CN100481412C - 绝缘电路基板及带冷却槽部的绝缘电路基板 - Google Patents
绝缘电路基板及带冷却槽部的绝缘电路基板 Download PDFInfo
- Publication number
- CN100481412C CN100481412C CN 200680001216 CN200680001216A CN100481412C CN 100481412 C CN100481412 C CN 100481412C CN 200680001216 CN200680001216 CN 200680001216 CN 200680001216 A CN200680001216 A CN 200680001216A CN 100481412 C CN100481412 C CN 100481412C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- circuit board
- metallic plate
- soldering
- sink section
- cooling sink
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001816 cooling Methods 0.000 title claims abstract description 89
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 48
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 94
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 64
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 56
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 53
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 23
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 8
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000002075 main ingredient Substances 0.000 abstract 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 18
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 14
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 14
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 238000011161 development Methods 0.000 description 7
- 239000010687 lubricating oil Substances 0.000 description 7
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 4
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 4
- 229910018125 Al-Si Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910018520 Al—Si Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000962 AlSiC Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 2
- 238000007772 electroless plating Methods 0.000 description 2
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 2
- 239000002905 metal composite material Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 2
- 229910018134 Al-Mg Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018131 Al-Mn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018182 Al—Cu Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018459 Al—Ge Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018467 Al—Mg Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018461 Al—Mn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910016525 CuMo Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000012809 cooling fluid Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 125000001153 fluoro group Chemical class F* 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- -1 pure Al Chemical class 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/321—Disposition
- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
Abstract
一种绝缘电路基板，具备：绝缘板、与绝缘板第一面接合的电路板、与绝缘板第二面接合的金属板。所述电路板由纯度99.98%以上的Al合金或纯Al形成，所述金属板由纯度98.00%以上99.90%以下的Al合金形成。所述电路板的厚度(a)例如为0.2mm以上0.8mm以下，所述金属板的厚度(b)例如为0.6mm以上1.5mm以下，且a/b≤1。带冷却槽部的绝缘电路基板具备：所述绝缘电路基板、经由第二焊锡层接合在所述金属板的冷却槽部。所述第二焊锡层由以Sn为主要成分的焊锡形成，其杨氏模量例如为35GPa以上、0.2%屈服强度例如为30MPa以上、拉伸强度例如为40MPa以上。所述冷却槽部例如由纯Al或Al合金形成。
Description
技术领域
本发明涉及对大电流、高电压进行控制的半导体装置所使用的绝缘电路基板及带冷却槽(cooling sink)部的绝缘电路基板。
本申请主张2005年9月15日分别申请的日本国专利申请第2005—268093号、日本国专利申请第2005—268094号以及日本国专利申请第2005—268095号的优先权，并将其内容援用与此。
背景技术
作为这种带冷却槽部的绝缘电路基板，例如有下述专利文献1所公开的基板，该基板的概略构成包括：具有由陶瓷等形成的绝缘板、接合在所述绝缘板的一方表面的电路板、和接合在所述绝缘板的另一方表面的金属板的绝缘电路基板，以及在所述金属板的与接合于所述绝缘板的表面相反侧的下表面设置的冷却部，半导体芯片通过焊锡层接合在所述电路板的表面。
所述冷却部具备散热板和在内部被供给制冷剂的冷却槽部，这些散热板和冷却槽部通过在二者之间夹设热传导性润滑油(例如硅润滑油)并利用螺栓紧固而构成连接的结构。而且，所述冷却部的散热板经由焊锡层与所述金属板接合。
可是，近年来随着在所述带冷却槽部的绝缘电路基板中的电路板的表面接合半导体芯片而构成的电源模块(power module)的高输出化，愈发要求不降低构成该电源模块的所述各构成要素之间的接合可靠性，且降低该电源模块层叠方向的总计热电阻。但是，所述热传导性润滑油成为阻碍所述总计热电阻降低的主要原因。
专利文献1：特开平8—264680号公报
发明内容
本发明鉴于上述情况而提出，其目的在于，提供一种不降低各构成要素之间的接合可靠性，能够降低层叠方向的总计热电阻的绝缘电路基板和带冷却槽部的绝缘电路基板。
为了实现上述目的，本发明绝缘电路基板的第一方式具备：绝缘板、与所述绝缘板的一方表面接合的电路板、和与所述绝缘板的另一方表面接合的金属板，半导体芯片经由第一焊锡层接合在所述电路板的表面，且冷却槽部经由第二焊锡层接合在所述金属板的与接合于所述绝缘板的表面相反侧的下表面，所述电路板由纯度99.98％以上的Al合金或纯Al形成，所述金属板由纯度98.00％以上99.90％以下的Al合金形成。
在本发明绝缘电路基板的第一方式中，所述电路板由纯度99.98％以上的Al合金或纯Al形成，所述金属板由纯度98.00％以上99.90％以下的Al合金形成。因此，不需要夹设热传导性润滑油，而且即使降低接合界面数量，形成层叠方向的总计热电阻被降低的电源模块，通过经由所述第二焊锡层将所述金属板直接与冷却槽部接合，也能够抑制龟裂在所述第一、第二焊锡层中产生及发展。
即，如果所述电路板由纯度99.98％以上的Al合金或纯Al形成，则在热循环作用于电源模块时，会使大的形变蓄积于电路板，能够抑制蓄积在所述第一焊锡层中的形变量，从而可抑制龟裂在该第一焊锡层中产生及发展。
另外，如果所述金属板由纯度98.00％以上99.90％以下的Al合金形成，则在热循环作用于电源模块时，通过蓄积于金属板的形变能够使该金属板加工硬化。因此，可以使绝缘板在绝缘电路基板整体的热变形举动中占据的贡献度减少，另一方面会增大金属板的贡献度。因此，该绝缘电路基板整体的热膨胀系数外观上增大，与所述冷却槽部的热膨胀系数之差减小，能够使蓄积于所述第二焊锡层的形变量减少，从而可抑制龟裂在该第二焊锡层中产生及发展。
综上所述，可提供一种不会降低构成电源模块的所述各构成要素之间的接合可靠性，能够降低该电源模块层叠方向的总计热电阻的绝缘电路基板。
所述电路板的厚度(a)可以被设为0.2mm以上0.8mm以下，而且所述金属板的厚度(b)被设为0.6mm以上1.5mm以下，且a/b≤1。
该情况下，可以进一步缓和在所述第一、第二焊锡层中产生的应力。
即，所述金属板的厚度(b)为0.6mm以上1.5mm以下，且a/b≤1，其厚度被加厚。该情况下，即使热膨胀系数小的绝缘板与金属板的上表面接合，使得金属板上表面侧的热变形被该绝缘板束缚，也能够抑制金属板下表面侧的热变形被绝缘板束缚。另外，所述电路板的厚度(a)为0.2mm以上0.8mm以下，且a/b≤1，其厚度被减薄。该情况下，通过在该电路板的上下表面分别接合热膨胀系数小的半导体芯片和绝缘板，能够无偏差地均等束缚该电路板的热变形。
如果所述电路板的厚度小于0.2mm，则流过所述电路板的电流量降低。另外，如果该厚度大于0.8mm，则电路板的热变形被绝缘板无偏差地均等束缚的效果相对减小，所述第一焊锡层在热循环时的龟裂进展速度增大。因此，虽然电路板的厚度未被限定，但如果为0.2～0.8mm，则可以更加提高接合可靠性。
如果所述金属板的厚度小于0.6mm，则该金属板的热变形除了其上表面侧之外，下表面侧也被绝缘板束缚，使得所述第二焊锡层在热循环时的龟裂进展速度增大。而且，如果该厚度大于1.5mm，则因金属板的热变形使得绝缘板和电路板变形，从而所述第一焊锡层在热循环时的龟裂进展速度增大。因此，虽然金属板的厚度未被限定，但如果为0.6～1.5mm，则可进一步提高接合可靠性。
存在着降低接合可靠性的担忧。
本发明带冷却槽部的绝缘电路基板的第一方式具备：绝缘电路基板、和冷却槽部，所述绝缘电路基板具备：绝缘板、与所述绝缘板的一方表面接合的电路板、和与所述绝缘板的另一方表面接合的金属板，半导体芯片经由第一焊锡层接合在所述电路板的表面，所述电路板由纯度99.98％以上的Al合金或纯Al形成，所述金属板由纯度98.00％以上99.90％以下的Al合金形成，所述冷却槽部经由第二焊锡层接合在所述金属板的与接合于所述绝缘板的表面相反侧的下表面，所述第二焊锡层由由Sn为85wt％以上、Ag为0.5wt％以上、Cu为0.1wt％以上的三元以上的多元系合金所构成的焊锡形成。
在该带冷却槽部的绝缘电路基板中，由于所述金属板和冷却槽部通过以Sn为主要成分的第二焊锡层而被接合，所以，因冷却槽部及绝缘板的热膨胀系数不同，即使在各接合界面产生应力的情况下，也能够通过所述第二焊锡层吸收该应力，从而可进一步提高电源模块的接合可靠性。
所述第二焊锡层被设定成杨氏模量为35GPa以上、0.2％屈服强度为30MPa以上、拉伸强度为40MPa以上。
该情况下，在对具有带冷却槽部的绝缘电路基板的电源模块作用热循环时，可以使形变大量蓄积于所述金属板，降低蓄积于该第二焊锡层的形变量，能够使所述基板加工硬化，从而可防止在第二焊锡层中产生龟裂等。
而且，所述第二焊锡层可由Sn为85wt％以上、Ag为0.5wt％以上、Cu为0.1wt％以上的三元以上多元系合金所构成的焊锡形成。
本发明绝缘电路基板的第二方式具备：绝缘板、与所述绝缘板的一方表面接合的电路板、和与所述绝缘板的另一方表面接合的金属板，半导体芯片接合于所述电路板的表面，且冷却槽部接合在所述金属板的与接合于所述绝缘板的表面相反侧的下表面，所述电路板及金属板由纯Al或Al合金形成，且所述电路板的厚度(a)为0.2mm以上0.8mm以下，所述金属板的厚度(b)为0.6mm以上1.5mm以下，a/b≤1。
在该绝缘电路基板中，由于所述电路板及金属板由纯Al或Al合金形成，且所述电路板的厚度(a)为0.2mm以上0.8mm以下，所述金属板的厚度(b)为0.6mm以上1.5mm以下，a/b≤1，所以，不需要夹设热传导性润滑油，而且即使降低接合界面数量，形成层叠方向的总计热电阻被降低的电源模块，通过将所述金属板直接与所述冷却槽部接合，也能使在所述半导体芯片与电路板的接合部及所述金属板与冷却槽部的接合部产生的应力缓和。
即，由于所述金属板的厚度(b)为0.6mm以上1.5mm以下，且a/b≤1，其厚度被加厚，所以，即使在金属板的上表面接合热膨胀系数小的绝缘板，使得金属板上表面侧的热变形被该绝缘板束缚，也能够抑制金属板下表面侧的热变形被绝缘板束缚。另外，由于所述电路板的厚度(a)为0.2mm以上0.8mm以下，且a/b≤1，其厚度被减薄，所以，通过在该电路板的上下表面分别接合热膨胀系数小的半导体芯片和绝缘板，能够无偏差地均等束缚该电路板的热变形。
综上所述，可提供一种不会降低构成电源模块的所述各构成要素之间的接合可靠性，能够降低该电源模块层叠方向的总计热电阻的绝缘电路基板。
本发明带冷却槽部的绝缘电路基板的第二方式具备：所述第二方式的绝缘电路基板、和接合在所述金属板的下表面的冷却槽部，半导体芯片经由第一焊锡层接合在所述电路板的表面，所述冷却槽部由纯Al或Al合金形成，所述金属板和所述冷却槽部经由以Sn为主要成分的第二焊锡层而接合。
根据该带冷却槽部的绝缘电路基板，由于所述金属板和冷却槽部通过以Sn为主要成分的第二焊锡层而接合，所以，因冷却槽部和绝缘板的热膨胀系数不同，即使在接合界面产生了应力的情况下，也能够通过所述第二焊锡层吸收该应力，从而可进一步提高电源模块的接合可靠性。
本发明带冷却槽部的绝缘电路基板的第三方式包括：具备绝缘板、与所述绝缘板的一方表面接合的电路板、与所述绝缘板的另一方表面接合的金属板的绝缘电路基板；和设置在所述金属板的与接合于所述绝缘板的表面相反侧的下表面的冷却槽部，半导体芯片经由第一焊锡层接合在所述电路板的表面，所述金属板与所述冷却槽部通过杨氏模量为35GPa以上、0.2％屈服强度为30MPa以上、拉伸强度为40MPa以上的以Sn为主要成分的第二焊锡层而被接合。
在该带冷却槽部的绝缘电路基板中，金属板和冷却槽部经由第二焊锡层而直接接合，不夹设热传导性润滑油，并且带冷却槽部的绝缘电路基板所具有的接合界面数量被减少。因此，能够降低通过在所述电路板上接合半导体芯片而构成的电源模块在层叠方向的总计热电阻。
然而在该情况下，由于所述绝缘板与冷却槽部的热膨胀系数差大，所以，有可能会在所述金属板与冷却槽部之间产生大的应力，使得接合可靠性降低。
但是，在该第三方式中，由于所述金属板和冷却槽部通过杨氏模量、0.2％屈服强度及拉伸强度分别被设为上述大小的第二焊锡层接合，所以，因冷却槽部及绝缘板的热膨胀系数不同，即使在接合界面产生了应力的情况下，也能够通过所述第二焊锡层吸收该应力。并且，如果所述第二焊锡层的杨氏模量等被设定为上述大小，则在热循环作用于带冷却槽部的绝缘电路基板时，可以使塑性形变大量蓄积于所述金属板，降低蓄积于该第二焊锡层的塑性形变量，从而可抑制在该第二焊锡层中产生龟裂等。
综上所述，不会降低构成所述电源模块的所述各构成要素之间的接合可靠性，能够降低该电源模块层叠方向的总计热电阻。
所述第二焊锡层可由Sn为85wt％以上、Ag为0.5wt％以上、Cu为0.1wt％以上的三元以上多元系合金所构成的焊锡形成。
所述冷却槽部可以由纯Al或Al合金形成。
所述电路板及金属板可以由纯Al或Al合金形成，而且，所述电路板的厚度(a)为0.2mm以上0.8mm以下，所述金属板的厚度(b)为0.6mm以上1.5mm以下，且a/b≤1。
(发明效果)
根据本发明，可提供不会降低各构成要素之间的接合可靠性，能够降低层叠方向的总计热电阻的绝缘电路基板和带冷却槽部的绝缘电路基板。
附图说明
图1是表示使用了本发明一个实施方式所涉及的绝缘电路基板的电源模块的整体图。
图中：10—电源模块，10a—带冷却槽部的绝缘电路基板，11—绝缘板，12—电路板，13—金属板，14—第一焊锡层，15—第二焊锡层，20—绝缘电路基板，30—半导体芯片，31—冷却槽部。
具体实施方式
下面参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
本实施方式的电源模块10具备：绝缘电路基板20、设置在所述绝缘电路基板20的一方表面侧的半导体芯片(发热体)30、和设置在绝缘电路基板20的另一方表面侧的冷却槽部31。换言之，电源模块10具备：由绝缘电路基板20和冷却槽部31构成的带冷却槽部的绝缘电路基板10a、和半导体芯片30。
绝缘电路基板20具备绝缘板11、接合在所述绝缘板11的一方表面的电路板12、和接合在绝缘板11的另一方表面的金属板13。而且，半导体芯片30经由第一焊锡层14接合在电路板12的表面。在金属板13的与接合在绝缘板11的表面相反侧的下表面，设置有冷却槽部31。
这里，在电路板12及金属板13的表面分别形成有厚约2μm的未图示的镀Ni层，半导体芯片30经由第一焊锡层14与形成有该镀Ni层的电路板12的表面接合，而且，形成有镀Ni层的电路板12以及金属板13的各表面通过焊接与绝缘板11接合。
另外，在绝缘板11由AlN、Si3N4等氮化物系陶瓷、或Al2O3等氧化物系陶瓷形成，电路板12和金属板13由纯Al或Al合金形成的情况下，尤其是在电路板12由纯度为99.98％以上的Al合金或纯Al形成、金属板13由纯度为98.00％以上99.90％以下的Al合金形成的情况下，接合绝缘板11与电路板12和金属板13的焊料，设定为从Al—Si系、Al—Ge系、Al—Cu系、Al—Mg系或Al—Mn系的焊料中选择的1或2种以上的焊料。
冷却槽部31由纯Al、纯度90％以上的Al合金、纯Cu或Cu合金等金属或者AlSiC等金属陶瓷复合材料形成，并且具备：在表面设置有金属板13的主体部31a、和在表面形成有与内部空间31b连通的开口部的箱体31c。这里，优选主体部31a在制造上由纯Al、Al合金、纯Cu或Cu合金等金属或者AlSiC等金属陶瓷复合材料中的任意一种材料构成，但也可以形成为层叠了多种材料的复合体。例如，可以采用使主体部31a的内部空间31b侧的部分为纯Al，在金属板13侧的部分设置纯Cu板的复合体。该情况下，由于纯Cu板具有上述纯Al的热膨胀系数与AlN(绝缘板11)的热膨胀系数的中间的热膨胀系数，所以，其作为应力缓冲构件而发挥功能。在主体部31a的与所述表面相反侧的下表面，沿着其长度方向(图1纸面的左右方向)隔开规定间隔形成有多个向下方延伸、且沿着该主体部31a的宽度方向(在图1的纸面为纵深方向)延伸的冷却翼片31d。另外，从热传递及加工性等观点出发，优选主体部31a采用纯Al或Al合金，Al合金中特别优选纯度98％以上的合金。
该冷却槽部31在主体部31a的冷却翼片31d向箱体31c的内部空间31b突出的状态下，构成为主体部31a的所述下表面闭塞箱体31c的所述开口部的结构。并且，在主体部31a的所述下表面与箱体31c的表面的所述开口部的周缘部之间，没有夹设热传导润滑油，形成为主体部31a的所述下表面与箱体31c的表面的所述开口部的周缘部直接接触的结构。
而且，在该被闭塞的所述内部空间31b中，设置有供给和回收冷却液或冷却空气等制冷剂的未图示的制冷剂循环机构，通过该机构，所述制冷剂与主体部31a的所述下表面及冷却翼片31d的整个区域接触。
即，利用供给到所述内部空间31b的制冷剂，回收从半导体芯片30传递到冷却槽部31的热，由此使来自半导体芯片30的热从电源模块10散热。另外，优选冷却槽部31的主体部31a的热传递系数设定为约6000W/℃·m2～约15000W/℃·m2。
并且，在本实施方式中，金属板13和主体部31a通过杨氏模量为35GPa以上、0.2％屈服强度为30MPa以上、拉伸强度为40MPa以上的以Sn为主要成分的第二焊锡层15接合。在金属板13以及主体部31a的相互对置的表面上，形成有未图示的镀Ni层(金属板13中厚度约2μm、主体部31a中厚度约5μm)，这些各镀Ni层与第二焊锡层15接合。在图示的例子中，金属板13下表面的近似整个区域通过第二焊锡层15而被接合。而且，第二焊锡层15优选通过由Sn为85wt％以上、Ag为0.5wt％以上、Cu为0.1wt％以上的三元以上的多元系合金构成的焊锡形成。所述Sn、Ag、Cu的含有量更优选为Ag：2～6wt％、Cu：0.3～4wt％、Sn：剩余的比例。
另外，虽然第一焊锡层14的材质没有特别限定，但优选由以Sn为主要成分的焊锡形成。
绝缘板11的纵、横以及厚度没有限定，但例如可以设定成纵为10mm～100mm、横为10mm～100mm、厚度为0.2mm～1.0mm。电路板12的纵、横以及厚度没有限定，但例如优选设定成纵为10mm～100mm、横为10mm～100mm、厚度为0.2mm以上0.8mm以下。金属板13的纵、横以及厚度没有限定，但例如优选设定成纵为10mm～100mm、横为10mm～100mm、厚度为0.6mm以上1.5mm以下。当这样的电源模块10在—40℃～105℃的温度范围中使用时，优选第一焊锡层14和第二焊锡层15的厚度为0.05mm～0.5mm。
另外，在上述的数值范围中，电路板12的厚度小于金属板13的厚度，如果设电路板12的厚度为a、金属板13的厚度为b，则优选满足a/b≤1的关系。
根据本实施方式的电源模块10，电路板12由纯度99.98％以上的Al合金或纯Al形成，金属板13由纯度98.00％以上99.90％以下的Al合金形成。因此，通过将金属板13经由第二焊锡层15直接接合到冷却槽部31的主体部31a，可以不夹设热传导性润滑油，且降低接合界面的数量，即使形成层叠方向的总计热电阻降低的电源模块10，也能够抑制第一、第二焊锡层14、15中产生及发展龟裂。
即，如果电路板12由纯度99.98％以上的Al合金或纯Al形成，则在热循环作用于电源模块10时，能够使大的形变蓄积于电路板12，抑制蓄积于第一焊锡层14的形变量，从而可以抑制龟裂在该第一焊锡层14中产生及发展。
另外，如果金属板13由纯度98.00％以上99.90％以下的Al合金形成，则当热循环作用于电源模块10时，通过蓄积于金属板13的形变，能够使该金属板13加工硬化，从而可减少绝缘板11在该绝缘电路基板20整体的热变形举动中占据的贡献度，另一方面能够增加金属板13的贡献度。因此，该绝缘电路基板20整体的热膨胀系数外观上增大，与冷却槽部31的热膨胀系数之差减小。由此，能够使蓄积于第二焊锡层15的形变量降低，从而能够抑制在该第二焊锡层15中产生和发展龟裂。
通过上述方法，可提供一种不会降低构成电源模块10的所述各构成要素之间的接合可靠性，并能够降低该电源模块10层叠方向的总计热电阻的绝缘电路基板20。
而且，在本实施方式中，由于电路板12及金属板13的厚度被设定在上述范围，所以，能够缓和在第一、第二焊锡层14、15中产生的应力。
即，在金属板13的厚度(b)为0.6mm以上1.5mm以下，且a/b≤1，其厚度被加厚的情况下，热膨胀系数小的绝缘板11会接合到金属板13的上表面，即使金属板13上表面侧的热变形受到该绝缘板11的束缚，也能够抑制金属板13下表面侧的热变形被绝缘板11束缚。
并且，在电路板12的厚度(a)为0.2mm以上0.8mm以下，且a/b≤1，其厚度减薄的情况下，通过将热膨胀系数小的半导体芯片30及绝缘板11分别接合于该电路板12的上下表面，能够无偏差地均等束缚该电路板12的热变形。
这里，如果电路板12的厚度小于0.2mm，则流过所述电路板12的电流量降低。另外，如果其厚度大于0.8mm，则通过绝缘板11无偏差地均等束缚电路板12的热变形的效果相对减小，使得第一焊锡层14中的热循环时的龟裂进展速度增大。因此，虽然电路板的厚度没有被限制，但如果为0.2～0.8mm，则可以更加提高接合可靠性。
如果金属板13的厚度小于0.6mm，则该金属板13的热变形除了其上表面侧之外，下表面侧也被绝缘板11束缚，使得第二焊锡层15中的热循环时的龟裂进展速度增大。另外，如果该厚度大于1.5mm，则利用金属板13的热变形使绝缘板11及电路板12变形，由此，第一焊锡层14中的热循环时的龟裂进展速度增大。因此，虽然金属板的厚度未被限定，但如果为0.6～1.5mm，则可以更加提高接合可靠性。
而且，在本实施方式中，由于金属板13和冷却槽部31(主体部31a)通过以Sn为主要成分的第二焊锡层15接合，所以，即使在接合界面产生了应力的情况下，由于冷却槽部31(主体部31a)和绝缘板11的热膨胀系数不同，所以也能够通过第二焊锡层15吸收该应力。因此，可以进一步提高电源模块10的接合可靠性。
并且，在第二焊锡层15的杨氏模量、0.2％屈服强度以及拉伸强度被设定为上述大小的情况下，当热循环作用于电源模块10时，能够使形变大量蓄积于金属板13，降低在该第二焊锡层15中蓄积的形变量。因此，不仅能够使金属板13加工硬化，还能够防止在第二焊锡层15中产生龟裂等。
实施例
(第一验证实验)
这里，对于以上的作用效果中，由纯度99.98％以上的Al合金或纯Al形成电路板12、由纯度98.00％以上99.90％以下的Al合金形成金属板13，从而可防止龟裂在第一、第二焊锡层14、15中产生及发展的情况，通过实验进行了验证(下面称作“第一验证实验”)。
作为对本实验提供的带冷却槽部的绝缘电路基板，采用了以下的构成。
绝缘板11由以AlN为主要成分的材质形成，其纵、横及厚度分别是50mm、50mm和0.635mm。电路板12由Al合金形成，其纵、横及厚度分别是48mm、48mm和0.4mm。金属板13由Al合金形成，其纵、横及厚度分别是48mm、48mm和0.6mm。冷却槽部31由AA(Alminum Association)6063系的Al合金形成，其主体部31a的纵、横及厚度分别是100mm、100mm和3mm。冷却翼片31d的厚度(图1的纸面的左右方向的大小)、长度(图1的纸面的上下方向的大小)及间距分别是1mm、8mm和3mm。第二焊锡层15由Sn—3.5％ Ag—0.75％ Cu构成，其厚度为0.3mm。
在以上的构成中，所形成的带冷却槽部的绝缘电路基板，其形成电路板12及金属板13的各Al合金的Al纯度分别为不同的36种。下面，将其中形成电路板12的Al合金的纯度为99.98％以上、且形成金属板13的Al合金的纯度为98.00％以上99.90％以下的构成称作第一实施例，除此之外的构成称作第一比较例。
另外，金属板13和冷却槽部31的主体部31a通过第二焊锡层15而进行的接合，预先在接合了金属板13的冷却槽部的主体部31a的表面和金属板13的表面，通过无电解镀覆形成所述镀Ni层，然后，在温度为300℃的还原气氛下实施。而且，在该接合时，同时利用与第二焊锡层15相同的焊锡材料，将采用了纵、横及厚度分别为10mm、10mm及0.3mm的AlN的加热芯片与电路板12接合。可以采用该加热芯片在本验证试验的实施时替代半导体芯片30(下面将该构成称作“电源模块”)。并且，电路板12及金属板13和绝缘板11采用Al—Si焊箔预先进行真空焊接。另外，在该焊接之际，预先通过无电解镀覆在电路板12及金属板13的各表面形成了厚度2μm的镀Ni层。
将以上各电源模块分别设置在由氟系溶剂构成的液相气氛下，对所述各电源模块赋予了将使该气氛温度以10分钟从—40℃上升为105℃，以10分钟从105℃降低为—40℃的温度履历作为一个循环的温度循环。然后，将和该赋予前的热电阻值(下面称作“初始热电阻值”)相比确认了10％以上的上升时的热循环数，测定为该电源模块的热循环寿命。这里，在第一、第二焊锡层14、15等的接合部等中产生及发展了龟裂时，热电阻值会上升。该热循环寿命的测定通过每经过500个循环测定一次热电阻值而实施。
另外，热电阻值通过下述方法进行了测定。在冷却槽部31的内部空间31b中使水温50℃的冷却水循环，将冷却翼片31d的外表面保持为一定温度。该状态下，向加热芯片供给100W的电力使其发热。在该加热芯片的温度达到一定之后，根据该加热芯片的温度(Th)和冷却水的温度(50℃)，由HR＝(Th—50)/100(℃/W)算出了热电阻值(HR)。这里，加热芯片温度(Th)通过预先测定加热芯片的TCR(Temperature Coefficient of Resistance)，求出发热前后加热芯片的电阻值之差(ΔR)，并根据Th＝ΔR/TCR+Tr(℃)而算出(Tr为室温)。
作为现有例，采用了与所述电源模块相同的加热芯片、绝缘板11、电路板12、金属板13以及冷却槽部31，并且，采用了在金属板13与冷却槽部31之间配设了纵、横及厚度分别为70mm、70mm和3mm的由CuMo合金构成的散热板的结构。另外，该现有例的构成，首先在采用Al—Si焊箔对电路板12及金属板13和绝缘板11进行了真空焊接之后，通过Pb50％Sn焊锡材料接合加热芯片和电路板12，并且接合了所述散热板和金属板13。进而，经由厚度约0.15mm的硅润滑油层使所述散热板与冷却槽部31粘结。另外，与所述第一实施例及第一比较例完全同样地，在电路板12等的各表面也形成了镀Ni层。
结果可以确认，相对于现有例的初始热电阻值为0.72(℃/W)，第一实施例的初始热电阻值为0.28(℃/W)～0.30(℃/W)，能够比现有例小一半。而且，如表1所示，可以确认相对在所述第一比较例中所述热循环寿命为3000以下，在第一实施例中大于3500。
综上可以确认，在形成电路板12的Al合金的纯度为99.98％以上，且形成金属板13的Al合金的纯度为98.00％以上99.90％以下的电源模块10中，不会降低各构成要素12等之间的接合可靠性，可以降低层叠方向的总计热电阻。
[表1]
(第二验证实验)
接着，利用实验来验证：通过将金属板13的厚度及电路板12的厚度设定在上述范围，可以缓和因热循环而在第一、第二焊锡层14、15中产生的应力(下面称作“第二验证实验”)。
作为用于本实验的电源模块，采用除了由纯度99.99％的Al合金形成电路板12，且由纯度99.50％的Al合金形成金属板13，电路板12及金属板13的厚度在0.2mm～1.5mm的范围中的各不相同之外，与上述第一验证实验中采用的电源模块同样的49种构成。下面，将电路板12的厚度(a)为0.2mm以上0.8mm以下，金属板13的厚度(b)为0.6mm以上1.5mm以下，且a/b≤1的构成称作第二实施例，除此以外的构成称作第二比较例。
对以上的各电源模块分别与上述第一验证实验同样地赋予温度循环，测定了热循环寿命。
结果可以确认，在第二实施例中也和上述第一实施例同样，初始热电阻值为0.28(℃/W)～0.30(℃/W)，与上述第一验证实验中所示的现有例相比，可以减小一半。而且，如表2所示，可以确认相对于在第二比较例中上述热循环寿命为3000以下，在第二实施例中大于3500。
综上可以确认，在电路板12的厚度(a)为0.2mm以上0.8mm以下，金属板13的厚度(b)为0.6mm以上1.5mm以下，a/b≤1的电源模块10中，不会降低各构成要素12等之间的接合可靠性，能够降低层叠方向的总计热电阻。
[表2]
(第三验证实验)
接着，利用实验来验证通过将第二焊锡层15的杨氏模量、0.2％屈服强度、以及拉伸强度分别设定为上述大小，可以防止在第二焊锡层15中产生龟裂等。
作为用于本实验的电源模块，准备了除由纯度99.99％的Al合金形成电路板12，且由纯度99.50％的Al合金形成金属板13，第二焊锡层15的材质各不相同之外，与上述第一验证实验中所采用的电源模块同样的10种构成。
下面，将第二焊锡层15的材质是由Sn为85wt％以上、Ag为0.5wt％以上、Cu为0.1wt％以上的3元以上多元系合金构成的焊锡的情况作为第三实施例，将除此以外的情况作为第二比较例。
对以上的各电源模块分别与上述第一验证实验同样地赋予温度循环，测定了热循环寿命。
结果可确认，在表3所示的第三实施例(实施例1～5)中也和上述第一、第二实施例同样，初始热电阻值为0.28(℃/W)～0.30(℃/W)，与上述第一验证实验所示的现有例(0.72(℃/W))相比，可以减小一半。而且，如表3所示，相对于在第三比较例(比较例1～4)中上述热循环寿命为3000以下，在第三实施例中大于3500，可与上述现有例同等地维持。
综上可确认，能够提供一种不会降低各构成要素12等之间的接合可靠性，可降低层叠方向的总计热电阻的电源模块。
[表3]
| 第二焊锡(wt％) | 初始热电阻(℃/W) | 杨氏模量(GPa) | 0.2％屈服强度(MPa) | 拉伸强度(MPa) | 热循环寿命(循环数) | |
| 实施例1 | Sn-3.5Ag-0.75Cu | 0.281 | 45 | 38 | 53 | >3500 |
| 实施例2 | Sn-4.7Ag-1.2Cu | 0.290 | 50 | 57 | 62 | >3500 |
| 实施例3 | Sn-3.5Ag-0.75Cu-0.01Ge | 0.288 | 45 | 40 | 55 | >3500 |
| 实施例4 | Sn-4.7Ag-1.2Cu-0.01Ge | 0.279 | 51 | 58 | 64 | >3500 |
| 实施例5 | Sn-3.2Ag-2.8Bi-0.7Cu-0.01Ge | 0.294 | 52 | 69 | 85 | >3500 |
| 比较例1 | Sn-0.75Cu | 0.296 | 34 | 22 | 32 | 1500 |
| 比较例2 | Sn-0.7Cu-0.06Ni | 0.280 | 30 | 13 | 30 | 1000 |
| 比较例3 | Pb-10Sn | 0.293 | 19 | 46 | 40 | 2000 |
| 比较例4 | Pb-50Sn | 0.286 | 26 | - | 53 | 2500 |
| 现有例 | Pb-50Sn | 0.720 | 26 | - | 53 | >3500 |
另外，本发明的技术范围不限定于上述实施方式，在不脱离本发明主旨的范围中可以施加各种变更。例如，也可以使所述冷却槽部31具备由具有绝缘板11的热膨胀系数与冷却槽部31的主体部31a的热膨胀系数的中间的热膨胀系数的Cu等构成的应力缓冲构件，并将所述应力缓冲构件配设在金属板13与冷却槽部31之间，而且，还可以替代该应力缓冲构件设置由纯度99％以上的纯Al构成的形变吸收构件。
并且，在上述实施方式中，举例说明了由纯Al或Al合金形成冷却槽部31的主体部31a整体的构成，但也可以是由纯Al或Al合金仅形成设置金属板13的表面侧的多层构造。
另外，可以通过焊接接合金属板13和冷却槽部31的主体部31a。
(工业上的可利用性)
本发明提供一种不会降低各构成要素之间的接合可靠性，能够降低层叠方向的总计热电阻的绝缘电路基板及带冷却槽部的绝缘电路基板。
Claims (5)
1、一种绝缘电路基板，其特征在于，具备：绝缘板、与所述绝缘板的一方表面接合的电路板、和与所述绝缘板的另一方表面接合的金属板，
半导体芯片经由第一焊锡层接合在所述电路板的表面，而且，
冷却槽部经由第二焊锡层接合在所述金属板的与接合于所述绝缘板的表面相反侧的下表面，
所述电路板由纯度99.98％以上的Al合金或纯Al形成，
所述金属板由纯度98.00％以上99.90％以下的Al合金形成。
2、根据权利要求1所述的绝缘电路基板，其特征在于，
所述电路板的厚度a设为0.2mm以上0.8mm以下，而且，
所述金属板的厚度b设为0.6mm以上1.5mm以下，且a/b≤1。
3、一种带冷却槽部的绝缘电路基板，其特征在于，具备：
绝缘电路基板；和
冷却槽部，
所述绝缘电路基板具备：绝缘板、与所述绝缘板的一方表面接合的电路板、和与所述绝缘板的另一方表面接合的金属板，
半导体芯片经由第一焊锡层接合在所述电路板的表面，
所述电路板由纯度99.98％以上的Al合金或纯Al形成，
所述金属板由纯度98.00％以上99.90％以下的Al合金形成，
所述冷却槽部经由第二焊锡层接合在所述金属板的与接合于所述绝缘板的表面相反侧的下表面，
所述第二焊锡层由由Sn为85wt％以上、Ag为0.5wt％以上、Cu为0.1wt％以上的三元以上的多元系合金所构成的焊锡形成。
4、根据权利要求3所述的带冷却槽部的绝缘电路基板，其特征在于，
所述第二焊锡层被设定成杨氏模量为35GPa以上、0.2％屈服强度为30MPa以上、拉伸强度为40MPa以上。
5、根据权利要求3所述的带冷却槽部的绝缘电路基板，其特征在于，
所述冷却槽部由纯Al或Al合金形成。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005268093A JP2007081200A (ja) | 2005-09-15 | 2005-09-15 | 冷却シンク部付き絶縁回路基板 |
| JP268094/2005 | 2005-09-15 | ||
| JP268095/2005 | 2005-09-15 | ||
| JP268093/2005 | 2005-09-15 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101061580A CN101061580A (zh) | 2007-10-24 |
| CN100481412C true CN100481412C (zh) | 2009-04-22 |
Family
ID=37941164
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 200680001216 Active CN100481412C (zh) | 2005-09-15 | 2006-09-15 | 绝缘电路基板及带冷却槽部的绝缘电路基板 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2007081200A (zh) |
| CN (1) | CN100481412C (zh) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009283741A (ja) * | 2008-05-23 | 2009-12-03 | Fuji Electric Device Technology Co Ltd | 半導体装置 |
| JP5751258B2 (ja) * | 2011-01-07 | 2015-07-22 | 富士電機株式会社 | 半導体装置の製造方法 |
| US8802553B2 (en) * | 2011-02-10 | 2014-08-12 | Infineon Technologies Ag | Method for mounting a semiconductor chip on a carrier |
| CN102856272A (zh) * | 2011-06-27 | 2013-01-02 | 北京兆阳能源技术有限公司 | 一种绝缘散热电子组件 |
| JP2013229579A (ja) * | 2012-03-30 | 2013-11-07 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール |
| JP6044097B2 (ja) * | 2012-03-30 | 2016-12-14 | 三菱マテリアル株式会社 | ヒートシンク付パワーモジュール用基板、冷却器付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール |
| EP3236495B1 (en) * | 2014-12-16 | 2019-09-11 | Kyocera Corporation | Circuit substrate and electronic device |
| CN107004653B (zh) * | 2015-01-26 | 2019-03-22 | 三菱电机株式会社 | 半导体装置以及半导体装置的制造方法 |
| JP6524809B2 (ja) * | 2015-06-10 | 2019-06-05 | 富士電機株式会社 | 半導体装置 |
| JP6557540B2 (ja) * | 2015-07-31 | 2019-08-07 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | パワーモジュール |
| JP6750263B2 (ja) * | 2016-03-18 | 2020-09-02 | 富士電機株式会社 | 電力用半導体モジュール |
-
2005
- 2005-09-15 JP JP2005268093A patent/JP2007081200A/ja not_active Withdrawn
-
2006
- 2006-09-15 CN CN 200680001216 patent/CN100481412C/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101061580A (zh) | 2007-10-24 |
| JP2007081200A (ja) | 2007-03-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100481412C (zh) | 绝缘电路基板及带冷却槽部的绝缘电路基板 | |
| CN104919585B (zh) | 功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、自带散热器的功率模块 | |
| JP6323522B2 (ja) | 冷却器付パワーモジュール用基板 | |
| US10199237B2 (en) | Method for manufacturing bonded body and method for manufacturing power-module substrate | |
| US10032648B2 (en) | Method of manufacturing power-module substrate with heat-sink | |
| JP6079505B2 (ja) | 接合体及びパワーモジュール用基板 | |
| TWI619207B (zh) | 接合體、電源模組用基板、電源模組及接合體之製造方法 | |
| CN101401197A (zh) | 电子元器件模块 | |
| JP4916737B2 (ja) | 冷却器 | |
| WO2007132683B1 (en) | Power semiconductor module | |
| CN110315161B (zh) | 一种高温封装用Cu3Sn/泡沫铜复合接头的制备方法 | |
| WO2003046981A1 (en) | Module structure and module comprising it | |
| CN102810487A (zh) | 将金属陶瓷基底与金属体接合的方法 | |
| JP5061442B2 (ja) | 絶縁回路基板および冷却シンク部付き絶縁回路基板 | |
| JP2002329814A (ja) | 半導体実装用絶縁基板及びパワーモジュール | |
| KR20190132355A (ko) | 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판의 제조 방법 | |
| JP4104429B2 (ja) | モジュール構造体とそれを用いたモジュール | |
| JP6819299B2 (ja) | 接合体、パワーモジュール用基板、接合体の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法 | |
| JP2009088330A (ja) | 半導体モジュール | |
| JP2015057847A (ja) | パワーモジュール用基板の製造方法 | |
| TW201739726A (zh) | 接合體，電源模組用基板，電源模組，接合體的製造方法及電源模組用基板的製造方法 | |
| CN102651348A (zh) | 功率模块用基板及制法、自带散热器的该基板及功率模块 | |
| CN109075135B (zh) | 接合体、功率模块用基板、接合体的制造方法及功率模块用基板的制造方法 | |
| JP5392901B2 (ja) | 窒化珪素配線基板 | |
| JP4747284B2 (ja) | 冷却シンク部付き絶縁回路基板 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |