JP2001313355A - Module and method of manufacture - Google Patents

Module and method of manufacture

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JP2001313355A JP2000132229A JP2000132229A JP2001313355A JP 2001313355 A JP2001313355 A JP 2001313355A JP 2000132229 A JP2000132229 A JP 2000132229A JP 2000132229 A JP2000132229 A JP 2000132229A JP 2001313355 A JP2001313355 A JP 2001313355A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a module, having a high reliability equal to or higher than that of a module employing a heat sink made of an expensive composite material which uses inexpensive metal plate as a heat sink. SOLUTION: In the module, where a ceramic circuit board is bonded onto a metallic heat sink, rear surface of the heat sink has a convex warpage of 20 μm-120 μm in a measuring span of 50 mm. Preferably, a metal principally comprising Mo is bonded to the circuit of the ceramic circuit board via a metal principally, comprising one or more of Ni, Cr and Ti.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス回路
基板を銅等の金属からなるヒートシンクを介して放熱フ
ィン等に接合してなるモジュール、ことに電源用途向け
のパワーモジュールとその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a module in which a ceramic circuit board is joined to a radiating fin or the like via a heat sink made of metal such as copper, and more particularly to a power module for power supply and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、IGBTやIPMを初めとするパ
ワーモジュール等においては、酸化アルミニウム(Al
23)、窒化ケイ素(Si34)、窒化アルミニウム
(AlN)等のセラミックス基板からなる回路基板を、
銅(Cu)やアルミニウム(Al)等の金属からなるヒ
ートシンクに半田付けした後、樹脂ケース等を取り付け
る工程を経てパワーモジュールとすることが一般的であ
る。
2. Description of the Related Art Conventionally, in power modules such as IGBT and IPM, aluminum oxide (Al
2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum nitride (AlN), etc.
Generally, after soldering to a heat sink made of a metal such as copper (Cu) or aluminum (Al), a power module is formed through a process of attaching a resin case or the like.

【0003】一方、電鉄車両やハイブリッドカーを含む
電気自動車用途において、最近、パワーモジュールに一
層の高信頼性が要求されている。しかし、パワーモジュ
ールの信頼性を損なう要因として、使用されているセラ
ミックス基板の割れや、セラミックス基板とヒートシン
クとの接合に使用されている半田にクラックが発生する
ことが知られている。
On the other hand, for electric vehicles including electric railway vehicles and hybrid cars, recently, higher reliability has been demanded for power modules. However, it is known that as a factor that impairs the reliability of the power module, cracks occur in the ceramic substrate used, and cracks occur in the solder used for joining the ceramic substrate and the heat sink.

【0004】セラミックス基板に発生するクラックは絶
縁不良の原因となるし、セラミックス基板とヒートシン
クとの間の半田に発生するクラックは放熱性を悪化さ
せ、その結果半導体素子の動作不能を引き起こす。前記
問題の発生は、パワーモジュールとしての寿命を縮める
ことに直結してしまうので、前記問題の発生を極力防止
し、長期に渡って信頼性の高いモジュールが求められて
いる。
[0004] Cracks that occur in the ceramic substrate cause insulation failure, and cracks that occur in the solder between the ceramic substrate and the heat sink deteriorate heat dissipation, resulting in inoperability of the semiconductor element. Since the occurrence of the problem is directly linked to shortening the life of the power module, there is a need for a module which can prevent the problem as much as possible and has high reliability for a long period of time.

【0005】上記の事情から、セラミックス基板に生じ
るクラックを防止するために、応力緩和性に優れるアル
ミニウム(Al)金属を、回路用金属として用いること
や、セラミックス基板とヒートシンクとの間の半田に発
生する熱応力を低減させるためセラミックス基板の熱膨
張率に近いAl−SiC複合材等の複合材をヒートシン
クとして用いることが検討されている。
[0005] In view of the above circumstances, in order to prevent cracks generated in a ceramic substrate, aluminum (Al) metal having excellent stress relaxation properties is used as a circuit metal, and solder generated between a ceramic substrate and a heat sink is generated. Use of a composite material such as an Al-SiC composite material having a coefficient of thermal expansion close to the coefficient of thermal expansion of a ceramic substrate as a heat sink has been studied in order to reduce thermal stress.

【0006】セラミックス基板と複合材からなるヒート
シンクとを組み合わせて得られるモジュールは、高信頼
性を有し、電鉄車両やハイブリッドカーなどに好適なも
のであるが、モジュール本体価格が高価であることが大
きな欠点となっており、用途拡大の足かせになってい
る。
A module obtained by combining a ceramic substrate and a heat sink made of a composite material has high reliability and is suitable for electric railway vehicles and hybrid cars, but the module body is expensive. This is a major drawback, and is a hindrance to expanding applications.

【0007】その理由は、Al−SiC複合材等の複合
材が従来の金属製ヒートシンクに比べて特殊な製法を採
用せざるを得ない上に、加工工程や表面処理工程のコス
トが高く、金属製ヒートシンクの数倍と高価になってし
まうからである。加えて、ヒートシンク形状は、モジュ
ールの大きな部分を占めることから、パワーモジュール
の価格に占める割合も多いことも一因である。このた
め、安価な金属製ヒートシンクを用いながらも、信頼性
が高いパワーモジュールの開発が熱望されている。
[0007] The reason is that a composite material such as an Al-SiC composite material must employ a special manufacturing method as compared with a conventional metal heat sink, and the cost of a processing step and a surface treatment step is high. This is because the heatsink is several times as expensive as the heatsink made. In addition, the shape of the heat sink occupies a large part of the module, which is one of the reasons why the heat sink shape has a large proportion in the price of the power module. Therefore, development of a highly reliable power module while using an inexpensive metal heat sink has been eagerly desired.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に鑑みてなされたものであり、これまで省みることが無
かったパワーモジュール構造とその信頼性との関係を明
らかにし、安価な金属板をヒートシンクとして用い、A
l−SiC複合材等の複合材からなるヒートシンクを用
いた場合と同等若しくはそれ以上の高い信頼性を達成す
るモジュールを提供することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has clarified the relationship between the power module structure and its reliability which have not been omitted until now. Is used as a heat sink, and A
It is an object of the present invention to provide a module that achieves a high reliability equal to or higher than that when a heat sink made of a composite material such as an l-SiC composite material is used.

【0009】前述したとおり、安価な金属製ヒートシン
クを用いたパワーモジュールにおいては、組み立て工程
や実使用条件下で受ける熱応力に原因して、半田クラッ
クの発生、あるいは半田接合の劣化が生ずることが知ら
れている。
As described above, in a power module using an inexpensive metal heat sink, solder cracks may occur or solder joints may deteriorate due to the thermal stress received during the assembly process or actual use conditions. Are known.

【0010】前記問題に対して、セラミックス基板に劣
化し易い半田を使用すること自体が信頼性低下の原因と
なってしまうとの考えから、半田に代えて高融点ロウ材
を用いて、ヒートシンクとセラミックス基板とを直接に
接合する(以下、直付けという)構造を採用することで
信頼性の向上を期待する検討もされている(特開平9−
97865号公報、特開平10−270596号公報参
照)。
In view of the above problem, it is considered that the use of easily deteriorated solder for the ceramic substrate itself causes a decrease in reliability. There is also a study to improve reliability by adopting a structure in which a ceramic substrate is directly bonded (hereinafter, referred to as a direct mounting) (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9-1997).
No. 97865, JP-A-10-270596).

【0011】しかしながら、本発明者は、前記の直付け
構造を持つパワーモジュールについて検討したところ、
後述する直付け構造固有の二つの問題点が存在すること
を見出したものである。
However, the present inventor examined the power module having the above-mentioned direct mounting structure,
It has been found that there are two problems inherent to the direct mounting structure described later.

【0012】<モジュール底面の反りに由来する放熱性
悪化の問題>金属製ヒートシンク、例えば銅(熱膨張率
は17ppm/℃)を用いる場合、その熱膨張率はセラ
ミックス基板の熱膨張率(4〜5ppm/℃)と比べて
大きく異なるため、600℃〜900℃で接合した後
に、発生する熱応力によりヒートシンクの面(放熱フィ
ン等の放熱ユニットに接合する面、以下モジュール底面
という)が大きく反る。
<Problem of Deterioration of Heat Dissipation Caused by Warpage of Module Bottom> When a metal heat sink, for example, copper (coefficient of thermal expansion is 17 ppm / ° C.) is used, the coefficient of thermal expansion is the coefficient of thermal expansion of the ceramic substrate (4 to 4). 5 ppm / ° C.), the surface of the heat sink (the surface to be connected to a heat radiating unit such as a radiating fin, hereinafter referred to as a module bottom surface) is greatly warped due to the generated thermal stress after bonding at 600 ° C. to 900 ° C. .

【0013】そしてその反りはモジュール底面が凹とな
るため、放熱ユニットに接合しようとするときに放熱ユ
ニットとモジュール底面との間に隙間が発生し、仮に前
記隙間に放熱グリースが存在しても、熱伝導性が悪くな
り、モジュールを構成している半導体素子等の電子部品
の温度が上昇する。
[0013] Since the warp is concave on the bottom surface of the module, a gap is generated between the heat dissipation unit and the bottom surface of the module when joining to the heat dissipation unit. Thermal conductivity deteriorates, and the temperature of electronic components such as semiconductor elements constituting the module rises.

【0014】<使用中に発生する半導体素子搭載部での
半田クラック発生の問題>セラミックス基板とヒートシ
ンクが直付けされても、基板上の半導体素子は依然とし
てセラミックス回路基板上の回路に半田付けされて使用
することになるが、その場合、基板に加わる応力が直付
けされたことにより、従来のモジュールの場合に比べて
大きくなり、セラミックス基板上の半導体素子の下の半
田に加わる熱応力もまた大きくなるため、半導体素子の
下の半田クラックが発生し易くなるなる。
<Problem of Solder Cracks Occurring in Semiconductor Device Mounting Portion During Use> Even when the ceramic substrate and the heat sink are directly attached, the semiconductor device on the substrate is still soldered to the circuit on the ceramic circuit substrate. However, in this case, the stress applied to the substrate is directly applied, so that it becomes larger than that of the conventional module, and the thermal stress applied to the solder under the semiconductor element on the ceramic substrate is also large. Therefore, solder cracks under the semiconductor element are likely to occur.

【0015】前記の理由は明かでないが、本発明者は、
従来のモジュールの場合にはセラミックス基板とヒート
シンクとの間の熱応力は、半田自身の塑性変形によって
かなり緩和されていたためで、半導体素子の半田に加わ
る熱応力は低減されていたからであると推察している。
Although the reason is not clear, the present inventor has
In the case of the conventional module, the thermal stress between the ceramic substrate and the heat sink was considerably relaxed by the plastic deformation of the solder itself, so it was speculated that the thermal stress applied to the solder of the semiconductor element was reduced. I have.

【0016】前記の二つの問題が発生すると、いずれの
場合においても、モジュール中の半導体素子等の電子部
品や回路から発生する熱の放散性を悪化させ、半導体素
子の温度を上昇させることになり、半導体素子の誤動作
を生じたり寿命を短くする等の現象を引き起こすので、
実用上好ましくない。
When the above two problems occur, in any case, the heat dissipation of heat generated from electronic components and circuits such as semiconductor elements in the module is deteriorated, and the temperature of the semiconductor elements increases. Causes malfunctions such as malfunctioning of the semiconductor element and shortening of the service life.
Not practically preferable.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記事情に
鑑みて鋭意検討、具体的には、セラミックス回路基板と
金属製ヒートシンクとの組み合わせについて、いろいろ
なモジュールを試作し、その信頼性を評価することによ
り、特定の形状を有するモジュールが、長期間に渡って
半田クラック、基板クラックが発生しがたく、熱放散性
に優れることを見出し、本発明に至ったものである。
Means for Solving the Problems The present inventor has studied diligently in view of the above circumstances. More specifically, for the combination of a ceramic circuit board and a metal heat sink, various modules have been trial-produced and the reliability thereof has been improved. Through the evaluation, it has been found that a module having a specific shape hardly generates solder cracks and substrate cracks over a long period of time, and is excellent in heat dissipation, and has led to the present invention.

【0018】即ち、本発明は、金属製ヒートシンク上
に、セラミックス回路基板を接合してなるモジュールで
あって、ヒートシンク裏面が凸面状に反り、しかも前記
反りの量が、測定スパン50mmにおいて、20μm以
上120μm未満であることを特徴とするモジュールで
あり、好ましくは、前記セラミックス回路基板の回路上
に、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)又はチタン(T
i)のいずれか1種以上を主成分とする金属を介して、
モリブデン(Mo)を主成分とする金属を接合している
ことを特徴とする前記のモジュールである。
That is, the present invention relates to a module in which a ceramic circuit board is joined to a metal heat sink, and the back surface of the heat sink is warped convexly, and the amount of the warp is 20 μm or more at a measurement span of 50 mm. A module having a size of less than 120 μm, preferably nickel (Ni), chromium (Cr) or titanium (T
i) via a metal mainly containing any one or more of
The above module is characterized in that a metal containing molybdenum (Mo) as a main component is joined.

【0019】又、本発明は、金属製ヒートシンクの片面
に、セラミックス回路基板、モリブデンを順次配置して
積層物を得て、更に、任意の方向に所定の曲率半径を有
する凹面と凸面とを一対とする型を用いて、前記積層物
を前記凹凸両面間に挟み込んだ状態下で、加圧し、一体
化することを特徴とするモジュールの製造方法であり、
好ましくは、積層物が、セラミックス回路基板とモリブ
デンとの間に、更にニッケル、クロム又はチタンのいず
れか1種以上を主成分とする金属を介在させることを特
徴とする前記のモジュールの製造方法である。
Further, according to the present invention, a ceramic circuit board and molybdenum are sequentially arranged on one side of a metal heat sink to obtain a laminate, and a pair of a concave surface and a convex surface having a predetermined radius of curvature in any direction is obtained. Using a mold to be, under the state of sandwiching the laminate between the uneven surface, pressurized, a module manufacturing method characterized by being integrated,
Preferably, in the above-mentioned module manufacturing method, the laminate is characterized in that a metal mainly containing at least one of nickel, chromium and titanium is interposed between the ceramic circuit board and molybdenum. is there.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】本発明は、本発明者がいろいろ実
験的に検討した結果、金属製ヒートシンク上にセラミッ
クス回路基板をロウ付けにより接合してなるモジュール
であって、ヒートシンク裏面が凸面状に反り、しかも前
記反りの量が、測定スパン50mmにおいて、20μm
以上120μm未満であるという特定の形状を有すると
きに、長期間に渡って半田クラック、基板クラックが発
生しがたく、熱放散性に優れるモジュールが得られると
いう知見を得て、本発明に至ったものである。ヒートシ
ンク裏面の形状が前記特定な形状を有しない場合には、
本願発明の目的を達成することができない。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION As a result of various experiments by the present inventor, the present invention is directed to a module in which a ceramic circuit board is joined to a metal heat sink by brazing, and the back surface of the heat sink has a convex shape. Warp, and the amount of the warp is 20 μm in a measurement span of 50 mm.
When having a specific shape of less than 120 μm or more, it has been found that a solder crack and a board crack are unlikely to occur over a long period of time and a module excellent in heat dissipation can be obtained. Things. When the shape of the back surface of the heat sink does not have the specific shape,
The object of the present invention cannot be achieved.

【0021】更に、本発明において、セラミックス回路
基板の回路上に、ニッケル、クロム又はチタンのいずれ
か1種以上を主成分とする金属を介して、モリブデンを
主成分とする金属を接合していることが好ましい。前記
構成を採用することで、セラミックス回路基板の熱膨張
率を抑制し、金属製ヒートシンクと接合したときに、容
易に所望量の凸面状の反りを達成できるし、本願発明の
目的をより一層達成しやすくなる。
Further, in the present invention, a metal mainly composed of molybdenum is bonded to a circuit of the ceramic circuit board via a metal mainly composed of at least one of nickel, chromium and titanium. Is preferred. By adopting the above configuration, the coefficient of thermal expansion of the ceramic circuit board can be suppressed, and when joined to a metal heat sink, a desired amount of convex warpage can be easily achieved, and the object of the present invention is further achieved. Easier to do.

【0022】本発明に用いられるセラミックス回路基板
に関して、セラミックス基板は必要とされる絶縁特性や
熱伝導率や機械強度などの特性を満たしていればどの様
なものでも構わないが、高熱伝導率セラミックスである
窒化アルミニウム(AlN)、或いは高い強度と比較的
高い熱伝導率を兼ね備えた窒化ケイ素(Si34)がよ
り好適である。
Regarding the ceramic circuit board used in the present invention, any ceramic board may be used as long as it satisfies required properties such as insulation properties, thermal conductivity and mechanical strength. Aluminum nitride (AlN) or silicon nitride (Si 3 N 4 ) having both high strength and relatively high thermal conductivity is more preferable.

【0023】前記セラミックス基板上に設けられる回路
としては、良導電性の金属であれば何でもかまわない
が、安価で熱伝導率が高い銅やアルミニウムが好ましく
用いられる。また、前記銅やアルミニウムとしては、電
気伝導率が高く、応力発生に対して塑性変形能が高い、
高純度のものが好ましい。
As the circuit provided on the ceramics substrate, any circuit may be used as long as it is a metal having good conductivity, but copper and aluminum which are inexpensive and have high thermal conductivity are preferably used. Further, as the copper or aluminum, the electrical conductivity is high, the plastic deformation ability is high with respect to stress generation,
High purity is preferred.

【0024】また金属製ヒートシンクに用いる金属につ
いては、安価で熱伝導率が高い銅やアルミニウム、また
はそれらを主成分とする合金などが好ましく用いられ
る。
As the metal used for the metal heat sink, copper or aluminum, which is inexpensive and has high thermal conductivity, or an alloy containing these as a main component is preferably used.

【0025】本発明のモジュールを得る方法としては、
従来公知の方法を適用することで得ることも出来るが、
後述する方法が再現性良く、また生産性高く本発明のモ
ジュールを得ることができる。
As a method for obtaining the module of the present invention,
Although it can be obtained by applying a conventionally known method,
The method described later can obtain the module of the present invention with good reproducibility and high productivity.

【0026】即ち、所望の形状の凹面とそれと同一形状
の凸面とを一対とする型内の前記凹凸面間に、一主面上
に回路を設けたセラミックス基板(セラミックス回路基
板)と、前記セラミックス基板の回路を設けていない面
側に、ロウ材を介して、金属製ヒートシンクを配置し
て、加圧下でロウ材の一部を溶融するように加熱して、
セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクとを接合す
る。
That is, a ceramic substrate (ceramic circuit substrate) having a circuit provided on one principal surface between the concave and convex surfaces in a mold having a pair of a concave surface having a desired shape and a convex surface having the same shape, On the side of the board where the circuit is not provided, via a brazing material, a metal heat sink is arranged and heated so as to melt a part of the brazing material under pressure,
The ceramic circuit board and the metal heat sink are joined.

【0027】その後、セラミックス回路基板の回路上に
半導体素子等の電子部品を搭載し、ワイヤーボンディン
グする等の操作を加えて回路形成する。その後、金属製
ヒートシンク裏面に、高熱伝導性グリースを塗布後、放
熱フィン等の放熱ユニットに取り付ける。
Thereafter, electronic components such as semiconductor elements are mounted on the circuit of the ceramic circuit board, and a circuit is formed by performing operations such as wire bonding. Then, after applying high thermal conductive grease to the back surface of the metal heat sink, it is attached to a heat radiation unit such as a heat radiation fin.

【0028】本発明に用いるロウ材は、セラミックス基
板と回路を構成する金属に応じて適宜選択すれば良い
が、回路用金属が銅の場合にはAg−Cu−Ti系ロウ
材がセラミックス回路基板と金属製ヒートシンク、或い
はセラミックス基板と回路用金属との接合力が高いので
好ましい。
The brazing material used in the present invention may be appropriately selected according to the ceramic substrate and the metal constituting the circuit. When the metal for the circuit is copper, an Ag-Cu-Ti-based brazing material is used. And a metal heat sink, or a ceramic substrate and a circuit metal are preferred because of their high bonding strength.

【0029】また、アルミニウムからなる回路を有する
窒化アルミニウム回路基板を銅製のヒートシンクに接合
する場合には、マグネシウムと、銅とゲルマニウムとケ
イ素とからなる群から選ばれる2種以上の元素とを含有
するアルミニウム合金が、窒化アルミニウム基板と銅製
ヒートシンクとの密着性に優れ、本発明の目的を確実に
達成できるので、好ましい。
When an aluminum nitride circuit board having a circuit made of aluminum is joined to a heat sink made of copper, it contains magnesium and two or more elements selected from the group consisting of copper, germanium and silicon. Aluminum alloys are preferred because they have excellent adhesion between the aluminum nitride substrate and the copper heat sink and can reliably achieve the object of the present invention.

【0030】ことに、前記アルミニウムからなる回路を
有する窒化アルミニウム回路基板において、ロウ材とし
てJIS呼称2017アルミニウム合金を用いると、前
記アルミニウム合金は接合の際に、回路のアルミニウム
と容易に一体化するので、更に好ましい。
In particular, when an aluminum nitride circuit board having a circuit made of aluminum is made of JIS 2017 aluminum alloy as a brazing material, the aluminum alloy is easily integrated with the aluminum of the circuit at the time of joining. Is more preferable.

【0031】セラミックス回路基板の回路上に、ニッケ
ル、クロム又はチタンのいずれか1種以上を主成分とす
る金属を介して、モリブデンを主成分とする金属を接合
させるために、前記操作において、セラミックス基板の
回路外側に、ニッケル、クロム又はチタンのいずれか1
種以上を主成分とする金属を配置し、更に外側にモリブ
デンを主成分とする金属を配置しておけばよい。
In order to join a metal mainly composed of molybdenum to a circuit of a ceramic circuit board via a metal mainly composed of at least one of nickel, chromium and titanium, One of nickel, chromium or titanium on the outside of the circuit on the board
A metal mainly composed of at least one species may be arranged, and a metal mainly composed of molybdenum may be arranged outside.

【0032】前記ニッケル、クロム、チタンについて
は、無電解メッキを初めとするメッキ法等の公知技術を
適用して、回路上に形成しても良いし、モリブデンを主
成分とする金属側に形成していても構わないが、後者の
方法が作業性に優れる利点がある。
The nickel, chromium, and titanium may be formed on a circuit by applying a known technique such as a plating method such as electroless plating, or may be formed on a metal containing molybdenum as a main component. The latter method has an advantage that the workability is excellent.

【0033】セラミックス回路基板の回路にモリブデン
を接合させる際の、ニッケル、クロム、チタンの金属の
厚みは、回路とモリブデン板の接合力が発揮できる程度
であれば良いが、本発明者の検討によれば、5〜20μ
mが好適である。また、モリブデン板の厚さについては
100〜500μmであれば、半田クラック発生等の問
題なく用いることができる。
When joining molybdenum to the circuit of the ceramic circuit board, the thickness of the metal of nickel, chromium and titanium may be any thickness as long as the joining force between the circuit and the molybdenum plate can be exhibited. According to 5-20μ
m is preferred. Further, if the thickness of the molybdenum plate is 100 to 500 μm, the molybdenum plate can be used without any problem such as generation of solder cracks.

【0034】[0034]

【実施例】〔実施例1〜3〕セラミックス基板として、
35×35×0.635mmの窒化ケイ素基板で、レー
ザーフラッシュ法による熱伝導率が75W/mK、3点
曲げ強さの平均値が560MPaのものを用意した。ま
た、回路用の金属板として32×32×0.4mmのJ
IS呼称1085アルミニウム板を用意した。
EXAMPLES [Examples 1 to 3] As ceramic substrates,
A silicon nitride substrate of 35 × 35 × 0.635 mm having a thermal conductivity of 75 W / mK by a laser flash method and an average of three-point bending strengths of 560 MPa was prepared. Also, as a metal plate for a circuit, a J of 32 × 32 × 0.4 mm is used.
An IS name 1085 aluminum plate was prepared.

【0035】前記窒化ケイ素基板の表裏両面に、JIS
呼称2017アルミニウム合金箔(20μm厚さ)を介
して前記アルミニウム板を重ね、垂直方向に300MP
aで加圧した。そして、10-2Paの真空中、温度63
0℃×20minの条件下で加熱しながらアルミニウム
板と窒化ケイ素板とを接合した。接合後、アルミニウム
板表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印
刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理することに
より回路パターンを形成し、セラミックス回路基板を作
製した。
The silicon nitride substrate has JIS on both front and back sides.
The aluminum plates are stacked on each other via a 2017 aluminum alloy foil (20 μm thick),
Pressurized at a. Then, in a vacuum of 10 -2 Pa, a temperature of 63
The aluminum plate and the silicon nitride plate were joined while heating under the conditions of 0 ° C. × 20 min. After joining, an etching resist was screen-printed on a desired portion of the aluminum plate surface, and a circuit pattern was formed by performing an etching treatment with a ferric chloride solution, thereby producing a ceramic circuit board.

【0036】次に、ヒートシンクとして、70×130
×3mmサイズの無酸素銅板に、厚み10μmの無電解
Ni−Pメッキを全表面に施したものを用意した。そし
て、前記セラミックス回路基板と前記銅製ヒートシンク
との間に、厚さ20μmのJIS呼称2017アルミニ
ウム合金箔を入れ、さらに無電解Ni−Pメッキを施し
た厚み13×13×0.2mmモリブデン板をセラミッ
クス回路基板上の回路上にJIS呼称2017アルミニ
ウム合金箔をはさみ(図1参照)、黒鉛治具で加圧し
た。ここで、黒鉛治具としては、凹面を有する板と凸面
を有する板を一対として、前記凹凸面がスパン50mm
で300μm(実施例1)、200μm(実施例2)、
100μm(実施例3)のものを用いた。また、黒鉛治
具で加圧しながら接合する際に、加圧力300MPaを
負荷した状態で610℃×4minの加熱条件で接合し
た。得られたモジュールの底面の反り状態を以下に示す
方法で測定した。
Next, as a heat sink, 70 × 130
A 10 mm thick electroless Ni-P plating was applied to the entire surface of an oxygen-free copper plate having a size of 3 mm. Then, between the ceramic circuit board and the copper heat sink, a 20 μm-thick JIS 2017 aluminum alloy foil was placed, and furthermore, a 13 × 13 × 0.2 mm-thick molybdenum plate plated with electroless Ni—P was placed on the ceramics substrate. JIS 2017 aluminum alloy foil was sandwiched between the circuits on the circuit board (see FIG. 1), and pressed with a graphite jig. Here, as the graphite jig, a plate having a concave surface and a plate having a convex surface are paired, and the uneven surface has a span of 50 mm.
At 300 μm (Example 1), 200 μm (Example 2),
100 μm (Example 3) was used. Further, when joining while pressurizing with a graphite jig, the joining was carried out under a heating condition of 610 ° C. × 4 min under a load of 300 MPa. The warped state of the bottom surface of the obtained module was measured by the following method.

【0037】<モジュール底面の反り測定方法>モジュ
ール底部において、レーザー式深度計を用いて、セラミ
ックス回路基板中心部を基点とし、試料ステージを移動
させることによりスパン50mmの幅内で10mm間隔
で立体形状を数値化する。そして得られた数値について
スパン端部が原点になるように各点を補正し、その絶対
値が最大となる位置の数値を反り量とする。
<Method of Measuring Warpage of Module Bottom> At the bottom of the module, a laser type depth gauge was used to move the sample stage from the center of the ceramic circuit board to the three-dimensional shape at 10 mm intervals within a width of 50 mm span by moving the sample stage. Is quantified. Then, each point is corrected with respect to the obtained numerical value so that the end of the span becomes the origin, and the numerical value at the position where the absolute value is maximum is defined as the amount of warpage.

【0038】次に、前記モジュールの回路並びにモリブ
デン表面に無電解Ni−Pメッキを施し、半田付けが可
能な状態にし、更に、半導体素子代わりにヒーターを回
路に半田付けし、モジュール底面に放熱ユニットを放熱
用シリコーングリースを介して設置し、各部の温度を熱
電対により測定することによってモジュールとしての冷
却性能を調べた。なお、試験中のヒーター出力を100
W、放熱ユニットの温度を60℃に固定して測定した。
結果を表1に示す。
Next, the circuit of the module and the surface of molybdenum are subjected to electroless Ni-P plating so as to be in a solderable state, and further, a heater is soldered to the circuit instead of a semiconductor element, and a radiating unit is provided on the bottom of the module. Was placed via silicone grease for heat radiation, and the cooling performance of the module was examined by measuring the temperature of each part with a thermocouple. The heater output during the test was set to 100
W, the temperature of the heat radiation unit was fixed at 60 ° C. and measured.
Table 1 shows the results.

【0039】[0039]

【表1】 [Table 1]

【0040】〔比較例1〕平板状の面を有する黒鉛治具
を用いて接合したこと、またモリブデン板を積層しない
こと以外は実施例1と同じ操作でモジュールを作製し、
実施例1と同じ評価を行った。結果を表1に示す。
[Comparative Example 1] A module was manufactured in the same manner as in Example 1 except that bonding was performed using a graphite jig having a flat surface, and no molybdenum plate was laminated.
The same evaluation as in Example 1 was performed. Table 1 shows the results.

【0041】実施例1〜3並びに比較例1の対比から、
反りが+方向に反るほどに半導体素子の温度が低くなり
50μm以上で本発明の目的が達成できるが、あまりに
大きな反りであると半田付けに支障が生じるため、反り
量の上限値は120μmであることが明かである。ま
た、本発明のモジュールは、冷却特性評価においても、
半導体素子の温度は比較例のそれに比べて低く、パワー
モジュールとして充分な性能を有するものである。
From the comparison of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1,
As the warp warps in the + direction, the temperature of the semiconductor element becomes lower and the object of the present invention can be achieved at 50 μm or more. However, if the warpage is too large, the soldering will be hindered. It is clear that there is. In addition, the module of the present invention, in the cooling characteristic evaluation,
The temperature of the semiconductor element is lower than that of the comparative example, and has sufficient performance as a power module.

【0042】〔実施例4〕実施例1において、無電解N
i−Pメッキされた13×13×0.1mmのモリブデ
ン板に変更し、更に前記モリブデン板上に13×13m
mのSiチップを半田付けして図2の積層構造を有する
モジュールを作製した。ここで、無電解Ni−Pメッキ
されたモリブデン板のセラミックス回路基板上の回路へ
の接合は、やはり無電解Ni−Pメッキされた銅製ヒー
トシンクを接合するときに、同時に行った。得られたモ
ジュールについて、実施例1に示した方法で底面の反り
を評価した後、以下に示す信頼性試験に供した。この結
果を表2に示す。
[Embodiment 4] In the embodiment 1, the electroless N
Changed to a 13 × 13 × 0.1 mm molybdenum plate plated with i-P, and furthermore, a 13 × 13 m
A m-type Si chip was soldered to produce a module having a laminated structure shown in FIG. Here, the bonding of the electroless Ni-P plated molybdenum plate to the circuit on the ceramic circuit board was performed simultaneously with the bonding of the electroless Ni-P plated copper heat sink. After evaluating the warpage of the bottom surface of the obtained module by the method shown in Example 1, the module was subjected to a reliability test shown below. Table 2 shows the results.

【0043】<信頼性試験方法>モジュールについて、
−40℃×30分〜125℃×30分を1回とするヒー
トサイクル試験を行い、500回、1000回、300
0回経過後に、Siチップ下の半田クラック発生状況を
SAT(超音波映像探傷装置)により調べる。
<Reliability Test Method>
A heat cycle test in which -40 ° C. × 30 minutes to 125 ° C. × 30 minutes is performed once is performed, and 500 times, 1000 times, and 300 times
After the lapse of 0 times, the occurrence of solder cracks under the Si chip is examined by SAT (ultrasonic image flaw detector).

【0044】[0044]

【表2】 [Table 2]

【0045】〔比較例2〕セラミックス回路基板の回路
とモリブデン板との接合に半田を用いたこと以外は実施
例4と同じ操作をして、図3の積層構造を有するモジュ
ールを得て、実施例4と同じ評価を行った。この結果を
表2に示す。
Comparative Example 2 A module having the laminated structure of FIG. 3 was obtained by performing the same operation as in Example 4 except that solder was used for joining the circuit of the ceramic circuit board and the molybdenum plate. The same evaluation as in Example 4 was performed. Table 2 shows the results.

【0046】〔比較例3〕モリブデン板を介在させなか
ったこと以外は実施例4と同じ操作をして、図4の積層
構造を有するモジュールを得て、実施例4と同じ評価を
行った。この結果を表2に示す。
Comparative Example 3 A module having the laminated structure shown in FIG. 4 was obtained in the same manner as in Example 4 except that no molybdenum plate was interposed, and the same evaluation as in Example 4 was performed. Table 2 shows the results.

【0047】表2より、比較例2、比較例3はそれぞ
れ、ヒートサイクル500回未満、1000回未満で、
Siチップの下に半田クラックが発生している。ハイブ
リッドカーや電鉄車両用のモジュールに必要とされるヒ
ートサイクル回数は3000回以上であるので、信頼性
が低く実用的ではない。これに対して、実施例4は、3
000回のヒートサイクル経過後にも、半田クラックの
発生が無く、信頼性が高いことが明かである。
As shown in Table 2, Comparative Examples 2 and 3 have less than 500 heat cycles and less than 1000 heat cycles, respectively.
A solder crack has occurred under the Si chip. Since the number of heat cycles required for a module for a hybrid car or a railway car is 3000 or more, the reliability is low and not practical. On the other hand, in Example 4, 3
It is clear that no solder cracking occurs even after 2,000 heat cycles, and the reliability is high.

【0048】[0048]

【発明の効果】本発明のモジュールは、安価な金属をヒ
ートシンク材として用いながらも、従来のAl−SiC
複合材等の複合材からなるヒートシンクを用いたモジュ
ールと同等の信頼性を有する特徴があり、産業上非常に
有用である。また、本発明のモジュールの製造方法は、
従来工程において黒鉛等の治具を用いるのみで、容易に
再現性高く、前記高信頼性で電源用途向けのパワーモジ
ュールを提供することができるので、産業上極めて有用
である。
According to the module of the present invention, the conventional Al-SiC is used while using an inexpensive metal as a heat sink material.
It has the same reliability as a module using a heat sink made of a composite material such as a composite material, and is very useful in industry. Further, the method for manufacturing a module according to the present invention includes:
By simply using a jig such as graphite in the conventional process, a highly reliable and highly reliable power module for a power supply can be provided, which is extremely industrially useful.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例1〜3に係るモジュールの積層
構造を示す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing a laminated structure of modules according to Examples 1 to 3 of the present invention.

【図2】本発明の実施例4に係るモジュールの積層構造
を示す断面図。
FIG. 2 is a sectional view showing a laminated structure of a module according to a fourth embodiment of the present invention.

【図3】比較例2に係るモジュールの積層構造を示す断
面図。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a laminated structure of a module according to Comparative Example 2.

【図4】比較例3に係るモジュールの積層構造を示す断
面図。
FIG. 4 is a sectional view showing a laminated structure of a module according to Comparative Example 3.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 金属製ヒートシンク 2 放熱用金属板(アルミニウム板) 3 セラミックス基板 4 回路 5 モリブデン板 6 半田 7 半導体素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat sink made of metal 2 Metal plate for heat dissipation (aluminum plate) 3 Ceramic substrate 4 Circuit 5 Molybdenum plate 6 Solder 7 Semiconductor element

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】金属製ヒートシンク上に、セラミックス回
路基板を接合してなるモジュールであって、ヒートシン
ク裏面が凸面状に反り、しかも前記反りの量が、測定ス
パン50mmにおいて、20μm以上120μm未満で
あることを特徴とするモジュール。
1. A module in which a ceramic circuit board is joined to a metal heat sink, wherein the back surface of the heat sink is warped convexly, and the amount of the warp is 20 μm or more and less than 120 μm in a measurement span of 50 mm. A module characterized by the above-mentioned.
【請求項2】前記セラミックス回路基板の回路上に、ニ
ッケル、クロム又はチタンのいずれか1種以上を主成分
とする金属を介して、モリブデンを主成分とする金属を
接合していることを特徴とする請求項1記載のモジュー
ル。
2. The method according to claim 1, wherein a metal mainly composed of molybdenum is bonded on the circuit of the ceramic circuit board via a metal mainly composed of at least one of nickel, chromium and titanium. The module according to claim 1, wherein
【請求項3】金属製ヒートシンクの片面に、セラミック
ス回路基板、モリブデンを順次配置して積層物を得て、
更に、任意の方向に所定の曲率半径を有する凹面と凸面
とを一対とする型を用いて、前記積層物を前記凹凸両面
間に挟み込んだ状態下で、加圧し、一体化することを特
徴とするモジュールの製造方法。
3. A laminate is obtained by sequentially disposing a ceramic circuit board and molybdenum on one side of a metal heat sink.
Further, by using a mold having a pair of concave and convex surfaces having a predetermined radius of curvature in an arbitrary direction, under a state where the laminate is sandwiched between the concave and convex surfaces, pressure is applied, and integrated. Module manufacturing method.
【請求項4】積層物が、セラミックス回路基板とモリブ
デンとの間に、更にニッケル、クロム又はチタンのいず
れか1種以上を主成分とする金属を介在させることを特
徴とする請求項3記載のモジュールの製造方法。
4. The laminate according to claim 3, wherein a metal mainly composed of at least one of nickel, chromium and titanium is interposed between the ceramic circuit board and molybdenum. Module manufacturing method.
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