JP2008010520A - Substrate for power module, and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワーモジュール用基板及びその製造方法に係り、より詳細には、セラミック基板の両主面のそれぞれに銅板が接合され、大量の熱を発する半導体素子を搭載した時の発熱を速やかに放熱させることができるパワーモジュール用基板及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a power module substrate and a method for manufacturing the same. More specifically, a copper plate is bonded to each of both main surfaces of a ceramic substrate, and heat generation when a semiconductor element that generates a large amount of heat is mounted is quickly generated. The present invention relates to a power module substrate that can dissipate heat and a method of manufacturing the same.
従来より、大電力化、高速化、高集積化の進むパワートランジスタ等の高熱を発する半導体素子を搭載し、半導体素子からの発熱を速やかに放熱させて半導体素子の信頼性を維持させることができるためのパワーモジュール用基板は、民生機器用や、自動車、電気自動車等の車載用等に採用されている。このようなパワーモジュール用基板は、通常、1個分のセラミック基板や、複数個分がマトリックス状に配列することができるセラミック基板に、予めパターン形成された回路銅板や、ベタ銅板を銅の融点を利用して直接加熱接合する直接接合法や、活性金属ろうを介して加熱接合する活性金属ろう材接合法で接合して作製している。そして、複数個のパワーモジュール用基板が配列する集合体の場合には、最後に分割溝で分割して個片体にすることでパワーモジュール用基板を作製している。あるいは、パワーモジュール用基板は、セラミック基板の両主面のそれぞれに銅板を直接接合法、又は活性金属ろう材接合法で加熱接合した後、銅板をそれぞれエッチングして一方の主面に回路銅板と、他方の主面にベタ銅板を形成することで作製している。 Conventionally, a semiconductor element that generates high heat, such as a power transistor with higher power, higher speed, and higher integration, can be mounted, and heat generated from the semiconductor element can be quickly dissipated to maintain the reliability of the semiconductor element. Therefore, the power module substrate is used for consumer equipment and in-vehicle use such as automobiles and electric cars. Such a power module substrate is usually a circuit copper plate pre-patterned on a ceramic substrate that can be arranged in a matrix, or a solid copper plate that has a melting point of copper. It is manufactured by bonding by a direct bonding method in which heat bonding is performed using an active metal or an active metal brazing material bonding method in which heat bonding is performed through an active metal brazing. In the case of an assembly in which a plurality of power module substrates are arranged, the power module substrate is manufactured by finally dividing the power module substrate into divided pieces by dividing grooves. Alternatively, in the power module substrate, a copper plate is directly bonded to each of both main surfaces of the ceramic substrate by heat bonding using an active metal brazing material bonding method or an active metal brazing material bonding method, and then the copper plate is etched to form a circuit copper plate on one main surface. It is produced by forming a solid copper plate on the other main surface.
また、最近の更なる大電力化、高速化、高集積化が進む半導体素子が搭載されるパワーモジュール用基板には、半導体素子からの高温且つ大量の発熱を従来通りの早さで速やかに放熱させることが求められている。しかしながら、従来のパワーモジュール用基板は、銅板厚さが比較的薄いために放熱性に限界が発生している。そこで、パワーモジュール用基板には、回路銅板や、ベタ銅板の銅板厚さを厚くして、放熱性を向上させることが行われている。 In addition, power module substrates on which semiconductor elements that have recently been further increased in power, speed, and integration are mounted quickly dissipate high-temperature and large-scale heat generated from semiconductor elements as quickly as before. It is demanded to make it. However, the conventional power module substrate has a limited heat dissipation due to the relatively thin copper plate. In view of this, it has been attempted to increase the heat dissipation of the power module substrate by increasing the thickness of the circuit copper plate or the copper plate of the solid copper plate.
従来のセラミック基板と金属板との接合体には、電子部品を半田付けする時に基板の反りや、クラックを防止するために、電子部品が搭載される部位の金属板の厚さを厚くするものが提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
In the conventional joined body of ceramic substrate and metal plate, the thickness of the metal plate where the electronic component is mounted is increased in order to prevent warping and cracking of the substrate when soldering the electronic component. Has been proposed (see, for example,
しかしながら、前述したような従来のパワーモジュール用基板及びその製造方法は、次のような問題がある。
(1)回路銅板や、ベタ銅板の銅板厚さを全体に厚くするパワーモジュール用基板は、全ての部分の銅板厚さが厚くなるので、信頼性評価試験、特に温度サイクル試験におけるセラミック基板と銅板との間で大きな繰り返しの熱応力が発生し、セラミック基板に破壊を発生させることとなっている。
(2)必要な部位の銅板厚さを厚くするために、全体に厚い銅板から不必要部分の銅板をハーフエッチングして薄くする場合には、ハーフエッチング部分に銅板厚さの厚みバラツキや、銅板表面の凸凹の発生で電子部品実装時にボンディングワイヤ不着等の不具合が発生している。また、必要な部位の銅板厚さは、厚いままの状態であるので、信頼性評価試験、特に温度サイクル試験におけるセラミック基板と銅板との間で大きな繰り返しの熱応力が発生し、セラミック基板に破壊を発生させることとなっている。
(3)必要な部位の銅板厚さを厚くするために、厚い銅板と、薄い銅板のパターンをそれぞれ別々に作製しそれぞれを独立させて加熱接合させることが考えられるが、この場合には、非常に手間が掛かってパワーモジュール用基板がコストアップとなる。また、エッチング方式では、作製が困難である。
(4)特開昭59−121890号公報や、特開平9−289266号公報で開示されているような必要な部位の銅板厚さを部分的に厚くする場合は、厚くする部分の一部がセラミック基板から垂直の状態で厚くなっているので、この部分に信頼性評価試験、特に温度サイクル試験におけるセラミック基板と銅板との間で大きな繰り返しの熱応力が集中し、セラミック基板に破壊を発生させることとなっている。
However, the conventional power module substrate and the manufacturing method thereof as described above have the following problems.
(1) The power module substrate that increases the thickness of the copper plate of the circuit copper plate and the solid copper plate as a whole increases the thickness of the copper plate of all parts. Therefore, the ceramic substrate and the copper plate in the reliability evaluation test, particularly the temperature cycle test A large repetitive thermal stress is generated between them and the ceramic substrate is destroyed.
(2) In order to increase the thickness of the required copper plate, when the unnecessary copper plate is half-etched from a thick copper plate as a whole, the thickness of the half-etched portion is reduced. The occurrence of irregularities on the surface causes problems such as non-bonding of bonding wires when electronic components are mounted. In addition, since the copper thickness of the required part remains as it is, a large amount of thermal stress is generated between the ceramic substrate and the copper plate in the reliability evaluation test, particularly in the temperature cycle test, and the ceramic substrate is destroyed. Is supposed to be generated.
(3) In order to increase the thickness of the required copper plate, it is conceivable to make a pattern of a thick copper plate and a thin copper plate separately and heat-bond them independently. Takes time and increases the cost of the power module substrate. In addition, it is difficult to manufacture by the etching method.
(4) When partially increasing the thickness of a copper plate at a necessary portion as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 59-121890 and Japanese Patent Laid-Open No. 9-289266, a part of the thickened portion is Since it is thicker from the ceramic substrate in a vertical state, a large amount of thermal stress is concentrated between the ceramic substrate and the copper plate in the reliability evaluation test, particularly in the temperature cycle test, in this part, causing the ceramic substrate to break. It is supposed to be.
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、セラミック基板に破壊を発生させることなく、必要な部位の銅板厚さを厚くして半導体素子からの発熱を速やかに放熱することができるパワーモジュール用基板及びその製造方法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 can increase the thickness of a copper plate at a necessary portion and quickly dissipate heat generated from a semiconductor element without causing damage to the ceramic substrate. It aims at providing the board | substrate for power modules, and its manufacturing method.
前記目的に沿う本発明に係るパワーモジュール用基板は、セラミック基板の一方の主面にそれぞれの領域が独立する銅板の複数個で回路を形成し、複数個の中に半導体素子を直接搭載するための少なくとも1つのマウント用銅板を有する回路銅板と、他方の主面に半導体素子からの発熱をマウント用銅板を介して放熱するための1又は複数個からなるベタ銅板が接合されて有するパワーモジュール用基板において、マウント用銅板上にマウント用銅板より外形の大きさが小さい第1の追加重ね銅板が接合されて有すると共に、ベタ銅板上にベタ銅板より外形の大きさが小さい第2の追加重ね銅板が接合されて有し、しかも、第1の追加重ね銅板の外周囲とマウント用銅板との間、及び第2の追加重ね銅板の外周囲とベタ銅板との間のそれぞれに階段を有する。 The power module substrate according to the present invention that meets the above-mentioned object is to form a circuit with a plurality of copper plates each having an independent area on one main surface of a ceramic substrate, and to directly mount a semiconductor element in the plurality A circuit copper plate having at least one mounting copper plate, and a power module having one or more solid copper plates joined to the other main surface for dissipating heat from the semiconductor element through the mounting copper plate In the substrate, a first additional laminated copper plate having a smaller outer size than the mounting copper plate is bonded on the mounting copper plate, and a second additional laminated copper plate having a smaller outer size than the solid copper plate on the solid copper plate. Are joined, and between the outer periphery of the first additional stacked copper plate and the mounting copper plate, and between the outer periphery of the second additional stacked copper plate and the solid copper plate, respectively. With the stairs.
ここで、上記のパワーモジュール用基板は、第1の追加重ね銅板の外周囲のマウント用銅板との接合コーナー部、及び第2の追加重ね銅板の外周囲のベタ銅板との接合コーナー部に銅の溶融相によるメニスカスを有するのがよい。 Here, the above power module substrate has copper in the joint corner portion with the mounting copper plate on the outer periphery of the first additional copper layer and the joint corner portion with the solid copper plate on the outer periphery of the second additional copper plate. It is preferable to have a meniscus due to the melt phase.
また、上記のパワーモジュール用基板は、回路銅板と、ベタ銅板の外周辺部にディンプル、又は溝を有するのがよい。 In addition, the power module substrate preferably includes a circuit copper plate and dimples or grooves in the outer peripheral portion of the solid copper plate.
前記目的に沿う本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミック基板の一方の主面にそれぞれの領域が独立する複数個で回路が形成され、複数個の中に半導体素子を直接搭載するための少なくとも1つのマウント用銅板が設けられる回路銅板と、他方の主面に半導体素子からの発熱をマウント用銅板を介して放熱するための1又は複数個からなるベタ銅板が接合されて設けられるパワーモジュール用基板の製造方法において、セラミック基板の両主面のそれぞれに直接接合法、又は活性金属ろう材接合法で加熱接合して回路銅板と、ベタ銅板を設ける工程と、マウント用銅板より外形の大きさが小さい第1の追加重ね銅板と、ベタ銅板より外形の大きさが小さい第2の追加重ね銅板を準備する工程と、マウント用銅板上に第1の追加重ね銅板を外周囲にマウント用銅板の外周囲が露出するようにして当接した後、直接接合法で加熱接合すると共に、ベタ銅板上に第2の追加重ね銅板を外周囲にベタ銅の外周囲が露出するようにして当接した後、直接接合法で加熱接合する工程を有する。 In the power module substrate manufacturing method according to the present invention that meets the above-described object, a plurality of circuits each having an independent region are formed on one main surface of a ceramic substrate, and semiconductor elements are directly mounted in the plurality. A circuit copper plate on which at least one mounting copper plate for mounting is provided, and one or more solid copper plates for dissipating heat from the semiconductor element through the mounting copper plate are joined to the other main surface. In the method of manufacturing a power module substrate, a step of providing a circuit copper plate and a solid copper plate by direct bonding to each of the main surfaces of the ceramic substrate by a direct bonding method or an active metal brazing material bonding method, and an outer shape from the mounting copper plate Preparing a first additional copper sheet having a smaller size and a second additional copper sheet having a smaller outer shape than the solid copper sheet, and a first on the mounting copper sheet After the additional copper plate is brought into contact with the outer periphery so that the outer periphery of the mounting copper plate is exposed, it is heat-bonded by the direct bonding method, and the second additional copper plate is placed on the solid copper plate. After the contact is made so that the outer periphery is exposed, there is a step of heat bonding by a direct bonding method.
請求項1又はこれに従属する請求項2又は3のいずれか一項記載のパワーモジュール用基板は、マウント用銅板上にマウント用銅板より外形の大きさが小さい第1の追加重ね銅板が接合されて有すると共に、ベタ銅板上にベタ銅板より外形の大きさが小さい第2の追加重ね銅板が接合されて有し、しかも、第1の追加重ね銅板の外周囲とマウント用銅板との間、及び第2の追加重ね銅板の外周囲とベタ銅板との間のそれぞれに階段を有するので、半導体素子からの発熱を容易に第1の追加重ね銅板を設けたマウント用銅板を介して、速やかにセラミック基板の下側に伝熱できると共に、第2の追加重ね銅板を設けたベタ用銅板で放熱させることができる。しかも、第1の追加重ね銅板、及び第2の追加重ね銅板は、これらが接合するそれぞれの銅板との間の階段により何れの位置においても外周が重なって垂直となる部分が存在しないので、セラミック基板と銅板との間の熱応力の集中を分散でき、セラミック基板の破壊を防止することができる。
In the power module substrate according to
特に、請求項2記載のパワーモジュール用基板は、第1の追加重ね銅板の外周囲のマウント用銅板との接合コーナー部、及び第2の追加重ね銅板の外周囲のベタ銅板との接合コーナー部に銅の溶融相によるメニスカスを有するので、マウント用銅板と第1の追加重ね銅板、ベタ用銅板と第2の追加重ね銅板の接合を強固にするパワーモジュール用基板を提供することができる。
In particular, the power module substrate according to
また、特に、請求項3記載のパワーモジュール用基板は、回路銅板と、ベタ銅板の外周辺部にディンプル、又は溝を有するので、セラミック基板と銅板との間の熱応力の集中を回避でき、セラミック基板の破壊を防止することができる。
In particular, the power module substrate according to
請求項4記載のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミック基板の両主面のそれぞれに直接接合法、又は活性金属ろう材接合法で加熱接合して回路銅板と、ベタ銅板を設ける工程と、マウント用銅板より外形の大きさが小さい第1の追加重ね銅板と、ベタ銅板より外形の大きさが小さい第2の追加重ね銅板を準備する工程と、マウント用銅板上に第1の追加重ね銅板を外周囲にマウント用銅板の外周囲が露出するようにして当接した後、直接接合法で加熱接合すると共に、ベタ銅板上に第2の追加重ね銅板を外周囲にベタ銅の外周囲が露出するようにして当接した後、直接接合法で加熱接合する工程を有するので、1枚の銅板からエッチングで部分的に厚さを替えることがなく、銅板厚さの厚みバラツキや、銅板表面の凸凹の発生のなく、ボンディングワイヤ不着発生のない安価なパワーモジュール用基板の製造方法を提供できる。また、搭載される半導体素子からの発熱を効率的に放熱させることができ、セラミック基板と銅板間の熱応力による破壊を防止できる安価なパワーモジュール用基板の製造方法を提供できる。
The method for manufacturing a power module substrate according to
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)〜(C)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用基板の上面側平面図、下面側平面図、A−A’線縦断面図、図2(A)〜(D)はそれぞれ同パワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings to provide an understanding of the present invention.
Here, FIGS. 1A to 1C are respectively a top plan view, bottom plan view, AA ′ line longitudinal sectional view, and FIG. 2 (a) of the power module substrate according to one embodiment of the present invention. A)-(D) is explanatory drawing of the manufacturing method of the board | substrate for power modules, respectively.
本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板には、比較的小さいセラミック基板に1個分の個片体として作製される場合と、比較的大型のセラミック基板に個片体のパワーモジュール用基板が複数配列する集合体として作製される場合がある。 The power module substrate according to the embodiment of the present invention includes a case where the power module substrate is manufactured as a single piece on a relatively small ceramic substrate and a case where the power module substrate is formed on a relatively large ceramic substrate. In some cases, a plurality of substrates are arranged as an aggregate.
図1(A)〜(C)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用基板10は、個片体、集合体の何れの場合においても、焼成済みのセラミック基板11の上面側である一方の主面に、それぞれの領域が独立する熱伝導率の高い銅板の複数個で回路を形成する回路銅板12が接合されている。この回路銅板12は、配線回路状態のパターンになるように形成されており、この中にパワートランジスタ等の高熱を発する半導体素子を直接搭載するための少なくとも1つのマウント用銅板13を有している。そして、回路銅板12は、ここに搭載される半導体素子のパッド電極と他の配線回路部の銅板とをボンディングワイヤ等で接続するためと、半導体素子からの発熱をマウント用銅板13を介して下側に伝熱させるために設けられている。また、本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板10は、個片体、集合体の何れの場合においても、焼成済みのセラミック基板11の下面側である他方の主面に、1、又は複数個からなる回路のないベタ状のベタ銅板14が接合されている。このベタ銅板14は、マウント用銅板13に搭載された半導体素子からの発熱をマウント用銅板13、及びセラミック基板11を介して放熱させるために設けられている。パワーモジュール用基板10は、セラミックと銅の熱膨張係数が大きく異なるが、セラミック基板11の一方の主面に回路銅板12、他方の主面にベタ銅板14を接合するサンドイッチ状態によって、反りや、変形を防止することができるようになっている。
As shown in FIGS. 1A to 1C, the
このパワーモジュール用基板10は、セラミック基板11の一方の主面に形成された回路銅板12のマウント用銅板13上に、これより外形の大きさが小さい第1の追加重ね銅板15が接合されて有している。また、このパワーモジュール用基板10は、セラミック基板11の他方の主面に形成されたベタ銅板14上に、これより外形の大きさが小さい第2の追加重ね銅板16が接合されて有している。しかも、このパワーモジュール用基板10は、第1の追加重ね銅板15の外周囲と、マウント用銅板13との間に外周囲のいずれの位置においても両方が垂直とならないような階段17を有している。また、このパワーモジュール用基板10は、第2の追加重ね銅板16の外周囲と、ベタ銅板16との間に外周囲のいずれの位置においても両方が垂直とならないような階段17aを有している。パワーモジュール用基板10は、半導体素子からの発熱を、搭載される部分と放熱させる部分の銅板厚さを厚くして速やかに放熱させると共に、温度サイクル試験等のような繰り返しの熱応力によるセラミック基板の破壊を、セラミック基板との接合部の銅板外周部に階段17、17aを設けて防止させることができる。なお、セラミック基板11の一方の主面と、他方の主面に接合される銅板は、それぞれ別々に接合してもよく、両面を一度に接合することもできる。また、マウント用銅板13に接合される第1の追加重ね銅板15と、ベタ銅板16に接合される第2の追加重ね銅板16は、それぞれ別々に接合してもよく、両方を一度に接合することもできる。
In this
通常、パワーモジュール用基板10には、半導体素子が実装されるようになっているが、パワーモジュール用基板10が個片体の複数個が配列する集合体の場合には、半導体素子が実装された後に、セラミック基板11に設けられている分割溝で分割して、あるいは、分割溝で分割した後に個片体のパワーモジュール用基板10に半導体素子が実装されるようになる。なお、分割溝は、焼成されて形成されるセラミック基板11に、予め焼成される前のセラミックグリーンシートに形成された押圧溝、あるいは、焼成された後にレーザー加工等で形成される連続する点状の溝として設けられている。
Normally, a semiconductor element is mounted on the
上記のパワーモジュール用基板10には、第1の追加重ね銅板15の外周囲のマウント用銅板13との断面視した接合コーナー部、及び第2の追加重ね銅板16の外周囲のベタ銅板16との断面視した接合コーナー部に銅が溶融した溶融相からなるメニスカス18を有するのがよい。パワーモジュール用基板10は、このメニスカス18の形成によって、それぞれ第1の追加重ね銅板15とマウント用銅板13、及び第2の追加重ね銅板16とベタ銅板14を強固に接合する基板とすることができる。
The
また、上記のパワーモジュール用基板10には、回路銅板12と、ベタ銅板14の外周部に連続や、不連続に点状に配列する凹みからなるディンプル(図示せず)、又は直線的に連続する溝(図示せず)を有するのがよい。パワーモジュール用基板10は、このディンプル、又は溝によって、温度サイクル試験等のような繰り返しの熱応力がかかったとしても熱応力を分散させることができ、セラミック基板の破壊を防止させることができる。なお、ディンプルは、1、又は複数列が規則的に直線状に配列したり、千鳥状に配列したり、あるいは、不規則的にランダムに並べられたものであってもよく、その並び方を限定するものではなく、凹みの形状、大きさ、深さについても、特に、限定するものではない。また、溝は、形状、大きさ、深さについて、特に、限定するものではない。
Further, the
次いで、図2(A)〜(D)を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板10の製造方法について、大型のセラミック基板11に個片体のパワーモジュール用基板10が複数配列する集合体として作製される場合で説明する。
図2(A)に示すように、大型のセラミック基板11の両主面のそれぞれには、セラミック基板11と同等、又は若干小さめの大きさからなる大型銅板19、19aが直接接合法、又は活性金属ろう材法で加熱接合される。ここで用いられるセラミック基板11は、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、ジルコニア入り酸化アルミニウム等からなり、絶縁性、耐熱性、熱伝導性、基板強度等に優れることで、半導体素子にかかる高電圧、及び半導体素子からの高熱に対して問題なく使用することができる。ここで、セラミックの一例であるAl2O3からなるセラミック基板11を作製するには、アルミナ粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチルフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及び、トルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤が加えられ、十分に混練いた後、脱泡して粘度2000〜4000cpsのスラリーを作製している。そして、このスラリーは、ドクターブレード法等によって、例えば、厚さ0.64mm程度のロール状のシートに形成され、適当なサイズにカットしてセラミックグリーンシートを作製し、大気中約1600℃程度で焼成してセラミック基板11を作製している。
Next, with reference to FIGS. 2A to 2D, a method for manufacturing the
As shown in FIG. 2 (A),
また、セラミックの一例であるAlNからなるセラミック基板11を作製するには、窒化アルミニウム粉末に焼結助剤を添加し、可塑剤、バインダー、及び溶剤を加えてシート状のセラミックグリーンシートとし、これを適当なサイズにカットし、窒素雰囲気中約1700℃程度の高温で焼成して形成している。
In order to produce a
更に、セラミックの一例であるジルコニア入り酸化アルミニウムからなるセラミック基板11を作製するには、主成分の酸化アルミニウムを70〜97wt%の範囲にして、これにジルコニア(ZrO2)を2〜29.9wt%の範囲で添加し、イットリア、カルシア、マグネシア、セリアのいずれか1種以上の焼結助剤を0.1〜2wt%の範囲で添加し、可塑剤、バインダー、及び溶剤を加えて、例えば、厚さ0.25mmのシート状のセラミックグリーンシートとしている。そして、このセラミックグリーンシートは、適当なサイズにカットし、大気中約1600℃程度で焼成してセラミック基板11を作製している。なお、Al2O3を主成分として、これに上記割合のZrO2が添加された焼成体からなるセラミック基板11は、Al2O3単体の基板と熱伝導率を同等程度に保ちながら基板強度、特に曲げ強度を大幅に高めることができる(Al2O3単体では、3.1MPa・m0.5、ジルコニア系アルミナセラミックでは、4.4MPa・m0.5)。また、イットリア、カルシア、マグネシア、セリアのいずれか1種以上を添加することで、基板の焼成温度をAl2O3単体の基板と同等程度に抑えつつ、ZrO2結晶粒の靭性を改善することができる。これらによって、セラミック基板11は、AlNの基板より熱伝導率が低下するものの、厚みを薄くすることで、熱伝導率の低さを補うことができ、Al2O3単体の基板より優れ、AlNの基板に匹敵する優れた放熱性を有することができる。
Furthermore, in order to manufacture the
ここで、上記の直接接合法での接合方法とは、予め表面を酸化させた大型銅板19、19aをセラミック基板11の表面に当接させ、窒素雰囲気中で焼成して銅の融点付近まで昇温して銅と微量の酸素との反応により生成するCu−O共晶液相を結合剤として直接セラミック基板11に接合する方法である。なお、セラミック基板11がAlNからなる場合には、セラミック基板11の表面に酸化膜を形成、すなわち、AlNの表面をAl2O3としておく必要がある。
Here, the bonding method using the direct bonding method described above is that the
また、活性金属ろう材接合法での接合方法とは、チタン、ジルコニウム、ベリリウム等のような極めて反応性の大きい、いわゆる活性な金属をAg−Cu系ろう等に加えた活性金属ろう材を用いてセラミック基板11と、大型銅板19、19aを接合する方法である。この方法での接合は、先ず、活性金属ろう材からなるペーストをセラミック基板11のそれぞれの表面に塗布し、その上に予め表面を酸化させた大型銅板19、19aを当接させ、約750〜850℃程度で加熱してチタン等の酸素との親和力の強さを利用して、直接セラミック基板11に接合する方法である。なお、活性金属ろう材は、セラミック基板11がジルコニア系アルミナセラミックからなる場合には、例えば、ジルコニウム、チタン、フッ化水素、ニオブのいずれか1種以上をAg−Cu系ろうに含有させたものを用いることができ、セラミック基板11への親和力を高めることで接合反応強度を高めて強固に接合することができる。
In addition, the active metal brazing material joining method uses an active metal brazing material in which so-called active metal such as titanium, zirconium, beryllium, etc., which is extremely reactive, is added to an Ag—Cu brazing filler metal or the like. The
そして、図2(B)に示すように、上記のセラミック基板11に加熱接合された大型銅板19、19aには、エッチング法でそれぞれ一方の主面側の大型銅板19に複数組の回路銅板12と、他方の主面側の大型銅板19aに複数組のベタ銅板14を形成している。ここで、エッチング法での回路銅板12や、ベタ銅板14の形成方法とは、先ず、大型銅板19、19aのいずれか一方、例えば他方の主面側の大型銅板19aの全面をエッチングレジスト膜で覆っている。次いで、一方の主面側の大型銅板19には、感光性のエッチングレジスト膜にフォトリソ法で回路銅板12の逆パターンを形成して、エッチングレジスト膜の開口部から露出する部分をエッチング液でエッチング処理して、複数組の回路銅板12を設けている。次いで、他方の主面側の大型銅板19aには、両面のエッチングレジスト膜を剥離した後、改めて同様な方法でそれぞれの主面側にエッチングレジスト膜を形成し、エッチングレジスト膜の開口部から露出する部分をエッチング液でエッチング処理して、ベタ銅板14を設けている。なお、上記のエッチング液には、硫酸銅等を用いることができる。また、回路銅板12と、ベタ銅板14は、一度にエッチングして形成してもよいし、あるいは、上記のように一方をエッチングして形成した後、他方をエッチングして形成してもよい。
As shown in FIG. 2 (B), a plurality of sets of
上記図2(A)、(B)では、回路銅板12や、ベタ銅板14の形成をセラミック基板11にそれぞれ大型銅板19、19aを直接接合法や、活性金属ろう材接合法で接合した後に、エッチング法で形成することで示したが、別の方法で形成することもできる。図示しないが、その方法を簡単に説明する。
大型銅板19、19aには、セラミック基板11にこれらを直接接合法や、活性金属ろう材接合法で接合する前に、パンチングマシーンや、金型プレス機等で打ち抜いて、あるいは、エッチング法でパターンを形成している。そして、セラミック基板11のそれぞれの主面には、予め、回路銅板12や、ベタ銅板14として形成された銅板を直接接合法や、活性金属ろう材接合法で接合している。
2A and 2B, the
Before the
次に、回路銅板12を構成するパターンの一つであるマウント用銅板13上に接合するための第1の追加重ね銅板15は、適当な大きさの銅板をパンチングマシーンや、金型プレス機等で打ち抜いて、あるいは、エッチング法でマウント用銅板13より外形の大きさが小さい形状のものを作製している。同様な方法で、ベタ銅板14上に接合するための第2の追加重ね銅板16は、適当な大きさの銅板をパンチングマシーンや、金型プレス機等で打ち抜いて、あるいは、エッチング法でベタ銅板14より外形の大きさが小さい形状のものを作製している。
Next, the first additional
次に、図2(C)に示すように、マウント用銅板13上には、第1の追加重ね銅板15を外周囲にマウント用銅板13の外周囲が露出するようにして当接している。そして、この当接体は、前記の直接接合法での接合方法と同じ接合方法で加熱接合している。また、ベタ銅板14上には、第2の追加重ね銅板16を外周囲にベタ銅板14の外周囲が露出するようにして当接し、直接接合法で加熱接合することで、個片体のパワーモジュール用基板10が複数個配列する集合体を作製している。なお、第1の追加重ね銅板15と、第2の追加重ね銅板16は、同時に加熱接合してもよく、それぞれ別々に2度に分けて加熱接合してもよい。
Next, as shown in FIG. 2C, on the mounting
そして、図2(D)に示すように、上記の大型のセラミック基板11の場合には、集合体から個片体のそれぞれのパワーモジュール用基板10とするための分割用溝20をレーザー加工機等を用いてセラミック基板11の両主面のいずれか一方、又は両主面に形成している。なお、分割用溝20は、焼成後のセラミック基板11に容易に形成することができるが、焼成前のセラミック基板11のセラミックグリーンシートに押圧刃を用いて形成することもできる。また、大型のセラミック基板11の場合には、外周囲に分割用溝20で分割した時に除去させるダミー部21が設けられており、そこには、ダミー銅板22が設けられている。
As shown in FIG. 2D, in the case of the large
本発明のパワーモジュール用基板は、高電圧が流れ、大量の熱を発生する半導体素子を実装し、例えば、インバーター用や、自動車部品用等として用いるためのパワーモジュール用基板に利用することができる。また、パワーモジュール用基板の製造方法は、銅板表面を平坦にでき、熱応力に対応できる信頼性の高いパワーモジュール用基板を作製するために利用することができる。 The power module substrate of the present invention is mounted with a semiconductor element that generates a large amount of heat through a high voltage, and can be used as a power module substrate for use in, for example, an inverter or an automobile part. . Moreover, the manufacturing method of the power module substrate can be used to produce a highly reliable power module substrate that can flatten the surface of the copper plate and cope with thermal stress.
10:パワーモジュール用基板、11:セラミック基板、12:回路銅板、13:マウント用銅板、14:ベタ銅板、15:第1の追加重ね銅板、16:第2の追加重ね銅板、17、17a:階段、18:メニスカス、19、19a:大型銅板、20:分割用溝、21:ダミー部、22:ダミー銅板 10: Power module substrate, 11: Ceramic substrate, 12: Circuit copper plate, 13: Mount copper plate, 14: Solid copper plate, 15: First additional copper plate, 16: Second additional copper plate, 17, 17a: Stairs, 18: Meniscus, 19, 19a: Large copper plate, 20: Dividing groove, 21: Dummy part, 22: Dummy copper plate
Claims (4)
前記マウント用銅板上に該マウント用銅板より外形の大きさが小さい第1の追加重ね銅板が接合されて有すると共に、前記ベタ銅板上に該ベタ銅板より外形の大きさが小さい第2の追加重ね銅板が接合されて有し、しかも、前記第1の追加重ね銅板の外周囲と前記マウント用銅板との間、及び前記第2の追加重ね銅板の外周囲と前記ベタ銅板との間のそれぞれに階段を有することを特徴とするパワーモジュール用基板。 Forming a circuit with a plurality of independent copper plates on one main surface of the ceramic substrate, and having at least one mounting copper plate for directly mounting a semiconductor element in the plurality of copper plates; In the power module substrate having one or a plurality of solid copper plates joined to the other main surface to dissipate heat generated from the semiconductor element through the mount copper plate,
A first additional stacked copper plate having a smaller outer shape than the mount copper plate is joined on the mount copper plate, and a second additional stacked smaller outer shape than the solid copper plate on the solid copper plate. A copper plate is joined, and in addition, between the outer periphery of the first additional stacked copper plate and the mounting copper plate, and between the outer periphery of the second additional stacked copper plate and the solid copper plate, respectively. A power module substrate, comprising steps.
前記セラミック基板の両主面のそれぞれに直接接合法、又は活性金属ろう材接合法で加熱接合して前記回路銅板と、前記ベタ銅板を設ける工程と、
前記マウント用銅板より外形の大きさが小さい第1の追加重ね銅板と、前記ベタ銅板より外形の大きさが小さい第2の追加重ね銅板を準備する工程と、
前記マウント用銅板上に前記第1の追加重ね銅板を外周囲に前記マウント用銅板の外周囲が露出するようにして当接した後、直接接合法で加熱接合すると共に、前記ベタ銅板上に前記第2の追加重ね銅板を外周囲に前記ベタ銅の外周囲が露出するようにして当接した後、直接接合法で加熱接合する工程を有することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 A circuit copper plate in which a plurality of circuits each having an independent area are formed on one main surface of the ceramic substrate, and at least one mounting copper plate for directly mounting a semiconductor element is provided in the plurality, and the other In the method of manufacturing a power module substrate, wherein one or more solid copper plates for dissipating heat from the semiconductor element through the mount copper plate are joined to the main surface of the power module substrate,
A step of providing the circuit copper plate and the solid copper plate by heat bonding to each of the main surfaces of the ceramic substrate by direct bonding method or active metal brazing material bonding method;
Preparing a first additional stacked copper plate having a smaller outer size than the mounting copper plate, and a second additional stacked copper plate having a smaller outer size than the solid copper plate;
The first additional layered copper plate is brought into contact with the mounting copper plate so that the outer periphery of the mounting copper plate is exposed to the outer periphery, and then heated and bonded by a direct bonding method. A method for manufacturing a power module substrate, comprising: a step of bringing the second additional copper layer into contact with the outer periphery so that the outer periphery of the solid copper is exposed, and then heat-bonding by a direct bonding method.
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