JP2008283210A - Manufacturing method of metal-ceramic circuit board - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、優れた金属セラミックス回路基板及びその製造方法、特に、パワーモジュール等の大電力電子部品の実装に好適な耐ヒートサイクル性に優れた金属セラミックス回路基板及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an excellent metal ceramic circuit board and a manufacturing method thereof, and more particularly to a metal ceramic circuit board excellent in heat cycle resistance suitable for mounting a high power electronic component such as a power module and a manufacturing method thereof.
近年、電気自動車、電車、工作機械などの大電流制御に、パワーモジュールが用いられている。パワーモジュールには主に複数の半導体チップが搭載され、その表面および裏面から大電流を取り出すため、半導体チップを固定する基板には高い電気的絶縁性が求められる。また、大電流を制御するために、実動時の半導体チップは発熱により温度が上昇する。このため、この半導体チップを固定している基材およびその周辺材を含む基板全体には高い放熱性が要求される。 In recent years, power modules have been used for large current control of electric vehicles, trains, machine tools, and the like. Since a plurality of semiconductor chips are mainly mounted on the power module and a large current is taken out from the front and back surfaces thereof, the substrate on which the semiconductor chips are fixed is required to have high electrical insulation. Further, in order to control a large current, the temperature of the semiconductor chip during actual operation rises due to heat generation. For this reason, high heat dissipation is requested | required of the whole board | substrate including the base material which fixed this semiconductor chip, and its peripheral material.
従来のパワーモジュールの断面構造を図5に示す。従来のパワーモジュールでは、半導体チップ1が絶縁性基材としてのセラミックス基板2上の金属層3に半田4で固定され、更にこのセラミックス基板2が他方の金属層5を介して半田6により金属ベース板7に固定される。なお、8は金属層3と5及び金属ベース板7に形成したメッキ層である。また、図5においては、チップ間等の配線の表示は省略している。
A cross-sectional structure of a conventional power module is shown in FIG. In a conventional power module, a semiconductor chip 1 is fixed to a
アルミニウムのセラミックス基板へのろう材接合方法には先行技術として、実開平1−118588号や実開平2−68448号に示されたものがあり、これらは、窒化アルミニウム基板やアルミナ基板にアルミニウムをAl−Si系やAl−Ge系ろう材を用いて接合するものである。これには、さらに先行技術として1976年の米国特許第3994430号のアルミニウム結合助剤としてのシリコン使用がある。 Prior art techniques for joining aluminum to a ceramic substrate include those disclosed in Japanese Utility Model Publication No. 1-1118588 and Japanese Utility Model Application Publication No.2-68448. Bonding is performed using a -Si or Al-Ge brazing material. This further includes the use of silicon as an aluminum bonding aid in 1976 US Pat. No. 3,994,430.
しかし、このような従来のパワーモジュールにあっては、セラミックス基板2が金属層5と半田6を介して金属ベース板7に固定されているために、以下に示す問題点がある。
However, such a conventional power module has the following problems because the
(1)セラミックス基板2と金属ベース板7間が、セラミックス基板2−金属層5、−メッキ層8−半田6−メッキ層8−金属ベース板7のような複雑な構造になっており、チップ1に通電、通電停止を繰り返した場合、各材料は冷熱を繰り返すことになり、このときの各材料の熱膨張収縮の差から各材料の接合面にクラックが生じる等の問題が生じやすい。
(1) The space between the
(2)セラミックス基板2と金属ベース板7間に半田6が存在することにより熱伝導率が下がり、放熱性が低下する。
(2) The presence of the solder 6 between the
(3)近年、電気メーカーが極力、使用を減少させようとしている鉛半田を使用している場合が多い。 (3) In recent years, there are many cases where electric manufacturers use lead solder which is trying to reduce the use as much as possible.
(4)セラミックス基板2と金属ベース板7間を半田6で接着するため、半田濡れ性改善のためのメッキ等の表面処理や半田付け等の行程が多く必要でコスト高である。
(4) Since the
(5)従来用いられている金属ベース板としての銅ベース板はセラミックスに対し熱膨張係数が大きく、冷熱を繰り返したときに銅ベース板との接合面でセラミックスにクラックが生じやすく、信頼性に欠け、銅・モリブデン合金、アルミ・炭化珪素複合材などのベース板は熱伝導率が低く、価格が高いなど問題がある。 (5) The copper base plate used as a metal base plate that has been used in the past has a large coefficient of thermal expansion compared to ceramics, and cracks are likely to occur in the ceramic at the joint surface with the copper base plate when it is repeatedly cooled and heated. Chips, base plates such as copper / molybdenum alloys, aluminum / silicon carbide composite materials have problems such as low thermal conductivity and high price.
従って、本発明の目的は、上述の問題点を解決することにあり、具体的には、本発明は直接アルミニウムあるいはアルミニウム製のベース板をセラミックス基材に接合した形状の優れた特性を有する多種多様な形状のセラミックス−金属複合部材及びこれを低コストで量産する方法を得ることを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems. Specifically, the present invention is a variety of materials having excellent characteristics in which an aluminum or aluminum base plate is directly bonded to a ceramic substrate. The object is to obtain various shapes of ceramic-metal composite members and a method for mass-producing them at low cost.
本発明者等は鋭意研究したところ、ベース板としての材料にアルミニウムあるいはアルミニウム合金を用い、これを鋳型内で溶湯の状態からセラミックスに接触させ冷却することで、その耐力が所定値以下であり、厚さが所定値以上のアルミニウムあるいはアルミニウム合金とセラミックスとを接合すれば、上記の課題を解決出来ることを見いだした。 As a result of diligent research, the present inventors have used aluminum or an aluminum alloy as a material for the base plate, and this is brought into contact with the ceramic from the state of the molten metal in the mold and cooled, so that the proof stress is below a predetermined value, It has been found that the above-mentioned problems can be solved if aluminum or an aluminum alloy having a thickness equal to or greater than a predetermined value is bonded to ceramics.
即ち、ベース板にセラミックスを接合する際に接合温度の低い半田付け法を用いずに、ベース板として硬い金属を用いたり、ベース板とセラミックスの接合にろう付けをおこなうとセラミックスが割れたり、ベース板が大きく反ってしまう不具合が起きる。それに対し、本発明者等が鋭意研究したところ、特に耐力が小さいアルミニウムやアルミニウム合金をろう材を介さないでセラミックスと直接接合することによって、上記不具合を防ぐことができることを見いだした。このメカニズムの詳細は不明であるが、耐力が低いアルミニウムやアルミニウム合金が、セラミックスとの熱膨張係数の差から生じる接合時の残留応力を、自身の塑性変形等により緩和していると本発明者らは推察している。 That is, when ceramics are joined to the base plate, a hard metal is used as the base plate without using a soldering method having a low joining temperature, or when the base plate and the ceramic are joined to each other, brazing of the ceramic may occur. The trouble that a board warps greatly occurs. On the other hand, as a result of intensive studies by the present inventors, it has been found that the above-mentioned problems can be prevented by directly joining aluminum or aluminum alloy having a low yield strength directly to ceramics without using a brazing material. Although the details of this mechanism are unknown, the present inventor believes that aluminum and aluminum alloys with low proof stress relax the residual stress at the time of joining caused by the difference in thermal expansion coefficient with ceramics by their own plastic deformation and the like. Et al.
本発明はかかる知見をもとになされたものである。 The present invention has been made based on such knowledge.
本発明の金属セラミックス回路基板の製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を真空または不活性ガス中で溶解して溶融体を得る工程と、該溶融体を真空または不活性ガス中で鋳型内においてセラミックス基板の一面と直接接触させる工程と、直接接触されたアルミニウムまたはアルミニウム合金とセラミックス基板とを冷却して上記セラミックス基板の上記一面にアルミニウムまたはアルミニウム合金のベース板を直接接合する工程を有することを特徴とする。 The method for producing a metal ceramic circuit board of the present invention comprises a step of melting aluminum or an aluminum alloy in a vacuum or an inert gas to obtain a melt, and a ceramic substrate in a mold in the vacuum or an inert gas. A step of directly contacting one surface of the ceramic substrate, and a step of cooling the directly contacted aluminum or aluminum alloy and the ceramic substrate to directly bond the base plate of the aluminum or aluminum alloy to the one surface of the ceramic substrate. To do.
また、本発明の金属セラミックス回路基板の製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を真空または不活性ガス中で溶解して溶融体を得る工程と、該溶融体を真空または不活性ガス中で鋳型内においてセラミックス基板の一面と直接接触させる工程と、直接接触されたアルミニウムまたはアルミニウム合金とセラミックス基板とを冷却して上記セラミックス基板の上記一面にアルミニウムまたはアルミニウム合金のベース板を直接接合する工程と、電子回路用金属導電体を上記セラミックス基板の他面にろう材を用いて、または用いないで接合する工程を有することを特徴とする。 Further, the method for producing a metal ceramic circuit board of the present invention comprises a step of melting aluminum or an aluminum alloy in a vacuum or an inert gas to obtain a melt, and the melt in a mold in a vacuum or an inert gas. A step of directly contacting one surface of the ceramic substrate, a step of cooling the directly contacted aluminum or aluminum alloy and the ceramic substrate, and directly bonding an aluminum or aluminum alloy base plate to the one surface of the ceramic substrate, and an electronic circuit It has the process of joining the metal conductor for use to the other surface of the ceramic substrate with or without using a brazing material.
また、本発明の金属セラミックス回路基板の製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を真空または不活性ガス中で溶解して溶融体を得る工程と、該溶融体を真空または不活性ガス中で鋳型内において一面に電子回路用金属導電体をろう材を用いて、または用いないで接合したセラミックス基板の他面に直接接触させる工程と、直接接触されたアルミニウムまたはアルミニウム合金とセラミックス基板とを冷却して上記セラミックス基板の上記他面にアルミニウムまたはアルミニウム合金のベース板を直接接合する工程とを有することを特徴とする。 Further, the method for producing a metal ceramic circuit board of the present invention comprises a step of melting aluminum or an aluminum alloy in a vacuum or an inert gas to obtain a melt, and the melt in a mold in a vacuum or an inert gas. Directly contacting the other surface of the ceramic substrate joined with or without the use of a metal conductor for electronic circuits on one surface, and cooling the directly contacted aluminum or aluminum alloy and the ceramic substrate And a step of directly joining an aluminum or aluminum alloy base plate to the other surface of the ceramic substrate.
本発明のパワーモジュールの製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を真空または不活性ガス中で溶解して溶融体を得る工程と、該溶融体を真空または不活性ガス中で鋳型内においてセラミックス基板の一面に直接接触させる工程と、直接接触されたアルミニウムまたはアルミニウム合金とセラミックス基板とを冷却して上記セラミック基板の上記一面にアルミニウムまたはアルミニウム合金のベース板を直接接合する工程と、上記セラミックス基板の他面に所望のパターン形状の金属層を形成し、この金属層上に半導体チップを固定する工程を有することを特徴とする。 The power module manufacturing method of the present invention includes a step of melting aluminum or an aluminum alloy in a vacuum or an inert gas to obtain a melt, and a surface of the ceramic substrate in the mold in the vacuum or an inert gas. Directly contacting the surface of the ceramic substrate, cooling the directly contacted aluminum or aluminum alloy and the ceramic substrate, and directly bonding the aluminum or aluminum alloy base plate to the one surface of the ceramic substrate; and the other surface of the ceramic substrate Forming a metal layer having a desired pattern shape and fixing a semiconductor chip on the metal layer.
上記金属導電体は銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のうち少なくとも一種以上から選ばれることを特徴とする。ベース板としてはアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用することができるが、アルミは熱伝導率が高く、耐ヒートサイクル性も良好であり、さらに融点が低く、製造しやすいため特に優れている。 The metal conductor is selected from at least one of copper, copper alloy, aluminum, and aluminum alloy. Aluminum or an aluminum alloy can be used as the base plate. Aluminum is particularly excellent because it has high thermal conductivity, good heat cycle resistance, a low melting point, and is easy to manufacture.
各金属の選択理由は、特に高い導電性を必要とする、あるいはヒートサイクル耐量が1000回以下で十分な場合には銅および銅合金が適している。 The reason for selecting each metal is that copper and a copper alloy are suitable when high conductivity is required or when the heat cycle resistance is 1000 times or less.
3000回以上のヒートサイクル耐量が必要な場合はアルミニウムおよびアルミニウム合金が適している。 Aluminum and aluminum alloys are suitable when heat cycle resistance of 3000 times or more is required.
また、これらの上に半田濡れ性や耐食性を向上させるためにAuメッキ、Niメッキ等を行うことができる。 In addition, Au plating, Ni plating, or the like can be performed on these to improve solder wettability and corrosion resistance.
上記セラミックス基板は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素から選ばれる一種であることを特徴とする。 The ceramic substrate is a kind selected from alumina, aluminum nitride, and silicon nitride.
セラミックスのなかでも特にアルミナは絶縁性が高く安価であり、銅の回路を直接接合で製作できるなど汎用性が高く、窒化アルミは熱伝導率が高いことで放熱性に優れ、大電流コントロール用のチップを搭載することができ、窒化珪素は強度が高いので耐ヒートサイクル性が高くエンジンルームなどの厳しい環境での対応性に優れている。 Among ceramics, alumina is particularly high in insulation and inexpensive, and is highly versatile, such as being able to manufacture copper circuits by direct bonding. Aluminum nitride has excellent heat dissipation due to its high thermal conductivity, and can be used for large current control. A chip can be mounted, and since silicon nitride has high strength, it has high heat cycle resistance and excellent compatibility in harsh environments such as engine rooms.
なお、上記ベース板はモジュールの機械的強度補強と放熱を目的としたものである。また、直接接合するとはろう材等の接合助剤を介在せしめることなく必要に応じた強度を有した接合状態にすることを意味する。 The base plate is intended to reinforce the mechanical strength of the module and to dissipate heat. Further, the direct bonding means that a bonding state having a strength as required is obtained without interposing a bonding aid such as a brazing material.
本発明によれば、以下のような利点が得られる。 According to the present invention, the following advantages can be obtained.
(1)セラミックス基板とベース板間が、セラミックス−ベース板の単純構造になり、冷熱を繰り返したときの信頼性が飛躍的に向上する。これは特にベース板の素材としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を選択し、さらにこれを直接接合したことで、アルミニウム自身の柔らかさが冷熱時のセラミックスとの熱膨張収縮のイレギュラーをうち消し、接合界面におけるクラックの発生を防止するためである。 (1) The ceramic substrate and the base plate have a simple structure between the ceramic substrate and the base plate, and the reliability when repeated cooling is greatly improved. In particular, aluminum or an aluminum alloy was selected as the base plate material, and this was joined directly, so that the softness of the aluminum itself eliminated the irregularity of thermal expansion and contraction with the ceramics during cold, and at the joining interface. This is to prevent the occurrence of cracks.
(2)セラミックス基板とベース板間が、セラミックス−ベース板の単純構造になり、熱伝導率の低い半田層を無くすことができるので、高い熱伝導率が得られる。 (2) Since the ceramic substrate and the base plate have a simple structure between the ceramic substrate and the base plate, and a solder layer having a low thermal conductivity can be eliminated, a high thermal conductivity can be obtained.
(3)セラミックス基板とベース板間が、セラミックス−ベース板の単純構造になり、半田による接合が必要なくなるため、半田付け性改善のためのメッキ等の表面処理や半田付け等の行程がなくなり、コストが低下する。 (3) Since the ceramic substrate and the base plate have a simple structure between the ceramic substrate and the base plate, it is no longer necessary to join with solder, so there is no need for surface treatment such as plating or soldering to improve solderability, Cost decreases.
(4)ベース板として従来用いられている銅は安価であるがセラミックスに対し熱膨張係数が大きく、冷熱を繰り返したときにセラミックスとの接合面にクラックが生じやすく、信頼性に欠ける。銅・モリブデン合金,アルミ・炭化珪素複合材などは熱伝導率が低く、価格が高い。これらに対し、アルミニウムは安値であり、銅より熱膨張係数が高いが耐力が極めて小さいために冷熱を繰り返してもセラミックスとの界面にクラックが生じにくく、信頼性の高いものを製造できる。 (4) Although copper conventionally used as a base plate is inexpensive, it has a large thermal expansion coefficient with respect to ceramics, and when it is repeatedly cooled, it tends to crack on the joint surface with ceramics and lacks reliability. Copper / molybdenum alloys and aluminum / silicon carbide composite materials have low thermal conductivity and high prices. On the other hand, aluminum is cheaper and has a higher thermal expansion coefficient than copper, but its proof stress is extremely small. Therefore, it is difficult to cause cracks at the interface with ceramics even when it is repeatedly cooled, and a highly reliable product can be produced.
(5)ベース板としてアルミニウムやアルミニウム合金、銅、銅・モリブデン合金、アルミ・炭化珪素複合材等をろう材を用いてセラミックスにろう接する回路基板の製造方法が考えられるが、回路側の金属の厚みに対しベース板の厚みが非常に厚いこと、ろう材により柔軟性の低い接着層がベース板とセラミックスの間に生成してしまうことなどから、接合後の金属およびセラミックスの熱収縮の差異により、基板が大きくそり、セラミックスにクラックが入りやすい。これに対し、本発明のベース板としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を直接接合する方法では、接合部分がアルミニウムで非常に柔軟性が高く、ベース板の耐力が320(MPa)以下であり、かつ厚さが1mm以上としたので従来の欠点を一掃できる。 (5) As a base plate, a method of manufacturing a circuit board in which aluminum, aluminum alloy, copper, copper / molybdenum alloy, aluminum / silicon carbide composite material or the like is brazed to ceramics using a brazing material can be considered. Due to the difference in thermal shrinkage between the metal and ceramic after bonding, the base plate is very thick relative to the thickness, and a low-flexibility adhesive layer is generated between the base plate and ceramic due to the brazing material. The substrate is greatly warped, and cracks are easily generated in the ceramics. In contrast, in the method of directly joining aluminum or an aluminum alloy as the base plate of the present invention, the joining portion is made of aluminum and very flexible, the proof stress of the base plate is 320 (MPa) or less, and the thickness is Since it is 1 mm or more, conventional defects can be eliminated.
(6)従来の基板を用いては得られにくかった信頼性に富み、製造歩留まりが高く、コストメリットも高いから、電気自動車や電車のように大電力パワーモジュール基板として特に好ましい。 (6) It is particularly preferable as a high-power power module substrate such as an electric vehicle or a train because it has high reliability, which is difficult to obtain using a conventional substrate, has a high manufacturing yield, and has high cost merit.
(7)熱処理を真空または不活性ガス中で行なったので材料の酸化が防がれ接合が良好となる。なお、上記炉内温度は550℃〜850℃としても良い。 (7) Since the heat treatment is performed in vacuum or in an inert gas, the material is prevented from being oxidized and the bonding is improved. The furnace temperature may be 550 ° C to 850 ° C.
以下図面を参照して本発明の金属セラミックス基板及びその製造方法の実施例を詳細に説明する。 Embodiments of a metal ceramic substrate and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の金属セラミックス回路基板を製造するための設備の原理図である。本発明においては、純度99.9%のアルミニウムをるつぼ9の上部にセットし、接合する窒化アルミニウムのセラミックス基板2をるつぼ9の下部にセットする。るつぼ9にピストン10で蓋をして、るつぼ9の内部に窒素ガスを充填する。次いで、るつぼ9をヒーター11で750℃に加熱し、アルミニウムを溶化してから、ピストン10によりるつぼ9の中央の細管12を介してアルミニウム溶融体13を押し出し、押し出したアルミニウム溶融体13をセラミックス基板2上に流し込み、所定の高さまで充填し、これを徐冷してアルミニウム溶融体13をセラミックス基板2に接着固化し、アルミニウム製のベース板7の一面に複数の窒化アルミニウムのセラミックス基板2を直接接合したものを得た。ここで、得たアルミニウム製のベース板の厚さは5mm、アルミニウムの耐力は40MPaであった。なお、この耐力はJISのZ2201番で試験片を作成し、JISのZ2241に則って測定したものである。
FIG. 1 is a principle diagram of equipment for manufacturing a metal ceramic circuit board of the present invention. In the present invention, aluminum having a purity of 99.9% is set on the upper part of the
次に、上記窒化アルミニウムのセラミックス基板2上に回路部を形成するため、スクリーン印刷機を用いてAl87.5wt%・Si12.5%の組成のろう材を所望のパターン形状に印刷し、80℃で乾燥後、その上に金属層3として所望のパターン形状のアルミニウム圧延板をのせ、真空炉にて575℃で加熱し、次いで無電解ニッケルメッキを施し、この金属層3上にろう材である半田4を介して半導体チップ1を固定し、図2に示すモジュールを構成せしめた。
Next, in order to form a circuit part on the
このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル4000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。 When the heat cycle resistance of this module was examined, no change was observed at the ceramic-base plate interface even after 4000 heat cycles.
上記アルミニウム製のベース板7の厚さを5mmから1mmに変えた他は実施例1と同様の手段で図2に示す形の金属セラミックス回路基板を有するパワーモジュールを形成した。また、ヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例1同様ヒートサイクル4000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。
A power module having a metal ceramic circuit board having the shape shown in FIG. 2 was formed by the same means as in Example 1 except that the thickness of the
上記アルミニウム製のベース板7の厚みを5mmから10mmに変えた他は実施例1と同様の手段で図2に示す形の金属セラミックス回路基板を有するパワーモジュールを形成した。また、ヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例1同様ヒートサイクル3000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。
A power module having a metal ceramic circuit board having the shape shown in FIG. 2 was formed by the same means as in Example 1 except that the thickness of the
上記アルミニウム製のベース板7の厚みを5mmから30mmに変えた他は実施例1と同様の手段で図2に示す形の金属セラミックス回路基板を有するパワーモジュールを形成した。また、ヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例1同様ヒートサイクル3000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。
A power module having a metal ceramic circuit board having the shape shown in FIG. 2 was formed by the same means as in Example 1 except that the thickness of the
上記ベース板7の材質を純度99.99%のアルミニウムからAl95.5%・Cu4.5%のアルミニウム合金に代えた他は実施例1と同様の手段で図2に示す形の金属セラミックス回路基板を有するパワーモジュールを形成した。ここで、ベース板7の厚さは5mm、耐力は95MPaであった。また、ヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例1同様ヒートサイクル3000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。
The
上記ベース板7の材質を純度99.99%のアルミニウムからAl87.5%・Si12.5%のアルミニウム合金に代えた他は実施例1と同様の手段で図2に示す形の金属セラミックス回路基板を有するパワーモジュールを形成した。ここで、ベース板7の厚さは5mm、耐力は320MPaであった。また、ヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例1同様ヒートサイクル3000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。
The
上記セラミックス基板2として窒化アルミニウムに替えて窒化珪素を用いた他は実施例1と同様の手段で図2に示す形のベース一体型セラミックス基板を有するパワーモジュールを形成した。また、ヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例1同様ヒートサイクル4000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。
A power module having a base-integrated ceramic substrate as shown in FIG. 2 was formed by the same means as in Example 1 except that silicon nitride was used as the
上記ベース板7の形状を厚さ5mmの板状から、この板に加え放熱性向上の目的でフィンを取り付けた他は実施例1と同様の手段で図2に示す形の金属セラミックス回路基板を有するパワーモジュールを形成した。また、ヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例1同様ヒートサイクル4000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。
The shape of the
窒化アルミニウムのセラミックス基板2に回路部を形成するため、スクリーン印刷機を用いてAg90wt%・Ti5%・Cu5%の組成の活性金属ろう材を印刷し、80℃で乾燥後、その上に金属層3として銅圧延板をのせ、真空炉にて800℃で加熱し、セラミックス基板2に接合した。次に、この銅の部分にエッチングレジストをスクリーン印刷機で印刷し、UV乾燥後、塩化第二鉄溶液でエッチングを行い所望のパターン14を形成し、次いで、これを図3に示すようにるつぼ9の下部にセラミックス基板2の下面が上になるようにセットし、純度99.9%のアルミニウムをるつぼ9の上部にセットし、るつぼ9にピストン10で蓋をして、るつぼ9の内部に窒素ガスを充填する。次いで、るつぼ9をヒーター11で750℃に加熱し、アルミニウムを溶化してから、ピストン10によりるつぼ9の中央の細管12を介してアルミニウム溶融体13を押し出し、押し出したアルミニウム溶融体13をセラミックス基板2上に流し込み、所定の高さまで充填し、これを徐冷してアルミニウム溶融体13をセラミックス基板2に接着固化してベース板7を形成し、上記金属層3上に半田4を介して半導体チップ1を固定し、図2に示すモジュールを構成せしめた。ここで、得たアルミニウム製のベース板の厚さは5mm、アルミニウムの耐力は40MPaであった。
In order to form a circuit part on the
このベース一体型セラミックス基板のヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例1同様ヒートサイクル4000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。 When the heat cycle resistance of this base-integrated ceramic substrate was examined, no change was observed at the ceramic-base plate interface even after 4000 heat cycles as in Example 1.
実施例1と同様の手段でアルミニウム製のベース板7に複数の窒化アルミニウムのセラミックス基板2を直接接合した後、図4に示すようにるつぼ15を用い、純度99.9%のアルミニウムをるつぼ15の上部にセットし、上記ベース板7に直接接合した窒化アルミニウムのセラミックス基板2を上側、アルミニウム製のベース板7を下側にしてるつぼ15の下部にセットする。さらに、窒化アルミニウムのセラミックス基板2上に所望の回路パターン形状をくり抜いた型18を置く。るつぼ15にピストン10で蓋をして、るつぼ15の内部に窒素ガスを充填する。次いで、るつぼ15をヒーター11で750℃に加熱し、アルミニウムを溶化してから、ピストン10によりるつぼ15の中央の細管16から各パターンの型18上に夫々細管17a〜17cを介してアルミニウム溶融体13を押し出す。このとき、ベース板7を熱から守るために、ベース板7の下側にはヒートシンク19を配置して冷却せしめる。押し出したアルミニウム溶融体13は窒化アルミニウムのセラミックス基板2上の型18に流し込み、所定の高さまで充填し、これを徐冷することでアルミニウム溶融体13がセラミックス基板2に接着しつつ、固化する。以上の方法により、セラミックス基板2上に金属層3を形成し、この金属層3上に半田4を介して半導体チップ1を固定し、図2に示すパワーモジュールを構成せしめた。ここで、得たアルミニウム製のベース板の厚さは5mm、アルミニウムの耐力は40MPaであった。
After directly joining a plurality of aluminum
このパワーモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例1同様ヒートサイクル4000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。 When the heat cycle resistance of this power module was examined, no change was observed at the ceramic-base plate interface even after 4000 heat cycles as in Example 1.
(比較例1) (Comparative Example 1)
比較の目的で以下のサンプルを作成した。まず窒化アルミニウムのセラミックス基板の片側に回路部を形成するために、スクリーン印刷機を用いてAl87.5wt%・Si12.5%の組成のろう材を所望のパターン形状に印刷し、80℃で乾燥後、その上に所望のパターン形状のアルミニウム圧延板をのせ、もう一方の側に同じろう材をべた面で印刷し、同じくべた面のアルミニウム圧延板をのせ、真空炉にて575℃で加熱した。次にこの基板に無電解ニッケルメッキを施し、さらにここで得た基板3枚を無電解ニッケルメッキを施したアルミニウム製ベース板上に半田付けして固定した。更にこの上に半導体チップを設けて図5に示す形のモジュールを構成せしめた。実施例同様ヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル1000回でセラミックス−ベース板界面の半田層に一部クラックが認められた。 The following samples were made for comparison purposes. First, in order to form a circuit part on one side of an aluminum nitride ceramic substrate, a brazing material with a composition of Al 87.5 wt% and Si 12.5% is printed in a desired pattern shape using a screen printer and dried at 80 ° C. After that, a rolled aluminum plate having a desired pattern shape was placed thereon, the same brazing material was printed on the other side on the other side, the same aluminum rolling plate was placed on the other side, and heated at 575 ° C. in a vacuum furnace. . Next, this substrate was subjected to electroless nickel plating, and the three substrates obtained here were soldered and fixed onto an aluminum base plate subjected to electroless nickel plating. Further, a semiconductor chip was provided thereon to constitute a module having the shape shown in FIG. When the heat cycle resistance was examined as in the example, cracks were found in the solder layer at the ceramic-base plate interface after 1000 heat cycles.
(比較例2) (Comparative Example 2)
比較の目的で以下のサンプルを作成した。アルミニウム製ベース板の替わりに厚さ5mmの銅・モリブデン合金をベース板に用い、後は比較例1と同様な方法で図5に示す形のモジュールを構成せしめた。実施例同様ヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でセラミックス−ベース板界面の半田層に一部クラックが認められた。 The following samples were made for comparison purposes. A copper / molybdenum alloy having a thickness of 5 mm was used for the base plate instead of the aluminum base plate, and a module having the shape shown in FIG. When heat cycle resistance was examined as in the example, cracks were found in the solder layer at the ceramic-base plate interface after 3000 heat cycles.
(比較例3) (Comparative Example 3)
比較の目的で以下のサンプルを作成した。窒化アルミニウムのセラミックス基板の両面に実施例1で示したようなアルミニウムの溶湯を直接接触させ、冷却固化させる方式でべた面のアルミニウム層を形成させた。次に、この片面に回路部を形成するためにエッチングレジストをスクリーン印刷機で印刷し、UV乾燥後、塩化第二鉄溶液でエッチングを行い所望のパターンの回路を形成した。次にこの基板に無電解ニッケルメッキを施し、さらにここで得た基板3枚を無電解ニッケルメッキを施した厚さ5mm、純度99.99%のアルミニウム製ベース板上に半田付けして固定した。更にこの上に半導体チップを設けて図5に示す形のモジュールを構成せしめた。実施例同様ヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でセラミックス−ベース板界面の半田層に一部クラックが認められた。 The following samples were made for comparison purposes. A solid aluminum layer was formed in such a manner that a molten aluminum as shown in Example 1 was brought into direct contact with both surfaces of an aluminum nitride ceramic substrate and cooled and solidified. Next, in order to form a circuit part on one side, an etching resist was printed by a screen printer, UV-dried, and then etched with a ferric chloride solution to form a circuit with a desired pattern. Next, electroless nickel plating was applied to the substrate, and the three substrates obtained here were soldered and fixed onto an aluminum base plate having a thickness of 5 mm and a purity of 99.99%, which had been subjected to electroless nickel plating. Further, a semiconductor chip was provided thereon to constitute a module having the shape shown in FIG. When heat cycle resistance was examined as in the example, cracks were found in the solder layer at the ceramic-base plate interface after 3000 heat cycles.
(比較例4) (Comparative Example 4)
比較の目的で以下のサンプルを作成した。厚さ5mm、純度99.99%のアルミニウム製ベース板上に3枚の窒化アルミニウムのセラミックス基板を接合するために、ベース板上にスクリーン印刷機を用いてAl87.5wt%・Si12.5%の組成のろう材を印刷し、80℃で乾燥後、その上に窒化アルミニウムのセラミックス基板をのせ、真空炉にて575℃で加熱した。さらに、この後に同様のろう接法でベース板と反対側に回路を形成させることを試みようとしたが、ベース板と接合を行った時点で、セラミック基板がそろってすべて割れてしまった。 The following samples were made for comparison purposes. In order to join three aluminum nitride ceramics substrates on an aluminum base plate with a thickness of 5mm and a purity of 99.99%, using a screen printer on the base plate, the composition of Al87.5wt% / Si12.5% The brazing material was printed and dried at 80 ° C., and then a ceramic substrate made of aluminum nitride was placed thereon and heated at 575 ° C. in a vacuum furnace. Further, after this, an attempt was made to form a circuit on the opposite side of the base plate by the same brazing method, but when the base plate was joined, the ceramic substrates were all broken together.
(比較例5) (Comparative Example 5)
比較の目的で以下のサンプルを作成した。実施例1におけるアルミニウム製のベース板7の厚みを5mmから0.5mmに変えた他は実施例1と同様の手段で図2に示す形の金属セラミックス回路基板を有するパワーモジュールを形成することを試みた。しかし、ベース板の強度が不足しており、ベース板が容易に変形してしまった。
The following samples were made for comparison purposes. An attempt was made to form a power module having a metal ceramic circuit board of the form shown in FIG. 2 by the same means as in Example 1 except that the thickness of the
(比較例6) (Comparative Example 6)
比較の目的で以下のサンプルを作成した。実施例1におけるベース板7の材質を純度99.99%のアルミニウムから、Al88%・Cu2%・Mg3%・Zn7%のアルミニウム合金に変えた他は実施例1と同様の手段で図2に示す形の金属セラミックス回路基板を有するモジュールを形成することを試みた。ここで、ベース板7の厚さは5mm、耐力は540MPaであった。しかし、ベース板と接合を行った時点で、セラミック基板がそってすべて割れてしまった。
The following samples were made for comparison purposes. The material of the
以上の結果を表1に示す。 The results are shown in Table 1.
1 半導体チップ
2 セラミックス基板
3 金属層
4 半田
5 金属層
6 半田
7 ベース板
8 メッキ層
9 るつぼ
10 ピストン
11 ヒーター
12 細管
13 アルミニウム溶融体
14 パターン
15 るつぼ
16 細管
17a 細管
17b 細管
17c 細管
18 型
19 ヒートシンク
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