JP2008178903A - Solder sheet and power module - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solder sheet capable of increasing the thickness of a solder layer formed between two opposing surfaces and uniforming the thickness of the solder layer, and to provide a power module having a thick and uniform solder layer on at least one side of an insulating circuit substrate by using the solder sheet. <P>SOLUTION: The solder sheet 1 is arranged between first and second surfaces and melted to form a solder junction layer between the first and second surfaces. Spacer particles 5 are provided to hold the first and second surfaces with the solder junction layer therebetween at a predetermined spacing. The spacer particles 5 are dispersed along the surface of the sheet and formed of a material having the melting point higher than that of the solder forming the solder junction layer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、接合される２つの面の間を、均一な所定の間隔に保持するためのハンダシートと、このハンダシートを用いて製造したパワーモジュールに関する。   The present invention relates to a solder sheet for maintaining a uniform predetermined distance between two surfaces to be joined, and a power module manufactured using the solder sheet.

従来、対向する２つの面を接合する技術のひとつとして、これら２つの面の間に配置するとともに溶融させて２つの面の間に接合層を形成させるハンダペーストによる接合技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。   Conventionally, as one technique for joining two opposing faces, a joining technique using solder paste in which a joining layer is formed between the two faces while being placed between the two faces and melted has been disclosed ( For example, see Patent Document 1.)

一方、例えば、セラミックス等により形成された絶縁板と、該絶縁板の一方の面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の面に接合された金属板とを備えた絶縁回路基板の回路板に半導体チップを接合するとともに金属板の表面に冷却部材を接合したパワーモジュールが実用化されている（例えば、特許文献２参照。）。
かかるパワーモジュールにおいて、ハンダを用いて半導体チップや冷却部材を絶縁回路基板に接合した場合、半導体チップが通電、加熱されて熱膨張による歪が生じた場合であっても、ハンダ層の剛性が上記絶縁板、回路板、金属板よりも小さいために熱膨張による歪がハンダ層に吸収されるという利点がある。
特許第３５９７８１０号公報 特開２００６−２３７０５８号公報 On the other hand, for example, an insulating circuit board comprising an insulating plate formed of ceramics, a circuit board bonded to one surface of the insulating plate, and a metal plate bonded to the other surface of the insulating plate A power module in which a semiconductor chip is bonded to a circuit board and a cooling member is bonded to the surface of a metal plate has been put into practical use (see, for example, Patent Document 2).
In such a power module, when the semiconductor chip or the cooling member is bonded to the insulating circuit board using solder, the rigidity of the solder layer is sufficient even when the semiconductor chip is energized and heated to cause distortion due to thermal expansion. Since it is smaller than the insulating plate, circuit board, and metal plate, there is an advantage that strain due to thermal expansion is absorbed by the solder layer.
Japanese Patent No. 3597810 JP 2006-237058 A

しかしながら、ハンダペーストを用いて、ハンダ層の厚さを厚く確保して接合面内におけるハンダ層の厚さを均一に形成することは、非常に困難であり、その結果、ハンダ層に生じる歪を抑制してハンダ層に生じる熱膨張による歪を充分に小さくすることや接合面内の位置による温度の偏りを小さくすること、また、回路板に接合された半導体チップの端子の位置精度を確保してボンディング不良の発生を削減することが困難であるという問題があった。   However, it is very difficult to ensure a uniform solder layer thickness within the bonding surface by using a solder paste to ensure a thick solder layer, and as a result, the distortion generated in the solder layer is reduced. Suppressing the distortion due to thermal expansion generated in the solder layer sufficiently, reducing the temperature deviation due to the position in the bonding surface, and ensuring the positional accuracy of the terminals of the semiconductor chip bonded to the circuit board Therefore, there is a problem that it is difficult to reduce the occurrence of bonding defects.

この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、対向する２つの面を接合する場合に、２つの面の間に形成させるハンダ層の厚さを厚くするとともに、ハンダ層の厚さを均一にすることが可能なハンダシートを提供することを目的とする。また、かかるハンダシートを用いることにより、絶縁回路基板の少なくとも一方の面に厚さが厚く均一なハンダ層が形成されたパワーモジュールを提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of such circumstances, and when joining two opposing surfaces, the thickness of the solder layer formed between the two surfaces is increased and the thickness of the solder layer is increased. An object of the present invention is to provide a solder sheet that can be made uniform. Another object of the present invention is to provide a power module in which a uniform solder layer having a large thickness is formed on at least one surface of an insulating circuit board by using such a solder sheet.

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第１の面と第２の面との間に配置して溶融させることにより前記第１の面と前記第２の面との間にハンダ接合層を形成するハンダシートであって、前記ハンダ接合層を挟んだ前記第１の面と前記第２の面とを所定の間隔に保持するスペーサ粒子を備え、前記スペーサ粒子は、前記シートの面に沿って分散配置され、かつ、前記ハンダ層を形成するハンダよりも高融点材料からなることを特徴とする。   In order to solve such a problem and achieve the object, the invention according to claim 1 is arranged between the first surface and the second surface to melt the first surface. A solder sheet for forming a solder bonding layer between a surface and the second surface, the spacer holding the first surface and the second surface sandwiching the solder bonding layer at a predetermined interval The spacer particles are dispersed and arranged along the surface of the sheet, and are made of a material having a higher melting point than that of the solder forming the solder layer.

この発明に係るハンダシートによれば、ハンダシートにハンダよりも高融点材料からなるスペーサ粒子が分散配置されているので、前記第１の面と前記第２の面との間で溶融させるとともに凝固させて前記第１の面と前記第２の面とを接合させることにより、スペーサ粒子が前記第１の面と前記第２の面との間のハンダ層をスペーサ粒子に対応する厚さに保持するとともに、ハンダ層の中にスペーサ粒子が分散されることで前記第１の面と前記第２の面との間を均一な間隔に保持する。その結果、前記第１の面と前記第２の面との間に厚さが厚いハンダ層を形成することができ、前記第１の面と前記第２の面との間隔を均一に保持することができる。   According to the solder sheet according to the present invention, since the spacer particles made of a material having a higher melting point than the solder are dispersed in the solder sheet, the solder sheet is melted and solidified between the first surface and the second surface. By bonding the first surface and the second surface, the spacer particles maintain the solder layer between the first surface and the second surface at a thickness corresponding to the spacer particles. At the same time, the spacer particles are dispersed in the solder layer to maintain a uniform distance between the first surface and the second surface. As a result, a thick solder layer can be formed between the first surface and the second surface, and the distance between the first surface and the second surface is kept uniform. be able to.

請求項２に記載の発明は、請求項１記載のハンダシートであって、前記スペーサ粒子は、金属、又は無機材料からなる球状体であることを特徴とする。   A second aspect of the present invention is the solder sheet according to the first aspect, wherein the spacer particles are spherical bodies made of a metal or an inorganic material.

この発明に係るハンダシートによれば、スペーサ粒子は、金属、又は無機材料からなる球状体であるので、球状体の直径を構成する線分の一方端が前記第１の面に当接し、他方端が前記第２の面に当接する。その結果、前記第１の面と前記第２の面との間隔が球状体の直径に対応する距離に保持される。   According to the solder sheet according to the present invention, since the spacer particles are spherical bodies made of metal or inorganic material, one end of a line segment constituting the diameter of the spherical body abuts on the first surface, and the other An end abuts on the second surface. As a result, the distance between the first surface and the second surface is maintained at a distance corresponding to the diameter of the spherical body.

請求項３に記載の発明は、請求項１記載のハンダシートであって、前記スペーサ粒子は、金属、又は無機材料からなり断面円形状の線材であることを特徴とする。   A third aspect of the present invention is the solder sheet according to the first aspect, wherein the spacer particles are made of a metal or an inorganic material and are a wire having a circular cross section.

この発明に係るハンダシートによれば、スペーサ粒子は、金属、又は無機材料からなり断面円形状の線材であるので、該円形状の直径を構成する線分の一方端が前記第１の面に当接し、他方端が前記第２の面に当接する。その結果、前記第１の面と前記第２の面との間隔が円形状の直径に対応する距離に保持される。   According to the solder sheet according to the present invention, the spacer particles are made of a metal or an inorganic material and have a circular cross section. Therefore, one end of a line segment constituting the circular diameter is on the first surface. Abutting and the other end abutting against the second surface. As a result, the distance between the first surface and the second surface is maintained at a distance corresponding to a circular diameter.

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のハンダシートであって、厚さが前記スペーサ粒子の大きさと略同じに形成され、かつ前記スペーサ粒子は、層状に一層に配置されていることを特徴とする。   A fourth aspect of the present invention is the solder sheet according to any one of the first to third aspects, wherein the thickness is substantially the same as the size of the spacer particles, and the spacer particles are layered. It is characterized by being arranged in one layer.

この発明に係るハンダシートによれば、スペーサ粒子が、スペーサ粒子がハンダシートの厚さ方向に重なることなく層状に１層に配置されているので、形成するハンダ層の厚さを制御し易い。
また、ハンダシートの厚さと形成されるハンダ層の厚さが略同じ厚さとされているので、余剰のハンダが用いられることがなく、ハンダシートの無駄を抑制して材料歩留まりを向上することができる。
ここでいう、スペーサ粒子の大きさとは、形成するハンダ層を支持可能なスペーサ粒子の代表寸法をいい、代表寸法とは、スペーサ粒子が面に対して安定して配置された状態におけるその面からスペーサ粒子の頂部までの寸法をいう。 According to the solder sheet according to the present invention, since the spacer particles are arranged in a single layer without the spacer particles overlapping in the thickness direction of the solder sheet, it is easy to control the thickness of the solder layer to be formed.
Moreover, since the thickness of the solder sheet and the thickness of the solder layer to be formed are substantially the same, excess solder is not used, and it is possible to suppress the waste of the solder sheet and improve the material yield. it can.
Here, the size of the spacer particles refers to the representative dimension of the spacer particles capable of supporting the solder layer to be formed, and the representative dimension refers to the surface in a state where the spacer particles are stably arranged with respect to the surface. The dimension to the top of the spacer particles.

請求項５に記載の発明は、絶縁板と、該絶縁板の一方の面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の面に接合された金属板とからなる絶縁回路基板を備え、前記絶縁回路基板の、前記回路板と前記金属板の少なくとも一方の側の面にハンダ接合層を介して他の接合部材が接合されたパワーモジュールであって、前記ハンダ接合層には、前記ハンダよりも高融点材料からなるスペーサ粒子が一層に配置され、前記絶縁回路基板と前記接合部材との間が、前記スペーサ粒子に対応する間隔に均一に保持されていることを特徴とする。   The invention according to claim 5 includes an insulating circuit board comprising an insulating plate, a circuit board bonded to one surface of the insulating plate, and a metal plate bonded to the other surface of the insulating plate, A power module in which another joining member is joined to a surface of at least one side of the circuit board and the metal plate of the insulating circuit board via a solder joint layer, and the solder joint layer includes the solder Spacer particles made of a material having a higher melting point than that of the insulating circuit board and the bonding member are uniformly held at intervals corresponding to the spacer particles.

この発明に係るパワーモジュールによれば、スペーサ粒子がない従来のハンダ層の場合にはハンダ層を厚さ方向に支持するものがないために、厚さは、例えば、約０．１ｍｍから０．２ｍｍと薄く形成されるが、ハンダ層に、例えば、０．４ｍｍから０．５ｍｍの大きさのスペーサ粒子を分散配置することにより、厚さを約０．４ｍｍから０．５ｍｍと厚く制御することができるので、絶縁回路基板と半導体チップや、絶縁回路基板と冷却部材との間に形成されるハンダ層に生じる熱膨張に起因する歪をハンダ層が吸収して小さくすることができる。
また、ハンダ層の厚さが均一に形成されるので、ハンダ層の面内において均一な熱伝導率（熱抵抗）を確保することができる。 According to the power module of the present invention, in the case of a conventional solder layer without spacer particles, there is nothing to support the solder layer in the thickness direction. Although it is formed as thin as 2 mm, the thickness is controlled to be about 0.4 mm to 0.5 mm thick by dispersing and arranging spacer particles having a size of 0.4 mm to 0.5 mm in the solder layer, for example. Therefore, the solder layer can absorb and reduce strain caused by thermal expansion generated in the solder layer formed between the insulating circuit board and the semiconductor chip or between the insulating circuit board and the cooling member.
Moreover, since the thickness of the solder layer is formed uniformly, uniform thermal conductivity (thermal resistance) can be ensured in the surface of the solder layer.

この発明に係るハンダシートによれば、ハンダシートにスペーサ粒子が分散配置されているのでハンダ層に分散されたスペーサ粒子が前記第１の面と前記第２の面との間を支持して厚いハンダ層を形成することができる。また、前記第１の面と前記第２の面との間がハンダ層を介して所定の間隔に均一に保持される。
また、このハンダシートを用いて製造された絶縁回路基板の少なくとも一方の側の面に厚くて均一なハンダ接合層が形成されたパワーモジュールによれば、絶縁回路基板と半導体チップや冷却部材等の接合部材との間のハンダ層が厚く均一に形成されているので、ハンダ層に生じる熱歪を小さくするとともにハンダ層の面内における熱伝導の効率を向上させて、熱サイクル寿命を向上させることができる。 According to the solder sheet according to the present invention, since the spacer particles are dispersed and arranged in the solder sheet, the spacer particles dispersed in the solder layer support and thicken between the first surface and the second surface. A solder layer can be formed. Further, the space between the first surface and the second surface is uniformly held at a predetermined interval via the solder layer.
Moreover, according to the power module in which the thick and uniform solder bonding layer is formed on the surface of at least one side of the insulating circuit board manufactured using this solder sheet, the insulating circuit board, the semiconductor chip, the cooling member, etc. Since the solder layer between the joining members is thick and uniform, the thermal strain generated in the solder layer is reduced and the efficiency of heat conduction in the surface of the solder layer is improved, thereby improving the thermal cycle life. Can do.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１には、本発明に係るハンダシートの一実施の形態を示す図であり、符号１はハンダシートを、符号５はスペーサ粒子を示している。
ハンダシート１は、図１に示すように、厚さ０．６ｍｍのシート状のハンダからなるシート本体３と、このシート本体３に分散配置されたスペーサ粒子５とを備えており、ハンダシート１は、その厚さがスペーサ粒子５に比較して０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ大きく形成され、スペーサ粒子５は、シート本体３内に層状に一層に配置されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a view showing an embodiment of a solder sheet according to the present invention. Reference numeral 1 denotes a solder sheet, and reference numeral 5 denotes spacer particles.
As shown in FIG. 1, the solder sheet 1 includes a sheet main body 3 made of sheet-like solder having a thickness of 0.6 mm, and spacer particles 5 dispersedly arranged on the sheet main body 3. The thickness is 0.1 mm to 0.2 mm larger than that of the spacer particles 5, and the spacer particles 5 are arranged in a single layer in the sheet body 3.

シート本体３は、第１のシート本体３Ａと、この第１のシート本体３Ａと一体的に接合された第２のシート本体３Ｂと、スペーサ粒子５とを備えており、第１のシート本体３Ａと第２のシート本体３Ｂは、例えば、Ｐｂ８５ｗｔ％以上、Ｓｎ１０ｗｔ％以上、Ａｇ０．５ｗｔ％以上で、融点は３２０℃〜３４０℃とされたハンダにより構成されていて、第１のシート本体３Ａに形成された凹部４Ａと第２のシート３Ｂに形成された４Ｂとによりスペーサ粒子５を保持している。   The sheet body 3 includes a first sheet body 3A, a second sheet body 3B joined integrally with the first sheet body 3A, and spacer particles 5, and the first sheet body 3A. The second sheet main body 3B is composed of, for example, solder having Pb of 85 wt% or more, Sn of 10 wt% or more, Ag of 0.5 wt% or more, and a melting point of 320 ° C. to 340 ° C. The spacer particles 5 are held by the formed recesses 4A and the 4B formed on the second sheet 3B.

スペーサ粒子５は、この実施の形態において、例えば、材質がＮｉからなる直径がφ０．４ｍｍ〜０．５ｍｍの球状体とされるとともに、シート本体３の全面にわたって分散されている。その結果、球状体の直径を構成する線分の一方端が第１の面に当接して他方端が第２の面に当接することにより、第１の面と第２の面との間隔が球状体の直径に対応する距離に保持可能とされている。
また、スペーサ粒子５の材質がＮｉとされていることにより、ハンダ層を形成する際に、スペーサ粒子５が溶融されたハンダの中にあってもスペーサ粒子５がハンダに溶解されることなく形状が維持されるようになっている。 In this embodiment, the spacer particles 5 are, for example, a spherical body having a diameter of φ0.4 mm to 0.5 mm made of Ni, and are dispersed over the entire surface of the sheet body 3. As a result, one end of the line segment constituting the diameter of the spherical body abuts on the first surface and the other end abuts on the second surface, so that the distance between the first surface and the second surface is reduced. It can be held at a distance corresponding to the diameter of the spherical body.
Further, since the material of the spacer particles 5 is Ni, the shape of the spacer particles 5 is not dissolved in the solder when the solder layer is formed even if the spacer particles 5 are in the molten solder. Is to be maintained.

次に、ハンダシート１の第１の製造方法について説明する。
図２（Ａ）に示すように、まず、ハンダからなる、例えば、厚さ１ｍｍの第１のシート本体３Ａに対して、スペーサ粒子５が保持された嵌入ローラＲ１をＴ方向に回転するとともに押圧させて、第１のシート本体３Ａにスペーサ粒子５が嵌入される凹部４Ａを形成させるとともに、嵌入ローラＲ１の表面からスペーサ粒子５を第１のシート本体３Ａの凹部４Ａに嵌入させる。
スペーサ粒子５は、例えば、嵌入ローラＲ１の上方に配置されたホッパー（図示せず）から供給される。 Next, the 1st manufacturing method of the solder sheet | seat 1 is demonstrated.
As shown in FIG. 2A, first, an insertion roller R1 holding spacer particles 5 is rotated in the T direction and pressed against a first sheet body 3A made of solder, for example, 1 mm thick. Thus, the recess 4A into which the spacer particles 5 are inserted is formed in the first sheet main body 3A, and the spacer particles 5 are inserted into the recesses 4A of the first sheet main body 3A from the surface of the insertion roller R1.
The spacer particles 5 are supplied from, for example, a hopper (not shown) disposed above the insertion roller R1.

次いで、第１のシート本体３Ａの凹部４Ａにスペーサ粒子５が嵌入されたら、第１のシート本体３Ａを平板Ｐの上に配置して、第１のシート本体３Ａに厚さ０．６ｍｍの第２のシート本体３Ｂを重ね合わせる。この場合、シート本体３Ａとシート本体３Ｂの厚みについては、シート本体３Ａ及びシート本体３Ｂの材質、押圧条件によって調整可能であり、シート本体３Ａとシート本体３Ｂの厚さを同一とし、又は異なる厚さとすることが可能である。
第１のシート本体３Ａに第２のシート本体３Ｂが重ね合わせられたら、図２（Ｂ）に示すように、押圧ローラＲ２をＴ方向に回転するとともに押圧させて第２のシート本体３Ｂの上面から第１のシート本体３Ａ及び第２のシート本体３Ｂを押圧する。 Next, when the spacer particles 5 are inserted into the recesses 4A of the first sheet main body 3A, the first sheet main body 3A is arranged on the flat plate P, and the first sheet main body 3A has a thickness of 0.6 mm. The two sheet bodies 3B are overlapped. In this case, the thicknesses of the sheet main body 3A and the sheet main body 3B can be adjusted depending on the material and pressing conditions of the sheet main body 3A and the sheet main body 3B, and the thicknesses of the sheet main body 3A and the sheet main body 3B are the same or different. It is possible.
When the second sheet main body 3B is overlaid on the first sheet main body 3A, as shown in FIG. 2 (B), the pressing roller R2 is rotated in the T direction and pressed so that the upper surface of the second sheet main body 3B The first sheet body 3A and the second sheet body 3B are pressed.

押圧ローラＲ２の押圧によって、第１のシート本体３Ａから突出したスペーサ粒子５の突出部分が第２のシート本体３Ｂに嵌入されて、第１のシート本体３Ａと第２のシート本体３Ｂが一体的に接合されてハンダシート１が形成される。
形成されたハンダシート１を所定の厚さまで圧延して、ハンダシート１の最終的な厚さを調整してもよい。
この場合、第１のシート本体３Ａと第２のシート本体３Ｂとの接合には、接着剤等を用いてもよい。 The protruding portions of the spacer particles 5 protruding from the first sheet main body 3A are fitted into the second sheet main body 3B by the pressing of the pressing roller R2, and the first sheet main body 3A and the second sheet main body 3B are integrated. To form a solder sheet 1.
The final thickness of the solder sheet 1 may be adjusted by rolling the formed solder sheet 1 to a predetermined thickness.
In this case, an adhesive or the like may be used for joining the first sheet main body 3A and the second sheet main body 3B.

次に、ハンダシート１の第２の製造方法について説明する。
第２の製造方法は、貯留槽内に保持された溶融ハンダ液中に０．４ｍｍ〜０．５ｍｍのＮｉ製の球状体を分散させて、この溶融ハンダ液中にＳＵＳ板を水平に配置するとともにＳＵＳ板を負極、ハンダ液を正極に接続する。この場合、Ｎｉ製の球状体は、攪拌翼によって、溶融ハンダ液内にて均一に分散されるようになっている。 Next, the 2nd manufacturing method of the solder sheet | seat 1 is demonstrated.
In the second manufacturing method, 0.4 mm to 0.5 mm Ni spherical bodies are dispersed in the molten solder liquid held in the storage tank, and the SUS plate is horizontally disposed in the molten solder liquid. At the same time, the SUS plate is connected to the negative electrode, and the solder solution is connected to the positive electrode. In this case, the Ni spherical body is uniformly dispersed in the molten solder liquid by the stirring blade.

この溶融ハンダ液及びＮｉの球状体に対して、前記ＳＵＳ板を負極、ハンダ液を正極とした電圧を印加して電流を流すことで、電着作用によりＳＵＳ板の表面に、Ｎｉ球状体からなるスペーサ粒子５が層状に１層に保持されたハンダシート１が形成される。
かかる溶融ハンダ液によるＮｉ球状体のＳＵＳ板に対する電着による製造方法によれば、均一で１層のＮｉ球状体からなるスペーサ粒子５を有するハンダシート１を容易に製造することができる。 By applying a voltage to the molten solder solution and Ni spheres using the SUS plate as a negative electrode and a solder solution as a positive electrode, an electric current is applied to the surface of the SUS plate from the Ni spheres. The solder sheet 1 in which the spacer particles 5 are held in a single layer is formed.
According to the manufacturing method by electrodeposition of Ni spheres on the SUS plate with the molten solder liquid, it is possible to easily manufacture the solder sheet 1 having the spacer particles 5 made of uniform Ni spheres.

以下、図面３を参照し、パワーモジュール３０の製造を例に、ハンダシート１の使用方法について説明する。
本実施形態のパワーモジュール３０は、絶縁回路基板４０と、該絶縁回路基板４０の一方の表面側に設けられた半導体チップ５０と、絶縁回路基板４０の他方の表面側に設けられた冷却部材５５とを備えており、絶縁回路基板４０は、絶縁板４１と、該絶縁板４１の一方の表面に接合された回路板４２と、絶縁板４１の他方の表面に接合された金属板４３とを備えている。 Hereinafter, a method of using the solder sheet 1 will be described with reference to FIG.
The power module 30 of this embodiment includes an insulating circuit board 40, a semiconductor chip 50 provided on one surface side of the insulating circuit board 40, and a cooling member 55 provided on the other surface side of the insulating circuit board 40. The insulating circuit board 40 includes an insulating plate 41, a circuit plate 42 bonded to one surface of the insulating plate 41, and a metal plate 43 bonded to the other surface of the insulating plate 41. I have.

また、絶縁回路基板４０と半導体チップ５０とは第１のハンダ層４４を介して、絶縁回路基板４０と冷却部材５５とは第２のハンダ層４５を介して接合されており、第１、第２のハンダ接合層４４、４５には、これらハンダ層を構成するハンダよりも高融点材料である材質がNiの球状体からなるスペーサ粒子５が一層に分散配置され、絶縁回路基板４０と半導体チップ（接合部材）５０との間が０．４ｍｍ〜０．５ｍｍに、及び絶縁回路基板４０と冷却部材（接合部材）５５との間が０．４ｍｍ〜０．５ｍｍに、それぞれのハンダ層４４、４５に分散配置されたスペーサ粒子５に対応する厚さに均一に保持されている。   The insulating circuit board 40 and the semiconductor chip 50 are joined via the first solder layer 44, and the insulating circuit board 40 and the cooling member 55 are joined via the second solder layer 45. In the solder bonding layers 44 and 45, spacer particles 5 made of a spherical body made of Ni, which is a material having a melting point higher than that of the solder constituting the solder layers, are dispersed and arranged in one layer. (Bonding member) 50 between 0.4 mm and 0.5 mm, and between insulating circuit board 40 and cooling member (bonding member) 55 between 0.4 mm and 0.5 mm. It is uniformly held at a thickness corresponding to the spacer particles 5 dispersedly arranged in 45.

絶縁板４１は、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ２Ｏ３等の酸化物系セラミックスにより形成され、回路板４２は、純度９９．９８％以上のＡｌ合金若しくは純Ａｌにより形成され、金属板４３は、純度９８．００％以上９９．９０％以下のＡｌ合金により形成されており、絶縁板４１と回路板４２および金属板４３とを接合するろう材は、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系のろう材から選ばれる１または２以上のろう材とされている。 The insulating plate 41 is made of a nitride ceramic such as AlN or Si 3 N 4 or an oxide ceramic such as Al 2 O 3 , and the circuit board 42 is an Al alloy or pure Al having a purity of 99.98% or more. The metal plate 43 is made of an Al alloy having a purity of 98.00% or more and 99.90% or less, and the brazing material that joins the insulating plate 41, the circuit plate 42, and the metal plate 43 is, for example, One or two or more brazing materials selected from Al—Si, Al—Ge, Al—Cu, Al—Mg, and Al—Mn brazing materials are used.

また、絶縁板４１の縦、横および厚さがそれぞれ１０ｍｍ〜１００ｍｍ、１０ｍｍ〜１００ｍｍおよび０．２ｍｍ〜１．０ｍｍとされ、回路板４２の縦、横および厚さがそれぞれ１０ｍｍ〜１００ｍｍ、１０ｍｍ〜１００ｍｍおよび０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下とされ、金属板４３の縦、横および厚さがそれぞれ１０ｍｍ〜１００ｍｍ、１０ｍｍ〜１００ｍｍおよび０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とされている。   The length, width, and thickness of the insulating plate 41 are 10 mm to 100 mm, 10 mm to 100 mm, and 0.2 mm to 1.0 mm, respectively, and the length, width, and thickness of the circuit board 42 are 10 mm to 100 mm, 10 mm to 10 mm, respectively. The length, width, and thickness of the metal plate 43 are 10 mm to 100 mm, 10 mm to 100 mm, and 0.6 mm to 1.5 mm, respectively.

冷却部材５５は、純Ａｌ、Ａｌ合金、純Ｃｕ若しくはＣｕ合金等の金属若しくはＡｌＳｉＣ等の金属セラミック複合材により形成された本体部５５Ａと、第２のハンダ層４５を介して金属板４３と接続される冷却面５５Ｃと、冷却媒体が通過する冷媒流路（図示せず）とを備え、冷媒流路には、例えば、水等の冷媒が流通されて金属板４３側の吸熱面５５Ｃから熱を吸収して、絶縁回路基板４０を冷却するようになっている。
すなわち、半導体チップ５０から冷却部材５５に伝導された熱を吸収することによって、半導体チップ５０からの熱をパワーモジュール３０から放散させるようになっている。 The cooling member 55 is connected to the metal plate 43 via the second solder layer 45 and a main body portion 55A formed of a metal such as pure Al, Al alloy, pure Cu or Cu alloy, or a metal ceramic composite material such as AlSiC. The cooling surface 55C and a coolant channel (not shown) through which a cooling medium passes are provided. In the coolant channel, for example, a coolant such as water is circulated and heat is generated from the endothermic surface 55C on the metal plate 43 side. The insulating circuit board 40 is cooled by absorbing the heat.
In other words, the heat conducted from the semiconductor chip 50 to the cooling member 55 is absorbed to dissipate the heat from the semiconductor chip 50 from the power module 30.

ここで、回路板４２および金属板４３の表面にはそれぞれ、厚さ約２μｍの図示されないＮｉメッキ層が形成されており、このＮｉメッキ層の形成された回路板４２の表面に、第１ハンダ層４４を介して半導体チップ５０が接合され、また、Ｎｉメッキ層の形成された回路板４２および金属板４３の各表面と絶縁板４１とは、ろう付けにより接合されている。   Here, a Ni plating layer (not shown) having a thickness of about 2 μm is formed on the surface of each of the circuit board 42 and the metal plate 43, and the first solder is formed on the surface of the circuit board 42 on which the Ni plating layer is formed. The semiconductor chip 50 is bonded through the layer 44, and the surfaces of the circuit board 42 and the metal plate 43 on which the Ni plating layer is formed and the insulating plate 41 are bonded by brazing.

この第１のハンダ層４４及び第２のハンダ層４５は、ハンダシート１を絶縁回路基板４０の回路板４２の表面と半導体チップ５０との間及び金属板４３の表面と冷却部材５５とのそれぞれ間に挟んで配置するとともに、温度３４０℃〜３６０℃で、１分間保持した後に、冷却して形成される。   The first solder layer 44 and the second solder layer 45 are formed by connecting the solder sheet 1 between the surface of the circuit board 42 of the insulated circuit board 40 and the semiconductor chip 50 and between the surface of the metal plate 43 and the cooling member 55. In addition to being placed between them, it is formed by holding at a temperature of 340 ° C. to 360 ° C. for 1 minute and then cooling.

上記実施の形態に係るハンダシートに１よれば、対向する２つの面と面とがスペーサ粒子５により２つの面が支持された状態で第１、第２のハンダ層４４、４５を厚く形成することができる。また、スペーサ粒子５が、材質がＮｉからなる球状体であるので、球状体の直径を制御することにより、第１のハンダ層４４、第２のハンダ層４５の厚さを、例えば、０．４ｍｍ〜０．５ｍｍ、かつ、均一な厚さに容易に制御することができる。
また、第１、第２のハンダ層４４、４５にスペーサ粒子５が分散されていることにより２つの面の間隔を均一に形成することができる。 According to the solder sheet 1 according to the above-described embodiment, the first and second solder layers 44 and 45 are formed thick in a state where the two surfaces facing each other are supported by the spacer particles 5. be able to. Further, since the spacer particle 5 is a spherical body made of Ni, the thickness of the first solder layer 44 and the second solder layer 45 can be set to, for example, 0. 0 by controlling the diameter of the spherical body. It can be easily controlled to 4 mm to 0.5 mm and a uniform thickness.
Further, since the spacer particles 5 are dispersed in the first and second solder layers 44 and 45, the distance between the two surfaces can be formed uniformly.

その結果、上記実施の形態に係るパワーモジュール３０において、第１のハンダ層４４の厚さを０．４ｍｍから０．５ｍｍと厚く形成し、第２のハンダ層４５の厚さを０．４ｍｍから０．５ｍｍと厚く形成することができるので、パワーモジュール３０で発生する熱膨張に起因する歪を小さくすることができる。また、第１、第２のハンダ層４４、４５の厚さが均一となることにより、半導体チップ５０から冷却部材５５への熱伝導が効率的、均一に行なわれるので、パワーモジュール３０の過熱が抑制されるとともに、温度分布の偏りを小さくすることができる。
また、回路板４２に対する半導体チップ５０の端子の位置精度を向上させることができるので、例えば、パワーモジュール製造時におけるボンディング不良の発生を抑制することができ、製造コストを低減することができる。 As a result, in the power module 30 according to the above-described embodiment, the thickness of the first solder layer 44 is increased from 0.4 mm to 0.5 mm, and the thickness of the second solder layer 45 is increased from 0.4 mm. Since it can be formed as thick as 0.5 mm, it is possible to reduce distortion caused by thermal expansion generated in the power module 30. Further, since the thicknesses of the first and second solder layers 44 and 45 are uniform, the heat conduction from the semiconductor chip 50 to the cooling member 55 is performed efficiently and uniformly, so that the power module 30 is overheated. In addition to being suppressed, the bias of the temperature distribution can be reduced.
In addition, since the positional accuracy of the terminals of the semiconductor chip 50 with respect to the circuit board 42 can be improved, for example, it is possible to suppress the occurrence of bonding failure when manufacturing the power module, and to reduce the manufacturing cost.

上記実施の形態に係るハンダシート１によれば、スペーサ粒子５が、ハンダシート１に層状に一層に分散配置されているので、スペーサ粒子５がハンダシート１の厚さ方向に重なることなく配置される。その結果、２つの面の間にハンダシート１を挟んだ状態でスペーサ粒子５が一層に分散配置されるため、ハンダ層の厚さ及び２つの面の間隔を所定の間隔に制御し易い。   According to the solder sheet 1 according to the above-described embodiment, the spacer particles 5 are arranged in a single layer in a layered manner on the solder sheet 1, so that the spacer particles 5 are arranged without overlapping in the thickness direction of the solder sheet 1. The As a result, since the spacer particles 5 are dispersed and arranged in a single layer with the solder sheet 1 sandwiched between the two surfaces, it is easy to control the thickness of the solder layer and the interval between the two surfaces to a predetermined interval.

また、ハンダシート１がスペーサ粒子５の大きさと略同じ厚さとされて、接合に用いるハンダシート１が、形成されるハンダ層の厚さと略同じ厚さとされることにより余剰のハンダが少なくなるので材料歩留まりを向上することができる。
また、スペーサ粒子５の直径と略同じ厚さのハンダシート１を用いることにより、溶融されたハンダシート１内でのハンダの移動が必要とされないので均一なハンダ層を安定して得ることができる。 In addition, since the solder sheet 1 has substantially the same thickness as the size of the spacer particles 5 and the solder sheet 1 used for bonding has substantially the same thickness as the thickness of the solder layer to be formed, excess solder is reduced. The material yield can be improved.
Further, by using the solder sheet 1 having a thickness substantially the same as the diameter of the spacer particles 5, since no solder movement is required in the molten solder sheet 1, a uniform solder layer can be stably obtained. .

なお、本発明の技術的範囲は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、ハンダシート１、第１のシート本体３A、第２のシート本体３Bの厚さ、スペーサ粒子５の直径については任意に選択可能である。   The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the thickness of the solder sheet 1, the first sheet body 3A, the second sheet body 3B, and the diameter of the spacer particles 5 can be arbitrarily selected.

上記実施の形態においては、スペーサ粒子として材質がＮｉからなる球状体を、ハンダシート１内に層状に一層に分散配置された場合について説明したが、スペーサ粒子を構成する球状体の材質についてはハンダ層を構成するハンダよりも融点が高く、ハンダに容易に溶解しない材質であればよく、Ｎｉに代えて、例えば、Ｃｕ、Ａｌ等の他の金属を用いてもよい。
また、ハンダシート１内に２層以上の層状にスペーサ粒子５が配置されていてもよい。 In the above embodiment, the case where the spherical particles made of Ni as the spacer particles are dispersed and arranged in a single layer in the solder sheet 1 has been described. However, the material of the spherical bodies constituting the spacer particles is soldered. Any material may be used as long as it has a melting point higher than that of the solder constituting the layer and does not easily dissolve in the solder, and other metals such as Cu and Al may be used instead of Ni.
In addition, the spacer particles 5 may be arranged in the solder sheet 1 in two or more layers.

また、スペーサ粒子の材質に関して、金属に代えて、ガラス粒子、ダイヤモンド粒子等の無機質を使用することも可能であり、ダイヤモンド粒子は高い熱伝導率が要求される場合に特に好適である。
また、スペーサ粒子５として、球状体に代えて、断面円形状に短く切断された線材を用いることも可能であり、さらに、形成させるハンダ層の厚さに対応した代表寸法を有する楕円体、円錐体や円錐台形体、三角錐、四角錐、五角錐等をはじめとする多角錐体や多角錐台形体、三角柱、四角柱、五角柱等からなる多角柱体（直方体を含む）、またダイヤモンド結晶等に基づいた８面体や切頭８面体、１２面体、２０面体等の多面体等を用いることも可能であり、代表寸法が制御したいハンダ層の厚さに対応することにより、あらゆる形態の粒子をスペーサ粒子の材料とすることができる。
ここでいう、代表寸法とは、形成するハンダ層を支持可能なスペーサ粒子の大きさをいい、スペーサ粒子５が面に安定して配置された状態のときの、配置された面からスペーサ粒子５の頂部までの寸法で表される。 In addition, regarding the material of the spacer particles, it is possible to use inorganic materials such as glass particles and diamond particles instead of metal, and diamond particles are particularly suitable when high thermal conductivity is required.
Further, as the spacer particles 5, it is also possible to use a wire material cut into a circular cross section instead of a spherical body, and an ellipsoid having a representative dimension corresponding to the thickness of the solder layer to be formed, a cone Polygonal cones (including rectangular parallelepipeds), polygonal pyramids and polygonal pyramids, including triangular bodies, truncated cones, triangular pyramids, quadrangular pyramids, pentagonal pyramids, etc. It is also possible to use polyhedrons such as octahedrons, truncated octahedrons, dodecahedrons, icosahedrons, etc., based on the thickness of the solder layer to be controlled by representative dimensions. It can be the material of the spacer particles.
Here, the representative dimension means the size of the spacer particles capable of supporting the solder layer to be formed, and the spacer particles 5 from the arranged surface when the spacer particles 5 are stably arranged on the surface. It is expressed in the dimension up to the top.

また、上記実施の形態においては、ハンダの組成がＰｂ８５ｗｔ％以上、Ｓｎ１０ｗｔ％以上、Ａｇ０．５ｗｔ％以上の合金の場合について説明したが、例えば、Ｓｎ９５ｗｔ％以上、Ａｇ３ｗｔ％以上、Ｃｕ０．５ｗｔ％以上の組成のハンダを用いることも可能であり、あらゆる組成のハンダを用いることができる。   In the above embodiment, the case where the solder composition is an alloy of Pb 85 wt% or more, Sn 10 wt% or more, and Ag 0.5 wt% or more has been described. For example, Sn 95 wt% or more, Ag 3 wt% or more, Cu 0.5 wt% or more It is also possible to use solders having the composition described above, and solders having any composition can be used.

また、上記実施の形態においては、第１のシート本体３Aに嵌入ローラＲ１によりスペーサ粒子５を分散、配置させる場合について説明したが、嵌入ローラＲ１に代えて、例えば、ドクターブレードによりスペーサ粒子５を分散配置させてもよいし、また、第１のシート本体３Aと第２のシート本体３Bを接合させる際に、平板Pに変えて、押圧ローラR2と対向するもうひとつの押圧ローラを用いて接合させてもよい。
また、上記第１、第２の製造方法以外の製造方法を用いてハンダシート１を製造してもよい。 In the above embodiment, the case where the spacer particles 5 are dispersed and arranged by the insertion rollers R1 on the first sheet main body 3A has been described. Instead of the insertion rollers R1, for example, the spacer particles 5 are replaced by a doctor blade. Alternatively, the first sheet main body 3A and the second sheet main body 3B may be joined by using another pressing roller opposed to the pressing roller R2 instead of the flat plate P. You may let them.
Moreover, you may manufacture the solder sheet | seat 1 using manufacturing methods other than the said 1st, 2nd manufacturing method.

また、上記実施の形態においては、パワーモジュール３０への適用例として、第１のハンダ層、第２のハンダ層４４、４５がともに、スペーサ粒子５が分散配置されたハンダシート１を用いて形成される場合について説明したが、第１のハンダ層と第２のハンダ層のいずれか一方のみに上記実施形態にかかるハンダシート１を用いてもよい。
また、図３とは異なる構成のパワーモジュールに対して、上記ハンダシート１を用いて製造することも可能である。 Moreover, in the said embodiment, as an application example to the power module 30, both the 1st solder layer and the 2nd solder layers 44 and 45 are formed using the solder sheet 1 in which the spacer particles 5 are dispersedly arranged. However, the solder sheet 1 according to the above embodiment may be used for only one of the first solder layer and the second solder layer.
Further, it is possible to manufacture the power module having a configuration different from that shown in FIG.

この発明の一実施形態に係るハンダシートを示す全体図である。1 is an overall view showing a solder sheet according to an embodiment of the present invention. この発明の一実施形態に係るハンダシートの製造方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the solder sheet which concerns on one Embodiment of this invention. この発明に係るハンダシートを用いて製造したパワーモジュールの一実施形態を示す図である。It is a figure showing one embodiment of a power module manufactured using a solder sheet concerning this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ ハンダシート
５ スペーサ粒子
３０ パワーモジュール
４０ 絶縁回路基板
４１ 絶縁板
４２ 回路板
４３ 金属板
４４ 第１ハンダ層
４５ 第２ハンダ層
５０ 半導体チップ（接合部材）
５５ 冷却部材（接合部材） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solder sheet 5 Spacer particle 30 Power module 40 Insulation circuit board 41 Insulation board 42 Circuit board 43 Metal plate 44 1st solder layer 45 2nd solder layer 50 Semiconductor chip (joining member)
55 Cooling member (joining member)

Claims (5)

第１の面と第２の面との間に配置して溶融させることにより前記第１の面と前記第２の面との間にハンダ接合層を形成するハンダシートであって、
前記ハンダ接合層を挟んだ前記第１の面と前記第２の面とを所定の間隔に保持するスペーサ粒子を備え、
前記スペーサ粒子は、
前記シートの面に沿って分散配置され、かつ、前記ハンダ層を形成するハンダよりも高融点材料からなることを特徴とするハンダシート。 A solder sheet for forming a solder bonding layer between the first surface and the second surface by disposing and melting between the first surface and the second surface,
Spacer particles for holding the first surface and the second surface sandwiching the solder bonding layer at a predetermined interval;
The spacer particles are
A solder sheet comprising a material having a higher melting point than that of the solder that is distributed along the surface of the sheet and forms the solder layer. 請求項１記載のハンダシートであって、
前記スペーサ粒子は、
金属、又は無機材料からなる球状体であることを特徴とするハンダシート。 The solder sheet according to claim 1,
The spacer particles are
A solder sheet comprising a spherical body made of a metal or an inorganic material. 請求項１記載のハンダシートであって、
前記スペーサ粒子は、
金属、又は無機材料からなり断面円形状の線材であることを特徴とするハンダシート。 The solder sheet according to claim 1,
The spacer particles are
A solder sheet comprising a metal or an inorganic material and having a circular cross section. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のハンダシートであって、
厚さが前記スペーサ粒子の大きさと略同じに形成され、
かつ前記スペーサ粒子は、
層状に一層に配置されていることを特徴とするハンダシート。 The solder sheet according to any one of claims 1 to 3,
The thickness is formed to be approximately the same as the size of the spacer particles,
And the spacer particles are
Solder sheet characterized by being arranged in layers in a single layer. 絶縁板と、該絶縁板の一方の面に接合された回路板と、前記絶縁板の他方の面に接合された金属板とからなる絶縁回路基板を備え、前記絶縁回路基板の、前記回路板と前記金属板の少なくとも一方の側の面にハンダ接合層を介して他の接合部材が接合されたパワーモジュールであって、
前記ハンダ接合層には、
前記ハンダよりも高融点材料からなるスペーサ粒子が一層に配置され、
前記絶縁回路基板と前記接合部材との間が、前記スペーサ粒子に対応する間隔に均一に保持されていることを特徴とするパワーモジュール。 An insulating circuit board comprising an insulating plate, a circuit board bonded to one surface of the insulating plate, and a metal plate bonded to the other surface of the insulating plate, and the circuit board of the insulating circuit board And a power module in which another joining member is joined to a surface on at least one side of the metal plate via a solder joining layer,
In the solder bonding layer,
Spacer particles made of a material having a higher melting point than the solder are disposed in one layer,
The power module, wherein the insulating circuit board and the bonding member are uniformly held at an interval corresponding to the spacer particles.
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