JP4206915B2 - パワーモジュール用基板 - Google Patents
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Description
提供されている(例えば、特許文献1参照。)。
合には内部応力が蓄積するからである。従って、温度サイクル寿命を延ばすため
には、内部応力が蓄積しないように構成すれば良いことになる。
即ち、請求項1に係る発明は、絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に積層される回路層と、該絶縁基板の他方の面に積層される金属層と、前記回路層にはんだを介して搭載される半導体チップと、前記金属層に接合される放熱体とを備えたパワーモジュール用基板であって、前記回路層及び金属層を、純度が99.999%以上の銅で構成するとともに、これら回路層及び金属層の破断時の伸びが−40℃以上150℃以下の範囲で20%以上30%以下であることを特徴とする。
この発明によるパワーモジュール用基板によれば、回路層及び金属層は、純度が99.999%以上の銅で構成されるので、温度サイクルが繰り返し作用した場合に、再結晶により内部応力が消滅することになる。従って、内部応力が蓄積することがないので、温度サイクル寿命を延ばすことができる。また、回路層及び金属層は銅から構成されているので熱伝導率を良くすることができる。従って、半導体チップからの熱を効率良く放熱体側に伝達させて放出させることが可能となる。
また、この発明に係るパワーモジュール用基板によれば金属層及び回路層が加工硬化し難く、はんだにクラックが発生することが防止され、回路層が絶縁基板から剥離することが防止される。
つまり、−40℃以上150℃以下の範囲での伸びが、20%よりも小さい場合には、回路層及び金属層は、加工硬化を起こし易くなり、回路層と半導体チップとの間のはんだにクラックが生じるおそれがあり、また、−40℃から120℃の範囲での伸びが30%よりも大きい場合には、回路層とはんだとの間に過大な熱応力が生じることになり、回路層と半導体との間のはんだにクラックが生じたり、回路層が絶縁基板から剥離するおそれがある。
この発明によるパワーモジュール用基板によれば、回路層及び金属層は、純度が99.999%以上の銅で構成されるので、温度サイクルが繰り返し作用した場合に、再結晶により内部応力が消滅することになる。従って、内部応力が蓄積することがないので、温度サイクル寿命を延ばすことができる。また、回路層及び金属層は銅から構成されているので熱伝導率を良くすることができる。従って、半導体チップからの熱を効率良く放熱体側に伝達させて放出させることが可能となる。
また、この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、回路層が絶縁基板から剥離することが防止される。
なお、IACSとは、国際標準軟銅(International Annealed Copper Standard)を意味する。
この発明によるパワーモジュール用基板によれば、回路層及び金属層は、純度が99.999%以上の銅で構成されるので、温度サイクルが繰り返し作用した場合に、再結晶により内部応力が消滅することになる。従って、内部応力が蓄積することがないので、温度サイクル寿命を延ばすことができる。また、回路層及び金属層は銅から構成されているので熱伝導率を良くすることができる。従って、半導体チップからの熱を効率良く放熱体側に伝達させて放出させることが可能となる。
また、この発明に係るパワーモジュール用基板によれば、回路層及び金属層に反りなどの不具合が生じることがなく、また、回路層及び金属層が加工硬化することが防止される。
なお、この請求項における平均粒径とは、パワーモジュールが製造された後の平均結晶粒径の平均を意味する。
また、平均粒径が1.0mmより小さい場合には、金属層及び回路層が温度サイクルにおいて加工硬化し易くなり、回路層と半導体チップとの間のはんだにクラックが生じやすくなり、また、平均粒径が30mmより大きくなると金属層及び回路層に機械的強度の異方性が生じ、反り等の不具合が生じることになる。
また、請求項4に係る発明は、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のパワーモジュール用基板であって、前記放熱体は、はんだ、ろう付け又は拡散接合によって前記金属層に接合されていることを特徴とする。
この発明によるパワーモジュール用基板によれば、回路層及び金属層は、純度が99.999%以上の銅で構成されるので、温度サイクルが繰り返し作用した場合に、再結晶により内部応力が消滅することになる。従って、内部応力が蓄積することがないので、温度サイクル寿命を延ばすことができる。また、回路層及び金属層は銅から構成されているので熱伝導率を良くすることができる。従って、半導体チップからの熱を銅からなる回路層、絶縁基板、及び銅からなる金属層を介して放熱体側に効率良く伝達させて放出させることが可能となる。
また、請求項5に係る発明は、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のパワーモジュール用基板であって、前記絶縁基板は、AlN、Al 2 O 3 、Si 3 N 4 又はSiCからなることを特徴とする。
この発明によるパワーモジュール用基板によれば、回路層及び金属層は、純度が99.999%以上の銅で構成されるので、温度サイクルが繰り返し作用した場合に、再結晶により内部応力が消滅することになる。従って、内部応力が蓄積することがないので温度サイクル寿命を延ばすことができる。また、回路層及び金属層は銅から構成されているので熱伝導率を良くすることができる。従って、半導体チップからの熱を、銅からなる回路層、AlN、Al 2 O 3 、Si 3 N 4 又はSiCからなる絶縁基板、及び銅からなる金属層を介して放熱体側に効率良く伝達させて放出させることが可能となる。
図1には、本発明によるパワーモジュール用基板の一実施の形態が示されていて、このパワーモジュール用基板1は、絶縁基板2と、絶縁基板2の一方の面に積層される回路層3と、絶縁基板2の他方の面に積層される金属層4と、回路層3に搭載される半導体チップ5と、金属層4に接合される放熱体6とを備えている。
本実施形態における回路層3a及び金属層4aは、100℃以下で応力解放するCu(5N−Cu)からなる。ここで、応力解放とは、再結晶が起こる前に結晶内に生じていた点欠陥の消滅、転位の再配列等が生じることをいう。
このため、回路層3a及び金属層4bは、欠陥の消滅、転位の再配列等が生じ易いため内部応力が蓄積し難くなっている。
したがって、回路層3aは、半導体チップ5と絶縁基板2との間に生じる応力を軽減することができる。
また、はんだ7にクラックが発生することを防止することができる。
この表2から、硬度変化が30%以上である場合には、絶縁基板の割れ又は、回路層と絶縁基板との剥がれ等の不具合が生じることが分かる。
本実施形態においては、回路層3b及び金属層4bは、−40℃以上150度以下の範囲で破断時における伸びの範囲が20%以上30%以下の純度99.999%以上のCuにより形成されている。
ここで、回路層3b及び金属層4bが上記銅によって、形成されていることから、−40℃から125℃の温度サイクルで繰り返しし使用されたとしても、回路層3b及び金属層3bが加工硬化し難くなっている。
このため、本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができ、SiC、GaN等のように、高温領域で作動するデバイスでの使用が可能となる。
本実施形態においては、回路層3c及び金属層4cは、純度99.999%以上の純銅のより形成され、回路層3c及び金属層4cの厚さが0.04mm以上1.0mm以下に形成されている。
回路層3c及び金属層4cの厚みが0.04mm以上1.0mm以下に形成されていることから、−40〜125℃の温度サイクルで繰り返し使用しても、内部応力が蓄積するようなことはなく、温度サイクルの高温側での加工硬化を抑制することができ、3000サイクル以上の温度サイクル寿命が得られる。
特に、絶縁基板2がAlN、又はAl2O3によって形成されている場合には、永い温度サイクルル寿命を得ることができる。
本実施形態においては、回路層3d及び金属層4dは、純度99.999%以上の純銅のうち、導電率が99%IACS以上の純銅によって形成されている。
表3において、N=5又はN=6の純銅のうち導電率が99%IASC以上の純銅の場合では、セラミックス基板の割れ又は、Cu回路とセラミックス基板との剥がれ等の不具合が生じないことが分かる。
本実施形態において、回路層3e及び金属層4eは、99.999%以上の純銅のうち平均の結晶粒径が1.0mm以上30mm以下の純銅によって形成されている。
結晶粒径が1.0mm以上30mm以下の場合には、回路層3e及び金属層4eが共に加工硬化しにくく、また、はんだ7、8の影響を受け難いことから、セラミックス基板の割れ又は、回路層3e及び金属層4eの剥がれ等の不具合生じ難いことになる。
このため、−40℃から125℃の温度サイクルにおいても、3000サイクル以上の温度サイクル寿命を得ることができる。
伸び率については、Cuの回路の厚さを0.3mmとして、引張スピードを0.5mm/minとして実施した。
転位数については、100℃の熱処理後の転位数の減少の有り又は無しについて測定した。観測においては、絶縁回路基板のCu材の部分をTEM観察し、N=3で転位数を測定し、その平均転位数に対し、絶縁回路基板を100℃で3時間熱処理した後、測定した平均の転位数が減少しているか調べた。
導電率については、国際標準軟銅(IACS)の電気導電度との比によって表されている。
平均結晶粒径は、100℃熱処理後の結晶粒径の平均をとったものである。
不良率については、それぞれの試験項目に対して、セラミックス基板の割れ又は、Cu回路とセラミックス基板との剥がれ等の不具合が生じるか否かについて判断することにした。
また、N=5又はN=6の純銅のうち、平均結晶粒径の平均が1.0mm以上である場合には、セラミックス基板の割れ又は、Cu回路とセラミックス基板との剥がれ等の不具合が生じないことが分かる。
さらに、N=5又はN=6の純銅のうち導電率が99IASC以上の純銅の場合では、セラミックス基板の割れ又は、Cu回路とセラミックス基板との剥がれ等の不具合が生じないことが分かる。
またさらに、N=5又はN=6の純銅のうち、100℃で3時間熱処理した後に転位数の減少が生じる純銅においては、セラミックス基板の割れ又は、Cu回路とセラミックス基板との剥がれ等の不具合が生じないことが分かる。
この結果、純銅Aの−40℃から150℃における伸びは20%以上30%以下であることが分かる。
2 絶縁基板
3 回路層
4 金属層
5 半導体チップ
6 放熱体
7 はんだ
Claims (5)
- 絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に積層される回路層と、該絶縁基板の他方の面に積層される金属層と、前記回路層にはんだを介して搭載される半導体チップと、前記金属層に接合される放熱体とを備えたパワーモジュール用基板であって、
前記回路層及び金属層を、純度が99.999%以上の銅で構成するとともに、
これら回路層及び金属層の破断時の伸びが−40℃以上150℃以下の範囲で20%以上30%以下であることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に積層される回路層と、該絶縁基板の他方の面に積層される金属層と、前記回路層にはんだを介して搭載される半導体チップと、前記金属層に接合される放熱体とを備えたパワーモジュール用基板であって、
前記回路層及び金属層を、純度が99.999%以上の銅で構成するとともに、
これら回路層及び金属層の導電率が99%IACS以上であることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に積層される回路層と、該絶縁基板の他方の面に積層される金属層と、前記回路層にはんだを介して搭載される半導体チップと、前記金属層に接合される放熱体とを備えたパワーモジュール用基板であって、
前記回路層及び金属層を、純度が99.999%以上の銅で構成するとともに、
これら回路層及び金属層の結晶粒が平均粒径で1.0mm以上30mm以下であることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のパワーモジュール用基板であって、
前記放熱体は、はんだ、ろう付け又は拡散接合によって前記金属層に接合されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のパワーモジュール用基板であって、
前記絶縁基板は、AlN、Al2O3、Si3N4又はSiCからなることを特徴とするパワーモジュール用基板。
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