JP2005005404A - Circuit substrate, heat dissipation module and semiconductor component - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車、ハイブリッド車、家庭用機器のインバーター制御に用いられるIGBTをはじめとするパワーモジュール等の回路基板と、その回路基板に放熱部材を接合した放熱モジュール及び前記回路基板又は前記放熱モジュールに半導体素子を装着してなる半導体部品に関する。
【0002】
【従来の技術】
パワーモジュールやスイッチング電源モジュール等の半導体部品として、アルミナ(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)等のセラミックス基板に銅やアルミニウム等の導電性に優れた金属板を接合し、その金属板に回路を構成する線状の絶縁部をエッチングで形成して回路基板とし、その回路基板に半導体素子を装着して構成したものがある。前記回路基板のセラミックス基板と金属板は、ろう付け法、メタライズ法、ダイレクト・ボンド・カッパー法等の化学的接合手段により一体に接合されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
半導体素子は通電により発熱し、その熱が回路基板に伝わる。一般に回路基板のセラミックス基板には非回路側の面に金属板やヒートシンク等の放熱部材が接合されていて、半導体素子の熱がその放熱部材から外部に拡散するようになっている。もちろん半導体素子への通電が止まれば発熱は止み、回路基板の温度も下がる。
回路基板は、このようなヒートサイクルを繰り返し受けるため、セラミックスと金属の熱膨張係数の違いによる残留応力や熱応力の影響を受けて回路を構成する金属板とセラミックス基板の界面にクラックが生じたり、セラミックス基板自体にクラックが生ずるおそれがある。金属板とセラミックス基板の界面に生ずるクラックの発生は、放熱性能の低下や耐電圧の低下等、半導体部品の動作不良、寿命、信頼性に直結する重大事であり、従ってこれまでも多くのヒートサイクル対策が行われてきた。特に近年、半導体素子の高集積化が著しく、それに比例して発熱量も急増していることから、回路基板の耐ヒートサイクル性の向上は急務である。
【0004】
ところで回路を構成する金属板には導電性に優れた銅やアルミニウムが使われるが、これらの材質は比較的軟質であるため、前記ヒートサイクルによる熱応力や残留応力に対して緩衝作用を発揮し、それがヒートサイクル対策として有効に機能するものと考えられていた。
【0005】
しかしながらセラミックス基板と金属板を化学的接合手段で接合した場合には、例えばろう材に含まれるAg、Sn、Ti等の成分が銅やアルミニウムで出来ている金属板に拡散・固溶して界面からある範囲に渡って硬度を上昇させるから、それだけ緩衝性能が低下する。従ってそのような金属板の接合に起因する硬化現象を無視した従来のヒートサイクル対策では正確性・信頼性に欠ける。
【0006】
本発明者は斯かる観点に立ち、接合による金属板の硬化を考慮しつつヒートサイクル試験を繰り返した結果、金属板の硬化と金属板の外周囲金属端面形状の相関々係を見出し、本発明に到達したものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
セラミックス基板の一方の面に回路形成用の金属板を備え、その金属板に絶縁部を設けて回路を形成してなる回路基板において、前記金属板の硬度がほぼ一定である範囲を厚さ成分とする表層とそれより高硬度の裏層との境界面と、前記金属板の外周囲金属端面との交点をAとし、前記金属端面のセラミックス基板側の基端である金属端底部をBとし、セラミックス基板と金属板の界面をCとした場合に、∠ABC=αが30度≦α≦70度である回路基板を提供する。なお、ここで金属板の外周囲金属端面には、金属板の外形の輪郭、絶縁部の輪郭、或いは後述するビス挿通用の貫通孔の輪郭など、金属板の全ての金属端面を含む。
また、請求項2に記載したように前記セラミックス基板の非回路側の面に放熱部材を接合してなる放熱モジュールを提供する。
また、請求項3に記載したように前記セラミックス基板の非回路側の面に放熱部材たる放熱板を接合し、さらにその放熱板の他面に第二のセラミックス基板を接合してなる放熱モジュールを提供する。
さらにまた、請求項4に記載したように前記回路基板又は前記放熱モジュールの金属板に半導体素子を装着してなる半導体部品を提供する。
なお、上記αの範囲は以下のようにして求めた。
【0008】
【半導体部品の製造】
先ず図1,2に示した半導体部品1を製造した。この半導体部品1は、セラミックス基板2の上面に回路形成用の金属板3を接合しその金属板3にエッチングで絶縁部4を設けて回路を形成してなる回路基板5と、その回路基板5の回路上にはんだ付けして装着した半導体素子6と、前記セラミックス基板2の下面側に配置した放熱部材たる放熱板7と、その放熱板7の下面に配置した第二のセラミックス基板20と、さらにそのセラミックス基板20の下面に配置した第二の放熱部材たる放熱板70とからなる。上記各部材は、金属板3の下面側にセラミックス基板2の上面をセットし、そのセラミックス基板2の下面側に放熱板7の上面をセットし、さらにその放熱板7の下面に第二のセラミックス基板20の上面をセットし、さらにそのセラミックス基板20の下面に第二の放熱板70の上面をセットし、全てろう付けにより800℃〜1000℃、30〜60分で一体に接合することができる。
【0009】
前記セラミックス基板2と第二のセラミックス基板20は、窒化珪素製で厚さ約0.25mmである。また、金属板3は、銅製で厚さ約0.4mmである。セラミックス基板2と金属板3の接合には、セラミックス基板2の接合面に活性金属であるTiを含有するペーストろう材を用いた。
二枚のセラミックス基板2,20の間に挟まれる前記放熱板7は、銅製で厚さ約3mmであり、セラミックス基板2と放熱板7、また、放熱板7と第二のセラミックス基板20の接合は前記した金属板3とセラミックス基板2の接合と同じろう材による。また、第二の放熱板70は、銅製で厚さ約0.4mmである。
【0010】
なお、上記した金属板3、セラミックス基板2と第二のセラミックス基板20、放熱板7と第二の放熱板70の各厚みはある程度の幅を持たせてもよく、金属板3は0.25〜0.5mm、セラミックス基板2と第二のセラミックス基板20は0.25mm〜0.4mm、放熱板7は2〜4mm、第二の放熱板70は0.2〜0.5mmの範囲で増減可能である。
【0011】
また、回路は、金属板3の上面にエッチングレジストを形成し、塩化第二鉄溶液でパターン外の不要な銅を除去して絶縁部4を形成した。図1はエッチングにより形成した絶縁部4の断面を拡大して示したものであり、絶縁部4の金属端面形状(以下エッチング端面形状ともいう。)は図示したようにアール形状になっている。このエッチング端面形状は、前記塩化第二鉄溶液の温度、濃度、時間、噴射圧を調整することにより適宜制御することができるため、これらを調整して種々のエッチング端面形状に仕上げた。
次に絶縁部4に残る不要なろう材をフッ酸により除去した後、金属板3上に残る不要なレジストリを剥がした。
なお、金属板3のエッチング工程は、各部材を一体にろう付けした後に実行したが、ろう付け前の金属板3に対してエッチングを施してから各部材同士を一括してろう付けするようにしてもよい。
【0012】
【ヒートサイクル試験】
上記のようにして製造した半導体部品1に対し、「−40℃×8分 → 25℃×5分 → 125℃×8分 → 25℃×5分」を1サイクルとしてこれを1,000サイクル行うヒートサイクル試験を実施した。
【0013】
【測定】
以上のヒートサイクル試験を終えた回路基板5を切断して鏡面研磨を行い、先ず金属板3の界面からの硬度(ビッカース硬度)分布を測定して硬度がほぼ一定である範囲を厚さ成分とする表層3Aとそれより高硬度の裏層3Bとの境界面3Cを特定し、その境界面3Cと金属板3の金属端面との交点Aを特定した。
なお、金属板3の硬度分布の一例を図3のグラフに示した。この図3のグラフによれば金属板3のビッカース硬度は、界面からの距離に対してなだらかな曲線を描いて一定になることを示している。従って上記した表層3Aと裏層3Bの境界面3Cの特定には若干の主観的要因を含むため「硬度がほぼ一定である範囲」と記載せざるを得ないのであるが、経験則によればそのような主観的要因による誤差は極僅かであって許容可能な範囲である。
次に回路基板5の切断面から、金属端面のセラミックス基板2側の基端である金属端底部Bと、セラミックス基板2と金属板3の界面Cを特定し、∠ABC=αの値を測定した。
また、金属端底部Bからセラミックス基板2と金属板3の界面Cに生じているクラック長を測定し、そのクラック長と角度αの関係をグラフ化した。その結果が図4である。
【0014】
【評価】
クラック長が90μmを越えると熱伝導特性の低下が顕著になって好ましくないため、クラック長の上限値を90μmに設定した。そうすると図4のグラフで明らかなように、角度α≦70度であれば1,000サイクルにも及ぶヒートサイクル試験の後もクラック長が上限を上回らないことが判明した。
一方、角度αが30度を下回ると、絶縁部4が細い線状である場合に対向する金属端底部B,B同士の距離が近づきすぎて絶縁性が損なわれるおそれがあるためこれを下限とした。
【0015】
【実施例】
上記した材質、寸法、接合条件等で図1,2の半導体部品1を製造する場合の具体的な条件は、塩化第二鉄溶液の温度(約40℃)、濃度(2.7〜3.9モル/L(比重1.32〜3.89))、時間(30分)、噴射圧(1.5kg/cm2)である。もちろんこの条件は上記した材質、寸法、接合条件等の半導体部品1に当て嵌まるものであって、材質、寸法、接合条件などの構成に応じて適宜調整を要する。
【0016】
なお、上記した半導体部品1は、回路基板5に放熱板7,70を一体に設けた放熱モジュールに半導体素子6を装着したものであるが、例えば図5に示したように放熱板7,70を一体に有しない単純な回路基板5に半導体素子6を装着してもよい。この場合の熱対策は独立したヒートシンクに回路基板5を設置することで対応できる。また、図6に示したように第二の放熱板70を一体に有しない放熱モジュールに半導体素子6を装着してもよい。
【0017】
また、セラミックス基板2,20の材質としては上記窒化珪素の他、アルミナや窒化アルミニウム等であってもよい。もっとも窒化珪素は、アルミナや窒化アルミニウムに比べて破壊靭性や耐熱衝撃性など機械的特性に優れ、従って耐ヒートサイクル性に優れるため好ましい。
【0018】
また、放熱板7,70は金属に限定されず、金属(例えばCu、Al)を主成分とする無機化合物を含む複合材(例えばCu2O、SiC、Al2O3など)であってもよい。
【0019】
また、上記の金属端面に関する説明は、金属板3の細い線状にした絶縁部4を例に行ったが、絶縁部4には線状のもの以外にも図2に示したようにやや広い範囲にわたる適宜形状のものも含まれる。また、金属板3の外周囲や図2,図5,図6に示したようにビス挿通用の貫通孔40を形成した場合の金属端面も同様である。
【0020】
【発明の効果】
本発明は、回路を構成する金属板の硬化現象を加味して金属端面形状を特定するようにしたため、従来に比し耐ヒートサイクル性の信頼性が大幅に向上する。
【0021】
また、請求項3のように放熱部材たる放熱板をセラミックス基板でサンドイッチ状に挟み込むようにすれば、放熱板を構成する材質とセラミックス基板の熱膨張係数に大きな隔たりがあっても、そのような熱膨張差に起因する熱応力を放熱板の両面でセラミックス基板同士が打ち消し合うため、何れかの方向に反るような不具合が発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図1】要部を示す拡大断面図である。
【図2】構成要素を分離させて示す斜視図である。
【図3】金属板の硬度分布を示すグラフである。
【図4】クラック長と角度αの関係を示すグラフである。
【図5】構成要素を分離させて示す斜視図である。
【図6】構成要素を分離させて示す斜視図である。
【符号の説明】
1 …半導体部品
2 …セラミックス基板
20…第二のセラミックス基板
3 …金属板
3A…表層
3B…裏層
3C…境界面
4 …絶縁部
5 …回路基板
6 …半導体素子
7 …放熱板
70…第二の放熱板
A …金属端面と境界面3Cの交点
B …金属端底部
C …セラミックス基板2と金属板3の界面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a circuit board such as a power module including an IGBT used for inverter control of an electric vehicle, a hybrid vehicle, and a household device, a heat radiation module in which a heat radiation member is joined to the circuit board, and the circuit board or the heat radiation. The present invention relates to a semiconductor component formed by mounting a semiconductor element on a module.
[0002]
[Prior art]
As a semiconductor component such as a power module or a switching power supply module, a metal plate excellent in conductivity such as copper or aluminum is bonded to a ceramic substrate such as alumina (Al 2 O 3 ) or aluminum nitride (AlN), and the metal plate is bonded to the metal plate. There is a configuration in which a linear insulating portion constituting a circuit is formed by etching to form a circuit board, and a semiconductor element is mounted on the circuit board. The ceramic substrate and the metal plate of the circuit board are integrally bonded by a chemical bonding means such as a brazing method, a metallizing method, and a direct bond copper method.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The semiconductor element generates heat when energized, and the heat is transmitted to the circuit board. In general, a ceramic substrate of a circuit board is bonded to a non-circuit side surface with a heat radiating member such as a metal plate or a heat sink, and heat of the semiconductor element is diffused from the heat radiating member to the outside. Of course, when the semiconductor element is de-energized, the heat generation stops and the temperature of the circuit board also decreases.
Since circuit boards are repeatedly subjected to such heat cycles, cracks may occur at the interface between the metal plate and the ceramic substrate that make up the circuit due to the effects of residual stress and thermal stress due to differences in the thermal expansion coefficient between ceramics and metals. There is a possibility that cracks may occur in the ceramic substrate itself. The occurrence of cracks at the interface between a metal plate and a ceramic substrate is a serious factor that directly affects the malfunction, life and reliability of semiconductor components, such as reduced heat dissipation performance and reduced withstand voltage. Cycle measures have been taken. In particular, in recent years, semiconductor devices have been highly integrated, and the amount of heat generated has increased rapidly in proportion thereto. Therefore, it is urgent to improve the heat cycle resistance of circuit boards.
[0004]
By the way, copper and aluminum with excellent electrical conductivity are used for the metal plates constituting the circuit, but these materials are relatively soft, so that they exert a buffering action against thermal stress and residual stress due to the heat cycle. It was thought that it would function effectively as a heat cycle countermeasure.
[0005]
However, when the ceramic substrate and the metal plate are joined by chemical joining means, for example, the components such as Ag, Sn, Ti, etc. contained in the brazing material diffuse and dissolve in the metal plate made of copper or aluminum to form an interface. Since the hardness is increased over a certain range, the buffering performance is reduced accordingly. Therefore, the conventional heat cycle countermeasures ignoring the hardening phenomenon resulting from the joining of the metal plates lack accuracy and reliability.
[0006]
As a result of repeating the heat cycle test in consideration of the hardening of the metal plate by joining, the present inventor found out the correlation between the hardening of the metal plate and the shape of the outer peripheral metal end face of the metal plate. Has reached
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A circuit board comprising a metal plate for circuit formation on one surface of a ceramic substrate, and an insulating portion provided on the metal plate to form a circuit, wherein the thickness of the metal plate has a substantially constant range. A is the intersection of the boundary surface between the surface layer and the back layer of higher hardness and the outer peripheral metal end surface of the metal plate, and B is the metal end bottom that is the base end of the metal end surface on the ceramic substrate side. Provided is a circuit board where ∠ABC = α is 30 degrees ≦ α ≦ 70 degrees, where C is the interface between the ceramic substrate and the metal plate. Here, the outer peripheral metal end surface of the metal plate includes all the metal end surfaces of the metal plate, such as the contour of the outer shape of the metal plate, the contour of the insulating portion, or the contour of a through hole for inserting a screw to be described later.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a heat dissipating module in which a heat dissipating member is joined to the non-circuit side surface of the ceramic substrate.
According to a third aspect of the present invention, there is provided a heat dissipating module in which a heat dissipating plate as a heat dissipating member is bonded to the non-circuit side surface of the ceramic substrate, and a second ceramic substrate is bonded to the other surface of the heat dissipating plate. provide.
Furthermore, as described in
The range of α was determined as follows.
[0008]
[Manufacture of semiconductor parts]
First, the
[0009]
The
The heat radiating plate 7 sandwiched between the two
[0010]
Each thickness of the
[0011]
In the circuit, an
Next, unnecessary brazing material remaining on the insulating
The etching process of the
[0012]
[Heat cycle test]
With respect to the
[0013]
[Measurement]
The
An example of the hardness distribution of the
Next, from the cut surface of the
Further, the crack length generated at the interface C between the
[0014]
[Evaluation]
When the crack length exceeds 90 μm, the heat conduction characteristics deteriorate significantly, which is not preferable. Therefore, the upper limit of the crack length is set to 90 μm. Then, as apparent from the graph of FIG. 4, it was found that the crack length does not exceed the upper limit even after the heat cycle test of 1,000 cycles if the angle α ≦ 70 degrees.
On the other hand, if the angle α is less than 30 degrees, the distance between the metal end bottoms B, B facing each other may become too close when the insulating
[0015]
【Example】
The specific conditions for manufacturing the
[0016]
In the
[0017]
Moreover, as a material of the
[0018]
Moreover, the
[0019]
Moreover, although the description regarding said metal end surface was performed in the case of the thin linear insulating
[0020]
【The invention's effect】
In the present invention, the metal end face shape is specified in consideration of the hardening phenomenon of the metal plate constituting the circuit, so that the reliability of the heat cycle resistance is greatly improved as compared with the conventional case.
[0021]
Further, if the heat sink as a heat radiating member is sandwiched between ceramic substrates as in
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view showing a main part.
FIG. 2 is a perspective view showing components separated.
FIG. 3 is a graph showing the hardness distribution of a metal plate.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between crack length and angle α.
FIG. 5 is a perspective view showing components separated.
FIG. 6 is a perspective view showing components separated.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記金属板の硬度がほぼ一定である範囲を厚さ成分とする表層とそれより高硬度の裏層との境界面と、前記金属板の外周囲金属端面との交点をAとし、
前記金属端面のセラミックス基板側の基端である金属端底部をBとし、
セラミックス基板と金属板の界面をCとした場合に、
∠ABC=αが30度≦α≦70度であることを特徴とする回路基板。A circuit board comprising a metal plate for circuit formation on one surface of a ceramic substrate, and forming a circuit by providing an insulating portion on the metal plate,
The intersection between the boundary surface of the surface layer having a thickness component in the range in which the hardness of the metal plate is substantially constant and the back layer having a higher hardness, and the outer peripheral metal end surface of the metal plate is A,
B is a metal end bottom portion which is a base end of the metal end surface on the ceramic substrate side,
When the interface between the ceramic substrate and the metal plate is C,
A circuit board, wherein ABC = α is 30 degrees ≦ α ≦ 70 degrees.
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---|---|---|---|---|
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WO2022176777A1 (en) * | 2021-02-17 | 2022-08-25 | 株式会社 東芝 | Ceramic circuit board and semiconductor device using same |
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2003
- 2003-06-10 JP JP2003165705A patent/JP2005005404A/en active Pending
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