JP2008021716A - Power module substrate and 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の製造方法およびパワーモジュール用基板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 manufacturing method, a power module substrate, and a power module used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.
この種のパワーモジュールは一般に、セラミックス板の表面に回路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を備えている。このうちパワーモジュール用基板は、セラミックス板の表面にろう材箔と回路層とをこの順に配置して積層体とした後に、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱しろう材箔を溶融させて、セラミックス板の表面に回路層をろう付けすることにより形成されている。そして、このろう付けには、例えば下記特許文献1に示されるように、回路層の平面視形状と略同形同大で、かつ全体が同一の材質からなるろう材箔が用いられている。
しかしながら、前記従来のパワーモジュール用基板の製造方法では、ろう材箔を溶融させるのに前記積層体を加熱炉内に置いて加熱すると、ろう材箔はまず、その外周縁部に加熱炉内の熱が伝わって溶融し始め、その後徐々に沿面方向の内方に向けて熱が伝導し溶融が進んでいくので、ろう材箔の沿面方向における中央部を溶融させるまで加熱しようとすると、その前に、ろう材箔の外周縁部を構成していた既に溶融したろう材が、回路層とセラミックス板との間から染み出し、さらにその表面張力で凝集することによって、回路層の側面を伝って半導体チップがはんだ接合される表面に乗り上がるおそれがあった。
このようにして回路層の表面に乗り上げたろう材は視認することができ、外観品質を低減させるおそれがある。特に、Siを含有する例えばAl−Si系のろう材箔を用いて、純Al若しくはAl合金からなる回路層をセラミックス板にろう付する場合には、溶融後に硬化したろう材は、回路層よりも硬い上にパワーモジュールを使用する過程における熱サイクルでさらに加工硬化させられることによって、回路層に対してその表面および側面から大きな外力が作用して、回路層とセラミックス板との接合界面に大きな応力が作用し、回路層がセラミックス板の表面から剥離し易くなり、パワーモジュールの熱サイクル寿命を低下させるおそれがある。さらに、上記と同様の材質からなるろう材箔および回路層を用いた場合において、回路層の表面のうちろう材が乗り上げた部分にワイヤボンディングが施されると、ろう材は前記のように回路層と比べて硬いので、この部分とワイヤボンディングとの接合部における熱サイクル寿命を低下させるおそれもある。
However, in the conventional method for manufacturing a power module substrate, when the laminated body is heated in a heating furnace to melt the brazing material foil, the brazing material foil is first placed on the outer peripheral edge of the heating furnace. Heat is transmitted and begins to melt, and then heat gradually conducts toward the inside of the creeping direction, and melting progresses.Therefore, when trying to heat until the center part in the creeping direction of the brazing foil is melted, In addition, the already melted brazing material constituting the outer peripheral edge of the brazing material foil oozes out from between the circuit layer and the ceramic plate, and further aggregates by the surface tension, thereby traveling along the side surface of the circuit layer. There is a possibility that the semiconductor chip may run on the surface to be soldered.
In this way, the brazing material riding on the surface of the circuit layer can be visually recognized, and the appearance quality may be reduced. In particular, when a circuit layer made of pure Al or an Al alloy is brazed to a ceramic plate using, for example, an Al-Si brazing foil containing Si, the brazing material cured after melting is more difficult than the circuit layer. In addition to being hard, it is further hardened by heat cycle in the process of using the power module, so that a large external force acts on the circuit layer from its surface and side surface, resulting in a large interface at the interface between the circuit layer and the ceramic plate. The stress acts, the circuit layer is easily peeled off from the surface of the ceramic plate, and the thermal cycle life of the power module may be reduced. Further, in the case where the brazing material foil and the circuit layer made of the same material as described above are used, when wire bonding is applied to the portion of the surface of the circuit layer where the brazing material has run over, the brazing material becomes a circuit as described above. Since it is harder than the layer, the thermal cycle life at the joint between this part and wire bonding may be reduced.
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、セラミックス板の表面に回路層をろう付けする際に、溶融したろう材が回路層の側面を伝って、半導体チップが接合される表面に乗り上がるのを抑制することができるパワーモジュール用基板の製造方法およびパワーモジュール用基板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 when brazing the circuit layer to the surface of the ceramic plate, the surface to which the semiconductor chip is joined by the molten brazing material traveling along the side surface of the circuit layer An object of the present invention is to provide a power module substrate manufacturing method, a power module substrate, and a power module that can suppress the boarding.
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の製造方法は、セラミックス板の表面にろう材箔と回路層とをこの順に配置して積層体とした後に、この積層体を積層方向に加圧した状態で加熱してろう材箔を溶融させることにより、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、この回路層の表面に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュール用基板を形成するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記ろう材箔は、前記積層体において、表面に前記回路層の外周縁部が配置される外周部分と、この外周部分に囲まれた内側部分とを備え、前記外周部分は前記内側部分を形成する材質と比べて液相温度が高い材質で形成されていることを特徴とする。
この発明では、ろう材箔の外周部分が、前記内側部分を形成する材質よりも液相温度の高い材質で形成されているので、前記積層体を加熱したときに、まず、ろう材箔の前記内側部分を溶融させて、その後、前記外周部分を溶融させることが可能になる。したがって、ろう材箔の前記内側部分が溶融し、この溶融したろう材がろう材箔の外周縁に向けて拡がるように流れようとしても、その流れを、ろう材箔の前記外周部分でせき止めることができる。また、前記加熱してセラミックス板と回路層とをろう付けする過程において、ろう材箔の前記外周部分が溶融する時点を、前記従来のように全体が同一の材質からなるろう材箔を用いるのと比べて遅らせることが可能になり、この外周部分が溶融状態となっている時間を短縮することができる。
以上より、セラミックス板の表面に回路層をろう付けする際に、溶融したろう材が回路層の側面を伝って、半導体チップが接合される表面に乗り上がるのを抑制することができる。
In order to solve such problems and achieve the above object, a method for manufacturing a power module substrate according to the present invention includes a laminated body in which a brazing material foil and a circuit layer are arranged in this order on the surface of a ceramic plate. After that, the laminated body is heated in a state of being pressed in the laminating direction to melt the brazing material foil, whereby the circuit layer is brazed to the surface of the ceramic plate, and the semiconductor chip is formed on the surface of the circuit layer. A power module substrate manufacturing method for forming a power module substrate to be soldered, wherein the brazing material foil has an outer peripheral portion in which an outer peripheral edge portion of the circuit layer is disposed on a surface of the laminate, And an inner portion surrounded by the outer peripheral portion, wherein the outer peripheral portion is formed of a material having a higher liquidus temperature than the material forming the inner portion.
In this invention, since the outer peripheral portion of the brazing material foil is formed of a material having a higher liquidus temperature than the material forming the inner portion, when the laminate is heated, It is possible to melt the inner part and then melt the outer peripheral part. Therefore, even if the inner part of the brazing filler metal is melted and the molten brazing material tries to flow so as to spread toward the outer peripheral edge of the brazing filler metal foil, the flow is stopped at the outer peripheral part of the brazing filler metal foil. Can do. Further, in the process of brazing the ceramic plate and the circuit layer by heating, the time when the outer peripheral portion of the brazing material foil is melted is used by using the brazing material foil which is entirely made of the same material as in the prior art. It is possible to delay compared to the above, and the time during which the outer peripheral portion is in a molten state can be shortened.
As described above, when the circuit layer is brazed to the surface of the ceramic plate, it is possible to suppress the molten brazing material from traveling onto the surface to which the semiconductor chip is bonded along the side surface of the circuit layer.
ここで、前記外周部分は前記内側部分を形成する材質よりも液相温度が10℃以上30℃以下高い材質で形成されてもよい。
この場合、前記の作用効果が確実に奏効されることになる。すなわち、両液相温度の差が10℃より小さいと、ろう付け時の加熱温度を加熱炉内の全域にわたってばらつき少なく均一にしなければ、ろう材箔の前記外周部分が前記内側部分と略同時に溶融し始めたり、あるいは前記外周部分が溶融した後に、前記内側部分が溶融したりするおそれがある。また、両液相温度の差が30℃より大きいと、ろう材箔において、前記内側部分を溶融させた後、前記外周部分を溶融させるまでに、この内側部分のろう材を熱により変質させたり、あるいは前記外周部分および内側部分の各組成が互いに大きく異なったことに起因して、ろう付け時に互いが反応し合い例えばろう付けの接合強度を低下させる等し、さらには、加熱炉の温度制御が困難になる等のおそれがある。
Here, the outer peripheral portion may be formed of a material having a liquidus temperature higher by 10 ° C. or higher and 30 ° C. or lower than a material forming the inner portion.
In this case, the above-described effects are surely achieved. That is, if the difference between the two liquid phase temperatures is less than 10 ° C., the outer peripheral portion of the brazing material foil is melted substantially simultaneously with the inner portion unless the heating temperature during brazing is uniform with little variation over the entire area in the heating furnace. Or the inner part may melt after the outer peripheral part melts. Further, if the difference between the two liquid phase temperatures is larger than 30 ° C., after the inner portion of the brazing material foil is melted, the inner portion of the brazing material is altered by heat before the outer peripheral portion is melted. Or, because the respective compositions of the outer peripheral portion and the inner portion are greatly different from each other, they react with each other at the time of brazing, for example, the bonding strength of the brazing is reduced, and further, the temperature control of the heating furnace May become difficult.
また、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス板の表面に回路層がろう付けされてなり、この回路層の表面に半導体チップがはんだ接合されるパワーモジュール用基板であって、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法により形成されたことを特徴とする。
さらに、本発明のパワーモジュールは、セラミックス板の表面に回路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は、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法により形成されたことを特徴とする。
The power module substrate of the present invention is a power module substrate in which a circuit layer is brazed to the surface of a ceramic plate, and a semiconductor chip is soldered to the surface of the circuit layer. It is formed by a method for manufacturing a module substrate.
Furthermore, the power module of the present invention is a power module comprising a power module substrate having a circuit layer brazed to the surface of a ceramic plate, and a semiconductor chip solder-bonded to the surface of the circuit layer. The module substrate is formed by the method for manufacturing a power module substrate of the present invention.
この発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法およびパワーモジュール用基板並びにパワーモジュールによれば、セラミックス板の表面に回路層をろう付けする際に、溶融したろう材が回路層の側面を伝って、半導体チップが接合される表面に乗り上がるのを抑制することができる。 According to the power module substrate manufacturing method and the power module substrate and the power module according to the present invention, when the circuit layer is brazed to the surface of the ceramic plate, the molten brazing material travels along the side surface of the circuit layer, It is possible to suppress climbing onto the surface to which the semiconductor chip is bonded.
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の表面に回路層12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17を介してはんだ接合された半導体チップ15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.
This
図示の例では、パワーモジュール用基板14には、回路層12と同じ材質からなる金属層18が、セラミックス板11の裏面にろう付けされて備えられている。さらに、パワーモジュール10には、冷却器16が、金属層18の裏面にろう付けや拡散接合により接合されて備えられている。
なお、セラミックス板11は、例えばAlN、Al2O3、Si3N4若しくはSiC等で形成され、回路層12および金属層18はそれぞれ、例えば純Al若しくはAl合金で形成され、冷却器16は、純Al、純Cu、Al合金若しくはCu合金で形成され、はんだ層17は、例えばSn−Ag−Cu系若しくはZn−Al系のはんだ材とされ、さらに、セラミックス板11と回路層12および金属層18とは、厚さが例えば10μm〜30μmのAl系のろう材箔20を用いてろう付けされている。
In the illustrated example, the
The
ここで、本実施形態では、回路層12および金属層18はそれぞれ、純Al若しくはAl合金からなる母材を打ち抜いたり、あるいは鋳造により形成されており、回路層12および金属層18の各外表面のうち、セラミックス板11の表裏面から立上がる側面はそれぞれ、セラミックス板11の表裏面に対して略垂直に延在している。
Here, in the present embodiment, each of 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、図2に示されるように、セラミックス板11の表面に、Al系のろう材箔20と回路層12とをこの順に配置するとともに、セラミックス板11の裏面に、Al系のろう材箔20と金属層18とをこの順に配置して積層体14aを形成する。そして、この積層体14aを、加熱炉内に置いて積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔20を溶融させることによって、セラミックス板11の表面に回路層12をろう付けするとともに、セラミックス板11の裏面に金属層18をろう付けし、パワーモジュール用基板14を形成する。
Next, a method for manufacturing the
First, as shown in FIG. 2, the Al-based
ここで、本実施形態では、ろう材箔20は、図2および図3に示されるように、積層体14aにおいて、表面に回路層12の外周縁部が配置される外周部分20aと、この外周部分20aに囲まれた内側部分20bとを備えている。そして、外周部分20aは内側部分20bを形成する材質と比べて液相温度が高い材質で形成されている。例えば、外周部分20aは内側部分20bを形成する材質よりも液相温度が10℃以上30℃以下高い材質で形成されている。図示の例では、金属層18とセラミックス板11との間に配置されたろう材箔20も、回路層12とセラミックス板11との間に配置されたろう材箔20と同様に、外周部分20aと内側部分20bとを備えている。なお、本実施形態では、ろう材箔20は、回路層12の裏面の、セラミックス板11の表面への投影面における略全域に配置されるとともに、金属層18の裏面の、セラミックス板11の裏面への投影面における略全域にも配置されている。
Here, in this embodiment, as shown in FIG. 2 and FIG. 3, the brazing
これらの外周部分20aおよび内側部分20bはそれぞれ、例えば、Al−Si系、Al−Si−Mg系、Al−Si−Cu−Mg系、Al−Fe−Ni系、Al−Si−Fe―Ni系、Al−Si−Mg−Fe系、Al−Si−Cu系、Al−Si−Fe系、およびAl−Si−Mg−Fe−Mn系等のろう材箔のうちの1つで、かつ外周部分20aの液相温度が、内側部分20bの液相温度よりも10℃以上30℃以下高くなる組合わせのろう材箔とされている。
Each of the outer
また、図示の例では、外周部分20aは、回路層12の裏面の外周縁に沿ってその全周にわたって延在し、その沿面方向における内側に内側部分20bが配置されている。なお、前記沿面方向は、積層体14aの積層方向に直交する方向のことをいう。さらに、内側部分20bの外周縁は、外周部分20aの内周縁と同形同大とされており、内側部分20bの外周縁と、外周部分20aの内周縁との間には略隙間のない状態となっている。
In the illustrated example, the outer
このようなろう材箔20を用いて積層体14aを加熱する際、まず、内側部分20bの液相温度になるまで加熱した後に、その温度を内側部分20bが全て液相状態になるまで保持し、その後、外周部分20aの液相温度になるまでさらに加熱し、その温度になったのと略同時に、あるいはその温度に、内側部分20bの液相温度で保持した時間よりも短い時間保持した後に、つまり外周部分20aが液相状態になったのと略同時にこの加熱を停止して徐冷し、パワーモジュール用基板14を形成する。
When heating the
ここで、この製造方法についての具体的な実施例について説明する。
まず、材質については、回路層12および金属層18を純度99.98wt%の純Al、セラミックス板11をAlNによりそれぞれ形成した。そして、ろう材箔20の外周部分20aとしてAl−Si系のろう材箔(Alが92.5wt%、Siが7.5wt%、固相温度が577℃、液相温度が615℃)を採用し、ろう材箔20の内側部分20bとしてAl−Si−Mg系のろう材箔(固相温度が560℃、液相温度が595℃)を採用した。厚さについては、回路層12および金属層18を約0.4mm、ろう材箔20を約13μm、セラミックス板11を約0.635mmとした。なお、外周部分20aの外周縁の縦および横の寸法をそれぞれ約28mmおよび約70mmとし、この外周縁と内周縁との距離は約5mmとした。そして、平面視四角形とされたろう材箔20の内側部分20bは、縦および横の寸法をそれぞれ約18mmおよび約60mmとした。
そして、積層体14aを真空状態の加熱炉内に置いて、この加熱炉内を約550℃になるまで10℃/minで加熱する。その後、約550℃の温度を約90分間保持した後に、さらに約645℃になるまで10℃/minで加熱し、そして、約645℃の温度を約40分間保持した後に徐冷して、パワーモジュール用基板14を形成した。
Here, specific examples of the manufacturing method will be described.
First, regarding the materials, the
And 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、ろう材箔20の外周部分20aが、内側部分20bを形成する材質よりも液相温度の高い材質で形成されているので、積層体14aを加熱したときに、まず、内側部分20bを溶融させて、その後、外周部分20aを溶融させることが可能になる。したがって、ろう材箔20の内側部分20bが溶融し、この溶融したろう材がろう材箔20の外周縁に向けて拡がるように流れようとしても、その流れを、ろう材箔20の外周部分20aでせき止めることができる。また、前記加熱してセラミックス板11と回路層12とをろう付けする過程において、ろう材箔20の外周部分20aが溶融する時点を、全体が同一の材質からなるろう材箔を用いるのと比べて遅らせることが可能になり、この外周部分20aが溶融状態となっている時間を短縮することができる。
以上より、セラミックス板11の表面に回路層12をろう付けする際に、溶融したろう材が回路層12の側面を伝って、半導体チップ15が接合される表面に乗り上がるのを抑制することができる。
As described above, according to the power module substrate according to the present embodiment, the outer
As described above, when the
また、本実施形態では、外周部分20aは内側部分20bを形成する材質よりも液相温度が10℃以上30℃以下高い材質で形成されているので、前記の作用効果が確実に奏効されることになる。すなわち、両液相温度の差が10℃より小さいと、ろう付け時の加熱温度を加熱炉内の全域にわたってばらつき少なく均一にしなければ、外周部分20aが内側部分20bと略同時に溶融し始めたり、あるいは外周部分20aが溶融した後に、内側部分20bが溶融したりするおそれがある。また、両液相温度の差が30℃より大きいと、ろう材箔20において、内側部分20bを溶融させた後、外周部分20aを溶融させるまでに、この内側部分20bのろう材を熱により変質させたり、あるいは外周部分20aおよび内側部分20bの各組成が互いに大きく異なったことに起因して、ろう付け時に互いが反応し合い例えばろう付けの接合強度を低下させる等し、さらには、加熱炉の温度制御が困難になる等のおそれがある。
In the present embodiment, the outer
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、前記実施形態では、パワーモジュール用基板14として金属層18を備えた構成を示したが、この金属層18を設けなくてもよい。さらに、パワーモジュール10として冷却器16を備えた構成を示したが、この冷却器16を設けなくてもよい。
また、ろう材箔20の外周部分20aおよび内側部分20bを形成する各材質は、前記実施形態で示したものに限られるものではない。さらに、外周部分20aは、内側部分20bを形成する材質よりも液相温度が高い材質で形成されていればよく、その温度差は10℃以上30℃以下の範囲外であってもよい。
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, in the above-described embodiment, the configuration in which the
Moreover, each material which forms the outer
さらに、前記実施形態では、ろう材箔20の外周部分20aとして、回路層12の裏面の外周縁に沿ってその全周にわたって延在した構成を示したが、これに代えて、例えば図3に示されるように、周方向に分割された外周部分20aを採用してもよい。
また、前記実施形態では、ろう材箔20として、内側部分20bの外周縁と、外周部分20aの内周縁との間に略隙間のない構成を示したが、これに代えて、例えば約50μm程度であれば隙間を設けてもよい。さらに、図3に示したように、周方向に分割された外周部分20aでは、その周方向に隙間のない状態でセラミックス板11に配置してもよいし、あるいは約50μm程度であればこの周方向に隙間を設けてもよい。また、外周部分20aおよび内側部分20bの平面視形状は前記実施形態のものに限られるものではない。
Furthermore, in the said embodiment, although the structure extended over the perimeter along the outer periphery of the back surface of the
Moreover, in the said embodiment, although the structure without a substantially clearance gap was shown as the
セラミックス板の表面に回路層をろう付けする際に、溶融したろう材が回路層の側面を伝って、半導体チップが接合される表面に乗り上がるのを抑制することができる。 When the circuit layer is brazed to the surface of the ceramic plate, it is possible to suppress the molten brazing material from traveling onto the surface to which the semiconductor chip is bonded along the side surface of the circuit layer.
10 パワーモジュール
11 セラミックス板
12 回路層
14 パワーモジュール用基板
14a 積層体
15 半導体チップ
20 ろう材箔
20a 外周部分
20b 内側部分
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記ろう材箔は、前記積層体において、表面に前記回路層の外周縁部が配置される外周部分と、この外周部分に囲まれた内側部分とを備え、前記外周部分は前記内側部分を形成する材質と比べて液相温度が高い材質で形成されてい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 ceramic plate is obtained by arranging a brazing material foil and a circuit layer in this order on the surface of the ceramic plate to form a laminated body, and then heating the laminated body while being pressed in the laminating direction to melt the brazing material foil. A power module substrate is formed by brazing a circuit layer on the surface of the power module, and forming a power module substrate on which the semiconductor chip is soldered to the surface of the circuit layer,
The brazing material foil includes an outer peripheral portion where an outer peripheral edge portion of the circuit layer is disposed on a surface of the laminated body, and an inner portion surrounded by the outer peripheral portion, and the outer peripheral portion forms the inner portion. A method for manufacturing a power module substrate, characterized in that the substrate is formed of a material having a liquidus temperature higher than that of the material.
前記外周部分は前記内側部分を形成する材質よりも液相温度が10℃以上30℃以下高い材質で形成されてい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 method for manufacturing a power module substrate according to claim 1,
The method of manufacturing a power module substrate, wherein the outer peripheral portion is formed of a material having a liquidus temperature higher by 10 ° C. or more and 30 ° C. or less than a material forming the inner portion.
請求項1または2に記載のパワーモジュール用基板の製造方法により形成されたことを特徴とするパワーモジュール用基板。 A power module substrate in which a circuit layer is brazed to the surface of a ceramic plate, and a semiconductor chip is soldered to the surface of the circuit layer,
A power module substrate formed by the method for manufacturing a power module substrate according to claim 1.
前記パワーモジュール用基板は、請求項1または2に記載のパワーモジュール用基板の製造方法により形成されたことを特徴とするパワーモジュール。
A power module including a power module substrate having a circuit layer brazed to the surface of a ceramic plate, and a semiconductor chip soldered to the surface of the circuit layer,
The power module substrate is formed by the method for manufacturing a power module substrate according to claim 1 or 2.
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