025】
このように、ろう材箔を使用せずに、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合可能であることから、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、例えば、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する場合であっても、位置ズレ等によるトラブルを未然に防止することができる。
【0026】
また、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在される前記添加元素の固着量を0.01mg/cm2以上としているので、セラミックス基板と金属板との界面に、溶融金属領域を確実に形成することができ、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
さらに、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在される前記添加元素の固着量を10mg/cm2以下としているので、固着層にクラックが発生することを防止することができ、セラミックス基板と金属板との界面に溶融金属領域を確実に形成することができる。さらに、前記添加元素が過剰に金属板に向けて拡散して界面近傍の金属板の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を金属板で吸収することができ、セラミックス基板の割れ等を防止できる。
【0027】
さらに、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記添加元素を、0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下の範囲内で介在させているので、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上5質量%以下の範囲内とされたパワーモジュール用基板を製造することができる。
【0028】
しかも、金属板及びセラミックス基板に直接固着層を形成しているので、酸化被膜は、金属板の表面にのみ形成されることになる。すると、両面に酸化被膜が形成されたろう材箔を用いた場合に比べて、金属板及びセラミックス基板の界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるため、初期接合の歩留りを向上させることができる。
【0029】
なお、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に直接、前記添加元素を固着させる構成としているが、生産性の観点から、金属板の接合面に前記添加元素を固着させることが好ましい。
また、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、前記添加元素をそれぞれ単独で固着して複数の添加元素層を形成してもよい。
【0030】
ここで、前記固着工程では、前記添加元素とともにAlを固着させる構成とすることが好ましい。
この場合、前記添加元素とともにAlを固着させているので、形成される固着層がAlを含有することになり、加熱工程において、この固着層が優先的に溶融して溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することができる。また、Mg,Ca,Liなどの酸化活性元素の酸化を防止することができる。なお、前記添加元素とともにAlを固着させるには、前記添加元素とAlとを同時に蒸着してもよいし、前記添加元素とAlの合金をターゲットとして用いてスパッタリングを行ってもよい。また、Alと添加元素を積層してもよい。
【0031】
また、前記固着工程は、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に前記添加元素を固着させるものとすることが好ましい。
この場合、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、前記添加元素が前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に確実に固着されるので、セラミックス基板と金属板との接合界面に前記添加元素を確実に介在させることが可能となる。また、前記添加元素の固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域を確実に形成して、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
なお、前記添加元素を含むペーストを用いる場合には、大気で加熱した際の金属板の酸化を防止するために、セラミックス基板側に塗布することが好ましい。また、前記添加元素を含むペーストを塗布した状態で前記セラミックス基板と前記金属板と積層しておき、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱する際に、前記添加元素を含むペーストの焼成を行う構成としてもよい。
【0032】
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、セラミックス基板の一方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第一の金属板が接合され、前記セラミックス基板の他方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第二の金属板が接合されており、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合面とは反対側の面に、前記ヒートシンクが接合されてな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、前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、前記第二の金属板の一面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、前記ヒートシンク接合工程は、前記第二の金属板の接合面及び前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着して添加元素層を形成する添加元素層形成工程と、前記添加元素層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有し、前記ヒートシンク加熱工程において、前記添加元素層の添加元素を前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに向けて拡散させることにより、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴としている。
【0033】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、第二の金属板とヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程が、前記第二の金属板の接合面及び前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着して添加元素層を形成する添加元素層形成工程を備えているので、第二の金属板とヒートシンクとの接合界面には、添加元素が介在することになる。この添加元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、ヒートシンクと第二の金属板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。
【0034】
また、添加元素層内の添加元素を前記第二の金属板及びヒートシンクに向けて拡散させることにより、前記ヒートシンクと前記第二の金属板との界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記第二の金属板と前記ヒートシンクを接合する構成としているので、製造が困難なAl−Si系のろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、第二の金属板とヒートシンクとが確実に接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。
さらに、ろう材箔を使用せずに、前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に、直接、添加元素を固着しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がない。
しかも、前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面に、直接、添加元素を固着した場合、酸化被膜は、第二の金属板及びヒートシンクの表面にのみ形成されることになり、第二の金属板及びヒートシンクの界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。
【0035】
ここで、前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことが好ましい。
この場合、前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことによって、接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができる。
【0036】
さらに、前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることが好ましい。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、この第二の金属板で十分に緩和することができ、セラミックス基板での割れの発生を抑制することができる。
【0037】
また、前記添加元素層形成工程は、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に、添加元素を固着させることが好ましい。
この場合、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、添加元素が前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に確実に固着されるので、ヒートシンクと第二の金属板との接合界面に添加元素を確実に介在させることが可能となる。また、添加元素の固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域を確実に形成して、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。
【0038】
さらに、前記添加元素層形成工程では、前記添加元素とともにAlを固着させることが好ましい。
この場合、前記添加元素とともにAlを固着させているので、形成される添加元素層がAlを含有することになり、ヒートシンク加熱工程において、この添加元素層が優先的に溶融して溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することができる。また、Mg,Ca,Liなどの酸化活性元素の酸化を防止することができる。なお、前記添加元素とともにAlを固着させるには、前記添加元素とAlとを同時に蒸着してもよいし、前記添加元素とAlの合金をターゲットとして用いてスパッタリングを行ってもよい。また、Alと添加元素を積層してもよい。
【発明の効果】
【0039】
本発明によれば、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高い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、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図2】本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層の添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図3】本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層(金属板)とセラミックス基板との接合界面の模式図である。
【図4】本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図5】本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図6】図5における金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。
【図7】本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図8】本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層の添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図9】本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層(金属板)とセラミックス基板との接合界面の模式図である。
【図10】本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図11】本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図12】本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図13】本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層の添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図14】本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層(金属板)とセラミックス基板との接合界面の模式図である。
【図15】本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図16】本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図17】本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図18】本発明の第4の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図19】本発明の第4の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンクの添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図20】本発明の第4の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図21】本発明の第4の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図22】図21における第二の金属板(金属層)とヒートシンクとの接合界面近傍を示す説明図である。
【図23】本発明の第5の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図24】本発明の第5の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図25】本発明の第5の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図26】本発明の第5の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図27】本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0041】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
まず、図1から図6を用いて、本発明の第1の実施形態である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及びパワーモジュール、並びに、パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
【0042】
図1に示すパワーモジュール1は、回路層12が配設されたパワーモジュール用基板10と、回路層12の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク4とを備えている。ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層12とはんだ層2との間にNiめっき層(図示なし)が設けられている。
【0043】
パワーモジュール用基板10は、セラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面(図1において上面)に配設された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)に配設された金属層13とを備えている。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。なお、本実施形態では、図1に示すように、セラミック基板11の幅(図1の左右方向長さ)は、回路層12及び金属層13の幅より広く設定されている。
【0044】
回路層12は、図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面に導電性を有する金属板22が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層12は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板22がセラミックス基板11に接合されることにより形成されている。
【0045】
金属層13は、図5に示すように、セラミックス基板11の他方の面に金属板23が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層13は、回路層12と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板23がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
【0046】
ヒートシンク4は、前述のパワーモジュール用基板10を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板10と接合される天板部5と、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路6と、を備えている。ヒートシンク4(天板部5)は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、A6063(アルミニウム合金)で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク4の天板部5と金属層13との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層15が設けられている。
【0047】
そして、図2に示すように、セラミックス基板11と回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)との接合界面30においては、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶している。
回路層12及び金属層13の接合界面30近傍には、接合界面30から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度が低下する濃度傾斜層33が形成されている。ここで、回路層12及び金属層13の接合界面30近傍の添加元素の濃度の合計が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
ここで、本実施形態では、Geを添加元素として用いており、回路層12及び金属層13の接合界面30近傍のGe濃度が0.01質量%以上5質量%以下に設定されている。
【0048】
なお、回路層12及び金属層13の接合界面30近傍の添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面30から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図2のグラフは、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の50μm位置での濃度を基準として求めたものである。
【0049】
また、セラミックス基板11と回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)との接合界面30を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図3に示すように、接合界面30に添加元素(Ge)が濃縮した添加元素高濃度部32が形成されている。この添加元素高濃度部32においては、添加元素の濃度(Ge濃度)が、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)中の添加元素の濃度(Ge濃度)の2倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部32の厚さHは4nm以下とされている。
さらに、この添加元素高濃度部32においては、酸素濃度が、セラミックス基板11中の酸素濃度よりも高く設定されている。
【0050】
なお、ここで観察する接合界面30は、図3に示すように、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)の格子像の界面側端部とセラミックス基板11の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。また、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)中の添加元素の濃度(Ge濃度)とは、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)のうち接合界面30から一定距離(本実施形態では、5nm以上)離れた部分における添加元素の濃度(Ge濃度)である。
また、セラミックス基板11中の酸素濃度とは、セラミックス基板11のうち接合界面30から一定距離(本実施形態では、5nm以上)離れた部分における結晶粒内の酸素濃度である。
【0051】
また、この接合界面30をエネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した際のAl、添加元素(Ge)、O、Nの質量比が、Al:添加元素(Ge):O:N=50〜90質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下の範囲内に設定されている。なお、EDSによる分析を行う際のスポット径は1〜4nmとされており、接合界面30を複数点(例えば、本実施形態では20点)で測定し、その平均値を算出している。また、回路層12及び金属層13を構成する金属板22、23の結晶粒界とセラミックス基板11との接合界面30は測定対象とせず、回路層12及び金属層13を構成する金属板22、23の結晶粒とセラミックス基板11との接合界面30のみを測定対象としている。
【0052】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板10の製造方法について、図4から図6を参照して説明する。
【0053】
(固着工程S01)
まず、図5及び図6に示すように、金属板22、23のそれぞれの接合面に、スパッタリングによって、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、固着層24、25を形成する。
ここで、本実施形態では、Geを添加元素として用いており、固着層24、25における添加元素量(Ge量)は0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下に設定されている。
【0054】
(積層工程S02)
次に、図5に示すように、金属板22をセラミックス基板11の一方の面側に積層し、かつ、金属板23をセラミックス基板11の他方の面側に積層する。このとき、図5及び図6に示すように、金属板22、23のうち固着層24、25が形成された面がセラミックス基板11を向くように積層する。すなわち、金属板22、23とセラミックス基板11との間にそれぞれ固着層24、25(添加元素:Ge)を介在させているのである。このようにして積層体20を形成する。
【0055】
(加熱工程S03)
次に、積層工程S02において形成された積層体20を、その積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、図6に示すように、金属板22、23とセラミックス基板11との界面にそれぞれ溶融金属領域26、27を形成する。この溶融金属領域26、27は、図6に示すように、固着層24、25の添加元素(Ge)が金属板22、23に向けて拡散することによって、金属板22、23の固着層24、25近傍の添加元素の濃度(Ge濃度)が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。なお、上述の圧力が1kgf/cm2未満の場合には、セラミックス基板11と金属板22、23との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が35kgf/cm2を超えた場合には、金属板22,23が変形するおそれがある。よって、上述の加圧圧力は、1〜35kgf/cm2の範囲内とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−3〜10−6Paの範囲内に、加熱温度は550℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
【0056】
(凝固工程S04)
次に、溶融金属領域26、27が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域26、27中の添加元素(Ge)が、さらに金属板22、23に向けて拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域26、27であった部分の添加元素の濃度(Ge濃度)が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板11と金属板22、23とは、いわゆる拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【0057】
このようにして、回路層12及び金属層13となる金属板22、23とセラミックス基板11とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板10が製造される。
【0058】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板10、パワーモジュール1及びパワーモジュール用基板の製造方法においては、金属板22、23の接合面に添加元素(Ge)を固着させる固着工程S01を備えているので、金属板22、23とセラミックス基板11の接合界面30には、添加元素(Ge)が介在することになる。ここで、Geは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において金属板22,23とセラミックス基板11との界面に溶融金属領域26,27を形成することができる。
【0059】
さらに、セラミックス基板11と回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)とが、金属板22、23の接合面に形成された前記添加元素(Ge)を含有する固着層24、25の前記添加元素(Ge)を金属板22、23に向けて拡散させることによって溶融金属領域26、27を形成し、この溶融金属領域26、27中の添加元素(Ge)を金属板22、23へ拡散させることによって凝固させることによって接合されているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板11と金属板22、23とを強固に接合することが可能となる。
【0060】
また、セラミックス基板11と回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)との接合界面30においては、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)に前記添加元素が固溶しており、回路層12及び金属層13のそれぞれの接合界面30側の前記添加元素の濃度の合計が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、Geを添加元素として用いており、回路層12及び金属層13の接合界面30近傍のGe濃度が0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されているので、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)の接合界面30側の部分が固溶強化し、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)における亀裂の発生を防止することができる。
また、加熱工程S03において前記添加元素(Ge)が十分に金属板22、23に向けて拡散しており、金属板22、23とセラミックス基板11とが強固に接合されていることになる。
【0061】
また、本実施形態では、セラミックス基板11がAlNで構成されており、回路層12及び金属層13となる金属板22、23とセラミックス基板11との接合界面30に、添加元素(Ge)が濃縮した添加元素高濃度部32が形成されており、この添加元素高濃度部32の添加元素の濃度(Ge濃度)が、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)中の添加元素の濃度(Ge濃度)の2倍以上とされているので、界面近傍に存在する添加元素原子(Ge原子)により、セラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることが可能となる。また、この添加元素高濃度部32の厚さが4nm以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって添加元素高濃度部32にクラックが発生することが抑制される。
【0062】
さらに、本実施形態では、接合界面30をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、添加元素(Ge)、O、Nの質量比が、Al:添加元素(Ge):O:N=50〜90質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされているので、接合界面30に、添加元素が過剰に存在して接合を阻害することを防止できるとともに、添加元素原子(Ge原子)による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。また、接合界面30に酸素濃度の高い部分が厚く存在することが防止され、熱サイクルを負荷した際のクラックの発生を抑制することができる。
【0063】
また、金属板の接合面に添加元素(Ge)を固着させて固着層24、25を形成する固着工程S01を備えており、加熱工程S03において、固着層24、25の添加元素(Ge)を金属板22、23に向けて拡散させることにより、セラミックス基板11と金属板22、23との界面に溶融金属領域26、27を形成する構成としているので、製造が困難なAl−Si系のろう材箔を用いる必要がなく、低コストで、金属板22、23とセラミックス基板11とが確実に接合されたパワーモジュール用基板10を製造することができる。
【0064】
また、本実施形態では、固着工程S01において、セラミックス基板11と金属板22、23との界面に介在されるGe量を0.01mg/cm2以上としているので、セラミックス基板11と金属板22、23との界面に、溶融金属領域26、27を確実に形成することができ、セラミックス基板11と金属板22、23とを強固に接合することが可能となる。
【0065】
さらに、セラミックス基板11と金属板22、23との界面に介在されるGe量を10mg/cm2以下としているので、固着層24、25にクラックが発生することを防止することができ、セラミックス基板11と金属板22,23との界面に溶融金属領域26,27を確実に形成することができる。さらに、添加元素(Ge)が過剰に金属板22,23に向けて拡散して界面近傍の金属板22,23の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板10に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を回路層12、金属層13(金属板22,23)で吸収することができ、セラミックス基板11の割れ等を防止できる。
【0066】
また、ろう材箔を使用せずに、金属板22、23の接合面に直接固着層24、25を形成しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実にセラミックス基板11と金属板22,23とを接合することができる。よって、このパワーモジュール用基板10を効率良く製出することが可能となる。
しかも、金属板22、23の接合面に固着層24、25を形成しているので、金属板22、23とセラミックス基板11との界面に介在する酸化被膜は、金属板22、23の表面にのみ存在することになるため、初期接合の歩留りを向上させることができる。
【0067】
次に、本発明の第2の実施形態である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及びパワーモジュール、並びに、パワーモジュール用基板の製造方法について、図7から図11を参照して説明する。
【0068】
図7に示すパワーモジュール101は、回路層112が配設されたパワーモジュール用基板110と、回路層112の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク140とを備えている。ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層112とはんだ層2との間にNiめっき層(図示なし)が設けられている。
【0069】
パワーモジュール用基板110は、セラミックス基板111と、このセラミックス基板111の一方の面(図7において上面)に配設された回路層112と、セラミックス基板111の他方の面(図7において下面)に配設された金属層113とを備えている。
セラミックス基板111は、回路層112と金属層113との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いAl2O3(アルミナ)で構成されている。また、セラミックス基板111の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
【0070】
回路層112は、セラミックス基板111の一方の面に導電性を有する金属板122が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層112は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板122がセラミックス基板111に接合されることにより形成されている。
金属層113は、セラミックス基板111の他方の面に金属板123が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層113は、回路層112と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板123がセラミックス基板111に接合されることで形成されている。
【0071】
ヒートシンク140は、前述のパワーモジュール用基板110を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板110と接合される天板部141と、冷却媒体が流通する流路142と、を備えている。ヒートシンク140(天板部141)は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、A6063(アルミニウム合金)で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク140の天板部141と金属層113との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層115が設けられている。
【0072】
そして、図8に示すように、セラミックス基板111と回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)との接合界面130においては、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶している。
詳述すると、回路層112及び金属層113の接合界面130近傍には、接合界面130から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素濃度が低下する濃度傾斜層133が形成されている。ここで、回路層112及び金属層113の接合界面130近傍の添加元素濃度が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
ここで、本実施形態では、Mgを添加元素として用いており、回路層112及び金属層113の接合界面130近傍のMg濃度が0.01質量%以上5質量%以下に設定されている。
【0073】
なお、回路層112及び金属層113の接合界面130近傍の添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面130から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図8のグラフは、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の50μm位置での濃度を基準として求めたものである。
【0074】
また、セラミックス基板111と回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)との接合界面130を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図9に示すように、接合界面130に添加元素(Mg)が濃縮した添加元素高濃度部132が形成されている。この添加元素高濃度部132においては、添加元素の濃度(Mg濃度)が、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)中の添加元素の濃度(Mg濃度)の2倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部132の厚さHは4nm以下とされている。
【0075】
なお、ここで観察する接合界面130は、図9に示すように、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)の格子像の界面側端部とセラミックス基板111の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。また、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)中の添加元素の濃度(Mg濃度)は、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)のうち接合界面130から一定距離(本実施形態では5nm)離れた部分における添加元素の濃度(Mg濃度)である。
【0076】
また、この接合界面130をエネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した際のAl、添加元素(Mg)、Oの質量比が、Al:添加元素(Mg):O=50〜90質量%:1〜30質量%:45質量%以下の範囲内に設定されている。なお、EDSによる分析を行う際のスポット径は1〜4nmとされており、接合界面130を複数点(例えば、本実施形態では20点)で測定し、その平均値を算出している。また、回路層112及び金属層113を構成する金属板122、123の結晶粒界とセラミックス基板111との接合界面130は測定対象とせず、回路層112及び金属層113を構成する金属板122、123の結晶粒とセラミックス基板111との接合界面130のみを測定対象としている。
【0077】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板の製造方法について、図10から図11を参照して説明する。
【0078】
(固着工程S101)
まず、図11に示すように、セラミックス基板111の一方の面及び他方の面に、蒸着によってZn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、固着層124、125を形成する。
ここで、本実施形態では、Mgを添加元素として用いており、固着層124、125における添加元素量(Mg量)は0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下に設定されている。
【0079】
(積層工程S102)
次に、金属板122をセラミックス基板111の一方の面側に積層し、かつ、金属板123をセラミックス基板111の他方の面側に積層する。
【0080】
(加熱工程S103)
次に、金属板122、セラミックス基板111、金属板123を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。このとき、固着層124、125のMgが金属板122、123に向けて拡散し、金属板122、123とセラミックス基板111との界面に溶融金属領域が形成される。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
【0081】
(凝固工程S104)
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておき、溶融金属領域中の添加元素(Mg)を、さらに金属板122、123に向けて拡散させる。すると、溶融金属領域であった部分の添加元素濃度(Mg濃度)が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板111と金属板122、123とは、いわゆる拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。このように凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
このようにして、パワーモジュール用基板110が製出される。
【0082】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板110及びパワーモジュール101、パワーモジュール用基板の製造方法においては、セラミックス基板111と回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)とが、セラミックス基板111の一方の面及び他方の面に形成された固着層124、125のMgを金属板122、123に向けて拡散させることによって溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域中のMgを金属板122、123へさらに拡散させて凝固させることにより接合されているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板111と金属板122、123とを強固に接合することが可能となる。
【0083】
また、セラミックス基板111と回路層112及び金属層113との接合界面130においては、回路層112及び金属層113に添加元素(Mg)が固溶しており、回路層112及び金属層113のそれぞれの接合界面130側の添加元素濃度(Mg濃度)が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されているので、回路層112及び金属層113の接合界面130側部分が固溶強化し、回路層112及び金属層113における亀裂の発生を防止することができる。
【0084】
また、本実施形態では、セラミックス基板111がAl2O3で構成されており、回路層112及び金属層113となる金属板122、123とセラミックス基板111との接合界面130に、添加元素(Mg)が濃縮した添加元素高濃度部132が形成されており、この添加元素高濃度部132の添加元素濃度(Mg濃度)が、回路層112及び金属層113中の添加元素濃度(Mg濃度)の2倍以上とされているので、界面近傍に存在する添加元素原子(Mg原子)により、セラミックス基板111と金属板122、123との接合強度の向上を図ることが可能となる。また、この添加元素高濃度部132の厚さが4nm以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって添加元素高濃度部132にクラックが発生することが抑制される。
【0085】
さらに、本実施形態では、接合界面130をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、添加元素(Mg)、Oの質量比が、Al:添加元素(Mg):O=50〜90質量%:1〜30質量%:45質量%以下とされているので、接合界面130に、Alと添加元素(Mg)との反応物が過剰に生成して接合を阻害することを防止できるとともに、添加元素原子(Mg原子)による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。
【0086】
次に、本発明の第3の実施形態である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及びパワーモジュール、並びに、パワーモジュール用基板の製造方法について、図12から図17を参照して説明する。
【0087】
図12に示すパワーモジュール201は、回路層212が配設されたパワーモジュール用基板210と、回路層212の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク240とを備えている。ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層212とはんだ層2との間にNiめっき層(図示なし)が設けられている。
【0088】
パワーモジュール用基板210は、セラミックス基板211と、このセラミックス基板211の一方の面(図12において上面)に配設された回路層212と、セラミックス基板211の他方の面(図12において下面)に配設された金属層213とを備えている。
セラミックス基板211は、回路層212と金属層213との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いSi3N4(窒化珪素)で構成されている。また、セラミックス基板211の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.32mmに設定されている。
【0089】
回路層212は、セラミックス基板211の一方の面に導電性を有する金属板222が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層212は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板222がセラミックス基板211に接合されることにより形成されている。
金属層213は、セラミックス基板211の他方の面に金属板223が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層213は、回路層212と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板223がセラミックス基板211に接合されることで形成されている。
【0090】
ヒートシンク240は、前述のパワーモジュール用基板210を冷却するためのものである。本実施形態におけるヒートシンク240は、パワーモジュール用基板210と接合される天板部241と、この天板部241に対向するように配置された底板部245と、天板部241と底板部245との間に介装されたコルゲートフィン246と、を備えており、天板部241と底板部245とコルゲートフィン246とによって、冷却媒体が流通する流路242が画成されている。
【0091】
ここで、このヒートシンク240は、天板部241とコルゲートフィン246、コルゲートフィン246と底板部245が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図17に示すように、天板部241及び底板部245は、基材層241A、245Aと、基材層241A、245Aよりも融点の低い材料からなる接合層241B、245Bが積層された積層アルミ板で構成されており、接合層241B、245Bがコルゲートフィン246側を向くように、天板部241及び底板部245が配設されている。つまり、天板部241の基材層241Aが金属層213に接する構成とされているのである。
なお、本実施形態では、基材層241A,245AがA3003合金で構成されており、接合層241B、245BがA4045合金で構成されている。
【0092】
そして、図13に示すように、セラミックス基板211と回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)との接合界面230においては、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶している。
詳述すると、回路層212及び金属層213の接合界面230近傍には、接合界面230から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素濃度が低下する濃度傾斜層233が形成されている。ここで、回路層212及び金属層213の接合界面230近傍の添加元素濃度が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
ここで、本実施形態では、Znを添加元素として用いており、回路層212及び金属層213の接合界面230近傍のZn濃度が0.01質量%以上5質量%以下に設定されている。
【0093】
なお、回路層212及び金属層213の接合界面230近傍の添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面230から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図13のグラフは、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の50μm位置での濃度を基準として求めたものである。
【0094】
また、セラミックス基板211と回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)との接合界面230を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図14に示すように、接合界面230に添加元素(Zn)が濃縮した添加元素高濃度部232が形成されている。この添加元素高濃度部232においては、添加元素濃度(Zn濃度)が、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)中の添加元素濃度(Zn濃度)の2倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部232の厚さHは4nm以下とされている。
さらに、この添加元素高濃度部232においては、酸素濃度が、セラミックス基板211中の酸素濃度よりも高く設定されている。
【0095】
なお、ここで観察する接合界面230は、図14に示すように、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)の格子像の界面側端部とセラミックス基板211の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。また、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)中の添加元素濃度(Zn濃度)は、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)のうち接合界面230から一定距離(本実施形態では5nm)離れた部分における添加元素濃度(Zn濃度)である。
また、セラミックス基板211中の酸素濃度とは、セラミックス基板211のうち接合界面230から一定距離(本実施形態では5nm)離れた部分における結晶粒内の酸素濃度である。
【0096】
また、この接合界面230をエネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した際のAl、Si、添加元素(Zn)、O、Nの質量比が、Al:Si:添加元素(Zn):O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下の範囲内に設定されている。なお、EDSによる分析を行う際のスポット径は1〜4nmとされており、接合界面230を複数点(例えば、本実施形態では20点)で測定し、その平均値を算出している。また、回路層212及び金属層213を構成する金属板222、223の結晶粒界とセラミックス基板211との接合界面230は測定対象とせず、回路層212及び金属層213を構成する金属板222、223の結晶粒とセラミックス基板211との接合界面230のみを測定対象としている。
【0097】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図15から図17を参照して説明する。
【0098】
(めっき工程S201)
まず、図16に示すように、金属板222、223の表面に、添加元素(Zn)を含むめっき層224、225をそれぞれ形成する。なお、このめっき層224、225の厚さは、1μm〜5μmの範囲内に設定されている。本実施形態では、このめっき層224、225が添加元素の固着層となる。
【0099】
(積層工程S202)
次に、金属板222をセラミックス基板211の一方の面側に積層し、かつ、金属板223をセラミックス基板211の他方の面側に積層する。このとき、めっき層224、225がそれぞれセラミックス基板211側に向くように、金属板222、223を配置する。
【0100】
(加熱工程S203)
次に、金属板222、セラミックス基板211、金属板223を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、めっき層224、225の添加元素(Zn)を金属板222,223に向けて拡散させることにより、金属板222、223とセラミックス基板211との界面に溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
【0101】
(凝固工程S204)
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておき、溶融金属領域中の添加元素(Zn)を、さらに金属板222、223に向けて拡散させる。すると、溶融金属領域であった部分の添加元素の濃度(Zn濃度)が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板211と金属板222、223とは、いわゆる拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。このように凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
このようにして、パワーモジュール用基板210が製出される。
【0102】
(ヒートシンク積層工程S205)
次に、パワーモジュール用基板210の金属層213の他方の面側に、ヒートシンク240を構成する天板部241、コルゲートフィン246、底板部245を積層する。このとき、金属層213と天板部241との間に添加元素(Zn)を含む固着層226を介在させる。本実施形態では、固着層226は、金属層213の他方の面にスパッタやめっきを施すことで形成されている。
また、天板部241の接合層241B及び底板部245の接合層245Bがコルゲートフィン246側を向くように、天板部241及び底板部245を積層する。
【0103】
(ヒートシンク加熱工程S206)
次に、積層されたパワーモジュール用基板210、天板部241、コルゲートフィン246及び底板部245を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、固着層226の添加元素(Zn)を金属層213及び天板部241に向けて拡散させることにより、金属層213とヒートシンク240の天板部241との間に溶融金属領域を形成する。同時に、天板部241とコルゲートフィン246、底板部245とコルゲートフィン246との間にも、接合層241B、245Bを溶融させて溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は550℃以上630℃以下の範囲内に設定している。
【0104】
(溶融金属凝固工程S207)
そして、冷却することにより、金属層213とヒートシンク240の天板部241との間に溶融金属領域、天板部241とコルゲートフィン246、底板部245とコルゲートフィン246の間に形成された溶融金属領域を凝固させることによって、金属層213と天板部241、天板部241とコルゲートフィン246、底板部245とコルゲートフィン246とが接合されることになる。
【0105】
このようにして、天板部241とコルゲートフィン246と底板部245とがろう付けされてヒートシンク240が形成されるとともに、このヒートシンク240とパワーモジュール用基板210とが接合されてヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造されることになる。
【0106】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板210及びパワーモジュール201においては、セラミックス基板211と回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)とが、金属板222、223に形成されためっき層224、225の添加元素(Zn)を金属板222、223に向けて拡散させることによって溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域中の添加元素(Zn)を金属板222、223へさらに拡散させて凝固させることにより接合されているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板211と金属板222、223とを強固に接合することが可能となる。
【0107】
また、本実施形態では、セラミックス基板211がSi3N4で構成されており、回路層212及び金属層213となる金属板222、223とセラミックス基板211との接合界面230に、添加元素(Zn)が濃縮した添加元素高濃度部232が形成されており、この添加元素高濃度部232の添加元素濃度(Zn濃度)が、回路層212及び金属層213中の添加元素濃度(Zn濃度)の2倍以上とされているので、界面近傍に存在する添加元素原子(Zn原子)により、セラミックス基板211と金属板222、223との接合強度の向上を図ることが可能となる。また、この添加元素高濃度部232の厚さが4nm以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって添加元素高濃度部232にクラックが発生することが抑制される。
【0108】
さらに、本実施形態では、接合界面230をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Si、添加元素(Zn)、O、Nの質量比が、Al:Si:添加元素(Zn):O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされているので、接合界面230に、Alと添加元素(Zn)との反応物が過剰に生成して接合を阻害することを防止できるとともに、添加元素原子(Zn原子)による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。また、接合界面230に酸素濃度の高い部分が厚く存在することが防止され、熱サイクルを負荷した際のクラックの発生を抑制することができる。
【0109】
また、本実施形態では、金属板222、223に形成しためっき層224、225を固着層としているので、セラミックス基板211と金属板222、223との間に添加元素(Zn)を確実に介在させることができる。
【0110】
次に、本発明の第4の実施形態について、図18から図22を参照して説明する。
図18に示すパワーモジュール301は、回路層312が配設されたパワーモジュール用基板310と、回路層312の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク340とを備えている。ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層312とはんだ層2との間にNiメッキ層(図示なし)が設けられている。
【0111】
パワーモジュール用基板310は、セラミックス基板311と、このセラミックス基板311の一方の面(図18において上面)に配設された回路層312と、セラミックス基板311の他方の面(図18において下面)に配設された金属層313とを備えている。
セラミックス基板311は、回路層312と金属層313との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板311の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
【0112】
回路層312は、セラミックス基板311の一方の面に導電性を有する第一の金属板322が接合されることにより形成されている。
金属層313は、セラミックス基板311の他方の面に第二の金属板323が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、第一の金属板322及び第二の金属板323は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板とされている。
【0113】
ヒートシンク340は、前述のパワーモジュール用基板310を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板310と接合される天板部341と、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路342と、を備えている。ヒートシンク340(天板部341)は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、A6063(アルミニウム合金)で構成されている。
【0114】
そして、図19に示すように、金属層313(第二の金属板323)とヒートシンク340との接合界面330においては、金属層313(第二の金属板323)及びヒートシンク340に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶している。
詳述すると、金属層313とヒートシンク340との接合界面330近傍には、接合界面330から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素濃度が低下する濃度傾斜層333、334が形成されている。そして、金属層313とヒートシンク340との接合界面330近傍の添加元素濃度が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
【0115】
ここで、本実施形態では、Geを添加元素として用いており、金属層313とヒートシンク340との接合界面330近傍のGe濃度が0.01質量%以上5質量%以下に設定されている。
なお、金属層313とヒートシンク340との接合界面330近傍の添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面330から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図19のグラフは、金属層313(金属板323)及びヒートシンク340(天板部341)の幅中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の50μm位置での濃度を基準として求めたものである。
【0116】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図20から図22を参照して説明する。
【0117】
(添加元素層形成工程S301/固着工程S311)
まず、図21に示すように、回路層312となる第一の金属板322の一面に、スパッタリングによって添加元素であるGeを固着して第1Ge層324を形成するとともに、金属層313となる第二の金属板323の一面に、スパッタリングによってGeを固着して第2Ge層325を形成する(固着工程S311)。
また、金属層313となる第二の金属板323の他面に、スパッタリングによって添加元素であるGeを固着してGe層326を形成する(添加元素層形成工程S301)。
ここで、本実施形態では、第1Ge層324、第2Ge層325及びGe層326におけるGe量は、0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下に設定されている。
【0118】
(ヒートシンク積層工程S302/セラミックス基板積層工程S312)
次に、図21に示すように、第一の金属板322をセラミックス基板311の一方の面側に積層し、かつ、第二の金属板323をセラミックス基板311の他方の面側に積層する(セラミックス基板積層工程S312)。このとき、図21に示すように、第一の金属板322の第1Ge層324、第二の金属板323の第2Ge層325が形成された面がセラミックス基板311を向くように、第一の金属板322及び第二の金属板323を積層する。
さらに、第二の金属板323の他方の面側に、ヒートシンク340を積層する(ヒートシンク積層工程S302)。このとき、図21に示すように、第二の金属板323のGe層326が形成された面がヒートシンク340を向くように、第二の金属板323とヒートシンク340とを積層する。
すなわち、第一の金属板322とセラミックス基板311との間に第1Ge層324を介在させ、第二の金属板323とセラミックス基板311との間に第2Ge層325を介在させ、第二の金属板323とヒートシンク340との間にGe層326を介在させているのである。
【0119】
(ヒートシンク加熱工程S303/セラミックス基板加熱工程S313)
次に、第一の金属板322、セラミックス基板311、第二の金属板323、ヒートシンク340を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。第1Ge層324のGeが第一の金属板322に向けて拡散されることにより、第一の金属板322とセラミックス基板311との界面に第一溶融金属領域327を形成する。また、第2Ge層325のGeが第二の金属板323に向けて拡散されることにより、第二の金属板323とセラミックス基板311との界面に第二溶融金属領域328を形成する(セラミックス基板加熱工程S313)。
また、同時に、第二の金属板323とヒートシンク340との間に溶融金属領域329を形成する(ヒートシンク加熱工程S303)。溶融金属領域329は、図22に示すように、Ge層326のGeが第二の金属板323及びヒートシンク340に向けて拡散することによって、第二の金属板323及びヒートシンク340のGe層326近傍のGe濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
【0120】
(溶融金属凝固工程S304/第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程S314)
次に、溶融金属領域329が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域329中のGeが、さらに第二の金属板323及びヒートシンク340に向けて拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域329であった部分のGe濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、ヒートシンク340と第二の金属板323とは、いわゆる拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。
【0121】
同様に、第一溶融金属領域327中のGeが、さらに第一の金属板322に向かって拡散していく。また、第二溶融金属領域328中のGeが、さらに第二の金属板323に向かって拡散していく。これにより、第一溶融金属領域327、第二溶融金属領域328であった部分のGe濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。これにより、セラミックス基板311と第一の金属板322、セラミックス基板311と第二の金属板323が接合される。つまり、セラミックス基板311と第一の金属板322及び第二の金属板323とは、いわゆる拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【0122】
以上のようにして、回路層312となる第一の金属板322とセラミックス基板311とが接合され、金属層313となる第二の金属板323とセラミックス基板311とが接合され、かつ、第二の金属板323とヒートシンク340とが接合され、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【0123】
以上のような構成とされた本実施形態においては、金属層313となる第二の金属板323とヒートシンク340との間にGe層326を形成するGe層形成工程S301を備えているので、第二の金属板323とヒートシンク340との接合界面330には、Geが介在することになる。このGeは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、ヒートシンク340と第二の金属板323との界面に溶融金属領域329を形成することができる。よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンク340と第二の金属板323とを強固に接合することが可能となる。
【0124】
また、本実施形態では、第一の金属板322とセラミックス基板311の接合面及び第二の金属板323とセラミックス基板311の接合面に、Geを固着させる固着工程S311を備えているので、第一の金属板322とセラミックス基板311の接合界面、第二の金属板323とセラミックス基板311の接合界面にもGeが介在することになり、セラミックス基板311と第一の金属板322、セラミックス基板311と第二の金属板323を強固に接合することが可能となる。
【0125】
さらに、ヒートシンク加熱工程S303において、第二の金属板323の接合面に形成されたGe層326のGeを第二の金属板323及びヒートシンク340に向けて拡散させることによって溶融金属領域329を形成し、溶融金属凝固工程S304において、溶融金属領域329中のGeをさらに第二の金属板323及びヒートシンク340に向けて拡散させることによって凝固させて、ヒートシンク340と第二の金属板323(金属層313)とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンク340と第二の金属板323とを強固に接合することが可能となる。
【0126】
また、本実施形態では、セラミックス基板311と第一の金属板322(回路層312)及び第二の金属板323(金属層313)についても、セラミックス基板加熱工程S313において、第一の金属板322、第二の金属板323の接合面に形成された第1Ge層324、第2Ge層325のGeを第一の金属板322、第二の金属板323に向けて拡散させることによって第一溶融金属領域327、第二溶融金属領域328を形成し、第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程S314において、第一溶融金属領域327、第二溶融金属領域328中のGeをさらに第一の金属板322、第二の金属板323に向けて拡散させることによって凝固させて、セラミックス基板311と第一の金属板322(回路層312)及び第二の金属板323(金属層313)とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板311と第一の金属板322(回路層312)及び第二の金属板323(金属層313)とを強固に接合することが可能となる。
【0127】
さらに、ヒートシンク340と第二の金属板323との接合、及び、セラミックス基板311と第一の金属板322及び第二の金属板323との接合に、ろう材箔を使用していないので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実に、ヒートシンク340と第二の金属板323、セラミックス基板311と第一の金属板322及び第二の金属板323、をそれぞれ接合することができる。よって、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を、低コストで効率良く製出することが可能となる。
【0128】
また、本実施形態では、セラミックス基板311と第一の金属板322及び第二の金属板323との接合と、第二の金属板323とヒートシンク340との接合とを、同時に行う構成としているので、これらの接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、セラミックス基板311に対して繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができ、高品質なヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出することができる。
【0129】
さらに、Ge層形成工程S301は、スパッタリングによって第二の金属板323の接合面にGeを固着させてGe層326を形成する構成としているので、ヒートシンク340と第二の金属板323との間にGeを確実に介在させることが可能となる。また、Geの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域329を確実に形成して、ヒートシンク340と第二の金属板323とを強固に接合することが可能となる。
【0130】
また、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、ヒートシンク340と第二の金属板323(金属層313)との接合界面330において、第二の金属板323(金属層313)及びヒートシンク340に添加元素であるGeが固溶しており、第二の金属板323(金属層313)及びヒートシンク340のそれぞれの接合界面330側のGe濃度が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されているので、第二の金属板323(金属層313)及びヒートシンク340の接合界面330側の部分が固溶強化し、第二の金属板323(金属層313)及びヒートシンク340における亀裂の発生を防止することができる。よって、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。
【0131】
次に、本発明の第5の実施形態について、図23から図26を用いて説明する。
このパワーモジュール401は、回路層412が配設されたパワーモジュール用基板410と、回路層412の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク440とを備えている。
【0132】
パワーモジュール用基板410は、セラミックス基板411と、このセラミックス基板411の一方の面(図23において上面)に配設された回路層412と、セラミックス基板411の他方の面(図23において下面)に配設された金属層413とを備えている。 なお、セラミックス基板411は絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。
【0133】
回路層412は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる第一の金属板422がセラミックス基板411に接合されることにより形成されている。
金属層413は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる第二の金属板423がセラミックス基板411に接合されることで形成されている。
【0134】
ヒートシンク440は、前述のパワーモジュール用基板410を冷却するためのものである。本実施形態であるヒートシンク440は、パワーモジュール用基板410と接合される天板部441と、この天板部441に対向するように配置された底板部445と、天板部441と底板部445との間に介装されたコルゲートフィン446と、を備えており、天板部441と底板部445とコルゲートフィン446とによって、冷却媒体が流通する流路442が画成されている。
【0135】
ここで、このヒートシンク440は、天板部441とコルゲートフィン446、コルゲートフィン446と底板部445が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図26に示すように、底板部445は、基材層445Aと、基材層445Aよりも融点の低い材料からなる接合層445Bが積層された積層アルミ板で構成されている。なお、本実施形態では、基材層445AがA3003合金で構成されており、接合層445BがA4045合金で構成されている。
【0136】
そしてヒートシンク440の天板部441と第二の金属板423(金属層413)との接合界面においては、第二の金属板423(金属層413)及び天板部441に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶している。なお、本実施形態では、添加元素としてMgが固溶している。
また、第一の金属板422(回路層412)とセラミックス基板411との接合界面、及び、第一の金属板423(金属層413)とセラミックス基板411との接合界面においては、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態ではMgが固溶している。
【0137】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
【0138】
(固着層形成工程S401)
まず、図25に示すように、回路層412となる第一の金属板422の一面に、スパッタリングによってMgを固着して第1Mg層424を形成するとともに、金属層413となる第二の金属板423の一面に、スパッタリングによってMgを固着して第2Mg層425を形成する。さらに、第二の金属板423の他面にもスパッタリングによってMgを固着してMg層426を形成する。
ここで、本実施形態では、第1Mg層424、第2Mg層425、Mg層426におけるMg量は、は0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下に設定されている。
【0139】
(積層工程S402)
次に、図25に示すように、第一の金属板422をセラミックス基板411の一方の面側に積層し、かつ、第二の金属板423をセラミックス基板411の他方の面側に積層する。このとき、図25に示すように、第一の金属板422の第1Mg層424、第二の金属板423の第2Mg層425が形成された面がセラミックス基板411を向くように、第一の金属板422及び第二の金属板423を積層する。
さらに、第二の金属板423のMg層426が形成された面側に、天板部441を積層配置する。
【0140】
(加熱工程S403)
次に、第一の金属板422、セラミックス基板411、第二の金属板423、天板部441を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する。第1Mg層424のMgが第一の金属板422に向けて拡散することにより、第一の金属板422とセラミックス基板411との界面に第一溶融金属領域427を形成する。第2Mg層425のMgが第二の金属板423に向けて拡散することにより、第二の金属板423とセラミックス基板411との界面に第二溶融金属領域428を形成する。さらに、Mg層426のMgが第二の金属板423及び天板部441に向けて拡散することにより、第二の金属板423と天板部441との間に、溶融金属領域429を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
【0141】
(溶融金属凝固工程S404)
次に、第一溶融金属領域427、第二溶融金属領域428が形成された状態で温度を一定に保持しておく。第一溶融金属領域427中のMgが第一の金属板422に向けて拡散し、第二溶融金属領域428中のMgが、第二の金属板423に向けて拡散していくことになる。すると、第一溶融金属領域427、第二溶融金属領域428であった部分のMg濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、セラミックス基板411と第一の金属板422及び第二の金属板423とが接合される。
また、溶融金属領域429が形成された状態で温度を一定に保持しておく。溶融金属領域429中のMgが、第二の金属板423及び天板部441に向けて拡散していくことになる。すると、溶融金属領域429であった部分のMg濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、第二の金属板423と天板部441とが接合される。
【0142】
(フィン積層工程S405)
次に、図26に示すように、天板部441の他方の面側に、ろう材箔447(例えば、Al−10%Si合金箔等の低融点アルミニウム合金箔)、コルゲートフィン446、底板部445を積層する。このとき、底板部445の接合層445Bがコルゲートフィン446側を向くように底板部445を積層する。また、天板部441とコルゲートフィン446、底板部445とコルゲートフィン446との間には、例えば、KAlF4を主成分とするフラックス(図示なし)を介在させておく。
【0143】
(ろう付け工程S406)
次に、天板部441、コルゲートフィン446及び底板部445を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、天板部441とコルゲートフィン446、底板部445とコルゲートフィン446との間に、ろう材箔447及び接合層445Bを溶融させた溶融金属層を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は550℃以上630℃以下の範囲内に設定している。
そして、冷却することによって、天板部441とコルゲートフィン446、底板部445とコルゲートフィン446の間に形成された溶融金属層を凝固させ、天板部441とコルゲートフィン446、底板部445とコルゲートフィン446とをろう付けする。このとき、天板部441、コルゲートフィン446、底板部445の表面には、酸化被膜が形成されているが、前述のフラックスによってこれらの酸化被膜が除去されることになる。
【0144】
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【0145】
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付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の製造方法においては、ヒートシンク440の天板部441と第二の金属板423(金属層413)との間にMgを固着させ、このMgを拡散させることによって溶融金属領域429を形成し、さらに溶融金属領域429中のMgを拡散させて、ヒートシンク440の天板部441とパワーモジュール用基板410とを接合しているので、比較的低温条件においても、ヒートシンク440の天板部441とパワーモジュール用基板410とを確実に接合することが可能となる。
【0146】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層及び金属層を構成する金属板を純度99.99%の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度99%のアルミニウム(2Nアルミニウム)やアルミニウム合金であってもよい。
【0147】
また、添加元素として、Ge,Mg,Znを用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を用いても良い。
さらに、スパッタ、ペーストの塗布、めっきによって添加元素を固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、蒸着、CVD、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているインクの塗布によって、前記添加元素を固着させてもよい。
【0148】
また、固着工程において、添加元素とともにAlを固着させてもよい。特に、添加元素として、Mg,Ca,Liなどの酸化活性元素を用いる場合には、Alとともに固着させることによって、これらの元素の酸化を防止することが可能となる。
【0149】
さらに、ヒートシンクをアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はなく、種々の構成のヒートシンクを用いることができる。
また、本発明の第3の実施形態においては、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを同時に接合してもよい。
【0150】
さらに、図27に示すように、金属層513を、複数の金属板513A、513Bを積層した構造としてもよい。この場合、金属層513のうち一方側(図27において上側)に位置する金属板513Aがセラミックス基板511に接合され、他方側(図27において下側)に位置する金属板513Bがヒートシンク540の天板部541に接合されることになる。そして、他方側に位置する金属板513Bとヒートシンク540の天板部541との間に添加元素層を形成することで、他方側に位置する金属板513Bとヒートシンク540の天板部541とが接合されているのである。ここで、積層された金属板513A、513B同士を添加元素層を介して接合することで金属層513を構成してもよい。なお、図27では、2枚の金属板513A、513Bを積層させたものとしているが、積層する枚数に制限はない。また、積層する金属板同士の大きさ、形状が異なっていても良いし、同じ大きさ、形状に調整されたものであってもよい。さらに、これらの金属板の組成が異なっていても良い。
【実施例】
【0151】
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
厚さ0.635mmのAlNからなるセラミックス基板に、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる回路層と、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる金属層とを接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
ここで、回路層及び金属層となるアルミニウム板(4Nアルミニウム)の接合面に、添加元素を固着して固着層を形成し、金属板とセラミックス基板とを積層して加圧加熱(温度:650℃、圧力:4kgf/cm2、時間:30分)し、金属板とセラミックス基板とを接合した。
【0152】
そして、固着する添加元素を変更した種々の試験片を製出し、接合界面近傍(接合界面から50μmの位置)における添加元素の濃度をEPMA分析した。また、これらの試験片を用いて接合信頼性の評価を行った。接合信頼性の評価としては、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後の接合率を比較した。結果を表1、表2に示す。なお、接合率は、以下の式で算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積のこととした。
接合率 = (初期接合面積−剥離面積)/初期接合面積
【0153】
【表1】
【0154】
【表2】
【0155】
固着層の添加元素の固着量が合計で10.35mg/cm2とされた比較例1では、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後の接合率が65.9%であった。これは、添加元素の量が多く金属板が硬くなり過ぎて、冷熱サイクルによる熱応力が接合界面に負荷されたためと推測される。
【0156】
固着層の添加元素の固着量が0.009mg/cm2とされた比較例2では、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後の接合率が59.8%であった。これは、界面に介在する添加元素量が少なく、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を十分に形成することができなかったためと判断される。
【0157】
これに対して、本発明例1−43においては、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後の接合率が全て70%以上であった。各種添加元素の拡散によって、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、金属板とセラミックス基板とを強固に接合できたと判断される。
【符号の説明】
【0158】
1 パワーモジュール
3 半導体チップ(電子部品)
10、110、210、310、410、510 パワーモジュール用基板
11、111、211、311、411、511 セラミックス基板
12、112、212、312、412、512 回路層
13、113、213、 金属層
22、122、222、322、422 金属板(第一の金属板)
23、123、223、323、423 金属板(第二の金属板)
24、25、124、125、324、325、424、425 固着層
26、27 溶融金属領域
30、130、230 接合界面
【特許請求の範囲】
【請求項1】
セラミックス基板の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、
前記金属板には、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶されており、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項2】
前記セラミックス基板がAlN又はSi3N4で構成されており、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、酸素濃度が前記セラミックス基板の結晶粒内の酸素濃度の2倍以上とされた酸素高濃度部が形成されており、該酸素高濃度部の厚さが4nm以下とされていることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項3】
前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、前記添加元素の濃度が前記金属板中の前記添加元素の濃度の2倍以上とされた添加元素高濃度部が形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項4】
前記セラミックス基板がAlNで構成されており、
前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、前記添加元素、O、Nの質量比が、Al:添加元素:O:N=50〜90質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項5】
前記セラミックス基板がSi3N4で構成されており、
前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Si、前記添加元素、O、Nの質量比が、Al:Si:添加元素:O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項6】
前記セラミックス基板がAl2O3で構成されており、
前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、前記添加元素、Oの質量比が、Al:添加元素:O=50〜90質量%:1〜30質量%:45質量%以下とされていることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項7】
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えた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。
【請求項8】
前記セラミックス基板の一方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第一の金属板が接合され、前記セラミックス基板の他方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第二の金属板が接合されており、
前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合面とは反対側の面に、前記ヒートシンクが接合されており、
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項7に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項9】
前記第二の金属板の厚さが、前記第一の金属板の厚さよりも厚くなるように設定されていることを特徴とする請求項8に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項10】
前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることを特徴とする請求項8または請求項9に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項11】
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項12】
セラミックス基板の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記添加元素を、0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下の範囲内で介在させ、
前記加熱工程において、前記添加元素を前記金属板に向けて拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成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。
【請求項13】
前記固着工程では、前記添加元素とともにAlを固着させることを特徴とする請求項12に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項14】
前記固着工程は、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、前記添加元素を固着させることを特徴とする請求項12または請求項13に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項15】
セラミックス基板の一方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第一の金属板が接合され、前記セラミックス基板の他方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第二の金属板が接合されており、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合面とは反対側の面に、前記ヒートシンクが接合されてな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、
前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、
前記第二の金属板の一面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、
前記ヒートシンク接合工程は、
前記第二の金属板の接合面及び前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着して添加元素層を形成する添加元素層形成工程と、
前記添加元素層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、
積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有し、
前記ヒートシンク加熱工程において、前記添加元素層の添加元素を前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに向けて拡散させることにより、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に、前記溶融金属領域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。
【請求項16】
前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことを特徴とする請求項15に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項17】
前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることを特徴とする請求項15または請求項16に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項18】
前記添加元素層形成工程は、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に、添加元素を固着させることを特徴とする請求項15から請求項17のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項19】
前記添加元素層形成工程では、前記添加元素とともにAlを固着させることを特徴とする請求項15から請求項18のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項1】
セラミックス基板の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、
前記金属板には、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶されており、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項2】
前記セラミックス基板がAlN又はSi3N4で構成されており、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、酸素濃度が前記セラミックス基板の結晶粒内の酸素濃度の2倍以上とされた酸素高濃度部が形成されており、該酸素高濃度部の厚さが4nm以下とされていることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項3】
前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、前記添加元素の濃度が前記金属板中の前記添加元素の濃度の2倍以上とされた添加元素高濃度部が形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項4】
前記セラミックス基板がAlNで構成されており、
前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、前記添加元素、O、Nの質量比が、Al:添加元素:O:N=50〜90質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項5】
前記セラミックス基板がSi3N4で構成されており、
前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Si、前記添加元素、O、Nの質量比が、Al:Si:添加元素:O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項6】
前記セラミックス基板がAl2O3で構成されており、
前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、前記添加元素、Oの質量比が、Al:添加元素:O=50〜90質量%:1〜30質量%:45質量%以下とされていることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項7】
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えた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。
【請求項8】
前記セラミックス基板の一方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第一の金属板が接合され、前記セラミックス基板の他方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第二の金属板が接合されており、
前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合面とは反対側の面に、前記ヒートシンクが接合されており、
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項7に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項9】
前記第二の金属板の厚さが、前記第一の金属板の厚さよりも厚くなるように設定されていることを特徴とする請求項8に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項10】
前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることを特徴とする請求項8または請求項9に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項11】
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項12】
セラミックス基板の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記添加元素を、0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下の範囲内で介在させ、
前記加熱工程において、前記添加元素を前記金属板に向けて拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成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。
【請求項13】
前記固着工程では、前記添加元素とともにAlを固着させることを特徴とする請求項12に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項14】
前記固着工程は、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、前記添加元素を固着させることを特徴とする請求項12または請求項13に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項15】
セラミックス基板の一方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第一の金属板が接合され、前記セラミックス基板の他方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第二の金属板が接合されており、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合面とは反対側の面に、前記ヒートシンクが接合されてな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、
前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、
前記第二の金属板の一面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、
前記ヒートシンク接合工程は、
前記第二の金属板の接合面及び前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Zn,Ge,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着して添加元素層を形成する添加元素層形成工程と、
前記添加元素層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、
積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有し、
前記ヒートシンク加熱工程において、前記添加元素層の添加元素を前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに向けて拡散させることにより、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に、前記溶融金属領域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。
【請求項16】
前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことを特徴とする請求項15に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項17】
前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることを特徴とする請求項15または請求項16に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項18】
前記添加元素層形成工程は、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に、添加元素を固着させることを特徴とする請求項15から請求項17のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項19】
前記添加元素層形成工程では、前記添加元素とともにAlを固着させることを特徴とする請求項15から請求項18のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【公開番号】特開2011−238892(P2011−238892A)
【公開日】平成23年11月24日(2011.11.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−217590(P2010−217590)
【出願日】平成22年9月28日(2010.9.28)
【出願人】(000006264)三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成23年11月24日(2011.11.24)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年9月28日(2010.9.28)
【出願人】(000006264)三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]