JP2002185092A - Aluminum nitride circuit board and high power modular board comprising the same - Google Patents

Aluminum nitride circuit board and high power modular board comprising the same

Info

Publication number
JP2002185092A
JP2002185092A JP2000379450A JP2000379450A JP2002185092A JP 2002185092 A JP2002185092 A JP 2002185092A JP 2000379450 A JP2000379450 A JP 2000379450A JP 2000379450 A JP2000379450 A JP 2000379450A JP 2002185092 A JP2002185092 A JP 2002185092A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
aluminum nitride
circuit board
substrate
partial discharge
nitride substrate
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.)
Withdrawn
Application number
JP2000379450A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takao Shirai
隆雄 白井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2000379450A priority Critical patent/JP2002185092A/en
Publication of JP2002185092A publication Critical patent/JP2002185092A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem of an aluminum nitride circuit board that the average particle size of aluminum nitride crystal particles increasing up to about 10 μm in order to enhance heat dissipation but, when the particle size of aluminum nitride crystal particles is increased, the particle size of aluminum nitride crystal particles is varied or pores are generated to cause partial discharge. SOLUTION: The aluminum nitride circuit board comprises an aluminum nitride substrate and a metal circuit layer, wherein (thermal conductivity of the aluminum nitride substrate/thickness of the aluminum nitride substrate) is 300 kW/m2.K or above, extinction voltage (10 pC) of partial discharge is 6.0 kV or above, and 95% or more of aluminum nitride particles in the aluminum nitride substrate has a particle size in the range of 3-7 μm.

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、窒化アルミニウム
回路基板に係り、特に大電力を流した際の部分放電を抑
制できる窒化アルミニウム回路基板およびそれを用いた
大電力用モジュール基板に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an aluminum nitride circuit board, and more particularly to an aluminum nitride circuit board capable of suppressing a partial discharge when a large amount of electric power is applied, and a high-power module board using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】セラミックス材料は、金属材料と比較し
て、強度、耐熱性、耐食性、耐磨耗性、軽量性などの諸
特性に優れているため、半導体基板、電子機器材料、エ
ンジン用部材、高速切削工具用材料、ノズル、ベアリン
グなど、金属材料の及ばない苛酷な温度、応力、磨耗条
件下で使用される機械部品、機能部品、横造材として広
く利用されている。
2. Description of the Related Art Ceramic materials are superior to metal materials in various properties such as strength, heat resistance, corrosion resistance, abrasion resistance, and light weight. It is widely used as a machine part, a functional part, and a horizontal construction material used under severe temperature, stress, and abrasion conditions which are inferior to metal materials, such as materials for high-speed cutting tools, nozzles, and bearings.

【0003】このうち半導体基板等へ用いる基板材料と
しては、従来は酸化ベリリウム(BeO)が用いられて
きた。酸化ベリリウムは、熱伝導率が272W/m・K
(300K)と非常に高いため、高集積化により発熱が
起こる基板材料には適していた。
[0003] Among them, beryllium oxide (BeO) has been conventionally used as a substrate material used for a semiconductor substrate or the like. Beryllium oxide has a thermal conductivity of 272 W / m · K
(300 K), which is very high, so that it was suitable for a substrate material that generates heat due to high integration.

【0004】しかしながら、酸化ベリリウムは吸い込む
と猛毒であるため、製造に危険が伴い、また製品化され
た後も、廃棄の点で問題があった。近年では、このよう
な酸化ベリリウムに代わって、毒性がなく、取扱に優
れ、安全に廃棄できるセラミックス材料が用いられるよ
うになってきている。これらセラミックス材料の中で
も、特に窒化アルミニウム(AlN)は高熱伝導性を有
する絶縁体であり、酸化ベリリウムに代わり用いられる
ようになっている。
[0004] However, beryllium oxide is very toxic when inhaled, so there is a danger in production, and there is a problem in terms of disposal even after commercialization. In recent years, such beryllium oxide has been replaced by a ceramic material that is non-toxic, has excellent handling, and can be safely disposed of. Among these ceramic materials, aluminum nitride (AlN) is an insulator having high thermal conductivity, and is used instead of beryllium oxide.

【0005】このような窒化アルミニウムは、例えばI
CパッケージやIGBT、GTO等のパワーモジュール
(大電力用モジュール)に用いられるようになってい
る。半導体分野においては、LSIの集積化や高速化が
すすむことに加え、GTOやIGBT等のパワーデバイ
スの用途が拡大することなどの事情から、シリコンチッ
プの発熱量が増加の一途をたどっている。
[0005] Such aluminum nitride is, for example, I
It is used for power modules (high power modules) such as C packages, IGBTs, and GTOs. In the field of semiconductors, the amount of heat generated by silicon chips is increasing steadily due to the fact that LSIs are being integrated and operated at higher speeds, and applications of power devices such as GTOs and IGBTs are expanding.

【0006】そして、前記パワーモジュールが産業用大
型機器や車両等の長期信頼性が要求される分野に採用さ
れるにつれ、シリコンチップが搭載されている回路基
板、あるいは回路基板が搭載されているモジュールの放
熱性が一層重大な問題となってきている。
As the power module is adopted in fields requiring long-term reliability, such as large industrial equipment and vehicles, a circuit board on which a silicon chip is mounted or a module on which a circuit board is mounted Has become a more serious problem.

【0007】放熱性を改善するには、窒化アルミニウム
基板の厚さを薄くすることにより基板の熱抵抗を下げる
ことが有効である。しかしながら、窒化アルミニウム基
板を薄くすると、部分放電が発生する可能性がある。
In order to improve heat dissipation, it is effective to reduce the thermal resistance of the aluminum nitride substrate by reducing the thickness of the substrate. However, when the aluminum nitride substrate is made thin, partial discharge may occur.

【0008】部分放電とは、コロナ放電のことで、局所
的な絶縁破壊現象を示すものであり、一般的な耐電圧性
でいう絶縁耐力よりも厳密に管理されているものであ
る。この部分放電は、日本ではJEC−0401、国際
的にはIEC( InternationalElectrotechnical Commit
tee)−1287などで規格化されている。
[0008] The partial discharge is a corona discharge, which indicates a local dielectric breakdown phenomenon, and is controlled more strictly than the dielectric strength in general withstand voltage. This partial discharge is carried out by JEC-0401 in Japan and IEC (International Electrotechnical Commit
tee) -1287.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】部分放電特性を改善す
る手投は各種あるが、窒化アルミニウム基板の厚さを厚
くすることが容易かつ有効である。しかしながら、前記
したように、窒化アルミニウム基板の板厚を厚くすると
基板の熱抵抗が上がり放熱性が低下する。
Although there are various methods for improving the partial discharge characteristics, it is easy and effective to increase the thickness of the aluminum nitride substrate. However, as described above, when the thickness of the aluminum nitride substrate is increased, the thermal resistance of the substrate is increased and the heat dissipation is reduced.

【0010】部分放電特性、放熱性を両立させるために
は窒化アルミニウム自身の熱伝導率を向上させる必要が
ある。窒化アルミニウム基板はそもそも熱伝導率に優れ
ており、160W/m・K以上、近年では190W/m
・K程度のものまで商用化されている。
In order to achieve both partial discharge characteristics and heat dissipation, it is necessary to improve the thermal conductivity of aluminum nitride itself. The aluminum nitride substrate has excellent thermal conductivity in the first place, and is 160 W / m · K or more, and in recent years, 190 W / m.
-Commercialized to about K.

【0011】しかしながら、従来の熱伝導率190W/
m・K程度の窒化アルミニウム基板は熱伝導率を向上さ
せるため窒化アルミニウム結晶粒子を平均結晶粒径10
μm程度まで大きくしていた。
However, the conventional thermal conductivity of 190 W /
An aluminum nitride substrate of about m · K has an average crystal grain size of 10 to improve the thermal conductivity.
It was increased to about μm.

【0012】窒化アルミニウム結晶粒子の粒径を大きく
すれば、確かに熱伝導率は上がるものの、その反面、窒
化アルミニウム結晶粒子のサイズにバラツキが生じ、窒
化アルミニウム基板内にポアが発生することがあった。
このようなポアは、部分放電が起こる原因となり、極力
ポアを少なくする必要がある。
If the particle size of the aluminum nitride crystal particles is increased, the thermal conductivity is certainly increased, but on the other hand, the size of the aluminum nitride crystal particles varies, and pores may be generated in the aluminum nitride substrate. Was.
Such pores cause partial discharge, and it is necessary to minimize the pores.

【0013】また、仮に窒化アルミニウム基板内にポア
が無かったとしても、窒化アルミニウム結晶粒子が大き
くなると各結晶粒子間に存在する3重点が必要以上に大
きくなってしまう。3重点は実質的に焼結助剤や不純物
等を主とする液相成分からなっており、窒化アルミニウ
ム結晶粒子そのものが絶縁体であるため、部分放電はこ
の液相成分(粒界相)の状態にも影響される。
[0013] Even if there are no pores in the aluminum nitride substrate, if the aluminum nitride crystal grains become large, the triple point existing between the crystal grains becomes unnecessarily large. The triple point is substantially composed of a liquid phase component mainly containing a sintering aid, impurities, and the like. Since the aluminum nitride crystal particles themselves are insulators, partial discharge is caused by this liquid phase component (grain boundary phase). It is also affected by the state.

【0014】本発明は、以上のような課題を解決するた
めになされたものであって、熱伝導率を低下させること
なく、部分放電の発生を抑制することのできる窒化アル
ミニウム回路基板を提供することを目的としている。ま
た、本発明は前記窒化アルミニウム回路基板を用いて作
製され、大電力での使用に際しても安定して動作可能な
大電力用モジュール基板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 to solve the above problems, and provides an aluminum nitride circuit board capable of suppressing occurrence of partial discharge without lowering thermal conductivity. It is intended to be. Another object of the present invention is to provide a high-power module substrate that is manufactured using the aluminum nitride circuit board and can operate stably even when used at high power.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の窒化アルミニウ
ム回路基板は、窒化アルミニウム基板と金属回路層とを
具備する回路基板において、[前記窒化アルミニウム基
板の熱伝導率/前記窒化アルミニウム基板の板厚]が3
00kW/m・K以上、かつ部分放電の消滅電圧(1
0pC)が6.0kV以上であることを特徴とするもの
である。
An aluminum nitride circuit board according to the present invention is a circuit board comprising an aluminum nitride board and a metal circuit layer, wherein [thermal conductivity of the aluminum nitride board / plate thickness of the aluminum nitride board] ] Is 3
00 kW / m 2 · K or more and the partial discharge extinction voltage (1
0pC) is 6.0 kV or more.

【0016】本発明の窒化アルミニウム回路基板は、
[前記窒化アルミニウム基板の熱伝導率/前記窒化アル
ミニウム基板の板厚]が300kW/m・K以上と放
熱性に優れており、かつ部分放電の消滅電圧(10p
C)が6.0kV以上と高く、部分放電が発生しにくい
ため、特に高電力での使用に有効なものである。
The aluminum nitride circuit board of the present invention comprises:
[Thermal conductivity of the aluminum nitride substrate / the thickness of the aluminum nitride substrate] is 300 kW / m 2 · K or more, which is excellent in heat dissipation, and has a partial discharge extinction voltage (10 p
C) is as high as 6.0 kV or more and partial discharge hardly occurs, so that it is particularly effective for use at high power.

【0017】前記窒化アルミニウム基板は、全窒化アル
ミニウム粒子の95%以上を、粒径3〜7μmの窒化ア
ルミニウム粒子からなるものとすることが好ましい。こ
のような粒径の粒子を多くすることで、ポアや3重点の
容積を少なくすることができ、熱伝導率の向上および部
分放電の抑制が可能となる。
In the aluminum nitride substrate, 95% or more of the total aluminum nitride particles are preferably made of aluminum nitride particles having a particle size of 3 to 7 μm. By increasing the number of particles having such a particle size, the volume of pores and triple junctions can be reduced, and the thermal conductivity can be improved and partial discharge can be suppressed.

【0018】また、前記窒化アルミニウム基板の板厚
は、0.5〜1mmとすることが好ましい。板厚を0.
5〜1mmとすることで、必要な強度を確保するととも
に、放熱性(前記窒化アルミニウム基板の熱伝導率/前
記窒化アルミニウム基板の板厚)を向上させることが可
能となる。
The aluminum nitride substrate preferably has a thickness of 0.5 to 1 mm. Set the thickness to 0.
By setting the thickness to 5 to 1 mm, it is possible to secure necessary strength and to improve heat dissipation (thermal conductivity of the aluminum nitride substrate / plate thickness of the aluminum nitride substrate).

【0019】さらに、前記窒化アルミニウム基板の熱伝
導率は、190W/m・K以上とすることが好ましい。
窒化アルミニウム基板の熱伝導率を190W/m・K以
上とすることによって、窒化アルミニウム回路基板に必
要な放熱性を確保することが容易となる。
Further, the aluminum nitride substrate preferably has a thermal conductivity of 190 W / m · K or more.
By setting the thermal conductivity of the aluminum nitride substrate to 190 W / m · K or more, it becomes easy to secure the heat radiation required for the aluminum nitride circuit board.

【0020】前記金属回路層は、例えば金属板をDBC
法(直接接合法)または活性金属接合法により前記窒化
アルミニウム基板に接合してなるものである。本発明に
おいては、金属回路層は公知の方法、例えば厚膜法を用
いて形成することも可能であるが、金属回路層と窒化ア
ルミニウム基板との接合強度、容易性等の点から、DB
C法または活性金属接合法により接合される金属板であ
ることが好ましい。特に、板厚0.1mm以上の金属板
を使用することにより、通電容量を確保することができ
ることから後述の大電力用モジュールに適している。金
属板としては、導電性の高い銅板やアルミニウム板が好
ましい。
The metal circuit layer is formed, for example, by forming a metal plate on DBC.
It is bonded to the aluminum nitride substrate by a direct bonding method or an active metal bonding method. In the present invention, the metal circuit layer can be formed by a known method, for example, using a thick film method. However, from the viewpoint of the bonding strength between the metal circuit layer and the aluminum nitride substrate, easiness, etc.
It is preferably a metal plate joined by the method C or the active metal joining method. In particular, by using a metal plate having a plate thickness of 0.1 mm or more, a current carrying capacity can be ensured, so that it is suitable for a high-power module to be described later. As the metal plate, a copper plate or an aluminum plate having high conductivity is preferable.

【0021】本発明の窒化アルミニウム回路基板は、例
えば大電力用モジュール基板として用いることができ
る。上記したように、本発明の窒化アルミニウム回路基
板は、放熱性および部分放電の抑制に優れるものであ
り、発熱が激しく、高い電圧で使用される大電力用モジ
ュール基板に用いることで、その信頼性を確保すること
が可能となる。
The aluminum nitride circuit board of the present invention can be used, for example, as a module board for high power. As described above, the aluminum nitride circuit board of the present invention is excellent in heat dissipation and suppression of partial discharge, generates a large amount of heat, and is used in a high-power module board used at a high voltage. Can be secured.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図1は、本発明の窒化アルミニウム回路基
板を示したものである。本発明の窒化アルミニウム回路
基板1は、図1に示すように、金属回路層2および窒化
アルミニウム基板3を有するものである。
Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 shows an aluminum nitride circuit board of the present invention. The aluminum nitride circuit board 1 of the present invention has a metal circuit layer 2 and an aluminum nitride substrate 3 as shown in FIG.

【0023】窒化アルミニウム基板3は、[窒化アルミ
ニウム基板の熱伝導率/窒化アルミニウム基板の板厚]
が300kW/m・K以上、かつ部分放電の消滅電圧
(10pC)が6.0kV以上である。
The aluminum nitride substrate 3 is [thermal conductivity of aluminum nitride substrate / plate thickness of aluminum nitride substrate].
Is 300 kW / m 2 · K or more, and the extinction voltage (10 pC) of the partial discharge is 6.0 kV or more.

【0024】なお、[窒化アルミニウム基板の熱伝導率
/窒化アルミニウム基板の板厚]は放熱性をあらわすも
のであり、単位[kW/m・K]は、板厚を[mm]とし
て、以下のようにして得られるものである。 [kW/m・K]=[W/m・K]・[10−3m]
[Thermal conductivity of aluminum nitride substrate / plate thickness of aluminum nitride substrate] represents heat dissipation, and the unit [kW / m 2 · K] is as follows: It is obtained as follows. [kW / m 2 · K] = [W / m · K] · [10 -3 m]

【0025】本発明では、放熱性([前記窒化アルミニ
ウム基板の熱伝導率/前記窒化アルミニウム基板の板
厚])を300kW/m・K以上とすることにより、
放熱性を確保するとともに、部分放電の消滅電圧(10
pC)を6.0kV以上とすることで、より高い電圧で
の使用が可能となる。
In the present invention, by setting the heat dissipation ([thermal conductivity of the aluminum nitride substrate / plate thickness of the aluminum nitride substrate]) to 300 kW / m 2 · K or more,
In addition to ensuring heat dissipation, the partial discharge extinction voltage (10
By setting pC) to 6.0 kV or more, use at a higher voltage becomes possible.

【0026】放熱性および部分放電の消滅電圧を、上記
のように規定したのは、以下の理由によるものである。
放熱性を300kW/m・K未満とすると、高電力で
の使用の際に、発生した熱を効率的に発散させることが
できなくなるため、窒化アルミニウム回路基板に熱が蓄
積し、機器の誤作動等を引き起こす可能性がある。ま
た、消滅電圧(10pC)を6.0kV未満とすると、
低い電圧でも部分放電が発生し、やはり機器の誤作動等
を引き起こす可能性がある。高電力での使用を考える
と、放熱性の向上と部分放電の抑制の双方を同時に満た
す必要がある。従って、本発明では上記のように放熱性
および部分放電の消滅電圧を規定することとしたもので
ある。本発明においてより好ましくは、消滅電圧(10
pC)が7.0kV以上のものである。
The heat dissipation and the partial discharge extinction voltage are defined as described above for the following reasons.
If the heat radiation is less than 300 kW / m 2 · K, the generated heat cannot be efficiently dissipated when used at high power, so that heat accumulates on the aluminum nitride circuit board and causes equipment malfunction. Operation may be caused. Further, when the annihilation voltage (10 pC) is less than 6.0 kV,
Even at a low voltage, partial discharge occurs, which may also cause malfunction of the device. Considering use at high power, it is necessary to satisfy both improvement of heat dissipation and suppression of partial discharge at the same time. Therefore, in the present invention, the heat dissipation and the extinction voltage of the partial discharge are defined as described above. In the present invention, more preferably, the extinction voltage (10
pC) is 7.0 kV or more.

【0027】なお、窒化アルミニウム基板の熱伝導率
は、例えばレーザーフラッシュ法により測定されるもの
である。また、消滅電圧はJEC 0401に準じた方
法により測定されるものである。
The thermal conductivity of the aluminum nitride substrate is measured, for example, by a laser flash method. The extinction voltage is measured by a method according to JEC 0401.

【0028】上記した窒化アルミニウム基板において
は、全窒化アルミニウム粒子の95%以上を、粒径3〜
7μmの窒化アルミニウム粒子からなるものとすること
が好ましい。粒径が7μmを超えるものが多くなる場合
には、3重点が必要以上に大きくなりポアが多くなり易
く、これらが部分放電の原因となるためである。また、
粒径が3μm未満のものが多くなると、熱伝導率の低下
を招くためである。なお、粒径が3〜7μm以下の窒化
アルミニウム結晶粒子の比率は、例えば窒化アルミニウ
ム基板の任意の3個所を選び出し、前記3個所の各単位
面積(100μm×100μm)に含まれる各窒化アル
ミニウム結晶粒子の最大粒径となる部分を測定し、全窒
化アルミニウム結晶粒子のうち、前記最大粒径が3〜7
μm以下であるものの割合を算出することによって求め
ることができる。
In the above-described aluminum nitride substrate, 95% or more of the total aluminum nitride particles have a particle size of 3 to
It is preferable to use 7 μm aluminum nitride particles. This is because, when the particle size exceeds 7 μm, the triple point becomes unnecessarily large and the number of pores tends to increase, which causes partial discharge. Also,
This is because an increase in the number of particles having a particle size of less than 3 μm causes a decrease in thermal conductivity. The ratio of the aluminum nitride crystal particles having a particle size of 3 to 7 μm or less is selected, for example, from any three locations of the aluminum nitride substrate, and the respective aluminum nitride crystal particles contained in each unit area (100 μm × 100 μm) of the three locations Is measured, and the maximum particle size of all aluminum nitride crystal particles is 3 to 7
It can be obtained by calculating the ratio of those having a size of μm or less.

【0029】また、前記窒化アルミニウム基板の板厚
は、0.5〜1mmとすることが好ましい。板厚を0.
5〜1mmとすることで、必要な強度の確保および部分
放電の抑制とともに、放熱性も確保することができる。
The thickness of the aluminum nitride substrate is preferably 0.5 to 1 mm. Set the thickness to 0.
By setting the thickness to 5 to 1 mm, it is possible to secure necessary strength and suppress partial discharge and also ensure heat radiation.

【0030】板厚を0.5mm未満とすると、放熱性を
向上させることはできるが、部分放電が発生しやすくな
る。一方、板厚を1mmを超えるものとすると、部分放
電の抑制、強度の向上が可能となるが、放熱性が低下す
る可能性がある。よって、本発明では窒化アルミニウム
基板の板厚を、0.5〜1mmと規定するものとした。
When the thickness is less than 0.5 mm, the heat radiation can be improved, but partial discharge is likely to occur. On the other hand, when the plate thickness is more than 1 mm, it is possible to suppress the partial discharge and improve the strength, but there is a possibility that the heat radiation property is reduced. Therefore, in the present invention, the thickness of the aluminum nitride substrate is specified to be 0.5 to 1 mm.

【0031】さらに、前記窒化アルミニウム基板の熱伝
導率は、190W/m・K以上とすることが好ましい。
本発明では、放熱性を300kW/m・K以上とする
ものであるが、窒化アルミニウム基板の熱伝導率を19
0W/m・K以上とすることにより、放熱性をさらに向
上させることができる。
Further, the aluminum nitride substrate preferably has a thermal conductivity of 190 W / m · K or more.
In the present invention, the heat dissipation is set to 300 kW / m 2 · K or more.
By setting the value to 0 W / m · K or more, the heat radiation property can be further improved.

【0032】また、本発明の窒化アルミニウム回路基板
1の金属回路層2は、例えば銅、アルミニウム、または
これらの合金からなるものである。この金属回路層は例
えば厚膜法、DBC法、活性金属法等により形成される
ものである。本発明においては、金属回路層の形成方法
は特に限定されるものではなく、公知の方法が適用でき
るのはいうまでもないが、接合強度、接合の容易性等の
点から、金属板をDBC法、活性金属法等により窒化ア
ルミニウム基板に接合することが好ましい。
The metal circuit layer 2 of the aluminum nitride circuit board 1 of the present invention is made of, for example, copper, aluminum, or an alloy thereof. This metal circuit layer is formed by, for example, a thick film method, a DBC method, an active metal method, or the like. In the present invention, the method of forming the metal circuit layer is not particularly limited, and it is needless to say that a known method can be applied. It is preferable to bond to the aluminum nitride substrate by a method, an active metal method or the like.

【0033】本発明の窒化アルミニウム回路基板は、各
種の用途に用いることができるが、例えば大電力用モジ
ュール基板として用いることが好ましい。上記したよう
に、本発明の窒化アルミニウム回路基板は、放熱性およ
び部分放電の抑制に優れるものであり、発熱が激しく、
高い電圧で使用される大電力用モジュール基板に用いる
ことで、その信頼性を確保することが可能となる。
Although the aluminum nitride circuit board of the present invention can be used for various applications, it is preferably used, for example, as a module board for high power. As described above, the aluminum nitride circuit board of the present invention is excellent in heat dissipation and suppression of partial discharge, and generates intense heat,
By using the module for a high-power module used at a high voltage, its reliability can be ensured.

【0034】次に、本発明の窒化アルミニウム回路基板
の作製法を説明する。本発明では、主原料として窒化ア
ルミニウム粉末を用い、これに焼結助剤として例えば希
土類酸化物、アルカリ土類酸化物等を添加したものを用
いる。
Next, a method for manufacturing the aluminum nitride circuit board of the present invention will be described. In the present invention, aluminum nitride powder is used as a main raw material, and a material obtained by adding a rare earth oxide, an alkaline earth oxide, or the like as a sintering aid to the powder is used.

【0035】本発明においては、例えば窒化アルミニウ
ム粉末に、Y粉末1〜10wt%、必要に応じて
CaO粉末0.5〜10wt%、Al粉末0.1
〜1wt%、SiO粉末0.5wt%以下を添加した
原料混合粉末を用いることが好ましい。
In the present invention, for example, 1 to 10 wt% of Y 2 O 3 powder, 0.5 to 10 wt% of CaO powder and 0.1 to 0.1 wt% of Al 2 O 3 powder are added to aluminum nitride powder, for example.
It is preferable to use a raw material mixed powder to which 〜1 wt% and SiO 2 powder 0.5 wt% or less are added.

【0036】なお、着色化合物としてTi、Hf、Z
r、Cr等の酸化物、炭化物、窒化物を0.1〜1wt
%以下含有させてもよいが、これら化合物は窒化アルミ
ニウム焼結体中でガラス相を形成せず導電性の高い炭化
物や窒化物の粒子として存在することになる。このよう
な導電性の高い化合物が粒界相に存在すると部分放電特
性の低下の原因となることから、このような着色化合物
は含有しないほうが好ましい。
The coloring compounds Ti, Hf, Z
0.1 to 1 wt% of oxides, carbides and nitrides such as r and Cr
% Or less, but these compounds do not form a glass phase in the aluminum nitride sintered body and exist as particles of carbide or nitride having high conductivity. When such a compound having high conductivity is present in the grain boundary phase, it causes a decrease in partial discharge characteristics. Therefore, it is preferable not to include such a coloring compound.

【0037】また、窒化アルミニウム粉末としては、平
均粒径が1μm以下のものを用いることが好ましい。こ
のような粉末を用いることで、窒化アルミニウム基板中
の粒子の95%以上を、粒径3〜7μmの窒化アルミニ
ウム粒子にすることが容易となり、部分放電も抑制しや
すくなる。
It is preferable to use aluminum nitride powder having an average particle diameter of 1 μm or less. By using such a powder, 95% or more of the particles in the aluminum nitride substrate can be easily converted into aluminum nitride particles having a particle size of 3 to 7 μm, and partial discharge can be easily suppressed.

【0038】次に、このような原料混合粉末を混合し、
ドクターブレード法や泥漿鋳込み法によって成形し、薄
板状ないしシート状の成形体を形成したり、原料混合体
をプレス成形して薄板状ないし大型の成形体を形成す
る。成形体の厚さは、焼結後の窒化アルミニウム基板の
厚さが0.5〜1mm程度となるような厚さとすること
が好ましい。このような厚さとすることによって、放熱
性に優れ、かつ部分放電も抑制できる窒化アルミニウム
基板とすることができる。
Next, such raw material mixed powder is mixed,
It is formed by a doctor blade method or a slurry casting method to form a thin or sheet-like molded product, or a raw material mixture is press-formed to form a thin or large molded product. The thickness of the compact is preferably such that the thickness of the aluminum nitride substrate after sintering is about 0.5 to 1 mm. With such a thickness, it is possible to obtain an aluminum nitride substrate which has excellent heat dissipation and can suppress partial discharge.

【0039】得られた成形体は、空気または窒素ガス雰
囲気において加熱され、脱脂処理され、有機バインダと
して使用された炭化水素成分等が成形体から排除脱脂さ
れる。そして脱脂された成形体を、窒素ガス雰囲気等で
1600℃以上1800℃以下、1時間以上10時間以
下の焼成を行うことにより本発明の窒化アルミニウム基
板を製造することができる。
The obtained molded body is heated and degreased in an atmosphere of air or nitrogen gas, and the hydrocarbon component used as the organic binder is removed from the molded body. The degreased molded body is fired in a nitrogen gas atmosphere or the like at 1600 ° C. or more and 1800 ° C. or less for 1 hour or more and 10 hours or less to produce the aluminum nitride substrate of the present invention.

【0040】本発明においては、1600℃以上180
0℃以下という比較的低い温度で焼成することにより、
粒成長を抑制し、窒化アルミニウム基板中の全粒子の9
5%以上を、粒径3〜7μmの窒化アルミニウム粒子に
しやすくなり、部分放電も抑制しやすくなる。
In the present invention, 1600 ° C. or more and 180
By firing at a relatively low temperature of 0 ° C or less,
Grain growth is suppressed, and 9% of all particles in the aluminum nitride substrate
5% or more is easily converted to aluminum nitride particles having a particle size of 3 to 7 μm, and partial discharge is also easily suppressed.

【0041】さらに、得られた窒化アルミニウム基板
に、例えばDBC法により銅板を接合することにより本
発明の窒化アルミニウム回路基板を作製することができ
る。
Further, by bonding a copper plate to the obtained aluminum nitride substrate by, for example, the DBC method, the aluminum nitride circuit board of the present invention can be manufactured.

【0042】本発明の窒化アルミニウム回路基板の作製
では、銅板の代わりに、アルミニウム板、またはこれら
の合金板等を用いることも可能である。また、DBC法
に代わり、活性金属法等を用いて金属板を接合すること
も可能である。
In the production of the aluminum nitride circuit board of the present invention, it is possible to use an aluminum plate or an alloy plate thereof instead of the copper plate. In addition, instead of the DBC method, it is also possible to join the metal plates using an active metal method or the like.

【0043】活性金属法を行う際は、ろう材として、T
i、Zr、Hfの少なくとも1種を0.2〜5wt%含
有したAg−Cuろう材を使用することが好ましい。ま
た、金属回路板として、厚さ0.1mm以上、好ましく
は0.2〜0.7mmの金属板を使用すると金属回路板
の通電容量が向上することから大電力用モジュール基板
として効果的である。
When performing the active metal method, T is used as a brazing material.
It is preferable to use an Ag-Cu brazing material containing 0.2 to 5 wt% of at least one of i, Zr, and Hf. In addition, when a metal plate having a thickness of 0.1 mm or more, preferably 0.2 to 0.7 mm is used as the metal circuit board, the current carrying capacity of the metal circuit board is improved, so that it is effective as a high power module substrate. .

【0044】[0044]

【実施例】(実施例1〜4、比較例1〜3) 実施例1〜4 窒化アルミニウム粉末として平均粒径が1μm以下のも
のを用い、これにY粉末1〜7wt%を添加し、
混合、成形、脱脂を行った後、1650〜1800℃、
1〜10時間の焼成を行い、粒径が3〜7μmのAlN
結晶粒子が全AlN結晶粒子の95%以上であり、熱伝
導率および板厚を変化させたAlN基板を作製した。な
お、熱伝導率は、Y粉末の添加量、焼成温度、焼
成時間を変化させることにより行った。さらに、このA
lN基板に活性金属法により厚さ0.2mmのCu板を
接合しAlN回路基板を作製した。
EXAMPLES (Examples 1 to 4, Comparative Examples 1 to 3) Examples 1 to 4 Aluminum nitride powder having an average particle diameter of 1 μm or less was used, and Y 2 O 3 powder of 1 to 7 wt% was added thereto. And
After mixing, molding and degreasing, 1650-1800 ° C,
AlN having a particle size of 3 to 7 μm is fired for 1 to 10 hours.
An AlN substrate in which the crystal grains accounted for 95% or more of all the AlN crystal grains and in which the thermal conductivity and the plate thickness were changed was produced. The thermal conductivity was measured by changing the amount of the Y 2 O 3 powder, the firing temperature, and the firing time. Furthermore, this A
A 0.2 mm-thick Cu plate was joined to the 1N substrate by the active metal method to produce an AlN circuit board.

【0045】次に、このAlN回路基板の消滅電圧の測
定および放熱性(AlN基板の熱伝導率/AlN基板の
板厚)の算出を行った。熱伝導率は、レーザーフラッシ
ュ法により測定し、消滅電圧は、JEC−0401に準
じた方法で、10pC以下となるときの電圧を消滅電圧
とした。
Next, the extinguishing voltage of this AlN circuit board was measured and the heat dissipation (thermal conductivity of AlN board / plate thickness of AlN board) was calculated. The thermal conductivity was measured by a laser flash method, and the extinguishing voltage was a voltage according to JEC-0401 when the voltage became 10 pC or less, which was taken as the extinguishing voltage.

【0046】比較例1〜3 窒化アルミニウム粉末として平均粒径が1.5〜2μm
以下の範囲内のものを用い、これにY粉末1〜1
0wt%を添加し、混合、成形、脱脂を行った後、18
20〜1900℃、1〜15時間の焼成を行い、粒径が
3〜7μmのAlN結晶粒子が全AlN結晶粒子の80
%であり、熱伝導率および板厚を変化させたAlN基板
を作製した。このAlN基板に活性金属法により厚さ
0.2mmのCu板を接合しAlN回路基板を作製し
た。
Comparative Examples 1 to 3 Aluminum nitride powder having an average particle size of 1.5 to 2 μm
The following range is used, and Y 2 O 3 powders 1 to 1
After adding 0 wt% and mixing, molding and degreasing, 18
After firing at 20 to 1900 ° C. for 1 to 15 hours, AlN crystal particles having a particle size of 3 to 7 μm are 80% of all AlN crystal particles.
%, And an AlN substrate in which the thermal conductivity and the plate thickness were changed was manufactured. A Cu plate having a thickness of 0.2 mm was joined to the AlN substrate by an active metal method to produce an AlN circuit board.

【0047】これらのAlN回路基板に対して、実施例
1と同様に消滅電圧の測定および放熱性の算出を行っ
た。結果を表1に示す。
The extinction voltage was measured and the heat dissipation was calculated for these AlN circuit boards in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

【表1】 [Table 1]

【0048】表1に示されるように、本発明の実施例で
は、いずれも熱伝導率 190W/m・K以上を維持し
たまま、消滅電圧値を6.0kV以上とできることが認
められた。また、放熱性(AlN基板の熱伝導率/Al
N基板の板厚)についても、いずれも300kW/m
・K以上となり、本発明の実施例は、部分放電の抑制お
よび放熱性に優れていることが認められた。
As shown in Table 1, it was confirmed that the extinguishing voltage value can be set to 6.0 kV or more while maintaining the thermal conductivity of 190 W / m · K or more in each of the examples of the present invention. In addition, heat dissipation (thermal conductivity of AlN substrate / Al
The thickness of the N substrate is also 300 kW / m 2.
-It was K or more, and it was recognized that the examples of the present invention were excellent in the suppression of partial discharge and the heat dissipation.

【0049】これに対して、粒径が3〜7μmのAlN
結晶粒子を全AlN結晶粒子の80%とした比較例で
は、熱伝導率を170W/m・Kとした比較例1、2に
おいては、基板厚さが比較的厚いことから消滅電圧値は
高くできるものの、放熱性が低下してしまうことが認め
られた。また、比較例3では、放熱性には優れているも
のの、消滅電圧が低下してしまうことが認められた。以
上より、比較例1〜3においては、消滅電圧値と放熱性
の両方を同時に向上させることは困難であることが認め
られた。
On the other hand, AlN having a particle size of 3 to 7 μm
In Comparative Examples in which the crystal particles were 80% of all AlN crystal particles, in Comparative Examples 1 and 2 in which the thermal conductivity was 170 W / m · K, the disappearance voltage value could be increased because the substrate thickness was relatively large. However, it was recognized that heat dissipation was reduced. In Comparative Example 3, it was recognized that the extinguishing voltage was reduced although the heat dissipation was excellent. As described above, in Comparative Examples 1 to 3, it was recognized that it was difficult to simultaneously improve both the extinguishing voltage value and the heat dissipation.

【0050】(実施例5〜8、比較例4〜6)実施例1
〜4、比較例1〜3のAlN回路基板を用い、車両用モ
ジュールを作製した。次に、これらの車両用モジュール
を、電圧5kVで100時間連続稼動させ、部分放電の
有無及び熱抵抗値の比を測定した。
(Examples 5 to 8, Comparative Examples 4 and 6) Example 1
, And vehicle modules were manufactured using the AlN circuit boards of Comparative Examples 1 to 3. Next, these vehicle modules were continuously operated at a voltage of 5 kV for 100 hours, and the presence or absence of partial discharge and the ratio of the thermal resistance value were measured.

【0051】なお、部分放電の測定は、100時間連続
稼働後のAlN回路基板に対し、実施例1と同様の方法
により、部分放電の消滅電圧を測定することにより行っ
た。
The measurement of the partial discharge was performed by measuring the extinction voltage of the partial discharge on the AlN circuit board after the continuous operation for 100 hours in the same manner as in Example 1.

【0052】測定の結果、消滅電圧(10pC)が6.
0kV以上であったものを部分放電「無」、6.0kV
未満であったものを部分放電「有」と表示した。
As a result of the measurement, the extinction voltage (10 pC) was 6.
0 kV or more, partial discharge "No", 6.0 kV
Those that were less than were indicated as "presence" of partial discharge.

【0053】また、熱抵抗値の測定は、各AlN回路基
板の熱抵抗値を測定し、比較例1のAlN回路基板の熱
抵抗値を基準値100とした場合の他のAlN回路基板
の熱抵抗値を基準値に対する比(相対値)で表すことに
より行った。従って、熱抵抗の比が小さいものほど放熱
性に優れていることを示すものである。部分放電の有無
及び熱抵抗値の比を表2に示す。
In the measurement of the thermal resistance, the thermal resistance of each AlN circuit board was measured, and the thermal resistance of the other AlN circuit board when the thermal resistance of the AlN circuit board of Comparative Example 1 was set to a reference value of 100. The measurement was performed by expressing the resistance value as a ratio (relative value) to a reference value. Therefore, the smaller the ratio of the thermal resistance, the better the heat radiation. Table 2 shows the presence / absence of partial discharge and the ratio of the thermal resistance value.

【表2】 [Table 2]

【0054】表2に示されるように、本発明の実施例で
は、いずれも部分放電は起こらず、熱抵抗値の比も低い
値となった。これに対して、比較例では、部分放電がな
いものは熱抵抗値の比が高くなってしまい、一方、部分
放電が起こらないものは熱抵抗値が高くなり、いずれも
大電力用のモジュールとしては適していないことが認め
られた。
As shown in Table 2, no partial discharge occurred in any of the examples of the present invention, and the ratio of the thermal resistance was low. On the other hand, in the comparative example, the module having no partial discharge has a higher thermal resistance value, while the module having no partial discharge has a higher thermal resistance value. Was found to be unsuitable.

【0055】[0055]

【発明の効果】本発明の窒化アルミニウム回路基板で
は、[前記窒化アルミニウム基板の熱伝導率/前記窒化
アルミニウム基板の板厚]を300kW/m・K以上
とし、かつ部分放電の消滅電圧(10pC)を6.0k
V以上とすることにより、放熱性を向上させるととも
に、部分放電の抑制も可能となる。従って、発熱や部分
放電の発生しやすい高電力での使用が可能となる。
According to the aluminum nitride circuit board of the present invention, [the thermal conductivity of the aluminum nitride substrate / the thickness of the aluminum nitride substrate] is set to 300 kW / m 2 · K or more, and the extinction voltage (10 pC ) Is 6.0k
By setting it to V or more, heat dissipation can be improved and partial discharge can be suppressed. Therefore, it can be used at high power where heat and partial discharge easily occur.

【0056】また、本発明の大電力用モジュール基板に
上記した窒化アルミニウム回路基板を用いることによ
り、前記大電力用モジュール基板の高電力での使用にお
ける信頼性を向上させることができる。
Further, by using the above-mentioned aluminum nitride circuit board for the high power module substrate of the present invention, the reliability in using the high power module substrate at high power can be improved.

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

【図1】本発明の窒化アルミニウム回路基板を示す外観
図。
FIG. 1 is an external view showing an aluminum nitride circuit board of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1……窒化アルミニウム回路基板 2……金属回路層 3……窒化アルミニウム基板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Aluminum nitride circuit board 2 ... Metal circuit layer 3 ... Aluminum nitride substrate

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒化アルミニウム基板と金属回路層とを
具備する回路基板において、 [前記窒化アルミニウム基板の熱伝導率/前記窒化アル
ミニウム基板の板厚]が300kW/m・K以上、か
つ部分放電の消滅電圧(10pC)が6.0kV以上で
あることを特徴とする窒化アルミニウム回路基板。
1. A circuit board comprising an aluminum nitride substrate and a metal circuit layer, wherein [thermal conductivity of the aluminum nitride substrate / plate thickness of the aluminum nitride substrate] is 300 kW / m 2 · K or more and partial discharge. Wherein the annihilation voltage (10 pC) is 6.0 kV or more.
【請求項2】 前記窒化アルミニウム基板は、全窒化ア
ルミニウム粒子の95%以上が、粒径3〜7μmの窒化
アルミニウム粒子からなることを特徴とする請求項1記
載の窒化アルミニウム回路基板。
2. The aluminum nitride circuit board according to claim 1, wherein 95% or more of the total aluminum nitride particles of the aluminum nitride substrate are made of aluminum nitride particles having a particle size of 3 to 7 μm.
【請求項3】 前記窒化アルミニウム基板の板厚が0.
5〜1mmであることを特徴とする請求項1または2記
載の窒化アルミニウム回路基板。
3. An aluminum nitride substrate having a thickness of 0.
The aluminum nitride circuit board according to claim 1 or 2, wherein the thickness is 5 to 1 mm.
【請求項4】 前記窒化アルミニウム基板の熱伝導率が
190W/m・K以上であることを特徴とする請求項1
乃至3のいずれか1項記載の窒化アルミニウム回路基
板。
4. The thermal conductivity of the aluminum nitride substrate is 190 W / m · K or more.
4. The aluminum nitride circuit board according to any one of claims 1 to 3.
【請求項5】 前記金属回路層は、金属板をDBC法ま
たは活性金属接合法により前記窒化アルミニウム基板に
接合してなるものであることを特徴とする請求項1乃至
4のいずれか1項記載の窒化アルミニウム回路基板。
5. The metal circuit layer according to claim 1, wherein a metal plate is bonded to the aluminum nitride substrate by a DBC method or an active metal bonding method. Aluminum nitride circuit board.
【請求項6】 請求項1乃至5のいずれか1項記載の窒
化アルミニウム回路基板を具備することを特徴とする大
電力用モジュール基板。
6. A high power module board comprising the aluminum nitride circuit board according to claim 1. Description:
JP2000379450A 2000-12-13 2000-12-13 Aluminum nitride circuit board and high power modular board comprising the same Withdrawn JP2002185092A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000379450A JP2002185092A (en) 2000-12-13 2000-12-13 Aluminum nitride circuit board and high power modular board comprising the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000379450A JP2002185092A (en) 2000-12-13 2000-12-13 Aluminum nitride circuit board and high power modular board comprising the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2002185092A true JP2002185092A (en) 2002-06-28

Family

ID=18847819

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000379450A Withdrawn JP2002185092A (en) 2000-12-13 2000-12-13 Aluminum nitride circuit board and high power modular board comprising the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2002185092A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024062832A1 (en) * 2022-09-20 2024-03-28 株式会社 東芝 Ceramic substrate, ceramic circuit substrate, and semiconductor device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024062832A1 (en) * 2022-09-20 2024-03-28 株式会社 東芝 Ceramic substrate, ceramic circuit substrate, and semiconductor device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0100232B2 (en) Substrate for semiconductor apparatus
CA2232425C (en) Functionally gradient material and its use in a semiconductor circuit substrate
WO2013008919A1 (en) Ceramic circuit board
JP3797905B2 (en) Silicon nitride ceramic substrate, silicon nitride ceramic circuit substrate using the same, and manufacturing method thereof
WO2013008920A1 (en) Ceramic circuit board
JP2001168482A (en) Ceramics circuit substrate
JPH01203270A (en) Sintered aluminum nitride body having high thermal conductivity and its production
JP2002368168A (en) Composite member for semiconductor device, insulation- type semiconductor device or non-insulation type semiconductor device using the same
JP2010076948A (en) Silicon nitride circuit substrate and semiconductor module using the same
JP2008124416A (en) Ceramics circuit board and semiconductor module using this
JP5172738B2 (en) Semiconductor module and electronic device using the same
JP2021159926A (en) Brazing filler metal and method of manufacturing the same, and metal-ceramic bonding substrate
JPH10326949A (en) Circuit board
JP2698780B2 (en) Silicon nitride circuit board
JP4404602B2 (en) Ceramics-metal composite and high heat conduction heat dissipation substrate using the same
JP2900711B2 (en) Method of manufacturing low-temperature sintering porcelain for mounting semiconductor devices
JP2002185092A (en) Aluminum nitride circuit board and high power modular board comprising the same
KR101901172B1 (en) High thermal conductive silicon nitride ceramics substrate with excellent electric isolation
JP2016072622A (en) SUBSTRATE FOR POWER MODULE WITH Ag SUBSTRATE LAYER AND POWER MODULE
JPH01238191A (en) Copper or copper base alloy conductor and method of sintering the conductor and cordierite ceramic board simultaneously
JP4761617B2 (en) Aluminum nitride sintered body, method for producing the same, and electronic component using the same
JP2000277662A (en) Ceramic circuit board
JPH02226749A (en) Heat sink for high-output circuit component
JP7046643B2 (en) Heat dissipation board
JPH0515668B2 (en)

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20070815

A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20080304