JP2022188583A - Substrate for semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置用基板に関する。 The present invention relates to a semiconductor device substrate.
パワートランジスタモジュールなどに用いる半導体装置用基板として、セラミック焼結体等の絶縁板の表面に銅板を備えたDBOC基板(Direct Bonding of Copper Substrate)が知られている。そして、銅板の周縁には、例えば、特許文献1に示すような凹部を形成することができる。これにより、半導体装置の温度変化による熱応力が絶縁板に作用しても、複数の凹部により、銅板の周縁に生じる熱応力を緩和することができる。その結果、絶縁板の割れ、銅板の剥がれを防止することができる。
2. Description of the Related Art DBOC substrates (Direct Bonding of Copper Substrates), in which a copper plate is provided on the surface of an insulating plate such as a ceramic sintered body, are known as substrates for semiconductor devices used in power transistor modules and the like. Then, a concave portion as shown in
しかしながら、凹部を形成すると、上記のように銅板の周縁に生じる熱応力を緩和できるものの、銅板主面における半田等の接合材の濡れ広がりが凹部で阻害される恐れがあった。本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、銅板に凹部が形成されていても半田等の接合材の濡れ広がりの阻害を抑制することができる、半導体装置用基板を提供することを目的とする。 However, although the formation of the recess can alleviate the thermal stress generated in the peripheral edge of the copper plate as described above, the recess may hinder the wetting and spreading of the bonding material such as solder on the main surface of the copper plate. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and provides a substrate for a semiconductor device capable of suppressing inhibition of wetting and spreading of a bonding material such as solder even if a concave portion is formed in a copper plate. for the purpose.
本発明に係る半導体装置用基板は、第1面及び第2面を有する絶縁板と、前記絶縁板の第1面に接合され、導電パターンを形成するための第1銅板と、前記絶縁板の第2面に接合される第2銅板と、を備え、前記第1銅板及び第2銅板の少なくとも一方に複数の凹部が形成され、前記各凹部の開口の径D1が、当該凹部の開口よりも内部の最大径D2よりも小さい。 A substrate for a semiconductor device according to the present invention comprises: an insulating plate having a first surface and a second surface; a first copper plate bonded to the first surface of the insulating plate to form a conductive pattern; and a second copper plate bonded to the second surface, wherein a plurality of recesses are formed in at least one of the first copper plate and the second copper plate, and the diameter D1 of the opening of each recess is larger than the opening of the recess. It is smaller than the internal maximum diameter D2.
上記半導体装置用基板において、前記凹部の開口縁部と対応する、前記第1銅板または前記第2銅板の縁部は、前記開口の径方向内方に突出し、且つ、断面円弧状に形成することができる。 In the semiconductor device substrate, the edge of the first copper plate or the second copper plate, which corresponds to the edge of the recess, protrudes radially inward of the opening and has an arc-shaped cross section. can be done.
上記半導体装置用基板において、前記縁部の曲率半径は、2.0μm以上とすることができる。 In the semiconductor device substrate described above, the radius of curvature of the edge portion may be 2.0 μm or more.
上記半導体装置用基板において、前記径D1に対する前記最大径D2は、1.08以上とすることができる。 In the semiconductor device substrate described above, the maximum diameter D2 with respect to the diameter D1 may be 1.08 or more.
上記半導体装置用基板において、前記凹部は、前記絶縁板まで達しないように形成することができる。 In the semiconductor device substrate described above, the recess may be formed so as not to reach the insulating plate.
上記半導体装置用基板においては、前記第1銅板及び第2銅板の少なくとも一方の周縁に沿って、複数の前記凹部を形成することができる。 In the semiconductor device substrate, a plurality of recesses may be formed along the peripheral edge of at least one of the first copper plate and the second copper plate.
上記半導体装置用基板においては、前記第1銅板の中央付近に、複数の前記凹部を形成することができる。 In the semiconductor device substrate, a plurality of recesses may be formed near the center of the first copper plate.
上記半導体装置用基板においては、前記第1銅板及び第2銅板の両方に、複数の前記凹部をそれぞれ形成することができる。 In the semiconductor device substrate, both the first copper plate and the second copper plate may be formed with a plurality of recesses.
本発明によれば、銅板に凹部が形成されていても、半田等の接合材の濡れ広がりの阻害を抑制することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if the recessed part is formed in the copper plate, it can suppress the obstruction of the wet spread of joining materials, such as solder.
以下、本発明に係る半導体装置用基板の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係る半導体装置用基板を有する半導体装置の断面図である。 An embodiment of a semiconductor device substrate according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a semiconductor device substrate according to this embodiment.
<1.半導体装置の概要>
本実施形態に係る半導体装置は、例えば、自動車、空調機、産業用ロボット、業務用エレベータ、家庭用電子レンジ、IH電気炊飯器、発電(風力発電、太陽光発電、燃料電池など)、電鉄、UPS(無停電電源)などの様々な電子機器においてパワーモジュールとして用いられる。
<1. Overview of semiconductor devices>
The semiconductor device according to this embodiment includes, for example, automobiles, air conditioners, industrial robots, commercial elevators, household microwave ovens, IH electric rice cookers, power generation (wind power generation, solar power generation, fuel cells, etc.), electric railways, It is used as a power module in various electronic devices such as UPS (uninterruptible power supply).
図1に示すように、本実施形態に係る半導体装置1は、半導体装置用基板2、第1接合材5、第2接合材5’、半導体チップ6、ボンディングワイヤ7、及びヒートシンク8を備えている。
As shown in FIG. 1, a
半導体装置用基板2は、いわゆるDBOC基板(Direct Bonding of Copper Substrate)であり、絶縁体である板状の絶縁板3と、その第1面(上面)に接合された第1銅板4と、第2面(下面)に接合された第2銅板4’とを備える。
The semiconductor device substrate 2 is a so-called DBOC substrate (Direct Bonding of Copper Substrate), and includes a plate-like
絶縁板3は、熱伝導性に優れた、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素等の熱伝導性が高いセラミックスにより構成されている。絶縁板3の厚みは、例えば、0.25~0.635mmであることが好ましく、0.25~0.38mmであることがさらに好ましい。
The
第1銅板4には、導電パターン等の伝送回路が形成されている。一方、第2銅板4’は、平板状に形成されている。これらの銅板4,4’の厚みは、例えば、0.1~2.0mmであることが好ましく、0.2~0.4mmであることがさらに好ましい。銅板4,4’が厚いと半導体装置用基板2の放熱性が高まるが、一方で熱応力が大きくなり信頼性が低下する恐れがある。よって半導体装置1の用途や絶縁板3の機械的強度などにより銅板4,4’の厚みが設定される。また、第2銅板4’には、後述するように凹部が形成されている。
A transmission circuit such as a conductive pattern is formed on the
この半導体装置用基板2の上面、つまり第1銅板4の上面の一部には、第1接合材5を介して半導体チップ6が接合されている。また、ボンディングワイヤ7により、半導体チップ6と第1銅板4とが接続されている。
A
一方、半導体装置用基板2の下面、つまり第2銅板4’の下面には、第2接合材5’を介してヒートシンク8が接合されている。ヒートシンク8は、公知のものであり、例えば銅などの金属によって構成することができる。
On the other hand, a
なお、接合材5,5’は、半田や銀ろうなどで形成することができる。接合材5,5’が半田である場合には、例えば、錫-銀-銅からなる合金、錫-亜鉛-ビスマスからなる合金、錫-銅からなる合金、錫-銀-インジウム-ビスマスからなる合金のうち少なくともいずれかの合金を主成分とする鉛フリー半田を採用することができる。
Note that the
<2.第2銅板に形成される凹部>
上述したように、第2銅板4’には凹部が形成されている。この点について、詳細に説明する。図2は第2銅板から見た半導体装置用基板の平面図、図3は図2の拡大断面図である。図2及び図3に示すように、第2銅板4’には、複数の凹部9が、所定間隔をおいて、第2銅板4’の周縁に沿って形成されている。各凹部9は半球状に形成されており、開口の平面形状は円形に形成されている。そして、各凹部9には、上述した第2接合材5’が流れ込むようになっている。
<2. Recess Formed in Second Copper Plate>
As described above, recesses are formed in the second copper plate 4'. This point will be described in detail. 2 is a plan view of the semiconductor device substrate viewed from the second copper plate, and FIG. 3 is an enlarged sectional view of FIG. As shown in FIGS. 2 and 3, a plurality of
各凹部9は平面視して円形となっており、円の中心を通る、第2銅板4’の厚み方向の断面図が図3である。平面視して円形である各凹部9の開口の直径はD1で表される。各凹部9は第2銅板4’内部で球体に近い空洞となっている。そのため各凹部9の断面形状は図3のように円形の一部を切り取った形状になる。第2銅板4’の厚み方向に垂直な方向の各凹部9の寸法のうち、最大の寸法をD2とする。また第2銅板4’の厚み方向の各凹部9の寸法のうち、最大の寸法をD3とする。D3は各凹部9の深さ寸法である。
Each
各凹部9の開口の径D1は、開口よりも内部の最大径D2よりも小さくなっている。そのため、各凹部9の開口縁部と対応する、第2銅板4’の縁部91は、開口の径方向内方に突出している。また、本実施形態では、この縁部91の先端が断面円弧状に形成されている。
The diameter D1 of the opening of each
各凹部9の径D1は、300~700μmであることが好ましく、400~600μmであることがさらに好ましい。また、最大径D2は、320~700μmであることが好ましく、450~700μmであることがさらに好ましい。径D1に対する最大径D2の割合は、1.05~1.20であることが好ましく、1.08~1.15であることが好ましい。
The diameter D1 of each
凹部9の深さD3は、第2銅板4’の厚みよりも小さく、100~400μmであることが好ましく、250~390μmであることがさらに好ましい。凹部9の径D1に対する凹部9の深さD3の割合は、0.5~0.8であることが好ましく、0.6~0.8であることがさらに好ましい。
The depth D3 of the
また、第2銅板4’の縁部91の断面の曲率半径は、1.5~10.0μmであることが好ましく、2.0~8.0μmであることがさらに好ましい。但し、縁部91の断面形状は必ずしも円弧状でなくてもよく、鋭角状に形成されていてもよい。
The cross-sectional curvature radius of the
凹部9の間隔Wは、狭すぎると第2接合材5’の濡れ広がりが悪くなる一方、間隔Wが大きすぎると、凹部の応力緩和効果が得られないおそれがある。そのため、凹部9の間隔Wは、好ましくは、0.1~0.5mmであることが好ましく、0.15~0.3mmであることがさらに好ましい。
If the spacing W between the
<3.半導体装置用基板の製造方法>
次に、上述した半導体装置用基板2の製造方法の一例について説明する。まず、絶縁板3の上面及び下面に第1及び第2銅板4,4’を配置した積層体を形成する。ここで、用いられる各銅板の表面は酸化されている。次に、この積層体を1065℃~1083℃の窒素雰囲気条件下で10分程度加熱する。これによって、絶縁板3と第1及び第2銅板4,4’とが接合する界面にCu-O共晶液相が生成され、絶縁板3の各面が濡れる。続いて、この積層体を冷却することによってCu-O共晶液相が固化されて、絶縁板3に第1及び第2銅板4,4’が接合される。なお、第1及び第2銅板4,4’は真空中においてチタンなどの活性金属を含むロウ材で絶縁板3に接合されてもよい。
<3. Method for manufacturing semiconductor device substrate>
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device substrate 2 described above will be described. First, a laminate is formed by arranging the first and
次に、第2銅板4’に凹部9を形成する。まず、第2銅板4’の凹部9と対応する円形の貫通孔が形成されたマスク層を第2銅板4’に積層する。これら貫通孔の内径は、凹部9の開口の径D1よりも小さく、例えば、径D1の35~55%とすることができる。そして、0.5~5m/minのエッチングスピードでエッチングを行い、凹部9を形成する。
Next, recesses 9 are formed in the second copper plate 4'. First, a mask layer having circular through holes corresponding to the
なお、第1銅板4に形成されている伝送回路は、例えば、サブトラクティブ法又はアディティブ法によって形成することができる。
The transmission circuit formed on the
<4.特徴>
上記実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
(1)半導体装置1の温度変化による熱応力が半導体装置用基板2に作用しても、複数の凹部9により、第2銅板4’の周縁に生じる熱応力を緩和することができる。その結果、半導体装置用基板2の割れ、第2銅板4’の剥がれを防止することができる。
<4. Features>
According to the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1) Even if thermal stress due to temperature change of the
(2)凹部9の開口の径D1が、凹部9の内部の最大径D2よりも小さいため、凹部9を形成しながらも、第2銅板4’の主面の面積を増やすことができる。これにより、平坦な第2銅板4’の主面上を流れてきた半田などの接合材5’の濡れ広がりが凹部9で阻害されることを低減できる。その結果、第2銅板4’とヒートシンク8の間に接合材5’の空洞が生じることが抑制され、半導体チップ6で生じた熱を良好にヒートシンク8まで伝えることができる。
(2) Since the diameter D1 of the opening of the
(3)凹部9の開口縁部における第2銅板4’の縁部91が、開口の径方向内方に突出しているため、突出部の分だけ第2銅板4’の体積が増える。このため半導体装置用基板2の放熱性が向上する。
(3) Since the
(4)開口縁部における第2銅板4’の縁部91の断面形状が円弧状であるため、第2接合材5’を第2銅板4’の主面から凹部9内にスムーズに案内することができ、凹部9に流れ込みやすくなる。特に、縁部91の曲率半径が大きいほど、第2接合材5’が流れ込みやすくなる。このため、凹部9内にボイドが形成されることを抑制できる。よってボイド内部での部分放電を抑制でき、また、ボイドによる放熱性の低下を抑制できる。
(4) Since the cross-sectional shape of the
<5.変形例>
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。なお、以下の変形例は適宜、組み合わせることができる。
<5. Variation>
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention. Note that the following modified examples can be combined as appropriate.
(1)上記実施形態では、第2銅板4’の周縁に沿って1列の凹部9を形成しているが、2列以上形成することもできる。
(1) In the above embodiment, one row of
(2)上記実施形態では、第2銅板4’にのみ凹部9を形成しているが、第1銅板4にも凹部9を形成することができる。この場合、第2銅板4’と同様に、第1銅板4の周縁に沿って1列以上の凹部9を形成することができる。また、第1銅板4の中央付近に凹部9を形成することもできる。この凹部9は、例えば、半導体チップ6の位置決めに用いることができる。
(2) In the above embodiment, the
(3)凹部9の開口の形状は特には限定されず、上記のような円形のほか、楕円状、あるいは矩形の角部を丸くした形状等にすることもできる。この場合、開口の径D1は、最大径とすることができる。最大径としては、開口の形状に対する外接円相当径を設定することができる。また、凹部9の断面形状は略円形の一部であるほか、楕円の一部であってもよい。
(3) The shape of the opening of the
(4)上記実施形態では、凹部9は第2銅板4’内に形成され、絶縁板3まで達していないが、例えば、図4に示すように、第2銅板4’を貫通し、絶縁板3まで達していてもよい。この場合は凹部9による熱応力緩和効果が高まる。一方、凹部9が絶縁板3まで達している場合に比べ、凹部9が絶縁板3に達していない場合の方が第2銅板4’の体積が相対的に増える。このため放熱性が高まる。さらに凹部9の体積が小さくなるため第2接合材5’の流れ込み不足によるボイドの形成も抑制できる。
(4) In the above embodiment, the
以下、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は、以下の実施例に限定されない。 Examples of the present invention will be described below. However, the present invention is not limited to the following examples.
絶縁板として厚みが0.32mmのアルミナを準備した。そして、この絶縁板の両面に厚みが0.4mmの表面が酸化された銅板を配置し、1070℃の窒素雰囲気条件下で10分程度加熱して絶縁板に銅板を接合した。こうして得られた半導体装置用基板の一方の銅板の周縁に沿って、以下のような凹部を形成し、実施例1~6に係る半導体装置用基板を得た。 Alumina having a thickness of 0.32 mm was prepared as an insulating plate. A copper plate having a thickness of 0.4 mm and having an oxidized surface was placed on both sides of the insulating plate, and heated at 1070° C. for about 10 minutes in a nitrogen atmosphere to bond the copper plate to the insulating plate. A concave portion as described below was formed along the peripheral edge of one of the copper plates of the semiconductor device substrate thus obtained, and semiconductor device substrates according to Examples 1 to 6 were obtained.
凹部は、エッチングにより形成した。凹部用のマスクに形成する貫通孔の径、及びエッチンクスピードは以下の表1の通りである。絶縁板と銅板を接合した接合体の銅板表面に、エッチングレジスト、あるいはドライフィルムによるマスキングを施し、マスキングされていない銅板部分を化学的にエッチングすることで、所望の形状の回路パターンが形成される。エッチングスピードは長さ約5mのエッチングエリアに接合体を通過させるスピードを示す。エッチングエリアではエッチング液が接合体に向けて噴射され、銅板がエッチングされる。
また、実施例1,3,4,6において形成された凹部の断面形状、及び縁部の拡大図を、それぞれ、図5~図8に示す。 5 to 8 show the cross-sectional shapes of the recesses formed in Examples 1, 3, 4, and 6, and enlarged views of the edge portions, respectively.
以上のように、実施例1~6においては、いずれも最大径D2が開口の径D1よりも大きい凹部を形成することができた。そのため、凹部を形成しながらも銅板の主面の面積を増大することができた。したがって、例えば、ヒートシンクを接合材によって銅板に接合する際には、平坦な銅板の主面上を流れてきた接合材の濡れ広がりが凹部で阻害されることを低減できる。また、銅板の体積が増えるため、放熱性を高めることができる。さらに、いずれの凹部も、縁部の断面を円弧状に形成されている。したがって、接合材を銅板の主面から凹部に内部に向かって回り込みやすくすることができる。 As described above, in each of Examples 1 to 6, it was possible to form a concave portion having a maximum diameter D2 larger than the diameter D1 of the opening. Therefore, it was possible to increase the area of the main surface of the copper plate while forming the recesses. Therefore, for example, when a heat sink is bonded to a copper plate with a bonding material, it is possible to reduce the obstruction of the wetting and spreading of the bonding material flowing over the main surface of the flat copper plate by the concave portion. Moreover, since the volume of the copper plate increases, heat dissipation can be improved. Further, each concave portion has an arcuate cross-section of the edge portion. Therefore, it is possible to make it easier for the bonding material to flow from the main surface of the copper plate toward the inside of the recess.
2…半導体装置用基板
3…絶縁板
4,4’…銅板
9…凹部
91…縁部
2
Claims (8)
前記絶縁板の第1面に接合され、導電パターンを形成するための第1銅板と、
前記絶縁板の第2面に接合される第2銅板と、
を備え、
前記第1銅板及び第2銅板の少なくとも一方に複数の凹部が形成され、
前記各凹部の開口の径D1が、当該凹部の開口よりも内部の最大径D2よりも小さい、半導体装置用基板。 an insulating plate having a first surface and a second surface;
a first copper plate bonded to the first surface of the insulating plate for forming a conductive pattern;
a second copper plate bonded to the second surface of the insulating plate;
with
A plurality of recesses are formed in at least one of the first copper plate and the second copper plate,
A substrate for a semiconductor device, wherein the diameter D1 of the opening of each recess is smaller than the maximum diameter D2 inside the opening of the recess.
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