JP6154383B2 - Insulating substrate, multilayer ceramic insulating substrate, joined structure of power semiconductor device and insulating substrate, and power semiconductor module - Google Patents
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Description
本発明は、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、高い耐性を有する絶縁基板、多層セラミック絶縁基板、パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体、及びパワー半導体モジュールに関する。 The present invention relates to an insulating substrate, a multilayer ceramic insulating substrate, a power semiconductor device / insulating substrate bonding structure, and a power semiconductor module that have high resistance to thermal cycle stress with a large temperature difference.
炭化珪素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)、ダイヤモンド(C)等のワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体装置は、高い半導体接合温度(Tj)であっても、シリコン(Si)やガリウム砒素(GaAs)を用いたパワー半導体装置に比べてオン抵抗が低く、高速スイッチイングが可能であるという利点がある。このため、半導体装置の小チップ化が可能である。また、小チップ化と同時に、システムを構成する受動部品や冷却器の小型化を図ることができ、小型軽量で低価格なパワーエレクトロニクスシステムが実現できると期待されている。 A power semiconductor device using a wide bandgap semiconductor such as silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), diamond (C), etc., even at a high semiconductor junction temperature (Tj), silicon (Si) or gallium arsenide ( Compared with a power semiconductor device using GaAs), the on-resistance is low, and there is an advantage that high-speed switching is possible. For this reason, it is possible to reduce the size of the semiconductor device. At the same time as miniaturization, the passive components and coolers that make up the system can be miniaturized, and it is expected that a compact, lightweight, and low-priced power electronics system can be realized.
このようなパワーエレクトロニクスシステムを現実に具体化させるためには、高い半導体接合温度Tj(例えば、Tj>200℃)、且つ、広い温度範囲ΔTj(例えば、Tj=−40℃〜300℃)において高い信頼性で作動するパワー半導体モジュールが実現されなくてはならない。 In order to actualize such a power electronics system, it is high at a high semiconductor junction temperature Tj (for example, Tj> 200 ° C.) and a wide temperature range ΔTj (for example, Tj = −40 ° C. to 300 ° C.). A power semiconductor module that operates reliably must be realized.
このような問題を解決するために、特開2008−270353号公報(特許文献1)に開示されたパワー半導体モジュールが提案されている。該パワー半導体モジュールでは、半導体素子と、絶縁部と、放熱板の組み合わせとしている。 In order to solve such a problem, a power semiconductor module disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2008-270353 (Patent Document 1) has been proposed. In the power semiconductor module, a combination of a semiconductor element, an insulating portion, and a heat sink is used.
そして、特許文献1に開示されたパワー半導体モジュールでは、半導体接合温度(Tj)の最大値が200℃、温度範囲(ΔTj=240℃)の冷熱サイクル試験で、2000サイクル程度に耐えられる信頼度を有することが開示されている。
The power semiconductor module disclosed in
しかしながら、特許文献1に開示されたパワー半導体モジュールでは、より高い最高温度Tj、且つ、より大きな温度範囲(例えば、Tj=−40℃〜250℃、ΔTj=290℃)の環境で作動させようとした場合、以下に示す問題があった。パワー半導体モジュールを構成するパワー半導体装置と絶縁基板接合構造体との間の接合部分が、極めて少ないサイクル数で故障し、実際上この温度領域では実用に供することができない。
However, the power semiconductor module disclosed in
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、半導体接合温度(Tj)が高く且つ温度範囲(ΔTj)が広い冷熱サイクルの環境下においても高い信頼性で作動する絶縁基板、多層セラミック絶縁基板、パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体、及びパワー半導体モジュールを提供することにある。 The present invention has been made in order to solve such a conventional problem, and the object of the present invention is to be used in an environment of a thermal cycle where the semiconductor junction temperature (Tj) is high and the temperature range (ΔTj) is wide. It is another object of the present invention to provide an insulating substrate, a multilayer ceramic insulating substrate, a power semiconductor device / insulating substrate bonding structure, and a power semiconductor module that operate with high reliability.
本発明の一態様に係わる多層セラミック絶縁基板は、絶縁基板を複数接合させて成り、セラミック基板と、セラミック基板の上面および下面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板と、を有する。低熱伸縮性金属板は、厚みがほぼ等しい一対のCu板と、一対のCu板の間に設けられた、Cu板よりも熱膨張係数が低い低熱膨張金属板と、を備える。一方の絶縁基板を構成するセラミック基板の下面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板の下面は、他方の絶縁基板を構成するセラミック基板の上面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板の上面と接合され、一対のCu板のそれぞれの1枚の厚さは、低熱膨張金属板の厚さの1/5以下である。 A multilayer ceramic insulating substrate according to one embodiment of the present invention is formed by bonding a plurality of insulating substrates, and includes a ceramic substrate and a low heat stretchable metal plate attached to the upper surface and the lower surface of the ceramic substrate. The low thermal stretchable metal plate includes a pair of Cu plates having substantially the same thickness and a low thermal expansion metal plate provided between the pair of Cu plates and having a thermal expansion coefficient lower than that of the Cu plate. The lower surface of the low heat stretchable metal plate attached to the lower surface of the ceramic substrate constituting one insulating substrate is joined to the upper surface of the low heat stretchable metal plate attached to the upper surface of the ceramic substrate constituting the other insulating substrate. The thickness of each of the pair of Cu plates is 1/5 or less of the thickness of the low thermal expansion metal plate.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下では、絶縁基板、多層セラミック絶縁基板、パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体、及びパワー半導体モジュールの構成を種々の模式図(断面図、平面図等)を参照して説明するが、これらの模式図は理解を促進するために、厚さと平面寸法との関係や各層の厚さの比率等は誇張して記載している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the configuration of the insulating substrate, the multilayer ceramic insulating substrate, the power semiconductor device / insulating substrate bonding structure, and the power semiconductor module will be described with reference to various schematic views (cross-sectional views, plan views, etc.). In order to facilitate understanding, these schematic diagrams exaggerate the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like.
[第1実施形態に係る絶縁基板の説明]
以下、第1実施形態に係る絶縁基板について説明する。第1実施形態に係る絶縁基板は、「Cu板が剥離する」という問題を解決する。この問題は、SiN絶縁基板の両面にCu板を貼り付けた従来のパワー半導体モジュールにおいて発生し得る。[Description of Insulating Substrate According to First Embodiment]
Hereinafter, the insulating substrate according to the first embodiment will be described. The insulating substrate according to the first embodiment solves the problem of “Cu plate peeling”. This problem may occur in a conventional power semiconductor module in which Cu plates are attached to both sides of a SiN insulating substrate.
図1は、本発明の第1実施形態に係る絶縁基板を示す断面図である。図1に示すように、第1実施形態に係る絶縁基板100は、厚み方向のほぼ中央にSiN(窒化珪素)からなるセラミック基板21が設けられている。セラミック基板21の厚みは、0.1mm以上2mm以下であることが望ましく、0.31mmとするのが好適である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an insulating substrate according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
また、セラミック基板21の両面(下面、及び上面)には、それぞれ低熱伸縮性金属板12-1,12-2が接合されている。低熱伸縮性金属板は、例えば、CICクラッド金属板からなる。以下、低熱伸縮性金属板12-1,12-2を、CICクラッド金属板12-1,12-2と称する。各CICクラッド金属板12-1,12-2は同一の構成を備えている。CICクラッド金属板12-1(12-2)の各々の厚みは0.1mm以上2mm以下であることが望ましく、好ましくは0.37mmである。ここで、CICクラッド金属板12-1,12-2は、インバー(Inver;登録商標)合金板13(主成分Fe、Ni36.5vol%含有)の両面に一対の無酸素銅板(Cu板14,15)を金属学的方法を用いて接合させた3層金属板である。また、インバー合金板13の線膨張率は1.2ppm/℃程度と小さいことから、インバー合金板13の両面をこれと略同じ厚み(誤差−1%〜+1%程度)のCu板14,15で挟んだCICクラッド金属板12-1,12-2は、Cu板単体に比べて低い伸縮性(或いは低い合成熱膨張性)を有する。
Further, low thermal stretchable metal plates 12-1 and 12-2 are joined to both surfaces (lower surface and upper surface) of the
CICクラッド金属板12-1,12-2に設けられるCu板14及びCu板15の厚みは、熱伝導、電気伝導の良さを保持するため、少なくとも5μm以上であることが望ましく、10μm以上であることがより望ましい。また、後述する冷熱サイクルにおいて、セラミック基板21と、CICクラッド金属板12-1,12-2との界面に加えられる熱応力を軽減する観点から、インバー合金板13に対するCu板14,15の各々の厚さの比率(C/I比)はできるだけ小さくして、SiN(セラミック基板21)の線膨張率との差を抑制するのが望ましい。具体的には、一対のCu板14,15の各々の1枚の厚さは、インバー合金板13の厚さの1/2以下が望ましく、1/5以下とすることがより望ましい。
The thicknesses of the
セラミック基板21と、CICクラッド金属板12-1,12-2との接合は、Ti-Cu-Agや、Ti-Cu-Ag-Ni等の蝋剤(図示省略)を用いた活性金属接合法で実行することができる。セラミック基板21にCICクラッド金属板12-1,12-2を接合させた後、CICクラッド金属板12-1,12-2の最も外側のCuの表面には、実装用のNiめっき膜16を被覆する。なお、Niめっき膜16は、第1実施形態に係る絶縁基板100において必須の構成ではない。
The
次に、第1実施形態に係る絶縁基板100の作用について説明する。本実施形態に係る絶縁基板100の効果を検証するために、発明者らは、絶縁基板(第1実施形態のサンプル)を製作し、冷熱サイクル試験を実施した。第1実施形態のサンプルは、縦20mm、横18mm、厚み0.31mmのSiNセラミック基板21の両面それぞれに、縦17mm、横8.5mm、厚み0.37mm、C/I比=1/8のCICクラッド金属板12-1,12-2を貼り付けた絶縁基板(本実施形態のサンプル)である。
Next, the operation of the
発明者らは、比較例に係わる絶縁基板(比較例のサンプル)も作製した。比較例のサンプルは、CICクラッド金属板12-1,12-2の代わりに、縦17mm、横8.5mm、厚み0.3mm、表面にNiめっきを施した無酸素Cu板を用いた絶縁基板である。比較例のサンプルについて同様な冷熱サイクル試験を実施した。 The inventors also produced an insulating substrate (a sample of a comparative example) according to a comparative example. The sample of the comparative example is an insulating substrate using an oxygen-free Cu plate having a length of 17 mm, a width of 8.5 mm, a thickness of 0.3 mm, and a surface plated with Ni instead of the CIC clad metal plates 12-1 and 12-2. It is. A similar thermal cycle test was performed on the sample of the comparative example.
試験の結果、Tj=−40℃〜250℃(ΔTj=290℃)の冷熱サイクル試験においては、比較例のサンプルでは、150サイクル未満で全数がCu板剥離による故障となった。これに対して、第1実施形態のサンプルでは、1万サイクルを越えても剥離の発生は起こらず、冷熱サイクル試験を終了した。また、Tj=−40℃〜300℃(ΔTj=340℃)の冷熱サイクル試験においては、比較例に係わる絶縁基板は、60サイクル未満でCu剥離による故障を引き起こした。一方、第1実施形態に係る絶縁基板100では7300サイクルに達しても故障が発生していないことが判明した。
As a result of the test, in the thermal cycle test of Tj = −40 ° C. to 250 ° C. (ΔTj = 290 ° C.), all the samples in the comparative example failed due to Cu plate peeling in less than 150 cycles. On the other hand, in the sample of the first embodiment, no peeling occurred even after exceeding 10,000 cycles, and the thermal cycle test was completed. In the thermal cycle test of Tj = −40 ° C. to 300 ° C. (ΔTj = 340 ° C.), the insulating substrate according to the comparative example caused a failure due to Cu peeling in less than 60 cycles. On the other hand, it was found that no failure occurred in the insulating
以上の冷熱サイクル試験の結果から、本発明の第1実施形態に係る絶縁基板100によれば、高い半導体接合温度(Tj)、且つ広い温度範囲(ΔTj)の冷熱サイクルにおいて、Cu(導体)板がSiNセラミック基板から剥離するという問題を解決できることが判明した。具体的には、半導体接合温度の最大値Tjmax=300℃以下、温度範囲Tj=−40℃〜300℃(ΔTj=340℃)で高い信頼性が得られた。
From the results of the above thermal cycle test, according to the insulating
このようにして、本発明の第1実施形態では、インバー合金板13を2枚のCu板14,15で挟持して形成される低熱伸縮性金属板(CICクラッド金属板)12-1,12-2を、SiN等のセラミック基板21の両面に貼り付けて絶縁基板100を構成している。このため、比較例に係わる絶縁基板に比べ、繰り返しの温度変化によりCu(導体)板がSiNセラミック基板から剥離するというトラブルの発生を回避することが可能となる。
Thus, in the first embodiment of the present invention, the low thermal stretchable metal plates (CIC clad metal plates) 12-1 and 12 formed by sandwiching the
本実施形態では、セラミック基板21の厚みを0.1mm以上2mm以下としているので、より一層繰り返しの温度変化に対する耐久性を向上させることができる。
In this embodiment, since the thickness of the
CICクラッド金属板12-1,12-2は、インバー合金板(低熱膨張金属板)13の両面に一対のCu板14,15を、金属学的方法を用いて接合させた3層金属板である。これにより、Cu板14,15がインバー合金板13から剥離することを防止することができる。
The CIC clad metal plates 12-1 and 12-2 are three-layer metal plates in which a pair of
CICクラッド金属板12-1,12-2が備えるCu板14及びCu板15の厚みを5μm以上としているので、熱伝導、電気伝導の良さを保持することができる。
Since the thicknesses of the
インバー合金板13に対するCu板14,15の各々の厚みの比率(C/I比)を1/2以下としている。これにより、冷熱サイクルにおいてセラミック基板21と、CICクラッド金属板12-1,12-2との界面に加えられる熱応力を軽減することができ、セラミック基板21からCICクラッド金属板12-1,12-2が剥離することを防止することができる。
The thickness ratio (C / I ratio) of each of the
なお、第1実施形態では、セラミック基板21の両面に低熱伸縮性金属板12-1,12-2を貼り付ける構成としたが、本発明は、低熱伸縮性金属板をセラミック基板21のいずれか一方の面にのみ貼り付ける構成とすることも可能である。
In the first embodiment, the low thermal stretchable metal plates 12-1 and 12-2 are attached to both surfaces of the
[第2実施形態に係る絶縁基板の説明]
第1実施形態では、セラミック基板21の母材として、破壊靭性や曲げ強度を含む機械的強度に優れているSiN(窒化珪素)を用いる例について説明した。第2実施形態では、セラミック基板21の母材としてSiN以外のセラミック材料を用いる例を説明する。[Description of Insulating Substrate According to Second Embodiment]
In the first embodiment, an example in which SiN (silicon nitride) excellent in mechanical strength including fracture toughness and bending strength is used as the base material of the
具体的に、第2実施形態におけるセラミック基板21は、アルミナ(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、ベリリア(BeO)からなる群より選ばれるセラミック材料からなる。セラミック基板21の厚みは0.1mm〜2mmであることが望ましい。第2実施形態に係る絶縁基板は、セラミック基板がSiN以外のセラミック材料であること以外は、図1に示した構成と同一であるので、詳細な構成についての説明を省略する。Specifically, the
ベリリア(BeO)は、上記した3つのセラミック材料の中では最も熱伝導度が高いという利点がある反面、毒性があるという欠点がある。 Beryllia (BeO) has the advantage of having the highest thermal conductivity among the three ceramic materials described above, but has the disadvantage of being toxic.
アルミナ(Al2O3)は、SiNやAlNと対比すると材料費が廉価であるという利点がある。機械的強度はSiNよりも低く、AlNよりも高い。Alumina (Al 2 O 3 ) has an advantage that the material cost is low compared with SiN or AlN. The mechanical strength is lower than SiN and higher than AlN.
窒化アルミニウム(AlN)は、熱伝導がアルミナやSiNと対比して非常に高く、発熱する半導体チップの抜熱設計の観点から、本実施形態の絶縁基板に用いる材料として好適である。その反面、SiNやアルミナと対比すると機械的強度が弱い。このため、半導体接合温度の最大値Tjmaxが200℃以上、温度範囲(ΔTj)が250℃以上の冷熱サイクルストレスに対して、SiNよりも短期間にCu板の剥離が起きやすいという欠点がある。 Aluminum nitride (AlN) has a very high thermal conductivity as compared with alumina and SiN, and is suitable as a material used for the insulating substrate of this embodiment from the viewpoint of heat removal design of a semiconductor chip that generates heat. On the other hand, mechanical strength is weak compared with SiN and alumina. For this reason, there is a drawback that the Cu plate is more easily peeled off in a shorter time than SiN against a thermal cycle stress where the maximum semiconductor junction temperature Tjmax is 200 ° C. or higher and the temperature range (ΔTj) is 250 ° C. or higher.
以上の諸点を勘案すると、上記した3つのセラミック材料のうち、最も実用性に富むものは、窒化アルミニウム(AlN)であると考えられる。発明者らは、図1に示すセラミック基板21として窒化アルミニウム(AlN)を用いて絶縁基板100を構成し、絶縁基板100を用いて以下の冷熱サイクル試験を行った。
Considering the above points, it is considered that aluminum nitride (AlN) is the most practical of the above three ceramic materials. The inventors configured an insulating
縦20mm、横18mm、厚み0.64mmのAlNセラミック基板21の両面のそれぞれに、縦17mm、横8.5mm、厚み0.37mm、C/I比=1/8のCICクラッド金属板12-1,12-2を貼り付けた絶縁基板100を製作し、冷熱サイクル試験を実施した。試験結果は以下のとおりである。
A CIC clad metal plate 12-1 having a length of 17 mm, a width of 8.5 mm, a thickness of 0.37 mm, and a C / I ratio of 1/8 on both surfaces of an AlN
Tj=−40℃〜250℃(ΔTj=290℃)の冷熱サイクル試験を実施した。その結果、第1実施形態で示したSiNセラミック基板を用いた場合と同様に、1万サイクルを越えても剥離の発生は起こらなかった。また、Tj=−40℃〜300℃(ΔTj=340℃)の冷熱サイクル試験を実施した。その結果、7300サイクル経過しても故障が発生していないことが判明した。 A thermal cycle test of Tj = −40 ° C. to 250 ° C. (ΔTj = 290 ° C.) was performed. As a result, as in the case of using the SiN ceramic substrate shown in the first embodiment, no peeling occurred even after 10,000 cycles. Moreover, the thermal cycle test of Tj = -40 degreeC-300 degreeC ((DELTA) Tj = 340 degreeC) was implemented. As a result, it was found that no failure occurred even after 7300 cycles.
以上の冷熱サイクル試験の結果から、本発明の第2実施形態に係る絶縁基板100によれば、高い半導体接合温度(Tj)、且つ広い温度範囲(ΔTj)の冷熱サイクルにおいて、Cu(導体)板がAlNセラミック基板から剥離するという問題を解決できることが判明した。具体的には、半導体接合温度の最大値Tjmax=300℃以下、温度範囲Tj=−40℃〜300℃(ΔTj=340℃)で高い信頼性が得られた。
From the results of the above thermal cycle test, according to the insulating
このようにして、本発明の第2実施形態では、AlNのセラミック基板21の両面に低熱伸縮性金属板(CICクラッド金属板)12-1,12-2を貼り付けて、絶縁基板100を構成している。これにより、比較例に係わる絶縁基板と比べ、繰り返しの温度変化によりCu(導体)板がAlNセラミック基板から剥離するというトラブルの発生を回避することが可能となる。
In this manner, in the second embodiment of the present invention, the insulating
なお、第2実施形態に係るCICクラッド金属板12-1,12-2の接合方法として、直接Cu接合法(DCB法)を使用することもできる。 Note that a direct Cu bonding method (DCB method) can also be used as a method for bonding the CIC clad metal plates 12-1 and 12-2 according to the second embodiment.
[第3実施形態に係る絶縁基板の説明]
次に、第3実施形態に係る絶縁基板について説明する。前述した第1及び第2実施形態では、低熱伸縮性金属板12-1,12-2をCICクラッド金属板とした。低熱伸縮性金属板12-1,12-2はCICクラッド金属板に限らない。低熱伸縮性を有する金属板であれば、インバー合金板13以外の金属板をCu板14,15で挟持したCMCクラッド金属板を低熱伸縮性金属板12-1,12-2として用いることもできる。インバー合金板以外の金属板の材料を「M」とする。CMCクラッド金属板の総厚みは0.1mm以上2mm以下であることが望ましく、Cu板14,15の厚みは少なくとも5μm以上、好ましくは10μm以上であることが望ましい。インバー合金板以外の金属板に対するCu板14,15の各々の厚さの比率(C/M比)は、CICクラッド金属板と同様に、1/2以下が望ましく、好ましくは1/5以下が望ましい。[Description of Insulating Substrate According to Third Embodiment]
Next, an insulating substrate according to the third embodiment will be described. In the first and second embodiments described above, the low heat stretchable metal plates 12-1 and 12-2 are CIC clad metal plates. The low heat stretchable metal plates 12-1 and 12-2 are not limited to CIC clad metal plates. If it is a metal plate having low thermal stretchability, a CMC clad metal plate in which a metal plate other than the
CMCクラッド金属板を構成する金属板の材料(M)の一例は、モリブデン(Mo)である。このほかに、スーパーインバー(主成分Fe、Ni32vol%及びCo5vol%含有)や、ステンレスインバー(主成分Fe、Co54vol%含有)を金属板の材料「M」として用いることができる。
An example of the metal plate material (M) constituting the CMC clad metal plate is molybdenum (Mo). In addition, super invar (containing main components Fe, Ni 32 vol% and Co 5 vol%) and stainless steel invar (containing main components Fe and
発明者らは、Cu-Mo-Cuの積層構造からなるCMCクラッド金属板(低熱伸縮性金属板12-1,12-2)とSiNセラミック基板21とを備える絶縁基板のサンプルを製作した。そして、Tj=−40℃〜300℃(ΔTj=340℃)の冷熱サイクル試験を実施した。その結果、2000サイクル以上経過しても、低熱伸縮性金属板12-1,12-2の剥離不良はないという結果が得られた。
The inventors manufactured a sample of an insulating substrate including a CMC clad metal plate (low thermal stretchable metal plates 12-1 and 12-2) having a laminated structure of Cu—Mo—Cu and a SiN
以上の冷熱サイクル試験の結果から、本発明の第3実施形態に係る絶縁基板によれば、高い半導体接合温度(Tj)、且つ広い温度範囲(ΔTj)の冷熱サイクルにおいて、Cu(導体)板がSiNセラミック基板から剥離するという問題を解決できることが判明した。具体的には、半導体接合温度の最大値Tjmax=300℃以下、温度範囲Tj=−40℃〜300℃(ΔTj=340℃)で高い信頼性が得られた。 From the results of the above thermal cycle test, according to the insulating substrate according to the third embodiment of the present invention, the Cu (conductor) plate is used in the thermal cycle of a high semiconductor junction temperature (Tj) and a wide temperature range (ΔTj). It has been found that the problem of peeling from the SiN ceramic substrate can be solved. Specifically, high reliability was obtained in the maximum semiconductor junction temperature Tjmax = 300 ° C. or lower and the temperature range Tj = −40 ° C. to 300 ° C. (ΔTj = 340 ° C.).
このようにして、本発明の第3実施形態では、SiN等のセラミック基板の両面に低熱伸縮性導体板としてのCMCクラッド金属板を貼り付けることにより絶縁基板を形成する。これにより、比較例に係わる絶縁基板と対比して、繰り返しの温度変化によりCu(導体)板がセラミック基板から剥離するというトラブルの発生を回避することが可能となる。 In this way, in the third embodiment of the present invention, the insulating substrate is formed by pasting the CMC clad metal plate as the low thermal stretchable conductor plate on both surfaces of the ceramic substrate such as SiN. This makes it possible to avoid the occurrence of trouble that the Cu (conductor) plate is peeled off from the ceramic substrate due to repeated temperature changes as compared with the insulating substrate according to the comparative example.
また、本実施形態では、セラミック基板21として、窒化珪素(SiN)、アルミナ(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、ベリリア(BeO)のうちのいずれかを用いることができる。よって、機械的な強度を強くすることができ、絶縁基板全体の強度を向上させることができる。In the present embodiment, any one of silicon nitride (SiN), alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), and beryllia (BeO) can be used as the
低熱膨張金属板として、インバー(主成分Fe、Ni36.5vol%含有)、モリブデン(Mo)、スーパーインバー(主成分Fe、Ni32vol%及びCo5vol%含有)、ステンレスインバー(主成分Fe、Co54vol%含有)のうちの一つを用いる。これにより、温度変化により生じる熱膨張を抑えることができ、低熱伸縮性金属板に加わるストレスを軽減し、剥離が発生することを防止できる。
As a low thermal expansion metal plate, Invar (containing main component Fe, Ni 36.5 vol%), molybdenum (Mo), Super Invar (containing main components Fe, Ni 32 vol% and Co 5 vol%), stainless steel invar (containing main components Fe,
[第4実施形態に係る多層セラミック絶縁基板の説明]
次に、本発明の第4実施形態に係る多層セラミック絶縁基板について説明する。前述した第1〜第3実施形態では、1枚の各種セラミック基板21の両面に低熱伸縮性金属板12-1,12-2を貼り付けた単層セラミック絶縁基板について説明した。第4実施形態では、2以上の単層セラミック絶縁基板を積層した多層セラミック絶縁基板について説明する。[Description of Multilayer Ceramic Insulating Substrate According to Fourth Embodiment]
Next, a multilayer ceramic insulating substrate according to the fourth embodiment of the present invention is described. In the above-described first to third embodiments, the single-layer ceramic insulating substrate in which the low thermal stretchable metal plates 12-1 and 12-2 are attached to both surfaces of the various
図2は、第4実施形態に係る多層(例えば、2層)セラミック絶縁基板200の構成を示す断面図である。図2に示すように、多層セラミック絶縁基板200は、上下に積層された2つの絶縁基板、即ち、第1絶縁基板部材31a及び第2絶縁基板部材31bを有している。絶縁基板部材31a,31bの各々の基本構成は、図1に示した絶縁基板100と略同一である。なお、図2において、インバー合金板13、Cu板14,15は、前述した第1〜第3実施形態と同様であるので、構成の説明を省略する。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a multilayer (for example, two layers) ceramic insulating
第1絶縁基板部材31aは、セラミック基板21aと、セラミック基板21aの上面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板12a-1と、セラミック基板21aの下面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板12a-2とを備える。同様に、第2絶縁基板部材31bは、セラミック基板21bと、セラミック基板21bの上面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板12b-1と、セラミック基板21bの下面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板12b-2とを備える。
The first insulating
そして、図示省略の蝋材Ti-Cu-AgやTi-Cu-Ag-Niは、第1絶縁基板部材31aの低熱伸縮性金属板12a-2と、第2絶縁基板部材31bの低熱伸縮性金属板12b-1とを接合している。
The wax material Ti—Cu—Ag or Ti—Cu—Ag—Ni (not shown) is composed of the low heat
多層セラミック絶縁基板200を適用する利点は、中間層の導体板(図2に示す例では低熱伸縮性金属板12a-2,12b-1)を配線として活用することができる。これにより、多層セラミック絶縁基板200の浮遊インダクタンスを縮減し、多層セラミック絶縁基板200の実装面積を低減することができる。この利点をより一層効果的にするためには、セラミック基板21aの所定位置にビア窓17を開口して、ビア窓17に埋設したビア窓金属板18(例えば、Cu)を介して、上部の低熱伸縮性金属板12a-1と下部の低熱伸縮性金属板12a-2とを電気的に接続すれば良い。低熱伸縮性金属板12a-1とビア窓金属板18との接合、及び、ビア窓金属板18と低熱伸縮性金属板12a-2との接合は、図示省略の活性金属蝋材Ti-Cu-AgやTi-Cu-Ag-Ni等を用いて接合することができる。
The advantage of applying the multilayer ceramic insulating
次に、図2に記載した多層セラミック絶縁基板200の製造方法について説明する。初めに、第1〜第3実施形態に示した絶縁基板100と同様の方法で、第1絶縁基板部材31aと第2絶縁基板部材31bをそれぞれ別個に製作する。なお、この時点で、図2に示すNiめっき16は設けられていない。
Next, a method for manufacturing the multilayer ceramic insulating
次いで、活性金属蝋材Ti-Cu-AgやTi-Cu-Ag-Ni等を用いて、第1絶縁基板部材31aの低熱伸縮性金属板12a-2と、第2絶縁基板部材31bの低熱伸縮性金属板12b-1とを貼り合わせる。
Next, using the active metal brazing material Ti—Cu—Ag, Ti—Cu—Ag—Ni or the like, the low heat
その後、低熱伸縮性金属板12a-1と12b-2の表面(上面、及び下面)に、Niめっき16を被覆する。その結果、図2に示す多層セラミック絶縁基板200が完成する。なお、高温はんだの濡れ性を改善するために、Niめっき16の上にAuめっき層やAgめっき層、Cuめっき層を被覆してもよい。
Thereafter, Ni plating 16 is coated on the surfaces (upper surface and lower surface) of the low heat
発明者らは、図2に示す多層セラミック絶縁基板200のサンプルを製作し、冷熱サイクル試験を実施した。多層セラミック絶縁基板200のサンプルにおいて、第1絶縁基板部材31a、及び第2絶縁基板部材31bの各々は、SiNセラミック基板とCICクラッド金属板とを組み合わせた第1実施形態の絶縁基板100である。その結果、Tj=−40℃〜300℃(ΔTj=340℃)の冷熱サイクル試験おいて、1000サイクル以上経過しても低熱伸縮性金属板12a-1,12a-2,12b-1,12b-2がセラミック基板21a,21bから剥離するという不良が発生しないことが判明した。
The inventors manufactured a sample of the multilayer ceramic insulating
以上の冷熱サイクル試験の結果から、本発明の第4実施形態に係る多層セラミック絶縁基板200によれば、高い半導体接合温度(Tj)、且つ広い温度範囲(ΔTj)の冷熱サイクルにおいて、Cu(導体)板がSiNセラミック基板から剥離するという問題を解決できることが判明した。具体的には、半導体接合温度の最大値Tjmax=300℃以下、温度範囲Tj=−40℃〜300℃(ΔTj=340℃)で高い信頼性が得られた。
From the results of the above thermal cycle test, according to the multilayer ceramic insulating
このようにして、本発明の第4実施形態では、SiN等のセラミック基板21a,21bの両面に低熱伸縮性金属板としてのCICクラッド金属板を貼り付けることにより、第1絶縁基板部材31a、及び第2絶縁基板部材31bを製作する。そして、第1絶縁基板部材31a、及び第2絶縁基板部材31bを積層して多層セラミック絶縁基板200を構成する。これにより、比較例に係わる絶縁基板と対比して、繰り返しの温度変化によりCu(導体)板がSiN絶縁基板から剥離するというトラブルの発生を回避することが可能となる。
Thus, in the fourth embodiment of the present invention, the first insulating
なお、第4実施形態では、2つの絶縁基板部材31a,31bを積層した多層(2層)セラミック絶縁基板200を例示したが、2層に限らず、3層以上とすることも可能である。セラミック基板21a、21bの例としてSiNを示したが、第2実施形態で例示した材料は全て使用し得る。低熱伸縮性金属板12a-1と12b-2の例としてCICクラッド金属板を示したが、第3実施形態で例示したCMCクラッド金属板も使用し得る。
In the fourth embodiment, the multilayer (two-layer) ceramic insulating
[第5実施形態に係る多層セラミック絶縁基板の説明]
次に、第5実施形態に係る多層セラミック絶縁基板について説明する。図3は、第5実施形態に係る多層セラミック絶縁基板300の構成を示す断面図であり、図2に示した多層セラミック絶縁基板200の構造を改良した構成とされている。[Description of Multilayer Ceramic Insulating Substrate According to Fifth Embodiment]
Next, a multilayer ceramic insulating substrate according to the fifth embodiment will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the multilayer ceramic insulating
図3に示すように、第5実施形態に係る多層セラミック絶縁基板300は、第1セラミック基板21a、及び第2セラミック基板21bを有する。第1セラミック基板21aの上面には低熱伸縮性金属板12a-1が貼り付けられ、第2セラミック基板21bの下面には低熱伸縮性金属板12b-2が貼り付けられている。
As shown in FIG. 3, the multilayer ceramic insulating
第1セラミック基板21aと第2セラミック基板21bの間には、中間金属板19が設けられている。中間金属板19の厚みは、0.1mm以上2mm以下であり、好ましくは0.2mm以上1mm以下である。
An
低熱伸縮性金属板12a-1及び12b-2は、第1〜第3実施形態で説明したCICクラッド金属板或いはCMCクラッド金属板と同一である。図3におけるインバー合金板13,Cu板14,15についての構成説明を省略する。ここでは、CMCクラッド金属板を例に取り説明する。
The low heat
セラミック基板21aにビア窓17が開口され、ビア窓17にビア窓金属板18が埋設されている。低熱伸縮性金属板12a-1と中間金属板19とは、ビア窓金属板18を介して所定の位置で接続されている。
A via
セラミック基板21a,21bと中間金属板19との間、ビア窓金属板18と中間金属板19との間、セラミック基板21a,21bと低熱伸縮性金属板12a-1,12b-2との間、及びビア窓金属板18と低熱伸縮性金属板12a-1との間は、図示省略の活性金属蝋材Ti-Cu-AgやTi-Cu-Ag-Ni等により、接合されている。なお、高温はんだの濡れ性を改善するためにNiめっき16の上に、Auめっき層やAgめっき層、Cuめっき層を被覆してもよい。
Between the
次に、図3に記載した多層セラミック絶縁基板300の製造方法について説明する。初めに、焼成炉のサセプタに置いた低熱伸縮性金属板12b-2の上に活性金属蝋材を載置し、その上にセラミック基板21bを載せる。更にその上に、順に、活性金属蝋材と中間金属板19、活性金属蝋材、セラミック基板21a、活性金属蝋材、低熱伸縮性金属板12a-1を積層する。但し、セラミック基板21aを載置するときには、ビア窓17内部にビア窓金属板18を同時に設置するものとする。
Next, a method for manufacturing the multilayer ceramic insulating
上記の積層体が完成すると、その上部に荷重となる錘を設置する。その後、炉内を還元雰囲気、或いは不活性雰囲気にして、活性金属蝋材の融点(または液相線)以上の温度まで加熱してから室温まで徐々に冷却する。その結果、図3に示す多層セラミック絶縁基板300が完成する。
When the above laminated body is completed, a weight serving as a load is placed on the top. Thereafter, the inside of the furnace is made a reducing atmosphere or an inert atmosphere, heated to a temperature equal to or higher than the melting point (or liquidus) of the active metal wax material, and then gradually cooled to room temperature. As a result, the multilayer ceramic insulating
発明者らは、第5実施形態に係わる多層セラミック絶縁基板300のサンプルを製作し、冷熱サイクル試験を実施した。多層セラミック絶縁基板300のサンプルは、SiNのセラミック基板21a,21bと、低熱伸縮性金属板(CMCクラッド金属板)12a-1,12b-2とを備える。ビア窓金属板18及び中間金属板19としてCu板(厚み約0.31mm)を用いる。その結果、Tj=−40℃〜300℃(ΔTj=340℃)の冷熱サイクル試験において、1000サイクル以上経過しても、低熱伸縮性金属板12a-1,12b-2、及び中間金属板19がセラミック基板21a,21bから剥離する不良は見られなかった。
The inventors manufactured a sample of the multilayer ceramic insulating
以上の冷熱サイクル試験の結果から、第5実施形態に係る多層セラミック絶縁基板300によれば、高い半導体接合温度(Tj)、且つ広い温度範囲(ΔTj)の冷熱サイクルにおいて、Cu(導体)板がセラミック基板から剥離するという問題を解決できることが判明した。具体的には、半導体接合温度の最大値Tjmax=300℃以下、温度範囲Tj=−40℃〜300℃(ΔTj=340℃)で高い信頼性が得られた。
From the results of the thermal cycle test described above, according to the multilayer ceramic insulating
なお、低熱伸縮性金属板ではない中間金属板(Cu)19がセラミック基板21a,21bから剥離しない。その理由は、熱膨張差によってセラミックとCuとの界面に発生する熱応力が、上部のセラミック基板21aとの界面と、下部のセラミック基板21bとの界面に二分され、各界面発生する熱応力が半減したためである。
Note that the intermediate metal plate (Cu) 19 that is not the low heat stretchable metal plate does not peel from the
このようにして、本発明の第5実施形態では、SiN等のセラミック基板21a,21bの片面に低熱伸縮性金属板としてのCMCクラッド金属板を貼り付け、更に、各セラミック基板21a,21bの間に中間金属板19を設ける。これにより、多層セラミック絶縁基板300を構成した。比較例に係わる絶縁基板と対比して、繰り返しの温度変化によりCu(導体)板がセラミック基板から剥離するというトラブルの発生を回避することが可能となる。
Thus, in the fifth embodiment of the present invention, a CMC clad metal plate as a low heat stretchable metal plate is attached to one surface of
第5実施形態に係る多層セラミック絶縁基板300と、第4実施形態の多層セラミック絶縁基板200の構造を対比すると、第5実施形態では、中間金属板19がCu単板であり、且つ、多層セラミック絶縁基板300全体の厚みが薄く、且つ、良伝導性のCuの厚みが厚い、という特徴を有している。従って、第5実施形態に係る多層セラミック絶縁基板300は、多層セラミック絶縁基板200に対してコスト的に廉価とすることができ、更に、厚み方向の熱伝導を良好にできるという利点がある。
When the structure of the multilayer ceramic insulating
セラミック基板21aにビア窓17を開口し、ビア窓17に例えばCu等のビア窓金属板18を埋設する。これにより、ビア窓金属板18を介して、低熱伸縮性金属板12a-1と中間金属板19とを電気的に接続することが可能となる。なお、セラミック基板21a、21bの例としてSiNを示したが、第2実施形態で例示した材料は全て使用し得る。
A via
[第6実施形態に係るパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体の説明]
次に、図4を参照して、第6実施形態に係るパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体400(以下、「接合構造体400」と略す)について説明する。第6乃至第8実施形態で説明するパワー半導体装置41として、SiC(炭化珪素)パワー素子を使用する例を示す。しかし、パワー半導体装置41は、GaN(窒化ガリウム)素子、ダイヤモンド素子、ZnO(酸化亜鉛)素子等の他のワイドバンドギャップ半導体素子や高温用途を目的としたSi半導体素子(SOI素子やセンサ素子)等であってもよい。更に、パワー半導体装置と類似の機械的熱的性質を有するセラミック製の素子、具体的には、セラミックチップコンデンサやセラミックサーミスタ等の受動素子や機能素子を適用することもできる。[Description of Bonded Structure of Power Semiconductor Device and Insulating Substrate According to Sixth Embodiment]
Next, with reference to FIG. 4, a power semiconductor device / insulating substrate bonded structure 400 (hereinafter, abbreviated as “bonded
第6実施形態に係る接合構造体400は、図4に示すように、耐熱はんだ層42により接合された絶縁基板101及びパワー半導体装置41を備える。なお、絶縁基板101は、図1に示した絶縁基板100と同一の構造であるので、同一符号を付して詳細な構成説明を省略する。
As shown in FIG. 4, the
また、図4は、絶縁基板101が第1実施形態で示したSiNセラミック基板21とCICクラッド金属板12-1、12-2とを備える例を示す。絶縁基板101は、第2実施形態で説明した他のセラミック基板や、第3実施形態で説明した他の低熱伸縮性のCMCクラッド金属板を備えていてもよい。
FIG. 4 shows an example in which the insulating
パワー半導体装置41は、例えば、SiCを用いたトランジスタ、或いはダイオード等である。また、パワー半導体装置41の裏面には、Niシリサイド等のオーミックコンタクト23が設けられている。オーミックコンタクト23の下面には、Ti(チタン)/Ni(ニッケル)/Ag(銀)等の積層膜からなる実装電極22が形成されている。
The
耐熱はんだ層42は、低熱伸縮性金属板12-1と、パワー半導体装置41を機械的、電気的に接合している。耐熱はんだ層42は、固相線温度がパワー半導体装置41の半導体接合温度の最大値Tjmaxより少なくとも30℃以上高く、液相線温度がSiCパワー半導体装置41の瞬時耐熱温度450℃よりも少なくとも30℃以上低い金属材料からなる。具体的には、耐熱はんだ層42は、共晶Au-Geはんだ、共晶Au-Siはんだ、共晶Au-Snはんだ、共晶Zn-Alはんだ、共晶Bi-Agはんだ、Biはんだ、等からなる。なお、耐熱はんだ層42は、これに限定されるものではなく、共晶組成から大きく逸脱しない範囲で前記はんだ材の亜共晶組成、過共晶組成のものを用いることできる。
The heat-
次に、耐熱はんだ層42として共晶Au-Geはんだを用いた場合を例にして、第6実施形態に係る接合構造体400の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the
始めに、パワー半導体装置41(チップ)及び絶縁基板101をアセトン、イソプロピルアルコール等の有機溶剤で超音波洗浄し、これら部品の表面に付着している汚染物を除去する。共晶Au-Geはんだが、ペースト状のものではなく、板状のものである場合には、共晶Au-Geはんだも同様にして洗浄する。
First, the power semiconductor device 41 (chip) and the insulating
続いて、減圧リフロー装置のリフロー台に絶縁基板101を設置し、低熱伸縮性金属板、即ち、CICクラッド金属板12-1の所定の位置に共晶Au-Geはんだを載置する。もし、共晶Au-Geはんだがペースト状のものである場合は、シリンジ等を利用してCICクラッド金属板12-1の所定の位置に共晶Au-Geはんだのペーストを滴下する。そして、共晶Au-Geはんだの上にパワー半導体装置41を置き、静止させる。
Subsequently, the insulating
ここで、絶縁基板101の接合させるべき位置に共晶Au-Geはんだと半導体素子を正確に載置し、リフロープロセス中のパワー半導体装置41の位置ずれを防止するために、テンプレート式カーボン治具を使用することが望ましい。
Here, in order to accurately place the eutectic Au—Ge solder and the semiconductor element at the position to be bonded to the insulating
上記準備が終了したならば、リフロー工程を実行する。初めに、減圧リフロー装置の扉を閉め、試料室の排気を行う。試料室内の圧力が5ミリバール以下になったら、不活性ガスを導入する。この操作を数回行い、試料室内の空気を不活性ガスで置換する。これにより、試料室は不活性ガスで充満することになる。 When the preparation is completed, a reflow process is performed. First, the door of the vacuum reflow device is closed and the sample chamber is evacuated. When the pressure in the sample chamber becomes 5 mbar or less, an inert gas is introduced. This operation is performed several times to replace the air in the sample chamber with an inert gas. As a result, the sample chamber is filled with the inert gas.
そして、リフロー台或いは試料室全体を加熱して、上記材料の温度を概ね200℃に昇温し、約2分間この温度を保持する。このとき、蟻酸蒸気を含む不活性ガスを導入して汚染有機物の除去を促進してもよい。 Then, the reflow table or the entire sample chamber is heated to raise the temperature of the material to approximately 200 ° C., and this temperature is maintained for about 2 minutes. At this time, an inert gas containing formic acid vapor may be introduced to promote removal of contaminating organic substances.
その後、不活性ガスの導入を停止し、排気を再開して試料室を5ミリバール以下に減圧する。リフロー台(または試料室全体)を更に加熱して、絶縁基板101とAu-Geはんだ42とパワー半導体装置41をリフロー温度410℃まで昇温させ、リフローさせる。保持時間は約1分である。
Thereafter, the introduction of the inert gas is stopped, the exhaustion is restarted, and the sample chamber is decompressed to 5 mbar or less. The reflow table (or the entire sample chamber) is further heated to raise the temperature of the insulating
リフローが終了したら、試料室に不活性ガスを導入し降温を開始する。チャンバ内部の温度が十分低い温度まで下がったところで、完成品、即ち、本実施形態に係る接合構造体400をリフロー装置から取り出す。
When the reflow is completed, an inert gas is introduced into the sample chamber and the temperature is lowered. When the temperature inside the chamber is lowered to a sufficiently low temperature, the finished product, that is, the
なお、Au-Ge以外のはんだを用いるときも上記製造プロセスとほぼ同じである。変更するのは、ほとんどの場合リフロー温度とその保持時間のみで良い。 In addition, when using solder other than Au—Ge, the manufacturing process is almost the same. In most cases, only the reflow temperature and its holding time need be changed.
発明者らは、上記の方法を用いて接合構造体400のサンプルを作製し、Tj=−40℃〜250℃(ΔTj=290℃)の冷熱サイクル試験を行った。サイクル数は自動車等の比較的酷環境利用される電子部品に適用される3000サイクルとした。パワー半導体装置41のチップサイズは縦2mm、横2mm、厚み0.3mmとした。比較例として、CICクラッド金属板代わりに無酸素Cu単体を用いた絶縁基板を備える接合構造体(はんだ層はAu−Ge)のサンプルを作製し、上記と同様の冷熱サイクル試験を行った。
The inventors produced a sample of the bonded
図5は、Tj=−40℃〜250℃(ΔTj=290℃)の冷熱サイクル試験の結果を示す図である。図5では、接合の強さ(せん断強度)をサイクル数の関数としてプロットしている。比較例に係わる接合構造体のサンプルでは、前述したように、サイクル数の増加に伴ってせん断強度が急速に劣化していることが理解される。これが比較例が抱える課題であった。なお、比較例における接合の強さは、無酸素Cu単体とパワー半導体装置との接合強度を示す。 FIG. 5 is a diagram showing the results of a thermal cycle test at Tj = −40 ° C. to 250 ° C. (ΔTj = 290 ° C.). In FIG. 5, the bond strength (shear strength) is plotted as a function of cycle number. As described above, in the sample of the bonded structure according to the comparative example, it is understood that the shear strength rapidly deteriorates as the number of cycles increases. This was the problem of the comparative example. Note that the bonding strength in the comparative example indicates the bonding strength between the oxygen-free Cu simple substance and the power semiconductor device.
これに対し、本実施形態に係る接合構造体400のサンプルでは、サイクル数が増加しても、せん断強度の劣化速度は緩やかである。プロットの減少傾向を最小2乗法で直線近似することにより、電子部品のせん断強度に関するIEC60749−19規格まで低下するサイクル数を予測した。その結果、約9000サイクルという結果が得られた。比較的過酷な環境下で用いられる電子部品に、経験的に必要とされるサイクル寿命の目安は3000サイクルである。よって、本実施形態に係る接合構造体400は、この目安となる寿命の3倍程度となっている。なお、本実施形態における接合の強さは、CICクラッド金属板のCu板とパワー半導体装置との接合強度を示す。
On the other hand, in the sample of the bonded
上記の試験結果から明らかなように、第6実施形態では、第1〜第5実施形態に示した絶縁基板101の低熱伸縮性金属板12-1の上にパワー半導体装置チップを接合させることにより接合構造体400を構成する。これにより、パワー半導体装置41と絶縁基板101との間の接合強度の急速な劣化を抑制し、サイクル寿命を大幅に延ばすことが可能となる。
As is apparent from the above test results, in the sixth embodiment, the power semiconductor device chip is bonded onto the low thermal stretchable metal plate 12-1 of the insulating
絶縁基板101とパワー半導体装置41を、耐熱はんだ層42を用いて接合する。これにより、温度変化が繰り返された場合でも、耐熱はんだ層42が劣化して剥離するという問題を解消することができる。
The insulating
パワー半導体装置41を、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ダイヤモンド(C)、及び酸化亜鉛(ZnO)からなる群より選ばれる1つの半導体材料を用いる。これにより、オン抵抗を低くでき、ひいてはスイッチイング速度を高速化することができる。
The
なお、本実施形態に係る接合構造体400では、第1〜第3実施形態に示した絶縁基板101を適用する例について説明したが、第4,第5実施形態に係る多層セラミック絶縁基板を採用しても良い。
In the
[第7実施形態に係るパワー半導体モジュールの説明]
次に、本発明の第7実施形態に係るパワー半導体モジュールについて説明する。図6は、第7実施形態に係るパワー半導体モジュール500の構成を示し、図6(a)は平面図、(b)は断面図を示している。図6(a),(b)に示すように、本実施形態に係るパワー半導体モジュール500は、図4に示したパワー半導体装置41と絶縁基板100の接合構造体400と、接合構造体400の下面に耐熱はんだ60により接合された金属製放熱板50と、金属製放熱板50の下面に設けられた水冷冷却器70とを備える。[Description of Power Semiconductor Module According to Seventh Embodiment]
Next, a power semiconductor module according to a seventh embodiment of the invention will be described. FIG. 6 shows a configuration of a
絶縁基板100の上面には、耐熱はんだ層42を介してパワー半導体装置41が設けられている。絶縁基板100の下面には、金属製放熱板50及び水冷冷却器70が設けられている。図6に示すように、金属製放熱板50(54)は、積層方向から平面視した際に、絶縁基板100(21)よりも面積が大きく構成されている。
A
金属製放熱板50は、Mo層52の両面にCu層54,56が積層されて構成される。1対のCu層54,56の間にMo層52が配置されている。そして、金属製放熱板50は、ネジ90により水冷冷却器70に固定されている。また、低熱伸縮性金属板12−1と、パワー半導体装置41は、アルミワイヤ29により電気的に接続されている。
The
冷却水72は水冷冷却器70の入口70aから供給され、出口70bから排出される。これにより、金属製放熱板50は冷却され、パワー半導体装置41で発生する熱を放出することが可能となる。
The cooling
こうして、第7実施形態に係るパワー半導体モジュール500では、第6実施形態で示したパワー半導体装置41と絶縁基板100の接合構造体400を用いている。これにより、高い半導体接合温度(Tj)、且つ広い温度範囲(ΔTj)の冷熱サイクルにおいて、パワー半導体モジュール500を作動させると非常に少ないサイクルで故障してしまうという問題を解決することができる。具体的には、半導体接合温度の最大値Tjmax=300℃以下、温度範囲Tj=−40℃〜300℃(ΔTj=340℃)で高い信頼性が得られる。
Thus, in the
[第8実施形態に係るパワー半導体モジュールの説明]
図7は、第8実施形態に係るパワー半導体モジュール600の断面図である。パワー半導体モジュール600は、図4で示した第4実施形態に係るパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体400と、冷却フィン71とを備える。図7に示す絶縁基板100は、SiN等のセラミック基板21と、セラミック基板21の両面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板12−1,12−2とを有する。パワー半導体装置41は、例えば、SiCパワー半導体装置である。パワー半導体装置41は、耐熱はんだ層42により低熱伸縮性金属板12−1に接続されている。パワー半導体装置41と低熱伸縮性金属板12−1の間は、アルミワイヤ29により電気的に接続されている。[Description of Power Semiconductor Module According to Eighth Embodiment]
FIG. 7 is a cross-sectional view of a
低熱伸縮性金属板12−2の下面には、耐熱はんだ層60を介して、Cu製、或いはアルミ製の冷却フィン71が設けられている。冷却フィン71の少なくとも上面には、図示省略のNiめっきが施されている。
Cooling
耐熱はんだ層60の材料としては、固相線温度がSiCパワー半導体装置41の半導体接合温度の最大値Tjmaxより少なくとも30℃以上高く、液相線温度が耐熱はんだ層60の液相線温度よりも少なくとも30℃以上低いはんだ材料が選択される。前記したはんだ材料として、例えば、共晶Au-Geはんだ、共晶Au-Siはんだ、共晶Au-Snはんだ、共晶Zn-Alはんだ、共晶Bi-Agはんだ、Biはんだを挙げることができる。なお、耐熱はんだ層60の材料は、これらに限定されるものではない。仮に、耐熱はんだ層42が共晶Au-Geはんだである場合には、耐熱はんだ層60としては、共晶Au-Snはんだ、或いは、共晶Bi-Agはんだ、Biはんだが適している。
As a material of the heat
従って、繰り返して生じる温度変化により耐熱はんだ層60が劣化することを防止でき、低熱伸縮性金属板12-2が剥離することを防止できる。なお、冷却フィン71には、図示省略の小型空冷ファンが接続され、放熱の効率を向上させている。
Therefore, it is possible to prevent the heat
図7の構成から明らかなように、第8実施形態に係るパワー半導体モジュール600は、第4実施形態で示したパワー半導体装置41と絶縁基板100の接合構造体400を用いている。これにより、高い半導体接合温度(Tj)、且つ広い温度範囲(ΔTj)の冷熱サイクルにおいて、パワー半導体モジュール600を作動させると非常に少ないサイクルで故障してしまうという問題を解決することができる。具体的には、半導体接合温度の最大値Tjmax=300℃以下、温度範囲Tj=−40℃〜300℃(ΔTj=340℃)で高い信頼性が得られる。
As is clear from the configuration of FIG. 7, the
第8実施形態に係るパワー半導体モジュール600は、放熱板にねじ留め機構を備えないので、積層方向から見たパワー半導体モジュール600の大きさを大幅に縮小できる。本実施形態では、接合構造体400が冷却フィン71に直結しているので、放熱板を省略することができる。即ち、本発明の第8実施形態では、装置の小型化と重量の軽量化を達成することが可能である。その結果、モジュールのコストダウンを図ることが可能となる。
Since the
なお、第8実施形態では、上述した第1〜第3実施形態に示した絶縁基板100を適用する例について説明したが、第4,第5実施形態に示した多層セラミック絶縁基板200、300を適用することも可能である。
In the eighth embodiment, the example in which the insulating
以上、実施形態に係わる絶縁基板、多層セラミック絶縁基板、パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体、及びパワー半導体モジュールを説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。 As described above, the insulating substrate, the multilayer ceramic insulating substrate, the joined structure of the power semiconductor device and the insulating substrate, and the power semiconductor module according to the embodiment have been described, but the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is , Can be replaced with any configuration having the same function.
特願2012−184460号(出願日:2012年8月23日)の全内容は、ここに援用される。 The entire contents of Japanese Patent Application No. 2012-184460 (application date: August 23, 2012) are incorporated herein by reference.
以上、実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。 Although the contents of the present invention have been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to these descriptions, and it is obvious to those skilled in the art that various modifications and improvements can be made.
本発明の実施形態によれば、高い半導体接合温度(Tj)、且つ広い温度範囲(ΔTj)の冷熱サイクルにおいて、信頼性の高い絶縁基板を実現することができる。その結果、Cu板の片方或いは双方がセラミック基板から剥離するという故障の発生を回避することができる。本発明の実施形態は、温度サイクルに耐えることが可能なパワー半導体モジュールに利用することができる。 According to the embodiment of the present invention, an insulating substrate with high reliability can be realized in a cooling cycle with a high semiconductor junction temperature (Tj) and a wide temperature range (ΔTj). As a result, it is possible to avoid the occurrence of a failure in which one or both of the Cu plates are separated from the ceramic substrate. Embodiment of this invention can be utilized for the power semiconductor module which can endure a temperature cycle.
12(12a,12b) 低熱伸縮性金属板(CICクラッド金属板)
13 インバー合金板(低熱膨張金属板)
14,15 Cu板
17 ビア窓
18 ビア窓金属板
19 中間金属板
21(21a,21b) セラミック基板
41 パワー半導体装置
50 金属製放熱板
70 水冷冷却器
71 冷却フィン
90 ネジ
100 絶縁基板
200,300 多層セラミック絶縁基板
400 パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体
500,600 パワー半導体モジュール12 (12a, 12b) Low heat stretchable metal plate (CIC clad metal plate)
13 Invar alloy plate (low thermal expansion metal plate)
14, 15
Claims (17)
前記絶縁基板は、
セラミック基板と、
前記セラミック基板の上面および下面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板と、を有し、
前記低熱伸縮性金属板は、
厚みがほぼ等しい一対のCu板と、
前記一対のCu板の間に設けられた、前記Cu板よりも熱膨張係数が低い低熱膨張金属板と、を備えており、
一方の絶縁基板を構成するセラミック基板の下面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板の下面は、他方の絶縁基板を構成するセラミック基板の上面に貼り付けられた低熱伸縮性金属板の上面と接合され、
前記一対のCu板のそれぞれの1枚の厚さは、前記低熱膨張金属板の厚さの1/5以下であることを特徴とする多層セラミック絶縁基板。 A multilayer ceramic insulating substrate formed by joining a plurality of insulating substrates,
The insulating substrate is
A ceramic substrate;
A low thermal stretchable metal plate affixed to the upper and lower surfaces of the ceramic substrate,
The low heat stretchable metal plate is
A pair of Cu plates having substantially the same thickness;
A low thermal expansion metal plate provided between the pair of Cu plates and having a thermal expansion coefficient lower than that of the Cu plate,
The lower surface of the low thermal expansion metal plate attached to the lower surface of the ceramic substrate constituting the one insulating substrate, the upper surface and the bonding of low thermal expansion and contraction of the metal plate affixed to the upper surface of the ceramic substrate constituting the other of the insulating substrate It is,
The multilayer ceramic insulating substrate according to claim 1, wherein a thickness of each of the pair of Cu plates is 1/5 or less of a thickness of the low thermal expansion metal plate .
上面が一方のセラミック基板の下面とろう材を介して接合されており、下面が他方のセラミック基板の上面とろう材を介して接合された中間金属板と、
最上部及び最下部に位置するセラミック基板の外面にそれぞれ貼り付けられた低熱伸縮性金属板と、を有し、
前記低熱伸縮性金属板は、
厚みがほぼ等しい一対のCu板と、
前記一対のCu板の間に設けられた、前記Cu板よりも熱膨張係数が低い低熱膨張金属板と、を備え、
前記一対のCu板のそれぞれの1枚の厚さは、前記低熱膨張金属板の厚さの1/5以下であることを特徴とする多層セラミック絶縁基板。 A plurality of ceramic substrates having substantially the same thickness;
An intermediate metal plate whose upper surface is bonded to the lower surface of one ceramic substrate via a brazing material, and whose lower surface is bonded to the upper surface of the other ceramic substrate via a brazing material;
Low heat stretchable metal plates each affixed to the outer surface of the ceramic substrate located at the top and bottom,
The low heat stretchable metal plate is
A pair of Cu plates having substantially the same thickness;
A low thermal expansion metal plate provided between the pair of Cu plates and having a lower coefficient of thermal expansion than the Cu plate,
The multilayer ceramic insulating substrate according to claim 1, wherein a thickness of each of the pair of Cu plates is 1/5 or less of a thickness of the low thermal expansion metal plate .
パワー半導体装置と、
前記多層セラミック絶縁基板と前記パワー半導体装置との間を接合する耐熱はんだ層と、
を備えることを特徴とするパワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体。 The multilayer ceramic insulating substrate according to any one of claims 1 to 8,
A power semiconductor device;
A heat-resistant solder layer for bonding between the multilayer ceramic insulating substrate and the power semiconductor device;
A bonded structure of a power semiconductor device and an insulating substrate, comprising:
水冷冷却器と、
前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、前記水冷冷却器との間に配設され、且つ平面視面積が前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体より大きい金属製放熱板と、
前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、前記金属製放熱板との間を接合する耐熱はんだと、
前記金属製放熱板と前記水冷冷却器との間を固定するネジと、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。 A joined structure of the power semiconductor device according to claim 12 and an insulating substrate,
A water-cooled cooler,
A metal heatsink disposed between the power semiconductor device and the insulating substrate and the water-cooled cooler and having a larger area in plan view than the power semiconductor device and the insulating substrate.
A joined structure of the power semiconductor device and the insulating substrate, and a heat-resistant solder that joins between the metal heat sink;
A screw for fixing between the metal radiator plate and the water-cooled cooler;
A power semiconductor module comprising:
空冷冷却フィンと、
前記パワー半導体装置と絶縁基板の接合構造体と、前記空冷冷却フィンとの間を接合する耐熱はんだ層と、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。 A joined structure of the power semiconductor device according to claim 12 and an insulating substrate,
Air cooling fins,
A joined structure of the power semiconductor device and the insulating substrate, and a heat-resistant solder layer that joins between the air-cooled cooling fins;
A power semiconductor module comprising:
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