JP2008147307A

JP2008147307A - Circuit board and semiconductor module having same

Info

Publication number: JP2008147307A
Application number: JP2006331022A
Authority: JP
Inventors: Junichi Watanabe; 渡辺　　純一; Taku Fujita; 卓藤田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2008-06-26

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a circuit board having both high heat radiation efficiency and durability, in which a semiconductor chip to be mounted can operate with a large power by preventing the generation of cracks on a solder layer for joining the circuit board to a heat radiation base and the forming of a compound layer on an interface between a metal heat radiation plate and an aluminum layer. <P>SOLUTION: The circuit board has a configuration in which a metal circuit board is formed on one surface of a ceramic substrate and a metal heat radiation plate is formed on the other surface, wherein the metal circuit board or the metal heat radiation plate is made of copper or copper alloy and an aluminum layer is formed by thermal spraying on the surface of the metal heat radiation plate. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、主に大電力で動作する半導体チップを搭載する回路基板、およびこれを用いた半導体モジュールの構造に関する。 The present invention relates to a circuit board on which a semiconductor chip operating mainly with high power is mounted, and a structure of a semiconductor module using the circuit board.

近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（例えばＩＧＢＴモジュール）が用いられている。こうした半導体モジュールにおいては、半導体チップが自己の発熱によって高温になるため、その放熱を効率よく行なうという機能が要求される。このため、この半導体モジュールにおいて、半導体チップを搭載する回路基板としては、機械的強度が高く、熱伝導率の高いセラミックス基板に金属板を接合したものが広く使用されている。ここで、金属板はセラミックス基板の両面に接合され、その一面は金属回路板となり、他面は金属放熱板となる。金属回路板は、半導体チップに電気的に接続される配線としても機能する。 In recent years, power semiconductor modules (for example, IGBT modules) capable of high voltage and large current operation have been used as inverters for electric vehicles. In such a semiconductor module, since the semiconductor chip becomes high temperature due to its own heat generation, a function of efficiently radiating the heat is required. For this reason, in this semiconductor module, a circuit board on which a semiconductor chip is mounted is widely used in which a metal plate is bonded to a ceramic substrate having high mechanical strength and high thermal conductivity. Here, the metal plate is bonded to both surfaces of the ceramic substrate, one surface thereof is a metal circuit plate, and the other surface is a metal heat radiating plate. The metal circuit board also functions as a wiring electrically connected to the semiconductor chip.

金属回路板は配線として機能するため、セラミックス基板には高い絶縁性も要求され、金属回路板には、低い電気抵抗率も要求される。このため、セラミックス基板としては、窒化アルミニウム（熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ／Ｋ程度）、金属板としてはアルミニウム（熱伝導率が２４０Ｗ／ｍ／Ｋ程度、電気抵抗率が３．５×１０^−８Ω・ｍ）が用いられた。しかしながら、窒化アルミニウムはその機械的強度が不充分であるため、近年はより機械的強度の高い窒化珪素（熱伝導率が９０Ｗ／ｍ／Ｋ程度）が代わりに用いられている。また、金属板としては、より高い熱伝導率と低い電気抵抗率をもつ銅が好ましく用いられている。 Since the metal circuit board functions as wiring, the ceramic substrate is also required to have high insulation, and the metal circuit board is also required to have low electrical resistivity. Therefore, aluminum nitride (thermal conductivity is about 170 W / m / K) is used as the ceramic substrate, and aluminum (thermal conductivity is about 240 W / m / K, electrical resistivity is 3.5 × 10 ⁻ ) as the metal plate. ⁸ Ω · m) was used. However, since aluminum nitride has insufficient mechanical strength, silicon nitride having higher mechanical strength (having a thermal conductivity of about 90 W / m / K) has been used instead in recent years. As the metal plate, copper having a higher thermal conductivity and a lower electric resistivity is preferably used.

この回路基板上の金属回路板に半導体チップが接合され、半導体モジュールが形成される。金属回路板は、セラミックス基板の一面においてその全面を覆うことはなく、所定の配線パターンに加工される。一方、金属放熱板は、放熱を目的としてセラミックス基板に接合されている。そのため、セラミックス基板の他面においてほぼその全面を覆って形成される。また、実際にこの半導体モジュールが機器に搭載されるに際しては、この放熱板が、同様に熱伝導率の高い材料からなる放熱ベースに接合される。同一の金属板を金属放熱板と放熱ベースを兼ねてセラミックス基板に接合することもできる。この場合、セラミックス基板の一面には金属回路板が形成され、他面にはセラミックス基板よりも大きな面積を持った金属板が接合された形態となる。 A semiconductor chip is joined to the metal circuit board on the circuit board to form a semiconductor module. The metal circuit board is processed into a predetermined wiring pattern without covering the entire surface of one surface of the ceramic substrate. On the other hand, the metal heat sink is joined to the ceramic substrate for the purpose of heat dissipation. Therefore, it is formed so as to cover almost the entire surface of the other surface of the ceramic substrate. Further, when the semiconductor module is actually mounted on a device, the heat radiating plate is joined to a heat radiating base made of a material having a high thermal conductivity. The same metal plate can also be joined to the ceramic substrate as a metal heat radiating plate and a heat radiating base. In this case, a metal circuit board is formed on one surface of the ceramic substrate, and a metal plate having a larger area than the ceramic substrate is bonded to the other surface.

この半導体モジュールを含む機器がＯＮの場合には半導体チップが高温となり、ＯＦＦの場合には常温となる。さらに、寒冷地においては−２０℃程度の厳寒な条件にも至ることもある。従って、通常の使用において、この半導体モジュールは、多数回の冷熱サイクルにさらされる。この半導体モジュールを構成する半導体チップ、セラミックス基板、金属放熱板（銅板）等の熱膨張率は異なる（例えば、半導体チップを構成するシリコンの熱膨張係数は３．０×１０^−６／Ｋ、銅は１７×１０^−６／Ｋ、窒化珪素は２．５×１０^−６／Ｋ程度）ため、これらを接合した場合、この冷熱サイクルに際しては、この熱膨張差に起因した歪みが発生する。この歪みの大きさや方向は、このサイクル中で変化する。このため、この半導体モジュールにおいては、冷熱サイクルによって、セラミックス基板や半導体チップが割れたり、半導体チップと金属回路板との接続部が破断することがあった。従って、この歪みによってこの半導体モジュールの冷熱サイクルに対する耐久性が劣化する。また、破壊を生じない場合でも、高温において放熱ベースとの接合部分で大きな反りが生ずると、熱伝導性が悪くなり、放熱効率が低下する。 When the device including the semiconductor module is ON, the semiconductor chip has a high temperature, and when the device is OFF, the temperature is room temperature. Furthermore, in cold regions, it may reach severe conditions of about -20 ° C. Thus, in normal use, the semiconductor module is subjected to multiple cold cycles. The thermal expansion coefficients of the semiconductor chip, the ceramic substrate, the metal heat sink (copper plate), etc. constituting this semiconductor module are different (for example, the thermal expansion coefficient of silicon constituting the semiconductor chip is 3.0 × 10 ⁻⁶ / K, copper 17 × 10 ⁻⁶ / K, and silicon nitride is about 2.5 × 10 ⁻⁶ / K). Therefore, when these are joined, distortion due to this thermal expansion difference occurs during this cooling / heating cycle. The magnitude and direction of this distortion changes during this cycle. For this reason, in this semiconductor module, the ceramic substrate or the semiconductor chip may be broken or the connection portion between the semiconductor chip and the metal circuit board may be broken due to the cooling / heating cycle. Therefore, the durability of the semiconductor module with respect to the thermal cycle deteriorates due to this distortion. Even if no breakdown occurs, if a large warp occurs at the junction with the heat dissipation base at a high temperature, the thermal conductivity deteriorates and the heat dissipation efficiency decreases.

また、一般に、セラミックス基板と、金属回路板や金属放熱板となる金属板との接合はろう付けを用いて行われる。この接合に要する温度は、例えば、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材を用いた場合には、７００℃以上であるため、この接合後に常温に戻った状態においては、この方法で製造された回路基板は、反りを生じている。従って、この回路基板を放熱ベースに接合して使用する場合、特に高温の場合でなくとも、これによって放熱効率が低下することがある。 In general, the ceramic substrate and the metal plate serving as the metal circuit plate or the metal heat radiating plate are joined by brazing. The temperature required for this bonding is, for example, 700 ° C. or more when using an Ag—Cu brazing material, and in this state, the circuit board manufactured by this method is There is warping. Therefore, when this circuit board is used while being joined to a heat dissipation base, the heat dissipation efficiency may be reduced even when the circuit board is not particularly hot.

図４には従来の半導体モジュールの断面図を示す。この半導体モジュール１１は、金属回路板３上に半導体チップ６がはんだ層７を介して接合して搭載されている。また、放熱ベース１３がはんだ層１２を介して金属放熱板４に接合されている。 FIG. 4 shows a cross-sectional view of a conventional semiconductor module. In this semiconductor module 11, a semiconductor chip 6 is mounted on a metal circuit board 3 through a solder layer 7. Further, the heat dissipation base 13 is joined to the metal heat dissipation plate 4 via the solder layer 12.

半導体チップ６は、例えばＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような半導体デバイスが形成されたシリコンチップである。特にこの半導体デバイスは、大電力で動作するものとすることができる。これによる発熱がこの回路基板１によって放熱される。なお、回路基板１はセラミックス基板２の表裏に金属回路板３および金属放熱板４がろう材５を介して一体化された構造となっている。また、半導体チップ６と配線となる金属回路板３との電気的接続は、ボンディングワイヤ（図示せず）を用いてもよいし、フリップチップ接続を用いることにより、はんだ等のバンプにより行ってもよい。さらには、半導体素子との接合信頼性（パワーサイクル特性）を向上させるため、銅および銅合金あるいは、銅とインバーとのクラッド材からなるリード板による接合を行ってもよい。 The semiconductor chip 6 is a silicon chip on which a semiconductor device such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is formed. In particular, this semiconductor device can be operated with high power. Heat generated thereby is radiated by the circuit board 1. The circuit board 1 has a structure in which a metal circuit board 3 and a metal heat radiating plate 4 are integrated with a brazing material 5 on the front and back of the ceramic substrate 2. Further, the electrical connection between the semiconductor chip 6 and the metal circuit board 3 serving as the wiring may be performed using a bonding wire (not shown), or may be performed by a bump such as solder by using a flip chip connection. Good. Further, in order to improve the bonding reliability (power cycle characteristics) with the semiconductor element, bonding with a lead plate made of a clad material of copper and copper alloy or copper and invar may be performed.

はんだ層７は、例えば、Ｓｎ−５％Ｐｂはんだであり、その融点は２７０℃程度である。従って、これを用いて半導体チップ６と金属回路板３と２９０℃程度の温度で接合することができる。この接合温度はろう材５の融点よりも大幅に低いため、この接合に際しては金属回路板３および金属放熱板４とセラミックス基板２との接合に影響を与えることはない。このはんだ層７は、冷熱サイクルに際しては、上記の半導体チップ６と金属回路板３との熱膨張差によって内部応力が加わった状態となる。フリップチップ接続を用いた場合には、このはんだ層７によって半導体チップ６と金属回路板３との電気的接続もなされる。 The solder layer 7 is, for example, Sn-5% Pb solder, and its melting point is about 270 ° C. Therefore, the semiconductor chip 6 and the metal circuit board 3 can be bonded at a temperature of about 290 ° C. using this. Since this joining temperature is significantly lower than the melting point of the brazing material 5, the joining of the metal circuit board 3 and the metal heat sink 4 and the ceramic substrate 2 is not affected during this joining. The solder layer 7 is in a state where internal stress is applied due to a difference in thermal expansion between the semiconductor chip 6 and the metal circuit board 3 during the cooling and heating cycle. When the flip chip connection is used, the semiconductor layer 6 and the metal circuit board 3 are also electrically connected by the solder layer 7.

はんだ層１２は、例えば共晶Ｐｂ−Ｓｎはんだであり、その融点は１９０℃程度である。これを用いて金属放熱板４（回路基板１）と放熱ベース１３とを２１０℃程度の温度で接合することができる。 The solder layer 12 is eutectic Pb—Sn solder, for example, and its melting point is about 190 ° C. Using this, the metal heat radiating plate 4 (circuit board 1) and the heat radiating base 13 can be joined at a temperature of about 210 ° C.

放熱ベース１３は、機器側でこの回路基板１を搭載する部分である。放熱ベース１３は金属放熱板４に伝わった熱を放熱するため、熱伝導率が高く、熱容量が大きいことが望ましい。また、放熱ベース１３は前記の通りはんだ層１２を介して回路基板１と接続されるため回路基板１に近い熱膨張係数をもつ材料で形成されることが好ましい。このため従来は例えば銅・モリブデン或いは銅・タングステン等の熱膨張係数が１０×１０^−６／Ｋ前後の金属材料としては比較的小さい材料が用いられている。このような材料を用いることではんだ層１２の信頼性を確保している。放熱ベース１３ははんだ層１２を介して金属放熱板４と接続されるにもかかわらず回路基板１の熱膨張係数を重要視するのは次の理由による。すなわち、回路基板１は金属放熱板４、金属回路板３およびセラミックス基板２がろう材により互いに強固に接合されて構成されるため、前記三つの部材の複合された挙動・物性を示します。このことから回路基板１は全体として金属放熱板４および金属回路板３を構成する銅とセラミックス基板２を構成するセラミックスの中間の熱膨張係数を有し、単純な銅である金属放熱板４よりも小さい熱膨張係数を有するからである。 The heat dissipation base 13 is a part on which the circuit board 1 is mounted on the device side. Since the heat radiating base 13 radiates heat transmitted to the metal heat radiating plate 4, it is desirable that the heat radiating base 13 has a high thermal conductivity and a large heat capacity. Further, since the heat dissipation base 13 is connected to the circuit board 1 through the solder layer 12 as described above, it is preferable that the heat dissipation base 13 be formed of a material having a thermal expansion coefficient close to that of the circuit board 1. For this reason, conventionally, a relatively small material such as copper / molybdenum or copper / tungsten having a thermal expansion coefficient of around 10 × 10 ⁻⁶ / K has been used. The reliability of the solder layer 12 is ensured by using such a material. Although the heat dissipation base 13 is connected to the metal heat dissipation plate 4 through the solder layer 12, the thermal expansion coefficient of the circuit board 1 is regarded as important for the following reason. In other words, the circuit board 1 is composed of the metal heat radiating plate 4, the metal circuit board 3 and the ceramic substrate 2 which are firmly joined to each other by the brazing material, so that the above three members exhibit the combined behavior and physical properties. Therefore, the circuit board 1 as a whole has a thermal expansion coefficient intermediate between the copper constituting the metal heat sink 4 and the metal circuit board 3 and the ceramic constituting the ceramic board 2, and the metal heat sink 4 is simple copper. This is because it also has a small coefficient of thermal expansion.

前記のような構成である図４に示す半導体モジュール１１は冷熱サイクルに対する高い耐久性を有しているが、銅・モリブデン或いは銅・タングステン等の低熱膨張材料はその熱伝導率が高々２００W／ｍKと低いこと、比重が重くモジュール重量が大きくなること、更にはモリブデン、タングステン等の希少金属を使用するため、コスト高となる等の課題を有している。 The semiconductor module 11 shown in FIG. 4 having the above-described configuration has high durability against a thermal cycle, but a low thermal expansion material such as copper / molybdenum or copper / tungsten has a thermal conductivity of 200 W / mK at most. However, the use of rare metals such as molybdenum and tungsten increases the cost and the like.

図４に示すモジュールの課題を解決するモジュールとして、図３に示すモジュールがある。図３の半導体モジュールでは、放熱ベース１３には銅もしくは銅合金等の熱伝導性の高い材料が使用される。銅もしくは銅合金の熱膨張係数は１７×１０^−６／Ｋ前後と回路基板１に比べて大きく、図４に示した回路基板１と放熱ベース１３とをはんだ層１２を介して接合すると、両者の熱膨張係数の差が大きいため冷熱サイクル試験ではんだ層１２にクラックが発生し易い。クラックは伝熱抵抗を大きくするため好ましくない。そこで図３に示す半導体モジュール１１では金属放熱板４の下にアルミニウム板２１を介してはんだ層１２により、回路基板１と放熱ベース１３とを接合している。アルミニウム板２１は柔らかい材料であるため応力緩和の機能を有し、結果としてはんだ層１２の信頼性を確保することができる。なお、図３では銅・アルミニウムの２層構造を示したが、銅もしくは銅合金の上下両側にアルミニウム層を設けた構造（特許文献１）や、銅もしくは銅合金層を多孔質層として応力緩和を更に改善した方法（特許文献２）も開示されている。 As a module for solving the problem of the module shown in FIG. 4, there is a module shown in FIG. In the semiconductor module of FIG. 3, a material having high thermal conductivity such as copper or copper alloy is used for the heat dissipation base 13. The thermal expansion coefficient of copper or copper alloy is about 17 × 10 ⁻⁶ / K, which is larger than that of the circuit board 1. When the circuit board 1 and the heat dissipation base 13 shown in FIG. Since the difference in thermal expansion coefficient is large, cracks are likely to occur in the solder layer 12 in the thermal cycle test. Cracks are undesirable because they increase heat transfer resistance. Therefore, in the semiconductor module 11 shown in FIG. 3, the circuit board 1 and the heat radiating base 13 are joined to each other by the solder layer 12 via the aluminum plate 21 below the metal heat radiating plate 4. Since the aluminum plate 21 is a soft material, it has a stress relaxation function, and as a result, the reliability of the solder layer 12 can be ensured. 3 shows a two-layer structure of copper / aluminum, but a structure in which aluminum layers are provided on both upper and lower sides of copper or a copper alloy (Patent Document 1), or stress relaxation using a copper or copper alloy layer as a porous layer. There is also disclosed a method (Patent Document 2) in which the above is further improved.

特開２００１−１８５８２６号公報JP 2001-185826 A 特開２０００−１３８３１９号公報JP 2000-138319 A

前述した図３に示す半導体モジュール或いは特許文献１および特許文献２に開示されている回路基板では銅もしくは銅合金とアルミニウム板が５００℃前後の温度で熱圧着されることで一体化されることが開示されている。しかしながら、銅とアルミニウムは４００℃以上の温度となると反応して化合物を形成し易いため、４００℃以上の温度にさらされると金属放熱板４とアルミニウム板２１との界面には銅とアルミニウムよりなる化合物層が形成される。この化合物層は極めて脆いため、半導体モジュールが冷熱サイクルや衝撃を受けるとクラックを生じやすく、半導体モジュールの信頼性を大幅に低減させてしまう。 In the semiconductor module shown in FIG. 3 or the circuit board disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, copper or a copper alloy and an aluminum plate may be integrated by thermocompression bonding at a temperature of about 500 ° C. It is disclosed. However, since copper and aluminum easily react to form a compound when the temperature is 400 ° C. or higher, when exposed to a temperature of 400 ° C. or higher, the interface between the metal heat sink 4 and the aluminum plate 21 is made of copper and aluminum. A compound layer is formed. Since this compound layer is extremely fragile, when the semiconductor module is subjected to a thermal cycle or an impact, cracks are likely to occur, and the reliability of the semiconductor module is greatly reduced.

また、上記の化合物層の生成抑制に効果のある銀等の金属層を銅とアルミニウムの界面に挟みこんだ銅・銀・アルミニウムからなる三層クラッド材を作製し、これとセラミックス基板２とをろう材５を用いて接合するなども試みられている。しかしながら、銀を挟みこんだ場合でも銅とアルミニウムとの反応を完全に抑制することは困難であり、従って、高い放熱効率および耐久性を兼ね備え、搭載する半導体チップを大電力で動作させることのできる半導体モジュールを得ることは困難であった。 In addition, a three-layer clad material made of copper, silver, and aluminum, in which a metal layer such as silver, which is effective in suppressing the formation of the compound layer, is sandwiched between the interfaces of copper and aluminum, is prepared. Attempts have been made to join using the brazing material 5. However, even when silver is sandwiched, it is difficult to completely suppress the reaction between copper and aluminum. Therefore, it has high heat dissipation efficiency and durability, and the mounted semiconductor chip can be operated with high power. It was difficult to obtain a semiconductor module.

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、回路基板と放熱ベースとを接合するはんだ層にクラックが発生すること及び金属放熱板とアルミニウム層との界面に化合物層が形成されることを防止することにより高い放熱効率および耐久性を兼ね備え、搭載する半導体チップを大電力で動作させることのできる回路基板およびそれを用いた半導体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 problems, and a crack is generated in a solder layer that joins a circuit board and a heat dissipation base, and a compound layer is formed at the interface between the metal heat dissipation plate and the aluminum layer. It is an object of the present invention to provide a circuit board that has high heat dissipation efficiency and durability by preventing this phenomenon and can operate a mounted semiconductor chip with high power, and a semiconductor module using the circuit board.

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。請求項１記載の発明の要旨は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が形成され、他方の面に金属放熱板が形成された回路基板であって、前記金属回路板および前記金属放熱板が銅または銅合金であり、前記金属放熱板の表面に溶射によりアルミニウム層が形成されていることを特徴とする回路基板に存する。 In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations. The gist of the invention described in claim 1 is a circuit board in which a metal circuit board is formed on one surface of a ceramic substrate and a metal heat sink is formed on the other surface, the metal circuit board and the metal heat sink. Is a copper or copper alloy, and an aluminum layer is formed on the surface of the metal heat sink by thermal spraying.

請求項２記載の発明の要旨は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が形成され、他方の面に金属放熱板が形成された回路基板であって、前記金属回路板および前記金属放熱板が銅または銅合金であり、前記金属放熱板の表面に溶射によりアルミニウム層が形成され、アルミニウム層の厚みは０．２mm〜１．５ｍｍであり、かつそのアルミニウムの純度が９８％以上であり、かつその相対密度が９５％以上であることを特徴とする回路基板に存する。 The gist of the invention described in claim 2 is a circuit board in which a metal circuit board is formed on one surface of a ceramic substrate and a metal heat radiating plate is formed on the other surface, the metal circuit board and the metal heat radiating plate. Is copper or a copper alloy, an aluminum layer is formed by thermal spraying on the surface of the metal heat sink, the thickness of the aluminum layer is 0.2 mm to 1.5 mm, and the purity of the aluminum is 98% or more, And it exists in the circuit board characterized by the relative density being 95% or more.

請求項３記載の発明の要旨は、金属回路板の厚みT1は０．３〜０．８ｍｍであり、かつ金属回路板の厚みT1と金属放熱板の厚みT2の比T２／T1が０．７〜１．０であることを特徴とする請求項項１乃至２のいずれか１項に記載の回路基板に存する。 The gist of the invention described in claim 3 is that the thickness T1 of the metal circuit board is 0.3 to 0.8 mm, and the ratio T2 / T1 between the thickness T1 of the metal circuit board and the thickness T2 of the metal heat sink is 0.7. It exists in the circuit board of any one of Claim 1 thru | or 2 characterized by the above-mentioned.

請求項４記載の発明の要旨は、常温における最大反り量が２００μｍ／ｉｎｃｈ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回路基板に存する。 The gist of the invention described in claim 4 resides in the circuit board according to any one of claims 1 to 3, wherein the maximum warpage amount at room temperature is 200 μm / inch or less.

請求項５記載の発明の要旨は、前記セラミックス基板が窒化珪素セラミックスであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回路基板に存する。 The gist of the invention of claim 5 resides in the circuit board according to any one of claims 1 to 4, wherein the ceramic substrate is silicon nitride ceramics.

請求項６記載の発明の要旨は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回路基板に半導体チップが搭載された半導体モジュールであって、前記金属回路板に前記半導体チップが接合され、前記金属放熱板に放熱ベースが接合されたことを特徴とする半導体モジュールに存する。 The gist of the invention of claim 6 is a semiconductor module in which a semiconductor chip is mounted on the circuit board according to any one of claims 1 to 5, wherein the semiconductor chip is joined to the metal circuit board, A semiconductor module is characterized in that a heat dissipation base is joined to the metal heat dissipation plate.

請求項７記載の発明の要旨は、前記放熱ベースが銅、銅合金、またはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュールに存する。 The gist of the invention described in claim 7 resides in the semiconductor module according to claim 6, wherein the heat dissipation base is copper, a copper alloy, or an aluminum alloy.

本発明は以上のように構成されているので、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備え、搭載する半導体チップを大電力で動作させることのできる半導体モジュールを得ることができる。 Since the present invention is configured as described above, it is possible to obtain a semiconductor module that has both high heat dissipation characteristics and high durability against a thermal cycle and can operate a semiconductor chip to be mounted with high power.

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る回路基板は、その構造を最適なものとすることにより、これを用いた半導体モジュールにおいては、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を有する。特に、半導体モジュールが実際に機器に搭載された状態において、その放熱特性と耐久性を従来構成と比較して、飛躍的に向上させている。この回路基板断面図が図１である。この回路基板１においては、セラミックス基板２の一方の面に金属回路板３が、他方の面に金属放熱板４が、それぞれろう材５を介して接合されている。その後、溶射法によりアルミニウム層２０が形成される。 (First embodiment)
The circuit board according to the first embodiment of the present invention has an optimum structure, so that a semiconductor module using the circuit board has high heat dissipation characteristics and high durability against a thermal cycle. In particular, when the semiconductor module is actually mounted on a device, its heat dissipation characteristics and durability are dramatically improved as compared with the conventional configuration. This circuit board cross-sectional view is shown in FIG. In this circuit board 1, a metal circuit board 3 is bonded to one surface of a ceramic substrate 2, and a metal heat sink 4 is bonded to the other surface via a brazing material 5. Thereafter, the aluminum layer 20 is formed by thermal spraying.

セラミックス基板２の材料としては、高い熱伝導率、絶縁性、および機械的強度を有し、厚い金属回路板３を接合できる各種の材料を用いることができる。中でも、窒化珪素セラミックスが特に好ましい。具体的には、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ程度以上、絶縁耐圧としてセラミックス基板厚が0.32mm厚みのものでAC８ｋV程度以上、抵抗値としては１０GΩ程度以上、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度以上、破壊靱性値が６ＭＰａ・ｍ^１／２程度以上である窒化珪素セラミックスが好ましい。熱伝導率がこれよりも小さい場合には回路基板の熱抵抗が大きくなることがある。３点曲げ強度や破壊靱性値がこれよりも小さな場合には、回路基板の製造時や冷熱サイクルによって発生する歪みによってクラックが発生する可能性がある。クラックは伝熱抵抗を大きくするため好ましくない。例えば、その厚さは０．３ｍｍであり、大きさは３０ｍｍ×５０ｍｍである。特にその大きさについてはその用途によって適宜決定される。さらに放熱性を向上させるためには、その厚さは、０．２ｍｍあるいは０．１ｍｍとすることが望ましい。 As a material for the ceramic substrate 2, various materials that have high thermal conductivity, insulating properties, and mechanical strength and that can join the thick metal circuit board 3 can be used. Among these, silicon nitride ceramics is particularly preferable. Specifically, the thermal conductivity is about 60 W / m · K or more, the dielectric breakdown voltage is about 0.32 mm for the ceramic substrate thickness, about 8 kV for AC, the resistance is about 10 GΩ or more, and the three-point bending strength is about 700 MPa or more. Silicon nitride ceramics having a fracture toughness value of about 6 MPa · m ^1/2 or more are preferable. When the thermal conductivity is smaller than this, the thermal resistance of the circuit board may increase. If the three-point bending strength or fracture toughness value is smaller than this, there is a possibility that cracks may occur due to distortion generated during the manufacture of the circuit board or by the thermal cycle. Cracks are undesirable because they increase heat transfer resistance. For example, the thickness is 0.3 mm and the size is 30 mm × 50 mm. In particular, the size is appropriately determined depending on the application. In order to further improve heat dissipation, the thickness is preferably 0.2 mm or 0.1 mm.

金属回路板３は銅または銅合金であり、セラミックス基板２の一方の面（図１中では上面）に形成されている。金属回路板３はこの上に搭載される半導体チップ（図示せず）と機械的および電気的に接続され、セラミックス基板２上でその配線となる。従って、金属回路板３はこの配線となるパターンで形成されており、例として図１中では２つの分離したパターンとなっている。また、金属回路板３は半導体チップとこの回路基板１との接点ともなるため、半導体チップからの熱をこの回路基板１に伝導させ、その放熱も行なう。また、はんだ濡れ性の確保やワイヤボンディングを容易にするために、金属回路板３の最表面にはＮｉ−Ｐメッキが施してあることが好ましい。 The metal circuit board 3 is made of copper or a copper alloy, and is formed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 2. The metal circuit board 3 is mechanically and electrically connected to a semiconductor chip (not shown) mounted thereon, and becomes a wiring on the ceramic substrate 2. Therefore, the metal circuit board 3 is formed in a pattern to be the wiring, and as an example, in FIG. Further, since the metal circuit board 3 also serves as a contact point between the semiconductor chip and the circuit board 1, heat from the semiconductor chip is conducted to the circuit board 1 and also radiates heat. In order to ensure solder wettability and facilitate wire bonding, the outermost surface of the metal circuit board 3 is preferably Ni-P plated.

金属放熱板４は銅または銅合金であり、セラミックス基板２の他方の面（図１中では下面）に形成されている。さらにアルミニウム層２０が金属放熱板４の下側の面に形成されている。金属放熱板４は半導体チップと電気的に接続されないため配線としての機能は有さない。一方、半導体チップから金属回路板３を介してこのセラミックス基板２に伝導した熱は、さらに金属放熱板４ならびにアルミニウム層２０を介して放熱される。このため、金属放熱板４ならびにアルミニウム層２０は、その放熱効率を高くするべく、セラミックス基板２のほぼ全面にわたり一様に形成されている場合が多く、一般的にはその総面積は金属回路板３よりも大きい。また、金属放熱板４の面積がセラミックス基板２の面積よりも大きくともよい。また、この回路基板１が半導体パッケージを構成して機器に搭載される場合には、アルミニウム層２０がはんだ層１２を介して放熱ベース１３に接合される。また、はんだ濡れ性の確保のために、金属回路板３と同様に、アルミニウム層２０の最表面にはＮｉ−Ｐメッキが施してあることが好ましい。 The metal heat sink 4 is made of copper or copper alloy, and is formed on the other surface (the lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 2. Further, an aluminum layer 20 is formed on the lower surface of the metal heat sink 4. Since the metal heat sink 4 is not electrically connected to the semiconductor chip, it does not have a function as a wiring. On the other hand, heat conducted from the semiconductor chip to the ceramic substrate 2 through the metal circuit board 3 is further radiated through the metal heat sink 4 and the aluminum layer 20. For this reason, in many cases, the metal heat sink 4 and the aluminum layer 20 are uniformly formed over almost the entire surface of the ceramic substrate 2 in order to increase the heat dissipation efficiency, and generally the total area thereof is a metal circuit board. Greater than 3. Moreover, the area of the metal heat sink 4 may be larger than the area of the ceramic substrate 2. When the circuit board 1 constitutes a semiconductor package and is mounted on a device, the aluminum layer 20 is joined to the heat dissipation base 13 via the solder layer 12. Further, in order to ensure solder wettability, it is preferable that the outermost surface of the aluminum layer 20 is subjected to Ni—P plating similarly to the metal circuit board 3.

金属回路板３および金属放熱板４とセラミックス基板２とを接合するろう材５としては、例えばＴｉを含有するＡｇ−Ｃｕ系活性ろう材が用いられ、これによって７００℃〜９００℃程度の温度範囲で金属回路板３と金属放熱板４がセラミックス基板２に強固に接合される。ろう材の厚さは２０μｍ程度と金属回路板３等と比べて薄く、熱伝導率も高いため、ろう材５による接合が強固であれば、この部分の熱抵抗は他の部分と比べて無視できる。一方、この接合部に破断が生ずると熱抵抗の増大の原因となる。また、ろう材５によって銅または銅合金からなる金属回路板３等を接合する際の接合温度（ろう付け温度）は前述の７００℃〜900℃と高温であるため、アルミニウム層２０形成の前に接合を行い、金属放熱板４とアルミニウム層２０との反応を防ぐ必要がある。 As the brazing material 5 for joining the metal circuit board 3 and the metal heat radiating plate 4 to the ceramic substrate 2, for example, an Ag—Cu based active brazing material containing Ti is used, and thereby a temperature range of about 700 ° C. to 900 ° C. Thus, the metal circuit board 3 and the metal heat sink 4 are firmly joined to the ceramic substrate 2. The thickness of the brazing material is about 20 μm, which is thin compared to the metal circuit board 3 and the like, and has a high thermal conductivity. Therefore, if the joining by the brazing material 5 is strong, the thermal resistance of this part is negligible compared to other parts. it can. On the other hand, if the joint is broken, it causes an increase in thermal resistance. Further, since the joining temperature (brazing temperature) when joining the metal circuit board 3 made of copper or copper alloy with the brazing material 5 is as high as 700 ° C. to 900 ° C. described above, before the aluminum layer 20 is formed. It is necessary to perform bonding and prevent the reaction between the metal heat sink 4 and the aluminum layer 20.

以上のように、Ｔｉを含有するＡｇ−Ｃｕ系活性ろう材での接合強度は極めて高いため、信頼性に優れた接合方法である反面、その接合温度が７００℃〜９００℃と高いため、アルミニウムとの接合には適さない。本発明ではアルミニウム層２０の形成に溶射法を用いることにより、接合時に回路基板の温度上昇を最小限に抑えることができる。 As described above, since the bonding strength of the Ag-Cu-based active brazing material containing Ti is extremely high, the bonding method is excellent in reliability, but the bonding temperature is as high as 700 ° C to 900 ° C. Not suitable for joining. In the present invention, by using a thermal spraying method for forming the aluminum layer 20, the temperature rise of the circuit board can be minimized during bonding.

溶射法にはプラズマ溶射法、ワイヤ溶射法、パウダ溶射法等各種の方法があるが、基本的にはいずれの方法でも回路基板の温度上昇は３００℃以下に抑えられるため、いずれの溶射方法でも適用可能である。なお、プラズマ溶射法はプラズマアークを噴流にし、この高温噴流中に溶射粉末を供給して溶融させ、高速で噴射して溶射皮膜を形成する方法である。ワイヤ溶射法は溶射す金属或いは合金線材を酸素−アセチレン炎、または電気アークを熱源として溶融し、これをジェットエアーによってアトマイズすると共に高速で連続的に噴射して溶射皮膜を形成する方法である。パウダ溶射法は自溶合金粉末をパウダ溶射ガンで酸素−アセチレン炎を熱源として溶融噴射して溶射層を形成する方法である。いずれの方法においても被溶射物の温度上昇は３００℃以下に抑えられるため、アルミニウム層２０と金属放熱板４との反応を最小限に抑制することができる。アルミニウムの融点が約６６０℃であるにも拘わらず被溶射物の温度上昇が３００℃以下に抑えられるのは、溶射粉末が微粉末状態で熱伝導性の高い被溶射物にぶつかるため瞬間的に冷却されやすく、結果として被溶射物の温度上昇が抑えられるものと思われる。ここでＣｕ−Ａｌ化合物層の有無は断面観察で接合部分の界面を観察して確認することができる。 There are various thermal spraying methods such as plasma spraying, wire spraying, powder spraying, etc. Basically, any method can suppress the temperature rise of the circuit board to 300 ° C. or lower. Applicable. The plasma spraying method is a method in which a plasma arc is jetted, sprayed powder is supplied into the high-temperature jet and melted, and sprayed at a high speed to form a sprayed coating. The wire spraying method is a method in which a metal or alloy wire to be sprayed is melted using an oxygen-acetylene flame or an electric arc as a heat source, atomized by jet air, and continuously sprayed at a high speed to form a sprayed coating. The powder spraying method is a method in which a self-fluxing alloy powder is melt sprayed with a powder spray gun using an oxygen-acetylene flame as a heat source to form a sprayed layer. In any method, since the temperature rise of the sprayed object can be suppressed to 300 ° C. or less, the reaction between the aluminum layer 20 and the metal heat sink 4 can be suppressed to the minimum. Although the melting point of aluminum is about 660 ° C., the temperature rise of the sprayed material can be suppressed to 300 ° C. or less because the sprayed powder hits the sprayed material having a high thermal conductivity in a fine powder state. It seems that it is easy to cool, and as a result, the temperature rise of the sprayed material can be suppressed. Here, the presence or absence of the Cu—Al compound layer can be confirmed by observing the interface of the bonded portion by cross-sectional observation.

セラミックス基板２として０．３ｍｍ厚の窒化珪素セラミックス、金属回路板３には厚み０．５ｍｍの無酸素銅、金属放熱板４には厚み０．４ｍｍの無酸素銅をそれぞれ用い、金属回路板３と金属放熱板４をろう材５によりそれぞれセラミックス基板２に接合した。次いで、金属放熱板４上に溶射法によりアルミニウム層２０を形成し、無電解Ｎｉ−Ｐめっきを金属回路板３およびアルミニウム層２０の表面に形成し回路基板とした。その後、この回路基板に半導体チップを搭載し、放熱ベースに接合して、後述する構造の半導体モジュールを作製した。この半導体モジュールにおいて−４０℃〜＋１２５℃の温度範囲の冷熱サイクルを３０００回行い、その放熱効率および耐久性を判定した。ここで、放熱効率を示す指標として、冷熱サイクル印加前後の半導体チップからの熱抵抗を測定した。ここで、熱抵抗はＪＩＳＡ１４１２で規定される量である。印加前の初期熱抵抗が０．２０℃／Ｗよりも大きな場合を不合格とした。また、３０００回印加後に、半導体チップ６と金属回路板３との接合部またはアルミニウム層２０と放熱ベース１３との接合部が破断した場合、もしくは試験後の熱抵抗値が試験前よりも２５％以上高くなった場合を不合格とした。 A 0.3 mm thick silicon nitride ceramic is used as the ceramic substrate 2, 0.5 mm thick oxygen free copper is used for the metal circuit board 3, and 0.4 mm thick oxygen free copper is used for the metal heat sink 4. The metal heat radiating plate 4 was joined to the ceramic substrate 2 by the brazing material 5. Next, an aluminum layer 20 was formed on the metal heat sink 4 by thermal spraying, and electroless Ni—P plating was formed on the surfaces of the metal circuit board 3 and the aluminum layer 20 to obtain a circuit board. Thereafter, a semiconductor chip was mounted on this circuit board and joined to a heat dissipation base to produce a semiconductor module having a structure to be described later. In this semiconductor module, a cooling cycle in the temperature range of −40 ° C. to + 125 ° C. was performed 3000 times, and the heat dissipation efficiency and durability were determined. Here, the thermal resistance from the semiconductor chip before and after application of the cooling cycle was measured as an index indicating the heat dissipation efficiency. Here, the thermal resistance is an amount defined by JISA1412. The case where the initial thermal resistance before application was larger than 0.20 ° C./W was regarded as unacceptable. Further, after 3000 times of application, when the joint between the semiconductor chip 6 and the metal circuit board 3 or the joint between the aluminum layer 20 and the heat dissipation base 13 is broken, or the thermal resistance value after the test is 25% than before the test. The case where it became higher than the above was regarded as rejected.

また、回路基板の熱抵抗を低減するためには、回路基板の反り量を低減し、回路基板と放熱ベース等との接触を良好にすることが必要である。回路基板と放熱ベースはんだで互いに接合されるが回路基板の反りが大きいとはんだ層に空隙が生じやすく、空隙量が増大すると空隙が熱伝達を妨げ熱抵抗が大きくなる。そのためそり量を低減する必要がある。ろう材５により、金属回路板３と金属放熱板４とをセラミックス基板２とを接合した状態では、回路基板の反りは３０μｍ／ｉｎｃｈ（１ｉｎｃｈは０．０２５４ｍ）程度である。その後、アルミニウム層２０を形成する際に溶射条件によっては基板が大きく反る場合があるが、アルミニウムの噴射量や噴射ノズルと被溶射物との距離などの溶射条件の調整により、放熱性に支障ない反りのレベル、具体的には、常温におけるその最大反り量の絶対値を２００μｍ／ｉｎｃｈ（１ｉｎｃｈは０．０２５４ｍ）以下とすることができる。 Further, in order to reduce the thermal resistance of the circuit board, it is necessary to reduce the amount of warping of the circuit board and to improve the contact between the circuit board and the heat dissipation base. The circuit board and the heat-dissipating base solder are joined to each other, but if the warp of the circuit board is large, voids are likely to be generated in the solder layer, and when the void amount increases, the voids prevent heat transfer and increase the thermal resistance. Therefore, it is necessary to reduce the amount of warpage. In a state where the metal circuit board 3 and the metal heat sink 4 are joined to the ceramic substrate 2 by the brazing material 5, the warpage of the circuit board is about 30 μm / inch (1 inch is 0.0254 m). Thereafter, when the aluminum layer 20 is formed, the substrate may be greatly warped depending on the spraying conditions. However, heat dissipation is hindered by adjusting the spraying conditions such as the amount of aluminum sprayed and the distance between the spray nozzle and the sprayed object. There is no warp level, specifically, the absolute value of the maximum warp amount at room temperature can be 200 μm / inch (1 inch is 0.0254 m) or less.

この回路基板１は、例えば、以下の通りにして製造できる。セラミックス基板２（窒化珪素セラミックス）の両面に活性金属ろう材５として例えば、Ｔｉが添加されたＡｇ−Ｃｕ系合金に代表される活性金属を印刷形成する。次に、絶縁性セラミックス基板２とほぼ同じ長方形状の金属板である無酸素銅を両面に７００℃〜９００℃の温度で加熱接合する。このうち一方は金属回路板３となり、他方は金属放熱板４となる。その後、金属放熱板４の上に溶射法により、アルミニウム層２０を形成する。その後、一方の面の金属板上にレジストパターンを形成後に、例えば塩化第二鉄溶液あるいは塩化第二銅溶液によってエッチング処理して回路パターンをなす金属回路板３を形成する。他方の面に接合された金属板をそのままエッチング処理無しで金属放熱板４およびアルミニウム層２０としてもよいし、同様に所望の形状に加工して金属放熱板４およびアルミニウム層２０としてもよい。また、これによって露出した部分のろう材５も例えば塩化第二鉄あるいは塩化第二銅溶液によってエッチング処理して回路パターンをなす金属回路板３を形成する。また、これによって露出した部分のろう材５のエッチングは、例えば過酸化水素とフッ化アンモニウムとの混合溶液によって引き続き行われる。さらに回路パターン形成後の金属回路板３及び金属放熱板４にＮｉ−Ｐメッキを施し、回路基板１が作製される。なお、このメッキ処理を施さないことも可能であり、この場合には回路パターン形成後に化学研磨を行い、ベンゾトリアゾール等などの防錆剤を添付する。また、選択するはんだ材種に応じてロジンなどの濡れ性向上成分を含有した防錆剤を用いる。 This circuit board 1 can be manufactured as follows, for example. For example, an active metal typified by an Ag—Cu alloy to which Ti is added is printed and formed on both surfaces of the ceramic substrate 2 (silicon nitride ceramics). Next, oxygen-free copper, which is a rectangular metal plate that is substantially the same as the insulating ceramic substrate 2, is heated and bonded to both surfaces at a temperature of 700 ° C. to 900 ° C. One of these is the metal circuit board 3 and the other is the metal heat sink 4. Thereafter, the aluminum layer 20 is formed on the metal heat radiating plate 4 by thermal spraying. Then, after forming a resist pattern on the metal plate on one side, a metal circuit plate 3 having a circuit pattern is formed by etching with a ferric chloride solution or a cupric chloride solution, for example. The metal plate bonded to the other surface may be used as it is as the metal heat radiating plate 4 and the aluminum layer 20 without etching, or may be processed into a desired shape to form the metal heat radiating plate 4 and the aluminum layer 20. Further, the exposed brazing material 5 is also etched with, for example, ferric chloride or cupric chloride solution to form a metal circuit board 3 having a circuit pattern. Further, the etching of the brazing material 5 in the exposed portion is continued, for example, with a mixed solution of hydrogen peroxide and ammonium fluoride. Further, Ni-P plating is applied to the metal circuit board 3 and the metal heat sink 4 after the circuit pattern is formed, so that the circuit board 1 is manufactured. In addition, it is also possible not to perform this plating process. In this case, chemical polishing is performed after the circuit pattern is formed, and a rust preventive agent such as benzotriazole is attached. Further, a rust inhibitor containing a wettability improving component such as rosin is used according to the solder material type to be selected.

以上のように作製した回路基板１においては、常温、および冷熱サイクルにおける耐久性が高い。従って、これに半導体チップを搭載し、放熱ベースに接合して半導体モジュールを形成した場合には、冷熱サイクルに対して高い耐久性を有する。特に、この回路基板１は、金属放熱板４の表面に応力緩和層として機能するアルミニウム層２０を備えているため、これを用いた半導体モジュールとして実装された状況において高い耐久性を有する。 The circuit board 1 manufactured as described above has high durability at room temperature and in a cooling / heating cycle. Therefore, when a semiconductor chip is mounted on the semiconductor chip and bonded to the heat dissipation base to form a semiconductor module, the semiconductor module has high durability against the cooling and heating cycle. In particular, since the circuit board 1 includes the aluminum layer 20 that functions as a stress relaxation layer on the surface of the metal heat radiating plate 4, the circuit board 1 has high durability in a state where it is mounted as a semiconductor module using the aluminum layer 20.

この回路基板１に半導体チップを搭載した場合に、半導体チップからの放熱は金属回路板３や金属放熱板４等を介して高い効率で行われる。さらに、常温における反りが小さいために、放熱ベースとの間の熱伝導を良好にすることができる。 When a semiconductor chip is mounted on the circuit board 1, heat dissipation from the semiconductor chip is performed with high efficiency via the metal circuit board 3, the metal heat sink 4, and the like. Furthermore, since the warp at normal temperature is small, heat conduction with the heat dissipation base can be improved.

金属回路板３は電気抵抗率の小さな銅または銅合金であるため、その配線抵抗を小さくすることができる。従って、この回路基板１に搭載する半導体チップに大電流を流して使用することができる。 Since the metal circuit board 3 is made of copper or copper alloy having a low electric resistivity, the wiring resistance can be reduced. Therefore, a large current can be passed through the semiconductor chip mounted on the circuit board 1 for use.

金属回路板３とセラミックス基板２はろう材５によって強固に接合される。従って、この部分の機械的強度は高く、熱抵抗も低い。その接合に銀ペーストや接着剤を使用しないため、絶縁耐圧も、本来のセラミックス基板２のもつ絶縁耐圧に近く、高い値となる。従って、この回路基板１に搭載する半導体チップを大電圧で動作させることができる。 The metal circuit board 3 and the ceramic substrate 2 are firmly joined by the brazing material 5. Therefore, the mechanical strength of this part is high and the thermal resistance is also low. Since no silver paste or adhesive is used for the joining, the withstand voltage is close to the withstand voltage of the original ceramic substrate 2 and becomes a high value. Therefore, the semiconductor chip mounted on the circuit board 1 can be operated with a large voltage.

従って、この回路基板１を用いた半導体モジュールは、高い放熱特性、冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備え、半導体チップを大電力で動作させることができる。 Therefore, the semiconductor module using the circuit board 1 has both high heat dissipation characteristics and high durability against the cooling and heating cycle, and can operate the semiconductor chip with high power.

また、この回路基板１に接合する放熱ベース１３は高熱伝導でかつ廉価な銅もしくは銅合金を使うことができる。従って、高放熱でかつ低コストの半導体モジュールを提供することができる。 Further, the heat dissipation base 13 to be joined to the circuit board 1 can be made of copper or copper alloy having high thermal conductivity and low cost. Therefore, a semiconductor module with high heat dissipation and low cost can be provided.

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュールは、前記の回路基板１を用いて形成され、特に大電力で動作する半導体チップをこれに搭載する。この半導体モジュールの断面図が図２である。この半導体モジュール１１は、前記の回路基板１における金属回路板３上に半導体チップ６がはんだ層７を介して接合して搭載されている。また、放熱ベース１３がはんだ層１２を介してアルミニウム層２０に接合されている。 (Second Embodiment)
A semiconductor module according to the second embodiment of the present invention is formed using the circuit board 1, and a semiconductor chip that operates with high power is mounted thereon. FIG. 2 is a sectional view of this semiconductor module. In this semiconductor module 11, a semiconductor chip 6 is mounted on a metal circuit board 3 in the circuit board 1 by way of a solder layer 7. Further, the heat dissipation base 13 is joined to the aluminum layer 20 via the solder layer 12.

半導体チップ６は、例えばＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような半導体デバイスが形成されたシリコンチップである。特にこの半導体デバイスは、大電力で動作するものとすることができる。これによる発熱がこの回路基板１によって放熱される。また、半導体チップ６と配線となる金属回路板３との電気的接続は、ボンディングワイヤ（図示せず）を用いてもよいし、フリップチップ接続を用いることにより、はんだ等のバンプにより行ってもよい。さらには、半導体素子との接合信頼性（パワーサイクル特性）を向上させるため、銅および銅合金あるいは、銅とインバーとのクラッド材からなるリード板による接合を行ってもよい。 The semiconductor chip 6 is a silicon chip in which a semiconductor device such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is formed. In particular, this semiconductor device can be operated with high power. Heat generated thereby is radiated by the circuit board 1. Further, the electrical connection between the semiconductor chip 6 and the metal circuit board 3 serving as the wiring may be performed using a bonding wire (not shown), or may be performed by bumps such as solder by using flip chip connection. Good. Further, in order to improve the bonding reliability (power cycle characteristics) with the semiconductor element, bonding with a lead plate made of a clad material of copper and copper alloy or copper and invar may be performed.

はんだ層７は、例えば、Ｓｎ−５％Ｐｂはんだであり、その融点は２７０℃程度である。従って、これを用いて半導体チップ６と金属回路板３と２９０℃程度の温度で接合することができる。また、環境対応下Ｓｎ−３％Ａｇ、Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ、Ｓｎ−５％ＢｉなどのＰｂフリーはんだを用いることが望ましい。この接合温度は金属放熱板４を構成する材料である銅とアルミニウム層２０を構成するアルミニウムとの反応を抑制するために３００℃以下にする必要がある。このはんだ層７は、冷熱サイクルに際しては、上記の半導体チップ６と金属回路板３との熱膨張差によって内部応力が加わった状態となる。特に金属回路板の厚みが０．８ｍｍを越えるような厚い場合、その内部応力は高くなり、冷熱サイクル試験にはんだ層７にクラックが入る可能性が高くなるため金属回路板３の厚みは０．８ｍｍ以下とする必要がある。一方、金属回路板３の厚みが０．３ｍｍ未満の場合には回路断面積が小さくなり過ぎるためシリコンチップから流れてくる電流による発熱量が増大する虞が高くなる。フリップチップ接続を用いた場合には、このはんだ層７によって半導体チップ６と金属回路板３との電気的接続もなされる。 The solder layer 7 is, for example, Sn-5% Pb solder, and its melting point is about 270 ° C. Therefore, the semiconductor chip 6 and the metal circuit board 3 can be bonded at a temperature of about 290 ° C. using this. In addition, it is desirable to use Pb-free solder such as Sn-3% Ag, Sn-3% Ag-0.5% Cu, Sn-5% Bi, etc. under the environment. This bonding temperature needs to be 300 ° C. or lower in order to suppress the reaction between copper, which is a material constituting the metal heat sink 4, and aluminum, which constitutes the aluminum layer 20. The solder layer 7 is in a state where internal stress is applied due to a difference in thermal expansion between the semiconductor chip 6 and the metal circuit board 3 during the cooling and heating cycle. In particular, when the thickness of the metal circuit board exceeds 0.8 mm, the internal stress increases, and the possibility of cracks in the solder layer 7 in the thermal cycle test increases. It is necessary to make it 8 mm or less. On the other hand, when the thickness of the metal circuit board 3 is less than 0.3 mm, the circuit cross-sectional area becomes too small, and there is a high possibility that the amount of heat generated by the current flowing from the silicon chip increases. When the flip chip connection is used, the semiconductor layer 6 and the metal circuit board 3 are also electrically connected by the solder layer 7.

はんだ層１２は、例えば共晶Ｐｂ−Ｓｎはんだであり、その融点は１９０℃程度である。これを用いてアルミニウム層２０（回路基板１）と放熱ベース１３とを２１０℃程度の温度で接合することができる。また、Ｓｎ−３％Ａｇ、Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ、Ｓｎ−５％ＢｉなどのＰｂフリーはんだを用いることがさらに望ましい。なお、半導体チップ６と回路基板１および放熱ベース１３をはんだ層７およびはんだ層１２を介して接合する場合の工程には、以下の２方法がある。一つは、回路基板１に半導体チップ６をはんだ層７で接合した後に、はんだ層１２を介して放熱ベース１３を接合する。この場合、はんだ層７には、はんだ層１２よりも高融点のはんだ材を選定する。もう一つの方法は、半導体チップ６と回路基板１および放熱ベース１３を一度のリフローで同時に接合する。この際には、はんだ層７およびはんだ層１２の融点が近似したはんだ材を選定する。いずれにせよ、金属放熱板４を構成する材料である銅とアルミニウム層２０を構成するアルミニウムとの反応を抑制するためにリフロー温度は３５０℃以下、望ましくは３００℃以下にする必要がある。 The solder layer 12 is eutectic Pb—Sn solder, for example, and its melting point is about 190 ° C. Using this, the aluminum layer 20 (circuit board 1) and the heat dissipation base 13 can be joined at a temperature of about 210 ° C. Further, it is more desirable to use Pb-free solder such as Sn-3% Ag, Sn-3% Ag-0.5% Cu, Sn-5% Bi. There are the following two methods for joining the semiconductor chip 6 to the circuit board 1 and the heat dissipation base 13 via the solder layer 7 and the solder layer 12. One is that the semiconductor chip 6 is joined to the circuit board 1 with the solder layer 7, and then the heat dissipation base 13 is joined via the solder layer 12. In this case, a solder material having a melting point higher than that of the solder layer 12 is selected for the solder layer 7. In another method, the semiconductor chip 6, the circuit board 1, and the heat dissipation base 13 are joined simultaneously by one reflow. At this time, a solder material having an approximate melting point of the solder layer 7 and the solder layer 12 is selected. In any case, the reflow temperature needs to be 350 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or lower in order to suppress the reaction between copper, which is the material constituting the metal heat sink 4, and aluminum which forms the aluminum layer 20.

放熱ベース１３は、機器側でこの回路基板１を搭載する部分である。放熱ベース１３は金属放熱板４に伝わった熱を放熱するため、熱伝導率が高く、熱容量が大きい。これは例えば銅、銅合金、またはアルミニウム合金からなる。純アルミニウムは柔らかすぎて反り量が大きくなりやすいため不適である。放熱ベース１３の熱膨張係数は、例えば、銅が１７×１０^−６／Ｋ、アルミニウムが２２×１０^−６／Ｋ程度と大きい。銅合金およびアルミニウム合金の熱膨張係数もこれらに近い値となる。 The heat dissipation base 13 is a part on which the circuit board 1 is mounted on the device side. Since the heat dissipation base 13 dissipates heat transmitted to the metal heat dissipation plate 4, the heat dissipation base 13 has a high thermal conductivity and a large heat capacity. This consists, for example, of copper, copper alloy or aluminum alloy. Pure aluminum is unsuitable because it is too soft and the amount of warpage tends to increase. The thermal expansion coefficient of the heat dissipation base 13 is as large as, for example, about 17 × 10 ⁻⁶ / K for copper and about 22 × 10 ⁻⁶ / K for aluminum. The thermal expansion coefficients of copper alloys and aluminum alloys are also close to these values.

放熱ベース１３を銅もしくは銅合金とした場合、その熱膨張係数は、１７×１０^−６／Ｋであり、回路基板１の熱膨張係数５〜８×１０^−６／Ｋよりもかなり大きい。したがって、アルミニウム層２０がない状態で回路基板１を放熱ベースに接合した場合、はんだ層１２に応力が集中して破断する恐れがある。 When the heat radiating base 13 is made of copper or a copper alloy, its thermal expansion coefficient is 17 × 10 ⁻⁶ / K, which is considerably larger than the thermal expansion coefficient of the circuit board 1 of 5 to 8 × 10 ⁻⁶ / K. Therefore, when the circuit board 1 is joined to the heat dissipation base without the aluminum layer 20, stress may concentrate on the solder layer 12 and breakage may occur.

一方、本発明のように放熱金属板４の表面にアルミニウム層２０を設けて、回路基板１を放熱ベースに接合した場合、柔らかいアルミニウム層２０が応力緩和層として作用し、結果としてはんだ層１２に集中していた応力を緩和し、はんだ層１２の接合信頼性を大幅に向上させることができる。 On the other hand, when the aluminum layer 20 is provided on the surface of the heat radiating metal plate 4 as in the present invention and the circuit board 1 is joined to the heat radiating base, the soft aluminum layer 20 acts as a stress relaxation layer, and as a result, the solder layer 12 The stress that has been concentrated can be relieved and the bonding reliability of the solder layer 12 can be greatly improved.

併せて放熱ベース１３として熱伝導性の高い銅もしくは銅合金を用いることができるので、放熱性にも優れた半導体モジュール１１を提供することができる。すなわち本発明の半導体モジュール１１の優れる点は、応力緩和層として作用するアルミニウム層２０を設けることではんだ層１２の信頼性を確保し、さらに放熱ベース１３として熱伝導性の高い銅もしくは銅合金を用いることで半導体モジュール１１の高放熱性を向上させ、併せてその耐久性を飛躍的に向上させたことにある。さらに金属回路板の厚みを０．３ｍｍ〜０．８ｍｍとすることではんだ層７の信頼性も同時に確保することができる。 In addition, since copper or copper alloy having high thermal conductivity can be used as the heat dissipation base 13, the semiconductor module 11 having excellent heat dissipation can be provided. That is, the semiconductor module 11 of the present invention is excellent in that the reliability of the solder layer 12 is ensured by providing the aluminum layer 20 acting as a stress relaxation layer, and copper or a copper alloy having high thermal conductivity is used as the heat dissipation base 13. By using it, the high heat dissipation of the semiconductor module 11 has been improved, and the durability has been dramatically improved. Furthermore, the reliability of the solder layer 7 can be ensured simultaneously by setting the thickness of the metal circuit board to 0.3 mm to 0.8 mm.

また、この半導体モジュール１１においては、単一のセラミックス基板２上に金属回路板３による配線パターンが設けられているため、配線パターンに対応して多数の半導体チップ６を搭載することができる。すなわち、高集積化にも適応する。この際、この半導体モジュール１１の基体は絶縁性の高いセラミックス基板２となるため、半導体チップ６とこれと分離して形成された配線（金属回路板３）との絶縁性も良好である。従って、半導体チップ６を大電力で動作させることができる。 Further, in this semiconductor module 11, since a wiring pattern made of the metal circuit board 3 is provided on the single ceramic substrate 2, a large number of semiconductor chips 6 can be mounted corresponding to the wiring pattern. That is, it is applicable to high integration. At this time, since the base of the semiconductor module 11 becomes the ceramic substrate 2 having high insulation, the insulation between the semiconductor chip 6 and the wiring (metal circuit board 3) formed separately from the semiconductor chip 6 is also good. Therefore, the semiconductor chip 6 can be operated with high power.

なお、上記の例ではセラミックス基板２として窒化珪素セラミックスを用いていたが、これに限られるものではなく、同等以上の熱伝導率、３点曲げ強度、破壊靱性値、絶縁性をもつものであれば、同様に用いることができる。 In the above example, silicon nitride ceramics is used as the ceramic substrate 2. However, the ceramic substrate 2 is not limited to this, and has any thermal conductivity equal to or higher than that, three-point bending strength, fracture toughness value, and insulation. Can be used similarly.

（実施例１〜１５、比較例１〜１１）
実施例１〜１５として、上記の構成の回路基板を作成し、これに半導体チップを搭載して上記の構造の半導体モジュールを作成して冷熱サイクルを印加し、その耐久性能を調べた。同時に、比較例となる回路基板も作成し、同様の特性を調べた。 (Examples 1-15, Comparative Examples 1-11)
As Examples 1-15, the circuit board of said structure was created, the semiconductor chip was mounted in this, the semiconductor module of said structure was created, the thermal cycle was applied, and the durability performance was investigated. At the same time, a circuit board as a comparative example was also prepared, and similar characteristics were examined.

実施例１〜１５および比較例１〜１１においては、使用したセラミックス基板はすべて３０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素セラミックス板（熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ程度、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度、破壊靱性値が６ＭＰａ・ｍ^１／２程度）である。金属回路板および金属放熱板としては、３０ｍｍ×５０ｍｍの無酸素銅板を用いた。金属回路板のパターンはすべて同一である。使用したろう材はＴｉを活性金属として含有し、組成はＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系のものである。また、接合温度７６０℃である。 In Examples 1 to 15 and Comparative Examples 1 to 11, the ceramic substrates used were all silicon nitride ceramic plates of 30 mm × 50 mm × thickness 0.32 mm (thermal conductivity of about 90 W / m · K, three-point bending strength Is about 700 MPa and the fracture toughness value is about 6 MPa · m ^1/2 ). As a metal circuit board and a metal heat sink, an oxygen-free copper plate of 30 mm × 50 mm was used. The patterns on the metal circuit board are all the same. The brazing material used contains Ti as an active metal and has a composition of an Ag-Cu-In system. The bonding temperature is 760 ° C.

実施例１〜４および比較例１〜４は、アルミニウム層２０の効果並びにその厚みの影響を調べたものである。実施例５〜７および比較例５はアルミニウム層２０の純度を調べたものである。アルミニウム層の純度は溶射に用いたアルミニウムの純度を調整して可変とした。実施例８〜１０および比較例６はアルミニウム層２０の密度を調べたものである。アルミニウム層２０の密度はアルミニウムの噴射量や噴射ノズルと被溶射物の距離などの溶射条件により可変とした。実施例１１〜１２および比較例７は回路基板の反りの影響を調べたものである。回路基板の反りはアルミニウム層の溶射条件により可変した。実施例１３〜15および比較例８〜１１は金属回路板３および金属放熱板４の厚みと厚み比の影響を調べたものである。 Examples 1-4 and Comparative Examples 1-4 investigate the effect of the aluminum layer 20 and the influence of its thickness. In Examples 5 to 7 and Comparative Example 5, the purity of the aluminum layer 20 was examined. The purity of the aluminum layer was made variable by adjusting the purity of the aluminum used for spraying. In Examples 8 to 10 and Comparative Example 6, the density of the aluminum layer 20 was examined. The density of the aluminum layer 20 was variable depending on the spraying conditions such as the amount of aluminum sprayed and the distance between the spray nozzle and the object to be sprayed. In Examples 11 to 12 and Comparative Example 7, the influence of warping of the circuit board was examined. The warp of the circuit board was varied depending on the spraying conditions of the aluminum layer. Examples 13 to 15 and Comparative Examples 8 to 11 examine the influence of the thickness and thickness ratio of the metal circuit board 3 and the metal heat sink 4.

以上の実施例および比較例について、−４０℃〜＋１２５℃の冷熱サイクルにおける特性を調べた。回路基板の反りについては、常温にて金属放熱板の対角線上の反り量を３次元形状測定器により測定し、対角線の長さで割った量を最大反り量（μｍ／ｉｎｃｈ）とした。ここで、金属回路板側が凸になる方向を＋とした。 About the above Example and the comparative example, the characteristic in the cold cycle of -40 degreeC-+125 degreeC was investigated. Regarding the warpage of the circuit board, the warpage amount on the diagonal line of the metal heat sink was measured with a three-dimensional shape measuring device at room temperature, and the amount divided by the length of the diagonal line was defined as the maximum warpage amount (μm / inch). Here, the direction in which the metal circuit board side is convex is defined as +.

図２に示すように、この回路基板に半導体チップ（パワーＭＯＳＦＥＴ）をＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕはんだで接合して搭載し、さらに５０ｍｍ×９０ｍｍ×厚さ３ｍｍの無酸素銅の放熱ベース１３にＰｂ−Ｓｎ共晶はんだでこの回路基板１を接合した半導体モジュール１１を作成し、冷熱サイクルを行った。−４０℃〜＋１２５℃の冷熱サイクル（１サイクルは７０分）を３０００回行い、その後での半導体チップ下のはんだ層７およびアルミニウム層２０下のはんだ層１２の破損の状況を超音波画像診断装置（日立建機製Ｈｉ−Ｆｏｃｕｓ）を用い、ボイド率（ボイドの面積／半導体チップ面積×１００）を調べた。はんだ層の破損は、これらにおける界面のボイド率が３０００サイクル後に３０％以上となっていた場合を、破損や剥離が発生したと認定した。いずれかの箇所で破損や剥離が発生したものを不合格とした。 As shown in FIG. 2, a semiconductor chip (power MOSFET) is mounted on this circuit board by bonding with Sn-3% Ag-0.5% Cu solder, and is further made of oxygen-free copper of 50 mm × 90 mm × thickness 3 mm. A semiconductor module 11 in which the circuit board 1 was joined to the heat dissipation base 13 with Pb—Sn eutectic solder was prepared, and a cooling cycle was performed. An ultrasonic diagnostic imaging apparatus is used for 3,000 degrees of -40 ° C. to + 125 ° C. cooling cycle (one cycle is 70 minutes), and the subsequent damage state of the solder layer 7 under the semiconductor chip and the solder layer 12 under the aluminum layer 20 (Hi-Focus manufactured by Hitachi Construction Machinery Co., Ltd.) was used to examine the void ratio (void area / semiconductor chip area × 100). Regarding the breakage of the solder layer, it was determined that breakage or peeling occurred when the void ratio at the interface was 30% or more after 3000 cycles. A case where breakage or peeling occurred at any point was regarded as rejected.

また、冷熱サイクルの印加の前後で、半導体チップ側から見た熱抵抗（℃／Ｗ）を測定した。この測定は、半導体チップに通電することによってこれを発熱させ、そのとき温度上昇を熱抵抗評価装置（キャッツ電子製、ＭＯＤＥＬＤＶＦ２４０）によって電圧換算により測定した。ここでは、単位断面積当たりの量ではなく、単位を（℃／Ｗ）として測定した。初期（冷熱サイクル印加前）の熱抵抗の値が０．２０℃／Ｗ以上であったものは放熱特性が悪いために不合格と判定した。また、初期の熱抵抗がこの値より小さくとも、冷熱サイクル印加後の熱抵抗の値が２５％以上増加していたものは、はんだ層において上記の観察では判別できない程度の破損やセラミックス基板のクラック等が発生したものと考えられるため、不合格とした。以上の結果を表１にまとめて示す。 Further, the thermal resistance (° C./W) viewed from the semiconductor chip side was measured before and after the application of the cooling / heating cycle. This measurement was performed by energizing the semiconductor chip to generate heat. At that time, the temperature rise was measured by voltage conversion using a thermal resistance evaluation device (Model DVF240, manufactured by Cats Electronics). Here, not the amount per unit cross-sectional area, but the unit was (° C./W). Those having a thermal resistance value of 0.20 ° C./W or more at the initial stage (before application of the cooling / heating cycle) were judged to be unacceptable because of their poor heat dissipation characteristics. Moreover, even if the initial thermal resistance is smaller than this value, the value of the thermal resistance after application of the cooling cycle is increased by 25% or more. Since it was thought that etc. occurred, it was judged as rejected. The above results are summarized in Table 1.

実施例１〜１５の半導体モジュールにおいては、３０００回の冷熱サイクルによってもはんだ層１２の破損を生じることがなく、冷熱サイクルの前後で低い熱抵抗値を保つことが確認できた。また、常温における最大反り量の絶対値は２００μｍ／ｉｎｃｈ以下であった。金属放熱板４とアルミニウム層２０との界面にＣｕ−Ａｌ化合物層は形成されていないことが確認された。 In the semiconductor modules of Examples 1 to 15, it was confirmed that the solder layer 12 was not damaged even after 3000 cooling cycles, and a low thermal resistance value was maintained before and after the cooling cycle. Further, the absolute value of the maximum warpage amount at room temperature was 200 μm / inch or less. It was confirmed that no Cu—Al compound layer was formed at the interface between the metal heat sink 4 and the aluminum layer 20.

これに対し、アルミニウム層２０がない比較例１は、１５００サイクルで金属ベース上のはんだ層１２の破損が発生した。アルミウム層２０がなく、金属ベースとしてCu・Mｏベースを用いた比較例２では初期の熱抵抗が０．２３℃／Ｗと高く、放熱性が不充分であった。 On the other hand, in Comparative Example 1 without the aluminum layer 20, the solder layer 12 on the metal base was damaged in 1500 cycles. In Comparative Example 2 in which the aluminum layer 20 was not provided and the Cu • Mo base was used as the metal base, the initial thermal resistance was as high as 0.23 ° C./W, and the heat dissipation was insufficient.

アルミニウム層２０が０．１ｍｍと薄い比較例３では２０００サイクルで金属ベース上のはんだ層１２の破損が発生した。一方、アルミニウム層２０が１．８ｍｍと厚い比較例４では初期の熱抵抗値が０．２２℃／Ｗと高く、放熱性が不充分であった。 In Comparative Example 3 where the aluminum layer 20 was as thin as 0.1 mm, the solder layer 12 on the metal base was damaged after 2000 cycles. On the other hand, in Comparative Example 4 where the aluminum layer 20 was as thick as 1.8 mm, the initial thermal resistance value was as high as 0.22 ° C./W, and the heat dissipation was insufficient.

アルミニウム純度が９６％と低い比較例５では２５００サイクルで金属ベース上のはんだ層１２の破損が発生した。またアルミニウム密度が相対密度で９３％と低い比較例６では初期の熱抵抗値が０．２３℃／Ｗと高く、放熱性が不充分であった。Ａｌ純度が低下した比較例５の場合、不純物によりＡｌが硬化し、応力緩和の効果が低減したため、耐冷熱サイクル性が低下したと推定される。なお、不純物としてダイカスト等でよく使われるＳｉを混入して純度を調整した。また、Ａｌ密度が低下した比較例６の場合、アルミニウム中に含まれる空隙によりアルミニウム層の熱抵抗が大きくなり、熱抵抗が低下したと推定される。アルミニウムの密度は溶射時に被溶射物として耐熱樹脂を用い、溶射終了後、耐熱樹脂を剥がしてアルミニウム層の単体を取り出して、水中置換法で測定し、測定結果を純アルニウムの理論密度に対する相対密度として算出した。 In Comparative Example 5 having a low aluminum purity of 96%, the solder layer 12 on the metal base was damaged after 2500 cycles. In Comparative Example 6 where the aluminum density was as low as 93% in relative density, the initial thermal resistance value was as high as 0.23 ° C./W, and the heat dissipation was insufficient. In the case of Comparative Example 5 in which the Al purity was lowered, Al was cured by the impurities, and the stress relaxation effect was reduced. Therefore, it is presumed that the thermal cycle resistance was lowered. Purity was adjusted by mixing Si, which is often used in die casting, as impurities. In the case of Comparative Example 6 in which the Al density was lowered, it is estimated that the thermal resistance of the aluminum layer was increased due to the voids contained in the aluminum, and the thermal resistance was lowered. The density of aluminum uses a heat-resistant resin as the sprayed material during thermal spraying. Calculated as

回路基板の反りが大きい比較例７では初期の熱抵抗値が０．２２℃／Ｗと高く、放熱性が不充分であった。比較例７ではアルミニウムの噴射圧力を高くするなど反り易い条件で溶射してアルミニウム層２０を形成することにより回路基板に大きい反りを与えた。金属回路板３の厚みＴ１が０．２ｍｍと薄い比較例８および金属回路板３と金属放熱板４との厚み比Ｔ２／Ｔ１比が本発明外の比較例１０および１１では初期熱抵抗値が高く、放熱性が不充分であった。また、金属回路板３の厚みＴ１が１．０ｍｍと厚い比較例９では１０００サイクルで半導体チップ下のはんだ層７にクラックが入り熱抵抗が大きく上昇した。しかし、はんだ層１２に破損は発生しなかった。なお、比較例３〜１１の半導体モジュールにおいても金属放熱板４とアルミニウム層２０との界面にＣｕ−Ａｌ化合物層は形成されていないことが確認された。 In Comparative Example 7 in which the warp of the circuit board was large, the initial thermal resistance value was as high as 0.22 ° C./W, and the heat dissipation was insufficient. In Comparative Example 7, a large warp was given to the circuit board by forming the aluminum layer 20 by spraying under the condition that the warp is easy to warp such as increasing the spray pressure of aluminum. In Comparative Example 8 where the thickness T1 of the metal circuit board 3 is as thin as 0.2 mm, and in the Comparative Examples 10 and 11 where the thickness ratio T2 / T1 between the metal circuit board 3 and the metal heat sink 4 is outside the present invention, the initial thermal resistance value is High heat dissipation was insufficient. Further, in Comparative Example 9 where the thickness T1 of the metal circuit board 3 is as large as 1.0 mm, cracks occurred in the solder layer 7 under the semiconductor chip and the thermal resistance increased greatly in 1000 cycles. However, the solder layer 12 was not damaged. In the semiconductor modules of Comparative Examples 3 to 11, it was confirmed that no Cu—Al compound layer was formed at the interface between the metal heat sink 4 and the aluminum layer 20.

実施例で示したように本発明を実施したセラミックス回路基板および、前記回路基板を用いたモジュールとすることにより、高放熱性に優れ、なおかつ信頼性、特にアルミニウム層２０と金属ベース１３の間のはんだ層１２の接続信頼性に優れたパワー半導体モジュールを提供することができる。 As shown in the examples, the ceramic circuit board embodying the present invention and the module using the circuit board are excellent in high heat dissipation and reliability, particularly between the aluminum layer 20 and the metal base 13. A power semiconductor module excellent in connection reliability of the solder layer 12 can be provided.

本発明の第１の実施の形態に係る回路基板の断面図である。1 is a cross-sectional view of a circuit board according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュールの断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor module which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 従来の半導体モジュールの一例を示す断面の模式図である。It is a schematic diagram of the cross section which shows an example of the conventional semiconductor module. 別の従来の半導体モジュールの一例を示す断面の模式図である。It is a schematic diagram of the cross section which shows an example of another conventional semiconductor module.

Explanation of symbols

１回路基板
２セラミックス基板
３金属回路板
４金属放熱板
５ろう材
６半導体チップ
７、１２はんだ層
１１半導体モジュール
２０アルミニウム層
２１アルミニウム板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Circuit board 2 Ceramic substrate 3 Metal circuit board 4 Metal heat sink 5 Brazing material 6 Semiconductor chip 7, 12 Solder layer 11 Semiconductor module 20 Aluminum layer 21 Aluminum plate

Claims

A circuit board in which a metal circuit board is formed on one surface of a ceramic substrate and a metal heat sink is formed on the other surface, wherein the metal circuit board and the metal heat sink are copper or a copper alloy, and the metal A circuit board, wherein an aluminum layer is formed on a surface of a heat sink by thermal spraying.

The circuit board according to claim 1, wherein the aluminum layer has a thickness of 0.2 mm to 1.5 mm, an aluminum purity of 98% or more, and a relative density of 95% or more.

The thickness T1 of the metal circuit board is 0.3 to 0.8 mm, and the ratio T2 / T1 between the thickness T1 of the metal circuit board and the thickness T2 of the metal heat sink is 0.7 to 1.0. The circuit board according to claim 1 or 2.

The circuit board according to any one of claims 1 to 3, wherein a maximum warpage amount at a normal temperature is 200 µm / inch or less.

The circuit board according to claim 1, wherein the ceramic substrate is a silicon nitride ceramic.

A semiconductor module in which a semiconductor chip is mounted on the circuit board according to any one of claims 1 to 5,
A semiconductor module, wherein the semiconductor chip is bonded to the metal circuit board, and a heat dissipation base is bonded to the metal heat dissipation board.

The semiconductor module according to claim 6, wherein the heat dissipation base is copper, a copper alloy, or an aluminum alloy.