(57)【要約】【課題】セラミックス基板と金属層との接合部に悪影響を与えることなく金属層とヒートシンクとを接合して、信頼性を高めることができるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供する。【解決手段】セラミックス基板２の両面に金属層６，７が積層されるとともに、その一方の金属層７にヒートシンク５が接合されたパワーモジュール用基板３であって、金属層６，７は、その結晶粒の平均粒径が０．５μｍ以下であり、金属層７及びヒートシンク５の表面に真空雰囲気中で表面浄化エッチングを施した後に、真空雰囲気中でヒートシンク５と金属層７とのエッチングした面どうしを重ね合わせることにより、ヒートシンク５と金属層７とが直接接合されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の両面に金属層が積層されるとともに、その一方の金属層にヒートシンクが接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属層は、その結晶粒の平均粒径が０．５μｍ以下であり、前記ヒートシンクの表面に直接接合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】
前記金属層は、純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウムからなることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のパワーモジュール用基板の前記ヒートシンクが接合された金属層とは反対側の金属層に電子部品がはんだ付けにより接合され、他方の金属層にヒートシンクが接合されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項４】
セラミックス基板の両面に金属層が積層されるとともに、その一方の金属層にヒートシンクが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、結晶粒の平均粒径が０．５μｍ以下である金属層及びヒートシンクの表面に真空雰囲気中で表面浄化エッチングを施した後に、前記真空雰囲気中で前記ヒートシンクと前記金属層とのエッチングした面どうしを重ね合わせて接合することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に、回路層となるアルミニウム金属層を積層し、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされ、一方、セラミックス基板の他方の面に放熱層となるアルミニウム金属層が形成され、この金属層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。
【０００３】
このようなセラミックス基板に回路層又は放熱層となるアルミニウム金属層を積層状態に形成する方法として、例えば特許文献１では、セラミックス基板に、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材を介在させてアルミニウム金属層を重ね合わせ、その積層体を加圧、加熱することにより、ろう材を溶融させて、セラミックス基板とアルミニウム金属層とを接合するようにしている。
【０００４】
一方、金属層とヒートシンクとの間の接合方法としては、特許文献２に記載のねじ止めによる方法、特許文献３に記載のろう付けによる方法等がある。
そのうち、ねじ止めにより接合する方法では、金属層とヒートシンクとの接合面を密着させることが難しい。このため、熱伝導性のグリスを介在させて締結しているが、速やかな熱伝達には限界がある。
また、ろう付けにより接合する方法は、金属層とヒートシンクとを密着させて、速やかに熱伝達させることができるが、そのろう付け時の温度によりパワーモジュール用基板が再加熱され、既に接合したセラミックス基板と金属層との接合部への悪影響が懸念される。
【０００５】
また、金属層とヒートシンクとの間の接合方法として、高価な設備が不要で比較的容易に安定したろう付けが可能なフラックスろう付け法としてノコロックろう付け法の適用が検討されているが、この接合方法であると、そのろう付け時に、セラミックス基板と金属層との間にフラックスが侵食して接合部にクラックを生じさせるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３１１２９６号公報
【特許文献２】特開２００６−２０３１０８号公報
【特許文献３】特開２００８−２７７６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、セラミックス基板と金属層との接合部に悪影響を与えることなく金属層とヒートシンクとを接合して、信頼性を高めることができるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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両面に金属層が積層されるとともに、その一方の金属層にヒートシンクが接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属層は、その結晶粒の平均粒径が０．５μｍ以下であり、前記ヒートシンクの表面に直接接合されていることを特徴とする。
また、その製造方法は、セラミックス基板の両面に金属層が積層されるとともに、その一方の金属層にヒートシンクが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、結晶粒の平均粒径が０．５μｍ以下である金属層及びヒートシンクの表面に真空雰囲気中で表面浄化エッチングを施した後に、前記真空雰囲気中で前記ヒートシンクと前記金属層とのエッチングした面どうしを重ね合わせて接合することを特徴とする。
【０００９】
本発明では、ヒートシンク及び金属層の表面にイオンビームやプラズマを照射して表面浄化エッチングすることにより、ヒートシンク及び金属層の表面を活性化させ、その活性化状態で直接接合しており、常温で接合できて、熱処理を伴わないことから、微細組織のまま接合することができる。直接接合とは、ヒートシンクと金属層との界面に何の反応層も介在させずに、それらの原子間を異種元素を介在させないで結合するものであり、その接合状態はＴＥＭによる断面観察で確認することができる。
【００１０】
また、本発明のパワーモジュール用基板において、前記金属層は、純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウムからなるものとされる。
この高純度アルミニウムとすることにより、ヒートシンクとの間の熱伸縮差に起因する応力を緩和することができる。この場合、高純度アルミニウムを接合したパワーモジュール用基板を厳しい熱サイクル環境下で使用すると、アルミニウム金属層のはんだ接合面にしわが生じて、電子部品との接合性への悪影響が懸念されるが、結晶粒が微細であるので、その後に厳しい熱サイクル環境下で使用されても表面のしわの発生も抑制でき、電子部品との接合信頼性を向上させることができる。
【００１１】
そして、本発明のパワーモジュールは、上記のパワーモジュール用基板の前記ヒートシンクが接合された金属層とは反対側の金属層に電子部品がはんだ付けにより接合されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、結晶粒の平均粒径が０．５μｍ以下の金属層及びヒートシンクの表面を活性化状態で直接接合しているので、セラミックス基板と金属層との接合部に熱影響を与えることがなく、金属層が微細組織のまま接合されるため、その後に熱サイクル環境下で使用されても電子部品とのはんだ接合面のしわの発生もなく、その接合信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態のパワーモジュールの全体構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明の製造方法で使用される接合装置の概略構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示している。この図１に示されるパワーモジュール１は、セラミックス等からなるセラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４とから構成されている。
【００１５】
パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の両面に金属層６，７が積層されており、その一方の金属層６が回路層となり、その表面に電子部品４がはんだ付けされる。また、他方の金属層７は放熱層とされ、その表面にヒートシンク５が取り付けられている。
また、セラミックス基板２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、若しくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成される。
金属層６，７は、いずれも純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では１Ｎ９９を用いることができる。また、この金属層６，７は、その結晶粒の平均粒径が０．５μｍ以下の微細な結晶組織とされる。好ましくは、０．０５〜０．２μｍの平均結晶粒径とされる。
【００１６】
この場合、各層の厚さについて、個々の寸法は限定されるものではないが、セラミックス基板２の厚さは例えば６３５μｍ、回路層となる金属層６の厚さは６００μｍとされ、放熱層となる金属層７の厚さが１６００μｍとされる。
また、これら金属層６，７は、プレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板２に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板２に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。
【００１７】
そして、これらセラミックス基板２と回路層及び放熱層となる両金属層６，７との相互間の接合界面には、これらセラミックス基板２及び両金属層６，７の構成元素以外の異種元素が介在せず、セラミックス基板２と金属層６，７とが直接接合されている。
【００１８】
ヒートシンク５は、その形状等は特に限定されないが、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、金属層７に接合される筒体１５と、筒体１５の内部を複数の流路１６に区画する縦壁１７とが一体に形成された構成とされている。そのアルミニウム合金としては、アルミニウムの濃度が９０％〜９９％のアルミニウム合金、例えばＪＩＳ規格でＡ６０６３が用いられる。筒体１５の天板部１５ａは、金属層７より大きい四角形状の平面形状を有しており、各縦壁１７は、筒体１５の幅方向に等間隔で相互に平行に並べられ、筒体１５の長さ方向に沿って設けられている。
そして、このヒートシンク５と放熱層となる金属層７との間も、セラミックス基板２とその表裏の両金属層６，７との接合部と同様に、直接接合とされている。これらの直接接合の具体的方法は後述する。
【００１９】
なお、金属層６と電子部品４との接合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。図中符号８がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と金属層６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（図示略）により接続される。
【００２０】
このように構成したパワーモジュール用基板３を製造するには、セラミックス基板２及び各金属層６，７をそれぞれ形成し、これらの接合表面を次のようにして活性化して接合する。
まず、セラミックス基板２及び一方の金属層６を図２に示す接合装置２１の真空チャンバ２２内に配置する。この接合装置２１は、真空チャンバ２２内に、水平なステージ２３と、このステージ２３の上方でステージ２３に対して離間接近する方向に駆動される上ラム２４とが備えられており、これらステージ２３の上面と上ラム２３の下端面とが対向配置され、これらの対向面に向けてイオンビームをそれぞれ照射するイオンビーム源２５が設けられている。
【００２１】
そして、ステージ２３上に例えばセラミックス基板２を載置するとともに、上ラム２４の下端面に金属層６を保持し、これらセラミックス基板２の上面と金属層６の下面とにイオンビームを照射することにより、これらの表面を浄化エッチングする。例えば、イオンビームの場合であると、アルゴンなどの不活性ガスが用いられ、印加電圧１．５ｋｅＶ程度のアルゴン原子ビームをセラミックス基板２及び金属層６の表面に１０分間程度照射することにより、セラミックス基板２及び金属層６に不安定で活性な表面が露出される。
そして、この活性化処理の後、その真空チャンバ２２内で上ラム２４を下降して、セラミックス基板２及び金属層６の活性化処理された表面どうしを重ね合わせることにより、これらを接合する。
【００２２】
次に、この金属層６を片面に接合したセラミックス基板２の反対面をステージ２３の上方に向けるようにして保持し、もう一方の金属層７を上ラム２４の下端面に保持し、同様にセラミックス基板２と金属層７との対向面にイオンビームを照射して表面浄化エッチングを施した後に、上ラム２４を下降して、セラミックス基板２に金属層７を接合する。
【００２３】
次いで、放熱層となる金属層７にヒートシンク５を接合する。この場合も、セラミックス基板２に接合された放熱層となる金属層７と、ヒートシンク５とを対向させた状態として、これらをステージ２３の上面と上ラム２４の下端面とに保持し、これらの対向面にイオンビームを照射して表面浄化エッチングを施した後に、上ラム２４を下降して、金属層７とヒートシンク５とのエッチングした面どうしを重ね合わせて接合する。
【００２４】
このようにしてセラミックス基板２の両面に金属層６，７を接合し、放熱層となる金属層７にヒートシンク５を接合したパワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２と金属層６，７とが、その界面に異種元素を介在させないで直接接合されており、強固に接合されるとともに、金属層７とヒートシンク５との間も異種元素が介在しないで直接接合され、強固に接合されている。
この場合に、セラミックス基板２への一方の金属層６の接合、他方の金属層７の接合、さらに金属層７とヒートシンク５との接合という３回の接合工程を経ることになるが、いずれの接合時にも加熱を伴わないので、後の接合工程が、それより前の工程でした接合部に悪影響を与えることがないとともに、この一連の接合処理において金属層６，７が加熱されないので、結晶粒が平均粒径０．５μｍ以下の微細組織のまま接合されている。
【００２５】
その後、回路層となる金属層６の上に電子部品４がはんだ付けされる。このはんだ付け作業は窒素と水素を混合した還元ガス雰囲気中で行われる。また、その後、大気中で電子部品４と金属層６との間でワイヤボンディングされる。
この一連の工程によってパワーモジュール１が完成する。
【００２６】
このようにして製造されたパワーモジュール１は、金属層６，７が微細組織となっていることから、金属層６，７の表面にしわが生じることが防止される。しかも、軟質の純アルミニウム金属であるから、ヒートシンク５との熱伸縮差に基づく応力を緩和することができ、接合部の信頼性を長期に維持することができる。
【００２７】
本発明の効果確認のために、アルミニウム純度が９９．９９ｗｔ％の金属層と、窒化アルミニウムのセラミックス基板とを接合したものに、Ａ６０６３のアルミニウム合金からなるヒートシンクを直接接合した、その接合に際しては、ヒートシンクと金属層との表面に印加電圧１．５ｋｅＶのアルゴン原子ビームを１０分間照射して、これらを接合した。また、比較例として、金属層にＡ６０６３のアルミニウム合金からなるヒートシンクをノコロックろう付け法により６００℃に加熱して接合したものも作製した。
いずれの場合も、セラミックス基板と金属層とは、印加電圧１．５ｋｅＶのアルゴン原子ビームを１０分間照射して直接接合したものを用いた。
【００２８】
これらの金属層は、回路層となる金属層が６００μｍ、放熱層としてヒートシンクに接合される金属層を１６００μｍの厚さとした。いずれも金属層の平均結晶粒径は０．５μｍ以下のものを用いた。その結晶粒径は、金属層の表面をバレット氏液（塩酸、硝酸、フッ酸の混合液）にてマクロエッチングし、その面積率を偏光顕微鏡を用いて評価した。具体的には、材料表面において、直線で切り取った各粒子の線分の長さと、一定の長さの線分で切り取られる粒子数から粒径を見積もる方法（インターセプト法）により求めた。
このようにして作製したパワーモジュール用基板について、回路層となる６００μｍの厚さの金属層に電子部品として半導体チップをはんだ付けにより接合した後、熱サイクル試験を実施した。熱サイクル試験としては、−４０℃から１２５℃の温度範囲で昇温と冷却とを３０００サイクル繰り返した。
【００２９】
試験後、電子部品と金属層との接合部及びセラミックス基板と金属層との接合部を断面観察した結果、実施例のものには特に異常は認められなかったが、比較例のものは、電子部品とのはんだ接合部における金属層の表面の一部に皺が認められ、特に、セラミックス基板と金属層とをろう付けしたものにおいて、皺の発生が顕著であった。
また、各金属層の平均結晶粒径を測定したところ、実施例のものは０．５μｍ以下で変化していなかったが、比較例のものは３．０μｍと大きくなっていた。
【００３０】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、本発明は、セラミックス基板と金属板との接合については、前述した直接接合するのが好ましいが、これらの間を通常のろう付けとすることを妨げるものではない。
【符号の説明】
【００３１】
１  パワーモジュール
２  セラミックス基板
３  パワーモジュール用基板
４  電子部品
５  ヒートシンク
６，７  金属層
８  はんだ接合層
１５  筒体
１６  流路
１７  縦壁
２１  接合装置
２２  真空チャンバ
２３  ステージ
２４  上ラム
２５  イオンビーム源
【図１】
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【図２】
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