JP2008004871A - Power module substrate, method of manufacturing the same and power module - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板およびパワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュールに関するものである。 The present invention relates to a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage, a method for manufacturing the power module substrate, and a power module.
この種のパワーモジュール用基板は、例えば下記特許文献1に示されるように、セラミックス母材の表面にレーザ加工が施されて形成されたスクライブラインに沿って、このセラミックス母材が分割されたセラミックス板において、その一方の表面に回路層がろう付けされるとともに、他方の表面に金属層がろう付けされている。そして、回路層に半導体チップがはんだ接合されるとともに、金属層にヒートシンクが接合されてパワーモジュールが構成されている。
そして、従来から、パワーモジュールを形成した後これを冷却する際、あるいはこのパワーモジュールを熱サイクル下で使用する過程において温度が低下した際、パワーモジュールが半導体チップ側が凸となるように反ってセラミックス板が割れるおそれがあった。
Conventionally, when a power module is formed and then cooled, or when the temperature drops in the process of using the power module under a thermal cycle, the power module is warped so that the semiconductor chip side is convex, and ceramics There was a risk of the board breaking.
そこで、本願発明者等は、鋭意研究した結果、セラミックス母材の表面にレーザ加工を施した際、溝状のスクライブラインを画成する側壁が熱によりガラス化(アモルファス化)し、さらにこの部分にその後の冷却により微小なクラックが発生し、セラミックス板の側面におけるこのようなレーザ加工部を回路層側に配置するようにしてパワーモジュールを形成すると、このパワーモジュールを形成した後これを冷却する際、あるいはこのパワーモジュールを熱サイクル下で使用する際に、前記クラックが拡がって進展することにより、セラミックス板の反り量が大きくなりさらには割れが生じ易くなることを見出した。 Accordingly, the inventors of the present application have conducted extensive research, and as a result, when laser processing is performed on the surface of the ceramic base material, the side walls defining the groove-shaped scribe lines are vitrified (amorphized) by heat, and this portion In the subsequent cooling, micro cracks are generated, and when the laser module on the side surface of the ceramic plate is arranged on the circuit layer side to form the power module, the power module is formed and then cooled. At the time, or when this power module is used under a heat cycle, it has been found that the amount of warpage of the ceramic plate increases and cracks are more likely to occur due to the cracks spreading and progressing.
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、セラミックス板が割れるのを抑制することができるパワーモジュール用基板およびパワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a power module substrate, a power module substrate manufacturing method, and a power module that can prevent the ceramic plate from cracking. .
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス母材の表面にレーザ加工が施されて形成されたスクライブラインに沿って、このセラミックス母材が分割されたセラミックス板において、その一方の表面に回路層がろう付けされるとともに、他方の表面に金属層がろう付けされてなり、回路層に半導体チップがはんだ接合されるとともに、金属層にヒートシンクが接合されるパワーモジュール用基板であって、セラミックス板の側面において前記レーザ加工が施されて形成されたレーザ加工部が、金属層側に配置されていることを特徴とする。
この発明によれば、セラミックス板の側面において前記レーザ加工が施されて形成されたレーザ加工部が、金属層側に配置されているので、パワーモジュールを形成した後これを冷却する際、あるいはこのパワーモジュールを熱サイクル下で使用する過程において温度が低下した際、パワーモジュールに半導体チップ側が凸となるように反りが生ずると、セラミックス板はレーザ加工部を構成する微小なクラックが閉じるように反ることになり、このクラックが起点となって亀裂が進展しセラミックス板が割れ易くなるのを防ぐことができる。
In order to solve such problems and achieve the above-mentioned object, the power module substrate of the present invention includes a ceramic matrix along a scribe line formed by laser processing on the surface of the ceramic matrix. In a ceramic plate in which a material is divided, a circuit layer is brazed to one surface, a metal layer is brazed to the other surface, a semiconductor chip is soldered to the circuit layer, and the metal layer A power module substrate to which a heat sink is bonded, wherein a laser processing portion formed by performing the laser processing on the side surface of the ceramic plate is disposed on the metal layer side.
According to the present invention, the laser processed portion formed by performing the laser processing on the side surface of the ceramic plate is disposed on the metal layer side. Therefore, when the power module is formed and then cooled, When the temperature drops during the process of using the power module under a thermal cycle, if the power module is warped so that the semiconductor chip side is convex, the ceramic plate will warp so that the minute cracks constituting the laser processing part close. Therefore, it is possible to prevent the cracks from starting from this crack and causing the ceramic plate to be easily broken.
また、本発明のパワーモジュールは、セラミックス板において、その一方の表面に回路層がろう付けされるとともに、他方の表面に金属層がろう付けされたパワーモジュール用基板と、回路層の表面にはんだ接合された半導体チップと、金属層の表面に接合されたヒートシンクとを備えたパワーモジュールであって、前記パワーモジュール用基板が請求項1記載のパワーモジュール用基板であることを特徴とする。
この場合、セラミックス板の割れの発生が抑制されたパワーモジュールを形成することができる。
Also, the power module of the present invention comprises a ceramic module and a power module substrate having a circuit layer brazed on one surface thereof and a metal layer brazed on the other surface thereof, and a solder on the surface of the circuit layer. A power module comprising a bonded semiconductor chip and a heat sink bonded to the surface of a metal layer, wherein the power module substrate is the power module substrate according to claim 1.
In this case, it is possible to form a power module in which generation of cracks in the ceramic plate is suppressed.
この発明によれば、セラミックス板が割れるのを抑制することができる。 According to this invention, the ceramic plate can be prevented from cracking.
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図1はこの発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板を適用したパワーモジュールを示す全体図である。
このパワーモジュール10は、セラミックス板11においてその一方の表面11aに回路層12がろう付けされるとともに、他方の表面11bに金属層13がろう付けされたパワーモジュール用基板14と、回路層12の表面にはんだ層15を介してはんだ接合された半導体チップ16と、金属層13の表面にろう付けされたヒートシンク17とを備えている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall view showing a power module to which a power module substrate according to an embodiment of the present invention is applied.
The
ここで、これらの各部材を形成する材質としては、例えば、セラミックス板11ではAlN、Al2O3、Si3N4、SiC等が挙げられ、回路層12、金属層13およびヒートシンク17では純Al、純Cu、Al合金若しくはCu合金等が挙げられる。また、セラミックス板11と回路層12および金属層13とをそれぞれろう付けするろう材、および金属層13とヒートシンク17とをろう付けするろう材では、例えばAl−Si系等のAl系のろう材が挙げられる。なお、回路層12および金属層13は、純度が99.98wt%以上の純Al若しくはAl合金、または純度が99.999wt%の純Cuにより形成されるのが望ましい。
Here, examples of the material forming these members include AlN, Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , SiC, and the like for the
また、セラミックス板11は例えば一辺が30mm以上60mm以下の平面視正方形とされ、回路層12の厚さは例えば0.4mm以上0.6mm以下とされ、金属層13は例えば0.4mm以上3.6mm以下とされている。
Further, the
そして、本実施形態では、セラミックス板11は、セラミックス母材の表面にレーザ加工が施されて形成された溝状のスクライブラインに沿って、このセラミックス母材が分割されて形成され、金属層13が接合されたセラミックス板11の他方の表面11bは、セラミックス母材の前記表面、つまり前記レーザ加工が施されたレーザ加工面とされている。すなわち、セラミックス板11の側面11dにおいて前記レーザ加工が施されて形成されたレーザ加工部11c、つまり前記セラミックス母材において溝状のスクライブラインを画成する側壁が、金属層13側に配置されている。レーザ加工部11cは、セラミックス板11の側面11dにおける前記他方の表面11b側の部分に形成され、前記レーザ加工により、ガラス質(アモルファス化)とされるとともに、多数の微小なクラックが生成されている。一方、セラミックス板11の側面11dにおいて前記一方の表面11a側、および前記一方の表面11aおよび前記他方の表面11bは、ガラス質ではなく、しかも前記のような微小なクラックも生成されておらず略平滑面とされている。
In the present embodiment, the
次に、以上のように構成されたパワーモジュール用基板14の製造方法について説明する。
まず、セラミックス母材の表面にレーザ加工(例えば、CO2レーザ若しくはYAGレーザ(単波長)等)を施して溝状のスクライブラインを格子状に形成した後に、この表面において各格子の内側に金属層13をそれぞれろう付けするとともに、セラミックス母材の裏面において前記各格子の内側と対応する部分に回路層12をそれぞれろう付けし、その後、前記スクライブラインに沿ってセラミックス母材を分割することにより、パワーモジュール用基板14を形成する。
Next, a method for manufacturing the
First, laser processing (for example, CO 2 laser or YAG laser (single wavelength) etc.) is performed on the surface of the ceramic base material to form groove-like scribe lines in a lattice shape, and then metal is placed inside each lattice on this surface. By brazing each of the
以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール用基板によれば、セラミックス板11の側面11dにおいて前記レーザ加工が施されて形成されたレーザ加工部11cが、金属層13側に配置されているので、パワーモジュール10を形成した後これを冷却する際、あるいはこのパワーモジュール10を熱サイクル下で使用する過程において温度が低下した際、パワーモジュール10に半導体チップ16側が凸となるように反りが生ずると、セラミックス板11はレーザ加工部11cを構成する微小なクラックが閉じるように反ることになり、このクラックが起点となって亀裂が進展しセラミックス板11が割れ易くなるのを防ぐことができる。
As described above, according to the power module substrate according to the present embodiment, the laser processed
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、パワーモジュール10を構成する各部材の材質や寸法は前記実施形態に限られるものではない。
また、パワーモジュール用基板14を形成する方法として、前記実施形態に代えて、例えば、セラミックス母材の表面に前記スクライブラインを格子状に形成した後に、このスクライブラインに沿ってセラミックス母材を分割してセラミックス板11を形成し、その後、このセラミックス板11の他方の表面11b(セラミックス母材の表面)に金属層13をろう付けするとともに、セラミックス板11の一方の表面11a(セラミックス母材の裏面)に回路層12をろう付けすることによって、パワーモジュール用基板14を形成してもよい。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, the material and dimensions of each member constituting the
Further, as a method of forming the
あるいは、これに代えて、例えば、セラミックス母材の表面に金属層13をろう付けするとともに、セラミックス母材の裏面において、この母材の表面に金属層13をろう付けする位置と対応する位置に回路層12をろう付けし、その後、セラミックス母材の表面において金属層13がろう付けされた周辺部分に、この金属層13の外周縁に沿って延びるスクライブラインを形成した後に、このスクライブラインに沿ってセラミックス母材を分割することにより、パワーモジュール用基板14を形成してもよい。
Alternatively, for example, the
次に、以上説明した作用効果についての検証試験を実施した。
平面視正方形とされたセラミックス板の一辺の長さ、回路層および金属層の各厚さのうち少なくとも1つを異ならせた複数種のパワーモジュール用基板を有するパワーモジュールを形成し、これらのパワーモジュールを、−40℃から105℃に約10分間で昇温した後、105℃から−40℃に10分間で降温する温度履歴を1サイクルとした熱サイクルを1000サイクル付与した。その後、各パワーモジュールのセラミックス板に割れが生じたか否かを目視により確認した。なお、実施例では、セラミックス板の前記レーザ加工面に金属層をろう付けした構成を採用し、比較例では、セラミックス板の前記レーザ加工面に回路層をろう付けした構成を採用した。
その結果、セラミックス板、回路層および金属層の各寸法の相違によらず、前記比較例では、1000サイクル後にセラミックス板に割れが生じていることが目視により確認される一方、前記実施例ではこの割れが生じていないことが確認された。
Next, the verification test about the effect demonstrated above was implemented.
A power module having a plurality of types of power module substrates in which at least one of the length of one side of the ceramic plate, which is square in plan view, and the thickness of each of the circuit layer and the metal layer is different, is formed. The module was heated from −40 ° C. to 105 ° C. in about 10 minutes, and then subjected to 1000 thermal cycles with a temperature history of dropping from 105 ° C. to −40 ° C. in 10 minutes as one cycle. Thereafter, it was visually confirmed whether or not the ceramic plate of each power module was cracked. In the examples, a configuration in which a metal layer was brazed to the laser processed surface of the ceramic plate was adopted, and in a comparative example, a configuration in which a circuit layer was brazed to the laser processed surface of the ceramic plate was adopted.
As a result, regardless of the differences in the dimensions of the ceramic plate, the circuit layer, and the metal layer, in the comparative example, it was confirmed visually that the ceramic plate was cracked after 1000 cycles. It was confirmed that no cracks occurred.
次に、セラミックス板を3点曲げ試験にかけて抗折強度を測定した。
まず、セラミックス板の前記レーザ加工面を押圧する3点曲げ試験では、抗折強度が約500MPaであったのに対し、前記レーザ加工面と反対側の表面を押圧する3点曲げ試験では、抗折強度が約320MPaであることが確認された。これにより、前記レーザ加工面が圧縮変形するようにセラミックス板が反れば、すなわち、セラミックス板11のレーザ加工面としての前記他方の表面11bに金属層13がろう付けされたパワーモジュール10が、半導体チップ16側が凸となるように反れば、セラミックス板に割れが生じ難くなることが確認された。
Next, the bending strength was measured by subjecting the ceramic plate to a three-point bending test.
First, in the three-point bending test in which the laser processing surface of the ceramic plate is pressed, the bending strength was about 500 MPa, whereas in the three-point bending test in which the surface opposite to the laser processing surface was pressed, It was confirmed that the bending strength was about 320 MPa. As a result, if the ceramic plate warps so that the laser processing surface is compressively deformed, that is, the
セラミックス板が割れるのを抑制することができる。 It is possible to prevent the ceramic plate from cracking.
10 パワーモジュール
11 セラミックス板
11a 一方の表面
11b 他方の表面
11c レーザ加工部
11d 側面
12 回路層
13 金属層
14 パワーモジュール用基板
16 半導体チップ
17 ヒートシンク
DESCRIPTION OF
Claims (2)
セラミックス板の側面において前記レーザ加工が施されて形成されたレーザ加工部が、金属層側に配置されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。 In the ceramic plate in which the ceramic base material is divided along a scribe line formed by laser processing on the surface of the ceramic base material, the circuit layer is brazed to one surface and the other surface A power module substrate in which a metal layer is brazed to a semiconductor layer, a semiconductor chip is solder-bonded to a circuit layer, and a heat sink is bonded to the metal layer,
A power module substrate, wherein a laser processing portion formed by performing the laser processing on a side surface of a ceramic plate is disposed on a metal layer side.
前記パワーモジュール用基板が請求項1記載のパワーモジュール用基板であることを特徴とするパワーモジュール。
In a ceramic plate, a circuit module is brazed to one surface thereof, a power module substrate having a metal layer brazed to the other surface, a semiconductor chip solder-bonded to the surface of the circuit layer, and a metal layer A power module having a heat sink bonded to the surface of
The power module substrate according to claim 1, wherein the power module substrate is a power module substrate according to claim 1.
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