特許 6507722 パワーモジュール用基板の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6507722

(24)【登録日】2019年4月12日

(45)【発行日】2019年5月8日

(54)【発明の名称】パワーモジュール用基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/12 20060101AFI20190422BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20190422BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/12 D

   H01L23/36 C

   H01L23/12 J

【請求項の数】2

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-44063(P2015-44063)

(22)【出願日】2015年3月5日

(65)【公開番号】特開2016-163035(P2016-163035A)

(43)【公開日】2016年9月5日

【審査請求日】2017年9月29日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101465

【弁理士】

【氏名又は名称】青山 正和

(72)【発明者】

【氏名】北原 丈嗣

(72)【発明者】

【氏名】大井 宗太郎

【審査官】 黒田 久美子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１４７３１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３５３９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０５９８３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１７７０３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１３５７８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／１２

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／４７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化珪素からなるセラミックス基板の両面に、アルミニウムシリコン系ろう材を介して、厚さ０．０７５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の純度９９質量％以上の純アルミニウムからなる第１アルミニウム板をそれぞれ積層するとともに、これら第１アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の表面にアルミニウムシリコン系ろう材を介して厚さ０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の純度９９質量％以上の純アルミニウムからなる第２アルミニウム板をそれぞれ積層し、これらの積層体を加圧加熱し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。

【請求項2】

前記第２アルミニウム板は、アルミニウム純度が９９．９９質量％以上であ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の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

車載用パワーモジュールには、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板の上に金属板が積層されたパワーモジュール用基板が用いられる。この金属板は、セラミックス基板の両面に積層され、その一方が回路層となり、他方が放熱層となる。回路層には銅板又はアルミニウム板が用いられ、放熱層にはアルミニウム板が用いられるのが一般的である。

【0003】

例えば、特許文献１及び特許文献２には、セラミックス基板の一方の面に銅板が接合され、他方の面にはアルミニウム板が接合されたパワーモジュール用基板が開示されている。
また、セラミックス基板には、窒化アルミニウムや窒化珪素などの窒化物、アルミナなどの酸化物が用いられるが、窒化珪素からなるセラミックス基板は、アルミニウムとの接合体に多用されている窒化アルミニウムに比べて、機械的強度が高いため、回路層に厚い銅を用いて高剛性のパワーモジュールとして使用することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００３−１９７８２６号公報

【特許文献2】特開２０１３‐２２９５７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、金属層にアルミニウムを用いるパワーモジュール用基板においても、この窒化珪素基板を用いることにより剛性を高めることができ、薄肉化を図ることができると考えられる。しかしながら、窒化珪素の場合、窒化アルミニウムやアルミナに比べ、アルミニウムシリコン（Ａｌ−Ｓｉ）箔を用いてアルミニウム板を接合すると、その接合界面にボイドが発生し易いという問題がある。

【0006】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、窒化珪素からなるセラミックス基板に対するアルミニウム板の接合性を高めて、剛性の高いパワーモジュール用基板を製造することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、窒化珪素からなるセラミックス基板の両面に、アルミニウムシリコン系ろう材を介して、厚さ０．０７５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の純度９９質量％以上の純アルミニウムからなる第１アルミニウム板をそれぞれ積層するとともに、これら第１アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の表面にアルミニウムシリコン系ろう材を介して厚さ０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の純度９９質量％以上の純アルミニウムからなる第２アルミニウム板をそれぞれ積層し、これらの積層体を加圧加熱して接合する。

【0008】

窒化珪素からなるセラミックス基板は柱状粒が重なり合った隙間の多い表面を有しており、表面には焼結助剤相とともに酸化珪素相が存在している。この窒化珪素からなるセラミックス基板とアルミニウム板とをアルミニウムシリコン系ろう材を介して加圧加熱するだけでは、ろう材中のシリコンがセラミックス基板とアルミニウム板との界面から短時間でアルミニウム板に拡散して、界面付近のアルミニウム板の一部を溶融し、この溶融アルミニウムが次式のようにセラミックス基板の酸化珪素（ＳｉＯ_２）と反応して、一酸化珪素（ＳｉＯ）のガスを生じさせ、これがボイドとなって接合を阻害する。
２Ａｌ＋３ＳｉＯ_２ → Ａｌ_２Ｏ_３＋３ＳｉＯ

【0009】

本発明では、セラミックス基板に接合される第１アルミニウム板にさらに第２アルミニウム板を積層して、その間にもアルミニウムシリコン系ろう材を介在させるので、これら両アルミニウム板の間に介在させたアルミニウムシリコン系ろう材が溶融して、そのシリコン成分が第１アルミニウム板中に拡散することにより、セラミックス基板と第１アルミニウム板との間のアルミニウムシリコン系ろう材中のシリコン成分の第１アルミニウム板中への拡散速度が抑えられる。このため、セラミックス基板と第１アルミニウム板との界面付近のシリコン濃度が高い状態に維持され、その結果、アルミニウム板の溶融が抑えられることから、ボイドの発生が防止されるとともに、ろう材の液相の範囲が十分に広がってセラミックス基板と第１アルミニウム板とを確実に接合することができる。

【0010】

第１アルミニウム板が薄すぎると、ろう材の液相中に第１アルミニウム板が溶融することにより大量の液相が発生することとなり、第２アルミニウム板の表面上に、周囲から液相が回り込むことにより、ろうシミとなるおそれがある。厚過ぎると、セラミックス基板と第１アルミニウム板との界面付近のシリコン濃度を高い状態に維持することができにくくなり、ボイドが発生するおそれがある。すなわち、第１アルミニウム板と第２アルミニウム板の間にアルミニウムシリコン系ろう材を介在させる効果が小さくなる。
このため、第１アルミニウム板の板厚は０．０７５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下とされている。

【0011】

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記第２アルミニウム板は、アルミニウム純度が９９．９９質量％以上であるとよい。

【0012】

アルミニウム板に不純物が多く含まれていると、その不純物成分とアルミニウムとの析出物（例えばアルミニウム鉄化合物）が粒界に析出し、その析出物にシリコンが反応してアルミニウムを部分的に溶融し、これが表面に達して、第１アルミニウム板が薄すぎる場合と同様にろうシミ発生の原因となり易い。アルミニウム板の純度を９９．９９質量％以上とすることにより、粒界の析出物を少なくしてろうシミ発生を防止することができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、窒化珪素からなるセラミックス基板に対するアルミニウム板の接合性を高めて、剛性の高いパワーモジュール用基板を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明のパワーモジュール基板の一実施形態を示す断面図である。

【図2】一実施形態のパワーモジュール用基板の製造途中の状態を示す断面図である。

【図3】本発明の製造方法に用いる加圧装置の例を示す正面図である。

【図4】実施例のアルミニウム板の断面におけるＥＰＭＡ分析図である。

【図5】比較例のアルミニウム板の断面におけるＥＰＭＡ分析図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示す一実施形態のパワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板２０の一方の面に回路層３０が接合され、他方の面に放熱層４０が接合されている。そして、このパワーモジュール用基板１０の回路層３０の表面に半導体素子５０が搭載され、放熱層４０にはヒートシンク６０が接合される。

【0018】

セラミックス基板２０は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなり、厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。

【0019】

回路層３０及び放熱層４０は、図２に製造途中の状態を示したように、それぞれ２枚のアルミニウム板３１，３２，４１，４２を接合してなるものである。それぞれ、セラミックス基板２０側から第１アルミニウム板３１，４１、第２アルミニウム板３２，４２とする。いずれのアルミニウム板３１，３２，４１，４２とも、純度９９．９９質量％以上の純アルミニウム（ＪＩＳ規格では１Ｎ９９）からなり、その板厚は、第１アルミニウム板３１，４１が０．０７５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下、第２アルミニウム板３２，４２が０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。これらアルミニウム板３１，３２，４１，４２は、両者の間にシリコンアルミニウム系ろう材（以下、単にろう材という場合もある）７０を介して一体に接合されて回路層３０又は放熱層４０を形成している。

【0020】

以下、各アルミニウム板３１，３２，４１，４２を区別する場合には、回路層３０に用いられる２枚のアルミニウム板を回路層用第１アルミニウム板３１、回路層用第２アルミニウム板３２とし、放熱層４０に用いられる２枚のアルミニウム板を放熱層用第１アルミニウム板４１、放熱層用第２アルミニウム板４２とする。

【0021】

次に、このような構成のパワーモジュール用基板１０を製造する方法について説明する。
図２に示すように、セラミックス基板２０の一方の面に、回路層用第１アルミニウム板３１、回路層用第２アルミニウム板３２をそれぞれアルミニウムシリコン系ろう材７０を介して積層し、セラミックス基板２０の他方の面に、放熱層用第１アルミニウム板４１、放熱層用第２アルミニウム板４２をそれぞれアルミニウムシリコン系ろう材７０を介して積層し、積層体Ｓとする。アルミニウムシリコン系ろう材７０は箔の形態で用いるとよい。

【0022】

この場合、セラミックス基板２０と第１アルミニウム板３１，４１との間に設けられるろう材７０と、第１アルミニウム板３１，４１と第２アルミニウム板３２，４２との間に設けられるろう材７０とのシリコン含有量は同じでよく、５質量％以上１２質量％以下とされる。また、ろう材７０の厚みも同じでよく、５μｍ以上３０μｍ以下とされる。これらアルミニウムシリコン系ろう材７０は、この含有量及び厚みの範囲であれば、それぞれを異なるシリコン含有量、異なる厚さとしてもよい。
これらの積層体Ｓを図３に示す加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧した状態とする。

【0023】

この加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備えている。

【0024】

固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されており、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体Ｓが配置される。積層体Ｓの両面には加圧を均一にするためにクッションシート１１６が配設される。クッションシート１１６は、カーボンシートとグラファイトシートの積層板で形成されている。

【0025】

この加圧装置１１０により積層体Ｓを加圧した状態で、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設置し、真空雰囲気下で接合温度に加熱してセラミックス基板２０に回路層用第１アルミニウム板３１と放熱層用第１アルミニウム板４１とをろう付け接合するとともに、これら第１アルミニウム板３１，４１にそれぞれ第２アルミニウム板３２，４２をろう付け接合する。この場合の加圧力としては例えば０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下、接合温度としては６１０℃以上６５０℃以下、加熱時間としては１分以上６０分以下とされる。

【0026】

このろう付け接合工程においては、セラミックス基板２０と両第１アルミニウム板３１，４１との間、及び第１アルミニウム板３１，４１と第２アルミニウム板３２，４２との間に介在させたアルミニウムシリコン系ろう材７０がまず溶融する。このアルミニウムシリコン系ろう材７０中のシリコン成分は、各アルミニウム板３１，３２，４１，４２内に拡散するが、セラミックス基板２０に接している第１アルミニウム板３１，４１においては、第２アルミニウム板３２，４２との間にもアルミニウムシリコン系ろう材７０が配置されていることから、セラミックス基板２０との界面からの拡散だけでなく、第２アルミニウム板３２，４２との界面からもシリコン成分の拡散が生じる。

【0027】

この第１アルミニウム板３１，４１は、その板厚が０．０７５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下と小さいので、セラミックス基板２０との界面側からの拡散と、第２アルミニウム板３２，４２との界面側からの拡散とが近接して生じることになり、このため、第１アルミニウム板３１，４１における両面からのシリコン拡散速度が相互に抑制される。
したがって、セラミックス基板２０と第１アルミニウム板３１，４１との界面からのシリコン拡散速度が抑えられることから、セラミックス基板２０との界面付近のシリコン濃度が高い状態に維持され、その結果、第１アルミニウム板２１の溶融が抑えられ、セラミックス基板２０の酸化珪素との反応によるボイドの発生が防止される。

【0028】

このようにして製造されたパワーモジュール用基板１０は、両回路層３０及び放熱層４０とも２枚の回路層用アルミニウム板３１，３２、あるいは２枚の放熱層用アルミニウム板４１，４２が接合されて形成されるが、これらが同じアルミニウムからなるので、回路層用アルミニウム板３１，３２どうしの接合界面、及び放熱層用アルミニウム板４１，４２どうしの接合界面はほとんど認識できずに一体化している。また、これら回路層３０及び放熱層４０には、ろう材７０中に含有されていたシリコンにより、シリコン濃度分布が生じており、そのシリコン濃度は、セラミックス基板２０との接合界面において高く、回路層３０及び放熱層４０の表面（セラミックス基板２０との接合界面とは反対面）において小さくなる。また、第１アルミニウム板３１，４１の両面にろう材７０が介在していたことにより、第１アルミニウム板３１，４１であった部分のシリコン濃度は高い状態に維持され、セラミックス基板２０との接合界面から０．１ｍｍ厚さの範囲におけるシリコン濃度が０．２質量％以上０．６質量％以下の高濃度範囲とされる。

【0029】

そして、このセラミックス基板２０との接合界面付近のシリコン濃度が高い状態に維持できているので、接合工程中にろう材７０の液相保持時間が長く、液相の範囲が十分に広がってセラミックス基板２０と回路層３０及び放熱層４０（の第１アルミニウム板３１，４１）との接合を確実にすることができる。

【0030】

なお、本実施形態では各アルミニウム板３１，３２，４１，４２をいずれも純度９９．９９質量％以上のアルミニウムにより形成したので、不純物の粒界析出物が少なく、このため、その析出物とシリコンとの反応によるアルミニウムの部分的溶融が防止され、回路層３０及び放熱層４０表面へのいわゆるろうシミの発生が少なくなる。特に、回路層３０には半導体素子がはんだ付けされるため、そのはんだ層の接合信頼性を高めることができる。

【0031】

なお、本発明は上記実施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。
上記実施形態において、アルミニウム板３１，３２，４１，４２とも、純度９９．９９質量％以上の純アルミニウム板を用いたが、これに限らず、純度９９．９質量％以上の純アルミニウム板や純度９９質量％以上の純アルミニウム板を用いることもできる。また、アルミニウム板３１，３２，４１，４２の材質がそれぞれ異なっていても良い。

【実施例】

【0032】

窒化珪素からなる厚さ０．３２ｍｍのセラミックス基板の片面に２枚のアルミニウム板をアルミニウムシリコン系ろう材を介してそれぞれ接合した。各アルミニウム板の材質、板厚、及びアルミニウムシリコンろう材のシリコン含有量と厚さは表１に示す通りとした。セラミックス基板側から第１アルミニウム板、第２アルミニウム板とした（表には第１Ａｌ板、第２Ａｌ板と表記している）。
なお、比較例１は第２アルミニウム板を用いなかった。

【0033】

接合は、セラミックス基板、アルミニウム板及びアルミニウムシリコン系ろう材の積層体を図３と同様の加圧装置により２ＭＰａ、６３０℃で３０分、加圧加熱して、パワーモジュール用基板の試料を作製した。

【0034】

得られたパワーモジュール用基板の試料について、シリコン濃度、接合性、ろうシミについて評価した。
シリコン濃度は、アルミニウム層の厚さ方向の断面におけるシリコン濃度の分布をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）によって分析し、セラミックス基板との界面から０．１ｍｍの範囲のシリコン濃度を１０か所測定し、その平均値を求めた。

【0035】

接合性の評価としては、超音波探傷装置を用いて、セラミックス基板とアルミニウム板との界面のボイド率を測定した。ボイド率は、超音波探傷装置において白色部で示されることから、その白色部の面積（ボイド面積）と接合すべき面積（接合面積）との関係から、ボイド率（％）＝（ボイド面積／接合面積）×１００の式により求めた。ボイド率が３％未満を「◎」、３％以上５％未満を「○」、５％以上を「×」とした。
ろうシミは、３００個の各試料に対し、接合後の第２アルミニウム板の表面にろうシミが発生しているか否かを目視により評価した。肉眼で把握できる幅１ｍｍ以上のシミをろうシミとしてカウントし、その発生率が０％であれば「◎」、発生率が１％未満（０％を除く）であれば「○」、発生率が１％を超えたものは「×」とした。
これらの結果を表１に示す。

【0036】

【表1】

【0037】

表１に示す結果から、セラミックス基板に２枚のアルミニウム板をアルミニウムシリコンろう材を介して接合することにより、接合性が良好であり、セラミックス基板との界面から０．１ｍｍの範囲のシリコン濃度が０．２質量％以上０．６質量％以下と高く維持されていることがわかる。その場合、第１アルミニウムの板厚は、０．１ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下であるのが好ましい。
また、第１アルミニウム板の板厚が０．０７５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、第２アルミニウム板が４Ｎアルミニウムの場合は、ろうシミの発生も認められなかった。
図４及び図５はＥＰＭＡによる断面分析結果を示しており、横軸がセラミックス基板との界面からの距離、縦軸がシリコン濃度を示している。図４が実施例１（測定位置を変えて２か所測定）、図５が比較例１（測定位置を変えて２か所測定）の分析結果である。Ｘで示す部分がセラミックス基板とアルミニウム板との界面、Ｙで示す部分が第１及び第２アルミニウム板の界面、Ｚで示す部分が第２アルミニウム板の表面である。この図４からもわかるように、比較例のものは、セラミックス基板との界面においてはシリコン濃度が高いが、その界面から離れるにしたがってシリコン濃度が小さくなっているのに対して、実施例のものは、セラミックス基板との界面だけでなく、その界面から第１アルミニウム板の厚さの範囲でシリコン濃度が高く維持されている。

【符号の説明】

【0038】

１０ パワーモジュール用基板
２０ セラミックス基板
３０ 回路層
３１ 第１アルミニウム板
３２ 第２アルミニウム板
４０ 放熱層
４１ 第１アルミニウム板
４２ 第２アルミニウム板
５０ 半導体素子
６０ ヒートシンク
７０ アルミニウムシリコンろう材
１１０ 加圧装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】