JP2002373955A - Power module substrate - Google Patents

Power module substrate

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JP2002373955A
JP2002373955A JP2001179114A JP2001179114A JP2002373955A JP 2002373955 A JP2002373955 A JP 2002373955A JP 2001179114 A JP2001179114 A JP 2001179114A JP 2001179114 A JP2001179114 A JP 2001179114A JP 2002373955 A JP2002373955 A JP 2002373955A
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JP
Japan
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copper plate
ceramic
power module
substrate
ceramic base
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JP2001179114A
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Japanese (ja)
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Katsuji Mino
勝司 三野
Akihiro Hidaka
明弘 日高
Masanori Nagahiro
雅則 長廣
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Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Original Assignee
Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power module substrate in which a ceramic basic material is not cracked even if a metallic brazing material is employed for bonding the ceramic basic material and a copper plate and for bonding the ceramic basic material and a heat sink plate. SOLUTION: In a power module substrate 10 where a heat sink plate 12 is formed on one surface and a circuit is formed on the other surface through metallization pattern layers 14 and 15 formed on the opposite sides of a ceramic basic material 11 or a copper plate 13 to be formed is bonded using metallic brazing materials 16 and 16a, the ceramic basic material 11 has non-bonded regions A18 and 18a extending from the outer circumferential end part 17 of the ceramic basic material 11 to the inside of the opposite surfaces.

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、大量の熱を発する
半導体素子を搭載するためのパワーモジュール基板に関
し、より詳細にはセラミック基材と銅板及びヒートシン
ク板の接合時に発生する内部応力を軽減させるパワーモ
ジュール基板に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power module substrate for mounting a semiconductor element which generates a large amount of heat, and more particularly, to reducing internal stress generated when a ceramic substrate is joined to a copper plate and a heat sink plate. It relates to a power module substrate.

【0002】[0002]

【従来の技術】インバータ、サーボモータ等のパワーエ
レクトロニクス分野で用いられるパワートランジスタ、
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等をモジュール化し
たパワーモジュールには、絶縁と放熱の機能をもつセラ
ミック基材と銅板及びヒートシンク板とを接合したパワ
ーモジュール基板が使われている。従来のパワーモジュ
ール基板は、窒化アルミニウムからなるセラミック基材
の表面側に、予めパンチングやエッチングで回路形成さ
れた銅板を備え、裏面側に全面にわたって回路のない銅
板を備えている。これらの銅板は、セラミック基材に、
例えば活性金属ろう付け法やDBC(Direct B
ond Copper)法等でメタライズ層を介するこ
となく直接接合し、セラミック基材の裏面側に接合した
銅板に、銅からなるヒートシンク板をはんだを用いて接
合していた。しかしながら、ヒートシンク板との接合に
はんだを使用しているので、例えば、−65〜150℃
の温度サイクル試験によってはんだの劣化が発生し、パ
ワーモジュール基板の放熱性が低下するといった問題が
あった。
2. Description of the Related Art Power transistors used in the field of power electronics such as inverters and servo motors,
2. Description of the Related Art A power module in which an insulated gate bipolar transistor or the like is modularized uses a power module substrate in which a ceramic substrate having insulation and heat dissipation functions, a copper plate, and a heat sink plate are joined. A conventional power module substrate includes a copper plate on which a circuit is formed in advance by punching or etching on a front surface side of a ceramic base material made of aluminum nitride, and a copper plate having no circuit on the entire back surface. These copper plates are applied to a ceramic substrate,
For example, active metal brazing or DBC (Direct B
In this case, a heat sink plate made of copper was joined to the copper plate joined to the back surface side of the ceramic base material by using a solder without using a metallized layer. However, since solder is used for joining with the heat sink plate, for example, -65 to 150 ° C.
The temperature cycle test described above causes a problem that the solder deteriorates and the heat dissipation of the power module substrate is reduced.

【0003】そこで、図4に示すように、パワーモジュ
ール基板50は、先ず、窒化アルミニウムからなるセラ
ミック基材51の上面に回路銅板52のパターンに合わ
せた若干大きめのパターンからなるメタライズパターン
層53をタングステン等を用いて形成し、また、セラミ
ック基材51の下面にはセラミック基材51の外形寸法
に合わせて全面にメタライズパターン層54をタングス
テン等を用いて形成している。次に、上面側のメタライ
ズパターン層53に回路銅板52をAu−SnろうやA
g−Cuろう等からなる金属ろう材55を用いて接合し
ている。同様にセラミック基材51の下面側には、メタ
ライズパターン層54を介してヒートシンク板56をA
u−SnろうやAg−Cuろう等からなる金属ろう材5
5を用いて接合している。ここで使用されるヒートシン
ク板56は、セラミック基材51との接合に金属ろう材
55を用いているので、ろう付け接合時の反りを考慮し
て、窒化アルミニウムと熱膨張係数が近似するモリブデ
ンを用いて形成している。なお、セラミック基材51と
回路銅板52及びヒートシンク板56の金属ろう材55
を介しての接合は、一度にろう付けを行ってもよいし、
二度に分けてそれぞれろう付けを行なう場合もある。
Therefore, as shown in FIG. 4, a power module substrate 50 is formed by firstly forming a metallized pattern layer 53 having a pattern slightly larger than that of a circuit copper plate 52 on the upper surface of a ceramic base material 51 made of aluminum nitride. A metallized pattern layer 54 is formed using tungsten or the like on the entire lower surface of the ceramic substrate 51 in accordance with the outer dimensions of the ceramic substrate 51. Next, a circuit copper plate 52 is formed on the metallized pattern layer 53 on the upper surface side by using Au-Sn brazing material or A-Sn brazing material.
The joining is performed using a metal brazing material 55 made of g-Cu brazing or the like. Similarly, on the lower surface side of the ceramic base material 51, a heat sink plate 56 is
Metal brazing material 5 made of u-Sn brazing, Ag-Cu brazing, etc.
5. The heat sink plate 56 used here uses the metal brazing material 55 for joining with the ceramic base material 51. Therefore, in consideration of warpage at the time of joining by brazing, molybdenum having a thermal expansion coefficient similar to that of aluminum nitride is used. It is formed using. The ceramic base material 51, the circuit copper plate 52, and the metal brazing material 55 of the heat sink plate 56
Can be brazed all at once,
In some cases, brazing is performed twice.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たような従来のパワーモジュール基板には、次のような
課題がある。セラミック基材と回路銅板、及びセラミッ
ク基材とモリブデンからなるヒートシンク板との接合に
おいて、タングステン等のメタライズパターン層がセラ
ミック基材の端部まで形成されているので、Ag−Cu
ろう、Au−Snろう等の金属ろう材もセラミック基材
の端部まで形成される。Ag−Cuろう、Au−Snろ
う等の金属ろう材は塑性変形しにくい材料であるので、
窒化アルミニウム等のセラミック基材と銅板及びモリブ
デン等からなるヒートシンク板との熱膨張率差を吸収で
きなくなり、セラミック基材に応力が働き、セラミック
基材の端部にクラックを発生させる。本発明は、かかる
事情に鑑みてなされたものであって、セラミック基材と
銅板、及びセラミック基材とヒートシンク板との接合に
金属ろう材を用いてもセラミック基材にクラックを発生
させることのないパワーモジュール基板を提供すること
を目的とする。
However, the above-mentioned conventional power module substrate has the following problems. In joining the ceramic base and the circuit copper plate, and the ceramic base and the heat sink plate made of molybdenum, since the metallized pattern layer of tungsten or the like is formed up to the end of the ceramic base, Ag-Cu
A metal brazing material such as brazing or Au-Sn brazing is also formed up to the end of the ceramic base material. Since metal brazing materials such as Ag-Cu brazing and Au-Sn brazing are materials that are not easily plastically deformed,
The difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate such as aluminum nitride and the heat sink plate made of a copper plate, molybdenum or the like cannot be absorbed, and stress acts on the ceramic substrate to cause cracks at the ends of the ceramic substrate. The present invention has been made in view of such circumstances, and it is possible to generate a crack in a ceramic base even when a metal brazing material is used for joining a ceramic base and a copper plate, and a ceramic base and a heat sink plate. The aim is to provide a power module board without any.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う本発明に
係るパワーモジュール基板は、セラミック基材の両面に
形成されるメタライズパターン層を介して一方の表面に
ヒートシンク板を、他方の表面に回路が形成された、又
は形成される銅板を金属ろう材を用いて接合するパワー
モジュール基板において、セラミック基材は、セラミッ
ク基材の外周端部から両表面の内側にかけて非接合領域
部Aを有する。これにより、セラミック基材の表面の端
部までメタライズパターン層、及び金属ろう材が形成さ
れず、たとえ金属ろう材の塑性変形が小さかったとして
も、セラミック基材の応力集中を小さくできるので、セ
ラミック基材の端部からのクラックの発生を防止するこ
とができる。
A power module substrate according to the present invention, which meets the above object, has a heat sink plate on one surface and a circuit board on the other surface via metallized pattern layers formed on both surfaces of a ceramic substrate. In a power module substrate in which a copper plate on which is formed or formed is bonded using a metal brazing material, the ceramic base has a non-bonded region A from the outer peripheral end of the ceramic base to the inside of both surfaces. Thereby, the metallized pattern layer and the metal brazing material are not formed up to the end of the surface of the ceramic base material, and even if the plastic deformation of the metal brazing material is small, the stress concentration of the ceramic base material can be reduced, so that the ceramic The generation of cracks from the end of the substrate can be prevented.

【0006】ここで、銅板は銅板とセラミック基材の接
合部から更に外側に突出し、しかもセラミック基材の非
接合領域部Aに対向する非接合領域部Bを、少なくとも
有するのがよい。これにより、銅板のセラミック基材と
の接合面積を小さくすることができ、セラミック基材と
銅板との熱膨張率差を緩和できるので、セラミック基材
への応力を緩和できることで、セラミック基材のクラッ
クの発生を防止することができる。また、回路銅板をエ
ッチングで形成する場合には、位置合わせに時間を要す
ることなく、容易に形成することができる。
Here, the copper plate preferably has at least a non-joining region portion B protruding further outward from a joint portion between the copper plate and the ceramic base material and facing the non-joining region portion A of the ceramic base material. As a result, the bonding area between the copper plate and the ceramic substrate can be reduced, and the difference in the coefficient of thermal expansion between the ceramic substrate and the copper plate can be reduced, so that the stress on the ceramic substrate can be reduced. Cracks can be prevented from occurring. Further, when the circuit copper plate is formed by etching, it can be easily formed without requiring time for alignment.

【0007】また、銅板の回路を形成する個々の回路銅
板は回路銅板の全周部にわたって非接合領域部Cを有し
て、セラミック基材と接合しているのがよい。これによ
り、銅板のセラミック基材との接合面積を更に小さくす
ることができ、セラミック基材と銅板との熱膨張率差を
緩和できるので、セラミック基材への応力を緩和するこ
とで、セラミック基材のクラックの発生を防止すること
ができる。
[0007] Each circuit copper plate forming a circuit of the copper plate preferably has a non-joining region C over the entire periphery of the circuit copper plate and is joined to the ceramic base material. As a result, the bonding area between the copper plate and the ceramic substrate can be further reduced, and the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and the copper plate can be reduced. The occurrence of cracks in the material can be prevented.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】続いて、添付した図面を参照しつ
つ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本
発明の理解に供する。ここに、図1(A)、(B)はそ
れぞれ本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール基
板の断面図、平面図、図2は同パワーモジュール基板の
変形例の部分拡大断面図、図3は同パワーモジュール基
板の他の変形例の部分拡大断面図である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings to provide an understanding of the present invention. 1A and 1B are a cross-sectional view and a plan view, respectively, of a power module substrate according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view of a modified example of the power module substrate. FIG. 3 is a partially enlarged sectional view of another modified example of the power module substrate.

【0009】図1(A)、(B)に示すように、本発明
の一実施の形態に係るパワーモジュール基板10は、窒
化アルミニウムからなるセラミック基材11を有してい
る。セラミック基材は、窒化ケイ素、窒化アルミニウ
ム、窒化ホウ素、アルミナ、更にはこれらの成分を含む
複合材料、例えばムライト、コーディエライト等から選
ばれた少なくとも1種を主成分として形成することがで
きるが、好ましいのはアルミナ及び窒化アルミニウムで
あり、特に窒化アルミニウムがセラミック基材として最
適である。セラミック基材11には、上面側にメタライ
ズパターン層14を介して回路を形成する銅板13をA
g−Cuろう、Au−Snろう等の金属ろう材16を用
いて接合し、下面側にメタライズパターン層15を介し
てヒートシンク板12をAg−Cuろう、Au−Snろ
う等の金属ろう材16aを用いて接合してパワーモジュ
ール基板10を形成している。回路の形成された銅板1
3上の所定位置には、半導体素子が実装されパワーモジ
ュールとして機能する。
As shown in FIGS. 1A and 1B, a power module substrate 10 according to one embodiment of the present invention has a ceramic substrate 11 made of aluminum nitride. The ceramic substrate can be formed using silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride, alumina, or a composite material containing these components, such as mullite or cordierite, as a main component. Preferred are alumina and aluminum nitride, with aluminum nitride being most suitable as the ceramic substrate. On the ceramic base material 11, a copper plate 13 for forming a circuit on the upper surface side via a metallized pattern layer
Bonded using a metal brazing material 16 such as g-Cu brazing or Au-Sn brazing, and connecting the heat sink plate 12 to a metal brazing material 16a such as Ag-Cu brazing or Au-Sn brazing via a metallized pattern layer 15 on the lower surface side. To form the power module substrate 10. Copper plate 1 with circuit formed
A semiconductor element is mounted at a predetermined position on 3 and functions as a power module.

【0010】セラミック基材11と銅板13、及びセラ
ミック基材11とヒートシンク板12との接合において
は、セラミック基材11の外周端部17から上面側の表
面内側にかけて接合されていない非接合領域部(非接合
領域部A)18、及びセラミック基材11の外周端部1
7から下面側の表面内側にかけて接合されていない非接
合領域部(非接合領域部A)18aが設けられている。
セラミック基材11の外周端部17から両表面の内側に
かけて設けられた、これらの非接合領域部18、18a
によって、セラミック基材11の端部の角部からのクラ
ック発生が防止され、信頼性の高いパワーモジュール基
板10が形成でき、半導体素子からの発熱をヒートシン
ク板12から効率よく放熱できるので、半導体素子を正
常に作動させることができる。
In joining the ceramic base 11 and the copper plate 13, and the ceramic base 11 and the heat sink plate 12, a non-joined area portion that is not joined from the outer peripheral end 17 of the ceramic base 11 to the inside of the upper surface side. (Non-joining area portion A) 18 and outer peripheral end portion 1 of ceramic base material 11
A non-joining region portion (non-joining region portion A) 18a that is not joined is provided from 7 to the inner surface on the lower surface side.
These non-joining region portions 18 and 18a provided from the outer peripheral end portion 17 of the ceramic base 11 to the inside of both surfaces.
As a result, the occurrence of cracks at the corners of the end portions of the ceramic base material 11 is prevented, the highly reliable power module substrate 10 can be formed, and the heat generated from the semiconductor elements can be efficiently radiated from the heat sink plate 12. Can operate normally.

【0011】次いで、本発明の一実施の形態に係るパワ
ーモジュール基板10の製造方法を説明する。セラミッ
ク基材11は、先ず、窒化アルミニウム形成用のセラミ
ック粉末に焼結助剤を適当量加えた粉末に、可塑剤、バ
インダー、及び溶剤を加え、十分に混練し、脱泡してス
ラリーを作製し、通常のドクターブレード法等によっ
て、所望の厚み、例えば0.1〜1.0mmのロール状
にしたセラミックグリーンシートから形成する。
Next, a method of manufacturing the power module substrate 10 according to one embodiment of the present invention will be described. First, a ceramic base material 11 is prepared by adding a plasticizer, a binder, and a solvent to a powder obtained by adding an appropriate amount of a sintering aid to ceramic powder for forming aluminum nitride, kneading the mixture sufficiently, and defoaming to prepare a slurry. Then, it is formed from a ceramic green sheet in a roll shape having a desired thickness, for example, 0.1 to 1.0 mm, by an ordinary doctor blade method or the like.

【0012】ロール状のセラミックグリーンシートは、
所望の適当なサイズにカットし、得られたブランク状の
セラミックグリーンシートに、銅板13やヒートシンク
板12を金属ろう材16、16aで接合するためのメタ
ライズパターンを、タングステン、モリブデン等の高融
点金属を用いて、両面にスクリーン印刷等で形成し、セ
ラミックグリーンシートと高融点金属を同時焼成してメ
タライズパターン層14、15を有するセラミック基材
11を形成する。このメタライズパターン層14、15
の形成においては、セラミック基材11の外周端部17
から両表面の内側にかけて、幅が0.1〜2.0mm程
度のメタライズパターン層14、15が形成されない領
域、すなわち非接合領域部(非接合領域部A)18、1
8aが設けられている。なお、非接合領域部(非接合領
域部A)18、18aの形成方法として、セラミックグ
リーンシートと同材料の絶縁ペーストを用いて、大き目
のメタライズパターンの端部を覆うようにしてスクリー
ン印刷で形成することもできる。また、セラミック基材
11を所望の厚みにするために、メタライズパターン層
14、15がセラミック基材11の外表面になるように
2枚のセラミックグリーンシートに形成して貼り合わせ
て、更には所望の厚みにするために2枚のセラミックグ
リーンシートの間に所望枚数のセラミックグリーンシー
トを挟んで積層し、焼成して形成することもできる。
[0012] The roll-shaped ceramic green sheet is
A metallized pattern for joining the copper plate 13 and the heat sink plate 12 with the metal brazing materials 16 and 16a is cut on the obtained blank ceramic green sheet by cutting to a desired appropriate size. Are formed on both surfaces by screen printing or the like, and the ceramic green sheet and the high melting point metal are simultaneously fired to form the ceramic base material 11 having the metallized pattern layers 14 and 15. The metallized pattern layers 14, 15
In the formation of the outer peripheral end portion 17 of the ceramic base material 11,
To the inside of both surfaces from which the metallized pattern layers 14 and 15 having a width of about 0.1 to 2.0 mm are not formed, that is, the non-bonded region portions (non-bonded region portions A) 18 and 1
8a are provided. In addition, as a method of forming the non-joining region portions (non-joining region portions A) 18 and 18a, an insulating paste of the same material as that of the ceramic green sheet is used and formed by screen printing so as to cover the end of the large metallized pattern. You can also. In order to make the ceramic substrate 11 have a desired thickness, two ceramic green sheets are formed and bonded so that the metallized pattern layers 14 and 15 are on the outer surface of the ceramic substrate 11. In order to obtain a thickness, a desired number of ceramic green sheets may be sandwiched between two ceramic green sheets, laminated, and fired.

【0013】次いで、メタライズパターン層14、15
の表面にNiめっきを施し、セラミック基材11の上面
側のメタライズパターン層14に接して、パンチングや
エッチング等で回路パターンを形成した銅板13を、A
g−Cuろう、Au−Snろう等の金属ろう材16を介
して載置させ、金属ろう材16を加熱溶融させて接合す
る。また、併せてセラミック基材11の下面側のメタラ
イズパターン層15に接してモリブデン等からなるヒー
トシンク板12を、Ag−Cuろう、Au−Snろう等
の金属ろう材16aを介して載置させ、金属ろう材16
aを加熱溶融させてろう付け接合する。なお、金属ろう
材16、16aの加熱溶融は、通常、セラミック基材1
1の上面側及び下面側の両表面で同時に行われるが、上
面側と下面側をそれぞれ別々に2度に分けてろう付け接
合を行なってもよい。また、Au−Snろうを用いてろ
う付け接合する場合には、メタライズパターン層14、
15の表面にNiめっき及びAuめっきを施している。
Next, the metallized pattern layers 14, 15
A copper plate 13 on which a circuit pattern is formed by punching, etching, or the like by applying Ni plating to the surface of
The metal brazing material 16 such as g-Cu brazing or Au-Sn brazing is placed via the brazing material 16, and the metal brazing material 16 is heated and melted and joined. In addition, a heat sink plate 12 made of molybdenum or the like in contact with the metallized pattern layer 15 on the lower surface side of the ceramic base material 11 is placed via a metal brazing material 16a such as Ag-Cu brazing or Au-Sn brazing, Metal brazing material 16
a is heated and melted and joined by brazing. The heating and melting of the metal brazing materials 16 and 16a are usually performed by heating the ceramic substrate 1
1 is performed simultaneously on both the upper surface side and the lower surface side, but the upper surface side and the lower surface side may be separately and twice separately brazed. In the case of brazing using Au—Sn brazing, the metallized pattern layer 14,
The surface of No. 15 is plated with Ni and Au.

【0014】上述のセラミック基材11との接合に用い
られるヒートシンク板12は、セラミック基材11と熱
膨張率が近似する、例えばモリブデン、コバール(Fe
−Ni−Co系合金、商品名「Kovar」)、42ア
ロイ(Fe−Ni系合金)等からなる金属板を用いて、
プレス金型で打ち抜いたり、切削加工して所望の大きさ
に形成している。このヒートシンク板12には、Ag−
Cuろうを用いてろう付け接合する場合には、Niめっ
きが施され、Au−Snろうを用いてろう付け接合する
場合には、Niめっき及びAuめっきが施される。
The heat sink plate 12 used for bonding to the above-mentioned ceramic substrate 11 has a coefficient of thermal expansion similar to that of the ceramic substrate 11, for example, molybdenum, kovar (Fe
-Ni-Co alloy, trade name "Kovar"), a metal plate made of 42 alloy (Fe-Ni alloy) or the like,
It is formed into a desired size by punching or cutting with a press die. The heat sink plate 12 has an Ag-
In the case of brazing and joining using Cu brazing, Ni plating is applied, and in the case of brazing and joining using Au-Sn brazing, Ni plating and Au plating are applied.

【0015】図2に示すように、前記実施の形態の変形
例に係るパワーモジュール基板10aは、セラミック基
材11と銅板13、及びセラミック基材11とヒートシ
ンク板12との接合において、セラミック基材11の外
周端部17から上面側及び下面側の両表面の内側にかけ
て、接合されていない非接合領域部(非接合領域部A)
18、18aが設けられている。更に、銅板13とセラ
ミック基材11との接合において、銅板13は、セラミ
ック基材11と銅板13の接合部から外側に突出し、セ
ラミック基材11の上面側の非接合領域部(非接合領域
部A)18に対向して、非接合領域部(非接合領域部
B)19を設けている。なお、符号14aはセラミック
基材11に形成されたメタライズパターン層を示し、符
号16bはメタライズパターン層14aと銅板13を接
合する金属ろう材を示す。
As shown in FIG. 2, a power module substrate 10a according to a modification of the above-described embodiment has a ceramic substrate 11 and a copper plate 13 and a ceramic substrate 11 and a heat sink plate 12 which are joined together. From the outer peripheral end 17 to the inside of both the upper surface side and the lower surface side, a non-bonded region portion that is not bonded (non-bonded region portion A)
18, 18a are provided. Further, in joining the copper plate 13 and the ceramic substrate 11, the copper plate 13 protrudes outward from a joint portion between the ceramic substrate 11 and the copper plate 13, and forms a non-joining region (non-joining region A non-joining area (non-joining area B) 19 is provided opposite to A) 18. Reference numeral 14a indicates a metallized pattern layer formed on the ceramic base material 11, and reference numeral 16b indicates a metal brazing material for joining the metallized pattern layer 14a and the copper plate 13.

【0016】図3に示すように、本実施の形態の他の変
形例に係るパワーモジュール基板10bは、セラミック
基材11と銅板13、及びセラミック基材11とヒート
シンク板12との接合において、セラミック基材11の
外周端部17から上面側及び下面側の両表面の内側にか
けて接合されていない非接合領域部(非接合領域部A)
18、18aが設けられている。更に、銅板13とセラ
ミック基材11との接合において、銅板13の個々の回
路を形成する回路銅板13aの外周端部20から接合面
側の表面内側にかけて全周部にわたって非接合領域部
(非接合領域部C)21を設けている。なお、符号14
b、16cは、それぞれメタライズパターン層、金属ろ
う材を示している。これらの接合では、セラミック基材
11と銅板13との接合面積を小さくすることができ、
セラミック基材11と銅板13との熱膨張率差から発生
するセラミック基材11への応力の集中を緩和すること
ができる。
As shown in FIG. 3, a power module substrate 10b according to another modification of the present embodiment has a ceramic substrate 11 and a copper plate 13 and a ceramic substrate 11 and a heat sink plate 12 which are connected to each other. Non-joining region portion (non-joining region portion A) that is not joined from the outer peripheral end portion 17 of the base material 11 to the inside of both the upper surface side and the lower surface side.
18, 18a are provided. Further, in joining the copper plate 13 and the ceramic base material 11, a non-joining region portion (non-joining portion) extends from the outer peripheral end portion 20 of the circuit copper plate 13 a forming an individual circuit of the copper plate 13 to the inner side of the joining surface side. A region part C) 21 is provided. Reference numeral 14
Reference numerals b and 16c denote a metallized pattern layer and a brazing metal, respectively. In these joinings, the joining area between the ceramic substrate 11 and the copper plate 13 can be reduced,
The concentration of stress on the ceramic base 11 generated from the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic base 11 and the copper plate 13 can be reduced.

【0017】セラミック基材11と銅板13とを接合す
る場合に銅板13の非接合領域部(非接合領域部B)1
9、及び各回路銅板13aの非接合領域部(非接合領域
部C)21を形成する方法は、金属ろう材16b、16
cが溶融した時に銅板13及び回路銅板13aの表面の
端面部まで流れることを防止するために、非接合領域部
19、21になる部分に黒化処理等を行い、金属ろう材
16b、16cが銅板13や回路銅板13aと濡れない
部分を形成する。又は、銅板13や回路銅板13aに金
属ろう材16b、16cが溶融した時の流れを阻止する
ための溝を形成する。なお、銅板13や回路銅板13a
を接合するために、セラミック基材11にそれぞれの非
接合領域部19、21を形成するのに合わせたパターン
を有するメタライズパターン層14a、14bを形成す
る。
When the ceramic substrate 11 and the copper plate 13 are bonded together, the non-bonded region (non-bonded region B) 1 of the copper plate 13
9 and the method of forming the non-joining region portion (non-joining region portion C) 21 of each circuit copper plate 13a include metal brazing materials 16b, 16
In order to prevent the molten metal c from flowing to the end face of the surface of the copper plate 13 and the circuit copper plate 13a when it is melted, blackening treatment or the like is performed on the portions to be non-joined regions 19 and 21 so that the metal brazing materials 16b and 16c are removed. A portion that does not wet the copper plate 13 or the circuit copper plate 13a is formed. Alternatively, a groove is formed in the copper plate 13 or the circuit copper plate 13a to prevent a flow when the metal brazing materials 16b and 16c are melted. The copper plate 13 and the circuit copper plate 13a
Are formed on the ceramic substrate 11 by forming metallized pattern layers 14a and 14b having a pattern corresponding to the formation of the respective non-bonded regions 19 and 21.

【0018】なお、セラミック基材に回路を形成する銅
板を接合する方法としては、セラミック基材の上面に非
接合領域部Aを有してメタライズパターン層を形成し、
メタライズパターン層上に全面からなる銅板をAg−C
uろう、Au−Snろう等の金属ろう材で接合した後、
エッチングレジスト層を設けて回路部分をマスクした状
態にして、例えば塩化第2銅等のエッチング液を用い
て、先ず銅板部をエッチングし、更に、例えばフッ化物
と過酸化水素溶液等のエッチング液で金属ろう材部をエ
ッチングして回路を有する銅板を形成する方法もある。
また、セラミック基材は、セラミック粉末とバインダー
等をスプレードライヤーで造粒して形成した顆粒状のセ
ラミック原料をプレス型を用いてプレス成形機で板状に
形成し、使用することもできる。
As a method of joining a copper plate for forming a circuit to the ceramic base, a metallized pattern layer having a non-joined area A on the upper surface of the ceramic base is formed.
Ag-C on the metalized pattern layer
After joining with a metal brazing material such as u-brazing or Au-Sn brazing,
With the etching resist layer provided and the circuit portion masked, the copper plate portion is first etched using an etching solution such as cupric chloride, and then further etched with an etching solution such as a fluoride and hydrogen peroxide solution. There is also a method of etching a metal brazing part to form a copper plate having a circuit.
The ceramic substrate can also be used by forming a granular ceramic raw material formed by granulating a ceramic powder, a binder and the like with a spray drier into a plate shape by a press molding machine using a press die.

【0019】[0019]

【実施例】本発明者は、本発明に係るパワーモジュール
基板と、従来例のパワーモジュール基板について、セラ
ミック基材とヒートシンク板との接合において発生する
応力をシミュレーションで測定を行った。なお、各パワ
ーモジュール基板の各要素は次の通りである。 (1)実施例 セラミック基材:大きさ30×30mm、厚さ0.64
mmの窒化アルミニウム製基材 メタライズパターン層:端部より約0.5mm引き下が
らせたタングステン製メタライズ ヒートシンク板:大きさ80×80mm、厚さ3.0m
mのモリブデン製板 金属ろう材:Ag−Cuろう(約800℃の接合温度) (2)従来例 セラミック基材:大きさ30×30mm、厚さ0.64
mmの窒化アルミニウム製基材 メタライズパターン層:セラミック基板と同等の大きさ
のタングステン製メタライズ ヒートシンク板:大きさ80×80mm、厚さ3.0m
mのモリブデン製板 金属ろう材:Ag−Cuろう(約800℃の接合温度)
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The inventor of the present invention measured the stress generated in the joint between a ceramic base material and a heat sink plate by simulation for the power module substrate according to the present invention and the conventional power module substrate. The components of each power module board are as follows. (1) Example Ceramic substrate: size 30 x 30 mm, thickness 0.64
mm aluminum nitride base metallized pattern layer: tungsten metallized down about 0.5 mm from the end Heat sink plate: size 80 × 80 mm, thickness 3.0 m
m-Molybdenum plate Metal brazing material: Ag-Cu brazing (joining temperature of about 800 ° C) (2) Conventional example Ceramic substrate: size 30 x 30 mm, thickness 0.64
mm aluminum nitride base material Metallized pattern layer: Tungsten metallized heat sink plate of the same size as ceramic substrate Heat sink plate: size 80 x 80 mm, thickness 3.0 m
m-Molybdenum plate Metal brazing material: Ag-Cu brazing (joining temperature of about 800 ° C)

【0020】上述の実施例及び従来例について、セラミ
ック基材とヒートシンク板との接合後セラミック基材の
垂直方向の応力とメタライズパターン層にかかる応力を
シミュレーション測定を行った結果を表1に示す。その
結果、実施例は、従来例に比較してセラミック基材の垂
直方向の応力が低減していることで、セラミック基材に
クラックが発生しないことが実証できる。
Table 1 shows the results of simulated measurement of the stress in the vertical direction of the ceramic substrate and the stress applied to the metallized pattern layer after bonding the ceramic substrate and the heat sink plate to the above-described embodiment and the conventional example. As a result, in the example, it can be demonstrated that cracks do not occur in the ceramic substrate because the stress in the vertical direction of the ceramic substrate is reduced as compared with the conventional example.

【0021】[0021]

【表1】 [Table 1]

【0022】[0022]

【発明の効果】請求項1〜3に記載のパワーモジュール
基板は、セラミック基材の外周端部から両表面の内側に
かけて非接合領域部Aを有するので、セラミック基材の
表面の端部までメタライズパターン層、及び金属ろう材
が形成されず、たとえ金属ろう材の塑性変形が小さかっ
たとしても、セラミック基材の応力集中を小さくでき、
セラミック基材の端部からのクラックの発生を防止する
ことができる。
The power module substrate according to any one of claims 1 to 3 has a non-joining region A from the outer peripheral end of the ceramic base material to the inside of both surfaces. The pattern layer, and the metal brazing material are not formed, and even if the plastic deformation of the metal brazing material is small, the stress concentration of the ceramic base material can be reduced,
It is possible to prevent the occurrence of cracks from the ends of the ceramic substrate.

【0023】特に、請求項2記載のパワーモジュール基
板は、銅板が銅板とセラミック基材の接合部から更に外
側に突出し、しかもセラミック基材の非接合領域部Aに
対向する非接合領域部Bを、少なくとも有するので、銅
板のセラミック基材との接合面積を小さくすることで、
セラミック基材と銅板との熱膨張率差を緩和し、セラミ
ック基材への応力を少なくできて、セラミック基材のク
ラックの発生を防止することができる。また、回路銅板
をエッチングで形成する場合には、容易に形成すること
ができる。
In particular, in the power module board according to the second aspect, the copper plate protrudes further outward from the bonding portion between the copper plate and the ceramic base, and further includes a non-bonding region B opposed to the non-bonding region A of the ceramic base. Since it has at least, by reducing the bonding area of the copper plate and the ceramic substrate,
The difference in the coefficient of thermal expansion between the ceramic base and the copper plate can be reduced, the stress on the ceramic base can be reduced, and the occurrence of cracks in the ceramic base can be prevented. When the circuit copper plate is formed by etching, it can be easily formed.

【0024】特に、請求項3記載のパワーモジュール基
板は、銅板の回路を形成する個々の回路銅板は回路銅板
の全周部にわたって非接合領域部Cを有して、セラミッ
ク基材と接合しているので、銅板のセラミック基材との
接合面積を小さくすることで、セラミック基材と銅板と
の熱膨張率差を緩和し、セラミック基材への応力を少な
くできて、セラミック基材のクラックの発生を防止する
ことができる。
In particular, in the power module substrate according to the present invention, each circuit copper plate forming a circuit of the copper plate has a non-joining region C over the entire periphery of the circuit copper plate and is joined to the ceramic base. Therefore, by reducing the bonding area between the copper base and the ceramic base, the difference in the coefficient of thermal expansion between the ceramic base and the copper base can be reduced, the stress on the ceramic base can be reduced, and cracks in the ceramic base can be reduced. Generation can be prevented.

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

【図1】(A)、(B)はそれぞれ本発明の一実施の形
態に係るパワーモジュール基板の断面図、平面図であ
る。
FIGS. 1A and 1B are a cross-sectional view and a plan view, respectively, of a power module substrate according to an embodiment of the present invention.

【図2】同パワーモジュール基板の変形例の部分拡大断
面図である。
FIG. 2 is a partially enlarged sectional view of a modified example of the power module substrate.

【図3】同パワーモジュール基板の他の変形例の部分拡
大断面図である。
FIG. 3 is a partially enlarged cross-sectional view of another modified example of the power module substrate.

【図4】従来のパワーモジュール基板の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional power module substrate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10、10a、10b:パワーモジュール基板、11:
セラミック基材、12:ヒートシンク板、13:銅板、
13a:回路銅板、14、14a、14b、15:メタ
ライズパターン層、16、16a、16b、16c:金
属ろう材、17:外周端部、18、18a:非接合領域
部(非接合領域部A)、19:非接合領域部(非接合領
域部B)、20:外周端部、21:非接合領域部(非接
合領域部C)
10, 10a, 10b: power module substrate, 11:
Ceramic substrate, 12: heat sink plate, 13: copper plate,
13a: circuit copper plate, 14, 14a, 14b, 15: metallized pattern layer, 16, 16a, 16b, 16c: metal brazing material, 17: outer peripheral end, 18, 18a: non-joining area (non-joining area A) , 19: non-joining area (non-joining area B), 20: outer peripheral end, 21: non-joining area (non-joining area C)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長廣 雅則 山口県美祢市大嶺町東分字岩倉2701番1 株式会社住友金属エレクトロデバイス内 Fターム(参考) 4G026 BA03 BA06 BA07 BB16 BB17 BB18 BB21 BB22 BB25 BC01 BC02 BD02 BD14 BF15 BF16 BG02 BH07 5E338 AA01 AA18 BB71 BB75 CC01 CC04 CC06 CD11 EE02 EE28 5F036 AA01 BA03 BA23 BB01  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Masanori Nagahiro 2701-1, Iwakura, Omine-cho, Omine-cho, Mine-shi, Yamaguchi F-term in Sumitomo Metal Electronics Device Co., Ltd. 4G026 BA03 BA06 BA07 BB16 BB17 BB18 BB21 BB22 BB25 BC01 BC02 BD02 BD14 BF15 BF16 BG02 BH07 5E338 AA01 AA18 BB71 BB75 CC01 CC04 CC06 CD11 EE02 EE28 5F036 AA01 BA03 BA23 BB01

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 セラミック基材の両面に形成されるメタ
ライズパターン層を介して一方の表面にヒートシンク板
を、他方の表面に回路が形成された、又は形成される銅
板を金属ろう材を用いて接合するパワーモジュール基板
において、前記セラミック基材は、該セラミック基材の
外周端部から両表面の内側にかけて非接合領域部Aを有
することを特徴とするパワーモジュール基板。
1. A heat sink plate is formed on one surface via a metallized pattern layer formed on both surfaces of a ceramic substrate, and a copper plate on which a circuit is formed or formed on the other surface is formed using a metal brazing material. In the power module substrate to be joined, the ceramic substrate has a non-joining region portion A from the outer peripheral end of the ceramic substrate to the inside of both surfaces.
【請求項2】 請求項1記載のパワーモジュール基板に
おいて、前記銅板は該銅板と前記セラミック基材の接合
部から更に外側に突出し、しかも前記セラミック基材の
非接合領域部Aに対向する非接合領域部Bを、少なくと
も有することを特徴とするパワーモジュール基板。
2. The non-joined power module board according to claim 1, wherein the copper plate protrudes further outward from a joint between the copper plate and the ceramic base, and faces the non-joined area A of the ceramic base. A power module substrate having at least a region section B.
【請求項3】 請求項1記載のパワーモジュール基板に
おいて、前記銅板の回路を形成する個々の回路銅板は該
回路銅板の全周部にわたって非接合領域部Cを有して、
前記セラミック基材と接合していることを特徴とするパ
ワーモジュール基板。
3. The power module board according to claim 1, wherein each of the circuit copper plates forming the circuit of the copper plate has a non-joining region portion C over the entire periphery of the circuit copper plate.
A power module substrate, which is bonded to the ceramic base.
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