JP2007036263A - 半導体実装用絶縁基板及びパワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】パワーモジュール等の大電力電子部品の実装に好適な耐ヒートサイクル性に優れた金属セラミック回路基板及びこの基板を用いたパワーモジュールを提供する。
【解決手段】半導体実装用絶縁基板においてはセラミックス基板の少なくとも一部の面にアルミニウムを主とするシリコン、銅、亜鉛またはニッケルを含有する金属層を形成し、金属層のビッカース硬度が25以上、40未満とする。セラミックス基板はアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素から選ばれる一種とする。セラミックス基板の他面に半導体チップを設けパワーモジュールとする。
【選択図】図１
【解決手段】半導体実装用絶縁基板においてはセラミックス基板の少なくとも一部の面にアルミニウムを主とするシリコン、銅、亜鉛またはニッケルを含有する金属層を形成し、金属層のビッカース硬度が25以上、40未満とする。セラミックス基板はアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素から選ばれる一種とする。セラミックス基板の他面に半導体チップを設けパワーモジュールとする。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体実装用絶縁基板及びパワーモジュール、特に、パワーモジュール等の大電力電子部品の実装に好適な耐ヒートサイクル性に優れた金属セラミックス回路基板及びこの基板を用いたパワーモジュールに関するものである。
近年、電気自動車、電車、工作機械などの大電流制御にパワーモジュールが用いられている。パワーモジュールには主に複数の半導体チップが搭載され、その表面および裏面から大電流を取り出すため、半導体チップを固定する基板には高い電気的絶縁性や放熱性が要求される。また、自動車や電車などに搭載されることから高い信頼性や耐久性も要求される。
信頼性や耐久性を計る指標の一つにヒートサイクル試験がある。これは使用環境で考え得る最低到達温度と最高到達温度を短時間で往来させて熱衝撃を与える試験であり、このような熱衝撃サイクルを重ねても、基板および周辺部の絶縁性や放熱性が損なわれないことが必要である。一般に自動車や電車ではより高いヒートサイクル耐量が必要とされ、その値は1000サイクル以上と言われている。
一般的なパワーモジュールの断面構造を図２に示す。このような従来のパワーモジュールでは、半導体チップ１が絶縁性基材としてのセラミックス基板２上の金属層３に半田４で固定され、更にこのセラミックス基板２が他方の金属層５を介して半田６により金属ベース板７に固定される。なお、８は金属層３と５及び金属ベース板７に形成したメッキ層である。また、図２においては、チップ間等の配線の表示は省略している。
上述した自動車や電車用の高信頼性パワーモジュールにはアルミニウムをセラミックスと接合した絶縁基板が向いているとされている。この絶縁基板にヒートサイクルをかけた場合、金属とセラミックスは熱膨張係数が異なるためにその接合界面に応力が生じ、最終的にはセラミックスが破壊されてしまう。しかし、金属にアルミニウムを用いると、アルミニウムの変形しやすい性質がセラミックスへの応力集中を緩和して銅などに比べ、ヒートサイクル耐量が格段に向上すると言われている。
アルミニウムをセラミックス基板へろう接した先行技術としては、実開平2−68448号や実開平3−57945号に示されたものがあり、これらは、窒化アルミニウム基板やアルミナ基板にアルミニウムをAl−Si系やAl−Ge系ろう材を用いて接合するものである。これには、さらに先行技術として1976年の米国特許第3994430号のアルミニウム結合助剤としてのシリコン使用がある。
アルミニウムをセラミックス基板に直接接合した先行技術として、特開平7−193358号や特開平7−276035号に示されたものがあり、これらは、窒化アルミニウム基板やアルミナ基板にアルミニウムの溶融体を接触させ、凝固することでアルミニウムをセラミックスに直接接合させるものである。
しかし、アルミニウム−セラミックス絶縁基板は、半導体素子を半田付けする等でパワーモジュールの部品として使用され、このためアルミニウム−セラミックス絶縁基板におけるアルミニウムは、セラミックスと半田層および半導体素子に挟まれる状態となり、アルミニウムはセラミックスを保護する役割と半田層および半導体素子とを配設させる機能が必要となり、アルミニウムの上に配設される半田および半導体素子がより多岐にわたり複雑化していることからより熱衝撃による影響の少ないものが望まれていた。即ち、この影響の1つであるアルミニウムと特に鉛半田系の半田層における半田や半田とアルミニウムの接合界面に生じる半田クラックによりパワーモジュールの放熱性は著しく低下し、半導体の温度上昇が起こり、最終的には半導体が破壊される可能性があり、これを防止することが望まれていた。
従って、本発明の目的は、上述の問題点を解決することにある。
本発明者等は鋭意研究したところ、アルミニウム−セラミックス絶縁基板のアルミニウムの硬度を一定範囲にすることで、上記の課題を解決出来ることを見いだした。
即ち、絶縁基板のアルミニウムの硬度に、熱衝撃を与えたときにセラミックスを保護し、なおかつ半田クラックを生じさせない、一定の範囲があることを見いだした。その範囲はビッカース硬度で25以上、40未満である。ビッカース硬度が25未満であると熱衝撃を与えたときにセラミックスは保護されるが、アルミニウムの変形量が大きく、ヒートサイクルを重ねたときに半田クラックが生じやすい。一方、ビッカース硬度が40より大きいと、アルミニウムが変形しにくくなるため、熱衝撃時に応力を吸収しにくくなり、サイクルを重ねたときにセラミックスにクラックが生じやすい。
また、上記のような一定範囲の硬度を実現するためにはアルミニウムに他の金属元素を添加すれば良い、例えばシリコンを加えた合金を用いることが出来る。また、シリコンはアルミニウムに拡散しやすく、比較的低温で共晶を作ることから用いることが容易である。上記のビッカース硬度25以上、40未満を実現するのに必要なシリコン添加量は0.2重量％以上、5重量％未満である。他に、Mn，Mg，Cu，Zn，Ni等を更に加える事も可能である。
本発明はかかる知見をもとになされたものである。
本発明の半導体実装用絶縁基板は、セラミックス基板の少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成された半導体実装用絶縁基板において、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、40未満であることを特徴とする。
本発明のパワーモジュールは、金属ベース板と、一面を上記金属ベース板に接合された少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成されたセラミックス基板と、上記セラミックス基板の他面に設けた半導体チップとを有し、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、40未満であることを特徴とする。
上記合金金属層は、シリコンを含有し、その含有量は0.2重量％以上、5重量％未満であることを特徴とする。
上記合金金属層は、Mnを含有し、その含有量が1.5重量％以下であることを特徴とする。
上記合金金属層は、Mgを含有し、その含有量が１重量％以下であることを特徴とする。
上記合金金属層は、銅、亜鉛またはニッケルを含有し、その含有量が0.2重量％以上、3重量％以下であることを特徴とする。
上記セラミックス基板はアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素から選ばれる一種で作られることを特徴とする。
上記のように本発明によれば、アルミニウム−セラミックス絶縁基板のアルミニウムの硬度を一定範囲にすることで、熱衝撃を与えたときにセラミックスを保護し、なおかつ半田クラックを生じさせない、高ヒートサイクル耐量、高信頼性のパワーモジュールをもたらすことができる。
以下本発明の金属セラミックス基板の実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
図１に示すように黒鉛鋳型９の上部の凹み１０内に重量でアルミニウム99.8％、シリコン0.2％の原料１１および黒鉛ピストン１２を設置し、鋳型９の下部空洞１３内に厚さ0.635mmの窒化アルミニウムのセラミックス基板１４を設置し、この鋳型９を800℃に加熱した炉の中に入れた。この結果、原料１１が溶けてピストン１２の重量で窒化アルミニウムのセラミックス基板１４を設置した空洞１３内に入り込んだ後、鋳型９を加熱炉から取り出し、室温まで冷却した。なお、本実施例においては、黒鉛鋳型９の酸化を防ぐために、加熱および冷却を窒素雰囲気中で行った。このように作製したセラミックス基板１４の両面に夫々0.5mm厚さのアルミニウム合金層を有するセラミックス基板１４を機械研磨および電解研磨した。
この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ25であった。次いで、アルミニウム合金属上に無電解Ni−Pメッキを3μｍ施した後この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例２）
原料１１の組成を重量でアルミニウム99.5％、シリコン0.5％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ30であった。次いで、アルミニウム合金属上に無電解Ni−Pメッキを3μｍ施した後この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例３）
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、シリコン2％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ35であった。次いで、アルミニウム合金属上に無電解Ni−Pメッキを3μｍ施した後この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例４）
セラミックスの種類をアルミナとした以外は実施例２と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ30であった。次いで、アルミニウム合金属上に無電解Ni−Pメッキを3μｍ施した後この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例５）
セラミックスの種類を窒化珪素とした以外は実施例２と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ30であった。次いで、アルミニウム合金属上に無電解Ni−Pメッキを3μｍ施した後この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例６）
厚さ0.635mmの窒化アルミニウム基板の両面に重量でアルミニウム87.5％、シリコン12.5％の厚さ50μmろう材層を挟んで重量でアルミニウム99.5％、シリコン0.5％の厚さ0.4mmの板を積層し、これを640℃に加熱した真空雰囲気の炉の中に入れて、アルミニウム合金板と窒化アルミニウムを接合して、金属セラミック基板を得た。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ31であった。次いで、アルミニウム合金属上に無電解Ni−Pメッキを3μｍ施した後この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例７）
原料１１の組成を重量でアルミニウム97.9％、シリコン0.6％、Mn1.5％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ32であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。ここでMnは、硬度を上げるために加えたものである。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例８）
積層する板の組成を重量でアルミニウム98.6％、シリコン0.4％、Mg1％とした以外は実施例６と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ30であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。ここでMgは硬度を上げるために加えたものである。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例９）
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、Mn2％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ30であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例１０）
原料１１の組成を重量でアルミニウム99.8％、Mg0.2％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ25であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例１１）
原料１１の組成を重量でアルミニウム99.5％、Mg0.5％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ27であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例１２）
セラミックスの種類をアルミナとした以外は実施例１１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ27であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例１３）
セラミックスの種類を窒化珪素とした以外は実施例１１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ27であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例１４）
原料１１の組成を重量でアルミニウム99％、Cu1％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ30であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例１５）
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、Cu2％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ32であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例１６）
セラミックスの種類をアルミナとした以外は実施例１５と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ32であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例１７）
セラミックスの種類を窒化珪素とした以外は実施例１５と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ32であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例１８）
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、Zn2％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ34であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例１９）
原料１１の組成を重量でアルミニウム99.5％、Ni0.5％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ33であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例２０）
厚さ0.635mmの窒化アルミニウム基板の両面に重量でアルミニウム87.5％、シリコン12.5％の厚さ50μmろう材層を挟んで重量でアルミニウム98％、Mn2％の厚さ0.4mmの板を積層し、これを640℃に加熱した真空雰囲気の炉の中に入れて、アルミニウム合金板と窒化アルミニウムを接合して、金属セラミック基板を得た。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ25であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例２１）
積層する板の組成を重量でアルミニウム99.8％、Mg0.2％とした以外は実施例２０と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ25であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。ここでMgは硬度を上げるために加えたものである。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例２２）
積層する板の組成を重量でアルミニウム99.5％、Mg0.5％とした以外は実施例２０と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ27であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。ここでMgは硬度を上げるために加えたものである。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例２３）
セラミックスの種類をアルミナとした以外は実施例２２と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ27であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例２４）
セラミックスの種類を窒化珪素とした以外は実施例２２と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ27であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例２５）
原料１１の組成を重量でアルミニウム99％、Cu1％とした以外は実施例２０と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ31であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例２６）
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、Cu2％とした以外は実施例２０と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ33であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例２７）
セラミックスの種類をアルミナとした以外は実施例２６と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ33であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例２８）
セラミックスの種類を窒化珪素とした以外は実施例２６と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ33であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例２９）
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、Zn2％とした以外は実施例２０と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ35であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例３０）
原料１１の組成を重量でアルミニウム99.5％、Ni0.5％とした以外は実施例２０と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ33であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例３１）
原料１１の組成を重量でアルミニウム99.4％、シリコン0.1％、Mg0.5％とした以外は実施例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ28であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。ここでMnは、硬度を上げるために加えたものである。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例３２）
厚さ0.635mmの窒化アルミニウム基板の両面に重量でアルミニウム87.5％、シリコン12.5％の厚さ50μmろう材層を挟んで重量でアルミニウム99.4％、シリコン0.1％、Mg0.5％の厚さ0.4mmの板を積層し、これを640℃に加熱した真空雰囲気の炉の中に入れて、アルミニウム合金板と窒化アルミニウムを接合して、金属セラミック基板を得た。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ28であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例３３）
積層する板の組成を重量でアルミニウム98.9％、シリコン0.1％、Cu1％とした以外は実施例３１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ32であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例３４）
積層する板の組成を重量でアルミニウム98.9％、シリコン0.1％、Cu1％とした以外は実施例３２と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ32であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例３５）
積層する板の組成を重量でアルミニウム98.8％、シリコン0.1％、Mg0.1％、Cu1％とした以外は実施例３１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ33であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（実施例３６）
積層する板の組成を重量でアルミニウム98.8％、シリコン0.1％、Mg0.1％、Cu1％とした以外は実施例３２と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ33であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でもセラミックスに異常は無く、セラミックス−ベース板間の半田にも異常は認められなかった。
（比較例１）
比較の目的で以下のサンプルを作成した。図１示すように黒鉛鋳型９の上部の凹み１０内に重量でアルミニウム100％の原料１１および黒鉛ピストン１２を設置し、下部空洞１３内に厚さ0.635mmの窒化アルミニウム基板４を設置し、鋳型９を800℃に加熱した炉の中に入れた。原料１１が溶けて、ピストン１２の重量で、窒化アルミニウムのセラミックス基板１４を設置した空洞１３内に入り込んだ後、鋳型９を加熱炉から取り出し、室温まで冷却した。なお、この比較例においては、黒鉛鋳型９の酸化を防ぐために、加熱および冷却を窒素雰囲気中で行った。このように作製した両面に夫々0.5mm厚さのアルミニウム合金層を有するセラミックス基板を機械研磨および電解研磨した。
この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ20であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル2000回でセラミックス−ベース板間の半田に微少クラックが発生した。但し、モジュール機能の低下はなかった。
（比較例２）
原料１１の組成を重量でアルミニウム95％、シリコン5％とした以外は比較例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ40であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル1000回でセラミックスにクラックが発生した。
（比較例３）
厚さ0.635mmの窒化アルミニウム基板の両面に重量でアルミニウム87.5％、シリコン12.5％の厚さ50μmろう材層を挟んでアルミニウム95％、シリコン5％の厚さ0.4mmの板を積層し、これを640℃に加熱した真空雰囲気の炉の中に入れて、アルミニウム合金板と窒化アルミニウムを接合して、金属セラミックス基板を得た。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ40であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル1000回でセラミックスにクラックが発生した。
（比較例４）
原料１１の組成を重量でアルミニウム95％、Ni5％とした以外は比較例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ42であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル1000回でセラミックスにクラックが発生した。また、ヒートサイクル1000回でもセラミックス−ベース板間の半田にクラックが発生しなかった。
（比較例５）
原料１１の組成を重量でアルミニウム95％、Cu5％とした以外は比較例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ68であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル100回でセラミックスにクラックが発生した。また、ヒートサイクル100回でもセラミックス−ベース板間の半田にクラックが発生しなかった。
（比較例６）
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、Mg2％とした以外は比較例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ67であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル100回でセラミックスにクラックが発生した。また、ヒートサイクル100回でもセラミックス−ベース板間の半田にクラックが発生しなかった。
（比較例７）
原料１１の組成を重量でアルミニウム95％、Zn5％とした以外は比較例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ40であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル1000回でセラミックスにクラックが発生した。また、ヒートサイクル1000回でもセラミックス−ベース板間の半田にクラックが発生しなかった。
（比較例８）
原料１１の組成を重量でアルミニウム95％、Cu5％とした以外は比較例３と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ68であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル100回でセラミックスにクラックが発生した。また、ヒートサイクル100回でもセラミックス−ベース板間の半田に微少クラックが発生しなかった。
（比較例９）
原料１１の組成を重量でアルミニウム98％、Mg2％とした以外は比較例３と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ67であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル100回でセラミックスにクラックが発生した。また、ヒートサイクル100回でもセラミックス−ベース板間の半田に微少クラックが発生しなかった。
（比較例１０）
原料１１の組成を重量でアルミニウム95％、Cu0.1％とした以外は比較例１と同じ条件で金属セラミックス基板の調製を行った。この基板のアルミニウム合金層のビッカース硬度を測定したところ22であった。次いで、この金属セラミックス基板を共晶組成の半田を用い、Al−SiCの複合材ベース板に半田付けしてモジュールを形成した。
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル2000回でもセラミックスにクラックが発生した。また、ヒートサイクル2000回でセラミックス−ベース板間の半田にクラックが発生しなかった。
以上の結果を表１〜表５に示す。
なお、上記セラミックス基板上には半田濡れ性や耐食性を向上させるためにAuメッキ、Niメッキ等を行うことができる。
また、セラミックスのなかでも特にアルミナは絶縁性が高く安価であり、窒化アルミニウムは熱伝導率が高いことで放熱性に優れ、大電流コントロール用のチップを搭載することができ、窒化珪素は強度が高いので耐ヒートサイクル性が高くエンジンルームなどの厳しい環境での対応性に優れている。
なお、ビッカース硬度はマイクロビッカース硬度計（株式会社明石社製のMVK−G1）を用い、50gを15秒間加重して、セラミックスにアルミニウムを接合した後の、アルミニウム表面を測定した。表１に示す測定値は20個所を測定した平均値である。また、ヒートサイクル試験の条件は気相式で1サイクルは、−40℃を30分保持、25℃を10分保持、125℃を30分保持、25℃を１０分保持、−40℃を30分保持のプロセスとした。
１ 半導体チップ
２ セラミックス基板
３ 金属層
４ 半田
５ 他方の金属層
６ 半田
７ 金属ベース板
８ メッキ層
９ 鋳型
１０ 凹み
１１ 原料
１２ 黒鉛ピストン
１３ 空洞
１４ 窒化アルミニウムのセラミックス基板
２ セラミックス基板
３ 金属層
４ 半田
５ 他方の金属層
６ 半田
７ 金属ベース板
８ メッキ層
９ 鋳型
１０ 凹み
１１ 原料
１２ 黒鉛ピストン
１３ 空洞
１４ 窒化アルミニウムのセラミックス基板
Claims (13)
- セラミックス基板の少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成された半導体実装用絶縁基板において、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、40未満であることを特徴とする半導体実装用絶縁基板。
- 上記合金金属層がシリコンを含有し、その含有量が0.2重量％以上、5重量％未満であることを特徴とする請求項１記載の半導体実装用絶縁基板。
- 上記合金金属層がMnを含有し、その含有量が1.5重量％以下であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体実装用絶縁基板。
- 上記合金金属層がMgを含有し、その含有量が１重量％以下であることを特徴とする請求項１、２または３記載の半導体実装用絶縁基板。
- 上記合金金属層が銅を含有し、その含有量が0.2重量％以上、3重量％以下であることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の半導体実装用絶縁基板。
- 上記合金金属層が亜鉛を含有し、その含有量が0.2重量％以上、3重量％以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体実装用絶縁基板。
- 上記合金金属層がニッケルを含有し、その含有量が0.2重量％以上、3重量％以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体実装用絶縁基板。
- 上記セラミックス基板がアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素から選ばれる一種で作られることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記載の半導体実装用絶縁基板。
- 金属ベース板と、一面を上記金属ベース板に接合された少なくとも一部の面にアルミニウムを主とする合金金属層が形成されたセラミックス基板と、上記セラミックス基板の他面に設けた半導体チップとを有し、上記合金金属層のビッカース硬度が25以上、40未満であることを特徴とするパワーモジュール。
- 上記合金金属層がシリコンを含有し、その含有量が0.2重量％以上、5重量％未満であることを特徴とする請求項９記載のパワーモジュール。
- 上記合金金属層がMnを含有し、その含有量が1.5重量％以下であることを特徴とする請求項９または１０記載のパワーモジュール。
- 上記合金金属層がMgを含有し、その含有量が１重量％以下であることを特徴とする請求項９、１０または１１記載のパワーモジュール。
- 上記セラミックス基板がアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素から選ばれる一種で作られることを特徴とする請求項９、１０、１１または１２記載のパワーモジュール。
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