JPS6032343A - パワ−半導体モジユ−ル基板 - Google Patents
パワ−半導体モジユ−ル基板Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明はパワー半導体モジュール基板の改良に関する。
近年、パワー半導体素子に対する高密度集積化、ハイブ
リッド化、更には大電流の制御など、種々の要求が高ま
っている。こうした要求を達成しようとすると、半導体
素子より発生する多量の熱が問題となる。このため、発
生する多1寸の熱を放出して半導体素子の温度上昇を防
ぐ必要がある。
リッド化、更には大電流の制御など、種々の要求が高ま
っている。こうした要求を達成しようとすると、半導体
素子より発生する多量の熱が問題となる。このため、発
生する多1寸の熱を放出して半導体素子の温度上昇を防
ぐ必要がある。
このようなことから、従来、放熱基板を用いた第1図に
示すパワー牛導体モジュールが多用されている。即ち、
図中の1はCu等からなるヒートシンクであり、このヒ
ートシンク1上には後記熱拡散板との絶縁を図るための
A7.O,からなる第1絶縁板2□が半田層3を介して
接合されている。この絶縁板21上には熱拡散板4が半
田層3を介して接合されている。また、この熱拡散板4
上には実装すべき半導体素子との絶縁を図るためのAl
2O3からなる第2絶縁板22・・・が半田層3を介し
て接合されている。そして、これら絶縁板22・・・上
には半導体素子5・・・が半田層3・・・を弁して夫々
接合されている。なお、図中の6・・・は第1.第2の
絶縁板2□、22・・・と半田層3の間に形成された接
合層である。
示すパワー牛導体モジュールが多用されている。即ち、
図中の1はCu等からなるヒートシンクであり、このヒ
ートシンク1上には後記熱拡散板との絶縁を図るための
A7.O,からなる第1絶縁板2□が半田層3を介して
接合されている。この絶縁板21上には熱拡散板4が半
田層3を介して接合されている。また、この熱拡散板4
上には実装すべき半導体素子との絶縁を図るためのAl
2O3からなる第2絶縁板22・・・が半田層3を介し
て接合されている。そして、これら絶縁板22・・・上
には半導体素子5・・・が半田層3・・・を弁して夫々
接合されている。なお、図中の6・・・は第1.第2の
絶縁板2□、22・・・と半田層3の間に形成された接
合層である。
しかしながら、従来のパワー半導体モジュールに用いら
れる放熱基板は同第1図に示す如く非常に複雑となる欠
点があった。これは、第1゜第2の絶縁板21+22・
・・を構成するA403は制圧が100罰/信と良好で
あるものの、熱伝導率が20W/nn・℃と低いために
、放熱と絶縁の両機能をCuとA12o3の両材料を用
いて満足させる必要があるからである。
れる放熱基板は同第1図に示す如く非常に複雑となる欠
点があった。これは、第1゜第2の絶縁板21+22・
・・を構成するA403は制圧が100罰/信と良好で
あるものの、熱伝導率が20W/nn・℃と低いために
、放熱と絶縁の両機能をCuとA12o3の両材料を用
いて満足させる必要があるからである。
一方、最近、窒化アルミニウム(hllN)は電気絶縁
性(140〜170 V / cm )と熱伝導性(6
Q w/l:rn・℃)が共に優れていることに着目し
、これをCu部材に接合してモジュール基板を造ること
か試みられている。しかしながら、AlNはろう材に対
する濡れ性が劣るため、銀ろう材等でA 7 N ij
i材とCu部材を接合しようとしても充分な接合強度を
得ることはほとんど困難であった。
性(140〜170 V / cm )と熱伝導性(6
Q w/l:rn・℃)が共に優れていることに着目し
、これをCu部材に接合してモジュール基板を造ること
か試みられている。しかしながら、AlNはろう材に対
する濡れ性が劣るため、銀ろう材等でA 7 N ij
i材とCu部材を接合しようとしても充分な接合強度を
得ることはほとんど困難であった。
本発明は簡素化された構造で、かつ良好な絶縁耐圧を有
することはもとより放熱特性の優れたパワー半導体モジ
ュール基板を提供しようとするものである。
することはもとより放熱特性の優れたパワー半導体モジ
ュール基板を提供しようとするものである。
本発明者らは、電気絶縁性及び熱伝導性が優れているも
のの、ろう材等との濡れ性の悪いAINに対する接合材
について鋭意研究を重ねた結果、TiやZr等の活性金
属がhlNに対して良好な濡れ性を有することを究明し
、該活性金属又は活性金属と銅の合金を用いてAlN部
材とCu部材を接合することによって、接合強度が高く
、既述の如く簡素化さnた構造で放熱特性の優れたパワ
ー半導体モジュール基板を見い出した。
のの、ろう材等との濡れ性の悪いAINに対する接合材
について鋭意研究を重ねた結果、TiやZr等の活性金
属がhlNに対して良好な濡れ性を有することを究明し
、該活性金属又は活性金属と銅の合金を用いてAlN部
材とCu部材を接合することによって、接合強度が高く
、既述の如く簡素化さnた構造で放熱特性の優れたパワ
ー半導体モジュール基板を見い出した。
部ち、本発明のパワー半4体モジュール基板はAAN部
材とCu部材とを活性金属層又は活性金属とCuの合金
属を用いて接合して4Xるものである。
材とCu部材とを活性金属層又は活性金属とCuの合金
属を用いて接合して4Xるものである。
次に、本発明のパワー半ij体モジュール基板の製造方
法を説明する。
法を説明する。
まず、AAN部材とCu部材の接合部にTi、Zr。
Hfなどの活性金属層又は活性金属とCuの合金層を介
在させる。この工程において、活性金属層等を前記接合
部に介在させる手段としては、例えば活性金属箔を用い
て介在させる方法、或いはCu部材に活性金属層をスパ
ッタリング法、LPC法(低圧プラズマコーティング法
)などにより堆積して介在させる方法等を採用し得る。
在させる。この工程において、活性金属層等を前記接合
部に介在させる手段としては、例えば活性金属箔を用い
て介在させる方法、或いはCu部材に活性金属層をスパ
ッタリング法、LPC法(低圧プラズマコーティング法
)などにより堆積して介在させる方法等を採用し得る。
次いで、AAiNAlN部材部材の接合部を真空雰囲気
或いは不活性算囲気中にて加熱する。この工程において
、基本的には圧力を加えなくともよいが、必要に応じて
0.01〜11&/iの低圧を加えて加熱してもよい。
或いは不活性算囲気中にて加熱する。この工程において
、基本的には圧力を加えなくともよいが、必要に応じて
0.01〜11&/iの低圧を加えて加熱してもよい。
加熱温度はCu部材の融点より低いことが必要である。
具体的には872〜1082℃の範凹で加熱すればよい
。
。
こうした熱処理によりAlN部材とCu部材の間にCu
と活性金属の合金融液が生成され、この後冷却すること
によりAAN部材とCu部材とが強固に接合されたパワ
ー半導体モジュール基鈑が造られる。
と活性金属の合金融液が生成され、この後冷却すること
によりAAN部材とCu部材とが強固に接合されたパワ
ー半導体モジュール基鈑が造られる。
なお、上記加熱工程において、更に加熱を続行して合金
融液をCu部材に拡散させてもよい。
融液をCu部材に拡散させてもよい。
このような方法を行なうことによって、熱衝撃によるA
18部材のクラック発生を防止したパワー半導体モジュ
ール基板を得ることができる。即ち、Cu或いは活性金
属のような金属とhllNとは熱膨張係数(Cu ;
17X10””6X℃、 Aj?N: 4X10−6X
℃)が大きく異なるため、接合部の温度が上昇したり、
下降したりすると、その接合部に大きな応力が生じる。
18部材のクラック発生を防止したパワー半導体モジュ
ール基板を得ることができる。即ち、Cu或いは活性金
属のような金属とhllNとは熱膨張係数(Cu ;
17X10””6X℃、 Aj?N: 4X10−6X
℃)が大きく異なるため、接合部の温度が上昇したり、
下降したりすると、その接合部に大きな応力が生じる。
この場合、Cuはその硬度が低く、柔かいため、前記応
力により容易に変形してj、6カを緩和し易い。これに
対し、CuとTi、Zr7’jどの活性金属との合金は
硬く、変形し難いため、接合部にこれら合金層が圧く存
在すると、応力の緩和作月刀)l卦さく、hllN部材
に応力が加わってクラックが%’Eするものと考える。
力により容易に変形してj、6カを緩和し易い。これに
対し、CuとTi、Zr7’jどの活性金属との合金は
硬く、変形し難いため、接合部にこれら合金層が圧く存
在すると、応力の緩和作月刀)l卦さく、hllN部材
に応力が加わってクラックが%’Eするものと考える。
このようなことから、既述の如く接合部の合金をCu部
材に拡散してその合金層の厚さを者しく薄くするか、或
いはほとんど存在しない′JI:態にすることによって
AANO熱衝撃によるクラック発生を防止できる。こう
した合金の拡散を行なう隙は、Cu部材と活性金属の合
金融液を加圧して生成した場合、合金融液が接合部に生
成した時に圧力を解除して合金のCu部材への拡散を行
なうことが望ましい。また、合金の拡散を行なう場合に
は拡散時間を短縮させる観点から活性金属層の厚さを1
00μm以下にすることが望ましい。
材に拡散してその合金層の厚さを者しく薄くするか、或
いはほとんど存在しない′JI:態にすることによって
AANO熱衝撃によるクラック発生を防止できる。こう
した合金の拡散を行なう隙は、Cu部材と活性金属の合
金融液を加圧して生成した場合、合金融液が接合部に生
成した時に圧力を解除して合金のCu部材への拡散を行
なうことが望ましい。また、合金の拡散を行なう場合に
は拡散時間を短縮させる観点から活性金属層の厚さを1
00μm以下にすることが望ましい。
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
実施例1
まず、絶縁板、熱放熱板及びヒートシンクを兼ねたAl
NlN板上1数東OCu板12・・・をトリクレン及び
アセトンで洗浄して脱脂した後、AAN板1板上1u板
12・・・の接合部に厚ざ20μmのTI箔を挿入し、
2 X 10−5torrの真空度に保持したホットプ
レス中にセットした。つづいて、AIN板1板上1数枚
のC+1板12・・・間に上下方向からo11&/−の
圧力を加え、高周波加熱により接合部を930℃に保持
した。加熱後、30分間未満の時間で接合部が溶融した
。この後、アルゴンガス雰囲気中で冷却して第2図(A
)に示す如< him板11にCu根12・・・をCu
とTiを含む合金層13・・・を介して接合した構造の
パワー牛導体モジュール基板しノを得た。
NlN板上1数東OCu板12・・・をトリクレン及び
アセトンで洗浄して脱脂した後、AAN板1板上1u板
12・・・の接合部に厚ざ20μmのTI箔を挿入し、
2 X 10−5torrの真空度に保持したホットプ
レス中にセットした。つづいて、AIN板1板上1数枚
のC+1板12・・・間に上下方向からo11&/−の
圧力を加え、高周波加熱により接合部を930℃に保持
した。加熱後、30分間未満の時間で接合部が溶融した
。この後、アルゴンガス雰囲気中で冷却して第2図(A
)に示す如< him板11にCu根12・・・をCu
とTiを含む合金層13・・・を介して接合した構造の
パワー牛導体モジュール基板しノを得た。
得らnたモジュール基)lB4はAAN板1板上1u板
I2・・・とが合金属13・・・により強固に接合され
たものであった。
I2・・・とが合金属13・・・により強固に接合され
たものであった。
また、前記モジュール基板L」のCu板12・・・に第
2図(B)に示す如く半導体素子15・・・をPd −
8n系半田16・・・を介して実装したところ、半導体
素子15・・・からの多量を熱をCu &12・・・及
びhlN叛11より良好に放出できるパワー半導体モジ
ュールを得ることができた。
2図(B)に示す如く半導体素子15・・・をPd −
8n系半田16・・・を介して実装したところ、半導体
素子15・・・からの多量を熱をCu &12・・・及
びhlN叛11より良好に放出できるパワー半導体モジ
ュールを得ることができた。
実施例2
前記実施例1と同様、AAN板とCu板の接合部を93
0℃に保持し、該接合部を浴融してCuとT1を含む合
金融液を生成した後、圧力を屑除去し、950°Cで9
6時間保持してCuとTiを含む合金をCu板に拡散せ
しめてiN板とcu飯とが接合されたパワー半導体モジ
ュール基板を得た。
0℃に保持し、該接合部を浴融してCuとT1を含む合
金融液を生成した後、圧力を屑除去し、950°Cで9
6時間保持してCuとTiを含む合金をCu板に拡散せ
しめてiN板とcu飯とが接合されたパワー半導体モジ
ュール基板を得た。
得られたモジュール基板の接合部を100倍の元掌顕微
鏡で観察したところ、CuとTIを含む合金層は観察さ
れず、かつAAN板のクラック発生もなく、良好な接合
状態を有することが確認された。また、実施例1と同様
、得られたパワー牛導体モジュール基板のCu板上に半
導体素子をPd Snn系山田介して実装したところ、
半導体素子からの多号の熱を良好に放出できると共に、
A、6N板のクラック発生のない高信頼性のパワー半導
体モジュールを得ることができた。
鏡で観察したところ、CuとTIを含む合金層は観察さ
れず、かつAAN板のクラック発生もなく、良好な接合
状態を有することが確認された。また、実施例1と同様
、得られたパワー牛導体モジュール基板のCu板上に半
導体素子をPd Snn系山田介して実装したところ、
半導体素子からの多号の熱を良好に放出できると共に、
A、6N板のクラック発生のない高信頼性のパワー半導
体モジュールを得ることができた。
実施例3
まず、複数枚のCu板12・・・及びCo製熱拡散板1
7を夫々トリクレン及びアセトンで脱脂した後、これら
Cu板12・・・、熱拡散板17の片面に60torr
、アルゴン≧゛妬技、の条件の’、gV:圧プラズマ溶
射法により厚さ30μmのCu Ti合金層(72重、
叶%Cu−28M量%Ti)を堆積した。つづいて、熱
拡散板17のCu−Ti合金層上に表面がトリクレン及
びアセトンで洗浄されたAIN板1板上1せ、更にAA
N板ll上に複数枚のCu板12・・・を該Cu板12
・・・片面上のCu T1合金層がAlN板111μり
に位置するように載せ、2xlO−5torrの真空度
に保持したポットプレス中にセットした。ひきつづき、
上方のCu板12・・・と下方の熱拡散板17の間に上
1方向から0.111Rnlの圧力を加え、毘周波加熱
によりhllN板1とCU!D、J2・・・、及びhJ
IN板lと熱l散板17の接合部を900℃ζこ保持し
た。加熱後、ihちに各接合部が溶融した。この後、ア
ルコンカス雰囲気中で冷却してklN板11の上面にC
u破12・・・を、AAN板1板上1面に熱拡散板17
を、夫々Cuとコ゛lを含む合金1j者J 3r・・・
を介して接合しブこ。次いで、R1弓広散板〕7の下面
にCu表ヒートシンク18をPct Sn糸半田16を
弁しで接合し第3図(A)に示すパワー牛導体モジュー
ル基版U′を製造した。
7を夫々トリクレン及びアセトンで脱脂した後、これら
Cu板12・・・、熱拡散板17の片面に60torr
、アルゴン≧゛妬技、の条件の’、gV:圧プラズマ溶
射法により厚さ30μmのCu Ti合金層(72重、
叶%Cu−28M量%Ti)を堆積した。つづいて、熱
拡散板17のCu−Ti合金層上に表面がトリクレン及
びアセトンで洗浄されたAIN板1板上1せ、更にAA
N板ll上に複数枚のCu板12・・・を該Cu板12
・・・片面上のCu T1合金層がAlN板111μり
に位置するように載せ、2xlO−5torrの真空度
に保持したポットプレス中にセットした。ひきつづき、
上方のCu板12・・・と下方の熱拡散板17の間に上
1方向から0.111Rnlの圧力を加え、毘周波加熱
によりhllN板1とCU!D、J2・・・、及びhJ
IN板lと熱l散板17の接合部を900℃ζこ保持し
た。加熱後、ihちに各接合部が溶融した。この後、ア
ルコンカス雰囲気中で冷却してklN板11の上面にC
u破12・・・を、AAN板1板上1面に熱拡散板17
を、夫々Cuとコ゛lを含む合金1j者J 3r・・・
を介して接合しブこ。次いで、R1弓広散板〕7の下面
にCu表ヒートシンク18をPct Sn糸半田16を
弁しで接合し第3図(A)に示すパワー牛導体モジュー
ル基版U′を製造した。
・pられたモジュール基板Lゴ′はIN板11とCu坂
12・・・、及びA#J板11と熱拡散板17が夫々合
金層13′・・によりil+10に接合されたものであ
った。
12・・・、及びA#J板11と熱拡散板17が夫々合
金層13′・・によりil+10に接合されたものであ
った。
また、印]記モジュール基4反、す′のCu板12・・
・に第3図(B)に示す即く半導体素子15・・・をP
d −Sn系半田16を介して実装したところ、半導体
素子15・・・からの多量の熱をCu板12・・・、A
AN板11、熱拡散板17及びヒートシンク18より良
好に放出できるパワー牛導体モジュールを得ることがで
きた。
・に第3図(B)に示す即く半導体素子15・・・をP
d −Sn系半田16を介して実装したところ、半導体
素子15・・・からの多量の熱をCu板12・・・、A
AN板11、熱拡散板17及びヒートシンク18より良
好に放出できるパワー牛導体モジュールを得ることがで
きた。
実施例4
前記実施例3と同様、ポットプレス中にてAAN板とC
u板、及びAlN板と熱拡散板の夫々の接合部を900
℃に保持し、各接合部を溶融してCuとTiを含む合金
融液を生成した後、圧力を解除し、更に950℃で96
時間保持して各接合部の合金をCu板、熱拡散板に夫々
拡散せしめて接合した。つづいて、熱拡散板の下面にC
u製ヒートシンクをPd−8n系半田を介して接合しパ
ワー半導体モジュール基板を製造した。
u板、及びAlN板と熱拡散板の夫々の接合部を900
℃に保持し、各接合部を溶融してCuとTiを含む合金
融液を生成した後、圧力を解除し、更に950℃で96
時間保持して各接合部の合金をCu板、熱拡散板に夫々
拡散せしめて接合した。つづいて、熱拡散板の下面にC
u製ヒートシンクをPd−8n系半田を介して接合しパ
ワー半導体モジュール基板を製造した。
得られたモジュール基板におけるAlN板とCu板、及
びAlN板と熱拡散板の各接合部を100倍の光学顕微
鏡で観察したところ、CuとTiを含む合金層は観察さ
れず、かつAlN板のクラック発生もなく、良好な接合
状態を有することがパワー牛導体モジュール基板のCu
板上に半導体素子をPd Sn系半田を介して実装した
ところ、半一導体素子からの多量の熱を良好に放出でき
ると共に、AlN板のクラック発生のない高信頼性のパ
ワー半導体モジュールを得ることができた。
びAlN板と熱拡散板の各接合部を100倍の光学顕微
鏡で観察したところ、CuとTiを含む合金層は観察さ
れず、かつAlN板のクラック発生もなく、良好な接合
状態を有することがパワー牛導体モジュール基板のCu
板上に半導体素子をPd Sn系半田を介して実装した
ところ、半一導体素子からの多量の熱を良好に放出でき
ると共に、AlN板のクラック発生のない高信頼性のパ
ワー半導体モジュールを得ることができた。
以上詳述した如く、本発明によれば簡素化された構造で
、良好な絶縁耐圧を廟することはもとより、放熱特性の
優れたパワー半導体モジュール基板を提供できる。
、良好な絶縁耐圧を廟することはもとより、放熱特性の
優れたパワー半導体モジュール基板を提供できる。
第1図は従来の放熱基板を有するパワー半導体モジュー
ルを示す断面図、第2図(A)は本発明の実施例1にお
けるパワー半導体モジュール基板を示す断面図、同図(
B)は同図(A)のモジュール基板に半導体素子を実装
したパワー半導体モジュールの断面図、第3図(A)は
本発明の実施例3におけるパワー半導体モジュール基板
を示す断面図、同図CB)は同図(A)のモジュール基
板に半導体素子を実装したパワー半導体モジュールの断
面図である。 z J−AlN板、12・・・Cu版、J 3 、 Z
3’−・・合金層、±4 、24’・・・パワー半導
体モジュール基板、15・・・半導体素子、16・・・
半田、17・・・熱拡散板、18・・・ヒートシンク。
ルを示す断面図、第2図(A)は本発明の実施例1にお
けるパワー半導体モジュール基板を示す断面図、同図(
B)は同図(A)のモジュール基板に半導体素子を実装
したパワー半導体モジュールの断面図、第3図(A)は
本発明の実施例3におけるパワー半導体モジュール基板
を示す断面図、同図CB)は同図(A)のモジュール基
板に半導体素子を実装したパワー半導体モジュールの断
面図である。 z J−AlN板、12・・・Cu版、J 3 、 Z
3’−・・合金層、±4 、24’・・・パワー半導
体モジュール基板、15・・・半導体素子、16・・・
半田、17・・・熱拡散板、18・・・ヒートシンク。
Claims (2)
- (1)窒化アルミニウム(A7N )部材と銅(Cu
)部材とを活性金属層又は活性金属と銅の合金層を用い
て接合してなるパワー半導体モジュール基板。 - (2)活性金属がTi又はZrであることを特徴とする
特許請求の範囲第1項記載のパワー半導体モジュール基
板。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14131983A JPS6032343A (ja) | 1983-08-02 | 1983-08-02 | パワ−半導体モジユ−ル基板 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14131983A JPS6032343A (ja) | 1983-08-02 | 1983-08-02 | パワ−半導体モジユ−ル基板 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6300702A Division JP2519402B2 (ja) | 1994-12-05 | 1994-12-05 | パワ―半導体モジュ―ル基板の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6032343A true JPS6032343A (ja) | 1985-02-19 |
JPH0586662B2 JPH0586662B2 (ja) | 1993-12-13 |
Family
ID=15289145
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP14131983A Granted JPS6032343A (ja) | 1983-08-02 | 1983-08-02 | パワ−半導体モジユ−ル基板 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6032343A (ja) |
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-
1983
- 1983-08-02 JP JP14131983A patent/JPS6032343A/ja active Granted
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0586662B2 (ja) | 1993-12-13 |
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