JP4667723B2 - Power module substrate - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、大電圧、大電流を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板に関し、特に、半導体チップから発生する熱を放散させる放熱体を備えたパワーモジュール用基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種のパワーモジュール用基板として、図3に示すように、AlNからなる絶縁基板12の一方の面にAl又はCuからなる回路層13を積層し、この回路層13にはんだを介して半導体チップ15を搭載するとともに、絶縁基板12の他方の面にはんだ又はろう材を介して放熱体16を直接接合したパワーモジュール用基板11が知られている。
【0003】
また、図4に示すように、AlNからなる絶縁基板22の一方の面にAlからなる回路層23を積層し、他方の面にAlからなる金属層24を積層し、回路層23にはんだを介して半導体チップ25を搭載し、金属層24にはんだ又はろう材を介して放熱体26を接合したパワーモジュール用基板21も知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特公平4−12554号公報(第1〜3頁、第1図、第2図)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような構成のパワーモジュール用基板11、21のうち、図3に示すものは、回路層13と放熱体16との間の距離が短いので、放熱性に優れ、半導体チップ15からの熱を効率良く放熱体16側に伝達させて放出させることができるものである。しかし、放熱体16は、例えば3N−Cuの銅(純度が99.9%の銅)から形成されているので、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返すことにより常温で加工硬化が生じてしまい、絶縁基板12と放熱体16との間のはんだ又はろう材にクラックが生じ、絶縁基板12と放熱体16との間に剥離が生じたり、絶縁基板12が損傷を受ける等の問題がある。
【0006】
一方、図4に示すものは、絶縁基板22と放熱体26との間に緩衝材である金属層24が介装されているので、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても、絶縁基板22と放熱体26との熱膨張率の差を吸収でき、両者間に剥離が生じるようなことはなく、絶縁基板22が損傷を受けるようなことはないものである。しかし、回路層23と放熱体26との間の距離が長いので放熱性が悪く、半導体チップ25からの熱を効率良く放熱体26側に伝達させて放出させることができない。
【0007】
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても、加工硬化が生じて絶縁基板と放熱体との間に剥離が生じたり、絶縁基板が損傷を受けたりするようなことがなく、温度サイクルに対する耐久性を著しく高めることができるとともに、放熱性に優れて半導体チップからの熱を効率良く放熱体側に伝達させて放出させることができるパワーモジュール用基板を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記のような課題を解決するために、以下のような手段を採用している。すなわち、請求項1に係る発明は、絶縁基板の少なくとも一方の面に金属層が積層されるとともに、該絶縁基板の他方の面に放熱体が積層されるパワーモジュール用基板において、前記放熱体及び前記金属層を、純度99.9999%以上の銅で構成したことを特徴とする。
この発明によるパワーモジュール用基板によれば、放熱体及び金属層は、6N−Cu以上の銅(純度が99.9999%以上の銅)で構成されることになるので、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても、加工硬化が生じるようなことはなく常温で再結晶して内部応力が消滅することになる。従って、内部応力が蓄積することがないので、温度サイクルに対する耐久性を高めることができることになる。また、金属層に搭載される半導体チップと放熱体との間の距離が短いので、放熱性を高めることができ、半導体チップの熱を効率良く放熱体側に伝達させて放出させることができることになる。
【0009】
請求項2に係る発明は、請求項1に記載のパワーモジュール用基板であって、前記絶縁基板の他方の面に前記放熱体がはんだ又はろう材を介して直接接合されていることを特徴とする。
この発明によるパワーモジュール用基板によれば、絶縁基板の一方の面の金属層に搭載される半導体チップの熱は、金属層、絶縁基板、及び絶縁基板の他方の面のはんだ(又はろう材)を介して放熱体に伝達され、放熱体を介して放出されることになる。また、放熱体は、6N−Cu以上の銅(純度が99.9999%以上の銅)で構成されているので、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても加工硬化が生じるようなことはなく、常温で再結晶することにより内部応力が消滅することになる。従って、内部応力が蓄積することがないので、温度サイクルに対する耐久性を高めることができる。
【0010】
請求項3に係る発明は、請求項1に記載のパワーモジュール用基板であって、前記絶縁基板の他方の面には金属層が積層され、該金属層にはんだ又はろう材を介して前記放熱体が接合されていることを特徴とする。
この発明によるパワーモジュール用基板によれば、絶縁基板の一方の面の金属層に搭載される半導体チップの熱は、金属層、絶縁基板、及び絶縁基板の他方の面の金属層、及びはんだ又はろう材を介して放熱体に伝達され、放熱体を介して放出されることになる。また、放熱体は、6N−Cu以上の銅(純度が99.9999%以上の銅)で構成されているので、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても加工硬化が生じるようなことはなく、常温で再結晶することにより内部応力が消滅することになる。従って、内部応力が蓄積することがないので、温度サイクルに対する耐久性を高めることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図1には、本発明によるパワーモジュール用基板の第1の実施の形態が示されていて、このパワーモジュール用基板1は、絶縁基板2と、絶縁基板2の一方の面に積層される金属層である回路層3と、回路層3に搭載される半導体チップ5と、絶縁基板2の他方の面に接合される放熱体6とを備えている。
【0012】
絶縁基板2は、例えばAlN、Al2O3、Si3N4、SiC等により所望の大きさに形成されるものであって、その上面側に回路層3が積層接着され、下面側に放熱体6が接合されるようになっている。
【0013】
回路層3を絶縁基板2に積層接着する方法としては、絶縁基板2と回路層3とを重ねた状態で、これらに荷重0.5〜2kgf/cm2(4.9×104〜19.6×104Pa)を加え、N2雰囲気中で1065℃に加熱するいわゆるDBC法(Direct Bonding Copper法)、絶縁基板3と回路層3との間にAg−Cu−Tiろう材の箔を挟んだ状態で、これらに荷重0.5〜2kgf/cm2(4.9×104〜19.6×104Pa)を加え、真空中で800〜900℃に加熱するいわゆる活性金属法等があり、用途に応じて適宜の方法を選択して使用すれば良い。
【0014】
回路層3は、Al又は6N−Cu以上の銅(純度99.9999%以上のCu)から構成される。6N−Cu以上の銅(純度99.9999%以上のCu)は、再結晶温度がRT(室温)〜100℃の特性を有する。従って、−40〜125℃の温度サイクルで繰り返し使用しても、内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができ、回路層3をAlで構成したものと同様に、3000サイクル以上の温度サイクル寿命が得られる。回路層3には、半導体チップ5を搭載するための回路パターンが形成され、この回路層3の上部にはんだを介して半導体チップ5が搭載されている。
【0015】
絶縁基板2の下面には、はんだ、ろう材等の接合材による接合、拡散接合等によって放熱体6が一体に接合されている。放熱体6は、回路層3と同様に、6N−Cu以上の銅(純度99.9999%以上のCu)から構成される。従って、−40〜125℃の温度サイクルで繰り返し使用しても、内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができ、放熱体6をAlで構成したものと同様に、3000サイクル以上の温度サイクル寿命が得られる。
【0016】
上記のように構成したこの実施の形態によるパワーモジュール用基板1にあっては、放熱体6を6N−Cu以上の銅(純度99.9999%以上のCu)で構成しているので、−40〜125℃の温度サイクルが繰り返し作用する条件下で使用しても、放熱体6に内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができる。従って、放熱体6と絶縁基板2との間の剥離、及び絶縁基板2の損傷を防止できるので、温度サイクルに対する耐久性を著しく高めることができる。
【0017】
また、回路層3を6N−Cu以上の銅(純度99.9999%以上のCu)で構成した場合には、−40〜125℃の温度サイクルが繰り返し作用する条件下で使用しても、回路層3に内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができる。従って、回路層3と絶縁基板2との間の剥離、及び絶縁基板2の損傷を防止できるので、温度サイクルに対する耐久性を著しく高めることができる。
【0018】
さらに、回路層3に搭載される半導体チップ5から放熱体6までの距離を短くすることができるので、放熱性を向上させることができ、半導体チップ5の熱を効率良く放熱体6側に伝達させて放出させることができる。
【0019】
図2には、本発明によるパワーモジュール用基板の第2の実施の形態が示されていて、このパワーモジュール用基板1は、絶縁基板2と、絶縁基板2の一方の面に積層される金属層である回路層3と、回路層3に搭載される半導体チップ5と、絶縁基板2の他方の面に積層される金属層4と、金属層4に接合される放熱体6とを備えている。
【0020】
すなわち、この実施の形態に示すパワーモジュール用基板1は、絶縁基板2の他方の面に金属層4を設け、この金属層4をはんだ、ろう材等の接合材を介して放熱体6に接合したものであって、その他の構成は前記第1の実施の形態に示すものと同様であるので、前記第1の実施の形態に示すものと同様の部分には同一の番号を付してその詳細な説明は省略するものとする。
【0021】
金属層4は、回路層3と同様に、Al又は6N−Cu以上の銅(純度99.9999%以上のCu)から構成される。従って、金属層4を6N−Cu以上の銅(純度が99.9999%以上のCu)で構成した場合には、−40〜125℃の温度サイクルで繰り返し使用しても、内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができ、金属層4をAlで構成したものと同様に、3000サイクル以上の温度サイクル寿命が得られる。
【0022】
そして、この実施の形態に示すパワーモジュール用基板1にあっても、前記第1の実施の形態に示すものと同様に、放熱体6を6N−Cu以上の銅(純度99.9999%以上のCu)で構成しているので、−40〜125℃の温度サイクルが繰り返し作用する条件下で使用しても、内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができる。従って、絶縁基板2と金属層4との間の剥離、金属層4と放熱体6との間の剥離、及び絶縁基板2の損傷を防止できるので、温度サイクルに対する耐久性を著しく高めることができる。
【0023】
また、回路層3及び金属層4を6N−Cu以上の銅(純度99.9999%以上のCu)で構成した場合には、−40〜125℃の温度サイクルが繰り返し作用する条件下で使用しても、回路層3及び金属層4に内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができる。従って、回路層3と絶縁基板4との間の剥離、絶縁基板3と金属層4との間の剥離、金属層4と放熱体6との間に剥離、及び絶縁基板2の損傷を防止できるので、温度サイクルに対する耐久性を著しく高めることができる。
【0024】
表1に、従来のパワーモジュール用基板と本発明のパワーモジュール用基板との試験を比較した結果を示す。ここでの試験は、図1、図2に示す本発明品と従来品との温度サイクル試験を行い、接合部の温度(ジャンクション温度)を測定したものである。この表1から、本発明によるパワーモジュール用基板が従来のパワーモジュール用基板よりも接合部の温度変化が少ない(又は温度変化がない)ことが分かる。
【0025】
【表1】
【0026】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明のパワーモジュール用基板によれば、絶縁基板の少なくとも一方の面に積層される金属層、及び絶縁基板の他方の面に積層される放熱体がそれぞれ6N−Cu以上(純度が99.9999%以上の銅)で構成されることになるので、温度サイクルが繰り返し作用する条件下で使用しても、内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができる。従って、絶縁基板と放熱体との間の剥離、及び絶縁基板の損傷を防止できるので、温度サイクルに対する耐久性を著しく高めることができることになる。また、絶縁基板の一方の面に積層される金属層に搭載される半導体チップから放熱体までの距離を短くすることができるので、放熱性を向上させることができることになり、半導体チップからの熱を効率良く放熱体側に伝達させて放出させることができることになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるパワーモジュール用基板の第1の実施の形態を示した概略断面図である。
【図2】 本発明によるパワーモジュール用基板の第2の実施の形態を示した概略断面図である。
【図3】 従来のパワーモジュール用基板の一例を示した概略断面図である。
【図4】 従来のパワーモジュール用基板の他の例を示した概略断面図である。
【符号の説明】
1 パワーモジュール用基板
2 絶縁基板
3 回路層(金属層)
4 金属層
5 半導体チップ
6 放熱体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large voltage and a large current, and more particularly to a power module substrate including a heat dissipator that dissipates heat generated from a semiconductor chip.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of power module substrate, as shown in FIG. 3, a
[0003]
Further, as shown in FIG. 4, a
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Examined Patent Publication No. 4-12554 (pages 1 to 3, FIGS. 1 and 2)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, among the
[0006]
On the other hand, since the
[0007]
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and even if thermal expansion and contraction are repeated by the action of a temperature cycle, work hardening occurs and peeling occurs between the insulating substrate and the radiator. It does not occur or the insulating substrate is not damaged, and it can remarkably improve the durability against temperature cycle, and it is excellent in heat dissipation and efficiently dissipates heat from the semiconductor chip to the radiator side and releases it. An object of the present invention is to provide a power module substrate that can be provided.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above-described problems. That is, the invention according to claim 1, together with the metal layer is laminated on at least one surface of the insulating substrate, the power module substrate heat radiating body is laminated on the other surface of the insulating substrate, the radiator and The metal layer is made of copper having a purity of 99.9999% or more.
According to the power module substrate of the present invention, the radiator and the metal layer are composed of 6N-Cu or more copper (copper having a purity of 99.9999% or more). Even if the expansion and contraction are repeated, work hardening does not occur and the internal stress disappears by recrystallization at room temperature. Therefore, since internal stress does not accumulate, durability against temperature cycles can be improved. In addition, since the distance between the semiconductor chip mounted on the metal layer and the heat radiating body is short, heat dissipation can be improved, and the heat of the semiconductor chip can be efficiently transmitted to the heat radiating body and released. .
[0009]
The invention according to
According to the power module substrate of the present invention, the heat of the semiconductor chip mounted on the metal layer on one surface of the insulating substrate is caused by the solder (or brazing material) on the metal layer, the insulating substrate, and the other surface of the insulating substrate. Is transmitted to the heat radiating body through the heat sink and released through the heat radiating body. In addition, since the radiator is made of 6N-Cu or higher copper (copper having a purity of 99.9999% or higher), work hardening may occur even if thermal expansion and contraction are repeated by the action of the temperature cycle. However, the internal stress disappears by recrystallization at room temperature. Therefore, since internal stress does not accumulate, durability against a temperature cycle can be enhanced.
[0010]
The invention according to claim 3 is the power module substrate according to claim 1, wherein a metal layer is laminated on the other surface of the insulating substrate, and the heat dissipation is performed on the metal layer via a solder or a brazing material. The body is joined.
According to the power module substrate of the present invention, the heat of the semiconductor chip mounted on the metal layer on one side of the insulating substrate is generated by the metal layer, the insulating substrate, the metal layer on the other side of the insulating substrate, and solder or The heat is transmitted to the heat radiating body through the brazing material and discharged through the heat radiating body. In addition, since the radiator is made of 6N-Cu or higher copper (copper having a purity of 99.9999% or higher), work hardening may occur even if thermal expansion and contraction are repeated by the action of the temperature cycle. However, the internal stress disappears by recrystallization at room temperature. Therefore, since internal stress does not accumulate, durability against a temperature cycle can be enhanced.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a first embodiment of a power module substrate according to the present invention. The power module substrate 1 is composed of an
[0012]
The
[0013]
As a method of laminating and bonding the circuit layer 3 to the
[0014]
The circuit layer 3 is made of Al or copper of 6N-Cu or higher (Cu having a purity of 99.9999% or higher). Copper of 6N-Cu or higher (Cu of purity 99.9999% or higher) has a recrystallization temperature of RT (room temperature) to 100 ° C. Therefore, even if it is repeatedly used at a temperature cycle of −40 to 125 ° C., internal stress does not accumulate, work hardening on the high temperature side of the temperature cycle can be suppressed, and the circuit layer 3 is made of Al. Similar to the construction, a temperature cycle life of 3000 cycles or more is obtained. A circuit pattern for mounting the
[0015]
The heat dissipating body 6 is integrally bonded to the lower surface of the insulating
[0016]
In the power module substrate 1 according to this embodiment configured as described above, the radiator 6 is composed of 6N-Cu or more copper (Cu having a purity of 99.9999% or more). Even when the temperature cycle of ˜125 ° C. is used repeatedly, internal heat does not accumulate in the radiator 6, and work hardening on the high temperature side of the temperature cycle can be suppressed. Therefore, peeling between the radiator 6 and the insulating
[0017]
Further, when the circuit layer 3 is made of copper of 6N-Cu or higher (Cu having a purity of 99.9999% or higher), the circuit layer 3 may be used even under a condition where a temperature cycle of −40 to 125 ° C. repeatedly acts. Internal stress does not accumulate in the layer 3, and work hardening on the high temperature side of the temperature cycle can be suppressed. Therefore, since peeling between the circuit layer 3 and the insulating
[0018]
Furthermore, since the distance from the
[0019]
FIG. 2 shows a second embodiment of a power module substrate according to the present invention. This power module substrate 1 is composed of an insulating
[0020]
That is, in the power module substrate 1 shown in this embodiment, a metal layer 4 is provided on the other surface of the insulating
[0021]
Similarly to the circuit layer 3, the metal layer 4 is made of Al or copper of 6N—Cu or higher (Cu having a purity of 99.9999% or higher). Therefore, when the metal layer 4 is made of copper of 6N-Cu or more (Cu having a purity of 99.9999% or more), internal stress accumulates even if it is repeatedly used at a temperature cycle of -40 to 125 ° C. There is no such thing, work hardening on the high temperature side of the temperature cycle can be suppressed, and a temperature cycle life of 3000 cycles or more can be obtained as in the case where the metal layer 4 is made of Al.
[0022]
And even if it exists in the board | substrate 1 for power modules shown in this embodiment, similarly to what is shown in the said 1st Embodiment, the heat radiator 6 is made of 6N-Cu or more copper (purity of 99.9999% or more). Cu), so even if it is used under conditions where a temperature cycle of −40 to 125 ° C. repeatedly acts, internal stress does not accumulate, and work hardening on the high temperature side of the temperature cycle is possible. Can be suppressed. Accordingly, it is possible to prevent the peeling between the insulating
[0023]
Moreover, when the circuit layer 3 and the metal layer 4 are made of 6N-Cu or more copper (purity 99.9999% or more Cu), the circuit layer 3 and the metal layer 4 are used under the condition that the temperature cycle of -40 to 125 ° C is repeatedly applied. However, internal stress does not accumulate in the circuit layer 3 and the metal layer 4, and work hardening on the high temperature side of the temperature cycle can be suppressed. Therefore, peeling between the circuit layer 3 and the insulating substrate 4, peeling between the insulating substrate 3 and the metal layer 4, peeling between the metal layer 4 and the radiator 6, and damage to the insulating
[0024]
Table 1 shows the result of comparing the tests of the conventional power module substrate and the power module substrate of the present invention. In this test, the temperature cycle test of the product of the present invention and the conventional product shown in FIGS. From Table 1, it can be seen that the power module substrate according to the present invention has less temperature change (or no temperature change) at the joint than the conventional power module substrate.
[0025]
[Table 1]
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the power module substrate of the present invention, the metal layer laminated on at least one surface of the insulating substrate and the heat radiator laminated on the other surface of the insulating substrate are each 6N-Cu. Since it is composed of the above (copper having a purity of 99.9999% or more), internal stress does not accumulate even when used under conditions where the temperature cycle repeatedly acts, and the temperature cycle is high. Work hardening on the side can be suppressed. Accordingly, since peeling between the insulating substrate and the heat radiating body and damage to the insulating substrate can be prevented, durability against temperature cycles can be remarkably enhanced. In addition, since the distance from the semiconductor chip mounted on the metal layer laminated on one surface of the insulating substrate to the radiator can be shortened, the heat dissipation can be improved, and the heat from the semiconductor chip can be improved. Can be efficiently transmitted to the radiator side and released.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of a power module substrate according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view showing a second embodiment of a power module substrate according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional power module substrate.
FIG. 4 is a schematic sectional view showing another example of a conventional power module substrate.
[Explanation of symbols]
1
4
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