JP4104429B2

JP4104429B2 - Module structure and module using it

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Publication number: JP4104429B2
Application number: JP2002323337A
Authority: JP
Inventors: 秀幸江本; 正浩伊吹山; 勲杉本; 学宇都
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2022-11-07
Also published as: JP2004158659A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー素子等の発熱電気部品を搭載したセラミックス回路基板と金属製ヒートシンクからなるモジュールに関し、こと電源用途に好適に用いられるモジュールと、それに用いられるモジュール構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーエレクトロニクスの進歩により、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴなどのパワーデバイスにより制御される機器が急速に増えつつある。中でも、電鉄、車両などの移動機器において、パワーデバイス化が急速に進んでいる。また、環境問題への関心の高まりと共に、電気自動車やガソリンエンジンと電気モーターを併用するハイブリッドカー等が市販され始めており、それらに搭載されるパワーモジュールの需要の伸びが期待されている。この様な用途には、その使用目的から、格別に高い信頼性が要求されている。
【０００３】
従来のパワーモジュールでは、半導体素子等で発生する熱を外に逃がして、半導体素子の温度が所定の温度以上に上がらないようにするため、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス回路基板上に半田付けにより半導体素子を搭載し、それを銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属からなるヒートシンクに半田付けしてなる構造が一般的であった。
【０００４】
しかし、この様な構造の場合、半導体素子の動作に伴う繰り返しの熱サイクルや動作環境における温度変化等を被ったときに、セラミックス回路基板とヒートシンクの間の半田層にクラックが発生する場合がある。半田層にクラックが発生するのは、セラミックス基板とヒートシンクとの熱膨張差により発生する熱応力のためである。そして、半田層のクラック（以下、単に「半田クラック」ともいう）の存在は、半導体素子で発生した熱の放散性を低下させ、半導体素子の温度が上昇し、その結果、半導体素子が劣化し、パワーモジュール全体の信頼性を低下させる。
【０００５】
また、半導体装置の高集積化、大電力化に伴って、より高い放熱性が求められているとともに、環境汚染の面から半田の鉛フリー化が望まれている。しかし、いわゆる鉛フリー半田は、現在多用されているＰｂ−Ｓｎ系半田に比べて熱伝導率は高いものの信頼性が劣っているという問題がある。
【０００６】
これらの問題を避けるために、熱膨張率がよりセラミックス基板に近いＡｌ−ＳｉＣ複合材あるいはＣｕ−Ｍｏ複合材をヒートシンクに用いることが検討されているが、従来の金属製ヒートシンクに比べて特殊な方法により製造せざるを得ない上に、加工工程や表面処理工程のコストが高く、金属製ヒートシンクより遙かに高価になるという問題がある。
【０００７】
一方、半田に代えてろう材を用いてヒートシンクとセラミックス回路基板とを直接に接合することにより、半田クラックの発生を避け、同時に熱放散性も改善する試みがなされている（特開平９−９７８６５号公報、特開平１０−２７０５９６号公報参照）。
【０００８】
しかし、この場合には、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクとの熱膨張差により発生した熱応力により、接合界面の剥離やセラミックス基板の割れが起こりやすくなり、かつ、セラミックス回路基板上の半導体素子の下の半田に加わる応力も大きくなるため、半導体素子の下の半田クラックが一層発生しやすくなるという問題がある。また、パワーモジュール組み立て工程や実使用条件下で受ける熱履歴によって、ヒートシンクの形状や反りが大きく変化し、パワーモジュールの組み立て時に不都合が生じたり、ヒートシンクと放熱ブロックとの密着性の低下による熱放散性の低下が起きる場合がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、パワーモジュール組み立て工程や実使用条件下で受ける熱履歴によっても、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクから構成されるモジュール構造体の形状変化が小さく、組み立てが容易であり、そして、接合界面での剥離、セラミックス基板の割れ、半田層にクラック等の異状が発生し難く、かつ熱放散性のよい、長期に渡って高い信頼性を維持することのできるモジュールを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的を達成するべく種々の実験的検討を重ね、セラミックス基板と金属製ヒートシンクとの間に応力緩衝層を設けた構造体において、金属製ヒートシンク及び応力緩衝層となる金属板に種々の対策を設けるとき、得られるモジュール構造体が、組み立て工程や実使用条件下における熱履歴を受けても、形状変化や反り変化が小さく、しかも熱放散性が損なわれないことを見いだし、本発明に至ったものである。
【００１１】
即ち、本発明は、金属製ヒートシンクにセラミックス回路基板を、アルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）を介して、接合してなるモジュール構造体であって、前記アルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）の厚みが４００μｍ以上１２００μｍ以下であることを特徴とするモジュール構造体である。
【００１２】
また、好ましくは上記金属製ヒートシンクが、６３０℃、４分の加熱処理後のビッカース硬さが３０ＨＶ以上であるアルミニウム合金からなることを特徴とするモジュール構造体である。
【００１３】
前記金属板（Ａ）が、セラミックス回路基板および金属製ヒートシンクに、ろう材を介して接合されているのが好ましい。このろう材に、Ａｌを主成分とし、Ｍｇと、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ及びＡｇからなる群から選ばれる１種以上とを含有するものを用いると、信頼性の高い接合が得られる。
【００１４】
更に好ましくは、上記モジュール構造体を用い、セラミックス回路基板の金属板（Ａ）と反対側に設けられた回路形成されている金属板（Ｂ）上に、所望の位置に搭載された発熱性電気部品を設け、しかも前記金属板（Ａ）及び／又は前記金属製ヒートシンクの表面に切欠部を設けたモジュールであって、当該モジュールの断面を想定したときに、前記切欠部が前記発熱性電気部品の金属板（Ｂ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域に設けられていることを特徴とするモジュールである。
【００１５】
上記切欠部は、金属板（Ａ）の金属製ヒートシンクに接する側の表面、または、当該モジュールの発熱性電気部品のある側から眺めたときに、セラミックス基板に覆われた金属製ヒートシンク表面、または、当該モジュールの発熱性電気部品のある側から眺めたときに、セラミックス基板に覆われていない金属製ヒートシンク表面に設けられているのが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について説明する。
本発明に用いられるセラミックス基板は、必要とされる電気絶縁性や熱伝導率や機械的強度などの特性を満たしていればどの様なものでも構わないが、高熱伝導率を有するセラミックスである窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、或いは高い強度と比較的高い熱伝導率を兼ね備えた窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）がより好適である。
【００１７】
本発明のモジュール構造体は、金属製ヒートシンクにセラミックス回路基板を接合してなる構造を有している。異材質の接合における熱応力の低減には、大きく２つの手法が知られている。その第１の手法においては、両材料の熱膨張差を低減するため、低熱膨張率のヒートシンクを使用する。しかし、この方法は前述の通りにコスト面の問題がある。第２の手法は、本発明が採用している方法であり、金属製ヒートシンクとセラミックス回路基板との間に応力緩衝層を挿入して、熱歪みを吸収するという考えに基づいており、低弾性率材料を中間層（応力緩和層）としてその塑性変形による熱応力緩和を行う手法である。
【００１８】
本発明においては、応力緩衝層として、厚みが４００μｍ以上１２００μｍ以下のアルミニウムを主成分とする金属板を用いることを特徴としている。応力緩和層としては、前述の通りに、その機械的特性として、弾性率及び降伏耐力が低いことが必須である。しかし、本発明においては、その用途への適用のために、熱放散の面から高熱伝導率であること、半導体素子の半田付け時に溶融しないこと、更にはセラミックス基板及び金属製ヒートシンクと十分な強度で接合が可能であること等の要求を満たす必要がある。
【００１９】
本発明者は、上記要求を満足する応力緩和層を見出すべく、種々の材質及び厚みについて鋭意検討を行った結果、本発明に至ったものである。本発明においては、応力緩和層にアルミニウムを主成分とする金属板を選択し、これを前記金属板（Ａ）として用いる。金属板（Ａ）として、例えばＪＩＳ呼称１０００番台のアルミニウム、中でも、純度９９質量％以上の高純度アルミニウム、更に好ましくは純度９９．９質量％以上の高純度アルミニウムを用いると良い。
【００２０】
また、本発明において、前記金属板（Ａ）の厚みは、４００μｍ以上１２００μｍ以下、好ましくは６００μｍ以上１０００μｍ以下である。前記厚みが１２００μｍを越えると、金属板（Ａ）とヒートシンクによって生じる応力が金属板（Ｂ）側に及び、シリコンチップ下の半田の耐久性に悪影響を与える場合がある。また、エッチングでパターンを形成するときにパターン精度の悪化やコストアップを招くので好ましくない。４００μｍよりも薄いと接合部からの元素拡散による硬化などのために緩衝層としての作用が不十分となったり、Ａｌ緩衝層が熱サイクルによる繰り返し応力に耐えられず破断を起こすことがある。
【００２１】
本発明は、金属製ヒートシンクとして、安価で熱伝導率が高い銅やアルミニウム、またはそれらを主成分とする合金などを用いても、パワーモジュールの信頼性を確保することが出来るという特徴を有する。Ａｌ合金は軽量かつ安価であるからヒートシンクとして好適であり、その場合、好ましくは、６３０℃、４分の加熱処理後のビッカース硬さが３０Ｈｖ以上、更に好ましくは６０Ｈｖ以上であるアルミニウム合金を用いると良い。
【００２２】
前記特徴を有するＡｌ合金をヒートシンクとして用いると、前記金属板（Ａ）の厚さが好適な範囲にあることと協同して、得られるモジュール構造体の反りを極めて小さくすることができる。また、パワーモジュール組み立て工程やその実使用条件下で熱履歴を受けても、モジュール構造体の形状変化や反り変化が小さく、また接合界面の剥離や緩衝層である金属板（Ａ）の破断を防止するので、半導体素子の破損や熱抵抗の上昇を防ぐことができ、パワーモジュールの各種信頼性に良い影響を与える。
【００２３】
ヒートシンクに用いるアルミニウム合金としては、前記特性を有するものであればどの様なものであっても構わない。この様な合金の例として、ＡｌにＳｉ或いはＭｇのいずれか１種以上を適当量添加したアルミニウム合金、例えば、ＪＩＳ呼称２０００番台、５０００番台、６０００番台、あるいは７０００番台が例示される。
【００２４】
ＳｉとＭｇの含有量は、物性、加工性の面から０．１〜４．０質量％程度が好ましいが、これを越えても、ビッカース硬度３０Ｈｖ以上、好ましくは６０Ｈｖ以上であれば、本発明のモジュール構造体の特徴である形状変化やそり変化が小さくなる点で優れている。また、本発明に用いるＡｌ合金は、前記特性を満たしている限り、他の成分や不純物を含有していても構わない。Ｍｇ、ＣｕやＺｎを２．０質量％以上含有するＡｌ合金はビッカース硬度や曲げ強度が高く、得られたモジュール構造体の形状変化や反り変化が小さくなる点で優れている。更に、前記アルミニウム合金がヒートシンク材の骨格を構成していれば良く、ヒートシンクの全てが前記アルミニウム合金である必要はない。
【００２５】
本発明に適するヒートシンク用Ａｌ合金のビッカース硬度を示したが、高温アニール後の曲げ強度を測定し、その時に荷重と変位で表すこともできる。厚さ５ｍｍ、幅５ｍｍの試験片を６００℃で１０分間加熱した後、スパン３０ｍｍで３点曲げ強度を測定したとき、変位が２００μｍになるときの荷重が２００Ｎ以上、好ましくは３００Ｎ以上の時、上記と同様の効果が得られる。
【００２６】
また、ヒートシンクの形状は、裏面が平らな板状のものを用いてもよいし、フィンが形成されているものを用いても良い。また内部を冷却媒体が通過出来るような構造を持っていても良い。この場合、パワーモジュールや冷却措置を含む電力制御装置全体の寸法を小さくできコストダウンに寄与できるので好ましい。
【００２７】
また、本発明のモジュール構造体においては、その材質、形状、作業性、接合強度から、前記の金属板（Ａ）が金属製ヒートシンクにろう材もしくは鉛フリー半田を介して接合していることが好ましい。
【００２８】
ヒートシンクとセラミックス回路基板の接合にＰｂ−Ｓｎ系半田を用いた場合は、前記したように熱サイクルに伴う半田クラックによる信頼性の低下、環境上の問題、アルミニウムの半田濡れ性が悪いため表面をメッキなどで処理しなければならない等の問題があり好ましくないが、ろう付けによれば前記問題が解消される。更に、本発明において、アルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）が、セラミックス回路基板に、ろう材を介して接合されていることが、一層好ましい。
【００２９】
本発明において、ヒートシンクと金属板（Ａ）、金属板（Ａ）とセラミックス基板を接合するろう材は、金属製ヒートシンクの種類等に応じて適宜選択すれば良い。特に、このろう材に、Ａｌを主成分とし、Ｍｇと、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｎ及びＡｇからなる群から選ばれる１種以上とを含有するものを用いると、信頼性の高い接合が得られる。前記ろう材に含まれるＭｇの量は０．１〜２．０質量％が適当であり、０．１質量％より少ないと十分な接合が得られず、２．０質量％より多いと接合部の耐熱衝撃性が低下したり接合炉の操業上好ましくないことが起きる場合がある。本発明のろう材に適するアルミニウム合金としては、例えば、ＪＩＳ呼称２０００番台、３０００番台、５０００番台、６０００番台、７０００番台の適当な組成のものを用いることが出来る。
【００３０】
尚、ろう材は、合金でも合金でなくともよく、また、箔、粉末、混合粉末、或いは接合温度以下で前記金属成分を残留する化合物を含む混合粉末のいずれの形態でも構わないし、それらを組み合わせて用いても良い。合金箔は、接合部分の耐熱サイクル性、微小ボイドが出来にくい、取り扱いやすさ等の点で優れている。とりわけ、金属板（Ａ）とセラミックス基板を接合するにはＪＩＳ呼称２０１７のアルミニウム合金箔を用いるとよい。
【００３１】
また、ヒートシンクと金属板（Ａ）を接合するには、接合温度をヒートシンクの融点以下にする必要があり、必要に応じて上記ろう材組成の融点を下げるためにＡｌ以外の成分の量を増すとよい。例えば、前記Ａｌ合金箔と銀箔や銀粉を併用すると最も好ましい結果が得られる。また、ろう材の厚みに関しては、１０〜６０μｍ、好ましくは１０〜４０μｍのときに再現性がよく、耐熱サイクル性がよい強固な接合が得られる。
【００３２】
Ａｌ合金ヒートシンクとアルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）を接合する場合、一般的には真空中で加熱して接合するが、この時、双方の接合面の凹凸や面粗さが大きいと、接合不良が多発したり接合部の耐ヒートサイクル性が劣る場合がある。また、窒素中で接合すると、接合する部材の表面形状の影響はより大きくなるし、金属板（Ａ）の外周部分で接合不良が起きすくなる。特にヒートシンクに押し出し材を用いると、その表面についた押し出し痕が接合不良や熱サイクル試験での剥離を引き起こす。
【００３３】
これらの問題は、Ｍｇを含むＡｌ合金箔や合金粉とＡｇ粉またはＡｇ箔を併用すると解決できる。このような合金とＡｇの併用は、特に窒素雰囲気中でも十分に耐久性を持った信頼性の高い接合が得られるという点で画期的である。また、ヒートシンクの加熱処理後のビッカース硬度が大きい場合や曲げ強度が大きい場合にも、剥離の起きにくい強固な接合部が得られるので好ましい。この方法によれば、窒素中で接合出来るので、通常の窒素雰囲気連続炉で接合でき、製造コストを大幅に低減できるという特徴を有する。
【００３４】
ろう付けを行うには、ろう材が合金箔であればヒートシンクと金属板（Ａ）、または金属板（Ａ）とセラミックス基板の間に挟み、真空中、窒素中、または不活性ガス中で加熱して接合する。ろう材として合金粉や金属粉の混合物を用いるとき、ヒートシンクと金属板（Ａ）又は金属板（Ａ）とセラミックス基板を接合する場合においても、いずれか一方の面に、ロールコ−ターやスクリーン印刷機により塗布すればよい。塗布量は、少なすぎると十分な接合が出来ないし、多すぎるとろう材が流れて接合部以外に流れ出し不都合であったり、界面に硬く脆弱な層ができて接合の信頼性を損なうことがある。塗布量として１〜５ｍｇ／ｃｍ^２程度が好ましい。
【００３５】
Ａｌ合金ろう材箔とＡｇ粉を併用してヒートシンクと金属板（Ａ）を接合する場合は、銀粉をろう材箔、ヒートシンク、または金属板（Ａ）のいずれかの一つの面に塗布するだけで、銀を併用する効果が得られる。また、銀粉の塗布量は１〜３ｍｇ／ｃｍ^２程度で十分である。
【００３６】
また、本発明に於いて、金属製ヒートシンクと金属板（Ａ）の接合に鉛フリー半田を用いても良い。鉛フリー半田は、Ｐｂ−Ｓｎ系半田に比べて硬く塑性変形しにくいため、通常は熱サイクルにより半田クラックが入りやすいと言われているが、本発明の場合、十分信頼性のあるモジュール構造体を得ることが出来る。鉛フリー半田として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田やＳｎ−Ｚｎ系半田を用いると信頼性を確保することがことでき、特に、Ｓｎ−Ａｇ（３質量％）−Ｃｕ（０．５質量％）を用いるとよい。
【００３７】
セラミックス基板の片面に設けられ、発熱性電気部品がその一部に搭載される回路となる金属板（Ｂ）としては、良導電性の金属であれば何でも構わないが、安価で熱伝導率が高い銅やアルミニウム、或いはそれらの合金が好ましく用いられる。また、前記銅やアルミニウムとしては、電気伝導率が高く、応力発生に対して塑性変形能が高い、高純度のものが好ましい。
【００３８】
本発明においては、セラミックス基板のヒートシンク側にヒートシンクと接するように設けられた金属板（Ａ）及び／又は金属製ヒートシンクの上面及び／又は下面の特定の位置に切欠部を設けている。これは、前記切欠部の存在しない状態での熱放散性を維持しながらも、半導体素子等の発熱性電気部品を搭載する時などの加熱処理によるセラミックス基板とヒートシンクの熱膨張率差により発生する熱応力により生じる金属板（Ａ）の歪みを切欠部が緩和し、温度履歴に伴うモジュール構造体の変形を低減することができるためである。
【００３９】
本発明における切欠部導入位置は、モジュールの断面を想定したときに、発熱性電気部品の金属板（Ｂ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域である。前記の位置に切欠部を特定することにより、モジュール中の半導体素子等の電気部品や回路から発生する熱の放散性を悪化させず、従って半導体素子の温度を上昇させることなく、半導体素子の誤動作を生じたりして寿命が短くなる等の現象が引き起こされるのを防止できるからである。
【００４０】
切欠部導入位置は、搭載される発熱性電気部品の大きさ、形状、搭載位置に制限される。放熱構造部変形の低減には、セラミックス基板のヒートシンク側にヒートシンクと接するように設けられた金属板（Ａ）にヒートシンク側から導入した切欠部が最も効果的である。切欠部の深さは、大きい程放モジュール構造体変形の低減に効果的であり、金属板を分割するのが好ましいが、必ずしも分割する必要はない。切欠部の幅、個数及び形状は、熱放散性を悪化させる領域に含まれなければ、どの様にしても構わない。
【００４１】
また、ヒートシンクの金属板（Ａ）に接した部分に切欠部を導入することにより、同様の効果が得られる。この場合は、ヒートシンク表面に簡単な溝加工を施すこと等により、切欠部を導入することが可能であり、生産性に優れる効果がある。この場合も切欠部の深さは、大きい程効果的であるが、深さは、ヒートシンクの厚みの１／２以下にするのが好ましい。これ以上深い切欠部を設けるとセラミックス回路基板とヒートシンクとを接合して得られたモジュール構造体が大きく変形してしまうことがあるからである。切欠部の幅、個数及び形状は、前記特定の範囲内に設けられているならば、どの様にしても構わない。
【００４２】
発熱性電気部品の大きさ、形状、搭載位置の制限により、金属板とヒートシンクの界面に切欠部を設けられない場合は、接合界面以外のヒートシンクの上面及び／又は下面に設けても変形の低減効果がある。この場合には、発熱性電気部品、回路、セラミックス基板等のモジュールの重要な機能を呈する部分から空間的に離れた場所を選択する自由度が大きくなり、生産性の面で優れ、結果的にモジュールを一層安価に提供できるという効果が得られる。
【００４３】
本発明に用いるセラミックス回路基板は、セラミックスを回路用の金属板（Ｂ）及びアルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）と接合したのち、エッチングや機械加工等の従来公知手法を用いて回路形成、或いは、金属板（Ａ）の切欠部を形成することで容易に製造できる。或いは、セラミックス基板にあらかじめ回路及び切欠部を形成した金属板（Ａ、Ｂ）を搭載し接合することによっても製造できる。
【００４４】
本発明のモジュール構造体、モジュールを得る方法としては、従来公知の方法を適用することで得ることもできるが、後述する方法が再現性が良く、また生産性高く本発明のモジュール構造体、モジュールを得ることができる。
【００４５】
即ち、予め表面に回路形成された金属板（Ｂ）を、裏面に応力緩和層となるアルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）をそれぞれろう付等により設けたセラミックス回路基板を準備し、その応力緩衝層側の面と金属製ヒートシンクとの間にろう材を配置し、加圧下で加熱してセラミックス回路基板と金属製ヒートシンクを接合する方法、或いは、回路用金属板（Ｂ）、セラミックス基板、応力緩衝層となるアルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）、金属製ヒートシンクを順次並べるとともに、それぞれの間にろう材を配置し、同時に接合する方法が好ましい。
【００４６】
また、切り欠き部を設けたモジュール構造体を形成するには、セラミックス回路基板の金属板（Ａ）或いは金属製ヒートシンクの表面にエッチングや機械加工等により予め切欠部を導入し、その後、セラミックス回路基板の金属板（Ａ）と金属製ヒートシンクの間にろう材を配置し、加圧下で加熱しセラミックス回路基板と金属製ヒートシンクを接合する方法、或いは、回路用金属板（Ｂ）、セラミックス基板、切欠部を導入したアルミニウムを主成分とする金属板（Ａ）及び金属製ヒートシンクを順次並べるとともに、それぞれの間にろう材を配置し、同時に接合する方法が好ましい。更に、後者の方法において、回路用金属板（Ｂ）は予め回路形成されたものであっても良いし、接合後にエッチング等の方法を適用して回路形成しても良い。また、ヒートシンクの接合界面以外の領域に切欠部を導入する場合は接合後に設けても構わない。
【００４７】
次に、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクからなるモジュール構造体の回路上に半導体素子等の電子部品を半田付け等により搭載し、必要に応じてワイヤーボンディング等を施して回路を完成することで本発明のモジュールを得ることができる。
【００４８】
本発明のモジュール構造体を用いて組み立てた、高出力半導体素子等の高発熱性電気部品を搭載したパワーモジュールは、金属製ヒートシンクが中実板である場合は、高熱伝導性グリースを介して、放熱フィン等の放熱ユニットに取り付け、使用される。ヒートシンクがフィン付き形状であればそのまま用いられる。また、ヒートシンクが冷却媒体を通すパイプ状である場合は、冷却媒体を通すための配管がなされ、使用される。
【００４９】
【実施例】
以下、実施例と比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００５０】
〔参考例１、２、３、４、５、比較例１、２〕セラミックス基板として、レーザーフラッシュ法による熱伝導率が７５Ｗ／ｍＫ、三点曲げ強さの平均値が６５０ＭＰａの窒化ケイ素基板で、大きさが３４×３４×０．６３５ｍｍのものを用意した。また、回路用の金属板として純度９９．９９％で、厚みが０．４ｍｍのＡｌ板（以下、Ａｌ回路板という）を、又、応力緩衝層用のＡｌ板（以下、緩衝用Ａｌ板という）として純度９９．９９％で表１に示すいろいろな厚みのものを用意した。
【００５１】
窒化ケイ素基板の表裏両面に、ＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔（２０μｍ厚さ）を介して、前記Ａｌ回路板と緩衝層用Ａｌ板を重ね、垂直方向に５ＭＰａで加圧した。そして、１０^−３Ｐａ台の真空中、温度６３５℃で加熱しながら、窒化ケイ素基板に前記Ａｌ板の両者を接合した。
【００５２】
接合後、Ａｌ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、セラミックス回路基板を作製した。
【００５３】
次に、ヒートシンクとして５０×５０×４ｍｍサイズのＪＩＳ呼称１０５０Ａｌ板を用意した。そして、前記セラミックス回路基板に接合されている緩衝用Ａｌ板とヒートシンクとの間に、厚さ２０μｍのＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔を挟み、黒鉛治具で全体を垂直方向に５ＭＰａで加圧しながら、１０^−３Ｐａ台の真空中、６００℃、４分の条件で加熱処理を行い、ヒートシンクにセラミックス回路基板を接合した。この接合体のアルミニウム金属面に無電解Ｎｉメッキを行い、モジュール構造体を得た。この場合、それぞれの同じ構成のモジュール構造体を１０個作製した。
【００５４】
作製したモジュール構造体のＡｌ回路面に、裏がＡｕでメッキされた１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．３ｍｍのシリコンチップを、鉛と錫の質量割合がそれぞれ９０：１０である半田を用いて３５０℃で接合した。
得られたモジュールについて、−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を３０００回実施した。その後、超音波深傷装置によってセラミックス基板とヒートシンク間、およびセラミックス基板とシリコンチップ間の接合界面の剥離やクラックの発生の有無などを観察した。この結果を表１に併せて示した。
【００５５】
尚、比較例１を除き、いずれのモジュールにおいてもヒートサイクルによる接合部の剥離や窒化ケイ素基板におけるクラックの発生は観察されなかった。比較例１では、接合部の一部が剥離すると共に緩衝用Ａｌ板の疲労破壊が顕著に起こり、実施例１では緩衝層用Ａｌ板のコーナー部に疲労破壊が認められた。比較例２では、シリコンチップと回路基板間の半田層に全面にわたるクラックが認められ、実施例５では、同様に半田層に若干のクラックが認められた。
【００５６】
【表１】

【００５７】
〔参考例６、７、８、９、１０、１１、比較例３〕表２に示す７種のヒートシンクを用い、以下の手順に従って、１０個の繰り返し数で、モジュールを作製し、評価することで、本発明の参考例並びに比較例とした。
【００５８】
セラミックス基板として、３４×３４×０．６３５ｍｍの大きさで、レーザーフラッシュ法による熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ、三点曲げ強さの平均値が４００ＭＰａのＡｌＮ（窒化アルミニウム）基板を用意した。また、回路となる金属板と前記ＡｌＮ基板のヒートシンクに対する面（以下、基板裏面という）に設けられる金属板として３０×３０×０．４ｍｍのＪＩＳ呼称１０８５のＡｌ（アルミニウム）板を２枚用意した。
【００５９】
前記ＡｌＮ基板の表裏両面に、ＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔（２０μｍ厚さ）を介して前記Ａｌ板を重ね、垂直方向に１０ＭＰａで加圧した。そして、１０^−２Ｐａの真空中、温度６３０℃、２０分の条件下で加熱しながらＡｌ板とＡｌＮ基板とを接合した。接合後、Ａｌ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、セラミックス回路基板を作製した。
【００６０】
次に、ヒートシンクとして、４６×４６×４ｍｍサイズの表２に示す組成のアルミニウム板を用意した。そして前記セラミックス回路基板のヒートシンクに接して配置される面に銀粉をスクリーン印刷で１．５ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布し、それと前記ヒートシンクとの間に、厚さ２０μｍのＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔を入れ、黒鉛治具で垂直方向に１０ＭＰａで加圧しながら窒素雰囲気中において５１０〜６００℃、４分の加熱処理を行いヒートシンクとセラミックス回路基板とを接合した。最後に基板と放熱板全面に無電解Ｎｉメッキを行い、モジュール構造体を得た。
【００６１】
作製したモジュール構造体のＡｌ回路面に、裏がＡｕでメッキされた１３ｍｍ×１３ｍｍ×０．４ｍｍのシリコンチップを、鉛と錫の質量割合がそれぞれ９０：１０である半田を用いて３５０℃で接合した。
【００６２】
前記操作で得たモジュールについて、シリコンチップの反り量を測定した。反り量は、シリコンチップの対角線上の両端部と中央部の高さの差として評価し、１０個の平均値を表３に示した。
【００６３】
【表２】

【００６４】
【表３】

【００６５】
〔実施例１２、比較例４〕
セラミックス基板として、レーザーフラッシュ法で測定した熱伝導率が７０Ｗ／ｍＫ、三点曲げ強度が７５０ＭＰａの窒化ケイ素基板（寸法３４×２６×０．６３５ｍｍ）を用意した。また、金属板（Ａ）及び金属板（Ｂ）用にはいずれも純度が９９．９９％で厚みが０．４ｍｍのアルミニウム板を用意した。
【００６６】
窒化ケイ素基板の表裏両面に、ＪＩＳ呼称２０１７Ａｌ箔（２０μｍ厚さ）を介してアルミニウム板を重ね、垂直方向から５ＭＰａで加圧した。そして１０^−３Ｐａ台の真空中、温度６３５℃で加熱しながら、窒化ケイ素基板に前記アルミニウム板の両者を接合した。
【００６７】
接合後、上下の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を行うことにより金属板（Ｂ）に回路パターンを、実施例１２では金属板（Ａ）に歪み緩和のための切欠部を形成し、セラミックス回路基板を作製した。尚、切欠部は、後に搭載される発熱性電気部品の一つである半導体素子の金属板（Ｂ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域に設けた。また、比較例４では、金属板（Ａ）に切欠部を設けないで、同様の手法により、セラミックス回路基板を作製した。
【００６８】
次に、ヒートシンクとして、６０×１４０×４ｍｍで４つの取り付け用ネジ穴を有するＪＩＳ呼称１０５０アルミニウム板を用意した。そして、前記セラミックス回路基板２枚と前記アルミニウム板との間に、ＪＩＳ呼称２０１７アルミニウム合金箔を入れ、黒鉛治具で垂直方向に加圧しながら、１０^−３Ｐａ台の真空中、５９０℃、１０分の条件で加熱を行い、ヒートシンクとセラミックス回路基板を接合し、モジュール構造体とした。
【００６９】
次に、半導体素子の半田付け前後での温度履歴を想定した、反り変化量の測定を行った。反り量の測定方法について述べると、まず接合後のモジュール構造体の底部における形状を触針式の輪郭形状機で長手方向の端から端まで（スパン１４０ｍｍ）測定し、両端補正を行い、数値化した。その後、このモジュール構造体を３６０℃で１０分の加熱処理を行ったのち、底部形状の測定を行い、加熱前後の差をとり、その最大値を反り変化量とした。結果を表４に示す。
【００７０】
次に、放熱性の評価のために、得られたモジュール構造体の全面に無電解ニッケルメッキを施した後、回路の所定の位置に１０ｍｍ角の半導体素子を高温半田を用い、還元雰囲気中、３６０℃で半田付けした。実施例１０、比較例４のモジュールの断面構造をそれぞれ図１、図２に示す。前記のモジュール部材の底面にアルミニウム製放熱ユニットをシリコーングリースを介して、四つのネジで締め付けた。熱抵抗は、放熱ユニットを水冷し、シリコン素子の厚さ方向に定電流を流しながら、シリコン素子の温度とアルミニウム製放熱ユニットの温度を測定することにより求めた。結果を表４に示す。
【００７１】
【表４】

【００７２】
得られたモジュールについて−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を３０００回実施した。その後、超音波深傷によるセラミックス基板とヒートシンクの接合界面の剥離の有無を観察した。いずれのモジュールにおいてもヒートサイクルによる回路板の剥離や窒化ケイ素基板におけるクラックの発生等の異状は観察されなかった。
【００７３】
〔比較例５〕
金属板（Ａ）に導入する切欠部をシリコン素子の鉛直下方に設けた以外は、実施例１０と同様にしてモジュールを作製した。実施例１０と同様に半導体素子の半田付け前後の反り変化量及び熱抵抗の評価を行った。モジュールの断面構造を図３に、評価結果を表４に示した。
【００７４】
〔実施例１３〕
アルミニウム製ヒートシンクのセラミックス回路基板に接する部分で、しかも、後工程で搭載される半導体素子の金属板（Ｂ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域以外の領域に、ダイヤモンドカッターにより、幅１ｍｍ、深さ１．５ｍｍの溝加工を行った以外は、比較例４と同様にしてモジュールを作製し、比較例４と同様に評価した。モジュールの断面構造を図４に、評価結果を表４に示した。
【００７５】
〔実施例１４、１５〕
比較例４と同様の方法によりセラミックス回路基板をアルミニウム製ヒートシンクに接合したモジュールを作製した。実施例１４では、図５に示すヒートシンク上面の位置に、実施例１５では、図６に示すヒートシンク下面の位置に幅３ｍｍ、深さ２ｍｍの溝加工を行った。その後、比較例４と同様の方法により、モジュールの作製及び評価を行った。評価結果を表４に示した。
【００７６】
【発明の効果】
本発明のモジュール構造体とそれを用いたモジュールは、安価な金属をヒートシンクを用いながらも、半導体搭載時などの温度履歴を受けても変形量が小さく、組み立てが容易であり、しかも実使用条件下で繰り返しの温度履歴を受けても、接合界面での剥離、アルミニウム層の疲労破壊、セラミックス基板の割れ、半田層クラック等の異状が発生しがたく、しかも放熱性に優れるとう特徴があり、いろいろな用途のパワーモジュール、特に移動用機器向けのパワーモジュールに好適であり、産業上非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施例１２に係るモジュールの断面図。
【図２】比較例４に係る従来公知のモジュールの断面図。
【図３】比較例５に係る従来公知のモジュールの断面図。
【図４】本発明の実施例１３に係るモジュールの断面図。
【図５】本発明の実施例１４に係るモジュールの断面図。
【図６】本発明の実施例１５に係るモジュールの断面図。
【符号の説明】
１セラミックス基板
２発熱性電気部品（半導体素子）
３金属板（Ｂ）
４金属板（Ａ）
５ヒートシンク
Ａ発熱性電気部品の金属板（Ａ）に接する縁から鉛直下方に４５°の直線群を引いて形成される錐台部領域
Ｂ切欠部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a module comprising a ceramic circuit board on which a heat generating electrical component such as a power element is mounted and a metal heat sink, and more particularly to a module suitably used for a power supply and a module structure used therefor.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the advancement of power electronics, devices controlled by power devices such as IGBTs and MOS-FETs are rapidly increasing. In particular, mobile devices such as electric railways and vehicles are rapidly becoming power devices. In addition, with increasing interest in environmental issues, electric cars and hybrid cars that use a gasoline engine and an electric motor have begun to be marketed, and the demand for power modules mounted on them is expected to increase. For such applications, exceptionally high reliability is required for the purpose of use.
[0003]
In a conventional power module, aluminum oxide (Al) is used to release heat generated in a semiconductor element or the like so that the temperature of the semiconductor element does not rise above a predetermined temperature. ₂ O ₃ ), Silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), Mounting a semiconductor element on a ceramic circuit board such as aluminum nitride (AlN) by soldering, and soldering it to a heat sink made of a metal such as copper (Cu) or aluminum (Al) Met.
[0004]
However, in the case of such a structure, cracks may occur in the solder layer between the ceramic circuit board and the heat sink when subjected to repeated thermal cycles accompanying the operation of the semiconductor element or temperature changes in the operating environment. . The crack is generated in the solder layer because of a thermal stress generated by a difference in thermal expansion between the ceramic substrate and the heat sink. The presence of cracks in the solder layer (hereinafter also simply referred to as “solder cracks”) reduces the heat dissipation of the semiconductor element, increases the temperature of the semiconductor element, and as a result, deteriorates the semiconductor element. Reduce the reliability of the entire power module.
[0005]
In addition, with higher integration and higher power of semiconductor devices, higher heat dissipation is required, and from the viewpoint of environmental pollution, the use of lead-free solder is desired. However, the so-called lead-free solder has a problem that although it has a higher thermal conductivity than the Pb—Sn-based solder that is widely used at present, the reliability is inferior.
[0006]
In order to avoid these problems, it has been studied to use an Al—SiC composite material or Cu—Mo composite material having a thermal expansion coefficient closer to that of a ceramic substrate as a heat sink, but it is special compared to a conventional metal heat sink. In addition to being manufactured by the method, there is a problem that the cost of the processing step and the surface treatment step is high, and it is much more expensive than a metal heat sink.
[0007]
On the other hand, an attempt has been made to avoid the occurrence of solder cracks and improve heat dissipation at the same time by directly joining the heat sink and the ceramic circuit board using a brazing material instead of solder (Japanese Patent Laid-Open No. 9-97865). No. JP, 10-270596, A).
[0008]
However, in this case, the thermal stress generated by the thermal expansion difference between the ceramic circuit board and the metal heat sink tends to cause separation of the bonding interface and cracking of the ceramic board, and the semiconductor element on the ceramic circuit board. Since the stress applied to the lower solder also increases, there is a problem that solder cracks under the semiconductor element are more likely to occur. In addition, due to the heat history that is received under the power module assembly process and actual use conditions, the shape and warpage of the heat sink changes greatly, causing inconvenience when assembling the power module, and heat dissipation due to reduced adhesion between the heat sink and the heat dissipation block. Sexual decline may occur.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and the object thereof is a module structure composed of a ceramic circuit board and a metal heat sink, depending on the power module assembly process and the thermal history received under actual use conditions. Highly reliable over a long period of time with little change in shape, easy to assemble, and unlikely to cause peeling at the bonding interface, cracks in the ceramic substrate, cracks in the solder layer, etc., and good heat dissipation The object is to provide a module capable of maintaining the sex.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present inventors have conducted various experimental studies, and in a structure in which a stress buffer layer is provided between a ceramic substrate and a metal heat sink, the metal that becomes the metal heat sink and the stress buffer layer. When various measures are taken on the plate, it is found that the resulting module structure undergoes little change in shape and warpage and does not impair heat dissipation even when subjected to a thermal history under the assembly process or actual usage conditions. This has led to the present invention.
[0011]
That is, the present invention is a module structure in which a ceramic circuit board is bonded to a metal heat sink via a metal plate (A) containing aluminum as a main component, and the metal plate containing aluminum as a main component. The module structure is characterized in that the thickness of (A) is 400 μm or more and 1200 μm or less.
[0012]
Preferably, the metal heat sink is made of an aluminum alloy having a Vickers hardness of 30 HV or higher after heat treatment at 630 ° C. for 4 minutes.
[0013]
The metal plate (A) is preferably bonded to a ceramic circuit board and a metal heat sink via a brazing material. When a brazing material containing Al as a main component and containing Mg and at least one selected from the group consisting of Cu, Zn, Ge, Si, Sn, and Ag is used, a highly reliable joint is obtained. It is done.
[0014]
More preferably, the module structure is used, and the exothermic electricity mounted at a desired position on the metal plate (B) on which the circuit is formed provided on the opposite side of the metal plate (A) of the ceramic circuit board. A module in which a part is provided and a cutout is provided on the surface of the metal plate (A) and / or the metal heat sink, and the cutout is the exothermic electrical component when a cross section of the module is assumed. This module is provided in a region other than the frustum region formed by drawing a straight line group of 45 ° vertically downward from the edge in contact with the metal plate (B).
[0015]
The notch is a surface of the metal plate (A) that is in contact with the metal heat sink, or a surface of the metal heat sink covered with the ceramic substrate when viewed from the side where the heat-generating electrical component of the module is present, or It is preferable that the module is provided on the surface of the metal heat sink that is not covered with the ceramic substrate when viewed from the side where the heat-generating electrical component of the module is present.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described below.
The ceramic substrate used in the present invention may be any ceramic substrate as long as it satisfies the required characteristics such as electrical insulation, thermal conductivity, and mechanical strength, but is a nitriding ceramic that has high thermal conductivity. Aluminum (AlN), or silicon nitride (Si that combines high strength and relatively high thermal conductivity ₃ N ₄ ) Is more preferable.
[0017]
The module structure of the present invention has a structure in which a ceramic circuit board is bonded to a metal heat sink. Two methods are known for reducing thermal stress in bonding of different materials. In the first method, a heat sink having a low coefficient of thermal expansion is used in order to reduce the difference in thermal expansion between the two materials. However, this method has a cost problem as described above. The second method is a method adopted by the present invention, which is based on the idea of inserting a stress buffer layer between a metal heat sink and a ceramic circuit board to absorb thermal strain, and has a low elasticity. This is a method of performing thermal stress relaxation by plastic deformation using an index material as an intermediate layer (stress relaxation layer).
[0018]
In the present invention, a metal plate mainly composed of aluminum having a thickness of 400 μm or more and 1200 μm or less is used as the stress buffer layer. As described above, the stress relaxation layer must have a low elastic modulus and yield strength as its mechanical properties. However, in the present invention, for application to the application, it has high thermal conductivity from the surface of heat dissipation, does not melt when soldering a semiconductor element, and further has sufficient strength with a ceramic substrate and a metal heat sink. It is necessary to satisfy the requirements such as being able to be joined.
[0019]
As a result of intensive studies on various materials and thicknesses, the present inventors have arrived at the present invention in order to find a stress relaxation layer that satisfies the above requirements. In the present invention, a metal plate mainly composed of aluminum is selected for the stress relaxation layer, and this is used as the metal plate (A). As the metal plate (A), for example, aluminum having a JIS designation of 1000 series, among them high purity aluminum having a purity of 99% by mass or more, more preferably high purity aluminum having a purity of 99.9% by mass or more may be used.
[0020]
In the present invention, the metal plate (A) has a thickness of 400 μm to 1200 μm, preferably 600 μm to 1000 μm. When the thickness exceeds 1200 μm, the stress generated by the metal plate (A) and the heat sink may reach the metal plate (B) side and adversely affect the durability of the solder under the silicon chip. Further, it is not preferable because the pattern accuracy is deteriorated and the cost is increased when the pattern is formed by etching. If the thickness is less than 400 μm, the action as a buffer layer may be insufficient due to hardening due to element diffusion from the joint portion, or the Al buffer layer may not withstand repeated stress due to thermal cycling and may break.
[0021]
The present invention has a feature that the reliability of the power module can be ensured even when copper or aluminum having high thermal conductivity or an alloy containing them as a main component is used as the metal heat sink. Since an Al alloy is light and inexpensive, it is suitable as a heat sink. In that case, it is preferable to use an aluminum alloy having a Vickers hardness of 30 Hv or more, more preferably 60 Hv or more after heat treatment at 630 ° C. for 4 minutes. good.
[0022]
When the Al alloy having the above characteristics is used as a heat sink, the warpage of the obtained module structure can be extremely reduced in cooperation with the thickness of the metal plate (A) being in a suitable range. In addition, even when subjected to thermal history under the power module assembly process or its actual use conditions, the change in shape and warpage of the module structure is small, and the separation of the bonding interface and the breakage of the metal plate (A) as the buffer layer are prevented As a result, damage to the semiconductor element and increase in thermal resistance can be prevented, and the various reliability of the power module is positively affected.
[0023]
Any aluminum alloy may be used for the heat sink as long as it has the above characteristics. Examples of such alloys include aluminum alloys obtained by adding an appropriate amount of one or more of Si or Mg to Al, for example, JIS names 2000 series, 5000 series, 6000 series, or 7000 series.
[0024]
The content of Si and Mg is preferably about 0.1 to 4.0% by mass from the viewpoint of physical properties and workability, but if exceeding this, the Vickers hardness is 30 Hv or more, preferably 60 Hv or more. This is excellent in that the shape change and warpage change, which are the characteristics of the module structure, are reduced. In addition, the Al alloy used in the present invention may contain other components and impurities as long as the above characteristics are satisfied. An Al alloy containing 2.0% by mass or more of Mg, Cu, or Zn is excellent in that the Vickers hardness and bending strength are high, and the shape change and warpage change of the obtained module structure are small. Furthermore, it is sufficient that the aluminum alloy constitutes the skeleton of the heat sink material, and it is not necessary that the entire heat sink is the aluminum alloy.
[0025]
Although the Vickers hardness of the Al alloy for heat sink suitable for the present invention is shown, the bending strength after high-temperature annealing is measured, and at that time, it can also be expressed by load and displacement. After heating a test piece having a thickness of 5 mm and a width of 5 mm at 600 ° C. for 10 minutes and measuring a three-point bending strength with a span of 30 mm, the load when the displacement is 200 μm is 200 N or more, preferably 300 N or more. The same effect as above can be obtained.
[0026]
Moreover, the shape of the heat sink may be a plate having a flat back surface or a fin formed. Moreover, you may have a structure which a cooling medium can pass through. In this case, it is preferable because the overall size of the power control device including the power module and the cooling measure can be reduced and the cost can be reduced.
[0027]
In the module structure of the present invention, the metal plate (A) may be bonded to the metal heat sink via a brazing material or lead-free solder because of its material, shape, workability, and bonding strength. preferable.
[0028]
When Pb-Sn solder is used for bonding between the heat sink and the ceramic circuit board, as described above, the reliability is reduced due to solder cracks associated with the thermal cycle, environmental problems, and the solder wettability of aluminum is poor. Although there is a problem that it must be processed by plating or the like, it is not preferable, but the problem is solved by brazing. Furthermore, in the present invention, it is more preferable that the metal plate (A) mainly composed of aluminum is joined to the ceramic circuit board via a brazing material.
[0029]
In the present invention, the brazing material for joining the heat sink and the metal plate (A), and the metal plate (A) and the ceramic substrate may be appropriately selected according to the type of the metal heat sink. In particular, when this brazing material contains Al as a main component and contains Mg and at least one selected from the group consisting of Cu, Zn, Ge, Si, Sn and Ag, a highly reliable joint Is obtained. The amount of Mg contained in the brazing material is suitably 0.1 to 2.0% by mass, and if it is less than 0.1% by mass, sufficient bonding cannot be obtained, and if it is more than 2.0% by mass, the joint part In some cases, the thermal shock resistance of the steel is reduced, and undesirable operations occur in the operation of the joining furnace. As an aluminum alloy suitable for the brazing material of the present invention, for example, those having an appropriate composition of JIS names 2000 series, 3000 series, 5000 series, 6000 series, and 7000 series can be used.
[0030]
The brazing material may be either an alloy or an alloy, and may be any form of foil, powder, mixed powder, or mixed powder containing a compound that retains the metal component at a bonding temperature or lower, or a combination thereof. May be used. The alloy foil is superior in terms of heat cycle resistance at the joint, difficulty in forming microvoids, and ease of handling. In particular, an aluminum alloy foil of JIS designation 2017 is preferably used for joining the metal plate (A) and the ceramic substrate.
[0031]
Further, in order to join the heat sink and the metal plate (A), the joining temperature needs to be lower than the melting point of the heat sink, and if necessary, the amount of components other than Al is increased to lower the melting point of the brazing material composition. Good. For example, the most preferable result is obtained when the Al alloy foil is combined with silver foil or silver powder. Moreover, regarding the thickness of the brazing material, when the thickness is 10 to 60 [mu] m, preferably 10 to 40 [mu] m, a strong bond with good reproducibility and good heat cycleability is obtained.
[0032]
When joining an Al alloy heat sink and a metal plate (A) containing aluminum as a main component, heating and joining are generally performed in a vacuum. At this time, if the unevenness and surface roughness of both joint surfaces are large, In some cases, poor bonding occurs frequently or the heat cycle resistance of the bonded portion is inferior. Moreover, if it joins in nitrogen, the influence of the surface shape of the member to join will become larger, and it will become easy to produce a joining defect in the outer peripheral part of a metal plate (A). In particular, when an extruded material is used for the heat sink, the extrusion marks on the surface cause poor bonding and peeling in the heat cycle test.
[0033]
These problems can be solved by using Al alloy foil or alloy powder containing Mg in combination with Ag powder or Ag foil. The combined use of such an alloy and Ag is epoch-making in that a highly reliable bond with sufficient durability can be obtained even in a nitrogen atmosphere. Moreover, it is preferable also when the Vickers hardness after the heat treatment of the heat sink is high or when the bending strength is high, because a strong joint portion that hardly causes peeling can be obtained. According to this method, since it can join in nitrogen, it can join in a normal nitrogen atmosphere continuous furnace, and it has the feature that manufacturing cost can be reduced significantly.
[0034]
For brazing, if the brazing material is an alloy foil, it is sandwiched between the heat sink and the metal plate (A), or between the metal plate (A) and the ceramic substrate, and heated in vacuum, nitrogen or inert gas. And join. When a mixture of alloy powder or metal powder is used as the brazing material, a roll coater or screen printing is applied to either one of the surfaces when the heat sink and the metal plate (A) or the metal plate (A) and the ceramic substrate are joined. It may be applied by a machine. If the coating amount is too small, sufficient bonding cannot be performed. If the coating amount is too large, the brazing material may flow and flow out of the joint, which may be inconvenient, or a hard and fragile layer may be formed at the interface, impairing the reliability of the bonding. . 1 to 5 mg / cm as coating amount ² The degree is preferred.
[0035]
When joining heat sink and metal plate (A) using Al alloy brazing foil and Ag powder together, just apply silver powder to one surface of brazing foil, heat sink or metal plate (A) Thus, the effect of using silver together can be obtained. Moreover, the coating amount of silver powder is 1 to 3 mg / cm. ² The degree is sufficient.
[0036]
In the present invention, lead-free solder may be used for joining the metal heat sink and the metal plate (A). Since lead-free solder is harder and less likely to be plastically deformed than Pb-Sn solder, it is usually said that solder cracks are likely to occur due to thermal cycling. In the present invention, a sufficiently reliable module structure Can be obtained. Reliability can be ensured by using Sn-Ag-Cu solder or Sn-Zn solder as lead-free solder. In particular, Sn-Ag (3 mass%)-Cu (0.5 mass%) Should be used.
[0037]
The metal plate (B) provided on one side of the ceramic substrate and serving as a circuit on which a heat-generating electrical component is mounted may be anything as long as it is a highly conductive metal, but is inexpensive and has a high thermal conductivity. High copper, aluminum, or alloys thereof are preferably used. Moreover, as said copper and aluminum, a high purity thing with high electrical conductivity and high plastic deformation ability with respect to stress generation is preferable.
[0038]
In the present invention, the notch portion is provided at a specific position on the upper surface and / or the lower surface of the metal plate (A) and / or the metal heat sink provided so as to be in contact with the heat sink on the heat sink side of the ceramic substrate. This occurs due to a difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and the heat sink caused by heat treatment such as when a heat-generating electrical component such as a semiconductor element is mounted while maintaining heat dissipation in the state where the notch is not present. This is because the distortion of the metal plate (A) caused by the thermal stress is relieved by the notch and the deformation of the module structure accompanying the temperature history can be reduced.
[0039]
The notch introduction position in the present invention is a frustum region formed by drawing a straight line group of 45 ° vertically downward from an edge in contact with the metal plate (B) of the exothermic electrical component when a cross section of the module is assumed. It is an area other than. By specifying the notch at the above position, the heat dissipation generated from the electrical components and circuits such as the semiconductor elements in the module is not deteriorated, and thus the semiconductor element malfunctions without increasing the temperature of the semiconductor elements. This is because it is possible to prevent the occurrence of a phenomenon such as shortening the service life due to the occurrence of the phenomenon.
[0040]
The notch introduction position is limited by the size, shape, and mounting position of the heat-generating electrical component to be mounted. In order to reduce the deformation of the heat dissipation structure, the cutout portion introduced from the heat sink side into the metal plate (A) provided to be in contact with the heat sink on the heat sink side of the ceramic substrate is most effective. The larger the depth of the notch is, the more effective it is to reduce deformation of the release module structure, and it is preferable to divide the metal plate, but it is not always necessary to divide. The width, the number, and the shape of the cutouts are not particularly limited as long as they are not included in the region that deteriorates heat dissipation.
[0041]
Moreover, the same effect is acquired by introduce | transducing a notch part in the part which contact | connected the metal plate (A) of the heat sink. In this case, it is possible to introduce a notch by, for example, performing simple groove processing on the heat sink surface, and there is an effect of excellent productivity. In this case as well, the larger the depth of the cutout portion, the more effective, but the depth is preferably ½ or less of the thickness of the heat sink. This is because if the deeper cutout is provided, the module structure obtained by joining the ceramic circuit board and the heat sink may be greatly deformed. The width, the number, and the shape of the cutouts may be any method as long as they are provided within the specific range.
[0042]
If notches are not provided at the interface between the metal plate and the heat sink due to restrictions on the size, shape, and mounting position of the heat-generating electrical components, deformation can be reduced even if it is provided on the upper surface and / or lower surface of the heat sink other than the bonding interface effective. In this case, the degree of freedom in selecting a place that is spatially separated from the parts that exhibit the important functions of modules such as exothermic electrical components, circuits, and ceramic substrates is increased, resulting in excellent productivity. The effect is obtained that the module can be provided at a lower cost.
[0043]
The ceramic circuit board used in the present invention is formed by joining ceramics to a metal plate for circuit (B) and a metal plate (A) mainly composed of aluminum, and then using conventional methods such as etching and machining. Or it can manufacture easily by forming the notch part of a metal plate (A). Or it can manufacture also by mounting and joining the metal plate (A, B) which formed the circuit and the notch part beforehand in the ceramic substrate.
[0044]
The module structure and module of the present invention can be obtained by applying a conventionally known method, but the method described later has good reproducibility and high productivity. Can be obtained.
[0045]
That is, a ceramic circuit board provided with a metal plate (B) having a circuit formed in advance on the front surface and a metal plate (A) mainly composed of aluminum serving as a stress relaxation layer on the back surface by brazing or the like is prepared. A method of joining a ceramic circuit board and a metal heat sink by placing a brazing material between the stress buffer layer side surface and the metal heat sink, or heating under pressure, or a circuit metal plate (B), a ceramic substrate In addition, a metal plate (A) mainly composed of aluminum as a stress buffer layer and a metal heat sink are sequentially arranged, and a brazing material is disposed between the metal plates and bonded simultaneously.
[0046]
Further, in order to form a module structure with a notch, a notch is introduced in advance into the surface of the metal plate (A) or metal heat sink of the ceramic circuit board by etching or machining, and then the ceramic circuit A method of joining a ceramic circuit board and a metal heat sink by placing a brazing material between the metal plate (A) of the board and the metal heat sink and heating under pressure, or a circuit metal board (B), a ceramic board, A method in which the metal plate (A) mainly composed of aluminum into which the notch portion is introduced and the metal heat sink are sequentially arranged, and a brazing material is disposed between the metal plates (A) and bonded simultaneously is preferable. Furthermore, in the latter method, the circuit metal plate (B) may be formed in advance, or may be formed by applying a method such as etching after bonding. Further, when a notch is introduced into a region other than the bonding interface of the heat sink, it may be provided after bonding.
[0047]
Next, electronic components such as semiconductor elements are mounted on the circuit of the module structure consisting of a ceramic circuit board and a metal heat sink by soldering, etc., and wire bonding is performed as necessary to complete the circuit. The inventive module can be obtained.
[0048]
When the metal heat sink is a solid plate, a power module mounted with a highly heat-generating electrical component such as a high-power semiconductor element assembled using the module structure of the present invention, through a high thermal conductive grease, Used by attaching to a heat dissipation unit such as a heat dissipation fin. If the heat sink has a fin shape, it is used as it is. Further, when the heat sink is in the form of a pipe through which the cooling medium passes, piping for passing the cooling medium is made and used.
[0049]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to this.
[0050]
[ reference Examples 1, 2, 3, 4, 5 and Comparative Examples 1 and 2] As a ceramic substrate, a silicon nitride substrate having a thermal conductivity of 75 W / mK by laser flash method and an average value of three-point bending strength of 650 MPa is large. The thing of 34 * 34 * 0.635mm was prepared. Further, an Al plate (hereinafter referred to as an Al circuit plate) having a purity of 99.99% and a thickness of 0.4 mm as a metal plate for a circuit, and an Al plate for a stress buffer layer (hereinafter referred to as a buffer Al plate). ) Having various thicknesses as shown in Table 1 with a purity of 99.99% were prepared.
[0051]
The Al circuit board and the Al layer for buffer layer were overlapped on both the front and back surfaces of the silicon nitride substrate through JIS name 2017 Al foil (20 μm thickness), and pressurized in the vertical direction at 5 MPa. And 10 ^-3 While heating at a temperature of 635 ° C. in a vacuum of the Pa level, both of the Al plates were bonded to the silicon nitride substrate.
[0052]
After bonding, an etching resist was screen-printed on a desired portion on the surface of the Al plate, and a circuit pattern was formed by etching with a ferric chloride solution, thereby producing a ceramic circuit board.
[0053]
Next, a 50 × 50 × 4 mm JIS name 1050Al plate was prepared as a heat sink. Then, a 20 μm-thick JIS designation 2017 Al foil is sandwiched between the buffer Al plate bonded to the ceramic circuit board and the heat sink, and the whole is pressed vertically at 5 MPa with a graphite jig. ^-3 Heat treatment was performed under conditions of 600 ° C. for 4 minutes in a vacuum of Pa stage, and the ceramic circuit board was bonded to the heat sink. Electroless Ni plating was performed on the aluminum metal surface of the joined body to obtain a module structure. In this case, ten module structures each having the same configuration were produced.
[0054]
A silicon chip of 10 mm × 10 mm × 0.3 mm, the back of which is plated with Au on the Al circuit surface of the manufactured module structure, is soldered at 350 ° C. using solder with a mass ratio of lead and tin of 90:10, respectively. Joined.
About the obtained module, the heat cycle which makes -40 degreeC * 30 minutes-room temperature x10 minutes-> 125 degreeC x 30 minutes-room temperature x10 minutes 1 cycle was implemented 3000 times. Thereafter, the ultrasonic deep-flaw device was used to observe the presence or absence of peeling or cracking at the bonding interface between the ceramic substrate and the heat sink and between the ceramic substrate and the silicon chip. The results are also shown in Table 1.
[0055]
Except for Comparative Example 1, in any of the modules, no peeling of the joint due to heat cycle or generation of cracks in the silicon nitride substrate was observed. In Comparative Example 1, a part of the joint part was peeled off, and fatigue failure of the buffer Al plate occurred remarkably. In Example 1, fatigue failure was observed at the corner portion of the buffer layer Al plate. In Comparative Example 2, cracks were observed over the entire surface of the solder layer between the silicon chip and the circuit board, and in Example 5, some cracks were similarly observed in the solder layer.
[0056]
[Table 1]

[0057]
[ reference Examples 6, 7, 8, 9, 10, 11, Comparative Example 3] Using the seven types of heat sinks shown in Table 2, using the following procedure, a module was produced with 10 repetitions, and evaluated. Of the present invention reference Examples and comparative examples were used.
[0058]
As a ceramic substrate, an AlN (aluminum nitride) substrate having a size of 34 × 34 × 0.635 mm, a thermal conductivity of 180 W / mK by a laser flash method, and an average value of three-point bending strength of 400 MPa was prepared. In addition, two Al (aluminum) plates of 30 × 30 × 0.4 mm JIS name 1085 were prepared as metal plates to be provided on the surface of the AlN substrate with respect to the heat sink (hereinafter referred to as the back surface of the substrate). .
[0059]
The Al plate was overlapped on both the front and back surfaces of the AlN substrate via a JIS name 2017 Al foil (20 μm thickness) and pressed in the vertical direction at 10 MPa. And 10 ^-2 The Al plate and the AlN substrate were joined while being heated in a Pa vacuum at a temperature of 630 ° C. for 20 minutes. After bonding, an etching resist was screen-printed on a desired portion on the surface of the Al plate, and a circuit pattern was formed by etching with a ferric chloride solution, thereby producing a ceramic circuit board.
[0060]
Next, an aluminum plate having a composition shown in Table 2 having a size of 46 × 46 × 4 mm was prepared as a heat sink. Then, silver powder is screen-printed to 1.5 mg / cm on the surface of the ceramic circuit board placed in contact with the heat sink. ² A JIS designation 2017 Al foil having a thickness of 20 μm is placed between the heat sink and the heat sink, and is pressed at 10 MPa in the vertical direction with a graphite jig in a nitrogen atmosphere at 510 to 600 ° C. for 4 minutes. Heat treatment was performed to join the heat sink and the ceramic circuit board. Finally, electroless Ni plating was performed on the entire surface of the substrate and the heat radiating plate to obtain a module structure.
[0061]
A 13 mm × 13 mm × 0.4 mm silicon chip plated with Au on the Al circuit surface of the fabricated module structure was used at 350 ° C. using solder with a lead and tin mass ratio of 90:10, respectively. Joined.
[0062]
About the module obtained by the said operation, the curvature amount of the silicon chip was measured. The amount of warpage was evaluated as a difference in height between both end portions and the central portion on the diagonal line of the silicon chip, and the average value of 10 pieces is shown in Table 3.
[0063]
[Table 2]

[0064]
[Table 3]

[0065]
[Example 12, Comparative Example 4]
As a ceramic substrate, a silicon nitride substrate (dimension 34 × 26 × 0.635 mm) having a thermal conductivity of 70 W / mK measured by a laser flash method and a three-point bending strength of 750 MPa was prepared. For both the metal plate (A) and the metal plate (B), an aluminum plate having a purity of 99.99% and a thickness of 0.4 mm was prepared.
[0066]
Aluminum plates were stacked on both front and back surfaces of the silicon nitride substrate via JIS name 2017 Al foil (20 μm thickness), and pressed from the vertical direction at 5 MPa. And 10 ^-3 While heating at a temperature of 635 ° C. in a vacuum of Pa level, both of the aluminum plates were bonded to the silicon nitride substrate.
[0067]
After bonding, an etching resist is screen-printed on the desired portions of the upper and lower aluminum plate surfaces, and a circuit pattern is formed on the metal plate (B) by performing an etching treatment with a ferric chloride solution. A notch portion for strain relaxation was formed in A) to produce a ceramic circuit board. In addition, the notch portion is a region other than the frustum region formed by drawing a 45 ° straight line group vertically downward from the edge in contact with the metal plate (B) of the semiconductor element which is one of the exothermic electrical components to be mounted later. Provided in the area. Further, in Comparative Example 4, a ceramic circuit board was produced by the same method without providing a notch in the metal plate (A).
[0068]
Next, as a heat sink, a JIS name 1050 aluminum plate having four mounting screw holes of 60 × 140 × 4 mm was prepared. And while putting JIS name 2017 aluminum alloy foil between the two ceramic circuit boards and the aluminum plate, ^-3 Heating was performed at 590 ° C. for 10 minutes in a vacuum of Pa level, and the heat sink and the ceramic circuit board were joined to form a module structure.
[0069]
Next, the amount of change in warpage was measured assuming a temperature history before and after soldering of the semiconductor element. The method of measuring the amount of warpage is described. First, the shape at the bottom of the module structure after joining is measured from the end to the end in the longitudinal direction (span 140 mm) with a stylus-type contouring machine, corrected at both ends, and digitized. did. Thereafter, the module structure was subjected to a heat treatment at 360 ° C. for 10 minutes, and then the bottom shape was measured. The difference between before and after the heating was taken, and the maximum value was taken as the amount of change in warpage. The results are shown in Table 4.
[0070]
Next, for the evaluation of heat dissipation, after electroless nickel plating is performed on the entire surface of the obtained module structure, a 10 mm square semiconductor element is used at a predetermined position of the circuit in a reducing atmosphere, Soldering was performed at 360 ° C. The cross-sectional structures of the modules of Example 10 and Comparative Example 4 are shown in FIGS. 1 and 2, respectively. An aluminum heat dissipating unit was fastened to the bottom surface of the module member with four screws through silicone grease. The thermal resistance was obtained by cooling the heat radiating unit with water and measuring the temperature of the silicon element and the temperature of the aluminum radiating unit while passing a constant current in the thickness direction of the silicon element. The results are shown in Table 4.
[0071]
[Table 4]

[0072]
About the obtained module, the heat cycle which makes -40 degreeC * 30 minutes-room temperature * 10 minutes-> 125 degreeC * 30 minutes-room temperature * 10 minutes 1 cycle was implemented 3000 times. Thereafter, the presence or absence of peeling at the bonding interface between the ceramic substrate and the heat sink due to ultrasonic flaws was observed. In any of the modules, abnormalities such as peeling of the circuit board due to heat cycle and generation of cracks in the silicon nitride substrate were not observed.
[0073]
[Comparative Example 5]
A module was produced in the same manner as in Example 10 except that a notch to be introduced into the metal plate (A) was provided vertically below the silicon element. In the same manner as in Example 10, the amount of warpage change and thermal resistance before and after soldering of the semiconductor element were evaluated. The cross-sectional structure of the module is shown in FIG. 3, and the evaluation results are shown in Table 4.
[0074]
Example 13
A portion of the aluminum heat sink that is in contact with the ceramic circuit board, and is formed by drawing a 45 ° straight line group vertically downward from the edge in contact with the metal plate (B) of the semiconductor element to be mounted in a later process. A module was produced in the same manner as in Comparative Example 4 except that a groove having a width of 1 mm and a depth of 1.5 mm was formed in a region other than by a diamond cutter, and evaluation was performed in the same manner as in Comparative Example 4. FIG. 4 shows the cross-sectional structure of the module, and Table 4 shows the evaluation results.
[0075]
[Examples 14 and 15]
A module in which a ceramic circuit board was bonded to an aluminum heat sink by the same method as in Comparative Example 4 was produced. In Example 14, a groove with a width of 3 mm and a depth of 2 mm was formed at the position of the upper surface of the heat sink shown in FIG. 5 and at the position of the lower surface of the heat sink shown in FIG. Thereafter, modules were produced and evaluated by the same method as in Comparative Example 4. The evaluation results are shown in Table 4.
[0076]
【The invention's effect】
The module structure according to the present invention and the module using the same are less expensive even when subjected to a temperature history such as when a semiconductor is mounted while using an inexpensive metal heat sink, easy to assemble, and in actual use conditions Even when subjected to repeated temperature history below, there are features such as peeling at the bonding interface, fatigue failure of the aluminum layer, cracking of the ceramic substrate, cracking of the solder layer, etc., and excellent heat dissipation, It is suitable for power modules for various uses, particularly power modules for mobile devices, and is very useful in industry.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a module according to Embodiment 12 of the present invention.
2 is a cross-sectional view of a conventionally known module according to Comparative Example 4. FIG.
3 is a cross-sectional view of a conventionally known module according to Comparative Example 5. FIG.
FIG. 4 is a sectional view of a module according to Embodiment 13 of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view of a module according to Embodiment 14 of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a module according to Embodiment 15 of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Ceramic substrate
2 Heat-generating electrical components (semiconductor elements)
3 Metal plate (B)
4 Metal plate (A)
5 Heat sink
A frustum region formed by drawing a 45 ° straight line group vertically downward from the edge of the exothermic electrical component in contact with the metal plate (A)
B Notch

Claims

The ceramic circuit board to the metal heat sink, using a first module structure formed by joining through a metal plate containing aluminum as its main component is less than a thickness of 400μm or more 1200 [mu] m, the first metal of the ceramic circuit board A heat-generating electrical component mounted at a desired position is provided on a second metal plate formed with a circuit on the opposite side of the plate, and a notch is provided on the surface of the first metal plate. A frustum formed by drawing a 45 ° straight line group vertically downward from an edge where the cutout portion is in contact with the second metal plate of the heat-generating electrical component when a cross section of the module is assumed A module provided in an area other than a partial area.

The ceramic circuit board to the metal heat sink, using a first module structure formed by joining through a metal plate containing aluminum as its main component is less than a thickness of 400μm or more 1200 [mu] m, the first metal of the ceramic circuit board A module in which a heat-generating electrical component mounted at a desired position is provided on a second metal plate having a circuit formed on the side opposite to the plate, and a notch is provided on the surface of the metal heat sink. When the cross section of the module is assumed, the frustum region formed by drawing a 45 ° straight line group vertically downward from the edge where the notch is in contact with the second metal plate of the heat-generating electrical component A module characterized by being provided in a region other than.

The ceramic circuit board to the metal heat sink, using a first module structure formed by joining through a metal plate containing aluminum as its main component is less than a thickness of 400μm or more 1200 [mu] m, the first metal of the ceramic circuit board An exothermic electrical component mounted at a desired position is provided on a circuit-formed second metal plate provided on the opposite side of the plate, and on the surfaces of the first metal plate and the metal heat sink. A module provided with a notch, wherein when the cross section of the module is assumed, a 45 ° straight line group is drawn vertically downward from the edge where the notch contacts the second metal plate of the heat-generating electrical component . A module provided in a region other than a frustum region to be formed.

The module according to claim 1, wherein the notch is provided on a surface of the first metal plate on a side in contact with the metal heat sink.

The cutout portion is provided on the surface of the metal heat sink covered with the ceramic circuit board when viewed from the side where the heat-generating electrical component of the module is present. module.

4. The cutout portion is provided on a metal heat sink surface not covered with a ceramic circuit board when viewed from a side of the module where the heat-generating electrical component is present. Modules.

The module according to any one of claims 1 to 6, wherein the first metal plate uses a module structure formed by joining a ceramic circuit board and a metal heat sink via a brazing material. .

The module according to claim 7, wherein the brazing material contains Al as a main component, and contains Mg and one or more selected from the group consisting of Cu, Zn, Ge, Si, Sn, and Ag.