JP2014090049A - Power module substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セラミック基板の両面の一方の主面に回路銅板、他方の主面に放熱銅板を直接接合させてなり、回路銅板上に搭載される半導体素子からの発熱をセラミック基板を介して放熱銅板から放熱させるパワーモジュール用基板に関する。 In the present invention, a circuit copper plate is directly bonded to one main surface of both surfaces of a ceramic substrate, and a heat dissipation copper plate is directly bonded to the other main surface, and heat generated from a semiconductor element mounted on the circuit copper plate is dissipated through the ceramic substrate. The present invention relates to a power module substrate that radiates heat from a copper plate.
従来より、大電力化、高速化、高集積化の進むパワートランジスタ等の高熱を発する半導体素子を搭載し、半導体素子からの発熱を速やかに放熱させて半導体素子の信頼性を維持させることができるためのパワーモジュール用基板は、民生機器用や、自動車、電気自動車等の車載用等に採用されている。このようなパワーモジュール用基板には、通常、1個分や、複数個分がマトリックス状に配列することができる大型のセラミック基板が用いられている。このセラミック基板には、それぞれの主面にセラミック基板の寸法と略同等、あるいは若干小さめの銅板を銅の融点を利用して直接加熱接合する直接接合法や、活性金属ろうを介して加熱接合する活性金属ろう材接合法で接合している。そして、大型のセラミック基板の場合のような略全面に銅板が貼り付けられたセラミック基板は、エッチングによって、それぞれの主面に半導体素子を搭載して電気的導通状態を形成するためのパターン形成された回路銅板と、半導体素子から発生する熱を伝熱及び放熱させるための放熱銅板を形成している。更に、大型セラミック基板に回路銅板と、放熱銅板を一対とするパワーモジュール用基板が複数個分マトリックス状に配列するパワーモジュール用基板集合体には、個片体に分割するための分割溝を形成するようになっている。 Conventionally, a semiconductor element that generates high heat, such as a power transistor with higher power, higher speed, and higher integration, can be mounted, and heat generated from the semiconductor element can be quickly dissipated to maintain the reliability of the semiconductor element. Therefore, the power module substrate is used for consumer equipment and in-vehicle use such as automobiles and electric cars. For such a power module substrate, a large ceramic substrate that can be arranged in a matrix is usually used. To this ceramic substrate, a direct bonding method in which a copper plate that is approximately the same as or slightly smaller than the size of the ceramic substrate is directly heat-bonded using the melting point of copper, or heat bonding is performed using an active metal brazing. Joined by active metal brazing method. The ceramic substrate with a copper plate attached to almost the entire surface as in the case of a large ceramic substrate is formed by etching to form a pattern for mounting a semiconductor element on each main surface to form an electrically conductive state. The circuit copper plate and the heat radiating copper plate for transferring and radiating the heat generated from the semiconductor element are formed. In addition, a power module substrate assembly in which a plurality of power module substrates each having a pair of a circuit copper plate and a heat dissipation copper plate are arranged in a matrix on a large ceramic substrate is formed with a dividing groove for dividing into individual pieces. It is supposed to be.
個片体のパワーモジュール用基板には、回路銅板側の定められた部分の銅板上に半導体素子が接合材で接合されるようになっている。また、パワーモジュール用基板には、半導体素子が接合材で接合された銅板とは異なる銅板上に外部接続端子が接合材で接合されるようになっている。そして、パワーモジュール用基板は、半導体素子と、他の部分の銅板との間をボンディングワイヤで接続して電気的な導通回路を形成し、外部接続端子を介して半導体素子に高電圧且つ高電流が流せるようにしている。また、このパワーモジュール用基板は、高電圧且つ高電流が流れることで発生する半導体素子からの発熱を速やかに熱伝導率のよい銅を用いた回路銅板側から放熱させるために、熱伝導率のよい銅を用いた放熱銅板側に伝熱させると共に、通常、放熱銅板に接合材等で接合されるヒートシンク板から放熱させている。 In the individual power module substrate, a semiconductor element is bonded with a bonding material onto a predetermined portion of the copper plate on the circuit copper plate side. Further, the power module substrate is configured such that the external connection terminals are bonded with a bonding material on a copper plate different from the copper plate with the semiconductor element bonded with the bonding material. Then, the power module substrate forms an electrical conduction circuit by connecting the semiconductor element and another portion of the copper plate with a bonding wire, and a high voltage and high current is supplied to the semiconductor element via the external connection terminal. To be able to flow. In addition, this power module substrate has a thermal conductivity in order to quickly dissipate heat from the semiconductor element generated by the flow of high voltage and high current from the circuit copper plate side using copper having good thermal conductivity. Heat is transferred to the heat radiating copper plate side using good copper, and is usually radiated from a heat sink plate joined to the heat radiating copper plate with a bonding material or the like.
上記のパワーモジュール用基板には、セラミック基板に窒化アルミニウム(AlN)や、アルミナ(Al2O3)や、アルミナにジルコニア(ZrO2)を含有させたジルコニア含有アルミナ等のセラミックのそれぞれが均質な材料で構成された焼成基板が用いられている。また、これらのパワーモジュール用基板に用いられるセラミック基板には、機械的強度、特に高い曲げ強度で、且つ高い熱伝導率を有し、安価である焼成基板が求められている。 In the power module substrate, ceramics such as aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3 ), and zirconia-containing alumina containing alumina containing zirconia (ZrO 2 ) are homogeneous. A fired substrate made of a material is used. In addition, a ceramic substrate used for these power module substrates is required to be a fired substrate that has low mechanical strength, particularly high bending strength, high thermal conductivity, and low cost.
従来のパワーモジュール用基板に用いられるセラミック基板には、窒化ケイ素層と窒化アルミニウム層とを複合一体化した複合セラミックス基板と、複合セラミックス基板の窒化アルミニウム層側に、窒化アルミニウム層表面に設けられた酸化膜を介して直接接合法により接合された銅系回路板とを具備するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。これによれば、セラミック基板は、これ自体の機械的信頼性を高めることができると共に、銅板を直接接合させる場合の接合信頼性を高めることができるとしている。 The ceramic substrate used for a conventional power module substrate is a composite ceramic substrate in which a silicon nitride layer and an aluminum nitride layer are combined and integrated, and is provided on the aluminum nitride layer surface on the aluminum nitride layer side of the composite ceramic substrate. There has been proposed one including a copper circuit board bonded by an direct bonding method through an oxide film (see, for example, Patent Document 1). According to this, the ceramic substrate can improve the mechanical reliability of itself, and can improve the bonding reliability when the copper plate is directly bonded.
また、従来のパワーモジュール用基板に用いられるセラミック基板には、シート型の多層のセラミック材料、およびセラミック材料の1つの表面側に備えられ、ダイレクトボンディングまたは活性はんだ付けによりセラミック材料に連結される少なくとも1つの金属被覆によるメタルセラミック基板の場合、セラミック材料は少なくとも1つの窒化シリコンセラミックの中間層またはベース層を含み、少なくとも1つの金属被覆を備えているセラミック材料の表面側は、ベース層に適用された酸化セラミックの中間層によって形成されるものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。 Further, the ceramic substrate used for the conventional power module substrate is provided with a sheet-type multilayer ceramic material and one surface side of the ceramic material, and at least connected to the ceramic material by direct bonding or active soldering. In the case of a metal ceramic substrate with one metal coating, the ceramic material includes at least one silicon nitride ceramic intermediate layer or base layer, and the surface side of the ceramic material with at least one metal coating is applied to the base layer. An oxide ceramic intermediate layer is proposed (for example, see Patent Document 2).
しかしながら、窒化ケイ素や、窒化アルミニウムや、窒化シリコンからなるセラミック基板は、極めて高い熱伝導率を有すると共に、高い曲げ強度を有するものの、これらの窒化化合物自体が高価である上に、これらの窒化化合物に銅板を直接接合させるための酸化膜の形成が必要であり、パワーモジュール用基板自体のコストアップとなっている。 However, although a ceramic substrate made of silicon nitride, aluminum nitride, or silicon nitride has extremely high thermal conductivity and high bending strength, these nitride compounds themselves are expensive and these nitride compounds are also expensive. Therefore, it is necessary to form an oxide film for directly bonding the copper plate to the substrate, which increases the cost of the power module substrate itself.
また、アルミナからなるセラミック基板は、熱伝導率が27〜30W/mKと比較的高く、放熱性を向上させることができることから、従来盛んに用いられてきた。しかしながら、パワーモジュール用基板は、これに搭載される半導体素子の大電力化、高速化、高集積化等からの発熱温度の上昇に伴って、回路銅板や放熱銅板との熱膨張率差が大きくなってきている。そして、このアルミナからなるセラミック基板では、曲げ強度が低いので、熱膨張率差による応力がセラミック基板に集中し、セラミック基板にクラック発生が発生するのを防止することができなくなってきている。 In addition, ceramic substrates made of alumina have been widely used because they have a relatively high thermal conductivity of 27 to 30 W / mK and can improve heat dissipation. However, the power module substrate has a large difference in thermal expansion coefficient between the circuit copper plate and the heat dissipation copper plate as the heat generation temperature rises due to high power, high speed, high integration, etc. of the semiconductor element mounted on the power module substrate. It has become to. And since this ceramic substrate made of alumina has low bending strength, it is impossible to prevent the stress due to the difference in thermal expansion coefficient from concentrating on the ceramic substrate and generating cracks in the ceramic substrate.
そこで、パワーモジュール用基板には、アルミナにジルコニアを含有させたジルコニア含有アルミナからなるセラミック基板が用いられる場合が多くなっている。このアルミナにジルコニアを含有させたジルコニア含有アルミナからなるセラミック基板は、アルミナのみからなるセラミック基板より曲げ強度を高く、高い靭性を有して機械的信頼性が高いので、回路銅板や放熱銅板との熱膨張率差によるクラック発生を防止できるようになっている。一方、アルミナにジルコニアを含有させたジルコニア含有アルミナからなるセラミック基板は、熱伝導率が20〜24W/mKと低くなりパワーモジュール用基板の放熱性を阻害することとなっている。そこで、アルミナにジルコニアを含有させたジルコニア含有アルミナからなるセラミック基板の場合には、曲げ強度の高さを生かしてセラミック基板の厚みを薄くし、熱伝導率の低さをカバーして放熱信頼性を確保するようにしている。 Therefore, a ceramic substrate made of zirconia-containing alumina in which zirconia is contained in alumina is often used for the power module substrate. The ceramic substrate made of zirconia-containing alumina with alumina containing zirconia has higher bending strength and higher toughness and higher mechanical reliability than a ceramic substrate made of alumina alone. The generation of cracks due to the difference in thermal expansion coefficient can be prevented. On the other hand, a ceramic substrate made of zirconia-containing alumina in which zirconia is contained in alumina has a thermal conductivity as low as 20 to 24 W / mK, which inhibits heat dissipation of the power module substrate. Therefore, in the case of a ceramic substrate made of zirconia-containing alumina with alumina containing zirconia, the thickness of the ceramic substrate is made thin by taking advantage of the high bending strength, and the low thermal conductivity is covered to provide heat radiation reliability. To ensure.
しかしながら、前述したような従来のパワーモジュール用基板は、次のような問題がある。
パワーモジュール用基板は、これに用いられるセラミック基板がアルミナにジルコニアを含有させたジルコニア含有アルミナからなる場合のような、セラミック基板自体の厚みを薄くすることで熱伝導率の低さをカバーできるようにすると、パワーモジュール用基板が車載用のような非常に過酷な環境条件での使用においては、厚みを薄くすることが熱応力以外の機械的信頼性を確保することを難しくしている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、高い熱伝導率と、高い曲げ強度を兼ね備え、全ての機械的信頼性が高く、安価なパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
However, the conventional power module substrate as described above has the following problems.
The power module substrate can cover the low thermal conductivity by reducing the thickness of the ceramic substrate itself as in the case where the ceramic substrate used for this is made of zirconia-containing alumina in which zirconia is contained in alumina. In this case, when the power module substrate is used under extremely severe environmental conditions such as in-vehicle use, it is difficult to ensure mechanical reliability other than thermal stress by reducing the thickness.
The present invention has been made in view of such circumstances, and has an object to provide a power module substrate that has high thermal conductivity and high bending strength, has high mechanical reliability, and is inexpensive. To do.
前記目的に沿う本発明に係るパワーモジュール用基板は、セラミック基板の一方の主面に半導体素子を搭載して電気的導通回路を形成させるための回路銅板と、他方の主面に半導体素子から発生する熱を放熱させるための放熱銅板を接合して有するパワーモジュール用基板において、セラミック基板は、アルミナ(Al2O3)を主成分にジルコニア(ZrO2)を含有し、イットリア(Y2O3)、カルシア(CaO)、マグネシア(MgO)、セリア(CeO2)のいずれか1種以上の焼結助剤を添加してなるジルコニアの含有率がそれぞれ異なるジルコニア高率含有アルミナセラミック平板と、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板の2種類の接合体からなる。 A power module substrate according to the present invention that meets the above-described object is generated from a circuit copper plate for forming an electrically conductive circuit by mounting a semiconductor element on one main surface of a ceramic substrate, and from the semiconductor element on the other main surface. In a power module substrate having a heat dissipation copper plate bonded to dissipate heat, the ceramic substrate contains alumina (Al 2 O 3 ) as a main component, zirconia (ZrO 2 ), and yttria (Y 2 O 3). ), Calcia (CaO), magnesia (MgO), ceria (CeO 2 ), a zirconia high-content-containing alumina ceramic flat plate having different zirconia content ratios obtained by adding at least one sintering aid, and zirconia It consists of two types of joined bodies of low-rate containing alumina ceramic flat plates.
上記のパワーモジュール用基板において、接合体は、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板のジルコニアの重量比と、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板のジルコニアの重量比の差が5%以上25%以下からなるのがよい。 In the power module substrate described above, the joined body has a difference between the zirconia weight ratio of the zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate and the weight ratio of zirconia of the zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate between 5% and 25%. Is good.
上記のパワーモジュール用基板において、接合体は、3層からなり、中央層がジルコニア低率含有アルミナセラミック平板、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板の両側層にジルコニア高率含有アルミナセラミック平板を有するのがよい。 In the above power module substrate, the joined body is composed of three layers, and the central layer has a zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate, and zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plates on both sides of the zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate. Good.
上記のパワーモジュール用基板において、接合体は、3層からなり、中央層がジルコニア高率含有アルミナセラミック平板、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板の両側層にジルコニア低率含有アルミナセラミック平板を有するのがよい。 In the above power module substrate, the joined body is composed of three layers, and the central layer has a zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate, and zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plates on both sides of the zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate. Good.
上記のパワーモジュール用基板において、接合体は、2層からなり、一方の層がジルコニア高率含有アルミナセラミック平板、他方の層がジルコニア低率含有アルミナセラミック平板からなるのがよい。 In the power module substrate described above, the joined body may be composed of two layers, one layer being a zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate and the other layer being a zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate.
上記のパワーモジュール用基板は、セラミック基板がアルミナ(Al2O3)を主成分にジルコニア(ZrO2)を含有し、イットリア(Y2O3)、カルシア(CaO)、マグネシア(MgO)、セリア(CeO2)のいずれか1種以上の焼結助剤を添加してなるジルコニアの含有率がそれぞれ異なるジルコニア高率含有アルミナセラミック平板と、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板の2種類の接合体からなるので、アルミナを主成分としてこれにジルコニアを比較的高率に含有させ、焼結助剤を添加させたジルコニア高率含有アルミナセラミック平板と、アルミナを主成分としてこれにジルコニアを比較的低率に含有させ、焼結助剤を添加させたジルコニア低率含有アルミナセラミック平板との安価な材料で容易に焼成して形成できる厚みの薄型化の必要のない接合体で構成されており、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板による高い曲げ強度と、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板による高い熱伝導率を兼ね備える過酷な環境条件でも使用できるセラミック基板とし、全ての機械的信頼性が高く、安価なパワーモジュール用基板を提供することができる。 In the power module substrate, the ceramic substrate contains alumina (Al 2 O 3 ) as a main component and contains zirconia (ZrO 2 ), and yttria (Y 2 O 3 ), calcia (CaO), magnesia (MgO), and ceria. (CeO 2 ) From two types of joined bodies of a zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate and a zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate each having a different zirconia content rate, to which one or more kinds of sintering aids are added. Therefore, it contains alumina as a main component, zirconia is contained at a relatively high rate in this, a zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate to which a sintering aid is added, and alumina as a main component, and zirconia is contained at a relatively low rate. It is easily sintered with an inexpensive material with a low-zirconia ceramic plate containing zirconia and containing a sintering aid. This is a harsh environment that combines high bending strength with high zirconia-containing alumina ceramic plates and high thermal conductivity with low-zirconia-containing alumina ceramic plates. By using a ceramic substrate that can be used under conditions, it is possible to provide a power module substrate that is highly mechanically reliable and inexpensive.
特に、上記のパワーモジュール用基板においては、接合体は、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板のジルコニアの重量比と、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板のジルコニアの重量比の差が5%以上25%以下からなるので、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板側に曲げ強度、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板側に熱伝導率が高くなるようにすることができる高い曲げ強度と、高い熱伝導率を兼ね備える過酷な環境条件でも使用できる接合体からなるセラミック基板とし、全ての機械的信頼性が高く、安価なパワーモジュール用基板を提供することができる。 In particular, in the power module substrate described above, the joined body has a difference between the zirconia weight ratio of the zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate and the zirconia weight ratio of the zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate between 5% and 25%. Because it consists of a high zirconia high-rate-containing alumina ceramic plate side bending strength, a high zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate side that has high bending strength and high thermal conductivity A ceramic substrate made of a joined body that can be used even under environmental conditions is used, and an inexpensive power module substrate with high mechanical reliability can be provided.
特に、上記のパワーモジュール用基板においては、接合体は、3層からなり、中央層がジルコニア低率含有アルミナセラミック平板、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板の両側層にジルコニア高率含有アルミナセラミック平板を有するので、中央層のジルコニア低率含有アルミナセラミック平板の両側層に同じジルコニア高率含有アルミナセラミック平板とすることで、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板と、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板の焼成時における熱膨張係数差の影響を受けることなく曲がりの少ない接合体からなるパワーモジュール用基板を提供することができる。 In particular, in the power module substrate described above, the joined body is composed of three layers, the central layer is a zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate, and zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plates on both sides of the zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate. Therefore, by using the same zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate on both sides of the central layer zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate, the zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate and the zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate at the time of firing It is possible to provide a power module substrate including a joined body with less bending without being affected by a difference in thermal expansion coefficient.
また、特に、上記のパワーモジュール用基板においては、接合体は、3層からなり、中央層がジルコニア高率含有アルミナセラミック平板、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板の両側層にジルコニア低率含有アルミナセラミック平板を有するので、中央層のジルコニア高率含有アルミナセラミック平板の両側層に同じジルコニア低率含有アルミナセラミック平板とすることで、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板と、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板の焼成時における熱膨張係数差の影響を受けることなく曲がりの少ない接合体からなるパワーモジュール用基板を提供することができる。 In particular, in the power module substrate described above, the joined body is composed of three layers, and the central layer is a zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate, and both sides of the zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate are zirconia low-rate-containing alumina ceramics. Since it has a flat plate, the same zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate is used on both sides of the zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate in the center layer, so that the zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate and the zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate It is possible to provide a power module substrate including a joined body with less bending without being affected by a difference in thermal expansion coefficient at the time.
更に、特に、上記のパワーモジュール用基板においては、接合体は、2層からなり、一方の層がジルコニア高率含有アルミナセラミック平板、他方の層がジルコニア低率含有アルミナセラミック平板からなるので、小島状にちらばる回路銅板を直接接合することで接合部のセラミックが破壊しやすい側に、曲げ強度が比較的高い側のジルコニア高率含有アルミナセラミック平板とすることができ、ベタ状の放熱銅板を直接接合することでセラミックからの伝熱を促進し易い側に、熱伝導率が比較的高い側のジルコニア低率含有アルミナセラミック平板とすることができるパワーモジュール用基板を提供することができる。 Further, in particular, in the above power module substrate, the joined body is composed of two layers, and one layer is composed of a zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate, and the other layer is composed of a zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate. By directly joining the circuit copper plates that are scattered in the shape, the ceramics at the joint can be easily destroyed, and the zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate with relatively high bending strength can be obtained. It is possible to provide a power module substrate that can be a zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate having a relatively high thermal conductivity on the side where heat transfer from the ceramic is easily promoted by direct bonding.
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
図1に示すように、本発明の一実施の形態に係るパワーモジュール用基板10は、セラミック基板11の一方の主面に島状に点在させて設ける回路銅板12と、他方の主面にベタ状に設ける放熱銅板13を接合して有している。この回路銅板12と、放熱銅板13は、セラミック基板11に直接接合、又は活性金属ろう材接合で加熱接合されるようになっている。この直接接合での接合方法とは、予め表面を酸化させた回路銅板12、放熱銅板13をセラミック基板11の表面に当接させ、窒素雰囲気中で焼成して酸化銅の融点(1083℃)付近まで昇温して銅と微量の酸素との反応により生成するCu−O共晶液相を結合剤としてセラミック基板11に直接接合する方法である。また、活性金属ろう材接合での接合方法とは、チタン、ジルコニウム、ベリリウム等のような極めて反応性の大きい、いわゆる活性な金属をAg−Cu系ろう等に加えた活性金属ろう材を用いてセラミック基板11と、回路銅板12、放熱銅板13を接合する方法である。この方法での接合は、先ず、活性金属ろう材からなるペーストをセラミック基板11のそれぞれの表面に塗布し、その上に予め表面を酸化させた回路銅板12、放熱銅板13を当接させ、約750〜850℃程度で加熱してチタン等の酸素との親和力の強さを利用して、直接セラミック基板11に接合する方法である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings to provide an understanding of the present invention.
As shown in FIG. 1, a
上記のパワーモジュール用基板10には、回路銅板12のなかの所定の島にパワートランジスタ等の高熱を発する半導体素子14が搭載されると共に、回路銅板12の他の所定の島に外部接続端子15が接合されるようになっている。そして、パワーモジュール用基板10は、半導体素子14と、回路銅板12の他の所定の島との間をボンディングワイヤ16で接続することで電気的導通回路が形成されるようになっている。また、パワーモジュール用基板10は、回路銅板12上面に接合される半導体素子14からの発熱をセラミック基板11を介して速やかに放熱銅板13に伝熱及び放熱させ、更に放熱銅板13をヒートシンク板17等に接合させて放熱の更なる促進ができるようにしている。
On the
なお、このパワーモジュール用基板10は、焼成済の所定寸法からなるセラミック基板11に1個分が作製される場合があるが、通常は、焼成済の大型のセラミック基板11に複数個のパワーモジュール用基板10が配列する集合体として作製されるようになっている。そして、パワーモジュール用基板10は、集合体から個々に区分するために設けられる分割溝で分割して、所定寸法の1個分のパワーモジュール用基板10としている。
In some cases, one
上記のパワーモジュール用基板10のセラミック基板11には、アルミナ(Al2O3)を主成分にジルコニア(ZrO2)を含有させ、更に、イットリア(Y2O3)、カルシア(CaO)、マグネシア(MgO)、セリア(CeO2)のいずれか1種以上の焼結助剤を添加したものを用いている。そして、このセラミック基板11は、ジルコニアの含有率がそれぞれ異なるジルコニア高率含有アルミナセラミック平板18(図2(A)〜(C)参照)と、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板19(図2(A)〜(C)参照)の2種類を積層し大気中約1550℃程度で焼成した接合体20、20a、20b(図2(A)〜(C)参照)からなっている。
The
上記のジルコニア高率含有アルミナセラミック平板18は、従来の1種類のジルコニア含有アルミナのみからなるセラミック基板の場合よりアルミナの含有率が減って、ジルコニアの含有率が高くなることで曲げ強度を向上できるものの、熱伝導率が低下するようになっている。一方、上記のジルコニア低率含有アルミナセラミック平板19は、従来の1種類のジルコニア含有アルミナのみからなるセラミック基板の場合よりジルコニアの含有率が減って、アルミナの含有率が高くなることで熱伝導率を向上できるものの、曲げ強度が低下するようになっている。上記のパワーモジュール用基板10のセラミック基板11は、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板18と、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板19の接合体20、20a、20bとすることで、それぞれの欠点を補いながら、それぞれの長所を生かせるようにして、曲げ強度と、熱伝導率を高めに維持できるにしている。
The above-mentioned zirconia high-rate-containing alumina ceramic
上記のパワーモジュール用基板10におけるセラミック基板11は、特に、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板18や、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板19のそれぞれに含有させるジルコニアの重量比を限定するものではないが、例えば、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板18には、アルミナの重量比が70%以上95%未満の範囲にして、これにジルコニアの重量比が5%以上30%未満の範囲で含有させ、イットリア、カルシア、マグネシア、セリアのいずれか1種以上の選択された焼結助剤の総量の重量比が0.1%以上2%以下の範囲で添加し、可塑剤、バインダー、及び溶剤を加えて、所定の厚さのシート状のセラミックグリーンシートとしたものを用いることができる。また、例えば、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板19には、アルミナの重量比が95%以上100%未満の範囲にして、これにジルコニアの重量比が0を超え5%未満の範囲で含有させ、イットリア、カルシア、マグネシア、セリアのいずれか1種以上の選択された焼結助剤の総量の重量比が0.1%以上2%以下の範囲で添加し、可塑剤、バインダー、及び溶剤を加えて、所定の厚さのシート状のセラミックグリーンシートとしたものを用いることができる。そして、それぞれのセラミックグリーンシートは、適当なサイズにカットし、それぞれを重ね合わせて温度と圧力をかけて積層し、大気中約1550℃程度で焼成することで、ジルコニアの含有率がそれぞれ異なるジルコニア高率含有アルミナセラミック平板18と、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板19の2種類の接合体20、20a、20bからなるセラミック基板11としている。
The
上記の接合体20、20a、20bは、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板18のジルコニアの重量比と、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板19のジルコニアの重量比の差が5%以上25%以下からなるのがよい。この接合体20、20a、20bは、ジルコニアの含有率の異なる平板の貼り合わせであり、厚み方向にジルコニアの濃度の傾斜を実現できる。そして、この接合体20、20a、20bは、それぞれのジルコニア含有アルミナに含有するジルコニアの重量比の差を5%以上25%以下とすることで、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板18側に曲げ強度、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板19側に熱伝導率が高くなるようにすることができる高い曲げ強度と、高い熱伝導率を兼ね備える過酷な環境条件でも使用できる機械的信頼性の高い接合体20、20a、20bからなるセラミック基板11とすることができる。なお、この接合体20、20a、20bは、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板18のジルコニアの重量比と、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板19のジルコニアの重量比の差が5%を下まわる場合には、それぞれのジルコニア含有アルミナの間に特長の差を設けることができなくなる。また、この接合体20、20a、20bは、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板18のジルコニアの重量比と、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板19のジルコニアの重量比の差が25%を超える場合には、それぞれのジルコニア含有アルミナの間の熱膨張係数差が大きくなり過ぎ、接合体20、20a、20bの反りが大きくなりすぎる。
In the joined
図2(A)に示すように、上記の接合体20は、3層からなるセラミック基板11であり、中央層をジルコニア低率含有アルミナセラミック平板19とし、この両側層にジルコニア高率含有アルミナセラミック平板18を有するのがよい。また、図2(B)に示すように、上記の接合体20aは、3層からなるセラミック基板11であり、中央層をジルコニア高率含有アルミナセラミック平板18とし、この両側層にジルコニア低率含有アルミナセラミック平板19を有するのがよい。更には、図2(C)に示すように、上記の接合体20bは、2層からなるセラミック基板11であり、一方の層をジルコニア高率含有アルミナセラミック平板18とし、これに接して他方の層をジルコニア低率含有アルミナセラミック平板19とするのがよい。
As shown in FIG. 2A, the joined
上記の接合体20、20aは、両側層に同じ種類の平板を配置させることで、ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板18とジルコニア低率含有アルミナセラミック平板19の熱膨張係数差を打ち消してセラミック基板11の反りの発生を防止することができる。また、上記の接合体20bは、曲げ強度に優れるジルコニア高率含有アルミナセラミック平板18側に島状に点在する回路銅板12を設け、島状に点在させることでセラミック基板11にクラックを生させやすいのを防止することができる。これと共に、接合体20bは、熱伝導率に優れるジルコニア低率含有アルミナセラミック平板19側にベタ状の放熱銅板13を設け、半導体素子14からの発熱をセラミック基板11中を速やかに伝熱させ、放熱銅板13及びヒートシンク板17からの放熱を促進させることができる。
The joined
本発明のパワーモジュール用基板は、高電圧が流れ、大量の熱を発生する半導体素子を実装し、例えば、インバーター用や、自動車部品用等として用いるためのパワーモジュール用基板に利用することができる。 The power module substrate of the present invention is mounted with a semiconductor element that generates a large amount of heat through a high voltage, and can be used as a power module substrate for use in, for example, an inverter or an automobile part. .
10:パワーモジュール用基板、11:セラミック基板、12:回路銅板、13:放熱銅板、14:半導体素子、15:外部接続端子、16:ボンディングワイヤ、17:ヒートシンク板、18:ジルコニア高率含有アルミナセラミック平板、19:ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板、20、20a、20b:接合体 10: Power module substrate, 11: Ceramic substrate, 12: Circuit copper plate, 13: Heat dissipation copper plate, 14: Semiconductor element, 15: External connection terminal, 16: Bonding wire, 17: Heat sink plate, 18: Zirconia high content alumina Ceramic flat plate, 19: Alumina ceramic flat plate with a low zirconia content, 20, 20a, 20b: joined body
Claims (5)
前記セラミック基板は、アルミナ(Al2O3)を主成分にジルコニア(ZrO2)を含有し、イットリア(Y2O3)、カルシア(CaO)、マグネシア(MgO)、セリア(CeO2)のいずれか1種以上の焼結助剤を添加してなる前記ジルコニアの含有率がそれぞれ異なるジルコニア高率含有アルミナセラミック平板と、ジルコニア低率含有アルミナセラミック平板の2種類の接合体からなることを特徴とするパワーモジュール用基板。 A circuit copper plate for mounting a semiconductor element on one main surface of the ceramic substrate to form an electrically conductive circuit, and a heat dissipation copper plate for dissipating heat generated from the semiconductor element are bonded to the other main surface. In the power module substrate,
The ceramic substrate contains alumina (Al 2 O 3 ) as a main component and zirconia (ZrO 2 ), and any of yttria (Y 2 O 3 ), calcia (CaO), magnesia (MgO), and ceria (CeO 2 ). Or a zirconia high-rate-containing alumina ceramic flat plate having different zirconia content rates, and one or more kinds of sintering aids added thereto, and a low-zirconia low-rate-containing alumina ceramic flat plate. Power module substrate.
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