JP2010287844A - Power module - Google Patents

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暁紅 殷
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圭 山本
Hirotaka Muto
浩隆 武藤
Hironori Shioda
裕基 塩田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power module allowed to be inexpensively manufactured, having an excellent heat releasing property and for preventing electric insulation from being reduced even when a high voltage is applied for a long time under a high-temperature and high-humidity environment. <P>SOLUTION: In the power module including an organic insulating layer 2 between a Cu base substrate 1 and a Cu substrate 4, a Cu migration preventing layer is formed on a surface of the Cu base substrate and/or the Cu substrate to which a positive voltage is applied, which is brought into contact with the organic insulating layer. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、高温高湿環境下でも使用可能なパワーモジュールに関し、特に、車両及び電鉄等で使用されるパワーモジュールに関する。   The present invention relates to a power module that can be used even in a high-temperature and high-humidity environment.

パワーモジュールでは、電気絶縁性を確保しつつ、半導体素子から発生した熱を効率良く放散させることが必要とされている。特に、半導体搭載用の回路基板では、近年、高密度実装化及び高性能化が要求されており、半導体素子の小型化及び高性能化、並びに回路配線の微細化及び高密度化に伴って、半導体素子から発生した熱を如何に放散するかということが問題となっている。そのため、半導体素子を搭載したCu基板(例えば、Cu回路基板やCu製ヒートスプレッダなど)と金属ベース基板との間の絶縁層として高熱伝導性の有機絶縁層を用いたパワーモジュールや、放熱性に優れた構造を有するパワーモジュールが提案されている。ここで、高熱伝導性の有機絶縁層とは、一般的に、セラミックス等の熱伝導性フィラーをエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂中に分散させた層である。   Power modules are required to efficiently dissipate heat generated from semiconductor elements while ensuring electrical insulation. In particular, in circuit boards for semiconductor mounting, in recent years, high density mounting and high performance have been demanded, and along with miniaturization and high performance of semiconductor elements, and miniaturization and high density of circuit wiring, The problem is how to dissipate the heat generated from the semiconductor element. Therefore, a power module using a highly thermally conductive organic insulating layer as an insulating layer between a Cu substrate (for example, a Cu circuit substrate or a Cu heat spreader) on which a semiconductor element is mounted and a metal base substrate, and excellent heat dissipation A power module having a different structure has been proposed. Here, the high thermal conductivity organic insulating layer is generally a layer in which a thermal conductive filler such as ceramics is dispersed in a thermosetting resin such as an epoxy resin.

例えば、特許文献1では、金属ベース基板上に有機絶縁層を介してリードフレームを設けたパワーモジュールが提案されている。また、特許文献2では、半導体素子の両面に所定の放熱部材を設けたパワーモジュールが提案されている。これらのパワーモジュールは、当該文献中で説明されているように熱放散性に優れている。   For example, Patent Document 1 proposes a power module in which a lead frame is provided on a metal base substrate via an organic insulating layer. Patent Document 2 proposes a power module in which predetermined heat dissipation members are provided on both sides of a semiconductor element. These power modules are excellent in heat dissipation as described in the literature.

一方、パワーモジュールは、高温吸湿環境下において数百〜数千Vの高電圧が印加される状況で使用されることが多いため、リークやショートという劣化現象が生じ、パワーモジュールが故障することがある。
そこで、これらの劣化現象を防止するための方法がいくつか提案されている。例えば、特許文献3では、金属ベース基板とリードフレームとの間の有機絶縁層を、金属ベース基板端部から有機絶縁層がはみ出すように設けることで、リードフレームと金属ベース基板端部との間のショートを防止することが提案されている。また、特許文献4では、イオン性不純物と化合する添加剤を添加した封止樹脂を用いて封止することで、封止樹脂が剥離した際のリードフレーム間及びリードフレームと金属ベース基板との間のCuマイグレーションを防止してリークやショートの発生を抑制することが提案されている。さらに、特許文献5では、特殊な半導体チップを用いることで、絶縁されるべき一対の電極間にショートが生じる可能性が増大したタイミングを検出する方法が提案されている。
On the other hand, the power module is often used in a situation where a high voltage of several hundred to several thousand volts is applied in a high-temperature moisture absorption environment, so that a deterioration phenomenon such as a leak or a short circuit occurs, and the power module may fail. is there.
Thus, several methods for preventing these deterioration phenomena have been proposed. For example, in Patent Document 3, an organic insulating layer between a metal base substrate and a lead frame is provided so that the organic insulating layer protrudes from the end portion of the metal base substrate. It has been proposed to prevent short circuits. Moreover, in patent document 4, by sealing using the sealing resin which added the additive combined with an ionic impurity, between lead frames when sealing resin peels, and between a lead frame and a metal base substrate It has been proposed to prevent the occurrence of leaks and shorts by preventing Cu migration in the meantime. Further, Patent Document 5 proposes a method for detecting timing at which the possibility that a short circuit occurs between a pair of electrodes to be insulated by using a special semiconductor chip.

特開2001−196495号公報JP 2001-196495 A 特開2001−156225号公報JP 2001-156225 A 特開平8−204098号公報JP-A-8-204098 特開2003−92379号公報JP 2003-92379 A 特開2008−177293号公報JP 2008-177293 A

しかしながら、高温吸湿環境下において高電圧が印加される状況でパワーモジュールを使用すると、リードフレームと金属ベース基板端部との間や、封止樹脂が剥離した際のリードフレーム間及びリードフレームと金属ベース基板との間だけでなく、有機絶縁層自体の劣化によってもリークやショートが発生する。
一方、有機絶縁層の劣化は、セラミックス等の熱伝導性フィラーを高圧熱プレス等により高充填化させることで抑制できるとも考えられるが、近年、車両及び電鉄等に使用されるパワーモジュールでは、家庭電化製品で使用されるパワーモジュールに比べて、使用される環境の高温高湿化が増しており、このような環境下では、有機絶縁層の劣化が十分に抑制できない。その結果、リークやショートが発生してパワーモジュールの信頼性が著しく低下する。
However, when a power module is used in a situation where a high voltage is applied in a high-temperature moisture-absorbing environment, it is between the lead frame and the metal base substrate end, between the lead frames when the sealing resin is peeled off, and between the lead frame and the metal. Leakage or short-circuiting occurs not only with the base substrate but also with deterioration of the organic insulating layer itself.
On the other hand, it is considered that deterioration of the organic insulating layer can be suppressed by increasing the filling of a thermally conductive filler such as ceramics with a high-pressure hot press or the like. Compared to power modules used in electrical appliances, the environment in which they are used has increased in temperature and humidity. Under such circumstances, the deterioration of the organic insulating layer cannot be sufficiently suppressed. As a result, a leak or a short circuit occurs, and the reliability of the power module is significantly reduced.

このような有機絶縁層の劣化は、次の現象によって進行すると考えられる。まず、樹脂封止されたパワーモジュールは、高温吸湿環境下において高電圧が印加される状況で使用すると、徐々に吸湿し、有機絶縁層の周囲から内部に水分が徐々に拡散する。そうすると、有機絶縁層と接する部材との間に水分が入り込み、当該部材を構成するCuがイオン化して溶出する(〔1〕Cuの溶解)。次に、電圧の印加等によってCuイオンが移動し(〔2〕Cuイオンの移動)、移動したCuイオンは還元作用を受けてCu又はCu化合物として析出する(〔3〕Cuの析出)。この現象は、Cuマイグレーションと一般的に言われており、この3つの過程が順次発生していると考えられる。このCuマイグレーションが生じた場合、極間有効距離が小さくなり、不均一な電界を生じさせる。その結果、電界集中が発生し、電気絶縁性が著しく低下する。   Such deterioration of the organic insulating layer is considered to proceed due to the following phenomenon. First, when the power module sealed with resin is used in a state where a high voltage is applied in a high temperature moisture absorption environment, the power module gradually absorbs moisture, and moisture gradually diffuses from the periphery to the inside of the organic insulating layer. Then, moisture enters between the member in contact with the organic insulating layer, and Cu constituting the member is ionized and eluted ([1] dissolution of Cu). Next, Cu ions move due to application of voltage or the like ([2] movement of Cu ions), and the moved Cu ions are subjected to a reducing action and are precipitated as Cu or a Cu compound ([3] Cu precipitation). This phenomenon is generally referred to as Cu migration, and it is considered that these three processes occur sequentially. When this Cu migration occurs, the effective distance between the electrodes becomes small and an uneven electric field is generated. As a result, electric field concentration occurs, and the electrical insulation is significantly reduced.

また、上記のCuマイグレーションは、有機絶縁層における水分侵入速度の増加、イオン不純物の混入、熱伝導性フィラーの溶解によるpH変化等の様々な要因によって加速されるが、これらの要因が例え最適化されたとしても、高電圧が印加される場合にはCuマイグレーションによる有機絶縁層の劣化が激しくなる。
一方、パワーモジュールが、特に車両及び電鉄等に使用される場合、パワーモジュールの故障は安全性を損なう恐れがあるため、何らかのフェイルセーフ設計を採用することが望ましい。しかし、特許文献5のように特別な検出回路を設ける方法を採用した場合、製造コストが増大するという問題がある。
In addition, the above-mentioned Cu migration is accelerated by various factors such as an increase in the moisture penetration rate in the organic insulating layer, mixing of ionic impurities, and a pH change due to dissolution of the thermally conductive filler. Even when the high voltage is applied, the deterioration of the organic insulating layer due to Cu migration becomes severe.
On the other hand, when the power module is used particularly for vehicles, electric railways and the like, it is desirable to adopt some fail-safe design because a failure of the power module may impair safety. However, when the method of providing a special detection circuit as in Patent Document 5 is adopted, there is a problem that the manufacturing cost increases.

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、安価に製造することができると共に、放熱性に優れ、且つ高温高湿環境下で高電圧が長時間印加されても電気絶縁性が低下することがない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 to solve the above problems, and can be manufactured at a low cost, has excellent heat dissipation, and can be applied for a long time in a high temperature and high humidity environment. An object of the present invention is to provide a power module in which electrical insulation does not deteriorate.

そこで、本発明者らは上記のような問題を解決すべく鋭意研究した結果、正電圧が印加されるCu含有部材の有機絶縁層と接する面にCuマイグレーション防止層を形成することで、高温高湿環境下で高電圧が長時間印加されても、Cu含有部材からのCuマイグレーションを防止し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、Cuベース基板とCu基板との間に有機絶縁層を備えるパワーモジュールであって、正電圧が印加されるCuベース基板及び/又はCu基板の有機絶縁層と接する面にCuマイグレーション防止層が形成されていることを特徴とするパワーモジュールである。
また、本発明は、金属ベース基板とCu基板との間に有機絶縁層を備えるパワーモジュールであって、正電圧が印加されるCu基板の有機絶縁層と接する面にCuマイグレーション防止層が形成されていることを特徴とするパワーモジュールである。
Therefore, as a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have formed a Cu migration prevention layer on the surface of the Cu-containing member to which a positive voltage is applied in contact with the organic insulating layer, thereby increasing the temperature and the temperature. It has been found that Cu migration from a Cu-containing member can be prevented even when a high voltage is applied for a long time in a wet environment, and the present invention has been completed.
That is, the present invention is a power module including an organic insulating layer between a Cu base substrate and a Cu substrate, and a Cu base substrate to which a positive voltage is applied and / or a surface of the Cu substrate in contact with the organic insulating layer is Cu. A power module characterized in that a migration prevention layer is formed.
In addition, the present invention is a power module including an organic insulating layer between a metal base substrate and a Cu substrate, and a Cu migration preventing layer is formed on a surface of the Cu substrate in contact with the organic insulating layer to which a positive voltage is applied. It is the power module characterized by the above.

本発明によれば、安価に製造することができると共に、放熱性に優れ、且つ高温高湿環境下で高電圧が長時間印加されても電気絶縁性が低下することがないパワーモジュールを提供することができる。   According to the present invention, there is provided a power module that can be manufactured at low cost, has excellent heat dissipation, and does not deteriorate in electrical insulation even when a high voltage is applied for a long time in a high temperature and high humidity environment. be able to.

実施の形態1におけるパワーモジュールの基本構造の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the basic structure of the power module according to Embodiment 1. 実施の形態1におけるパワーモジュールの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the power module in the first embodiment. 実施の形態1におけるパワーモジュールの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the power module in the first embodiment.

実施の形態1.
本実施の形態のパワーモジュールは、ベース基板とCu基板との間に有機絶縁層を備える。
パワーモジュールは、様々な製品に実装した場合、外部電圧等によって数百〜数千Vの高電圧が印加される。印加される電圧は、パワーモジュールが実装される回路や製品機能等によって様々であり、ベース基板に正電圧が印加されたり、Cu基板に正電圧が印加されることがある。また、場合によっては、製品の使用中にパワーモジュールに印加される電圧が反転することもある。パワーモジュールに印加された正電圧は、Cu含有材料から構成された部材に対してCuマイグレーションを生じさせ、有機絶縁層を劣化させる。
Embodiment 1 FIG.
The power module of the present embodiment includes an organic insulating layer between the base substrate and the Cu substrate.
When the power module is mounted on various products, a high voltage of several hundred to several thousand volts is applied by an external voltage or the like. The applied voltage varies depending on the circuit on which the power module is mounted, the product function, and the like, and a positive voltage may be applied to the base substrate or a positive voltage may be applied to the Cu substrate. In some cases, the voltage applied to the power module during use of the product may be reversed. The positive voltage applied to the power module causes Cu migration with respect to a member made of the Cu-containing material, and degrades the organic insulating layer.

本実施の形態のパワーモジュールは、上記のような高電圧の印加に伴うCuマイグレーションの発生を防止するために、正電圧が印加されるCu含有部材の有機絶縁層と接する面にCuマイグレーション防止層を形成している。
以下、本実施の形態のパワーモジュールの基本構造につき図面を用いて説明する。
図1は、本実施の形態のパワーモジュールの基本構造の断面図である。(a)は、正電圧がCu基板に印加される場合、(b)は正電圧がベース基板に印加される場合、(c)は印加される電圧が反転する場合における、パワーモジュールの基本構造の断面図である。
The power module of the present embodiment has a Cu migration preventing layer on the surface in contact with the organic insulating layer of the Cu-containing member to which a positive voltage is applied in order to prevent the occurrence of Cu migration due to the application of a high voltage as described above. Is forming.
Hereinafter, the basic structure of the power module of the present embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of the basic structure of the power module of the present embodiment. (A) is the basic structure of the power module when a positive voltage is applied to the Cu substrate, (b) is when the positive voltage is applied to the base substrate, and (c) is the case where the applied voltage is inverted. FIG.

(a)のパワーモジュールの基本構造は、ベース基板1と、ベース基板1上に形成された有機絶縁層2と、有機絶縁層2上に形成されたCu基板4とから構成され、Cu基板4の有機絶縁層2と接する面にCuマイグレーション防止層3が形成されている。この基本構造において、ベース基板1は、Cuベース基板及び金属ベース基板のどちらであってもよい。
この基本構造によれば、正電圧がCu基板4に印加されても、Cuマイグレーション防止層3の存在によって、Cu基板4からCuがイオン化して溶出することはなく、Cuマイグレーションを防止することができる。その結果、Cuマイグレーションに起因する有機絶縁層2の劣化は生じることなく、電気絶縁性の低下を防止することができる。
The basic structure of the power module (a) includes a base substrate 1, an organic insulating layer 2 formed on the base substrate 1, and a Cu substrate 4 formed on the organic insulating layer 2. A Cu migration preventing layer 3 is formed on the surface in contact with the organic insulating layer 2. In this basic structure, the base substrate 1 may be a Cu base substrate or a metal base substrate.
According to this basic structure, even if a positive voltage is applied to the Cu substrate 4, the presence of the Cu migration prevention layer 3 prevents Cu from being ionized and eluted from the Cu substrate 4, thereby preventing Cu migration. it can. As a result, the deterioration of the organic insulating layer 2 due to Cu migration does not occur, and a decrease in electrical insulation can be prevented.

(b)のパワーモジュールの基本構造は、ベース基板1と、ベース基板1上に形成された有機絶縁層2と、有機絶縁層2上に形成されたCu基板4とから構成され、ベース基板1の有機絶縁層2と接する面にCuマイグレーション防止層3が形成されている。この基本構造において、ベース基板1はCuベース基板である。
この基本構造によれば、正電圧がベース基板1に印加されても、Cuマイグレーション防止層3の存在によって、ベース基板1からCuがイオン化して溶出することはなく、Cuマイグレーションを防止することができる。その結果、Cuマイグレーションに起因する有機絶縁層2の劣化は生じることなく、電気絶縁性の低下を防止することができる。
The basic structure of the power module (b) includes a base substrate 1, an organic insulating layer 2 formed on the base substrate 1, and a Cu substrate 4 formed on the organic insulating layer 2. A Cu migration preventing layer 3 is formed on the surface in contact with the organic insulating layer 2. In this basic structure, the base substrate 1 is a Cu base substrate.
According to this basic structure, even if a positive voltage is applied to the base substrate 1, the presence of the Cu migration preventing layer 3 prevents Cu from being ionized and eluted from the base substrate 1, thereby preventing Cu migration. it can. As a result, the deterioration of the organic insulating layer 2 due to Cu migration does not occur, and a decrease in electrical insulation can be prevented.

(c)のパワーモジュールの基本構造は、ベース基板1と、ベース基板1上に形成された有機絶縁層2と、有機絶縁層2上に形成されたCu基板4とから構成され、ベース基板1及びCu基板4の有機絶縁層と接する面にCuマイグレーション防止層3が形成されている。この基本構造において、ベース基板1はCuベース基板である。
この基本構造によれば、印加される電圧が反転しても(すなわち、正電圧がベース基板1及びCu基板4の両方に印加されても)、Cuマイグレーション防止層3の存在によって、ベース基板1及びCu基板4からCuがイオン化して溶出することはなく、Cuマイグレーションを防止することができる。その結果、Cuマイグレーションに起因する有機絶縁層2の劣化は生じることなく、電気絶縁性の低下を防止することができる。
The basic structure of the power module (c) includes a base substrate 1, an organic insulating layer 2 formed on the base substrate 1, and a Cu substrate 4 formed on the organic insulating layer 2. The Cu migration preventing layer 3 is formed on the surface of the Cu substrate 4 in contact with the organic insulating layer. In this basic structure, the base substrate 1 is a Cu base substrate.
According to this basic structure, even if the applied voltage is reversed (that is, even if a positive voltage is applied to both the base substrate 1 and the Cu substrate 4), the presence of the Cu migration preventing layer 3 makes the base substrate 1 And Cu does not ionize and elute from Cu substrate 4, and Cu migration can be prevented. As a result, the deterioration of the organic insulating layer 2 due to Cu migration does not occur, and a decrease in electrical insulation can be prevented.

Cuマイグレーション防止層3としては、イオンマイグレーションが生じ難い層であれば特に限定されない。一般的に、イオンマイグレーションの起こり易さは、イオン化傾向、pH、反応速度等の様々な因子と関係しており、一義的に定義することは難しいが、例えば、Cuよりも標準電極電位の高い金属(例えば、Au、Pt、Pd、Feなど)やこれらの合金から形成される層をCuマイグレーション防止層3として用いることができる。
また、各金属の標準電極電位は、表1に示すように、±数Vの範囲であり、パワーモジュールに印加される数百〜数千Vの高電圧の環境下では、Cuよりも卑な金属であっても、表面に酸化物を形成して不動態化する金属(例えば、Ni、Sn、Alなど)であれば、イオンマイグレーションが起こり難い。そのため、これらの金属や合金から形成される層をCuマイグレーション防止層3として用いてもよい。
The Cu migration preventing layer 3 is not particularly limited as long as ion migration is difficult to occur. In general, the ease of ion migration is related to various factors such as ionization tendency, pH, reaction rate, etc., and it is difficult to define uniquely, but for example, the standard electrode potential is higher than Cu. A layer formed of a metal (for example, Au, Pt, Pd, Fe, etc.) or an alloy thereof can be used as the Cu migration preventing layer 3.
Further, as shown in Table 1, the standard electrode potential of each metal is in a range of ± several V, and is lower than Cu in an environment of a high voltage of several hundred to several thousand V applied to the power module. Even if it is a metal, if it is a metal which forms an oxide on the surface and is passivated (for example, Ni, Sn, Al, etc.), ion migration hardly occurs. Therefore, a layer formed from these metals and alloys may be used as the Cu migration preventing layer 3.

Figure 2010287844
Figure 2010287844

さらに、Ag等のイオンマイグレーションが起こり易い金属であっても、PdやCu等を添加してイオンマイグレーションが起こり難い合金とすれば、Cuマイグレーション防止層3として用いることができる。
なお、図1では、Cuマイグレーション防止層3は単層としているが、複数層としてもよい。
Furthermore, even if a metal such as Ag is prone to ion migration, it can be used as the Cu migration preventing layer 3 if Pd, Cu or the like is added to form an alloy that hardly causes ion migration.
In FIG. 1, the Cu migration preventing layer 3 is a single layer, but may be a plurality of layers.

Cuマイグレーション防止層3の形成方法としては、特に限定されず、公知の表面処理方法を用いて形成することができる。表面処理方法としては、例えば、溶射、電気メッキ、無電解メッキ等が挙げられる。
Cuマイグレーション防止層3の厚さは、特に限定されないが、好ましくは0.05μm以上、より好ましくは0.5μm以上5μm以下である。Cuマイグレーション防止層3の厚さが1μm未満であると、熱プレスにより有機絶縁層2と接着させる際に、有機絶縁層2中に含まれる熱伝導性フィラーによってCuマイグレーション防止層3がダメージを受け、Cuマイグレーションの防止効果が十分に得られないことがある。
The formation method of the Cu migration preventing layer 3 is not particularly limited, and can be formed using a known surface treatment method. Examples of the surface treatment method include thermal spraying, electroplating, and electroless plating.
The thickness of the Cu migration preventing layer 3 is not particularly limited, but is preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.5 μm or more and 5 μm or less. When the thickness of the Cu migration preventing layer 3 is less than 1 μm, the Cu migration preventing layer 3 is damaged by the heat conductive filler contained in the organic insulating layer 2 when bonded to the organic insulating layer 2 by hot pressing. , Cu migration prevention effect may not be sufficiently obtained.

Cu基板4は、特に限定されず、公知のCu基板を用いることができる。このCu基板4は、用途に応じて様々な回路パターンが形成された回路基板(Cu回路基板)であっても、熱の拡散を目的とした回路が形成されていない基板(Cu製ヒートスプレッダ)であってもよい。ここで、Cu基板4は、Cuのみから構成される基板だけでなく、Cuを含む化合物(合金)等から構成される基板も含む。   The Cu substrate 4 is not particularly limited, and a known Cu substrate can be used. This Cu substrate 4 is a substrate (Cu heat spreader) on which a circuit for the purpose of heat diffusion is not formed even if it is a circuit substrate (Cu circuit substrate) on which various circuit patterns are formed according to the application. There may be. Here, the Cu substrate 4 includes not only a substrate composed only of Cu but also a substrate composed of a compound (alloy) containing Cu or the like.

ベース基板1としては、特に限定されず、公知のベース基板を用いることができる。ベース基板1の例としては、Cuベース基板やAlベース基板等が挙げられる。ここで、Cuベース基板とは、Cuのみから構成されるベース基板だけでなく、Cuを含む化合物(合金)等から構成されるベース基板も含む。同様に、Alベース基板とは、Alのみから構成されるベース基板だけでなく、Alを含む化合物(合金)等から構成されるベース基板も含む。
ベース基板1としてCuベース基板を用い、且つ正電圧がベース基板1に印加される場合、Cuマイグレーションが生じるため、Cuベース基板上にはCuマイグレーション防止層3を形成する必要がある。一方、ベース基板1としてCu以外の金属ベース基板(例えば、Alベース基板など)を用いる場合、当該金属ベース基板においてCuマイグレーションは軽微なため、当該金属ベース基板上にCuマイグレーション防止層3を形成する必要はない。
The base substrate 1 is not particularly limited, and a known base substrate can be used. Examples of the base substrate 1 include a Cu base substrate and an Al base substrate. Here, the Cu base substrate includes not only a base substrate composed of only Cu but also a base substrate composed of a compound (alloy) containing Cu or the like. Similarly, the Al base substrate includes not only a base substrate composed of only Al but also a base substrate composed of a compound (alloy) containing Al or the like.
When a Cu base substrate is used as the base substrate 1 and a positive voltage is applied to the base substrate 1, Cu migration occurs. Therefore, it is necessary to form the Cu migration prevention layer 3 on the Cu base substrate. On the other hand, when a metal base substrate other than Cu (for example, an Al base substrate) is used as the base substrate 1, Cu migration is slight in the metal base substrate, so the Cu migration prevention layer 3 is formed on the metal base substrate. There is no need.

また、Cu基板4にCuマイグレーション防止層3を形成した場合、有機絶縁層2とCu基板4との間の密着性が低下する傾向にあり、ヒートサイクル後に剥離が生じるおそれがある。この剥離の原因となる応力は、ベース基板1の厚さと関係しており、ベース基板1が厚すぎると、有機絶縁層2とCu基板4との間の剥離が生じ、パワーモジュールの信頼性が低下することがある。そのため、ベース基板1の厚さは、好ましくは5mm以下、より好ましくは0.01mm以上3mm以下とすることが望ましい。   Further, when the Cu migration preventing layer 3 is formed on the Cu substrate 4, the adhesion between the organic insulating layer 2 and the Cu substrate 4 tends to be lowered, and peeling may occur after the heat cycle. The stress that causes the peeling is related to the thickness of the base substrate 1. If the base substrate 1 is too thick, peeling between the organic insulating layer 2 and the Cu substrate 4 occurs, and the reliability of the power module is increased. May decrease. Therefore, the thickness of the base substrate 1 is preferably 5 mm or less, more preferably 0.01 mm or more and 3 mm or less.

有機絶縁層2としては、特に限定されず、公知の有機絶縁層(有機絶縁シート)を用いることができる。有機絶縁層2の例としては、熱伝導性フィラーを熱硬化性樹脂中に分散した層又はシートが挙げられる。熱伝導性フィラーとしては、溶融シリカ(SiO)、結晶シリカ(SiO)、酸化アルミニウム(Al)、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)、炭化ケイ素(SiC)等が挙げられる。また、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。この有機絶縁層(有機絶縁シート)の作製方法は、特に限定されず、公知の方法を用いることができる。
有機絶縁層2の厚さは、特に限定されないが、一般的に10μm以上1000μm以下である。
The organic insulating layer 2 is not particularly limited, and a known organic insulating layer (organic insulating sheet) can be used. Examples of the organic insulating layer 2 include a layer or sheet in which a heat conductive filler is dispersed in a thermosetting resin. Examples of the thermally conductive filler include fused silica (SiO 2 ), crystalline silica (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), boron nitride (BN), aluminum nitride (AlN), silicon carbide (SiC), and the like. It is done. Moreover, as a thermosetting resin, an epoxy resin, an unsaturated polyester resin, a phenol resin, a melamine resin, a silicone resin, a polyimide resin, etc. are mentioned. The manufacturing method of this organic insulating layer (organic insulating sheet) is not particularly limited, and a known method can be used.
The thickness of the organic insulating layer 2 is not particularly limited, but is generally 10 μm or more and 1000 μm or less.

上記のパワーモジュールの基本構造の作製方法としては、特に限定されず、公知の方法に準じて行なうことができる。例えば、ベース基板1及び/又はCu基板4にCuマイグレーション防止層3を形成した後、ベース基板1と、有機絶縁層2と、Cu基板4とを積層し、熱プレスによって接着する。そして、必要であれば、エッチング等によって所望の回路パターンをCu基板4上に形成すればよい。熱プレスの条件については、使用する材料の大きさや厚さ等に応じて適宜設定すればよい。   The method for producing the basic structure of the power module is not particularly limited, and can be performed according to a known method. For example, after forming the Cu migration preventing layer 3 on the base substrate 1 and / or the Cu substrate 4, the base substrate 1, the organic insulating layer 2, and the Cu substrate 4 are laminated and bonded by hot pressing. If necessary, a desired circuit pattern may be formed on the Cu substrate 4 by etching or the like. What is necessary is just to set suitably about the conditions of hot press according to the magnitude | size, thickness, etc. of the material to be used.

本実施の形態のパワーモジュールは、上記の基本構造を有する。このパワーモジュールの例について、図面を用いて説明する。
図2及び3は、本実施の形態のパワーモジュールの断面図である。なお、図2及び3は、図1(a)の基本構造を有するパワーモジュールのみを示したが、図1(b)及び(c)の基本構造を有していてもよい。
図2において、パワーモジュールは、図1の基本構造に加えて、半導体素子5及び外部電極端子9がCu基板4上に配置されており、半導体素子5の間は金属ワイヤ7を介して接続されている。そして、この構造体の周囲に設けられたケース10によって、外部電極端子9の外部接続部分及びベース基板1の外部放熱部分以外が封止樹脂8で封止されている。
The power module of the present embodiment has the above basic structure. An example of this power module will be described with reference to the drawings.
2 and 3 are cross-sectional views of the power module of the present embodiment. 2 and 3 show only the power module having the basic structure of FIG. 1 (a), it may have the basic structure of FIGS. 1 (b) and (c).
In FIG. 2, in addition to the basic structure of FIG. 1, the power module includes a semiconductor element 5 and external electrode terminals 9 arranged on a Cu substrate 4, and the semiconductor elements 5 are connected via metal wires 7. ing. Then, the case 10 provided around the structure body is sealed with a sealing resin 8 except for the external connection portion of the external electrode terminal 9 and the external heat dissipation portion of the base substrate 1.

半導体素子5、金属ワイヤ7、外部電極端子9及びケース10としては、特に限定されず、公知のものを用いることができる。また、これらの配置方法も、特に限定されず、公知の方法に準じて行なうことができる。
封止樹脂8は、エポキシ樹脂や、シリコーンゲル又はゴム等の公知のポッティング封止材である。
図2のパワーモジュールの製造方法は、特に限定されず、例えば、基本構造に加えて、半導体素子5、金属ワイヤ7、外部電極端子9及びケース10を配置した後、上部からケース10内に封止樹脂8をポッティングし、加熱硬化させることによってケース内を封止すればよい。加熱硬化の条件等は、使用する封止樹脂8に応じて適宜設定すればよい。
The semiconductor element 5, the metal wire 7, the external electrode terminal 9, and the case 10 are not particularly limited, and known ones can be used. Also, these arrangement methods are not particularly limited, and can be performed according to known methods.
The sealing resin 8 is a known potting sealing material such as an epoxy resin, silicone gel, or rubber.
The method for manufacturing the power module in FIG. 2 is not particularly limited. For example, in addition to the basic structure, the semiconductor element 5, the metal wire 7, the external electrode terminal 9, and the case 10 are arranged and then sealed in the case 10 from above. What is necessary is just to seal the inside of a case by potting the stop resin 8 and making it heat-harden. What is necessary is just to set the conditions of heat curing suitably according to the sealing resin 8 to be used.

図3において、パワーモジュールは、図1の基本構造に加えて、半導体素子5がCu基板4上に配置さており、また、リードフレーム6がCu基板4に直接接続されていると共に、金属ワイヤ7を介して半導体素子5に接続されている。そして、リードフレーム6の外部接続部分及びベース基板1の外部放熱部分以外が封止樹脂8で封止されている。
半導体素子5、リードフレーム6及び金属ワイヤ7としては、特に限定されず、公知のものを用いることができる。また、これらの配置方法も、特に限定されず、公知の方法に準じて行なうことができる。
封止樹脂8としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂のような公知のトランスファーモールド封止材である。
3, in the power module, in addition to the basic structure of FIG. 1, a semiconductor element 5 is disposed on a Cu substrate 4, a lead frame 6 is directly connected to the Cu substrate 4, and a metal wire 7 It is connected to the semiconductor element 5 via. The portions other than the external connection portion of the lead frame 6 and the external heat dissipation portion of the base substrate 1 are sealed with a sealing resin 8.
The semiconductor element 5, the lead frame 6, and the metal wire 7 are not particularly limited, and known ones can be used. Also, these arrangement methods are not particularly limited, and can be performed according to known methods.
The sealing resin 8 is a known transfer mold sealing material such as a thermosetting resin such as an epoxy resin.

図3のパワーモジュールの製造方法は、特に限定されず、例えば、基本構造に加えて、半導体素子5、リードフレーム6及び金属ワイヤ7を配置した後、トランスファー成形によってリードフレーム6の外部接続部分及びベース基板1の外部放熱部分以外を封止すればよい。トランスファー成形の条件等は、使用する封止樹脂8に応じて適宜設定すればよい。
特に、図3のトランスファーモールド封止されたパワーモジュールは、図2のパワーモジュールよりも、生産性に優れているため、低コスト化を図ることができると共に、多品種少量生産に有利である。
The method for manufacturing the power module in FIG. 3 is not particularly limited. For example, in addition to the basic structure, after the semiconductor element 5, the lead frame 6, and the metal wire 7 are arranged, the external connection portion of the lead frame 6 and What is necessary is just to seal other than the external heat dissipation part of the base substrate 1. What is necessary is just to set the conditions of transfer molding suitably according to the sealing resin 8 to be used.
In particular, the transfer module sealed power module shown in FIG. 3 is more productive than the power module shown in FIG. 2, so that the cost can be reduced and it is advantageous for high-mix low-volume production.

本実施の形態のパワーモジュールは、正電圧が印加されるベース基板1及び/又はCu基板4の有機絶縁層2と接する面にCuマイグレーション防止層3を形成しているので、高温吸湿環境下で数百〜数線Vの電圧が印加されてもベース基板1及び/又はCu基板4からのCuマイグレーションを防止して有機絶縁層2の劣化を抑制することができる。その結果、有機絶縁層2の劣化に起因するリークやショートが生じず、電気絶縁性が低下することがないため、パワーモジュールの信頼性が向上する。   In the power module according to the present embodiment, the Cu migration preventing layer 3 is formed on the surface of the base substrate 1 and / or the Cu substrate 4 that is in contact with the organic insulating layer 2 to which a positive voltage is applied. Even when a voltage of several hundred to several lines V is applied, Cu migration from the base substrate 1 and / or the Cu substrate 4 can be prevented, and deterioration of the organic insulating layer 2 can be suppressed. As a result, no leakage or short circuit due to deterioration of the organic insulating layer 2 occurs, and the electrical insulation does not deteriorate, so that the reliability of the power module is improved.

以下、実施例及び比較例により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
(実施例1)
3mm厚のCu基板の一方の表面に約3μm厚のAuメッキ(Cuマイグレーション防止層)を施した。次に、0.1mm厚の銅箔(ベース基板)上に、窒化ホウ素をエポキシ樹脂中に分散させた有機絶縁層(0.2mm)を形成した後、Auメッキを形成したCu基板を積層させた。この積層物を180℃で真空熱プレスし、図1(a)に示すパワーモジュールの基本構造体を作製した。
(比較例1)
Cu基板にAuメッキを施さないこと以外は、実施例1と同様にしてパワーモジュールの基本構造体を作製した。
Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate the detail of this invention, this invention is not limited by these.
Example 1
About 1 μm thick Au plating (Cu migration prevention layer) was applied to one surface of a 3 mm thick Cu substrate. Next, an organic insulating layer (0.2 mm) in which boron nitride is dispersed in an epoxy resin is formed on a 0.1 mm thick copper foil (base substrate), and then a Cu substrate on which Au plating is formed is laminated. It was. This laminate was vacuum hot pressed at 180 ° C. to produce a basic structure of the power module shown in FIG.
(Comparative Example 1)
A basic structure of the power module was produced in the same manner as in Example 1 except that the Cu substrate was not subjected to Au plating.

実施例1及び比較例1で得られたパワーモジュールの基本構造体を高温高湿槽の中に入れ、Cu基板が正極、ベース基板が陰極となるように電源からの配線を施した。そして、高温高湿槽を85℃85RHに調整し、温度及び湿度が安定したところで、直流電圧1000Vを電源から印加し、バイアス試験を行なった。
このバイアス試験では、電流検知器により両極間に流れる電流を測定し、この電流が不連続に上昇した時間を絶縁破壊寿命時間として評価した。また、絶縁破壊寿命時間の評価は、4つのサンプルで行い、絶縁破壊寿命時間の平均値を求めた。
その結果、実施例1のパワーモジュールの基本構造体は、比較例1のパワーモジュールの基本構造体に比べて、絶縁破壊寿命時間が10倍以上となり、高温吸湿環境下で高電圧が印加されても電気絶縁性が低下しないことがわかった。
The basic structure of the power module obtained in Example 1 and Comparative Example 1 was placed in a high-temperature and high-humidity tank, and wiring from a power source was applied so that the Cu substrate was a positive electrode and the base substrate was a cathode. Then, the high-temperature and high-humidity tank was adjusted to 85 ° C. and 85 RH, and when the temperature and humidity were stabilized, a DC voltage of 1000 V was applied from the power source, and a bias test was performed.
In this bias test, the current flowing between the two electrodes was measured by a current detector, and the time during which this current rose discontinuously was evaluated as the dielectric breakdown lifetime. Moreover, the dielectric breakdown lifetime was evaluated using four samples, and the average value of the breakdown lifetime was obtained.
As a result, the basic structure of the power module of Example 1 has a dielectric breakdown lifetime of 10 times or more compared with the basic structure of the power module of Comparative Example 1, and a high voltage is applied in a high temperature moisture absorption environment. It was also found that the electrical insulation does not deteriorate.

(実施例2)
実施例2では、Cu基板に形成するCuマイグレーション防止層の厚さを変えて実験を行なった。
実施例2のパワーモジュールの基本構造体は、約3μm厚のAuメッキの代わりに0.05μm〜2.0μm厚のNiメッキをCu基板に施したこと以外は、実施例1と同様にして作製した。
得られたパワーモジュールの基本構造体について、実施例1と同様にして絶縁破壊寿命時間を評価した。また、絶縁破壊寿命時間の評価は、4つのサンプルで行い、絶縁破壊寿命時間の平均値を求めた。その結果を表2に示す。なお、表2の結果は、比較例1の絶縁破壊寿命時間を基準とした比率により表した。
(Example 2)
In Example 2, the experiment was performed by changing the thickness of the Cu migration prevention layer formed on the Cu substrate.
The basic structure of the power module of Example 2 was produced in the same manner as Example 1 except that Ni plating of 0.05 μm to 2.0 μm was applied to the Cu substrate instead of about 3 μm of Au plating. did.
With respect to the basic structure of the obtained power module, the dielectric breakdown lifetime was evaluated in the same manner as in Example 1. Moreover, the dielectric breakdown lifetime was evaluated using four samples, and the average value of the breakdown lifetime was obtained. The results are shown in Table 2. In addition, the result of Table 2 was represented by the ratio on the basis of the dielectric breakdown lifetime of the comparative example 1.

Figure 2010287844
Figure 2010287844

表2の結果に示されるように、Niメッキ(Cuマイグレーション処理層)の厚さが0.05μm〜2.0μmの範囲において、絶縁破壊寿命時間の向上が観察された。特に、その厚さが2.0μmの場合に、比較例1よりも絶縁破壊寿命時間が5倍以上となる結果が再現良く観察された。   As shown in the results of Table 2, an improvement in the dielectric breakdown lifetime was observed when the thickness of the Ni plating (Cu migration treatment layer) was in the range of 0.05 μm to 2.0 μm. In particular, when the thickness was 2.0 μm, the result that the dielectric breakdown lifetime was 5 times or more that of Comparative Example 1 was observed with good reproducibility.

(実施例3)
実施例3では、ベース基板の厚さを変えて実験を行なった。
実施例3のパワーモジュールの基本構造体は、約3μm厚のAuメッキの代わりに3μm厚のNiメッキをCu基板に施したこと、及び0.1〜5.0mm厚のベース基板を用いたこと以外は、実施例1と同様にして作製した。
得られたパワーモジュールの基本構造体について、−40℃〜125℃の間でヒートサイクル試験を300回行い、基本構造体における剥離の有無を目視で観察した。この剥離観察において、剥離が全くなかったものを◎、一部に剥離があるが、実用可能であるものを○、剥離が多いものを×として評価した。その結果を表3に示す。
(Example 3)
In Example 3, the experiment was performed by changing the thickness of the base substrate.
The basic structure of the power module of Example 3 was obtained by applying a 3 μm thick Ni plating to a Cu substrate instead of an approximately 3 μm thick Au plating, and using a 0.1 to 5.0 mm thick base substrate. Except for the above, it was produced in the same manner as in Example 1.
About the basic structure of the obtained power module, the heat cycle test was performed 300 times between -40 degreeC-125 degreeC, and the presence or absence of peeling in a basic structure was observed visually. In this peeling observation, the case where there was no peeling at all was evaluated as 一部, the portion where there was peeling, ○ which was practical, and the case where there was much peeling as x. The results are shown in Table 3.

Figure 2010287844
表3の結果に示されるように、ベース基板の厚さが0.1〜5.0mmの範囲において、剥離は観察されないか、又は一部に剥離があっても実用可能なレベルであった。特に、その厚さが3.0mm以下の範囲では、剥離が全くなかった。
Figure 2010287844
As shown in the results of Table 3, in the range where the thickness of the base substrate is in the range of 0.1 to 5.0 mm, no peeling was observed, or even if there was some peeling, it was at a practical level. In particular, there was no peeling at all when the thickness was 3.0 mm or less.

以上の結果からわかるように、本発明によれば、安価に製造することができると共に、放熱性に優れ、且つ高温高湿環境下で高電圧が長時間印加されても電気絶縁性が低下することがないパワーモジュールを提供することができる。   As can be seen from the above results, according to the present invention, it can be manufactured at low cost, has excellent heat dissipation, and the electrical insulation is reduced even when a high voltage is applied for a long time in a high temperature and high humidity environment. A power module can be provided.

1 ベース基板、2 有機絶縁層、3 Cuマイグレーション防止層、4 Cu基板、5 半導体素子、6 リードフレーム、7 金属ワイヤ、8 封止樹脂、9 外部電極端子、10 ケース。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base substrate, 2 Organic insulating layer, 3 Cu migration prevention layer, 4 Cu substrate, 5 Semiconductor element, 6 Lead frame, 7 Metal wire, 8 Sealing resin, 9 External electrode terminal, 10 Case.

Claims (7)

Cuベース基板とCu基板との間に有機絶縁層を備えるパワーモジュールであって、正電圧が印加されるCuベース基板及び/又はCu基板の有機絶縁層と接する面にCuマイグレーション防止層が形成されていることを特徴とするパワーモジュール。   A power module including an organic insulating layer between a Cu base substrate and a Cu substrate, wherein a Cu migration preventing layer is formed on a surface of the Cu base substrate to which a positive voltage is applied and / or a surface of the Cu substrate in contact with the organic insulating layer. A power module characterized by 金属ベース基板とCu基板との間に有機絶縁層を備えるパワーモジュールであって、正電圧が印加されるCu基板の有機絶縁層と接する面にCuマイグレーション防止層が形成されていることを特徴とするパワーモジュール。   A power module comprising an organic insulating layer between a metal base substrate and a Cu substrate, characterized in that a Cu migration preventing layer is formed on a surface of the Cu substrate in contact with the organic insulating layer to which a positive voltage is applied. Power module to do. 前記Cuマイグレーション防止層は、Au、Pt、Pd、Fe、Ni、Sn、Al及びこれらの合金からなる群より選択される少なくとも1つから形成される層であることを特徴とする請求項1又は2に記載のパワーモジュール。   The Cu migration prevention layer is a layer formed of at least one selected from the group consisting of Au, Pt, Pd, Fe, Ni, Sn, Al, and alloys thereof. 2. The power module according to 2. 前記Cuマイグレーション防止層の厚さは、0.05μm以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 1, wherein a thickness of the Cu migration preventing layer is 0.05 μm or more. 前記ベース基板の厚さは、5mm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 1, wherein a thickness of the base substrate is 5 mm or less. シリコーンゲル又はゴムでポッティング封止されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 1, wherein the power module is potted and sealed with silicone gel or rubber. 熱硬化性樹脂でトランスファーモールド封止されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 1, wherein the power module is sealed by transfer molding with a thermosetting resin.
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