JP2002222905A - Power module, composite substrate thereof and bonding solder - Google Patents

Power module, composite substrate thereof and bonding solder

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JP2002222905A
JP2002222905A JP2001016821A JP2001016821A JP2002222905A JP 2002222905 A JP2002222905 A JP 2002222905A JP 2001016821 A JP2001016821 A JP 2001016821A JP 2001016821 A JP2001016821 A JP 2001016821A JP 2002222905 A JP2002222905 A JP 2002222905A
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substrate
power module
solder
melting point
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Kiyomitsu Suzuki
清光 鈴木
Teruyoshi Abe
輝宜 阿部
Yasuo Kondo
保夫 近藤
Noriyuki Watabe
典行 渡部
Takashi Suzumura
隆志 鈴村
Kazuhiko Nakagawa
和彦 中川
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Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
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Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power module, a composite substrate used therefor and a bonding solder therefor which has a little bond deformation, a high bond yield and a high bond zone reliability. SOLUTION: The power module has a ceramic board having a circuit board on one side and a radiation board on the other side, a heat sink board bonded to the radiation board through a metal bond A and a semiconductor power elements bonded to the circuit board through a metal bond B. Either of the metal bonds A, B is an Ag-Cu-Sn, Ag-Cu-In or Ag-Cu-Sn-In type Ag based alloy having a melting point of 500-600 deg.C and the other is solder, or either of the bonds A, B is an Ag based alloy containing Cu 10-30 wt.% and either Sn or in or both 20-40 wt.%. A composite board and a solder therefor are used for the module.

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、新規な半導体パワ
ー素子を実装したパワーモジュールとその複合基板及び
接合用ロー材に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power module on which a novel semiconductor power element is mounted, a composite substrate thereof, and a bonding material.

【0002】[0002]

【従来の技術】本発明に係わるパワーモジュールとして
は、一方の面に回路板、他方の面に放熱板を設けたセラ
ミックス基板を有し、前記放熱板へヒートシンク基板
を、前記回路板へ半導体パワー素子を接合した構造のも
のなどが知られている。ヒートシンク基板と半導体パワ
ー素子の接合は同時ではなく、生産工程の点から通常は
別個に接合される。そして、これらの接合は日本機械学
会誌Vol.103, No.978のページ44ー45(2000年5月)他で
知られているように、半田で行われている。
2. Description of the Related Art A power module according to the present invention has a ceramic substrate provided with a circuit board on one surface and a radiator plate on the other surface, a heat sink substrate on the radiator plate, and a semiconductor power supply on the circuit plate. A structure in which elements are bonded is known. The joining of the heat sink substrate and the semiconductor power element is not simultaneous, but is usually done separately in terms of the production process. These joints are made by soldering as is known in Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers, Vol.103, No.978, pages 44-45 (May 2000) and others.

【0003】特開平7−283339号公報には、金属
支持板と絶縁板との接合を融点450℃以上、融点62
0℃の45%Ag,15%Zn,24%Cd、16%C
u合金の硬ろうによって接合すること、半導体素子を融
点450℃未満、融点約180℃の5%Sn,0.6%
Ni,0.05%P,残部Snの軟ろうによって接合す
ることが開示されている。
[0003] Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-283339 discloses that a metal supporting plate and an insulating plate are bonded at a melting point of 450 ° C.
45% Ag, 15% Zn, 24% Cd, 16% C at 0 ° C
bonding with a hard solder of a u alloy, a semiconductor element having a melting point of less than 450 ° C. and a melting point of about 180 ° C., 5% Sn, 0.6%
It is disclosed that the joint is made by soft solder of Ni, 0.05% P and the balance Sn.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】半導体パワー素子とヒ
ートシンク基板は個別に接合されるため、これらを接合
する半田は融点の異なったものが使用される。即ち、最
初に接合する方の半田に高融点の半田が用いられる。ま
た、半田としてはPb(鉛)にSn(錫)を添加したP
b系の半田やSn(錫)にSb(アンチモン)を添加し
たSn系の半田が知られている。これらの半田を用いた
パワーモジュールの接合には、次のような問題点があっ
た。 (a)融点の差が大きい半田の選択が困難で、2回目の半
田接合時に1回目の半田接合部にダメージを与える。結
果として、生産時の歩留まりとパワーモジュールの信頼
性を低下させていた。この問題は、熱容量の大きいヒー
トシンク基板、即ちヒートシンク基板が水冷用の冷却フ
ィンや水路を有する構造のもので、生産速度を上げたと
きいっそう顕著であった。 (b)Pb系の半田では最大で約140℃の融点の差を設ける
ことが可能ではあるが、環境問題のためPbレスの半田
が望まれている。これに対して、PbレスのSn系の半
田では、実現可能な融点の差はもっと小さな値である。 (c)一方の半田にSn系半田(例えば、Sn−10%S
b半田の融点は267℃)を選択し、他方の半田にAu
系半田(例えば、Au−3.15%Si半田の融点は3
63℃)を選択することも物理的には可能であるが、Au
系半田は高価で接合時に摩擦を与える必要があるため現
実的ではなかった。 (d)一方にSn系半田を選択し、他方に銀ローや活性ロ
ー材を選択することも物理的には可能であるが、これら
のロー材の融点は高すぎるため、半導体パワー素子の接
合に用いたときは半導体パワー素子にダメージを与え
る。また、ヒートシンク基板の接合に用いたときは、ヒ
ートシンク基板へ大きな反り変形をもたらす問題点があ
った。それ故、大きな融点の差を選択することは可能で
あるが現実的ではなかった。
Since the semiconductor power element and the heat sink substrate are individually joined, solders having different melting points are used for joining them. That is, a high melting point solder is used as the solder to be joined first. In addition, as solder, Pb (lead) added with Sn (tin) is used.
b-based solder and Sn-based solder obtained by adding Sb (antimony) to Sn (tin) are known. The joining of power modules using these solders has the following problems. (a) It is difficult to select a solder having a large difference in melting point, and the first solder joint is damaged during the second solder joint. As a result, the production yield and the reliability of the power module have been reduced. This problem is more remarkable when the production speed is increased, because the heat sink substrate has a large heat capacity, that is, the heat sink substrate has a structure having cooling fins and water passages for water cooling. (b) Although it is possible to provide a maximum melting point difference of about 140 ° C. with Pb-based solder, Pb-free solder is desired due to environmental problems. On the other hand, in a Pb-less Sn-based solder, the achievable difference in melting point is a smaller value. (c) Sn-based solder (for example, Sn-10% S)
b The melting point of the solder is 267 ° C), and the other solder is Au.
System solder (for example, the melting point of Au-3.15% Si solder is 3
63 ° C.) is physically possible, but Au
Since the system solder was expensive and required to provide friction at the time of joining, it was not practical. (d) Although it is physically possible to select Sn-based solder for one and silver brazing or active brazing material for the other, since the melting points of these brazing materials are too high, the joining of the semiconductor power element is performed. When used in semiconductor devices, they damage semiconductor power devices. Further, when used for bonding a heat sink substrate, there is a problem that a large warp deformation is caused to the heat sink substrate. Therefore, it is possible, but not realistic, to select a large melting point difference.

【0005】このように、従来のパワーモジュールの接
合は生産時の歩留まりや信頼性に関して大きな問題点を
抱えていた。
[0005] As described above, the conventional joining of power modules has a great problem in terms of yield and reliability during production.

【0006】更に、上述の公報に記載の金属支持板と絶
縁板との接合では、接合温度が高いので変形が大きい。
Further, in the joining of the metal support plate and the insulating plate described in the above-mentioned publication, the deformation is large because the joining temperature is high.

【0007】本発明の目的は、接合変形が小さく、更に
接合の歩留まりが高く、且つ接合部の信頼性が高いパワ
ーモジュールとその複合基板及びその接合用ロー材を提
供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a power module, a composite board thereof, and a brazing material for the power module, which have a small bonding deformation, a high bonding yield, and a high reliability of the bonding portion.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、一方の面に回
路板及び他方の面に放熱板を設けたセラミックス基板
と、前記放熱板に金属接合材Aによって接合されたヒー
トシンク基板と、前記回路板に金属接合材Bによって接
合された半導体パワー素子とを有するパワーモジュール
において、前記金属接合材A及びBは、いずれか一方
が、融点が500〜600℃であるAg−Cu−Sn
系、Ag−Cu−In系又はAg−Cu−Sn−In系
のAg基合金から成り、他方が半田からなること、又、
前記金属接合材A及びBは、いずれか一方が、重量で、
Cu10〜30%と、Sn及びInの1種又は2種の合
計20〜40%を含むAg基合金から成り、他方が半田
からなること、又、前記ヒートシンク基板は銅と酸化銅
とを主にした複合材からなり、前記金属接合材A及びB
は、いずれか一方が、融点が500〜600℃であるA
g基合金から成り、他方が半田からなることを特徴とす
る。
According to the present invention, there is provided a ceramic substrate having a circuit board on one surface and a heat sink on the other surface, a heat sink substrate joined to the heat sink by a metal joining material A, In a power module having a semiconductor power element bonded to a circuit board by a metal bonding material B, one of the metal bonding materials A and B has a melting point of 500 to 600 ° C. and is composed of Ag—Cu—Sn.
System, an Ag-Cu-In-based or Ag-Cu-Sn-In-based Ag-based alloy, the other being made of solder,
One of the metal bonding materials A and B is, by weight,
It is made of an Ag-based alloy containing 10 to 30% of Cu and one or two of Sn and In in total of 20 to 40%, and the other is made of solder. The heat sink substrate is mainly made of copper and copper oxide. And the metal bonding materials A and B
Is one of which has a melting point of 500 to 600 ° C.
It is characterized by being made of a g-base alloy and the other being made of solder.

【0009】本発明において融点は、その合金の溶け始
める温度である。又、銅と酸化銅とを主にした複合材
は、重量で、銅が20〜80%、好ましくは30〜70
%、より好ましくは40〜60%及び酸化銅20〜80
%、好ましくは銅と同じく有する合金であり、他に、A
g,Zn,Ni、Ti,Cr、Fe、Co、Zr、H
f、V、Nb、Ta、W、Moの1種又は2種以上の合
計5%以下、好ましくは2%以下、より好ましくは0.
5%以下を含むことが出来、これらは溶解材、焼結材及
びそれらの塑性加工材が用いられる。
In the present invention, the melting point is the temperature at which the alloy begins to melt. The composite material mainly composed of copper and copper oxide contains 20 to 80% by weight of copper, preferably 30 to 70% by weight.
%, More preferably 40-60% and copper oxide 20-80
%, Preferably an alloy having the same as copper.
g, Zn, Ni, Ti, Cr, Fe, Co, Zr, H
One or more of f, V, Nb, Ta, W, and Mo are 5% or less in total, preferably 2% or less, and more preferably 0.1% or less.
It can contain 5% or less, and these are used as a melting material, a sintering material, and a plastic working material thereof.

【0010】Ag基合金の融点は前記半田の融点より2
00〜400℃、好ましくは250〜360℃高いこ
と、前記半田はその融点が180〜330℃であるPb
系合金又はSn系合金であること、前記ヒートシンク基
板は冷却フィン又は内部に水路が形成された冷却体から
なること、又、前記セラミックス基板はアルミナ基板又
は窒化アルミニウム基板からなることが好ましい。
The melting point of the Ag-based alloy is two times lower than the melting point of the solder.
Pb having a melting point of 180 to 330 ° C. which is higher by 00 to 400 ° C., preferably 250 to 360 ° C.
It is preferable that the heat sink substrate is made of a cooling fin or a cooling body having a water passage formed therein, and the ceramic substrate is made of an alumina substrate or an aluminum nitride substrate.

【0011】即ち、本発明は、放熱板へ金属接合材Aを
用いてヒートシンク基板を、回路板へ金属接合材Bを用
いて半導体パワー素子を接合することとし、前記金属接
合材A及びBのいずれか一方を半田、他方を低温ロー材
で構成し、前記金属接合材A及びBに大きな融点の差を
与える。そして、1回目の接合に融点の高い低温ロー
材、2回目の接合に融点の低い半田を用いることによ
り、2回目の接合時に1回目の接合部にダメージを与え
ないようにする。結果として、生産時の接合歩留まりが
高く、且つ接合部の信頼性の高いパワーモジュールを実
現することができる。なお、ヒートシンク基板が水冷用
の冷却フィンや水路を有する構造で熱容量の大きいサイ
ズでも、接合環境下におけるパワーモジュールの温度分
布をあまり気にする必要はなくなり、接合時の生産速度
を上げても良い結果が得られた。
That is, according to the present invention, a heat sink substrate is bonded to a heat sink using a metal bonding material A, and a semiconductor power element is bonded to a circuit board using a metal bonding material B. One of them is made of solder and the other is made of low-temperature brazing material, so that the metal joining materials A and B have a large difference in melting point. Then, by using a low-temperature brazing material having a high melting point for the first joining and a solder having a low melting point for the second joining, the first joint is prevented from being damaged at the time of the second joining. As a result, it is possible to realize a power module having a high bonding yield at the time of production and high reliability of the bonding portion. In addition, even if the heat sink substrate has a structure having cooling fins and water passages for water cooling and having a large heat capacity, it is not necessary to care much about the temperature distribution of the power module in the joining environment, and the production speed at the time of joining may be increased. The result was obtained.

【0012】半田接合時に1回目の接合部に全くダメー
ジを与えず、また半導体パワー素子へのダメージやヒー
トシンク基板への大きな反り変形を防止するには、低温
ロー材と半田の融点の差をおよそ200〜400℃、好
ましくは250〜3600℃とするものである。
In order to prevent damage to the first joint at the time of solder joining and to prevent damage to the semiconductor power element and large warping deformation to the heat sink substrate, the difference between the melting point of the low-temperature solder and the melting point of the solder is approximately The temperature is 200 to 400 ° C, preferably 250 to 3600 ° C.

【0013】本発明は、重量で、Cu10〜30%と、
Sn及びInの1種又は2種の合計20〜40%とを含
むAg基合金から成ることを特徴とするパワーモジュー
ル接合用ロー材にある。
According to the present invention, the present invention relates to a composition comprising 10 to 30% by weight of Cu,
A brazing material for power module joining, comprising an Ag-based alloy containing one or two of Sn and In in total of 20 to 40%.

【0014】上記の200〜400℃の融点の差を与え
る金属接合材は以下に示すものが最も好ましい。即ち、
半田をその融点が180〜330℃の範囲にあるPb系
あるいはSn系の半田で構成し、且つ低温ロー材の融点
を500〜600℃の範囲とするAgCuSn系、Ag
SnIn系、 AgCuSnIn系のAg基合金材料で
構成する。具体的には、例えば、50%Ag-20%C
u-30%SnからなるAg基合金の低温ロー材の融点
は515℃であった。同様に、融点580℃のAgCu
In系低温ロー材も容易に得ることができた。これらの
低温ロー材は仮焼結したプリフォームあるいは印刷する
ペースト状態で接合部に配置され、真空あるいは不活性
あるいは還元雰囲気中でその融点以上の温度に加熱して
接合される。このときの接合強度は数十MPa以上と十分
に高い値であった。なお、低温ロー材の低温という意味
は、その融点が良く知られた銀ローや活性ロー材に対し
て十分に低いものである。
The most preferable metal bonding materials which give the above-mentioned difference in melting point of 200 to 400 ° C. are as follows. That is,
AgCuSn based, Pb-based or Sn-based solder whose melting point is in the range of 180-330 ° C. and the melting point of the low-temperature brazing material is in the range of 500-600 ° C.
It is composed of a SnIn-based or AgCuSnIn-based Ag-based alloy material. Specifically, for example, 50% Ag-20% C
The melting point of the low-temperature brazing material of the Ag-based alloy composed of u-30% Sn was 515 ° C. Similarly, AgCu having a melting point of 580 ° C.
An In-based low-temperature brazing material was easily obtained. These low-temperature brazing materials are arranged at the joining portion in a pre-sintered preform or a paste state to be printed, and are joined by heating to a temperature higher than the melting point in a vacuum, an inert atmosphere, or a reducing atmosphere. The bonding strength at this time was a sufficiently high value of several tens MPa or more. The low temperature of the low-temperature brazing material means that the melting point of the low-temperature brazing material is sufficiently lower than that of a well-known silver brazing or active brazing material.

【0015】これらの金属接合材の組み合わせによっ
て、接合変形が小さく、接合の歩留まりが高く、且つ接
合部の信頼性が高いパワーモジュールを実現することが
できる。
By combining these metal bonding materials, it is possible to realize a power module with small bonding deformation, high bonding yield, and high reliability of the bonding portion.

【0016】更に、本発明は、一方の面に回路板及び他
方の面に放熱板を設けたセラミックス基板と、前記放熱
板に接合されたヒートシンク基板とを有する複合基板に
おいて、前記接合は、融点が500〜600℃であるA
g−Cu−Sn系、Ag−Cu−In系及びAg−Cu
−Sn−In系のいずれかのAg基合金によって行われ
ていること、又、前記接合は、重量で、Cu10〜30
%と、Sn及びInの1種又は2種の合計20〜40%
とを含むAg基合金によって行われていること、又、前
記ヒートシンク基板は銅と酸化銅とを主にした複合材か
らなり、前記接合は、融点が500〜600℃であるA
g基合金によって行われていることを特徴とする。
Further, the present invention provides a composite substrate having a ceramic substrate provided with a circuit board on one surface and a radiator plate on the other surface, and a heat sink substrate bonded to the radiator plate. Is 500 to 600 ° C.
g-Cu-Sn system, Ag-Cu-In system and Ag-Cu
-The bonding is performed by any of Sn-In based Ag-based alloys, and the bonding is performed by Cu10 to 30 by weight.
%, And a total of 20 to 40% of one or two of Sn and In
The heat sink substrate is made of a composite material mainly composed of copper and copper oxide, and the bonding is performed by using an A-based alloy having a melting point of 500 to 600 ° C.
It is characterized by being performed by a g-base alloy.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】(実施例1)図1は本発明に係わ
るパワーモジュールの一実施例を示したものである。図
に示すように、セラミックス基板2はその一方の面に放
熱板4、他方の面に回路板3a及び3bが設けられている。
ここで、セラミックス基板2はアルミナ、窒化アルミニ
ウム、窒化珪素等から成り、放熱板4及び回路板3a、3b
は銅、銅合金、アルミ、アルミ合金のいずれかで構成さ
れる。まず、放熱板4とヒートシンク基板1が融点515
℃の低温ロー材5で接合される。次に、半導体パワー素
子7aと7bが回路板3aと3bへ、それぞれ融点180℃の半
田6aと6bを用いて接合される。なお、回路板3a、3bの半
導体パワー素子7aと7bの接合側、放熱板4のヒートシン
ク基板1の接合側及びヒートシンク基板1の両表面には厚
さが数μm〜10μmのNi(ニッケル)がメッキされてい
るが、図に記載するのを省略している。セラミックス基
板2に対して放熱板4及び回路板3a、3bはめっき等によっ
て直接接合されている。放熱板4は回路板3a、3bと同時
にめっきによって形成される。
(Embodiment 1) FIG. 1 shows an embodiment of a power module according to the present invention. As shown in the figure, the ceramic substrate 2 is provided with a heat sink 4 on one surface and circuit boards 3a and 3b on the other surface.
Here, the ceramic substrate 2 is made of alumina, aluminum nitride, silicon nitride, etc., and the heat sink 4 and the circuit boards 3a, 3b
Is made of any of copper, copper alloy, aluminum, and aluminum alloy. First, the heat sink 4 and the heat sink substrate 1 have a melting point of 515.
It is joined with low-temperature brazing material 5 at ℃. Next, the semiconductor power elements 7a and 7b are joined to the circuit boards 3a and 3b using solders 6a and 6b having a melting point of 180 ° C., respectively. It should be noted that Ni (nickel) having a thickness of several μm to 10 μm is provided on the bonding side of the semiconductor power elements 7a and 7b of the circuit boards 3a and 3b, the bonding side of the heat sink substrate 1 of the heat sink 4, and both surfaces of the heat sink substrate 1. Although plated, it is omitted from the drawing. The radiator plate 4 and the circuit boards 3a and 3b are directly joined to the ceramic substrate 2 by plating or the like. The radiator plate 4 is formed by plating simultaneously with the circuit boards 3a and 3b.

【0018】ヒートシンク基板1は銅あるいは銅合金、
アルミあるいはアルミ合金、あるいは銅複合材で構成さ
れる。銅複合材は、銅(Cu)と第一酸化銅(Cu
2O)を分散させた合金で、銅と第一酸化銅の分散割合
によって、熱膨張係数と熱伝導率を制御できる材料であ
る。即ち、銅の高熱伝導性と第一酸化銅の低熱膨張性を
利用することにより、低熱膨張・高熱伝導特性を有する
ヒートシンク材料として好適な素材が得られる。特に、
銅(Cu)50重量%と第一酸化銅(Cu2O)50重
量%の粒子を分散させた焼結材、又はこれらの塑性加工
合金が好ましい。
The heat sink substrate 1 is made of copper or copper alloy,
It is composed of aluminum, aluminum alloy, or copper composite. Copper composites are made of copper (Cu) and copper (I) oxide (Cu).
2 O) in an alloy containing dispersed by dispersion ratio of the copper and the first copper oxide, a material that can control the thermal expansion coefficient and thermal conductivity. That is, by utilizing the high thermal conductivity of copper and the low thermal expansion of copper (I) oxide, a material suitable as a heat sink material having low thermal expansion and high thermal conductivity can be obtained. In particular,
A sintered material in which particles of 50% by weight of copper (Cu) and 50% by weight of cuprous oxide (Cu 2 O) are dispersed, or a plastically processed alloy thereof is preferable.

【0019】低温ロー材5は、重量でAg50%、Cu
20%及びSn30%を有するAg基合金である。半田
6a、6bには、重量で、Sn37%及び残部Pbからなる
合金を用いた。
The low-temperature brazing material 5 is composed of Ag 50% by weight, Cu
An Ag-based alloy having 20% and 30% Sn. solder
For 6a and 6b, an alloy composed of Sn 37% by weight and the balance Pb was used.

【0020】半導体パワー素子7aと7bとを回路板3a、3b
に接合する2回目の半田接合時に、1回目の低温ロー材
接合部に全くダメージを与えないため、接合の歩留まり
が高く、且つ接合部の高信頼度なパワーモジュールを実
現できた。
The semiconductor power elements 7a and 7b are connected to the circuit boards 3a and 3b.
Since the first low-temperature solder joint is not damaged at all during the second solder joining, a power module having a high joining yield and a highly reliable joint can be realized.

【0021】図2は、図1のパワーモジュールの平面図
である。なお、後述する同一番号の要素は全て同じ機能
を有するものとして、以下の説明を行うことにする。前
図は本図のXーX断面を示したものである。本パワーモジ
ュールは樹脂製のケース(図には記載していない。)で
カバーした後、複数の取付け孔13を利用し冷却部材(同
様に、図には記載していない。)へ装着して使用され
る。
FIG. 2 is a plan view of the power module of FIG. The following description will be made on the assumption that all the elements having the same numbers described later have the same functions. The previous figure shows a XX section of this figure. This power module is covered with a resin case (not shown in the figure), and then attached to a cooling member (also not shown in the figure) using a plurality of mounting holes 13. used.

【0022】又、本実施例においては、回路板3a、3b及
び放熱板4を設けたセラミックス基板2と、放熱板4に
接合されたヒートシンク基板1とは、融点が500〜6
00℃であるAg−Cu−Sn系、Ag−Cu−In系
及びAg−Cu−Sn−In系のいずれかのAg基合金
によって行われていること、又、重量で、Cu10〜3
0%と、Sn及びInの1種又は2種の合計20〜40
%とを含むAg基合金によって行われていること、又、
ヒートシンク基板1は前述の銅と酸化銅とを主にした複
合材からなり、融点が500〜600℃であるAg基合
金によって接合された一体の複合基板からなるものであ
る。 (実施例2)本実施例は、図1と異なる点は、セラミッ
クス基板の両面に厚さ0.05〜0.2mm、Siを5
%以下を含むAl基合金板をクラッドした基板を用い、
その片面にNiめっきしたCu回路板及び他方の面に実
施例1と同様のヒートシンク基板を実施例1と同様にそ
れぞれ低融点を有する低温ロー材を用いて接合したこと
である。ヒートシンク基板側のAl基合金板は放熱板と
しての働きを有するものである。
In this embodiment, the ceramic substrate 2 provided with the circuit boards 3a and 3b and the heat radiating plate 4 and the heat sink substrate 1 joined to the heat radiating plate 4 have a melting point of 500-6.
It is performed by using an Ag-based alloy of any one of Ag-Cu-Sn-based, Ag-Cu-In-based and Ag-Cu-Sn-In-based at 00 ° C.
0% and a total of 20 to 40 of one or two of Sn and In
%, Which is performed by an Ag-based alloy containing
The heat sink substrate 1 is made of a composite material mainly composed of the aforementioned copper and copper oxide, and is made of an integrated composite substrate joined by an Ag-based alloy having a melting point of 500 to 600 ° C. (Embodiment 2) This embodiment is different from FIG. 1 in that a thickness of 0.05 to 0.2 mm and Si
% Or less, using a substrate clad with an Al-based alloy plate containing
A heat sink substrate similar to that of Example 1 was joined to a Cu circuit board with Ni plating on one surface and a low-temperature brazing material having a low melting point, respectively, as in Example 1. The Al-based alloy plate on the heat sink substrate has a function as a heat sink.

【0023】本実施例においても、実施例1と同様、半
導体パワー素子を回路板に接合する2回目の半田接合時
に、1回目の低温ロー材接合部に全くダメージを与えな
いため、接合の歩留まりが高く、且つ接合部の高信頼度
なパワーモジュールを実現できた。 (実施例3)図3は、本発明によるパワーモジュールの
他の実施例を示す断面図である。図3は、図1に示した
ものとは以下の点が異なる。即ち、半導体パワー素子7a
と7bが回路板3aと3bへ、それぞれ融点の高い実施例1に
記載の低温ロー材9aと9bを用いて接合される。次に、実
施例1と同様に放熱板4とヒートシンク基板1が融点の低
い半田8で接合される。本図の場合も、2回目の半田接
合時に、1回目の低温ロー材接合部に全くダメージを与
えないため、接合の歩留まりが高く、且つ接合部の高信
頼度なパワーモジュールを実現できる。 (実施例4)図4及び図5は本発明によるパワーモジュー
ルの他の実施例を示す断面図である。これらの実施例
は、図1に示したパワーモジュールのヒートシンク基板
1に、溝10を加工して水冷用の冷却フィン11を形成した
もの(図4)、水路12を形成したパワーモジュール(図
5)である。このように、ヒートシンク基板1は大サイ
ズで、熱容量の大きい構造をしている。接合時における
パワーモジュールの温度分布をあまり気にせずに生産速
度を上げても、接合の歩留まりが高く、且つ接合部の高
信頼度なパワーモジュールが得られる。
Also in this embodiment, as in the first embodiment, the first low-temperature solder joint is not damaged at all during the second soldering for joining the semiconductor power element to the circuit board, so that the yield of joining is low. And a power module with high reliability and high reliability of the joint can be realized. (Embodiment 3) FIG. 3 is a sectional view showing another embodiment of the power module according to the present invention. FIG. 3 differs from the one shown in FIG. That is, the semiconductor power element 7a
And 7b are joined to the circuit boards 3a and 3b using the low-temperature brazing materials 9a and 9b described in Example 1 having a high melting point, respectively. Next, as in the first embodiment, the heat sink 4 and the heat sink substrate 1 are joined with solder 8 having a low melting point. Also in the case of this drawing, the first low-temperature solder joint is not damaged at all during the second solder joining, so that a power module with a high joining yield and high reliability of the joint can be realized. (Embodiment 4) FIGS. 4 and 5 are sectional views showing another embodiment of the power module according to the present invention. These embodiments are directed to a heat sink substrate of the power module shown in FIG.
1 is a power module in which a groove 10 is machined to form a cooling fin 11 for water cooling (FIG. 4), and a power module in which a water channel 12 is formed (FIG. 5). Thus, the heat sink substrate 1 has a large size and a large heat capacity structure. Even if the production speed is increased without paying much attention to the temperature distribution of the power module at the time of joining, a power module having a high joining yield and a highly reliable joint can be obtained.

【0024】同様に、図3に示したパワーモジュールの
ヒートシンク基板においても、冷却フィンや水路を設け
た冷却体を使用することにより更に冷却効率の良好な結
果が得られる。
Similarly, in the heat sink substrate of the power module shown in FIG. 3, the use of a cooling body provided with cooling fins and water passages can further improve the cooling efficiency.

【0025】本実施例においても、実施例2に記載のセ
ラミックス基板の両面にAl基合金板をクラッドした基
板を用い、その片面にNiめっきしたCu回路板及び他
方の面にヒートシンク基板をそれぞれ低融点を有する低
温ロー材を用いて接合したものを用いることができ、同
様の効果が得られるものである。
Also in this embodiment, a substrate in which an Al-based alloy plate is clad on both surfaces of the ceramic substrate described in Embodiment 2 is used, and a Cu circuit board plated with Ni on one surface and a heat sink substrate on the other surface are respectively provided. A material joined by using a low-temperature brazing material having a melting point can be used, and the same effect can be obtained.

【0026】[0026]

【発明の効果】本発明によれば、接合変形が小さく、接
合の歩留まりが高く、且つ高い信頼性を有するパワーモ
ジュールが実現できる。このようなパワーモジュールは
IGBTモジュールとして車載用ボードコンピュータに
用いられ、ハイブリット車に好適である。
According to the present invention, it is possible to realize a power module having small joint deformation, high joint yield, and high reliability. Such a power module is used as an IGBT module in a vehicle-mounted board computer and is suitable for a hybrid vehicle.

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

【図1】本発明に係わるパワーモジュールの断面図。FIG. 1 is a sectional view of a power module according to the present invention.

【図2】図1のパワーモジュールの平面図。FIG. 2 is a plan view of the power module of FIG.

【図3】本発明によるパワーモジュールの他の実施例を
示す断面図。
FIG. 3 is a sectional view showing another embodiment of the power module according to the present invention.

【図4】本発明によるパワーモジュールの他の実施例を
示す断面図。
FIG. 4 is a sectional view showing another embodiment of the power module according to the present invention.

【図5】本発明によるパワーモジュールの他の実施例を
示す断面図。
FIG. 5 is a sectional view showing another embodiment of the power module according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…ヒートシンク基板、 2…セラミックス基板、3a、3
b…回路板、4…放熱板、5…低温ロー材、6a、6b、
8…半田、7a…半導体パワー素子、7b…半導体パワー素
子、9a、9b…低温ロー材、10…溝、11…冷却フィン、
12…水路、13…取付け孔。
1: heat sink substrate, 2: ceramic substrate, 3a, 3
b: circuit board, 4: heat sink, 5: low-temperature brazing material, 6a, 6b,
8: solder, 7a: semiconductor power element, 7b: semiconductor power element, 9a, 9b: low-temperature brazing material, 10: groove, 11: cooling fin,
12 ... water channel, 13 ... mounting hole.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 輝宜 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 近藤 保夫 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 渡部 典行 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 鈴村 隆志 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社土浦工場内 (72)発明者 中川 和彦 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社土浦工場内 Fターム(参考) 5F036 AA01 BA23 BB01 BC06  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Teruyoshi Abe 7-1-1, Omikacho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Within Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Yasuo Kondo 7, Omikacho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture No. 1-1 Inside Hitachi, Ltd.Hitachi Laboratory (72) Inventor Noriyuki Watanabe 1-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Inside Hitachi, Ltd.Hitachi Laboratory (72) Inventor Takashi Suzumura Tsuchiura, Ibaraki Prefecture 3550 Kida Yomachi Ichichi Hitachi Cable, Ltd. Tsuchiura Plant (72) Inventor Kazuhiko Nakagawa 3550 Kida Yomachi, Tsuchiura City, Ibaraki Prefecture Hitachi Cable Co., Ltd. Tsuchiura Plant F-term (reference) 5F036 AA01 BA23 BB01 BC06

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】一方の面に回路板及び他方の面に放熱板を
設けたセラミックス基板と、前記放熱板に金属接合材A
によって接合されたヒートシンク基板と、前記回路板に
金属接合材Bによって接合された半導体パワー素子とを
有するパワーモジュールにおいて、前記金属接合材A及
びBは、そのいずれか一方が、融点が500〜600℃
であるAg−Cu−Sn系、Ag−Cu−In系及びA
g−Cu−Sn−In系のいずれかのAg基合金から成
り、他方が半田からなることを特徴とするパワーモジュ
ール。
1. A ceramic substrate having a circuit board on one surface and a radiator plate on the other surface, and a metal bonding material A on the radiator plate.
In a power module having a heat sink substrate joined by a bonding method and a semiconductor power element joined to the circuit board by a metal joining material B, one of the metal joining materials A and B has a melting point of 500 to 600. ° C
Ag-Cu-Sn-based, Ag-Cu-In-based and A
A power module comprising any one of g-Cu-Sn-In-based Ag-based alloys and the other being solder.
【請求項2】一方の面に回路板及び他方の面に放熱板を
設けたセラミックス基板と、前記放熱板に金属接合材A
によって接合されたヒートシンク基板と、前記回路板に
金属接合材Bによって接合された半導体パワー素子とを
有するパワーモジュールにおいて、前記金属接合材A及
びBは、いずれか一方が、重量で、Cu10〜30%
と、Sn及びInの1種又は2種の合計20〜40%と
を含むAg基合金から成り、他方が半田からなることを
特徴とするパワーモジュール。
2. A ceramic substrate provided with a circuit board on one surface and a heat sink on the other surface, and a metal bonding material A on the heat sink.
In a power module having a heat sink substrate joined by a bonding method and a semiconductor power element joined to the circuit board by a metal joining material B, one of the metal joining materials A and B has a weight of Cu10 to 30. %
And a Ag-based alloy containing one or two of Sn and In and a total of 20 to 40%, and the other is made of solder.
【請求項3】一方の面に回路板及び他方の面に放熱板を
設けたセラミックス基板と、前記放熱板に金属接合材A
によって接合されたヒートシンク基板と、前記回路板に
金属接合材Bによって接合された半導体パワー素子とを
有するパワーモジュールにおいて、前記ヒートシンク基
板は銅と酸化銅とを主にした複合材からなり、前記金属
接合材A及びBは、いずれか一方が、融点が500〜6
00℃であるAg基合金から成り、他方が半田からなる
ことを特徴とするパワーモジュール。
3. A ceramic substrate provided with a circuit board on one surface and a heat sink on the other surface, and a metal bonding material A on the heat sink.
In a power module having a heat sink substrate joined by the above and a semiconductor power element joined to the circuit board by a metal joining material B, the heat sink substrate is made of a composite material mainly composed of copper and copper oxide, and One of the joining materials A and B has a melting point of 500 to 6.
A power module comprising an Ag-based alloy having a temperature of 00 ° C. and the other being a solder.
【請求項4】請求項1〜3のいずれかにおいて、前記A
g基合金の融点は前記半田の融点より200〜400℃
高いことを特徴とするパワーモジュール。
4. The method according to claim 1, wherein
The melting point of the g-base alloy is 200 to 400 ° C. higher than the melting point of the solder.
Power module characterized by its high cost.
【請求項5】請求項1〜4のいずれかにおいて、前記半
田はその融点が180〜330℃であるPb系合金又は
Sn系合金であることを特徴とするパワーモジュール。
5. The power module according to claim 1, wherein the solder is a Pb-based alloy or a Sn-based alloy having a melting point of 180 to 330 ° C.
【請求項6】請求項1〜5のいずれかにおいて、前記ヒ
ートシンク基板は冷却フィン又は内部に水路が形成され
た冷却体からなることを特徴とするパワーモジュール。
6. The power module according to claim 1, wherein the heat sink substrate is formed of a cooling fin or a cooling body having a water passage formed therein.
【請求項7】請求項1〜6のいずれかにおいて、前記セ
ラミックス基板はアルミナ基板又は窒化アルミニウム基
板からなることを特徴とするパワーモジュール。
7. A power module according to claim 1, wherein said ceramics substrate comprises an alumina substrate or an aluminum nitride substrate.
【請求項8】一方の面に回路板及び他方の面に放熱板を
設けたセラミックス基板と、前記放熱板に接合されたヒ
ートシンク基板とを有する複合基板において、前記接合
は、融点が500〜600℃であるAg−Cu−Sn
系、Ag−Cu−In系及びAg−Cu−Sn−In系
のいずれかのAg基合金によって行われていることを特
徴とする複合基板。
8. A composite substrate having a ceramic substrate provided with a circuit board on one surface and a radiator plate on the other surface, and a heat sink substrate bonded to the radiator plate, wherein the bonding has a melting point of 500 to 600. Ag-Cu-Sn
A composite substrate characterized by being made of any one of an Ag-based alloy, an Ag-Cu-In-based alloy, and an Ag-Cu-Sn-In-based alloy.
【請求項9】一方の面に回路板及び他方の面に放熱板を
設けたセラミックス基板と、前記放熱板に接合されたヒ
ートシンク基板とを有する複合基板において、前記接合
は、重量で、Cu10〜30%と、Sn及びInの1種
又は2種の合計20〜40%とを含むAg基合金によっ
て行われていることを特徴とする複合基板。
9. A composite substrate comprising a ceramic substrate provided with a circuit board on one surface and a radiator plate on the other surface, and a heat sink substrate bonded to the radiator plate, wherein the bonding is made by weight of Cu10. A composite substrate made of an Ag-based alloy containing 30% and one or two of Sn and In in total of 20 to 40%.
【請求項10】一方の面に回路板及び他方の面に放熱板
を設けたセラミックス基板と、前記放熱板に接合された
ヒートシンク基板とを有する複合基板において、前記ヒ
ートシンク基板は銅と酸化銅とを主にした複合材からな
り、前記接合は、融点が500〜600℃であるAg基
合金によって行われていることを特徴とする複合基板。
10. A composite substrate comprising a ceramic substrate provided with a circuit board on one surface and a radiator plate on the other surface, and a heat sink substrate joined to the radiator plate, wherein the heat sink substrate is made of copper, copper oxide and Wherein the bonding is performed by using an Ag-based alloy having a melting point of 500 to 600 ° C.
【請求項11】重量で、Cu10〜30%と、Sn及び
Inの1種又は2種の合計20〜40%とを含むAg基
合金から成ることを特徴とするパワーモジュール接合用
ロー材。
11. A power module joining brazing material comprising an Ag-based alloy containing 10 to 30% by weight of Cu and one or two of Sn and In in total of 20 to 40% by weight.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006066464A (en) * 2004-08-24 2006-03-09 Toyota Industries Corp Semiconductor device
JP2007242891A (en) * 2006-03-08 2007-09-20 Jfe Seimitsu Kk Heat radiator plate of copper or copper-contained alloy, and its joining method
KR20140034781A (en) * 2011-04-04 2014-03-20 세람테크 게엠베하 Ceramic printed circuit board comprising an al cooling body

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