(57)【要約】【課題】  放熱部材接合面側の熱応力を緩和し、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備える半導体基板及び半導体モジュールを得る。【解決手段】  一方の面が半導体部品搭載面となり、他方の面が放熱部材接合面となるセラミックス基板およびこれを用いた半導体モジュールであって、放熱部材接合面には、基板側から銅層、Ｓｎ−Ａｇ−Ａｌ系、はんだ接合層、アルミニウム層を形成したものである。好ましくは、はんだ接合層は、質量％でＡｇ１０％以下、Ａｌ５％以下、残部実質的にＳｎのはんだが接合された層とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面が半導体部品搭載面となり、他方の面が放熱部材接合面となるセラミックス基板であって、放熱部材接合面には、基板側から銅層、Ｓｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層、アルミニウム層が形成されていることを特徴とするセラミックス基板。
【請求項２】
Ｓｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層は、質量％でＡｇ１０％以下、Ａｌ５％以下、残部実質的にＳｎのはんだが接合された層であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス基板。
【請求項３】
前記銅層のＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層側面にニッケル層を配置したことを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックス基板。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のセラミックス基板を具備し、前記半導体部品搭載面に半導体部品が搭載され、前記放熱部材接合面に配置したアルミニウム層と放熱部材が接合されていることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に大電力で動作する半導体部品を搭載するためのセラミックス基板とこれを用いた半導体モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（例えばＩＧＢＴモジュール）が用いられている。こうした半導体モジュールにおいては、半導体チップが自己の発熱によって高温になるため、その放熱を効率よく行なうという機能が要求される。このため、この半導体モジュールにおいて、半導体チップを搭載する基板としては、機械的強度が高く、熱伝導率の高いセラミックス基板が用いられている。そしてこのセラミックス基板としては、両面に金属層が予めを形成されたものが使用されている。この金属層は、一方は回路として、他方は放熱板として機能させることが多く、熱伝導性と導電性とを兼ね備えた銅を用いることが多い。
【０００３】
具体的には半導体モジュールを含む機器がＯＮの場合には半導体チップが高温となり、ＯＦＦの場合には常温となる。さらに、寒冷地においては−２０℃程度の厳寒な条件にも至ることもある。従って、この半導体モジュールは、多数回の冷熱サイクルにさらされるため、半導体モジュールを構成する材料の熱膨張係数差によって生じる熱応力の制御が必要不可欠である。
基板と回路間で発生する熱応力による悪影響を緩和する手法としては、たとえば特許文献１に記載されるように基板上の回路を形成する導体をアルミニウム／銅／アルミニウムの構造とする提案がなされている。これはヤング率の低いアルミニウムによって、熱応力を吸収しようとするものである。
【特許文献１】特開２００１−１８５８２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体モジュールの熱応力の問題は、回路が形成される半導体部品搭載面側だけではなく、放熱部材接合面側にも存在する。すなわち、セラミックス基板に放熱部材を接合しようとするとき、放熱部材とセラミックス基板との熱膨張特性の差により熱応力が発生し、放熱部材とセラミックス基板との接合層の信頼性を低下させるのである。
詳しく説明すると、半導体モジュールを構成する半導体チップに合わせた熱膨張特性が、セラミックス基板には求められる。例えば、一般的な半導体チップを構成するシリコンの熱膨張係数は３．０×１０−６／Ｋ程度であり、これに適合するようにセラミックス基板には、２．５×１０−６／Ｋ程度の窒化珪素あるいは４．５×１０−６／Ｋ程度の窒化アルミニウムが用いられる。
【０００５】
セラミックス基板に接続される放熱部材としても、銅・モリブデン或いは銅・タングステン等の、熱膨張係数が１０×１０−６／Ｋ前後というの低熱膨張材が用いられている。セラミックス基板の熱膨張係数と比較的一致した材料を用いられている。
しかし、放熱部材とセラミックス基板との熱膨張特性は完全に一致するものではないため、少なからず熱応力が発生する。
また、このような複合材からなる放熱部材は、その熱伝導率が高々２００Ｗ／ｍ・Ｋと低いこと、比重が大きくモジュール重量が大きくなってしまうこと、更にはモリブデン、タングステン等の希少金属を使用するため、コスト高となる等の課題を有している。
一方、放熱部材として、省資源、コストの点から有利な熱伝導率の高い純銅等を適用しようとすると、熱膨張率が大きいため熱応力の発生は極めて大きな問題となる。
【０００６】
本発明者は、このような問題に鑑み、放熱部材接合面側の熱応力を緩和する目的で、ヤング率の低いアルミニウム層を放熱部材との間に介在させることを試みた。
まず、特許文献１に示されるアルミニウム／銅の構造を採用するため、熱間圧延による拡散接合した複合材を配置することを検討した。しかしながら、セラミックス基板との接続に必要な５００℃程度の温度にさらされると銅とアルミニウムからなる化合物層が形成され、この化合物層は極めて脆いため、本方法においても半導体モジュールの信頼性を大幅に改善させるには問題があると認識した。
本発明の目的は、放熱部材接合面側の熱応力を緩和できる新しい構造のセラミックス基板とこれを用いた半導体モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、放熱部材接合面側の熱応力を緩和できる構造として、拡散接合した銅とアルミニウムの複合体ではなく特定のはんだで銅とアルミニウムを接合した構造のセラミックス基板とすることにより、放熱性と応力緩和性を高い接続信頼性の下で両立できることを見出し本発明に到達した。
【０００８】
すなわち、本発明は、一方の面が半導体部品搭載面となり、他方の面が放熱部材接合面となるセラミックス基板であって、放熱部材接合面には、基板側から銅層、Ｓｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層、アルミニウム層が形成されているセラミックス基板である。
本発明における、Ｓｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層は、質量％でＡｇ１０％以下、Ａｌ５％以下、残部実質的にＳｎのはんだが接合された層であることが望ましい。
また、本発明においては、前記銅層のＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層側面にニッケル層を配置することもできる。ここで、元素記号での表記は、構成要素中における特定の元素の存在を示すものとして用いている。
【０００９】
また、本発明の半導体モジュールは上記セラミックス基板を具備し、前記半導体部品搭載面に半導体部品が搭載され、前記放熱部材接合面に配置したアルミニウム層上に放熱部材が接合されている半導体モジュールである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、セラミックス基板の放熱部材接合面側の熱応力を緩和する有効な手段となるため、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備える半導体モジュールを得るために極めて有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
上述したように、本発明の重要な特徴は、放熱部材接合面側の熱応力を緩和できる構造として、セラミックス基板側から銅層、Ｓｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層、アルミニウム層を形成したことにある。
一般に使用されているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系無鉛はんだを使用すると、アルミニウム表面に存在する酸化皮膜によりはんだが濡れにくく、銅層とは接合するもののアルミニウム層との接合強度が十分に得られない。
これに対して本発明は、銅と接合信頼性の高いＳｎ−Ａｇ系はんだに、さらにＡｌを含有させたＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだを用いることで、熱応力を緩和するアルミニウム層との接続に対して、高い信頼性を確保できるものである。
【００１２】
以下に、まず、本発明に適用するＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層を形成するＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだについて詳しく説明する。
まず、本発明におけるはんだの基本組成は、Ｓｎ−Ａｇ系である。Ｓｎ−Ａｇにより基本的なはんだとしての液相線温度を調整する。また、Ａｇは耐熱疲労特性改善に著しい効果がある元素である。
Ａｇは含有量が多いと液相線温度が高くなるため、３５０℃以下ではんだ付けをするためのはんだ組成としては、Ａｇが１０質量%以下であることが望ましい。
【００１３】
そして、本発明において重要なのはＳｎ−Ａｇ系はんだにＡｌを含有させたＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだを用いることである。はんだ中のＡｌは酸化活性が高いため、熱応力を緩和するアルミニウム層に表面酸化皮膜が存在していても、接合強度を確保できるものとなる。好ましくは、はんだ中のＡｌの含有量は、０．０１質量％以上とする。さらに接合強度を求めるためには、０．１質量％以上であることが望ましい。
なお、はんだ中のＡｌの含有が多過ぎると接合中に酸化が進行しやすくなり、接続界面に酸化物が介在し、接合強度が得られにくくなる。そのため、好ましいはんだ中のＡｌ量は、５質量%以下である。また、Ａｌの含有量が多いと塗付時の粘性が高くなり塗付性悪くなることからＡｌの含有量は、１質量%以下とすることがより望ましい。
【００１４】
本発明は、上述したように、はんだ中にＡｌを存在させることにより、特定のセラミックス基板において問題となっていたアルミニウム層との接合信頼性を高めることができたことに基づくものである。そのため本発明においては、上述したＳｎ、Ａｇ、Ａｌの効果が得られる限り、不可避的不純物を含め、基本構成元素である、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ以外の元素がはんだ中に存在していても良い。
なお、環境面からすれば、不可避的不純物としてのＰｂは０．１質量％以下であることが好ましい。
また、本発明では、上述したはんだを用いてＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層を形成する。はんだ接続層には、はんだと接合される材料との間で、接合に伴う拡散層、あるいは化合物層が存在していても良い。
【００１５】
以下、本発明を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明のセラミックス基板の一例を示す図であり、図２は、図１のセラミックス基板を用いた半導体モジュールの一例を示す図である。
図１において、セラミックス基板１は、セラミックス板２の一方の面である半導体部品搭載面には回路を形成した金属層３が形成されており、他方の面には基板側から銅層４、Ｓｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層５、アルミニウム層６が形成されている。また金属層３および銅層４とセラミックス板２とはロウ材７で接合する構造としている。
【００１６】
本発明において適用するセラミックス基板に使用するセラミックスの種類は限定しない。好ましいセラミックスは、高い熱伝導率、絶縁性、および機械的強度の点から選択される。たとえばアルミナや窒化珪素を使用することができる。中でも、熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ程度以上、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度以上、破壊靱性値が５．５ＭＰａ・ｍ１／２程度以上である窒化珪素が好ましい。
熱伝導率９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度以上を有する窒化珪素ならば、強度確保のために厚みを２倍程度とした熱伝導率１８０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度が３５０ＭＰａを有する一般的な窒化アルミニウムと、同等の熱伝導性および３点曲げ強度となる。さらに破壊靭性値が５．５ＭＰａ・ｍ１／２以上を有する窒化珪素基板は初期クラックの進展速度が著しく低下し、その結果、セラミックス基板の信頼性および冷熱サイクル後の絶縁性は向上する。
【００１７】
本発明で使用する銅層４は、必ずしも純銅である必要はなく、熱伝導性、耐食性等の観点から適宜選択される合金であっても構わない。但し、銅層としては、合金の形成や、結晶粒が微細化するほど熱伝導性の低下する傾向があり、熱伝導性の観点から、少なくとも銅が５０質量％以上を有する銅合金が望ましく、もっとも好ましくは優れた熱伝導性を有し、純度が高い無酸素銅が好ましい。銅層としては、たとえば電解銅板や圧延銅板を用いることができる。
【００１８】
本発明で使用するアルミニウム層５は、必ずしも純アルミニウムである必要はなく、熱伝導性、耐食性等の観点から適宜選択される合金であっても構わない。但し、アルミニウム層としては、熱伝導性の観点から、少なくともアルミニウムが５０質量％以上は必要であり、熱伝導性およびヤング率の観点から質量９９％以上のＪＩＳ規定で１０００系と表記される純アルミニウムであることが好ましい。アルミニウム層としては、たとえば圧延アルミニウム板を用いることができる。
【００１９】
図１に示す例では、金属層３および銅層４をセラミックス板２に接合するために、ロウ材７を用いている。本発明では金属層３および銅層４を配置する方法は問わないが、ロウ材を使用するのが最も容易である。具体的には、Ｔｉを含有するＡｇ−Ｃｕ系活性ロウ材などを使用できる。このロウ材自体が、熱伝導性の低下の要因となることが無いようできるだけ薄いことが望ましい。好ましくは５０μｍ以下である。
【００２０】
図１に示す例では、金属層３に回路を形成した例を示したが、セラミックス基板として、流通する場合には、必ずしも回路形成までは必要ではない。
金属層３としては、必要な特性に合わせて適宜選択できるが、熱伝導性、耐食性、導電性、及び製造性の観点から、放熱部材接合面に形成したのと同様な銅層であることが望ましい。
なお、回路形成する場合は、金属層３はレジスト塗布−エッチング工程により回路を形成することができる。
【００２１】
本発明においては、銅層４とアルミニウム層６の間に上述したＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだを配置して、接合を行いＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層５を形成するものであるが、銅層４に対してよりはんだ接合性を改善するため、ニッケル層を配置しても良い。このニッケル層は、めっきの工程簡略化および低コスト化の観点から、リンが１５％以下のニッケル−リン層が無電解めっきにより形成することが好ましい。ただし、必ずしも無電解ニッケル−リンめっきで形成する必要は無く、例えば、リンの代わりにボロンやコバルトが含まれる無電解めっき、あるいは電解ニッケルめっきでニッケル層が形成されていても構わない。
【００２２】
次に図２に示す半導体モジュールについて説明する。
図２においては、回路を形成した金属層４上に、半導体チップ８に接続される。半導体チップ８と回路を形成した金属層３、並びにアルミニウム層と放熱部材９とは、適当なはんだもしくはロウ材によって接合される。このとき、半導体モジュールとしての信頼性確保のため、使用するはんだ及びロウ材の融点等を適宜選択することが好ましい。環境保全の観点からＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだなどのＰｂフリーはんだが望ましいが、これに限定されるものではない。
本発明は、アルミニウム層により熱応力が緩和されるため、放熱部材は低熱膨張材料に限定されず、材料としてたとえば純銅、各種銅合金など使用することも可能である。
【実施例】
【００２３】
セラミックス板２として窒化珪素セラミックス、熱伝導率９５Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度７５０ＭＰａ、破壊靱性値６．２ＭＰａ・ｍ１／２、基板サイズ５０×３０×０．３２ｍｍを用いて、図１に示すセラミックス基板１を作製し、次いでこれを用いて図２に示す半導体モジュールを作製した。以下詳しく説明する。
まず、窒化珪素セラミックス両面に活性金属ロウ材７として、Ｔｉが添加されたＡｇ−Ｃｕ系活性金属ロウ材を印刷塗布した。次に、無酸素銅として図１の金属層３に対応する部分に５０×３０×０．６ｍｍを用い、図１の銅層４側に５０×３０×０．５ｍｍを配置し、７８０℃の温度で真空雰囲気下で加圧しながら加熱接合し、銅層４と金属層３を得た。
【００２４】
その後、金属層３上にレジストパターンを形成し、塩化第二鉄溶液でエッチング処理を施して、金属層３に回路パターンを金属層に形成した。
また、露出した不要なロウ材層７のエッチングは、過酸化水素とフッ化アンモニウムとの混合溶液によって行った。
次いで、表１に示す本発明に適用するＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだを用いて銅層４とアルミニウム層となる４８×２８×１．０ｍｍのアルミニウム板を接合し、Ｓｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層５並びにアルミニウム層６を得た。なお、一部の試料には、銅層４上にニッケル−リンめっきを施しめっき層を形成した後にはんだ接合層を形成した。
【００２５】
具体的には、まず、アルミニウム板を３２０℃に加熱し、はんだを塗付するとともに、銅層側を２６０℃に加熱した状態で同様のはんだを塗付した。その後、アルミニウム板と銅層を重ねて接合した。冷却はセラミックス基板の反りを抑制するために、１ｋｇｆで接合層を加圧しながら２００℃まで徐冷し、その後室温まで無荷重で冷却した。
図示しないが、耐食性の観点から、金属層３およびアルミニウム層６にニッケル−リンめっきを施しセラミックス基板１を得た。
【００２６】
本発明のセラミックス基板の信頼性を評価するため、ピール試験を行った。ピール試験は、セラミックス基板を作製するのと同じ接合条件で、１０×２０×０．２ｍｍの銅板を５０×２０×１ｍｍのアルミニウム板上に接続した試験片を作製し、銅板を一部剥離させた後、接合強度を測定することにより実施した。結果を表１に示す。また、代表的な接合部分の組織として試料１および試料２の走査型電子顕微鏡によるミクロ組織写真を図３および図４にそれぞれ示す。また、比較例としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを用いた場合を結果も表１に示す。
【００２７】
表１に示すように、Ｓｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層を形成したセラミックス基板は、ハンドリングによって剥離しない接合強度が得られることが確認できた。一方、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを用いた場合は、アルミニウム板上ではんだが濡れずセラミックス基板を作製することができなかった。同様にピール試験も行うことができなかった。
【００２８】
また、本発明に適用したＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだのうち、Ａｌの量の多いはんだを使用した場合は、半導体基板を作製することはできたが、ピール試験時の取り扱いでアルミニウム板との界面で剥離が発生し、接合強度の測定ができなかった。このことから、はんだ中のＡｌの過度の含有は接合強度を低下させる傾向があることが確認された。
本発明に適用したＡｌ含有量が０．３質量％のはんだを用いた場合においては、いずれもピール試験が実施できる強度を有し、ピール試験においては、アルミニウム板の界面で剥離が発生した。この時の試験では、実施例の２つ試料では接合強度にばらつきがあることが確認され、接合条件等による影響によるものと推定された。
【００２９】
また、本発明のセラミックス基板を用いて、金属層３と半導体チップ８としてのシリコンチップとを、またアルミニウム層６と放熱部材９として１００×６０×５ｍｍの銅板とを、Ｓｎ−４０質量％Ｐｂはんだを用いて２２０℃の温度で同時にはんだ付けを行なうことで、図２に示す本発明の半導体モジュールを得ることができた。
【００３０】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明のセラミックス基板の構成の一例を記す断面図である。
【図２】本発明の半導体モジュールの構成の一例を示す断面図である。
【図３】本発明におけるＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層の接合状態の金属ミクロ組織の一例を示す走査型顕微鏡写真である。
【図４】本発明におけるＳｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層の接合状態の金属ミクロ組織の別の例を示す走査型顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００３２】
１．セラミックス基板、２．セラミックス板、３．金属層、４．銅層、
５．Ｓｎ−Ａｇ−Ａｌ系はんだ接合層、６．アルミニウム層
７．ロウ材、８．半導体チップ、９．放熱部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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