Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

JP6201297B2 - Power module substrate with copper plate and method for manufacturing power module substrate with copper plate - Google Patents

Power module substrate with copper plate and method for manufacturing power module substrate with copper plate Download PDF

Info

Publication number
JP6201297B2
JP6201297B2 JP2012246222A JP2012246222A JP6201297B2 JP 6201297 B2 JP6201297 B2 JP 6201297B2 JP 2012246222 A JP2012246222 A JP 2012246222A JP 2012246222 A JP2012246222 A JP 2012246222A JP 6201297 B2 JP6201297 B2 JP 6201297B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
copper plate
ceramic substrate
substrate
copper
power module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2012246222A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2014096432A (en
Inventor
長友 義幸
義幸 長友
長瀬 敏之
敏之 長瀬
伸幸 寺▲崎▼
伸幸 寺▲崎▼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
Priority to JP2012246222A priority Critical patent/JP6201297B2/en
Publication of JP2014096432A publication Critical patent/JP2014096432A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6201297B2 publication Critical patent/JP6201297B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/181Encapsulation

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられる銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a power module substrate with a copper plate used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage, and a method for manufacturing a power module substrate with a copper plate.

半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、AlN(窒化アルミ)、Al(アルミナ)、Si(窒化ケイ素)などからなる絶縁基板の一方の面側に第一の金属板が接合されてなる回路層と、絶縁基板の他方の面側に第二の金属板が接合されてなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板が用いられる。
このようなパワーモジュール基板では、回路層の上に、はんだ材を介してパワー素子の半導体素子が搭載される。
そして、金属層の他方の面側に、パワーモジュール用基板を冷却するためのヒートシンクが接合される。
Among semiconductor elements, a power module for supplying power has a relatively high calorific value, and for example, AlN (aluminum nitride), Al 2 O 3 (alumina), Si 3 N 4 ( A circuit layer formed by bonding a first metal plate to one surface side of an insulating substrate made of silicon nitride), and a metal layer formed by bonding a second metal plate to the other surface side of the insulating substrate; The board for power modules provided with is used.
In such a power module substrate, a semiconductor element of a power element is mounted on a circuit layer via a solder material.
And the heat sink for cooling the board | substrate for power modules is joined to the other surface side of a metal layer.

例えば、特許文献1には、回路層を構成する第一の金属板を銅板とし、金属層を構成する第二の金属板をアルミニウム板としたパワーモジュール用基板が提案されている。
この構成のパワーモジュール用基板においては、回路層が銅板で構成されているので、回路層の上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱を十分に拡げて放散させることが可能となる。また、金属層がアルミニウム板で構成されているので、ヒートシンクと絶縁基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、金属層において十分に緩和することができ、絶縁基板の割れを抑制することが可能となる。
For example, Patent Document 1 proposes a power module substrate in which a first metal plate constituting a circuit layer is a copper plate and a second metal plate constituting the metal layer is an aluminum plate.
In the power module substrate having this configuration, since the circuit layer is made of a copper plate, it is possible to sufficiently spread and dissipate heat from a heating element such as an electrical component mounted on the circuit layer. . In addition, since the metal layer is made of an aluminum plate, thermal strain caused by the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink and the insulating substrate can be sufficiently relaxed in the metal layer, and cracking of the insulating substrate is suppressed. It becomes possible.

特開2003−197826号公報JP 2003-197826 A

ところで、特許文献1に記載されたパワーモジュール用基板においては、絶縁基板の一方の面に銅板を接合し、絶縁基板の他方の面にアルミニウム板を接合することになる。ここで、銅板と絶縁基板を接合する際の接合温度は、アルミニウム板と絶縁基板を接合する際の接合温度よりも高温であることから、まず、銅板と絶縁基板を接合した後、アルミニウム板と絶縁基板を接合することになる。   By the way, in the board | substrate for power modules described in patent document 1, a copper plate is joined to one surface of an insulated substrate, and an aluminum plate is joined to the other surface of an insulated substrate. Here, since the bonding temperature when bonding the copper plate and the insulating substrate is higher than the bonding temperature when bonding the aluminum plate and the insulating substrate, first, after bonding the copper plate and the insulating substrate, The insulating substrate is bonded.

ここで、絶縁基板の一方の面に銅板を接合した場合、銅板と絶縁基板との熱膨張係数が大きく異なることから、接合後に大きく反りが生じることになる。この状態で、絶縁基板の他方の面側にアルミニウム板を接合しようとしても、アルミニウム板と絶縁基板とが密着せず、接合を良好に行うことができないおそれがあった。
また、加圧することによって反りを矯正してアルミニウム板を接合した場合であっても、絶縁基板の一方の面と他方の面とで異なる金属が接合されることから、やはり反りが生じることになる。特に、アルミニウム板の板厚が銅板の板厚に比べて厚い場合には、反りの発生が顕著となる。
このようにパワーモジュール用基板に反りが生じた場合には、回路層上に半導体素子を接合する際、あるいは、金属層側にヒートシンクを接合する際に、接合界面に隙間が生じて、接合を良好に行うことができないおそれがあった。
Here, when a copper plate is bonded to one surface of the insulating substrate, the thermal expansion coefficients of the copper plate and the insulating substrate are greatly different, so that a large warp occurs after bonding. In this state, even if an aluminum plate is to be bonded to the other surface side of the insulating substrate, the aluminum plate and the insulating substrate are not in close contact with each other, and there is a possibility that the bonding cannot be performed satisfactorily.
Further, even when the aluminum plate is bonded by correcting the warp by applying pressure, the warp still occurs because different metals are bonded on one surface and the other surface of the insulating substrate. . In particular, when the aluminum plate is thicker than the copper plate, warping becomes significant.
When the power module substrate is warped in this way, a gap is generated at the bonding interface when the semiconductor element is bonded on the circuit layer or when the heat sink is bonded to the metal layer side. There was a possibility that it could not be performed well.

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、回路層を銅又は銅合金で構成し、金属層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成した場合であっても、反りの発生を抑制することが可能な銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and suppresses the occurrence of warping even when the circuit layer is made of copper or a copper alloy and the metal layer is made of aluminum or an aluminum alloy. An object of the present invention is to provide a power module substrate with a copper plate and a method for manufacturing a power module substrate with a copper plate.

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の銅板付きパワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備え、前記金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が前記セラミックス基板の他方の面に接合されて構成されており、前記回路層は、銅又は銅合金からなる銅板が前記セラミックス基板の一方の面にろう付けされて構成されており、前記銅板は半導体素子が接合されるダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠と、を有しており、前記銅板の前記ダイパッドが前記セラミックス基板の一方の面にろう付けされており、前記回路層の厚さt と前記金属層の厚さt との関係が、t <t とされていることを特徴としている。 Such problem solution to the, in order to achieve the above object, a substrate for the copper plate with a power module of the present invention, a ceramic substrate, a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate, the ceramic substrate A metal layer formed on the other surface of the ceramic substrate , wherein the metal layer is formed by joining an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate , and the circuit layer includes: A copper plate made of copper or a copper alloy is brazed to one surface of the ceramic substrate , and the copper plate includes a die pad to which a semiconductor element is bonded, a lead portion extending from the die pad, and the lead portion. has a guide frame for connecting said die pad of the copper plate are brazed on one surface of the ceramic substrate, before Relationship between the thickness t 2 of the thickness t 1 of the circuit layer metal layer, is characterized in that there is a t 1 <t 2.

この構成の銅板付きパワーモジュール用基板においては、銅又は銅合金からなる銅板のダイパッドが前記セラミックス基板の一方の面に接合されることによって回路層が構成されており、銅板のダイパッドがリード部を介してガイド枠と連結していることから、銅板の剛性を確保することにより、反りの発生が抑制されることになる。よって、回路層を銅又は銅合金で構成し、金属層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成した場合であっても、反りが発生せず、半導体素子、及び、ヒートシンクを良好に接合することができる。 In the power module substrate with a copper plate of this configuration, a copper layer die pad made of copper or a copper alloy is joined to one surface of the ceramic substrate to form a circuit layer, and the copper plate die pad has a lead portion. Since it is connected to the guide frame via the via, the warpage is suppressed by ensuring the rigidity of the copper plate. Therefore, even when the circuit layer is made of copper or a copper alloy and the metal layer is made of aluminum or an aluminum alloy, warpage does not occur and the semiconductor element and the heat sink can be bonded well.

また、この銅板付きパワーモジュール用基板の金属層側にヒートシンクを接合した場合には、セラミックス基板とヒートシンクとの熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、比較的変形抵抗が小さいアルミニウム又アルミニウム合金で構成された金属層が変形することによって緩和することができることから、セラミックス基板の割れを抑制することが可能となる。
また、上述の銅板付きパワーモジュール用基板においては、電子部品が搭載される搭載面を有する回路層が銅又は銅合金で構成されているので、電子部品から発生する熱を十分に拡げることができ、熱の放散を促進することが可能となる。よって、パワーサイクルを負荷した際の耐久性を向上させることができる。
さらに、前記回路層の厚さt と前記金属層の厚さt との関係が、t <t とされており、比較的変形抵抗が大きい銅又は銅合金からなる回路層の厚さt が、比較的変形抵抗が小さいアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層の厚さt よりも薄く形成されているので、銅板付きパワーモジュール用基板における反りの発生をさらに抑制することができる。
In addition, when a heat sink is bonded to the metal layer side of the power module substrate with a copper plate, the thermal strain caused by the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and the heat sink is reduced by aluminum or an aluminum alloy having a relatively small deformation resistance. Since the metal layer comprised of can be relaxed by deformation, cracking of the ceramic substrate can be suppressed.
Moreover, in the above power module substrate with a copper plate, the circuit layer having the mounting surface on which the electronic component is mounted is made of copper or a copper alloy, so that the heat generated from the electronic component can be sufficiently expanded. It becomes possible to promote heat dissipation. Therefore, durability when a power cycle is loaded can be improved.
Further, the relationship between the thickness t 1 of the circuit layer and the thickness t 2 of the metal layer is t 1 <t 2, and the thickness of the circuit layer made of copper or a copper alloy having a relatively large deformation resistance. Since the thickness t 1 is formed thinner than the thickness t 2 of the metal layer made of aluminum or aluminum alloy having a relatively small deformation resistance , the occurrence of warpage in the power module substrate with a copper plate can be further suppressed. .

ここで、前記銅板は、帯状に形成されており、その長手方向に複数のダイパッドを有しており、そのダイパッドに前記セラミックス基板が接合されていることが好ましい。
この場合、銅板が帯状に形成されており、その長手方向に複数のダイパッドを有していることから、ダイパッド上に半導体素子を搭載し、リード部をガイド枠から切断することによって、連続的に半導体装置を製造することが可能となる。
Here, it is preferable that the copper plate is formed in a strip shape, has a plurality of die pads in the longitudinal direction, and the ceramic substrate is bonded to the die pads.
In this case, since the copper plate is formed in a strip shape and has a plurality of die pads in the longitudinal direction, a semiconductor element is mounted on the die pad, and the lead portion is continuously cut from the guide frame. A semiconductor device can be manufactured.

さらに、本発明の銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、ダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠とを有し、銅又は銅合金からなる銅板を準備し、前記セラミックス基板の一方の面に、前記ダイパッドをろう付けし、前記ダイパッドを前記絶縁基板にろう付けした後、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合することを特徴としている。 Furthermore, method of manufacturing a substrate for the copper plate with a power module of the present invention, a ceramic substrate, a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate, a metal layer formed on the other surface of the ceramic substrate, A power module substrate manufacturing method comprising: a die pad; a lead portion extending from the die pad; and a guide frame connecting the lead portion; and a copper plate made of copper or a copper alloy is prepared. The die pad is brazed to one surface of the ceramic substrate, the die pad is brazed to the insulating substrate, and then an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to the other surface of the ceramic substrate. It is characterized by.

この構成の銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法においては、ダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠とを有する銅板にセラミックス基板を接合することから、銅板の剛性を利用することができ、銅板とセラミックス基板との接合体の反りの発生を抑制することができる。さらに、銅板をセラミックス基板に接合した後、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合することから、アルミニウム板とセラミックス基板との接合信頼性を向上させることができる。 In the method of manufacturing a power module substrate with a copper plate having this configuration, the ceramic substrate is bonded to a copper plate having a die pad, a lead portion extending from the die pad, and a guide frame connecting the lead portion. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of warpage of the joined body between the copper plate and the ceramic substrate . Furthermore, after bonding the copper plate to the ceramic substrate, since joining the aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to the other side of the ceramic substrate, it is possible to improve the reliability of the bonding between the aluminum plate and the ceramic substrate.

本発明によれば、回路層を銅又は銅合金で構成し、金属層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成した場合であっても、反りの発生を抑制することが可能な銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。   According to the present invention, even if the circuit layer is made of copper or a copper alloy and the metal layer is made of aluminum or an aluminum alloy, the power module substrate with a copper plate capable of suppressing the occurrence of warpage and The manufacturing method of the board | substrate for power modules with a copper plate can be provided.

本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules with a copper plate which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the board | substrate for power modules with a copper plate which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板に用いられる枠体の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the frame used for the board | substrate for power modules with a copper plate which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。It is a flowchart of the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a copper plate which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a copper plate which is embodiment of this invention.

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図1に本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板10、この銅板付きパワーモジュール用基板10を用いたパワーモジュール1を示す。
このパワーモジュール1は、回路層12が配設された銅板付きパワーモジュール用基板10と、この銅板付きパワーモジュール用基板10の一方側(図1において上側)の面にはんだ層2を介して接合された半導体素子(電子部品)3と、銅板付きパワーモジュール用基板10の他方側(図1において下側)に配設されたヒートシンク41と、を備えている。また、銅板付きパワーモジュール用基板10及び半導体素子3は、外装樹脂6によって封止されており、後述する銅板30のリード部33が外装樹脂6から外部に向けて突出するように構成されている。
ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層12とはんだ層2との間にNiめっき層(図示なし)が設けられている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a power module substrate 10 with a copper plate and a power module 1 using this power module substrate 10 with a copper plate according to an embodiment of the present invention.
The power module 1 is bonded to a power module substrate 10 with a copper plate on which a circuit layer 12 is disposed, and a surface on one side (upper side in FIG. 1) of the power module substrate 10 with a copper plate via a solder layer 2. And a heat sink 41 disposed on the other side (lower side in FIG. 1) of the power module substrate 10 with a copper plate. The power module substrate 10 with the copper plate and the semiconductor element 3 are sealed by the exterior resin 6, and a lead portion 33 of the copper plate 30 described later is configured to protrude outward from the exterior resin 6. .
Here, the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material. In the present embodiment, a Ni plating layer (not shown) is provided between the circuit layer 12 and the solder layer 2.

銅板付きパワーモジュール用基板10は、図1及び図2に示すように、セラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面(図1及び図2において上面)に配設された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図1及び図2において下面)に配設された金属層13と、を備えている。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものである。本実施形態では、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the power module substrate 10 with a copper plate includes a ceramic substrate 11 and a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIGS. 1 and 2) of the ceramic substrate 11. And a metal layer 13 disposed on the other surface (the lower surface in FIGS. 1 and 2) of the ceramic substrate 11.
The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13. In this embodiment, it is comprised with AlN (aluminum nitride) with high insulation. In addition, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm.

回路層12は、銅又は銅合金からなる銅板30が、セラミックス基板11の一方の面に接合されることにより形成されている。
この銅板30は、半導体素子3が接合されるダイパット32と、このダイパッド32から延出するリード部33と、リード部33を連結するガイド枠31と、を備えている。そして、ダイパット32が、セラミックス基板11の一方の面に接合されて、回路層12を構成することになる。また、この銅板30のリード部33が、外装樹脂6から外部に向けて突出するように配置されることになる。
なお、本実施形態においては、銅板30として、図3に示すように、複数のダイパット32がガイド枠31の延在方向に連結された帯材を用いている。
The circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate 30 made of copper or a copper alloy to one surface of the ceramic substrate 11.
The copper plate 30 includes a die pad 32 to which the semiconductor element 3 is bonded, a lead portion 33 extending from the die pad 32, and a guide frame 31 that connects the lead portion 33. The die pad 32 is bonded to one surface of the ceramic substrate 11 to constitute the circuit layer 12. Further, the lead portion 33 of the copper plate 30 is disposed so as to protrude outward from the exterior resin 6.
In the present embodiment, as the copper plate 30, as shown in FIG. 3, a strip material in which a plurality of die pads 32 are connected in the extending direction of the guide frame 31 is used.

金属層13は、図5に示すように、セラミックス基板11の他方の面に、アルミニウム板23が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、金属層13となるアルミニウム板23は、純度が99.99質量%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板とされている。なお、このアルミニウム板23は、0.2%耐力が30N/mm以下とされている。
As shown in FIG. 5, the metal layer 13 is formed by bonding an aluminum plate 23 to the other surface of the ceramic substrate 11.
In this embodiment, the aluminum plate 23 to be the metal layer 13 is a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more. The aluminum plate 23 has a 0.2% proof stress of 30 N / mm 2 or less.

ここで、本実施形態においては、図2に示すように、回路層12(銅板30のダイパット32)の厚さtが、0.1mm≦t≦0.6mmの範囲内に設定されて、金属層13(アルミニウム板23)の厚さtが、0.6mm≦t≦6mmの範囲内に設定されており、さらに、回路層12の厚さtと金属層13の厚さtとの関係がt<tとされている。なお、回路層12の厚さtと金属層13の厚さtとの関係が、t/t≧2.5とされていることが好ましい。
本実施形態では、回路層12(銅板30のダイパット32)の厚さtがt=0.3mm、金属層13(アルミニウム板23)の厚さtがt=2.0mmに設定され、t/t=6.67とされている
Here, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the thickness t 1 of the circuit layer 12 (the die pad 32 of the copper plate 30) is set within a range of 0.1 mm ≦ t 1 ≦ 0.6 mm. The thickness t 2 of the metal layer 13 (aluminum plate 23) is set in the range of 0.6 mm ≦ t 2 ≦ 6 mm, and the thickness t 1 of the circuit layer 12 and the thickness of the metal layer 13 are set. The relationship with t 2 is t 1 <t 2 . The relationship between the thickness t 2 of the thickness t 1 and the metal layer 13 of the circuit layer 12, which is preferably a t 2 / t 1 ≧ 2.5.
In the present embodiment, the thickness t 1 of the circuit layer 12 (die pad 32 of the copper plate 30) is set to t 1 = 0.3 mm, and the thickness t 2 of the metal layer 13 (aluminum plate 23) is set to t 2 = 2.0 mm. T 2 / t 1 = 6.67

ヒートシンク41は、前述の銅板付きパワーモジュール用基板10からの熱を放散するためのものである。
本実施形態においては、ヒートシンク41は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、具体的にはA6063合金の圧延板とされている。また、ヒートシンク41の厚さは1mm以上10mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、5mmに設定されている。なお、ヒートシンク41と金属層13とは、Al―Si系のろう材を用いて接合されている。
The heat sink 41 is for dissipating heat from the power module substrate 10 with a copper plate described above.
In the present embodiment, the heat sink 41 is made of aluminum or an aluminum alloy, and specifically, is a rolled plate of A6063 alloy. Further, the thickness of the heat sink 41 is set within a range of 1 mm or more and 10 mm or less, and is set to 5 mm in the present embodiment. The heat sink 41 and the metal layer 13 are joined using an Al—Si brazing material.

以下に、前述の構成の銅板付きパワーモジュール用基板10の製造方法について、図4、図5を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 10 for power modules with a copper plate of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to FIG. 4, FIG.

まず、回路層12となる銅板30(ダイパッド32)と、セラミックス基板11とを接合する(回路層形成工程S01)。ここで、セラミックス基板11と回路層12となる銅板30(ダイパッド32)の接合は、いわゆる活性金属ろう付け法にて行った。
本実施形態では、図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面側に、回路層12となる銅板30のダイパット32が、活性ろう材24を介して接合される(積層工程S11)。なお、本実施形態においては、Ag−27.4質量%Cu−2.0質量%Tiからなる活性ろう材24を用いた。
First, the copper plate 30 (die pad 32) to be the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11 are joined (circuit layer forming step S01). Here, the ceramic substrate 11 and the copper plate 30 (die pad 32) to be the circuit layer 12 were joined by a so-called active metal brazing method.
In this embodiment, as shown in FIG. 5, the die pad 32 of the copper plate 30 which becomes the circuit layer 12 is joined to one surface side of the ceramic substrate 11 via the active brazing material 24 (lamination step S11). In the present embodiment, an active brazing material 24 made of Ag-27.4 mass% Cu-2.0 mass% Ti was used.

この状態で、セラミックス基板11、銅板30(ダイパッド32)を積層方向に9.8×10Pa(1kgf/cm)以上343×10Pa(35kgf/cm)以下の範囲で加圧した状態で加熱炉内に装入して加熱する(加熱工程S12)。すると、活性ろう材24と銅板30(ダイパッド32)の一部とが溶融し、銅板30(ダイパッド32)とセラミックス基板11との界面に溶融金属領域が形成される。ここで、加熱温度は850℃、加熱時間は10分とされている。 In this state, the ceramic substrate 11, the copper plate 30 (die pad 32) the stacking direction 9.8 × 10 4 Pa (1kgf / cm 2) or more 343 × 10 4 Pa (35kgf / cm 2) was pressurized with the following ranges In a state, it is charged into a heating furnace and heated (heating step S12). Then, the active brazing material 24 and a part of the copper plate 30 (die pad 32) are melted, and a molten metal region is formed at the interface between the copper plate 30 (die pad 32) and the ceramic substrate 11. Here, the heating temperature is 850 ° C. and the heating time is 10 minutes.

そして、銅板30(ダイパッド32)とセラミックス基板11との界面に形成された溶融金属領域を凝固させることにより、セラミックス基板11と銅板30(ダイパッド32)とを接合する(凝固工程S13)。
これにより、回路層12が形成されることになる。
And the ceramic substrate 11 and the copper plate 30 (die pad 32) are joined by solidifying the molten metal area | region formed in the interface of the copper plate 30 (die pad 32) and the ceramic substrate 11 (solidification process S13).
As a result, the circuit layer 12 is formed.

次に、セラミックス基板11の他方の面側に金属層13となるアルミニウム板23を接合する(金属層形成工程S02)。本実施形態では、図5に示すように、セラミックス基板11の他方の面側に、金属層13となるアルミニウム板23が厚さ5〜50μm(本実施形態では14μm)のろう材箔25を介して積層される(積層工程S21)。なお、本実施形態においては、ろう材箔25は、融点降下元素であるSiを含有したAl−Si系のろう材とされている。
この状態で、セラミックス基板11、アルミニウム板23を積層方向に9.8×10Pa(1kgf/cm)以上343×10Pa(35kgf/cm)以下の範囲で加圧した状態で加熱炉内に装入して加熱する(加熱工程S22)。すると、ろう材箔25とアルミニウム板23の一部とが溶融し、アルミニウム板23とセラミックス基板11との界面に溶融金属領域が形成される。ここで、加熱温度は550℃以上650℃以下、加熱時間は30分以上180分以下とされている。
そして、アルミニウム板23とセラミックス基板11との界面に形成された溶融金属領域を凝固させることにより、セラミックス基板11とアルミニウム板23とを接合する(凝固工程S23)。
このような工程により、本実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板10が製出される。
Next, an aluminum plate 23 to be the metal layer 13 is joined to the other surface side of the ceramic substrate 11 (metal layer forming step S02). In the present embodiment, as shown in FIG. 5, an aluminum plate 23 to be the metal layer 13 is disposed on the other surface side of the ceramic substrate 11 with a brazing material foil 25 having a thickness of 5 to 50 μm (14 μm in this embodiment). Are stacked (stacking step S21). In the present embodiment, the brazing material foil 25 is an Al—Si based brazing material containing Si which is a melting point lowering element.
In this state, the ceramic substrate 11, heated in the range of the aluminum plate 23 below the laminating direction to 9.8 × 10 4 Pa (1kgf / cm 2) or more 343 × 10 4 Pa (35kgf / cm 2) with pressurized state The furnace is charged and heated (heating step S22). Then, the brazing filler metal foil 25 and a part of the aluminum plate 23 are melted, and a molten metal region is formed at the interface between the aluminum plate 23 and the ceramic substrate 11. Here, the heating temperature is 550 ° C. or more and 650 ° C. or less, and the heating time is 30 minutes or more and 180 minutes or less.
And the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 are joined by solidifying the molten metal area | region formed in the interface of the aluminum plate 23 and the ceramic substrate 11 (solidification process S23).
Through this process, the power module substrate 10 with a copper plate according to the present embodiment is produced.

以上のような構成とされた本実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板10によれば、銅板30のダイパット32がセラミックス基板11に接合されることによって回路層12が形成されているので、銅板30のガイド枠31等によって回路層12の剛性が確保されており、この銅板付きパワーモジュール用基板10の反りを抑制することが可能となる。よって、セラミックス基板11の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板30を接合し、セラミックス基板11の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合した場合であっても、銅板付きパワーモジュール用基板10の反りを抑制できるのである。   According to the power module substrate 10 with a copper plate according to the present embodiment configured as described above, the circuit layer 12 is formed by bonding the die pad 32 of the copper plate 30 to the ceramic substrate 11. The rigidity of the circuit layer 12 is secured by the 30 guide frames 31 and the like, and the warp of the power module substrate 10 with a copper plate can be suppressed. Therefore, even when a copper plate 30 made of copper or a copper alloy is bonded to one surface of the ceramic substrate 11 and an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to the other surface of the ceramic substrate 11, The warpage of the module substrate 10 can be suppressed.

このように反りが抑制されていることから、回路層12の上に半導体素子3をはんだ接合した場合であっても、はんだ層2に歪みが負荷されることを抑制でき、接合信頼性を向上させることができる。
また、金属層13とヒートシンク41とを積層配置しても、これらの間に隙間が生じることがなく、金属層13にヒートシンク41を良好に接合することが可能となる。
Since the warpage is suppressed in this way, even when the semiconductor element 3 is soldered on the circuit layer 12, it is possible to suppress the strain from being applied to the solder layer 2 and to improve the bonding reliability. Can be made.
Further, even if the metal layer 13 and the heat sink 41 are laminated, no gap is generated between them, and the heat sink 41 can be satisfactorily bonded to the metal layer 13.

また、この銅板付きパワーモジュール用基板10の金属層13側にヒートシンク41を接合しているので、セラミックス基板11とヒートシンク41との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、比較的変形抵抗が小さいアルミニウム板23からなる金属層13が変形することによって緩和することができることから、ヒートサイクルを負荷した際のセラミックス基板11の割れを抑制することが可能となる。
さらに、本実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板10においては、半導体素子3が搭載される搭載面を有する回路層12が銅又は銅合金で構成されているので、半導体素子3から発生する熱を十分に拡げることができ、熱の放散を促進することが可能となる。よって、パワーサイクルを負荷した際の耐久性を向上させることができる。
Further, since the heat sink 41 is bonded to the metal layer 13 side of the power module substrate 10 with a copper plate, the thermal distortion caused by the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate 11 and the heat sink 41 is relatively reduced in deformation resistance. Since the metal layer 13 made of the small aluminum plate 23 can be relaxed by deformation, it is possible to suppress cracking of the ceramic substrate 11 when a heat cycle is applied.
Furthermore, in the power module substrate 10 with a copper plate according to the present embodiment, the circuit layer 12 having the mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted is made of copper or a copper alloy. Can be sufficiently expanded, and heat dissipation can be promoted. Therefore, durability when a power cycle is loaded can be improved.

また、本実施形態においては、銅板30のダイパット32がセラミックス基板11に接合されて回路層12とされるとともに、リード部33が外装樹脂6から外部に向けて突出するように配置して構成されていることから、このリード部33を外部端子として用いることができ、パワーモジュール1等の半導体装置を簡単に構成することが可能となる。   In the present embodiment, the die pad 32 of the copper plate 30 is joined to the ceramic substrate 11 to form the circuit layer 12, and the lead portion 33 is disposed so as to protrude outward from the exterior resin 6. Therefore, the lead portion 33 can be used as an external terminal, and a semiconductor device such as the power module 1 can be easily configured.

さらに、本実施形態では、回路層12の厚さtと金属層13の厚さtとの関係が、t<tとされているので、銅板付きパワーモジュール用基板10における反りの発生を抑制することができる。また、比較的変形抵抗の大きい銅又は銅合金で構成された回路層12によってセラミックス基板11が必要以上に拘束されず、かつ、比較的変形抵抗の小さいアルミニウム板23で構成された金属層13が十分に厚く、銅板付きパワーモジュール用基板10に負荷される応力を緩和することができ、セラミックス基板11の割れを抑制することができる。
本実施形態においては、回路層12の厚さtと金属層13の厚さtとの関係が、t/t≧2.5とされているので、銅板付きパワーモジュール用基板10における反りの発生を確実に抑制することができる。
Furthermore, in the present embodiment, the relationship between the thickness t 2 of the thickness t 1 and the metal layer 13 of the circuit layer 12, t 1 <because there is a t 2, the warpage in the substrate 10 for power module with copper Occurrence can be suppressed. Further, the ceramic layer 11 is not restrained more than necessary by the circuit layer 12 made of copper or copper alloy having a relatively large deformation resistance, and the metal layer 13 made of an aluminum plate 23 having a relatively small deformation resistance. It is sufficiently thick to relieve stress applied to the power module substrate 10 with a copper plate, and to suppress cracking of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, the relationship between the thickness t 2 of the thickness t 1 and the metal layer 13 of the circuit layer 12, since there is a t 2 / t 1 ≧ 2.5, substrate copper with a power module 10 It is possible to reliably suppress the occurrence of warping.

また、本実施形態においては、ガイド枠31の長手方向に複数のダイパッド32が連結された帯材を用いているので、この銅板付きパワーモジュール用基板10を効率よく製造することができる。   Moreover, in this embodiment, since the strip | belt material with which the several die pad 32 was connected in the longitudinal direction of the guide frame 31 is used, this board | substrate 10 for power modules with a copper plate can be manufactured efficiently.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、銅又は銅合金からなる回路層とセラミックス基板とを、いわゆる活性金属ろう付け法を用いて接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、DBC法等を用いて接合してもよい。
アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層とセラミックス基板とをろう材を用いて接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、過渡液相接合法(Transient Liquid Phase Bonding)、鋳造法、金属ペースト法等を用いて接合してもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, the circuit layer made of copper or copper alloy and the ceramic substrate have been described as being bonded using a so-called active metal brazing method, but the present invention is not limited to this, and the bonding is performed using the DBC method or the like. May be.
Although it demonstrated as what joins the metal layer which consists of aluminum or aluminum alloy, and a ceramic substrate using a brazing material, it is not limited to this, Transient liquid phase bonding method (Transient Liquid Phase Bonding), casting method, You may join using a metal paste method etc.

また、絶縁基板として、AlNからなるセラミックス基板を用いたもので説明したが、これに限定されることはなく、Al、Si等の他のセラミックス基板であってもよいし、樹脂等で構成されたものであってもよい。
さらに、外装樹脂、ヒートシンク等の構造についても、本実施形態に限定されることはなく、他の構造のものであってもよい。
Moreover, although the ceramic substrate made of AlN is used as the insulating substrate, the present invention is not limited to this, and other ceramic substrates such as Al 2 O 3 , Si 3 N 4 may be used. It may be composed of a resin or the like.
Furthermore, the structure of the exterior resin, the heat sink, and the like is not limited to the present embodiment, and may have another structure.

10 銅板付きパワーモジュール用基板
11 セラミックス基板(絶縁基板)
12 回路層
13 金属層
30 銅板
23 アルミニウム板
10 Copper Module Power Module Substrate 11 Ceramic Substrate (Insulating Substrate)
12 circuit layer 13 metal layer 30 copper plate 23 aluminum plate

Claims (3)

セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備え、
前記金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が前記セラミックス基板の他方の面に接合されて構成されており、
前記回路層は、銅又は銅合金からなる銅板が前記セラミックス基板の一方の面にろう付けされて構成されており、
前記銅板は半導体素子が接合されるダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠と、を有しており、前記銅板の前記ダイパッドが前記セラミックス基板の一方の面にろう付けされており、
前記回路層の厚さt と前記金属層の厚さt との関係が、t <t とされていることを特徴とする銅板付きパワーモジュール用基板。
Comprising: a ceramic substrate, a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate, and a second surface which is formed on the metal layer of the ceramic substrate,
The metal layer is configured by joining an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate ,
The circuit layer is configured by brazing a copper plate made of copper or a copper alloy to one surface of the ceramic substrate ,
The copper plate includes a die pad to which a semiconductor element is bonded, a lead portion extending from the die pad, and a guide frame for connecting the lead portion, and the die pad of the copper plate is one of the ceramic substrates . Brazed to the surface,
The thickness t 1 and the relationship between the thickness t 2 of the metal layer, t 1 <copper plate with a power module substrate, characterized in that there is a t 2 of the circuit layer.
前記銅板は、帯状に形成されており、その長手方向に複数のダイパッドを有しており、前記ダイパッドに前記セラミックス基板が接合されていることを特徴とする請求項1に記載の銅板付きパワーモジュール用基板。 The said copper plate is formed in strip | belt shape, has a some die pad in the longitudinal direction, The said ceramic substrate is joined to the said die pad, The power module with a copper plate of Claim 1 characterized by the above-mentioned. Substrate. セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えた銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法であって、
銅又は銅合金からなり、ダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠と、を有する銅板を準備し、
前記セラミックス基板の一方の面に、前記ダイパッドをろう付けし、
前記ダイパッドを前記セラミックス基板にろう付けした後、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合することを特徴とする銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法。
A ceramic substrate, wherein a circuit layer formed on one surface of a ceramic substrate, a method of manufacturing a substrate for the copper plate with a power module and a metal layer formed on the other surface of the ceramic substrate,
A copper plate made of copper or a copper alloy, having a die pad, a lead part extending from the die pad, and a guide frame connecting the lead part, is prepared,
Brazing the die pad to one surface of the ceramic substrate ;
After brazing the die pad to the ceramic substrate , an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy is joined to the other surface of the ceramic substrate .
JP2012246222A 2012-11-08 2012-11-08 Power module substrate with copper plate and method for manufacturing power module substrate with copper plate Expired - Fee Related JP6201297B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012246222A JP6201297B2 (en) 2012-11-08 2012-11-08 Power module substrate with copper plate and method for manufacturing power module substrate with copper plate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012246222A JP6201297B2 (en) 2012-11-08 2012-11-08 Power module substrate with copper plate and method for manufacturing power module substrate with copper plate

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014096432A JP2014096432A (en) 2014-05-22
JP6201297B2 true JP6201297B2 (en) 2017-09-27

Family

ID=50939299

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012246222A Expired - Fee Related JP6201297B2 (en) 2012-11-08 2012-11-08 Power module substrate with copper plate and method for manufacturing power module substrate with copper plate

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6201297B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016125673A1 (en) * 2015-02-02 2016-08-11 株式会社村田製作所 Semiconductor module and power control unit
JP2017135262A (en) * 2016-01-28 2017-08-03 株式会社村田製作所 Semiconductor module

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59205731A (en) * 1983-05-09 1984-11-21 Mitsubishi Electric Corp Manufacture of semiconductor device
JPH0434744U (en) * 1990-07-17 1992-03-23
JPH07176664A (en) * 1993-10-25 1995-07-14 Toshiba Corp Semiconductor device and fabrication thereof
JP3516789B2 (en) * 1995-11-15 2004-04-05 三菱電機株式会社 Semiconductor power module
JP3261965B2 (en) * 1996-02-21 2002-03-04 富士電機株式会社 Semiconductor device
TW200642550A (en) * 2005-05-25 2006-12-01 Cyntec Co Ltd Power module package structure
JP4883684B2 (en) * 2006-08-02 2012-02-22 日本インター株式会社 Method for manufacturing insulated high power semiconductor device
JP2009123953A (en) * 2007-11-15 2009-06-04 Omron Corp Transfer mold power module
JP5206007B2 (en) * 2008-02-15 2013-06-12 オムロン株式会社 Power module structure
EP2259308B1 (en) * 2008-03-17 2022-06-15 Mitsubishi Materials Corporation Substrate for power module with heat sink and method for producing the same, power module with heat sink, and substrate for power module
JP5577980B2 (en) * 2010-09-16 2014-08-27 三菱マテリアル株式会社 Power module substrate with heat sink, power module, and method for manufacturing power module substrate with heat sink
JP2012186201A (en) * 2011-03-03 2012-09-27 Toyota Motor Corp Cooling structure of semiconductor device
JP5910166B2 (en) * 2012-02-29 2016-04-27 三菱マテリアル株式会社 Power module substrate manufacturing method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014096432A (en) 2014-05-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6111764B2 (en) Power module substrate manufacturing method
KR102097177B1 (en) Power module substrate, power module substrate with heat sink, and power module
JP4524716B2 (en) Power module substrate with heat sink and method for manufacturing the same, power module with heat sink, and substrate for power module
KR102170623B1 (en) Substrate for power modules, substrate with heat sink for power modules, and power module
JP2013229579A5 (en)
WO2014148425A1 (en) Method for manufacturing bonded body and method for manufacturing power-module substrate
JP5957862B2 (en) Power module substrate
JP5125241B2 (en) Power module substrate manufacturing method
JP5935292B2 (en) Method for manufacturing power module substrate, method for manufacturing power module substrate with heat sink
WO2011040313A1 (en) Semiconductor module, process for production thereof
KR102154369B1 (en) Power module
JP2010010561A (en) Power module substrate and method of manufacturing the same
JP2010098059A (en) Substrate for power module with heat sink, power module with heat sink, substrate for power module with buffer layer, and method of manufacturing substrate for power module with heat sink
JP5987418B2 (en) Manufacturing method of power module substrate with heat sink
JP6129090B2 (en) Power module and method for manufacturing power module
JP6201297B2 (en) Power module substrate with copper plate and method for manufacturing power module substrate with copper plate
JP5765131B2 (en) Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, and method for manufacturing power module substrate
JP5772088B2 (en) Power module substrate manufacturing method and power module substrate
JP6303420B2 (en) Power module substrate
JP2010238963A (en) Substrate for power module, method for manufacturing substrate for power module, and power module
JP2010238965A (en) Substrate for power module, method for manufacturing substrate for power module, and power module
JP2014143342A (en) Semiconductor module and manufacturing method of the same
JP2014072314A (en) Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method
JP6237058B2 (en) Power module substrate with copper plate and method for manufacturing power module substrate with copper plate
JP5648705B2 (en) Power module substrate with heat sink, power module with heat sink and power module substrate with buffer layer

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150930

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160513

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160517

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160715

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20161220

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170213

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170801

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170814

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6201297

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees