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JP2002093968A - Module structure - Google Patents

Module structure

Info

Publication number
JP2002093968A
JP2002093968A JP2000274564A JP2000274564A JP2002093968A JP 2002093968 A JP2002093968 A JP 2002093968A JP 2000274564 A JP2000274564 A JP 2000274564A JP 2000274564 A JP2000274564 A JP 2000274564A JP 2002093968 A JP2002093968 A JP 2002093968A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
aluminum
module structure
ceramic
ceramic substrate
cooling unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000274564A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Isao Sugimoto
勲 杉本
Manabu Uto
学 宇都
Masahiro Ibukiyama
正浩 伊吹山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denka Co Ltd
Original Assignee
Denki Kagaku Kogyo KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denki Kagaku Kogyo KK filed Critical Denki Kagaku Kogyo KK
Priority to JP2000274564A priority Critical patent/JP2002093968A/en
Publication of JP2002093968A publication Critical patent/JP2002093968A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Parts Printed On Printed Circuit Boards (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】長期間に渡って半導体素子下部の半田でのクラ
ック、セラミックス基板でのクラックが発生しがたく、
しかも熱放散性に優れる安価なモジュール構造体を提供
する。 【解決手段】セラミックス基板の一主面に電子部品を搭
載するための回路を有し、他の一主面には放熱板を設け
ているセラミックス回路基板を、冷却ユニットに接合し
てなるモジュール構造体であって、前記放熱板がアルミ
ニウムを主成分とする金属からなり、しかも前記放熱板
と前記冷却ユニットとをアルミニウム系ロウ材で接合し
てなることを特徴とするモジュール構造体。
(57) [Summary] [Problem] It is difficult to generate cracks in the solder under the semiconductor element and cracks in the ceramic substrate for a long period of time.
Moreover, an inexpensive module structure having excellent heat dissipation properties is provided. A module structure having a circuit for mounting an electronic component on one main surface of a ceramic substrate and a ceramic circuit substrate provided with a heat sink on the other main surface is joined to a cooling unit. A module structure, wherein the radiator plate is made of a metal containing aluminum as a main component, and the radiator plate and the cooling unit are joined by an aluminum brazing material.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス回路
基板を冷却ユニットに接合してなるモジュール構造体、
ことに電源用途向けのパワーモジュールに好適なモジュ
ール構造体に関する。
The present invention relates to a module structure formed by joining a ceramic circuit board to a cooling unit,
Particularly, the present invention relates to a module structure suitable for a power module for power supply use.

【0002】[0002]

【従来の技術】IGBTやIPMを初めとするパワーモ
ジュール等においては、酸化アルミニウム(Al
23)、窒化珪素(Si34)、窒化アルミニウム(A
lN)等のセラミックス基板からなる回路基板を、銅
(Cu)やアルミニウム(Al)等の金属からなる放熱
板(ヒートシンクともいう)に半田付けした後、樹脂ケ
ース等を取り付けることでパワーモジュールが得られて
いる。
2. Description of the Related Art In power modules such as IGBT and IPM, aluminum oxide (Al
2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum nitride (A
1N) and a circuit board made of a ceramic substrate such as copper (Cu) or aluminum (Al) are soldered to a heat sink (also called a heat sink) made of a metal such as aluminum, and then a resin case or the like is attached to obtain a power module. Have been.

【0003】一方、電鉄車両やハイブリッドカーを含む
電気自動車等の車載用途において、パワーモジュールに
一層の高信頼性が要求されている。パワーモジュールの
信頼性を損なう要因としては、使用されているセラミッ
クス基板の割れや、セラミックス基板と放熱板との接合
に使用されている半田にクラックが発生することが知ら
れている。
On the other hand, in automotive applications such as electric vehicles including electric railway vehicles and hybrid cars, power modules are required to have higher reliability. It is known that factors that impair the reliability of the power module include cracks in the ceramic substrate used and cracks in the solder used to join the ceramic substrate and the heat sink.

【0004】セラミックス基板に発生するクラックは絶
縁不良の原因となるし、セラミックス基板と放熱板との
間の半田に発生するクラックは放熱性を悪化させ、その
結果半導体素子の動作不能を引き起こしてしまい、パワ
ーモジュールとしての寿命を縮めることに直結してしま
うので、前記問題の発生が極力防止された、長期に渡っ
て信頼性の高いモジュールが求められている。
[0004] Cracks generated in the ceramic substrate cause insulation failure, and cracks generated in the solder between the ceramic substrate and the heat radiating plate deteriorate heat radiation, resulting in inoperability of the semiconductor element. Since this directly leads to shortening of the life of the power module, there is a demand for a module which is highly reliable for a long period of time while preventing the above problems from occurring.

【0005】上記の事情から、セラミックス基板に生じ
るクラックを防止するために、応力緩和性に優れるアル
ミニウム(Al)を回路用金属として用いることや、セ
ラミックス基板と放熱板との間に用いられる半田に発生
する熱応力を低減させるためにセラミックス基板に近い
熱膨張率を有するAl−SiC或いはMo−Cu等の複
合材を放熱板として用いることが提案されている。
[0005] In view of the above circumstances, in order to prevent cracks generated in a ceramic substrate, aluminum (Al) having excellent stress relaxation properties is used as a circuit metal, and solder used between a ceramic substrate and a heat sink is used. In order to reduce the generated thermal stress, it has been proposed to use a composite material such as Al-SiC or Mo-Cu having a thermal expansion coefficient close to that of a ceramic substrate as a heat sink.

【0006】セラミックス基板と複合材からなる放熱板
とを組み合わせて得られるモジュールは高信頼性を有
し、電鉄車両やハイブリッドカーなどに好適なものであ
るが、このような構造のものの冷却性能は十分と言える
程に高いとは言えず、さらに値段が高いという大きな欠
点がある。
A module obtained by combining a ceramic substrate and a heat sink made of a composite material has high reliability and is suitable for electric railway vehicles and hybrid cars, but the cooling performance of such a structure is low. It is not expensive enough, and has the major disadvantage of being more expensive.

【0007】冷却性能についてみると、従来のモジュー
ルは放熱板と冷却ユニットとの間が放熱グリースを介し
て固定されていること、更に、セラミックス基板と放熱
板とが半田で接合されていることが主原因と考えられて
いる。半田や放熱グリースはセラミックス基板や放熱板
などに比べて熱伝導率が非常に低く、モジュール構造体
の全体の冷却性能のボトルネックとなっている。
In terms of cooling performance, in the conventional module, the heat radiating plate and the cooling unit are fixed via heat radiating grease, and the ceramic substrate and the heat radiating plate are joined by solder. It is considered the main cause. Solder and heat radiation grease have extremely low thermal conductivity compared to ceramic substrates and heat radiation plates, and are bottlenecks in the overall cooling performance of the module structure.

【0008】冷却性能が高ければモジュールの寸法や重
量を減少することができるが、例えば車載用途におい
て、コンパクトなモジュールは設置スペースの確保や軽
量化につながるという大きな利点が期待され、このた
め、モジュール構造体の冷却性能の更なる向上が望まれ
ている。
If the cooling performance is high, the size and weight of the module can be reduced. However, for example, in a vehicle-mounted application, a compact module is expected to have a great advantage of securing an installation space and reducing the weight. Further improvement of the cooling performance of the structure is desired.

【0009】また、コスト面についてみると、モジュー
ル本体価格が高価であることが大きな欠点となってい
る。その主な原因は、Al−SiC等の複合材料は特殊
な製法によらざるをえないためであり、このことが高信
頼性モジュールの用途拡大の足かせになっている。コス
トが安くかつ信頼性が高いパワーモジュールの開発が熱
望されている。
[0009] In terms of cost, a major drawback is that the module body is expensive. The main reason for this is that composite materials such as Al-SiC have to rely on a special production method, which has hindered the expansion of applications of high reliability modules. There is an aspiration to develop a power module with low cost and high reliability.

【0010】[0010]

【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、モジュール構造体の全体
の冷却性能を大きく向上させ、更に、従来公知のAl−
SiC複合材製の放熱板を用いた場合と同等以上の信頼
性を持ちながらもコストダウンを可能にするモジュール
構造体を提供することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has greatly improved the cooling performance of the entire module structure.
It is an object of the present invention to provide a module structure that has a reliability equal to or higher than that of a case where a heat sink made of a SiC composite material is used, and that can reduce the cost.

【0011】セラミックス基板と冷却ユニットとの間の
半田を無くすために、高温ロウ材によりセラミックス基
板と放熱板とを接合することになるが、一般的に、熱膨
張率の大きく異なる金属とセラミックス基板とを高温ろ
う材にて接合する場合には次に述べるような問題点が存
在する。
[0011] In order to eliminate the solder between the ceramic substrate and the cooling unit, the ceramic substrate and the heat sink are joined by a high-temperature brazing material. When these are joined by a high-temperature brazing material, the following problems exist.

【0012】即ち、高温ろう材を用いてセラミックス基
板と放熱板とが直接に接合されたことにより、従来のモ
ジュール構造体の場合に比べて、基板や放熱板に発生す
る熱応力が大きくなり、セラミックス基板にクラックが
発生し易くなる。
That is, since the ceramic substrate and the heat radiating plate are directly joined by using the high-temperature brazing material, the thermal stress generated in the substrate and the heat radiating plate is increased as compared with the case of the conventional module structure. Cracks easily occur on the ceramic substrate.

【0013】これを解決するために、セラミックス基板
と冷却ユニットとを半田付けした構造も提案(特開平1
1−346480号公報)されているが、半田をセラミ
ックス基板と金属との接合材として用いる限り、ハイブ
リッドカー用途に必要なヒートサイクルを3000回経
ても半田でのクラックやセラミックス基板でのクラック
が発生しないといった信頼性を得ることはとてもできな
い。また、熱抵抗が大きい半田を使用していては十分な
冷却性能を有するモジュール構造体を得ることはできな
い。また、前述したとおりに、半田でのクラックが発生
すると、モジュール中の半導体素子等の電子部品や回路
から発生する熱の放散性を悪化させてしまうので実用上
好ましくない。
In order to solve this problem, a structure in which a ceramic substrate and a cooling unit are soldered has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No.
However, as long as the solder is used as a bonding material between the ceramic substrate and the metal, cracks in the solder and cracks in the ceramic substrate occur even after 3000 heat cycles required for a hybrid car application. There is no way to gain the credibility of not doing it. Further, if a solder having a large thermal resistance is used, a module structure having a sufficient cooling performance cannot be obtained. Further, as described above, if cracks occur in the solder, the heat dissipation of heat generated from electronic components and circuits such as semiconductor elements in the module is deteriorated, which is not practically preferable.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記事情に
鑑みて鋭意検討し、モジュール構造体の構造とその信頼
性並びに放熱特性を評価することにより、特定の構造を
有するモジュール構造体が、長期間に渡って半導体素子
下部の半田でのクラック、セラミックス基板でのクラッ
クが発生しがたく、しかも熱放散性に優れることを見出
し、本発明に至ったものであり、本発明は、従来存在し
ていた冷却ユニットと基板間に存在する放熱グリースと
半田とを廃することで、セラミックス基板をアルミニウ
ム合金などの冷却ユニットに直接接合してなるモジュー
ル構造体でありながら、各部材に適切な材料を選ぶこと
により、高い冷却性能と高い信頼性を両立させると同時
に低コストを実現させたものである。
Means for Solving the Problems The present inventor has studied diligently in view of the above circumstances, and evaluated the structure of the module structure, its reliability and heat radiation characteristics, so that a module structure having a specific structure can be obtained. It was found that cracks in the solder under the semiconductor element and cracks in the ceramic substrate were unlikely to occur over a long period of time, and that they were excellent in heat dissipation, leading to the present invention. By eliminating the heat radiation grease and solder that exist between the cooling unit and the board, the ceramic board is directly joined to a cooling unit such as an aluminum alloy. The choice of materials achieves both high cooling performance and high reliability while realizing low cost.

【0015】即ち、本発明は、セラミックス基板の一主
面に電子部品を搭載するための回路を有し、他の一主面
には放熱板を設けているセラミックス回路基板を、冷却
ユニットに接合してなるモジュール構造体であって、前
記放熱板がアルミニウムを主成分とする金属からなり、
しかも前記放熱板と前記冷却ユニットとをアルミニウム
系ロウ材で接合してなることを特徴とするモジュール構
造体である。
That is, according to the present invention, a ceramic circuit board having a circuit for mounting electronic components on one main surface of a ceramic substrate and a heat sink provided on the other main surface is joined to a cooling unit. A module structure, wherein the heat sink is made of a metal containing aluminum as a main component,
Moreover, the module structure is characterized in that the radiator plate and the cooling unit are joined with an aluminum brazing material.

【0016】又、本発明は、セラミックス回路基板の回
路の少なくともセラミックス基板に接する面が、アルミ
ニウムを主成分とする金属からなることを特徴とする前
記のモジュール構造体であり、好ましくは、アルミニウ
ム系ロウ材が、マグネシウムと、銅及び/又は亜鉛とを
含有することを特徴とする前記のモジュール構造体であ
り、更に好ましくは、セラミックス基板が窒化珪素又は
窒化アルミニウムであることを特徴とする前記のモジュ
ール構造体である。
Further, the present invention is the above-mentioned module structure, characterized in that at least a surface of the circuit of the ceramic circuit board in contact with the ceramic substrate is made of a metal containing aluminum as a main component. The above-described module structure, wherein the brazing material contains magnesium and copper and / or zinc, and more preferably, the ceramic substrate is silicon nitride or aluminum nitride. It is a module structure.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】本発明者が鋭意実験をおこなって
検討した結果、金属製冷却ユニットにセラミックス回路
基板をロウ付けにより接合してなるモジュール構造体で
あって、しかも特定の積層構造を有するときに、長期間
に渡って半導体素子下部の半田でのクラック、並びにセ
ラミックス基板におけるクラックが発生しがたく、熱放
散性と長期に渡る信頼性に優れるパワーモジュールが得
られるという知見を得て、本発明に至ったものである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION As a result of the inventor's intensive experiment, the module structure is a module structure formed by joining a ceramic circuit board to a metal cooling unit by brazing and having a specific laminated structure. Sometimes, cracks in the solder under the semiconductor element for a long time, and cracks in the ceramic substrate are unlikely to occur, and the knowledge that a power module with excellent heat dissipation and long-term reliability can be obtained, This has led to the present invention.

【0018】本発明のモジュール構造体は、一主面上に
電子部品を搭載するための回路を有し他の一主面上に放
熱板を有しているセラミックス回路基板を、冷却ユニッ
トに接合してなるモジュール構造体であって、前記放熱
板がアルミニウムを主成分とする金属からなり、しかも
前記放熱板と前記冷却ユニットとをアルミニウム系ロウ
材で接合していることを特徴としており、この構成を採
用することで、長期に渡って熱放散性と信頼性に優れる
パワーモジュールを得ることができるという特徴があ
る。
The module structure according to the present invention is characterized in that a ceramic circuit board having a circuit for mounting electronic components on one main surface and having a heat sink on another main surface is joined to a cooling unit. Wherein the radiator plate is made of a metal containing aluminum as a main component, and the radiator plate and the cooling unit are joined with an aluminum brazing material. By adopting the configuration, there is a feature that a power module having excellent heat dissipation and reliability can be obtained over a long period of time.

【0019】また、本発明において、セラミックス回路
基板に設けられている電子部品を搭載するための回路に
ついて、該回路の少なくともセラミックス基板に接する
面がアルミニウムを主成分とする金属からなることが好
ましい。このような構成を採用するときに、モジュール
構造体が実使用下で被る加熱冷却の繰り返しに対する耐
久性が一層向上し、より長期に渡って熱放散性と信頼性
に優れるパワーモジュールが得られるという利点があ
る。
In the present invention, in a circuit for mounting an electronic component provided on a ceramic circuit board, it is preferable that at least a surface of the circuit in contact with the ceramic substrate is made of a metal containing aluminum as a main component. When such a configuration is employed, the durability of the module structure against repeated heating and cooling under actual use is further improved, and a power module with excellent heat dissipation and reliability over a longer period can be obtained. There are advantages.

【0020】本発明に用いられるセラミックス回路基板
に関して、セラミックス基板は必要とされる電気絶縁特
性や高熱伝導率や高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、極めて高い熱伝導率
を有す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珪素(Si
34)がより好ましい。
Regarding the ceramic circuit board used in the present invention, any ceramic board may be used as long as it satisfies the required properties such as electrical insulation properties, high thermal conductivity and high mechanical strength. Aluminum nitride (AlN) having high thermal conductivity or silicon nitride (Si) having both high strength and relatively high thermal conductivity
3 N 4 ) is more preferred.

【0021】セラミックス基板上に設けられる回路に関
しては、前述のとおりに、少なくともセラミックス基板
に接する表面がアルミニウムを主成分とする金属からな
ることが好ましいが、回路の前記部分以外を構成する材
質は良導電性の金属であればどの様なものでもかまわな
い。しかし、安価で熱伝導率が高く電気伝導性にも優れ
るという理由から、銅やアルミニウム並びにその合金が
好ましく用いられ、ことに、電気伝導率が高く、しかも
応力発生に対して塑性変形能が高いことから、高純度の
銅やアルミニウムがより好ましく選択される。
As for the circuit provided on the ceramic substrate, at least the surface in contact with the ceramic substrate is preferably made of a metal containing aluminum as a main component, as described above. Any conductive metal may be used. However, copper and aluminum and their alloys are preferably used because they are inexpensive and have high thermal conductivity and excellent electrical conductivity. In particular, copper and aluminum and their alloys are preferably used, and have high electrical conductivity and high plastic deformability against stress generation. Therefore, high-purity copper or aluminum is more preferably selected.

【0022】また冷却ユニットに用いられる金属につい
ては、比較的安価で熱伝導率が高いアルミニウムあるい
は銅、またはそれらを主成分とする合金などが好ましく
用いられる。また、前記の金属、合金を部分的に用いた
構造のものであっても構わない。更に、耐久性を向上し
たり、他の部品と接合しやすくしたりする目的で、予め
冷却ユニット表面にメッキ等の操作によりNi層を設け
ておいても良い。
As the metal used for the cooling unit, aluminum or copper, which is relatively inexpensive and has high thermal conductivity, or an alloy containing these as a main component is preferably used. Further, a structure partially using the above metal or alloy may be used. Further, a Ni layer may be provided in advance on the surface of the cooling unit by an operation such as plating for the purpose of improving durability or facilitating joining with other components.

【0023】本発明のモジュール構造体を得る方法とし
て、以下に例示する方法が、安定して高い歩留まりで本
発明のモジュール構造体が得られることから好ましい
が、本発明が以下例示の製造方法により得られるモジュ
ール構造体に限定されるものではない。
As a method for obtaining the module structure of the present invention, the method exemplified below is preferable since the module structure of the present invention can be obtained stably at a high yield. It is not limited to the obtained module structure.

【0024】予め一主面上に回路を設けたセラミックス
基板を用意し、前記セラミックス基板の回路を設けてい
ない主面側に、ロウ材を介して、金属製放熱板を配置し
て、加圧下でロウ材の一部を溶融するように加熱し、接
合することで、一主面側に回路を他の一主面側に放熱板
を有するセラミックス回路基板を作製する。
A ceramic substrate having a circuit provided on one main surface is prepared in advance, and a metal heat radiating plate is arranged via a brazing material on the main surface of the ceramic substrate on which the circuit is not provided. By heating and joining a part of the brazing material so as to melt, a ceramic circuit board having a circuit on one main surface side and a heat sink on the other main surface side is produced.

【0025】前記セラミックス回路基板の回路上に半導
体素子等の電子部品を搭載し、ワイヤーボンディングす
る等の操作を加えて回路を完成する。電子部品の搭載を
半田付けにより行う場合は、必要に応じて、製造工程の
適当な段階で所望の箇所にメッキ処理を予め行っておけ
ば良い。
Electronic parts such as semiconductor elements are mounted on the circuit of the ceramic circuit board, and operations such as wire bonding are performed to complete the circuit. In the case where the electronic components are mounted by soldering, a plating process may be performed on a desired portion in advance at an appropriate stage of the manufacturing process, if necessary.

【0026】尚、回路をセラミックス基板に接合する場
合、放熱板をセラミックス基板に接合する場合、或いは
放熱板を金属製放熱フィンに接合する場合には、両者を
接合するロウ材として、マグネシウムと、銅とゲルマニ
ウムと珪素とからなる群から選ばれる1種以上の元素と
を含有するアルミニウム合金が、両者の密着性に優れ、
長期に渡って熱放散性と信頼性に優れるモジュール構造
体を得ることができるので、好ましい。
When the circuit is joined to the ceramic substrate, when the heat radiating plate is joined to the ceramic substrate, or when the heat radiating plate is joined to the metal radiating fins, magnesium is used as a brazing material for joining the two. An aluminum alloy containing at least one element selected from the group consisting of copper, germanium, and silicon has excellent adhesion between the two,
This is preferable because a module structure excellent in heat dissipation and reliability can be obtained over a long period of time.

【0027】ことに、前記回路のセラミックス基板側の
表面がアルミニウムからなる場合や放熱板或いは金属製
放熱フィンの表面がアルミニウムを主成分とする金属か
らなる場合には、ロウ材として、JIS呼称2017ア
ルミニウム合金あるいはJIS呼称7075アルミニウ
ム合金を用いると、接合操作の際に、これらのアルミニ
ウム合金が回路表面、放熱板或いは放熱フィン表面のア
ルミニウム或いはアルミニウム合金と容易に一体化し、
より密着性に優れる接合ができ、更に好ましい。
In particular, when the surface of the circuit on the ceramic substrate side is made of aluminum, or when the surface of the radiating plate or the metal radiating fin is made of a metal containing aluminum as a main component, JIS 2017 When aluminum alloy or JIS designation 7075 aluminum alloy is used, at the time of joining operation, these aluminum alloys are easily integrated with aluminum or aluminum alloy on the circuit surface, heat sink or heat sink fin surface,
Bonding with more excellent adhesion can be achieved, which is more preferable.

【0028】[0028]

【実施例】〔実施例1〕セラミックス基板として、35
mm×35mm×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70W/mK、三点曲げ
強さの平均値が560MPaの窒化珪素基板を用意し
た。また、32mm×32mm×0.4mmの大きさで
純度が99.9%のアルミニウム板を用意した。
[Example 1] As a ceramic substrate, 35
A silicon nitride substrate having a size of mm × 35 mm × 0.635 mm, a thermal conductivity by a laser flash method of 70 W / mK, and an average value of three-point bending strength of 560 MPa was prepared. Also, an aluminum plate having a size of 32 mm × 32 mm × 0.4 mm and a purity of 99.9% was prepared.

【0029】窒化珪素基板の表裏両面に、JIS呼称2
017アルミニウム合金箔(20μm厚さ)を介して、
アルミニウム板を重ね、主面に対して垂直方向に加圧
し、真空中630℃×20分の条件下で加熱しながらア
ルミニウム板と窒化珪素基板とを接合した。
The JIS designation 2 is formed on both the front and back surfaces of the silicon nitride substrate.
Through 017 aluminum alloy foil (20 μm thickness)
The aluminum plates were stacked and pressed in a direction perpendicular to the main surface, and the aluminum plate and the silicon nitride substrate were joined while heating in vacuum at 630 ° C. for 20 minutes.

【0030】前記アルミニウム板表面の所望位置にエッ
チングレジストをスクリーン印刷して、エッチング処理
することにより、回路を形成して、セラミックス回路基
板を作製した。
A circuit was formed by screen-printing an etching resist at a desired position on the surface of the aluminum plate and performing an etching process, thereby producing a ceramic circuit board.

【0031】一方、140mm×80mm×20mmの
大きさのアルミニウム合金製冷却ユニットを用意した。
この冷却ユニットは内部に送水通路が設けられており、
水を流すことによりユニット本体へ伝わったを熱を排す
る構造となっている。
On the other hand, a cooling unit made of an aluminum alloy having a size of 140 mm × 80 mm × 20 mm was prepared.
This cooling unit is provided with a water supply passage inside,
By flowing water, the heat transmitted to the unit body is exhausted.

【0032】前記冷却ユニットと前記セラミックス回路
基板との間に厚さ20μmのJIS呼称2017アルミ
ニウム合金箔をはさみ、その状態で窒素雰囲気下630
℃で5分間加熱し、基板と冷却ユニットを接合すること
によりモジュール構造体を作製した(図1参照)。
A 20 μm-thick JIS 2017 aluminum alloy foil is sandwiched between the cooling unit and the ceramic circuit board.
Heating was performed at 5 ° C. for 5 minutes, and the module and the cooling unit were joined to produce a module structure (see FIG. 1).

【0033】前記モジュール構造体について、以下に示
す方法で、冷却性能と信頼性とを評価した。この結果を
表1に示す。
With respect to the module structure, cooling performance and reliability were evaluated by the following methods. Table 1 shows the results.

【0034】<冷却性能試験>セラミックス基板の回路
上にヒーターを取り付け、ヒーターの温度を熱電対によ
り測定することによって、モジュールとしての冷却性能
を調べた。なお、試験中のヒーター出力を100W、水
冷ユニット中の冷却水の温度を60℃に固定して測定し
た。
<Cooling Performance Test> A cooling performance as a module was examined by mounting a heater on a circuit of a ceramic substrate and measuring the temperature of the heater with a thermocouple. The measurement was performed with the heater output during the test fixed at 100 W and the temperature of the cooling water in the water cooling unit fixed at 60 ° C.

【0035】<信頼性試験>セラミックス回路基板上の
回路に、大きさ13mm×13mm×1mmの半導体素
子を高温半田で半田付けし、−40℃×30分とした後
125℃×30分とすることを1回とするヒートサイク
ル試験を行い、500回、1000回、3000回経過
後に、半導体素子下部の半田部分と、セラミックス基板
と水冷ユニットとの間について、接合状態をSAT(超
音波映像探傷装置)により調べた。
<Reliability Test> A semiconductor element having a size of 13 mm × 13 mm × 1 mm is soldered to a circuit on a ceramic circuit board with high-temperature solder, and the temperature is reduced to −40 ° C. × 30 minutes, and then to 125 ° C. × 30 minutes. A heat cycle test was performed with this being one time, and after 500, 1000, and 3000 times, the bonding state between the solder portion under the semiconductor element, the ceramic substrate, and the water-cooled unit was determined to be SAT (ultrasonic image flaw detection). Device).

【0036】[0036]

【表1】 [Table 1]

【0037】〔実施例2〕実施例1において、セラミッ
クス回路基板を得た後、セラミックス回路基板全体に無
電解法でNiメッキしたこと、また、セラミックス回路
基板と冷却ユニットとの接合にJIS呼称7075アル
ミニウム合金箔を用い、接合操作時の温度を580℃と
したこと以外は、実施例1と同じ操作をしてモジュール
構造体を作製し、実施例1と同じ評価を行った。この結
果を表1に示す。
Example 2 In Example 1, after obtaining the ceramic circuit board, the entire ceramic circuit board was Ni-plated by an electroless method, and JIS designation 7075 was used for joining the ceramic circuit board and the cooling unit. A module structure was produced by the same operation as in Example 1 except that the temperature during the joining operation was set to 580 ° C. using an aluminum alloy foil, and the same evaluation as in Example 1 was performed. Table 1 shows the results.

【0038】〔実施例3〕実施例1に用いた窒化珪素基
板と、金属板として32mm×32mm×0.4mmの
無酸素銅板と純度99.9%アルミニウム板とを用意し
た。また、ロウ材としてAg、Cu、Tiの混合粉(A
g:Cu:Ti=90:10:5質量%)とPMMAバ
インダーとテルピネオールを適量混合したものを用意し
た。
Example 3 A silicon nitride substrate used in Example 1, an oxygen-free copper plate of 32 mm × 32 mm × 0.4 mm and a 99.9% pure aluminum plate were prepared as metal plates. Also, a mixed powder of Ag, Cu and Ti (A
g: Cu: Ti = 90: 10: 5% by mass), a PMMA binder and an appropriate amount of terpineol were prepared.

【0039】前記窒化珪素基板の表面に、前記ロウ材を
スクリーン印刷により塗布した。そして前記銅板を重
ね、真空中850℃×20分の条件下で加熱しながら銅
板と窒化珪素基板とを接合した。
The brazing material was applied to the surface of the silicon nitride substrate by screen printing. Then, the copper plates were stacked, and the copper plate and the silicon nitride substrate were joined while heating under vacuum at 850 ° C. × 20 minutes.

【0040】銅板表面の所望位置にエッチングレジスト
をスクリーン印刷して、エッチング処理することにより
回路形成した。次に、前記窒化珪素基板の銅板が接合さ
れた面とは反対側の面にJIS呼称2017アルミニウ
ム合金箔(20μm厚さ)を介して前記アルミニウム板
を重ね、主面に対して垂直方向の圧力を黒鉛治具にて負
荷した。そしてその状態で、真空中630℃×20mi
nの条件下で加熱しながらアルミニウム板と窒化珪素基
板とを接合し、片面に銅からなる回路を有し、他の片面
にアルミニウムからなる放熱板を設けたセラミックス回
路基板を得た。
A circuit was formed by screen-printing an etching resist at a desired position on the surface of the copper plate and performing an etching process. Next, the aluminum plate is laid on the surface of the silicon nitride substrate opposite to the surface to which the copper plate is bonded via a JIS designation 2017 aluminum alloy foil (thickness: 20 μm), and the pressure in the direction perpendicular to the main surface is Was loaded with a graphite jig. Then, in that state, 630 ° C. × 20 mi in vacuum
The aluminum plate and the silicon nitride substrate were joined while being heated under the condition of n, to obtain a ceramic circuit board having a circuit made of copper on one side and a radiator plate made of aluminum on the other side.

【0041】次に、実施例1に用いたものと同じアルミ
合金製冷却ユニットを用意した。そして、前記セラミッ
クス回路基板のアルミニウムからなる放熱板側に厚さ2
0μmのJIS呼称2017アルミニウム合金箔を配置
し、前記アルミニウム合金箔が冷却ユニットに接するよ
うにして、冷却ユニット上に配置した。前記冷却ユニッ
トとアルミニウム合金箔とセラミックス回路基板と積層
したもの全体を黒鉛治具を用いて加圧した。そして窒素
雰囲気下630℃で5分間加熱し、セラミックス回路基
板と冷却ユニットとを接合することにより、モジュール
構造体を作製した。このモジュール構造体について、実
施例1と同様に評価した。この結果を表1に示す。
Next, the same aluminum alloy cooling unit as that used in Example 1 was prepared. Then, a thickness 2 is formed on the side of the aluminum radiator plate of the ceramic circuit board.
A 0 μm JIS 2017 aluminum alloy foil was placed, and the aluminum alloy foil was placed on the cooling unit such that the aluminum alloy foil was in contact with the cooling unit. The whole of the cooling unit, the aluminum alloy foil, and the ceramic circuit board laminated was pressed using a graphite jig. Then, the module was heated at 630 ° C. for 5 minutes in a nitrogen atmosphere to join the ceramic circuit board and the cooling unit, thereby producing a module structure. This module structure was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

【0042】〔比較例1〕セラミックス基板として、3
5mm×35mm×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170W/mK、3点
曲げ強さの平均値が360MPaの窒化アルミニウム基
板を用意し、実施例3と同じ操作を行いセラミックス回
路基板を得た。さらに、セラミックス回路基板全体に無
電解法でNi−Pメッキを行った。
Comparative Example 1 As a ceramic substrate, 3
An aluminum nitride substrate having a size of 5 mm × 35 mm × 0.635 mm, a thermal conductivity of 170 W / mK by a laser flash method and an average value of three-point bending strength of 360 MPa was prepared, and the same operation as in Example 3 was performed. A ceramic circuit board was obtained. Furthermore, Ni-P plating was performed on the entire ceramic circuit board by an electroless method.

【0043】大きさが60mm×80mm×3mmのN
iメッキされた無酸素銅からなる放熱板を用意し、共晶
半田でセラミックス基板に半田付けした。
N having a size of 60 mm × 80 mm × 3 mm
A heat sink made of i-plated oxygen-free copper was prepared and soldered to a ceramic substrate with eutectic solder.

【0044】140mm×80mm×20mmの大きさ
のアルミニウム合金製冷却ユニットを用意した。そし
て、前記のセラミックス回路基板が半田付けされた放熱
板と冷却ユニットとのそれぞれの表面に、厚さ25μm
づつの高熱伝導性シリコーングリースを塗布して、ネジ
止めしたものを作製し(図2参照)、実施例1と同じ評
価を行った。この結果を表1に示した。
An aluminum alloy cooling unit having a size of 140 mm × 80 mm × 20 mm was prepared. Then, a thickness of 25 μm is formed on each surface of the heat sink and the cooling unit to which the ceramic circuit board is soldered.
Each of them was coated with a high thermal conductive silicone grease and screwed (see FIG. 2), and the same evaluation as in Example 1 was performed. The results are shown in Table 1.

【0045】〔比較例2〕比較例1の窒化アルミニウム
基板と、回路用の金属板として32mm×32mm×
0.4mmの純度が99.9%のアルミニウム板を用意
した。
Comparative Example 2 The aluminum nitride substrate of Comparative Example 1 and a metal plate for a circuit of 32 mm × 32 mm ×
An aluminum plate having a purity of 0.4 mm and a purity of 99.9% was prepared.

【0046】前記窒化アルミニウム基板の表裏両面に、
JIS呼称2017アルミニウム合金箔(20μm厚
さ)を介して前記アルミニウム板を重ね、主面に対して
垂直方向の圧力を負荷した。そして、真空中630℃×
20分の条件下で加熱しながら窒化アルミニウム基板と
アルミニウム板とを接合した。
On the front and back surfaces of the aluminum nitride substrate,
The aluminum plates were stacked via a JIS designation 2017 aluminum alloy foil (thickness: 20 μm), and a pressure was applied in a direction perpendicular to the main surface. And 630 ° C in vacuum x
The aluminum nitride substrate and the aluminum plate were joined while heating for 20 minutes.

【0047】アルミニウム板表面の所望位置にエッチン
グレジストをスクリーン印刷して、エッチング処理する
ことにより回路を形成し、セラミックス回路基板を作製
した。さらに、セラミックス回路基板にNiメッキを施
した。
A circuit was formed by screen-printing an etching resist at a desired position on the surface of the aluminum plate and performing an etching process to produce a ceramic circuit board. Further, the ceramic circuit board was plated with Ni.

【0048】大きさが60mm×80mm×3mmのN
iメッキされたAl−SiC複合材からなる放熱板を用
意し、共晶半田で上記窒化アルミニウム基板の回路を形
成していない面に半田付けした。
N having a size of 60 mm × 80 mm × 3 mm
A heat sink made of an i-plated Al-SiC composite material was prepared and soldered to a surface of the aluminum nitride substrate where no circuit was formed by eutectic solder.

【0049】140mm×80mm×20mmの大きさ
のアルミニウム合金製冷却ユニットを用意した。そし
て、前記のセラミックス回路基板が半田付けされた放熱
板と冷却ユニットとの互いに接する面に、それぞれ厚さ
25μmの高熱伝導性シリコーングリースを塗布して、
ネジ止めしたものを作製した(図3参照)。このモジュ
ール構造体について、実施例1と同じ評価を行い、この
結果を表1に示した。
An aluminum alloy cooling unit having a size of 140 mm × 80 mm × 20 mm was prepared. Then, high heat conductive silicone grease having a thickness of 25 μm is applied to surfaces of the heat sink and the cooling unit to which the ceramic circuit board is soldered, respectively, in contact with each other,
A screw was prepared (see FIG. 3). This module structure was evaluated in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 1.

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明のモジュール構造体は、安価な金
属を放熱材として用いながらも、半導体素子下部の半田
でのクラック並びにセラミックス基板でのクラックが発
生しがたく、長期間に渡って熱放散性と信頼性に優れる
特徴があり、産業上非常に有用である。
According to the module structure of the present invention, cracks due to solder under the semiconductor element and cracks in the ceramic substrate are unlikely to occur while using inexpensive metal as a heat radiating material. It has excellent characteristics of heat dissipation and reliability, and is very useful in industry.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例1に係るモジュール構造体の断
面図。
FIG. 1 is a sectional view of a module structure according to a first embodiment of the present invention.

【図2】比較例1に係るモジュール構造体の断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of a module structure according to Comparative Example 1.

【図3】比較例2に係るモジュール構造体の断面図。FIG. 3 is a sectional view of a module structure according to Comparative Example 2.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 回路 2 セラミックス基板 3 放熱板 4 ロウ材 5 冷却ユニット 6 半田 7 グリース Reference Signs List 1 circuit 2 ceramic substrate 3 heat sink 4 brazing material 5 cooling unit 6 solder 7 grease

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4E351 AA07 DD10 DD21 GG04 5E322 AA11 AB02 AB09 EA10 FA06 5E338 AA02 AA18 BB71 EE01 EE02 EE28 EE33 5F036 AA01 BB01 BB08 BC06 BD03 BD13  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4E351 AA07 DD10 DD21 GG04 5E322 AA11 AB02 AB09 EA10 FA06 5E338 AA02 AA18 BB71 EE01 EE02 EE28 EE33 5F036 AA01 BB01 BB08 BC06 BD03 BD13

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】セラミックス基板の一主面に電子部品を搭
載するための回路を有し、他の一主面には放熱板を設け
ているセラミックス回路基板を、冷却ユニットに接合し
てなるモジュール構造体であって、前記放熱板がアルミ
ニウムを主成分とする金属からなり、しかも前記放熱板
と前記冷却ユニットとをアルミニウム系ロウ材で接合し
てなることを特徴とするモジュール構造体。
1. A module comprising a circuit for mounting electronic components on one main surface of a ceramic substrate, and a ceramic circuit substrate provided with a heat sink on the other main surface, joined to a cooling unit. A module structure, wherein the radiator plate is made of a metal containing aluminum as a main component, and the radiator plate and the cooling unit are joined by an aluminum brazing material.
【請求項2】セラミックス回路基板の回路の少なくとも
セラミックス基板に接する面が、アルミニウムを主成分
とする金属からなることを特徴とする請求項1記載のモ
ジュール構造体。
2. The module structure according to claim 1, wherein at least a surface of the circuit of the ceramic circuit board in contact with the ceramic substrate is made of a metal containing aluminum as a main component.
【請求項3】アルミニウム系ロウ材が、マグネシウム
と、銅及び/又は亜鉛とを含有することを特徴とする請
求項1又は請求項2記載のモジュール構造体。
3. The module structure according to claim 1, wherein the aluminum brazing material contains magnesium, copper, and / or zinc.
【請求項4】セラミックス基板が窒化珪素又は窒化アル
ミニウムであることを特徴とする請求項1、請求項2又
は請求項3記載のモジュール構造体。
4. The module structure according to claim 1, wherein the ceramic substrate is silicon nitride or aluminum nitride.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006522463A (en) * 2002-11-01 2006-09-28 クーリギー インコーポレイテッド Optimal spreader system, apparatus and method for micro heat exchange cooled by fluid
CN113904527A (en) * 2021-09-15 2022-01-07 江苏德耐美克电气有限公司 Water-cooled high-voltage shore power supply power unit and assembling and cooling method thereof

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