JP2008147308A - Circuit board and semiconductor module having same - Google Patents
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Abstract
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 joint with the heat dissipation base at a high temperature, the heat conduction 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、およそ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, about 700 ° C. or higher when an Ag—Cu brazing material is used. Therefore, in the state where the temperature returns to room temperature after this bonding, the circuit board manufactured by this method is , Causing 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3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は、セラミックス基板2の一方の面にろう材層5を介して金属回路板3が接合され、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、同様にしてセラミックス基板2の他方の面にろう材層5を介して金属放熱板4が接合され、金属放熱板4に放熱ベース13がはんだ層12を介して接合されている。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of a conventional semiconductor module. In this semiconductor module, a
はんだ層7、12は、例えば、Sn−PbはんだやSn−Ag−Cuであり、その融点は190〜270℃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を、金属放熱板4と放熱ベース13を210〜290℃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。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。また、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。一方、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、回路基板に近い熱膨張係数をもつ材料が好ましい。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前後という、金属材料としては熱膨張係数が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
前記のような構成である図3に示す半導体モジュール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いこと、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 shown in FIG. 3 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. There are problems such as low, high specific gravity, large module weight, and high costs due to the use of rare metals such as molybdenum and tungsten.
図3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4に示すモジュールがある。図4の半導体モジュールでは、放熱ベース13は銅もしくは銅合金等の熱伝導の高い材料が使用される。銅もしくは銅合金はその熱膨張係数は17×10−6/K前後と大きく、図3に示した回路基板1とはんだ層12を介して接合すると、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4に示す半導体モジュールでは金属放熱板4の下にアルミニウム板20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20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。
As a module for solving the problem of the module shown in FIG. 3, there is a module shown in FIG. In the semiconductor module of FIG. 4, the
なお、図4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板を設けた構造(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。 4 shows a two-layer structure of copper / aluminum. However, a structure in which aluminum plates are provided on both upper and lower sides of copper or 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.
前述した図4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、銅とアルミニウムの直接接合においては、400℃以上の温度になると、化合物を形成し易い。そのため、500℃という温度にさらされると金属放熱板4とアルミニウム板20との界面には、銅とアルミニウムからなる化合物層が形成される。そして、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. 4 or the circuit board disclosed in
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
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。 In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
請求項1記載の発明の要旨は、セラミックス基板の一面に金属回路板が形成され、他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、前記金属放熱板に接合部材層を介してアルミニウム板が接合されていることを特徴とする回路基板に存する。
The gist of the invention of
請求項2記載の発明の要旨は、前記アルミニウム板の厚みが0.2mm〜1.5mmであり、かつ金属回路板の厚みT1は0.3〜0.8mmであり、さらに金属回路板の厚み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回路基板に存する。
The gist of the invention described in
請求項3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
請求項4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 according to claim 4 resides in the circuit board according to any one of
請求項5記載の発明の要旨は、前記接合部材層の融点が、250℃〜450℃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 of
請求項6記載の発明の要旨は、前記接合部材層が、Pb:80〜99wt%、Sn:0〜20wt%を含有し、Pb、Sn合わせて90wt%以上を含有するPb系高温はんだ層である回路基板に存する。 The gist of the invention described in claim 6 is that the joining member layer is a Pb-based high-temperature solder layer containing Pb: 80 to 99 wt%, Sn: 0 to 20 wt%, and containing 90 wt% or more in total of Pb and Sn. It exists on a certain circuit board.
請求項7記載の発明の要旨は、前記接合部材層が、Zn:30〜99wt%、Al:0.1〜60wt%、Si:0.1〜30wt%を含有し、Zn、Al、Si合わせて90wt%以上を含有するZn−Al系はんだ層である回路基板に存する。
The gist of the invention described in
請求項8記載の発明の要旨は、前記接合部材層が、Sn:50〜90wt%、Cu:5〜50wt%を含有し、Sn、Cu合わせて90wt%以上を含有するPbフリー高温はんだ層である回路基板に存する。 The gist of the invention described in claim 8 is a Pb-free high-temperature solder layer in which the joining member layer contains Sn: 50 to 90 wt%, Cu: 5 to 50 wt%, and Sn and Cu in total contain 90 wt% or more. It exists on a certain circuit board.
請求項9記載の発明の要旨は、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の回路基板の金属回路板に半導体チップが接合され、前記回路基板のアルミニウム板に放熱ベースが接合され、これらを接合するためのはんだの融点が、前記回路基板の接合部材層の融点よりも低いことを特徴とする半導体モジュールに存する。 According to a ninth aspect of the present invention, a semiconductor chip is bonded to the metal circuit board of the circuit board according to any one of the first to eighth aspects, and a heat dissipation base is bonded to the aluminum plate of the circuit board. In the semiconductor module, the melting point of the solder for bonding is lower than the melting point of the bonding member layer of the circuit board.
請求項10記載の発明の要旨は、前記接合部材層の融点が、250℃未満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 10 resides in a circuit board characterized in that a melting point of the joining member layer is less than 250 ° C.
請求項11記載の発明の要旨は、前記接合部材層が、Pb:30〜70wt%、Sn:30〜70wt%を含有し、Pb、Sn合わせて90wt%以上を含有するPb系はんだ層である回路基板に存する。
The gist of the invention of
請求項12記載の発明の要旨は、前記接合部材層が、Sn:80〜99.5wt%、Ag:0.1〜20wt%を含有し、Sn、Ag合わせて90wt%以上を含有するPbフリーはんだ層である回路基板に存する。
The gist of the invention described in
請求項13記載の発明の要旨は、請求項1乃至4または請求項10乃至12のいずれか1項に記載の回路基板の金属回路板に半導体チップが接合され、前記回路基板のアルミニウム板に放熱ベースが接合され、これらを接合するためのはんだの融点が、前記回路基板の接合部材層の融点とほぼ同等である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 described in
請求項14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9もしくは請求項13に記載の半導体モジュールに存する。
The gist of the invention described in claim 14 resides in the semiconductor module according to
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る半導体モジュールを得ることができる。 Since this invention is comprised as mentioned above, the semiconductor module which has a high heat dissipation characteristic and the high durability with respect to a thermal cycle can be obtained.
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.
本発明に係る回路基板は、これを用いた半導体モジュールにおいて、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。この回路基板断面図が図1である。図1においては、セラミックス基板2の一面に金属回路板3が、他面に金属放熱板4が、それぞれろう材5を介して接合されている。その後、接合部材層21を介して、金属放熱板4とアルミニウム板20が接合される。
The circuit board according to the present invention has high heat dissipation characteristics and high durability against a thermal cycle in a semiconductor module using the circuit board. This circuit board cross-sectional view is shown in FIG. In FIG. 1, a
セラミックス基板2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を接合できる材料として、各種のもの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90W/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・m1/2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。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 the
金属回路板3および金属放熱板4は銅または銅合金であり、セラミックス基板2のそれぞれの面に形成されており、さらに接合部材層21を介して、金属放熱板4とアルミニウム板20が接合されている。アルミニウム板20は融点や熱伝導を踏まえて、JIS表記において1000系の純アルミニウム板である。
The
また、高い放熱特性を達成するため、金属放熱板4ならびにアルミニウム板20は、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、金属放熱板4ならびにアルミニウム板20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。
In order to achieve high heat dissipation characteristics, the metal heat dissipation plate 4 and the
また、より優れた応力緩和の機能を有するためには、アルミニウム板20は、金属放熱板4と同等かもしくは金属放熱板4よりも大きいほうが好ましい。また、はんだ濡れ性の確保のために金属回路板3とアルミニウム板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。
In order to have a more excellent stress relaxation function, the
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に強固に接合されている。なお、ろう材層5の厚さは20μm程度と金属回路板等と比べて薄く、熱伝導率も高いため、ろう材層5の熱抵抗は他の部分と比べて無視できる。
As the brazing material for joining the
以上のようなTi含有Ag−Cu系ろう材での接合強度は極めて高いが、その接合温度はおおよそ700℃以上となり、アルミニウムの融点660℃を上回るため、アルミニウム板を接合する部材とはなりえない。また、アルミニウム系ろう材や熱圧着法などでも500℃前後の加熱は必要となり、かつ銅とアルミニウムの直接接合のため、脆性な化合物層が形成されてしまう。本発明では、あらかじめセラミックス基板2に金属回路板3および金属放熱板4を前記ろう材にて接合した後、銅とアルミニウムの反応を抑えられる450℃以下の融点を有する接合部材層21を用いてアルミニウム板20を接合するため、銅とアルミニウムの化合物層がほとんど形成されない。したがってアルミニウム板20が応力緩和層として確実に機能することができる。
Although the bonding strength of the Ti-containing Ag—Cu brazing filler metal as described above is extremely high, the bonding temperature is approximately 700 ° C. or higher, and exceeds the melting point of aluminum of 660 ° C., so it can be a member for bonding aluminum plates. Absent. Also, heating at around 500 ° C. is required even with an aluminum brazing material or a thermocompression bonding method, and a brittle compound layer is formed due to direct bonding between copper and aluminum. In the present invention, the
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)以下である。その後、アルミニウム板20を接合する際の温度条件などによっては基板が大きく反る場合があるが、接合条件の調整により、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
この回路基板は、例えば、以下の通りにして製造できる。絶縁性セラミックス基板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塗布する。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。その後、金属板上にレジストパターンを形成後、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を施して、回路パターンをなす金属回路板3および金属放熱板4を形成する。また、これによって露出した部分のろう材層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。その後、接合部材層21を介して、金属放熱板4とアルミニウム板20を接合する。さらに回路パターン形成後の金属回路板3およびアルミニウム板20にNi−Pメッキを施し、図1の回路基板が製造される。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、アルミニウム板20を接合した後、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 can be manufactured, for example, as follows. For example, an active metal typified by an Ag—Cu alloy to which Ti is added is printed and applied as an active
また、金属放熱板4とアルミニウム板20とを接合するための接合部材層21が銅やアルミニウムと接合し難い材料からなる場合は、金属放熱板4やアルミニウム板20にNi−Pメッキを施した後に接合部材層21を介してそれらを接合させることが好ましい。特に銅やアルミニウムを含む接合部材を用いる際には、Ni−Pメッキが銅とアルミニウムの直接接合を回避する層となりえるため、回路基板の信頼性をより向上させる効果が得られる。アルミニウムを含む接合部材を用いる場合は金属放熱板4にNi−Pメッキを施した後に金属放熱板4とアルミニウム板20とを接合することが好ましく、アルミニウムとの濡れ性を確保することができない接合部材を用いる場合はアルミニウム板20にNi−Pメッキを施した後にアルミニウム板20と金属放熱板4とを接合することが好ましい。
Moreover, when the joining
図1の回路基板に、半導体チップおよび放熱ベースをはんだ付けすることによって半導体モジュールを得ることができる。この半導体モジュールの断面図が図2である。図2においては、図1の回路基板1に半導体チップ6と放熱ベース13がそれぞれはんだ層7および12を介して接合される。
A semiconductor module can be obtained by soldering a semiconductor chip and a heat dissipation base to the circuit board of FIG. FIG. 2 is a sectional view of this semiconductor module. In FIG. 2, the semiconductor chip 6 and the
半導体チップ6は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)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 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 dissipated by the circuit board. Further, the electrical connection between the semiconductor chip 6 and the
はんだ層7および12は、例えば、Sn−Pbはんだ等であり、その融点は190〜270℃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を、アルミニウム板20と放熱ベース13とを210〜290℃程度の温度で接合することができる。また、環境対応下Sn−Ag系、Sn−Ag−Cu系、Sn−Bi系などのPbフリーはんだを用いることが望ましい。
The solder layers 7 and 12 are, for example, Sn—Pb solder and the melting point thereof is about 190 to 270 ° C. Therefore, using this, the semiconductor chip 6 and the
なお、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。
Note that the
放熱ベース13は、機器側でこの回路基板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。これらは回路基板の熱膨張係数5〜8×10−6/Kよりもかなり大きいため、アルミニウム板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が、本発明のように放熱金属板4にアルミニウム板20を接合した後、回路基板を放熱ベースに接合した場合には、柔らかいアルミニウム板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。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、放熱性と耐久性に優れた半導体モジュールを得ることができる。
The
この半導体モジュールは、例えば、以下の通りにして製造できる。金属放熱板4とアルミニウム板20とを接合させる接合部材層21が融点300℃を超えるような高温はんだ等であった場合には、放熱ベース13の上に、融点が190〜250℃の組成を有する低温〜中温はんだの箔を乗せ、その上に金属放熱板4にアルミニウム板20が接合された回路基板1を重ねる。さらに前記回路基板の金属回路板3の上に、前記低温〜中温はんだとほぼ同融点のはんだの箔を乗せ、半導体チップ6を重ねる。その後、窒素や水素などの雰囲気条件下、210〜270℃まで加熱することではんだ層7および12を同時に形成し、図4の半導体モジュールを得ることができる(以下、別接合法という)。なお、この場合、はんだ層7および12の組成が同一であっても問題はない。
This semiconductor module can be manufactured, for example, as follows. When the joining
また、金属放熱板4とアルミニウム板20とを接合させる接合部材層21が融点250℃未満の低温〜中温はんだ等であった場合には、放熱ベース13の上に、融点が190〜250℃の組成を有する低温〜中温はんだの箔を乗せ、その上にアルミニウム板20を重ねる。次にアルミニウム板20の上に前記低温〜中温はんだとほぼ同融点のはんだの箔を乗せ、アルミニウム板20が接合されていない回路基板1を重ね、さらに前記回路基板の金属回路板3の上に、前記低温〜中温はんだとほぼ同融点のはんだの箔を乗せ、半導体チップ6を重ねる。その後、窒素や水素などの雰囲気条件下、210〜270℃まで加熱することではんだ層7および12と接合部材層21を同時に形成し、図4の半導体モジュールを得ることができる(以下、同時接合法という)。なお、この場合、はんだ層7および12と接合部材層21の組成が同一であっても問題はない。
When the joining
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
最後に、これら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。印加前の熱抵抗が0.15℃/Wよりも大きな場合を不合格とした。また、3000回印加後に、はんだ層7および12および接合部材21のいずれかが破断したものを不合格とした。
Finally, in these semiconductor modules, a cooling cycle in the temperature range of −40 ° C. to + 125 ° C. was performed 3000 times to determine the heat dissipation efficiency and durability. 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 thermal resistance before application was larger than 0.15 ° C./W was regarded as unacceptable. Moreover, after 3000 times of application, any of the solder layers 7 and 12 and the joining
(実施例1〜14、比較例1〜11)
実施例1〜14として、表1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製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。半導体モジュールは実施例12〜14では同時接合法により作製し、それ以外では別接合法により作製した。
(Examples 1-14, Comparative Examples 1-11)
As Examples 1 to 14, a circuit board having the structure shown in Table 1 was prepared, a semiconductor chip was mounted on the circuit board, a semiconductor module having the structure described above was prepared, a cooling cycle was applied, and the durability performance was examined. At the same time, a circuit board as a comparative example was also prepared, and similar characteristics were examined. The semiconductor modules were manufactured by the simultaneous bonding method in Examples 12 to 14, and were manufactured by the separate bonding method in other cases.
実施例1〜14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2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・m1/2程度)である。金属回路板3および金属放熱板4としては、30mm×50mmの無酸素銅を用いた。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系のものである。また、接合温度は約800℃である。
In Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 11, the
実施例1〜4および比較例1〜4は、アルミニウム板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板の接合条件および荷重付加により可変した。実施例7〜9および比較例6〜9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。実施例10〜14および比較例10は接合部材種の影響を調べたものである。また、比較例11は接合部材を用いずに、前記特許文献に開示された500℃熱圧着にてアルミニウム板20を接合した効果を調べたものである。なお、実施例10の接合部材21はアルミニウムを含むため金属放熱板4にNi−Pメッキを施した後に金属放熱板4とアルミニウム板20とを接合した。実施例1〜9および実施例11〜14および比較例3〜9の接合部材21はアルミニウムとの濡れ性を確保することができないため、アルミニウム板20にNi−Pメッキを施した後にアルミニウム板20と金属放熱板4とを接合した。
Examples 1-4 and Comparative Examples 1-4 investigate the effect of the
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1に半導体チップ(パワーMOSFET)6と50mm×90mm×厚さ3mmの無酸素銅の放熱ベース13をSn−3%Ag−0.5%Cuはんだで接合して半導体モジュール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6下のはんだ層7および金属放熱板4下の接合部材層21およびアルミニウム板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) 6 and an oxygen-free copper
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、MODEL DVF240)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1〜14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7、接合部材層21およびはんだ層12で大きな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と接合部材層21、アルミニウム層20と接合部材層21のそれぞれの界面にCu−Al化合物層は形成されていないことが確認された。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。
In the semiconductor modules of Examples 1 to 14, the
これに対し、アルミニウム板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の破損が発生した。アルミニウム板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
アルミニウム板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の破損が発生した。一方、アルミニウム板20が1.8mmと厚い比較例4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。
In Comparative Example 3 where the
回路基板の反りが大きい比較例5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。なお、実施例においては基板の反りはアルミニウム層接合後に室温にてハンドプレスを用いて0.1〜0.5Mpaの圧力を加えることにより、反りを矯正した。一方、反りの大きい比較例5,8,9では反りの矯正を行わなかった。金属回路板3の厚みT1が0.2mmと薄い比較例6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8および9では熱抵抗値が高く、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7では半導体チップ下のはんだ層7にクラックが入り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3〜9の半導体モジュールにおいても金属放熱板4と接合部材層21、アルミニウム層20と接合部材層21のそれぞれの界面に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 5 where the warpage 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 the examples, the warpage of the substrate was corrected by applying a pressure of 0.1 to 0.5 MPa using a hand press at room temperature after joining the aluminum layer. On the other hand, in Comparative Examples 5, 8, and 9 having a large warp, the warp was not corrected. In Comparative Example 6 where the thickness T1 of the
接合部材21に融点570℃のアルミニウム系ろう材を用いた比較例10では、金属放熱板4下の接合部材層21にクラックが入り、1000サイクルでNGとなった。また、接合部材を用いずに、500℃熱圧着にてアルミニウム板20を接合した比較例11では、金属放熱板4とアルミニウム板20の間にクラックが入り、1000サイクルでNGとなった。比較例10,11はいずれも接合温度が高く、比較例10では接合部材であるAl−12%Siの周辺部に、比較例11では金属放熱板4とアルミニウム板20との界面にそれぞれAl−Cu系の脆性化合物層が生成し、冷熱サイクル試験中にこの脆性化合物層にクラックが生じ熱抵抗が大きくなった。
In Comparative Example 10 in which an aluminum-based brazing material having a melting point of 570 ° C. was used for the
以上実施例を示したが、これらは本発明における、ほんの一部である。いずれにしても、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、特にはんだ層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。 Examples have been given above, but these are only a part of the present invention. In any case, by making the ceramic circuit board embodying the present invention and a module using the circuit board, a power semiconductor module excellent in high heat dissipation and excellent in reliability, particularly in solder layer connection reliability. Can be provided.
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 ろう材層
6 半導体チップ
11 半導体モジュール
7,12 はんだ層
20 アルミニウム板
21 接合部材層
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Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012090740A1 (en) * | 2010-12-28 | 2012-07-05 | 株式会社日立製作所 | Circuit board for semiconductor module |
WO2016002803A1 (en) * | 2014-07-04 | 2016-01-07 | 三菱マテリアル株式会社 | Substrate unit for power modules, and power module |
JP2016174034A (en) * | 2015-03-16 | 2016-09-29 | 株式会社Ihi | Semiconductor power module |
CN106165090A (en) * | 2014-04-25 | 2016-11-23 | 三菱综合材料株式会社 | Power module substrate unit and power model |
JP2016219852A (en) * | 2014-10-16 | 2016-12-22 | 三菱マテリアル株式会社 | Substrate with cooler for power module and method for producing the same |
CN106463477A (en) * | 2014-07-04 | 2017-02-22 | 三菱综合材料株式会社 | Substrate unit for power modules, and power module |
WO2018163864A1 (en) * | 2017-03-07 | 2018-09-13 | 三菱マテリアル株式会社 | Substrate for power module having heat sink |
WO2020245975A1 (en) * | 2019-06-06 | 2020-12-10 | 三菱電機株式会社 | Warpage control structure for metal base plate, semiconductor module, and inverter device |
-
2006
- 2006-12-07 JP JP2006331023A patent/JP2008147308A/en active Pending
Cited By (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012138541A (en) * | 2010-12-28 | 2012-07-19 | Hitachi Ltd | Circuit board for semiconductor module |
WO2012090740A1 (en) * | 2010-12-28 | 2012-07-05 | 株式会社日立製作所 | Circuit board for semiconductor module |
CN106165090A (en) * | 2014-04-25 | 2016-11-23 | 三菱综合材料株式会社 | Power module substrate unit and power model |
CN106463477B (en) * | 2014-07-04 | 2019-03-12 | 三菱综合材料株式会社 | Power module substrate unit and power module |
WO2016002803A1 (en) * | 2014-07-04 | 2016-01-07 | 三菱マテリアル株式会社 | Substrate unit for power modules, and power module |
JP2016027645A (en) * | 2014-07-04 | 2016-02-18 | 三菱マテリアル株式会社 | Board for power module with heat radiation plate and power module |
CN106463477A (en) * | 2014-07-04 | 2017-02-22 | 三菱综合材料株式会社 | Substrate unit for power modules, and power module |
KR20170026557A (en) * | 2014-07-04 | 2017-03-08 | 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 | Substrate unit for power modules, and power module |
US9837363B2 (en) | 2014-07-04 | 2017-12-05 | Mitsubishi Materials Corporation | Power-module substrate unit and power module |
KR102300972B1 (en) | 2014-07-04 | 2021-09-09 | 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 | Substrate unit for power modules, and power module |
JP2016219852A (en) * | 2014-10-16 | 2016-12-22 | 三菱マテリアル株式会社 | Substrate with cooler for power module and method for producing the same |
JP2016174034A (en) * | 2015-03-16 | 2016-09-29 | 株式会社Ihi | Semiconductor power module |
WO2018163864A1 (en) * | 2017-03-07 | 2018-09-13 | 三菱マテリアル株式会社 | Substrate for power module having heat sink |
CN110383468A (en) * | 2017-03-07 | 2019-10-25 | 三菱综合材料株式会社 | Flange-cooled power module substrate |
EP3595001A4 (en) * | 2017-03-07 | 2020-12-30 | Mitsubishi Materials Corporation | Substrate for power module having heat sink |
JP2018148065A (en) * | 2017-03-07 | 2018-09-20 | 三菱マテリアル株式会社 | Board for power module with heat sink |
US11302602B2 (en) | 2017-03-07 | 2022-04-12 | Mitsubishi Materials Corporation | Power-module substrate with heat-sink |
CN110383468B (en) * | 2017-03-07 | 2023-04-28 | 三菱综合材料株式会社 | Substrate with radiating fin for power module |
WO2020245975A1 (en) * | 2019-06-06 | 2020-12-10 | 三菱電機株式会社 | Warpage control structure for metal base plate, semiconductor module, and inverter device |
JPWO2020245975A1 (en) * | 2019-06-06 | 2021-10-21 | 三菱電機株式会社 | Warp control structure of metal base plate, semiconductor module and inverter device |
JP7154410B2 (en) | 2019-06-06 | 2022-10-17 | 三菱電機株式会社 | Warpage control structure of metal base plate, semiconductor module and inverter device |
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