JP2011210947A - Insulating substrate and module with the insulating substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、放熱器と半導体装置の間に設けられる絶縁基板に関する。本発明はまた、その絶縁基板を介して放熱器と半導体装置が接合されているモジュールにも関する。 The present invention relates to an insulating substrate provided between a radiator and a semiconductor device. The present invention also relates to a module in which a radiator and a semiconductor device are joined via the insulating substrate.
特許文献1に、放熱器と半導体装置の間に設けられる絶縁基板が開示されている。この種の絶縁基板は、第1配線層とセラミック絶縁層と第2配線層が積層した構造を備えている。第1配線層と第2配線層はそれぞれ、セラミック絶縁層にろう付けされている。第1配線層と第2配線層の材料にはアルミニウムが用いられ、セラミック絶縁層の材料には窒化アルミニウムが用いられることが多い。絶縁基板では、第1配線層と放熱器がろう付けされており、第2配線層と半導体装置がはんだ付けされている。 Patent Document 1 discloses an insulating substrate provided between a radiator and a semiconductor device. This type of insulating substrate has a structure in which a first wiring layer, a ceramic insulating layer, and a second wiring layer are stacked. Each of the first wiring layer and the second wiring layer is brazed to the ceramic insulating layer. Aluminum is often used for the material of the first wiring layer and the second wiring layer, and aluminum nitride is often used for the material of the ceramic insulating layer. In the insulating substrate, the first wiring layer and the radiator are brazed, and the second wiring layer and the semiconductor device are soldered.
放熱器と絶縁基板と半導体装置で構成されるモジュールは、様々な分野で必要とされている。例えば、この種のモジュールは、直流電力を交流電力に変換して交流モータに供給する車載用のインバータ回路に用いられる。 A module including a heat radiator, an insulating substrate, and a semiconductor device is required in various fields. For example, this type of module is used in an in-vehicle inverter circuit that converts DC power into AC power and supplies it to an AC motor.
車載用のインバータ回路は、温度変動幅の大きい環境下で用いられる。このため、車載用のインバータ回路では、そのような環境下でも特性が維持される必要がある。したがって、この種のモジュールでは、低温と高温の間で変動する温度環境に繰返し曝されたときの応力耐性に関する試験(一般的に、冷熱サイクル試験と呼ばれる)において、高い信頼性が要求される。さらに、車載用のインバータ回路では、大電流をON・OFF制御することから、搭載される半導体装置自体が高温の発熱体となる。このため、この種のモジュールでは、半導体装置のON・OFFを繰り返したときの応力耐性に関する試験(一般的に、パワーサイクル試験と呼ばれる)においても、高い信頼性が要求される。 A vehicle-mounted inverter circuit is used in an environment with a large temperature fluctuation range. For this reason, in-vehicle inverter circuits must maintain their characteristics even in such an environment. Therefore, this type of module requires high reliability in tests related to stress resistance when it is repeatedly exposed to a temperature environment that varies between low and high temperatures (generally referred to as a thermal cycle test). Further, in a vehicle-mounted inverter circuit, since a large current is controlled to be turned on and off, the mounted semiconductor device itself becomes a high-temperature heating element. For this reason, this type of module is required to have high reliability even in a test related to stress resistance when the semiconductor device is repeatedly turned on and off (generally called a power cycle test).
特許文献1のモジュールで用いられる絶縁基板では、第1配線層と第2配線層の材料に同一の重量パーセント(同一の純度)のアルミニウムが用いられている。ところが、本発明者らは、第1配線層と第2配線層に同一の純度のアルミニウムを用いた場合、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方を満足させることが困難であることを突き止めた。 In the insulating substrate used in the module of Patent Document 1, aluminum having the same weight percent (same purity) is used as the material of the first wiring layer and the second wiring layer. However, the present inventors have found that it is difficult to satisfy both the thermal cycle test and the power cycle test when aluminum of the same purity is used for the first wiring layer and the second wiring layer.
絶縁基板の第1配線層は、放熱器と絶縁基板のセラミック絶縁層の間に設けられており、放熱器とセラミック絶縁層のそれぞれにろう付けされている。このため、第1配線層には、冷熱サイクル試験において、放熱器とセラミック絶縁層の熱膨張差に起因する熱歪みが加わる。したがって、第1配線層には、冷熱サイクル試験を考慮した設計が必要となる。 The first wiring layer of the insulating substrate is provided between the radiator and the ceramic insulating layer of the insulating substrate, and is brazed to each of the radiator and the ceramic insulating layer. For this reason, the first wiring layer is subjected to thermal strain due to the difference in thermal expansion between the radiator and the ceramic insulating layer in the thermal cycle test. Therefore, the first wiring layer needs to be designed in consideration of the thermal cycle test.
一方、絶縁基板の第2配線層は、絶縁基板のセラミック絶縁層と半導体装置の間に設けられており、セラミック絶縁層にろう付けされているとともに、半導体装置にはんだ付けされている。このため、第2配線層とはんだ材が直接的に接触している。パワーサイクル試験では、半導体装置がON・OFFを繰返すと、半導体装置の面内において中央部付近をピークとする温度分布が形成される。本発明者らの検討の結果、この温度分布に起因して、第2配線層とはんだ材の接合面が波打つように変形し、はんだ材が破損することが分かってきた。この知見から、第2配線層には、パワーサイクル試験を考慮した設計が必要であることが分かってきた。このように、本発明者らの検討の結果、絶縁基板の第1配線層には冷熱サイクル試験を優先的に考慮した設計が必要であり、絶縁基板の第2配線層にはパワーサイクル試験を優先的に考慮した設計が必要であることが分かってきた。 On the other hand, the second wiring layer of the insulating substrate is provided between the ceramic insulating layer of the insulating substrate and the semiconductor device, and is brazed to the ceramic insulating layer and soldered to the semiconductor device. For this reason, the second wiring layer and the solder material are in direct contact. In the power cycle test, when the semiconductor device is repeatedly turned on and off, a temperature distribution having a peak near the center is formed in the plane of the semiconductor device. As a result of the study by the present inventors, it has been found that due to this temperature distribution, the joint surface between the second wiring layer and the solder material is deformed so as to wave, and the solder material is damaged. From this knowledge, it has been found that the second wiring layer needs to be designed in consideration of the power cycle test. Thus, as a result of the study by the present inventors, the first wiring layer of the insulating substrate needs to be designed with priority given to the thermal cycle test, and the power cycle test is performed on the second wiring layer of the insulating substrate. It has been found that a design that gives priority to consideration is necessary.
本明細書で開示される技術は、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方を満足する絶縁基板を提供することを目的としている。本明細書で開示される技術はさらに、そのような絶縁基板を介して放熱器と半導体装置が接合されているモジュールを提供することを目的としている。 An object of the technology disclosed in the present specification is to provide an insulating substrate that satisfies both a thermal cycle test and a power cycle test. The technique disclosed in the present specification is further intended to provide a module in which a radiator and a semiconductor device are joined via such an insulating substrate.
本明細書で開示される技術では、絶縁基板の第1配線層が放熱器にろう付けされる部位の0.2%耐力の値と絶縁基板の第2配線層が半導体装置にはんだ付けされる部位の0.2%耐力の値が異なっていることを特徴としている。本明細書で開示される技術では、第1配線層の前記部位の0.2%耐力の値が第2配線層の前記部位の0.2%耐力の値よりも小さいことを特徴としている。即ち、第1配線層には、0.2%耐力の値が低く、比較的に柔らかい材料が用いられる。このため、柔らかい材料が第1配線層に採用されると、放熱器と絶縁基板の絶縁層の熱膨張差に起因する熱歪みが第1配線層に加わっても、柔らかい第1配線層がその熱歪みを緩和することができる。これにより、冷熱サイクル試験における信頼性を大幅に向上させることができる。一方、第2配線層には、0.2%耐力の値が高く、比較的に硬い材料が用いられる。このため、硬い材料が第2配線層に採用されると、温度サイクルストレスに起因する第2配線層の変形が抑制されることによって、はんだ材の変化を抑制することができる。これにより、パワーサイクル試験における信頼性を大幅に向上させることができる。このように、第1配線層と第2配線層に異なる0.2%耐力の値を有する材料を採用することにより、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方を満足する絶縁基板を提供することができる。 In the technique disclosed in this specification, the 0.2% proof stress value of the portion where the first wiring layer of the insulating substrate is brazed to the heat sink and the second wiring layer of the insulating substrate are soldered to the semiconductor device. It is characterized in that the 0.2% proof stress values of the parts are different. The technique disclosed in the present specification is characterized in that the value of 0.2% proof stress of the part of the first wiring layer is smaller than the value of 0.2% proof stress of the part of the second wiring layer. That is, a relatively soft material having a low 0.2% proof stress is used for the first wiring layer. For this reason, when a soft material is employed for the first wiring layer, even if thermal strain due to the thermal expansion difference between the heat sink and the insulating layer of the insulating substrate is applied to the first wiring layer, the soft first wiring layer Thermal strain can be reduced. Thereby, the reliability in a thermal cycle test can be improved significantly. On the other hand, a material having a high 0.2% proof stress and a relatively hard material is used for the second wiring layer. For this reason, when a hard material is employ | adopted for a 2nd wiring layer, the deformation | transformation of a 2nd wiring layer resulting from a temperature cycle stress is suppressed, and the change of a solder material can be suppressed. Thereby, the reliability in a power cycle test can be improved significantly. Thus, by using materials having different 0.2% proof stress values for the first wiring layer and the second wiring layer, it is possible to provide an insulating substrate that satisfies both the thermal cycle test and the power cycle test. it can.
すなわち、本明細書で開示される技術は、放熱器と半導体装置の間に設けられる絶縁基板に具現化される。絶縁基板は、第1配線層と、第2配線層と、第1配線層と第2配線層の間に設けられているとともに第1配線層及び第2配線層にろう付けされている絶縁層とを備えている。第1配線層は、放熱器にろう付けされる第1部位を有している。その第1部位の0.2%耐力が第1値である。第2配線層は、半導体装置にはんだ付けされる第2部位を有している。その第2部位の0.2%耐力が第2値である。本願明細書で開示される絶縁基板では、第1配線層の第1部位の第1値が第2配線層の第2部位の第2値よりも小さい。 That is, the technology disclosed in this specification is embodied in an insulating substrate provided between a heat radiator and a semiconductor device. The insulating substrate includes a first wiring layer, a second wiring layer, an insulating layer provided between the first wiring layer and the second wiring layer and brazed to the first wiring layer and the second wiring layer. And. The first wiring layer has a first portion that is brazed to the radiator. The 0.2% proof stress of the first part is the first value. The second wiring layer has a second portion that is soldered to the semiconductor device. The 0.2% proof stress of the second part is the second value. In the insulating substrate disclosed in this specification, the first value of the first portion of the first wiring layer is smaller than the second value of the second portion of the second wiring layer.
本明細書で開示される絶縁基板では、第1配線層の第1部位の材料がアルミニウムを含んでおり、第2配線層の第2部位の材料がアルミニウムを含んでいてもよい。この場合、第1部位のアルミニウムの重量パーセントが、第2部位のアルミニウムの重量パーセントよりも高いのが望ましい。即ち、第1配線層の第1部位と第2配線層の第2部位に異なる純度のアルミニウムが用いられており、第1配線層には純度の高いアルミニウムが用いられ、第2配線層には純度の低いアルミニウムが用いられるのが望ましい。第1配線層に用いられる純度の高いアルミニウムは、0.2%耐力の値が低くなるので、比較的に柔らかい。第2配線層に用いられる純度の低いアルミニウムは、0.2%耐力の値が高くなるので、比較的に硬い。このように、第1配線層と第2配線層に異なる純度のアルミニウムを採用することにより、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方を満足する絶縁基板を提供することができる。 In the insulating substrate disclosed in this specification, the material of the first portion of the first wiring layer may contain aluminum, and the material of the second portion of the second wiring layer may contain aluminum. In this case, it is desirable that the weight percentage of aluminum in the first part is higher than the weight percentage of aluminum in the second part. That is, different purity aluminum is used for the first part of the first wiring layer and the second part of the second wiring layer, high-purity aluminum is used for the first wiring layer, and the second wiring layer is used for the second wiring layer. It is desirable to use low purity aluminum. High purity aluminum used for the first wiring layer is relatively soft because the 0.2% yield strength value is low. The low-purity aluminum used for the second wiring layer is relatively hard because the 0.2% yield strength value is high. Thus, by using aluminum of different purity for the first wiring layer and the second wiring layer, it is possible to provide an insulating substrate that satisfies both the thermal cycle test and the power cycle test.
本明細書で開示される絶縁基板では、第1配線層の第1部位のアルミニウムの重量パーセントが99.99%以上であり、第2配線層の第2部位のアルミニウムの重量パーセントが99.99%未満であるのが望ましい。 In the insulating substrate disclosed in this specification, the weight percentage of aluminum in the first portion of the first wiring layer is 99.99% or more, and the weight percentage of aluminum in the second portion of the second wiring layer is 99.99. It is desirable to be less than%.
本明細書で開示される絶縁基板では、第2配線層の第2部位の材料がアルミニウム合金であるのが望ましい。より好ましくは、アルミニウム合金のアルミニウムの重量パーセントが、97.55%以下であるのが望ましい。第2配線層の第2部位の材料にアルミニウム合金が用いられていると、パワーサイクル試験の信頼性が向上することが本願明細書において確認されている。 In the insulating substrate disclosed in this specification, the material of the second portion of the second wiring layer is preferably an aluminum alloy. More preferably, the aluminum weight percentage of the aluminum alloy is 97.55% or less. It has been confirmed in the present specification that the reliability of the power cycle test is improved when an aluminum alloy is used as the material of the second portion of the second wiring layer.
本明細書で開示される絶縁基板では、第1配線層が、絶縁層にろう付けされる第3部位を有している。さらに、本明細書で開示される絶縁基板では、第2配線層が、絶縁層にろう付けされる第4部位を有している。この場合、第3部位と第4部位のアルミニウムの重量パーセントが同一であるのが望ましい。この絶縁基板によると、絶縁層の両面に、同じ重量パーセントである第1配線層の第3部位と第2配線層の第4部位が接合されている。このため、絶縁層の両面に対して第1配線層と第2配線層を同一条件でろう付けさせることができるので、高品質な絶縁基板を製造することができる。 In the insulating substrate disclosed in this specification, the first wiring layer has a third portion to be brazed to the insulating layer. Furthermore, in the insulating substrate disclosed in this specification, the second wiring layer has a fourth portion that is brazed to the insulating layer. In this case, it is desirable that the weight percentage of aluminum in the third part and the fourth part is the same. According to this insulating substrate, the third portion of the first wiring layer and the fourth portion of the second wiring layer, which have the same weight percentage, are bonded to both surfaces of the insulating layer. For this reason, since the first wiring layer and the second wiring layer can be brazed to both surfaces of the insulating layer under the same conditions, a high-quality insulating substrate can be manufactured.
本明細書で開示される絶縁基板では、第1配線層が、アルミニウムの重量パーセントが異なる複数の層で構成されていてもよい。また、第2配線層も、アルミニウムの重量パーセントが異なる複数の層で構成されていてもよい。この場合、第1配線層を構成する複数の層のそれぞれの0.2%耐力と厚みの積の合計が、第2配線層を構成する複数の層のそれぞれの0.2%耐力と厚みの積の合計と一致するのが望ましい。この態様の絶縁基板によると、絶縁基板の反りが抑制され、実装性が向上する。 In the insulating substrate disclosed in this specification, the first wiring layer may be composed of a plurality of layers having different weight percentages of aluminum. The second wiring layer may also be composed of a plurality of layers having different aluminum weight percentages. In this case, the sum of the products of 0.2% proof stress and thickness of each of the plurality of layers constituting the first wiring layer is equal to the 0.2% proof stress and thickness of each of the plurality of layers constituting the second wiring layer. It is desirable to match the sum of products. According to the insulating substrate of this aspect, the warpage of the insulating substrate is suppressed, and the mountability is improved.
本明細書で開示される絶縁基板では、第1配線層と第2配線層の少なくともいずれか一方が、中央部と周縁部の間に段差が形成されており、周縁部が中央部よりも薄いのが望ましい。この態様の絶縁基板によると、絶縁基板の周縁部における熱歪みが抑制される。 In the insulating substrate disclosed in this specification, at least one of the first wiring layer and the second wiring layer has a step formed between the central portion and the peripheral portion, and the peripheral portion is thinner than the central portion. Is desirable. According to the insulating substrate of this aspect, thermal distortion at the peripheral edge of the insulating substrate is suppressed.
本明細書で開示される技術によると、上記絶縁基板を介して放熱器と半導体装置が接合されているモジュールを提供することができる。本明細書で開示されるモジュールは、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方において高い信頼性を有している。このため、本明細書で開示されるモジュールは、高い信頼性が要求される車載用であるのが望ましい。 According to the technique disclosed in this specification, a module in which a heat radiator and a semiconductor device are joined via the insulating substrate can be provided. The module disclosed in the present specification has high reliability in both the thermal cycle test and the power cycle test. For this reason, it is desirable that the module disclosed in this specification is for in-vehicle use that requires high reliability.
本明細書で開示される絶縁基板は、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方において高い信頼性を有している。 The insulating substrate disclosed in this specification has high reliability in both the thermal cycle test and the power cycle test.
本願明細書で開示される技術の特徴を整理しておく。
(特徴1)絶縁基板は、第1配線層とセラミック絶縁層と第2配線層を備えている。第1配線層のアルミニウムの重量パーセントは、第2配線層のアルミニウムの重量パーセントよりも高い。
(特徴2)特徴1において、第1配線層には高純系アルミニウムが用いられ、第2配線層にはアルミニウム合金が用いられるのが望ましい。これにより、第1配線層が柔らかく、第2配線層が硬い状態が得られる。
(特徴3)特徴1において、第2配線層の厚みがセラミック絶縁層の厚みよりも薄い。この場合、絶縁基板のみかけの線膨張係数が小さくなる。
The features of the technology disclosed in this specification will be summarized.
(Feature 1) The insulating substrate includes a first wiring layer, a ceramic insulating layer, and a second wiring layer. The weight percentage of aluminum in the first wiring layer is higher than the weight percentage of aluminum in the second wiring layer.
(Feature 2) In Feature 1, it is preferable that high purity system aluminum is used for the first wiring layer and an aluminum alloy is used for the second wiring layer. As a result, the first wiring layer is soft and the second wiring layer is hard.
(Feature 3) In Feature 1, the thickness of the second wiring layer is thinner than the thickness of the ceramic insulating layer. In this case, the apparent linear expansion coefficient of the insulating substrate is reduced.
図1に、車載用のパワーモジュール10の構成を示す。パワーモジュール10は、直流電源と交流モータの間に接続されるインバータ回路に用いられる。パワーモジュール10は、放熱器20と絶縁基板30と半導体装置50を備えている。
FIG. 1 shows the configuration of an in-
放熱器20は、水冷式であり、冷却水が流動する複数の貫通孔を備えている。放熱器20の材料には、Al−Mn系のアルミニウム合金(JIS記号:A3003)が用いられている。
The
絶縁基板30は、放熱器20と半導体装置50の間に設けられており、第1配線層31とセラミック絶縁層32と第2配線層33が積層した構造を備えている。第1配線層31とセラミック絶縁層32は、Al−Si系のろう材を介してろう付けされている。第2配線層33とセラミック絶縁層32も、Al−Si系のろう材を介してろう付けされている。絶縁基板30の第1配線層31と放熱器20は、Al−Si系のろう材を介してろう付けされている。絶縁基板30の第2配線層33と半導体装置50は、Sn−Cu系、Sn−Ag−Cu系のはんだ材40を介してはんだ付けされている。
The insulating
絶縁基板30の第1配線層31の材料には、純系のアルミニウムが用いられている。第1配線層31のアルミニウムの重量パーセントは、99.99%以上である(所謂、4N-Al)。第1配線層31の0.2%耐力は15MPaであり、比較的に柔らかい。一例では、第1配線層31の厚みは約0.6〜3.0mmである。
Pure aluminum is used as the material of the
絶縁基板30のセラミック絶縁層32の材料には、窒化アルミニウム(AlN)が用いられている。この例に代えて、セラミック絶縁層32の材料には、窒化ケイ素(Si3N4)、アルミナ(Al2O3)等のセラミックを用いてもよい。一例では、セラミック絶縁層32の厚みは約0.3〜1.0mmである。
Aluminum nitride (AlN) is used as the material of the ceramic insulating
絶縁基板30の第2配線層33の材料には、Al−Mn系のアルミニウム合金(JIS記号:A3003)が用いられている。第2配線層33のアルミニウムの重量パーセントは、97.55%以下である。第2配線層33の0.2%耐力は44MPaであり、比較的に硬い。一例では、第2配線層33の厚みは約0.2〜0.6mmである。
As a material of the
半導体装置50は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)のパワーデバイスが用いられている。
The
次に、パワーモジュール10の特徴を説明する。パワーモジュール10に用いられている絶縁基板30では、放熱器20側の第1配線層31に純度の高い高純系アルミニウム(4N-Al)が用いられ、半導体装置50側の第2配線層33に純度の低いアルミニウム合金(A3003)が用いられていることを特徴としている。
Next, features of the
絶縁基板30では、第1配線層31が放熱器20にろう付けされているとともにセラミック絶縁層32にもろう付けされている。このため、第1配線層31は、放熱器20とセラミック絶縁層32の双方に強く拘束されている。放熱器20の材料であるアルミニウム合金(A3003)の熱膨張係数は21×10-6/Kであり、絶縁基板30のセラミック絶縁層32の材料である窒化アルミニウム(AlN)の熱膨張係数は5×10-6/Kであり、両者の熱膨張係数差は大きい。このため、冷熱サイクル試験において、−40℃と105℃の間で変動する温度にパワーモジュール10を繰返し曝すと、放熱器20とセラミック絶縁層32の熱膨張差に起因する熱歪みが第1配線層31に加わる。しかしながら、第1配線層31には、柔らかい高純系アルミニウム(4N-Al)が用いられているので、放熱器20とセラミック絶縁層32の熱膨張差に起因する熱歪みを緩和することができる。このため、パワーモジュール10は、冷熱サイクル試験における信頼性が高い。
In the insulating
また、絶縁基板30では、第2配線層33がセラミック絶縁層32にろう付けされているとともに半導体装置50にはんだ材40を介してはんだ付けされている。ここで、パワーサイクル試験について説明する。パワーサイクル試験では、半導体装置50のON・OFFを繰返し、半導体装置50自体の発熱に起因する応力耐性を検査する。パワーサイクル試験では、半導体装置50が発熱することによって、はんだ材40の面内において中央部をピークとする温度分布が形成される。
In the insulating
はんだ材の面内において中央部をピークとする温度分布が形成されると、第2配線層に高純系アルミニウム(4N-Al)が用いられている場合、はんだ材と第2配線層の接合面が波打つように変形する。これは、パワーサイクル試験によってはんだ材の面内に温度分布が形成されると、はんだ材の中央部の伸縮が周縁部の伸縮よりも大きくなることによって、はんだ材と第2配線層の接合面が変形するからだと推測される。 If a temperature distribution with a peak at the center is formed in the surface of the solder material, when high purity aluminum (4N-Al) is used for the second wiring layer, the joint surface between the solder material and the second wiring layer Deforms to wave. This is because when the temperature distribution is formed in the surface of the solder material by the power cycle test, the expansion / contraction of the central portion of the solder material becomes larger than the expansion / contraction of the peripheral portion, thereby the bonding surface of the solder material and the second wiring layer. Is presumed to be deformed.
一方、本実施例では、絶縁基板30の第2配線層33の材料に、純度の低いアルミニウム合金(A3003)が用いられている。純度の低いアルミニウム合金は、0.2%耐力が高く、硬い材料である。このため、硬いアルミニウム合金(A3003)が第2配線層33に採用されると、第2配線層33の変形が抑制されることによって、パワーサイクル試験に起因するはんだ材40の変形を抑制することができる。
On the other hand, in this embodiment, a low-purity aluminum alloy (A3003) is used as the material of the
図2に、第2配線層33のアルミニウム材料を変えたときのパワーサイクル試験の結果を示す。図2に示されるように、高純系アルミニウム(4N-Al)の場合、パワーサイクル試験においてはんだ材に破損が生じるまでの寿命が最も短い。一方、本実施例のように、第2配線層33の材料にアルミニウム合金(A3003)を用いた場合、純系アルミニウム(4N-Al)の場合に比して、パワーサイクル試験の寿命が約1.6倍にまで長寿命化することが確認された。なお、純系のアルミニウムであるけれども、高純系アルミニウム(4N-Al)よりも純度の低い純系アルミニウム(アルミニウムの重量パーセントが99%以下であり、0.2%耐力が33MPa、JIS記号:A1100)を第2配線層33の材料に用いた場合でも、純系アルミニウム(4N-Al)の場合に比して、パワーサイクル試験の寿命が約1.3倍にまで長寿命化することが確認された。これらの結果から、パワーサイクル試験を考慮すると、第2配線層33には、アルミニウムの重量パーセントの低い材料が好ましいことが確認された。
FIG. 2 shows the result of the power cycle test when the aluminum material of the
このように、パワーモジュール10では、第1配線層31に純度の高い高純系アルミニウム(4N-Al)を採用し、第2配線層33に純度の低い低純系アルミニウム(A1100)又はアルミニウム合金(A3003)を採用することにより、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方を満足することができる。パワーモジュール10は、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験の双方において、高い信頼性を有することができる。
In this way, in the
以下、図面を参照して、パワーモジュール10に用いられる絶縁基板30の他の形態を例示する。なお、図1に示される絶縁基板30の共通する構成要素に関しては共通の符号を付し、その説明を省略することがある。
Hereinafter, with reference to the drawings, other forms of the insulating
図3に示される絶縁基板30Aは、第1配線層31が2つの層で構成されていることを特徴としている。放熱器20に対してろう付けされる側に第1層31aが設けられており、セラミック絶縁層32に対してろう付けされる側に第2層31bが設けられている。第1層31aの材料には高純系アルミニウム(4N-Al)が用いられており、第2層31bの材料には第2配線層33と同一純度のアルミニウム合金(A3003)が用いられている。この例によると、セラミック絶縁層32の両面に対して同一純度の材料がろう付けされている。このため、第1配線層31の第2層31bをセラミック絶縁層32にろう付けする接合条件と第2配線層33をセラミック絶縁層32にろう付けする接合条件を共通化し、同時に接合することができる。このため、最適な条件で、第1配線層31の第2層31b及び第2配線層33をセラミック絶縁層32にろう付けすることができる。
The insulating
図4に示される絶縁基板30Bは、第1配線層31に中間層31cが設けられていることを特徴としている。中間層31cの材料には、アルミニウムの重量パーセントが第1層31aと第2層32bの間である低純系アルミニウム(A1100)が用いられている。この形態によると、冷熱サイクルが印加されたときに、アルミニウム合金(A3003)である第2層31bに含まれる不純物が高純系アルミニウム(4N-Al)である第1層31aに拡散することが抑制される。このため、第1配線層31の変質が低減され、信頼性が向上する。
The insulating
図5に示される絶縁基板30Cは、第2配線層33が2つの層で構成されていることを特徴としている。半導体装置50に対してはんだ付けされる側に第1層33aが設けられており、セラミック絶縁層32に対してろう付けされる側に第2層33bが設けられている。第1層33aの材料にはアルミニウム合金(A3003)が用いられており、第2層33bの材料には第1配線層31と同一純度の高純系アルミニウム(4N-Al)が用いられている。この例によると、セラミック絶縁層32の両面に同一純度の材料がろう付けされている。このため、第2配線層33の第2層33bをセラミック絶縁層32にろう付けする接合条件と第1配線層31をセラミック絶縁層32にろう付けする接合条件を共通化し、同時に接合することができる。この結果、最適な条件で、第2配線層33の第2層33b及び第1配線層31をセラミック絶縁層32にろう付けすることができる。
The insulating
図6に示される絶縁基板30Dは、第2配線層33に中間層33cが設けられていることを特徴としている。中間層33cの材料には、アルミニウムの重量パーセントが第1層33aと第2層33bの間である低純系アルミニウム(A1100)が用いられている。この形態によると、冷熱サイクルが印加されたときに、アルミニウム合金(A3003)である第1層33aに含まれる不純物が高純系アルミニウム(4N-Al)である第2層33bに拡散することが抑制される。このため、第2配線層33の変質が低減され、信頼性が向上する。
The insulating
図7に示される絶縁基板30Eは、第1配線層31と第2配線層33の双方が2つの層で構成されていることを特徴としている。第1配線層31は、第1層31aと接合層31dを備えている。第2配線層33は、第1層33aと接合層33dを備えている。第1配線層31の接合層31dと第2配線層33の接合層33dの材料にはいずれも、低純系アルミニウム(A1100)が用いられている。この例によると、セラミック絶縁層32の両面に同一純度の材料がろう付けされている。このため、第1配線層31の接合層31dをセラミック絶縁層32にろう付けする接合条件と第2配線層33の接合層33dをセラミック絶縁層32にろう付けする接合条件を共通化し、同時に接合することができる。この結果、最適な条件で、第1配線層31の接合層31d及び第2配線層33の接合層33dをセラミック絶縁層32にろう付けすることができる。
The insulating
図8に示される絶縁基板30Eのように、第1配線層31と第2配線層33の双方が複数の層で構成されている場合、以下の数式が成立するのが望ましい。
When both the
ここで、Saiは、第1配線層31の各層の0.2%耐力である。taiは、第1配線層31の各層の厚みである。Sbjは、第2配線層33の各層の0.2%耐力である。tbjは、第2配線層33の各層の厚みである。
Here, S ai is the 0.2% proof stress of each layer of the
図7に示される絶縁基板30Eの一例では、第1配線層31の第1層31aの0.2%耐力が15MPaであり、その厚みが0.3mmであり、接合層31dの0.2%耐力が33MPaであり、その厚みが0.2mmである。第2配線層33の第1層33aの0.2%耐力が44MPaであり、その厚みが0.1mmであり、接合層33dの0.2%耐力が33MPaであり、その厚みが0.2mmである。なお、セラミック絶縁層32の厚みが0.635mmである。このため、図7に示される絶縁基板30Eでは、上記数式1が成立している。上記数式1が成立すると、絶縁基板30Eの反りが抑制され、実装性が良好となる。
In the example of the insulating
図8に、図7の絶縁基板30Eの変形例を示す。この絶縁基板30Eでは、第1配線層31において、接合層31dが第1層31aよりも幅広で構成されていることを特徴としている。これにより、第1配線層31では、周縁部と中央部の間に段差面31Aが形成されており、周縁部が中央部よりも薄く形成されている。さらに、この絶縁基板30Eでは、第2配線層33においても、接合層33dが第1層33dよりも幅広で構成されている。これにより、第2配線層33でも、周縁部と中央部の間に段差面33Aが形成されており、周縁部が中央部よりも薄く形成されている。第1配線層31及び/又は第2配線層33において、周縁部の厚みが薄く形成されていると、周縁部の熱歪みが抑制され、周縁部のクラックが抑制される。
FIG. 8 shows a modification of the insulating
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
10:パワーモジュール
20:放熱器
30:絶縁基板
31:第1配線層
32:セラミック絶縁層
33:第2配線層
50:半導体装置
10: power module 20: radiator 30: insulating substrate 31: first wiring layer 32: ceramic insulating layer 33: second wiring layer 50: semiconductor device
Claims (9)
第1配線層と、第2配線層と、前記第1配線層と前記第2配線層の間に設けられているとともに前記第1配線層及び前記第2配線層がろう付けされている絶縁層と、を備えており、
前記第1配線層は、前記放熱器にろう付けされる第1部位を有しており、その第1部位の0.2%耐力が第1値であり、
前記第2配線層は、前記半導体装置にはんだ付けされる第2部位を有しており、その第2部位の0.2%耐力が第2値であり、
前記第1値が前記第2値よりも小さい絶縁基板。 An insulating substrate provided between a radiator and a semiconductor device,
A first wiring layer, a second wiring layer, an insulating layer provided between the first wiring layer and the second wiring layer and brazed to the first wiring layer and the second wiring layer And,
The first wiring layer has a first part brazed to the radiator, and the 0.2% proof stress of the first part is a first value,
The second wiring layer has a second portion soldered to the semiconductor device, and the 0.2% proof stress of the second portion is a second value,
An insulating substrate in which the first value is smaller than the second value.
前記第2配線層の前記第2部位の材料はアルミニウムを含んでおり、
前記第1部位のアルミニウムの重量パーセントが、前記第2部位のアルミニウムの重量パーセントよりも高い請求項1に記載の絶縁基板。 The material of the first portion of the first wiring layer contains aluminum,
The material of the second part of the second wiring layer contains aluminum,
The insulating substrate according to claim 1, wherein a weight percentage of aluminum in the first portion is higher than a weight percentage of aluminum in the second portion.
前記第2部位のアルミニウムの重量パーセントが、99.99%未満である請求項2に記載の絶縁基板。 The weight percentage of aluminum in the first portion is 99.99% or more;
The insulating substrate according to claim 2, wherein a weight percentage of aluminum in the second portion is less than 99.99%.
前記第2配線層は、前記絶縁層にろう付けされる第4部位を有しており、
前記第3部位と前記第4部位のアルミニウムの重量パーセントが同一である請求項2〜5のいずれか一項に記載の絶縁基板。 The first wiring layer has a third portion brazed to the insulating layer,
The second wiring layer has a fourth portion brazed to the insulating layer,
The insulating substrate according to any one of claims 2 to 5, wherein a weight percentage of aluminum in the third portion and the fourth portion is the same.
前記第2配線層も、アルミニウムの重量パーセントが異なる複数の層で構成されており、
前記第1配線層を構成する前記複数の層のそれぞれの0.2%耐力と厚みの積の合計が、前記第2配線層を構成する前記複数の層のそれぞれの0.2%耐力と厚みの積の合計と一致する請求項2〜6のいずれか一項に記載の絶縁基板。 The first wiring layer is composed of a plurality of layers having different weight percentages of aluminum,
The second wiring layer is also composed of a plurality of layers having different weight percentages of aluminum,
The sum of products of 0.2% proof stress and thickness of each of the plurality of layers constituting the first wiring layer is 0.2% proof stress and thickness of each of the plurality of layers constituting the second wiring layer. The insulating substrate according to any one of claims 2 to 6, which coincides with a sum of the products of the two.
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