JP7301732B2 - Ceramic circuit board with screw pad member and semiconductor device using the same - Google Patents
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後述する実施形態は、ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板及びそれを用いた半導体装置に関する。 Embodiments described later relate to a ceramic circuit board with a screw pad member and a semiconductor device using the same.
セラミックス回路基板は、強度、放熱性および絶縁性を有している。国際公開第2017/056360号公報(特許文献1)には、セラミックス基板と銅板を活性金属接合法で接合したセラミックス回路基板が開示されている。特許文献1では、接合層のはみだし部のサイズや銅板の側面形状を制御している。これにより、セラミックス回路基板のTCT(熱サイクル)特性を向上させている。
セラミックス回路基板に半導体素子を実装した半導体装置は、様々な方法で固定されている。その一つとしてねじ止め構造がある。特開2003-197824号公報(特許文献2)には、セラミックス基板にねじ穴を設け、ねじ穴に補強部材を設けている。特許文献2では、ねじ穴に補強部材を設けることにより、ねじ止め時のクラックの発生を抑制している。しかしながら、セラミックス基板にねじ穴を設けること自体がセラミクス基板の強度低下を招くものである。このため、穴開け工程を行わない、ねじ止め構造が求められていた。
特開2005-45105号公報(特許文献3)には、セラミックス回路基板の沿面に圧接用部材を設けた構造が開示されている。特許文献3では、モジュールケース、圧接用部材を介してねじ止めを行っている。
A ceramic circuit board has strength, heat dissipation and insulation. International Publication No. 2017/056360 (Patent Document 1) discloses a ceramic circuit board in which a ceramic substrate and a copper plate are bonded by an active metal bonding method. In
A semiconductor device in which a semiconductor element is mounted on a ceramic circuit board is fixed by various methods. One of them is a screw structure. In Japanese Patent Laying-Open No. 2003-197824 (Patent Document 2), a ceramic substrate is provided with a screw hole, and a reinforcing member is provided in the screw hole. In
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-45105 (Patent Document 3) discloses a structure in which a pressure contact member is provided on the creeping surface of a ceramic circuit board. In
特許文献3ではセラミックス基板にねじ穴を設けない構造となっている。このような構造により、ねじ穴を設けることによるセラミックス基板の強度低下は防ぐことができる。その一方で、ねじ止め構造後の半導体装置のTCT特性が必ずしも十分とは言えなかった。また、特許文献3では、圧接用部材とねじの間にモジュールケースを介してねじ止めしている。モジュールケースのような中間部材を介したねじ止め構造では、位置合わせ工程が煩雑になる。
本発明は、このような問題に対応するためのものであり、ねじ止め構造後の半導体装置のTCTを向上させることができるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板を提供するものである。また、ねじ止め構造の際の位置合わせ工程が簡素化できるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板を提供するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is intended to address such problems, and provides a ceramic circuit board with a screw pad member capable of improving the TCT of a semiconductor device after a screw structure. Another object of the present invention is to provide a ceramic circuit board with a screw-fastening pad member that can simplify the alignment process for the screw-fastening structure.
実施形態にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板は、セラミックス回路基板のセラミックス基板の一方の面の沿面に金属板からなるねじ止めパット部材を有し、ねじ止めパット部材は接合層を介してセラミックス基板に接合されると共に、ねじ止めパット部材の端部から接合層がはみ出た構造を有していることを特徴とするものである。 A ceramic circuit board with a screw pad member according to an embodiment has a screw pad member made of a metal plate on one surface of the ceramic substrate of the ceramic circuit board. It is characterized in that it is bonded to the substrate and has a structure in which the bonding layer protrudes from the end of the screw pad member.
実施形態にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板は、セラミックス回路基板のセラミックス基板の一方の面の沿面に金属板からなるねじ止めパット部材を有し、ねじ止めパット部材は接合層を介してセラミックス基板に接合されると共に、ねじ止めパット部材の端部から接合層がはみ出た構造を有していることを特徴とするものである。
図1に実施形態にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板の一例を示した。図2にねじ止めパット部材の接合層がはみ出た構造の一例を示した。図中、1はねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板、2はセラミックス基板、3は金属回路板、4はねじ止めパット部材、5は接合層、である。また、Lはねじ止めパット部材の接合層はみだし部の長さ、Hはねじ止めパット部材の接合層はみだし部の厚さ、である。
A ceramic circuit board with a screw pad member according to an embodiment has a screw pad member made of a metal plate on one surface of the ceramic substrate of the ceramic circuit board. It is characterized in that it is bonded to the substrate and has a structure in which the bonding layer protrudes from the end of the screw pad member.
FIG. 1 shows an example of a ceramic circuit board with a screw pad member according to the embodiment. FIG. 2 shows an example of a structure in which the bonding layer of the screw pad member protrudes. In the figure, 1 is a ceramic circuit board with a screw pad member, 2 is a ceramic substrate, 3 is a metal circuit board, 4 is a screw pad member, and 5 is a joining layer. L is the length of the joint layer protrusion of the screw pad member, and H is the thickness of the joint layer protrusion of the screw pad member.
ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板1は、セラミックス基板2上に金属回路板3とねじ止めパット部材4を有している。ねじ止めパット部材4はセラミックス基板2の沿面に設けられている。セラミックス基板2の沿面とはセラミックス基板2の端部から5mm以内を示す。そのため、ねじ止めパット部材4は、セラミックス基板2の端部から5mm以内に設けられている。また、ねじ止めパット部材4はセラミックス基板2の端部から0.1~5mmの範囲内に設けられることが好ましい。端部から0.1mm以内だと、後述する接合層はみだし部を設ける場所が小さくなる。また、5mmを超えると金属回路板3を設ける個所が小さくなる。このため、ねじ止めパット部材4はセラミックス基板2の端部から0.1~5mm、さらには0.3~3mmの範囲内に設けることが好ましい。
A
また、ねじ止めパット部材4は接合層5を介してセラミックス基板2に接合されている。ねじ止めパット部材4は金属回路板3と同じ材質であることが好ましい。金属回路板3が銅板であれば、ねじ止めパット部材4も銅板であることが好ましい。同様に、金属回路板3がアルミニウム板であれば、ねじ止めパット部材4もアルミニウム板であることが好ましい。ねじ止めパット部材4は金属回路板3と同じ材質とすることにより、エッチング工程で接合層はみだし部を形成し易くなる。
ねじ止めパット付きセラミックス回路基板1は、ねじ止めパット部材4を接合する接合層5にはみだし部を有している。ねじ止めパット部材4の接合層5のはみだし部の長さLは2μm以上200μm以下が好ましい。また、ねじ止めパット部材4の接合層5のはみだし部の厚さHは5μm以上50μm以下が好ましい。また、はみだし部の長さL/はみだし部の高さHが0.5以上3.0以下の範囲内であることが好ましい。
ねじ止めパット部材4に接合層はみだし部を設けることにより、ねじ止めパット部材4の接合強度を向上させることができる。このため、ねじ止めパット部材4にねじ頭が接するようなねじ止め構造をとることができる。また、接合層はみだし部を設けることにより、ねじ止め後の半導体装置のTCT(熱サイクル)特性を向上させることができる。
Also, the
The
By providing the joint layer protruding portion in the
また、接合層5は、活性金属を含むことが好ましい。活性金属を含む接合層は金属板と強固な接合を形成することができる。なお、活性金属を含む接合層のことを活性金属接合層と呼ぶ。
銅板を接合するための活性金属は、Ti(チタン)、Nb(ニオブ)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)から選ばれる1種または2種以上である。また、活性金属以外の成分としては、Ag(銀)およびCu(銅)が挙げられる。また、In(インジウム)、Sn(錫)、C(炭素)から選ばれる1種または2種以上を添加してもよい。なお、銅板には銅合金板も含まれるものとする。
また、アルミニウム板を接合するための活性金属はSi(珪素)である。また、活性金属以外の成分としては、Al(アルミニウム)が挙げられる。なお、アルミニウム板にはアルミニウム合金板も含まれるものとする。
Also, the
The active metal for joining copper plates is one or more selected from Ti (titanium), Nb (niobium), Zr (zirconium), and Hf (hafnium). Moreover, Ag (silver) and Cu (copper) are mentioned as components other than an active metal. Also, one or more selected from In (indium), Sn (tin), and C (carbon) may be added. In addition, a copper alloy plate shall also be contained in a copper plate.
Also, the active metal for joining the aluminum plates is Si (silicon). Moreover, Al (aluminum) is mentioned as components other than an active metal. In addition, an aluminum alloy plate shall also be contained in an aluminum plate.
接合層は、ビッカース硬さが250以下となることが好ましい。特許文献1に示したように、金属回路板3の厚さが0.6mm以上と厚くなると接合層のビッカース硬さは250以下が好ましい。金属回路板3の厚さが0.6mm以上になったとき、ねじ止めパット部材4の厚さも0.6mm以上であることが好ましい。また、金属回路板3とねじ止めパット部材4は同じ厚さであることが好ましい。金属回路板3とねじ止めパット部材4が同じ材質および同じ厚さであることにより、エッチング工程での製造を行い易くなる。従来、特許文献2のようにエッチング工程で金属回路板とねじ止めパット部材を形成することは行われていたが、ねじ止めパット部材に接合層はみだし部を設けていなかったのである。実施形態にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板は、ねじ止めパット部材に接合層はみだし部を設けることにより、ねじ止めパット部材の接合強度を向上させることができるのである。
The bonding layer preferably has a Vickers hardness of 250 or less. As shown in
また、ねじ止めパット部材4の側面において、ねじ止めパット部材4厚さの1/2の点からセラミックス基板1側のねじ止めパット部材4の端部まで直線を引いたとき、この直線とセラミックス基板1の平面方向とがなす角度θが80°以下であることが好ましい。角度θが80°以下であるということは、ねじ止めパット部材4の側面はセラミックス基板1方向に向かって広がっている傾斜形状となる。ねじ止めパット部材4の側面が傾斜形状を有することにより、TCT特性を向上させることができる。
Further, when a straight line is drawn on the side surface of the
また、ねじ止めパット部材4の長辺の長さは、セラミックス基板2の長辺の長さの1/5以下であることが好ましい。ねじ止めパット部材4はセラミックス基板2の沿面を一周回るように設けてもよい。一方で、沿面すべてにねじ止めパット部材4を設けると、金属回路板3を設けるスペースが小さくなる。ねじ止めパット部材4は接合層はみだし部を設けているため接合強度が向上している。このため、ねじ止めパット部材4は小さくても信頼性を確保できる。
ねじ止めパット部材4の長辺とは、多角形状のときは最も長い辺となる。多角形状には、正方形、長方形、三角形、五角形、六角形、台形などが挙げられる。なお、多角形状のときは、角にR形状が付与されていてもよいものとする。R形状とは、曲率半径を有した形状のことを示す。
また、ねじ止めパット部材4が、L字形状、V字形状などのときは最も長い辺が長辺となる。また、ねじ止めパット部材4が円形形状のときは最も長い対角線を長辺とする。円形形状には、真円、楕円が挙げられる。また、ねじ止めパット部材4が星形形状、S字形状などのときは最も長い対角線を長辺とする。
Moreover, the length of the long side of the
The long side of the
Further, when the
また、ねじ止めパット部材4は、複数個有し、少なくとも一対は対角線上に配置されていることが好ましい。ねじ止めパット部材4は、ねじ止めに使われる。対角線上に配置することにより、ねじ止め時の位置ずれを抑制することができる。対角線上に配置とは、一つのねじ止めパット部材4から対角線を引き、その対角線上に別のねじ止めパット部材4が存在する配置を示すものとする。図1を例にすると、向かって左下のねじ止めパット部材と向かって右上のねじ止めパット部材が対角線上に配置となる。このため、図1は対角線上の配置が二対あることになる。
なお、少なくとも一対が対角線上に配置されていればよく、対角線上に配置されていないねじ止めパット部材4が存在していてもよいものとする。例えば、セラミックス基板2の長辺の真ん中にねじ止めパット部材4を設けることもできる。また、ねじ止めパット部材4の個数は偶数が好ましいが、奇数であってもよい。
また、セラミックス基板2の角部は面取り形状部であってもよい。セラミックス基板2の角部を面取り形状とすることにより、ねじ止めパット部材4と位置合わせを行い易くすることができる。
Moreover, it is preferable that a plurality of screwing
At least one pair should be arranged on the diagonal line, and there may be
Also, the corners of the
また、セラミックス基板2の同じ面にねじ止めパット部材4および金属回路板3を設け、反対側の面には放熱板6が設けられた構造であり、放熱板6の端部から垂直線7を引いたとき、ねじ止めパット部材4に重なる個所があることが好ましい。
図3にセラミックス基板2の裏面に放熱板を設けたねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板の一例を示した。図中、1はねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板、2はセラミックス基板、3は金属回路板、4はねじ止めパット部材、5は接合層、6は放熱板、7は放熱板の端部から垂直に引いた線、である。
放熱板6の端部とは、放熱板6の側面の最外部を示す。つまり、放熱板6の側面の最も沿面に近い箇所となる。放熱板6の端部から垂直線7を引いたとき、ねじ止めパット部材4に重なる個所があることが好ましい。重なる個所があるということは、ねじ止めパット部材4の裏側に放熱板6が存在しているということである。ねじ止めパット部材4は、ねじ止めに使われる。ねじ止めを行うと、セラミックス基板2の沿面に応力がかかる。放熱板6がねじ止めパット部材4の裏側に存在することにより、セラミックス基板2の沿面にかかる応力を緩和する効果が得られる。これにより、ねじ止め時にセラミックス基板2が破損することを抑制することができる。また、ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板1をねじ止めした後の半導体装置10のTCT特性を向上させることができる。
The
FIG. 3 shows an example of a ceramic circuit board with a screw pad member provided with a heat sink on the back surface of the
The end portion of the
また、セラミックス基板2にねじ止め用の穴部が形成されていないことが好ましい。セラミックス基板2にねじ止め用の穴部を設けると、クラックが発生する原因となる恐れがある。また、クラックが存在するとねじ止め応力を負荷したときの破壊の原因となる可能性がある。また、クラックが存在すると、ねじ止めパット部材4の厚さを0.6mm以上としたときにTCT特性を低下させる原因となる。このため、ねじ止め用穴部は存在しないことが好ましい。また、ねじ止め用穴部を設ける工程を行わないことは、製造コスト削減の効果も得られる。
Moreover, it is preferable that the
また、セラミックス基板2は、窒化珪素基板、アルミナ基板、アルジル基板、窒化アルミニウム基板から選ばれる1種が好ましい。
窒化珪素基板は、3点曲げ強度が600MPa以上と高強度である。また、熱伝導率が50W/m・K以上、さらには80W/m・K以上のものが好ましい。
また、アルミナ基板は熱伝導率20~30W/m・K、3点曲げ強度400~500MPa程度であるが安価である。また、アルジル基板は、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムを混合した焼結体からなるものである。アルジル基板は3点曲げ強度が450~550MPa程度と比較的高い。
また、窒化アルミニウム基板は熱伝導率170W/m・K以上と高いが、3点曲げ強度は350~450MPa程度である。
セラミックス基板の中では窒化珪素基板が好ましい。前述のように窒化珪素基板は3点曲げ強度が高い。強度が高いセラミックス基板であればねじ止め時の破損を抑制することができる。このため、セラミックス基板は3点曲げ強度が600MPa以上、さらには700MPa以上であることが好ましい。窒化珪素基板は、3点曲げ強度が600MPa以上、さらには700MPa以上のものが得られるため好ましい。
Moreover, the
The silicon nitride substrate has a high three-point bending strength of 600 MPa or more. In addition, it preferably has a thermal conductivity of 50 W/m·K or more, more preferably 80 W/m·K or more.
The alumina substrate has a thermal conductivity of 20 to 30 W/m·K and a three-point bending strength of about 400 to 500 MPa, but is inexpensive. Also, the Algil substrate is made of a sintered body in which aluminum oxide and zirconium oxide are mixed. The Alsil substrate has a three-point bending strength of about 450 to 550 MPa, which is relatively high.
Also, the aluminum nitride substrate has a high thermal conductivity of 170 W/m·K or more, but its three-point bending strength is about 350 to 450 MPa.
A silicon nitride substrate is preferable among the ceramic substrates. As described above, the silicon nitride substrate has high three-point bending strength. If the ceramic substrate has high strength, breakage during screwing can be suppressed. Therefore, the ceramic substrate preferably has a three-point bending strength of 600 MPa or more, more preferably 700 MPa or more. A silicon nitride substrate is preferable because it has a three-point bending strength of 600 MPa or more, more preferably 700 MPa or more.
また、セラミックス基板の厚さは0.70mm以下、さらには0.40mm以下であることが好ましい。セラミックス回路基板としてはセラミックス基板が薄い方が熱抵抗を下げられる。一方で、セラミックス基板が薄くなるとねじ止め時に破損し易くなる。窒化珪素基板のように強度の高い基板であれば、基板厚さを0.40mm以下と薄くしてもねじ止め時の破損を抑制することができる。さらに窒化珪素基板であれば基板厚さを0.30mm以下にすることもできる。このため、セラミックス基板が3点曲げ強度600MPa以上の窒化珪素基板であることが好ましい。また、窒化珪素基板は3点曲げ強度600MPa以上、熱伝導率50W/m・K以上であることが好ましい。なお、セラミックス基板の厚さは0.10mm以上であることが好ましい。厚さ0.10mm未満ではねじ止め時にセラミックス基板が破損する可能性がある。 Also, the thickness of the ceramic substrate is preferably 0.70 mm or less, more preferably 0.40 mm or less. As for the ceramic circuit board, the thinner the ceramic board, the lower the thermal resistance. On the other hand, when the ceramic substrate becomes thin, it becomes more susceptible to breakage during screwing. If the substrate has a high strength such as a silicon nitride substrate, even if the thickness of the substrate is reduced to 0.40 mm or less, breakage during screwing can be suppressed. Furthermore, if a silicon nitride substrate is used, the thickness of the substrate can be reduced to 0.30 mm or less. Therefore, it is preferable that the ceramic substrate is a silicon nitride substrate having a three-point bending strength of 600 MPa or more. The silicon nitride substrate preferably has a three-point bending strength of 600 MPa or more and a thermal conductivity of 50 W/m·K or more. The thickness of the ceramic substrate is preferably 0.10 mm or more. If the thickness is less than 0.10 mm, the ceramic substrate may be damaged during screwing.
また、ねじ止めパット部材4の面積は、ねじ頭との接触面積が15%以上になる面積を有することが好ましい。前述のように実施形態にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板1は、ねじ止めパット部材4のサイズを小さくすることができる。その一方で、ねじ止めパット部材4が小さすぎるとねじ止め時の応力緩和効果が少なくなる。このため、ねじ止めパット部材4の面積は、ねじ頭との接触面積が15%以上になる面積を有することが好ましい。
ねじ頭との接触面積は、次の方法で求めるものとする。まず、ねじ頭の接触可能な面積を求める。ねじ頭の接触可能な面積は、ねじ頭を上から見たときの面積からねじ溝を設けた部分の面積を除いた面積とする。例えば、上から見たときのねじ頭は直径10mmの円形とする。また、ねじ溝を設けた部分の直径が3mmの円形とする。ねじ頭の接触可能な面積は、5mm×5mm×3.14-1.5mm×1.5mm×3.14=71.435mm2となる。ねじ止め構造をとったとき、ねじ止めパット部材4とねじ頭の接触可能な面積とが接する面積をねじ頭との接触面積とする。
ねじ止めパット部材4とねじ頭との接触面積が小さいと点接触のようになり、ねじ止め個所の応力が大きくなる。ねじ止めパット部材4とねじ頭の接触面積を大きくすることにより面接触のようになる。面接触であるとねじ止め個所の応力を分散させることができる。なお、ねじ止めパット部材4とねじ頭との接触面積が大きすぎると、ねじ止めパット部材4の大型化を招く可能性がある。ねじ止めパット部材4の大型化は、金属回路基板3の配置場所を狭くすることになる。このため、ねじ止めパット部材4とねじ頭の接触面積は15%以上45%以下が好ましい。
In addition, it is preferable that the area of the
The contact area with the screw head shall be obtained by the following method. First, the contactable area of the screw head is obtained. The contactable area of the screw head is the area obtained by subtracting the area of the grooved portion from the area of the screw head when viewed from above. For example, the screw head when viewed from above is circular with a diameter of 10 mm. In addition, the diameter of the portion provided with the screw groove is set to be circular with a diameter of 3 mm. The contactable area of the screw head is 5 mm×5 mm×3.14−1.5 mm×1.5 mm×3.14=71.435
If the contact area between the
また、金属回路板3の接合層5のはみだし部についても、接合層5のはみだし部の長さLは2μm以上200μm以下が好ましい。また、金属回路板3の接合層5のはみだし部の厚さHは5μm以上50μm以下が好ましい。また、はみだし部の長さL/はみだし部の高さHが0.5以上3.0以下の範囲内であることが好ましい。
また、金属回路板3の側面において、金属回路板3厚さの1/2の点からセラミックス基板1側の金属回路板3の端部まで直線を引いたとき、この直線とセラミックス基板1の平面方向とがなす角度θが80°以下であることが好ましい。角度θが80°以下であるということは、金属回路板3の側面はセラミックス基板1方向に向かって広がっている傾斜形状となる。金属回路板3の側面が傾斜形状を有することにより、TCT特性を向上させることができる。
As for the protruding portion of the
Further, when a straight line is drawn on the side surface of the
また、ねじ止めパット部材4と金属回路板3の側面形状が実質的に同じであることが好ましい。側面形状は前述の通り、金属板の厚さ、接合層はみだし部および金属板の傾斜形状である。金属板は、ねじ止めパット部材4と金属回路板3の両方を示すものである。
ねじ止めパット部材4と金属回路板3の側面形状は任意の断面において観察するものとする。断面形状の観察は断面SEM写真を用いて観察するものとする。また、ねじ止めパット部材4に最も近い金属回路板3の断面を観察するものとする。
断面SEM写真において、ねじ止めパット部材4と金属回路板3の厚さの差が0mm以上0.1mm以下のときは実質的に同じと判断する。また、断面SEM写真において、ねじ止めパット部材4と金属回路板3の接合層はみだし部の面積の差が0%以上20%以下であると実質的に同じと判断する。また、断面SEM写真において、ねじ止めパット部材4と金属回路板3の角度θの差が0°以上10°以下であると実質的に同じと判断する。また、
ねじ止めパット部材4と金属回路板3の厚さ、接合層はみだし部の面積の差、角度θの差のいずれもが上記範囲を満たしたとき、ねじ止めパット部材4と金属回路板3の側面形状が実質的に同じとなる。
Moreover, it is preferable that the
The side shapes of the
In the cross-sectional SEM photograph, when the difference in thickness between the
When the thickness of the screwing
以上のようなねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板1は、半導体装置に用いることができる。具体的には、ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板1の金属回路板3に半導体素子11を実装することである。また、半導体素子11以外にも、リードフレームなどの金属端子を実装してもよい。また、ワイヤボンディングを施してもよいものとする。また、半導体素子11は複数個設けてもよいものとする。
また、半導体装置はねじ止め構造をとることが好ましい。図4に実施形態にかかる半導体装置の一例を示した。図中、10は半導体装置、11は半導体素子、12はねじ、13は実装ボード、である。図4は、ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板1に半導体素子11を実装し、ねじ12で実装ボード13にねじ止めした構造を例示したものである。
ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板1は沿面にねじ止めパット部材4が設けられている。このため、セラミックス基板にねじ穴を設けなくてもねじ止め構造がとれている。また、ねじ12のねじ頭をねじ止めパット部材4に直接接する構造を取ることもできる。なお、実装ボード13はねじ止めする場所として使われるものである。ヒートシンクや筐体などであってもよい。また、半導体装置10は、モールド樹脂を設けてもよいものとする。
また、ねじ止めパット部材4の面積は、ねじ頭との接触面積が15%以上になる面積を有することが好ましい。ねじ頭とねじ止めパット部材を面接触とすることにより、ねじ止め応力を緩和することができる。実施形態にかかる半導体装置は、ねじ止め構造後であってもTCT特性を向上させることができる。
また、ねじ止めトルクを0.05N・m以上としたとしても、セラミックス基板の割れを抑制することができる。なお、ねじ止めトルクの上限は特に限定されるものではないが0.50N・m以下が好ましい。
The
Moreover, it is preferable that the semiconductor device has a screw structure. FIG. 4 shows an example of the semiconductor device according to the embodiment. In the figure, 10 is a semiconductor device, 11 is a semiconductor element, 12 is a screw, and 13 is a mounting board. FIG. 4 illustrates a structure in which a semiconductor element 11 is mounted on a
A
In addition, it is preferable that the area of the
Moreover, cracking of the ceramic substrate can be suppressed even if the screwing torque is set to 0.05 N·m or more. Although the upper limit of the screwing torque is not particularly limited, it is preferably 0.50 N·m or less.
次に、実施形態にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板の製造方法について説明する。実施形態にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板は上記構成を有していればその製造方法は特に限定されるものではないが、歩留まり良く得るための方法として次の方法が挙げられる。
まず、セラミックス基板と金属板の接合体を作製する。
セラミックス基板2は、窒化珪素基板、アルミナ基板、アルジル基板、窒化アルミニウム基板から選ばれる1種が好ましい。また、セラミックス基板は、3点曲げ強度が600MPa以上、熱伝導率が50W/m・K以上の窒化珪素基板であることが好ましい。また、窒化珪素基板は厚さ0.40mm以下、さらには0.30mm以下のものであることが好ましい。
また、金属板は、銅板またはアルミニウム板であることが好ましい。特に、金属板は銅板であることが好ましい。銅の熱伝導率は400W/m・K程度であるのに対し、アルミニウムは240W/m・K程度である。銅板の方が熱伝導率が高いため放熱性が高い。また、銅のビッカース硬さは370MPa程度であるのに対し、アルミニウムは170MPa程度である。銅板の方が硬いため、ねじ止めに適している。
セラミックス基板と金属板の接合には活性金属接合法を用いるものとする。活性金属接合法は、活性金属を含む接合ろう材を用いた接合法である。
銅板を接合するための活性金属は、Ti(チタン)、Nb(ニオブ)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)から選ばれる1種または2種以上である。また、活性金属以外の成分としては、Ag(銀)およびCu(銅)が挙げられる。また、In(インジウム)、Sn(錫)、C(炭素)から選ばれる1種または2種以上を添加してもよい。なお、銅板には銅合金板も含まれるものとする。
また、アルミニウム板を接合するための活性金属はSi(珪素)である。また、活性金属以外の成分としては、Al(アルミニウム)が挙げられる。なお、アルミニウム板にはアルミニウム合金板も含まれるものとする。
Next, a method for manufacturing a ceramic circuit board with a screw pad member according to the embodiment will be described. The method of manufacturing the ceramic circuit board with screw pad members according to the embodiment is not particularly limited as long as it has the above structure.
First, a bonded body of a ceramic substrate and a metal plate is produced.
The
Also, the metal plate is preferably a copper plate or an aluminum plate. In particular, the metal plate is preferably a copper plate. The thermal conductivity of copper is approximately 400 W/m·K, while that of aluminum is approximately 240 W/m·K. Since the copper plate has a higher thermal conductivity, the heat dissipation is higher. Also, the Vickers hardness of copper is about 370 MPa, while that of aluminum is about 170 MPa. Since copper plate is harder, it is suitable for screwing.
The active metal bonding method shall be used for bonding the ceramic substrate and the metal plate. The active metal joining method is a joining method using a joining brazing material containing an active metal.
The active metal for joining copper plates is one or more selected from Ti (titanium), Nb (niobium), Zr (zirconium), and Hf (hafnium). Moreover, Ag (silver) and Cu (copper) are mentioned as components other than an active metal. Also, one or more selected from In (indium), Sn (tin), and C (carbon) may be added. In addition, a copper alloy plate shall also be contained in a copper plate.
Also, the active metal for joining the aluminum plates is Si (silicon). Moreover, Al (aluminum) is mentioned as components other than an active metal. In addition, an aluminum alloy plate shall also be contained in an aluminum plate.
活性金属接合法は、活性金属ろう材ペーストをセラミクス基板上に塗布し、金属板を載せる。金属板の厚さは0.6mm以上であることが好ましい。また、ねじ止めパット部材4を設ける面に配置する金属板は、セラミックス基板の縦横サイズが略同じであることが好ましい。略同じとはセラミックス基板の長辺および短辺の長さに対し金属板の長さが±2mmの範囲内であることを示す。セラミックス基板と金属板の縦横サイズを略同じとすることにより、同一のエッチング工程で金属回路板とねじ止めパット部材を形成することができる。金属板の長さが2mmを超えて大きいと、エッチングにより除去する量が増えるのでコストアップの原因となる。また、金属板の長さが2mmを超えて小さいと、セラミックス基板の沿面に同一のエッチング工程でねじ止めパット部材を設けることが困難となる可能性がある。また、セラミックス基板と金属板の縦横サイズを略同じにすることにより、ねじ止めパット部材4と金属回路板3の厚さの差が0mm以上0.1mm以下にすることができる。
また、放熱板6として用いる金属板についてもセラミックス基板2の縦横サイズと略同じであることが好ましい。また、金属回路板になる金属板を表金属板、放熱板になる金属板を裏金属板とする。接合体を作製する際は、表金属板と裏金属板の縦横サイズが略同じであることが好ましい。略同じであるということは表金属板と裏金属板の縦横サイズが±2mmの範囲内であることを示す。ねじ止めパット部材4と金属回路板3を別々に配置して、接合することも可能である。しかしながら、表裏の金属板のサイズに差がありすぎると接合体に反りが生じやすい。反りが生じると、反り直し工程の負荷が増えるので好ましくない。
In the active metal bonding method, an active metal brazing material paste is applied onto a ceramic substrate, and a metal plate is placed thereon. The thickness of the metal plate is preferably 0.6 mm or more. Moreover, it is preferable that the metal plate arranged on the surface on which the screwing
Also, the metal plate used as the
次に、加熱接合工程を行う。加熱温度は例えば700~900℃の範囲である。また、加熱接合工程は、真空中(1×10-3Pa以下)で行うことが好ましい。
次に、エッチング工程を行う。表金属板は、金属回路板3およびねじ止めパット部材4を形成する。また、金属回路板3およびねじ止めパット部材4の接合層はみだし部と側面形状が実質的に同じになるようにすることが好ましい。
断面SEM写真において、ねじ止めパット部材4と金属回路板3の接合層はみだし部の面積の差が0%以上20%以下であると実質的に同じと判断する。また、断面SEM写真において、ねじ止めパット部材4と金属回路板3の角度θの差が0°以上10°以下であると実質的に同じと判断する。
また、放熱板もエッチングして、接合層はみだし部と角度θを金属回路板3と実質的に同じにすることが好ましい。また、必要に応じ、ねじ止めパット部材4表面を化学研磨してもよいものとする。
以上の工程により、ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板を製造することができる。
Next, a heat bonding step is performed. The heating temperature is, for example, in the range of 700-900.degree. Further, the heat bonding step is preferably performed in a vacuum (1×10 −3 Pa or less).
Next, an etching process is performed. The front metal plate forms the
In the cross-sectional SEM photograph, if the difference in the area of the protruding portion of the bonding layer between the
Moreover, it is preferable to etch the heat sink so that the angle .theta. Moreover, the surface of the
Through the steps described above, a ceramic circuit board with a screw pad member can be manufactured.
(実施例)
(実施例1~6、比較例1~3)
窒化珪素基板と銅板により活性金属接合法を用いて接合体を作製した。また、窒化珪素基板と銅板の縦横サイズは略同じに統一した。また、表銅板は金属回路板およびねじ止めパット部材となる銅板である。裏銅板は放熱板となる銅板である。作製した接合体は表1に示す通りである。
(Example)
(Examples 1 to 6, Comparative Examples 1 to 3)
A bonded body was fabricated using an active metal bonding method using a silicon nitride substrate and a copper plate. In addition, the vertical and horizontal sizes of the silicon nitride substrate and the copper plate were made substantially the same. Also, the front copper plate is a copper plate that serves as a metal circuit board and a screw pad member. The back copper plate is a copper plate that serves as a heat sink. The conjugates produced are as shown in Table 1.
次に、各接合体をエッチング処理した。これにより、実施例にかかるねじ止め部材付きセラミックス回路基板を作製した。また、比較例としてねじ止め部材を設けないセラミックス回路基板を用意した。実施例および比較例は表2、表3に示した通りである。 Next, each joined body was etched. Thus, a ceramic circuit board with a screwing member according to the example was produced. Also, as a comparative example, a ceramic circuit board was prepared without a screwing member. Examples and comparative examples are shown in Tables 2 and 3.
実施例にかかるものは、ねじ止めパット部材をセラミックス回路基板の四隅に1個ずつ設けたものである(合計4個配置)。また、実施例にかかるものは、放熱板の端部から垂直線を引いたとき、ねじ止めパット部材に重なる個所がある構造とした。
次に、金属回路板に半導体素子を実装して、半導体装置を作製した。各半導体装置をねじ止め構造を行った。その際に、ねじ頭のサイズを変えてねじ止めパット部材とねじ頭の接触面積を変えた。また、ねじ止めトルクを変えてねじ止め構造を行った。
ねじ止め時のセラミックス基板の破損の有無を測定した。また、ねじ止め後の半導体装置のTCT特性を測定した。
ねじ止め時のセラミックス基板の破損の有無は、ねじ止め工程を20個行った。1つでも破損が生じたものを破損「あり」、1つも破損が生じなかったものを破損「なし」とした。
また、TCT試験は、-40℃×30分→25℃×10分→175℃×30分→25℃×10分を1サイクルとし、1000サイクル後のセラミックス回路基板の破損の有無を調べた。またTCT試験は、ねじ止め工程でセラミックス基板が破損しなかったものを試験対象としたものである。
その結果を表4に示す。
In the embodiment, one screw pad member is provided at each of the four corners of the ceramic circuit board (four in total). Further, in the embodiment, when a vertical line is drawn from the edge of the heat sink, there is a portion overlapping with the screw pad member.
Next, a semiconductor device was manufactured by mounting a semiconductor element on the metal circuit board. Each semiconductor device was screwed. At that time, the contact area between the screw pad member and the screw head was changed by changing the size of the screw head. Moreover, the screwing structure was performed by changing the screwing torque.
The presence or absence of breakage of the ceramic substrate during screwing was measured. Also, the TCT characteristics of the semiconductor device after screwing were measured.
Twenty screwing steps were performed to check for damage to the ceramic substrate during screwing. When even one piece was damaged, it was evaluated as "damaged", and when not even one was damaged, it was evaluated as "not damaged".
In the TCT test, one cycle was −40° C.×30 minutes→25° C.×10 minutes→175° C.×30 minutes→25° C.×10 minutes. In the TCT test, the test objects were those in which the ceramic substrate was not damaged in the screwing process.
Table 4 shows the results.
表から分かる通り、実施例にかかるものは、ねじ止め工程でのセラミックス基板の破損は発生しなかった。また、TCT後のセラミックス回路基板の破損も確認されなかった。
それに対し、比較例はねじ止めパット部材を設けていないことから、破損が発生していた。このため、実施例にかかるねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板は信頼性の高いものであることが分かる。
As can be seen from the table, in the example, the ceramic substrate was not damaged during the screwing process. Moreover, no breakage of the ceramic circuit board after TCT was confirmed.
On the other hand, the comparative example was damaged because it did not have a screw pad member. Therefore, it can be seen that the ceramic circuit boards with screw pad members according to the examples are highly reliable.
以上上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。 Although some embodiments of the present invention have been illustrated above, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, etc. can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof. Moreover, each of the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.
1…ねじ止めパット部材付きセラミックス回路基板
2…セラミックス基板
3…金属回路板
4…ねじ止めパット部材
5…接合層
6…放熱板
7…放熱板の端部から垂直に引いた線
10…半導体装置
11…半導体素子
12…ねじ
13…実装ボート
L…接合層はみだし部の幅
H…接合層はみだし部の厚さ
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