JP2008227331A - Semiconductor module, circuit board used therefor and manufacturing method thereof - 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半導体モジュール、およびこれに用いられる回路基板の構造に関する。また、この回路基板の製造方法に関する。 The present invention mainly relates to a semiconductor module on which a semiconductor chip that operates with high power is mounted, and a structure of a circuit board used therefor. Moreover, it is related with the manufacturing method of this 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は、電気的絶縁性と熱伝導率が高く、機械的強度の高い回路基板に半導体チップが接合された形態のものが用いられる。この構造の一例の断面図を図6に示す。ここで、この半導体モジュール51においては、回路基板52と半導体チップ53とが第1のはんだ層54により接合される。回路基板52は、セラミックス基板55とその両側に接合された金属回路板56、金属放熱板57とからなり、金属回路板56とセラミックス基板55間、および金属放熱板57とセラミックス基板55間は、ろう材(図示せず)により強固に接合される。金属回路板56は配線となるパターンをなして形成され、この上にはんだ層54を介して半導体チップ53が接合される。金属放熱板57はこの回路基板52の放熱性を高めるためにセラミックス基板55のほぼ全面にわたり形成される。セラミックス基板55は例えば熱伝導率が大きく、電気的絶縁性と強度に優れた窒化珪素セラミックスであり、金属回路板56と金属放熱板57は共に銅やアルミニウム等の熱伝導率の大きな金属で形成される。また、半導体チップ53の反対側には、さらにこの放熱性を高めるために、金属放熱板57に放熱部材58が第2のはんだ層59により接合される。放熱部材58はこの半導体モジュール51における支持基板ともなり、例えば銅および/またはアルミニウムで形成される。ここで、セラミックス基板55と金属回路板56との接合、およびセラミックス基板55と金属放熱板57との接合には、接合強度は高いが接合に高温(600℃以上)を要するろう付けが用いられる。一方、半導体チップ53が高温には耐えられないために、半導体チップ53と金属回路板56との接合には、接合強度は弱いが接合に高温(350℃よりも高い温度)を必要としないはんだが用いられている。金属放熱板57と放熱部材58との接合は回路基板52に半導体チップ53を接合した後、又はこの接合と同時に行われるため、同様にはんだが用いられる。
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. As such a semiconductor module, a semiconductor module is used in which a semiconductor chip is bonded to a circuit board having high electrical insulation and thermal conductivity and high mechanical strength. A cross-sectional view of an example of this structure is shown in FIG. Here, in the
こうした半導体モジュール51を含む装置がONとなっている場合、半導体チップ53が自己の発熱によって高温になる。一方、この半導体モジュール51を含む装置がOFFの場合には、この発熱はなくなるため、半導体チップ53は冷却水温またはモジュールが曝される雰囲気温度と等しくなる。従って、通常の使用において、この半導体モジュール51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51を構成する構成要素の室温での熱膨張係数は、例えば、半導体チップ53を構成するシリコンでは3.0×10−6/K、セラミックス基板55を構成する窒化ケイ素は3.0×10−6/K以下、金属回路板56、金属放熱板57を構成する銅は16.7×10−6/K程度と異なる。このため、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反りが半導体モジュール51に発生する。また、この反りの大きさや方向は、このサイクル中で変化する。この反りに際して、以上の構成の中で最も機械的強度が小さなはんだ接合部(第1のはんだ層54、第2のはんだ層59)に亀裂進展や剥離が進行することがある。特に、面積が大きな第2のはんだ層59においては、冷熱サイクルによる反り量が大きいため金属放熱板の端部から亀裂が発生し、これが内部に向かって進展することにより剥離する場合が多い。従って、こうした大電力の半導体モジュールにおいては、放熱性の高さと、冷熱サイクルに対する耐久性の高さが同時に要求される。
When the device including such a
はんだ層の厚さを厚くしてはんだ層に生じるせん断歪または相当塑性歪を小さくすることが、接合部の亀裂進展を抑制するためには有効である。しかしながら、はんだの熱伝導率は高くても30〜40W/m/K程度であり、金属回路板、金属放熱板やセラミックス基板よりもはるかに小さいため、はんだ層を厚くすれば回路基板のモジュールの熱抵抗が大きくなり放熱性は悪くなる。また、前述のような熱伝導率の大きなはんだ材料を得ることは困難である。従って、回路基板、または半導体モジュールにおける放熱性の高さと耐久性を両立させることは困難であった。 Increasing the thickness of the solder layer to reduce the shear strain or equivalent plastic strain generated in the solder layer is effective for suppressing crack propagation at the joint. However, the thermal conductivity of solder is about 30 to 40 W / m / K at the highest, and is much smaller than metal circuit boards, metal heat sinks and ceramic substrates. Thermal resistance increases and heat dissipation becomes worse. Also, it is difficult to obtain a solder material having a large thermal conductivity as described above. Therefore, it has been difficult to achieve both high heat dissipation and durability in a circuit board or semiconductor module.
このために、はんだ接合部(はんだ層)への応力集中を抑制し、はんだ接合部の破断を抑制して信頼性を向上させた構造が各種提案されている。例えば、特許文献1では、接合された金属放熱板において、セラミックス基板と接合されていない部分の厚さを部分的に薄くすることが記載されている。また、特許文献2には、金属回路板および金属放熱板の外周部に段差を設けた構造が記載され、特許文献3には、金属回路板に部分的に溝等を設けた構造が記載されている。これらの構造では、段差部や溝部に応力を集中させ、はんだ層に応力が集中しない構成としている。また、特許文献4には、はんだ層の厚さ、金属回路板や金属放熱板の厚さを最適化する事により回路基板全体に加わる応力を調整し、はんだ層に加わる機械的歪みを最小限にすることが記載されている。これにより、はんだ層の破断がしにくい回路基板が得られた。
For this reason, various structures have been proposed in which the concentration of stress on the solder joint (solder layer) is suppressed, the fracture of the solder joint is suppressed, and the reliability is improved. For example,
しかしながら、特許文献1〜3に記載の技術においては、接合部(はんだ層)への応力集中を防止するということが主眼となっている。このため、代わりにはんだ層以外の構成要素に対してこの応力が集中し、その構成要素が壊れやすくなることは避けられない。例えば、特許文献1に記載の技術においては、部分的に薄くされた金属放熱板が接するセラミックス基板の耐久性に問題が出る。また、特許文献2、3に記載の方法では金属回路板の外周の段差部や溝部が破断しやすくなる。はんだ接合部が破断する場合よりもこれらの部分が破断する方が半導体モジュールの動作自体に対する影響は小さいものの、回路基板が部分的に壊れるという点では変わらないため、信頼性に対してはやはり好ましくない影響がある。
However, in the techniques described in
一方、特許文献4に記載の技術においては、具体的には、例えばはんだ層の厚さを厚くしたり、金属放熱板を厚くすることが記載されているが、これらにより回路基板の放熱性は低くなる。従って、耐久性と放熱性を両立させた構造を得ることは困難であることは明らかである。
On the other hand, in the technique described in
従って、高い放熱性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備えた半導体モジュールを得ることは困難であった。 Therefore, it has been difficult to obtain a semiconductor module having both high heat dissipation properties and high durability against a cooling cycle.
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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 an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.
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。
本願第一の発明の要旨は、セラミックス基板の両面に金属回路板および金属放熱板がそれぞれ形成された回路基板上に半導体チップが搭載され、前記金属放熱板がはんだ層を介して放熱部材に接合されてなる半導体モジュールであって、前記放熱部材における前記金属放熱板と接する側の面に複数の凹凸が形成された放熱部材接合領域が設けられ、前記放熱部材は前記放熱部材接合領域において前記金属放熱板とはんだ層を介して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。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The gist of the first invention of this application is that a semiconductor chip is mounted on a circuit board in which a metal circuit board and a metal heat sink are respectively formed on both surfaces of a ceramic substrate, and the metal heat sink is bonded to a heat dissipation member via a solder layer. A heat dissipation member bonding region having a plurality of irregularities formed on a surface of the heat dissipation member on a side in contact with the metal heat dissipation plate, wherein the heat dissipation member is formed of the metal in the heat dissipation member bonding region. It exists in the semiconductor module characterized by joining via the heat sink and the solder layer.
前記放熱部材接合領域には、互いに平行に形成された線状の凹凸パターンが形成されていることが好ましい。 It is preferable that linear concavo-convex patterns formed in parallel to each other are formed in the heat dissipation member bonding region.
前記放熱部材接合領域には、配列された複数の凸形状パターン又は凹形状パターンを形成してもよい。 A plurality of arranged convex patterns or concave patterns may be formed in the heat dissipation member bonding region.
第一の発明においては、前記金属放熱板における前記放熱部材と接する側の面に、前記放熱部材接合領域と嵌合する形状となる凹凸が形成された放熱板接合領域が設けられ、前記放熱板接合領域と前記放熱部材接合領域とがはんだ層を介して接合されることが好ましい。 In 1st invention, the heat sink joining area | region in which the unevenness | corrugation used as the shape fitted to the said heat radiating member joining area | region was provided in the surface at the side which contacts the said heat radiating member in the said metal heat sink, The said heat sink It is preferable that a joining area | region and the said heat radiating member joining area | region are joined via a solder layer.
本願第二の発明の要旨は、セラミックス基板の両面に金属回路板および金属放熱板がそれぞれ形成された回路基板上に半導体チップが搭載され、前記金属放熱板がはんだ層を介して放熱部材に接合されてなる半導体モジュールであって、前記金属放熱板における前記放熱部材と接する側の面に複数の凹凸が形成された放熱板接合領域が設けられ、前記金属放熱板は前記放熱板接合領域において前記放熱部材とはんだ層を介して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 second invention of this application is that a semiconductor chip is mounted on a circuit board in which a metal circuit board and a metal heat sink are respectively formed on both surfaces of a ceramic substrate, and the metal heat sink is bonded to a heat dissipation member via a solder layer. A heat sink joining region in which a plurality of projections and depressions are formed on a surface of the metal heat sink that is in contact with the heat dissipation member, and the metal heat sink is formed in the heat sink joint region. It exists in the semiconductor module characterized by joining through the heat radiating member and the solder layer.
前記放熱板接合領域には、互いに平行に形成された線状の凹凸パターンが形成されていることが好ましい。 It is preferable that linear concavo-convex patterns formed in parallel to each other are formed in the heat sink joint region.
前記放熱板接合領域には、配列された複数の凸形状パターン又は凹形状パターンを形成してもよい。 A plurality of arranged convex patterns or concave patterns may be formed in the heat sink joint area.
本願第三の発明の要旨は、セラミックス基板の両面に金属回路板および金属放熱板がそれぞれ形成された回路基板であって、前記金属放熱板における前記セラミックス基板に接する面と反対側の面に複数の凹凸が形成された放熱板接合領域が設けられたことを特徴とする回路基板に存する。 The gist of the third invention of the present application is a circuit board in which a metal circuit board and a metal heat radiating plate are formed on both surfaces of the ceramic substrate, respectively, and a plurality of surfaces are provided on a surface opposite to the surface in contact with the ceramic substrate in the metal heat radiating plate. The present invention resides in a circuit board characterized in that a heat sink joining region in which the unevenness is formed is provided.
前記放熱板接合領域には、互いに平行に形成された線状の凹凸パターンが形成されていることが好ましい。 It is preferable that linear concavo-convex patterns formed in parallel to each other are formed in the heat sink joint region.
前記放熱板接合領域には、配列された複数の凸形状パターン又は凹形状パターンを形成してもよい。 A plurality of arranged convex patterns or concave patterns may be formed in the heat sink joint area.
本願第四の発明の要旨は、セラミックス基板の両面に金属回路板および金属放熱板がそれぞれ形成された回路基板が放熱部材に接合される半導体モジュールの製造方法であって、前記金属放熱板における前記放熱部材と接する側の面に複数の凹凸を有する放熱板接合領域を形成し、前記放熱板における前記放熱板接合領域と前記放熱部材とをはんだ層を介して接合することを特徴とする半導体モジュールの製造方法に存する。 The gist of the fourth invention of the present application is a manufacturing method of a semiconductor module in which a circuit board having a metal circuit board and a metal heat sink formed on both sides of a ceramic substrate is joined to a heat dissipation member, A semiconductor module comprising: a heat sink joining region having a plurality of projections and depressions on a surface in contact with the heat sink; and joining the heat sink joining region and the heat sink in the heat sink via a solder layer. Exist in the manufacturing method.
前記放熱部材における前記金属放熱板と接する側の面に、前記放熱板接合領域と嵌合する形状となる凹凸を有する放熱部材接合領域を形成し、前記放熱板接合領域と前記放熱部材接合領域とをはんだ層を介して接合することを特徴とする半導体モジュールの製造方法に存する。 On the surface of the heat radiating member on the side in contact with the metal heat radiating plate, a heat radiating member bonding region having irregularities to be fitted to the heat radiating plate bonding region is formed, and the heat radiating plate bonding region and the heat radiating member bonding region, In a method for manufacturing a semiconductor module, characterized in that bonding is performed through a solder layer.
本願第五の発明の要旨は、セラミックス基板の両面に金属回路板および金属放熱板がそれぞれ形成された回路基板が放熱部材に接合される半導体モジュールの製造方法であって、前記放熱部材における前記金属放熱板と接する側の面に複数の凹凸を有する放熱部材接合領域を形成し、前記放熱部材における前記放熱部材接合領域と前記金属放熱板とをはんだ層を介して接合することを特徴とする半導体モジュールの製造方法に存する。 The subject matter of the fifth invention of the present application is a method of manufacturing a semiconductor module in which a circuit board having a metal circuit board and a metal heat sink formed on both sides of a ceramic substrate is joined to a heat sink, and the metal in the heat sink A semiconductor device comprising: a heat dissipating member joining region having a plurality of projections and depressions on a surface in contact with the heat dissipating plate; and joining the heat dissipating member joining region of the heat dissipating member and the metal heat dissipating plate through a solder layer. It exists in the manufacturing method of a module.
本発明は以上のように構成されているので、高い放熱性と、冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備えた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 high heat dissipation and high durability with respect to a thermal cycle can be obtained.
以下、本発明について具体的な実施形態を示しながら説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。 The present invention will be described below with reference to specific embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments.
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す組立斜視図が図1である。この半導体モジュール1においては、回路基板2と放熱部材3とがはんだ層4により接合される。回路基板2は、セラミックス基板5とその両側に接合された金属回路板6(図1中では上側)、金属放熱板7(図1中では下側)とからなり、金属回路板6とセラミックス基板5間、および金属放熱板7とセラミックス基板5間は、ろう材(図示せず)により強固に接合されている。金属回路板6は配線となるパターンをなして形成され、この上に半導体チップ8が接合される。金属放熱板7はこの回路基板2の放熱性を高めるためにセラミックス基板5のほぼ全面にわたり形成される。金属放熱板7には、さらにこの放熱性を高めるために、放熱部材3がはんだ層4により接合される。放熱部材3はこの半導体モジュール1における支持基板ともなる。
(First embodiment)
FIG. 1 is an assembly perspective view showing the configuration of the semiconductor module according to the first embodiment. In the
この半導体モジュールを製造するにあたっては、まず、セラミックス基板5と金属回路板6、金属放熱板7を接合した回路基板2を製造する。次に、この回路基板2上に半導体チップ8をはんだ層(図示せず)により接合し、搭載する。以上の工程は通常行われている回路基板の製造方法と変わりがないため、詳細な説明は省略する。次に、この半導体チップ8が搭載された回路基板2を放熱部材3にはんだ層4により接合する。
In manufacturing this semiconductor module, first, the
ここで、搭載される半導体チップ8は例えばシリコンで形成されたIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等のパワー半導体素子等である。この半導体モジュールが使用される際には、この半導体チップ8には大きな電流が流れるため、熱を発生する。回路基板2や放熱部材3はこの放熱を行なう。
Here, the mounted
回路基板2において、セラミックス基板5は熱伝導率の高い絶縁材料で、例えば厚さが0.32mm程度の厚さの窒化珪素セラミックス(熱伝導率:90W/m/K)である。
In the
金属回路板6は、この回路基板2における配線としての役割を果たすため、高い熱伝導率と低い電気抵抗率を兼ね備えた材料として銅(熱伝導率:390W/m/K程度)が用いられ、配線となる所定のパターンをなしている。なお、銅合金やアルミニウム(熱伝導率:230W/m/K程度)およびこれらの合金を用いてもよい。その厚さは、この半導体モジュール1における金属回路板6のパターンや大きさ等を考慮し、全体の熱抵抗値を考慮した上で、0.1〜3.0mmの範囲から適宜選択される。
Since the
金属放熱板7の材料は金属回路板6と同様とし、その厚さも金属回路板6と同様に0.1〜3.0mmとすることが好ましい。ただし、金属回路板6と金属放熱板7の厚さは、金属回路板6のパターン形状にもよるが、一般には金属回路板6と金属放熱板7の厚さが同等か、または金属回路板6のほうが、金属放熱板7の厚さよりも厚くなるように用いられる。これにより、一般には回路基板2の反りが小さくなる。また、金属放熱板7は放熱性を大きくするために設けられるため、一般には金属回路板6よりも大きな面積をもち、セラミックス基板5のほぼ全面にわたり形成される。
The material of the
ここで、回路基板2において、セラミックス基板5と金属回路板6との接合、およびセラミックス基板5と金属放熱板7との接合には、接合強度の大きなろう付け、例えば活性金属を添加したろう材を用いた接合が用いられる。この接合には高温(600℃以上)を要する。ろう材としては、例えば銀(Ag)−銅(Cu)−チタン(Ti)系の活性金属ろう材を用いることができ、700℃以上でこれらを接合することができる。また、接合後のろう材の厚さは10〜20μm程度と金属回路板6等と比べて無視できる程度に薄く、接合後にはCu、Agの拡散が生じる。このため、ろう材の熱伝導(熱抵抗)が問題になることはない。
Here, in the
放熱部材3は放熱ベースおよびこの半導体モジュール1の基板となる。その材料としては、厚さが2〜5mm程度の銅が用いられる。またはアルミニウムやその合金を用いてもよい。放熱部材3には、最終的に回路基板2を介して半導体チップから発生した熱が流入し、放熱部材3または放熱部材と固着された冷却フィンが、熱を大気または冷却水へと放熱する。これにより、この半導体素子の温度(特にジャンクション温度)や半導体モジュール1全体の温度上昇が抑制される。
The
一方、搭載する半導体チップ8が高温には耐えられないために、半導体チップ8と金属回路板6との接合には、接合に高温を必要としないはんだが用いられる。はんだとしては、例えば鉛(Pb)−スズ(Sn)系はんだ材、スズ(Sn)−銀(Ag)−鉛(Pb)系はんだ材、ならびに昨今の環境対応を考慮したPbフリーのSn−銀(Ag)系、Sn−Ag−銅(Cu)系、Sn−亜鉛(Zn)系、Sn−インジウム(In)系のはんだ材等を用いることができる。これらの接合に要する温度は200〜400℃程度と低温であるが、その接合強度は前記のろう材と比べて小さい。金属放熱板7と放熱部材3との接合は回路基板2に半導体チップ8を接合した後に行われることが多いため、はんだ層4には更に融点の低い同様のはんだ、例えば40Pb−Sn等の共晶はんだが用いられる。また、これらのはんだ材料の熱伝導率は20〜40W/m/K程度であり、セラミックス基板5、金属放熱板7等と比べて小さい。このため、はんだ層4が厚いとその部分の熱抵抗が大きくなり、放熱性が悪くなる。
On the other hand, since the
この半導体モジュール1においては、放熱部材3の表面(金属放熱板7と接合させる側の面)に、複数の凹凸が形成された放熱部材接合領域11が設けられている。この放熱部材接合領域11においては、互いに平行な線状の凹凸が形成されている。この凹凸は、例えばプレス加工により形成することができる。また、前記プレス加工以外にも、加工機による溝加工や、または湿式エッチングにより形成する方法や、また凹凸が直線状になった単純形状であれば圧延加工において連続形成後に切断加工することも可能である。
In this
一方、回路基板2における金属放熱板7において、放熱部材3と接合される側の面は平坦となっている。従って、はんだ層4を介してこれらが接合された後の図1におけるA−A方向におけるこれらの接合界面の断面図が図2である。この接合界面においては、凹凸パターンに応じて放熱部材3の材料である銅等と、はんだとが交互に存在している。はんだは銅と比べて塑性変形しやすい材料であり、かつ銅も図2に示す断面形状においては横方向に変形やすくなるため、この接合界面は、図2中の横方向の応力に対して変形しやすくなる。一方で、はんだ層は放熱部材接合領域11における凹部に入り込むことによって支持されているため、この変形に際しても破断を生ずることはない。従って、この接合界面を、回路基板2の熱膨張に対しての歪み緩和層とすることができる。
On the other hand, in the metal
この構造とすることによって、はんだ層4の厚さは一様ではなくなり、図2に示すように、放熱部材接合領域11における凹部では厚く、凸部では薄くなる。従って、実質的にはんだ層4の厚さは、凹凸が設けられていない場合よりも厚くため、はんだ層4自体のもつ熱抵抗は大きくなる。しかしながら、放熱部材3に凹凸が設けられたことにより、放熱部材3とはんだ層4の実効表面積は大きくなる。従って、放熱部材3自体の放熱能力は向上する。従って、結果的には金属放熱板7側から放熱部材3側への熱抵抗は、凹凸を形成しない場合、すなわち放熱部材接合領域11を設けない場合と比べて劣化することはない。
By adopting this structure, the thickness of the
従って、この構造の半導体モジュール1は高い放熱性と、冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備える。
Therefore, the
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態に係る半導体モジュールにおいては、その基本構成をほぼ第1の実施の形態に係る半導体モジュールと同一とし、金属放熱板8の下面(放熱部材3と接合される側の面)の形態を変えている。
(Second Embodiment)
In the semiconductor module according to the second embodiment, the basic configuration is substantially the same as that of the semiconductor module according to the first embodiment, and the lower surface of the metal heat radiating plate 8 (the surface to be joined to the heat radiating member 3). The form of is changing.
この半導体モジュールにおいては、金属放熱板7の下面には放熱板接合領域12が設けられている。この放熱板接合領域12においては、放熱部材接合領域11の凹凸に嵌合するように、互いに平行な線状の凹凸が形成されている。放熱部材接合領域11と同様に、例えばプレス成形によりこの凹凸を形成することも可能である。ただしこの場合、セラミックス部材に亀裂が生じないように注意する必要がある。その後、第1の実施の形態と同様に、はんだ層4を介して金属放熱板7と放熱部材3とが接合される。この際、放熱部材接合領域11の凹凸と放熱板接合領域12の凹凸とが嵌合する形態で接合される。
In this semiconductor module, a heat sink
この接合後の金属放熱板8と放熱部材3との接合界面の断面図が図3である。この図は第1の実施の形態における図2に対応している。この接合界面においては、放熱部材接合領域11の凹凸と放熱板接合領域12の凹凸とが嵌合しているため、はんだ層4の厚さはほぼ一様に薄くなっており、厚い部分は存在しない。従って、はんだ層4自体の熱抵抗を小さくすることができる。また、放熱板接合領域12における凹凸のために金属放熱板7、はんだ層4、放熱部材3の実効面積は大きくなる。従って、特に高い放熱性を得ることができる。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the bonding interface between the metal
一方、図3の断面形状においては、銅は横方向に変形をしやすくなっている。一方で、はんだは嵌合された凹凸パターン中に入り込むことにより支持されているため、この変形に際してもはんだ層4の破断を生ずることがない。
On the other hand, in the cross-sectional shape of FIG. 3, copper is easily deformed in the lateral direction. On the other hand, since the solder is supported by entering the fitted uneven pattern, the
従って、この構造の半導体モジュールも高い放熱性と、冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備える。 Therefore, the semiconductor module with this structure also has high heat dissipation and high durability against the cooling and heating cycle.
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態に係る半導体モジュールにおいては、その基本構成をほぼ第1の実施の形態に係る半導体モジュールと同一とするが、凹凸パターンを金属放熱板7にのみ設けている点が異なる。
(Third embodiment)
The basic configuration of the semiconductor module according to the third embodiment is substantially the same as that of the semiconductor module according to the first embodiment, except that an uneven pattern is provided only on the
この半導体モジュールにおいては、金属放熱板7の下面には放熱板接合領域12が設けられている。この放熱板接合領域12においては、互いに平行な線状の凹凸が形成されている。その接合後の断面図が図4である。この接合界面の構造は第1の実施の形態の場合と上下関係が逆になった構造であるため、この構造においても、第1の実施の形態と同様の効果が得られることは明らかである。なお、放熱板接合領域12における凹凸の形成方法についても第1の実施の形態と同様である。
In this semiconductor module, a heat sink
(第4の実施の形態)
第4の実施の形態に係る半導体モジュールにおいては、その基本構成をほぼ第1の実施の形態に係る半導体モジュールと同一とするが、凹凸パターンを異なるものとしている。この組立斜視図が図5である。この半導体モジュール21における回路基板2、半導体チップ8については第1の実施の形態と同様であるため、説明は省略する。また、はんだ層4、放熱部材3の材質等についても同様である。
(Fourth embodiment)
The basic configuration of the semiconductor module according to the fourth embodiment is substantially the same as that of the semiconductor module according to the first embodiment, but the uneven pattern is different. This assembly perspective view is shown in FIG. Since the
ここで用いられる放熱部材3における放熱部材接合領域31においては、図5の右側にその拡大図を示すように、複数の凸形状パターン(図5右上)又は凹形状パターン(図5右下)が配列されて形成されている。例えばプレス加工によりこの凹凸を形成することができる。
In the heat radiating
この構造における接合界面の構造は図2と同様となるため、同様の効果が得られる。ただし、第1の実施の形態においては図1におけるA−Aの方向の断面だけが図2の形態となっていたのに対して、この半導体モジュール21においては、これと垂直な方向においても同様の形態となる。従って、回路基板2または放熱部材3の熱膨張に際して変形しやすくかつ破断し難いという特徴を、これらの両方向に対してもつ。また、高い放熱性を備えるという点については第1の実施の形態と同様である。
Since the structure of the bonding interface in this structure is the same as that in FIG. 2, the same effect can be obtained. However, in the first embodiment, only the cross section in the direction of AA in FIG. 1 is the form in FIG. 2, whereas in the
従って、この構造の半導体モジュールは、高い放熱性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備える。 Therefore, the semiconductor module having this structure has both high heat dissipation and high durability against a cooling cycle.
なお、第4の実施の形態における上記の例においては、金属放熱板7の表面は平坦とし、放熱部材3の表面に放熱部材接合領域31を設けていた。これに対して、逆に放熱部材3の表面は平坦とし、金属放熱板7の表面に同様の構造の放熱板接合領域を設けることもできる。さらに、第2の実施の形態と同様に、放熱部材接合領域と放熱板接合領域を共に設け、これらを嵌合させた形態とすることもできる。
In the above example in the fourth embodiment, the surface of the metal
以下では本発明における実施例(従来技術である比較例も含む)について説明する。 Examples of the present invention (including comparative examples that are conventional techniques) will be described below.
セラミックス基板として窒化珪素セラミックスを用いた。その焼結後の厚さは0.32mmtとし、300mm程度の大きさから、レーザー加工により所望の形状にセラミックス基板を加工した。ここでは、回路基板単体で50×50mmサイズの回路基板を4個取りで作製した。 Silicon nitride ceramics was used as the ceramic substrate. The thickness after the sintering was 0.32 mmt, and the ceramic substrate was processed into a desired shape by laser processing from a size of about 300 mm. Here, four circuit boards having a size of 50 × 50 mm were produced by using a single circuit board.
次に、あらかじめ脱脂・焼結前にシート表面に塗布しておいたh−BN等の潤滑物質等を湿式ブラスト処理で基板表面の清浄化と平滑化を行った。この窒化珪素セラミックス基板の特性は、3点曲げ強度700MPa以上、熱伝導率が90W/m/K以上、破壊靭性値が5MPa・m1/2以上であった。ちなみにこの窒化珪素セラミックス基板については、焼結条件や助剤量や成分により熱伝導率が120W/m/Kのものから60W/m/Kのものまで用途に応じて作製することが可能である。 Next, the substrate surface was cleaned and smoothed by wet blasting with a lubricating material such as h-BN that had been applied to the sheet surface before degreasing and sintering. The characteristics of this silicon nitride ceramic substrate were a three-point bending strength of 700 MPa or more, a thermal conductivity of 90 W / m / K or more, and a fracture toughness value of 5 MPa · m 1/2 or more. By the way, this silicon nitride ceramic substrate can be produced in accordance with the use from a thermal conductivity of 120 W / m / K to 60 W / m / K depending on sintering conditions, amount of auxiliary agent and components. .
金属回路板及び金属放熱板の材質は無酸素銅(ろう付熱処理後の降伏応力が20MPa程度)とした。その厚さは、金属回路板、金属放熱板共に1.5mmtとした。窒化珪素セラミックス基板は厚さ0.32mmtのものを用いた。放熱部材としては、厚さ3mmtで、回路基板よりもサイズが大きい銅板(80×60mmサイズ)を用いた。 The material of the metal circuit board and the metal heat sink was oxygen-free copper (yield stress after brazing heat treatment was about 20 MPa). The thickness of both the metal circuit board and the metal heat sink was 1.5 mmt. A silicon nitride ceramic substrate having a thickness of 0.32 mmt was used. As the heat radiating member, a copper plate (80 × 60 mm size) having a thickness of 3 mmt and larger than the circuit board was used.
金属回路板、金属放熱板とセラミックス基板を接合する工程においては、セラミックス基板もしくは前記金属板の表面に銀(Ag)−銅(Cu)−チタン(Ti)系の活性金属ろう材を印刷し、700℃以上でこれらを接合した。金属回路板および金属放熱板を湿式エッチングで加工して個々の回路基板を形成した。尚、このエッチング工程では、事前に、ろう付接合された金属板とセラミックス基板の接合体の金属板上に感光性レジストをラミネーションにより貼り付け、露光・現像処理の後、表裏の金属板表面に所望のレジストパターンを形成した。その後、塩化鉄溶液等を用いた湿式エッチングにより、金属板の不要部を除去して所望の金属回路パターン(金属回路板および金属放熱板)を同時に形成した。次に前記のレジストを除去し、洗浄・乾燥を行った。また回路基板の個片への分割は、その後に行った。 In the step of joining the metal circuit board, the metal heat sink and the ceramic substrate, a silver (Ag) -copper (Cu) -titanium (Ti) based active metal brazing material is printed on the surface of the ceramic substrate or the metal plate, These were joined at 700 ° C. or higher. The metal circuit board and the metal heat sink were processed by wet etching to form individual circuit boards. In addition, in this etching process, a photosensitive resist is pasted on the metal plate of the joined body of the brazed metal plate and the ceramic substrate by lamination, and after the exposure / development processing, the front and back metal plate surfaces are adhered. A desired resist pattern was formed. Thereafter, unnecessary portions of the metal plate were removed by wet etching using an iron chloride solution or the like, and a desired metal circuit pattern (metal circuit plate and metal heat dissipation plate) was simultaneously formed. Next, the resist was removed, and cleaning and drying were performed. Moreover, the division | segmentation into the piece of a circuit board was performed after that.
半導体チップを接合するはんだ接合層の材質にはSn−3Ag−1.5Pb組成で、0.2mmtのシートを使用した。金属放熱板と放熱部材を接合するはんだ接合層には40Pb−Sn組成のはんだシート(厚みが0.1〜0.2mmt)を用い、いずれもリフロー炉を用いて各々355℃および235℃で別々に接合した。ここで、後者のはんだ層に用いたシートには50μmサイズのニッケル(Ni)ボールを予め添加してある。はんだ層による接合は、前者のはんだ接合層、後者のはんだ接合層の順で行った。また、必用に応じて回路基板または半導体素子に荷重を印加し、はんだ接合層の厚さを調整した。尚、溶融はんだが接合部以外に流出しないように、周囲にはんだレジストを形成した。 As a material of the solder joint layer for joining the semiconductor chip, a sheet of Sn-3Ag-1.5Pb and 0.2 mmt was used. A solder sheet (thickness of 0.1 to 0.2 mmt) having a composition of 40 Pb-Sn is used for the solder joint layer for joining the metal heat radiating plate and the heat radiating member, and each is separately used at 355 ° C. and 235 ° C. using a reflow furnace. Joined. Here, a nickel (Ni) ball having a size of 50 μm is added in advance to the sheet used for the latter solder layer. The joining by the solder layer was performed in the order of the former solder joining layer and the latter solder joining layer. Moreover, the load was applied to the circuit board or the semiconductor element as necessary, and the thickness of the solder joint layer was adjusted. Note that a solder resist was formed around the molten solder so that the molten solder would not flow out to other than the joint.
金属回路板の回路パターンとしては、平板を3分割したパターンを採用し、そのうちの2つのパターン上にのみ半導体素子を各々1個ずつ実装した。更にPPS樹脂ケースとこの半導体モジュールを接着した。尚、前記ケースの端子と半導体素子および金属回路パターンを電気的に接続するボンディングワイヤーには、太さ0.3mm径のアルミワイヤーを用いて超音波接合した。以上のようにして半導体モジュールを作製した。その後、半導体チップとワイヤーを保護するゲル封止を行った。 As a circuit pattern of the metal circuit board, a pattern obtained by dividing a flat plate into three parts was adopted, and one semiconductor element was mounted on only two of the patterns. Further, the PPS resin case and this semiconductor module were bonded. The bonding wire for electrically connecting the terminal of the case, the semiconductor element, and the metal circuit pattern was ultrasonically bonded using an aluminum wire having a diameter of 0.3 mm. A semiconductor module was produced as described above. Then, the gel sealing which protects a semiconductor chip and a wire was performed.
このようにして作製した半導体モジュールを雰囲気温度が25℃(保持時間5分)→−40℃(保持時間15分)→25℃(保持時間5分)→125℃(保持時間15分)→25℃を1サイクルとした冷熱サイクル(冷熱衝撃試験)試験装置に投入し、所定サイクル後のはんだ層の亀裂進展に対応するボイド率の増加を超音波顕微鏡を用いて評価した。反り測定は3次元レーザー測定装置または断面観察から評価した。はんだ層の厚みはモジュール切断後の断面観察で評価した。また、半導体チップ側から放熱部材の裏面までの熱抵抗を、所定電力を所定時間印加する前後での半導体チップのPN接合部の順方向電圧変化から、事前に測定しておいた電圧・温度の検量線から温度換算し、熱抵抗値(温度上昇/印加電力:単位℃/W)、特に熱抵抗の飽和値を求める、熱抵抗評価装置(キャッツ電子製)を用いて実測した。また前記熱抵抗についても、初期の値と、所定サイクル数の熱サイクル印加後の値を測定し、その増加率を調べた。
The semiconductor module thus fabricated has an ambient temperature of 25 ° C. (holding
また、各実施例における放熱部材又は金属放熱板の表面の凹凸であるが、金属放熱板は機械加工で形成し、放熱部材はプレス加工し、その凹凸の深さは0.5mmとし、その凸部の幅及び凹部の幅(図2等参照)を変えた半導体モジュールを作成した。また、はんだ層の厚さは、これを平坦とした場合の換算値で0.5mmとした。金属放熱板の凹凸形成の別手法としては、既述した湿式エッチング法や、または予め凹凸をプレス等で形成した金属板を、金属放熱板として用い、凹凸の無い面とセラミックスを接合してもよい。 In addition, the surface of the heat radiating member or the metal heat radiating plate in each example is uneven, but the metal heat radiating plate is formed by machining, the heat radiating member is pressed, and the depth of the concavo-convex is 0.5 mm. Semiconductor modules were produced in which the width of the part and the width of the recess (see FIG. 2 and the like) were changed. Moreover, the thickness of the solder layer was 0.5 mm in terms of a conversion value when the solder layer was flat. As another method of forming the unevenness of the metal heat sink, the wet etching method described above or a metal plate that has been previously formed with unevenness by using a press or the like is used as the metal heat sink, and the surface without unevenness can be joined to ceramics. Good.
実施例1〜5は、第1の実施の形態(図1、図2)の構造における放熱部材の凸部の幅と凹部の幅を変えた(凸部:0.5〜3.0mm、凹部:0.8〜3.3mm)半導体モジュールである。実施例6〜10は、第2の実施の形態(図3)の構造における金属放熱板及び放熱部材の凸部の幅と凹部の幅を変えた(凸部:0.5〜3.0mm、凹部:0.8〜3.3mm)半導体モジュールである。実施例11〜15は、第4の実施の形態(図5)における放熱部材の凸部の幅と凹部の幅を変えた(凸部:0.5〜3.0mm、凹部:0.8〜3.3mm)半導体モジュールである。実施例16〜20は、第4の実施の形態において、放熱部材接合領域と放熱板接合領域を共に設け、これらを嵌合させた場合の凸部の幅と凹部の幅を変えた(凸部:0.5〜3.0mm、凹部:0.8〜3.3mm)半導体モジュールである。比較例は、放熱部材、金属放熱板のいずれにも凹凸を設けない従来の構造において、はんだ層の厚さを0.04〜0.19mmとした半導体モジュールである。 Examples 1-5 changed the width | variety of the convex part and the recessed part of the heat radiating member in the structure of 1st Embodiment (FIG. 1, FIG. 2) (convex part: 0.5-3.0 mm, recessed part) : 0.8 to 3.3 mm) semiconductor module. Examples 6-10 changed the width | variety of the convex part of the metal heat sink and the heat radiating member in the structure of 2nd Embodiment (FIG. 3), and the width | variety of a recessed part (convex part: 0.5-3.0 mm, (Recess: 0.8 to 3.3 mm) is a semiconductor module. Examples 11-15 changed the width | variety of the convex part and the recessed part of the heat radiating member in 4th Embodiment (FIG. 5) (convex part: 0.5-3.0 mm, recessed part: 0.8-). 3.3 mm) semiconductor module. In Examples 16 to 20, in the fourth embodiment, both the heat radiating member bonding region and the heat radiating plate bonding region are provided, and the widths of the convex portions and the concave portions when these are fitted are changed (the convex portions). : 0.5-3.0 mm, recess: 0.8-3.3 mm). The comparative example is a semiconductor module in which the thickness of the solder layer is 0.04 to 0.19 mm in a conventional structure in which neither the heat radiating member nor the metal heat radiating plate is provided with unevenness.
以上の試料についての、初期(熱サイクル印加前)の熱抵抗値、はんだ層におけるボイド増加率を測定した結果を表1に示す。 Table 1 shows the results of measuring the initial (before thermal cycle application) thermal resistance value and the void increase rate in the solder layer of the above samples.
比較例においては、はんだ層を0.04mmと薄くした場合(比較例1)には、熱抵抗値は低くなるが、耐久性(ボイド増加率)が47.6%と劣化する。一方、はんだ層を0.19mmと厚くした場合にはボイド増加率は38.2%となるが、熱抵抗が0.263℃/Wと大きくなり、熱抵抗と耐久性(ボイド増加率)とはトレードオフの関係となった。これに対して、全ての実施例においては、比較例と同等あるいは同等以下の熱抵抗値でありながら、ボイド増加率が低下している。従って、全ての実施例は低い熱抵抗値と高い耐久性とを兼ね備えることが確認された。特に、凹凸の間隔が小さい方が良好な耐久性(低いボイド増加率)が得られることが確認された。 In the comparative example, when the solder layer is thinned to 0.04 mm (Comparative Example 1), the thermal resistance value is lowered, but the durability (void increase rate) is deteriorated to 47.6%. On the other hand, when the thickness of the solder layer is increased to 0.19 mm, the void increase rate is 38.2%, but the thermal resistance increases to 0.263 ° C / W, and the thermal resistance and durability (void increase rate) Became a trade-off relationship. On the other hand, in all the examples, the void increase rate is decreased while the thermal resistance value is equal to or less than or equal to that of the comparative example. Therefore, it was confirmed that all the examples had a low thermal resistance value and a high durability. In particular, it was confirmed that better durability (low void increase rate) can be obtained when the interval between the concave and convex portions is smaller.
1、21、51 半導体モジュール
2、52 回路基板
3、58 放熱部材
4、59 はんだ層
59 第2のはんだ層
54 第1のはんだ層
5、55 セラミックス基板
6、56 金属回路板
7、57 金属放熱板
8、53 半導体チップ(素子)
11、31 放熱部材接合領域
12 放熱板接合領域
1, 2, 51
11, 31 Heat dissipation
Claims (13)
前記放熱部材における前記金属放熱板と接する側の面に複数の凹凸が形成された放熱部材接合領域が設けられ、
前記放熱部材は前記放熱部材接合領域において前記金属放熱板とはんだ層を介して接合されたことを特徴とする半導体モジュール。 A semiconductor module in which a semiconductor chip is mounted on a circuit board in which a metal circuit board and a metal heat sink are respectively formed on both surfaces of a ceramic substrate, and the metal heat sink is bonded to a heat dissipation member via a solder layer,
A heat dissipating member bonding region in which a plurality of irregularities are formed on the surface of the heat dissipating member that is in contact with the metal heat dissipating plate is provided,
The semiconductor module according to claim 1, wherein the heat radiating member is joined to the metal heat radiating plate via a solder layer in the heat radiating member joining region.
前記放熱板接合領域と前記放熱部材接合領域とがはんだ層を介して接合されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体モジュール。 On the surface of the metal heat radiating plate in contact with the heat radiating member, there is provided a heat radiating plate bonding region in which irregularities are formed that fit into the heat radiating member bonding region,
4. The semiconductor module according to claim 1, wherein the heat radiating plate bonding region and the heat radiating member bonding region are bonded via a solder layer. 5.
前記金属放熱板における前記放熱部材と接する側の面に複数の凹凸が形成された放熱板接合領域が設けられ、
前記金属放熱板は前記放熱板接合領域において前記放熱部材とはんだ層を介して接合されたことを特徴とする半導体モジュール。 A semiconductor module in which a semiconductor chip is mounted on a circuit board in which a metal circuit board and a metal heat sink are respectively formed on both surfaces of a ceramic substrate, and the metal heat sink is bonded to a heat dissipation member via a solder layer,
A heat sink joint region in which a plurality of irregularities are formed on the surface of the metal heat sink in contact with the heat dissipation member is provided,
The semiconductor module, wherein the metal heat sink is bonded to the heat dissipation member via a solder layer in the heat sink bonding region.
前記金属放熱板における前記セラミックス基板に接する面と反対側の面に複数の凹凸が形成された放熱板接合領域が設けられたことを特徴とする回路基板。 A circuit board in which a metal circuit board and a metal heat sink are respectively formed on both sides of a ceramic substrate,
A circuit board comprising: a heat sink joining region having a plurality of irregularities formed on a surface of the metal heat sink opposite to a surface in contact with the ceramic substrate.
前記金属放熱板における前記放熱部材と接する側の面に複数の凹凸を有する放熱板接合領域を形成し、
前記金属放熱板における前記放熱板接合領域と前記放熱部材とをはんだ層を介して接合することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor module in which a circuit board having a metal circuit board and a metal heat sink formed on both sides of a ceramic substrate is joined to a heat dissipation member,
Forming a heat sink joining region having a plurality of irregularities on the surface of the metal heat sink in contact with the heat dissipation member;
A method for manufacturing a semiconductor module, wherein the heat radiating plate joining region of the metal heat radiating plate and the heat radiating member are joined via a solder layer.
前記放熱板接合領域と前記放熱部材接合領域とをはんだ層を介して接合することを特徴とする請求項11に記載の半導体モジュールの製造方法。 On the surface of the heat radiating member that is in contact with the metal heat radiating plate, a heat radiating member bonding region having irregularities that are shaped to fit with the heat radiating plate bonding region is formed.
The method of manufacturing a semiconductor module according to claim 11, wherein the heat radiating plate bonding region and the heat radiating member bonding region are bonded via a solder layer.
前記放熱部材における前記金属放熱板と接する側の面に複数の凹凸を有する放熱部材接合領域を形成し、
前記放熱部材における前記放熱部材接合領域と前記金属放熱板とをはんだ層を介して接合することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor module in which a circuit board having a metal circuit board and a metal heat sink formed on both sides of a ceramic substrate is joined to a heat dissipation member,
Forming a heat radiating member joining region having a plurality of irregularities on the surface of the heat radiating member in contact with the metal heat radiating plate;
A method of manufacturing a semiconductor module, comprising joining the heat radiating member joining region of the heat radiating member and the metal heat radiating plate via a solder layer.
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