(57)【要約】【課題】セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けしても、パワー素子搭載用ユニットを形成した際の反りの発生を抑え、熱サイクル信頼性の低下を抑制する。【解決手段】セラミックス板１１においてその表面に回路層１２がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路１３ａが形成された冷却器１３がろう付けされたパワー素子搭載用ユニット１４であって、回路層１２は、全体の平均純度が９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下のＡｌ合金により形成されるとともに、セラミックス板１１とのろう付け面１２ａ側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされ、かつこのろう付け面１２ａと反対の表面１２ｂ側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされている。【選択図】図１
2007329160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路が形成された冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットであって、
前記回路層は、全体の平均純度が９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下のＡｌ合金により形成されるとともに、前記セラミックス板とのろう付け面側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされ、かつこのろう付け面と反対の表面側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされていることを特徴とするパワー素子搭載用ユニット。
【請求項２】
請求項１記載のパワー素子搭載用ユニットにおいて、
前記ろう付け面側は、回路層においてこのろう付け面から前記反対の表面に向けて回路層の厚さの１０％以上５０％以下までに位置する部分とされ、残部が前記反対の表面側とされていることを特徴とするパワー素子搭載用ユニット。
【請求項３】
セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路が形成された冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットの製造方法であって、
セラミックス板の表面に、Ａｌ系のろう材箔と、Ｆｅを０．０５ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下含有する純度が９８．５ｗｔ％以上９９．９５ｗｔ％以下のＡｌ合金からなる回路層部材とをこの順に配置して積層体とした後に、
この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させて、セラミックス板の表面に回路層部材をろう付けすることにより、請求項１または２に記載のパワー素子搭載用ユニットを形成することを特徴とするパワー素子搭載用ユニットの製造方法。
【請求項４】
セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路が形成された冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットと、回路層の表面にはんだ接合されたパワー素子とを備えたパワーモジュールであって、
前記パワー素子搭載用ユニットが請求項１または２に記載のパワー素子搭載用ユニットであることを特徴とするパワーモジュール。
【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素子搭載用ユニットおよびパワー素子搭載用ユニットの製造方法並びにパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のパワーモジュールには、近年では、積層方向におけるトータル熱抵抗を低減させるために、例えば下記特許文献１および２に示されるように、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路が形成された冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットが備えられている。すなわち、セラミックス板の裏面に、他の部材を介在させずに直接、冷却器をろう付けすることによって、パワーモジュールのトータル熱抵抗を低減させている。
【特許文献１】特開平４−３６３０５２号公報
【特許文献２】特開２００４−１１５３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記従来のパワー素子搭載用ユニットでは、回路層と冷却器との曲げ剛性差が大きいので、セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けすると、このろう付け時に反りが生じ易くなり、このパワーモジュールを熱サイクル下で使用する過程において、セラミックス板にクラックが生じ易くなる等熱サイクル信頼性が低下するおそれがある。
【０００４】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けしても、このろう付け時の反りの発生を抑え、熱サイクル信頼性の低下を抑制することができるパワー素子搭載用ユニットおよびパワー素子搭載用ユニットの製造方法並びにパワーモジュール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】
【０００５】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワー素子搭載用ユニットは、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路が形成された冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットであって、前記回路層は、全体の平均純度が９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下のＡｌ合金により形成されるとともに、前記セラミックス板とのろう付け面側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされ、かつこのろう付け面と反対の表面側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされていることを特徴とする。
この発明によれば、回路層において、前記反対の表面側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされているので、この回路層全体の曲げ剛性を高めて冷却器の曲げ剛性との差を縮めることが可能になり、このパワー素子搭載用ユニットを形成する際のろう付け時に生ずる反り量を低減することができ、セラミックス板にクラックが生じ易くなる等熱サイクル信頼性が低下するのを抑制することができる。
一方、回路層において、ろう付け面側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされているので、熱サイクル時に、セラミックス板および回路層の各熱膨張係数の差に起因して、これらの接合界面に応力が生じようとした場合においても、回路層のろう付け面側を塑性変形させることによりこの応力を吸収させることが可能になる。これにより、前記接合界面に作用する応力を抑えることが可能になり、セラミックス板と回路層との接合信頼性を向上させることもできる。
なお、前記ろう付け面側に含まれるＦｅの濃度は、セラミックス板と回路層との界面の剥離進展率の観点から０．０５ｗｔ％以下であることが好ましい。
【０００６】
ここで、前記ろう付け面側は、回路層においてこのろう付け面から前記反対の表面に向けて回路層の厚さの１０％以上５０％以下までに位置する部分とされ、残部が前記反対の表面側とされてもよい。
この場合、前記の作用効果が確実に奏効されることになる。
【０００７】
また、本発明のパワー素子搭載用ユニットの製造方法は、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路が形成された冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットの製造方法であって、セラミックス板の表面に、Ａｌ系のろう材箔と、Ｆｅを０．０５ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下含有する純度が９８．５ｗｔ％以上９９．９５ｗｔ％以下のＡｌ合金からなる回路層部材とをこの順に配置して積層体とした後に、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させて、セラミックス板の表面に回路層部材をろう付けすることにより、本発明のパワー素子搭載用ユニットを形成することを特徴とする。
この発明では、前記積層体を積層方向に加圧してろう付けするので、セラミックス板の表面と回路層部材とを良好にろう付けすることが可能になり、回路層部材においてセラミックス板とのろう付け面側に含まれるＦｅを、前記接合界面で溶融しているろう材中に良好に溶解させることができる。したがって、回路層のろう付け面側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされ、かつこのろう付け面と反対の表面側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされたパワー素子搭載用ユニットを確実に形成することができる。
【０００８】
さらに、本発明のパワーモジュールは、セラミックス板においてその表面に回路層がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路が形成された冷却器がろう付けされたパワー素子搭載用ユニットと、回路層の表面にはんだ接合されたパワー素子とを備えたパワーモジュールであって、前記パワー素子搭載用ユニットが本発明のパワー素子搭載用ユニットであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けしても、パワー素子搭載用ユニットを形成した際の反りの発生を抑え、熱サイクル信頼性の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施形態に係るパワー素子搭載用ユニットを適用したパワーモジュールを示す全体図である。
このパワーモジュール１０は、セラミックス板１１においてその表面に回路層１２がろう付けされるとともに、裏面に内部に冷却水路１３ａが形成された冷却器１３がろう付けされたパワー素子搭載用ユニット１４と、回路層１２の表面にはんだ層１５を介してはんだ接合されたパワー素子１６とを備えている。
【００１１】
ここで、これらの各部材を形成する材質としては、例えば、セラミックス板１１ではＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等が挙げられ、冷却器１３では純Ａｌ若しくはＡｌ合金等が挙げられ、はんだ層１５では例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の無鉛系のはんだ材が挙げられる。また、セラミックス板１１と回路層１２および冷却器１３とをろう付けするろう材では、例えばＡｌ−Ｓｉ系等のＡｌ系のろう材が挙げられる。本実施形態では、Ｓｉを、１１．６ｗｔ％以下で、かつ回路層１２を形成する後述の回路層部材に含まれるＳｉの濃度より高い濃度含有するＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされている。なお、冷却器１３は、その全体が純Ａｌ若しくはＡｌ合金等により一体的に形成されており、例えば鋳造若しくは押出し成形により形成することができる。
【００１２】
そして、本実施形態では、回路層１２は、全体の平均純度が９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下のＡｌ合金により形成されるとともに、セラミックス板１１とのろう付け面１２ａ側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満で、かつこのろう付け面１２ａと反対の表面１２ｂ側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされている。また、ろう付け面１２ａ側は、回路層１２においてこのろう付け面１２ａから前記反対の表面１２ｂに向けて回路層１２の厚さの１０％以上５０％以下までに位置する部分とされ、残部が前記反対の表面１２ｂ側とされている。
【００１３】
ここで、回路層１２に含まれるＦｅの濃度は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）装置において加速電圧を１５ｋＶとし、かつ電流値を５×１０−８Ａとして、スポットサイズを３０μｍに設定し、回路層１２においてろう付け面１２ａ側および前記反対の表面１２ｂ側についてそれぞれ、任意の１０箇所で測定し、得られた測定値の平均値を算出した。
また、回路層１２全体の平均純度は、まず、回路層１２を、水、フッ化水素酸および硝酸がそれぞれ同量ずつ混入された水浴中（約１００℃）に浸して分解し、その後、この分解した試料を、ＩＣＰ−ＡＥＳ法（誘導結合プラズマ−発光分析法）を用いることにより測定した。
【００１４】
次に、以上のように構成されたパワー素子搭載用ユニット１４の製造方法について説明する。
まず、回路層１２と同形同大の回路層部材を形成する。ここで、回路層部材は、その全体の平均で、Ｆｅを０．０５ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下含有する純度が９８．５ｗｔ％以上９９．９５ｗｔ％以下のＡｌ合金からなっている。その後、セラミックス板１１の表面にろう材箔と回路層部材とをこの順に配置する。また、セラミックス板１１の裏面にろう材箔を介して冷却器１３を配置する。
以上より、セラミックス板１１において、その表面にろう材箔と回路層部材とがこの順に配置され、裏面に前記ろう材箔と冷却器１３とがこの順に配置された積層体を形成する。
【００１５】
そして、この積層体を、不活性雰囲気、還元雰囲気、または真空中（真空度１×１０−５Ｔｏｒｒ（１．３３×１０−３Ｐａ）以下）に置いて、積層方向に０．０９８ＭＰａ〜０．２９４ＭＰａで加圧した状態で、５７７℃以上６６０℃以下で加熱し、ろう材箔を溶融させることによって、セラミックス板１１の表面に回路層部材をろう付けにより接合して回路層１２を形成し、セラミックス板１１の裏面と冷却器１３とをろう付けにより接合してパワー素子搭載用ユニット１４を形成する。
【００１６】
以上説明したように、本実施形態によるパワー素子搭載用ユニット１４によれば、回路層１２において、前記反対の表面１２ｂ側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされているので、この回路層１２全体の曲げ剛性を高めて冷却器１３の曲げ剛性との差を縮めることが可能になり、このパワー素子搭載用ユニット１４を形成する際のろう付け時に生ずる反り量を低減することができ、セラミックス板１１にクラックが生じ易くなる等熱サイクル信頼性が低下するのを抑制することができる。
【００１７】
一方、回路層１２において、ろう付け面１２ａ側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされているので、熱サイクル時に、セラミックス板１１および回路層１２の各熱膨張係数の差に起因して、これらの接合界面に応力が生じようとした場合においても、回路層１２のろう付け面１２ａ側を塑性変形させることによりこの応力を吸収させることが可能になる。これにより、前記接合界面に作用する応力を抑えることが可能になり、セラミックス板１１と回路層１２との接合信頼性を向上させることもできる。なお、ろう付け面１２ａ側に含まれるＦｅの濃度が０．０５ｗｔ％以下であれば、このような作用効果が確実に奏効されることになる。
【００１８】
また、回路層部材とセラミックス板１１とをろう付けする際、前記積層体を積層方向に加圧するので、セラミックス板１１の表面と回路層部材との接合界面に酸化膜が形成されるのを防ぐことが可能になり、回路層部材においてセラミックス板１１とのろう付け面側に含まれるＦｅを、前記接合界面で溶融しているろう材中に良好に溶解させることができる。したがって、回路層１２のろう付け面１２ａ側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされ、かつこのろう付け面１２ａと反対の表面１２ｂ側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされたパワー素子搭載用ユニット１４を確実に形成することができる。
【００１９】
さらに、回路層部材とセラミックス板１１とを接合するろう材箔に含まれるＳｉの濃度が、回路層部材に含まれるＳｉの濃度よりも高くなっているので、ろう付け時の加熱により回路層部材におけるＳｉの限界固溶量が増大することと相俟って、溶融したろう材に含まれるＳｉを、回路層部材の内部に向けてろう付け面側から拡散させることが可能になり、回路層部材において、ろう付け面側に含まれるＳｉの濃度を、前記反対の表面側よりも高めることができる。これにより、ろう付け面側におけるＦｅの限界固溶量が、前記反対の表面側よりも小さくなるので、ろう付け面側に含まれるＦｅの濃度を前記反対の表面側よりも低くすることが可能になる。したがって、前述のように、回路層部材においてセラミックス板１１とのろう付け面側に含まれるＦｅを、前記接合界面で溶融しているろう材中に良好に溶解させることが可能になることと相俟って、前記のパワー素子搭載用ユニット１４をより一層確実に形成することができる。
【００２０】
また、本実施形態では、冷却器１３の全体が純Ａｌ若しくはＡｌ合金等により一体的に形成されているので、この冷却器１３の構造を複雑にすることなく、パワー素子搭載用ユニット１４を形成することが可能になり、その製造コストの増大を抑えることができるとともに、このパワー素子搭載用ユニット１４を備えるパワーモジュール１０の積層方向におけるトータル熱抵抗を確実に低減することができる。
【００２１】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、回路層部材は、母材を打ち抜いて形成したり、あるいはいわゆるエッチング法により形成してもよい。また、前記実施形態では、はんだ層１５のはんだ材として、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の無鉛系のはんだ材を示したが、これに限らず、Ｐｂを含むはんだ材、例えばＰｂＳｎ系のはんだ材を採用してもよい。
【００２２】
また、前記実施形態では、パワーモジュール１０として、回路層１２の表面にはんだ層１５を介してパワー素子１６が接合された構成を示したが、これに代えて、例えば、図２に示されるように、回路層１２とパワー素子１６との間に、純Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｍｏ系合金、若しくはＣｕ−Ｃ等の複合材料からなるヒートスプレッダ１７を設けてもよい。この場合、パワー素子１６で発生した熱を、積層方向に直交する面方向に沿って拡散させつつ積層方向に伝導させることが可能になる。
【００２３】
次に、この製造方法についての具体的な実施例について説明する。
まず、材質については、回路層部材および冷却器１３を、Ｆｅを約０．３ｗｔ％含有する純度が９９．５ｗｔ％のＡｌ合金、回路層１２とセラミックス板１１とを接合するろう材をＡｌ−Ｓｉ系（Ａｌが９２．５ｗｔ％、Ｓｉが７．５ｗｔ％）、セラミックス板１１をＡｌＮによりそれぞれ形成した。厚さについては、回路層１２を約０．８ｍｍ、ろう材箔を約３０μｍ、セラミックス板１１を約０．６３５ｍｍとした。なお、回路層１２は平面視四角形とされ、縦および横の寸法をそれぞれ、約１７ｍｍとした。また、セラミックス板１１も平面視四角形とされ、縦および横の寸法をそれぞれ、約２０ｍｍとした。
【００２４】
さらに、冷却器１３は、全体の高さ、すなわちセラミックス板１１の裏面がろう付けされる表面と、この表面と反対側の裏面との距離Ａが約２．５ｍｍとされるとともに、全体の幅Ｂが約２１．２５ｍｍとされ、さらに、全体の長さ、すなわち冷却水路１３ａが延在する方向（図１の紙面の奥行き方向）の大きさを約６０ｍｍとした。また、平面視四角形の各冷却水路１３ａでは、冷却器１３の高さ方向の大きさＣを約１．５ｍｍにし、冷却器１３の幅方向の大きさＤを約１．２５ｍｍにした。そして、これらの各冷却水路１３ａを、冷却器１３の表裏面からそれぞれ約０．５ｍｍ離した前記高さ方向中央部に形成し、また、冷却器１３の幅方向で隣合う冷却水路１３ａ同士の距離Ｅを約１ｍｍとした。
そして、前記積層体を６００℃〜６５０℃の真空中（真空度１×１０−５Ｔｏｒｒ（１．３３×１０−３Ｐａ）以下）に置いて、約１時間、積層方向に０．０９８ＭＰａ〜０．２９４ＭＰａで加圧して、パワー素子搭載用ユニット１４を形成した。
【００２５】
以上により形成された回路層１２において、電子マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用い、ろう付け面１２ａ側の領域と前記反対の表面１２ｂ側の領域とを判定した。具体的には、回路層１２を切断し、その断面のろう付け面１２ａから反対の表面１２ｂに向かって、加速電圧１５ｋＶ、電流値５×１０−８Ａ、スポットサイズ１μｍ、１点測定時間５秒、移動間隔１μｍの条件でＥＰＭＡの線分析を行った。その結果を図３に示す。
この図により、ろう付け面１２ａから反対の表面１２ｂに向かって０．１５ｍｍまでの領域（回路層１２の厚さの約２５％に相当）ではＦｅの濃度が低くなっており、それより反対の表面１２ｂ側ではＦｅの濃度が高い領域になっていることが確認される。
そして、回路層１２のろう付け面１２ａ側、および反対の表面１２ｂ側の各Ｆｅ濃度は、加速電圧１５ｋＶ、電流値５×１０−８Ａ、スポットサイズ３０μｍの条件でＥＰＭＡを用いて、ろう付け面１２ａ側、および反対の表面１２ｂ側のそれぞれについて、任意の１０箇所で測定し、その平均値を算出することによって求めた。
【００２６】
次に、以上説明した作用効果についての検証試験を実施した。
回路層を形成する回路層部材において、Ａｌの純度、厚さおよびＦｅの濃度の少なくとも１つを異ならせて８種類のパワー素子搭載用ユニットを形成し、各パワー素子搭載用ユニットの回路層において、ろう付け面側に含まれるＦｅの濃度、前記反対の表面側に含まれるＦｅの濃度、ろう付け面側の厚さ、および前記反対の表面側の厚さの少なくとも１つを異ならせた。そして、これらのパワー素子搭載用ユニットそれぞれの回路層の表面に、同一の性能を有するＳｉチップをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の無鉛はんだではんだ接合したものを、−４０℃から１０５℃に約３分間で昇温した後、１０５℃から−４０℃に１０分間で降温する温度履歴を１サイクルとした熱サイクルを２０００サイクル付与した。
【００２７】
その後、各パワー素子搭載用ユニットを５箇所、積層方向に切断し、それぞれの切断面を研磨した後、この切断面を超音波映像装置（１４０ＭＨｚプローブ）を用いて撮像し、この切断面において、セラミックス板および回路層の接合界面の全長および剥離進展長さをそれぞれ測定した。そして、前記接合界面の全長に対する剥離進展長さの比率、つまり剥離進展率の平均値を算出した。また、同様にして、前記切断面において、セラミックス板および冷却器の接合界面の全長と剥離進展長さとをそれぞれ測定し、この接合界面における剥離進展率の平均値を算出した。
ここで、剥離進展率が５％を超えたものを×とし、２％以上５％以下のものを○とし、さらに２％未満のものを◎として評価した。
なお、前記８種類のパワー素子搭載用ユニットにそれぞれＳｉチップをはんだ接合する前に、予め、各パワー素子搭載用ユニットに生じている反り量を測定し、反り量が１００μｍ以上のものを×、１００μｍ未満のものを○として評価した。
結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
2007329160.tif 000003
【００２９】
この結果、回路層１２が、その全体の平均純度が９８．０ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％以下のＡｌ合金により形成されるとともに、セラミックス板１１とのろう付け面１２ａ側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％未満とされ、かつこのろう付け面１２ａと反対の表面１２ｂ側に含まれるＦｅの濃度が０．１ｗｔ％以上とされていれば、パワー素子搭載用ユニット１４を形成する際のろう付け時に発生する反り量が抑えられ、しかも前記の温度サイクルを２０００サイクル付与しても、前記各剥離進展率が抑えられ、前記の作用効果が奏効されることが確認された。なお、表１に記載はしていないが、実施例のパワーモジュール１０では、前記温度サイクルを付与してもセラミックス板１１にクラックが発生しなかったことも確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
セラミックス板の裏面に冷却器を直接ろう付けしても、パワー素子搭載用ユニットを形成した際の反りの発生を抑え、熱サイクル信頼性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の一実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】この発明の他の実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。
【図３】図１に示す回路層の厚さ方向におけるＦｅの濃度分布の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  パワーモジュール
１１  セラミックス板
１２  回路層
１２ａ  ろう付け面
１２ｂ  反対の表面
１３  冷却器
１４  パワー素子搭載用ユニット
１５  はんだ層
１６  パワー素子
【図１】
2007329160.tif 000004
【図２】
2007329160.tif 000005
【図３】
2007329160.tif 000006