JP2002110875A - Power module - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、放熱性に優れ、高
信頼性を有する半導体装置用回路基板複合体を用いたパ
ワーモジュール等に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power module using a circuit board composite for a semiconductor device which has excellent heat dissipation and high reliability.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、パワーモジュールと呼ばれる各種
の半導体装置には、セラミックス基板の一方の面にCu
回路、他方の面に放熱用のCuからなる金属板を接合し
たものが、回路基板として利用されている。特に高集積
化及び大電力化により、高い放熱性を必要とする場合に
は、高熱伝導性を有することからセラミックス基板とし
て窒化珪素あるいは窒化アルミニウムが使用されてい
る。2. Description of the Related Art Conventionally, various types of semiconductor devices called power modules have a structure in which one surface of a ceramic substrate is coated with Cu.
A circuit in which a metal plate made of Cu for heat dissipation is bonded to the other surface is used as a circuit board. In particular, when high heat dissipation is required due to high integration and high power, silicon nitride or aluminum nitride is used as a ceramic substrate because of high thermal conductivity.
【0003】電気部品をCu回路に半田付けした回路基
板は、通常、その放熱用金属板をCuからなるヒートシ
ンクに半田付けし、そのヒートシンクをグリースを介し
て水冷板や放熱フィン等の放熱部材にネジ等により締め
付けて使用されるが、トランジスター等の電気部品の作
動に伴う繰り返しの熱サイクルや動作環境の温度変化等
で、電気部品と回路基板との間の半田層にクラックが生
じる等の問題があり、高い信頼性を必要とする場合には
降伏耐力の低いAlまたはAl合金を回路材として接合
することが試みられている(以下、AlまたはAl合金
を回路材として用いた回路基板を、単にAl回路基板と
いう)。In a circuit board in which electric components are soldered to a Cu circuit, usually, a metal plate for heat radiation is soldered to a heat sink made of Cu, and the heat sink is connected to a heat radiating member such as a water cooling plate or a heat radiation fin via grease. It is used by tightening with screws, etc., but problems such as cracks in the solder layer between the electric components and the circuit board due to repeated thermal cycles and temperature changes in the operating environment due to the operation of electric components such as transistors When high reliability is required, attempts have been made to join Al or an Al alloy having a low yield strength as a circuit material (hereinafter, a circuit board using Al or an Al alloy as a circuit material has been proposed. Simply called Al circuit board).
【0004】また、Al回路基板とヒートシンクとの間
の半田層の半田クラックを避けるため、Cuよりも熱膨
張係数が小さい材質のヒートシンクを用いることも行わ
れ、近年では、炭化珪素多孔体にAlを主成分とする金
属を前記炭化珪素多孔体の空隙部に含浸させて得られる
アルミニウム−炭化珪素複合体(以下、Al/SiC複
合材という)の適用が進められているが、Al/SiC
複合材は放熱性においてCu板あるいはAl板より劣る
うえ、高価であるという問題がある。In order to avoid solder cracks in the solder layer between the Al circuit board and the heat sink, a heat sink made of a material having a smaller coefficient of thermal expansion than Cu has also been used. Aluminum-silicon carbide composites (hereinafter referred to as Al / SiC composites) obtained by impregnating the voids of the silicon carbide porous body with a metal mainly composed of
The composite material is inferior to the Cu plate or the Al plate in heat dissipation and has a problem that it is expensive.
【0005】最近、Al回路基板の金属板とヒートシン
クの間の半田を省いて、金属板を直接ろう材でCu板あ
るいはAl板からなるヒートシンクに接合した回路基板
複合体を用いる試みが進められている。Al回路基板の
金属板を直接ろう材でヒートシンクに接合することで、
繰り返しの熱サイクルにおける金属板とヒートシンクと
の間の半田クラックの問題はなくなる。Recently, attempts have been made to use a circuit board composite in which the solder between the metal plate of the Al circuit board and the heat sink is omitted and the metal plate is directly joined to a heat sink made of a Cu plate or an Al plate with a brazing material. I have. By joining the metal plate of the Al circuit board directly to the heat sink with brazing material,
The problem of solder cracks between the metal plate and the heat sink in repeated thermal cycles is eliminated.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上記の回路基板複合体
において、ヒートシンクの厚みは薄い方が放熱性に有利
である。しかし、ヒートシンクの剛性が弱まり、前記回
路基板複合体におけるAl回路基板とヒートシンクとの
熱膨張率の差から、繰返し熱サイクルにおけるヒートシ
ンクのうねりの変化が大きくなる。ヒートシンクを熱膨
張率の大きいアルミニウムからなる放熱部材にネジ締め
した状態では、繰返し熱サイクルにおけるヒートシンク
のうねりの変化はさらに大きくなる。その結果、例えば
電気部品であるトランジスターのSiチップ下の半田端
部に応力が集中しやすくなり、信頼性評価試験であるヒ
ートサイクル試験においてSiチップ下の半田端部にク
ラック(以下半田クラックという)が発生するという問
題が生じる。In the above-mentioned circuit board composite, a thinner heat sink is more advantageous for heat dissipation. However, the rigidity of the heat sink is weakened, and the change in the swell of the heat sink during repeated thermal cycles is increased due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the Al circuit board and the heat sink in the circuit board composite. In a state where the heat sink is screwed to a heat dissipating member made of aluminum having a high coefficient of thermal expansion, the change in the undulation of the heat sink in a repeated thermal cycle is further increased. As a result, for example, stress tends to concentrate on the solder end under the Si chip of a transistor as an electric component, and a crack (hereinafter referred to as a solder crack) occurs at the solder end under the Si chip in a heat cycle test as a reliability evaluation test. Is generated.
【0007】本発明は上記従来技術の状況に鑑みてなさ
れたものであり、その目的は、適切な組成範囲の半田を
用いることで、放熱性に優れ、実使用下で繰り返し被る
熱応力の繰り返しを受けても、高信頼性を保つことので
きるパワーモジュールを、安価に提供することにある。The present invention has been made in view of the situation of the prior art described above, and an object of the present invention is to use a solder having an appropriate composition range so as to have excellent heat radiation properties and to repeat thermal stress repeatedly applied in actual use. It is an object of the present invention to provide an inexpensive power module that can maintain high reliability in spite of this.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、表
面がCuまたはCu合金若しくはAlまたはAl合金か
らなるヒートシンク上に、ろう材を介して、セラミック
ス基板の表面にAlからなる回路を有し裏面に金属板を
有するセラミックス回路基板を、前記金属板がろう材に
接するように、接合してなり、しかも前記Alからなる
回路上に電気部品を半田を介して接合してなるパワーモ
ジュールであって、前記半田が45質量%以上85質量
%以下のPbを含有するSn−Pb系半田であることを
特徴とするパワーモジュールである。前記ろう材はC
u、Zn及びSiからなる群から選ばれる1種以上とM
gとを含有するAl合金からなることが好ましく、ま
た、前記金属板はAl又はAl合金からなることが好ま
しい。更に、前記セラミックス基板が窒化珪素又は窒化
アルミニウムからなることが好ましい。That is, the present invention has a circuit made of Al on the surface of a ceramic substrate via a brazing material on a heat sink whose surface is made of Cu or Cu alloy or Al or Al alloy. A power module comprising a ceramic circuit board having a metal plate on a back surface joined so that the metal plate is in contact with a brazing material, and furthermore, an electric component is joined to the circuit made of Al via solder. The power module is characterized in that the solder is a Sn—Pb-based solder containing 45% by mass or more and 85% by mass or less of Pb. The brazing material is C
at least one selected from the group consisting of u, Zn and Si, and M
g is preferably made of an Al alloy, and the metal plate is preferably made of Al or an Al alloy. Further, it is preferable that the ceramic substrate is made of silicon nitride or aluminum nitride.
【0009】[0009]
【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明を説明す
る。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
【0010】本発明で使用されるセラミックス基板につ
いては、従来公知のセラミックス基板を用いることがで
きるが、熱伝導性や機械的強度に優れた窒化珪素または
窒化アルミニウムを用いることが好ましい。As the ceramic substrate used in the present invention, a conventionally known ceramic substrate can be used, but it is preferable to use silicon nitride or aluminum nitride which is excellent in thermal conductivity and mechanical strength.
【0011】前記セラミックス基板上に形成される回路
材については、良導電性で熱伝導性も高いAlからなる
回路(以下、単にAl回路という)が用いられる。Al
の純度については電気伝導率が高く、応力発生に対して
塑性変形能が高いもの、例えばAlの純度が98.5%
以上のものが好ましい。前記セラミックス基板の他方の
面に形成される金属板については、熱伝導性が高いAl
やCu等が用いられるが、Alを用いる場合には、回路
材と同時に接合することが可能であり、生産性向上のた
め好ましい。回路及び金属板を形成させるには、それぞ
れの板をろう材を介してセラミックス基板に接合してか
らエッチングする、板から打ち抜かれたパターンをろう
材を介してセラミックス基板に接合する、等によって行
うことができる。As the circuit material formed on the ceramic substrate, a circuit made of Al having high conductivity and high thermal conductivity (hereinafter simply referred to as an Al circuit) is used. Al
The purity of Al is high and the plastic deformability against stress generation is high, for example, the purity of Al is 98.5%.
The above are preferred. As for the metal plate formed on the other surface of the ceramic substrate, Al having high thermal conductivity is used.
Although Al and Cu are used, when Al is used, it is possible to join simultaneously with the circuit material, which is preferable for improving productivity. In order to form a circuit and a metal plate, each plate is bonded to a ceramic substrate via a brazing material and then etched, and a pattern punched from the plate is bonded to a ceramic substrate via a brazing material and the like. be able to.
【0012】本発明で使用されるヒートシンクは、ヒー
トシンクにグリースを介して締付可能なCuまたはCu
合金若しくはAlまたはAl合金からなるものであり、
特に、CuまたはCu合金としては、無酸素Cu、Cu
−W合金、Cu−Mo合金からなることが好ましい。ま
た、ヒートシンクの厚みは薄い方が放熱性に有利である
ことから、2mm以上4mm以下であることが好まし
い。The heat sink used in the present invention is Cu or Cu which can be fastened to the heat sink via grease.
Alloy or Al or Al alloy,
In particular, as Cu or Cu alloy, oxygen-free Cu, Cu
-W alloy and Cu-Mo alloy are preferable. In addition, since a thinner heat sink is more advantageous for heat dissipation, it is preferable that the thickness be 2 mm or more and 4 mm or less.
【0013】また、ヒートシンクがCuまたはCu合金
からなる場合には、少なくともセラミックス基板の金属
板と接合する面が、Niを主成分とする膜で被覆されて
いることが好ましい。Niを主成分とする膜が被覆され
ていないと、Al系ろう材による接合後にAl合金から
なるろう材がヒートシンクに拡散し、拡散部にAlとC
uとを含む硬い合金層が形成されて接合強度が低下し、
信頼性が低下する恐れがあるからである。ヒートシンク
にNiを主成分とする膜で被覆することで、ヒートシン
クへのろう材の拡散が無くなるとともに、AlとNiを
含む合金層が形成されることにより信頼性の高い接合が
可能となる。Niを主成分とする膜の被覆方法について
は、Niメッキや圧延によるクラッド化等の従来公知の
方法を用いることができる。When the heat sink is made of Cu or a Cu alloy, it is preferable that at least the surface of the ceramic substrate to be joined to the metal plate is covered with a film containing Ni as a main component. If the film containing Ni as the main component is not covered, the brazing material made of an Al alloy diffuses into the heat sink after joining with the Al-based brazing material, and Al and C
and a hard alloy layer containing u is formed to lower the bonding strength,
This is because the reliability may be reduced. By coating the heat sink with a film containing Ni as a main component, diffusion of the brazing material into the heat sink is eliminated, and highly reliable bonding is enabled by forming an alloy layer containing Al and Ni. As a method of coating the film containing Ni as a main component, a conventionally known method such as Ni plating or cladding by rolling can be used.
【0014】Al回路及び金属板を接合したセラミック
ス基板(以下、単にAl回路基板という)とヒートシン
クとの接合には、Al回路の形成と同様、Cu、Ge及
びSiからなる群から選ばれる1種以上とMgとを含有
したAl合金のろう材、例えば、Al−Mg−Cu系合
金、Al−Mg−Ge系合金、Al−Mg−Si系合金
等を用いることが好ましい。その理由は、以下のとおり
である。For joining a ceramic substrate (hereinafter simply referred to as an Al circuit board) to which an Al circuit and a metal plate are joined and a heat sink, one type selected from the group consisting of Cu, Ge and Si, as in the formation of the Al circuit. It is preferable to use an Al alloy brazing material containing the above and Mg, for example, an Al-Mg-Cu alloy, an Al-Mg-Ge alloy, an Al-Mg-Si alloy, or the like. The reason is as follows.
【0015】セラミックス基板と金属板との接合にはA
l−Si系合金やAl−Ge系合金が知られているが、
Mgと、Cu、Ge及びSiからなる群から選ばれる1
種以上とを含有するAl合金からなるろう材には、前記
合金に比較して、セラミックス基板との接合条件の許容
幅が広く、真空中でなくとも接合できる特徴があるの
で、生産性に優れた接合が可能となる。For joining a ceramic substrate and a metal plate, A
Although l-Si alloys and Al-Ge alloys are known,
Mg and 1 selected from the group consisting of Cu, Ge and Si
The brazing material made of an Al alloy containing at least one of the above-described alloys has a wider allowable range of bonding conditions with a ceramic substrate than the above-mentioned alloys, and has a feature that it can be bonded even in a vacuum. Joining is possible.
【0016】即ち、従来公知のAl−Si系合金やAl
−Ge系合金では、比較的多量にSiやGeを添加しな
いと融点が低下しないが、多量に添加すると合金が硬く
て脆くなる問題が生じる。このような問題を起こさせな
いように、例えばAl−Si系合金において、Siの割
合を5%まで下げると融点が615℃となり、加圧を行
っても620℃以下の温度での接合は困難となる。That is, a conventionally known Al—Si alloy or Al
In the case of a -Ge alloy, the melting point does not decrease unless Si or Ge is added in a relatively large amount. However, if a large amount is added, the alloy becomes hard and brittle. In order not to cause such a problem, for example, in an Al-Si based alloy, if the proportion of Si is reduced to 5%, the melting point becomes 615 ° C., and it is difficult to join at a temperature of 620 ° C. or less even if pressure is applied. Become.
【0017】これに対し、Mgを含有するAl合金、こ
とにAl−Mg−Cu系合金、Al−Mg−Ge系合金
或いはAl−Mg−Si系合金では、Cu、Ge、Si
の割合を4%程度まで下げても、適切に加圧等の手段を
講じることによって、600℃程度での接合が可能とな
り、接合条件の許容幅が広がる。更に、Al−Mg−C
u系合金、Al−Mg−Ge系合金並びにAl−Mg−
Si系は、SiやGeが単独でAlに添加されている場
合に比べて、Cu、Ge、SiやMgがAl中に均一に
拡散し易いため、局部的な溶融が生じたり、余分なろう
材が押し出されてしまうはみ出し現象が生じ難く、比較
的短時間で安定した接合が可能となる。On the other hand, in the case of an Al alloy containing Mg, particularly an Al-Mg-Cu alloy, an Al-Mg-Ge alloy or an Al-Mg-Si alloy, Cu, Ge, Si
Even if the ratio is reduced to about 4%, bonding at about 600 ° C. becomes possible by taking appropriate measures such as pressurization, and the allowable range of bonding conditions is widened. Furthermore, Al-Mg-C
u-based alloy, Al-Mg-Ge-based alloy and Al-Mg-
In the Si system, Cu, Ge, Si, and Mg are easily diffused into Al more easily than in the case where Si or Ge is solely added to Al. The protrusion phenomenon that the material is extruded hardly occurs, and stable bonding can be performed in a relatively short time.
【0018】Mgを含有するAl合金中のMgについて
は、少量添加することによって、接合状態が良好にな
る。これはAl表面の酸化物層の除去効果やセラミック
ス基板表面とろう材の濡れ性改善効果によると推察され
る。Mgの割合は、0.05〜3質量%が好ましい。
0.05質量%未満では添加効果が顕著でなくなり、3
質量%を超える場合にはAl又はAl合金の硬度に悪影
響を与えるうえ、接合時に多量に揮発して炉操業に支障
をきたすことがある。特に好ましくは、0.1〜1.0
質量%である。The addition of a small amount of Mg in an Al alloy containing Mg improves the bonding state. This is presumed to be due to the effect of removing the oxide layer on the Al surface and the effect of improving the wettability between the ceramic substrate surface and the brazing material. The ratio of Mg is preferably 0.05 to 3% by mass.
If the content is less than 0.05% by mass, the effect of addition becomes insignificant,
If the content exceeds mass%, the hardness of Al or an Al alloy is adversely affected, and a large amount may be volatilized at the time of joining to hinder furnace operation. Particularly preferably, 0.1 to 1.0
% By mass.
【0019】回路基板複合体の表面は、必要に応じてA
lまたはAl合金が露出している部分の全面又は部分に
Niメッキされる。特に、半田付け部分は半田接合性を
高めるためにNiメッキするが、Alワイヤボンドする
部分にはNiメッキがない方が信頼性が高く、従って、
所望部分のみを選択的にメッキする部分メッキが好まし
い。If necessary, the surface of the circuit board composite may be A
The entire surface or the portion where the l or Al alloy is exposed is plated with Ni. In particular, the soldering portion is plated with Ni in order to enhance the solder bonding property, but the portion to be bonded to the Al wire is more reliable if there is no Ni plating.
Partial plating in which only desired portions are selectively plated is preferred.
【0020】ヒートシンクにAl回路基板を接合した回
路基板複合体のAl回路上への電気部品の半田付けにお
いて、トランジスターSiチップ等の電気部品について
は、一辺の長さが20mm以下であることが好ましい。
Siチップの大きい方が伝熱面積が広く放熱性に有利で
あるが、Siチップが大きいほどチップ単価が高くなる
他、Siチップ下の半田端部に加わる応力が大きくな
り、繰り返し熱サイクルによる半田クラックやSiチッ
プ破損の原因となりやすいためである。また、Siチッ
プの厚みについては、薄い方が放熱性に有利であり、
0.5mm以下であることが好ましい。In the soldering of electric components onto an Al circuit of a circuit board composite in which an Al circuit board is joined to a heat sink, the length of one side of an electric component such as a transistor Si chip is preferably 20 mm or less. .
The larger the Si chip, the larger the heat transfer area and the better the heat dissipation. However, the larger the Si chip, the higher the unit cost of the chip, and the greater the stress applied to the solder end under the Si chip, and the solder due to repeated thermal cycling. This is because cracks and Si chip damage are likely to occur. As for the thickness of the Si chip, a thinner one is more advantageous for heat dissipation,
It is preferably 0.5 mm or less.
【0021】前記回路基板複合体のAl回路上に電気部
品を半田付けする場合、半田層の厚みは薄い方が放熱性
に有利であるが、あまり薄すぎると繰り返し熱サイクル
による応力を緩和する能力が低下し、半田クラックが起
こりやすくなる。半田層の厚みは50μm以上150μ
m以下であることが好ましい。When soldering an electric component on the Al circuit of the circuit board composite, a thinner solder layer is more advantageous for heat dissipation, but if it is too thin, the ability to relieve stress due to repeated thermal cycling. And solder cracks tend to occur. The thickness of the solder layer is 50μm or more and 150μ
m or less.
【0022】本発明で前記回路基板複合体のAl回路上
に電気部品を半田付けする場合には、45質量%以上8
5質量%以下のPbを含むSn−Pb系半田が用いられ
る。PbおよびSn以外の不純物元素については1質量
%以下であることが好ましい。上記組成のSn−Pb系
半田を用いる理由は、以下のとおりである。In the present invention, when an electric component is to be soldered on the Al circuit of the circuit board composite, 45% by mass or more is used.
Sn-Pb based solder containing 5% by mass or less of Pb is used. The content of impurity elements other than Pb and Sn is preferably 1% by mass or less. The reason for using the Sn-Pb-based solder having the above composition is as follows.
【0023】電気部品を前記回路基板複合体に半田付け
した場合、特にヒートシンクを熱膨張率の大きいアルミ
ニウムからなる放熱部材にネジ締めした状態では、Al
回路基板とヒートシンクとの熱膨張率の差による繰返し
熱サイクルにおけるヒートシンクのうねりの変化が大き
く、電気部品下の半田端部に応力が集中しやすくなる。When the electric component is soldered to the circuit board composite, especially when the heat sink is screwed to a heat dissipating member made of aluminum having a high coefficient of thermal expansion, Al
The change of the swell of the heat sink in the repetitive thermal cycle due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the circuit board and the heat sink is large, and the stress tends to concentrate on the solder end under the electric component.
【0024】Pbの含有量が85質量%以上のSn−P
b系半田を用いた場合、半田が比較的軟らかく応力緩和
の効果が高い反面、他の部位に比べて半田層に応力が集
中しやすくなる。このため、Pbの含有量が85質量%
以上のSn−Pb系半田を用いてトランジスターSiチ
ップ等の電気部品を接合したパワーモジュールでは、上
記のようなヒートシンクをアルミニウムからなる放熱部
材にネジ締めした状態でのヒートサイクル試験におい
て、半田層の変形の限界を超え、Siチップ下の半田端
部に半田クラックが発生する。Sn—P having a Pb content of 85% by mass or more
When the b-based solder is used, the solder is relatively soft and has a high effect of relaxing stress, but stress tends to concentrate on the solder layer as compared with other portions. Therefore, the content of Pb is 85% by mass.
In a power module in which electrical components such as a transistor Si chip are joined using the above Sn-Pb solder, in a heat cycle test in which the above-described heat sink is screwed to a heat dissipation member made of aluminum, a solder layer is formed. Exceeding the deformation limit, solder cracks occur at the solder end under the Si chip.
【0025】一方、Pbの含有量が45質量%以下のS
n−Pb系半田を用いた場合は半田が比較的硬く、応力
を半田層下のAl回路に分散させることで半田クラック
が発生しにくくなる反面、緩和の効果が低い。このた
め、Pbの含有量が45質量%以下のSn−Pb系半田
を用いてトランジスターSiチップ等の電気部品を接合
したパワーモジュールでは、上記のようなアルミニウム
からなる放熱部材にネジ締めした状態でのヒートサイク
ル試験において、ヒートシンクのうねりの変化を緩和し
きれす、Siチップが破壊される。On the other hand, when the content of Pb is 45% by mass or less,
When n-Pb-based solder is used, the solder is relatively hard, and the stress is distributed to the Al circuit under the solder layer, so that solder cracks are less likely to occur, but the effect of relaxation is low. For this reason, in a power module in which an electric component such as a transistor Si chip is joined using a Sn—Pb-based solder having a Pb content of 45% by mass or less, a screw is fastened to a heat dissipation member made of aluminum as described above. In the heat cycle test, the Si chip, which can completely reduce the change in the undulation of the heat sink, is destroyed.
【0026】本発明によれば、前記回路基板複合体のA
l回路上の電気部品の半田付けに45質量%以上85質
量%以下のPbを含むSn−Pb系半田を用いてパワー
モジュールを作製した場合に、適度な硬さの半田層が形
成され、半田層に加わる応力を半田層下のAl回路に適
度に分散させつつ、ヒートシンクのうねりの変化をある
程度緩和させることが可能となる。その結果、上記のよ
うなヒートシンクをアルミからなる放熱部材にネジ締め
した状態でのヒートサイクル試験においても、半田クラ
ックが発生しにくく、また電気部品が破壊されることの
ないパワーモジュールを提供することが可能となる。According to the present invention, the circuit board composite A
(1) When a power module is manufactured by using an Sn-Pb-based solder containing 45% by mass or more and 85% by mass or less of Pb for soldering electric components on a circuit, a solder layer having an appropriate hardness is formed. It is possible to moderately change the undulation of the heat sink while appropriately distributing the stress applied to the layer to the Al circuit under the solder layer. As a result, even in a heat cycle test in a state where the heat sink as described above is screwed to a heat radiating member made of aluminum, a solder module is unlikely to occur in a heat cycle test and an electric component is not broken. Becomes possible.
【0027】[0027]
【実施例】以下、実施例と比較例に基づき、本発明を更
に詳細に説明する。The present invention will be described below in more detail with reference to examples and comparative examples.
【0028】〔実施例1〜4、比較例1〜4〕 (1)セラミックス基板 35mm×35mm×0.635mmの窒化珪素及び窒
化アルミニウムで、レーザーフラッシュ法による熱伝導
率がそれぞれ95W/mK及び175W/mK、3点曲
げ強さの平均値がそれぞれ700MPa及び420MP
aであるものを用意したExamples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 (1) Ceramic substrate Silicon nitride and aluminum nitride of 35 mm × 35 mm × 0.635 mm having a thermal conductivity of 95 W / mK and 175 W by a laser flash method, respectively. / MK, the average values of the three-point bending strengths are 700 MPa and 420 MPa, respectively.
Prepared what is a
【0029】(2)Al回路 回路および金属板となるアルミニウム板として、厚み
0.4mmの市販のAl材(純度≧99.99%)か
ら、セラミックス基板の大きさに切断して用いた。(2) Al Circuit As an aluminum plate serving as a circuit and a metal plate, a commercially available Al material having a thickness of 0.4 mm (purity ≧ 99.99%) was cut into a ceramic substrate.
【0030】(3)回路基板作製 前記セラミックス基板の表裏面に、組成が95質量%A
l−1質量%Mg−4質量%CuのJIS呼称2017
アルミニウム合金箔ろう材(20μm厚さ)を介して前
記アルミニウム板を重ね、垂直方向に300MPaで加
圧した。そして、10-2Paの真空中、温度630℃×
20minの条件下で加熱しながらアルミニウム板とセ
ラミックス基板とを接合した。接合後、アルミニウム板
表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印刷
して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理することによ
り回路パターンを形成し、回路基板を作製した。(3) Preparation of Circuit Board A composition having a composition of 95% by mass A
JIS designation 2017 of 1-1 mass% Mg-4 mass% Cu
The aluminum plates were overlaid with an aluminum alloy foil brazing material (thickness: 20 μm) and pressed vertically at 300 MPa. Then, at a temperature of 630 ° C. in a vacuum of 10 −2 Pa ×
The aluminum plate and the ceramics substrate were joined while heating under the condition of 20 min. After joining, an etching resist was screen-printed on a desired portion of the aluminum plate surface, and a circuit pattern was formed by etching with a ferric chloride solution, thereby producing a circuit board.
【0031】(4)ヒートシンク ヒートシンクは、70mm×130mm×3mmの無酸
素銅材の全面に厚み10μmの無電解Ni−P(リン)
メッキを施したものを用意した。またヒートシンクの四
隅にはアルミニウムからなる放熱部材にネジ締めするた
めの穴を設けた。(4) Heatsink The heatsink is a 10 μm-thick electroless Ni-P (phosphorus) over the entire surface of an oxygen-free copper material of 70 mm × 130 mm × 3 mm.
A plated one was prepared. Holes were provided at the four corners of the heat sink for fastening screws to a heat dissipating member made of aluminum.
【0032】(5)回路基板複合体の作製 前記の回路基板と前記ヒートシンクとの間に、組成が9
5質量%Al−1質量%Mg−4質量%Cuの厚さ20
μmのJIS呼称2017アルミニウム合金箔ろう材を
入れ、黒鉛治具で圧力300MPaで加圧した。加圧し
た状態で10-2Paの真空中において610℃×4mi
nの加熱条件で接合した。さらに、作製した各回路基板
複合体のAl回路にNiメッキを施し、回路基板複合体
を得た。(5) Preparation of a Circuit Board Composite A composition having a composition of 9 between the circuit board and the heat sink.
5% by mass Al-1% by mass Mg-4% by mass Cu thickness 20
The aluminum alloy foil brazing material having a JIS designation of 2017 μm was put therein, and pressed with a graphite jig at a pressure of 300 MPa. 610 ° C x 4mi in a vacuum of 10 -2 Pa under pressure
The bonding was performed under heating conditions of n. Furthermore, Ni plating was applied to the Al circuit of each manufactured circuit board composite to obtain a circuit board composite.
【0033】(6)電子部品 電子部品として裏がAuでメッキされた15mm×15
mm×0.4mmのSiチップを用意した。(6) Electronic parts 15 mm × 15 with the back plated with Au as electronic parts
A mm × 0.4 mm Si chip was prepared.
【0034】(7)電子部品の半田付け 半田付け後の半田層の厚みが0.1mmになる重量の表
1に示される各組成のSn−Pb系半田を用い、前記回
路基板複合体のAl回路面に半田付けし、パワーモジュ
ールとした。(7) Soldering of electronic parts Sn-Pb-based solders of each composition shown in Table 1 having a weight of 0.1 mm in thickness of the solder layer after soldering were used, and the Al of the circuit board composite was used. A power module was obtained by soldering to the circuit surface.
【0035】(8)パワーモジュールの評価 100mm×150mm×20mmの純Al材(A10
50)からなる放熱部材の前記パワーモジューの搭載部
分に、シリコングリースを200μmの厚さに塗付後、
得られたパワーモジュールのヒートシンクに設けられた
ネジ穴を通して、ボルトで放熱部材に締め付けて評価試
料とした。各試料について、−40℃、30分→室温、
10分→125℃、30分→室温、10分を1サイクル
とするヒートサイクル試験を行ない、3000サイクル
後の外観を肉眼で観察して異常の有無の確認、及び試料
を切断したときのSiチップとAl回路との間の半田層
の半田クラックや金属板とヒートシンク間の接合面の観
察を行なった。それらの結果を表1に示す。(8) Evaluation of Power Module 100 mm × 150 mm × 20 mm pure Al material (A10
After applying silicon grease to a thickness of 200 μm on the mounting portion of the power module of the heat radiating member comprising 50),
Through the screw holes provided in the heat sink of the obtained power module, the power module was tightened to the heat radiating member with bolts to obtain an evaluation sample. For each sample, −40 ° C., 30 minutes → room temperature,
A heat cycle test was performed with 10 minutes → 125 ° C., 30 minutes → room temperature, 10 minutes as one cycle, and the appearance after 3000 cycles was visually observed to confirm the presence or absence of abnormality, and the Si chip when the sample was cut Observations were made on solder cracks in the solder layer between the aluminum plate and the Al circuit, and on the joint surface between the metal plate and the heat sink. Table 1 shows the results.
【0036】[0036]
【表1】 [Table 1]
【0037】実施例、比較例から明らかなように、本発
明のパワーモジュールでは、いずれの試料においても、
Siチップ下の半田層は良好な接合状態を示し、またS
iチップの破損等はみられなかった。これに対して、比
較例1、3のPbの含有量が45質量%以下のSn−P
b系半田を用いた場合には、ヒートシンクのうねりの変
化を緩和しきれすにSiチップに破損のみられるものが
あり、また、比較例2、4のPbの含有量が85質量%
以上のSn−Pb系半田を用いた場合には、半田層の変
形の限界を超え、Siチップ下に半田クラックが発生す
る割合が高くなった。As is clear from the examples and comparative examples, in the power module of the present invention, in each of the samples,
The solder layer under the Si chip shows a good bonding condition,
No damage to the i-chip was observed. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 3, Sn-P having a Pb content of 45% by mass or less was used.
In the case of using the b-based solder, some of the heat sinks may be damaged by the change in the undulation of the heat sink, and may be damaged only by the Si chip. In addition, the Pb content of Comparative Examples 2 and 4 is 85% by mass.
When the Sn-Pb-based solder described above was used, the limit of deformation of the solder layer was exceeded, and the rate of occurrence of solder cracks under the Si chip increased.
【0038】[0038]
【発明の効果】本発明のパワーモジュールは、Al回路
を有するセラミックス回路基板とヒートシンクとを直接
接合した回路基板複合体の回路上に、特定な組成範囲の
Sn−Pb系半田を用いて電気部品を半田付けした構造
を有しており、この構造故に、放熱性に優れ、実使用下
で繰り返し被る熱応力の繰り返しを受けても、高信頼性
を保つことができる特徴があり、高信頼性パワーモジュ
ール等の用途に好適である。According to the power module of the present invention, an electric component is formed on a circuit of a circuit board composite in which a ceramic circuit board having an Al circuit and a heat sink are directly joined by using a Sn-Pb-based solder having a specific composition range. Has a feature that it has excellent heat dissipation properties and can maintain high reliability even if it is subjected to repeated thermal stress in actual use. It is suitable for applications such as power modules.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊吹山 正浩 東京都町田市旭町3丁目5番1号 電気化 学工業株式会社中央研究所内 Fターム(参考) 5E322 AA01 AB02 AB09 EA11 5E338 AA01 AA18 BB71 BB75 CC01 CD11 EE02 5F036 AA01 BB08 BC06 BD03 BD14 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Masahiro Ibukiyama 3-5-1 Asahimachi, Machida-shi, Tokyo Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. Central Research Laboratory F-term (reference) 5E322 AA01 AB02 AB09 EA11 5E338 AA01 AA18 BB71 BB75 CC01 CD11 EE02 5F036 AA01 BB08 BC06 BD03 BD14
Claims (4)
たはAl合金からなるヒートシンク上に、ろう材を介し
て、セラミックス基板の表面にAlからなる回路を有し
裏面に金属板を有するセラミックス回路基板を、前記金
属板がろう材に接するように、接合してなり、しかも前
記Alからなる回路上に電気部品を半田を介して接合し
てなるパワーモジュールであって、前記半田が45質量
%以上85質量%以下のPbを含有するSn−Pb系半
田であることを特徴とするパワーモジュール。1. A ceramic circuit board having a circuit made of Al on the surface of a ceramic substrate and a metal plate on the back surface on a heat sink made of Cu or Cu alloy or Al or Al alloy on a heat sink made of brazing material. A power module, wherein the metal plate is joined so as to be in contact with the brazing material, and an electric component is joined to the circuit made of Al via solder, wherein the solder is 45% by mass or more and 85% by mass or more. A power module, which is a Sn-Pb-based solder containing Pb by mass% or less.
から選ばれる1種以上とMgとを含有するAl合金から
なることを特徴とする請求項1記載のパワーモジュー
ル。2. The power module according to claim 1, wherein the brazing material is made of an Al alloy containing Mg and at least one selected from the group consisting of Cu, Zn and Si.
特徴とする請求項1又は請求項2記載のパワーモジュー
ル。3. The power module according to claim 1, wherein the metal plate is made of Al or an Al alloy.
ミニウムからなることを特徴とする請求項1、請求項2
又は請求項3記載のパワーモジュール。4. The ceramic substrate according to claim 1, wherein said ceramic substrate is made of silicon nitride or aluminum nitride.
Or the power module according to claim 3.
Priority Applications (1)
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JP2000304470A JP2002110875A (en) | 2000-10-04 | 2000-10-04 | Power module |
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Cited By (1)
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KR20160031497A (en) * | 2013-08-26 | 2016-03-22 | 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 | Assembly and power-module substrate |
-
2000
- 2000-10-04 JP JP2000304470A patent/JP2002110875A/en active Pending
Cited By (3)
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KR20160031497A (en) * | 2013-08-26 | 2016-03-22 | 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 | Assembly and power-module substrate |
KR101676230B1 (en) | 2013-08-26 | 2016-11-14 | 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 | Assembly and power-module substrate |
US9530717B2 (en) | 2013-08-26 | 2016-12-27 | Mitsubishi Materials Corporation | Bonded body and power module substrate |
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