JP2009094264A - Circuit board, semiconductor module, and design method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体チップを搭載して動作する半導体モジュール、これに用いられる回路基板の構成、及びこの半導体モジュールの設計方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor module that operates by mounting a semiconductor chip, a configuration of a circuit board used for the semiconductor module, and a method for designing the semiconductor module.
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、セラミックス基板上に銅からなる金属回路板等が形成された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。この半導体モジュールの一例の外観斜視図が図８である。この半導体モジュール８０においては、半導体チップ８１が回路基板９０上に搭載される。回路基板９０においては、セラミックス基板９１上に金属回路板９２が形成されている。この金属回路板９２上に半導体チップ８１がはんだ層８２により接合されて半導体モジュール８０が構成される。ここで、セラミックス基板９１としては絶縁性のセラミックス材料として、例えば窒化珪素セラミックス等が使用され、金属回路板９２としては、電気抵抗率が低く、熱伝導率が高い銅が使用される。金属回路板９２とセラミックス基板９１とはろう材（図示せず）を用いて７００℃以上の高温で接合される。一方、半導体チップ８１は半導体チップ８１の耐熱性が低いことから、ろう材よりも低温（４００℃以下）で接合が可能なはんだにより接合される。 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 in which a semiconductor chip is bonded to a circuit board on which a metal circuit board made of copper or the like is formed on a ceramic substrate is used. FIG. 8 is an external perspective view of an example of this semiconductor module. In the semiconductor module 80, the semiconductor chip 81 is mounted on the circuit board 90. In the circuit board 90, a metal circuit board 92 is formed on a ceramic substrate 91. On this metal circuit board 92, a semiconductor chip 81 is joined by a solder layer 82 to form a semiconductor module 80. Here, as the ceramic substrate 91, for example, silicon nitride ceramics or the like is used as an insulating ceramic material, and as the metal circuit board 92, copper having low electrical resistivity and high thermal conductivity is used. The metal circuit board 92 and the ceramic substrate 91 are joined at a high temperature of 700 ° C. or higher using a brazing material (not shown). On the other hand, since the heat resistance of the semiconductor chip 81 is low, the semiconductor chip 81 is joined by solder that can be joined at a lower temperature (400 ° C. or lower) than the brazing material.
金属回路板９２は、半導体チップ８１が発生した熱をセラミックス基板９１に伝達させ、放熱に寄与する。また、金属回路板９２はこの回路基板９０における配線としての役割も果たすため、図８中では矩形形状となっているが、実際には様々な形状にパターニングされている。セラミックス基板９１は放熱ベース１００に接続される。放熱ベース１００はその内部に冷却水が循環され、水冷される構造となっており、一般に、放熱ベース１００も熱伝導率の高い銅で構成される。セラミックス基板９１と放熱ベース１００との接合は一般には半導体チップ８１が搭載された後で行われるため、半導体チップ８１の接合と同様に、はんだにより行われる。 The metal circuit board 92 transmits heat generated by the semiconductor chip 81 to the ceramic substrate 91 and contributes to heat dissipation. Further, since the metal circuit board 92 also serves as a wiring in the circuit board 90, it has a rectangular shape in FIG. 8, but is actually patterned in various shapes. The ceramic substrate 91 is connected to the heat dissipation base 100. The heat radiating base 100 has a structure in which cooling water is circulated therein and is cooled by water. Generally, the heat radiating base 100 is also made of copper having high thermal conductivity. Since the bonding of the ceramic substrate 91 and the heat dissipation base 100 is generally performed after the semiconductor chip 81 is mounted, the bonding is performed by solder in the same manner as the bonding of the semiconductor chip 81.
この回路基板９０（セラミックス基板９１）における上記の各構成要素の形状、構成は、図８においては単純な矩形形状になっているが、実際には様々な形状をとりうる。 The shape and configuration of each of the above-described constituent elements in the circuit board 90 (ceramics substrate 91) are simple rectangular shapes in FIG. 8, but may actually take various shapes.
これらの形状は、搭載する半導体チップ８１の構成に依存し、半導体チップ８１の形状や搭載する個数に影響する。そして、この構成が多様化することによって、様々な問題が発生する。例えば、特許文献１においては、同時に多数の箇所ではんだによる接合を行う場合に、はんだ供給量のばらつきによって接合強度のばらつきや信頼性が損なわれるという問題が指摘され、これに対処している。 These shapes depend on the configuration of the semiconductor chip 81 to be mounted and affect the shape and the number of the semiconductor chips 81 to be mounted. Various problems occur as the configuration is diversified. For example, Patent Document 1 points out the problem that, when jointing with solder at a large number of locations at the same time, variations in solder strength and reliability are impaired due to variations in the amount of solder supplied.
この構成においては、半導体チップの電極を、半導体チップの両面から取り出すことにより、この問題点に対処している。 In this configuration, this problem is addressed by taking out the electrodes of the semiconductor chip from both sides of the semiconductor chip.
しかしながら、半導体チップの構成の多様化に伴う問題点ははんだ供給量のばらつきだけではない。回路基板、半導体モジュールにおける機械的強度は主にセラミックス基板で決定されるが、その形状によっては、セラミックス基板が機械的に壊れやすくなるという点も問題である。特に、セラミックス基板が細長い形状となる場合には、その長手方向において割れやすくなる。これは主に、セラミックス基板（絶縁性セラミックス）と金属放熱板、金属回路板、放熱ベース（銅）との熱膨張係数の差（窒化珪素セラミックス：３×１０−６／Ｋ、銅：１６．７×１０−６／Ｋ程度）に起因する。すなわち、これらの熱膨張係数の差が大きいために、熱サイクルにおいて、大きな応力が発生し、セラミックス基板が割れることがある。特に、セラミックス基板が細長い場合には、その長手方向における熱膨張の影響が大きくなるため、割れやすくなる。 However, the problem associated with the diversification of semiconductor chip configurations is not only the variation in the amount of supplied solder. The mechanical strength of the circuit board and the semiconductor module is mainly determined by the ceramic substrate. However, depending on the shape of the circuit substrate and the semiconductor module, there is a problem in that the ceramic substrate is easily broken. In particular, when the ceramic substrate has an elongated shape, the ceramic substrate is easily cracked in the longitudinal direction. This is mainly due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate (insulating ceramic) and the metal heat sink, metal circuit board, heat sink base (copper) (silicon nitride ceramic: 3 × 10 −6 / K, copper: 16. Due to about 7 × 10 −6 / K). That is, since the difference between these thermal expansion coefficients is large, a large stress is generated in the thermal cycle, and the ceramic substrate may be cracked. In particular, when the ceramic substrate is elongated, the influence of thermal expansion in the longitudinal direction is increased, so that the ceramic substrate is easily cracked.
従って、特にセラミックス基板が細長い場合においては、機械的強度の高い回路基板、半導体モジュールを得ることは困難であった。 Therefore, it is difficult to obtain a circuit board and a semiconductor module with high mechanical strength, particularly when the ceramic substrate is elongated.
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。
請求項１記載の発明の要旨は、略矩形のセラミックス基板の一方の面に銅を主成分とする金属回路板が、他方の面に銅を主成分とする金属放熱板が接合された構造を具備し、前記セラミックス基板の短辺／長辺比が０．２〜０．４の範囲である回路基板であって、前記セラミックス基板の長辺における前記セラミックス基板の前記金属放熱板からの突き出しがあり、前記セラミックス基板に発生する応力が６５０ＭＰａ以下であることを特徴とする回路基板に存する。
請求項２記載の発明の要旨は、前記セラミックス基板の前記金属放熱板からの突き出し量は１．０〜２．０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の回路基板に存する。
請求項３記載の発明の要旨は、前記セラミックス基板は窒化珪素セラミックスからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の回路基板に存する。
請求項４記載の発明の要旨は、前記金属回路板及び前記金属放熱板と前記セラミックス基板との接合はろう材により行われることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回路基板に存する。
請求項５記載の発明の要旨は、前記ろう材はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材であることを特徴とする請求項４に記載の回路基板に存する。
請求項６記載の発明の要旨は、前記金属回路板及び前記金属放熱板の厚さは０．５〜１．５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回路基板に存する。
請求項７記載の発明の要旨は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の回路基板が用いられた半導体モジュールであって、前記金属回路板には半導体チップが接合され、前記金属放熱板には銅を主成分とする放熱ベースが接合されることを特徴とする半導体モジュールに存する。
請求項８記載の発明の要旨は、前記半導体チップと前記金属回路板との接合、及び前記金属放熱板と前記放熱ベースとの接合ははんだにより行われることを特徴とする請求項７に記載の半導体モジュールに存する。
請求項９記載の発明の要旨は、前記はんだはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだであることを特徴とする請求項８に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１０記載の発明の要旨は、略矩形のセラミックス基板の一方の面に銅を主成分とする金属回路板が接合され、他方の面に銅を主成分とする放熱ベースが接合され、前記金属回路板には半導体チップが接合された構造を具備し、前記セラミックス基板の短辺／長辺比が０．２〜０．４の範囲である半導体モジュールであって、前記セラミックス基板の長辺における前記セラミックス基板の前記放熱ベースからの突き出しがあり、前記セラミックス基板に発生する応力が６５０ＭＰａ以下であることを特徴とする半導体モジュールに存する。
請求項１１記載の発明の要旨は、前記セラミックス基板の前記放熱ベースからの突き出し量は１．０〜２．０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１２記載の発明の要旨は、前記セラミックス基板は窒化珪素セラミックスからなることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１３記載の発明の要旨は、前記金属回路板と前記セラミックス基板との接合はろう材により行われることを特徴とする請求項１０から請求項１２までのいずれか１項に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１４記載の発明の要旨は、前記ろう材はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１５記載の発明の要旨は、前記金属回路板の厚さは０．５〜１．５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１０から請求項１４までのいずれか１項に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１６記載の発明の要旨は、前記半導体チップと前記金属回路板との接合、及び前記セラミックス基板と前記放熱ベースとの接合ははんだにより行われることを特徴とする請求項１０から請求項１５までのいずれか１項に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１７記載の発明の要旨は、前記はんだはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだであることを特徴とする請求項１６に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１８記載の発明の要旨は、前記放熱ベースには、前記セラミックス基板の長辺部に沿った溝が設けられていることを特徴とする請求項１０から請求項１７までのいずれか１項に記載の半導体モジュールに存する。
請求項１９記載の発明の要旨は、略矩形のセラミックス基板の両面に銅を主成分とする金属板が接合された構造を具備し、前記セラミックス基板の短辺／長辺比が０．２〜０．４の範囲である半導体モジュールの設計方法であって、前記セラミックス基板の長辺において、放熱における下流側にある前記金属板からの前記セラミックス基板の突き出し量を１．０〜２．０ｍｍの範囲とすることを特徴とする半導体モジュールの設計方法に存する。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The gist of the invention described in claim 1 is a structure in which a metal circuit board mainly composed of copper is bonded to one surface of a substantially rectangular ceramic substrate, and a metal heat radiating plate mainly composed of copper is bonded to the other surface. A ceramic substrate having a short side / long side ratio in the range of 0.2 to 0.4, wherein the ceramic substrate has a long side protruding from the metal heat dissipation plate. And the stress generated in the ceramic substrate is 650 MPa or less.
The gist of the invention described in claim 2 resides in the circuit board according to claim 1, wherein the amount of protrusion of the ceramic substrate from the metal heat sink is in the range of 1.0 to 2.0 mm.
The gist of the invention described in claim 3 resides in the circuit board according to claim 1 or 2, wherein the ceramic substrate is made of silicon nitride ceramics.
The gist of the invention of claim 4 is that the joining of the metal circuit board, the metal heat radiating plate and the ceramic substrate is performed by a brazing material. It exists in the circuit board as described in.
The gist of the invention described in claim 5 resides in the circuit board according to claim 4, wherein the brazing material is an Ag-Cu-Ti brazing material.
The gist of the invention described in claim 6 is that the thickness of the metal circuit board and the metal heat radiating plate is in the range of 0.5 to 1.5 mm. The circuit board according to Item 1 exists.
The gist of the invention according to claim 7 is a semiconductor module using the circuit board according to any one of claims 1 to 6, wherein a semiconductor chip is bonded to the metal circuit board, In the semiconductor module, a heat dissipation base mainly composed of copper is joined to the metal heat dissipation plate.
The gist of the invention described in claim 8 is that the joining of the semiconductor chip and the metal circuit board and the joining of the metal heat radiating plate and the heat radiating base are performed by solder. It exists in the semiconductor module.
The gist of the invention described in claim 9 resides in the semiconductor module according to claim 8, wherein the solder is Sn—Ag—Cu based solder.
The gist of the invention of claim 10 is that a metal circuit board mainly composed of copper is bonded to one surface of a substantially rectangular ceramic substrate, and a heat dissipation base mainly composed of copper is bonded to the other surface, A semiconductor module having a structure in which a semiconductor chip is bonded to a metal circuit board, wherein a short side / long side ratio of the ceramic substrate is in a range of 0.2 to 0.4, the long side of the ceramic substrate In the semiconductor module, the ceramic substrate has a protrusion from the heat dissipation base, and the stress generated in the ceramic substrate is 650 MPa or less.
The gist of the invention described in claim 11 resides in the semiconductor module according to claim 10, wherein the amount of protrusion of the ceramic substrate from the heat dissipation base is in the range of 1.0 to 2.0 mm.
The gist of the invention according to claim 12 resides in the semiconductor module according to claim 10 or 11, wherein the ceramic substrate is made of silicon nitride ceramics.
The gist of the invention described in claim 13 is that the joining of the metal circuit board and the ceramic substrate is performed by a brazing material. The semiconductor module according to any one of claims 10 to 12, Exist.
The gist of the invention described in claim 14 resides in the semiconductor module according to claim 13, wherein the brazing material is an Ag-Cu-Ti brazing material.
The gist of the invention described in claim 15 is that the thickness of the metal circuit board is in a range of 0.5 to 1.5 mm, according to any one of claims 10 to 14. It exists in the semiconductor module.
The gist of the invention of claim 16 is that the joining of the semiconductor chip and the metal circuit board and the joining of the ceramic substrate and the heat dissipation base are performed by solder. It exists in the semiconductor module of any one of the above.
The gist of the invention described in claim 17 resides in the semiconductor module according to claim 16, wherein the solder is Sn—Ag—Cu based solder.
The gist of the invention according to claim 18 is that any one of claims 10 to 17 is characterized in that the heat dissipation base is provided with a groove along a long side portion of the ceramic substrate. It exists in the semiconductor module of description.
The gist of the invention described in claim 19 comprises a structure in which a metal plate mainly composed of copper is bonded to both surfaces of a substantially rectangular ceramic substrate, and the ceramic substrate has a short side / long side ratio of 0.2 to 0.2. A method for designing a semiconductor module that is in a range of 0.4, wherein an amount of protrusion of the ceramic substrate from the metal plate on the downstream side in heat dissipation is 1.0 to 2.0 mm on the long side of the ceramic substrate. It exists in the design method of the semiconductor module characterized by setting it as a range.
本発明は以上のように構成されているので、細長い形状のセラミックス基板が用いられる場合でも、冷熱サイクルに対する半導体モジュールの耐久性を高めることができる。 Since the present invention is configured as described above, it is possible to improve the durability of the semiconductor module against a thermal cycle even when an elongated ceramic substrate is used.
発明者は、特にセラミックス基板が細長い構成の場合に、冷熱サイクルに際して発生する内部応力を調べた結果、その構成を限定することにより、特にセラミックス基板が割れにくくなることを知見した。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 inventor found out that the ceramic substrate is particularly difficult to break by limiting the configuration as a result of examining the internal stress generated during the cooling and heating cycle, particularly when the ceramic substrate has an elongated configuration. 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）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体モジュールの上面図及び断面図である。この半導体モジュール１０においては、回路基板２０が放熱ベース３０にはんだにより接合されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a top view and a cross-sectional view of a semiconductor module according to the first embodiment of the present invention. In the semiconductor module 10, the circuit board 20 is joined to the heat dissipation base 30 with solder.
この回路基板２０は、セラミックス基板２１の両面に金属回路板２２、金属放熱板２３が接合されて構成される。なお、実際には金属回路板２２上には半導体チップが搭載されているが、ここでは省略している。 The circuit board 20 is configured by bonding a metal circuit board 22 and a metal heat sink 23 to both surfaces of a ceramic substrate 21. Although a semiconductor chip is actually mounted on the metal circuit board 22, it is omitted here.
セラミックス基板２１は電気抵抗率が大きくかつ熱伝導率が高い、例えば窒化珪素セラミックスで構成される。その厚さは例えば０．３２ｍｍとすることができ、ここでは矩形形状の板状（短辺：ａ、長辺：ｂ）であり、その縦横比（図１におけるａ／ｂ比）は０．２〜０．４となっている。すなわち、図１においては縦方向に細長い形状となっている。セラミックス基板２１の形状は、厳密な矩形形状である必要である必要はなく、ａ／ｂ比を特定できる略矩形であればよい。なお、図１では単純化して記載したためにａ／ｂ比は上記の値にはなっていない。 The ceramic substrate 21 is made of, for example, silicon nitride ceramics having a high electrical resistivity and high thermal conductivity. The thickness can be set to 0.32 mm, for example, and is a rectangular plate shape (short side: a, long side: b), and its aspect ratio (a / b ratio in FIG. 1) is 0. 2 to 0.4. That is, in FIG. 1, the shape is elongated in the vertical direction. The shape of the ceramic substrate 21 does not need to be a strict rectangular shape, and may be a substantially rectangular shape that can specify the a / b ratio. In FIG. 1, the a / b ratio is not the above value because it is simplified.
金属回路板２２は電気伝導度及び熱伝導率が高い銅や銅合金で形成された、銅を主成分とする金属板である。金属回路板２２はこの回路基板２０に搭載される半導体チップの配線となり、かつ半導体チップからセラミックス基板２１への放熱も行う。従って、図１中では単純な矩形の板状としてあるが、配線となるべくパターニングされている。その厚さは例えば０．１〜３．０ｍｍ程度である。ただし、電気抵抗を低くする観点からは厚い方が好ましい。 The metal circuit board 22 is a metal board mainly composed of copper and made of copper or copper alloy having high electrical conductivity and thermal conductivity. The metal circuit board 22 serves as wiring for a semiconductor chip mounted on the circuit board 20 and also radiates heat from the semiconductor chip to the ceramic substrate 21. Therefore, although it is a simple rectangular plate shape in FIG. 1, it is patterned as much as possible as wiring. The thickness is, for example, about 0.1 to 3.0 mm. However, the thicker one is preferable from the viewpoint of reducing the electric resistance.
金属放熱板２３も同様に銅を主成分とする金属板である。金属放熱板２３はこの回路基板２０に搭載される半導体チップから放熱ベース３０への放熱を行う。すなわち、金属放熱板２３はこの半導体モジュール１０においては、放熱の下流側となっている。このため、金属回路板２２とは異なり、セラミックス基板２１のほぼ全面にわたり形成されるため、セラミックス基板２１と類似の矩形形状であり、その厚さは例えば０．１〜３．０ｍｍ程度である。 Similarly, the metal heat sink 23 is a metal plate mainly composed of copper. The metal heat radiating plate 23 radiates heat from the semiconductor chip mounted on the circuit board 20 to the heat radiating base 30. That is, the metal heat sink 23 is on the downstream side of heat dissipation in the semiconductor module 10. For this reason, unlike the metal circuit board 22, since it is formed over substantially the whole surface of the ceramic substrate 21, it has a rectangular shape similar to the ceramic substrate 21, and its thickness is, for example, about 0.1 to 3.0 mm.
ボンディングワイヤ２４は金属回路板２２から外部に配線を引き出すために金属回路板２２に接合され、回路基板２０外や、あるいは回路基板２０における他の金属回路板と接続される。その接合は例えば超音波接合によって行われる。 The bonding wire 24 is joined to the metal circuit board 22 in order to draw the wiring from the metal circuit board 22 to the outside, and is connected to the outside of the circuit board 20 or to another metal circuit board on the circuit board 20. The joining is performed by, for example, ultrasonic joining.
放熱ベース３０において回路基板２０が接合された以外の面には冷却フィン（図示せず）が設置され、冷却フィンは空冷もしくは水冷にて冷却される。従って、半導体チップから発する熱は、最終的に冷却フィンにて放熱される。 Cooling fins (not shown) are installed on the surface of the heat dissipation base 30 other than the circuit board 20 joined thereto, and the cooling fins are cooled by air cooling or water cooling. Therefore, the heat generated from the semiconductor chip is finally radiated by the cooling fins.
金属回路板２２と金属放熱板２３は、セラミックス基板２１にろう付けによって接合される。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。あるいは、セラミックス基板２１上にパターン化されていない板状の銅又は銅合金の板を同様にろう付けによって接合し、その後で銅又は銅合金の板をリソグラフィ、エッチングによってパターニングして図１の構造を形成してもよい。半導体チップ（図示せず）は耐熱性が低いことから、ろう材よりも低温（３００℃以下）で接合が可能なはんだにより金属回路板２２に接合される。また、金属放熱板２３と放熱ベース３０との接合は、一般に回路基板２０への半導体チップ搭載後に行われるため、低温で接合できるはんだにより行われる。このはんだとしては、例えば（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）系の材料が用いられる。 The metal circuit board 22 and the metal heat sink 23 are joined to the ceramic substrate 21 by brazing. As the brazing material, for example, a silver (Ag) -copper (Cu) -titanium (Ti) based active metal brazing material can be used, and these can be joined at 700 ° C. or higher. Alternatively, a plate-shaped copper or copper alloy plate that is not patterned on the ceramic substrate 21 is similarly joined by brazing, and then the copper or copper alloy plate is patterned by lithography and etching to form the structure of FIG. May be formed. Since the semiconductor chip (not shown) has low heat resistance, it is bonded to the metal circuit board 22 with solder that can be bonded at a lower temperature (300 ° C. or lower) than the brazing material. Further, since the metal heat radiating plate 23 and the heat radiating base 30 are generally joined after the semiconductor chip is mounted on the circuit board 20, the joining is performed by solder that can be joined at a low temperature. As this solder, for example, a (Sn—Ag—Cu) -based material is used.
ここで、この半導体モジュール１０においては、前記の通り、セラミックス基板２１が細長い矩形形状となっている。金属放熱板２３は、セラミックス基板２１と同様の細長い矩形形状であるが、図１における長辺において、片側でセラミックス基板２１よりもｄだけ短くなっている。すなわち、図１の断面図において、セラミックス基板２１はその長辺において金属放熱板２３よりも片側でｄだけ突き出した構造となっている。 Here, in the semiconductor module 10, as described above, the ceramic substrate 21 has an elongated rectangular shape. The metal heat sink 23 has an elongated rectangular shape similar to that of the ceramic substrate 21, but is shorter by d than the ceramic substrate 21 on one side on the long side in FIG. That is, in the cross-sectional view of FIG. 1, the ceramic substrate 21 has a structure in which the long side protrudes by d on one side from the metal radiator plate 23.
一般に、セラミックス基板に金属回路板、金属放熱板、放熱ベース（銅）が接合された構造においては、セラミックス基板（窒化珪素）と金属回路板及び金属放熱板、放熱ベース（銅）との熱膨張係数の差により、特にセラミックス基板内に大きな応力が発生し、これによってセラミックス基板が割れることがある。特に、セラミックス基板が細長い形状の場合にはその長辺の方向に沿っての熱膨張の影響が大きく出るために、その短辺に平行な断面で割れやすくなる。 In general, in a structure in which a metal circuit board, a metal heat sink, and a heat dissipation base (copper) are bonded to a ceramic substrate, thermal expansion between the ceramic substrate (silicon nitride), the metal circuit board, the metal heat sink, and the heat dissipation base (copper). Due to the difference in the coefficients, a large stress is generated particularly in the ceramic substrate, which may break the ceramic substrate. In particular, when the ceramic substrate has a long and narrow shape, the influence of thermal expansion along the direction of the long side is large, so that the cross section parallel to the short side tends to break.
この半導体モジュール１０においては、セラミックス基板２１がこのように細長い形状の場合に、その長辺において、セラミックス基板２１を金属放熱板２３よりも突き出した形状としている。これにより、セラミックス基板２１が細長い形状の場合であっても、冷熱サイクルに対する耐久性を向上させている。以下にこのメカニズムにつき説明する。 In the semiconductor module 10, when the ceramic substrate 21 has such an elongated shape, the ceramic substrate 21 protrudes from the metal heat dissipation plate 23 along its long side. Thereby, even if the ceramic substrate 21 has a long and narrow shape, durability against a cooling cycle is improved. This mechanism will be described below.
図２は、図１の構造において、ａ／ｂ＝０．２とした場合にセラミックス基板２１の突き出し量ｄを０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍと変えたときの、セラミックス基板２１において発生する最大応力を応力シミュレーションによって計算した結果である。ここで、セラミックス基板２１としては０．３２ｍｍ厚の窒化珪素、金属回路板２２は１ｍｍ厚の銅板、金属放熱板２３は１ｍｍ厚の銅板、放熱ベース３０は４ｍｍ厚の銅板とし、金属回路板２２と金属放熱板２３の形状は単純化のために同一とした。また、図１における左右方向には完全に対称な構造と仮定した。この時、銅（金属放熱板２３）パターンの端部付近に発生する応力の絶対値を主応力としてここで表示している。なお、このグラフにおける現行の構造とは、金属放熱板２３がなく、セラミックス基板２１が直接放熱ベース３０に接合された構造である。また、図２における主応力評価位置は、図１における破線矢印の方向に測定している。 FIG. 2 shows the ceramic substrate when the protruding amount d of the ceramic substrate 21 is changed to 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, and 5 mm when a / b = 0.2 in the structure of FIG. 21 shows the result of calculating the maximum stress generated in 21 by stress simulation. Here, the ceramic substrate 21 is 0.32 mm thick silicon nitride, the metal circuit board 22 is a 1 mm thick copper plate, the metal heat sink 23 is a 1 mm thick copper plate, and the heat dissipation base 30 is a 4 mm thick copper plate. The shape of the metal heat sink 23 is the same for simplicity. Further, it is assumed that the structure is completely symmetrical in the left-right direction in FIG. At this time, the absolute value of the stress generated near the end of the copper (metal heat sink 23) pattern is indicated here as the main stress. Note that the current structure in this graph is a structure in which the metal heat sink 23 is not provided and the ceramic substrate 21 is directly bonded to the heat dissipation base 30. 2 is measured in the direction of the broken line arrow in FIG.
この結果より、突き出し量ｄを大きくするに従ってどの箇所の主応力も低減することがわかる。従って、回路基板２０の構成を図１の通りにして、セラミックス基板２１を突き出た構成にすることにより、発生する主応力を低減させ、冷熱サイクルに際しての耐久性を高めることができる。 From this result, it can be seen that the main stress at any location decreases as the protrusion amount d increases. Therefore, by making the configuration of the circuit board 20 as shown in FIG. 1 and projecting the ceramic substrate 21, the generated main stress can be reduced and the durability during the cooling and heating cycle can be increased.
また、突き出し量ｄを変えた場合の、セラミックス基板２１内に発生する最大応力のａ／ｂ比依存性を計算した結果を図３に示す。ここで、ａ／ｂ比を変えた場合には、面積は一定としている。また、最大応力は、セラミックス基板２１の中央部で発生するため、この箇所での応力の絶対値を縦軸にとっている。この結果からも、突き出し量ｄを大きくとることによって、発生する最大応力を減少させることができることが確認できる。 FIG. 3 shows the result of calculating the a / b ratio dependency of the maximum stress generated in the ceramic substrate 21 when the protrusion amount d is changed. Here, when the a / b ratio is changed, the area is constant. Further, since the maximum stress is generated at the central portion of the ceramic substrate 21, the absolute value of the stress at this location is taken as the vertical axis. Also from this result, it can be confirmed that the maximum stress generated can be reduced by increasing the protrusion amount d.
また、金属回路板２２と金属放熱板２３の厚さは、同一とした方が、製造工程が単純になり、有利である。また、これらの厚さについては、厚さがが０．５ｍｍより薄い場合は、セラミックス基板２１との熱膨張係数の差による影響（応力の発生）は小さくなるものの、放熱性を確保することが困難である。一方、１．５ｍｍを越えるとセラミックス板と銅接合面の応力が大となり、信頼性が確保できない。 Further, it is advantageous that the thickness of the metal circuit board 22 and the metal heat radiating plate 23 is the same because the manufacturing process is simplified. In addition, regarding these thicknesses, when the thickness is less than 0.5 mm, the influence (stress generation) due to the difference in thermal expansion coefficient from the ceramic substrate 21 is reduced, but heat dissipation can be ensured. Have difficulty. On the other hand, if the thickness exceeds 1.5 mm, the stress between the ceramic plate and the copper bonding surface increases, and reliability cannot be ensured.
このように、この半導体モジュール１０においては、細長いセラミックス基板２１が用いられる場合に、図１に示されるように、セラミックス基板２１をその長辺において突き出た構造とすることによって冷熱サイクルに対するその耐久性を高めることができる。 Thus, in this semiconductor module 10, when a long and narrow ceramic substrate 21 is used, as shown in FIG. 1, the ceramic substrate 21 has a structure that protrudes at its long side, so that its durability against a thermal cycle is achieved. Can be increased.
以上の結果より、突き出し量ｄを大きくすることによって発生する応力を低減することができるが、この主応力の絶対値がセラミックス基板２１の３点曲げ強度を超える場合、セラミックス基板２１にクラックが発生する。この３点曲げ強度δは、図２の結果が得られた構造においては、δ＝（３ＰＬｓ）／（２ｗｔ２）（ここで、Ｐは破壊荷重，Ｌｓは支持間距離，ｗは試験片の幅，ｔは試験片の厚さ）から算出され、７５０ＭＰａであった。ここでは、実際の回路基板におけるばらつき等を考慮して、この応力の臨界値を６５０ＭＰａとする。この場合、主応力の絶対値をこの臨界値（６５０ＭＰａ）以下とするためには、ｄの値は１ｍｍ以上となる。すなわち、突き出し量ｄを１ｍｍ以上とすることによって、特にこの回路基板及び半導体モジュールの冷熱サイクルに対する耐久性を高めることができる。一方、ｄが大きくなると、冷熱サイクルに対する耐久性が高くなる反面、取り扱い時に割れやすくなることは明らかである。従って、ｄの上限は２ｍｍ程度とすることが好ましい。 From the above results, it is possible to reduce the stress generated by increasing the protrusion amount d. However, when the absolute value of the main stress exceeds the three-point bending strength of the ceramic substrate 21, cracks are generated in the ceramic substrate 21. To do. The three-point bending strength δ is δ = (3PL s ) / (2 wt 2 ) (where P is the breaking load, L s is the distance between supports, and w is the test) in the structure in which the result of FIG. 2 is obtained. The width of the piece, t was calculated from the thickness of the test piece, and was 750 MPa. Here, the critical value of this stress is set to 650 MPa in consideration of variations in an actual circuit board. In this case, in order to make the absolute value of the main stress below this critical value (650 MPa), the value of d is 1 mm or more. That is, by setting the protruding amount d to be 1 mm or more, it is possible to improve the durability of the circuit board and the semiconductor module particularly with respect to the cooling / heating cycle. On the other hand, when d is increased, the durability against the cooling and heating cycle is increased, but it is apparent that it is easily broken during handling. Therefore, the upper limit of d is preferably about 2 mm.
また、ａ／ｂ比の値は、０．２〜０．４の範囲とすることが好ましい。図３の結果から、ａ／ｂ比が０．２未満と極めて小さな（極めて細長い）場合には、突き出し量ｄを２ｍｍより大きくしても、最大応力が６００ＭＰａ以上と大きくなるため、効果が不充分である。また、ａ／ｂが０．４よりも大きく、正方形に近い形状の場合には、突き出し量ｄが０であってもそもそも最大応力が６００ＭＰａよりも大きくならず、冷熱サイクルに対する耐久性が高い。すなわち、上記の効果は小さくなる。 Moreover, it is preferable to make the value of a / b ratio into the range of 0.2-0.4. From the results shown in FIG. 3, when the a / b ratio is extremely small (less than 0.2), even if the protrusion amount d is larger than 2 mm, the maximum stress becomes as large as 600 MPa or more, so the effect is not good. It is enough. Further, in the case where a / b is larger than 0.4 and the shape is close to a square, even if the protrusion amount d is 0, the maximum stress does not become larger than 600 MPa in the first place, and the durability against the heat cycle is high. That is, the above effect is reduced.
従って、搭載する半導体チップの構成により、細長いセラミックス基板を用いる必要がある場合には、ａ／ｂ比が０．２〜０．４の範囲であれば、セラミックス基板の長辺における突き出し量を１〜２ｍｍの範囲と設定することによって、特に冷熱サイクルに対する耐久性を高くすることができる。 Therefore, when it is necessary to use an elongated ceramic substrate depending on the configuration of the semiconductor chip to be mounted, if the a / b ratio is in the range of 0.2 to 0.4, the protrusion amount on the long side of the ceramic substrate is 1 By setting the range to ˜2 mm, it is possible to increase the durability particularly against the thermal cycle.
なお、上記の構造においては、セラミックス基板２１が矩形形状であり、その長辺における突き出し量について規定した。短辺の方向における熱膨張の影響は長辺の方向よりも小さいため、長辺と垂直な短辺における突き出し量の影響は長辺と比べて無視できる。従って、取り扱い時の欠け等を考慮すると、短辺の突き出し量は小さくすることが好ましい。 In the above structure, the ceramic substrate 21 has a rectangular shape, and the protrusion amount on the long side is defined. Since the influence of thermal expansion in the direction of the short side is smaller than that in the direction of the long side, the influence of the protrusion amount on the short side perpendicular to the long side is negligible compared to the long side. Therefore, in consideration of chipping during handling, it is preferable to reduce the protruding amount of the short side.
なお、前記の例では、セラミックス基板２１として窒化珪素セラミックスを用いた例につき記載したが、窒化珪素（熱膨張係数：３×１０−６／Ｋ）と同様に、金属放熱板や放熱ベースの構成要素である銅（熱膨張係数：１６．７×１０−６／Ｋ）との熱膨張係数の差が大きな材料、例えばアルミナ（熱膨張係数：７×１０−６／Ｋ）、窒化アルミニウム（熱膨張係数：５×１０−６／Ｋ）等が用いられる場合についても同様である。また、金属放熱板や放熱ベースの材料として、銅と同様に熱伝導率及び電気伝導度が高く、熱膨張係数が大きな（２３×１０−６／Ｋ）アルミニウムが用いられる場合でも同様である。 In the above example, an example in which silicon nitride ceramics is used as the ceramic substrate 21 has been described. However, similarly to silicon nitride (thermal expansion coefficient: 3 × 10 −6 / K), the structure of the metal heat radiating plate or the heat radiating base is described. A material having a large difference in thermal expansion coefficient from element copper (thermal expansion coefficient: 16.7 × 10 −6 / K), such as alumina (thermal expansion coefficient: 7 × 10 −6 / K), aluminum nitride (heat The same applies to the case where an expansion coefficient of 5 × 10 −6 / K) is used. The same applies to the case where aluminum having a high thermal conductivity and electrical conductivity and a large thermal expansion coefficient (23 × 10 −6 / K) is used as a material for the metal heat radiating plate and the heat radiating base.
また、前記の例では金属放熱板が用いられ、セラミックス基板を金属放熱板から突き出した構造をとった例について記載したが、金属放熱板を省略した構造の半導体モジュールにおいても同様の構造をとることによって同様の効果を得ることができる。すなわち、セラミックス基板を直接放熱ベースにはんだ付けし、放熱ベースの形状に段差を設けることによって、セラミックス基板を放熱ベースから突き出した構造として、同様の効果を得ることもできる。 In the above example, a metal heat sink is used, and an example in which a ceramic substrate is protruded from the metal heat sink has been described. However, a semiconductor module having a structure in which the metal heat sink is omitted has the same structure. A similar effect can be obtained. That is, by soldering the ceramic substrate directly to the heat dissipation base and providing a step in the shape of the heat dissipation base, the same effect can be obtained as a structure in which the ceramic substrate protrudes from the heat dissipation base.
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態における半導体モジュールにおいては、金属放熱板を使用せず、実質的に図１と同様の構造を実現する。この半導体モジュール４０の外観斜視図を図４に、断面図を図５に示す。
(Second Embodiment)
In the semiconductor module according to the second embodiment, a metal heat radiating plate is not used, and a structure substantially similar to that shown in FIG. 1 is realized. FIG. 4 is an external perspective view of the semiconductor module 40, and FIG.
この半導体モジュール４０においても、セラミックス基板５１上に金属回路板５２が接合され、その上に半導体チップ（図示せず）が接合される。この半導体モジュール４０における特徴は、金属放熱板が用いられることなく、セラミックス基板５１が直接放熱ベース６０に接合されるが、放熱ベース６０の表面には溝６１が形成されている。セラミックス基板５１、金属回路板５２、放熱ベース６０については第１の実施の形態と同様であるが、ここでは金属放熱板が用いられておらず、代わりに放熱ベース６０に溝６１が形成されている。 Also in this semiconductor module 40, the metal circuit board 52 is joined on the ceramic substrate 51, and a semiconductor chip (not shown) is joined thereon. The feature of the semiconductor module 40 is that the ceramic substrate 51 is directly joined to the heat dissipation base 60 without using a metal heat dissipation plate, but a groove 61 is formed on the surface of the heat dissipation base 60. The ceramic substrate 51, the metal circuit board 52, and the heat dissipation base 60 are the same as those in the first embodiment. However, the metal heat dissipation plate is not used here, and a groove 61 is formed in the heat dissipation base 60 instead. Yes.
この溝６１は、図５に示されるように、セラミックス基板５１の周辺部に沿って形成されている。これにより、金属放熱板を用いずに、実質的に第１の実施の形態と同様の構造を実現している。これにより、同様に、冷熱サイクルに対する耐久性を高めることができる。 As shown in FIG. 5, the groove 61 is formed along the peripheral portion of the ceramic substrate 51. Thereby, a structure substantially the same as that of the first embodiment is realized without using a metal heat sink. Thereby, durability with respect to a cold cycle can be improved similarly.
この半導体モジュール４０を製造するに際しては、金属放熱板が用いられないために、第１の実施の形態と比べて接合工程の数が少なくなる。その代わりに、放熱ベース６０に溝６１を形成する工程が必要になる。この溝６１は、例えばプレス加工により形成することができる。また、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を用いることができる。 When manufacturing this semiconductor module 40, since a metal heat sink is not used, the number of joining steps is reduced as compared with the first embodiment. Instead, a step of forming the groove 61 in the heat dissipation base 60 is required. The groove 61 can be formed by, for example, pressing. In addition to press working, a method of forming grooves by a processing machine or wet etching can be used.
なお、図５においては、溝６１はセラミックス基板５１の短辺に沿っても溝６１が形成されているが、長辺に沿った方向のみに溝を形成してもよい。 In FIG. 5, the groove 61 is formed along the short side of the ceramic substrate 51, but the groove 61 may be formed only in the direction along the long side.
（実施例）
第１の実施の形態に係る半導体モジュール（実施例）と、従来の構造の半導体モジュール（比較例）を作成し、冷熱サイクル試験を行った。ここで、比較例としては、ａ／ｂ比が２種類のものを作成した。
(Example)
A semiconductor module (Example) according to the first embodiment and a semiconductor module having a conventional structure (Comparative Example) were prepared, and a thermal cycle test was performed. Here, as a comparative example, those having two kinds of a / b ratios were prepared.
どの試料においても、用いられたセラミックス基板は０．３ｍｍ厚の窒化珪素セラミックス、金属回路板は１ｍｍ厚の銅、金属放熱板は１ｍｍ厚の銅である。放熱ベースは４ｍｍ厚の銅である。単純化するために、半導体チップは接合しておらず、ワイヤーボンディングも施していない。金属回路板と金属放熱板の形状は同様とした。金属回路板及び金属放熱板とセラミックス基板との接合はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材を用いて８００℃で行った。金属放熱板と放熱ベースとの接合はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを用いて２４０℃で行った。 In any sample, the ceramic substrate used is 0.3 mm thick silicon nitride ceramics, the metal circuit board is 1 mm thick copper, and the metal heat sink is 1 mm thick copper. The heat dissipation base is 4 mm thick copper. For simplicity, the semiconductor chips are not bonded and are not wire bonded. The shape of the metal circuit board and the metal heat sink was the same. The joining of the metal circuit board and the metal heat sink and the ceramic substrate was performed at 800 ° C. using an Ag—Cu—Ti brazing material. The metal radiator plate and the radiator base were joined at 240 ° C. using Sn—Ag—Cu solder.
実施例は、これらを用いて、ａ／ｂ＝０．３セラミックス基板の突き出し量ｄ＝１ｍｍとした半導体モジュールとした。比較例１は、ａ／ｂ＝０．２１、比較例２はａ／ｂ＝０．６５とし、共にｄ＝０とした。なお、比較例においては、金属放熱板は用いず、セラミックス基板を直接放熱ベースに接合した。印加した冷熱サイクルは、１５０℃〜−５５℃の間を１周期６０ｍｉｎで１００サイクルとした。 In the example, a semiconductor module with a / b = 0.3 ceramic substrate protrusion d = 1 mm was used by using these. In Comparative Example 1, a / b = 0.21, in Comparative Example 2, a / b = 0.65, and d = 0. In the comparative example, the ceramic substrate was directly bonded to the heat dissipation base without using a metal heat dissipation plate. The applied cooling / heating cycle was between 150 ° C. and −55 ° C. and 100 cycles in one cycle 60 min.
図６（ａ）（ｂ）は冷熱サイクル後の比較例１、２の外観写真である。ａ／ｂ比が０．２１である比較例１においては多数のクラックが生じている。このクラックはセラミックス基板のクラックに起因する。一方、ａ／ｂ比が０．６５である比較例２は、クラックが生じていない。これは、セラミックス基板（回路基板）が細長い場合にクラックが特に生じやすくなっていることを示す。 6A and 6B are external appearance photographs of Comparative Examples 1 and 2 after the cooling and heating cycle. In Comparative Example 1 where the a / b ratio is 0.21, many cracks are generated. This crack is caused by a crack in the ceramic substrate. On the other hand, in Comparative Example 2 in which the a / b ratio is 0.65, no crack is generated. This indicates that cracks are particularly likely to occur when the ceramic substrate (circuit board) is elongated.
図７は、冷熱サイクル後の実施例の外観写真である。ａ／ｂ比は０．２１と比較例１と同等であるにも関わらず、クラックは全く発生していない。従って、実施例においては、回路基板が細長い場合であっても、クラックを生じにくくなっていることが確認された。 FIG. 7 is an appearance photograph of the example after the cooling and heating cycle. Although the a / b ratio is 0.21, which is equivalent to that of Comparative Example 1, no cracks are generated. Therefore, in the example, it was confirmed that even if the circuit board was elongated, it was difficult for cracks to occur.
１０、４０、８０ 半導体モジュール
２０、９０ 回路基板
２１、５１、９１ セラミックス基板
２２、５２、９２ 金属回路板
２３ 金属放熱板
２４ ボンディングワイヤ
３０、６０、１００ 放熱ベース
６１ 溝
８１ 半導体チップ
８２ はんだ層
10, 40, 80 Semiconductor module 20, 90 Circuit board 21, 51, 91 Ceramic board 22, 52, 92 Metal circuit board 23 Metal heat sink 24 Bonding wires 30, 60, 100 Heat release base 61 Groove 81 Semiconductor chip 82 Solder layer
Claims (19)
前記セラミックス基板の長辺における前記セラミックス基板の前記金属放熱板からの突き出しがあり、前記セラミックス基板に発生する応力が６５０ＭＰａ以下であることを特徴とする回路基板。 A metal circuit board mainly composed of copper is joined to one surface of a substantially rectangular ceramic substrate, and a metal heat sink composed mainly of copper is joined to the other surface. A circuit board having a long side ratio in a range of 0.2 to 0.4,
A circuit board characterized in that the ceramic substrate has a protrusion from the metal heat sink on the long side of the ceramic substrate, and the stress generated in the ceramic substrate is 650 MPa or less.
前記金属回路板には半導体チップが接合され、
前記金属放熱板には銅を主成分とする放熱ベースが接合されることを特徴とする半導体モジュール。 A semiconductor module using the circuit board according to any one of claims 1 to 6,
A semiconductor chip is bonded to the metal circuit board,
A semiconductor module, wherein a heat dissipation base mainly composed of copper is joined to the metal heat dissipation plate.
前記セラミックス基板の長辺における前記セラミックス基板の前記放熱ベースからの突き出しがあり、前記セラミックス基板に発生する応力が６５０ＭＰａ以下であることを特徴とする半導体モジュール。 A metal circuit board mainly composed of copper is bonded to one surface of a substantially rectangular ceramic substrate, a heat dissipation base mainly composed of copper is bonded to the other surface, and a semiconductor chip is bonded to the metal circuit board. A semiconductor module having a short side / long side ratio of 0.2 to 0.4 in the ceramic substrate,
A semiconductor module, wherein the ceramic substrate has a protrusion from the heat dissipation base at a long side of the ceramic substrate, and a stress generated in the ceramic substrate is 650 MPa or less.
前記セラミックス基板の長辺において、放熱における下流側にある前記金属板からの前記セラミックス基板の突き出し量を１．０〜２．０ｍｍの範囲とすることを特徴とする半導体モジュールの設計方法。 A semiconductor module having a structure in which a metal plate mainly composed of copper is bonded to both surfaces of a substantially rectangular ceramic substrate, and the short side / long side ratio of the ceramic substrate is in the range of 0.2 to 0.4. A design method,
A method for designing a semiconductor module, characterized in that, on the long side of the ceramic substrate, the amount of protrusion of the ceramic substrate from the metal plate on the downstream side in heat dissipation is in the range of 1.0 to 2.0 mm.
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