JP2020068360A - Substrate for power module and power module - Google Patents

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Abstract

To provide a substrate for a power module that is effective for improving connection reliability of an electronic component, and a power module.SOLUTION: A power module 100 comprises: a ceramic substrate 1; and metal plates 2 that are connected to a surface of the ceramic substrate 1. The metal plates 2 include a substrate for a power module 10 that has hollows in grain boundary parts in its surface, and electronic components 11 that are mounted on the substrate for a power module 10 and the metal plates 2.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、セラミック基板に接合された金属板を有するパワーモジュール用基板およびパワーモジュールに関するものである。   The present invention relates to a power module substrate and a power module having a metal plate bonded to a ceramic substrate.

従来、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の電子部品が搭載されたパ
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、セラミック基板の表面に銅等の金属材料からなる金属板が回路導体として接合されたパワーモジュール用基板が用いられている。
Conventionally, as a power module substrate used in a power module in which electronic components such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) are mounted, for example, a metal plate made of a metal material such as copper is bonded as a circuit conductor to the surface of a ceramic substrate. A power module substrate is used.

パワーモジュール用基板の金属板に電子部品が搭載されてパワーモジュールが作製される。最近では、電子部品の金属板等への接合に、銀粒子の焼結体を用いる技術が提案されている。また、金属板表面に酸化膜が形成されてこの接合が阻害されることを抑制するために、電子部品が搭載される金属板の表面に銀などの金属皮膜を設ける技術も提案されている(例えば特許文献1を参照)。そして、電子部品が搭載される部分に金属皮膜を設け、ボンディングワイヤが接続される部分には金属皮膜を設けないことで、ボンディングワイヤの接続信頼性を高めることが行なわれている(例えば特許文献2を参照)。   Electronic components are mounted on the metal plate of the power module substrate to manufacture a power module. Recently, a technique of using a sintered body of silver particles for joining an electronic component to a metal plate or the like has been proposed. Further, in order to prevent the oxide film from being formed on the surface of the metal plate and hindering the bonding, a technique of providing a metal film such as silver on the surface of the metal plate on which the electronic component is mounted has also been proposed ( See, for example, Patent Document 1. The connection reliability of the bonding wire is improved by providing the metal film on the part where the electronic component is mounted and not providing the metal film on the part where the bonding wire is connected (for example, Patent Document 1). 2).

特開2006−202938号公報JP, 2006-202938, A 国際公開第2015/114987号パンフレットInternational publication 2015/114987 pamphlet

近年、パワーモジュールは小型、高出力化が要求されており、これに伴って電子部品が高発熱化するため、電子部品とパワーモジュール用基板の金属板との接続に関してもより高い信頼性が要求されている。そのため、電子部品を固定するための接合材、接合材と金属板との間の金属皮膜、あるいはボンディングワイヤ等の接続部材の金属板の表面への接着強度を高める必要があった。   In recent years, power modules are required to be small in size and have high output. As a result, electronic components generate high heat. Therefore, higher reliability is also required in connection between the electronic components and the metal plate of the power module substrate. Has been done. Therefore, it is necessary to increase the bonding strength of the bonding material for fixing the electronic component, the metal film between the bonding material and the metal plate, or the connection member such as the bonding wire to the surface of the metal plate.

本発明の1つの態様のパワーモジュール用基板は、セラミック基板と、該セラミック基板の表面に接合された金属板とを備えており、前記金属板は、その表面において結晶粒界部に凹みを有している。   A power module substrate according to one aspect of the present invention includes a ceramic substrate and a metal plate bonded to a surface of the ceramic substrate, and the metal plate has a recess at a crystal grain boundary portion on the surface thereof. is doing.

本発明の1つの態様のパワーモジュールは、上記構成のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板の前記金属板上に搭載された電子部品とを備える。   A power module according to one aspect of the present invention includes the power module substrate having the above configuration, and an electronic component mounted on the metal plate of the power module substrate.

本発明の実施形態のパワーモジュール用基板によれば、金属板の表面において結晶粒界部に凹みを有していることから、接合材、接続部材あるいは金属皮膜の金属板への接着強度が高いものとなるので、電子部品の接続信頼性向上に有効なパワーモジュール用基板となる。   According to the power module substrate of the embodiment of the present invention, since the crystal grain boundary portion has a recess on the surface of the metal plate, the bonding strength of the bonding material, the connecting member or the metal film to the metal plate is high. Therefore, the power module substrate is effective for improving the connection reliability of electronic components.

本発明の実施形態のパワーモジュールによれば、上記構成であることから、電子部品の接続信頼性が向上したものとなる。   According to the power module of the embodiment of the present invention, the connection reliability of electronic components is improved because of the above-mentioned configuration.

(a)はパワーモジュールの実施形態の一例を示す平面図であり、(b)は(a)のB−B線における断面図である。(A) is a top view which shows an example of embodiment of a power module, (b) is sectional drawing in the BB line of (a). (a)は図1のA部の一例を拡大して示す断面図であり、(b)は(a)におけるパワーモジュール用基板の一例を示す平面図である。FIG. 1A is an enlarged cross-sectional view showing an example of a portion A in FIG. 1, and FIG. 1B is a plan view showing an example of a power module substrate in FIG. (a)は図1のA部の他の例を拡大して示す断面図であり、(b)は(a)におけるパワーモジュール用基板の一例を示す平面図である。FIG. 1A is an enlarged cross-sectional view showing another example of the portion A in FIG. 1, and FIG. 1B is a plan view showing an example of a power module substrate in FIG. (a)はパワーモジュールの実施形態の他の例の要部を拡大して示す断面図であり、(b)は(a)におけるパワーモジュール用基板の一例を示す平面図である。(A) is sectional drawing which expands and shows the principal part of the other example of embodiment of a power module, (b) is a top view which shows an example of the board for power modules in (a). (a)はパワーモジュールの実施形態の他の例の要部を拡大して示す断面図であり、(b)は(a)におけるパワーモジュール用基板の一例を示す平面図である。(A) is sectional drawing which expands and shows the principal part of the other example of embodiment of a power module, (b) is a top view which shows an example of the board for power modules in (a). (a)はパワーモジュールの実施形態の他の例の要部を拡大して示す断面図であり、(b)は(a)におけるパワーモジュール用基板の一例を示す平面図である。(A) is sectional drawing which expands and shows the principal part of the other example of embodiment of a power module, (b) is a top view which shows an example of the board for power modules in (a). (a)および(b)はいずれもパワーモジュールの実施形態の他の例を示す断面図である。(A) And (b) is sectional drawing which shows the other example of embodiment of a power module.

本発明の実施形態のパワーモジュール用基板およびパワーモジュールについて図面を参照して説明する。なお、以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際にパワーモジュール用基板およびパワーモジュール等が使用される際の上下を限定するものではない。   A power module substrate and a power module of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the distinction between the upper and lower sides in the following description is for convenience, and does not limit the upper and lower sides when the power module substrate, the power module and the like are actually used.

図1(a)はパワーモジュール100の実施形態の一例を示す平面図であり、図1(b)は図1(a)のB−B線における断面図である。また、図2(a)は図1のA部の一例を拡大して示す断面図である。図2(b)は図2(a)におけるパワーモジュール用基板10の一例を示す平面図であり、電子部品11、接合材11aおよびボンディングワイヤ12を取り除いた状態を示している。なお、図2(b)においては、区別しやすいように結晶粒界部2cにドット状の網掛けを施しており、結晶粒界部2cの凹み2aには網掛けを施していない。   FIG. 1A is a plan view showing an example of an embodiment of the power module 100, and FIG. 1B is a sectional view taken along the line BB of FIG. 1A. Further, FIG. 2A is an enlarged cross-sectional view showing an example of the portion A in FIG. FIG. 2B is a plan view showing an example of the power module substrate 10 in FIG. 2A and shows a state in which the electronic component 11, the bonding material 11 a and the bonding wire 12 are removed. In FIG. 2B, the crystal grain boundary portion 2c is shaded in a dot shape for easy distinction, and the recess 2a of the crystal grain boundary portion 2c is not shaded.

パワーモジュール用基板10は、セラミック基板1と、セラミック基板1の表面(主面)に接合された金属板2とを備えている。図2に示す例のように、金属板2は多数の金属結晶粒2bからなり、隣接する金属結晶粒2bの境界である結晶粒界部2cが存在している。この結晶粒界部2cは金属板2の表面に露出している。そして、金属板2はその表面において結晶粒界部2cに凹み2aを有している。   The power module substrate 10 includes a ceramic substrate 1 and a metal plate 2 bonded to the surface (main surface) of the ceramic substrate 1. As in the example shown in FIG. 2, the metal plate 2 is composed of a large number of metal crystal grains 2b, and a crystal grain boundary portion 2c which is a boundary between adjacent metal crystal grains 2b exists. The crystal grain boundary portion 2c is exposed on the surface of the metal plate 2. The metal plate 2 has a recess 2a in the crystal grain boundary portion 2c on its surface.

このようなパワーモジュール用基板10によれば、パワー半導体素子等の電子部品11を接合材11aで金属板2(21)の表面に固定する際に、図2(b)に示す例のように、接合材11aの一部が金属板2(21)の表面に露出した結晶粒界部2cの凹み2aに入り込むことになる。そのため、接合材11aと金属板2(21)の表面との接合強度が向上し、電子部品11のパワーモジュール用基板10の金属板2(21)への接着強度が高いものとなる。また、図示はしていないが、電子部品11と金属板2(22)とを接続する接続部材であるボンディングワイヤ12の一部もまた金属板2(22)の表面に露出した結晶粒界部2cの凹み2aに入り込む。そのため、ボンディングワイヤ12と金属板2(22)の表面との接合強度が向上する。よって、電子部品の接続信頼性向上に有効なパワーモジュール用基板10となる。   According to the power module substrate 10 as described above, when the electronic component 11 such as a power semiconductor element is fixed to the surface of the metal plate 2 (21) with the bonding material 11a, as in the example shown in FIG. 2 (b). A part of the bonding material 11a will enter the recess 2a of the crystal grain boundary portion 2c exposed on the surface of the metal plate 2 (21). Therefore, the bonding strength between the bonding material 11a and the surface of the metal plate 2 (21) is improved, and the bonding strength of the electronic component 11 to the power module substrate 10 to the metal plate 2 (21) is high. Although not shown, part of the bonding wire 12, which is a connecting member connecting the electronic component 11 and the metal plate 2 (22), is also exposed at the surface of the metal plate 2 (22). It goes into the recess 2a of 2c. Therefore, the bonding strength between the bonding wire 12 and the surface of the metal plate 2 (22) is improved. Therefore, the power module substrate 10 is effective for improving the connection reliability of electronic components.

また、凹み2aは結晶粒界部2cの表面に設けられているため、凹み2aは、金属結晶粒2bを取り囲むように配置され、金属板2の表面に均等に配置されている。そのため、
接合材11aと金属板2(21)との接合界面において、接合材11aが金属板2(21)の表面に入り込む部分が均等に配置され、接合材11aと金属板2(21)との接合強度にむらが生じ難い。
Since the recesses 2a are provided on the surface of the crystal grain boundary portion 2c, the recesses 2a are arranged so as to surround the metal crystal grains 2b and are evenly arranged on the surface of the metal plate 2. for that reason,
At the joining interface between the joining material 11a and the metal plate 2 (21), the portions where the joining material 11a enters the surface of the metal plate 2 (21) are evenly arranged, and the joining material 11a and the metal plate 2 (21) are joined together. Uneven strength is unlikely to occur.

さらには、金属結晶粒2bと結晶粒界部2cとで化学的、機械的特性等が異なることを利用して、例えばエッチング加工によって容易に結晶粒界部2cのみに凹み2aを形成することができる。   Furthermore, by utilizing the fact that the metal crystal grains 2b and the crystal grain boundary portions 2c have different chemical and mechanical characteristics, the recess 2a can be easily formed only in the crystal grain boundary portions 2c by etching, for example. it can.

図3(a)は図1のA部の他の例を拡大して示す断面図である。図3(b)は図3(a)におけるパワーモジュール用基板10の一例を示す平面図であり、電子部品11、接合材11aおよびボンディングワイヤ12を取り除いた状態を示している。なお、図3(b)においては、区別しやすいように結晶粒界部2cにドット状の網掛けを施しており、結晶粒界部2cの凹み2aの底部を破線で示している。   FIG. 3A is an enlarged sectional view showing another example of the portion A of FIG. FIG. 3B is a plan view showing an example of the power module substrate 10 in FIG. 3A, and shows a state in which the electronic component 11, the bonding material 11 a, and the bonding wire 12 are removed. In FIG. 3B, the crystal grain boundary portion 2c is shaded in a dot shape for easy distinction, and the bottom of the recess 2a of the crystal grain boundary portion 2c is shown by a broken line.

図2に示す例では、金属板2(21)の表面において結晶粒界部2cの凹み2aが金属結晶粒2bの周囲に点在しているに対して、図3に示す例では、金属板2(21)の表面において結晶粒界部2cの表面の全体が凹んでいる。そのため、結晶粒界部2cの凹み2aは、結晶粒界部2cの形状と同形状であり、金属結晶粒2bを取り囲む形状である。このように、結晶粒界部2cの凹み2aは、平面視において結晶粒界部2cに沿った網状とすることができる。結晶粒界部2cの凹み2aが網状であると、接合材11aはこの結晶粒界部の凹み2a内に入り込んでハチの巣状になる。そのため、金属板2(21)と接合材11aとの間に熱応力等が加わったときに、接合材11aの結晶粒界部の凹み2a内に入り込んだ部分が、金属板2(21)の表面方向(平面方向)のいずれの方向の応力に対してもより強固なアンカーとして機能するものとなる。よって、接合材11aが金属板2(21)からより剥がれ難くなるので、接合材11aの金属板2(21)に対する接合強度をさらに向上させることができる。   In the example shown in FIG. 2, the recesses 2a of the crystal grain boundary portions 2c are scattered around the metal crystal grains 2b on the surface of the metal plate 2 (21), whereas in the example shown in FIG. In the surface of 2 (21), the entire surface of the crystal grain boundary portion 2c is recessed. Therefore, the recess 2a of the crystal grain boundary portion 2c has the same shape as the shape of the crystal grain boundary portion 2c and surrounds the metal crystal grain 2b. Thus, the recess 2a of the crystal grain boundary portion 2c can be formed in a net shape along the crystal grain boundary portion 2c in a plan view. When the recess 2a of the crystal grain boundary portion 2c has a mesh shape, the bonding material 11a enters into the recess 2a of the crystal grain boundary portion to form a honeycomb shape. Therefore, when thermal stress or the like is applied between the metal plate 2 (21) and the bonding material 11a, the portion that has entered into the recess 2a of the crystal grain boundary portion of the bonding material 11a is the metal plate 2 (21). It functions as a stronger anchor against stress in any direction in the surface direction (planar direction). Therefore, the bonding material 11a becomes more difficult to peel off from the metal plate 2 (21), and thus the bonding strength of the bonding material 11a to the metal plate 2 (21) can be further improved.

図4(a)は図1のA部の他の例を拡大して示す断面図である。図4(b)は図4(a)におけるパワーモジュール用基板10の一例を示す平面図であり、電子部品11、接合材11aおよびボンディングワイヤ12を取り除いた状態を示している。なお、図4(b)においては、金属皮膜3の下に隠れている金属結晶粒2bを破線で示している。   FIG. 4A is an enlarged sectional view showing another example of the portion A of FIG. FIG. 4B is a plan view showing an example of the power module substrate 10 in FIG. 4A and shows a state in which the electronic component 11, the bonding material 11 a and the bonding wire 12 are removed. In FIG. 4B, the metal crystal grains 2b hidden under the metal coating 3 are indicated by broken lines.

図4に示す例のように、金属板2の表面に金属皮膜3を備えるパワーモジュール用基板10とすることができる。このとき、金属皮膜3は結晶粒界部2cの凹み2aの内面を覆って金属板2に密着している。   As in the example shown in FIG. 4, the power module substrate 10 can be provided with the metal film 3 on the surface of the metal plate 2. At this time, the metal film 3 covers the inner surface of the recess 2a of the crystal grain boundary portion 2c and is in close contact with the metal plate 2.

このような場合には、金属皮膜3が間に介在することによって、接合材11aの金属板2への接合強度を高めることができる。また、その他の部位では金属板2の酸化を防止することができる。金属皮膜3は結晶粒界部2cの凹み2aの内面を覆って金属板2に密着していることから、金属板2の表面が平たんである場合に比較して金属皮膜3と金属板2との接合面積が大きくなるので、金属皮膜3は金属板2から剥がれ難いものとなっている。金属皮膜3が結晶粒界部2cの凹み2aの内面全体に(底まで)密着していなくても接合面積は大きくなる。しかしながら、金属皮膜3と凹み2aの底との間に空間があると、空間内の気体が熱によって膨張して金属皮膜3が膨れて剥がれやすくなる可能性がある。そのため、凹み2aの内面の全面を覆って密着する金属皮膜3とすることができる。また、結晶粒界部の凹み2aが上述したような網状である場合には、金属皮膜3が金属板2からより剥がれ難くなるので、金属皮膜3の金属板2に対する接合強度をさらに向上させることができる。   In such a case, by interposing the metal coating 3 therebetween, the bonding strength of the bonding material 11a to the metal plate 2 can be increased. Further, the oxidation of the metal plate 2 can be prevented at other portions. Since the metal film 3 covers the inner surface of the recess 2a of the crystal grain boundary portion 2c and is in close contact with the metal plate 2, the metal film 3 and the metal plate 2 are compared to when the surface of the metal plate 2 is flat. The metal coating 3 is hard to peel off from the metal plate 2 because the bonding area with Even if the metal film 3 does not adhere to the entire inner surface of the recess 2a of the crystal grain boundary portion 2c (to the bottom), the bonding area becomes large. However, if there is a space between the metal film 3 and the bottom of the recess 2a, the gas in the space may expand due to heat and the metal film 3 may swell and be easily peeled off. Therefore, the metal film 3 which covers the entire inner surface of the recess 2a and adheres thereto can be provided. In addition, when the recess 2a of the crystal grain boundary portion has a mesh shape as described above, the metal coating 3 becomes more difficult to peel from the metal plate 2, and therefore the bonding strength of the metal coating 3 to the metal plate 2 is further improved. You can

図5および図6はパワーモジュール100の他の例の要部を拡大して示しており、それ
ぞれの(a)は断面図であり、(b)は(a)におけるパワーモジュール用基板10の一例を示す平面図であって、電子部品11、接合材11aおよびボンディングワイヤ12を取り除いた状態を示している。なお、(b)においては、金属皮膜3の下に隠れている金属結晶粒2bを破線で示している。
FIG. 5 and FIG. 6 show enlarged main parts of another example of the power module 100, in which (a) is a cross-sectional view and (b) is an example of the power module substrate 10 in (a). FIG. 4 is a plan view showing a state in which the electronic component 11, the bonding material 11a and the bonding wire 12 are removed. In (b), the metal crystal grains 2b hidden under the metal coating 3 are indicated by broken lines.

図4に示す例では、接合材11aが接合されていない部分まで、例えば金属板2の表面の全体に金属皮膜3が形成されている例である。これに対して、図5および図6に示す例のように金属板2の表面の一部に金属皮膜3を設けることができる。例えば、パワーモジュール100において、パワー半導体素子等の電子部品11が搭載される部分、すなわち回路導体として機能する金属板2の表面の一部に金属皮膜3が設けられている。銀層または金層を最表層とする金属皮膜3設けることで、金属板2(21)の上面の電子部品11が搭載される部分の酸化等を抑制することができる。これ以外の、例えばボンディングワイヤ12が接続される部分には金属皮膜3を設けないことで、ボンディングワイヤ12の接続信頼性を高めることができる。   In the example shown in FIG. 4, the metal coating 3 is formed on the entire surface of the metal plate 2, for example, up to the part where the bonding material 11a is not bonded. On the other hand, the metal film 3 can be provided on a part of the surface of the metal plate 2 as in the examples shown in FIGS. For example, in the power module 100, the metal film 3 is provided on a portion where the electronic component 11 such as a power semiconductor element is mounted, that is, on a part of the surface of the metal plate 2 that functions as a circuit conductor. By providing the metal film 3 having the silver layer or the gold layer as the outermost layer, it is possible to suppress oxidation of the portion on the upper surface of the metal plate 2 (21) on which the electronic component 11 is mounted. Other than this, for example, by not providing the metal film 3 on the portion to which the bonding wire 12 is connected, the connection reliability of the bonding wire 12 can be improved.

また、図5および図6に示す例では、金属皮膜3は、金属板2の表面に設けられた凹部2dの底面に設けられている。そのため、金属皮膜3と金属板2との界面、すなわち金属皮膜3と金属板2の凹部2dの底面との界面に、パワーモジュール用基板10を作製する際の、例えば金属皮膜3をめっき法で形成する際の処理液等が浸入し難い構造となっている。そのため、処理液等が金属皮膜3と金属板2との界面の周縁部に浸入することによって、例えばこの界面の周縁部に腐食等が生じるなどして金属皮膜3と金属板2との接合強度が低下してしまう可能性が低減されている。   Further, in the example shown in FIGS. 5 and 6, the metal film 3 is provided on the bottom surface of the recess 2d provided on the surface of the metal plate 2. Therefore, when the power module substrate 10 is produced at the interface between the metal film 3 and the metal plate 2, that is, at the interface between the metal film 3 and the bottom surface of the recess 2d of the metal plate 2, for example, the metal film 3 is formed by a plating method. It has a structure in which the treatment liquid or the like during formation is unlikely to enter. Therefore, when the treatment liquid or the like enters the peripheral portion of the interface between the metal coating 3 and the metal plate 2, for example, the peripheral portion of the interface is corroded or the like, so that the bonding strength between the metal coating 3 and the metal plate 2 is increased. Is less likely to be reduced.

図5および図6に示す例のように、金属皮膜3の厚みが、凹部2dの深さより小さいものとすることができる。このような場合には、接合材11aの金属皮膜3から金属板2表面への濡れ広がりを抑えることができる。そのため、図1に示す例のように、1つの金属板2に2つの電子部品11が搭載される場合などは、2つの電子部品11間が近くても短絡しないのでパワーモジュール用基板10を小型化できる。   As in the example shown in FIGS. 5 and 6, the thickness of the metal coating 3 can be smaller than the depth of the recess 2d. In such a case, wetting and spreading of the bonding material 11a from the metal coating 3 to the surface of the metal plate 2 can be suppressed. Therefore, when two electronic components 11 are mounted on one metal plate 2 as in the example shown in FIG. 1, a short circuit does not occur even if the two electronic components 11 are close to each other. Can be converted.

図6に示す例では、金属皮膜3は結晶粒界部2cの凹み2aを完全に埋めて、その表面はほぼ平坦である。これに対して図5に示す例の金属皮膜3の厚みは、図6に示す例の金属皮膜3の厚みより小さく、結晶粒界部2cの凹み2aの深さより小さく、また開口幅の1/2より小さい。そのため、図5に示す例の金属皮膜3の表面は、金属板2の凹部2dの底面の形状に沿った形状であり、結晶粒界部の凹み2aの上部において凹み2aに沿って凹んでいる。これは、図4に示す例でも同様である。このように、金属皮膜3の表面は結晶粒界部の凹み2aの上部において凹んでいるものとすることができる。言い換えれば、金属皮膜3はその表面に、金属粒界部の凹み2aに対応する凹み3aを有している。このような場合には、接合材11aが金属皮膜3の凹み3aに入り込んで接合されることから、接合材11aと金属皮膜3との接合強度が向上するので、電子部品11とパワーモジュール用基板10とをさらに強固に接合させることができる。   In the example shown in FIG. 6, the metal coating 3 completely fills the recess 2a of the crystal grain boundary portion 2c, and the surface thereof is substantially flat. On the other hand, the thickness of the metal coating 3 in the example shown in FIG. 5 is smaller than the thickness of the metal coating 3 in the example shown in FIG. 6, smaller than the depth of the recess 2a of the crystal grain boundary portion 2c, and 1 / of the opening width. Less than 2 Therefore, the surface of the metal coating 3 in the example shown in FIG. 5 has a shape that follows the shape of the bottom surface of the recess 2d of the metal plate 2, and is recessed along the recess 2a at the upper portion of the recess 2a of the crystal grain boundary portion. . This also applies to the example shown in FIG. In this way, the surface of the metal coating 3 can be recessed in the upper part of the recess 2a of the crystal grain boundary portion. In other words, the metal coating 3 has a recess 3a on its surface that corresponds to the recess 2a of the metal grain boundary portion. In such a case, since the bonding material 11a enters into the recess 3a of the metal coating 3 and is bonded thereto, the bonding strength between the bonding material 11a and the metal coating 3 is improved, so that the electronic component 11 and the power module substrate. It is possible to more firmly join the No. 10 and.

パワーモジュール100は、図1に示す例のように、上記のようなパワーモジュール用基板10と、このパワーモジュール用基板10の金属板2(21)に搭載された電子部品11とで基本的に構成されている。このようなパワーモジュール100によれば、上記構成のパワーモジュール用基板10を備えていることから、電子部品11の接合信頼性が向上したものとなる。   As in the example shown in FIG. 1, the power module 100 basically includes a power module substrate 10 as described above and an electronic component 11 mounted on the metal plate 2 (21) of the power module substrate 10. It is configured. According to such a power module 100, since the power module substrate 10 having the above-described configuration is provided, the bonding reliability of the electronic component 11 is improved.

セラミック基板1は、セラミックス焼結体からなり、金属板2を固定して支持するための基体部分である。また、セラミック基板1は、セラミック基板1の表面に接合された複数の金属板2の間を互いに電気的に絶縁させるための絶縁部材としても機能する。また、
セラミック基板1の上下面間で熱を伝導する伝熱部材としても機能する。
The ceramic substrate 1 is made of a ceramics sintered body and is a base portion for fixing and supporting the metal plate 2. Further, the ceramic substrate 1 also functions as an insulating member for electrically insulating the plurality of metal plates 2 bonded to the surface of the ceramic substrate 1 from each other. Also,
It also functions as a heat transfer member that conducts heat between the upper and lower surfaces of the ceramic substrate 1.

セラミック基板1のセラミックス焼結体としては、公知の材料を用いることができ、例えば、アルミナ(Al)焼結体、窒化アルミニウム(AlN)焼結体および窒化ケイ素(Si)焼結体などを用いることができる。セラミック基板1は、公知の製造方法によって製造することができ、例えば、アルミナなどの原料粉末に焼結助剤を添加し、基板状に成形したのち、焼成することで製造することができる。 A known material can be used as the ceramics sintered body of the ceramic substrate 1, and examples thereof include an alumina (Al 2 O 3 ) sintered body, an aluminum nitride (AlN) sintered body, and a silicon nitride (Si 3 N 4 ). A sintered body or the like can be used. The ceramic substrate 1 can be manufactured by a known manufacturing method. For example, the ceramic substrate 1 can be manufactured by adding a sintering aid to a raw material powder such as alumina, shaping the substrate into a substrate shape, and then firing the substrate.

金属板2は、例えば銅または銅合金等の金属材料によって形成されている。電気伝導および熱伝導の点では99%以上の純銅を用いるとよく、さらに、金属板2における酸素の含有量が少ない方が、ボンディングワイヤ12と金属板2との接合強度の向上に関して有利である。   The metal plate 2 is formed of a metal material such as copper or a copper alloy. From the viewpoint of electric conduction and heat conduction, it is preferable to use pure copper of 99% or more, and it is advantageous that the oxygen content in the metal plate 2 is small in terms of improving the bonding strength between the bonding wire 12 and the metal plate 2. .

図1に示す例のパワーモジュール用基板10においては、セラミック基板1の表面(上面)の中央部に接合された金属板2(21)、金属板2(21)を挟むように配置されて接合された2対の計4つの金属板2(22)およびセラミック基板1の下面に接合された金属板2(23)を備えている。この例では、セラミック基板1の上面に接合された金属板2は主として電気回路の配線として機能し、セラミック基板1の下面に接合された金属板2は放熱板として機能する。金属板2の数、形状、配置等はこの例に限られるものではない。   In the power module substrate 10 of the example shown in FIG. 1, the metal plate 2 (21) bonded to the central portion of the front surface (upper surface) of the ceramic substrate 1 is arranged so as to sandwich the metal plate 2 (21) and bonded. There are provided a total of four pairs of metal plates 2 (22) and a metal plate 2 (23) bonded to the lower surface of the ceramic substrate 1. In this example, the metal plate 2 bonded to the upper surface of the ceramic substrate 1 mainly functions as wiring of an electric circuit, and the metal plate 2 bonded to the lower surface of the ceramic substrate 1 functions as a heat dissipation plate. The number, shape, arrangement, etc. of the metal plates 2 are not limited to this example.

金属板2は、例えばチタン、ハフニウムおよびジルコニウムのうち少なくとも1種の活性金属材料を含む、例えばAg−Cu系のろう材(不図示)によってセラミック基板1に接合、つまりろう付けされている。ろう材は、活性金属材料を含まないものでもよい。この場合には、セラミック基板1の上面の所定部位にろう付け用の下地金属層(図示せず)を設けておけばよい。下地金属層は、例えば銀、銅、インジウム、亜鉛、錫、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、モリブデン、オスミウム、レニウムおよびタングステン等から選択される金属を含む金属材料のメタライズ層としてセラミック基板1の表面の所定位置に形成することができる。   The metal plate 2 is joined, that is, brazed, to the ceramic substrate 1 by, for example, an Ag—Cu-based brazing material (not shown) containing at least one active metal material selected from titanium, hafnium, and zirconium. The brazing material may not contain an active metal material. In this case, a base metal layer (not shown) for brazing may be provided on a predetermined portion of the upper surface of the ceramic substrate 1. The underlying metal layer is, for example, a metallized layer of a metal material containing a metal selected from silver, copper, indium, zinc, tin, titanium, zirconium, hafnium, niobium, molybdenum, osmium, rhenium, tungsten, etc. Can be formed at a predetermined position.

金属板2は、打ち抜き加工等であらかじめ所定形状に加工したものをろう付けしてもよいし、セラミック基板1と同程度の大きさの金属素板をセラミック基板1にろう付けした後にエッチング等で所定形状の金属板2に加工してもよい。セラミック基板に上記ろう材を含むろう材ペーストを塗布し、その上に金属板2(金属素板)を載置して加熱することによってろう付けされる。このときのろう材ペーストはスクリーン印刷等で塗布することができるが、セラミック基板1の全面にろう材ペーストを塗布してもよいし、所定形状に塗布してもよい。セラミック基板1の全面に塗布する場合は、金属板2(金属素板)をろう付けした後に、エッチング等によって金属板2間の不要な部分を除去すればよい。   The metal plate 2 may be preliminarily processed into a predetermined shape by punching or the like, and may be brazed. Alternatively, a metal base plate having the same size as the ceramic substrate 1 may be brazed to the ceramic substrate 1 and then etched. You may process it into the metal plate 2 of a predetermined shape. Brazing is performed by applying a brazing material paste containing the brazing material to a ceramic substrate, placing a metal plate 2 (metal base plate) on the brazing material paste, and heating. The brazing material paste at this time can be applied by screen printing or the like, but the brazing material paste may be applied to the entire surface of the ceramic substrate 1 or may be applied in a predetermined shape. When applying it on the entire surface of the ceramic substrate 1, after brazing the metal plate 2 (metal base plate), unnecessary portions between the metal plates 2 may be removed by etching or the like.

金属皮膜3を部分的に設ける場合の金属板2(21)の表面の凹部2dは、平面視の寸法が搭載される電子部品11の寸法より一回り大きい大きさである。凹部2dの深さは、例えば2μm〜20μmである。凹部2dは、金属板2の表面に、ブラスト加工等の機械的加工あるいは化学エッチング等の化学的加工を施すことによって形成することができる。いずれの場合でも、例えば、金属皮膜3を形成する位置に開口を設けた被覆材(レジスト膜)を金属板2の上に設けて、開口から露出した部分のみを加工することで凹部2dを形成することができる。エッチングによって凹部2dを形成する場合には、同じ被覆材を用いて、続けて金属皮膜3の形成をすることができる。   The recess 2d on the surface of the metal plate 2 (21) when the metal film 3 is partially provided has a size in plan view that is slightly larger than the size of the electronic component 11 to be mounted. The depth of the recess 2d is, for example, 2 μm to 20 μm. The recess 2d can be formed by subjecting the surface of the metal plate 2 to mechanical processing such as blasting or chemical processing such as chemical etching. In any case, for example, a coating material (resist film) having an opening at a position where the metal film 3 is formed is provided on the metal plate 2, and only the portion exposed from the opening is processed to form the recess 2d. can do. When the recess 2d is formed by etching, the same coating material can be used to continuously form the metal film 3.

具体的には、例えば以下のようにして金属板2に凹部2dを形成することができる。まず、セラミック基板1に接合された金属板2の表面に、開口を有する被覆膜を形成する。
被覆膜の形成は、金属板2の表面上に、液状のレジスト材を塗布して乾燥して形成してもよいし、ドライフィルムレジストを貼り付けて形成してもよい。レジスト膜の開口は、露光・現像によって行なうことができる。あるいは、液状の被覆材をスクリーン印刷によって、開口を有する形状に印刷して被覆膜を形成してもよい。次に、めっき前処理も兼ねて、硫酸、塩酸、塩化ヒドロキシルアンモニウムなどの酸性水溶液でレジスト膜の開口内に露出している金属板2の表面の酸化膜を除去して、アルカリにて脱脂処理をする。そして、過硫酸ナトリウムや過硫酸アンモニウムなどのエッチング液にて金属板2の表面をエッチングして凹部2dを形成する。凹部2dの深さは、エッチング液濃度やエッチング時間などによって調節することができる。
Specifically, the recess 2d can be formed in the metal plate 2 as follows, for example. First, a coating film having an opening is formed on the surface of the metal plate 2 bonded to the ceramic substrate 1.
The coating film may be formed by applying a liquid resist material on the surface of the metal plate 2 and drying it, or by attaching a dry film resist. The opening of the resist film can be performed by exposure and development. Alternatively, a liquid coating material may be printed into a shape having an opening by screen printing to form a coating film. Next, also as a pretreatment for plating, the oxide film on the surface of the metal plate 2 exposed in the opening of the resist film is removed with an acidic aqueous solution of sulfuric acid, hydrochloric acid, hydroxylammonium chloride or the like, and degreasing is performed with alkali. do. Then, the surface of the metal plate 2 is etched with an etching solution such as sodium persulfate or ammonium persulfate to form the recess 2d. The depth of the recess 2d can be adjusted by the concentration of the etching solution, the etching time, and the like.

金属板2の表面の結晶粒界部2cの凹み2aは、上記した凹部2dを形成するためのエッチングと同様のエッチング液を用いて形成することができる。金属皮膜3を部分的に設け、凹部2dを形成する場合には、例えば、上述の凹部2dの形成と同時に形成することができる。エッチング液の種類や濃度、エッチング時間等のエッチング条件を調整することにより、金属結晶粒2bより結晶粒界部2cを深くエッチングすることができる。あるいは、金属板2の表面に凹部2dを形成した後、過硫酸ナトリウムや過硫酸アンモニウムなどの比較的弱いエッチング液で結晶粒界部をエッチングすることで結晶粒界部2cの凹み2aを形成することができる。   The depression 2a of the crystal grain boundary portion 2c on the surface of the metal plate 2 can be formed by using the same etching solution as the etching for forming the depression 2d. When the metal film 3 is partially provided and the recess 2d is formed, it can be formed simultaneously with the formation of the recess 2d, for example. By adjusting the etching conditions such as the type and concentration of the etching liquid and the etching time, the crystal grain boundary portion 2c can be etched deeper than the metal crystal grain 2b. Alternatively, after forming the recess 2d on the surface of the metal plate 2, the recess 2a of the crystal grain boundary portion 2c is formed by etching the crystal grain boundary portion with a relatively weak etching solution such as sodium persulfate or ammonium persulfate. You can

切削加工で金属板2の凹部2dの底面に細かい網状の凹みを形成することは、凹部2dが小さいことなどから困難である。研磨加工やブラスト加工等でも凹部2dの底面に点状の凹みを有する凹凸面を形成することができるが、小さい凹部2dの底面に細かい網状の凹みを形成することは困難である。   It is difficult to form a fine net-like recess on the bottom surface of the recess 2d of the metal plate 2 by cutting because the recess 2d is small. Even if polishing or blasting is performed, it is possible to form an uneven surface having point-like depressions on the bottom surface of the recess 2d, but it is difficult to form fine mesh-like depressions on the bottom surface of the small recess 2d.

結晶粒界部2cの凹み2aが網状であることで、金属皮膜3が結晶粒界部の凹み2aに入り込む部分の形状が壁状となり、接合材11aの金属皮膜3の凹み3aに入り込む部分の形状も壁状となる。結晶粒界部の凹み2aまたは金属皮膜3の凹み3aに入り込んでアンカーとして機能する部分が壁状であるので、アンカーとして機能する部分が点状である場合に比較してより効果的に機能して接合強度が向上する。比較的小さい凹部2dの底面の網状の凹み2aは、上述したようなエッチングにより、容易かつ低コストで形成することができる。なお、結晶粒界部2cの凹み2aおよび金属皮膜3の凹み3aは、全体として網状であればよく、途中で分断された部分を有していてもよい。   Since the recess 2a of the crystal grain boundary portion 2c has a mesh shape, the shape of the portion where the metal coating 3 enters the recess 2a of the crystal grain boundary portion becomes a wall shape, and the portion of the joining material 11a that enters the recess 3a of the metal coating 3 is formed. The shape is also wall-like. Since the part that enters the recess 2a of the grain boundary part or the recess 3a of the metal film 3 and functions as an anchor is wall-shaped, it functions more effectively than when the part that functions as an anchor is dot-shaped. Improves the bonding strength. The mesh-shaped recess 2a on the bottom surface of the relatively small recess 2d can be formed easily and at low cost by the above-described etching. The depressions 2a of the crystal grain boundary portion 2c and the depressions 3a of the metal coating 3 may have a net shape as a whole, and may have a portion divided in the middle.

金属板2の表面の結晶粒界部の凹み2aは、例えば開口幅が3μm〜10μm程度で、凹部2dの底面からの深さが2μm〜20μmである。結晶粒界部の凹み2aの網目の形状および大きさは、金属板2の凹部2dの底面に露出する金属結晶粒2bの形状および大きさによるものであり、形状は多角形状で最大長さは例えば100μm〜600μmである。最大長さとは、多角形の外寸のうち最長となる長さであり、例えば矩形状の場合は対角長さである。また、このときの金属皮膜3の凹み3aは、例えば開口幅が1μm〜10μm程度で、凹部2dの底面からの深さが1μm〜20μmである。   The recess 2a of the crystal grain boundary portion on the surface of the metal plate 2 has, for example, an opening width of about 3 μm to 10 μm and a depth of 2 μm to 20 μm from the bottom surface of the recess 2d. The shape and size of the mesh of the depressions 2a in the crystal grain boundary portion are due to the shape and size of the metal crystal grains 2b exposed on the bottom surface of the recess 2d of the metal plate 2, and the shape is polygonal and the maximum length is For example, it is 100 μm to 600 μm. The maximum length is the maximum length of the outer dimensions of the polygon, and is the diagonal length in the case of a rectangular shape, for example. The depression 3a of the metal coating 3 at this time has, for example, an opening width of about 1 μm to 10 μm and a depth of 1 μm to 20 μm from the bottom surface of the depression 2d.

金属皮膜3は、例えばめっき法によってセラミック基板1に接合された金属板2の表面に形成することができる。金属皮膜3を金属板2の表面の一部に設ける場合には、めっき工程において、金属板2の上面における金属皮膜3を形成する領域以外を樹脂材料等からなる被覆材(レジスト膜)でカバーしておけば、金属皮膜3を金属板2の上面の一部にのみ設けることができる。この場合、被覆材は、めっき工程後に機械的または化学的な手段で除去する。機械的な除去は、ジグ等で樹脂材料を引き剥がす方法であり、化学的な除去は有機溶剤または有機酸等の除去剤で除去する方法である。あるいは、金属板2の上面の全面に金属皮膜3を形成し、電子部品11を搭載する領域を被覆材で被覆して、それ以外の領域の金属皮膜3をエッチングで除去することでも、金属板2の上面に金属皮膜3を部
分的に設けることができる。上述した被覆材を用いた凹部2dの形成の後に金属皮膜3の
形成を行なうことで、効率よく凹部2dと金属皮膜3の形成ができる。
The metal film 3 can be formed on the surface of the metal plate 2 joined to the ceramic substrate 1 by, for example, a plating method. When the metal coating 3 is provided on a part of the surface of the metal plate 2, in the plating step, a region other than the region where the metal coating 3 is formed on the upper surface of the metal plate 2 is covered with a coating material (resist film) made of a resin material or the like. If so, the metal film 3 can be provided only on a part of the upper surface of the metal plate 2. In this case, the coating material is removed by mechanical or chemical means after the plating process. Mechanical removal is a method of peeling off the resin material with a jig or the like, and chemical removal is a method of removing with a remover such as an organic solvent or an organic acid. Alternatively, the metal plate 3 may be formed on the entire upper surface of the metal plate 2, the region on which the electronic component 11 is mounted is covered with a coating material, and the metal film 3 in the other regions may be removed by etching. The metal coating 3 can be partially provided on the upper surface of the metal layer 2. By forming the metal coating 3 after forming the recess 2d using the above-mentioned coating material, the recess 2d and the metal coating 3 can be efficiently formed.

セラミック基板1と同程度の大きな金属素板をセラミック基板1に接合して、電解めっき法によって所定位置に金属皮膜3を形成した後に、エッチングで所定形状の金属板2を形成することもできる。   It is also possible to bond a metal base plate that is as large as the ceramic substrate 1 to the ceramic substrate 1, form a metal film 3 at a predetermined position by electrolytic plating, and then form a metal plate 2 having a predetermined shape by etching.

金属皮膜3は、例えば、ニッケル(Ni)、金(Au)、銀(Ag)のような金属の皮膜であり、上述したようにめっき皮膜である。   The metal film 3 is, for example, a film of a metal such as nickel (Ni), gold (Au), and silver (Ag), and is a plating film as described above.

金属皮膜3の表面は、銀層または金層からなるものとすることができる。金属板2の上面の電子部品11が搭載される部分に銀層または金層を最表層とする金属皮膜3が配置されていると、金属板2の上面の電子部品11が搭載される部分の酸化等を抑制することができる。そのため、接合材11aを介して電子部品11を金属板2(21)の表面(上面)に接合して搭載することが容易であり、電気的な接続信頼性の向上についても有利である。金属皮膜3は表面が銀または金であればよいので、銀層または金層の単層であってもよいし、最表層を銀層または金層とする複数層で構成されていてもよい。   The surface of the metal coating 3 may be composed of a silver layer or a gold layer. When the metal film 3 having a silver layer or a gold layer as the outermost layer is arranged on a portion of the upper surface of the metal plate 2 on which the electronic component 11 is mounted, a portion of the upper surface of the metal plate 2 on which the electronic component 11 is mounted is mounted. Oxidation and the like can be suppressed. Therefore, it is easy to bond and mount the electronic component 11 on the surface (upper surface) of the metal plate 2 (21) through the bonding material 11a, which is also advantageous for improving the electrical connection reliability. Since the surface of the metal film 3 may be silver or gold, it may be a single layer of a silver layer or a gold layer, or may be composed of a plurality of layers having a silver layer or a gold layer as the outermost layer.

金属皮膜3が銀層または金層である場合、すなわち金属皮膜3が銀層または金層のみからなる場合には、金属皮膜3の形成工程において、めっき、エッチング、熱処理工程数を減らすことができる。そのため、被覆材除去の際の除去剤によるセラミック基板1および金属皮膜3の機械的強度の低下を抑制し、また工程数削減によりパワーモジュール用基板10のコストを低減することができる。   When the metal coating 3 is a silver layer or a gold layer, that is, when the metal coating 3 is composed of only a silver layer or a gold layer, the number of plating, etching and heat treatment steps can be reduced in the step of forming the metal coating 3. . Therefore, it is possible to prevent the mechanical strength of the ceramic substrate 1 and the metal coating 3 from being lowered by the removing agent when removing the coating material, and to reduce the cost of the power module substrate 10 by reducing the number of steps.

金属皮膜3を複数層で構成する場合には、金属板2と接合性のよい下地層を設けることができるので、金属皮膜3の金属板2への接合強度を向上させることができる。金属皮膜3を複数層で構成する場合の例としては、例えば、金属板2側から、ニッケル/パラジウム/銀(Ni/Pd/Ag)、ニッケル/パラジウム/金(Ni/Pd/Au)等があげられる。ニッケル層は、金属皮膜3の金属板2に対する接合強度を向上させる機能を有している。ニッケル層は、銅等の被めっき材(金属板2)に対する密着強度が高い性質を有している。そのため、ニッケル層によって金属皮膜3が金属板2の上面に強固に被着されている。パラジウム層は、ニッケル層のニッケル成分が銀層または金層に拡散することを抑制する機能を有している。また、パラジウム層は、例えば接合材11aとしてはんだを用いる場合には、はんだを介して金属皮膜3上に電子部品11を搭載するときのはんだ濡れ性を向上させる機能も有している。この場合、例えば銀層または金層の一部がはんだ中に溶解したとしても、パラジウム層にはんだが容易に濡れる。そのため、はんだの濡れ性を向上させることができる。   When the metal coating 3 is composed of a plurality of layers, it is possible to provide an underlayer having a good bonding property with the metal plate 2, so that the bonding strength of the metal coating 3 to the metal plate 2 can be improved. Examples of the case where the metal film 3 is composed of a plurality of layers include, for example, nickel / palladium / silver (Ni / Pd / Ag) and nickel / palladium / gold (Ni / Pd / Au) from the metal plate 2 side. can give. The nickel layer has a function of improving the bonding strength of the metal film 3 to the metal plate 2. The nickel layer has a high adhesive strength with respect to the material to be plated (metal plate 2) such as copper. Therefore, the metal film 3 is firmly adhered to the upper surface of the metal plate 2 by the nickel layer. The palladium layer has a function of suppressing diffusion of the nickel component of the nickel layer into the silver layer or the gold layer. The palladium layer also has a function of improving the solder wettability when the electronic component 11 is mounted on the metal film 3 via the solder, for example, when solder is used as the bonding material 11a. In this case, for example, even if a part of the silver layer or the gold layer is dissolved in the solder, the palladium layer easily wets the solder. Therefore, the wettability of the solder can be improved.

また、金属皮膜3が銀層または金層およびそのすぐ下側に配置されたニッケル層を含む場合、すなわち金属皮膜3が、セラミック基板1の上面に順次被着されたニッケル層および銀層または金層のみからなる場合には、金属板2から金属皮膜3への銅等の金属の拡散を抑制することができる。これにより、金属皮膜3の銀層または金層の厚みを抑制することができ、パワーモジュール用基板10のコストを低減することができる。   In addition, when the metal coating 3 includes a silver layer or a gold layer and a nickel layer disposed immediately below it, that is, the metal coating 3 is a nickel layer and a silver layer or a gold layer sequentially deposited on the upper surface of the ceramic substrate 1. When it is composed of only layers, diffusion of metal such as copper from the metal plate 2 to the metal coating 3 can be suppressed. Thereby, the thickness of the silver layer or the gold layer of the metal coating 3 can be suppressed, and the cost of the power module substrate 10 can be reduced.

接合材11aとして銀ナノペーストを用いる場合には、金属皮膜3の表面を銀層とすることができる。このようにすることで、銀ナノ粒子と金属皮膜3とが結合しやすくなるので、銀ナノペーストによる電子部品11の金属板2への接合性が高いものとなる。   When silver nanopaste is used as the bonding material 11a, the surface of the metal coating 3 can be a silver layer. By doing so, the silver nanoparticles and the metal film 3 are easily bonded, so that the bondability of the electronic component 11 to the metal plate 2 by the silver nanopaste becomes high.

金属皮膜3が上記のようなNi/Pd/Agの3層構成である場合は、各層は以下のようにして形成することができる。銀層は、例えばシアン化銀を主成分とするシアン系の電
気銀めっき液中で、ニッケル層およびパラジウム層を被着させた金属板2に所定の電流密度および時間で電気めっきを施すことによって形成することができる。形成された銀層は、例えば銀を99.99質量%以上含有する、いわゆる純銀層である。銀層は、前述した例のように金属板2の上面に直接に被着させるようにしてもよい。ニッケル層は、例えば硫酸ニッケル等を主成分とするワット浴等のニッケルめっき液中で、金属板2に所定の電流密度および時間で電気めっきを施すことによって形成することができる。形成されたニッケル層は、例えばニッケルを主成分とし、コバルト等の金属成分を含む金属層となっている。パラジウム層は、例えばパラジウムのアンミン錯体等を主成分とするパラジウムめっき液中で、ニッケル層を被着させた金属板2に所定の電流密度および時間で電気めっきを施すことによって形成することができる。形成されたパラジウム層は、例えばパラジウムを99.99質量%以上含有する、いわゆる純パラジウム層である。
When the metal film 3 has a three-layer structure of Ni / Pd / Ag as described above, each layer can be formed as follows. The silver layer is formed, for example, by electroplating a metal plate 2 on which a nickel layer and a palladium layer are adhered at a predetermined current density and time in a cyan-based electrosilver plating solution containing silver cyanide as a main component. Can be formed. The formed silver layer is a so-called pure silver layer containing, for example, 99.99 mass% or more of silver. The silver layer may be directly applied to the upper surface of the metal plate 2 as in the above-mentioned example. The nickel layer can be formed by electroplating the metal plate 2 at a predetermined current density and time in a nickel plating solution such as a Watt bath containing nickel sulfate as a main component. The formed nickel layer is a metal layer containing nickel as a main component and a metal component such as cobalt. The palladium layer can be formed, for example, by subjecting the metal plate 2 on which the nickel layer has been deposited to electroplating at a predetermined current density and time in a palladium plating solution containing a palladium ammine complex as a main component. . The formed palladium layer is a so-called pure palladium layer containing, for example, 99.99% by mass or more of palladium.

金属皮膜3を形成する方法は、例えば上述した電気めっき(電解めっき法)以外に無電解めっき法が挙げられるが、金属板2の凹部2dの底面に結晶粒界部の凹み2aが形成されており、金属皮膜3を結晶粒界部の凹み2aの内面を覆って密着させる場合には、電解めっき法の方がより効果的である。それは、無電解めっき法の場合には、結晶粒界部の凹み2aの開口幅や深さによっては、電解めっき法と比較して、結晶粒界部の凹み2aの開口が金属皮膜3で塞がれ、この金属皮膜3と結晶粒界部の凹み2aの底との間に空間が形成されやすいためである。このような空間は金属皮膜3と金属板2とが接合されていない部分であって接合強度が低い部分であり、また加熱により空間内の気体が膨張して金属皮膜3が膨れてしまい、より接合強度が低下してしまうおそれがある。   As a method for forming the metal film 3, for example, electroless plating method other than the above-described electroplating (electrolytic plating method) can be mentioned. However, the recess 2a of the crystal grain boundary portion is formed on the bottom surface of the recess 2d of the metal plate 2. Therefore, the electrolytic plating method is more effective when the metal coating 3 is adhered to the inner surface of the recess 2a of the crystal grain boundary portion so as to be adhered thereto. In the case of the electroless plating method, depending on the opening width and the depth of the recess 2a in the crystal grain boundary portion, the opening of the recess 2a in the crystal grain boundary portion is closed with the metal film 3 as compared with the electrolytic plating method. This is because the flakes easily form a space between the metal coating 3 and the bottom of the recess 2a in the crystal grain boundary portion. Such a space is a part where the metal film 3 and the metal plate 2 are not bonded and has a low bonding strength, and the gas in the space expands due to heating, and the metal film 3 expands. The bonding strength may be reduced.

また、セラミック基板1の下面に接合された金属板2(23)の表面にもニッケルなどのめっき層を設けてもよい。これにより、金属板2(23)の表面の酸化を抑制することができる。また、金属板2(23)をはんだ等の伝熱性接合材で放熱体に接合する場合には、はんだ濡れ性を向上させることができ、放熱体への熱伝導性を向上させることができる。   Further, a plating layer of nickel or the like may be provided on the surface of the metal plate 2 (23) joined to the lower surface of the ceramic substrate 1. Thereby, the oxidation of the surface of the metal plate 2 (23) can be suppressed. In addition, when the metal plate 2 (23) is bonded to the heat radiator with a heat conductive bonding material such as solder, the solder wettability can be improved, and the heat conductivity to the heat radiator can be improved.

上記のようなパワーモジュール用基板10に電子部品11を搭載することで、図1に示す例のようなパワーモジュール100となる。パワーモジュール100は、例えば、自動車などに用いられ、ECU(engine control unit)およびパワーアシストハンドル、モ
ータドライブなどの各種制御ユニットに使用される。パワーモジュール100は、このような車載の制御ユニットに限られるものではなく、例えば、その他の各種インバータ制御回路、電力制御回路、パワーコンディショナー等に用いられる。
By mounting the electronic component 11 on the power module substrate 10 as described above, a power module 100 such as the example shown in FIG. 1 is obtained. The power module 100 is used, for example, in an automobile or the like, and is used in various control units such as an ECU (engine control unit), a power assist steering wheel, and a motor drive. The power module 100 is not limited to such a vehicle-mounted control unit, but is used for other various inverter control circuits, power control circuits, power conditioners, and the like.

図1に示す例のパワーモジュール100においては、セラミック基板1の表面(上面)の中央部に接合された金属板2(21)の上に、間隔をあけて2つの金属皮膜3が設けられ、2つの金属皮膜3のそれぞれの上に電子部品11が1つずつ搭載されている。電子部品11が搭載された金属板2(21)を挟むように配置されて接合された金属板2(22)と電子部品11とはボンディングワイヤ12によって電気的に接続されている。この外側の金属板2(22)は、外部の電気回路と接続するための端子として機能する。また、電子部品11で発生した熱は、セラミック基板1の上面に接合された金属板2(21)およびセラミック基板1を介してセラミック基板1の下面に接合された金属板2(23)に伝わり、さらに外部へ放熱することができる。つまり、セラミック基板1の下面に接合された金属板2(23)は放熱板として機能する。電子部品11の数、大きさおよび搭載位置等については、図1に示す例に限られるものではない。   In the power module 100 of the example shown in FIG. 1, two metal coatings 3 are provided at intervals on a metal plate 2 (21) bonded to the central portion of the surface (upper surface) of the ceramic substrate 1. One electronic component 11 is mounted on each of the two metal films 3. The metal plate 2 (22), which is arranged and bonded so as to sandwich the metal plate 2 (21) on which the electronic component 11 is mounted, and the electronic component 11 are electrically connected by the bonding wire 12. The outer metal plate 2 (22) functions as a terminal for connecting to an external electric circuit. Further, the heat generated in the electronic component 11 is transmitted to the metal plate 2 (21) bonded to the upper surface of the ceramic substrate 1 and the metal plate 2 (23) bonded to the lower surface of the ceramic substrate 1 via the ceramic substrate 1. Further, heat can be dissipated to the outside. That is, the metal plate 2 (23) bonded to the lower surface of the ceramic substrate 1 functions as a heat dissipation plate. The number, size and mounting position of the electronic components 11 are not limited to the example shown in FIG.

電子部品11は、例えばパワー半導体であり、上記のような各種制御ユニットにおいて、電力制御のために用いられる。例えばSiを用いたMOS−FET(Metal Oxide Semiconductor−Field Effect Transistor)やIGBTといったトランジスタ、あるいはSi
CやGaNを用いたパワー素子があげられる。
The electronic component 11 is, for example, a power semiconductor, and is used for power control in the above various control units. For example, a transistor such as a MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor) or an IGBT using Si, or Si
A power element using C or GaN can be given.

電子部品11は、接合材11aによってパワーモジュール用基板10の金属板2に設けられた金属皮膜3上に接合されて固定される。接合材11aは、例えば、はんだまたは銀ナノペーストを用いることができる。接合材11aの平面視での大きさが電子部品11の大きさより大きいと、電子部品11の側面から金属板2(金属皮膜3)の上面にかけて接合材11aのフィレットが形成されるので、電子部品11の金属板2(金属皮膜3)への接合強度を高めることができる。金属皮膜3を設ける場合は金属皮膜3の平面視の大きさを電子部品11の大きさより大きくする。このとき、金属皮膜3の表面は接合材11aによって覆われて露出しないので、後述する封止樹脂13の接合性が向上する。   The electronic component 11 is bonded and fixed on the metal film 3 provided on the metal plate 2 of the power module substrate 10 by the bonding material 11a. As the bonding material 11a, for example, solder or silver nano paste can be used. If the size of the bonding material 11a in plan view is larger than the size of the electronic component 11, a fillet of the bonding material 11a is formed from the side surface of the electronic component 11 to the upper surface of the metal plate 2 (metal coating 3). The bonding strength of 11 to the metal plate 2 (metal coating 3) can be increased. When the metal film 3 is provided, the size of the metal film 3 in plan view is made larger than the size of the electronic component 11. At this time, since the surface of the metal film 3 is covered with the bonding material 11a and is not exposed, the bonding property of the sealing resin 13 described later is improved.

ボンディングワイヤ12は、電子部品11の端子電極(不図示)と金属板2(22)とを電気的に接続する、接続部材である。ボンディングワイヤ12としては、例えば、銅もしくはアルミニウム製のものを用いることができる。   The bonding wire 12 is a connection member that electrically connects a terminal electrode (not shown) of the electronic component 11 and the metal plate 2 (22). As the bonding wire 12, for example, one made of copper or aluminum can be used.

図7(a)および図7(b)は、いずれもパワーモジュールの実施形態の他の例を示す断面図である。図1に示す例のパワーモジュール100に対して、パワーモジュール用基板10の金属板2(21)の表面のうち、電子部品11を搭載する領域のみに金属皮膜3が形成されており、封止樹脂等を備えている例である。   FIG. 7A and FIG. 7B are sectional views showing another example of the embodiment of the power module. In the power module 100 of the example shown in FIG. 1, the metal film 3 is formed only on the region of the metal plate 2 (21) of the power module substrate 10 on which the electronic component 11 is mounted, and sealing is performed. This is an example including a resin or the like.

図7(a)に示す例のパワーモジュール101は、図1に示す例のような、パワーモジュール用基板10に電子部品11が搭載されたパワーモジュール100が、上面から下面の外周部にかけて封止樹脂13で覆われて、電子部品11が封止されているものである。封止樹脂13は、不活性な銀層または金層である金属皮膜3が形成されていない金属板2の上面等に接合されるので、封止樹脂13による電子部品11の封止の信頼性を効果的に向上させることができる。また、封止樹脂13は、セラミック基板1の下面に接合された金属板2(23)の主面(下面)は覆っていない。そのため、放熱板として機能する金属板2(23)を外部の放熱体等に直接に熱的に接続することができるので、放熱性に優れたパワーモジュール101とすることができる。また、端子として機能する金属板2(22)は、セラミック基板1からはみ出す長さであり、封止樹脂13からもはみ出している。これによって、端子として機能する金属板2(22)と外部の電気回路との電気的に接続が容易に可能となっている。   In the power module 101 of the example shown in FIG. 7A, the power module 100 in which the electronic component 11 is mounted on the power module substrate 10 as in the example shown in FIG. 1 is sealed from the upper surface to the outer peripheral portion of the lower surface. The electronic component 11 is covered with the resin 13 and sealed. Since the sealing resin 13 is bonded to the upper surface or the like of the metal plate 2 on which the metal coating 3 which is an inactive silver layer or gold layer is not formed, the reliability of sealing the electronic component 11 by the sealing resin 13 is high. Can be effectively improved. Further, the sealing resin 13 does not cover the main surface (lower surface) of the metal plate 2 (23) joined to the lower surface of the ceramic substrate 1. Therefore, the metal plate 2 (23) functioning as a heat dissipation plate can be directly thermally connected to an external heat dissipation member or the like, so that the power module 101 having excellent heat dissipation can be obtained. Further, the metal plate 2 (22) functioning as a terminal has a length protruding from the ceramic substrate 1 and also protruding from the sealing resin 13. As a result, it is possible to easily electrically connect the metal plate 2 (22) functioning as a terminal to an external electric circuit.

封止樹脂13には、熱伝導性、絶縁性、耐環境性および封止性の点から、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することができる。   A thermosetting resin such as a silicone resin, an epoxy resin, or a phenol resin can be used for the sealing resin 13 in terms of thermal conductivity, insulation, environment resistance, and sealing property.

図7(b)に示す例のパワーモジュール102は、図1に示す例のパワーモジュール100が、内側空間を有する筐体14の内部空間に配置され、内部空間に封止樹脂13が充填されて電子部品11およびパワーモジュール用基板10が封止されている例である。   In the power module 102 of the example shown in FIG. 7B, the power module 100 of the example shown in FIG. 1 is arranged in the internal space of the housing 14 having an internal space, and the internal space is filled with the sealing resin 13. In this example, the electronic component 11 and the power module substrate 10 are sealed.

筐体14は、枠体15と、この枠体15の一方の開口を塞ぐ放熱板16とで構成されており、枠体15と放熱板16とで囲まれた空間が内側空間となる。また、内側空間から筐体14の枠体15を貫通して外部へ導出されたリード端子17を備えている。そして、リード端子17の内部空間内の端部とパワーモジュール用基板10の金属板2(22)とがボンディングワイヤ12で接続されている。これにより、電子部品11と外部の電気回路とが電気的に接続可能となっている。   The housing 14 includes a frame body 15 and a heat dissipation plate 16 that closes one opening of the frame body 15. The space surrounded by the frame body 15 and the heat dissipation plate 16 is an inner space. In addition, a lead terminal 17 is provided that extends from the inner space to the outside through the frame body 15 of the housing 14. The end of the lead terminal 17 in the internal space is connected to the metal plate 2 (22) of the power module substrate 10 by the bonding wire 12. As a result, the electronic component 11 and the external electric circuit can be electrically connected.

枠体15は、樹脂材料、金属材料またはこれらの混合材料からなり、放熱板16により一方の開口が塞がれてパワーモジュール用基板10を収納する内側空間を形成している。枠体15に用いられる材料としては、放熱性、耐熱性、耐環境性および軽量性の点から、
銅、アルミニウムなどの金属材料またはポリブチルテレフタレート(PBT)、ポリフェニレンサルファイト(PPS)などの樹脂材料を使用することができる。これらの中でも、入手しやすさの点から、PBT樹脂を用いることが望ましい。また、PBT樹脂には、ガラス繊維を添加して繊維強化樹脂とすることが、機械的強度が増大するので好ましい。
The frame 15 is made of a resin material, a metal material, or a mixed material thereof, and one opening is closed by the heat dissipation plate 16 to form an inner space for housing the power module substrate 10. As a material used for the frame body 15, in terms of heat dissipation, heat resistance, environment resistance and light weight,
A metal material such as copper or aluminum or a resin material such as polybutyl terephthalate (PBT) or polyphenylene sulfite (PPS) can be used. Among these, it is preferable to use the PBT resin from the viewpoint of easy availability. Further, it is preferable to add glass fibers to the PBT resin to obtain a fiber reinforced resin because the mechanical strength increases.

リード端子17は、内側空間から枠体15を貫通して外部へ導出するように取り付けられている、導電性の端子である。このリード端子17の内側空間側の端部はパワーモジュール用基板10の金属板2(22)と電気的に接続され、外部側の端部は外部の電気回路(図示せず)または電源装置(図示せず)などと電気的に接続される。このリード端子17は、導電性端子に用いられる各種の金属材料は、例えばCuおよびCu合金、AlおよびAl合金、FeおよびFe合金、ステンレススチール(SUS)等を用いることができる。   The lead terminal 17 is a conductive terminal attached so as to penetrate the frame 15 from the inner space and lead out to the outside. The inner space side end of the lead terminal 17 is electrically connected to the metal plate 2 (22) of the power module substrate 10, and the outer side end is an external electric circuit (not shown) or a power supply device (not shown). (Not shown) and the like. As various metal materials used for the conductive terminals of the lead terminal 17, for example, Cu and Cu alloys, Al and Al alloys, Fe and Fe alloys, and stainless steel (SUS) can be used.

放熱板16は、動作時に電子部品11で生じた熱を、パワーモジュール102の外部に放熱するためのものである。この放熱板16には、Al、Cu、Cu−Wなどの高熱伝導性材料を使用することができる。特に、AlはFeなどの一般的な構造材料としての金属材料と比べて熱伝導性が高く、電子部品11で生じた熱をより効率的にパワーモジュール102の外部に放熱できるので、電子部品11を安定して正常に動作させることが可能となる。また、AlはCuあるいはCu−Wなどの他の高熱伝導性材料と比較して、入手しやすく安価であることから、パワーモジュール102の低コスト化にも有利になる点で優れている。   The heat dissipation plate 16 is for dissipating the heat generated in the electronic component 11 during operation to the outside of the power module 102. A high heat conductive material such as Al, Cu, or Cu-W can be used for the heat dissipation plate 16. In particular, Al has a higher thermal conductivity than a metal material as a general structural material such as Fe, and can dissipate the heat generated in the electronic component 11 to the outside of the power module 102 more efficiently. Can be operated stably and normally. In addition, Al is superior in that it is easy to obtain and inexpensive as compared with other high thermal conductivity materials such as Cu or Cu—W, and thus is advantageous in reducing the cost of the power module 102.

放熱板16とパワーモジュール用基板10の金属板2(23)とは、不図示の伝熱性接合材で熱的に接続されている。伝熱性接合材としては、ろう材を用いて熱的に接続するとともに機械的に強固に接合してもよく、グリスなどで熱的に接続し、機械的には比較的弱く接合してもよく、さらに後述のように封止樹脂13によって接合してもよい。   The heat dissipation plate 16 and the metal plate 2 (23) of the power module substrate 10 are thermally connected by a heat conductive bonding material (not shown). As the heat conductive bonding material, a brazing material may be used for the thermal connection and mechanically strong connection, or grease may be used for the thermal connection, and the mechanical connection may be relatively weak. Further, they may be joined by the sealing resin 13 as described later.

封止樹脂13は、内側空間に充填され、パワーモジュール用基板10に搭載された電子部品11を封止して保護するものである。パワーモジュール用基板10と放熱板16との機械的な接合と内側空間の封止とを同じ封止樹脂13で行なってもよい。この場合、パワーモジュール用基板10と放熱板16との機械的な強固な接合と樹脂封止とを同一工程で行うことができる。   The sealing resin 13 fills the inner space and seals and protects the electronic component 11 mounted on the power module substrate 10. Mechanical bonding between the power module substrate 10 and the heat dissipation plate 16 and sealing of the inner space may be performed with the same sealing resin 13. In this case, mechanical and strong joining of the power module substrate 10 and the heat dissipation plate 16 and resin sealing can be performed in the same step.

パワーモジュール102は、さらに放熱特性を向上させるために、放熱板16の、パワーモジュール用基板10が接合されている側とは反対側の露出した面に、伝熱性接合材19を介して冷却器18を接合してもよい。この伝熱性接合材19は上記した、放熱板16とパワーモジュール用基板10の金属板2(23)とを接続する伝熱性接合材と同様のものを用いることができる。図7(b)に示す例では、冷却器18は金属等のブロック体に水等の冷媒を通過させる流路を設けたものを示しているが、これ以外の、例えば冷却フィンであってもよい。このような冷却器18は、図1または図7(b)に示す例のパワーモジュール100,101にも適用することができ、パワーモジュール用基板10の金属板2(23)に接続すればよい。この場合は、平板状のもの、すなわち図7(b)に示す放熱板16だけを冷却器18として適用することもできる。   In order to further improve the heat dissipation characteristics of the power module 102, the cooler is provided on the exposed surface of the heat dissipation plate 16 opposite to the side to which the power module substrate 10 is bonded, with the heat conductive bonding material 19 interposed therebetween. 18 may be joined. As the heat conductive bonding material 19, the same heat conductive bonding material as described above that connects the heat dissipation plate 16 and the metal plate 2 (23) of the power module substrate 10 can be used. In the example shown in FIG. 7B, the cooler 18 has a block body made of metal or the like provided with a flow path for allowing a coolant such as water to pass therethrough. However, other than this, for example, a cooling fin may be used. Good. Such a cooler 18 can also be applied to the power modules 100 and 101 of the example shown in FIG. 1 or FIG. 7B, and can be connected to the metal plate 2 (23) of the power module substrate 10. . In this case, a flat plate, that is, only the heat dissipation plate 16 shown in FIG. 7B can be applied as the cooler 18.

パワーモジュール用基板10は、多数個取りパワーモジュール用基板を作製し、これを分割して作製することもできる。多数個取りパワーモジュール用基板は、多数個取りの各々のパワーモジュール用基板10(領域)の配置の位置精度が高いために、分割せずに多数個取りパワーモジュール用基板で電子部品11を実装することも容易にできる。これによって、実装工程の生産性を高めることもでき、パワーモジュール100の生産性を効果的に高めることもできる。   The power module substrate 10 can also be manufactured by preparing a multi-cavity power module substrate and dividing it. Since the multi-cavity power module substrate has a high positional accuracy of the arrangement of the respective multi-cavity power module substrates 10 (regions), the electronic component 11 is mounted on the multi-cavity power module substrate without dividing the substrate. It can be done easily. As a result, the productivity of the mounting process can be increased, and the productivity of the power module 100 can be effectively increased.

1・・・セラミック基板
2(21,22,23)・・・金属板
2a・・・結晶粒界部の凹み
2b・・・金属結晶粒
2c・・・結晶粒界部
2d・・・凹部
3・・・金属皮膜
3a・・・金属皮膜の凹み
10・・・パワーモジュール用基板
11・・・電子部品
11a・・・接合材
12・・・ボンディングワイヤ
13・・・封止樹脂
14・・・筐体
15・・・枠体
16・・・放熱板
17・・・リード端子
18・・・冷却器
19・・・伝熱性接合材
100,101,102・・・・パワーモジュール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ceramic substrate 2 (21, 22, 23) ... Metal plate 2a ... Recess of crystal grain boundary portion 2b ... Metal crystal grain 2c ... Crystal grain boundary portion 2d ... Recess 3・ ・ ・ Metal coating 3a ・ ・ ・ Dent of metal coating 10 ・ ・ ・ Power module substrate 11 ・ ・ ・ Electronic component 11a ・ ・ ・ Bonding material 12 ・ ・ ・ Bonding wire 13 ・ ・ ・ Sealing resin 14 ・ ・ ・Housing 15 ... Frame 16 ... Heat dissipation plate 17 ... Lead terminal 18 ... Cooler 19 ... Heat conductive bonding material 100, 101, 102 ... Power module

Claims (6)

セラミック基板と、
該セラミック基板の表面に接合された金属板と、を備えており、
前記金属板は、その表面において結晶粒界部に凹みを有しているパワーモジュール用基板。
A ceramic substrate,
A metal plate bonded to the surface of the ceramic substrate,
The power module substrate, wherein the metal plate has a recess in a crystal grain boundary portion on its surface.
前記結晶粒界部の凹みは、平面視において前記結晶粒界部に沿った網状になっている請求項1に記載のパワーモジュール用基板。 The power module substrate according to claim 1, wherein the recess of the crystal grain boundary portion is a net shape along the crystal grain boundary portion in a plan view. 前記金属板の表面に金属皮膜を備えており、前記金属皮膜が前記結晶粒界部の凹みの内面を覆って密着している請求項1または請求項2に記載のパワーモジュール用基板。 The power module substrate according to claim 1 or 2, wherein the surface of the metal plate is provided with a metal film, and the metal film covers and adheres to an inner surface of the recess of the crystal grain boundary portion. 前記金属皮膜の表面は、前記結晶粒界部の凹みの上部において凹んでいる請求項3に記載のパワーモジュール用基板。 The power module substrate according to claim 3, wherein the surface of the metal film is recessed in the upper part of the recess of the crystal grain boundary portion. 前記金属皮膜の表面が銀層からなる請求項3または請求項4に記載のパワーモジュール用基板。 The power module substrate according to claim 3 or 4, wherein the surface of the metal coating is a silver layer. 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のパワーモジュール用基板と、
該パワーモジュール用基板の前記金属板上に搭載された電子部品と、を備えるパワーモジュール。
A power module substrate according to any one of claims 1 to 5,
An electronic component mounted on the metal plate of the power module substrate.
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