JP2012114203A - Insulation substrate, manufacturing method thereof, and power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は絶縁基板とその製造方法および電力半導体装置に関する。 The present invention relates to an insulating substrate, a manufacturing method thereof, and a power semiconductor device.
従来の一般産業用の、絶縁基板を用いた電力半導体装置における、熱ストレスに対する信頼性評価として、例えば、電力半導体素子には通電せず周囲環境温度を変化させ、絶縁基板下のはんだの耐疲労特性などを確認するヒートサイクル試験がある。 As a reliability evaluation for thermal stress in a conventional power semiconductor device using an insulating substrate for general industry, for example, the power semiconductor element is not energized, the ambient environment temperature is changed, and the fatigue resistance of the solder under the insulating substrate There is a heat cycle test to confirm characteristics.
このヒートサイクル試験では従来、温度変化条件が−40℃〜125℃に設定されていたが、近年の電力半導体装置の小型化や高耐熱素子採用に対応すべく、温度変化条件が−40℃〜125℃であったものから−40℃〜150℃へ移行しつつある。高温環境下に於いて使用される電力半導体装置では、電力半導体素子や絶縁基板のはんだ接合部に早期にクラックが発生し、要求される信頼性寿命を得ることを妨げてしまうという課題が生じていた。 Conventionally, in this heat cycle test, the temperature change condition was set to -40 ° C to 125 ° C, but the temperature change condition was -40 ° C to -40 ° C to cope with recent miniaturization of power semiconductor devices and adoption of high heat resistance elements. It is shifting from -40 ° C to 150 ° C from what was 125 ° C. In power semiconductor devices used in high-temperature environments, there is a problem that cracks occur early in the solder joints of power semiconductor elements and insulating substrates, preventing the required reliability life from being obtained. It was.
従来、絶縁基板下のはんだ材の耐ヒートサイクル性の向上策としては、高温での強度維持に優れるはんだ合金組成の検討や、はんだに生じる歪量を低減してはんだクラックを抑制するためのはんだ厚の圧肉化、あるいは特許文献1に示されるような“セットパターン化”などの手法が採用されていた。しかしながら、高温環境下の使用に於いては、更なる耐ヒートサイクル性の向上が要求されていた。
Conventionally, as a measure for improving the heat cycle resistance of the solder material under the insulating substrate, the examination of the solder alloy composition excellent in maintaining the strength at high temperature and the solder for suppressing the solder crack by reducing the amount of distortion generated in the solder. Techniques such as thickening of thickness or “set patterning” as disclosed in
従来の電力半導体装置は、例えば厚み0.3〜0.635mmのAlNからなるセラミック基材と、セラミック基材表面に形成された、例えば厚み0.2〜0.6mmのCuからなる表面パターンと、表面パターン上にはんだを介して配置された電力半導体素子とを備え、さらに、セラミック基材裏面に形成された、例えば厚み0.2〜0.6mmのCuからなる裏面パターンと、裏面パターンとはんだを介して接続された、例えば厚み4mmのCuからなるヒートシンクと、ヒートシンクと接着剤を介して接続された樹脂ケースと、樹脂ケース内に充填されたシリコーンゲル(エポキシ樹脂でもよい)とを備える。 A conventional power semiconductor device includes a ceramic substrate made of AlN having a thickness of 0.3 to 0.635 mm, for example, and a surface pattern made of Cu having a thickness of 0.2 to 0.6 mm, for example, formed on the surface of the ceramic substrate. A power semiconductor element disposed on the surface pattern via solder, and further formed on the back surface of the ceramic substrate, for example, a back surface pattern made of Cu having a thickness of 0.2 to 0.6 mm, and a back surface pattern, A heat sink made of Cu having a thickness of 4 mm, for example, connected via solder, a resin case connected via a heat sink and an adhesive, and a silicone gel (or epoxy resin) filled in the resin case. .
ここで、セラミック基材、その表面に形成された表面パターン、その裏面に形成された裏面パターンを含めて、絶縁基板とする。 Here, the ceramic substrate, the surface pattern formed on the surface thereof, and the back surface pattern formed on the back surface thereof are used as the insulating substrate.
なお、セラミック基材と、表面パターンおよび裏面パターンとは、予めAg、Cu、Ti系の活性金属ろう材等で接合されている。 The ceramic substrate, the front surface pattern, and the back surface pattern are bonded in advance with an Ag, Cu, Ti-based active metal brazing material, or the like.
従来の電力半導体装置は以上のように構成されているので、電力半導体装置がヒートサイクル負荷を受けると、例えば絶縁基板の見かけの線膨張係数α=7ppmと、Cu材からなるヒートシンクの線膨張係数α=17ppmとのミスマッチにより、基板下のはんだに歪が生じる。繰り返しのヒートサイクル負荷の経過に伴い、基板下のはんだには微小クラックが発生する。このクラックの進展に伴い電力半導体素子の熱放散が阻害され、遂には素子破壊に至る。 Since the conventional power semiconductor device is configured as described above, when the power semiconductor device is subjected to a heat cycle load, for example, the apparent linear expansion coefficient α of the insulating substrate α = 7 ppm and the linear expansion coefficient of the heat sink made of Cu material Due to the mismatch with α = 17 ppm, the solder under the substrate is distorted. As the heat cycle load is repeated, microcracks are generated in the solder under the substrate. As the crack progresses, heat dissipation of the power semiconductor element is hindered, and eventually the element is destroyed.
また、絶縁基板についても、上述した高温の負荷条件の場合、たとえば、セラミック基材が窒化アルミ(AlN)の線膨張係数α=4.5ppmと、裏面パターンがCu材の線膨張係数α=17ppmとのアンマッチにより、接合端部に集中する応力がさらに増大し、接合端部のセラミック基材にクラックが生じ易くなる。 Also, for the insulating substrate, in the case of the above-described high temperature load condition, for example, the linear expansion coefficient α = 4.5 ppm of the aluminum nitride (AlN) ceramic base material and the linear expansion coefficient α = 17 ppm of the Cu material of the back surface pattern. The stress concentrated on the joining end portion is further increased by the unmatching, and cracks are easily generated in the ceramic base material at the joining end portion.
従来の電力半導体装置では、ヒートサイクル試験の温度変化条件設定を−40〜125℃とした信頼性保証寿命サイクルを満足するように、構造設計がなされていた。しかしながら上述のように、電力半導体装置の小型化や高耐熱素子採用に対応すべく、ヒートサイクル試験の温度変化条件が−40℃〜150℃と設定変更されてきた。 In the conventional power semiconductor device, the structural design has been made so as to satisfy the reliability guaranteed life cycle in which the temperature change condition setting of the heat cycle test is set to −40 to 125 ° C. However, as described above, the temperature change condition of the heat cycle test has been changed to −40 ° C. to 150 ° C. in order to cope with downsizing of the power semiconductor device and adoption of a high heat resistance element.
解析によると、従来の電力半導体装置では、この条件下での基板下のはんだ歪は約45%増大し、この歪の増大に伴い信頼性寿命が実評価に於いても約1/10以下に低下することが判明した。 According to the analysis, in the conventional power semiconductor device, the solder strain under the substrate under this condition increases by about 45%, and the reliability life becomes about 1/10 or less in actual evaluation as the strain increases. It turned out to be reduced.
以上のように、従来の絶縁基板を用いた電力半導体装置では、より高温の負荷条件で使用される場合は、装置の信頼性寿命が大幅に低下するという問題があった。 As described above, in the power semiconductor device using the conventional insulating substrate, there is a problem that the reliability life of the device is greatly lowered when used under a higher temperature load condition.
本発明は、上記のような問題を解消するためになされたものであり、ヒートサイクル試験の温度変化条件がより厳しい条件に移行しても、ヒートサイクルの信頼性寿命を維持可能な絶縁基板を用いた電力半導体装置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 an insulating substrate that can maintain the reliability life of the heat cycle even when the temperature change condition of the heat cycle test shifts to more severe conditions. An object is to provide a power semiconductor device used.
本発明にかかる絶縁基板は、セラミック基材と、前記セラミック基材の裏面に形成された裏面パターンと、前記裏面パターンと、接合部材を介して接合されたヒートシンクとを備え、前記裏面パターンは、前記接合部材と接する面において、ディンプルを有する。 The insulating substrate according to the present invention includes a ceramic base material, a back surface pattern formed on the back surface of the ceramic base material, the back surface pattern, and a heat sink joined via a joining member, Dimples are provided on the surface in contact with the joining member.
また、本発明にかかる電力半導体装置は、上記の絶縁基板を備え、前記セラミック基材は、前記裏面パターンと対向する表面パターンをさらに備え、前記表面パターン上に搭載された、電力半導体素子をさらに備える。 In addition, a power semiconductor device according to the present invention includes the above insulating substrate, wherein the ceramic base material further includes a surface pattern facing the back surface pattern, and further includes a power semiconductor element mounted on the surface pattern. Prepare.
また、本発明にかかる絶縁基板の第1の製造方法は、(a)セラミック基材の裏面に裏面パターンを形成する工程と、(b)接合部材を介して、前記裏面パターンとヒートシンクとを接合する工程とを備え、前記工程(a)は、前記裏面パターンの前記接合部材と接する面において、加圧プレス方式でディンプルを形成する工程を含む。 Moreover, the 1st manufacturing method of the insulated substrate concerning this invention consists of (a) the process of forming a back surface pattern in the back surface of a ceramic base material, and (b) joining the said back surface pattern and a heat sink via a joining member. The step (a) includes a step of forming dimples by a pressure press method on the surface of the back surface pattern that contacts the joining member.
また、本発明にかかる絶縁基板の第2の製造方法は、(a)セラミック基材の裏面に裏面パターンを形成する工程と、(b)接合部材を介して、前記裏面パターンとヒートシンクとを接合する工程とを備え、前記工程(a)は、前記裏面パターンの前記接合部材と接する面においてレジストを形成し、エッチング後前記レジストを除去し、再度エッチングを行い面取りをすることでディンプルを形成する工程を含む。 Moreover, the 2nd manufacturing method of the insulated substrate concerning this invention consists of (a) the process of forming a back surface pattern in the back surface of a ceramic base material, and (b) joining the said back surface pattern and a heat sink via a joining member. The step (a) forms a dimple by forming a resist on the surface of the back surface pattern in contact with the bonding member, removing the resist after etching, and performing etching again to chamfer. Process.
本発明にかかる絶縁基板によれば、セラミック基材と、前記セラミック基材の裏面に形成された裏面パターンと、前記裏面パターンと、接合部材を介して接合されたヒートシンクとを備え、前記裏面パターンは、前記接合部材と接する面において、ディンプルを有することにより、ヒートサイクル等の熱履歴を受ける場合、基板下の接合部材におけるクラックの発生を抑制でき、また、クラックの伝播速度を遅延化させることにより信頼性、寿命の向上を実現することができる。 According to the insulating substrate of the present invention, the back surface pattern includes a ceramic base material, a back surface pattern formed on the back surface of the ceramic base material, the back surface pattern, and a heat sink joined via a joining member. In the surface in contact with the bonding member, by having dimples, when receiving a thermal history such as a heat cycle, the generation of cracks in the bonding member under the substrate can be suppressed, and the propagation speed of the cracks can be delayed. As a result, reliability and lifetime can be improved.
また、本発明にかかる電力半導体装置によれば、上記の絶縁基板を備え、前記セラミック基材は、前記裏面パターンと対向する表面パターンをさらに備え、前記表面パターン上に搭載された、電力半導体素子をさらに備えることにより、ヒートサイクル等の熱履歴を受ける場合、基板下の接合部材におけるクラックの発生を抑制でき、また、クラックの伝播速度を遅延化させることにより電力半導体装置の信頼性、寿命の向上を実現することができる。 Moreover, according to the power semiconductor device of the present invention, the power semiconductor element including the insulating substrate, the ceramic base material further including a surface pattern facing the back surface pattern, and mounted on the surface pattern In addition, when receiving a thermal history such as a heat cycle, the generation of cracks in the bonding member under the substrate can be suppressed, and the reliability and life of the power semiconductor device can be reduced by delaying the propagation speed of the cracks. Improvements can be realized.
また、本発明にかかる絶縁基板の第1の製造方法によれば、(a)セラミック基材の裏面に裏面パターンを形成する工程と、(b)接合部材を介して、前記裏面パターンとヒートシンクとを接合する工程とを備え、前記工程(a)は、前記裏面パターンの前記接合部材と接する面において、加圧プレス方式でディンプルを形成する工程を含むことにより、ディンプルの形成がパターン打ち抜きと同時に可能となり、量産性が極めて高い絶縁基板が提供できる。 Moreover, according to the 1st manufacturing method of the insulated substrate concerning this invention, (a) The process of forming a back surface pattern in the back surface of a ceramic base material, (b) The said back surface pattern and a heat sink via a joining member, The step (a) includes a step of forming dimples by a pressure press method on the surface of the back surface pattern that contacts the bonding member, so that the dimple formation is performed simultaneously with the pattern punching. This makes it possible to provide an insulating substrate with extremely high mass productivity.
また、本発明にかかる絶縁基板の第2の製造方法によれば、(a)セラミック基材の裏面に裏面パターンを形成する工程と、(b)接合部材を介して、前記裏面パターンとヒートシンクとを接合する工程とを備え、前記工程(a)は、前記裏面パターンの前記接合部材と接する面においてレジストを形成し、エッチング後前記レジストを除去し、再度エッチングを行い面取りをすることでディンプルを形成する工程を含むことにより、エッチング工程は通常フローであることから、エッチング装置の追加を必要とせず、厳しい温度変化条件に耐え得る絶縁基板を得ることができる。 Moreover, according to the 2nd manufacturing method of the insulated substrate concerning this invention, (a) The process of forming a back surface pattern in the back surface of a ceramic base material, (b) The said back surface pattern and a heat sink via a joining member, In the step (a), a dimple is formed by forming a resist on a surface of the back surface pattern in contact with the bonding member, removing the resist after etching, chamfering by performing etching again. By including the forming step, since the etching step is a normal flow, an insulating substrate that can withstand severe temperature change conditions can be obtained without the need for an additional etching apparatus.
<A.実施の形態1>
図14に示すように前提技術としての電力半導体装置は、例えば厚み0.3〜0.635mmのAlNからなるセラミック基材202と、セラミック基材202表面に形成された表面パターン201a、表面パターン201b、表面パターン201cと、表面パターン201a上にはんだ4aを介して配置された電力半導体素子1aと、表面パターン201a上にはんだ4bを介して配置され、電力半導体素子1aとアルミワイヤ11bを介して接続された電力半導体素子1bと、表面パターン201b上にはんだ10を介して配置された電極端子7と、表面パターン201c上とアルミワイヤ11cを介して接続された信号端子8bと、電力半導体素子1aとアルミワイヤ11aを介して接続された信号端子8aとを備える。
<A.
As shown in FIG. 14, the power semiconductor device as a prerequisite technology includes, for example, a
さらに、セラミック基材202裏面に形成された、例えば厚み0.2〜0.6mmのCuからなる裏面パターン203と、裏面パターン203とはんだ5を介して接続された、例えば厚み4mmのCuからなるヒートシンク3と、ヒートシンク3と接着剤9を介して接続された樹脂ケース6と、樹脂ケース6内に充填されたシリコーンゲル12(エポキシ樹脂でもよい)とを備える。
Further, the
ここで、セラミック基材202、その表面に形成された表面パターン201a、表面パターン201b、表面パターン201c、その裏面に形成された裏面パターン203を含めて、絶縁基板2とする。
Here, the
なお、セラミック基材202と、表面パターン201a、表面パターン201b、表面パターン201cおよび裏面パターン203とは、予めAg、Cu、Ti系の活性金属ろう材等で接合されている。
The
また、本発明にかかる電力半導体装置を電気的に制御する電子部品を搭載した制御基板は、図14には図示していない。 Further, a control board on which electronic components for electrically controlling the power semiconductor device according to the present invention is not shown in FIG.
図15は、前提技術としての絶縁基板の表面図(図15(a))、裏面図(図15(b))、断面図(図15(c))をそれぞれ示したものである。 FIG. 15 shows a front view (FIG. 15A), a back view (FIG. 15B), and a cross-sectional view (FIG. 15C) of an insulating substrate as a prerequisite technology.
セラミック基材202上に、表面パターン201a、表面パターン201bが図15(a)のように配置され、セラミック基材202下に、裏面パターン203が図15(b)のように配置されている。断面を見ると、図15(c)のような位置関係となり、全体として絶縁基板2が形成される。
A
前提技術としての電力半導体装置は以上のように構成されているので、電力半導体装置がヒートサイクル負荷を受けると、例えば絶縁基板2の見かけの線膨張係数α=7ppmと、Cu材からなるヒートシンク3の線膨張係数α=17ppmとのミスマッチにより、基板下のはんだ5に歪が生じる。繰り返しのヒートサイクル負荷の経過に伴い、基板下のはんだ5には微小クラックが発生する。このクラックの進展に伴い電力半導体素子1a、電力半導体素子1bの熱放散が阻害され、遂には素子破壊に至る。
Since the power semiconductor device as the base technology is configured as described above, when the power semiconductor device receives a heat cycle load, for example, the apparent linear expansion coefficient α of the insulating
また、絶縁基板2についても、上述した高温の負荷条件の場合、たとえば、セラミック基材202が窒化アルミ(AlN)の線膨張係数α=4.5ppmと、裏面パターン203がCu材の線膨張係数α=17ppmとのアンマッチにより、接合端部202aに集中する応力がさらに増大し、接合端部のセラミック基材202にクラックが生じ易くなる。
For the insulating
なお、パターン材質がAlの場合、絶縁基板2の下のはんだ5に発生するはんだ歪は、パターン材質がCuの場合と大差ないが、接合端部202aに集中する応力は、パターン材質がCuの場合に比べて半減し、セラミック基材202のクラック発生の心配は無い。
Note that when the pattern material is Al, the solder strain generated in the
前提技術としての電力半導体装置では、ヒートサイクル試験の温度変化条件設定を−40〜125℃とした信頼性保証寿命サイクルを満足するように、構造設計がなされていた。しかしながら、電力半導体装置の小型化や高耐熱素子採用に対応すべく、ヒートサイクル試験の温度変化条件が−40℃〜150℃と設定変更されてきた。 In the power semiconductor device as the base technology, the structural design has been made so as to satisfy the reliability guaranteed life cycle in which the temperature change condition setting of the heat cycle test is set to −40 to 125 ° C. However, the temperature change condition of the heat cycle test has been changed from −40 ° C. to 150 ° C. in order to cope with downsizing of the power semiconductor device and adoption of a high heat resistance element.
解析によると、前提技術としての電力半導体装置では、この条件下での基板下のはんだ歪は約45%増大し、この歪の増大に伴い信頼性寿命が実評価に於いても約1/10以下に低下することが判明した。 According to the analysis, in the power semiconductor device as the premise technology, the solder strain under the substrate under this condition is increased by about 45%, and the reliability life is about 1/10 in actual evaluation as the strain increases. It turned out that it falls below.
以上のように、前提技術としての絶縁基板を用いた電力半導体装置では、より高温の負荷条件で使用される場合は、装置の信頼性寿命が大幅に低下するという問題があった。 As described above, a power semiconductor device using an insulating substrate as a prerequisite technology has a problem that the reliability life of the device is significantly reduced when used under a higher temperature load condition.
以下に示す実施の形態1では、上記のような問題を解消する絶縁基板および電力半導体装置を示し、ヒートサイクル試験の温度変化条件がより厳しい条件に移行しても、ヒートサイクルの信頼性寿命を維持可能な絶縁基板および電力半導体装置を提供することを目的とする。
In
<A−1.構成>
図1に示すように、本発明にかかる絶縁基板を用いた電力半導体装置は、例えばAlN、またはAl2O3、またはSi3N4からなるセラミック基材202と、セラミック基材202表面に形成された、例えばCu、Alからなる表面パターン201とを備える。パターンの表面処理については、図1においては省略する。ここで、セラミック基材202の厚みは、例えば0.25〜1.0mmが望ましい。
<A-1. Configuration>
As shown in FIG. 1, a power semiconductor device using an insulating substrate according to the present invention is formed on a
さらに、セラミック基材202裏面に形成された、例えばCuまたはAlからなる裏面パターン203aと、裏面パターン203aと接合部材としてのはんだ5を介して接続されたヒートシンク3とを備える。はんだ5は、鉛フリーあるいは鉛入りのはんだを用いることができる。
Furthermore, a
ここで、セラミック基材202、その表面に形成された表面パターン201、その裏面に形成された裏面パターン203aを含めて、絶縁基板2aとする。
Here, the
なお、セラミック基材202と、表面パターン201および裏面パターン203aとは、予めAg、Cu、Ti系の活性金属ろう材等で接合されている。
The
裏面パターン203aのはんだ5との接する面には、半径rの曲面204dを呈するディンプル204が形成されている。ここで、ディンプル204は、裏面パターン厚をt (mm)とするとき、例えば、
直径φD=(3/5)t〜(4/5)t (mm)、
半径r≧(3/10)t〜(4/10)t (mm)、
であり、
深さh=(3/5)t〜(4/5)t (mm)、
を理想とする。これは、図8に示す解析結果、「ディンプルのh/rとクラック進展難易度」に示すはんだクラックの進展し難さからの規制と、ディンプル204の谷間がセラミック基材202まで達しないようにする規制とによる。
A
Diameter φD = (3/5) t to (4/5) t (mm),
Radius r ≧ (3/10) t to (4/10) t (mm),
And
Depth h = (3/5) t to (4/5) t (mm),
Is ideal. This is because the analysis results shown in FIG. 8, the restriction from the difficulty of solder crack development shown in “dimple h / r and crack progress difficulty”, and the valley of the
図8に示すように、ディンプルのh/r(横軸)が大きくなるほど、クラック進展難易度(縦軸)が難化し、クラックの発生を抑制できることが分かる。ただし、ディンプル204の谷間がセラミック基材202まで達すれば、その谷間にははんだ5が接合されず、密着不良となり信頼性が低下する要因となる。
As shown in FIG. 8, it can be seen that as h / r (horizontal axis) of the dimple increases, the crack progress difficulty (vertical axis) becomes more difficult, and the generation of cracks can be suppressed. However, if the valley of the
図2(a)(b)は、ディンプル204が裏面パターン203aの4つのコーナ部に集中的に配設された場合のセラミック基材202を裏面側から示すものである。図2(b)における、1つのコーナ部を拡大した図が図2(a)である。
2A and 2B show the
図3、4は、図2において示したディンプル204が裏面パターン203aの4つのコーナ部に集中的に配設された場合の、ディンプル204の形成態様について示した図である。図3(a)、図4(a)はその場合の断面図、図3(b)、図4(b)はその場合の平面図である。図3に示すように、各コーナ部におけるディンプル204は、裏面パターン203a外周に沿って1列となって形成されていてもよいし、図4に示すように、各コーナ部におけるディンプル204は、裏面パターン203a外周に沿って複数列となって形成されていてもよい。
FIGS. 3 and 4 are diagrams showing a form of forming the
図5(a)(b)は、ディンプル204が裏面パターン203aの4つのコーナ部に集中的に配設され、さらに、裏面パターン203aの外周部全体にもディンプル204が配設された場合のセラミック基材202を裏面側から示すものである。図5(b)における、1つのコーナ部を拡大した図が図5(a)である。
5A and 5B show ceramics in the case where the
図6、7は、図5において示したディンプル204が裏面パターン203aの4つのコーナ部に集中的に配設され、さらに、裏面パターン203aの外周部全体にもディンプル204が配設された場合の、ディンプル204の形成態様について示した図である。図6(a)、図7(a)はその場合の断面図、図6(b)、図7(b)はその場合の平面図である。図6に示すように、ディンプル204は裏面パターン203a外周に沿って1列となって形成されていてもよいし、図7に示すようにディンプル204は、裏面パターン203a外周に沿って複数列となって形成されていてもよい。
FIGS. 6 and 7 show the case where the
<A−2.動作>
図9は、前提技術としての電力半導体装置と本発明にかかる電力半導体装置との、基板下のはんだ歪とクラック伝播経路の比較(解析結果)を示す図である。
<A-2. Operation>
FIG. 9 is a diagram showing a comparison (analysis result) of the solder strain under the substrate and the crack propagation path between the power semiconductor device as the prerequisite technology and the power semiconductor device according to the present invention.
図9(a)において、セラミック基材202の表面に形成された表面パターン201と、裏面に形成された裏面パターン203と、裏面パターン203とはんだ5を介して接続されたヒートシンク3とが示されている。
FIG. 9A shows a
図9(a)に示すように、前提技術としての絶縁基板を用いた電力半導体装置の場合は、ヒートサイクルの熱履歴が作用すれば、裏面パターン203のパターンエッジ部202b近傍のはんだ5に、はんだ歪が集中的に発生する。よって、ヒートサイクルの繰り返しにより当該箇所にはんだクラックが発生し、裏面パターン203近傍に沿って、はんだクラックがほぼ直線的に進展し易くなる。なお、点線で示すのがクラックの伝播経路である。
As shown in FIG. 9A, in the case of a power semiconductor device using an insulating substrate as a prerequisite technology, if the heat history of the heat cycle acts, the
一方、図9(b)に示す本発明の絶縁基板を用いた電力半導体装置の場合は、ディンプル204による裏面パターン203aにおける曲面と、端部におけるマス量の低減と、はんだ厚の部分的増大とから、裏面パターン203a近傍のはんだ5に発生するはんだ歪が緩和される。なお、点線で示すのがクラックの伝播経路である。図9(b)においては、クラックの伝播経路が形成される領域にディンプル204が形成されている。
On the other hand, in the case of the power semiconductor device using the insulating substrate of the present invention shown in FIG. 9B, the curved surface in the
よって図9(c)において、前提技術の場合を実線で、本発明の場合を2点鎖線で示すように、はんだ歪のピークが半減し、はんだ寿命が約4倍に長寿命化する。 Therefore, in FIG. 9C, the peak of the solder strain is halved and the solder life is extended by about 4 times, as indicated by the solid line in the case of the base technology and the two-dot chain line in the case of the present invention.
また、はんだクラックはディンプル204の凹凸に沿って伝播することから、クラックの伝播速度が遅延化し、例えば、裏面パターン203aのコーナ部から電力半導体素子の投影部に至るまでの寿命が延びることになる。
In addition, since the solder crack propagates along the unevenness of the
絶縁基板2がヒートシンク3に対して1枚使いの場合は、絶縁基板2の裏面パターン203のコーナ部のはんだ5に、はんだ歪が集中的に発生し易いが、絶縁基板2がヒートシンク3に対して複数枚使いの場合には、ヒートサイクルの繰り返しによるヒートシンク3の反りの影響から、絶縁基板2が隣り合う辺の基板下のはんだ5のはんだ歪が集中的に増大することがある。この場合は、図5に示すように、ディンプル204が裏面パターン203aの4つのコーナ部に集中的に配設され、さらに、裏面パターン203aの外周部全体にもディンプル204が配設されるのが望ましい。
When one insulating
図10は、本発明にかかる絶縁基板を用いた電力半導体装置の全体図である。図10においては、裏面パターン203aの4つのコーナ部に形成した場合を示しているが、外周全体に渡って形成される場合であってもよい。
FIG. 10 is an overall view of a power semiconductor device using an insulating substrate according to the present invention. Although FIG. 10 shows the case where it is formed at the four corners of the
図10に示す電力半導体装置は、絶縁基板2aが、ディンプル204が形成された裏面パターン203aを有すること以外は、上述した図14の電力半導体装置と同一構造、同一構成であることから、詳細な説明を省略する。なお、表面パターン201a、表面パターン201b、表面パターン201c、ディンプル204が形成された裏面パターン203aの材質は、Cu材でもAl材でも同様に構成され、基板下のはんだ5のクラック抑制、クラックの伝播速度の遅延化の効果は同様に得られる。
The power semiconductor device shown in FIG. 10 has the same structure and configuration as the power semiconductor device of FIG. 14 described above except that the insulating
図11は、本発明にかかる絶縁基板を用いた電力半導体装置の表面図(図11(a))、裏面図(図11(b))、断面図(図11(c))をそれぞれ示したものである。 FIG. 11 shows a front view (FIG. 11A), a back view (FIG. 11B), and a cross-sectional view (FIG. 11C) of a power semiconductor device using an insulating substrate according to the present invention. Is.
セラミック基材202上に、表面パターン201a、表面パターン201bが図11(a)のように配置され、セラミック基材202下に、裏面パターン203aが図11(b)のように配置されている。断面を見ると、図11(c)のような位置関係となり、全体として絶縁基板2aが形成される。図15に示す場合と異なるのは、裏面パターン203aにディンプル204が形成されていることである。
A
<A−3.製造方法>
図12は、本発明にかかる電力半導体装置における、ディンプル204を絶縁基板の裏面パターンに形成する、化学エッチング方式を説明するフローチャートである。
<A-3. Manufacturing method>
FIG. 12 is a flowchart for explaining a chemical etching method for forming the
図12(a)では、まず、セラミック基材202の表面に表面パターン201、裏面に裏面パターン203をそれぞれ形成する。
In FIG. 12A, first, a
図12(b)では、表面パターン201、裏面パターン203それぞれの所定範囲に、レジスト13を形成する。レジスト13のうち、ディンプル204を形成する部分には予めレジスト開口孔13aを付与しておく。
In FIG. 12B, the resist 13 is formed in predetermined ranges of the
図12(c)では、前述のレジスト13で覆った状態で、エッチング処理を行う。 In FIG. 12C, the etching process is performed in the state covered with the resist 13 described above.
図12(d)では、前述のレジスト13を除去し曲面204cを露出させ、化学研磨を行う。
In FIG. 12D, the above-described resist 13 is removed to expose the
図12(e)では、裏面パターンが形成された側を選択し、ソフトエッチングを行うことにより、面取り(全周縁取り)を行う。曲面204dが形成される。
In FIG. 12E, the side on which the back surface pattern is formed is selected and soft etching is performed to perform chamfering (entire edge chamfering). A
図1に示したディンプル204の直径φDは、製造時のレジスト開口孔13aでほぼ決まるが、曲面204dの半径r及び深さhは、化学エッチングの条件により調整される。
The diameter φD of the
エッジ部の面取り後、表面処理として2〜4μmの無電解Ni−Pめっきが施工される(図示せず)。なお、表面パターン201、裏面パターン203aの材質がCuの場合には、はんだ接合雰囲気を不活性化し、且つ、減圧化することにより、Cu材とはんだ材との接合性が保たれることから、敢えて無電解Ni−Pめっき施工は必要としない。
After chamfering the edge portion, electroless Ni—P plating of 2 to 4 μm is applied as a surface treatment (not shown). When the material of the
図13は、裏面パターン203aに形成するディンプル204を、プレス加工にて形成する1例を示している。図13においては、ディンプル204の曲面204dの形状を有するパンチ14、ダイ15、裏面パターン203aが示されている。
FIG. 13 shows an example in which the
セラミック基材202の裏面に裏面パターンを形成し、パンチ14、ダイ15を用いてプレス加工を行う。この加工によりディンプル204を形成し、はんだ5を介して、さらに裏面パターンとヒートシンク3とを接合する(図示せず)。
A back surface pattern is formed on the back surface of the
<A−4.効果>
本発明にかかる実施の形態1によれば、絶縁基板において、セラミック基材202と、セラミック基材202の裏面に形成された裏面パターン203aと、裏面パターン203aと、接合部材としてのはんだ5を介して接合されたヒートシンク3とを備え、裏面パターン203aは、はんだ5と接する面において、ディンプル204を有することで、ヒートサイクル等の熱履歴を受ける場合、基板下のはんだ5におけるクラックの発生を抑制でき、また、クラックの伝播速度を遅延化させることにより信頼性、寿命の向上を実現することができる。
<A-4. Effect>
According to the first embodiment of the present invention, in the insulating substrate, the
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、絶縁基板において、裏面パターン203aは、厚みがt=0.2〜0.6mmであり、ディンプル204は、直径がφD=(3/5)t〜(4/5)tmm、深さがh=(3/5)t〜(4/5)tmmであり、かつ、エッジ部にr≧(3/10)t〜(4/10)tの曲面を有することで、基板下のはんだ5におけるクラックの発生をより抑制できる。
Further, according to the first embodiment of the present invention, in the insulating substrate, the
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、絶縁基板において、ディンプル204は、裏面パターン203aの各コーナ部に形成されることで、特に基板のコーナ部下のはんだ5に集中的に発生する歪を低減し、はんだクラック発生の抑制を図ることができる。
Further, according to the first embodiment of the present invention, in the insulating substrate, the
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、絶縁基板において、ディンプル204は、裏面パターン203aの外周部に形成されることで、基板のコーナ部下のはんだ5に発生する歪に加え、基板の外周部下のはんだ5に発生する歪も低減し、外周部からのはんだクラック発生の抑制を図ることができる。
Further, according to the first embodiment of the present invention, in the insulating substrate, the
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、絶縁基板において、裏面パターン203aは、CuまたはAlからなることで、ディンプル204の形成により、セラミック基材202に発生する応力が低減可能となり、セラミック基材202のクラック抑制効果が生じる。
Further, according to the first embodiment of the present invention, in the insulating substrate, the
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、絶縁基板において、裏面パターン203aは、接合部材としてのはんだ5と接する面がめっき加工されることで、はんだ5との接合性を高め、はんだクラックの発生を抑制させ、クラックの伝播速度を遅延させることができる。また、裏面パターン203aの材質がCuの場合は、はんだ接合雰囲気を不活性化し、且つ減圧化することにより、無電解Ni−P等のめっき施工は必ずしも必要ではない。
Further, according to the first embodiment of the present invention, in the insulating substrate, the
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、絶縁基板において、セラミック基材202は、AlN、またはAl2O3、またはSi3N4からなることで、ヒートサイクル等の熱履歴を受ける場合、基板下のはんだ5におけるクラックの発生を抑制でき、また、クラックの伝播速度を遅延化させることにより信頼性、寿命の向上を実現することができる。
Further, according to the first embodiment of the present invention, in the insulating substrate, the
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、絶縁基板において、セラミック基材202は、厚みが0.25〜1.0mmであることで、ヒートサイクル等の熱履歴を受ける場合、基板下のはんだ5におけるクラックの発生を抑制でき、また、クラックの伝播速度を遅延化させることにより信頼性、寿命の向上を実現することができる。
Further, according to the first embodiment of the present invention, in the insulating substrate, the
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、絶縁基板において、接合部材としてのはんだ5は、鉛フリーあるいは鉛入りのはんだ材であることで、基板下のはんだ5のクラック抑制、クラック伝播速度の遅延化により長寿命化が実現できる。
Further, according to the first embodiment of the present invention, in the insulating substrate, the
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、電力半導体装置において、上記の絶縁基板を備え、セラミック基材202は、裏面パターン203aと対向する表面パターン201をさらに備え、表面パターン201上に搭載された、電力半導体素子1a、電力半導体素子1bをさらに備えることで、ヒートサイクル等の熱履歴を受ける場合、基板下のはんだ5におけるクラックの発生を抑制でき、また、クラックの伝播速度を遅延化させることにより電力半導体装置の信頼性、寿命の向上を実現することができる。
Further, according to the first embodiment of the present invention, the power semiconductor device includes the above-described insulating substrate, and the
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、絶縁基板の製造方法において、(a)セラミック基材202の裏面に裏面パターン203aを形成する工程と、(b)接合部材としてのはんだ5を介して、裏面パターン203aとヒートシンク3とを接合する工程とを備え、工程(a)は、裏面パターン203aのはんだ5と接する面において、加圧プレス方式でディンプル204を形成する工程を含むことで、ディンプル204の形成がパターン打ち抜きと同時に可能となり、量産性が極めて高い絶縁基板が提供できる。
Further, according to the first embodiment of the present invention, in the method for manufacturing an insulating substrate, (a) a step of forming the
また、本発明にかかる実施の形態1によれば、絶縁基板の製造方法において、(a)セラミック基材202の裏面に裏面パターン203aを形成する工程と、(b)接合部材としてのはんだ5を介して、裏面パターン203aとヒートシンク3とを接合する工程とを備え、工程(a)は、裏面パターン203aのはんだ5と接する面においてレジストを形成し、エッチング後レジストを除去し、再度エッチングを行い面取りをすることでディンプル204を形成する工程を含むことで、エッチング工程は通常フローであることから、エッチング装置の追加を必要とせず、厳しい温度変化条件に耐え得る絶縁基板を得ることができる。
Further, according to the first embodiment of the present invention, in the method for manufacturing an insulating substrate, (a) a step of forming the
本発明の実施の形態では、各構成要素の材質、材料、実施の条件等についても記載しているが、これらは例示であって記載したものに限られるものではない。 In the embodiment of the present invention, the material, material, conditions for implementation, etc. of each component are also described, but these are examples and are not limited to those described.
1a,1b 電力半導体素子、2,2a 絶縁基板、3 ヒートシンク、5 はんだ、6 樹脂ケース、7 電極端子、8a,8b 信号端子、9 接着剤、11a〜11c アルミワイヤ、12 シリコーンゲル、13 レジスト、13a レジスト開口孔、14 パンチ、15 ダイ、201,201a〜201c 表面パターン、202 セラミック基材、202a 接合端部、202b パターンエッジ部、203,203a 裏面パターン、204 ディンプル、204c,204d 曲面。 1a, 1b Power semiconductor element, 2, 2a Insulating substrate, 3 Heat sink, 5 Solder, 6 Resin case, 7 Electrode terminal, 8a, 8b Signal terminal, 9 Adhesive, 11a-11c Aluminum wire, 12 Silicone gel, 13 Resist, 13a Resist opening hole, 14 punches, 15 dies, 201, 201a to 201c surface pattern, 202 ceramic substrate, 202a bonding end, 202b pattern edge, 203, 203a back pattern, 204 dimple, 204c, 204d curved surface.
Claims (12)
前記セラミック基材の裏面に形成された裏面パターンと、
前記裏面パターンと、接合部材を介して接合されたヒートシンクとを備え、
前記裏面パターンは、前記接合部材と接する面において、ディンプルを有する、
絶縁基板。 A ceramic substrate;
A back surface pattern formed on the back surface of the ceramic substrate;
The back surface pattern, and a heat sink joined via a joining member,
The back surface pattern has dimples on the surface in contact with the joining member.
Insulating substrate.
前記ディンプルは、直径がφD=(3/5)t〜(4/5)tmm、深さがh=(3/5)t〜(4/5)tmmであり、かつ、エッジ部にr≧(3/10)t〜(4/10)tの曲面を有する、
請求項1に記載の絶縁基板。 The back surface pattern has a thickness t = 0.2 to 0.6 mm,
The dimple has a diameter of φD = (3/5) t to (4/5) tmm, a depth of h = (3/5) t to (4/5) tmm, and r ≧ at the edge portion (3/10) t to (4/10) t curved surface,
The insulating substrate according to claim 1.
請求項1または2に記載の絶縁基板。 The dimples are formed at each corner portion of the back pattern,
The insulating substrate according to claim 1 or 2.
請求項1〜3のいずれかに記載の絶縁基板。 The dimple is formed on the outer periphery of the back surface pattern.
The insulating substrate according to claim 1.
請求項1〜4のいずれかに記載の絶縁基板。 The back surface pattern is made of Cu or Al.
The insulating substrate according to claim 1.
請求項1〜5のいずれかに記載の絶縁基板。 The back surface pattern is plated on the surface in contact with the joining member.
The insulating substrate according to claim 1.
請求項1〜6のいずれかに記載の絶縁基板。 The ceramic substrate is made of AlN, Al 2 O 3 , or Si 3 N 4 .
The insulating substrate according to claim 1.
請求項1〜7のいずれかに記載の絶縁基板。 The ceramic substrate has a thickness of 0.25 to 1.0 mm.
The insulating substrate according to claim 1.
請求項1〜8のいずれかに記載の絶縁基板。 The joining member is a lead-free or lead-containing solder material,
The insulating substrate according to claim 1.
前記セラミック基材は、前記裏面パターンと対向する表面パターンをさらに備え、
前記表面パターン上に搭載された、電力半導体素子をさらに備える、
電力半導体装置。 Comprising the insulating substrate according to any one of claims 1 to 9,
The ceramic substrate further comprises a surface pattern facing the back surface pattern,
A power semiconductor element mounted on the surface pattern;
Power semiconductor device.
(b)接合部材を介して、前記裏面パターンとヒートシンクとを接合する工程とを備え、
前記工程(a)は、前記裏面パターンの前記接合部材と接する面において、加圧プレス方式でディンプルを形成する工程を含む、
絶縁基板の製造方法。 (A) forming a back surface pattern on the back surface of the ceramic substrate;
(B) a step of bonding the back surface pattern and the heat sink via a bonding member;
The step (a) includes a step of forming dimples by a pressure press method on a surface of the back surface pattern that contacts the joining member.
Insulating substrate manufacturing method.
(b)接合部材を介して、前記裏面パターンとヒートシンクとを接合する工程とを備え、
前記工程(a)は、前記裏面パターンの前記接合部材と接する面においてレジストを形成し、エッチング後前記レジストを除去し、再度エッチングを行い面取りをすることでディンプルを形成する工程を含む、
絶縁基板の製造方法。 (A) forming a back surface pattern on the back surface of the ceramic substrate;
(B) a step of bonding the back surface pattern and the heat sink via a bonding member;
The step (a) includes a step of forming a dimple by forming a resist on a surface of the back surface pattern in contact with the bonding member, removing the resist after etching, performing etching again, and chamfering.
Insulating substrate manufacturing method.
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