JP2001085580A - Substrate for semiconductor module and production thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は半導体モジュール用
基板及びその製造方法に関し、特に大量の熱を発する半
導体チップを搭載するためのパワーモジュール用基板等
の半導体モジュール用基板及びその製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor module substrate and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor module substrate such as a power module substrate for mounting a semiconductor chip which generates a large amount of heat and a method of manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来のこの種半導体モジュール用基板と
しては、例えば図3に示すようなパワーモジュール用基
板が知られている。このパワーモジュール用基板30
は、セラミック基板からなる絶縁基板31の上面にろう
材32を介して配線金属板33が張り合わせられる一
方、絶縁基板31の下面にろう材34を介してヒートシ
ンク35が接合された構造を有している。このようなパ
ワーモジュール用基板30では、配線金属板33上に半
導体チップ20が搭載され、半導体チップ20上面に形
成されたパッド電極(図示略)と配線金属板33のパッ
ド電極部33aとがワイヤー21にてボンディングされ
るようになっている。2. Description of the Related Art As a conventional semiconductor module substrate of this type, for example, a power module substrate as shown in FIG. 3 is known. This power module substrate 30
Has a structure in which a wiring metal plate 33 is bonded to an upper surface of an insulating substrate 31 made of a ceramic substrate via a brazing material 32, while a heat sink 35 is joined to a lower surface of the insulating substrate 31 via a brazing material 34. I have. In such a power module substrate 30, the semiconductor chip 20 is mounted on the wiring metal plate 33, and the pad electrode (not shown) formed on the upper surface of the semiconductor chip 20 and the pad electrode portion 33a of the wiring metal plate 33 are connected by wires. At 21, bonding is performed.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】半導体モジュール用基
板は、特にパワーモジュール用基板として用いられる場
合、搭載する半導体チップ20が大電流の通流によって
大量の熱を発することから優れた放熱特性を有している
ことが要求される。このため、半導体チップ20とヒー
トシンク35との間に位置することになる絶縁基板31
についても優れた放熱特性を有すること、つまり高い熱
伝導率を有することが要求される。しかしながら、高熱
伝導率を有する例えばAlN基板等のセラミック基板は
一般に非常に高価なものであるため、このようなセラミ
ック基板を絶縁基板31に用いると半導体モジュール用
基板の価格も高くなってしまう。このため、安価でかつ
高熱伝導率を有する絶縁材料の開発、あるいは半導体チ
ップ20からヒートシンク35への伝熱特性に優れかつ
安価な構造の半導体モジュール用基板の開発が切望され
ている。The semiconductor module substrate has excellent heat radiation characteristics, especially when used as a power module substrate, since the mounted semiconductor chip 20 generates a large amount of heat when a large current flows. Is required. Therefore, the insulating substrate 31 located between the semiconductor chip 20 and the heat sink 35
Is also required to have excellent heat radiation characteristics, that is, to have high thermal conductivity. However, a ceramic substrate having a high thermal conductivity, such as an AlN substrate, is generally very expensive. Therefore, if such a ceramic substrate is used as the insulating substrate 31, the price of the semiconductor module substrate will increase. Therefore, development of an insulating material that is inexpensive and has a high thermal conductivity or development of a semiconductor module substrate having an excellent heat transfer characteristic from the semiconductor chip 20 to the heat sink 35 and having an inexpensive structure has been desired.
【0004】また、パワーモジュール用基板等の半導体
モジュール用基板では、搭載された半導体チップの動作
/休止による周期的な温度変化(温度サイクル)によっ
て、構成要素間の熱膨張係数の差に起因する熱応力が生
じるが、この熱応力が過大である場合、絶縁基板や半導
体チップにクラック等が生じてしまい信頼性が低下する
ことがある。そのため上記した絶縁材料や構造の開発で
は、放熱特性と構成要素間の熱膨張係数の差との両面を
考慮した開発が前提となっている。In a semiconductor module substrate such as a power module substrate, a difference in thermal expansion coefficient between components occurs due to a periodic temperature change (temperature cycle) due to operation / pause of a mounted semiconductor chip. Thermal stress is generated. If the thermal stress is excessive, cracks or the like may occur in the insulating substrate or the semiconductor chip, and the reliability may be reduced. Therefore, in the development of the above-mentioned insulating material and structure, it is premised that the development considering both the heat radiation characteristic and the difference in the coefficient of thermal expansion between the constituent elements is taken into consideration.
【0005】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
って、放熱特性に優れ、特に半導体チップの搭載部分が
優れた熱伝導特性を有し、熱応力に起因するクラック等
の発生を防止することができながら、しかも安価な半導
体モジュール用基板及びその製造方法を提供することを
目的としている。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and has an excellent heat radiation property, particularly, a portion on which a semiconductor chip is mounted has excellent heat conduction properties, and prevents cracks and the like caused by thermal stress. It is an object of the present invention to provide an inexpensive semiconductor module substrate and a method for manufacturing the same.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段及びその効果】上記目的を
達成するために本発明に係る半導体モジュール用基板
(1)は、半導体チップを搭載するための半導体モジュ
ール用基板において、第1のヒートシンクと、該第1の
ヒートシンク上に接合されて前記半導体チップの搭載部
分が開口した絶縁基板と、該絶縁基板の前記開口部分に
おいて前記第1のヒートシンク上に接合され、前記半導
体チップが接合される第2のヒートシンクとを備えてい
ることを特徴としている。In order to achieve the above object, a semiconductor module substrate (1) according to the present invention is a semiconductor module substrate for mounting a semiconductor chip, comprising: a first heat sink; An insulating substrate joined to the first heat sink and opening the mounting portion of the semiconductor chip; and a second joining the semiconductor chip to the first heat sink at the opening portion of the insulating substrate. 2 heat sinks.
【0007】上記した半導体モジュール用基板(1)に
よれば、前記第1のヒートシンクへの伝熱特性に優れて
いることが要求される半導体チップの搭載部分が前記第
2のヒートシンクで構成され、該第2のヒートシンクが
前記絶縁基板を介さずにその開口部分から直接的に前記
第1のヒートシンク上に接合されているため、前記第2
のヒートシンク上に半導体チップを搭載した場合、該半
導体チップで発生した熱を前記第2のヒートシンクから
前記第1のヒートシンクへと効率良く伝熱させて放熱さ
せることができる。また、前記絶縁基板には直接的に半
導体チップが搭載されないことから、特に熱伝導性に優
れた材料を用いて構成する必要が少ない。このため、前
記絶縁基板の構成材料として、例えば安価なアルミナ
(Al2 O3 )やAlNの中では熱伝導率が比較的低く
比較的安価なAlN等を用いることが可能となる。According to the semiconductor module substrate (1), the mounting portion of the semiconductor chip required to have excellent heat transfer characteristics to the first heat sink is constituted by the second heat sink, Since the second heat sink is directly joined to the first heat sink from an opening portion thereof without passing through the insulating substrate, the second heat sink is connected to the second heat sink.
When the semiconductor chip is mounted on the heat sink, the heat generated by the semiconductor chip can be efficiently transferred from the second heat sink to the first heat sink to release the heat. Further, since a semiconductor chip is not directly mounted on the insulating substrate, it is not necessary to use a material having particularly excellent thermal conductivity. For this reason, as a constituent material of the insulating substrate, for example, among inexpensive alumina (Al 2 O 3 ) and AlN, AlN having a relatively low thermal conductivity and relatively inexpensive can be used.
【0008】さらに、前記第2のヒートシンクを前記半
導体チップと熱膨張係数の差が小さい材料で構成するこ
とも容易であり、温度サイクルによって生じる熱応力に
起因して半導体チップ等にクラックが発生するのを阻止
して、温度サイクルに対する信頼性を高めることができ
る。Further, it is easy to form the second heat sink from a material having a small difference in thermal expansion coefficient from that of the semiconductor chip, and cracks occur in the semiconductor chip and the like due to thermal stress generated by a temperature cycle. And the reliability with respect to the temperature cycle can be improved.
【0009】また、本発明に係る半導体モジュール用基
板(2)は、上記半導体モジュール用基板(1)におい
て、前記第2のヒートシンクが、前記絶縁基板の熱伝導
率よりも高い熱伝導率を有した材料を用いて形成されて
いることを特徴としている。Also, in the semiconductor module substrate (2) according to the present invention, in the semiconductor module substrate (1), the second heat sink has a higher thermal conductivity than the thermal conductivity of the insulating substrate. It is characterized in that it is formed using the above-mentioned material.
【0010】上記した半導体モジュール用基板(2)に
よれば、半導体チップが直接的に搭載される部分である
前記第2のヒートシンクが前記絶縁基板よりも熱伝導率
の高い材料で形成されていることから、前記第2のヒー
トシンク上に半導体チップを搭載した場合、該半導体チ
ップで発生した熱を前記第2のヒートシンクから前記第
1のヒートシンクを介して極めて効率良く放熱させるこ
とができる。したがって、放熱特性に優れた半導体モジ
ュール用基板を実現することができる。According to the semiconductor module substrate (2), the second heat sink, which is a portion on which the semiconductor chip is directly mounted, is formed of a material having higher thermal conductivity than the insulating substrate. Therefore, when a semiconductor chip is mounted on the second heat sink, heat generated in the semiconductor chip can be extremely efficiently radiated from the second heat sink via the first heat sink. Therefore, a semiconductor module substrate having excellent heat radiation characteristics can be realized.
【0011】また、本発明に係る半導体モジュール用基
板(3)は、上記半導体モジュール用基板(1)又は
(2)のいずれかにおいて、前記第2のヒートシンク
が、前記半導体チップの熱膨張係数に近い熱膨張係数を
有した材料を用いて形成されていることを特徴としてい
る。上記した半導体モジュール用基板(3)によれば、
前記半導体チップと前記第2のヒートシンクとの熱膨張
係数の差が小さいため、前記第2のヒートシンク上に半
導体チップを搭載した場合、該半導体チップと前記第2
のヒートシンクとの間の接合部や前記半導体チップに過
大な熱応力が作用することがない。よって、熱応力によ
る前記半導体チップ等の破壊を防止することができて温
度サイクルに対する信頼性を高めることができる。In the semiconductor module substrate (3) according to the present invention, in any one of the semiconductor module substrates (1) and (2), the second heat sink may have a coefficient of thermal expansion of the semiconductor chip. It is characterized by being formed using a material having a similar thermal expansion coefficient. According to the semiconductor module substrate (3) described above,
Since the difference in the coefficient of thermal expansion between the semiconductor chip and the second heat sink is small, when the semiconductor chip is mounted on the second heat sink, the semiconductor chip and the second
Excessive thermal stress does not act on the junction between the heat sink and the semiconductor chip. Therefore, it is possible to prevent the destruction of the semiconductor chip and the like due to thermal stress, and it is possible to enhance the reliability with respect to the temperature cycle.
【0012】また、本発明に係る半導体モジュール用基
板(4)は、上記半導体モジュール用基板(2)又は
(3)において、前記第2のヒートシンクが、Mo、
W、Mo−Cu、W−Cuのうちのいずれかを用いて形
成されていることを特徴としている。Mo、W、Mo−
Cu、W−Cuはいずれも、熱伝導率が高く、かつ半導
体チップに近い熱膨張係数を有したものである。したが
って、これらのいずれかを構成材料として前記第2のヒ
ートシンクが形成された上記の半導体モジュール用基板
(4)によれば、前記半導体チップの搭載部分の伝熱、
放熱特性に優れ、しかも熱応力に起因する破壊が半導体
チップ等に生じない信頼性の高い半導体モジュール用基
板を提供することができる。Further, in the semiconductor module substrate (4) according to the present invention, in the semiconductor module substrate (2) or (3), the second heat sink is made of Mo,
It is characterized by being formed using any of W, Mo-Cu, and W-Cu. Mo, W, Mo-
Both Cu and W-Cu have high thermal conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of a semiconductor chip. Therefore, according to the semiconductor module substrate (4) on which the second heat sink is formed using any of these as a constituent material, heat transfer of the mounting portion of the semiconductor chip can be achieved.
It is possible to provide a highly reliable substrate for a semiconductor module which has excellent heat dissipation characteristics and does not cause breakage due to thermal stress in a semiconductor chip or the like.
【0013】また、本発明に係る半導体モジュール用基
板の製造方法は、半導体チップを搭載するための半導体
モジュール用基板の製造方法において、第1のヒートシ
ンク上に前記半導体チップの搭載部分が開口した絶縁基
板をろう材を介して配置するとともに、該絶縁基板の前
記開口部分であって前記第1のヒートシンク上に、前記
半導体チップが接合される第2のヒートシンクをろう材
を介して配置する工程と、前記ろう材を加熱溶融させる
ことにより、前記第1のヒートシンクに前記絶縁基板と
前記第2のヒートシンクとを同時的に接合する工程とを
含んでいることを特徴としている。Further, according to the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor module substrate for mounting a semiconductor chip, the method comprising the steps of: Disposing a substrate via a brazing material, and arranging, via the brazing material, a second heat sink to which the semiconductor chip is bonded on the first heat sink at the opening of the insulating substrate; And heating and melting the brazing material to simultaneously bond the insulating substrate and the second heat sink to the first heat sink.
【0014】上記した半導体モジュール用基板の製造方
法によれば、前記第1のヒートシンクと、この上面に配
置された前記絶縁基板と前記第2のヒートシンクとの間
のろう材を加熱溶融させることにより、前記第1のヒー
トシンクに前記絶縁基板と前記第2のヒートシンクとを
同時的に接合するため、前記第1のヒートシンク上に、
前記絶縁基板とは別に前記第2のヒートシンクを固定す
ることによる工程数の増加を抑えることができる。しか
も、前記半導体チップが直接的に搭載される部分を前記
第2のヒートシンクとし、前記絶縁基板に搭載しないこ
とから、前記絶縁基板に安価な基板を用いることができ
る。よって、半導体モジュール用基板を安価に製造する
ことができる。According to the method of manufacturing a semiconductor module substrate described above, the first heat sink and the brazing material between the insulating substrate and the second heat sink disposed on the first heat sink are heated and melted. , To simultaneously join the insulating substrate and the second heat sink to the first heat sink, on the first heat sink,
An increase in the number of steps caused by fixing the second heat sink separately from the insulating substrate can be suppressed. In addition, since the portion on which the semiconductor chip is directly mounted is the second heat sink and is not mounted on the insulating substrate, an inexpensive substrate can be used for the insulating substrate. Therefore, the semiconductor module substrate can be manufactured at low cost.
【0015】[0015]
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体モジュ
ール用基板及びその製造方法の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。図1は実施の形態に係るパワーモジュー
ル用基板としての半導体モジュール用基板を示す側断面
図であり、図1は半導体チップを搭載した状態のものを
示している。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a semiconductor module substrate and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a side sectional view showing a semiconductor module substrate as a power module substrate according to an embodiment, and FIG. 1 shows a state where a semiconductor chip is mounted.
【0016】図1に示したように実施の形態に係る半導
体モジュール用基板10では、第1のヒートシンク11
の上面に、Agろう材12によって接合された絶縁基板
13が設けられている。第1のヒートシンク11は、例
えばCuやMo、あるいはこれらの混合材等といった高
い熱伝導率を有する材料で構成されている。また絶縁基
板13は、半導体チップ20の搭載部分が開口した開口
部分13aを有しており、例えば0.05mm〜1.0
0mm程度の厚みのAl2 O3 基板やAlN基板(但
し、AlNの中では比較的熱伝導率が低い、例えば13
0W/m・K程度の比較的安価なAlNを材料としてい
る)、SiN基板等の安価なセラミック基板で構成され
ている。また絶縁基板13上には、Agろう材14によ
って接合された配線金属板15が配設されている。As shown in FIG. 1, in the semiconductor module substrate 10 according to the embodiment, the first heat sink 11
The insulating substrate 13 joined by the Ag brazing material 12 is provided on the upper surface of the substrate. The first heat sink 11 is made of a material having a high thermal conductivity, such as Cu, Mo, or a mixture thereof. The insulating substrate 13 has an opening 13a in which the mounting portion of the semiconductor chip 20 is opened.
Al 2 O 3 substrate or AlN substrate having a thickness of about 0 mm (however, AlN has a relatively low thermal conductivity, for example, 13
Relatively inexpensive AlN of about 0 W / m · K), and an inexpensive ceramic substrate such as a SiN substrate. A wiring metal plate 15 joined by an Ag brazing material 14 is provided on the insulating substrate 13.
【0017】第1のヒートシンク11上であって、絶縁
基板13の開口部分13aには第2のヒートシンク17
が配設されている。この第2のヒートシンク17は、絶
縁基板13よりも熱伝導率の高い材料で、かつ例えばシ
リコンからなる半導体チップ20に近い熱膨張係数を有
する材料、例えば熱膨張係数が3〜10(×10-6/
℃)(RT〜300℃)の金属材料を用いて構成されて
おり、第1のヒートシンク11と例えばAgろう材16
によって接合されている。ここで、半導体チップ20に
近い熱膨張係数を有した前記金属材料としては、より具
体的には、例えばMo材やW材、Mo−Cu混合材、W
−Cu混合材が挙げられる。On the first heat sink 11, an opening 13 a of the insulating substrate 13 is provided with a second heat sink 17.
Are arranged. The second heat sink 17 is made of a material having a higher thermal conductivity than the insulating substrate 13 and having a thermal expansion coefficient close to that of the semiconductor chip 20 made of silicon, for example, having a thermal expansion coefficient of 3 to 10 (× 10 −). 6 /
C.) (RT to 300 ° C.) using a first heat sink 11 and an Ag brazing material 16, for example.
Are joined by Here, as the metal material having a thermal expansion coefficient close to that of the semiconductor chip 20, more specifically, for example, a Mo material, a W material, a Mo—Cu mixed material, a W material
—Cu mixed material.
【0018】この第2のヒートシンク17の厚さは、こ
の第2のヒートシンク17に半導体チップ20を搭載し
た場合において、その半導体チップ20の上面が、絶縁
基板13上の配線金属板15の上面位置近傍、あるいは
配線金属板15の上面位置とほぼ同じ高さ位置にくるよ
うな厚さに設定されている。この実施の形態では、例え
ば0.05mm〜1.50mm程度の厚さに設定されて
いる。また、第2のヒートシンク17は、開口部分13
aの側壁を構成する絶縁基板13との間に間隙を有した
状態で配置されている。The thickness of the second heat sink 17 is such that when the semiconductor chip 20 is mounted on the second heat sink 17, the upper surface of the semiconductor chip 20 is positioned on the upper surface of the wiring metal plate 15 on the insulating substrate 13. The thickness is set so as to be in the vicinity or at the same height position as the upper surface position of the wiring metal plate 15. In this embodiment, the thickness is set to, for example, about 0.05 mm to 1.50 mm. In addition, the second heat sink 17 is connected to the opening 13.
It is arranged with a gap between it and the insulating substrate 13 constituting the side wall of FIG.
【0019】ここで、第2のヒートシンク17をMo、
W、Mo−Cu、W−Cuのそれぞれで構成したときの
第1のヒートシンク11、絶縁基板13、配線金属板1
5の各構成材料の組み合わせ例を表1に、また表1に示
す各材料の熱伝導率と熱膨張係数を表2にそれぞれ示
す。Here, the second heat sink 17 is Mo,
First heat sink 11, insulating substrate 13, wiring metal plate 1 when composed of W, Mo—Cu, and W—Cu, respectively
Table 1 shows examples of combinations of the constituent materials of Table 5, and Table 2 shows the thermal conductivity and thermal expansion coefficient of each material shown in Table 1.
【0020】[0020]
【表1】 [Table 1]
【0021】[0021]
【表2】 そして、上記構成の半導体モジュール用基板10の第2
のヒートシンク17上には半導体チップ20が搭載さ
れ、この半導体チップ20の上面に形成されているパッ
ド電極(図示略)と配線金属板15のパッド電極部15
aとがワイヤー21によりボンディングされている。[Table 2] The second configuration of the semiconductor module substrate 10 having the above configuration
A semiconductor chip 20 is mounted on a heat sink 17 of the semiconductor chip 20, and a pad electrode (not shown) formed on an upper surface of the semiconductor chip 20 and a pad electrode portion 15 of a wiring metal plate 15 are mounted.
a are bonded by a wire 21.
【0022】次に、本発明の実施の形態に係る半導体モ
ジュール用基板の製造方法を、上記構成の半導体モジュ
ール用基板10を製造する場合を例にとって説明する。
半導体モジュール用基板10を製造するにあたっては、
予め半導体チップ20の搭載部分が切除され、開口部分
13aが形成された絶縁基板13を作製しておく。そし
て次に、第1のヒートシンク11上に、Agろう材1
2、絶縁基板13、Agろう材14、配線金属板15を
この順に積層した状態で配置するとともに、第1のヒー
トシンク11上の絶縁基板13の開口部分13aに第2
のヒートシンク17をAgろう材16を介して配置す
る。Next, a method of manufacturing a semiconductor module substrate according to an embodiment of the present invention will be described with reference to an example of manufacturing a semiconductor module substrate 10 having the above configuration.
In manufacturing the semiconductor module substrate 10,
An insulating substrate 13 in which a mounting portion of the semiconductor chip 20 is cut off and an opening 13a is formed in advance is manufactured. Then, the Ag brazing material 1 is placed on the first heat sink 11.
2. The insulating substrate 13, the Ag brazing material 14, and the wiring metal plate 15 are arranged in a stacked state in this order, and the second portion is formed in the opening 13a of the insulating substrate 13 on the first heat sink 11.
Is disposed via the Ag brazing material 16.
【0023】その後、この状態を維持して約800℃に
維持された炉内を通過させ、Agろう材12、14、1
6を溶融させることにより、第1のヒートシンク11と
絶縁基板13と配線金属板15と第2のヒートシンク1
7とを同時的に接合させる。以上の工程によって半導体
モジュール用基板10が製造される。製造された半導体
モジュール用基板10を用いて半導体モジュールを作製
するにあたっては、第2のヒートシンク17上に半導体
チップ20を半田付け、搭載した後、半導体チップ20
上面に形成されたパッド電極と配線金属板15のパッド
電極部とをワイヤーボンディングすることになる。Thereafter, while maintaining this state, the mixture is passed through a furnace maintained at about 800 ° C., and the Ag brazing materials 12, 14, 1
6, the first heat sink 11, the insulating substrate 13, the wiring metal plate 15, and the second heat sink 1
7 are simultaneously bonded. Through the above steps, the semiconductor module substrate 10 is manufactured. When manufacturing a semiconductor module using the manufactured semiconductor module substrate 10, the semiconductor chip 20 is soldered and mounted on the second heat sink 17, and then the semiconductor chip 20 is mounted.
The pad electrode formed on the upper surface and the pad electrode portion of the wiring metal plate 15 are wire-bonded.
【0024】上記構成の半導体モジュール用基板10に
よれば、第1のヒートシンク11への伝熱特性に優れて
いることが要求される半導体チップ20の搭載部分がM
o、W、Mo−Cu、W−Cu等の高熱伝導率の金属材
料からなる第2のヒートシンクで構成され、この第2の
ヒートシンク17が絶縁基板13を介さずにその開口部
分13aから直接的に第1のヒートシンク11上に接合
されている。このため、第2のヒートシンク17上に半
導体チップ20を搭載した場合、半導体チップ20で発
生した熱を第2のヒートシンク17から第1のヒートシ
ンク11へと効率良く伝熱させて放熱させることができ
る。According to the semiconductor module substrate 10 having the above structure, the mounting portion of the semiconductor chip 20 which is required to have excellent heat transfer characteristics to the first heat sink 11 is M
o, W, Mo-Cu, W-Cu, and the like. The second heat sink 17 is made of a metal material having a high thermal conductivity. Are joined on the first heat sink 11. For this reason, when the semiconductor chip 20 is mounted on the second heat sink 17, the heat generated in the semiconductor chip 20 can be efficiently transferred from the second heat sink 17 to the first heat sink 11 and radiated. .
【0025】また、絶縁基板13には直接的に半導体チ
ップ20が搭載されないことから、絶縁基板13を特に
熱伝導性に優れた材料を用いて構成する必要が少ない。
このため、絶縁基板13の構成材料として、例えば安価
なアルミナ(Al2 O3 )やAlNの中では熱伝導率が
比較的低く比較的安価なAlN等を用いることができ、
半導体モジュール用基板10製造のコストを削減するこ
とができる。Further, since the semiconductor chip 20 is not directly mounted on the insulating substrate 13, it is not necessary to form the insulating substrate 13 using a material having particularly excellent thermal conductivity.
Therefore, as a constituent material of the insulating substrate 13, for example, among inexpensive alumina (Al 2 O 3 ) and AlN, AlN having relatively low thermal conductivity and relatively inexpensive can be used.
The cost of manufacturing the semiconductor module substrate 10 can be reduced.
【0026】さらに、第2のヒートシンク17を、熱伝
導率が高いうえに半導体チップ20との熱膨張係数の差
が小さいMo、W、Mo−Cu、W−Cuを用いて構成
しているため、温度サイクルによって生じる熱応力に起
因して半導体チップ20や半導体チップ20と第2のヒ
ートシンク17との間の接合部等にクラックが発生する
のを阻止して、温度サイクルに対する信頼性を高めるこ
とができる。Further, the second heat sink 17 is made of Mo, W, Mo-Cu, W-Cu which has a high thermal conductivity and a small difference in thermal expansion coefficient from the semiconductor chip 20. In addition, it is possible to prevent cracks from being generated in the semiconductor chip 20 or a joint portion between the semiconductor chip 20 and the second heat sink 17 due to thermal stress caused by a temperature cycle, thereby improving reliability with respect to a temperature cycle. Can be.
【0027】また、半導体チップ20の搭載部分におい
ては、第1のヒートシンク11上に独立した第2のヒー
トシンク17が配設されているため、第2のヒートシン
ク17の厚みを調整することにより、この第2のヒート
シンク17に半導体チップ20を搭載した場合におい
て、その半導体チップ20の上面位置を、配線金属板1
5の上面位置近傍、あるいは配線金属板15の上面位置
とほぼ同じ位置に容易に設定することができる。したが
って、第2のヒートシンク17上に搭載された半導体チ
ップ20上面に形成されたパッド電極と配線金属板15
上面のパッド電極部とのワイヤーボンディングを容易に
行うことができることとなる。In the mounting portion of the semiconductor chip 20, an independent second heat sink 17 is provided on the first heat sink 11, so that the thickness of the second heat sink 17 can be adjusted by adjusting the thickness of the second heat sink 17. When the semiconductor chip 20 is mounted on the second heat sink 17, the upper surface position of the semiconductor chip 20 is changed to the wiring metal plate 1.
5 can be easily set in the vicinity of the upper surface position or approximately the same position as the upper surface position of the wiring metal plate 15. Therefore, the pad electrode and the wiring metal plate 15 formed on the upper surface of the semiconductor chip 20 mounted on the second heat sink 17 are formed.
Wire bonding with the pad electrode portion on the upper surface can be easily performed.
【0028】また実施の形態に係る半導体モジュール用
基板10の製造方法では、Agろう材12、14、16
を加熱溶融させることで第1のヒートシンク11と絶縁
基板13と配線金属板15と第2のヒートシンク17と
を同時的に接合するので、第1のヒートシンク11上
に、絶縁基板13とは別に第2のヒートシンク17を配
設しても工程数の増加を抑えることができる。In the method of manufacturing the semiconductor module substrate 10 according to the embodiment, the Ag brazing materials 12, 14, 16 are used.
The first heat sink 11 and the insulating substrate 13, the wiring metal plate 15 and the second heat sink 17 are simultaneously joined by heating and melting the first heat sink 11 and the second heat sink 17. Even if two heat sinks 17 are provided, an increase in the number of steps can be suppressed.
【0029】このように、実施の形態に係る半導体モジ
ュール用基板10の製造方法によれば、半導体チップ2
0の搭載部分において特に伝熱、放熱特性に優れた半導
体モジュール用基板を安価に製造することができ、しか
も熱応力に起因するクラック等の発生確率の極めて少な
い高い信頼性を有する半導体モジュール用基板10を得
ることができる。As described above, according to the method of manufacturing the semiconductor module substrate 10 according to the embodiment, the semiconductor chip 2
The semiconductor module substrate having excellent heat transfer and heat radiation characteristics can be manufactured at a low cost especially at the mounting portion of No. 0, and the semiconductor module substrate has high reliability with extremely low probability of occurrence of cracks and the like due to thermal stress. 10 can be obtained.
【0030】なお、本実施の形態では、第2のヒートシ
ンク17を構成する金属材料として、Mo、W、Mo−
Cu、W−Cuを用いた例を述べたが、別の実施の形態
では、絶縁基板13よりも熱伝導率の高いその他の材料
を用いて構成しても差し支えない。その場合も、半導体
チップ20の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料
であることがより望ましいことは言うまでもない。ま
た、上記実施の形態では、半導体モジュール用基板10
がパワーモジュール用基板である例を述べたが、本発明
はパワーモジュール用基板のみならず、種々の半導体モ
ジュール用基板に適用することができる。In the present embodiment, Mo, W, Mo-
Although an example using Cu and W-Cu has been described, in another embodiment, another material having higher thermal conductivity than the insulating substrate 13 may be used. Also in this case, it is needless to say that a material having a thermal expansion coefficient close to that of the semiconductor chip 20 is more preferable. In the above embodiment, the semiconductor module substrate 10
Has been described as an example of a power module substrate, but the present invention can be applied not only to a power module substrate but also to various semiconductor module substrates.
【0031】さらに本実施の形態に係る半導体モジュー
ル用基板10の製造方法では、ろう材としてAgろう材
を用いた場合を例に挙げたが、別の実施の形態では、配
線金属板15を熱により破壊しない程度の低い融点のろ
う材であれば他のろう材を用いることも可能である。Further, in the method of manufacturing the semiconductor module substrate 10 according to the present embodiment, the case where an Ag brazing material is used as the brazing material has been described as an example, but in another embodiment, the wiring metal plate 15 is formed by heat. It is also possible to use another brazing material as long as the brazing material has a melting point low enough not to break.
【0032】[0032]
【実施例】次に、本発明に係る半導体モジュール用基板
の実施例を説明する。実施例では、図1に示した半導体
モジュール用基板10の絶縁基板13、第1のヒートシ
ンク11、配線金属板15、第2のヒートシンク17の
各構成材料を下記の表3に示す組み合わせとして、タイ
プA〜Dの4種類の半導体モジュール用基板10のサン
プルを製造した。そして各タイプA〜Dに半導体チップ
20を搭載した後、図2に示すように半導体チップ20
の上面とヒートシンク11の下面との間での熱抵抗の測
定を行った。各サンプル(タイプA〜D)のAgろう材
12、14、16には、共晶ろう材を使用した。Next, an embodiment of a substrate for a semiconductor module according to the present invention will be described. In the embodiment, the constituent materials of the insulating substrate 13, the first heat sink 11, the wiring metal plate 15, and the second heat sink 17 of the semiconductor module substrate 10 shown in FIG. Samples of four types of semiconductor module substrates 10 of A to D were manufactured. After mounting the semiconductor chip 20 on each of the types A to D, as shown in FIG.
Was measured between the upper surface of the heat sink 11 and the lower surface of the heat sink 11. Eutectic brazing materials were used for the Ag brazing materials 12, 14, and 16 of each sample (types A to D).
【0033】また−65℃→150℃→−65℃の温度
変化を3000回繰り返す温度サイクル(T/C)試験
を行って、試験後の絶縁基板13及び半導体チップ20
について剥がれやクラック発生の有無を評価した。これ
らの熱抵抗比率(従来例(タイプE)を100とした場
合の相対比率)及び温度サイクル試験後の評価結果を表
3に併せて示す。Further, a temperature cycle (T / C) test in which a temperature change of -65 ° C. → 150 ° C. → −65 ° C. is repeated 3000 times is performed, and the insulating substrate 13 and the semiconductor chip 20 after the test are performed.
Was evaluated for the presence or absence of peeling or cracking. Table 3 also shows these thermal resistance ratios (relative ratios when the conventional example (type E) is set to 100) and evaluation results after the temperature cycle test.
【0034】また、図3に示した従来構造のパワ−モジ
ュール用基板30について、絶縁基板31、ヒートシン
ク35、配線金属板33の各構成材料を表3のタイプE
に示す組み合わせとして製造し、半導体チップ20を搭
載した後、比較例として上記と同様にして熱抵抗の測定
と温度サイクル試験とを行い、その結果を表3に併せて
示した。Further, with respect to the power module substrate 30 having the conventional structure shown in FIG. 3, the constituent materials of the insulating substrate 31, the heat sink 35, and the wiring metal plate 33 were changed to Type E shown in Table 3.
After mounting the semiconductor chip 20 and mounting the semiconductor chip 20, the measurement of the thermal resistance and the temperature cycle test were performed in the same manner as above as a comparative example, and the results are also shown in Table 3.
【0035】[0035]
【表3】 表3から明らかなように、実施例に係る半導体モジュー
ル用基板10のタイプA〜Dでは、いずれも従来構造を
有するタイプEよりも熱抵抗値が低減しており、半導体
チップ20で発生した熱が効率良く第2のヒートシンク
17から第1のヒートシンク11へと伝導していること
を確認することができた。[Table 3] As is evident from Table 3, in the semiconductor module substrate 10 according to the example, the types A to D all have a lower thermal resistance value than the type E having the conventional structure, and the heat generated in the semiconductor chip 20. Was efficiently conducted from the second heat sink 17 to the first heat sink 11.
【0036】また、実施例に係るタイプA〜Dのいずれ
にも絶縁基板13や半導体チップ20について剥がれや
クラック等の発生は認められなかった。この温度サイク
ル試験の結果から、実施例に係る半導体モジュール用基
板10は、従来の半導体モジュール用基板30と同等以
上の信頼性が得られることを確認することができた。こ
れは、第2のヒートシンク17を半導体チップ20の熱
膨張係数に近い熱膨張係数を有するMoで構成している
ため、半導体チップ20に過大な熱応力が作用するのを
防止できたことによると考えられる。また、絶縁基板1
3に半導体チップ20が搭載されないため、絶縁基板1
3と半導体チップ20との間の熱膨張係数の差に起因す
る熱応力がこれら部材間に作用しないためであると考え
られる。In any of the types A to D according to the examples, no peeling or cracking was observed in the insulating substrate 13 or the semiconductor chip 20. From the results of the temperature cycle test, it was confirmed that the reliability of the semiconductor module substrate 10 according to the example was equal to or higher than that of the conventional semiconductor module substrate 30. This is because the second heat sink 17 is made of Mo having a coefficient of thermal expansion close to the coefficient of thermal expansion of the semiconductor chip 20, so that excessive thermal stress can be prevented from acting on the semiconductor chip 20. Conceivable. Also, the insulating substrate 1
Since the semiconductor chip 20 is not mounted on the insulating substrate 1, the insulating substrate 1
It is considered that thermal stress caused by a difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor chip 3 and the semiconductor chip 20 does not act between these members.
【0037】以上の結果から、放熱特性に優れ、半導体
チップ20搭載後における熱負荷信頼性の高い、しかも
安価な半導体モジュール用基板を実現できることを確認
することができた。From the above results, it was confirmed that an inexpensive semiconductor module substrate having excellent heat dissipation characteristics, high heat load reliability after mounting the semiconductor chip 20, and low cost can be realized.
【図1】本発明の実施の形態に係る半導体モジュール用
基板を示す側断面図である。FIG. 1 is a side sectional view showing a semiconductor module substrate according to an embodiment of the present invention.
【図2】実施の形態に係る半導体モジュール用基板につ
いて熱抵抗を測定する様子を示す概略側断面図である。FIG. 2 is a schematic side cross-sectional view showing how a thermal resistance of the semiconductor module substrate according to the embodiment is measured.
【図3】従来のパワ−モジュール用基板の一例を示す側
断面図である。FIG. 3 is a side sectional view showing an example of a conventional power module substrate.
10 半導体モジュール用基板 11 第1のヒートシンク 12、14、16 Agろう材 13 絶縁基板 13a 開口部分 15 配線金属板 17 第2のヒートシンク 20 半導体チップ Reference Signs List 10 substrate for semiconductor module 11 first heat sink 12, 14, 16 Ag brazing material 13 insulating substrate 13a opening 15 wiring metal plate 17 second heat sink 20 semiconductor chip
Claims (5)
ジュール用基板において、 第1のヒートシンクと、 該第1のヒートシンク上に接合されて前記半導体チップ
の搭載部分が開口した絶縁基板と、 該絶縁基板の前記開口部分において前記第1のヒートシ
ンク上に接合され、前記半導体チップが接合される第2
のヒートシンクとを備えていることを特徴とする半導体
モジュール用基板。1. A semiconductor module substrate for mounting a semiconductor chip, comprising: a first heat sink; an insulating substrate joined to the first heat sink, the mounting portion of the semiconductor chip being opened; and the insulating substrate. A second portion to be joined to the first heat sink at the opening portion and to be joined to the semiconductor chip.
A substrate for a semiconductor module, comprising:
板の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有した材料を用いて
形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体
モジュール用基板。2. The semiconductor module substrate according to claim 1, wherein the second heat sink is formed using a material having a higher thermal conductivity than the thermal conductivity of the insulating substrate. .
チップの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有した材料を用
いて形成されていることを特徴とする請求項1又は請求
項2記載の半導体モジュール用基板。3. The semiconductor according to claim 1, wherein the second heat sink is made of a material having a coefficient of thermal expansion close to a coefficient of thermal expansion of the semiconductor chip. Module substrate.
Mo−Cu、W−Cuのうちのいずれかを用いて形成さ
れていることを特徴とする請求項2又は請求項3記載の
半導体モジュール用基板。4. The method according to claim 1, wherein the second heat sink is Mo, W,
The semiconductor module substrate according to claim 2, wherein the substrate is formed using one of Mo—Cu and W—Cu.
ジュール用基板の製造方法において、 第1のヒートシンク上に前記半導体チップの搭載部分が
開口した絶縁基板をろう材を介して配置するとともに、
該絶縁基板の前記開口部分であって前記第1のヒートシ
ンク上に、前記半導体チップが接合される第2のヒート
シンクをろう材を介して配置する工程と、 前記ろう材を加熱溶融させることにより、前記第1のヒ
ートシンクに前記絶縁基板と前記第2のヒートシンクと
を同時的に接合する工程とを含んでいることを特徴とす
る半導体モジュール用基板の製造方法。5. A method of manufacturing a semiconductor module substrate for mounting a semiconductor chip, comprising: arranging, via a brazing material, an insulating substrate having a semiconductor chip mounting portion opened on a first heat sink;
Disposing a second heat sink to which the semiconductor chip is bonded via a brazing material on the opening portion of the insulating substrate and on the first heat sink; and heating and melting the brazing material, Bonding the insulating substrate and the second heat sink to the first heat sink at the same time.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP25992199A JP2001085580A (en) | 1999-09-14 | 1999-09-14 | Substrate for semiconductor module and production thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2001085580A true JP2001085580A (en) | 2001-03-30 |
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JP (1) | JP2001085580A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2401481A (en) * | 2003-04-30 | 2004-11-10 | Agilent Technologies Inc | Application specific heat sink assembly |
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-
1999
- 1999-09-14 JP JP25992199A patent/JP2001085580A/en active Pending
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