JP2021182577A

JP2021182577A - Semiconductor module and method for manufacturing semiconductor module

Info

Publication number: JP2021182577A
Application number: JP2020087125A
Authority: JP
Inventors: 博照加藤; Hiroteru Kato
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2021-11-25

Abstract

To provide a semiconductor module that can alleviate the thermal stress generated between a ceramic substrate and a base plate to prevent a reduction in heat dissipation from the ceramic substrate to the base plate, and a method for manufacturing the semiconductor module.SOLUTION: A SiC power module 2000 that is an embodiment of a semiconductor module comprises: a non-metallic filler 400 that has a higher thermal conductivity than that of air; a base plate 100; a ceramic substrate 200; and a CuSn alloy joint material 300 that joins the base plate 100 and the ceramic substrate 200 to each other. The base plate 100 has, on a joint surface to the ceramic substrate 200, convex part areas 120 joined to the ceramic substrate 200 and concave part areas 130 not jointed to the ceramic substrate 200, and the concave part areas 130 are filled with the non-metallic filler 400.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法に関する。例えば、電力を制御するパワーＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のパワーデバイスの駆動回路を組み込むことのできる、半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor module and a method for manufacturing a semiconductor module. For example, the present invention relates to a semiconductor module and a method for manufacturing a semiconductor module, which can incorporate a drive circuit of a power device such as a power MOSFET (metric-axis-semiconductor field-effect transistor) for controlling power and an isolated gate bipolar transistor (IGBT). ..

ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子は、電流により駆動される際に発熱する。特に、高い電流密度の電流が用いられる半導体素子の場合、発熱が増大する傾向にある。 Semiconductor elements such as IGBTs and power MOSFETs generate heat when driven by an electric current. In particular, in the case of a semiconductor device in which a current having a high current density is used, heat generation tends to increase.

炭化珪素（ＳｉＣ）を半導体として用いるＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ等のＳｉＣパワーデバイスは、高耐熱性を有している。そのため、ＳｉＣパワーデバイスが２００℃以上の高温で駆動することができるＳｉＣパワーモジュールを実現することが可能である。 SiC power devices such as SiC- MOSFETs that use silicon carbide (SiC) as a semiconductor have high heat resistance. Therefore, it is possible to realize a SiC power module capable of driving a SiC power device at a high temperature of 200 ° C. or higher.

また、高温で駆動するＳｉＣパワーモジュールに用いることのできる接合材として、ＣｕＳｎ合金接合材が挙げられる。ＣｕＳｎ合金接合材は、例えば、セラミックス基板をＳｉＣパワーデバイスやベースプレートと接合するために用いることができる。 Further, as a bonding material that can be used for a SiC power module driven at a high temperature, a CuSn alloy bonding material can be mentioned. The CuSn alloy bonding material can be used, for example, to bond a ceramic substrate to a SiC power device or a base plate.

例えば、特許文献１には、セラミックス基板の表面側に表金属板を接合するとともに裏面側に裏金属板を接合し、当該裏金属板に放熱装置を接合した半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールでは、裏金属板と放熱装置との間に発生する熱応力の緩和と放熱性とを両立するため、裏金属板に放熱装置に接触しない溝を設けている。 For example, Patent Document 1 discloses a semiconductor module in which a front metal plate is bonded to the front surface side of a ceramic substrate, a back metal plate is bonded to the back surface side, and a heat dissipation device is bonded to the back metal plate. In this semiconductor module, in order to achieve both relaxation of thermal stress generated between the back metal plate and the heat radiating device and heat dissipation, the back metal plate is provided with a groove that does not come into contact with the heat radiating device.

特開２００７−１７３４０５号JP-A-2007-173405

裏金属板に設けられた溝により、裏金属板から放熱装置への放熱性を極端に低下させることなく、熱応力の緩和が可能となったようである。ただし、特許文献１に記載の半導体モジュールの場合、裏金属板はセラミックス基板の裏面側前面に設置されているために、放熱性と熱応力の緩和のバランスを取ることができたものと考えられる。 It seems that the groove provided in the back metal plate made it possible to relieve the thermal stress without drastically reducing the heat dissipation from the back metal plate to the heat dissipation device. However, in the case of the semiconductor module described in Patent Document 1, since the back metal plate is installed on the front surface on the back surface side of the ceramic substrate, it is considered that the heat dissipation and the relaxation of thermal stress can be balanced. ..

しかしながら、セラミックス基板への熱応力を緩和する観点からすると、セラミックス基板のおもて面側の金属板の回路パターンとうら面側の裏金属板の回路パターンは同じであることが好ましい。これらの配線パターンが同じ場合には、特許文献１に記載の半導体モジュールであると裏金属板が放熱装置へ接合する面積が極端に小さくなるおそれがある。この接合する面積が小さいと、熱応力を緩和することができるものの、熱伝導性が悪くなり、裏金属板から放熱装置への放熱性が低下することとなる。 However, from the viewpoint of relaxing the thermal stress on the ceramic substrate, it is preferable that the circuit pattern of the metal plate on the front surface side and the circuit pattern of the back metal plate on the back surface side of the ceramic substrate are the same. When these wiring patterns are the same, in the case of the semiconductor module described in Patent Document 1, the area where the back metal plate is joined to the heat dissipation device may become extremely small. If the joining area is small, the thermal stress can be relaxed, but the thermal conductivity is deteriorated, and the heat dissipation from the back metal plate to the heat dissipation device is deteriorated.

この熱応力の緩和と放熱性の低下の抑制の課題は、セラミックス基板の裏金属板と放熱装置とを接合する場合に限定される課題ではなく、半導体モジュールにおけるベースプレートとセラミックス基板とを接合する場合にも、熱応力の緩和と放熱性の低下の抑制の課題がある。 The problem of relaxing the thermal stress and suppressing the decrease in heat dissipation is not limited to the case of joining the back metal plate of the ceramic substrate and the heat dissipation device, but the case of joining the base plate and the ceramic substrate in the semiconductor module. Also, there are problems of relaxing thermal stress and suppressing deterioration of heat dissipation.

従って、本発明は、上記のような問題に着目し、セラミックス基板とベースプレートとの間に発生する熱応力を緩和し、セラミックス基板からベースプレートへの放熱性の低下を抑制することができる半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention focuses on the above problems, and is a semiconductor module capable of alleviating the thermal stress generated between the ceramic substrate and the base plate and suppressing the decrease in heat dissipation from the ceramic substrate to the base plate. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor module.

上記課題を解決するために、半導体モジュールは、熱伝導率が空気よりも高い非金属製充填剤と、ベースプレートと、セラミックス基板と、前記ベースプレートと前記セラミックス基板とを接合するＣｕＳｎ合金接合材と、を備え、前記ベースプレートは、前記セラミックス基板との接合面において、前記セラミックス基板と接合する凸部領域と、前記セラミックス基板と接合しない凹部領域を有し、前記凹部領域は前記非金属製充填剤が充填されている。 In order to solve the above problems, the semiconductor module includes a non-metal filler having a thermal conductivity higher than that of air, a base plate, a ceramic substrate, and a CuSn alloy bonding material for joining the base plate and the ceramic substrate. The base plate has a convex region to be bonded to the ceramic substrate and a concave region not to be bonded to the ceramic substrate on the bonding surface with the ceramic substrate, and the concave region is formed by the non-metal filler. It is filled.

前記非金属製充填剤の熱伝導率が、３００Ｋ条件下で０．０３Ｗ／ｍＫより大きく０．５Ｗ／ｍＫ以下であってもよい。 The thermal conductivity of the non-metal filler may be greater than 0.03 W / mK and 0.5 W / mK or less under 300K conditions.

前記接合面における前記凸部領域の面積は、前記接合面の面積の２５％〜９０％であってもよい。 The area of the convex region on the joint surface may be 25% to 90% of the area of the joint surface.

前記接合面は、複数の前記凸部領域を有し、当該凸部領域１つあたりの接合面積は、０．１ｍｍ²〜１０ｍｍ²であってもよい。 The bonding surface has a plurality of the convex region, the bonding area per the convex regions may be 0.1 mm ² to 10 mm ^2.

前記ベースプレートの接合面の外縁は、枠状の凸部領域であり、当該外縁に凹部領域は存在しなくてもよい。 The outer edge of the joint surface of the base plate is a frame-shaped convex region, and the concave region may not be present on the outer edge.

前記非金属製充填剤は、ゲル状充填剤、樹脂製充填剤または液状充填剤であってもよい。 The non-metal filler may be a gel filler, a resin filler or a liquid filler.

また、上記課題を解決するために、半導体モジュールの製造方法は、前記半導体モジュールの製造方法であって、前記凹部領域に前記非金属製充填剤が充填された前記ベースプレートと、前記セラミックス基板とを、前記ＣｕＳｎ合金接合材で接合する接合工程を含む。 Further, in order to solve the above-mentioned problems, the method for manufacturing a semiconductor module is the method for manufacturing a semiconductor module, in which the base plate in which the recessed region is filled with the non-metal filler and the ceramic substrate are used. , Includes a joining step of joining with the CuSn alloy joining material.

上記の半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法であれば、セラミックス基板とベースプレートとの間に発生する熱応力を緩和し、セラミックス基板からベースプレートへの放熱性の低下を抑制することができる。 According to the above-mentioned semiconductor module and the method for manufacturing a semiconductor module, the thermal stress generated between the ceramic substrate and the base plate can be alleviated, and the decrease in heat dissipation from the ceramic substrate to the base plate can be suppressed.

本発明の半導体モジュールの一実施形態である、ＳｉＣパワーモジュール２０００の側面断面図である。It is a side sectional view of the SiC power module 2000 which is one Embodiment of the semiconductor module of this invention. ベースプレート１００の斜視図および上面図である。It is a perspective view and the top view of the base plate 100. ベースプレート１００ａの斜視図、上面図および側面断面図である。It is a perspective view, a top view and a side sectional view of a base plate 100a. ＣｕＳｎ合金接合材３００の接合態様を示す側面断面図である。It is a side sectional view which shows the joining mode of the CuSn alloy joining material 300.

以下、半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法の一実施形態について説明する。ただし、本発明の半導体モジュールおよび半導体モジュールの製造方法は、以下の一実施形態に限定されない。 Hereinafter, an embodiment of a semiconductor module and a method for manufacturing a semiconductor module will be described. However, the semiconductor module of the present invention and the method for manufacturing the semiconductor module are not limited to the following embodiment.

［ＳｉＣパワーモジュール２０００］
図１は本発明の半導体モジュールの一実施形態である、ＳｉＣパワーモジュール２０００の側面断面図である。また、図２はベースプレート１００の斜視図および上面図であり、図３はベースプレート１００ａの斜視図、上面図および側面断面図である。また、図４はＣｕＳｎ合金接合材３００の接合態様を示す側面断面図である。 [SiC Power Module 2000]
FIG. 1 is a side sectional view of a SiC power module 2000, which is an embodiment of the semiconductor module of the present invention. 2 is a perspective view and a top view of the base plate 100, and FIG. 3 is a perspective view, a top view and a side sectional view of the base plate 100a. Further, FIG. 4 is a side sectional view showing a joining mode of the CuSn alloy joining material 300.

ＳｉＣパワーモジュール２０００は、ベースプレート１００と、セラミックス基板２００と、ＣｕＳｎ合金接合材３００と、非金属製充填剤４００とを備える。 The SiC power module 2000 includes a base plate 100, a ceramic substrate 200, a CuSn alloy bonding material 300, and a non-metal filler 400.

〈ベースプレート１００〉
ベースプレート１００は、ＳｉＣパワーモジュール２０００の高温駆動時の温度上昇の影響を無くすため、セラミックス基板２００の下に配置される。ベースプレート１００は、半導体モジュール用放熱素材として高熱伝導性と低熱膨張性の両立が必要とされ、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｍｏ、ＣｕＷ、ＡｌＳｉＣ等の金属製のプレートが用いられる。また、銅とグラファイトとを複合したベースプレート１００を用いることもできる。 <Base plate 100>
The base plate 100 is arranged under the ceramic substrate 200 in order to eliminate the influence of the temperature rise when the SiC power module 2000 is driven at a high temperature. The base plate 100 is required to have both high thermal conductivity and low thermal expansion as a heat dissipation material for a semiconductor module, and for example, a metal plate such as Cu, Cu—Mo, CuW, AlSiC is used. Further, a base plate 100 in which copper and graphite are combined can also be used.

また、ベースプレート１００とＣｕＳｎ合金接合材との接合力を上げるために、ベースプレート１００の表面にＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ等のめっきをしてもよい。 Further, in order to increase the bonding force between the base plate 100 and the CuSn alloy bonding material, the surface of the base plate 100 may be plated with Cu, Au, Ag, Sn or the like.

（凸部領域１２０）
ベースプレート１００は、ＣｕＳｎ合金接合材３００を介してセラミックス基板２００と接合する。ベースプレート１００は、セラミックス基板２００と接合する接合面１１０において、セラミックス基板２００と接合する複数の凸部領域１２０を有する。ＳｉＣパワーモジュール２０００において、ベースプレート１００は凸部領域１２０においてＣｕＳｎ合金接合材３００と直接接触することができる。 (Convex region 120)
The base plate 100 is bonded to the ceramic substrate 200 via the CuSn alloy bonding material 300. The base plate 100 has a plurality of convex regions 120 to be joined to the ceramic substrate 200 on the joining surface 110 to be joined to the ceramic substrate 200. In the SiC power module 2000, the base plate 100 can be in direct contact with the CuSn alloy bonding material 300 in the convex region 120.

（凹部領域１３０）
また、ベースプレート１００は、セラミックス基板２００との接合面１１０において、セラミックス基板２００と接合しない凹部領域１３０を有する。 (Recessed area 130)
Further, the base plate 100 has a recessed region 130 that is not bonded to the ceramic substrate 200 on the bonding surface 110 with the ceramic substrate 200.

（凸部領域１２０と凹部領域１３０を備えることによる効果）
ベースプレート１００は、接合面１１０において凸部領域１２０を有することにより、セラミックス基板２００の熱がＣｕＳｎ合金接合材３００を介してベースプレート１００へ効果的に放熱されることができる。 (Effect of providing the convex region 120 and the concave region 130)
Since the base plate 100 has the convex region 120 on the joint surface 110, the heat of the ceramic substrate 200 can be effectively dissipated to the base plate 100 via the CuSn alloy bonding material 300.

また、接合面１１０において凹部領域１３０を有することにより、セラミックス基板２００、ＣｕＳｎ合金接合材３００およびベースプレート１００の熱変化による体積の膨張収縮といった変形が生じた場合に、凹部領域１３０が隙間となって、これらの変形が拘束されることを抑制することができる。すなわち、凹部領域１３０がこれらの変形が拘束されることを抑制することで、セラミックス基板２００、ＣｕＳｎ合金接合材３００およびベースプレート１００の熱ひずみによる応力を緩和できる。 Further, by having the concave portion region 130 on the joint surface 110, when the ceramic substrate 200, the CuSn alloy joint material 300, and the base plate 100 are deformed due to thermal change such as volume expansion and contraction, the concave portion region 130 becomes a gap. , It is possible to prevent these deformations from being constrained. That is, by suppressing the deformation of the recessed region 130 from being restrained, the stress due to thermal strain of the ceramic substrate 200, the CuSn alloy bonding material 300, and the base plate 100 can be relaxed.

この応力を緩和できる結果、ＳｉＣパワーモジュール２０００を使用することによるセラミックス基板２００、ＣｕＳｎ合金接合材３００およびベースプレート１００の熱変化による変形に起因するベースプレート１００とセラミック基板２００との接合面の破断や、セラミックス基板２００、ＣｕＳｎ合金接合材３００およびベースプレート１００の破損を抑制できる。すなわち、接合面１１０において凹部領域１３０を有することにより、ＳｉＣパワーモジュール２０００をより長期にわたって繰り返し使用することができる。 As a result of this stress being able to be relaxed, the joint surface between the base plate 100 and the ceramic substrate 200 is broken due to deformation of the ceramic substrate 200, the CuSn alloy bonding material 300, and the base plate 100 due to thermal changes due to the use of the SiC power module 2000. Damage to the ceramic substrate 200, the CuSn alloy bonding material 300, and the base plate 100 can be suppressed. That is, by having the recessed region 130 on the joint surface 110, the SiC power module 2000 can be used repeatedly for a longer period of time.

なお、凹部領域１３０が無い場合には、ＣｕＳｎ合金接合材３００およびベースプレート１００との接合面１１０に隙間が無くなる。接合面１１０に隙間が無い場合には、セラミックス基板２００、ＣｕＳｎ合金接合材３００およびベースプレート１００の熱変化による変形が拘束され、熱ひずみに対応する応力（すなわち熱応力）が生じやすくなる。 When there is no recessed region 130, there is no gap in the bonding surface 110 between the CuSn alloy bonding material 300 and the base plate 100. When there is no gap in the joint surface 110, the deformation of the ceramic substrate 200, the CuSn alloy joint material 300, and the base plate 100 due to the thermal change is restrained, and the stress corresponding to the thermal strain (that is, the thermal stress) is likely to occur.

この熱応力が生じやすくなると、ＳｉＣパワーモジュール２０００を使用することによるセラミックス基板２００、ＣｕＳｎ合金接合材３００およびベースプレート１００の熱変化による変形に起因して、ベースプレート１００とセラミック基板２００との接合面１１０の破断や、セラミックス基板２００、ＣｕＳｎ合金接合材３００およびベースプレート１００の破損が生じる可能性が高くなる。これらの破断や破損が生じると、駆動により生じる熱をＳｉＣパワーモジュール２０００の外部へ効果的に放出することができなくなるおそれがあり、駆動による発熱によって半導体が絶縁体へ変化する結果、ＳｉＣパワーモジュール２０００が寿命を迎えることとなる。 When this thermal stress is likely to occur, the joint surface 110 between the base plate 100 and the ceramic substrate 200 is caused by the deformation of the ceramic substrate 200, the CuSn alloy bonding material 300, and the base plate 100 due to the thermal change due to the use of the SiC power module 2000. There is a high possibility that the ceramic substrate 200, the CuSn alloy bonding material 300, and the base plate 100 will be damaged. If these breaks or breaks occur, the heat generated by the drive may not be effectively released to the outside of the SiC power module 2000, and the heat generated by the drive changes the semiconductor into an insulator, resulting in the SiC power module. 2000 will reach the end of its life.

（凸部領域１２０の面積）
接合面１１０における凸部領域１２０の面積は、接合面１１０の面積の２５％〜９０％であると、接合面１１０における凹部領域１３０の面積が接合面１１０の面積の１０％〜７５％となる。凸部領域１２０の面積と凹部領域１３０の面積がこれらの範囲内にあることで、セラミックス基板２００の熱の効果的な放熱と、セラミックス基板２００、ＣｕＳｎ合金接合材３００およびベースプレート１００の熱ひずみによる応力の緩和とのバランスをとることできる。特に、半導体としてＳｉＣを用いる場合には、ＳｉＣパワーモジュール２０００が高温となっても駆動できることから、上記の効果的な放熱と上記応力の緩和のバランスをとることが重要となるため、接合面１１０における凸部領域１２０の面積を接合面１１０の面積の２５％〜９０％に設定することが好ましい。 (Area of convex region 120)
When the area of the convex region 120 on the joint surface 110 is 25% to 90% of the area of the joint surface 110, the area of the concave region 130 on the joint surface 110 is 10% to 75% of the area of the joint surface 110. .. When the area of the convex region 120 and the area of the concave region 130 are within these ranges, the effective heat dissipation of the ceramic substrate 200 and the thermal strain of the ceramic substrate 200, the CuSn alloy bonding material 300, and the base plate 100 are caused. It can be balanced with stress relief. In particular, when SiC is used as the semiconductor, since the SiC power module 2000 can be driven even at a high temperature, it is important to balance the above-mentioned effective heat dissipation and the above-mentioned stress relief. Therefore, the joint surface 110 It is preferable to set the area of the convex region 120 in the above to 25% to 90% of the area of the joint surface 110.

接合面１１０における凸部領域１２０の面積が、接合面１１０の面積の２５％未満の場合には、セラミックス基板２００で生じた熱を効果的に放熱することが困難となるおそれがある。また、接合面１１０における凸部領域１２０の面積が、接合面１１０の面積の９０％より大きいと、接合面１１０における凹部領域１３０の面積が接合面１１０の面積の１０％未満となることで、上記した熱ひずみによる応力の緩和が困難となるおそれがある。 When the area of the convex region 120 on the joint surface 110 is less than 25% of the area of the joint surface 110, it may be difficult to effectively dissipate the heat generated by the ceramic substrate 200. Further, when the area of the convex portion region 120 on the joint surface 110 is larger than 90% of the area of the joint surface 110, the area of the concave portion region 130 on the joint surface 110 is less than 10% of the area of the joint surface 110. It may be difficult to relieve the stress due to the above-mentioned thermal strain.

ただし、接合面１１０における凸部領域１２０の面積が接合面１１０の面積の２５％〜９０％の範囲に該当しない場合であっても、半導体モジュールを構成する材料を変えることにより、問題なく半導体モジュールを使用することができる。例えば、半導体としてＳｉＣに代えてＳｉを使用し、半導体モジュールを高温で駆動しない場合には、接合面１１０における凸部領域１２０の面積が接合面１１０の面積の２５％〜９０％の範囲に該当しなくてもよい。 However, even if the area of the convex region 120 on the joint surface 110 does not fall within the range of 25% to 90% of the area of the joint surface 110, the semiconductor module can be used without any problem by changing the material constituting the semiconductor module. Can be used. For example, when Si is used instead of SiC as the semiconductor and the semiconductor module is not driven at a high temperature, the area of the convex region 120 on the joint surface 110 corresponds to the range of 25% to 90% of the area of the joint surface 110. You don't have to.

（複数の凸部領域１つあたりの接合面積）
接合面１１０は、複数の凸部領域１２０を有してもよい。例えば、図２に示すベースプレート１００は、接合面１１０に四角形状の凸部領域１２０を複数有する。図２に示すベースプレート１００の接合面１１０は、例えば、ベースプレート１００の凹凸の無い平面に切削加工等を行うことにより形成可能であり、切削加工等によって格子形状の凹部領域１３０を設けると、加工されなかった領域が複数の四角形状の凸部領域１２０となる。 (Joining area per multiple convex regions)
The joint surface 110 may have a plurality of convex regions 120. For example, the base plate 100 shown in FIG. 2 has a plurality of rectangular convex regions 120 on the joint surface 110. The joint surface 110 of the base plate 100 shown in FIG. 2 can be formed, for example, by cutting a flat surface of the base plate 100 without unevenness, and is processed by providing a grid-shaped concave region 130 by cutting or the like. The non-existing area becomes a plurality of rectangular convex areas 120.

また、凸部領域１２０が複数ある場合、凸部領域１２０１つあたりの接合面積は、０．１ｍｍ²〜１０ｍｍ²であることが好ましい。セラミックス基板２００の熱を効果的に放熱するためには、セラミック基板２００と接合する面の面積としてある程度の面積が必要であり、凸部領域１２０１つあたりの接合面積が上記の範囲内にあれば、効果的な放熱が可能となる。また、接合面積が小さいと、ベースプレート１００のセラミックス基板２００との接合部分における、熱による体積の膨張量および収縮量も小さくなる。凸部領域１２０１つあたりの接合面積が上記の範囲内にあれば、ベースプレート１００の熱ひずみによる応力を十分に緩和できる程度に、上記接合部分における、熱による体積の膨張量および収縮量も小さくなる。 Moreover, if the convex regions 120 have multiple junction area per one convex region 1201 is preferably 0.1 mm ² to 10 mm ^2. In order to effectively dissipate the heat of the ceramic substrate 200, a certain area is required as the area of the surface to be bonded to the ceramic substrate 200, and if the bonding area per convex region 1201 is within the above range. , Effective heat dissipation is possible. Further, when the joint area is small, the amount of expansion and contraction of the volume due to heat at the joint portion of the base plate 100 with the ceramic substrate 200 is also small. If the joint area per convex region 1201 is within the above range, the amount of expansion and contraction of the volume due to heat in the joint portion is small enough to sufficiently relieve the stress due to the thermal strain of the base plate 100. ..

凸部領域１２０１つあたりの接合面積が０．１ｍｍ²未満の場合には、セラミックス基板２００で生じた熱を効果的に放熱することが困難となるおそれがある。また、凸部領域１２０１つあたりの接合面積が１０ｍｍ²より大きいと、ベースプレート１００のセラミックス基板２００との接合部分における、熱による体積の膨張量および収縮量が大きくなる。この熱による体積の膨張量および収縮量が大きくなる結果として、ベースプレート１００の熱ひずみによる応力を十分に緩和できないおそれがある。 If the bonding area per convex region 1201 is less ^{than 0.1 mm 2} , it may be difficult to effectively dissipate the heat generated by the ceramic substrate 200. Further, when the joint area per convex region 1201 is ^{larger than 10 mm 2} , the amount of expansion and contraction of the volume due to heat at the joint portion of the base plate 100 with the ceramic substrate 200 becomes large. As a result of the increase in the amount of expansion and contraction of the volume due to this heat, there is a possibility that the stress due to the thermal strain of the base plate 100 cannot be sufficiently relieved.

ただし、凸部領域１２０が複数ある場合、凸部領域１２０１つあたりの接合面積が０．１ｍｍ²〜１０ｍｍ²の範囲に該当しない場合であっても、半導体モジュールを構成する材料を変えることにより、問題なく半導体モジュールを使用することができる。例えば、半導体としてＳｉＣに代えてＳｉを使用し、半導体モジュールを高温で駆動しない場合には、凸部領域１２０１つあたりの接合面積が０．１ｍｍ²〜１０ｍｍ²の範囲に該当しなくてもよい。 However, if the convex regions 120 there are a plurality, even if the bonding area per one convex region 1201 does not fall within the scope of 0.1 mm ² to 10 mm ^2, by changing the material constituting the semiconductor module, The semiconductor module can be used without any problem. For example, Si is used in place of SiC as a semiconductor, when not driving the semiconductor module at a high temperature, the bonding area per one convex region 1201 may not correspond to the range of 0.1 mm ² to 10 mm ² ..

（ベースプレート１００の接合面１１０の外縁）
ベースプレート１００の接合面の外縁１４０は、枠状の凸部領域１２０であり、外縁１４０に凹部領域１３０は存在しないことが好ましい。外縁１４０を枠状の凸部領域１２０とすることにより、凹部領域１３０に充填される非金属製充填剤４００がベースプレート１００から外部へ流出することを防止できる。 (Outer edge of the joint surface 110 of the base plate 100)
It is preferable that the outer edge 140 of the joint surface of the base plate 100 is a frame-shaped convex region 120, and the concave region 130 does not exist in the outer edge 140. By making the outer edge 140 a frame-shaped convex region 120, it is possible to prevent the non-metal filler 400 filled in the concave region 130 from flowing out from the base plate 100 to the outside.

ただし、非金属製充填剤４００がベースプレート１００から外部へ流出しないよう、ＣｕＳｎ合金接合材３００や他のシーリング材等で外枠１４０をシールすることができるのであれば、外縁１４０に凹部領域１３０がある場合であってもよい。 However, if the outer frame 140 can be sealed with a CuSn alloy bonding material 300 or another sealing material so that the non-metal filler 400 does not flow out from the base plate 100, the concave region 130 is formed on the outer edge 140. It may be in some cases.

〈ベースプレート１００ａ〉
ＳｉＣパワーモジュール２０００は、ベースプレート１００に代えて、図３に示すベースプレート１００ａを用いることができる。図３（ｃ）は、図３（ｂ）のＡＡ線で切断した切断面を側面からみた側面断面図である。ベースプレート１００ａは、接合面１１０ａに格子状の凸部領域１２０ａを有し、四角形状の凹部領域１３０ａを複数有する。また、外縁１４０ａは、枠状であり凸部領域１２０ａの一部である。 <Base plate 100a>
In the SiC power module 2000, the base plate 100a shown in FIG. 3 can be used instead of the base plate 100. FIG. 3 (c) is a side sectional view of the cut surface cut along the AA line of FIG. 3 (b) as viewed from the side surface. The base plate 100a has a grid-like convex region 120a on the joint surface 110a, and has a plurality of rectangular concave region 130a. Further, the outer edge 140a is frame-shaped and is a part of the convex portion region 120a.

ベースプレート１００ａにおける接合面１１０ａの凸部領域１２０ａの面積は、ベースプレート１００における接合面１１０の凸部領域１２０の面積と比べて小さくなる。そのため、ベースプレート１００ａとして例えば線膨張係数の高い金属を用いる場合、熱応力をより緩和することが可能である。また、凹部領域１３０ａに非金属性充填材４００を充填することで、放熱性を大きく損なうことを抑制できる。 The area of the convex region 120a of the joint surface 110a on the base plate 100a is smaller than the area of the convex region 120 of the joint surface 110 on the base plate 100. Therefore, when a metal having a high coefficient of linear expansion is used as the base plate 100a, the thermal stress can be further relaxed. Further, by filling the recessed region 130a with the non-metallic filler 400, it is possible to prevent the heat dissipation from being significantly impaired.

ベースプレート１００ａの接合面１１０は、例えば、ベースプレート１００ａの材料を融解して金型に流し込み、その後材料を冷却してから材料を金型から取り出すことにより、形成可能である。 The joint surface 110 of the base plate 100a can be formed, for example, by melting the material of the base plate 100a, pouring it into a mold, cooling the material, and then removing the material from the mold.

なお、ベースプレート１００やベースプレート１００ａの他にも、種々の形状の凸部領域と凹部領域が形成された接合面を有するベースプレートを使用することができる。ここで、接合面には凸部領域と凹部領域が偏らずに均一に形成されていることが好ましい。 In addition to the base plate 100 and the base plate 100a, a base plate having a joint surface in which a convex region and a concave region of various shapes are formed can be used. Here, it is preferable that the convex region and the concave region are uniformly formed on the joint surface without being biased.

例えば、ベースプレート１００の場合には、複数の凸部領域１２０を有しているが、これらの凸部領域１２０のいずれもが、同じ形状や面積であることが好ましく、格子形状の凹部領域１３０の格子の幅や間隔も同一であることが好ましい。複数の凸部領域１２０と凹部領域１３０がこれらの条件を満たすと、セラミックス基板２００で生じた熱を効果的に放熱する性能や、ベースプレート１００の熱ひずみによる応力を十分に緩和する性能が、接合面１１０の全面において均等に発揮される。 For example, the base plate 100 has a plurality of convex regions 120, but it is preferable that all of these convex regions 120 have the same shape and area, and the grid-shaped concave regions 130. It is preferable that the width and spacing of the grids are the same. When the plurality of convex regions 120 and the concave regions 130 satisfy these conditions, the ability to effectively dissipate the heat generated in the ceramic substrate 200 and the ability to sufficiently relieve the stress due to the thermal strain of the base plate 100 are joined. It is evenly exhibited on the entire surface of the surface 110.

また、ベースプレート１００ａの場合についても、複数の凹部領域１３０ａを有しているが、これらの凹部領域１３０ａのいずれもが、同じ形状や面積であることが好ましく、格子形状の凸部領域１２０ａの格子の幅や間隔も同一であることが好ましい。複数の凸部領域１２０ａと凹部領域１３０ａがこれらの条件を満たすと、セラミックス基板２００で生じた熱を効果的に放熱する性能や、ベースプレート１００ａの熱ひずみによる応力を十分に緩和する性能が、接合面１１０ａの全面において均等に発揮される。 Further, also in the case of the base plate 100a, there are a plurality of recessed regions 130a, but it is preferable that all of these recessed regions 130a have the same shape and area, and the grid of the grid-shaped convex region 120a. It is preferable that the widths and intervals of the are the same. When the plurality of convex region 120a and the concave region 130a satisfy these conditions, the ability to effectively dissipate the heat generated in the ceramic substrate 200 and the ability to sufficiently relieve the stress due to the thermal strain of the base plate 100a are joined. It is evenly exhibited on the entire surface of the surface 110a.

〈非金属製充填剤４００〉
凹部領域１３０には、非金属製充填剤４００が充填されている。非金属製充填剤４００としては、熱伝導率が空気よりも高い非金属製充填剤４００を使用する。例えば、金属よりも熱応力の小さい非金属製の充填剤のうち、熱伝導率が３００Ｋ条件下で０．０３Ｗ／ｍＫより大きく０．５Ｗ／ｍＫ以下である充填剤を使用することができる。 <Non-metal filler 400>
The recessed region 130 is filled with a non-metal filler 400. As the non-metal filler 400, a non-metal filler 400 having a thermal conductivity higher than that of air is used. For example, among non-metal fillers having a lower thermal stress than metal, fillers having a thermal conductivity of more than 0.03 W / mK and 0.5 W / mK or less under 300 K conditions can be used.

熱伝導率が空気よりも高い非金属製充填剤４００を使用することにより、凹部領域１３０に充填せずに空気のままとした場合と比べて、セラミック基板２００が有する熱を効果的に放熱することができる。 By using the non-metal filler 400 having a thermal conductivity higher than that of air, the heat of the ceramic substrate 200 is effectively dissipated as compared with the case where the recessed region 130 is not filled and is left as air. be able to.

例えば、熱伝導率が３００Ｋ条件下で０．０３Ｗ／ｍＫ以下の非金属製充填剤は、空気の熱伝導率との差が小さい。そのため、このような非金属製充填剤を凹部領域１３０に充填しても、凹部領域１３０に充填せずに空気のままとした場合と比べて、効果が見込める程度に放熱性が向上しないおそれがある。 For example, a non-metal filler having a thermal conductivity of 0.03 W / mK or less under the condition of 300 K has a small difference from the thermal conductivity of air. Therefore, even if such a non-metal filler is filled in the recessed region 130, the heat dissipation may not be improved to the extent that the effect can be expected as compared with the case where the recessed region 130 is not filled and the air is left as it is. be.

また、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫよりも大きい非金属はあまり存在せず、この非金属を充填剤とするためのコストや手間がかかる。そのため、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫよりも大きい非金属製充填剤を用いることは妥当ではない場合がある。 Further, there are not many non-metals having a thermal conductivity higher than 0.5 W / mK, and it takes cost and labor to use this non-metal as a filler. Therefore, it may not be appropriate to use a non-metal filler having a thermal conductivity greater than 0.5 W / mK.

ただし、非金属製充填剤４００の熱伝導率が３００Ｋ条件下で０．０３Ｗ／ｍＫより大きく０．５Ｗ／ｍＫ以下である範囲に該当しない場合であっても、半導体モジュールを構成する材料を変えることにより、問題なく半導体モジュールを使用することができる。例えば、半導体としてＳｉＣに代えてＳｉを使用し、半導体モジュールを高温で駆動しない場合には、非金属製充填剤４００の熱伝導率が３００Ｋ条件下で０．０３Ｗ／ｍＫより大きく０．５Ｗ／ｍＫ以下である範囲に該当しなくてもよい。 However, even if the thermal conductivity of the non-metal filler 400 does not fall within the range of more than 0.03 W / mK and 0.5 W / mK or less under 300K conditions, the material constituting the semiconductor module is changed. Therefore, the semiconductor module can be used without any problem. For example, when Si is used instead of SiC as the semiconductor and the semiconductor module is not driven at a high temperature, the thermal conductivity of the non-metal filler 400 is larger than 0.03 W / mK and 0.5 W / mK under the condition of 300 K. It does not have to correspond to the range of mK or less.

（非金属製充填剤４００の具体例）
非金属製充填剤４００としては、ゲル状充填剤、樹脂製充填剤または液状充填剤を用いることができる。これらの充填剤は単独で使用してもよく、組み合わせて使用してもよい。 (Specific example of non-metal filler 400)
As the non-metal filler 400, a gel-like filler, a resin filler, or a liquid filler can be used. These fillers may be used alone or in combination.

例えば、半導体としてＳｉＣを使用するＳｉＣパワーモジュール２０００の場合には、２００℃程度の高温領域においても問題の無い非金属製充填剤４００を使用することが、ＳｉＣパワーモジュール２０００の長寿命化の観点から重要となる。そのため、２００℃程度の高温領域で硬化して応力を発生させるおそれのあるエポキシ樹脂やウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂は用いずに、熱可塑性樹脂を非金属製充填剤４００として使用することができる。また、シリコーンゲル、パラフィン、ワックス、グリース、熱硬化しない鉱物油や植物油等も、非金属製充填剤４００として使用することができる。 For example, in the case of a SiC power module 2000 that uses SiC as a semiconductor, using a non-metal filler 400 that has no problem even in a high temperature region of about 200 ° C. is a viewpoint of extending the life of the SiC power module 2000. It becomes important from. Therefore, it is possible to use the thermoplastic resin as the non-metal filler 400 without using a thermosetting resin such as an epoxy resin or a urethane resin that may cure in a high temperature region of about 200 ° C. and generate stress. can. Further, silicone gel, paraffin, wax, grease, non-heat-curable mineral oil, vegetable oil and the like can also be used as the non-metal filler 400.

なお、例えば、半導体としてＳｉＣに代えてＳｉを使用し、半導体モジュールを高温で駆動しない場合には、非金属製充填剤４００として上記の熱硬化性樹脂等を用いることのできる場合がある。 For example, when Si is used instead of SiC as the semiconductor and the semiconductor module is not driven at a high temperature, the above-mentioned thermosetting resin or the like may be used as the non-metal filler 400.

凹部領域１３０に非金属製充填剤４００よりも熱伝導率の低い空気が混入しないよう、凸部領域１２０の接合面１２１と凹部領域１３０に充填された非金属製充填剤４００の表面４１０とが面一となるように、非金属製充填剤４００が凹部領域１３０に充填されていることで、セラミックス基板２００からベースプレート１００への放熱性の低下を抑制することができる。 The joint surface 121 of the convex region 120 and the surface 410 of the non-metal filler 400 filled in the concave region 130 are provided so that air having a thermal conductivity lower than that of the non-metal filler 400 does not enter the concave region 130. By filling the recessed region 130 with the non-metal filler 400 so as to be flush with each other, it is possible to suppress a decrease in heat dissipation from the ceramic substrate 200 to the base plate 100.

〈セラミックス基板２００〉
セラミックス基板２００は、半導体モジュールにおいて絶縁回路基板の役割を果たす。例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等の絶縁セラミックス２０１のおもて面とうら面に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属板の回路２０２が形成されているものをセラミックス基板２００として用いることができる。特に、ＳｉＣパワーモジュール２０００では、窒化ケイ素のおもて面とうら面にＣｕ製の回路が形成された基板（Ｃｕ／ＳｉＮ／Ｃｕ基板）をセラミックス基板２００として用いることができる。 <Ceramics substrate 200>
The ceramic substrate 200 serves as an insulating circuit board in the semiconductor module. For example, a circuit of metal plates such as Ag, Cu, and Al on the front and back surfaces of insulating ceramics 201 such as silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), aluminum nitride (Al _{N), and alumina (Al 2} O _3). The one on which 202 is formed can be used as the ceramic substrate 200. In particular, in the SiC power module 2000, a substrate (Cu / SiN / Cu substrate) in which a circuit made of Cu is formed on the front surface and the back surface of silicon nitride can be used as the ceramic substrate 200.

また、セラミックス基板２００への熱応力を緩和する観点からすると、セラミックス基板２００のおもて面側の金属板の回路パターンとうら面側の金属板の回路パターンは同じであることが好ましい。 Further, from the viewpoint of relaxing the thermal stress on the ceramic substrate 200, it is preferable that the circuit pattern of the metal plate on the front surface side and the circuit pattern of the metal plate on the back surface side of the ceramic substrate 200 are the same.

〈ＣｕＳｎ合金接合材３００〉
ＣｕＳｎ合金接合材３００は、ベースプレート１００とセラミックス基板２００とを接合する接合材である。半導体モジュールの中でも、特にＳｉＣパワーモジュール２０００の場合、ＳｉＣパワーデバイス５００が２００℃以上で駆動可能な耐熱性をする。ただし、従来のはんだ材は、２００℃以上で駆動する環境において接合材として使用するには耐熱性に劣ることから、ＣｕＳｎ合金を接合材として使用する。 <CuSn alloy bonding material 300>
The CuSn alloy bonding material 300 is a bonding material for bonding the base plate 100 and the ceramic substrate 200. Among the semiconductor modules, particularly in the case of the SiC power module 2000, the SiC power device 500 has heat resistance that can be driven at 200 ° C. or higher. However, since the conventional solder material is inferior in heat resistance to be used as a bonding material in an environment driven at 200 ° C. or higher, a CuSn alloy is used as the bonding material.

ＣｕＳｎ合金接合材３００の組成は、ＣｕとＳｎの合金を基本とし、他の組成を含んでもよい。例えば、ＣｕＳｎ合金接合材３００は、リンを０．０３〜０．５質量％程度含有してもよく、Ｎｉを極微量含有してもよい。また、ＣｕとＳｎの組成比は、接合材として使用される一般的な組成比であり、質量比でＣｕ：Ｓｎ＝２〜２５：９８〜７５とすることができる。 The composition of the CuSn alloy bonding material 300 is based on an alloy of Cu and Sn, and may include other compositions. For example, the CuSn alloy bonding material 300 may contain about 0.03 to 0.5% by mass of phosphorus, or may contain a very small amount of Ni. Further, the composition ratio of Cu and Sn is a general composition ratio used as a bonding material, and the mass ratio can be Cu: Sn = 2 to 25: 98 to 75.

セラミックス基板２００がベースプレート１００と接合する面の接合面積と、ベースプレート１００がセラミックス基板２００と接合する面の接合面積は、ＳｉＣパワーモジュール２０００の仕様や設置される状況による接続端子の引き回し等により、個々に任意の面積となる場合がある。ただし、これらの接合面積は、基本的にはＳｉＣパワーデバイス５００がセラミックス基板２００と接合する面の接合面積５１０よりも数倍大きい場合が多い。 The bonding area of the surface where the ceramic substrate 200 is bonded to the base plate 100 and the bonding area of the surface where the base plate 100 is bonded to the ceramic substrate 200 are individually determined by the specifications of the SiC power module 2000 and the routing of connection terminals depending on the installation situation. It may be an arbitrary area. However, these bonding areas are basically several times larger than the bonding area 510 of the surface on which the SiC power device 500 is bonded to the ceramic substrate 200 in many cases.

この場合、モジュール化によってＣｕＳｎ合金によって大きい面積を接合すると、接合材として使用するＣｕＳｎ合金は大きい面積の接合により劣化する性質があるため、この劣化によりＳｉＣパワーモジュール２０００の熱抵抗や電気抵抗が上昇するという問題が発生するおそれがある。 In this case, when a large area is joined with a CuSn alloy by modularization, the CuSn alloy used as a bonding material has the property of deteriorating due to the joining of a large area, and this deterioration increases the thermal resistance and electrical resistance of the SiC power module 2000. May cause problems.

そこで、ＣｕＳｎ合金接合材３００の劣化を抑制するべく、図１に示すように、ベースプレート１００の接合面１１０に凸部領域１２０と凹部領域１３０を設けることで、ＣｕＳｎ合金接合材３００とベースプレート１００との接触面積を減らす。ＣｕＳｎ合金接合材３００は、セラミックス基板２００の裏面２１０の全面と接触するように配されていても、ベースプレート１００の接合面１１０に凸部領域１２０と、非金属製充填剤４００を有する凹部領域１３０を設けることで、劣化が抑制される。 Therefore, in order to suppress deterioration of the CuSn alloy bonding material 300, as shown in FIG. 1, the CuSn alloy bonding material 300 and the base plate 100 are provided by providing the convex portion region 120 and the concave portion region 130 on the joint surface 110 of the base plate 100. Reduce the contact area of. Even if the CuSn alloy bonding material 300 is arranged so as to be in contact with the entire surface of the back surface 210 of the ceramic substrate 200, the convex region 120 and the concave region 130 having the non-metal filler 400 are provided on the bonding surface 110 of the base plate 100. By providing the above, deterioration is suppressed.

なお、ＣｕＳｎ合金接合材３００とベースプレート１００の接合面１１０との接触のみならず、ＣｕＳｎ合金接合材３００とセラミックス基板２００の裏面２１０との接触に対しても、接触面積を減らすことで、ＣｕＳｎ合金接合材３００の劣化を抑制することができる。 By reducing the contact area not only for the contact between the CuSn alloy bonding material 300 and the bonding surface 110 of the base plate 100, but also for the contact between the CuSn alloy bonding material 300 and the back surface 210 of the ceramic substrate 200, the CuSn alloy is formed. Deterioration of the bonding material 300 can be suppressed.

例えば、図４（ａ）に示すようにＣｕＳｎ合金接合材３００が凸部領域１２０ａの上にのみ配される場合や、図４（ｂ）に示すようにＣｕＳｎ合金接合材３００が複数の凸部領域１２０ａの上に配され、隣り合うＣｕＳｎ合金接合材３００とは接触しないよう配される態様が考えられる。このような態様であれば、ベースプレート１００およびセラミックス基板２００の両方に対するＣｕＳｎ合金接合材３００の接触面積を小さくすることができるため、ＣｕＳｎ合金接合材３００の劣化を抑制することができる。 For example, when the CuSn alloy bonding material 300 is arranged only on the convex portion region 120a as shown in FIG. 4A, or when the CuSn alloy bonding material 300 is arranged in a plurality of convex portions as shown in FIG. 4B. It is conceivable that the alloy is arranged on the region 120a so as not to come into contact with the adjacent CuSn alloy bonding material 300. In such an embodiment, the contact area of the CuSn alloy bonding material 300 with respect to both the base plate 100 and the ceramic substrate 200 can be reduced, so that deterioration of the CuSn alloy bonding material 300 can be suppressed.

なお、図４（ａ）、（ｂ）において、ＣｕＳｎ合金接合材３００、凸部領域１２０ａおよび凹部領域１３０ａで囲まれた隙間Ｃ１、ＣｕＳｎ合金接合材３００、凸部領域１２０ａ、凹部領域１３０ａおよびセラミックス基板２００で囲まれた隙間Ｃ２は、セラミック基板２００が有する熱を効果的に放熱することができるように、空気は混入せずに非金属製充填剤４００で満たされていることが好ましい。 In FIGS. 4A and 4B, the CuSn alloy bonding material 300, the gap C1 surrounded by the convex region 120a and the concave region 130a, the CuSn alloy bonding material 300, the convex region 120a, the concave region 130a and the ceramics. The gap C2 surrounded by the substrate 200 is preferably filled with the non-metal filler 400 without air being mixed so that the heat of the ceramic substrate 200 can be effectively dissipated.

また、ＳｉＣパワーモジュール２０００は、ベースプレート１００と、セラミックス基板２００と、ＣｕＳｎ合金接合材３００と、非金属製充填剤４００に加えて、さらに、ＳｉＣパワーデバイス５００、金属ブロック６００、セラミックス基板２５０、接合材３１０、３２０、３３０、ワイヤー７００、端子８００、樹脂枠９００、ゲル１０００を備える。 Further, the SiC power module 2000 includes a base plate 100, a ceramic substrate 200, a CuSn alloy bonding material 300, a non-metal filler 400, and further, a SiC power device 500, a metal block 600, a ceramic substrate 250, and bonding. The material 310, 320, 330, the wire 700, the terminal 800, the resin frame 900, and the gel 1000 are provided.

セラミックス基板２５０は、セラミックス基板２００と同様に、半導体モジュールにおいて絶縁回路基板の役割を果たす。例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等の絶縁セラミックス２５１のおもて面とうら面に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属板の回路２５２が形成されているものをセラミックス基板２５０として用いることができる。特に、ＳｉＣパワーモジュール２０００では、窒化ケイ素のおもて面とうら面にＣｕ製の回路が形成された基板（Ｃｕ／ＳｉＮ／Ｃｕ基板）をセラミックス基板２５０として用いることができる。 Like the ceramic substrate 200, the ceramic substrate 250 serves as an insulating circuit board in the semiconductor module. For example, a circuit of metal plates such as Ag, Cu, and Al on the front and back surfaces of insulating ceramics 251 such as silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), aluminum nitride (Al _{N), and alumina (Al 2} O _3). The one on which 252 is formed can be used as the ceramic substrate 250. In particular, in the SiC power module 2000, a substrate (Cu / SiN / Cu substrate) in which a circuit made of Cu is formed on the front surface and the back surface of silicon nitride can be used as the ceramic substrate 250.

ただし、セラミックス基板２００より上に備えられたＳｉＣパワーデバイス５００、金属ブロック６００、セラミックス基板２５０、接合材３１０、３２０、３３０、ワイヤー７００、端子８００、樹脂枠９００、ゲル１０００については、必須の構成ではなく、また、任意の代替品に置き換えることができる。 However, the SiC power device 500, the metal block 600, the ceramic substrate 250, the bonding material 310, 320, 330, the wire 700, the terminal 800, the resin frame 900, and the gel 1000 provided above the ceramic substrate 200 are indispensable configurations. Instead, it can also be replaced with any alternative.

例えば、ＳｉＣパワーデバイス５００に代えて、半導体性能を有するＳｉデバイス、ＧａＮデバイス、Ｇａ₂Ｏ₃デバイスまたはダイヤモンドデバイス等を備えることができる。 For example, instead of the SiC power device 500, a Si device having semiconductor performance, a GaN device, a Ga ₂ O ₃ device, a diamond device, or the like can be provided.

また、接合材３１０、３２０、３３０のそれぞれについても、ＣｕＳｎ合金接合材３００と同様にＣｕＳｎ合金を用いてもよく、接合特性を有する他の金属を接合材として用いてもよい。 Further, for each of the bonding materials 310, 320, and 330, a CuSn alloy may be used as in the CuSn alloy bonding material 300, or another metal having bonding characteristics may be used as the bonding material.

さらに、半導体モジュールは、ベースプレートと接合するヒートシンクを備えてもよい。 Further, the semiconductor module may include a heat sink to be joined to the base plate.

［半導体モジュールの製造方法］
次に、上記の半導体モジュールについて、その製造方法の一実施形態を説明する。 [Manufacturing method of semiconductor module]
Next, an embodiment of a manufacturing method for the above semiconductor module will be described.

〈接合工程〉
半導体モジュールの製造方法は、接合工程を含む。接合工程は、凹部領域１３０に非金属製充填剤４００が充填されたベースプレート１００と、セラミックス基板２００とを、ＣｕＳｎ合金接合材３００で接合する工程である。 <Joining process>
The method for manufacturing a semiconductor module includes a joining step. The joining step is a step of joining the base plate 100 in which the recessed region 130 is filled with the non-metal filler 400 and the ceramic substrate 200 with the CuSn alloy joining material 300.

ベースプレート１００とセラミックス基板２００との接合方法は、凹部領域１３０に充填した非金属製充填剤４００がこぼれないように、ＣｕＳｎ合金接合材３００で接合できれば、特に限定されない。例えば、ＣｕＳｎ合金接合材３００をはんだとして使用し、ベースプレート１００とセラミックス基板２００とをはんだ付けすることで接合してもよい。 The method of joining the base plate 100 and the ceramic substrate 200 is not particularly limited as long as it can be joined with the CuSn alloy joining material 300 so that the non-metal filler 400 filled in the recessed region 130 does not spill. For example, the CuSn alloy bonding material 300 may be used as solder, and the base plate 100 and the ceramic substrate 200 may be soldered to bond them.

（他の工程）
半導体モジュールの製造方法は、接合工程に加え、他の工程を含んでもよい。例えば、接合工程の前に、凹部領域１３０に非金属製充填剤４００を充填する充填工程、セラミックス基板２００に接合材３１０を介してＳｉＣパワーデバイス５００や金属ブロック６００を搭載する第１搭載工程、接合材３２０を介してセラミックス基板２５０を搭載する第２搭載工程、セラミックス基板２５０に接合材３３０を搭載する第３搭載工程を含むことができる。また、半導体モジュールの製造方法は、端子８００と接合材３１０にワイヤー７００を接合するワイヤー接合工程を含むことができる。 (Other processes)
The method for manufacturing a semiconductor module may include other steps in addition to the joining step. For example, a filling step of filling the recessed region 130 with the non-metal filler 400 before the joining step, and a first mounting step of mounting the SiC power device 500 or the metal block 600 on the ceramic substrate 200 via the joining material 310. A second mounting step of mounting the ceramic substrate 250 via the bonding material 320 and a third mounting process of mounting the bonding material 330 on the ceramic substrate 250 can be included. Further, the method for manufacturing a semiconductor module can include a wire bonding step of bonding a wire 700 to a terminal 800 and a bonding material 310.

以上のとおり説明した半導体モジュール２０００であれば、セラミックス基板２００とベースプレート１００との間に発生する熱応力を緩和し、セラミックス基板２００からベースプレート１００への放熱性の低下を抑制することができる。また、以上のとおり説明した半導体モジュールの製造方法であれば、セラミックス基板２００とベースプレート１００との間に発生する熱応力を緩和し、セラミックス基板２００からベースプレート１００への放熱性の低下を抑制することができる半導体モジュール２０００を提供することができる。 With the semiconductor module 2000 described above, the thermal stress generated between the ceramic substrate 200 and the base plate 100 can be alleviated, and the deterioration of heat dissipation from the ceramic substrate 200 to the base plate 100 can be suppressed. Further, in the semiconductor module manufacturing method described above, the thermal stress generated between the ceramic substrate 200 and the base plate 100 can be alleviated, and the deterioration of heat dissipation from the ceramic substrate 200 to the base plate 100 can be suppressed. It is possible to provide a semiconductor module 2000 that can be used.

１００ベースプレート
１００ａベースプレート
１１０接合面
１１０ａ接合面
１２０凸部領域
１２０ａ凸部領域
１２１接合面
１３０凹部領域
１３０ａ凹部領域
１４０外縁
１４０ａ外縁
２００セラミックス基板
２０１絶縁セラミックス
２０２回路
２１０裏面
２５０セラミックス基板
３００ＣｕＳｎ合金接合材
３１０接合材
３２０接合材
３３０接合材
４００非金属製充填剤
４１０表面
５００ＳｉＣパワーデバイス
５１０接合面積
６００金属ブロック
７００ワイヤー
８００端子
９００樹脂枠
１０００ゲル
２０００ＳｉＣパワーモジュール 100 Base plate 100a Base plate 110 Joint surface 110a Joint surface 120 Convex area 120a Convex area 121 Joint surface 130 Concave area 130a Concave area 140 Outer edge 140a Outer edge 200 Ceramic substrate 201 Insulated ceramics 202 Circuit 210 Back side 250 Ceramic substrate 300 CuSn alloy Joining Material 320 Joining Material 330 Joining Material 400 Non-Metallic Filler 410 Surface 500 SiC Power Device 510 Joining Area 600 Metal Block 700 Wire 800 Terminal 900 Resin Frame 1000 Gel 2000 SiC Power Module

Claims

Non-metal fillers with higher thermal conductivity than air,
With the base plate
Ceramic substrate and
A CuSn alloy bonding material for bonding the base plate and the ceramic substrate is provided.
The base plate has a convex region for joining with the ceramic substrate and a concave region for not joining with the ceramic substrate on the bonding surface with the ceramic substrate.
The recessed region is a semiconductor module filled with the non-metal filler.

The semiconductor module according to claim 1, wherein the non-metal filler has a thermal conductivity of more than 0.03 W / mK and 0.5 W / mK or less under 300K conditions.

The semiconductor module according to claim 1 or 2, wherein the area of the convex region on the joint surface is 25% to 90% of the area of the joint surface.

The bonding surface has a plurality of the convex region, the bonding area per the convex region is 0.1 mm ² to 10 mm ^2, the semiconductor module according to claim 1 ..

The semiconductor module according to any one of claims 1 to 4, wherein the outer edge of the joint surface of the base plate is a frame-shaped convex region, and the outer edge does not have a concave region.

The semiconductor module according to any one of claims 1 to 5, wherein the non-metal filler is a gel filler, a resin filler, or a liquid filler.

The method for manufacturing a semiconductor module according to any one of claims 1 to 6.
A method for manufacturing a semiconductor module, comprising a joining step of joining the base plate in which the recessed region is filled with the non-metal filler and the ceramic substrate with the CuSn alloy bonding material.