JP2967065B2 - Semiconductor module - Google Patents
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- Ceramic Products (AREA)
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体モジュール
に関する。[0001] The present invention relates to a semiconductor module.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、パワートランジスタモジュールや
スイッチング電源用モジュール等の比較的高電力を扱う
半導体モジュールとして、セラミックス基板の表裏に銅
板等の金属回路板および金属板を接合してセラミックス
回路基板とし、さらに金属板にヒートシンクを接合した
半導体モジュールが用いられている。2. Description of the Related Art In recent years, as a semiconductor module which handles relatively high power, such as a power transistor module or a switching power supply module, a metal circuit board such as a copper plate and a metal plate are joined to the front and back of a ceramic substrate to form a ceramic circuit board. Further, a semiconductor module in which a heat sink is joined to a metal plate is used.
【0003】ここで、セラミックス回路基板の製造工程
におけるセラミックス基板と金属回路板あるいは金属板
との接合方法としては、Ti、Zr、Hf、Nb等の活
性金属をAg−Cuろう材等に1〜10%含有した活性
金属ろう材を用いる方法(活性金属法)や、金属回路板
等として酸素を100〜1000ppm 含有するタフピッ
チ電解銅や表面を1〜10μmの厚さで酸化させた銅板
を用いてセラミックス基板と銅板とを直接接合させる、
いわゆる直接接合法(DBC法:ダイレクト・ボンディ
ング・カッパー法)等が知られている。Here, as a method of joining the ceramic substrate and the metal circuit plate or the metal plate in the process of manufacturing the ceramic circuit substrate, an active metal such as Ti, Zr, Hf, Nb, etc. is added to Ag-Cu brazing material or the like. A method using an active metal brazing material containing 10% (active metal method), a tough pitch electrolytic copper containing 100 to 1000 ppm of oxygen as a metal circuit board, or a copper plate whose surface is oxidized to a thickness of 1 to 10 μm. Direct bonding of ceramic substrate and copper plate,
A so-called direct bonding method (DBC method: direct bonding copper method) and the like are known.
【0004】例えば直接接合法においては、まず所定形
状に打ち抜かれた銅回路板を、酸化アルミニウム(Al
2 O3 )焼結体や窒化アルミニウム(AlN)焼結体等
からなるセラミックス基板上に接触配置させて加熱し、
接合界面にCu−Cu2 Oの共晶液相を生成させ、この
液相でセラミックス基板の表面を濡らした後、液相を冷
却固化することによって、セラミックス基板と銅回路板
とが直接接合される。このような直接接合法を適用した
セラミックス回路基板は、セラミックス基板と銅回路板
との接合強度が強く、またメタライズ層やろう材層を必
要としない単純構造なので小型高実装化が可能である等
の長所を有しており、また製造工程の短縮化も図られて
いる。For example, in the direct bonding method, first, a copper circuit board punched into a predetermined shape is made of aluminum oxide (Al).
2 O 3 ) A sintered body or an aluminum nitride (AlN) sintered body or the like is placed in contact with a ceramic substrate and heated.
A eutectic liquid phase of Cu-Cu 2 O is generated at the bonding interface, and after wetting the surface of the ceramic substrate with this liquid phase, the liquid phase is cooled and solidified, whereby the ceramic substrate and the copper circuit board are directly bonded. You. A ceramic circuit board to which such a direct bonding method is applied has a strong bonding strength between the ceramic substrate and the copper circuit board, and can be miniaturized and mounted with a simple structure that does not require a metallization layer or a brazing material layer. And the manufacturing process can be shortened.
【0005】しかしながら、上述した直接接合法や活性
金属法等により金属回路板等をセラミックス基板に接合
したセラミックス回路基板を用いたパワートランジスタ
モジュール等の半導体モジュールにおいては、大電流を
流せるように金属板の厚さを0.3〜0.5mmと厚くし
ている場合が多いため、熱履歴に対して信頼性に乏しい
という問題があった。すなわち、熱膨張率が大きく異な
るセラミックス基板と金属回路板等とを接合すると、接
合後の冷却過程や冷熱サイクルの付加により、上記熱膨
張差に起因する熱応力が発生する。この応力は接合部付
近のセラミックス基板側に圧縮と引張りの残留応力分布
として存在し、特に金属回路板等の外周端部と近接する
セラミックス部分に残留応力の主応力が作用する。この
残留応力は、セラミックス基板にクラックを生じさせた
り、絶縁耐圧不良を起こしたり、あるいは金属板剥離の
発生原因等となる。また、セラミックス基板にクラック
が生じないまでも、セラミックス基板の強度を低下させ
るという悪影響を及ぼす。However, in a semiconductor module such as a power transistor module using a ceramic circuit board in which a metal circuit board or the like is bonded to a ceramic substrate by the direct bonding method, the active metal method, or the like, the metal plate is designed to allow a large current to flow. In many cases, the thickness is as thick as 0.3 to 0.5 mm. That is, when a ceramic substrate and a metal circuit board or the like having significantly different coefficients of thermal expansion are joined to each other, a thermal stress due to the difference in thermal expansion is generated due to a cooling process after the joining or addition of a cooling / heating cycle. This stress exists as a compressive and tensile residual stress distribution on the ceramic substrate side near the joint, and the main stress of the residual stress acts particularly on the ceramic portion close to the outer peripheral end of a metal circuit board or the like. The residual stress may cause cracks in the ceramic substrate, cause a dielectric strength failure, or cause peeling of the metal plate. Further, even if cracks do not occur in the ceramic substrate, the ceramic substrate has an adverse effect of reducing its strength.
【0006】また、最近の半導体素子の高密度化や高集
積化に伴って、半導体モジュールや電子部品自体の小型
化が進められている。[0006] With the recent increase in the density and integration of semiconductor elements, miniaturization of semiconductor modules and electronic components themselves has been promoted.
【0007】また、特に窒化アルミニウム基板は他のセ
ラミックス基板と比較して高い熱伝導性と低熱膨張特性
とを有するが、機械的強度が比較的に低いので、回路基
板の実装工程において付加される押圧力や衝撃力によっ
て、回路基板が破損する場合もあった。In particular, aluminum nitride substrates have high thermal conductivity and low thermal expansion characteristics as compared with other ceramic substrates, but have relatively low mechanical strength, so they are added in a circuit board mounting process. The circuit board may be damaged by the pressing force or the impact force.
【0008】図4は、このような従来の半導体モジュー
ル1の構造を示す断面図である。図4に示す半導体モジ
ュール1は、厚さが大きく熱伝導率が高いAlN焼結体
から成るセラミックス基板2の表面側に金属回路板3を
接合する一方、セラミックス基板2の下面側に裏銅板と
しての金属板4を一体に接合して形成される。また金属
回路板3の所定位置には、半導体素子7が半田接合によ
って搭載されており、半導体素子7と金属回路板3の電
極部とがボンディングワイヤ8によって電気的に接続さ
れている。FIG. 4 is a sectional view showing the structure of such a conventional semiconductor module 1. As shown in FIG. In the semiconductor module 1 shown in FIG. 4, a metal circuit board 3 is joined to a front surface of a ceramic substrate 2 made of an AlN sintered body having a large thickness and a high thermal conductivity, while a back copper plate is provided on the lower surface of the ceramic substrate 2. Of metal plates 4 are integrally joined. A semiconductor element 7 is mounted on a predetermined position of the metal circuit board 3 by soldering, and the semiconductor element 7 and an electrode portion of the metal circuit board 3 are electrically connected by bonding wires 8.
【0009】このセラミックス回路基板は、金属板4を
介して例えば銅から成る厚いヒートシンク板5の表面に
半田接合により一体化されて半導体モジュール1が形成
される。この半導体モジュール1は、取付ねじ6の締着
によって機器ケーシング9や放熱フィンまたは実装ボー
ド上に固着される。This ceramic circuit board is integrated with the surface of a thick heat sink plate 5 made of, for example, copper via a metal plate 4 by soldering to form a semiconductor module 1. The semiconductor module 1 is fixed on the device casing 9, the radiating fins, or the mounting board by tightening the mounting screws 6.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の半導体モジュール1においては、裏銅板(金属板)
と共に、放熱性を改善し、かつセラミックス基板の割れ
を防止するヒートシンク板が必須となる上に、割れに対
する耐力を高めるために厚さが大きいセラミックス基板
を使用する必要があるため、半導体モジュールとした場
合のサイズが大きくなり、小型化が困難になる弊害があ
るとともに、セラミックス基板の製造コストが増加する
難点があった。また基板厚さが増加するため、高熱伝導
率のAlN基板を使用した場合においても、熱抵抗が大
きくなり、期待する程に良好な放熱性が得られないとい
う問題点もあった。However, in the conventional semiconductor module 1 described above, the back copper plate (metal plate)
In addition, a heat sink plate that improves heat dissipation and prevents cracking of the ceramic substrate is indispensable, and it is necessary to use a ceramic substrate with a large thickness to increase the resistance to cracking. In this case, the size of the case becomes large and it is difficult to reduce the size, and there is a problem that the manufacturing cost of the ceramic substrate increases. In addition, since the thickness of the substrate is increased, even when an AlN substrate having a high thermal conductivity is used, the thermal resistance is increased, and there is a problem that good heat dissipation cannot be obtained as expected.
【0011】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、構造が簡素で小型化でき、かつ放熱
性および耐熱サイクル性等を改善した半導体モジュール
を提供することを目的としている。An object of the present invention is to provide a semiconductor module which has a simple structure, can be reduced in size, and has improved heat dissipation and heat cycle resistance. .
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体モジ
ュールは、請求項1に記載したように、不純物陽イオン
元素としてのLi,Na,K,Fe,Ca,Sr,B
a,Mn,Bを合計で1.0重量%以下、好ましくは
0.3重量%以下含有し、熱伝導率が60w/m・k以
上である高熱伝導性窒化けい素基板と、この高熱伝導性
窒化けい素基板に搭載された半導体素子と、この高熱伝
導性窒化けい素基板の半導体素子搭載面側に接合された
金属回路板と、上記高熱伝導性窒化けい素基板の半導体
素子非搭載面側に接合され、かつ機器ケーシングあるい
は実装ボードに接合される金属板とを具備することを特
徴としている。According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor module comprising Li, Na, K, Fe, Ca, Sr, and B as impurity cation elements.
a thermally conductive silicon nitride substrate containing a, Mn, and B in total of 1.0% by weight or less, preferably 0.3% by weight or less, and having a thermal conductivity of 60 w / mk or more; A semiconductor element mounted on a conductive silicon nitride substrate, a metal circuit board bonded to the semiconductor element mounting surface side of the high thermal conductive silicon nitride substrate, and a semiconductor element non-mounting surface of the high thermal conductive silicon nitride substrate. And a metal plate joined to the device casing or the mounting board.
【0013】また、本発明に係る半導体モジュールは、
他の表現で示すと請求項2に記載したように、窒化けい
素結晶相および粒界相から構成されるとともに粒界相中
における結晶化合物相の粒界相全体に対する割合が20
%以上、好ましくは50%以上である高熱伝導性窒化け
い素基板と、この高熱伝導性窒化けい素基板に搭載され
た半導体素子と、この高熱伝導性窒化けい素基板の半導
体素子搭載面側に接合された金属回路板と、上記高熱伝
導性窒化けい素基板の半導体素子非搭載面側に接合さ
れ、かつ機器ケーシングあるいは実装ボードに接合され
る金属板とを具備することを特徴としている。Further, the semiconductor module according to the present invention comprises:
In other words, as described in claim 2, it is composed of a silicon nitride crystal phase and a grain boundary phase, and the ratio of the crystalline compound phase in the grain boundary phase to the whole grain boundary phase is 20.
% Or more, preferably 50% or more, a high thermal conductive silicon nitride substrate, a semiconductor element mounted on the high thermal conductive silicon nitride substrate, and a semiconductor element mounting surface side of the high thermal conductive silicon nitride substrate. It is characterized by comprising a bonded metal circuit board, and a metal plate bonded to the non-semiconductor element mounting surface side of the high thermal conductive silicon nitride substrate and bonded to an equipment casing or a mounting board.
【0014】すなわち、高熱伝導性窒化けい素基板の半
導体素子非搭載面側と機器ケーシングあるいは実装ボー
ドとの間に、図1あるいは図3に示すようにヒートシン
クも含めひとつの金属板のみを介した半導体モジュール
であることを特徴としている。That is, as shown in FIG. 1 or 3, only one metal plate including a heat sink is interposed between the high thermal conductive silicon nitride substrate non-mounting surface of the silicon nitride substrate and the equipment casing or mounting board. It is a semiconductor module.
【0015】上述した本発明の半導体モジュールのより
好ましい形態としては、請求項3に記載したように、機
器ケーシングあるいは実装ボードに接合される金属板の
厚さが前記金属回路板の厚さ以下である形態、また請求
項4に記載したように、機器ケーシングあるいは実装ボ
ードに接合される金属板の厚さが前記金属回路板の厚さ
の2倍以上である形態が挙げられる。In a preferred embodiment of the semiconductor module according to the present invention, the thickness of the metal plate joined to the equipment casing or the mounting board is less than the thickness of the metal circuit board. In another embodiment, the thickness of the metal plate joined to the equipment casing or the mounting board is twice or more the thickness of the metal circuit board.
【0016】また本発明において使用する高熱伝導性窒
化けい素基板は、Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,
Cr,Mo,Wからなる群より選択される少なくとも1
種を酸化物に換算して0.1〜3.0重量%含有するこ
とが好ましい。このTi,Zr,Hf,V,Nb,T
a,Cr,Mo,Wから成る群より選択される少なくと
も1種は、酸化物、炭化物、窒化物、けい化物、硼化物
として窒化けい素粉末に添加することにより含有させる
ことができる。The high thermal conductive silicon nitride substrate used in the present invention is made of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta,
At least one selected from the group consisting of Cr, Mo, W
It is preferable to contain the seed in an amount of 0.1 to 3.0% by weight in terms of oxide. This Ti, Zr, Hf, V, Nb, T
At least one selected from the group consisting of a, Cr, Mo, and W can be contained as an oxide, carbide, nitride, silicide, or boride by being added to the silicon nitride powder.
【0017】ここで本発明で使用する高熱伝導性窒化け
い素基板の製造方法の一例としては、酸素を1.7重量
%以下、不純物陽イオン元素としてのLi,Na,K,
Fe,Ca,Sr,Ba,Mn,Bを合計で1.0重量
%以下、α相型窒化けい素を90重量%以上含有し、平
均粒径1.0μm以下の窒化けい素粉末に、希土類元素
を酸化物に換算して1.0〜17.5重量%以下添加し
た原料混合体を成形して成形体を調製し、得られた成形
体を脱脂後、温度1800〜2100℃で雰囲気加圧焼
結し、上記焼結温度から、上記希土類元素により焼結時
に形成された液相が凝固する温度までに至る焼結体の冷
却速度を毎時100℃以下にして徐冷することにより製
造することができる。Here, as an example of a method for producing a silicon nitride substrate having high thermal conductivity used in the present invention, oxygen is not more than 1.7% by weight, and Li, Na, K,
Fe, Ca, Sr, Ba, Mn, and B are 1.0% by weight or less in total, and 90% by weight or more of α-phase silicon nitride, and a rare earth element is added to silicon nitride powder having an average particle size of 1.0 μm or less. A raw material mixture containing 1.0 to 17.5% by weight or less of elements converted to oxides is molded to prepare a molded body, and the obtained molded body is degreased. It is manufactured by pressure sintering and gradually cooling the sintered body at a cooling rate of 100 ° C. or less per hour from the sintering temperature to a temperature at which a liquid phase formed during sintering by the rare earth element solidifies. be able to.
【0018】なお、上記希土類元素酸化物の含有範囲で
ある1.0〜17.5重量%は、数学的な表示として当
然のことであるが、含有量の下限値である1.0重量%
および上限値である17.5重量%を含むものである。The content range of the rare earth element oxide of 1.0 to 17.5% by weight is, of course, a mathematical expression, but the lower limit of the content is 1.0% by weight.
And an upper limit of 17.5% by weight.
【0019】上記製造方法によれば、窒化けい素結晶組
織中の粒界相における結晶化合物相の粒界相全体に対す
る割合が20%以上で、気孔率が2.5%以下、熱伝導
率が60W/m・K以上、三点曲げ強度が室温で650
MPa以上の機械的特性および熱伝導特性が共に優れた
窒化けい素基板が得られる。According to the above production method, the ratio of the crystal compound phase to the entire grain boundary phase in the grain boundary phase in the silicon nitride crystal structure is 20% or more, the porosity is 2.5% or less, and the thermal conductivity is 2.5% or less. 60W / mK or more, three-point bending strength of 650 at room temperature
A silicon nitride substrate having excellent mechanical properties and thermal conductivity properties of not less than MPa can be obtained.
【0020】本発明に係る半導体モジュールは、上記の
ように製造した高熱伝導性窒化けい素基板の表面および
裏面に、前記直接接合法や活性金属法を用いて導電性を
有する金属回路板および金属板をそれぞれ一体に接合し
て製造される。The semiconductor module according to the present invention comprises a metal circuit board and a metal having conductivity on the front and back surfaces of the high thermal conductive silicon nitride substrate manufactured as described above by using the direct bonding method or the active metal method. It is manufactured by bonding the plates together.
【0021】このようにして本発明の半導体モジュール
においては、セラミックス基板として、窒化けい素焼結
体が本来的に有する高強度高靭性特性に加えて特に熱伝
導率を大幅に改善した高熱伝導性窒化けい素基板を使用
しているため、熱サイクルや組立て時の衝撃力によって
基板に割れが発生することが少なく、さらには放熱性や
構造強度を高めるための裏銅板(裏金属板)とヒートシ
ンク板との両方は必要としない構造とすることができ
る。したがって、半導体モジュールの構造が簡素化され
て製造コストが大幅に低減されるとともに、小型化でき
高密度実装も可能となる。As described above, in the semiconductor module of the present invention, in addition to the high strength and toughness characteristics inherently possessed by the silicon nitride sintered body, in particular, the high thermal conductivity nitride having significantly improved thermal conductivity is used as the ceramic substrate. Since a silicon substrate is used, the substrate is unlikely to crack due to thermal cycling or the impact force during assembly, and furthermore, a back copper plate (back metal plate) and a heat sink plate to enhance heat dissipation and structural strength Both can be a structure that is not required. Therefore, the structure of the semiconductor module is simplified, the manufacturing cost is greatly reduced, and the semiconductor module can be downsized and high-density mounting is possible.
【0022】また、基板に搭載する半導体素子等の発熱
部品からの発熱は、高熱伝導性窒化けい素基板を経て迅
速に系外に伝達されるため放熱性が極めて良好である。
また、高強度高靭性である窒化けい素基板を使用してい
るため、モジュールの最大たわみ量を大きく確保するこ
とができる。そのため、アッセンブリ工程においてモジ
ュールの締め付け割れが発生せず、半導体モジュールを
用いた半導体装置を高い製造歩留りで安価に量産するこ
とが可能になる。Further, heat generated from a heat-generating component such as a semiconductor element mounted on the substrate is quickly transmitted to the outside of the system through the high thermal conductivity silicon nitride substrate, so that heat radiation is extremely good.
In addition, since a silicon nitride substrate having high strength and high toughness is used, a large maximum deflection of the module can be ensured. Therefore, no module fastening cracks occur in the assembly process, and it is possible to mass-produce semiconductor devices using the semiconductor modules at a high production yield and at low cost.
【0023】さらに高い熱伝導率を有する窒化けい素基
板を使用しているため、高出力化および高集積化を指向
する半導体素子を搭載した場合においても、熱抵抗特性
の劣化が少なく、優れた放熱性を発揮する。Since a silicon nitride substrate having a higher thermal conductivity is used, even when a semiconductor element for high output and high integration is mounted, deterioration of thermal resistance characteristics is small and excellent. Exhibits heat dissipation.
【0024】特に高熱伝導性窒化けい素基板自体の機械
的強度が優れているため、要求される機械的強度特性を
一定とした場合に、他のセラミックス基板を使用した場
合と比較して基板厚さをより低減することが可能とな
る。この基板厚さを低減できることから熱抵抗値をより
小さくでき、放熱特性をさらに改善することができる。
また要求される機械的特性に対して、従来より薄い基板
でも充分に対応可能となるため、基板の製造コストをよ
り低減することが可能となる。In particular, since the mechanical strength of the silicon nitride substrate itself having a high thermal conductivity is excellent, when the required mechanical strength characteristics are fixed, the thickness of the substrate is larger than when other ceramic substrates are used. It is possible to further reduce the size. Since the substrate thickness can be reduced, the thermal resistance value can be further reduced, and the heat radiation characteristics can be further improved.
Further, since the required mechanical characteristics can be sufficiently coped with even a thinner substrate than before, it is possible to further reduce the manufacturing cost of the substrate.
【0025】また従来の高熱伝導性窒化アルミニウム基
板のみを回路基板の構成材とした場合には、ある程度の
機械的強度を確保するために窒化アルミニウム基板の厚
さを大きく設定する必要があった。しかるに本発明の半
導体モジュールでは、主として厚さが薄い高熱伝導性窒
化けい素基板によって高い放熱性を確保すると同時に高
強度特性を確保している。そのため、モジュール全体を
コンパクトに形成することができる。When only the conventional high thermal conductive aluminum nitride substrate is used as a component of the circuit board, it is necessary to increase the thickness of the aluminum nitride substrate in order to secure a certain level of mechanical strength. However, in the semiconductor module of the present invention, high heat dissipation is ensured at the same time as high heat dissipation is achieved by the high thermal conductivity silicon nitride substrate having a small thickness. Therefore, the whole module can be formed compactly.
【0026】[0026]
【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について、
以下に示す実施例および添付図面を参照して具体的に説
明する。まず本発明において使用する高熱伝導性窒化け
い素基板について述べ、しかる後に、この高熱伝導性窒
化けい素基板をセラミックス基板として使用した半導体
モジュールについて説明する。Next, an embodiment of the present invention will be described.
A specific description will be given with reference to the following embodiments and the accompanying drawings. First, a high thermal conductive silicon nitride substrate used in the present invention will be described, and then a semiconductor module using the high thermal conductive silicon nitride substrate as a ceramic substrate will be described.
【0027】まず本発明の半導体モジュールの構成材と
なる各種高熱伝導性窒化けい素基板を以下の手順で製造
した。First, various high thermal conductive silicon nitride substrates to be used as components of the semiconductor module of the present invention were manufactured by the following procedure.
【0028】すなわち、酸素を1.3重量%、前記不純
物陽イオン元素を合計で0.15重量%含有し、α相型
窒化けい素97%を含む平均粒径0.55μmの窒化け
い素原料粉末に対して、表1〜3に示すように、焼結助
剤としてのY2 O3 ,Ho2O3 などの希土類酸化物
と、必要に応じてTi,Hf化合物,Al2 O3 粉末,
AlN粉末とを添加し、エチルアルコール中で窒化けい
素製ボールを用いて72時間湿式混合した後に乾燥して
原料粉末混合体をそれぞれ調整した。次に得られた各原
料粉末混合体に有機バインダを所定量添加して均一に混
合した後に、1000kg/cm2 の成形圧力でプレス成形
し、各種組成を有する成形体を多数製作した。That is, a silicon nitride raw material containing 1.3% by weight of oxygen and a total of 0.15% by weight of the impurity cation element and containing 97% of α-phase silicon nitride and having an average particle size of 0.55 μm. As shown in Tables 1 to 3, as shown in Tables 1 to 3 , rare earth oxides such as Y 2 O 3 and Ho 2 O 3 as sintering aids, and Ti, Hf compounds, and Al 2 O 3 powders as needed. ,
AlN powder was added, and the mixture was wet-mixed in ethyl alcohol using a silicon nitride ball for 72 hours, and then dried to prepare raw material powder mixtures. Next, a predetermined amount of an organic binder was added to each of the obtained raw material powder mixtures and uniformly mixed, followed by press molding at a molding pressure of 1000 kg / cm 2 to produce a large number of molded bodies having various compositions.
【0029】次に得られた各成形体を700℃の雰囲気
ガス中において2時間脱脂した後に、この脱脂体を表1
〜3に示す焼結条件で緻密化焼結を実施した後に、焼結
炉に付設した加熱装置への通電量を制御して焼結炉内温
度が1500℃まで降下するまでの間における焼結体の
冷却速度がそれぞれ表1〜3に示す値となるように調整
して焼結体を冷却し、それぞれ試料1〜51に係る窒化
けい素焼結体を調製した。さらに得られた焼結体を切断
して厚さが0.5mmの所定形状の高熱伝導性窒化けい素
基板とした。Next, each of the obtained compacts was degreased in an atmosphere gas at 700 ° C. for 2 hours.
After the densification sintering is performed under the sintering conditions shown in (1) to (3), sintering is performed until the temperature in the sintering furnace falls to 1500 ° C. by controlling the amount of electricity to a heating device attached to the sintering furnace. The sintered bodies were cooled by adjusting the cooling rates of the bodies so as to be the values shown in Tables 1 to 3, respectively, to prepare silicon nitride sintered bodies according to Samples 1 to 51, respectively. Further, the obtained sintered body was cut to obtain a high thermal conductive silicon nitride substrate having a predetermined shape and a thickness of 0.5 mm.
【0030】こうして得た試料1〜51に係る各窒化け
い素基板について気孔率、熱伝導率(25℃)、室温で
の三点曲げ強度の平均値を測定した。さらに、各窒化け
い素基板についてX線回折法によって粒界相に占める結
晶相の割合を測定し、下記表1〜3に示す結果を得た。The average values of the porosity, the thermal conductivity (25 ° C.), and the three-point bending strength at room temperature of each of the silicon nitride substrates according to Samples 1 to 51 thus obtained were measured. Furthermore, the ratio of the crystal phase to the grain boundary phase was measured by X-ray diffraction for each silicon nitride substrate, and the results shown in Tables 1 to 3 below were obtained.
【0031】[0031]
【表1】 [Table 1]
【0032】[0032]
【表2】 [Table 2]
【0033】[0033]
【表3】 [Table 3]
【0034】表1〜3に示す結果から明らかなように試
料1〜51に係る窒化けい素焼結体においては、原料組
成および不純物量を適正に制御し、従来例と比較して緻
密化焼結完了直後における焼結体の冷却速度を従来より
低く設定しているため、粒界相に結晶相を含み、結晶相
の占める割合が高い程、高熱伝導率を有する放熱性の高
い高強度窒化けい素基板が得られた。As is clear from the results shown in Tables 1 to 3, in the silicon nitride sintered bodies according to Samples 1 to 51, the raw material composition and the amount of impurities were appropriately controlled, and the densified sintering was performed as compared with the conventional example. Since the cooling rate of the sintered compact immediately after completion is set lower than before, the crystal phase is included in the grain boundary phase, and the higher the proportion of the crystal phase, the higher the heat conductivity and the higher the strength of the silicon nitride. An elementary substrate was obtained.
【0035】これに対して酸素を1.3〜1.5重量
%,前記不純物陽イオン元素を合計で0.13〜1.5
0重量%含有し、α相型窒化けい素を93%含む平均粒
径0.60μmの窒化けい素原料粉末を用い、この窒化
けい素粉末に対してY2 O3 (酸化イットリウム)粉末
を3〜6重量と、アルミナ粉末を1.3〜1.6重量%
添加した原料粉末を成形,脱脂後、1900℃で6時間
焼結し、焼結後、工業上通常行われる炉冷(冷却速度:
毎時400℃)を行った。得られた焼結体の熱伝導率は
25〜28W/m・Kと低く、従来の一般的な製法によ
って製造された窒化けい素焼結体の熱伝導率に近い値と
なった。On the other hand, 1.3 to 1.5% by weight of oxygen and 0.13 to 1.5%
A raw material powder having an average particle size of 0.60 μm containing 0% by weight and containing 93% of α-phase type silicon nitride was used, and Y 2 O 3 (yttrium oxide) powder was added to the silicon nitride powder in an amount of 3%. To 6% by weight and 1.3 to 1.6% by weight of alumina powder
After shaping and degreasing the added raw material powder, sintering is performed at 1900 ° C. for 6 hours, and after sintering, furnace cooling (cooling rate:
(400 ° C. per hour). The thermal conductivity of the obtained sintered body was as low as 25 to 28 W / m · K, which was close to the thermal conductivity of a silicon nitride sintered body manufactured by a conventional general manufacturing method.
【0036】次に得られた試料1〜51に係る厚さ0.
5mmの高熱伝導性窒化けい素基板の両面に、直接接合法
または活性金属法を用いて金属回路板および金属板を一
体に接合することにより、それぞれ半導体モジュールを
製造した。Next, the thickness of each of the obtained samples 1 to 51 was set to 0.1.
A semiconductor module was manufactured by integrally joining a metal circuit board and a metal plate to both sides of a 5-mm high thermal conductivity silicon nitride substrate using a direct joining method or an active metal method.
【0037】図1は、本発明の一実施例による半導体モ
ジュール1aの構造を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a semiconductor module 1a according to one embodiment of the present invention.
【0038】図1において、高熱伝導性窒化けい素基板
10の表面には金属回路板としての銅板3が一体に接合
されており、また高熱伝導性窒化けい素基板10の裏面
には金属板として銅板4aが接合されており、これらに
より半導体モジュール1aが構成されている。In FIG. 1, a copper plate 3 as a metal circuit board is integrally joined to the surface of the high thermal conductive silicon nitride substrate 10, and a metal plate is mounted on the back surface of the high thermal conductive silicon nitride substrate 10. The copper plate 4a is joined, and these constitute the semiconductor module 1a.
【0039】また、図1に示す半導体モジュール1aに
おける銅板3,4aは、高熱伝導性窒化けい素基板10
に対して直接接合法、いわゆるDBC法により接合され
ている。このようなDBC法を利用する場合の銅板3,
4aとしては、タフピッチ銅のような酸素を100〜3
000ppm の割合で含有する銅を用いることが好ましい
が、表面を酸化させた無酸素銅を用いることも可能であ
る。なお、銅や銅合金の単板に代えて、高熱伝導性窒化
けい素基板10との接合面が少なくとも銅により構成さ
れている他の金属部材とのクラッド板等を用いることも
できる。The copper plates 3 and 4a of the semiconductor module 1a shown in FIG.
Are directly joined by a so-called DBC method. The copper plate 3 when such a DBC method is used,
As 4a, 100 to 3 oxygen such as tough pitch copper is used.
It is preferable to use copper containing 000 ppm, but it is also possible to use oxygen-free copper whose surface is oxidized. Instead of a single plate of copper or a copper alloy, a clad plate with another metal member having at least a joining surface with the high thermal conductive silicon nitride substrate 10 made of copper can be used.
【0040】高熱伝導性窒化けい素基板10の表面側に
接合された銅板3は、半導体部品等の実装部となるもの
であり、所望の回路形状にパターニングされている。銅
板3の所定位置には半導体素子7が半田接合されてお
り、半導体素子7の電極部と銅板3の電極部とはボンデ
ィングワイヤ8によって電気的に接続されている。ま
た、高熱伝導性窒化けい素基板10の裏面側に接合され
た銅板4aは、接合時における高熱伝導性窒化けい素基
板10の反り等を防止するものであり、中央付近から2
分割された状態でほぼ高熱伝導性窒化けい素基板10の
裏面全面に接合、形成されている。図1に示すように、
裏面側の銅板4aの厚さt1 は、半導体部品等の実装部
となる金属回路板としての銅板3と同じ厚さのものを使
用してもよいが、銅板3の厚さt0 以下、さらに銅板3
の厚さt0 の70〜90%の厚さの銅板を使用すること
が好ましい。The copper plate 3 bonded to the surface of the high thermal conductive silicon nitride substrate 10 is to be a mounting portion for semiconductor components and the like, and is patterned into a desired circuit shape. A semiconductor element 7 is soldered to a predetermined position of the copper plate 3, and an electrode portion of the semiconductor element 7 is electrically connected to an electrode portion of the copper plate 3 by a bonding wire 8. The copper plate 4a bonded to the back surface of the high thermal conductive silicon nitride substrate 10 prevents warpage of the high thermal conductive silicon nitride substrate 10 at the time of bonding, and is 2 か ら from the vicinity of the center.
In the divided state, it is bonded and formed on the entire back surface of the silicon nitride substrate 10 having high thermal conductivity. As shown in FIG.
The thickness t 1 of the rear surface side of the copper plate 4a may be used having the same thickness as the copper plate 3 as a metal circuit plate with a mounting portion such as a semiconductor component, but the thickness of the copper plate 3 t 0 less, Further copper plate 3
It is preferable to the 70-90% of the thickness copper sheet having a thickness of t 0 used.
【0041】一方、高熱伝導性窒化けい素基板10の裏
面に接合する金属板4bに、放熱性を改善するヒートシ
ンク板としての機能を付与する場合においては、図3に
示すように、機器ケーシング9あるいは実装ボードに接
合される金属板4bの厚さt2 を前記金属回路板の厚さ
t0 の2倍以上とすることが好ましい。上記高熱伝導性
窒化けい素基板10の裏面側に接合する金属板4bの厚
さt2 を、金属回路板3の厚さt0 の2倍以上とするこ
とにより、この金属板がヒートシンクとしての機能を果
たすため、半導体モジュールの放熱性をより改善するこ
とが可能となる(この場合、見方を変えれば、裏金属板
を用いずに高熱伝導性窒化けい素基板10に直接ヒート
シンクを接合した構造と言うこともできる)。On the other hand, when the metal plate 4b to be bonded to the back surface of the high thermal conductive silicon nitride substrate 10 is given a function as a heat sink plate for improving heat dissipation, as shown in FIG. Alternatively it is preferable that the thickness t 2 of the metal plate 4b is joined to the mounting board at least twice the thickness t 0 of the metal circuit plate. By setting the thickness t 2 of the metal plate 4b to be bonded to the back side of the high thermal conductive silicon nitride substrate 10 to be at least twice the thickness t 0 of the metal circuit board 3, this metal plate can serve as a heat sink. In order to fulfill the function, it is possible to further improve the heat dissipation of the semiconductor module (in this case, from a different point of view, a structure in which a heat sink is directly joined to the high thermal conductive silicon nitride substrate 10 without using a back metal plate) You can also say).
【0042】ここで、図1に示した半導体モジュール1
aは、高熱伝導性窒化けい素基板10に銅板3,4aを
DBC法により接合したものであるが、例えば銅板3,
4aを活性金属含有層を介して高熱伝導性窒化けい素基
板10に接合した半導体モジュールであってもよい。上
記活性金属含有層は、Ti、Zr、Hf、Nb等から選
ばれた少なくとも1種の活性金属を含むろう材(以下、
活性金属含有ろう材と記す)層である。用いる活性金属
含有ろう材の組成としては、例えばAg−Cuの共晶組
成(72wt%Ag−28wt%Cu)もしくはその近傍組
成のAg−Cu系ろう材やCu系ろう材を主体とし、こ
れに1〜10重量%のTi、Zr、Hf、Nb等から選
ばれた少なくとも1種の活性金属を添加した組成等が例
示される。なお、活性金属含有ろう材にInを1〜10
重量%添加して用いることもできる。Here, the semiconductor module 1 shown in FIG.
a is obtained by bonding the copper plates 3 and 4a to the high thermal conductive silicon nitride substrate 10 by the DBC method.
The semiconductor module may be a semiconductor module in which 4a is bonded to a high thermal conductive silicon nitride substrate 10 via an active metal-containing layer. The active metal-containing layer is formed of a brazing material containing at least one active metal selected from Ti, Zr, Hf, Nb, and the like (hereinafter, referred to as a brazing material).
Active metal-containing brazing material) layer. As the composition of the active metal-containing brazing material to be used, for example, an Ag-Cu eutectic composition (72 wt% Ag-28 wt% Cu) or a Ag-Cu-based brazing material or a Cu-based brazing material having a composition in the vicinity thereof is mainly used. Examples of the composition include 1 to 10% by weight of at least one active metal selected from Ti, Zr, Hf, Nb and the like. In addition, 1 to 10 In is added to the active metal-containing brazing material.
% By weight.
【0043】図1に示した半導体モジュール1aのよう
に、銅板3,4aを高熱伝導性窒化けい素基板10にD
BC法で接合したものは、単純構造で高接合強度が得ら
れ、また製造工程を簡易化できる等の利点を有する。一
方、銅板3,4aを高熱伝導性窒化けい素基板10に活
性金属法で接合した半導体モジュールは、高接合強度が
得られると共に、活性金属含有ろう材層が応力緩和層と
しても機能するため、より信頼性の向上が図れる。この
ようなことから、要求特性や用途等に応じて接合法を選
択することが好ましい。As in the semiconductor module 1a shown in FIG. 1, the copper plates 3 and 4a are
The one joined by the BC method has advantages that a simple structure, high joining strength can be obtained, and the manufacturing process can be simplified. On the other hand, a semiconductor module in which the copper plates 3 and 4a are bonded to the high thermal conductive silicon nitride substrate 10 by the active metal method has high bonding strength and the active metal-containing brazing material layer also functions as a stress relaxation layer. Reliability can be further improved. For this reason, it is preferable to select a joining method according to required characteristics, applications, and the like.
【0044】また、活性金属法により高熱伝導性窒化け
い素基板10に金属回路板および金属板を接合する場合
には、銅板に限らず、用途に応じて各種の金属板、例え
ばニッケル板、タングステン板、モリブデン板、これら
の合金板やクラッド板(銅板とのクラッド板を含む)等
を用いることも可能である。When a metal circuit board and a metal plate are joined to the high thermal conductive silicon nitride substrate 10 by the active metal method, not only a copper plate but also various metal plates such as a nickel plate and a tungsten It is also possible to use a plate, a molybdenum plate, an alloy plate thereof, a clad plate (including a clad plate with a copper plate) and the like.
【0045】また、図1に示した半導体モジュール1a
は、窒化けい素基板10の外縁部に形成した取付ねじ用
貫通孔11に取付ねじ6aを挿通して機器ケーシング9
等に締着固定される。しかしながら、窒化けい素焼結体
は硬度が高く孔明け加工が容易ではない。そこで製造工
程を簡略化するために、例えば図2に示すように、取付
ねじ用貫通孔11aを形成した枠状のケース12を用意
し、このケース12の内周縁部を半導体モジュールの外
周縁部に押圧し、取付ねじ6bによってモジュールを機
器ケーシング9等に圧接して固定することも可能であ
る。The semiconductor module 1a shown in FIG.
Is inserted through the mounting screw through hole 11 formed in the outer edge of the silicon nitride substrate 10 so that the mounting screw 6a is inserted into the equipment casing 9.
Etc. However, silicon nitride sintered bodies have high hardness and are not easily drilled. Therefore, in order to simplify the manufacturing process, for example, as shown in FIG. 2, a frame-shaped case 12 in which a through hole 11a for a mounting screw is formed is prepared. , And the module can be pressed and fixed to the equipment casing 9 or the like by the mounting screw 6b.
【0046】次に、実施例の具体例およびその評価結果
について述べる。Next, specific examples of the embodiment and evaluation results thereof will be described.
【0047】実施例1 まず、高熱伝導性窒化けい素基板として、前記試料1〜
51に係る窒化けい素基板を採用し、空気中で酸化する
ことにより、表面に厚さ4μm酸化物層(SiO2 層)
を有する厚さ0.5mmの高熱伝導性窒化けい素基板10
を用意すると共に、プレス加工により形成した、タフピ
ッチ銅(酸素含有量:300ppm )からなる所定形状の
厚さ0.3mmの金属回路板としての銅板3および厚さ
0.25mmの金属板としての銅板4aを用意した。 Example 1 First, samples 1 to 3 were used as high thermal conductive silicon nitride substrates.
A silicon nitride substrate according to No. 51 was oxidized in the air to form a 4 μm thick oxide layer (SiO 2 layer) on the surface.
Thermally conductive silicon nitride substrate 10 having a thickness of 0.5 mm
And a copper plate 3 as a 0.3 mm thick metal circuit board and a 0.25 mm thick metal plate made of tough pitch copper (oxygen content: 300 ppm) formed by pressing. 4a was prepared.
【0048】そして、図1に示したように、高熱伝導性
窒化けい素基板10の両面に2枚の銅板3,4aをそれ
ぞれ直接接触配置し、窒素ガス雰囲気中にて1348K
の条件で加熱して接合させ、さらに半導体素子7を銅板
3上に半田接合し、ワイヤボンディングを施して目的と
する半導体モジュール1aを得た。Then, as shown in FIG. 1, two copper plates 3 and 4a are respectively disposed in direct contact with both sides of the high thermal conductive silicon nitride substrate 10 and are placed in a nitrogen gas atmosphere at 1348K.
The semiconductor element 7 was soldered on the copper plate 3 and wire-bonded to obtain the desired semiconductor module 1a.
【0049】一方、比較例として、上記高熱伝導性窒化
けい素基板10に代えて、厚さ0.6mmの窒化アルミニ
ウム基板を使用した点以外は、実施例1と同様に処理し
て比較例に係る半導体モジュールを製造した。On the other hand, as a comparative example, a processing was performed in the same manner as in Example 1 except that an aluminum nitride substrate having a thickness of 0.6 mm was used instead of the high thermal conductive silicon nitride substrate 10. Such a semiconductor module was manufactured.
【0050】このようにして得た実施例1に係る半導体
モジュール1aおよび比較例の半導体モジュールに対し
て熱サイクル試験(TCT:233K×30分+RT×
10分+398K×30分を1サイクルとする)を施
し、セラミックス基板における割れの発生割合を測定し
た。その結果、実施例1の半導体モジュールは、100
サイクルのTCT後においてもクラックが発生しなかっ
たのに対して、比較例による半導体モジュールは100
サイクルでセラミックス基板の5〜9%にクラックが生
じた。A thermal cycle test (TCT: 233 K × 30 minutes + RT ×) was performed on the semiconductor module 1 a according to Example 1 and the semiconductor module of Comparative Example thus obtained.
(10 minutes + 398K x 30 minutes is defined as one cycle)), and the rate of occurrence of cracks in the ceramic substrate was measured. As a result, the semiconductor module of Example 1
No crack occurred even after the TCT of the cycle, whereas the semiconductor module according to the comparative example had 100 cracks.
In the cycle, cracks occurred in 5 to 9% of the ceramic substrate.
【0051】実施例2 高熱伝導性窒化けい素基板として、試料1〜51に係る
厚さ0.5mmの高熱伝導性窒化けい素基板10を用意す
ると共に、実施例1と同一形状であり、プレス加工によ
り形成した所定形状の厚さ0.3mmの銅板3,4と厚さ
0.25mmの銅板5とを用意した。 Example 2 A high thermal conductive silicon nitride substrate 10 having a thickness of 0.5 mm according to samples 1 to 51 was prepared as a high thermal conductive silicon nitride substrate. A copper plate 3, 4 having a thickness of 0.3 mm and a copper plate 5 having a thickness of 0.25 mm formed by processing were prepared.
【0052】そして、高熱伝導性窒化けい素基板10の
両面に、In:Ag:Cu:Ti=14.0:59.
0:23.0:4.0組成の活性金属含有ろう材をペー
スト化したものを塗布し、この塗布層を介して銅板3,
4aを積層配置した後、窒素ガス雰囲気中にて加熱して
接合させ、さらに半導体素子7を銅板3上に半田接合
し、ワイヤボンディングを施して目的とする半導体モジ
ュールを得た。Then, on both surfaces of the high thermal conductive silicon nitride substrate 10, In: Ag: Cu: Ti = 14.0: 59.
An active metal-containing brazing material having a composition of 0: 23.0: 4.0 is applied as a paste, and the copper plate 3
After laminating 4a, bonding was performed by heating in a nitrogen gas atmosphere, and further, the semiconductor element 7 was solder-bonded to the copper plate 3 and subjected to wire bonding to obtain a target semiconductor module.
【0053】このようにして得た半導体モジュールに対
して熱サイクル試験を実施例1と同一条件下で実施した
ところ、実施例1と同様な良好な結果が得られ、冷熱サ
イクルに対する信頼性に優れることを確認した。When the semiconductor module thus obtained was subjected to a thermal cycle test under the same conditions as in Example 1, the same good results as in Example 1 were obtained, and the semiconductor module was excellent in reliability against thermal cycles. It was confirmed.
【0054】実施例3 まず、高熱伝導性窒化けい素基板として、前記試料1〜
51に係る窒化けい素基板を採用し、空気中で酸化する
ことにより、表面に厚さ4μm酸化物層(SiO2 層)
を有する厚さ0.5mmの高熱伝導性窒化けい素基板10
を用意すると共に、プレス加工により形成した、タフピ
ッチ銅(酸素含有量:300ppm )からなる所定形状の
厚さ0.3mmの銅板3および厚さ0.6mmの銅板4bを
用意した。 Example 3 First, samples 1 to 3 were used as high thermal conductive silicon nitride substrates.
A silicon nitride substrate according to No. 51 was oxidized in the air to form a 4 μm thick oxide layer (SiO 2 layer) on the surface.
Thermally conductive silicon nitride substrate 10 having a thickness of 0.5 mm
In addition, a 0.3 mm thick copper plate 3 and a 0.6 mm thick copper plate 4b made of tough pitch copper (oxygen content: 300 ppm) formed by press working were prepared.
【0055】そして、図3に示すように、高熱伝導性窒
化けい素基板10の両面に2枚の銅板3,4bをそれぞ
れ直接接触配置し、窒素ガス雰囲気中にて1348Kの
条件で加熱して接合させ、さらに半導体素子7を銅板3
上に半田接合し、ワイヤボンデイグを施し、目的とする
半導体モジュールを得た。Then, as shown in FIG. 3, two copper plates 3 and 4b are placed in direct contact with both surfaces of the high thermal conductive silicon nitride substrate 10 and are heated at 1348 K in a nitrogen gas atmosphere. And bonding the semiconductor element 7 to the copper plate 3
The above was solder-bonded and subjected to wire bonding to obtain a target semiconductor module.
【0056】一方、比較例として、上記高熱伝導性窒化
けい素基板10に代えて、厚さ0.6mmの窒化アルミニ
ウム基板2a,2bを使用した点以外は、実施例3と同
様に処理して比較例に係る半導体モジュールを製造し
た。On the other hand, as a comparative example, processing was performed in the same manner as in Example 3 except that the aluminum nitride substrates 2a and 2b having a thickness of 0.6 mm were used instead of the high thermal conductive silicon nitride substrate 10. A semiconductor module according to a comparative example was manufactured.
【0057】このようにして得た実施例3に係る半導体
モジュールおよび比較例の半導体モジュールに対して熱
サイクル試験(TCT:233K×30分+RT×10
分+398K×30分を1サイクルとする)を施し、セ
ラミックス基板における割れの発生割合を測定した。そ
の結果、実施例3の半導体モジュール1bは、100サ
イクルのTCT後においてもクラックが発生しなかった
のに対して、比較例による半導体モジュールは100サ
イクルでセラミックス基板の4〜7%にクラックが生じ
た。A thermal cycle test (TCT: 233 K × 30 minutes + RT × 10) was performed on the semiconductor module of Example 3 and the semiconductor module of Comparative Example obtained in this manner.
Min + 398K x 30 min as one cycle), and the rate of occurrence of cracks in the ceramic substrate was measured. As a result, the semiconductor module 1b of Example 3 did not crack even after 100 cycles of TCT, whereas the semiconductor module of the comparative example cracked 4 to 7% of the ceramic substrate in 100 cycles. Was.
【0058】実施例4 高熱伝導性窒化けい素基板として、試料1〜51に係る
厚さ0.5mmの高熱伝導性窒化けい素基板10を用意す
ると共に、実施例3と同一形状であり、プレス加工によ
り形成した所定形状の厚さ0.3mmの銅板3と厚さ0.
6mmの銅板4bとを用意した。 Example 4 A high thermal conductive silicon nitride substrate 10 having a thickness of 0.5 mm according to samples 1 to 51 was prepared as a high thermal conductive silicon nitride substrate. A 0.3 mm thick copper plate 3 having a predetermined shape formed by processing and a thickness of 0.3 mm.
A 6 mm copper plate 4b was prepared.
【0059】そして、高熱伝導性窒化けい素基板10の
両面に、In:Ag:Cu:Ti=14.0:59.
0:23.0:4.0組成の活性金属含有ろう材をペー
スト化したものを塗布し、この塗布層を介して銅板3,
4bを積層配置した後、窒素ガス雰囲気中にて加熱して
接合させ、さらに半導体素子7を銅板3上に半田接合
し、ワイヤボンディングを施して目的とする半導体モジ
ュールを得た。Then, on both surfaces of the high thermal conductive silicon nitride substrate 10, In: Ag: Cu: Ti = 14.0: 59.
An active metal-containing brazing material having a composition of 0: 23.0: 4.0 is applied as a paste, and the copper plate 3
After laminating 4b, bonding was performed by heating in a nitrogen gas atmosphere, and further, the semiconductor element 7 was solder-bonded on the copper plate 3 and wire-bonded to obtain a target semiconductor module.
【0060】このようにして得た半導体モジュールに対
して熱サイクル試験を実施例3と同一条件下で実施した
ところ、実施例3と同様な良好な結果が得られ、冷熱サ
イクルに対する信頼性に優れることを確認した。When a thermal cycle test was performed on the semiconductor module obtained in this manner under the same conditions as in Example 3, the same good results as in Example 3 were obtained, and the reliability of the thermal cycle was excellent. It was confirmed.
【0061】また上記各実施例に係る半導体モジュール
によれば、窒化けい素焼結体が本来的に有する高強度高
靭性特性に加えて特に熱伝導率を大幅に改善した高熱伝
導性窒化けい素基板10を使用している。したがって、
裏銅板(裏金属板)とヒートシンク板との両方は必要と
せず、いずれか一方で足りることとなり、モジュールの
構造が簡素化されて製造コストが大幅に削減される。ま
た基板に搭載する半導体素子7等の発熱部品からの発熱
は熱伝導率が高い窒化けい素基板10を経て迅速に系外
に伝達されるため放熱性が極めて良好である。Further, according to the semiconductor module according to each of the above embodiments, in addition to the high strength and high toughness characteristics inherently possessed by the silicon nitride sintered body, the high thermal conductivity silicon nitride substrate, in particular, the thermal conductivity is greatly improved. 10 is used. Therefore,
Both the back copper plate (back metal plate) and the heat sink plate are not required, and only one of them is sufficient, and the structure of the module is simplified, and the manufacturing cost is greatly reduced. Further, heat generated from heat-generating components such as the semiconductor element 7 mounted on the substrate is quickly transmitted to the outside of the system via the silicon nitride substrate 10 having high thermal conductivity, so that heat dissipation is extremely good.
【0062】また、高強度高靭性である高熱伝導率窒化
けい素基板10を使用しているため、モジュールの最大
たわみ量を大きく確保することができる。そのため、ア
ッセンブリ工程においてモジュールを機器ケーシング9
に取付ねじ6aによって固定した場合においても、締め
付け割れが発生しない。Since the silicon nitride substrate 10 having high strength and high toughness and high thermal conductivity is used, a large maximum deflection of the module can be ensured. Therefore, in the assembly process, the module is connected to the equipment casing 9.
Even when it is fixed by the mounting screw 6a, no tightening crack occurs.
【0063】また高熱伝導性窒化けい素基板10の靭性
値が高いため、熱サイクルによって基板10と金属回路
板や金属板4a,4bとの接合部に割れが発生すること
が少なく、耐熱サイクル特性が著しく向上し、耐久性お
よび信頼性に優れた半導体モジュールを提供することが
できる。Since the high thermal conductivity silicon nitride substrate 10 has a high toughness value, cracks are less likely to occur in the junction between the substrate 10 and the metal circuit board or the metal plates 4a and 4b due to thermal cycling. Is significantly improved, and a semiconductor module excellent in durability and reliability can be provided.
【0064】[0064]
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る半導
体モジュールによれば、窒化けい素焼結体が本来的に有
する高強度高靭性特性に加えて特に熱伝導率を大幅に改
善した高熱伝導性窒化けい素基板を使用しているため、
熱サイクルや組立て時の衝撃力によって基板に割れが発
生することが少なく、裏銅板(裏金属板)と放熱性や構
造強度を高めるためのヒートシンク板との両方は必要と
しない。したがって、半導体モジュールの構造が簡素化
されて製造コストが大幅に低減されるとともに、小型化
でき高密度実装も可能となる。As described above, according to the semiconductor module of the present invention, in addition to the high strength and high toughness characteristics inherently possessed by the silicon nitride sintered body, in particular, the high thermal conductivity significantly improved the thermal conductivity. Using a silicon nitride substrate
The substrate is less likely to crack due to thermal cycling or impact force during assembly, and does not require both a back copper plate (back metal plate) and a heat sink plate for improving heat dissipation and structural strength. Therefore, the structure of the semiconductor module is simplified, the manufacturing cost is greatly reduced, and the semiconductor module can be downsized and high-density mounting is possible.
【0065】また基板に搭載する半導体素子等の発熱部
品からの発熱は、高熱伝導性窒化けい素基板を経て迅速
に系外に伝達されるため放熱性が極めて良好である。ま
た、高強度高靭性である窒化けい素基板を使用している
ため、モジュールの最大たわみ量を大きく確保すること
ができる。そのため、アッセンブリ工程においてモジュ
ールの締め付け割れが発生しない。Further, heat generated from a heat-generating component such as a semiconductor element mounted on the substrate is quickly transmitted to the outside of the system through the high thermal conductivity silicon nitride substrate, so that heat radiation is extremely good. In addition, since a silicon nitride substrate having high strength and high toughness is used, a large maximum deflection of the module can be ensured. Therefore, the module does not crack in the assembly process.
【図1】本発明の一実施例に係る半導体モジュールの構
造を示す断面図。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a semiconductor module according to one embodiment of the present invention.
【図2】本発明の他の実施例に係る半導体モジュールの
断面図。FIG. 2 is a sectional view of a semiconductor module according to another embodiment of the present invention.
【図3】本発明の他の実施例に係る半導体モジュールの
断面図。FIG. 3 is a sectional view of a semiconductor module according to another embodiment of the present invention.
【図4】従来の半導体モジュールの構造を示す断面図。FIG. 4 is a sectional view showing the structure of a conventional semiconductor module.
1,1a,1b, 半導体モジュール 2 セラミックス基板(AlN基板) 3 金属回路板(銅板) 4,4a,4b 金属板(裏銅板) 5 ヒートシンク板 6,6a,6b 取付ねじ 7 半導体素子(Siチップ) 8 ボンディングワイヤ 9 機器ケーシング(実装ボード,放熱フィン) 10 高熱伝導性窒化けい素基板 11,11a,11b,11c 取付ねじ貫通孔 12 ケース 13 端子 1, 1a, 1b, semiconductor module 2 ceramic substrate (AlN substrate) 3 metal circuit board (copper plate) 4, 4a, 4b metal plate (back copper plate) 5 heat sink plate 6, 6a, 6b mounting screw 7 semiconductor element (Si chip) Reference Signs List 8 bonding wire 9 equipment casing (mounting board, radiation fin) 10 high thermal conductive silicon nitride substrate 11, 11a, 11b, 11c mounting screw through hole 12 case 13 terminal
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小松 通泰 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目4番 地 株式会社東芝 京浜事業所内 (72)発明者 佐藤 孔俊 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株式会社東芝 横浜事業所内 (56)参考文献 特開 平7−187793(JP,A) 特開 平6−196584(JP,A) 特開 平9−157054(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 23/15 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Tsutsuyasu Komatsu 2-4, Suehirocho, Tsurumi-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Inside Keihin Works, Toshiba Corporation (72) Inventor, Toshun Sato 8 Shinsugita-cho, Isogo-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Address Toshiba Corporation Yokohama office (56) References JP-A-7-187793 (JP, A) JP-A-6-196584 (JP, A) JP-A 9-157054 (JP, A) (58) Field (Int.Cl. 6 , DB name) H01L 23/15
Claims (6)
されるとともに粒界相中における結晶化合物相の粒界相
全体に対する割合が20%以上である高熱伝導性窒化け
い素基板と、この高熱伝導性窒化けい素基板に搭載され
た半導体素子と、この高熱伝導性窒化けい素基板の半導
体素子搭載面側に接合された金属回路板と、上記高熱伝
導性窒化けい素基板の半導体素子非搭載面側に接合さ
れ、かつ機器ケーシングあるいは実装ボードに接合され
る金属板とを具備することを特徴とする半導体モジュー
ル。1. A highly thermally conductive silicon nitride substrate comprising a silicon nitride crystal phase and a grain boundary phase, wherein a ratio of a crystalline compound phase in the grain boundary phase to the whole grain boundary phase is 20% or more. A semiconductor element mounted on the high thermal conductive silicon nitride substrate, a metal circuit board bonded to the semiconductor element mounting surface side of the high thermal conductive silicon nitride substrate, and a semiconductor element mounted on the high thermal conductive silicon nitride substrate. A semiconductor module comprising: a metal plate joined to a mounting surface side and joined to an equipment casing or a mounting board.
合される金属板の厚さが前記金属回路板の厚さ以下であ
ることを特徴とする請求項1記載の半導体モジュール。2. The semiconductor module according to claim 1, wherein the thickness of the metal plate joined to the equipment casing or the mounting board is equal to or less than the thickness of the metal circuit board.
合される金属板の厚さが前記金属回路板の厚さの2倍以
上であることを特徴とする請求項1記載の半導体モジュ
ール。3. The semiconductor module according to claim 1, wherein the thickness of the metal plate joined to the equipment casing or the mounting board is at least twice the thickness of the metal circuit board.
素結晶相および粒界相から構成されるとともに粒界相中
における結晶化合物相の粒界相全体に対する割合が50
%以上であることを特徴とする請求項1記載の半導体モ
ジュール。4. The high thermal conductive silicon nitride substrate is composed of a silicon nitride crystal phase and a grain boundary phase, and the ratio of the crystalline compound phase in the grain boundary phase to the entire grain boundary phase is 50.
%. The semiconductor module according to claim 1, wherein
熱伝導性窒化けい素基板に直接接合法により接合されて
いることを特徴とする請求項1記載の半導体モジュー
ル。5. The semiconductor module according to claim 1, wherein the metal circuit board and the metal plate are joined to the high thermal conductive silicon nitride substrate by a direct joining method.
熱伝導性窒化けい素基板に活性金属含有層により接合さ
れていることを特徴とする請求項1記載の半導体モジュ
ール。6. The semiconductor module according to claim 1, wherein said metal circuit board and said metal plate are joined to said high thermal conductive silicon nitride substrate by an active metal-containing layer.
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JP25002396 | 1996-09-20 | ||
JP22863197A JP2967065B2 (en) | 1996-09-20 | 1997-08-25 | Semiconductor module |
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