JP4309522B2

JP4309522B2 - Bonding structure of ceramic substrate and metal radiator

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Publication number: JP4309522B2
Application number: JP24663999A
Authority: JP
Inventors: 広治坂元
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Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2009-08-05
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物系あるいは非酸化物系の各種セラミック部材と金属放熱器との取り付け構造に関するもので、特に電気自動車、ハイブリッド車、電車、エレベータ等のインバーター制御に用いられるＩＧＢＴをはじめとするパワーモジュール等発熱量の大きな電子部品の搭載に好適なセラミック基板と金属放熱器との接合構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のパワ−モジュ−ル用基板として、Ｎｉめっきを施したＣｕまたはＡｌにより形成された大型の金属放熱器をＳｎ−Ｐｂ系、Ａｇ−Ｓｎ系等のはんだもしくはシリコ−ングリ−ス、シリコ−ンオイル等の樹脂を用いて、セラミック基板の裏面に金属薄板を介して積層接合する方法が知られている。しかし上記はんだもしくは樹脂を用いた積層接合方法では、セラミック基板−金属薄板−はんだもしくは樹脂−金属放熱器というようにセラミック基板から金属放熱器までの熱抵抗が大きい、また樹脂を用いた場合には樹脂の熱伝導が悪いため放熱性に問題があり、セラミック基板と金属放熱器を直接接合する方法が検討されている。
【０００３】
この直接接合する方法として、図７に示すセラミック基板４０及び金属放熱器４１の材質としてアルミナ及びＣｕを用いた場合、セラミック基板４０と金属放熱器４１とを重ねた状態でこれらに荷重を加え、Ｎ₂雰囲気中で加熱するいわゆるＤＢＣ法（ＤｉｒｅｃｔＢｏｎｄｉｎｇＣｏｐｐｅｒ法）がある。または図８に示すセラミック基板４３と金属放熱器４４との間にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材４５の箔を挟んだ状態でこれらに荷重を加え、真空中で加熱するいわゆる活性金属法がある。
【０００４】
しかし、上記直接接合する方法では、セラミック基板４０と金属放熱器４１の熱膨張係数が異なるため、セラミック基板４０に反りを生じたり、熱サイクルによりセラミック基板４０に割れを生じたりするという問題点があった。
【０００５】
またその他の接合方法としては、図５に示す特公平０６−３３８５７７号公報に記載のようなセラミック基板２３と放熱器２１の間に非導電性の樹脂２２を介在させ金属ケース２９で圧接する方法がある。
【０００６】
この放熱構造を図５を用いて説明すると、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等からなるセラミック基板２３の上に、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ等の金属からなる電極２６を形成し、その上に半導体素子２５が載置されている。該セラミック基板２３は、樹脂からなる中間層２２を介して金属放熱器２１に密着固定されている。また半導体素子２５は、ボンディングワイヤ２８により回路導体２４に接続されている。また、セラミック基板２３には金属放熱器２１に形成された位置合わせ突起２７に符合するＵ字切り欠き３１が形成されており、ここで位置合わせして、樹脂からなる中間層２２により金属放熱器２１に密着固定されている。また、金属放熱器２１には、金属ケ−ス２９がセラミック基板２３を覆うように取り付けられており、金属放熱器２１に設けられたビス穴３０で固定されている。
【０００７】
また、図６に示すセラミック基板３５に金属薄板３６が直接接着され、この金属薄板３６に可塑性多孔質金属層３７を介して金属放熱器３８を積層接合する方法がある。この放熱構造は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等からなるセラミック基板３５の一方の面には回路基板３４が、他方の面にはＤＢＣ法による直接接合又は活性金属を含むろう材３９による接合にてＣｕ、Ａｌ等からなる金属薄板３６を積層接着する。該金属薄板３６には気孔率２０〜５０％のＣｕ、Ａｌ、Ａｇ等からなる可塑性多孔質金属層３７を介してＣｕもしくはＡｌからなりセラミック基板３５と異なる熱膨張係数を有する金属放熱器３８が積層接着されている。可塑性多孔質金属層３７がセラミック基板３５と金属放熱器３８に発生する熱変形を吸収するので、セラミック基板３５に発生する反りやクラックを防止できる。また可塑性多孔質金属層３７に形成された気孔には金属層の側面からシリコ−ングリス、シリコ−ンオイル、エポキシ樹脂を充填することによりさらに熱伝導率が上がり、放熱特性の向上が見られる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の放熱構造では、十分な冷却性能が得られず、また耐久性および信頼性に不安があるという問題があった。その為、１００Ａ以上の大電流を流すことを要求され、かつ−４０℃〜１５０℃の環境下で使用されるような場合、例えば環境汚染防止の視点から最近注目され開発が進んできた電気自動車やハイブリッドカーなどに使用されるインバーター用のパワーモジュールにおいては、搭載スペースの問題から小型高出力化が要求されており、チップの発熱量が増大するため、上述の方法では取り付けスペースが確保できない、十分な冷却性能が得られないとか、必要な出力が取り出せない等の問題があり、また耐久性および信頼性にも不安があった。
【０００９】
たとえば、図５の構造では、チップの発熱によるセラミック基板の反りによって樹脂材が剥離し放熱性が低下するおそれがあった。また、図６の構造ではセラミック基板３５と金属放熱器３８までの熱抵抗が大きいとか、また金属放熱器３８は可塑性多孔質金属層３７に接合してあるため接合部における未接合の割合が高く放熱性が悪いという問題があった。
【００１０】
【発明の目的】
本発明は、上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は発熱量の大きなパワーモジュール用のセラミック基板と放熱器の接合構造において、チップの発熱によるセラミック基板の反りや割れを防止でき、かつ十分な冷却性能が得られるパワ−モジュ−ル用のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一方の面に金属回路が形成されているセラミック基板の他方の面の一部に、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、厚みが２０μｍ〜３００μｍの接合層を介在させて金属放熱器に接合させるとともに、セラミック基板と金属放熱器の未接合部の面積比を１５％以下とすることにより、放熱特性の優れたパワーモジュールを形成するものである。
【００１３】
【作用】
本発明はセラミック基板と金属放熱器との接合層に所定の熱伝導率、厚みを持った接合材を用いることで、パワ−モジュ−ルの高出力化によりチップの発熱が激しくなり電極を構成する金属材料の温度が上昇し、セラミック基板との熱膨張差によりセラミック基板が金属放熱器に接触する面に凹状に反り返るような応力が働く場合でもその応力を吸収し放熱器との密着性を維持することが可能になった。
【００１４】
また本発明の接合構造によれば、高強度のセラミック基板を用いることでセラミック基板と金属放熱器との接合において、接合層を介して直接接合することができるので、従来構造に比べ構造の簡略化が可能となり、また熱伝導の良い接合層を用いることで、チップ表面から金属放熱器までの熱抵抗の低減及び省スペ−ス化が可能になった。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図によって説明する。
【００１６】
図１〜３に本発明の金属放熱器とセラミック基板との取り付け構造の一例を示す。
【００１７】
半導体素子１は、はんだ層２を介してセラミック基板４上に形成された電極３と接合されており、セラミック基板４は接合層５を介して金属放熱器６に接合されている。自動車用のパワ−モジュ−ルなど振動がかかる状態で使用する場合には組み付け金具７及びねじ８により少なくとも２カ所以上で固定することが望ましい。
【００１８】
接合層５としては、熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材質を用い、厚みを２０μｍ〜３００μｍとする。これは接合層５の熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ未満の場合には、放熱性が低いため、良好な放熱性を得られないためである。
【００１９】
また、接合層５の厚みが２０μｍ未満の場合は初期では良好であるが、熱サイクル試験後に温度上昇が認められる、これは接合層５が薄いために耐久時の摩擦による接触状態の変化を十分に吸収できなかったためと考えられる。これに対し、接合層５の厚みが２０μｍ以上であれば、熱サイクル試験後に温度上昇の変化は無く放熱性は安定しているが、接合層５の厚みが３００μｍを超えると、接合層５が放熱性を阻害する傾向があり逆に放熱性が低下する。接合層５の厚みとしては、５０〜２００μｍ程度が望ましい。
【００２０】
また、上記接合層５によるセラミック基板４と金属放熱器６との接合面において、未接合部の面積比を１５％以下とする。この面積比が１５％を越える場合には、未接合部の放熱性が悪くまた未接合部分が局所発熱して温度が上昇してしまう。このため、セラミック基板４と金属放熱器６との接合面における未接合部の割合は１５％以下にする必要がある。
【００２１】
この未接合部の割合を１５％以下にするには、セラミック基板４と金属放熱器６の接合面に接合層５に使用するろう材と濡れの良いメッキを形成するとよい。金属の表面は酸化されやすく、表面に酸化皮膜が形成されると、ろう材との濡れが悪くなる。前記メッキ層の形成方法および管理方法が重要である。
【００２２】
なお、セラミック基板４と金属放熱器６の接合状態はクロスセクションによる断面ＳＥＭの観察もしくは超音波探傷法により未接合部の面積比を測定する方法などで評価する。
【００２３】
また接合層５は、自動車用のパワーモジュールなど使用環境によって−４０℃〜１５０℃の冷熱環境下に長時間さらされることを想定した場合、樹脂などを接合層５に用いると、冷熱時のセラミック基板４と放熱器６の熱膨張差による応力により、固定部が剥離して接触状態が変化し放熱性が低下する事がある。同時に、接合層５はパワ−モジュ−ルの高出力化により半導体素子１の発熱が激しくなり、電極３の温度が上昇し、セラミック基板４との熱膨張差によりセラミック基板４が金属放熱器６に接触する面に凹方向に反るような応力が働く場合でも、その応力を吸収し金属放熱器６との密着性を維持しなければならないため、接合層５は高熱伝導性であると共に、接触状態が変化しない材質でなければならない。
【００２４】
この為、前記接合層５を構成する物質としては、高熱伝導で接合層自体が柔らかい材質、すなわちＩｎ又はＩｎを１５体積％以上含む、例えばＩｎ−Ｐｂ、Ｉｎ−Ｚｎ、Ｉｎ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ａｕ、Ｉｎ−Ａｇ等のＩｎ系の合金であるか、またはＡｌ−Ｓｉ系のろう材でろう材自体のヤング率が７５ＧＰａ以下の材質が適当である。
【００２５】
Ｉｎの比率が１５体積％未満の場合、長期使用時に接合層５の断面観察において接合層５にクラックが発生していることが確認された。これは、合金中に占めるＩｎの比率が少ないため接合層５（ろう材）が硬く熱サイクルをかけた際、セラミック基板４と金属放熱器６の熱膨張差による応力を緩和しきれず接合層５にクラックが発生する。そのため、接合層５においてＩｎもしくはＩｎ系の合金を用いる場合には、Ｉｎの比率は１５体積％以上にする必要がある。また、好ましくはＩｎ自体の融点が低いことよりＩｎの比率としては２０％〜５０％程度が望ましい。
【００２６】
セラミック基板４の放熱性の評価は、従来の接合層５のないパワーモジュールの放熱性を基準にして、半導体素子１の温度の増減率で評価した。また、耐久性の評価は、サンプルを−４０℃／３０分〜１５０℃／３０分の熱処理を１０００サイクル実施し、放熱性は同様に半導体素子１の温度の増減率で評価した。また半導体素子１の発熱量に対する影響を調べる際は、半導体素子１の代わりにセラミックヒータチップ１０を設置し、セラミックヒータチップ１０への印加電圧を上げることにより、発熱量が増大した場合の影響を評価した。
【００２７】
また、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いた場合には、ろう材自体の熱伝導が高いため、初期及び耐久後共に良好な放熱特性を示す。しかしながら、耐久後の断面の観察を行うと、接合層（ろう材）のヤング率が７５ＧＰａ以上の場合にはクラックが発生する。このためろう材自体のヤング率は７５ＧＰａ以下にする必要がある。
【００２８】
前記接合層５の接合方法としては、接合層５の材質のブレージングシートをセラミック基板４と金属放熱器６の間に載置し熱処理を行う方法、または接合層５の材質の粉末を溶剤と混合したものを、プリントやスプレー塗布によりセラミック基板４の裏面もしくは金属放熱器６の接触面のうち、片方もしくは両方の面に形成し、その後熱処理を行い接合層５を形成する方法等がある。セラミック基板４と金属放熱器６の接合面は接合に用いている材料のぬれ性により必要に応じて表面処理を行う必要がある。
【００２９】
振動がかかる状態で使用する場合には、組み付け金具７及びねじ８により少なくとも２カ所以上で固定することが望ましい。この場合のセラミック基板４と金属放熱器６の圧接固定は、図１に示すようなセラミック基板４の対向する辺の二カ所以上を組み付け金具７等で押さえるようにして、ワッシャ９を介してねじ８で締め付けて固定したり、図２に示すようなセラミック基板４に穴加工を施して、直接ねじ止めするなどの方法で固定したり、また、ねじ８の代わりにバネ材等で加圧固定しても良い。
【００３０】
セラミック基板４の厚みが０．５ｍｍ以下の場合には組付けの際にクラックや割れが生じ、３．０ｍｍ以上の場合には放熱性を阻害する。このためセラミック基板４の厚みは０．５〜３．０ｍｍが望ましい。
【００３１】
また、セラミック基板４裏面の表面粗さ（Ｒａ）は接合層５の接合状態を阻害しないために、１０μｍ以下とすることが望ましい。
【００３２】
さらに、実装された半導体素子１の発熱量が大きい場合など、その熱により電極部材３とセラミック基板４との熱膨張差により金属放熱器６側が凹になるように反る場合があるため、図３に示すようにあらかじめセラミック基板４を金属放熱器６側が凸になるように平坦度を調整することが好ましい。
【００３３】
平坦度の調整方法としては、電極３の形成を終えた基板４の裏面を研磨する方法、電極３の形成前に基板４の裏面を平坦に研磨し、電極３の厚みや幅、長さなどの寸法を調整し基板４への接合時の応力で反らす方法などがある。
【００３４】
平坦度は、セラミック基板４に対し０．１〜３μｍ／ｍｍに調整することが好ましく、０．１μｍ／ｍｍ未満では発熱時の反りを吸収出来ず密着性が損なわれ放熱性が低下する。また、３μｍ／ｍｍ以上では組付けの際にセラミック基板４にクラックや割れが発生する場合がある。
【００３５】
本発明に使用されるセラミック基板４としては、良好な放熱性を示すために熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが適している。熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ未満の場合には、セラミック基板４の熱伝導が悪く放熱性が著しく劣るため、セラミック基板４上の半導体素子１の温度が上昇しセラミック基板４に反りが発生する。
【００３６】
また、セラミック基板４の曲げ強度については、圧接組付け性に影響を与えるため４００ＭＰａ以上のものが適当である。４００ＭＰａ未満の場合、接合層５にてセラミック基板４と金属放熱器６を接合した後、組み付け金具７及びねじ８にて固定を行う際に、セラミック基板４の強度が低いため、ねじ締め部にクラックが発生する。
【００３７】
また、圧接組み付け時に適度にたわみ矯正されることが必要であるため、ヤング率４００ＧＰａ以下が適当である。４００ＧＰａを超える場合、接合層５にてセラミック基板４と金属放熱器６を接合後、組み付け金具７及びねじ８にて固定を行う際、セラミック基板４のたわみが少ないためにクラックが発生する。このような特性を示すセラミックスとして、周期律表第３ａ族元素酸化物の中の少なくとも１種類以上を主焼結助剤とする、窒化アルミニウム質セラミックスあるいは窒化珪素質セラミックスがある。
【００３８】
セラミック基板４表面に形成される電極３の材料としては、銅、アルミニウム等の低抵抗、高熱伝導で比較的軟質な金属をベースにしたものが望ましい。セラミック基板４との接合方法としては、それらの板を活性金属法などによりセラミック基板４に直接接合する方法や、それらの粉末を適当なバインダーと混合してペースト状に調整したものを、プリントやディスペンサーによってセラミック基板４の上に形成した後、予めセラミック基板４に一体焼結させたタングステンメタライズにニッケルめっきを施した面上に、さらに銅、アルミニウム等の厚膜を形成し、不活性、還元、もしくは真空雰囲気で焼き付けを行って接合する方法などがある。必要に応じて電極３にはニッケルめっき、金めっき等の表面処理が施される。
【００３９】
また、電極３上への半導体素子１の実装は、はんだ２を介して電極３上に接合される。そして、セラミック基板４と金属放熱器６の組付けは、良好で安定な放熱性を確保する必要から、高熱伝導性の物質を接合層５として介在させる。
【００４０】
図３は、本発明のセラミック基板４と金属放熱器６の接合構造の他の実施形態を示す図である。図１および２に示した試料との差は、セラミック基板４に、金属放熱器６との接合面側が凸となるような反りを予め形成している点である。これにより、ねじ８による締め付け時にセラミック基板４の中心部が金属放熱器６に有効に密着するようにしている。
【００４１】
【実施例】
以下、本発明のセラミック基板を評価するための構造を、図４を用いて説明する。
【００４２】
セラミック基板４の一方の面上には、電極３が形成されはんだ層２を介してセラミックヒータチップ１０が形成されている。セラミックヒータチップ１０には、陽極電線１２および陰極電線１３が接合され、これらからの電力供給により発熱量を調整する。また、セラミックヒータチップ１０の上には熱電対１１が設置され、放熱特性をこれにより評価する。
【００４３】
また、セラミック基板４のもう一方の面には、金属放熱器６が接合層５を介してねじ８による締め付け力で密着されている。ねじ８とセラミック基板４の間には、ねじ８の片当たりを防止するためワッシャ９が挿入される。
【００４４】
以下、実施例において、この図４に示される構造のパワーモジュールを用いて評価した。
【００４５】
実施例１
窒化アルミニウムを主成分として、主焼結助剤に酸化エルビニウム、添加剤に窒化チタンの粉体を、適当な有機系バインダーを加えてスラリー状に調整し、ドクターブレード法によりシート状に成形したものを必要な厚さに積層し、脱脂工程を経て、１７００〜１８５０℃の範囲で１時間以上焼成し、焼結体を得た。その後、反り量調節のため焼結体を研磨しセラミック基板４とした。
【００４６】
電極３については、粒径１〜５０μｍのＣｕ粉末を粒度配合し適当なバインダーを加えて顆粒状に調整したのちプレス法により電極パターンを成型し、脱脂工程を経て６００〜１０００℃で焼成を行い電極３の焼結体とした。
【００４７】
セラミック基板４と電極３の接合は、セラミック基板４に活性金属（Ｔｉ）入りのろう材（Ａｇ−Ｃｕ系）をプリントし、ろう材上に電極３を載置した後、真空炉にて７８０〜８５０℃の範囲で５分以上焼き付けを行い接合した。
【００４８】
上記の方法で作製したセラミック基板４を用いて、半導体素子１の代わりに発熱量調整の容易なセラミックヒータチップ１０をはんだでセラミック基板４の電極３上に実装して評価した。セラミックヒータチップ１０表面には熱電対１１を設置し、セラミックヒータチップ１０に所定の電圧を印加しながら、表面温度を計測し、基準とする従来の接合層５なしの条件と比較して、その温度の増減率で放熱性を評価した。
【００４９】
またセラミック基板４と金属放熱器６との接合については、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いる場合は、セラミックヒータチップ１０実装前にブレ−ジングシート状のろう材をセラミック基板４と金属放熱器６の間に載置し、真空炉にて５８０〜６２０℃の間にて焼き付けを行い接合した。ＩｎもしくはＩｎ系の合金を用いて接合する場合は、Ｉｎの特性（融点が低い）上、セラミックヒータチップ１０実装後にＡｌ−Ｓｉ系のろう材と同様に、ブレージングシートを用いて真空炉にて２００〜３００℃で熱処理を行い接合した。
【００５０】
また、当該サンプルを−４０℃／３０分〜１５０℃／３０分の熱処理を１０００サイクル実施後に再度放熱性を評価した。またセラミックヒータチップ１０への印加電圧を上げることにより、発熱量が増大した場合の影響を同様の方法で評価した。
【００５１】
評価は、従来品として、接合層５は厚み２０μｍのシリコ−ン樹脂、セラミック基板４は厚み１．５ｍｍ、熱伝導率＝１００Ｗ／ｍ・Ｋ、平坦度＝０μｍ／ｍｍ、Ｒａ＝５μｍのもの、金属放熱器６は厚み２０ｍｍのアルミニウムを用い、セラミックヒータチップ１０の温度を基準として、各々の評価はこの基準温度に対する増加率で表し、初期の放熱特性については前述の基準温度以下、また耐久後の放熱特性については初期に対し増加率５％未満を適正値とした。セラミック基板４と金属放熱器６の接合状態は、クロスにて断面ＳＥＭの観察もしくは超音波探傷法による未接合部の面積％の測定を行った。
【００５２】
表１に接合層５の熱伝導に関する評価結果を示す。
【００５３】
【表１】

【００５４】
表１に示すように、接合層５が無いＮｏ．１は、初期でも５％の温度上昇があり、更に耐久後に１４％の温度上昇が認められた。初期での温度上昇は均一な接触が得られず放熱性が阻害されている為である。また耐久後に更に温度上昇しているのは冷熱環境下でセラミック基板４と金属放熱器６の熱膨張差による摩擦により接触状態が変化し放熱性が低下したためである。
【００５５】
接合層５がある場合、従来構造であるシリコ−ン樹脂を用いたＮｏ．２では、初期では良好であるが、耐久後には５％の温度上昇が認められる。これはシリコーン樹脂のＳｉ成分が温度サイクル時に一部ＳｉＣに変化し、放熱器の表面を傷つけ接触状態が変化し、またセラミック基板４と金属放熱器６の熱膨張差による応力で接触状態が変化し、放熱性が低下したためである。
【００５６】
また、接合層５の熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるＮｏ．３〜５は、初期の放熱性はシリコ−ン樹脂と同等であり、耐久後２〜５％の温度上昇がみられるので好ましくない。一方、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のＮｏ．６〜１２は、初期の放熱性が３％以上向上する。
【００５７】
実施例２
図示しないが、接合層５の材質に純Ｉｎを用い厚みが５〜４００μｍになるようにして接合を行った。この接合層の材質及び厚み以外は実施例１と同様にして評価サンプルを作製した。
【００５８】
表２に接合層５の厚みに関する評価結果を示す。
【００５９】
【表２】

【００６０】
表２に示すように、接合層５の厚みが２０μｍ以下のＮｏ．１４、１５は、初期の放熱性は良好であるが、耐久後には温度上昇が認められる。これは接合層５が薄いために耐久時の摩擦による接触状態の変化を十分に吸収できなかったためと考えられる。
【００６１】
これに対し、接合層５の厚みが２０μｍ以上であるＮｏ．１６〜１９は、初期、耐久後共に温度上昇の変化が無く放熱性が安定している。ただ、接合層５の厚みが３００μｍ以上のＮｏ．２０、２１は、接合層５が放熱性を阻害する傾向があり逆に放熱性が低下する。接合層５の厚みとしては、５０〜２００μｍ程度が望ましい。
【００６２】
実施例３
図示しないが、セラミック基板４と金属放熱器６の接合状態すなわち未接合部の割合を変化させ、他は実施例１と同様にして評価用のサンプルを作製した。評価については発熱量が増大した場合の影響をみる為に、セラミックヒータチップ１０の発熱量を１０％増加させ、従来構造であるシリコーン樹脂にて接合を行ったセラミックヒータチップ１０の基準温度に対する温度の増加率を評価した。初期の放熱特性については前述の基準温度以下、また耐久後の放熱特性については初期に対し増加率５％未満を適正値とした。また非接触の放射温度計を用いセラミックヒータチップ全体の温度分布を計測し、局所発熱の有無も同時に評価した。
【００６３】
【表３】

【００６４】
表３に示すように、未接合部の割合が高いＮｏ．２８〜３１は、熱伝導が低くなるため放熱性が低下すると共に未接合部が局所発熱の状態になり、温度が上昇してしまうので好ましくない。これに対し、セラミック基板４と金属放熱器６の接合面における未接合部の割合が１５％以下であるＮｏ．２３〜２７は、良好な放熱性を示した。
【００６５】
実施例４
図示しないが、実施例４では接合層５に用いるＩｎ−Ｐｂ合金ろう材中のＩｎ比率を変更し、その他は実施例１と同一の構成のサンプルを作製し放熱性を評価した。なお、セラミックヒーターチップ１０の発熱量については１０％増加した状態にて放熱性を評価し、さらに耐久後の接合層５をクロスセクションして断面を観察し、クラックの発生の有無を調べた。
【００６６】
【表４】

【００６７】
表４に示すようにＩｎの比率が１５体積％以下にしたＮｏ．３２〜３４は、初期および耐久後の放熱特性は従来品であるシリコ−ン樹脂のタイプに比べ向上が見られる。しかしながら接合層５の断面を観察すると、接合層にクラックが発生していた。これは合金中に占めるＩｎの比率が少ないため接合層５として用いたろう材が硬くなり、熱サイクルをかけた際にセラミック基板４と金属放熱器６の熱膨張差による応力を緩和しきれず、接合層５にクラックが発生したものと推定する。このため、合金中に占めるＩｎの割合は少なくとも１５体積％以上にする必要がある。なお、接合層５にＩｎもしくはＩｎ系の合金を用いる場合は、Ｉｎ自体の融点が低いのでＩｎの比率は２０％〜５０％程度とすることが望ましい。
【００６８】
実施例５
図示しないが、実施例５では接合層５に用いるろう材のヤング率を変化させ、その他は実施例１と同一の構成のサンプルを作製し放熱性を評価した。
【００６９】
【表５】

【００７０】
表５に示すように、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いたＮｏ．４１〜５５は、ろう材自体の熱伝導が高いため、全ての組成系において初期及び耐久後共に放熱特性が向上した。しかしながら耐久後の断面の観察を行うと、ろう材のヤング率が７５ＧＰａを越えるＮｏ．４６〜４８、５３〜５５はクラックが発生していることが確認された。これに対しろう材のヤング率が７５ＧＰａ以下であるＮｏ．４１〜４５、４９〜５２は接合層５にクラックは発生せず良好であった。
【００７１】
実施例６
図示しないが、セラミック基板４の厚み、平坦度、表面粗さを変化させ、その他は実施例１と同一の構成のサンプルを作製し、放熱性およびねじ８の締め付け性を評価した。
【００７２】
【表６】

【００７３】
表６に示したように、セラミック基板４の厚みが０．３ｍｍのＮｏ．５６は、締め付け時にセラミック基板４にクラックが発生した。また、セラミック基板４の厚みが４ｍｍのＮｏ．６０は、放熱性が低下するので好ましくない。これに対し、セラミック基板４の厚みを０．５〜３ｍｍにしたＮｏ．５７〜５９は、締め付け性も良好であった。
【００７４】
また、平坦度が０μｍ／ｍｍのＮｏ．６１は、締め付け時の密着性が低下し、放熱性が低下した。また、平坦度が４〜５μｍ／ｍｍのＮｏ．６６、６７は、締め付け時にセラミック基板４にクラックや割れが発生した。これに対し、平坦度が０．５１〜３μｍ／ｍｍであるＮｏ．６２〜６５は、クラックや割れは発生しなかった。
【００７５】
さらに、セラミック基板４の表面粗さＲａを１５、２０μｍとしたＮｏ．６９、７０は、放熱性が低下した。これに対し、表面粗さＲａが１０μｍ以下であるＮｏ．６８、５８は、良好な放熱性を示した。
【００７６】
すなわち、セラミック基板４の厚みについては０．５〜３ｍｍが好ましく、平坦度は０．５〜３μｍ／ｍｍであることが好ましく、また、表面粗さＲａは１０μｍ以下であることが好ましいことが判る。
【００７７】
そして、これらは半導体素子をはんだ実装する場合でも同等の効果が得られることは言うまでもなく、その他、放熱性、伝熱性の必要な場合において幅広く応用可能な接合方法であることは言うまでもない。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、一方の面に金属回路が形成されているセラミック基板の他方の面の一部に、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、厚みが２０μｍ〜３００μｍの接合層を介在させて金属放熱器に接合させたことによって、パワ−モジュ−ルの高出力化による半導体素子の発熱量の増加のために、構成する金属材料の温度が上昇し、セラミック基板と金属材料との熱膨張差による剥離応力が働く場合でも、その応力を吸収し放熱器との密着性を維持することが可能になる。
【００７９】
これにより、セラミック基板上に実装された半導体素子の発熱を効率よく安定的に放熱することができ、半導体素子の信頼性向上に役立つことができる。
【００８０】
また、高出力化や取り付けスペースの制約などから更に大きな発熱を伴う場合においても、セラミック基板の厚み、反り量、表面粗さを制御することにより、高い放熱性能を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を示しており、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】本発明のセラミック基板と金属放熱器の接合構造の他の実施形態を示しており、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図３】本発明のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を示す断面図である。
【図４】本発明のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を評価するための実施形態を示しており、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図５】従来のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を示しており、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図６】従来のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を有するパワ−モジュ−ル用基板の断面図である。
【図７】従来のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を有する半導体回路基板の断面図である。
【図８】従来のセラミック基板と金属放熱器の接合構造を有する半導体回路基板の断面図である。
【符号の説明】
１：半導体素子
２：はんだ層
３：電極
４：セラミック基板
５：接合層
６：金属放熱器
７：組み付け金具
８：ねじ
９：ワッシャ
１０：セラミックヒータ
１１：熱電対
１２：陽極電線
１３：陰極電線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure for mounting various oxide or non-oxide ceramic members and a metal radiator, and particularly includes IGBTs used for inverter control of electric vehicles, hybrid vehicles, trains, elevators, and the like. The present invention relates to a joint structure between a ceramic substrate and a metal radiator that is suitable for mounting electronic components having a large calorific value such as power modules.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a power module substrate of this type, a large metal radiator made of Cu or Al plated with Ni has been used as a Sn-Pb or Ag-Sn solder or silicon grease. There is known a method of laminating and joining a back surface of a ceramic substrate through a thin metal plate using a resin such as silicone oil. However, in the above-mentioned laminated joining method using solder or resin, when the thermal resistance from the ceramic substrate to the metal radiator is large, such as ceramic substrate-metal thin plate-solder or resin-metal radiator, or when resin is used Since the heat conduction of the resin is poor, there is a problem in heat dissipation, and a method of directly joining the ceramic substrate and the metal radiator has been studied.
[0003]
As a method for direct bonding, when alumina and Cu are used as the material of the ceramic substrate 40 and the metal radiator 41 shown in FIG. 7, a load is applied to the ceramic substrate 40 and the metal radiator 41 in an overlapped state. N₂There is a so-called DBC method (Direct Bonding Copper method) in which heating is performed in an atmosphere. Alternatively, there is a so-called active metal method in which a load is applied to a Ag-Cu-Ti brazing foil 45 sandwiched between a ceramic substrate 43 and a metal radiator 44 shown in FIG.
[0004]
However, in the above direct bonding method, since the thermal expansion coefficients of the ceramic substrate 40 and the metal radiator 41 are different, the ceramic substrate 40 is warped or the ceramic substrate 40 is cracked due to a thermal cycle. there were.
[0005]
As another bonding method, a non-conductive resin 22 is interposed between the ceramic substrate 23 and the radiator 21 as described in Japanese Patent Publication No. 06-338577 shown in FIG. There is.
[0006]
This heat dissipation structure will be described with reference to FIG. 5. An electrode 26 made of a metal such as Cu, Al, W or the like is formed on a ceramic substrate 23 made of alumina, aluminum nitride, silicon nitride or the like, and a semiconductor element is formed thereon. 25 is placed. The ceramic substrate 23 is tightly fixed to the metal radiator 21 via an intermediate layer 22 made of resin. The semiconductor element 25 is connected to the circuit conductor 24 by a bonding wire 28. Further, the ceramic substrate 23 is formed with a U-shaped notch 31 that coincides with the alignment protrusion 27 formed on the metal radiator 21, and the metal radiator is aligned by the intermediate layer 22 made of resin. 21 is fixed in close contact. Further, a metal case 29 is attached to the metal radiator 21 so as to cover the ceramic substrate 23, and is fixed by a screw hole 30 provided in the metal radiator 21.
[0007]
Further, there is a method in which a metal thin plate 36 is directly bonded to the ceramic substrate 35 shown in FIG. 6 and a metal radiator 38 is laminated and bonded to the metal thin plate 36 through a plastic porous metal layer 37. In this heat dissipation structure, a circuit board 34 is formed on one surface of a ceramic substrate 35 made of alumina, aluminum nitride, silicon nitride, or the like, and the other surface is bonded directly by a DBC method or by a brazing material 39 containing an active metal. Then, a thin metal plate 36 made of Cu, Al or the like is laminated and bonded. The metal thin plate 36 is provided with a metal radiator 38 made of Cu or Al and having a thermal expansion coefficient different from that of the ceramic substrate 35 through a plastic porous metal layer 37 made of Cu, Al, Ag or the like having a porosity of 20 to 50%. Laminated and bonded. Since the plastic porous metal layer 37 absorbs thermal deformation generated in the ceramic substrate 35 and the metal radiator 38, warpage and cracks generated in the ceramic substrate 35 can be prevented. Further, the pores formed in the plastic porous metal layer 37 are filled with silicone grease, silicone oil, and epoxy resin from the side surface of the metal layer, so that the thermal conductivity is further increased, and the heat radiation characteristics are improved.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional heat dissipation structure has a problem that sufficient cooling performance cannot be obtained and there is a concern about durability and reliability. Therefore, when it is required to flow a large current of 100 A or more and is used in an environment of -40 ° C to 150 ° C, for example, an electric vehicle that has recently attracted attention and developed from the viewpoint of preventing environmental pollution. In power modules for inverters used in automobiles and hybrid cars, there is a demand for small size and high output due to the problem of mounting space, and the amount of heat generated by the chip increases, so the above method cannot secure a mounting space. There were problems such as not being able to obtain sufficient cooling performance or taking out the necessary output, and there was concern about durability and reliability.
[0009]
For example, in the structure of FIG. 5, there is a possibility that the resin material is peeled off due to warpage of the ceramic substrate due to heat generation of the chip, and the heat dissipation is lowered. Further, in the structure of FIG. 6, the thermal resistance between the ceramic substrate 35 and the metal radiator 38 is large, or the metal radiator 38 is bonded to the plastic porous metal layer 37, so that the ratio of unbonded at the bonded portion is high. There was a problem of poor heat dissipation.
[0010]
OBJECT OF THE INVENTION
The present invention has been devised in view of the above disadvantages, and its purpose is to prevent warping and cracking of the ceramic substrate due to heat generation of the chip in the joining structure of the ceramic substrate for the power module having a large calorific value and the radiator, Another object of the present invention is to provide a joining structure of a ceramic substrate for a power module and a metal radiator that can obtain sufficient cooling performance.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, a metal layer is formed by interposing a bonding layer having a thermal conductivity of 10 W / m · K or more and a thickness of 20 μm to 300 μm on a part of the other surface of the ceramic substrate having a metal circuit formed on one surface. Join to a heatsinkAnd,By setting the area ratio of the unjoined portion between the ceramic substrate and the metal radiator to 15% or less, a power module having excellent heat dissipation characteristics is formed.
[0013]
[Action]
In the present invention, a bonding material having a predetermined thermal conductivity and thickness is used for the bonding layer between the ceramic substrate and the metal radiator, so that the heat generation of the chip becomes intense due to the high output of the power module. Even when the temperature of the metal material to be raised rises and the stress that causes the ceramic substrate to warp concavely on the surface that contacts the metal radiator due to the difference in thermal expansion with the ceramic substrate, the stress is absorbed and adhesion to the radiator is improved. It became possible to maintain.
[0014]
Further, according to the bonding structure of the present invention, since a high-strength ceramic substrate can be used, the bonding between the ceramic substrate and the metal radiator can be performed directly via the bonding layer, so that the structure is simpler than the conventional structure. In addition, by using a bonding layer with good heat conduction, it is possible to reduce the thermal resistance from the chip surface to the metal radiator and save space.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0016]
1-3 show an example of an attachment structure of the metal radiator of the present invention and a ceramic substrate.
[0017]
The semiconductor element 1 is bonded to an electrode 3 formed on a ceramic substrate 4 via a solder layer 2, and the ceramic substrate 4 is bonded to a metal radiator 6 via a bonding layer 5. When used in a state where vibration is applied, such as a power module for automobiles, it is desirable to fix at least two places with the mounting bracket 7 and the screw 8.
[0018]
The bonding layer 5 is made of a material having a thermal conductivity of 10 W / m · K or more and has a thickness of 20 μm to 300 μm. This is because when the thermal conductivity of the bonding layer 5 is less than 10 W / m · K, the heat dissipation is low.GoodThis is because heat dissipation cannot be obtained.
[0019]
In addition, when the thickness of the bonding layer 5 is less than 20 μm, it is good in the initial stage, but a temperature rise is observed after the thermal cycle test. This is because the bonding layer 5 is thin, so that the contact state change due to friction during durability is sufficient. It is thought that it was not able to be absorbed. On the other hand, if the thickness of the bonding layer 5 is 20 μm or more, there is no change in temperature after the thermal cycle test and the heat dissipation is stable, but if the thickness of the bonding layer 5 exceeds 300 μm, the bonding layer 5 There is a tendency to inhibit heat dissipation, and conversely, heat dissipation decreases. The thickness of the bonding layer 5 is preferably about 50 to 200 μm.
[0020]
Further, the area ratio of the unjoined portion is set to 15% or less on the joining surface of the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6 by the joining layer 5. When this area ratio exceeds 15%, the heat dissipation of the unjoined part is poor, and the unjoined part generates heat locally, resulting in an increase in temperature. For this reason, the ratio of the unjoined part in the joining surface of the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6 needs to be 15% or less.
[0021]
In order to reduce the ratio of the unbonded portion to 15% or less, it is preferable to form a brazing material used for the bonding layer 5 and plating with good wettability on the bonding surface between the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6. The surface of the metal is easily oxidized, and when an oxide film is formed on the surface, the wetting with the brazing material becomes worse. The formation method and management method of the plating layer are important.
[0022]
The bonding state between the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6 is evaluated by observing a cross section SEM with a cross section or measuring the area ratio of the unbonded portion by an ultrasonic flaw detection method.
[0023]
In addition, when the bonding layer 5 is assumed to be exposed to a cold environment of −40 ° C. to 150 ° C. for a long time depending on the use environment such as a power module for automobiles, if a resin or the like is used for the bonding layer 5, a ceramic during cold heat Due to the stress due to the difference in thermal expansion between the substrate 4 and the radiator 6, the fixed part may be peeled off to change the contact state, thereby reducing the heat dissipation. At the same time, in the bonding layer 5, the heat generation of the semiconductor element 1 becomes intense due to the high output of the power module, the temperature of the electrode 3 rises, and the ceramic substrate 4 becomes the metal radiator 6 due to the thermal expansion difference with the ceramic substrate 4. Even when a stress that warps in the concave direction acts on the surface that contacts the surface, the stress must be absorbed and the adhesiveness with the metal radiator 6 must be maintained. Therefore, the bonding layer 5 has high thermal conductivity, The material must not change contact status.
[0024]
For this reason, the material constituting the bonding layer 5 is a material having a high thermal conductivity and a soft bonding layer, that is, containing 15% by volume or more of In or In, for example, In—Pb, In—Zn, In—Sn, In—. A suitable material is an In alloy such as Au or In—Ag, or an Al—Si brazing material having a Young's modulus of 75 GPa or less.
[0025]
When the ratio of In was less than 15% by volume, it was confirmed that cracks occurred in the bonding layer 5 in cross-sectional observation of the bonding layer 5 during long-term use. This is because the proportion of In in the alloy is small, and the bonding layer 5 (the brazing material) is hard, and when subjected to a thermal cycle, the stress due to the difference in thermal expansion between the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6 cannot be alleviated. Cracks occur. Therefore, when In or an In alloy is used in the bonding layer 5, the In ratio needs to be 15% by volume or more. Further, preferably, the In ratio is about 20% to 50% because the melting point of In itself is low.
[0026]
The heat dissipation of the ceramic substrate 4 was evaluated based on the rate of increase / decrease in the temperature of the semiconductor element 1 based on the heat dissipation of a power module without the conventional bonding layer 5. The durability was evaluated by subjecting the sample to 1000 cycles of heat treatment at −40 ° C./30 minutes to 150 ° C./30 minutes, and the heat dissipation was similarly evaluated by the rate of increase / decrease in the temperature of the semiconductor element 1. When investigating the influence of the semiconductor element 1 on the amount of heat generated, the ceramic heater chip 10 is installed in place of the semiconductor element 1 and the voltage applied to the ceramic heater chip 10 is increased to increase the amount of heat generated. evaluated.
[0027]
In addition, when an Al—Si brazing material is used, the heat conduction of the brazing material itself is high, and therefore good heat dissipation characteristics are exhibited both in the initial stage and after the endurance. However, when the cross section after durability is observed, cracks occur when the Young's modulus of the bonding layer (brazing material) is 75 GPa or more. For this reason, the Young's modulus of the brazing material itself needs to be 75 GPa or less.
[0028]
The bonding layer 5 can be bonded by placing a brazing sheet made of the material of the bonding layer 5 between the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6 and performing heat treatment, or mixing the powder of the material of the bonding layer 5 with a solvent. There is a method of forming the bonding layer 5 on the back surface of the ceramic substrate 4 or the contact surface of the metal radiator 6 by printing or spraying, and then performing heat treatment. The bonding surface between the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6 needs to be surface-treated as necessary due to the wettability of the material used for bonding.
[0029]
When used in a state where vibration is applied, it is desirable to fix at least two places with the mounting bracket 7 and the screw 8. In this case, the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6 are press-fitted and fixed by screwing them through a washer 9 so that two or more opposite sides of the ceramic substrate 4 as shown in FIG. 2 is fastened and fixed, or a hole is drilled in the ceramic substrate 4 as shown in FIG. 2 and fixed directly by screws, or a pressure material is fixed with a spring material instead of the screw 8. You may do it.
[0030]
When the thickness of the ceramic substrate 4 is 0.5 mm or less, cracks or cracks occur during assembly, and when it is 3.0 mm or more, heat dissipation is hindered. For this reason, the thickness of the ceramic substrate 4 is desirably 0.5 to 3.0 mm.
[0031]
Further, the surface roughness (Ra) of the back surface of the ceramic substrate 4 is preferably 10 μm or less so as not to hinder the bonding state of the bonding layer 5.
[0032]
Furthermore, when the mounted semiconductor element 1 generates a large amount of heat, the metal heat sink 6 may be warped so as to be concave due to the difference in thermal expansion between the electrode member 3 and the ceramic substrate 4 due to the heat. As shown in FIG. 3, it is preferable to adjust the flatness of the ceramic substrate 4 in advance so that the metal radiator 6 side is convex.
[0033]
As a method for adjusting the flatness, a method of polishing the back surface of the substrate 4 after the formation of the electrode 3, a method of polishing the back surface of the substrate 4 flatly before forming the electrode 3, and the thickness, width, length, etc. of the electrode 3. There is a method of adjusting the dimensions and warping with the stress at the time of bonding to the substrate 4.
[0034]
The flatness is preferably adjusted to 0.1 to 3 [mu] m / mm with respect to the ceramic substrate 4, and if it is less than 0.1 [mu] m / mm, the warp during heat generation cannot be absorbed and the adhesion is impaired and the heat dissipation is reduced. If the thickness is 3 μm / mm or more, cracks or cracks may occur in the ceramic substrate 4 during assembly.
[0035]
As the ceramic substrate 4 used in the present invention, one having a thermal conductivity of 60 W / m · K or more is suitable in order to exhibit good heat dissipation. When the thermal conductivity is less than 60 W / m · K, the thermal conductivity of the ceramic substrate 4 is poor and the heat dissipation is remarkably inferior, so that the temperature of the semiconductor element 1 on the ceramic substrate 4 rises and the ceramic substrate 4 is warped. To do.
[0036]
Further, the bending strength of the ceramic substrate 4 is suitably 400 MPa or more because it affects the press-fit assembly. In the case of less than 400 MPa, when the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6 are joined with the joining layer 5 and then fixed with the mounting bracket 7 and the screw 8, the strength of the ceramic substrate 4 is low. Cracks occur.
[0037]
Further, since it is necessary to correct the deflection moderately at the time of pressure welding, a Young's modulus of 400 GPa or less is appropriate. In the case of exceeding 400 GPa, when the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6 are joined with the joining layer 5 and then fixed with the mounting bracket 7 and the screw 8, cracks are generated because the ceramic substrate 4 has little deflection. As ceramics exhibiting such characteristics, there are aluminum nitride ceramics and silicon nitride ceramics that use at least one of group 3a element oxides of the periodic table as a main sintering aid.
[0038]
The material of the electrode 3 formed on the surface of the ceramic substrate 4 is preferably a material based on a relatively soft metal with low resistance, high thermal conductivity, such as copper or aluminum. As a method for bonding to the ceramic substrate 4, a method in which these plates are directly bonded to the ceramic substrate 4 by an active metal method, or a method in which those powders are mixed with an appropriate binder to prepare a paste, After forming on the ceramic substrate 4 with a dispenser, a thick film of copper, aluminum, etc. is further formed on the surface of the nickel metallized tungsten metallize previously sintered integrally with the ceramic substrate 4, and the inert, reduced Alternatively, there is a method of bonding by baking in a vacuum atmosphere. If necessary, the electrode 3 is subjected to a surface treatment such as nickel plating or gold plating.
[0039]
In addition, the semiconductor element 1 is mounted on the electrode 3 through the solder 2 and joined to the electrode 3. The ceramic substrate 4 and the metal radiator 6 are assembled by interposing a high thermal conductivity material as the bonding layer 5 because it is necessary to ensure good and stable heat dissipation.
[0040]
FIG. 3 is a view showing another embodiment of the joint structure of the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6 according to the present invention. The difference from the sample shown in FIGS. 1 and 2 is that a warp is formed in advance on the ceramic substrate 4 so that the joint surface side with the metal radiator 6 is convex. Thus, the center portion of the ceramic substrate 4 is effectively in close contact with the metal radiator 6 when tightening with the screws 8.
[0041]
【Example】
Hereinafter, a structure for evaluating the ceramic substrate of the present invention will be described with reference to FIG.
[0042]
On one surface of the ceramic substrate 4, an electrode 3 is formed and a ceramic heater chip 10 is formed via a solder layer 2. An anode electric wire 12 and a cathode electric wire 13 are joined to the ceramic heater chip 10, and the amount of heat generated is adjusted by supplying electric power therefrom. A thermocouple 11 is installed on the ceramic heater chip 10 to evaluate the heat dissipation characteristics.
[0043]
In addition, a metal radiator 6 is in close contact with the other surface of the ceramic substrate 4 through a bonding layer 5 with a tightening force by a screw 8. A washer 9 is inserted between the screw 8 and the ceramic substrate 4 to prevent the screw 8 from coming into contact with each other.
[0044]
Hereinafter, in the examples, evaluation was made using the power module having the structure shown in FIG.
[0045]
Example 1
Aluminum nitride as the main component, erbium oxide as the main sintering aid, titanium nitride powder as additive, adjusted to a slurry by adding an appropriate organic binder, and formed into a sheet by the doctor blade method Were laminated to the required thickness, passed through a degreasing process, and fired in the range of 1700 to 1850 ° C. for 1 hour or longer to obtain a sintered body. Thereafter, the sintered body was polished to adjust the amount of warpage to obtain a ceramic substrate 4.
[0046]
For electrode 3, a Cu powder having a particle size of 1 to 50 μm is mixed and added to an appropriate binder to adjust it into a granule shape. Then, an electrode pattern is formed by a pressing method, followed by a degreasing step and firing at 600 to 1000 ° C. A sintered body of the electrode 3 was obtained.
[0047]
The ceramic substrate 4 and the electrode 3 are joined by printing a brazing material (Ag—Cu) containing active metal (Ti) on the ceramic substrate 4, placing the electrode 3 on the brazing material, and then 780 in a vacuum furnace. Baking was carried out for 5 minutes or more in a range of ˜850 ° C., and bonding was performed.
[0048]
Using the ceramic substrate 4 produced by the method described above, a ceramic heater chip 10 that easily adjusts the calorific value instead of the semiconductor element 1 was mounted on the electrode 3 of the ceramic substrate 4 with solder and evaluated. A thermocouple 11 is installed on the surface of the ceramic heater chip 10, and a surface temperature is measured while applying a predetermined voltage to the ceramic heater chip 10, and compared with the conventional condition without the bonding layer 5, The heat dissipation was evaluated by the rate of change in temperature.
[0049]
When an Al-Si brazing material is used for bonding the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6, the brazing sheet-shaped brazing material is attached to the ceramic substrate 4 and the metal radiator before mounting the ceramic heater chip 10. 6 and baked in a vacuum furnace at 580 to 620 ° C. to join them. When bonding using In or an In-based alloy, in a vacuum furnace using a brazing sheet in the same manner as an Al-Si brazing material after mounting the ceramic heater chip 10 due to the characteristics of In (low melting point). Heat treatment was performed at 200 to 300 ° C. to perform bonding.
[0050]
Moreover, the heat dissipation was evaluated again after the sample was subjected to heat treatment at −40 ° C./30 minutes to 150 ° C./30 minutes for 1000 cycles. Moreover, the effect when the calorific value increased by increasing the voltage applied to the ceramic heater chip 10 was evaluated by the same method.
[0051]
Evaluation was made as a conventional product with a bonding layer 5 of 20 μm thick silicone resin, a ceramic substrate 4 of 1.5 mm thick, thermal conductivity = 100 W / m · K, flatness = 0 μm / mm, Ra = 5 μm. The metal radiator 6 is made of aluminum having a thickness of 20 mm, and each evaluation is expressed as an increase rate with respect to the reference temperature with reference to the temperature of the ceramic heater chip 10. As for the later heat dissipation characteristics, an increase rate of less than 5% with respect to the initial value was set as an appropriate value. The bonding state of the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6 was measured by observing the cross section SEM with a cloth or measuring the area% of the unbonded portion by ultrasonic flaw detection.
[0052]
Table 1 shows the evaluation results regarding the heat conduction of the bonding layer 5.
[0053]
[Table 1]

[0054]
As shown in Table 1, no. No. 1 had a temperature increase of 5% even at the initial stage, and a temperature increase of 14% was observed after durability. The initial temperature rise is due to the fact that uniform contact is not obtained and heat dissipation is hindered. Further, the temperature rises after the endurance because the contact state is changed due to the friction caused by the difference in thermal expansion between the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6 in a cold environment, and the heat dissipation is reduced.
[0055]
In the case where the bonding layer 5 is present, No. using a silicone resin having a conventional structure is used. In No. 2, it was good in the initial stage, but a 5% temperature increase was observed after the endurance. This is because the Si component of the silicone resin partially changes to SiC during the temperature cycle, scratching the surface of the radiator and changing the contact state, and the contact state changes due to the stress due to the difference in thermal expansion between the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6. This is because the heat dissipation is reduced.
[0056]
Further, the thermal conductivity of the bonding layer 5 is 10 W / m · K or less. Nos. 3 to 5 are not preferable because the initial heat dissipation is equivalent to that of a silicone resin, and a temperature increase of 2 to 5% is observed after durability. On the other hand, No. with thermal conductivity of 10 W / m · K or more. In 6 to 12, the initial heat dissipation is improved by 3% or more.
[0057]
Example 2
Although not shown in the figure, the bonding layer 5 was made of pure In and bonded so as to have a thickness of 5 to 400 μm. An evaluation sample was prepared in the same manner as in Example 1 except for the material and thickness of the bonding layer.
[0058]
Table 2 shows the evaluation results regarding the thickness of the bonding layer 5.
[0059]
[Table 2]

[0060]
As shown in Table 2, the bonding layer 5 has a thickness of 20 μm or less. Nos. 14 and 15 have good initial heat dissipation, but a temperature increase is observed after the endurance. This is presumably because the change in the contact state due to friction during durability could not be sufficiently absorbed because the bonding layer 5 was thin.
[0061]
On the other hand, the thickness of the bonding layer 5 is 20 μm or more. Nos. 16 to 19 have no change in temperature rise at the initial stage and after endurance, and the heat dissipation is stable. However, the thickness of the bonding layer 5 is 300 μm or more. 20 and 21 have the tendency for the joining layer 5 to inhibit heat dissipation, and heat dissipation falls conversely. The thickness of the bonding layer 5 is preferably about 50 to 200 μm.
[0062]
Example 3
Although not shown in the drawing, a sample for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that the bonding state of the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6, that is, the ratio of the unbonded portion was changed. Regarding the evaluation, in order to see the effect when the heat generation amount increases, the heat generation amount of the ceramic heater chip 10 is increased by 10%, and the temperature relative to the reference temperature of the ceramic heater chip 10 bonded with the silicone resin having the conventional structure. The rate of increase was evaluated. The initial heat dissipation characteristics were below the above-mentioned reference temperature, and the heat dissipation characteristics after endurance were set to an appropriate value with an increase rate of less than 5% with respect to the initial values. In addition, the temperature distribution of the entire ceramic heater chip was measured using a non-contact radiation thermometer, and the presence or absence of local heat generation was simultaneously evaluated.
[0063]
[Table 3]

[0064]
As shown in Table 3, no. Nos. 28 to 31 are not preferable because the heat conduction is lowered, the heat dissipation is lowered, the unjoined part is in a state of local heat generation, and the temperature rises. On the other hand, the ratio of the unjoined part in the joint surface of the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6 is 15% or less. 23-27 showed favorable heat dissipation.
[0065]
Example 4
Although not shown in the drawings, in Example 4, the In ratio in the In—Pb alloy brazing material used for the bonding layer 5 was changed, and other samples having the same configuration as in Example 1 were prepared and the heat dissipation was evaluated. In addition, about the calorific value of the ceramic heater chip | tip 10, the heat dissipation was evaluated in the state which increased 10%, Furthermore, the joining layer 5 after durability was cross-sectioned, the cross section was observed, and the presence or absence of the generation | occurrence | production of a crack was investigated.
[0066]
[Table 4]

[0067]
As shown in Table 4, No. in which the In ratio was 15 vol% or less. In Nos. 32 to 34, the heat dissipation characteristics after the initial stage and after the durability are improved as compared with the conventional silicone resin type. However, when the cross section of the bonding layer 5 was observed, cracks were generated in the bonding layer. This is because the brazing material used as the bonding layer 5 is hard because the proportion of In in the alloy is small, and the stress due to the difference in thermal expansion between the ceramic substrate 4 and the metal radiator 6 cannot be alleviated when subjected to a thermal cycle. It is presumed that the layer 5 has cracked. For this reason, the proportion of In in the alloy needs to be at least 15% by volume or more. When In or an In alloy is used for the bonding layer 5, the melting point of In itself is low, so that the In ratio is desirably about 20% to 50%.
[0068]
Example 5
Although not shown, in Example 5, the Young's modulus of the brazing material used for the bonding layer 5 was changed, and other samples having the same configuration as in Example 1 were prepared to evaluate heat dissipation.
[0069]
[Table 5]

[0070]
As shown in Table 5, No. 1 using an Al—Si based brazing material. In Nos. 41 to 55, since the heat conduction of the brazing filler metal itself was high, the heat radiation characteristics were improved both in the initial stage and after the endurance in all the composition systems. However, when the cross section after durability was observed, the Young's modulus of the brazing material exceeded No. 75 GPa. It was confirmed that cracks occurred in 46-48 and 53-55. On the other hand, No. whose brazing material has a Young's modulus of 75 GPa or less. Nos. 41 to 45 and 49 to 52 were good because no crack was generated in the bonding layer 5.
[0071]
Example 6
Although not shown, samples having the same configuration as in Example 1 were prepared by changing the thickness, flatness, and surface roughness of the ceramic substrate 4, and the heat dissipation and the tightening property of the screws 8 were evaluated.
[0072]
[Table 6]

[0073]
As shown in Table 6, the thickness of the ceramic substrate 4 was 0.3 mm. No. 56 was cracked in the ceramic substrate 4 during tightening. The ceramic substrate 4 has a thickness of 4 mm. No. 60 is not preferable because the heat dissipation performance is lowered. In contrast, No. 1 in which the thickness of the ceramic substrate 4 is 0.5 to 3 mm. 57-59 also had good fastening properties.
[0074]
In addition, No. having a flatness of 0 μm / mm. In 61, the adhesion at the time of tightening was lowered, and the heat dissipation was lowered. In addition, No. having a flatness of 4 to 5 μm / mm. In Nos. 66 and 67, cracks and cracks occurred in the ceramic substrate 4 during fastening. On the other hand, No. having a flatness of 0.51 to 3 μm / mm. In 62 to 65, no cracks or cracks occurred.
[0075]
Furthermore, the surface roughness Ra of the ceramic substrate 4 is 15 or 20 μm. In 69 and 70, the heat dissipation performance decreased. On the other hand, the surface roughness Ra is 10 μm or less. 68 and 58 showed favorable heat dissipation.
[0076]
That is, the thickness of the ceramic substrate 4 is preferably 0.5 to 3 mm, the flatness is preferably 0.5 to 3 μm / mm, and the surface roughness Ra is preferably 10 μm or less. .
[0077]
And it goes without saying that the same effect can be obtained even when the semiconductor element is solder-mounted, and it is needless to say that these are joining methods that can be widely applied when heat dissipation and heat transfer are necessary.
[0078]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a junction having a thermal conductivity of 10 W / m · K or more and a thickness of 20 μm to 300 μm is formed on a part of the other surface of the ceramic substrate on which the metal circuit is formed on one surface. By joining the layer to the metal heatsink, the temperature of the metal material is increased due to the increase in the amount of heat generated by the semiconductor element due to the higher power module output. Even when a peeling stress due to a difference in thermal expansion from the material works, it is possible to absorb the stress and maintain the adhesion to the radiator.
[0079]
As a result, the heat generated by the semiconductor element mounted on the ceramic substrate can be efficiently and stably dissipated, which can help improve the reliability of the semiconductor element.
[0080]
In addition, even in the case of greater heat generation due to higher output or mounting space restrictions, high heat dissipation performance can be maintained by controlling the thickness, warpage amount, and surface roughness of the ceramic substrate.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show a bonding structure of a ceramic substrate and a metal radiator according to the present invention, wherein FIG. 1A is a cross-sectional view and FIG. 1B is a plan view.
2A and 2B show another embodiment of the bonding structure of the ceramic substrate and the metal radiator of the present invention, wherein FIG. 2A is a sectional view and FIG. 2B is a plan view.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a joint structure between a ceramic substrate and a metal radiator according to the present invention.
4A and 4B show an embodiment for evaluating a joint structure between a ceramic substrate and a metal radiator of the present invention, wherein FIG. 4A is a cross-sectional view and FIG. 4B is a plan view.
FIGS. 5A and 5B show a joining structure of a conventional ceramic substrate and a metal radiator, where FIG. 5A is a cross-sectional view and FIG. 5B is a plan view.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a power module substrate having a conventional ceramic substrate and metal radiator joint structure.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a semiconductor circuit substrate having a conventional ceramic substrate and metal radiator joint structure.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a semiconductor circuit substrate having a conventional ceramic substrate and metal radiator joint structure.
[Explanation of symbols]
1: Semiconductor element
2: Solder layer
3: Electrode
4: Ceramic substrate
5: Bonding layer
6: Metal radiator
7: Mounting bracket
8: Screw
9: Washer
10: Ceramic heater
11: Thermocouple
12: Anode wire
13: Cathode wire

Claims

Bonded to a metal radiator with a bonding layer having a thermal conductivity of 10 W / m · K or more and a thickness of 20 μm to 300 μm on a part of the other surface of the ceramic substrate on which the metal circuit is formed on one surface A ceramic substrate and a metal radiator, wherein an area ratio of unjoined portions on a joining surface is 15% or less, and the joining layer is In or an In-based alloy containing 15% by volume or more of In Bonding structure.

Bonded to a metal radiator with a bonding layer having a thermal conductivity of 10 W / m · K or more and a thickness of 20 μm to 300 μm on a part of the other surface of the ceramic substrate on which the metal circuit is formed on one surface and then, the area ratio of the unbonded portion in the bonding surface Ri der than 15%, the characteristics and to Rousset ceramic substrate the adhesive layer is a brazing material der Rukoto the following Al-Si-based Young's modulus 75GPa Metal heatsink joint structure.

The thickness of the ceramic substrate is 0.5 to 3.0 mm, the flatness of the surface of joining the metal radiator is 0.10~3μm / mm, and the surface roughness (Ra) is 10μm or less The structure for joining a ceramic substrate and a metal radiator according to claim 1 or 2.

The ceramic substrate and metal according to claim 1 or 2, wherein the ceramic substrate is an aluminum nitride or silicon nitride ceramic having a thermal conductivity of 60 W / m · K or more, a strength of 400 MPa or more, and a Young's modulus of 400 GPa or less. A heatsink joint structure.