JP2019110223A - Power module substrate and manufacturing method therefor - Google Patents

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Abstract

To provide a power module substrate and a manufacturing method therefor that can ensure good inspection accuracy of a bonding interface of each component constituting a power module and the good adhesion between a circuit layer and a resin.SOLUTION: A power module substrate includes a ceramic substrate and a circuit layer made of copper or aluminum formed on one surface of the ceramic substrate, and the circuit layer includes a first circuit layer region on which an element is mounted and a second circuit layer region excluding the first circuit layer region, and is provided such that an average crystal grain diameter of the first circuit layer region is smaller than an average crystal grain diameter of the second circuit layer region.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a power module substrate used for a semiconductor device that controls large current and high voltage, and a method of manufacturing the same.

パワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板として、例えばAlN(窒化アルミニウム)、Al(アルミナ)、Si(窒化ケイ素)等のセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に接合されたアルミニウム(Al)や銅(Cu)等の導電性に優れた金属からなる回路層と、を備えた構成のものが知られている。なお、この種のパワーモジュール用基板には、セラミックス基板の他方の面に熱伝導性に優れた金属からなる金属層を形成することや、金属層を介して放熱層(ヒートシンク)を接合することも行われる。 As a power module substrate used for a power module, for example, a ceramic substrate such as AlN (aluminum nitride), Al 2 O 3 (alumina), Si 3 N 4 (silicon nitride), etc., and one surface of this ceramic substrate are joined There is known a structure having a circuit layer made of a metal excellent in conductivity such as aluminum (Al) or copper (Cu). In this type of power module substrate, a metal layer made of metal excellent in thermal conductivity is formed on the other surface of the ceramic substrate, or a heat dissipation layer (heat sink) is joined via the metal layer. Also done.

例えば、特許文献1には、セラミック基板(セラミックス基板)の表面に銅回路が形成され、又はその銅回路と共にセラミック基板の裏面に放熱銅板が形成された回路基板が開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses a circuit board in which a copper circuit is formed on the surface of a ceramic substrate (ceramic substrate), or a heat dissipation copper plate is formed on the back surface of the ceramic substrate together with the copper circuit.

このように構成されるパワーモジュール用基板の回路層の表面(上面)に、パワー素子等の半導体素子がはんだ付け(実装)されることにより、パワーモジュールが製造される。また、半導体素子が実装されたパワーモジュールは、絶縁性確保やの配線保護等の観点から、ポッティング樹脂やモールディング樹脂で封止することも行われる。   A power module is manufactured by soldering (mounting) a semiconductor element such as a power element on the surface (upper surface) of the circuit layer of the power module substrate configured as described above. In addition, the power module on which the semiconductor element is mounted may be sealed with potting resin or molding resin from the viewpoint of securing insulation, wiring protection, and the like.

特許第3211856号公報Patent No. 3211856

ところで、パワーモジュールにおける回路層と半導体素子との接合界面や、回路層とセラミックス基板との接合界面等の検査は、超音波探査映像装置(SAT:Scanning Acoustic Tomograph)を用いて、半導体素子やパワーモジュール用基板の各層等を介して行われることが知られている。
ところが、セラミックス基板に銅等の金属を接合して回路層を形成する場合、例えば、セラミックス基板に回路層となる銅(Cu)板を接合する場合、通常、Ag-Cu-Ti系等の活性金属ろう材を用いて800℃以上の温度で加熱することが必要となる。このような温度域で加熱した場合、銅の結晶粒が加熱前よりも粗大化する。このため、パワーモジュール用基板(回路層)を介して回路層と半導体素子との接合界面(はんだ接合部)を超音波探査映像装置により検査する際に、回路層での超音波の反射が大きくなり、検査精度を低下させることが問題となっている。
By the way, the inspection of the bonding interface between the circuit layer and the semiconductor element in the power module, the bonding interface between the circuit layer and the ceramic substrate, etc. is carried out using an ultrasonic scanning imaging device (SAT: Scanning Acoustic Tomograph). It is known to be performed via each layer of a module substrate.
However, when joining a metal such as copper to a ceramic substrate to form a circuit layer, for example, when joining a copper (Cu) plate to be a circuit layer to a ceramic substrate, the activity of an Ag-Cu-Ti system or the like is usually It is necessary to heat at a temperature of 800 ° C. or more using a metal brazing material. When heated in such a temperature range, copper crystal grains become coarser than before heating. Therefore, when the bonding interface (solder bonding portion) between the circuit layer and the semiconductor element is inspected by the ultrasonic imaging apparatus through the power module substrate (circuit layer), the reflection of ultrasonic waves in the circuit layer is large. It is a problem to reduce the inspection accuracy.

一方、この対策として、高熱を加えても結晶粒が粗大化しにくい材料を回路層に用いることが考えらえるが、この場合には回路層表面の表面粗度(表面粗さ)が小さくなるため、半導体素子を実装したパワーモジュールを樹脂封止する際に、樹脂と回路層との密着性を低下させることが問題となる。   On the other hand, it is conceivable to use a material for the circuit layer in which the crystal grains are not easily coarsened even if high heat is applied as a countermeasure, but in this case, the surface roughness (surface roughness) of the circuit layer surface decreases. When resin-sealing a power module mounted with a semiconductor element, there is a problem that the adhesion between the resin and the circuit layer is reduced.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、パワーモジュールを構成する各部品の接合界面の検査精度を良好に確保するとともに、回路層と樹脂との密着性を良好に確保できるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and ensures good inspection accuracy of the bonding interface of each component constituting the power module, and can ensure good adhesion between the circuit layer and the resin. An object of the present invention is to provide a module substrate and a method of manufacturing the same.

本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板と該セラミックス基板の一方の面に形成された銅又はアルミニウムからなる回路層とを備え、前記回路層は、素子が搭載される第1回路層領域と該第1回路層領域を除いた第2回路層領域とを備え、前記第1回路層領域の平均結晶粒径が、前記第2回路層領域の平均結晶粒径よりも小さく設けられている。   The power module substrate according to the present invention comprises a ceramic substrate and a circuit layer made of copper or aluminum formed on one surface of the ceramic substrate, wherein the circuit layer is a first circuit layer region on which an element is mounted And a second circuit layer area excluding the first circuit layer area, wherein an average crystal grain size of the first circuit layer area is smaller than an average crystal grain size of the second circuit layer area.

このパワーモジュール用基板の回路層は、半導体素子等の素子が搭載(実装)される第1回路層領域の平均結晶粒径を周辺の第2回路層領域の平均結晶粒径よりも小さくしているので、超音波探査映像装置により回路層を介して素子と回路層との接合界面を検査する際に、回路層でも超音波の反射を低減でき、検査精度を良好に確保できる。
一方、第1回路層領域の周辺の第2回路層領域は、第1回路層領域よりも平均結晶粒径を大きくしているので、第1回路層領域よりも第2回路層領域の表面の表面粗度(表面粗さ)を大きく設けることができる。回路層上に素子を実装したパワーモジュールを樹脂封止する際には、回路層の周縁に配置される角部に応力が集中しやすいので、周縁に配置される第2回路層領域の表面粗度を大きく設けておくことで、モールド樹脂を回路層の周縁に強固に固定でき、モールド樹脂と回路層との密着性を良好に確保できる。
In the circuit layer of the power module substrate, the average crystal grain size in the first circuit layer area on which an element such as a semiconductor element is mounted is smaller than the average crystal grain size in the peripheral second circuit layer area. Therefore, when the bonding interface between the element and the circuit layer is inspected through the circuit layer by the ultrasonic imaging apparatus, the reflection of the ultrasonic wave can be reduced even in the circuit layer, and the inspection accuracy can be favorably maintained.
On the other hand, since the second crystal layer region in the periphery of the first circuit layer region has an average crystal grain size larger than that of the first circuit layer region, the surface of the second circuit layer region is larger than the first circuit layer region. The surface roughness (surface roughness) can be set large. When a power module having elements mounted on a circuit layer is resin-sealed, stress tends to be concentrated at the corner portions disposed at the periphery of the circuit layer, so the surface roughness of the second circuit layer region disposed at the periphery By providing a large degree, the mold resin can be firmly fixed to the peripheral edge of the circuit layer, and the adhesion between the mold resin and the circuit layer can be favorably maintained.

本発明のパワーモジュール用基板の好適な実施態様として、前記セラミックス基板の他方の面に前記回路層と同じ金属からなる金属層を備え、前記金属層は少なくとも前記第1回路層領域に対向して配置される第1金属層領域を備え、前記第1金属層領域が前記第1回路層領域と同じ平均結晶粒径に設けられているとよい。   As a preferred embodiment of the power module substrate according to the present invention, a metal layer made of the same metal as the circuit layer is provided on the other surface of the ceramic substrate, and the metal layer faces at least the first circuit layer region. The first metal layer region may be disposed, and the first metal layer region may be provided to have the same average crystal grain size as the first circuit layer region.

セラミックス基板の他方の面に金属層を備えるパワーモジュール用基板でも、回路層の第1回路層領域に対向する第1金属層領域を、第1回路層領域と同じ平均結晶粒径に設けておくことで、超音波探査映像装置によりパワーモジュール用基板を介して素子と回路層との接合界面を検査する際に、回路層に加えて金属層でも超音波の反射を低減でき、検査精度を良好に確保できる。   Even in a power module substrate having a metal layer on the other surface of the ceramic substrate, the first metal layer region facing the first circuit layer region of the circuit layer is provided with the same average crystal grain size as the first circuit layer region. Thus, when inspecting the bonding interface between the element and the circuit layer through the power module substrate by the ultrasonic imaging apparatus, the reflection of the ultrasonic wave can be reduced even in the metal layer in addition to the circuit layer, and the inspection accuracy is good. Can be secured.

本発明のパワーモジュール用基板の好適な実施態様として、前記回路層が銅のとき、前記第1回路層領域の平均結晶粒径が250μm未満であるとよい。また、前記回路層がアルミニウムのとき、前記第1回路層領域の平均結晶粒径が375μm未満であるとよい。   As a preferred embodiment of the power module substrate according to the present invention, when the circuit layer is copper, an average crystal grain size of the first circuit layer region may be less than 250 μm. In addition, when the circuit layer is aluminum, an average crystal grain size of the first circuit layer region may be less than 375 μm.

回路層が銅又はアルミニウムのときに、第1回路層領域の平均結晶粒径を上記範囲内に調整することにより、超音波探査映像装置による検査精度と、樹脂封止時の密着性との双方を、良好に確保できる。   When the circuit layer is copper or aluminum, by adjusting the average crystal grain size of the first circuit layer region to the above range, both the inspection accuracy by the ultrasonic imaging apparatus and the adhesion at the time of resin sealing Can be secured well.

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層となる金属板を接合して前記セラミックス基板に前記回路層を形成する回路層形成工程を有しており、前記回路層のうち、素子が搭載される第1回路層領域となる第1金属材として、前記第1回路層領域を除いた第2回路層領域となる第2金属材よりも加熱による結晶粒の粗大化が抑制された結晶粒抑制材を用意しておき、前記回路層形成工程において、前記第1金属材と前記第2金属材とをろう接合材を介して隣接させて配置するとともに、これらの前記第1金属材と前記ろう接合材と前記第2金属材との回路層用積層体を前記ろう接合材と同じろう接合材を介して前記セラミックス基板の一方の面に重ねて配置した状態で、前記セラミックス基板と前記回路層用積層体との積層方向に加圧して加熱することにより、前記第1金属材と前記第2金属材とを接合するとともに、前記第1金属材と前記第2金属材とを前記セラミックス基板に接合して、前記セラミックス基板の一方の面に前記第1回路層領域と前記第2回路層領域とを有する前記回路層を形成する。   The method for manufacturing a power module substrate according to the present invention includes a circuit layer forming step of bonding a metal plate to be a circuit layer to one surface of a ceramic substrate to form the circuit layer on the ceramic substrate, Among the circuit layers, as a first metal material to be a first circuit layer region on which the element is mounted, crystal grains by heating rather than a second metal material to be a second circuit layer region excluding the first circuit layer region A crystal grain suppressing material in which coarsening is suppressed is prepared, and in the circuit layer forming step, the first metal material and the second metal material are disposed adjacent to each other via a brazing material, and A laminate of the first metal material, the brazing material, and the second metal material for the circuit layer is disposed on one surface of the ceramic substrate via the same brazing material as the brazing material. In front of the ceramic substrate The first metal material and the second metal material are joined by pressing and heating in the stacking direction with the circuit layer laminate, and the first metal material and the second metal material are made of the ceramic. Bonding to a substrate, the circuit layer having the first circuit layer region and the second circuit layer region is formed on one surface of the ceramic substrate.

このように、第1金属材として、第2金属材よりも加熱による結晶粒の粗大化が抑制された結晶粒抑制材を用いることで、第1回路層領域と第2回路層領域とを備える回路層を容易に形成できる。また、回路層形成工程では、回路層を構成する第1金属材と第2金属材との接合と、これら第1金属材及び第2金属材とセラミックス基板との接合とを同時に行うことができ、それぞれに必要なろう接合材に共通するものを用いることができるので、パワーモジュール用基板の製造工程を簡略化できる。   Thus, the first circuit layer region and the second circuit layer region are provided by using, as the first metal material, the crystal grain suppressing material in which the coarsening of crystal grains due to heating is suppressed more than the second metal material. The circuit layer can be easily formed. Further, in the circuit layer forming step, bonding of the first metal material and the second metal material constituting the circuit layer and bonding of the first metal material and the second metal material to the ceramic substrate can be simultaneously performed. Since it is possible to use a common brazing filler material required for each, the manufacturing process of the power module substrate can be simplified.

本発明によれば、パワーモジュールを構成する各部品の接合界面の検査精度を良好に確保するとともに、回路層と樹脂との密着性を良好に確保できる。   According to the present invention, the inspection accuracy of the bonding interface of each component constituting the power module can be favorably secured, and the adhesion between the circuit layer and the resin can be favorably secured.

本発明の第1実施形態のパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを模式的に表した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view which represented typically the power module using the board | substrate for power modules of 1st Embodiment of this invention. 図1に示すパワーモジュール用基板の模式図であり、(a)が縦断面図、(b)が回路層側から視た平面図である。It is a schematic diagram of the board | substrate for power modules shown in FIG. 1, (a) is a longitudinal cross-sectional view, (b) is the top view seen from the circuit layer side. 図2に示すパワーモジュール用基板の製造方法を工程順に示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules shown in FIG. 2 to process order. 本発明の第2実施形態のパワーモジュール用基板を模式的に表した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view which represented typically the board | substrate for power modules of 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態のパワーモジュール用基板を模式的に表した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view which represented typically the board | substrate for power modules of 3rd Embodiment of this invention. 両面冷却構造のパワーモジュールを模式的に表した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view which represented typically the power module of a double-sided cooling structure.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の第1実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法により製造されるパワーモジュール用基板10を用いたパワーモジュール101を示している。このパワーモジュール101は、パワーモジュール用基板10と、パワーモジュール用基板10の表面に搭載された半導体素子等の素子91とを備え、素子91とパワーモジュール用基板10とがエポキシ樹脂等からなるモールド樹脂81により樹脂封止されたものである。このパワーモジュール101は、パワーモジュール101の露出面(パワーモジュール用基板10の露出面)をヒートシンク(図示略)等の表面に押し付けて固定された状態で使用される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a power module 101 using a power module substrate 10 manufactured by the method for manufacturing a power module substrate according to the first embodiment of the present invention. The power module 101 includes a power module substrate 10 and an element 91 such as a semiconductor element mounted on the surface of the power module substrate 10, and the element 91 and the power module substrate 10 are molded of epoxy resin or the like. The resin is sealed with a resin 81. The power module 101 is used in a state where the exposed surface of the power module 101 (the exposed surface of the power module substrate 10) is pressed against and fixed to a surface such as a heat sink (not shown).

パワーモジュール用基板10は、図2(a)に示すように、セラミックス基板11と、セラミックス基板11の一方の面に形成された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面に形成された金属層13と、を備えている。
セラミックス基板11は、AlN(窒化アルミニウム)、Al(アルミナ)、Si(窒化ケイ素)等のセラミックス材料により形成される。
As shown in FIG. 2A, the power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 formed on one surface of the ceramic substrate 11, and a metal formed on the other surface of the ceramic substrate 11. And a layer 13.
The ceramic substrate 11 is formed of a ceramic material such as AlN (aluminum nitride), Al 2 O 3 (alumina), Si 3 N 4 (silicon nitride) or the like.

回路層12は、銅(純銅又は銅合金)又はアルミニウム(純アルミニウム又はアルミニウム合金)により形成され、これらの金属からなる金属板をセラミックス基板11の一方の面にAg‐Cu‐Ti系もしくはAl‐Si系等のろう接合材により接合することで形成される。また、回路層12は、図1及び図2に示すように、素子91が搭載される第1回路層領域121と、その第1回路層領域121を除いた第2回路層領域122と、を備えており、第1回路層領域121の平均結晶粒径が第2回路層領域122の平均結晶粒径よりも小さく設けられている。また、第1回路層領域121の周辺の第2回路層領域122は、第1回路層領域121よりも平均結晶粒径を大きくしているので、第1回路層領域121よりも第2回路層領域122の表面の表面粗度(表面粗さ、算術平均粗さRa)が大きく設けられる。
なお、図1の符号92は、素子91を固着するはんだ材等の接合層を示しており、素子91が搭載される領域とは、この接合層92の形成領域までを含むものとする。
The circuit layer 12 is formed of copper (pure copper or copper alloy) or aluminum (pure aluminum or aluminum alloy), and a metal plate made of these metals is formed of Ag—Cu—Ti or Al— on one side of the ceramic substrate 11. It forms by joining by brazing joining materials, such as Si type | system | group. Further, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, the circuit layer 12 includes a first circuit layer region 121 on which the element 91 is mounted, and a second circuit layer region 122 excluding the first circuit layer region 121. The average crystal grain size of the first circuit layer area 121 is smaller than the average crystal grain size of the second circuit layer area 122. In addition, since the second circuit layer region 122 in the periphery of the first circuit layer region 121 has an average crystal grain size larger than that of the first circuit layer region 121, the second circuit layer is more than the first circuit layer region 121. The surface roughness (surface roughness, arithmetic mean roughness Ra) of the surface of the region 122 is provided large.
Reference numeral 92 in FIG. 1 denotes a bonding layer such as a solder material for fixing the element 91, and the region on which the element 91 is mounted includes the region where the bonding layer 92 is formed.

第1実施形態では、図2(b)の回路層12側から視た平面図に示すように、第1回路層領域121が矩形状に設けられており、その第1回路層領域121の周囲を囲むようにして矩形枠状の第2回路層領域122が設けられている。なお、第1回路層領域121や第2回路層領域122の形状は上記の形状に限定されるものではなく、円形等の任意の形状で形成することもできる。   In the first embodiment, as shown in the plan view of FIG. 2B viewed from the circuit layer 12 side, the first circuit layer region 121 is provided in a rectangular shape, and the periphery of the first circuit layer region 121 is provided. To surround the second circuit layer region 122 in the shape of a rectangular frame. The shapes of the first circuit layer region 121 and the second circuit layer region 122 are not limited to the above shapes, and can be formed in any shape such as a circle.

第1回路層領域121の平均結晶粒径は、回路層12が銅(Cu)のとき250μm未満であることが好ましい。一方、回路層12がアルミニウム(Al)のとき、第1回路層領域121の平均結晶粒径が375μm未満であることが好ましい。
第1回路層領域121の平均結晶粒径を上記範囲内に調整することにより、回路層12における超音波の反射を低減でき、回路層12を介して行う超音波探査映像装置(SAT)による検査精度を良好に確保できる。一方、回路層12上に素子91を実装したパワーモジュール101を樹脂封止する際には、回路層12の周縁に配置される角部に応力が集中しやすいことから、周縁に配置される第2回路層領域122の表面粗度を大きく設けておくことで、モールド樹脂81を回路層12の周縁に強固に固定できる。したがって、超音波探査映像装置による検査精度と、樹脂封止時の密着性との双方を、良好に確保できる。なお、樹脂封止時の密着性を確実に確保するためには、第1回路層領域121を回路層12の周縁から0.5mm以上内側の領域に形成し、第2回路層領域122の形成領域を確保することが望ましい。
The average crystal grain size of the first circuit layer region 121 is preferably less than 250 μm when the circuit layer 12 is copper (Cu). On the other hand, when the circuit layer 12 is aluminum (Al), the average crystal grain size of the first circuit layer region 121 is preferably less than 375 μm.
By adjusting the average crystal grain size of the first circuit layer region 121 within the above range, the reflection of ultrasonic waves in the circuit layer 12 can be reduced, and inspection by the ultrasonic imaging and inspection device (SAT) performed through the circuit layer 12 Good accuracy can be ensured. On the other hand, when the power module 101 in which the element 91 is mounted on the circuit layer 12 is resin-sealed, the stress is easily concentrated on the corner portions disposed on the periphery of the circuit layer 12. The mold resin 81 can be firmly fixed to the periphery of the circuit layer 12 by setting the surface roughness of the two circuit layer region 122 large. Therefore, both the inspection accuracy by the ultrasonic imaging apparatus and the adhesion at the time of resin sealing can be favorably secured. In addition, in order to ensure the adhesiveness at the time of resin sealing reliably, the first circuit layer area 121 is formed in an area 0.5 mm or more from the peripheral edge of the circuit layer 12, and the second circuit layer area 122 is formed. It is desirable to secure the area.

金属層13は、回路層12と同じ金属からなり、回路層12と同様に、金属板をセラミックス基板11の他方の面にろう接合材により接合することで形成される。また、図1及び図2(a)に示すように、金属層13は、少なくとも第1回路層領域121に対向して配置される第1金属層領域131を備え、この第1金属層領域131が第1回路層領域121と同じ平均結晶粒径に設けられている。この場合、金属層13は、第1金属層領域131を除いた部分、すなわち第2回路層領域122に対向する部分に矩形枠状の第2金属層領域132が設けられており、第1金属層領域131の平均結晶粒径が第2金属層領域132の平均結晶粒径よりも小さく設けられている。
なお、図1等では、金属層13が回路層12と同じ平面積で形成されているが、金属層13は回路層12と異なる平面積としてもよい。
The metal layer 13 is made of the same metal as the circuit layer 12 and is formed by bonding a metal plate to the other surface of the ceramic substrate 11 with a brazing material as in the circuit layer 12. In addition, as shown in FIGS. 1 and 2A, the metal layer 13 includes at least a first metal layer region 131 disposed to face the first circuit layer region 121, and the first metal layer region 131 is provided. Are provided at the same average crystal grain size as the first circuit layer area 121. In this case, the metal layer 13 is provided with a rectangular frame-shaped second metal layer region 132 in a portion excluding the first metal layer region 131, that is, a portion facing the second circuit layer region 122. The average grain size of the layer region 131 is smaller than the average grain size of the second metal layer region 132.
Although the metal layer 13 is formed to have the same plane area as the circuit layer 12 in FIG. 1 and the like, the metal layer 13 may have a plane area different from that of the circuit layer 12.

第1回路層領域121及び第2回路層領域122、第1金属層領域131及び第2金属層領域132の各平均結晶粒径は、例えば、光学顕微鏡を用いて測定される。本実施形態では、光学顕微鏡により観察される既知の面積(例えば5000mm)の測定範囲内に完全に含まれる結晶粒の数と、測定範囲の周辺で切断されている結晶粒の半分の数と、を足した数を全結晶粒数とし、測定範囲の面積を全結晶粒数で割った面積から、円相当径(金属粒子の単位面積と同じ面積を持つ円の直径)を算出し、この円相当径を各平均結晶粒径とした。 The average crystal grain size of each of the first circuit layer area 121 and the second circuit layer area 122, the first metal layer area 131, and the second metal layer area 132 is measured, for example, using an optical microscope. In this embodiment, the number of crystal grains completely included in the measurement range of a known area (for example, 5000 mm 2 ) observed by an optical microscope, and the number of half of the crystal grains cut around the measurement range The circle equivalent diameter (the diameter of a circle having the same area as the unit area of the metal particles) is calculated from the area obtained by dividing the area of the measurement range by the total number of crystal grains, with the total number of crystal grains as the total number of crystal grains. The equivalent circle diameter was taken as each average grain size.

このように構成されるパワーモジュール用基板10の諸寸法について、一例を挙げると、Si(窒化ケイ素)からなるセラミックス基板11の板厚が0.1mm〜1.5mm、Cu(銅)からなる回路層12及び金属層13の板厚が0.05mm〜3.0mmとされる。ただし、これらの寸法は、上記数値範囲に限られるものではない。 Regarding the dimensions of the power module substrate 10 configured as above, for example, the thickness of the ceramic substrate 11 made of Si 3 N 4 (silicon nitride) is 0.1 mm to 1.5 mm, Cu (copper) The board thickness of the circuit layer 12 and the metal layer 13 which consist of these is 0.05 mm-3.0 mm. However, these dimensions are not limited to the above numerical range.

素子91は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、FWD(Free Wheeling Diode)等の種々の半導体素子が選択される。この場合、素子91は、図示を省略するが、上部に上部電極部が設けられ、下部に下部電極部が設けられており、下部電極部が回路層12の上面にはんだ付け等により接合されることで、素子91が回路層12の上面に搭載されている。また、素子91の上部電極部は、リードフレーム(図示略)等を介して回路層12の回路電極部等に接続される。   The element 91 is an electronic component provided with a semiconductor, and various functions such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), a free wheeling diode (FWD), and the like according to the required function. A semiconductor device is selected. In this case, although the device 91 is not shown, an upper electrode portion is provided at the upper portion, a lower electrode portion is provided at the lower portion, and the lower electrode portion is joined to the upper surface of the circuit layer 12 by soldering or the like. Thus, the element 91 is mounted on the top surface of the circuit layer 12. The upper electrode portion of the element 91 is connected to the circuit electrode portion or the like of the circuit layer 12 through a lead frame (not shown) or the like.

また、パワーモジュール101は、素子91とパワーモジュール用基板10とが、金属層13の裏面側を除いてモールド樹脂81により樹脂封止されることにより一体化されている。モールド樹脂81としては、例えばSiOフィラー入りのエポキシ系樹脂等を用いることができ、例えばトランスファーモールドにより成形される。 Further, the power module 101 is integrated by resin-sealing the element 91 and the power module substrate 10 with the mold resin 81 except for the back surface side of the metal layer 13. As the mold resin 81, for example, an epoxy resin containing SiO 2 filler can be used, and for example, it is molded by transfer molding.

次に、パワーモジュール用基板10を製造する方法について、図3を用いて工程順に説明する。   Next, a method of manufacturing the power module substrate 10 will be described in the order of steps with reference to FIG.

図1及び図2に示すように、セラミックス基板11の両面にそれぞれ回路層12と金属層13とを備えるパワーモジュール用基板10については、回路層12を形成する回路層形成工程と、金属層13を形成する金属層形成工程とを、同時に行うことができる。回路層形成工程では、セラミックス基板11の一方の面に回路層12となる金属板を接合してセラミックス基板11に回路層12を形成する。また、金属層形成工程では、セラミックス基板11の他方の面に金属層13となる金属板を接合してセラミックス基板11金属層13を形成する。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the power module substrate 10 having the circuit layer 12 and the metal layer 13 on both sides of the ceramic substrate 11, the circuit layer forming step of forming the circuit layer 12 and the metal layer 13. And the metal layer forming step of forming the metal layer can be performed simultaneously. In the circuit layer forming step, a metal plate to be the circuit layer 12 is joined to one surface of the ceramic substrate 11 to form the circuit layer 12 on the ceramic substrate 11. In the metal layer forming step, a metal plate to be the metal layer 13 is joined to the other surface of the ceramic substrate 11 to form the ceramic substrate 11 metal layer 13.

回路層12となる金属板として、図3(a)に示すように、第1回路層領域121となる第1金属材221aと、第2回路層領域122となる第2金属材222aとを用意する。第1金属材221aには、第2回路層領域122となる第2金属材222aよりも加熱による結晶粒の粗大化が抑制された結晶粒抑制材を用いる。結晶粒抑制材は、銅材であれば、800℃で加熱した際に、結晶粒の粗大化が抑制され、平均結晶粒径が250μm未満とされるものを好適に用いることができる。具体的には、第1金属材221aには、結晶粒抑制材として、古河電工株式会社製のGOFCを用いることができる。これに対し、第2金属材222aには、一般的な圧延板の無酸素銅(OFC)を用いることができる。第2金属材222aは、800℃で加熱した際に結晶粒が粗大化し、平均結晶粒径が250μm以上となる。   As a metal plate to be the circuit layer 12, as shown in FIG. 3A, a first metal material 221a to be the first circuit layer region 121 and a second metal material 222a to be the second circuit layer region 122 are prepared. Do. As the first metal material 221 a, a crystal grain suppressing material in which coarsening of crystal grains due to heating is suppressed is used more than that of the second metal material 222 a that is to be the second circuit layer region 122. As the crystal grain suppressing material, if it is a copper material, when it is heated at 800 ° C., coarsening of crystal grains is suppressed, and a material having an average crystal grain size of less than 250 μm can be suitably used. Specifically, GOFC manufactured by Furukawa Electric Co., Ltd. can be used for the first metal material 221 a as a crystal grain suppressing material. On the other hand, oxygen-free copper (OFC) of a general rolling plate can be used for the second metal material 222a. When the second metal material 222 a is heated at 800 ° C., the crystal grains become coarse, and the average crystal grain size becomes 250 μm or more.

なお、これらの金属材221a,222aは、それぞれプレス加工により板材を打ち抜くことで所望の外形に形成される。例えば、第1金属材221aは、素子91を搭載可能な平面積を有する矩形板状に形成される。一方、第2金属材222aは、第1金属材221aを嵌め込むことが可能な矩形孔223を有し、第1金属材221aよりも大判の矩形板状に形成される。   In addition, these metal materials 221a and 222a are each formed in a desired external shape by punching out a plate material by press processing. For example, the first metal material 221 a is formed in a rectangular plate shape having a plane area on which the element 91 can be mounted. On the other hand, the second metal material 222a has a rectangular hole 223 into which the first metal material 221a can be fitted, and is formed in a rectangular plate shape larger than the first metal material 221a.

また、本実施形態では、金属層13となる金属板は、回路層12となる金属材221a,222aと同様の構成により形成される。つまり、金属層13となる金属板として、第1金属材221aと同じ構成の第1金属材221bと、第2金属材222aと同じ構成の第2金属材222bとを用いる。   Further, in the present embodiment, the metal plate to be the metal layer 13 is formed in the same configuration as the metal materials 221 a and 222 a to be the circuit layer 12. That is, as the metal plate to be the metal layer 13, the first metal material 221b having the same configuration as the first metal material 221a and the second metal material 222b having the same configuration as the second metal material 222a are used.

また、これらの第1金属材221a,221b、第2金属材222a,222b及びセラミックス基板11を接合するろう接合材224としては、例えばAg‐Cu‐Ti系ろう材を用いることができる。この場合、ろう接合材224は、予め第1金属材221a,221b及び第2金属材222a,222bの各接合面又はいずれかの接合面に塗布しておくことで、容易に取り扱うことができる。図3(b)では、第1金属材221aの下面及び第1金属材221bの上面に予めろう接合材224を塗布するとともに、第2金属材222aの下面及び矩形孔223の内面と、第2金属材の222bの上面と矩形孔223の内面とに予めろう接合材224を塗布している。   Further, as the brazing material 224 for joining the first metal materials 221a and 221b, the second metal materials 222a and 222b, and the ceramic substrate 11, for example, an Ag-Cu-Ti-based brazing material can be used. In this case, the brazing material 224 can be easily handled by applying the brazing material in advance to each bonding surface or any bonding surface of the first metal materials 221a and 221b and the second metal materials 222a and 222b. In FIG. 3B, the brazing material 224 is applied in advance to the lower surface of the first metal material 221a and the upper surface of the first metal material 221b, and the lower surface of the second metal material 222a and the inner surface of the rectangular hole 223, and the second The brazing material 224 is applied in advance to the upper surface of the metal material 222 b and the inner surface of the rectangular hole 223.

図2(c)に示すように、回路層12を形成する第1金属材221aと第2金属材222aとをろう接合材224を介して隣接して配置するとともに、これらの第1金属材221aとろう接合材224と第2金属材222aとで構成される回路層用積層体251を、同じろう接合材224を介してセラミックス基板11の一方の面に重ねて配置する。また、同様に、セラミックス基板11の他方の面に、金属層13を形成する第1金属材221bとろう接合材224と第2金属材222bとで構成される金属層用積層体252を、同じろう接合材224を介して重ねて配置する。この状態で、図2(c)に白抜き矢印で示すように、金属層用積層体252、セラミックス基板11、回路層用積層体251の積層方向に加圧して加熱する。   As shown in FIG. 2C, the first metal material 221a and the second metal material 222a that form the circuit layer 12 are disposed adjacent to each other via the brazing material 224, and these first metal materials 221a are also provided. The circuit layer laminate 251 composed of the brazing material 224 and the second metal material 222 a is disposed on one surface of the ceramic substrate 11 with the same brazing material 224 interposed therebetween. Similarly, on the other surface of the ceramic substrate 11, the metal layer laminate 252 composed of the first metal material 221b forming the metal layer 13, the brazing material 224, and the second metal material 222b is the same. It arrange | positions via the brazing bonding material 224 in piles. In this state, as shown by a white arrow in FIG. 2C, the metal layer laminate 252, the ceramic substrate 11, and the circuit layer laminate 251 are pressurized and heated in the stacking direction.

これにより、回路層12となる第1金属材221aと第2金属材222aとを接合するとともに、これらの第1金属材221aと第2金属材222aとをセラミックス基板11の一方の面に接合して、セラミックス基板11の一方の面に第1回路層領域121と第2回路層領域122とを有する回路層12を形成する。また、同時に、金属層13となる第1金属材221bと第2金属材222bとを接合するとともに、これらの第1金属材221bと第2金属材222bとをセラミックス基板11の他方の面に接合して、セラミックス基板11の他方の面に第1金属層領域131と第2金属層領域132とを有する金属層13を形成する。これにより、図2(d)に示すように、金属層13とセラミックス基板11と回路層12とが順に積層されたパワーモジュール用基板10が製造される。   Thereby, while joining the 1st metal material 221a and the 2nd metal material 222a used as circuit layer 12, these 1st metal material 221a and the 2nd metal material 222a are joined to one side of ceramics board 11, Then, the circuit layer 12 having the first circuit layer area 121 and the second circuit layer area 122 is formed on one surface of the ceramic substrate 11. At the same time, the first metal material 221b and the second metal material 222b to be the metal layer 13 are joined, and the first metal material 221b and the second metal material 222b are joined to the other surface of the ceramic substrate 11 Then, the metal layer 13 having the first metal layer region 131 and the second metal layer region 132 is formed on the other surface of the ceramic substrate 11. As a result, as shown in FIG. 2D, the power module substrate 10 in which the metal layer 13, the ceramic substrate 11, and the circuit layer 12 are sequentially stacked is manufactured.

そして、このようにして製造されたパワーモジュール用基板10に、図1に示すように、素子91を搭載する。素子91は、回路層12の第1回路層領域121の上面に、例えば銀焼結やはんだ接合材からなる接合層92を介して接合する。また、図示は省略するが、素子91に必要な配線等を接続し、回路層12と素子91とを電気的に接続してパワーモジュール101を製造する。その後、金属層13の下面を除いたパワーモジュール101の全体をモールド樹脂81により封止する。回路層12の周縁に設けられる第2回路層領域122の表面は、第1回路層領域121の表面よりも表面粗さが大きく設けられているため、モールド樹脂81が回路層12の表面に大きく露出する第2回路層領域122の表面に密着して、強固に接合することができる。   Then, as shown in FIG. 1, the element 91 is mounted on the power module substrate 10 manufactured in this manner. The element 91 is bonded to the upper surface of the first circuit layer area 121 of the circuit layer 12 via a bonding layer 92 made of, for example, silver sintering or a solder bonding material. Moreover, although illustration is abbreviate | omitted, a required wiring etc. are connected to the element 91, the circuit layer 12 and the element 91 are electrically connected, and the power module 101 is manufactured. Thereafter, the entire power module 101 excluding the lower surface of the metal layer 13 is sealed with the mold resin 81. The surface of the second circuit layer region 122 provided on the periphery of the circuit layer 12 is provided with a larger surface roughness than the surface of the first circuit layer region 121, so the mold resin 81 is large on the surface of the circuit layer 12. It can be tightly bonded to the surface of the exposed second circuit layer region 122 in intimate contact therewith.

このように構成されるパワーモジュール101のパワーモジュール用基板10では、回路層12を、素子91が搭載(実装)される第1回路層領域121の平均結晶粒径を周辺の第2回路層領域122の平均結晶粒径よりも小さくしているので、超音波探査映像装置により回路層12を介して素子91と回路層12との接合界面を検査する際に、回路層12でも超音波の反射を低減でき、検査精度を良好に確保できる。また、セラミックス基板11の他方の面に形成された金属層13でも、回路層12の第1回路層領域121に対向する第1金属層領域131を、第1回路層領域121と同じ平均結晶粒径に設けているので、超音波探査映像装置によりパワーモジュール用基板10を介して素子91と回路層12との接合界面を検査する際に、回路層12に加えて金属層13でも超音波の反射を低減でき、検査精度を良好に確保できる。   In the power module substrate 10 of the power module 101 configured as described above, the circuit layer 12 is mounted on (mounted on) the element 91, and the average crystal grain size of the first circuit layer region 121 is used as the peripheral second circuit layer region. Because the average crystal grain size of 122 is made smaller, reflection of the ultrasonic wave is also reflected in the circuit layer 12 when the bonding interface between the element 91 and the circuit layer 12 is inspected via the circuit layer 12 by the ultrasonic imaging apparatus. Can be reduced, and inspection accuracy can be secured satisfactorily. Further, even in the metal layer 13 formed on the other surface of the ceramic substrate 11, the first metal layer region 131 facing the first circuit layer region 121 of the circuit layer 12 has the same average crystal grain as the first circuit layer region 121 Because the diameter is provided, when inspecting the bonding interface between the element 91 and the circuit layer 12 through the power module substrate 10 with the ultrasonic imaging apparatus, ultrasonic waves can be generated from the metal layer 13 in addition to the circuit layer 12. The reflection can be reduced, and the inspection accuracy can be satisfactorily maintained.

一方、回路層12の第1回路層領域121の周辺の第2回路層領域122は、第1回路層領域121よりも平均結晶粒径を大きくしているので、第1回路層領域121よりも第2回路層領域122の表面の表面粗度(表面粗さ)を大きく設けることができる。回路層12上に素子91を実装したパワーモジュール101を樹脂封止する際には、回路層12の周縁に配置される角部に応力が集中しやすいので、周縁に配置さえる第2回路層領域122の表面粗度を大きく設けておくことで、樹脂を回路層12の周縁に強固に固定でき、樹脂と回路層12との密着性を良好に確保できる。このように構成されるパワーモジュール101は、使用環境において熱サイクル等が作用するが、モールド樹脂81が回路層12表面に強固に密着しているため剥がれにくく、長期的信頼性を向上させることができる。   On the other hand, since the second crystal layer area 122 around the first circuit layer area 121 of the circuit layer 12 has an average crystal grain size larger than that of the first circuit layer area 121, the second crystal layer area 122 is larger than the first circuit layer area 121. The surface roughness (surface roughness) of the surface of the second circuit layer area 122 can be set large. When resin sealing the power module 101 in which the element 91 is mounted on the circuit layer 12, stress tends to be concentrated at the corner portions disposed on the peripheral edge of the circuit layer 12, so the second circuit layer region disposed on the peripheral edge By providing a large surface roughness 122, the resin can be firmly fixed to the peripheral edge of the circuit layer 12, and the adhesion between the resin and the circuit layer 12 can be favorably maintained. The power module 101 configured in this way is subject to thermal cycles and the like in the use environment, but the mold resin 81 is firmly in close contact with the surface of the circuit layer 12 so that peeling does not easily occur, and long-term reliability is improved. it can.

また、本実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、第1金属材221aとして、第2金属材222aよりも加熱による結晶粒の粗大化が抑制された結晶粒抑制材を用いることで、第1回路層領域121と第2回路層領域122とを備える回路層12を容易に形成できる。また、回路層形成工程では、回路層12を構成する第1金属材221aと第2金属材222aとの接合と、これら第1金属材221a及び第2金属材222aとセラミックス基板11との接合とを同時に行うことができ、それぞれに必要なろう接合材224に共通するものを用いることができる。したがって、パワーモジュール用基板10の製造工程を簡略化できる。   Moreover, according to the method of manufacturing the power module substrate of the present embodiment, the crystal grain suppressing material in which the coarsening of the crystal grains due to heating is suppressed as compared to the second metal material 222a is used as the first metal material 221a. The circuit layer 12 including the first circuit layer region 121 and the second circuit layer region 122 can be easily formed. In the circuit layer forming step, bonding of the first metal material 221a and the second metal material 222a constituting the circuit layer 12, bonding of the first metal material 221a and the second metal material 222a to the ceramic substrate 11, and Can be performed at the same time, and a common thing can be used for the brazing material 224 necessary for each. Therefore, the manufacturing process of the power module substrate 10 can be simplified.

なお、前述した第1実施形態においては、パワーモジュール用基板10がセラミックス基板11の他方の面に形成された金属層13を備える構成とされていたが、図4に示す第2実施形態のパワーモジュール用基板20のように、セラミックス基板11の他方の面に金属層を設けることなく、一方の面に形成された回路層12のみを備える構成も、本発明に含まれる。
また、前述した第1実施形態では、金属層13が第1金属層領域131と第2金属層領域132とを備える構成とされていたが、図5に示す第3実施形態のパワーモジュール用基板30のように、金属層33を第1金属層領域131のみで構成してもよい。
なお、第2実施形態及び第3実施形態において、第1実施形態と共通要素には同一符号を付して説明を省略する。
In the first embodiment described above, the power module substrate 10 is configured to include the metal layer 13 formed on the other surface of the ceramic substrate 11, but the power of the second embodiment shown in FIG. The present invention also includes a configuration including only the circuit layer 12 formed on one surface without providing a metal layer on the other surface of the ceramic substrate 11 as in the module substrate 20.
In the first embodiment described above, the metal layer 13 is configured to include the first metal layer region 131 and the second metal layer region 132. However, the power module substrate of the third embodiment shown in FIG. As in 30, the metal layer 33 may be composed of only the first metal layer region 131.
In the second embodiment and the third embodiment, the same reference numerals as in the first embodiment denote the same elements as in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

なお、本発明は上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、素子91の片面(下部電極部)をパワーモジュール用基板10の回路層12に搭載していたが、図6に示すパワーモジュール102のように、素子91の両面にパワーモジュール用基板10をそれぞれ配置する構成とすることにより、両面冷却構造とすることも可能である。
The present invention is not limited to the configuration of the above embodiment, and various modifications can be made in the detailed configuration without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the above embodiment, one side (lower electrode portion) of the element 91 is mounted on the circuit layer 12 of the power module substrate 10, but as in the power module 102 shown in FIG. It is also possible to provide a double-sided cooling structure by arranging the module substrates 10 respectively.

また、上記実施形態では、平均結晶粒径を領域毎に異ならせた回路層12と金属層13とを銅(純銅又は銅合金)により形成したが、アルミニウム(純アルミニウム又はアルミニウム合金)を用いても平均結晶粒径を領域毎に異ならせて回路層12と金属層13とを形成できる。
例えば、アルミニウムの鋳塊を所望の板厚まで圧延する圧延工程における1パス当たりの圧下率を調整することで、平均結晶粒径を制御できる。具体的には、1パス当たりの圧下率を大きくすると、平均結晶粒径を大きくできる。そして、このように平均結晶粒径が調整された圧延材を用いることで、第1回路層領域と第2回路層領域とで平均結晶粒径が異なる回路層を有するパワーモジュール用基板を容易に製造できる。
Moreover, in the said embodiment, although the circuit layer 12 and the metal layer 13 which varied the average grain size for every area | region were formed with copper (pure copper or copper alloy), aluminum (pure aluminum or aluminum alloy) is used. Also, the circuit layer 12 and the metal layer 13 can be formed by changing the average crystal grain size in each region.
For example, the average grain size can be controlled by adjusting the rolling reduction per pass in a rolling process of rolling an aluminum ingot to a desired thickness. Specifically, the average grain size can be increased by increasing the rolling reduction per pass. And, by using the rolling material in which the average crystal grain size is adjusted in this manner, a power module substrate having circuit layers having different average crystal grain sizes in the first circuit layer area and the second circuit layer area can be easily obtained. It can be manufactured.

以下、本発明の効果を実施例を用いて詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the effects of the present invention will be described in detail using examples, but the present invention is not limited to the following examples.

表1〜表2に示すように、素子とパワーモジュール用基板とを接合したパワーモジュールの実施例1−1〜1−3及び2−1〜2−3と比較例1−1〜1−3及び2−1〜2−3とを作製した。パワーモジュール用基板には、セラミックス基板の一方の面に、表1及び表2に示す構成の回路層を形成したものを用いた。
実施例1−1〜1−3及び2−1〜2−3では、回路層は、素子が搭載される第1回路層領域を、それ以外の第2回路層領域よりも平均結晶粒径を小さくして形成した。一方、比較例1−1〜1−2及び2−1〜2−2では、回路層を第1回路層領域と第2回路層領域とに区別することなく、一律の平均結晶粒径を有する金属板により形成した。また、比較例1−3及び比較例2−3では、素子が搭載される第1回路層領域を、それ以外の第2回路層領域よりも平均結晶粒径を大きくして形成した。
As shown in Tables 1 and 2, Examples 1-1 to 1-3 and 2-1 to 2-3 of the power module in which the element and the substrate for the power module are joined and Comparative Examples 1-1 to 1-3 And 2-1 to 2-3 were produced. As the power module substrate, one having a circuit layer having a configuration shown in Tables 1 and 2 formed on one surface of a ceramic substrate was used.
In Examples 1-1 to 1-3 and 2-1 to 2-3, the circuit layer has an average crystal grain size in the first circuit layer region on which the element is mounted compared to the other second circuit layer regions. It was made small. On the other hand, in Comparative Examples 1-1 to 1-2 and 2-1 to 2-2, the circuit layer has a uniform average crystal grain size without distinction between the first circuit layer region and the second circuit layer region. It formed by the metal plate. Further, in Comparative Example 1-3 and Comparative Example 2-3, the first circuit layer region on which the element is mounted is formed to have an average crystal grain size larger than that of the other second circuit layer regions.

セラミックス基板には、Si(窒化ケイ素)からなる板厚が0.32mm、平面サイズが30mm×30mmの矩形板を用いた。回路層には、板厚が1.6mm、平面サイズが28mm×28mmの矩形板を用い、回路層の中央部分の23mm×23mm範囲内を第1回路層領域とし、第1回路層領域の周囲を第2回路層領域とした。また、回路層となる各金属板が銅の場合にはAg‐Cu‐Ti系ろう接合材を用い、アルミニウムの場合にはAl‐Si系ろう接合材を用いて、セラミックス基板と金属板とを接合して、パワーモジュール用基板を作製した。 As a ceramic substrate, a rectangular plate made of Si 3 N 4 (silicon nitride) and having a thickness of 0.32 mm and a planar size of 30 mm × 30 mm was used. As the circuit layer, a rectangular plate having a thickness of 1.6 mm and a plane size of 28 mm × 28 mm is used. The 23 mm × 23 mm range in the central portion of the circuit layer is the first circuit layer region, and the periphery of the first circuit layer region As the second circuit layer region. In addition, when each metal plate to be a circuit layer is copper, an Ag-Cu-Ti brazing filler metal is used, and in the case of aluminum, an Al-Si brazing filler metal is used to form a ceramic substrate and a metal plate. It joined and produced the substrate for power modules.

得られた各パワーモジュール用基板の回路層の上面の表面粗さ測定を行い、回路層表面の第1回路層領域と第2回路層領域の表面粗さを測定した。なお、比較例1−1〜1−2及び2−1〜2−2については、第1回路層領域と第2回路層領域に相当する箇所の表面粗さを測定した。
次いで、各パワーモジュール用基板の回路層(第1回路層領域)の表面に素子をはんだ材(Sn‐Cu系はんだ材)により接合し、パワーモジュールを製造した。そして、得られたパワーモジュールについて、回路層を介さない素子側と、回路層を介したパワーモジュール用基板側と、の双方からはんだ接合層を検査し、はんだ接合層中のボイド面積率を測定した。また、得られたパワーモジュールの素子とパワーモジュール用基板とを樹脂封止し、樹脂と回路層との密着性を評価した。なお、樹脂はエポキシ樹脂を用い、トランスファーモールドによって樹脂封止を行った。
The surface roughness of the upper surface of the circuit layer of each of the obtained power module substrates was measured, and the surface roughness of the first circuit layer region and the second circuit layer region on the surface of the circuit layer was measured. In Comparative Examples 1-1 to 1-2 and 2-1 to 2-2, the surface roughness of the portions corresponding to the first circuit layer region and the second circuit layer region was measured.
Subsequently, an element was joined to the surface of the circuit layer (1st circuit layer area | region) of each board | substrate for power modules with a solder material (Sn-Cu-type solder material), and the power module was manufactured. Then, for the obtained power module, the solder joint layer is inspected from both the element side not through the circuit layer and the power module substrate side through the circuit layer, and the void area ratio in the solder joint layer is measured did. Further, the element of the obtained power module and the substrate for the power module were resin-sealed, and the adhesion between the resin and the circuit layer was evaluated. As resin, epoxy resin was used and resin sealing was performed by transfer molding.

(回路層表面の表面粗さ測定)
回路層(第1回路層領域及び第2回路層領域)表面の表面粗さ(Ra)測定は、サーフテスター(Mitutoyo社製SJ−410)を用いて実施した。結果を表1及び表2に示す。
(Measurement of surface roughness of circuit layer surface)
The surface roughness (Ra) of the surface of the circuit layer (first circuit layer region and second circuit layer region) was measured using a surf tester (SJ-410 manufactured by Mitutoyo). The results are shown in Tables 1 and 2.

(はんだ接合層中のボイドの直径の測定方法)
得られたパワーモジュールに対し、超音波探査映像装置(SAT、日立エンジニアリング・アンド・サービス社製ES5000)を用いて、回路層と素子との接合界面(はんだ接合層)を観察した。回路層と素子との接合界面の観察は、回路層を介したパワーモジュール用基板側と、回路層を介さない素子側との双方から行い、超音波探査映像装置により観察されるボイドの直径を各方向から測定した。ボイドの直径は、観察されたボイドの面積から、同じ面積を持つ円の直径を算出し、この円相当径をボイドの直径とした。なお、1つの接合界面内に複数のボイドが有る場合には、各ボイドの直径の平均値(平均直径)を算出した。また、素子側から観察した際のボイドの平均直径D1と、パワーモジュール用基板側から観察した際のボイドの平均直径D2と、の比率(D1/D2)×100[%]を算出した。
(Method of measuring the diameter of the void in the solder joint layer)
The bonding interface (solder bonding layer) between the circuit layer and the element was observed for the obtained power module using an ultrasonic imaging apparatus (SAT, ES5000 manufactured by Hitachi Engineering & Services Co., Ltd.). The observation of the bonding interface between the circuit layer and the element is performed from both the power module substrate side via the circuit layer and the element side not via the circuit layer, and the diameter of the void observed by the ultrasonic imaging apparatus is It measured from each direction. The diameter of a void calculated the diameter of the circle which has the same area from the area of the observed void, and made this circle equivalent diameter the diameter of a void. When a plurality of voids were present in one bonding interface, the average value of the diameters of the respective voids (average diameter) was calculated. Further, the ratio (D1 / D2) × 100 [%] of the average diameter D1 of the voids when observed from the element side and the average diameter D2 of the voids when observed from the power module substrate side was calculated.

得られた比率の値が小さいほど、素子側から観察した際のボイドの平均直径と、パワーモジュール用基板側から観察した際のボイドの平均直径と、の差が小さく、良好な検査精度が得られる。この場合、検査精度の評価は、比率の値が±10%未満(比率が90%を超え110%未満)であれば良好「○」とし、±10%以上(比率が90%以下又は110%以上)の場合を否「×」と評価した。結果を表3及び表4に示す。   As the value of the ratio obtained is smaller, the difference between the average diameter of the void when observed from the element side and the average diameter of the void when observed from the power module substrate side is smaller, and good inspection accuracy is obtained. Be In this case, if the value of the ratio is less than ± 10% (more than 90% but less than 110%), the evaluation of the inspection accuracy is regarded as “good” and ± 10% or more (ratio is 90% or less or 110%) The above case was evaluated as "No". The results are shown in Tables 3 and 4.

(プリンカップ試験による密着性評価)
プリンカップ試験により、モールド樹脂とパワーモジュール用基板との密着性を評価した。プリンカップ試験は、樹脂‐金属接合特性評価試験方法の国際規格ISO19095‐1〜4に準拠して行った。具体的には、パワーモジュール用基板の回路層の表面にプリンカップ形状の樹脂を形成し、その樹脂のせん断剥離強度試験を実施した。そして、得られたせん断剥離強度が15MPa以上の場合を、モールド樹脂とパワーモジュール用基板との密着性が良好「○」とし、せん断剥離強度が15MPa未満の場合を否「×」と評価した。結果を表3及び表4に示す。
(Evaluation of adhesion by pudding cup test)
The adhesion between the mold resin and the power module substrate was evaluated by the pudding cup test. The pudding cup test was performed based on international standard ISO19095-1-4 of the resin-metal joint characteristic evaluation test method. Specifically, a resin having a purine cup shape was formed on the surface of the circuit layer of the power module substrate, and a shear peel strength test of the resin was conducted. Then, when the obtained shear peel strength was 15 MPa or more, the adhesion between the mold resin and the power module substrate was regarded as good “o”, and the case where the shear peel strength was less than 15 MPa was evaluated as no “x”. The results are shown in Tables 3 and 4.

Figure 2019110223
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Figure 2019110223
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Figure 2019110223
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表3及び表4の結果からわかるように、回路層が銅のときは、第1回路層領域の平均結晶粒径を250μm未満とすることで、超音波探査映像装置による検査精度と、樹脂封止時の密着性との双方を、良好に確保できる。また、回路層がアルミニウムのときは、第1回路層領域の平均結晶粒径を375μm未満とすることで、超音波探査映像装置による検査精度と、樹脂封止時の密着性との双方を、良好に確保できる。   As can be seen from the results in Tables 3 and 4, when the circuit layer is copper, the inspection accuracy by the ultrasonic imaging apparatus and the resin sealing can be achieved by setting the average crystal grain size in the first circuit layer region to less than 250 μm. Both the adhesion at the time of stop can be secured well. In addition, when the circuit layer is aluminum, by setting the average crystal grain size of the first circuit layer region to less than 375 μm, both the inspection accuracy by the ultrasonic imaging apparatus and the adhesion at the time of resin sealing are It can be secured well.

10,20,30 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
12 回路層
13,33 金属層
81 モールド樹脂
91 素子
92 接合層
101,102 パワーモジュール
121 第1回路層領域
122 第2回路層領域
131 第1金属層領域
132 第2金属層領域
221a,221b 第1金属材
222a,222b 第2金属材
223 矩形孔
224 ろう接合材
251 回路層用積層体
252 金属層用積層体
10, 20, 30 Power Module Substrate 11 Ceramic Substrate 12 Circuit Layer 13, 33 Metal Layer 81 Mold Resin 91 Element 92 Bonding Layer 101, 102 Power Module 121 First Circuit Layer Region 122 Second Circuit Layer Region 131 First Metal Layer Region 132 second metal layer region 221a, 221b first metal material 222a, 222b second metal material 223 rectangular hole 224 solder joint material 251 laminate for circuit layer 252 laminate for metal layer

Claims (5)

セラミックス基板と該セラミックス基板の一方の面に形成された銅又はアルミニウムからなる回路層とを備え、
前記回路層は、素子が搭載される第1回路層領域と該第1回路層領域を除いた第2回路層領域とを備え、
前記第1回路層領域の平均結晶粒径が、前記第2回路層領域の平均結晶粒径よりも小さく設けられていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
A ceramic substrate and a circuit layer made of copper or aluminum formed on one surface of the ceramic substrate;
The circuit layer includes a first circuit layer region on which the element is mounted and a second circuit layer region excluding the first circuit layer region.
A substrate for a power module, wherein an average crystal grain size of the first circuit layer area is smaller than an average crystal grain size of the second circuit layer area.
前記セラミックス基板の他方の面に前記回路層と同じ金属からなる金属層を備え、
前記金属層は少なくとも前記第1回路層領域に対向して配置される第1金属層領域を備え、
前記第1金属層領域が前記第1回路層領域と同じ平均結晶粒径に設けられていることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール用基板。
The other surface of the ceramic substrate is provided with a metal layer made of the same metal as the circuit layer,
The metal layer comprises at least a first metal layer region disposed opposite to the first circuit layer region,
The power module substrate according to claim 1, wherein the first metal layer region is provided to have the same average crystal grain size as the first circuit layer region.
前記回路層が銅のとき、前記第1回路層領域の平均結晶粒径が250μm未満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用基板。   The substrate for a power module according to claim 1 or 2, wherein when the circuit layer is copper, an average crystal grain size of the first circuit layer region is less than 250 μm. 前記回路層がアルミニウムのとき、前記第1回路層領域の平均結晶粒径が375μm未満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用基板。   The substrate for a power module according to claim 1 or 2, wherein when the circuit layer is aluminum, an average crystal grain size of the first circuit layer region is less than 375 μm. セラミックス基板の一方の面に回路層となる金属板を接合して前記セラミックス基板に前記回路層を形成する回路層形成工程を有しており、
前記回路層のうち、素子が搭載される第1回路層領域となる第1金属材として、前記第1回路層領域を除いた第2回路層領域となる第2金属材よりも加熱による結晶粒の粗大化が抑制された結晶粒抑制材を用意しておき、
前記回路層形成工程において、前記第1金属材と前記第2金属材とをろう接合材を介して隣接させて配置するとともに、これらの前記第1金属材と前記ろう接合材と前記第2金属材との回路層用積層体を前記ろう接合材と同じろう接合材を介して前記セラミックス基板の一方の面に重ねて配置した状態で、前記セラミックス基板と前記回路層用積層体との積層方向に加圧して加熱することにより、前記第1金属材と前記第2金属材とを接合するとともに、前記第1金属材と前記第2金属材とを前記セラミックス基板に接合して、前記セラミックス基板の一方の面に前記第1回路層領域と前記第2回路層領域とを有する前記回路層を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
It has a circuit layer forming step of bonding a metal plate to be a circuit layer to one surface of the ceramic substrate to form the circuit layer on the ceramic substrate,
Among the circuit layers, as a first metal material to be a first circuit layer region on which an element is mounted, crystal grains by heating rather than a second metal material to be a second circuit layer region excluding the first circuit layer region Prepare a grain control material in which the coarsening of the grain is suppressed,
In the circuit layer forming step, the first metal material and the second metal material are disposed adjacent to each other via a brazing material, and the first metal material, the brazing material, and the second metal are provided. In a state in which the laminate for the circuit layer with the material is disposed on one surface of the ceramic substrate with the same brazing material as the brazing material, the laminating direction of the ceramic substrate and the laminate for the circuit layer By heating and pressurizing the first metal material and the second metal material, and bonding the first metal material and the second metal material to the ceramic substrate, the ceramic substrate Forming the circuit layer having the first circuit layer region and the second circuit layer region on one surface of the power module substrate.
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