JP6264822B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法に関する。
パワーモジュールとして、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板上にアルミニウム板が接合されるとともに、他方の片側にアルミニウム板を介してアルミニウム系のヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が用いられている。
従来、ヒートシンク付パワーモジュール用基板は、次のように製造されてきた。
まず、セラミックス基板表面に、セラミックス基板とアルミニウム板との接合に適するろう材を介して、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルミニウム板を積層し、所定の圧力で加圧しながら、ろう材が溶融する温度以上まで加熱し冷却することにより、セラミックス基板と両面のアルミニウム板とを接合してパワーモジュール用基板を製造する。
まず、セラミックス基板表面に、セラミックス基板とアルミニウム板との接合に適するろう材を介して、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルミニウム板を積層し、所定の圧力で加圧しながら、ろう材が溶融する温度以上まで加熱し冷却することにより、セラミックス基板と両面のアルミニウム板とを接合してパワーモジュール用基板を製造する。
次に、パワーモジュール用基板の他方の面側のアルミニウム板に、そのアルミニウム板とヒートシンクとの接合に適するろう材を介してヒートシンクを積層し、所定の圧力で加圧しながら、ろう材が溶融する温度以上まで加熱し冷却する。これにより、アルミニウム板とヒートシンクとを接合して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。
また、このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板の一方の面側に接合されたアルミニウム板は、回路層として形成され、この回路層上にはんだ材を介してパワー素子等の電子部品が搭載される。
また、このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板の一方の面側に接合されたアルミニウム板は、回路層として形成され、この回路層上にはんだ材を介してパワー素子等の電子部品が搭載される。
ところが、セラミックス基板とアルミニウム板のような熱膨張係数の異なる部材の接合においては、接合後の冷却時における熱収縮により反りが発生する。
この反り対策として、特許文献１では、チップや端子、放熱板等のはんだ付け等をするときの高温時における反り量と、セラミックス回路基板を室温に戻したときの反り量を制御することが記載されている。
この反り対策として、特許文献１では、チップや端子、放熱板等のはんだ付け等をするときの高温時における反り量と、セラミックス回路基板を室温に戻したときの反り量を制御することが記載されている。
また、特許文献２では、セラミックス基板をたわませながら回路用金属板と金属放熱板とを接合し、回路用金属板が凹面となる反りを有する回路基板を製造することとしている。一般的に、回路用基板を用いてモジュールを形成する際には、モジュールを平面的になるようにヒートシンクに接合し、固定部品に固定して用いられる。そこで、回路基板の回路用金属板側に凹面となる反りを形成しておくことで、回路基板を平坦に固定した際に回路基板に圧縮応力が残留し、モジュールへの組立時やその実使用下においてクラックの発生、成長を低減することができることが記載されている。
さらに、特許文献３には、セラミックス回路基板とヒートシンクとのはんだリフロー時に生じる反りは、金属放熱板と金属回路板の体積比、及び厚さ比が主たる支配要因であり、これらの構成を適当な範囲とすることで加熱中に好ましい反り形状を実現することができることが記載されている。
このように、回路基板に生じる反りは、セラミックス基板を中立軸として金属層を形成するヒートシンク側のアルミニウム板とヒートシンクの板厚の調整により、抑制できる。
このように、回路基板に生じる反りは、セラミックス基板を中立軸として金属層を形成するヒートシンク側のアルミニウム板とヒートシンクの板厚の調整により、抑制できる。
しかし、パワーモジュール用基板に望まれるのは、パワーモジュールとしての要求仕様を満たすための反りを低減することである。特許文献１に記載のように、パワーモジュール用基板として反りを制御したとしても、パワーモジュールとして反りを低減できなければならない。また、パワーモジュール用基板とヒートシンクとが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、通常の製造時は、回路層を上側として凸状の反りが発生する。
ところが、使用時においては、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を冷却器にグリース等を介して締結する際に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板と冷却器との密着性を良好に維持する観点から、冷却器側に対して凹状の反り（回路層側に凸状の反り）であることよりも、凸状の反りであることが望まれる。また、冷却器への締結後においても、半導体素子のはんだ付け等の熱処理過程において、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反り変形が少ないことが望まれる。
ところが、使用時においては、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を冷却器にグリース等を介して締結する際に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板と冷却器との密着性を良好に維持する観点から、冷却器側に対して凹状の反り（回路層側に凸状の反り）であることよりも、凸状の反りであることが望まれる。また、冷却器への締結後においても、半導体素子のはんだ付け等の熱処理過程において、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反り変形が少ないことが望まれる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板製造時に生じる反りを低減するとともに、熱処理過程における反りの発生を抑制することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に純度９９％以上のアルミニウムからなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記パワーモジュール用基板の前記金属層に接合され、該金属層より降伏応力の大きいアルミニウム合金により平板状に形成されてなるヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンクの最大長さをＬとし、前記ヒートシンクの反り量をＺとし、前記ヒートシンクの接合面側に凸状の変形を正の反り量とした場合に、２５℃におけるＬとＺの比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲内とされ、２８０℃まで加熱した際における前記比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲とされ、その加熱後２５℃まで冷却した際の前記比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲内とされることを特徴とする。
比率Ｚ／Ｌが、上記温度設定時において−０．００５未満又は０．００５を超える場合では、半導体素子等の電子部品を回路層へはんだ付けする工程において、はんだや半導体素子の位置ずれを引き起こしやすい。また、半導体素子自体の破壊や熱サイクルによるはんだ接合部や基板の信頼性低下を招くおそれがある。
一方、比率Ｚ／Ｌが、上記温度設定時において−０．００５以上０．００５以下の範囲内にあるヒートシンク付パワーモジュール用基板は、製造時に生じる反りが低減され、熱処理過程によるパワーモジュールの反り変形が抑制されていることから、半導体素子のはんだ付け工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。
一方、比率Ｚ／Ｌが、上記温度設定時において−０．００５以上０．００５以下の範囲内にあるヒートシンク付パワーモジュール用基板は、製造時に生じる反りが低減され、熱処理過程によるパワーモジュールの反り変形が抑制されていることから、半導体素子のはんだ付け工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。
また、金属層が比較的変形抵抗の小さい純度９９％以上のアルミニウムで形成されているので、熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板に発生する熱応力を緩和することができ、セラミックス基板に割れが生じることを抑制できる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、２５℃から２８０℃まで温度変化させた場合において、前記比率Ｚ／Ｌの最大値と最小値との差ΔＺ／Ｌが０．００５以下とされるとよい。
２５℃から２８０℃までの温度変化において比率Ｚ／Ｌの最大値と最小値との差ΔＺ／Ｌが０．００５以下とされ、変形が抑制されているので、より一層、半導体素子のはんだ付け工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。
２５℃から２８０℃までの温度変化において比率Ｚ／Ｌの最大値と最小値との差ΔＺ／Ｌが０．００５以下とされ、変形が抑制されているので、より一層、半導体素子のはんだ付け工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。
本発明は、上記ヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを接合する際に、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを積層し、この積層体を曲率半径１０００ｍｍ以上６０００ｍｍ以下の凸面又は凹面が対向面に形成された二枚の加圧板の対向面間に挟んで０．３ＭＰａ〜１０ＭＰａで加圧することにより前記ヒートシンクの接合面を凹状の反りとする変形を生じさせた状態で加熱し、前記変形を生じさせた状態で冷却することを特徴とする。
ヒートシンクを金属層に対し降伏応力の高い材料により形成し、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合時において、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との積層体を、その積層方向のヒートシンクとは反対側を上側とする凹状の反りを生じさせた状態とし、ろう材が溶融する温度以上で所定時間保持した後に冷却することで、凹状に沿った形状でろう材を固め、積層方向の加圧状態を開放した後も、回路層を上側として凹状に反る、あるいは凸状でも反り量が小さい接合体が得られる。この場合、ろう材の接合温度域において、各部材が最大限膨張した状態で凹状の変形を生じさせることができる。
そして、このようにして接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、製造時に生じる反り変形を低減することができるとともに、熱処理過程における反り変形を抑制することができ、素子はんだ付け工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。これにより、構造の自由度が増大し、さらにパワーモジュール全体の薄肉化に寄与することができる。
そして、このようにして接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、製造時に生じる反り変形を低減することができるとともに、熱処理過程における反り変形を抑制することができ、素子はんだ付け工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。これにより、構造の自由度が増大し、さらにパワーモジュール全体の薄肉化に寄与することができる。
本発明によれば、ヒートシンク付パワーモジュール用基板製造時に生じる反りを低減するとともに、熱処理過程における反りの発生を抑制することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００を示す。このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０に接合されたヒートシンク３０とから構成される。
また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００は、図１又は図２に示すように、ヒートシンクの最大長さをＬとし、ヒートシンクの反り量をＺとし、前記ヒートシンクの接合面側に凸状の変形を正の反り量とした場合に、ＬとＺとの比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲内とされ、２８０℃まで加熱した際における比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲とされ、その加熱後２５℃まで冷却した際の比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲内とされるものである。比率Ｚ／Ｌについての詳細は、後述する。
図１に、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１００を示す。このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０に接合されたヒートシンク３０とから構成される。
また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００は、図１又は図２に示すように、ヒートシンクの最大長さをＬとし、ヒートシンクの反り量をＺとし、前記ヒートシンクの接合面側に凸状の変形を正の反り量とした場合に、ＬとＺとの比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲内とされ、２８０℃まで加熱した際における比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲とされ、その加熱後２５℃まで冷却した際の比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲内とされるものである。比率Ｚ／Ｌについての詳細は、後述する。
そして、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１００に対して、図３に示すように、さらにパワーモジュール用基板１０の表面に半導体チップ等の電子部品２０が搭載されることにより、パワーモジュールが製造される。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００の製造工程においては、まずパワーモジュール用基板１０を製造し、このパワーモジュール用基板１０をヒートシンク３０の天板３２にろう付けすることにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００を製造する。
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１に積層された回路層１２、金属層１３とを備える。そして、パワーモジュール用基板の回路層１２の表面に電子部品２０がはんだ付けされる。また、他方の金属層１３の表面にはヒートシンク３０が取り付けられる。
セラミックス基板１１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成され、本実施形態ではＡｌＮを用いた。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。
回路層１２は、純度９９質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では１０００番台のアルミニウム、特に１Ｎ９０（純度９９．９質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。また、アルミニウム以外にもアルミニウム合金や、銅又は銅合金を用いることもできる。
金属層１３は、純度９９質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では１０００番台のアルミニウム、特に１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。
本実施形態においては、回路層１２及び金属層１３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）の圧延板からなるアルミニウム板とされ、その厚さは０．２ｍｍ〜３．０ｍｍに設定されており、回路層１２が０．６ｍｍ、金属層１３が２．１ｍｍの厚さとされている。
金属層１３は、純度９９質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では１０００番台のアルミニウム、特に１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。
本実施形態においては、回路層１２及び金属層１３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）の圧延板からなるアルミニウム板とされ、その厚さは０．２ｍｍ〜３．０ｍｍに設定されており、回路層１２が０．６ｍｍ、金属層１３が２．１ｍｍの厚さとされている。
そして、これら回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１とは、例えばろう付けにより接合される。ろう材としては、Ａｌ‐Ｓｉ系、Ａｌ‐Ｇｅ系、Ａｌ‐Ｃｕ系、Ａｌ‐Ｍｇ系又はＡｌ‐Ｍｎ系等の合金が使用される。
なお、パワーモジュールを構成する電子部品２０は、回路層１２の表面に形成されたＮｉめっき（不図示）上に、Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系、Ｚｎ‐Ａｌ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｓｂ系もしくはＰｂ‐Ｓｎ系等のはんだ材を用いて接合される。図１中の符号２１が、そのはんだ接合層を示す。また、電子部品２０と回路層１２の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ（不図示）により接続される。
パワーモジュール用基板１０に接合されるヒートシンク３０は、金属層１３に対し降伏応力の高いアルミニウム合金とされており、例えば、Ａ３００３、Ａ５０５２、Ａ６０６３、Ａ７０７５等が用いられる。また、金属層１３が４Ｎアルミニウムとされる場合には、Ａ１０５０合金等が用いられる。本実施形態ではＡ６０６３のアルミニウム合金を用いている。
ここで、ヒートシンクとしては、板状の放熱板、内部に冷媒が流通する冷却器、フィンが形成された冷液、空冷放熱器、ヒートパイプなど、熱の放散によって温度を下げることを目的とした金属部品が含まれる。
ここで、ヒートシンクとしては、板状の放熱板、内部に冷媒が流通する冷却器、フィンが形成された冷液、空冷放熱器、ヒートパイプなど、熱の放散によって温度を下げることを目的とした金属部品が含まれる。
次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００の製造方法を説明する。
まず、回路層１２及び金属層１３として、それぞれ９９．９９質量％以上の純アルミニウム圧延板を準備し、これらの純アルミニウム圧延板を、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面にそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱することによって、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に純アルミニウム圧延板が接合されたパワーモジュール用基板１０を製造する。なお、このろう付け温度は、６００℃〜６５５℃に設定される。
まず、回路層１２及び金属層１３として、それぞれ９９．９９質量％以上の純アルミニウム圧延板を準備し、これらの純アルミニウム圧延板を、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面にそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱することによって、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に純アルミニウム圧延板が接合されたパワーモジュール用基板１０を製造する。なお、このろう付け温度は、６００℃〜６５５℃に設定される。
このように構成されたパワーモジュール用基板１０にヒートシンク３０を接合するには、まず、図４に示すように、二枚の加圧板１１０とその四隅に設けられた支柱１１１によって構成された治具１１２を用いて、加圧板１１０間にヒートシンク３０及びパワーモジュール用基板１０を配置する。
治具１１２の二枚の加圧板１１０は、ステンレス鋼材の表面にカーボン板が積層されたものであり、それぞれ加圧板１１０の対向する面１１０ａ，１１０ｂが、ヒートシンク３０のパワーモジュール用基板１０との接合面３０ａを凹状とするような曲率半径Ｒが１０００ｍｍ以上６０００ｍｍ以下とされる曲面を有する凹面又は凸面に形成されている。本実施形態では、曲率半径Ｒが１０００ｍｍ以上６０００ｍｍ以下とされているので、製造時に生じる反りが低減され、熱処理過程によるパワーモジュールの反り変形を抑制することが可能である。
そして、支柱１１１の両端には螺子が切られており、加圧板１１０を挟むようにナット１１３が締結されている。また、支柱１１１に支持された天板１１４と加圧板１１０と間に加圧板１１０を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５が備えられており、加圧力は、この付勢手段１１５とナット１１３の締付けによって調整される。
治具１１２の二枚の加圧板１１０は、ステンレス鋼材の表面にカーボン板が積層されたものであり、それぞれ加圧板１１０の対向する面１１０ａ，１１０ｂが、ヒートシンク３０のパワーモジュール用基板１０との接合面３０ａを凹状とするような曲率半径Ｒが１０００ｍｍ以上６０００ｍｍ以下とされる曲面を有する凹面又は凸面に形成されている。本実施形態では、曲率半径Ｒが１０００ｍｍ以上６０００ｍｍ以下とされているので、製造時に生じる反りが低減され、熱処理過程によるパワーモジュールの反り変形を抑制することが可能である。
そして、支柱１１１の両端には螺子が切られており、加圧板１１０を挟むようにナット１１３が締結されている。また、支柱１１１に支持された天板１１４と加圧板１１０と間に加圧板１１０を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５が備えられており、加圧力は、この付勢手段１１５とナット１１３の締付けによって調整される。
そして、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造工程においては、パワーモジュール用基板１０及びヒートシンク３０を治具１１２に取り付けた状態とすることにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１００に発生する反りを抑制することができる。
まず、下側に配置される凹面１１０ａを有する加圧板１１０の上にヒートシンク３０を載置し、その上にＡｌ‐Ｓｉ系ろう材箔（図示略）を介してパワーモジュール用基板１０を重ねて載置して、これらヒートシンク３０とパワーモジュール用基板１０との積層体を凸面１１０ｂを有する加圧板１１０との間で挟んだ状態とする。この際、ヒートシンク３０とパワーモジュール用基板１０との積層体は、加圧板１１０の凹凸面により厚み方向に加圧され、ヒートシンク３０の接合面３０ａを凹状の反りとする変形を生じさせた状態とされる。そして、ヒートシンク３０とパワーモジュール用基板１０との積層体を加圧状態で加熱することにより、ヒートシンク３０とパワーモジュール用基板１０の金属層１３とをろう付けにより固着する。
なお、ろう付けは、真空雰囲気中で、荷重０．３ＭＰａ〜１０ＭＰａ、加熱温度５５０℃〜６５０℃の条件で行う。
なお、ろう付けは、真空雰囲気中で、荷重０．３ＭＰａ〜１０ＭＰａ、加熱温度５５０℃〜６５０℃の条件で行う。
次に、これらヒートシンク３０とパワーモジュール用基板１０との接合体を、治具１１２に取り付けた状態、つまり、変形を生じさせた状態で、常温（２５℃）まで冷却する。
この場合、ヒートシンク３０とパワーモジュール用基板１０との接合体は、治具１１２によって厚み方向に加圧され、ヒートシンク３０の接合面３０ａを凹状の反りとする変形を生じさせた状態で拘束されている。このため、冷却に伴う接合体の形状は見かけ上は変化がないように見えるが、応力に抗して加圧され、冷却時に反りとしての変形が出来ない状態に拘束されている結果、塑性変形が生じることとなる。
この場合、ヒートシンク３０とパワーモジュール用基板１０との接合体は、治具１１２によって厚み方向に加圧され、ヒートシンク３０の接合面３０ａを凹状の反りとする変形を生じさせた状態で拘束されている。このため、冷却に伴う接合体の形状は見かけ上は変化がないように見えるが、応力に抗して加圧され、冷却時に反りとしての変形が出来ない状態に拘束されている結果、塑性変形が生じることとなる。
このようにして製造されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１００は、ヒートシンク３０が金属層１３に対し降伏応力の高い材料により形成されていることから反りが抑制され、ヒートシンク３０の最大長さをＬとし、ヒートシンク３０の反り量をＺとし、ヒートシンク３０の接合面３０ａ側に凸状の変形を正の反り量とした場合に、２５℃におけるＬとＺの比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲内とされ、２８０℃まで加熱した際における比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲とされ、その加熱後２５℃まで冷却した際の比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲内とされる。
比率Ｚ／Ｌが、上記温度設定時において−０．００５未満又は０．００５を超える場合では、半導体素子を回路層１２へはんだ付けする工程において、はんだや半導体素子の位置ずれを引き起こしやすい。また、半導体素子自体の破壊や熱サイクルによるはんだ接合部や基板の信頼性低下を招くおそれがある。
一方、比率Ｚ／Ｌが、上記温度設定時において−０．００５以上０．００５以下の範囲内にあるヒートシンク付パワーモジュール用基板は、製造時に生じる反りが低減され、熱処理過程によるパワーモジュールの反り変形が抑制されることから、半導体素子のはんだ付け工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。
一方、比率Ｚ／Ｌが、上記温度設定時において−０．００５以上０．００５以下の範囲内にあるヒートシンク付パワーモジュール用基板は、製造時に生じる反りが低減され、熱処理過程によるパワーモジュールの反り変形が抑制されることから、半導体素子のはんだ付け工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。
このように、本実施形態の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３０を金属層１３に対し降伏応力の高い材料により形成し、ヒートシンク３０とパワーモジュール用基板１０との接合時において、ヒートシンク３０とパワーモジュール用基板１０との積層体を、その積層方向のヒートシンク３０とは反対側を上側とする凹状の反りを生じさせた状態とし、ろう材が溶融する温度以上で所定時間保持した後に冷却することで、凹状に沿った形状でろう材を固め、厚み方向（積層方向）の加圧状態を開放した後も、回路層１２を上側として凹状に反る、あるいは凸状でも反り量が小さい接合体が得られる。この場合、ろう材の接合温度域において、各部材が最大限膨張した状態で凹状の変形を生じさせることができる。なお、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、２５℃から２８０℃の温度領域において、反り量が直線的に変化する。
このようにして接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１００においては、製造時に生じる反り変形を低減することができるとともに、熱処理過程における反り変形を抑制することができ、半導体素子をはんだ付けする工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。これにより、構造の自由度が増大し、さらにパワーモジュール全体の薄肉化に寄与することができる。
このようにして接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１００においては、製造時に生じる反り変形を低減することができるとともに、熱処理過程における反り変形を抑制することができ、半導体素子をはんだ付けする工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。これにより、構造の自由度が増大し、さらにパワーモジュール全体の薄肉化に寄与することができる。
次に、本発明の効果を確認するために行った実施例及び比較例について説明する。
前述したヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造工程において、パワーモジュール用基板とヒートシンクの積層方向への加圧荷重をそれぞれ変更し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板の試料を複数製造した。各試料の接合条件は、実施例１〜７及び比較例３〜５では、凹凸面の曲率半径Ｒが表１に記載の加圧板を用い、比較例１，２では平板の加圧板を用いて接合を行った。
また、各ヒートシンク付パワーモジュール用基板を構成するパワーモジュール用基板１０としては、６８ｍｍ×６８ｍｍ、厚み０．６ｍｍの４Ｎ‐Ａｌからなる回路層１２と、６８ｍｍ×６８ｍｍ、厚み２．１ｍｍの表１に記載の材質からなる金属層１３とが、７０ｍｍ×７０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板１１にＡｌ‐Ｓｉ系ろう材により接合されたものを用いた。ヒートシンク３０は、表１に記載の材質からなる８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚み５ｍｍの矩形板を用いた。
前述したヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造工程において、パワーモジュール用基板とヒートシンクの積層方向への加圧荷重をそれぞれ変更し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板の試料を複数製造した。各試料の接合条件は、実施例１〜７及び比較例３〜５では、凹凸面の曲率半径Ｒが表１に記載の加圧板を用い、比較例１，２では平板の加圧板を用いて接合を行った。
また、各ヒートシンク付パワーモジュール用基板を構成するパワーモジュール用基板１０としては、６８ｍｍ×６８ｍｍ、厚み０．６ｍｍの４Ｎ‐Ａｌからなる回路層１２と、６８ｍｍ×６８ｍｍ、厚み２．１ｍｍの表１に記載の材質からなる金属層１３とが、７０ｍｍ×７０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板１１にＡｌ‐Ｓｉ系ろう材により接合されたものを用いた。ヒートシンク３０は、表１に記載の材質からなる８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚み５ｍｍの矩形板を用いた。
そして、これらのヒートシンク付パワーモジュール用基板の試料について、「温度変化による反り量の変化」、「はんだ位置ずれ」、「素子位置ずれ」、「素子割れ」をそれぞれ評価した。
また、反り量の測定は、２５℃（常温）時、２８０℃加熱時及び２８０℃まで加熱後の２５℃冷却時（２５℃冷却時）に測定を行った。そして、各時点におけるヒートシンク裏面の平面度の変化を、モアレ式三次元形状測定機を使用して計測したものを反り量として評価した。反り量は、ヒートシンク３０の接合面３０ａ側に凸状の変形を正の反り量とした。
また、反り量の測定は、２５℃（常温）時、２８０℃加熱時及び２８０℃まで加熱後の２５℃冷却時（２５℃冷却時）に測定を行った。そして、各時点におけるヒートシンク裏面の平面度の変化を、モアレ式三次元形状測定機を使用して計測したものを反り量として評価した。反り量は、ヒートシンク３０の接合面３０ａ側に凸状の変形を正の反り量とした。
はんだ位置ずれは、各試料の回路層１２上に、はんだ（Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系、融点約２２０℃）を載せて、融点直下（２００℃）まで加熱することにより、はんだの載置位置の変化の有無を、各試料を３０個ずつ製作して確認した。この場合、０．２ｍｍ以上の位置ずれが生じた場合を「ＮＧ」とし、０．２ｍｍ未満の位置ずれの場合は「ＯＫ」と評価した。
また、素子位置ずれは、素子を回路層１２にはんだ付けした後に、そのはんだ付け位置を計測することにより、位置ずれ発生の有無を確認した。そして、０．２ｍｍ以上の位置ずれが生じた場合を「ＮＧ」とし、０．２ｍｍ未満の位置ずれの場合は「ＯＫ」と評価した。
素子割れは、素子を回路層１２にはんだ付けした後、配線を施し、素子が正常動作するか否かを確認した。
表１に結果を示す。表１において「◎」は「ＯＫ」比率１００％、「○」はＯＫ比率９０％以上、「×」は「ＯＫ」比率９０％未満であることを示す。
また、素子位置ずれは、素子を回路層１２にはんだ付けした後に、そのはんだ付け位置を計測することにより、位置ずれ発生の有無を確認した。そして、０．２ｍｍ以上の位置ずれが生じた場合を「ＮＧ」とし、０．２ｍｍ未満の位置ずれの場合は「ＯＫ」と評価した。
素子割れは、素子を回路層１２にはんだ付けした後、配線を施し、素子が正常動作するか否かを確認した。
表１に結果を示す。表１において「◎」は「ＯＫ」比率１００％、「○」はＯＫ比率９０％以上、「×」は「ＯＫ」比率９０％未満であることを示す。
表１からわかるように、２５℃における比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲内とされ、２８０℃まで加熱した際における比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲とされ、その加熱後２５℃まで冷却した際の比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲内とされる実施例１〜６の試料においては、「はんだ位置ずれ」、「素子位置ずれ」、「素子割れ」のいずれの評価においても良好な結果が得られた。
また、比率Ｚ／Ｌの最大値と最小値との差ΔＺ／Ｌが０．００６となった実施例７においても、「はんだ位置ずれ」と「素子割れ」の評価は良好であったが、素子の位置ずれが若干発生した。
一方、低荷重の加圧を行った比較例１においては、２５℃、２８０℃、２５℃冷却時における比率Ｚ／Ｌが、−０．００５以上０．００５以下の範囲から外れる結果となった。
また、平板を用いた比較例２及び加圧板の曲率半径Ｒを８０００ｍｍとした比較例３では、２５℃における比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲から外れる結果となり、はんだの位置ずれが多く発生した。さらに、２８０℃における比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲から外れた比較例４では、素子割れが多く発生した。
また、比率Ｚ／Ｌの最大値と最小値との差ΔＺ／Ｌが０．００６となった実施例７においても、「はんだ位置ずれ」と「素子割れ」の評価は良好であったが、素子の位置ずれが若干発生した。
一方、低荷重の加圧を行った比較例１においては、２５℃、２８０℃、２５℃冷却時における比率Ｚ／Ｌが、−０．００５以上０．００５以下の範囲から外れる結果となった。
また、平板を用いた比較例２及び加圧板の曲率半径Ｒを８０００ｍｍとした比較例３では、２５℃における比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲から外れる結果となり、はんだの位置ずれが多く発生した。さらに、２８０℃における比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲から外れた比較例４では、素子割れが多く発生した。
以上説明したように、本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板１００においては、製造時に生じる反り変形を低減することができるとともに、熱処理過程における反り変形を抑制することができ、素子はんだ付け工程における作業性の向上や、熱サイクル負荷による基板信頼性を改善することができる。
なお、通常、反りは三次元的に生じるため、矩形板の場合、対角線の長さが最大長さＬである。また、反り量Ｚは、その最大長さの部分のＺ方向の最大値と最小値との差である。
なお、本発明は、上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとをろう付けによって固着したが、ろう付けに限らずはんだ付け、拡散接合などによって固着する構成としても構わない。
さらに、セラミックス基板と回路層及び、セラミックス基板と金属層との接合、金属層とヒートシンクとの接合を、ＴＬＰ接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）と称される過渡液相接合法によって接合してもよい。
この過渡液相接合法においては、回路層又は金属層の表面に蒸着させた銅層を、回路層又は金属層とセラミックス基板との界面、あるいは金属層とヒートシンクとの界面に介在させて行う。加熱により、回路層又は金属層とアルミニウム中に銅が拡散し、回路層又は金属層の銅層近傍の銅濃度が上昇して融点が低下し、アルミニウムと銅との共晶域にて接合界面に金属液相が形成される。この金属液相が形成された状態で温度を一定に保持しておくと、金属液相がセラミックス基板又はヒートシンクと反応するとともに、銅がさらにアルミニウム中に拡散することに伴い、金属液相中の銅濃度が徐々に低下して融点が上昇し、温度を一定に保持した状態で凝固が進行する。これにより、回路層又は金属層とセラミックス基板、あるいは金属層とヒートシンクとの強固な接合が得られる。
例えば、上記実施形態では、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとをろう付けによって固着したが、ろう付けに限らずはんだ付け、拡散接合などによって固着する構成としても構わない。
さらに、セラミックス基板と回路層及び、セラミックス基板と金属層との接合、金属層とヒートシンクとの接合を、ＴＬＰ接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）と称される過渡液相接合法によって接合してもよい。
この過渡液相接合法においては、回路層又は金属層の表面に蒸着させた銅層を、回路層又は金属層とセラミックス基板との界面、あるいは金属層とヒートシンクとの界面に介在させて行う。加熱により、回路層又は金属層とアルミニウム中に銅が拡散し、回路層又は金属層の銅層近傍の銅濃度が上昇して融点が低下し、アルミニウムと銅との共晶域にて接合界面に金属液相が形成される。この金属液相が形成された状態で温度を一定に保持しておくと、金属液相がセラミックス基板又はヒートシンクと反応するとともに、銅がさらにアルミニウム中に拡散することに伴い、金属液相中の銅濃度が徐々に低下して融点が上昇し、温度を一定に保持した状態で凝固が進行する。これにより、回路層又は金属層とセラミックス基板、あるいは金属層とヒートシンクとの強固な接合が得られる。
さらに、上記実施形態では、ヒートシンクとパワーモジュール用基板の接合を、Ａｌ‐Ｓｉ系ろう材を用いて接合したが、Ａｌ‐Ｓｉ‐Ｍｇ系ろう材を用いて接合することもできる。この場合、真空雰囲気で接合を行う必要がなく、窒素等の不活性雰囲気下でろう付けを行うことができ、簡便にヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合することができる。
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
２０ 電子部品
２１ はんだ接合層
３０ ヒートシンク
３０ａ 接合面
１００ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１０ 加圧板
１１０ａ 凹面
１１０ｂ 凸面
１１１ 支柱
１１２ 治具
１１３ ナット
１１４ 天板
１１５ 付勢手段
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
２０ 電子部品
２１ はんだ接合層
３０ ヒートシンク
３０ａ 接合面
１００ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１０ 加圧板
１１０ａ 凹面
１１０ｂ 凸面
１１１ 支柱
１１２ 治具
１１３ ナット
１１４ 天板
１１５ 付勢手段
Claims (3)
- セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に純度９９％以上のアルミニウムからなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記パワーモジュール用基板の前記金属層に接合され、該金属層より降伏応力の大きいアルミニウム合金により平板状に形成されてなるヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンクの最大長さをＬとし、前記ヒートシンクの反り量をＺとし、前記ヒートシンクの接合面側に凸状の変形を正の反り量とした場合に、２５℃におけるＬとＺの比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲内とされ、２８０℃まで加熱した際における前記比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲とされ、その加熱後２５℃まで冷却した際の前記比率Ｚ／Ｌが−０．００５以上０．００５以下の範囲内とされ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。
- ２５℃から２８０℃まで温度変化させた場合において、前記比率Ｚ／Ｌの最大値と最小値との差ΔＺ／Ｌが０．００５以下とされることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 請求項１又は２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを接合する際に、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを積層し、この積層体を曲率半径１０００ｍｍ以上６０００ｍｍ以下の凸面又は凹面が対向面に形成された二枚の加圧板の対向面間に挟んで０．３ＭＰａ〜１０ＭＰａで加圧することにより前記ヒートシンクの接合面を凹状の反りとする変形を生じさせた状態で加熱し、前記変形を生じさせた状態で冷却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。
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2013
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