JP2006351834A - Ceramic circuit board and semiconductor module using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はセラミックス回路基板等の技術に関し、特に冷熱サイクルに対する高信頼性が求められるパワー半導体モジュールに有効に適用することができる技術である。 The present invention relates to a technique for a ceramic circuit board and the like, and is a technique that can be effectively applied to a power semiconductor module that is particularly required to have high reliability with respect to a cooling cycle.
以下に説明する技術は、本発明を完成するに際し、本発明者によって検討されたものであり、その概要は次のとおりである。
従来のパワー半導体モジュールは、半導体素子を搭載したセラミックス回路基板を放熱ベースにはんだを介して接合した構成を有している。パワー半導体モジュールに搭載される半導体素子からの発熱量が大きく、動作安定性を確保するため高い放熱特性が求められている。かかる放熱特性を保証する構成として、上記の如くセラミックス回路基板をはんだを介して放熱ベースに接合する構成が採用されている。
The technology described below has been studied by the present inventors in completing the present invention, and the outline thereof is as follows.
A conventional power semiconductor module has a configuration in which a ceramic circuit board on which a semiconductor element is mounted is joined to a heat dissipation base via solder. A large amount of heat is generated from the semiconductor element mounted on the power semiconductor module, and high heat dissipation characteristics are required to ensure operational stability. As a configuration for guaranteeing such heat dissipation characteristics, a configuration is adopted in which the ceramic circuit board is joined to the heat dissipation base via solder as described above.
かかる半導体モジュールで使用されるセラミックス回路基板としては、例えば、窒化アルミニウム基板(AlN基板)の一方の面に、回路パターン形成用金属板としてAlあるいはCuが設けられ、他方の面の放熱用金属板としてAlあるいはCuが設けられる。また、当該セラミックス回路基板の放熱ベースとして、Cu-MoあるいはAl-SiC等の低熱膨張材が取り付けられた半導体モジュールの構成が知られている。 As a ceramic circuit board used in such a semiconductor module, for example, Al or Cu is provided as a circuit pattern forming metal plate on one surface of an aluminum nitride substrate (AlN substrate), and the heat radiating metal plate on the other surface. Al or Cu is provided. Further, a configuration of a semiconductor module is known in which a low thermal expansion material such as Cu—Mo or Al—SiC is attached as a heat dissipation base of the ceramic circuit board.
さらに、特許文献1には、セラミックス基板の表面に回路、裏面に放熱板が形成されてなる回路基板を、熱膨張係数が10ppm以上である金属を主成分とするベースに、Sn-Sb系半田を用いて接合し、セラミックス基板が窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素で、回路及び放熱板がAl又はAl合金である構成が提案されている。 Further, in Patent Document 1, a circuit board having a circuit on the front surface of a ceramic substrate and a heat sink on the back surface, a Sn-Sb solder based on a base mainly composed of a metal having a thermal expansion coefficient of 10 ppm or more. A structure is proposed in which the ceramic substrate is made of aluminum nitride or silicon nitride, and the circuit and the heat sink are made of Al or an Al alloy.
放熱特性は、実際には、-40℃から125℃までの冷熱サイクル試験を所定回数経た上でも保証されることが要求されている。使用分野に応じて、例えば、200回以上、1000回以上、さらには3000回以上の冷熱サイクル試験にパスすることが求められる。特に、ハイブリッド車、電気自動車、電車および航空機等に搭載される場合には、高い耐冷熱サイクル性を有した高信頼性が要求されている。 In fact, the heat dissipation characteristics are required to be guaranteed even after a predetermined number of cooling cycle tests from −40 ° C. to 125 ° C. Depending on the field of use, for example, it is required to pass a thermal cycle test of 200 times or more, 1000 times or more, and 3000 times or more. In particular, when it is mounted on a hybrid vehicle, an electric vehicle, a train, an aircraft, and the like, high reliability having high cold-heat cycle resistance is required.
かかる冷熱サイクルに対しての信頼性の向上を図るセラミックス回路基板の技術としては、例えば、特許文献2には、セラミックス基板の一方の側に接合した放熱側金属板の厚さを、セラミックス基板の他方の側に接合した素子搭載側金属板の1/2以下に規定することが提案されている。 As a technology of a ceramic circuit board for improving the reliability with respect to the cooling / heating cycle, for example, in Patent Document 2, the thickness of the heat-dissipation-side metal plate bonded to one side of the ceramic substrate is set as follows. It has been proposed to define it to be 1/2 or less of the element mounting side metal plate bonded to the other side.
また、放熱特性を確保するためには、素子搭載側の金属板、放熱側の金属板等とセラミックス基板との接合部の剥離が発生しないようにすることが当然に求められるが、かかる点に着目した技術として、例えば、特許文献3には、放熱側金属板の体積/素子搭載側の金属板の体積との体積比を1.0未満に規定することが提案されている。 Moreover, in order to ensure the heat dissipation characteristics, it is naturally required to prevent peeling of the joint portion between the element mounting side metal plate, the heat dissipation side metal plate, etc., and the ceramic substrate. As a focused technique, for example, Patent Document 3 proposes that the volume ratio of the volume of the metal plate on the heat dissipation side / the volume of the metal plate on the element mounting side be defined to be less than 1.0.
さらに、特許文献4では、セラミックス基板として窒化珪素基板を用いた場合に、窒化珪素基板の厚みを、素子搭載側の金属回路板の厚みの2倍以下に規定することが提案されている。 Further, Patent Document 4 proposes that when a silicon nitride substrate is used as the ceramic substrate, the thickness of the silicon nitride substrate is regulated to be twice or less the thickness of the metal circuit board on the element mounting side.
また、窒化珪素基板の厚みに着目した技術としては、例えば、特許文献5に、熱伝導率が90W/m・K以上、3点曲げ強度が700MPa以上の窒化珪素基板の厚さをtcとした場合に、かかる窒化珪素基板に接合した金属層(金属板)の厚さをtmとすると、2tm≦tc≦20tm等と規定することが提案されている。 Further, as a technique focusing on the thickness of the silicon nitride substrate, for example, in Patent Document 5, the thickness of the silicon nitride substrate having a thermal conductivity of 90 W / m · K or more and a three-point bending strength of 700 MPa or more is defined as tc. In this case, it has been proposed that the thickness of the metal layer (metal plate) bonded to the silicon nitride substrate is defined as 2 tm ≦ tc ≦ 20 tm.
ところが、上記セラミックス回路基板、あるいはそれを用いた半導体モジュールの技術では、以下の課題があることを本発明者は見出した。
Al配線基板を用いた場合では、前述の如く、Cu-Mo、あるいはAl-SiC等の低熱膨張材を放熱ベースとして用いる構成が必須となっている。しかし、かかる構成はコスト高となり、低コスト化の要請に十分に応えることができない。また、近年パワー半導体モジュールに搭載される半導体素子のパワー密度の増大により、半導体素子動作時に発生する熱量が大きくなり、上記の従来構造では、素子に発生する熱を速やかに、冷却システムへ伝えることができず、放熱性の点で難点がある。
However, the present inventors have found that the above-described ceramic circuit board or a semiconductor module technology using the ceramic circuit board has the following problems.
In the case of using an Al wiring substrate, as described above, a configuration using a low thermal expansion material such as Cu—Mo or Al—SiC as a heat dissipation base is essential. However, this configuration is costly and cannot fully meet the demand for cost reduction. In recent years, due to the increase in power density of semiconductor elements mounted on power semiconductor modules, the amount of heat generated during operation of the semiconductor elements has increased. With the conventional structure described above, the heat generated in the elements can be quickly transferred to the cooling system. However, there is a drawback in terms of heat dissipation.
かかる低コスト化および高放熱性付与の方策として、Al板ベースを放熱ベースとして使用する構成が検討されている。すなわち、セラミックス回路基板をはんだを介してAl板に構成した放熱ベースに接合する構成が検討されている。しかし、かかる構成では、Al配線基板と放熱ベースのAl板との熱膨張係数の差が非常に大きく、はんだを介して接合する構造では、前述の如き冷熱サイクルにおいてはんだ接合部の剥離が生じ、放熱特性を保証することができない。 As a measure for reducing the cost and imparting high heat dissipation, a configuration using an Al plate base as a heat dissipation base has been studied. That is, the structure which joins the ceramic circuit board to the thermal radiation base comprised to the Al board via solder is examined. However, in such a configuration, the difference in the thermal expansion coefficient between the Al wiring board and the heat-dissipating base Al plate is very large, and in the structure that is joined via solder, the solder joint is peeled off in the cooling and heating cycle as described above. The heat dissipation characteristics cannot be guaranteed.
かかる半導体モジュールの放熱特性に関しては、Alベース直下にAlフィンを設けることにより、極めて放熱性の良いパワーモジュールを構成することが可能となる。かかるセラミックス回路基板において、回路パターン形成用金属板、及び放熱用金属板をAlに変えることは比較的に簡単に行えるが、本発明者は、Al材を回路パターン形成用金属板、放熱用金属板に使用する場合のセラミックス回路基板の開発が必要と考えた。 With regard to the heat dissipation characteristics of such a semiconductor module, it is possible to configure a power module with extremely good heat dissipation by providing an Al fin immediately below the Al base. In such a ceramic circuit board, the circuit pattern forming metal plate and the heat radiating metal plate can be changed to Al relatively easily. However, the present inventor has made the Al material a circuit pattern forming metal plate and a heat radiating metal. We thought it necessary to develop a ceramic circuit board for use in boards.
セラミックス回路基板としては、どのような素材が適しているかの素材選択の検討が必要である。かかる素材選択は、セラミックス回路基板における耐冷熱サイクル性を有した放熱特性の確保を選択基準として行なう必要がある。すなわち、セラミックス回路基板としての熱的挙動の把握が求められる。 For ceramic circuit boards, it is necessary to examine the selection of materials that are suitable. Such material selection needs to be performed based on selection of ensuring heat radiation characteristics having heat and cold resistance in a ceramic circuit board. That is, it is required to grasp the thermal behavior as a ceramic circuit board.
しかし、現行の技術では、異種材料の接合構造を有したセラミックス回路基板の冷熱サイクル時の熱的挙動まで把握することはできない。全ての組み合わせに対して、実際に冷熱サイクル試験を行い、その適否を判断するしか無い状況である。ある意味では、最適組み合わせを見つけるには、闇雲に膨大な実験を行なわなければならない場合も十分に想定される。 However, with the current technology, it is impossible to grasp the thermal behavior of a ceramic circuit board having a joint structure of different materials during a cooling / heating cycle. It is a situation where all combinations are actually subjected to a cooling / heating cycle test to determine their suitability. In a sense, it is quite possible that a huge amount of experimentation must be done in the dark clouds to find the optimal combination.
本発明者は、異種材料の接合構造であるセラミックス回路基板としての熱的挙動は、セラミックス回路基板全体としての熱膨張係数からある程度予見できるのではないかと考えた。しかし、現実には、異種材料の接合構造であるセラミックス回路基板の熱膨張係数の実測は行えない。 The inventor considered that the thermal behavior of a ceramic circuit board having a bonded structure of different materials can be predicted to some extent from the thermal expansion coefficient of the entire ceramic circuit board. However, in actuality, it is not possible to actually measure the thermal expansion coefficient of a ceramic circuit board that is a bonded structure of different materials.
そこで、本発明者は、実測は行えないものの、セラミックス回路基板を構成する異種材料のそれぞれの熱的挙動が、全体としてのセラミックス回路基板の熱的挙動に大きな影響を与えるのではないかと着想した。すなわち、本発明者は、セラミックス回路基板の熱的挙動を、かかるセラミックス回路基板を構成する異種材料の熱的挙動の総和として把握することができるのではないかと、着想した。 Therefore, although the present inventor cannot perform actual measurement, the inventors have conceived that the thermal behavior of different materials constituting the ceramic circuit board may greatly affect the thermal behavior of the ceramic circuit board as a whole. . That is, the present inventor has conceived that the thermal behavior of the ceramic circuit board can be grasped as the sum of the thermal behaviors of different materials constituting the ceramic circuit board.
また、冷熱サイクル時の問題となる現象は、放熱ベースとセラミックス回路基板との剥離であり、かかる剥離は、両者の熱膨張係数の差に起因して発生する現象である。そこで、本発明者は、セラミックス回路基板の熱的挙動の把握は、セラミックス回路基板を構成する異種材料の個々の構成要素を考慮した熱膨張係数として把握することが好ましいと発想した。かかる異種材料の接合構造であるセラミックス回路基板の熱膨張係数は実測することはできないが、個々の異種材料の構成要件は十分に前もって知ることができる筈で、かかる構成要件から、セラミックス回路基板全体としての計算上の、すなわち見掛けの熱膨張係数を算出することができるのではないかと発想した。 Also, a phenomenon that becomes a problem during the cooling / heating cycle is peeling between the heat dissipation base and the ceramic circuit board, and this peeling is a phenomenon caused by a difference in thermal expansion coefficient between the two. Therefore, the present inventor has thought that it is preferable to grasp the thermal behavior of the ceramic circuit board as a thermal expansion coefficient considering individual components of different materials constituting the ceramic circuit board. Although the thermal expansion coefficient of a ceramic circuit board that is a bonded structure of such different materials cannot be actually measured, the component requirements of each different material should be known in advance. As a result, it was thought that an apparent thermal expansion coefficient could be calculated.
かかる異種材料の接合構造を有するセラミックス回路基板の見掛けの熱膨張係数を算出できれば、逆に、例えば、放熱ベースのAl材の熱膨張係数に近づけるように異種材料の構成条件を制御することで、冷熱サイクルに対しての高い耐性を有し、且つ放熱特性の優れたセラミックス回路基板を提供できる筈であるとも考えた。 If the apparent thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board having such a heterogeneous material bonding structure can be calculated, on the contrary, for example, by controlling the configuration conditions of the heterogeneous material so as to approach the thermal expansion coefficient of the Al material of the heat dissipation base, The present inventors also considered that it should be possible to provide a ceramic circuit board having high resistance to a cooling and heating cycle and excellent heat dissipation characteristics.
さらに、セラミックス回路基板には、厚いAlを回路パターン形成用金属板、及び放熱用金属板に用いることを想定した場合、冷熱繰り返しに伴う、セラミックス基板への負荷応力が増大するため、基板自身の機械強度ならびに破壊靱性に優れた適切な素材選択が必要となる。 Furthermore, assuming that thick Al is used for the circuit pattern forming metal plate and the heat radiating metal plate for the ceramic circuit board, the load stress on the ceramic substrate increases due to repeated cooling and heating. Appropriate material selection with excellent mechanical strength and fracture toughness is required.
本発明の目的は、回路パターン形成用金属板、放熱用金属板としてAl材を用いたセラミックス回路基板ならびにこれらを用いた半導体モジュールの技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a circuit pattern forming metal plate, a ceramic circuit substrate using an Al material as a heat radiating metal plate, and a semiconductor module using these.
本発明の目的は、異種材料の接合構造を有するセラミックス回路基板の熱的挙動を把握する技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
An object of the present invention is to provide a technique for grasping the thermal behavior of a ceramic circuit board having a joining structure of different materials.
The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
すなわち、本発明はセラミックス基板の一方の面に回路パターン形成用金属板が設けられ、前記セラミックス基板の他方の面に放熱用金属板が設けられたセラミックス回路基板であって、前記回路パターン形成用金属板は、AlまたはAl合金で形成され、前記放熱用金属板は、AlまたはAl合金で形成され、前記セラミックス基板、前記回路パターン形成用金属板、前記放熱用金属板の各々のヤング率、線膨張率、板厚に基づき算出される前記セラミックス回路基板の見掛けの熱膨張係数が、10ppm/k以上、17ppm/k以下であることを特徴とする。
Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
That is, the present invention is a ceramic circuit board in which a circuit pattern forming metal plate is provided on one surface of a ceramic substrate, and a heat radiating metal plate is provided on the other surface of the ceramic substrate. The metal plate is formed of Al or Al alloy, the heat dissipation metal plate is formed of Al or Al alloy, and the Young's modulus of each of the ceramic substrate, the circuit pattern forming metal plate, and the heat dissipation metal plate, The apparent thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board calculated based on the linear expansion coefficient and the plate thickness is 10 ppm / k or more and 17 ppm / k or less.
セラミックス回路基板の見掛けの熱膨張係数を、セラミックス回路基板を構成するセラミックス基板、回路パターン形成用金属板、放熱用金属板のそれぞれのヤング率、線膨張率、板厚ヤング率から算出し、かかる見掛けの熱膨張係数を10ppm/k以上、17ppm/k以下に規定することで、放熱ベースにAlあるいはAl合金を用いた場合の冷熱サイクルに対しての高信頼性を有したセラミックス回路基板を提供することができる。 The apparent thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board is calculated from the Young's modulus, linear expansion coefficient, and plate thickness Young's modulus of the ceramic substrate, circuit pattern forming metal plate, and heat dissipation metal plate constituting the ceramic circuit substrate. By providing an apparent thermal expansion coefficient of 10 ppm / k or more and 17 ppm / k or less, a ceramic circuit board having high reliability against a cooling cycle when Al or an Al alloy is used for a heat dissipation base is provided. can do.
見掛けの熱膨張係数が10ppm/k未満では、AlまたはAl合金で形成される放熱ベースとの熱膨張係数の差が大きくなり、冷熱サイクル時のセラミックス回路基板と放熱ベース間に接合部材として用いた半田に剥離現象が発生し易くなる。一方、17ppm/kを超える場合には、回路パターン形成用金属板および放熱用金属板の厚みが大きく、接合後にセラミックス基板に与える負荷応力が大きくなり、冷熱サイクル試験下では、低サイクルで回路パターン形成用金属板とセラミックス基板との界面で剥離が生じ、所望の信頼性を求めることが困難となる。すなわち、10ppm/k以上、17ppm/k以下の範囲であれば、かかる不具合現象を有効に抑制して、高い耐冷熱サイクル性を有した放熱特性の高いセラミックス回路基板を提供することができる。さらに望ましい範囲は、12ppm/k以上、15ppm/k以下である。 When the apparent thermal expansion coefficient was less than 10 ppm / k, the difference in thermal expansion coefficient from the heat dissipation base formed of Al or Al alloy was large, and it was used as a joining member between the ceramic circuit board and the heat dissipation base during the cooling / heating cycle. Peeling phenomenon is likely to occur in the solder. On the other hand, when it exceeds 17 ppm / k, the thickness of the metal plate for circuit pattern formation and the metal plate for heat dissipation is large, and the load stress applied to the ceramic substrate after bonding becomes large. Peeling occurs at the interface between the forming metal plate and the ceramic substrate, making it difficult to obtain desired reliability. That is, if it is the range of 10 ppm / k or more and 17 ppm / k or less, such a malfunction phenomenon can be suppressed effectively and the ceramic circuit board with the high heat dissipation characteristic which has high cold-heat cycle property can be provided. A more desirable range is 12 ppm / k or more and 15 ppm / k or less.
かかる構成において、前記セラミックス基板は板厚t1が0.2mm以上、0.4mm以下であり、前記回路パターン形成用金属板は板厚t2が0.4mm以上、1.2mm以下であり、前記放熱用金属板は板厚t3が0.3mm以上、1.2mm以下であり、(前記回路パターン形成用金属板と前記放熱用金属板との総和板厚)/前記セラミックス基板の板厚とで示される板厚比(t2+t3)/t1が2以上、12未満であることが望ましい。 In this configuration, the ceramic substrate has a plate thickness t1 of 0.2 mm to 0.4 mm, the circuit pattern forming metal plate has a plate thickness t2 of 0.4 mm to 1.2 mm, and the heat dissipation. The metal plate for use has a plate thickness t3 of 0.3 mm or more and 1.2 mm or less, indicated by (total plate thickness of the circuit pattern forming metal plate and the heat radiating metal plate) / plate thickness of the ceramic substrate. The plate thickness ratio (t2 + t3) / t1 is preferably 2 or more and less than 12.
かかる構成を採用することで、実際に使用するセラミックス回路基板を想定した回路パターン形成用金属板、放熱用金属板、セラミックス回路基板の実用的な板厚の範囲内で、板厚を指標として、セラミックス回路基板の接合構造におけるセラミックス回路基板の割合を少なくして、すなわち、AlあるいはAl合金からなる回路パターン形成用金属板と放熱用金属板の割合を多くして、セラミックス回路基板の全体としての見掛けの熱膨張係数を、AlあるいはAl合金からなる放熱ベースの熱膨張係数により近づけることができる。そのため、冷熱サイクル時のセラミックス回路基板と放熱ベースとの剥離障害ならびにセラミックス回路基板において、回路パターン形成用金属板とセラミックス基板との界面での剥離障害を抑制することができる。 By adopting such a configuration, within the range of the practical thickness of the circuit pattern forming metal plate, the heat radiating metal plate, the ceramic circuit board assuming the ceramic circuit board actually used, the thickness is used as an index, Decreasing the ratio of ceramic circuit boards in the ceramic circuit board bonding structure, that is, increasing the ratio of metal plates for circuit pattern formation and heat dissipation made of Al or Al alloy, The apparent thermal expansion coefficient can be made closer to the thermal expansion coefficient of the heat dissipation base made of Al or Al alloy. Therefore, it is possible to suppress the separation failure between the ceramic circuit board and the heat dissipation base during the cooling cycle and the separation failure at the interface between the circuit pattern forming metal plate and the ceramic substrate in the ceramic circuit board.
(前記回路パターン形成用金属板と前記放熱用金属板との総和板厚)/前記セラミックス基板の板厚とで示される板厚比が、2未満ではセラミックス回路基板の積層構造に占めるセラミックス基板の割合が大きくなり、見掛けの熱膨張係数を十分に放熱ベースの熱膨張係数に近づけることができず、場合によっては冷熱サイクル時に前記剥離障害が発生する問題がある。また、12を越えるとセラミックス基板の接合構造に占める割合が少な過ぎて、セラミックス回路基板の破損障害が発生する問題がある。望ましい範囲は2以上〜9以下、更に望ましい範囲は2以上〜6以下である。 The total thickness of the circuit pattern forming metal plate and the heat radiating metal plate / the thickness of the ceramic substrate is less than 2, and the ceramic substrate occupies the laminated structure of the ceramic circuit substrate. The ratio increases, the apparent thermal expansion coefficient cannot be sufficiently brought close to the thermal expansion coefficient of the heat dissipation base, and there is a problem that the above-mentioned peeling failure occurs in some cases. On the other hand, when the number exceeds 12, the ratio of the ceramic substrate to the bonding structure is too small, and there is a problem that the ceramic circuit board is damaged. A desirable range is from 2 to 9, and a more desirable range is from 2 to 6.
上記いずれかの構成で、前記セラミックス基板は、窒化珪素板であることを特徴とする。セラミックス基板に窒化珪素板を使用すれば、接合構造におけるセラミックス基板の割合を、セラミックス回路基板の強度を確保しつつ少なくすることができる。そのため、セラミックス回路基板の見掛けの熱膨張係数をより放熱ベースの熱膨張係数に近づけることができる。 In any one of the above configurations, the ceramic substrate is a silicon nitride plate. If a silicon nitride plate is used for the ceramic substrate, the ratio of the ceramic substrate in the bonded structure can be reduced while ensuring the strength of the ceramic circuit substrate. Therefore, the apparent thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board can be made closer to the thermal expansion coefficient of the heat dissipation base.
特に、前述の如く、セラミックス回路基板に厚いAlを、回路パターン形成用金属板、及び放熱用金属板に用いることを想定した場合、冷熱繰り返しに伴う、セラミックス基板への負荷応力が増大するが、かかる窒化珪素基板を採用すれば、基板自身の機械強度ならびに破壊靱性が優れているため、上記負荷応力にも十分な対応が取れることとなる。 In particular, as described above, when it is assumed that thick Al is used for a circuit pattern forming metal plate and a heat dissipating metal plate as described above, the load stress on the ceramic substrate increases due to repeated cooling and heating. If such a silicon nitride substrate is employed, the mechanical strength and fracture toughness of the substrate itself are excellent, so that it is possible to sufficiently cope with the load stress.
本発明の半導体モジュールは、上記いずれかの構成を有するセラミックス回路基板と、前記セラミックス回路基板の前記回路パターン形成用金属板の素子搭載部に搭載された半導体素子と、前記セラミックス回路基板が、はんだを介して接合されるAlまたはAl合金で形成される放熱ベースとを有することを特徴とする。かかる構成を採用することで、半導体モジュールの冷熱サイクルの耐性を向上させて、放熱効果を確保することができる。 The semiconductor module of the present invention includes a ceramic circuit board having any one of the above configurations, a semiconductor element mounted on an element mounting portion of the circuit pattern forming metal plate of the ceramic circuit board, and the ceramic circuit board having a solder And a heat dissipating base formed of Al or an Al alloy joined together. By adopting such a configuration, it is possible to improve the heat cycle resistance of the semiconductor module and ensure the heat dissipation effect.
さらに、かかる構成で、前記はんだは、Sn-Pb系はんだ、あるいはSn-Ag-Cu系またはSn-Sb系のPbフリーはんだであり、前記はんだには、粒径が20μm以上、300μm以下のNi、Cu、Mo、Wの粉末が1質量%以上、30質量%以下の範囲で含まれているものを使用することが好ましい。かかる構成を採用すると、回路パターン形成用金属板および放熱用金属板として厚みの大きなAlあるいはAl合金を用いたセラミックス回路基板においても上記粉末がスペーシング材として機能する。 Furthermore, in such a configuration, the solder is Sn—Pb solder, or Sn—Ag—Cu or Sn—Sb Pb free solder, and the solder includes Ni having a particle size of 20 μm or more and 300 μm or less. It is preferable to use a powder containing Cu, Mo, W powder in the range of 1% by mass to 30% by mass. When such a configuration is adopted, the powder functions as a spacing material even in a ceramic circuit board using a thick Al or Al alloy as a circuit pattern forming metal plate and a heat radiating metal plate.
見掛けの熱膨張係数を放熱ベースのAlに近づけるために、上記の如くセラミックス基板に比してAl材を用いた回路パターン形成用金属板、放熱用金属板の割合を多くすることがその対策の一つとして有効ではあるが、しかし、セラミックス回路基板の全体重量は増大する。そのため、セラミックス回路基板と放熱ベースとを接合するために使用するはんだにスペーシング材として機能する上記粉末を混ぜておかないと、セラミックス回路基板の重量により放熱ベースとの間における上記はんだが周囲に押し出される現象が発生する場合がある。 In order to bring the apparent thermal expansion coefficient closer to the heat dissipation base Al, it is necessary to increase the ratio of the circuit pattern forming metal plate and the heat dissipation metal plate using Al material compared to the ceramic substrate as described above. Although effective as one, the overall weight of the ceramic circuit board increases. Therefore, if the above-mentioned powder that functions as a spacing material is not mixed with the solder used to join the ceramic circuit board and the heat dissipation base, the solder between the heat dissipation base and the ceramic circuit board will be surrounded by the weight of the ceramic circuit board. An extruding phenomenon may occur.
厚みがあって重量もあるセラミックス回路基板と放熱ベースとの間に介在させるはんだが、上記の如く、必要以上に周囲に押し出されると、はんだ接合部分に引け巣が発生し、かかる引け巣に基づく気泡がはんだ接合部分に残留し、結果として熱伝導を妨げることとなる。すなわち、スペーシング材として機能する上記粉末をはんだ材料に含有させておくことで、上記引け巣に基づく気泡の残留を抑制し、結果として、セラミックス回路基板から放熱ベースへの良好な熱伝導が確保されることとなる。 As described above, when the solder interposed between the thick and heavy ceramic circuit board and the heat dissipation base is pushed out to the surroundings more than necessary, a shrinkage nest is generated in the solder joint portion, and based on the shrinkage nest. Air bubbles remain in the solder joints, resulting in impeding heat conduction. In other words, by containing the above powder that functions as a spacing material in the solder material, it is possible to suppress residual bubbles due to the shrinkage nest, and as a result, ensure good heat conduction from the ceramic circuit board to the heat dissipation base. Will be.
粒径が20μm未満ではスペーシング材としての効果がなく、一方300μmを越えるとはんだ層の厚みが大きくなり、放熱性の低下を招聘する。また、粉末が1質量%未満ではこの場合もスペーシング材としての効果がなく、30質量%を越える場合にはセラミックス回路基板と放熱ベースの接合に必要なはんだ層の割合が低減するため、接合不良を招聘する。望ましくは、粒径が50μm以上、200μm以下のNi、Cu、Mo、Wの粉末が2質量%以上、15質量%以下の範囲で含まれていることである。 When the particle size is less than 20 μm, there is no effect as a spacing material. On the other hand, when the particle size exceeds 300 μm, the thickness of the solder layer increases and the heat dissipation is reduced. In addition, if the powder is less than 1% by mass, there is no effect as a spacing material in this case, and if it exceeds 30% by mass, the proportion of the solder layer necessary for joining the ceramic circuit board and the heat dissipation base is reduced. Invite a defect. Desirably, Ni, Cu, Mo, and W powder having a particle size of 50 μm or more and 200 μm or less are contained in a range of 2% by mass or more and 15% by mass or less.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
セラミックス回路基板の見掛けの熱膨張係数を放熱ベースに近づけることができるため、セラミックス回路基板の冷熱サイクルの耐性を向上させることができる。その結果、かかるセラミックス回路基板を用いたパワー半導体モジュール等の半導体モジュールの熱破壊を抑制することができる。
Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
Since the apparent thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board can be made closer to the heat dissipation base, the resistance to the thermal cycle of the ceramic circuit board can be improved. As a result, thermal destruction of a semiconductor module such as a power semiconductor module using such a ceramic circuit board can be suppressed.
セラミックス回路基板の構成材としてAlあるいはAl合金を多く使用することで、セラミックス回路基板の生産コストの低減かつ熱抵抗の低減を図ることができる。その結果、かかるセラミックス回路基板を用いた、安価で高放熱性に優れるパワー半導体モジュール等の半導体モジュールを提供することができる。 By using a large amount of Al or Al alloy as the constituent material of the ceramic circuit board, the production cost of the ceramic circuit board can be reduced and the thermal resistance can be reduced. As a result, it is possible to provide a semiconductor module such as a power semiconductor module that uses such a ceramic circuit board and is inexpensive and excellent in heat dissipation.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof may be omitted.
本実施の形態では、本発明に係るセラミックス回路基板、及びそれを使用した半導体モジュールについて説明する。
図1は、本発明に係るセラミックス回路基板の全体構成を示す断面説明図である。図2は、図1に示すセラミックス回路基板を用いて本発明に係る半導体モジュールを構成した場合の全体構成を示す断面説明図である。
In the present embodiment, a ceramic circuit board according to the present invention and a semiconductor module using the ceramic circuit board will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional explanatory view showing the overall configuration of a ceramic circuit board according to the present invention. FIG. 2 is an explanatory cross-sectional view showing the overall configuration when the semiconductor module according to the present invention is configured using the ceramic circuit board shown in FIG.
本発明に係るセラミックス回路基板10は、図1に示すように、絶縁層として機能するセラミックス基板11と、セラミックス基板11の一方の面にろう材を介して接合された回路パターン形成用金属板12と、セラミックス基板11の他方の面にろう材を介して接合された放熱用金属板13とを有している。
セラミックス基板11は、例えば、窒化珪素板(Si3N4板)11aに構成されている。セラミックス基板11の板厚は、例えば、実用的範囲として、0.2m以上、0.4mm以下に設定しておけばよい。
As shown in FIG. 1, a
The
回路パターン形成用金属板12は、例えば、Al板12aに構成されている。回路パターン形成用金属板の板厚は、例えば、実用的範囲としては、0.4mm以上、1.2mm以下に設定しておけばよい。尚、図1に示す場合には、回路パターン形成用金属板12は、エッチング処理により、回路パターンPが形成されている場合を示している。
The circuit pattern forming
放熱用金属板13は、例えば、Al板13aに構成されている。放熱用金属板13の板厚は、例えば、実用的範囲としては、0.3mm以上、1.2mm以下に設定されている。
The
セラミックス基板11と回路パターン形成用金属板12、放熱用金属板13をそれぞれ接合するろう材には、例えば、Al-Si系の活性ろう材が使用されている。
For example, an Al—Si based active brazing material is used as the brazing material for joining the
また、セラミックス回路基板10を構成するセラミックス基板11の板厚t1、回路パターン形成用金属板12の板厚t2、放熱用金属板13の板厚t3との間には、(回路パターン形成用金属板12と放熱用金属板13との総和板厚)/セラミックス基板11の板厚とで示される板厚比:(t2+t3)/t1が、2以上、12未満であるように設定されている。
尚、図1に示す場合には、セラミックス基板11、回路パターン形成用金属板12、放熱用金属板13の各々の板厚は、図面の分かり易さを優先させるために、正確な板厚比を再現するものではない。
Further, between the plate thickness t1 of the
In the case shown in FIG. 1, the thickness of each of the
表1はセラミックス回路基板における見掛けの熱膨張係数の算出結果を示す。
かかる構成のセラミックス回路基板10では、その見掛けの熱膨張係数が放熱ベース(図2参照)として使用されるAl板の熱膨張係数に近い値に設定されていることとなる。すなわち、見掛けの熱膨張係数は、10ppm/k以上、15ppm/k以下に設定されている。
Table 1 shows the calculation result of the apparent thermal expansion coefficient in the ceramic circuit board.
In the
表1の右欄には、図1に示すセラミックス回路基板10において、セラミックス基板11の板厚t1=0.3mm、回路パターン形成用金属板12の板厚t2=0.6mm、放熱用金属板13の板厚t3=0.5mmに設定した場合の見掛けの熱膨張係数を示した。ここで、見掛けの熱膨張係数は、セラミックス基板(図中、基板と表示)11、回路パターン形成用金属板(図中、回路板と表示)12、放熱用金属板(図中、放熱板と表示)13の各々のヤング率(E)、熱膨張係数(σ)、板厚(t)を基に算出される。すなわち、回路板、基板、放熱板の各々の部材のE・σ・tの積の総和を一体化セラミックス回路基板と見なし、Σ(E×σ×t)/Σ(E×t)の値を求めて見掛けの熱膨張係数(平均熱膨張係数)を算出している。かかる算出結果から分かるように、図1に示すセラミックス回路基板の見掛けの熱膨張係数は12.63ppm/kに設定されている。
In the right column of Table 1, in the
表1に例示するように、本発明に係るセラミックス回路基板10では、その見掛けの熱膨張係数が、Alの熱膨張係数に近い値をとるように制御されているため、例えば、図2に示す半導体モジュール100に構成した際の放熱ベース20にAl板20aを用いた場合には、はんだを介して接合したセラミックス回路基板10と放熱ベース20とは、冷熱サイクル試験では、略似た熱的挙動を示すこととなり、両者の熱膨張係数の差に起因する大きな残留応力に基づく剥離現象が発生しない。
As illustrated in Table 1, in the
尚、冷熱サイクル試験は、例えば、冷熱サイクル試験機(エスペック社製TAS-201S)に、セラミックス回路基板と放熱ベースからなる半導体モジュールを挿入し、-40℃×30分保持、室温×10分保持、125℃×30分保持の低温域から高温域までの試験条件に試験体を置いて、どの程度のサイクル数で剥離破壊が発生するかを、超音波画像診断装置(日立建機製マイスコープ)を用いて観察する。冷熱サイクル試験の規格では、例えば、一般産業用半導体モジュールとしては、1000サイクル以上、ハイブリッド車、電車用半導体モジュールとしては3000サイクル以上の高信頼性が要求されている。 In the thermal cycle test, for example, a semiconductor module composed of a ceramic circuit board and a heat dissipation base is inserted into a thermal cycle tester (TASPE 201S manufactured by Espec Corp.) and held at −40 ° C. for 30 minutes and at room temperature for 10 minutes. Ultrasonic diagnostic imaging equipment (Hitachi Construction Machinery Myscope) shows the number of cycles at which a specimen is placed under test conditions from low to high temperatures at 125 ° C x 30 minutes. Observe with. In the standard of the thermal cycle test, for example, high reliability of 1000 cycles or more is required for a general industrial semiconductor module, and 3000 cycles or more is required for a hybrid vehicle or a train semiconductor module.
上記説明では、回路パターン形成用金属板12としてAl板12a、放熱用金属板13としてAl板13aをそれぞれ用いた場合を示したが、Al合金板を用いても一向に構わない。Al合金板としては、例えば、Al-Si合金およびAl/Ni/Alのクラッド材も一例として挙げることができる。
すなわち、回路パターン形成用金属板12と放熱用金属板13の双方にAi-Si合金板を使用しても、あるいは、回路パターン形成用金属板12と放熱用金属板13のいずれか一方にAl-Si合金板あるいはAl/Ni/Alを使用し、他方にAl板を用いても構わない。ただし、回路パターン形成用金属板としては、通電側であるため、高い導電性ならびに回路パターン形成が必要なため、易エッチング性が求められる。したがって、Al-Si合金板およびAl/Ni/Alクラッド材は、放熱用金属板として用いる方が望ましい。
In the above description, an
That is, even if an Ai-Si alloy plate is used for both the circuit pattern forming
かかる構成のセラミックス回路基板10を用いて構成した半導体モジュール100は、図2に示すように、セラミックス回路基板10を構成する回路パターン形成用金属板12の素子搭載部に半導体素子30が1番はんだ41を介して接合されている。半導体素子30は、回路パターン形成用金属板12に、金線31a等のワイヤー31でワイヤーボンディングされて電気的接続が形成されている。
このように半導体素子30が搭載された回路パターン形成用金属板12を有するセラミックス回路基板10は、その放熱用金属板13が2番はんだ42を介して、放熱ベース20に接合されている。尚、放熱ベース20には、ねじ止め用のねじ孔21が設けられている。
As shown in FIG. 2, the
In this way, the
2番はんだ42は、例えば、リフロー処理で行われる。リフロー処理で使用する2番はんだとしては、例えば、Sn-Pb系はんだ、あるいはSn-Ag-Cu系またはSn-Sb系のPbフリーはんだが使用されている。勿論、それ以外の組成のはんだを使用しても構わないが、かかる構成のはんだを用いると、よりセラミックス回路基板10と放熱ベース20との接合剥離を発生させない構成とすることができる。
The
かかるはんだには、図示はしないが、粒径が20μm以上、300μm以下のNi、Cu、Mo、Wの粉末が1質量%以上、30質量%以下の範囲で含まれている。セラミックス回路基板10における見掛けの熱膨張係数を放熱ベース20のAl板20aの熱膨張係数に近づけるために、回路パターン形成用金属板12のAl板12aの板厚を大きく設定しているが、粒径20〜300μmのNi、Cu、Mo、Wの粉末が1質量%以上、30質量%以下の範囲で含まれているため、前述の如く、回路パターン形成用金属板12のセラミックス基板11に対しての相対厚みを大きくしたことに基づくセラミックス回路基板10の重量化による2番はんだ42の押しつぶしが発生しない。
Although not shown, such solder contains Ni, Cu, Mo, W powder having a particle size of 20 μm or more and 300 μm or less in a range of 1% by mass or more and 30% by mass or less. In order to make the apparent thermal expansion coefficient of the
かかる所定粒径の粉末が含まれていない場合には、2番はんだ42が押しつぶされて、2番はんだ42がセラミックス回路基板10の放熱用金属板13と放熱ベース20との間から押し出され、放熱用金属板13と放熱ベース20との間に気泡が残るような状態で接合されることとなる。かかる放熱用金属板13と放熱ベース20とは、半導体素子30の熱を逃がす放熱ルートとして機能するため、両者の接合部に気泡が残留することは、前述の如く、その半導体モジュールの放熱性を低下させることとなり好ましくない。
When the powder having the predetermined particle diameter is not included, the
本発明の半導体モジュール100は、上記のように、2番はんだ42にスペーシング機能を発揮する所定粒径の粉末を所定量だけ含有させることで、見掛けの熱膨張係数を放熱ベース20の熱膨張係数に近づけるために回路パターン形成用金属板12の板厚を厚くしても、2番はんだ42を押しつぶすことなく、半導体素子30の放熱パスを確保した構成を有している。
As described above, the
図3には、本発明に係るセラミックス回路基板10、半導体モジュール100とその効果を従来構成と比較するために、比較例として、セラミックス基板11として窒化アルミニウム板11bを用い、回路パターン形成用金属板12、放熱用金属板13にそれぞれAlを用いた構成のセラミックス回路基板10a、半導体モジュール100aを示した。
図3に示す構成では、例えば、セラミックス基板11は、板厚t1=0.635mmの窒化アルミニウム板11bに構成されている。回路パターン形成用金属板12は板厚t2=0.4mmのAl板12aに、放熱用金属板13は板厚t3=0.3mmのAl板13aにそれぞれ構成されている。窒化アルミニウム板11bに構成したセラミックス基板11と、回路パターン形成用金属板12、放熱用金属板13は、それぞれ図示はしないがろう材により接合されている。かかる接合に使用するろう材は、例えば、Al-Si活性ろう材を使用した。
In FIG. 3, in order to compare the
In the configuration shown in FIG. 3, for example, the
かかる構成のセラミックス回路基板10aの回路パターン形成用金属板12上には、図3に示すように、素子搭載部に半導体素子30が1番はんだ41を介して搭載されている。併せて、セラミックス回路基板10aの放熱用金属板13側は、2番はんだ42を介して、Al板20aに構成した放熱ベース20に接合されている。
As shown in FIG. 3, the semiconductor element 30 is mounted on the element mounting portion via the first solder 41 on the circuit pattern forming
かかる構成の半導体モジュール100aで使用されているセラミックス回路基板10aについて、表1の左欄に示すように、見掛けの熱膨張係数を算出した。見掛けの熱膨張係数は、図1の例と同様に回路板、基板、放熱板の各々の部材のE・σ・tを基に算出し8.48と、図1に示す本発明に係るセラミックス回路基板10の12.63に比べて低い値となった。すなわち、セラミックス基板11に窒化アルミニウム板11bを用いた場合には、放熱ベース20としてAl板20aを使用すると、両者の熱膨張係数の差が大きく、冷熱サイクルにおいて放熱用金属板13と放熱ベース20との接合剥離障害が発生する可能性が大きいことを示唆している。
As shown in the left column of Table 1, an apparent thermal expansion coefficient was calculated for the ceramic circuit board 10a used in the
また、図2に示すように、熱抵抗値も、図3に示す本発明に係るセラミックス回路基板10の方(熱抵抗値:0.20℃/W)が、図3に示す上記構成の場合(熱抵抗値:0.25℃/W)に比べて80%に低減されていることが確認される。図3に示す上記構成では、図2に示す構成で使用した窒化珪素板11aの熱伝導率90W/m.Kよりも大きな熱伝導率170W/m.Kの窒化アルミニウム板11bを使用したにもかかわらず、熱抵抗値は低くなっている。
Further, as shown in FIG. 2, the thermal resistance value of the
これは、本発明に係る構成の方が熱放散性に優れるAlを用いた回路板を厚く構成しているので、Siチップの動作中に生じる熱を速やかに回路内で面内方向へ拡散することができ、当構成での熱抵抗が低減されている。
なお、表1に示す熱抵抗値は、図2および図3の構成のモジュールを試作し、熱抵抗評価システム(キャッツ電子製モデルDV240)用いて評価したものである。評価に供したSiチップは、ダイオードチップで、これを3枚、回路基板上に実装したものである。
This is because the circuit board using Al, which is superior in heat dissipation in the configuration according to the present invention, is thickened, so that heat generated during the operation of the Si chip is quickly diffused in the in-plane direction in the circuit. And the thermal resistance in this configuration is reduced.
Note that the thermal resistance values shown in Table 1 were evaluated using a thermal resistance evaluation system (Cats Electronics Model DV240) manufactured by making a module having the configuration shown in FIGS. The Si chip used for the evaluation was a diode chip, and three of these were mounted on a circuit board.
使用するセラミックス基板11を、窒化珪素板11aから窒化アルミニウム板11bに変えるだけで、表1に示すように、見掛けの熱膨張係数が大きく異なり、その結果が放熱ベース20との冷熱サイクル時の熱的挙動の差異を広げ、剥離障害に発展するものと考えられる。
窒化珪素板11aが窒化アルミニウム板11bよりも有効である理由の一つには、窒化珪素板11aの方が窒化アルミニウム板11bよりも機械的強度、破壊靱性が大きく、その分回路パターン形成用金属板12として板厚を厚くしたAl板12aを載せても、薄い板厚で済ませることができ、結果としてセラミックス回路基板10の異種材の接合構造における窒化珪素板11aの割合を減じて、セラミックス回路基板10の見掛けの熱膨張係数を放熱ベース20のAl板20aに近づけることができるのである。
By simply changing the
One of the reasons why the
本発明に係るセラミックス回路基板10における見掛けの熱膨張係数は、上記比較からも分かるように、使用する素材を変更することで所定範囲に制御することができるが、使用する素材を変更することなく、板厚を種々変更することでもその制御が容易に行える。
表2はセラミックス回路基板の見掛けの熱膨張係数が、回路パターン形成用金属板、放熱用金属板の板厚で制御可能なことを示している。
The apparent thermal expansion coefficient of the
Table 2 shows that the apparent thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board can be controlled by the thickness of the circuit pattern forming metal plate and the heat radiating metal plate.
表2に示す場合には、図1に示すセラミックス回路基板10の構成で、セラミックス基板(Si3N4板基板)11の板厚t1を0.3mmに固定した状態で、回路パターン形成用金属板(Cu回路板)12、放熱用金属板(Cu放熱板)13の板厚t2、t3をそれぞれ変化させた場合の見掛けの熱膨張係数の変化を示している。板厚を変えることで、見掛けの熱膨張係数は、約9.63から約16.06まで大きく変化していることが分かる。
9.63の見掛けの熱膨張係数を示す回路基板では、耐冷熱サイクル試験では1000回未満で剥離が発生する場合が見られる等好ましくない結果が発生した。一方、見掛けの熱膨張係数が10.36の回路基板では、板厚比が限度ギリギリではあるが、耐冷熱サイクル試験では、少なくとも1000回までは剥離現象等が発生しておらず、本発明における見掛けの熱膨張係数を10ppm/k以上、17ppm/k以下と設定したことの有効性を示す一例となる。
In the case shown in Table 2, with the configuration of the
In the circuit board showing an apparent thermal expansion coefficient of 9.63, an unfavorable result occurred, such as a case where peeling occurred in less than 1000 times in the cold-heat cycle test. On the other hand, in the circuit board having an apparent thermal expansion coefficient of 10.36, the plate thickness ratio is at the limit, but in the thermal cycle test, the peeling phenomenon or the like has not occurred until at least 1000 times. This is an example showing the effectiveness of setting the apparent thermal expansion coefficient to 10 ppm / k or more and 17 ppm / k or less.
表3には、見掛けの熱膨張係数と板厚比との関係を示している。セラミックス基板(Si3N4板基板)11の板厚t1を0.2mm、0.3mmおよび0.4mmにそれぞれ固定しておき、回路パターン形成用金属板(Al回路板)12の板厚t2と放熱用金属板(Al放熱板)13の板厚t3との両者の総和板厚を変化させた場合の見掛けの熱膨張係数と板厚比(t2+t3)/t1を示し、さらに図2に示す半導体モジュールを構成して上述の冷熱サイクル試験を行って評価した。表3には剥離サイクル数と外観検査の結果を同時に示す。
尚、本発明の開発においては、発明品の耐冷熱サイクル性は、表3に示すように、前記冷熱サイクル試験においては1000回以上の結果となるものを有効と評価した。
Table 3 shows the relationship between the apparent thermal expansion coefficient and the plate thickness ratio. The plate thickness t1 of the ceramic substrate (Si 3 N 4 plate substrate) 11 is fixed to 0.2 mm, 0.3 mm and 0.4 mm, respectively, and the plate thickness t2 of the circuit pattern forming metal plate (Al circuit board) 12 is set. FIG. 2 shows the apparent thermal expansion coefficient and the plate thickness ratio (t2 + t3) / t1 when the total thickness of the plate and the thickness t3 of the heat radiating metal plate (Al heat radiating plate) 13 is changed. The semiconductor module was configured and evaluated by performing the above-described cooling cycle test. Table 3 shows the number of peeling cycles and the results of visual inspection at the same time.
In the development of the present invention, as shown in Table 3, the thermal cycle resistance of the inventive product was evaluated as effective if it resulted in 1000 times or more in the thermal cycle test.
表3の結果から、セラミックス回路基板10の見掛けの熱膨張係数が、前記の如く、10ppm/k以上、17ppm/k以下の範囲になるように制御すると、耐冷熱サイクル性が向上することが確認された。また、見掛けの熱膨張係数を満足し、さらに板厚比が2以上、6以下の範囲にあるとさらに望ましいことが分かる。
かかる結果は、セラミックス回路基板10を構成するセラミックス基板11、回路パターン形成用金属板12、放熱用金属板13の素材が同じである場合には、見掛けの熱膨張係数を所定範囲に制御するためには、一々見掛けの熱膨張係数を算出するまでもなく、簡便には、板厚比を確認することで大まかにその有効性の評価が容易に行えることが分かる。
しかし、板厚比での判定は、その上限値、下限値の近辺ではその判定性を一義的に判断することができない場合も存在するため、厳密には、前述の算出式を用いて個々に見掛けの熱膨張係数を試算してみることが必要である。すなわち、板厚比は、その上下の限界値近辺では熱膨張係数の算出結果と併せて使用すべきもので、あくまで、大まかな有効性の評価を行う簡便な判定基準であると、その精度の限界性を認識した上で使用すべきものと考えるのが好ましい。
From the results of Table 3, it is confirmed that when the apparent thermal expansion coefficient of the
As a result, when the
However, since there are cases where the determination by the plate thickness ratio cannot be determined unambiguously in the vicinity of the upper limit value and the lower limit value, strictly speaking, using the above calculation formula, It is necessary to estimate the apparent thermal expansion coefficient. In other words, the plate thickness ratio should be used in conjunction with the calculation result of the thermal expansion coefficient in the vicinity of the upper and lower limit values, and it is only a simple judgment criterion for roughly evaluating the effectiveness. It is preferable that it should be used after recognizing sex.
以上に説明の本発明に係るセラミックス回路基板10の製造は、図4に模式的に示す手順で行う。すなわち、セラミックス回路基板10の構成原料をステップS100でボールミル混合する。混合した原料スラリーを脱泡・増粘した後、ステップS200で、ドクターブレードで所定板厚でシート成形して成形体を得る。ステップS300で成形したシートを焼結炉内で1800℃〜1900℃×5時間保持の0.92MPaの窒素雰囲気で焼結し、更に1700℃〜1800℃×5時間保持にて焼結時の反り矯正を行い、更にサンドブラストにより表面を整えセラミックス基板11として使用する焼結体の窒化珪素板11aを得る。
The
その後、ステップS400で、セラミックス基板11の一方の面にAl-Si系の活性ろう材を介して回路パターン形成用金属板12としてのAl板12aを、他方の面に同様のろう材を介して放熱用金属板13としてのAl板13aをそれぞれ接合する。その後、ステップS500で、セラミックス基板11上の回路パターン形成用金属板12をエッチング処理して回路パターンを形成する。ステップS600で回路パターン形成後の回路パターン形成用金属板12上にメッキを施し、セラミックス回路基板10が製造される。
Thereafter, in step S400, an
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、Alベースの合金を用いた場合も同様の効果が得られることは勿論のこと、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and the same effect can be obtained when an Al-based alloy is used. Needless to say, various changes can be made without departing from the scope of the invention.
本発明はセラミックス回路基板、及びそれを使用した半導体モジュールの分野で、冷熱サイクルの耐性を向上させるのに有効に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be effectively used in the field of ceramic circuit boards and semiconductor modules using the ceramic circuit boards to improve the heat cycle resistance.
10 セラミックス回路基板
10a セラミックス回路基板
11 セラミックス基板
11a 窒化珪素板
11b 窒化アルミニウム板
12 回路パターン形成用金属板
12a Al板
13 放熱用金属板
13a Al板
20 放熱ベース
20a Al板
21 ねじ孔
30 半導体素子
31 ワイヤー
31a 金線
41 1番はんだ
42 2番はんだ
100 半導体モジュール
100a 半導体モジュール
P 回路パターン
S100、S200、S300、S400、S500、S600 ステップ
t1 板厚
t2 板厚
t3 板厚
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