JP2006228804A - Ceramic substrate for semiconductor module and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば電気自動車等のパワー半導体モジュール等に好適な半導体モジュール用セラミックス回路基板及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a ceramic circuit board for a semiconductor module suitable for, for example, a power semiconductor module such as an electric vehicle and a method for manufacturing the same.
半導体モジュール用のセラミックス回路基板としては、例えば、図２（ａ）に示すように、放熱性、電気絶縁性、高周波数特性の優れたアルミナや窒化珪素等のセラミックス基板１の表面に導体パターンとなる銅板２を接合し、同じく裏面に銅板３を接合してなるものが広く採用されている。そして、このようなセラミックス回路基板上にパワー半導体素子等の半導体素子を搭載して半導体モジュールとして用いている。 As a ceramic circuit board for a semiconductor module, for example, as shown in FIG. 2 (a), a conductor pattern is formed on the surface of a ceramic substrate 1 made of alumina, silicon nitride or the like having excellent heat dissipation, electrical insulation and high frequency characteristics. The thing formed by joining the copper plate 2 which joins, and joining the copper plate 3 on the back side is also widely employ | adopted. A semiconductor element such as a power semiconductor element is mounted on such a ceramic circuit board and used as a semiconductor module.
セラミックス基板１に銅板２，３を接合するには種々の方法があり、例えば、銅と酸化銅の溶融温度の差を利用し、溶融温度の低い酸化銅だけを１０５０℃程度の温度で溶融させ、セラミックス基板の表面の凹凸部内に浸透させて、アンカー効果により接合させるＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ ｂｏｎｄ Ｃｏｐｐｅｒ）法等がある。 There are various methods for joining the copper plates 2 and 3 to the ceramic substrate 1. For example, by utilizing the difference in melting temperature between copper and copper oxide, only copper oxide having a low melting temperature is melted at a temperature of about 1050 ° C. For example, there is a DBC (Direct bond Copper) method in which the surface of the ceramic substrate is infiltrated into the concavo-convex portion and joined by the anchor effect.
ところで、半導体モジュールとして用いた際、半導体素子の動作／休止による周期的な温度変化（ヒートサイクル）によって、銅板２，３とセラミックス基板１との膨張係数の差に起因する熱応力が生じるが、この熱応力が過大である場合、セラミックス基板１と銅板２，３との接合部、あるいは銅板２とパワー半導体素子との接合部にクラック等が生じてしまう。特にパワー半導体素子は大電流の通電によって大量の熱を発するため熱応力が大きく、接合の信頼性が損なわれやすい。 By the way, when used as a semiconductor module, thermal stress due to a difference in expansion coefficient between the copper plates 2 and 3 and the ceramic substrate 1 is caused by a periodic temperature change (heat cycle) due to operation / pause of the semiconductor element. If this thermal stress is excessive, cracks or the like will occur at the joint between the ceramic substrate 1 and the copper plates 2 or 3 or between the copper plate 2 and the power semiconductor element. In particular, the power semiconductor element generates a large amount of heat when energized with a large current, so that the thermal stress is large, and the reliability of bonding is easily impaired.
そこで、半導体素子およびセラミックス回路基板自体が過度に高温になるのを防止するため、セラミックス回路基板には優れた放熱特性が必要とされており、図２（ｂ）に示すように、銅板等の放熱基板（ヒートシンク）５を半田等の結合材４を介してセラミックス回路基板の片面に接合し、熱伝導率を上げることで放熱効率を向上させている。 Therefore, in order to prevent the semiconductor element and the ceramic circuit board itself from becoming excessively high in temperature, the ceramic circuit board is required to have excellent heat dissipation characteristics. As shown in FIG. A heat dissipation substrate (heat sink) 5 is joined to one side of a ceramic circuit board via a bonding material 4 such as solder, and the heat dissipation efficiency is improved by increasing the thermal conductivity.
一方、下記特許文献１には、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｗ等からなるヒートシンク上に、該ヒートシンクの金属材料と、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等の絶縁体材料との混合物からなる層を介して、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックス粉末の絶縁層を形成した半導体モジュール用基板において、前記混合層としてヒートシンクに近づくにつれ金属材料の比率を高くし、セラミックス基板に近づくにつれ絶縁体材料の比率を高くしたものを用いることにより熱応力に起因するクラック等の発生を防止することが記載されている。 On the other hand, in the following Patent Document 1, on a heat sink made of Cu, Al, Mo, W, Cu—Mo, Cu—W, etc., a metal material of the heat sink and an insulator material such as AlN, Al 2 O 3 In a semiconductor module substrate in which an insulating layer of ceramic powder such as AlN or Al 2 O 3 is formed through a layer made of the above mixture, the ratio of the metal material increases as the mixed layer approaches the heat sink, It is described that the generation of cracks and the like due to thermal stress is prevented by using a material having a higher ratio of insulator material as it approaches.
また、下記特許文献２には、銀、銅等のロウ成分と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム及びそれらの水酸化物等からなる活性金属成分とからなる金属粉末で、酸素含有率が０．５質量％以下の金属粉末と分散溶媒とからなる接合材を用いて、セラミックス基板と銅板等の金属板とを接合することで、ヒートサイクル時に銅板とセラミックス基板との界面に加わる熱応力を抑制することが記載されている。
しかしながら、従来の方法では、厚さ数ｍｍの銅プレートからなる放熱基板を、半田などで２５０〜３００℃の温度で接合しているため、接合時の加熱で膨張した放熱基板が、冷却されたときにセラミックス基板よりも大きく縮むことになり、その結果、図２（ｃ）に示すように、放熱基板５側が凹状に湾曲する傾向があった。すなわち、セラミックス基板１の両面にほぼ同厚さの銅板２，３を貼り付けた構造では、バランスが取れていたのに対し、放熱基板５を片面にだけ接合することにより、接合の際の応力が残留して反りが生じるのである。 However, in the conventional method, since the heat dissipation board made of a copper plate having a thickness of several millimeters is bonded with solder or the like at a temperature of 250 to 300 ° C., the heat dissipation board expanded by heating at the time of bonding is cooled. As a result, there was a tendency that the heat dissipation substrate 5 side was curved in a concave shape as shown in FIG. 2C. That is, the structure in which the copper plates 2 and 3 having substantially the same thickness are attached to both surfaces of the ceramic substrate 1 is balanced, but the stress at the time of bonding can be obtained by bonding the heat dissipation substrate 5 only to one surface. Remains and warps.
また、上記特許文献１、２のように特定の接合材を介して銅板等の放熱基板とセラミックス基板とを接合することで、ヒートサイクル時に放熱基板とセラミックス基板との界面に加わる熱応力を抑制する試みがなされているが、上記特許文献１、２においても、放熱基板をセラッミク基板上に接合するに際しては、約１０００℃まで温度を上げて接合しているため、上記と同様な問題が発生すると考えられる。 In addition, the thermal stress applied to the interface between the heat dissipation substrate and the ceramic substrate during the heat cycle is suppressed by bonding the heat dissipation substrate such as a copper plate and the ceramic substrate via a specific bonding material as in Patent Documents 1 and 2 above. However, in Patent Documents 1 and 2 described above, when the heat dissipation substrate is bonded to the ceramic substrate, the temperature is increased to about 1000 ° C., which causes the same problem as described above. I think that.
また、従来のセラミックス回路基板では、放熱効率を向上させるために、放熱効率の悪いセラミックス基板を薄膜とし、放熱効率の良い放熱基板を厚くしようとすると、熱膨張率の大きな放熱基板と、熱膨張率の小さいセラミックス基板との熱膨張差によって、セラミックス基板に大きな応力がかかり、セラミックス基板が破損しかねないため、放熱基板を厚くすることが困難であった。 In addition, in the conventional ceramic circuit board, in order to improve the heat dissipation efficiency, if a ceramic substrate with poor heat dissipation efficiency is made into a thin film and a heat dissipation substrate with good heat dissipation efficiency is made thicker, Due to the difference in thermal expansion from the ceramic substrate having a low rate, a large stress is applied to the ceramic substrate and the ceramic substrate may be damaged. Therefore, it is difficult to increase the thickness of the heat dissipation substrate.
よって、本発明の目的は、セラミックス基板に金属板を接合するに際し、比較的低温で接合することでセラミックス基板への熱応力を緩和し、厚い金属板を接合できるようにして、放熱効果に優れた半導体モジュール用セラミックス回路基板及びその製造方法を提供することにある。 Therefore, when joining a metal plate to a ceramic substrate, the object of the present invention is to reduce the thermal stress on the ceramic substrate by bonding at a relatively low temperature, and to bond a thick metal plate, thus providing an excellent heat dissipation effect. Another object of the present invention is to provide a ceramic circuit board for a semiconductor module and a method for manufacturing the same.
上記課題を解決するため、本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板は、セラミックス基板と、該セラミックス基板の両側に接合された金属板とを有する半導体モジュール用セラミックス回路基板において、前記セラミックス基板と前記金属板とが金属ナノ粒子を含有する焼結層を介して接合されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a ceramic circuit board for a semiconductor module according to the present invention is a ceramic circuit board for a semiconductor module, which includes a ceramic board and metal plates bonded to both sides of the ceramic board. The plate is bonded via a sintered layer containing metal nanoparticles.
本発明によれば、金属ナノ粒子を含有する層を加熱焼成すると、金属ナノ粒子同士が焼結すると共に、金属板と金属ナノ粒子とは金属結合により接合し、セラミックス基板とは、その表面の凹凸内部に金属ナノ粒子が侵入した状態で焼結体となり、アンカー効果により接合する。 According to the present invention, when a layer containing metal nanoparticles is heated and fired, the metal nanoparticles are sintered, the metal plate and the metal nanoparticles are bonded by metal bonding, and the ceramic substrate is formed on the surface thereof. It becomes a sintered body in a state in which the metal nanoparticles enter the unevenness, and is bonded by the anchor effect.
また、一般に粒子径がナノ（ｎｍ）スケールの金属粒子は、そのサイズ効果により金属の融点よりも格段に低い温度で焼結することが知られている。これは、金属の超微粒子においては、十分にその粒子径を小さくすると、粒子表面に存在するエネルギー状態の高い原子の全体に占める割合が大きくなり、金属原子の表面拡散が無視し得ないほど大きくなる結果、この表面拡散に起因して、粒子相互の界面の延伸がなされ焼結が行われるためである。 In general, it is known that metal particles having a nanometer (nm) size are sintered at a temperature much lower than the melting point of the metal due to the size effect. This is because in ultrafine metal particles, if the particle size is sufficiently reduced, the proportion of the high energy state atoms present on the particle surface will increase and the surface diffusion of metal atoms will be so large that it cannot be ignored. As a result, due to this surface diffusion, the interface between the particles is stretched and sintered.
したがって、セラミックス基板と金属板とを接合するに際し、金属ナノ粒子を含有する層を接着層として介在させることで比較的低温での接合が可能となり、その結果、比較的厚い金属板をセラミックス基板に接合することが可能となる。このため、金属板が放熱基板として作用し、放熱効果に優れた半導体モジュール用セラミックス回路基板を得ることができる。 Therefore, when bonding a ceramic substrate and a metal plate, it is possible to bond at a relatively low temperature by interposing a layer containing metal nanoparticles as an adhesive layer. As a result, a relatively thick metal plate is attached to the ceramic substrate. It becomes possible to join. For this reason, the metal plate acts as a heat dissipation substrate, and a ceramic circuit substrate for a semiconductor module having an excellent heat dissipation effect can be obtained.
本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板は、少なくとも一方の金属板の厚さが１ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、放熱効果をより高めることができる。 In the ceramic circuit board for a semiconductor module of the present invention, it is preferable that at least one of the metal plates has a thickness of 1 mm or more. Thereby, the heat dissipation effect can be further enhanced.
一方、本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板の製造方法は、セラミックス基板の両面に金属板を接合したセラミックス回路基板の製造方法において、前記セラミックス基板と前記金属板との間に金属ナノ粒子を含有する層を介在させて、加熱処理して接合することを特徴とする。 On the other hand, the method for manufacturing a ceramic circuit board for a semiconductor module according to the present invention is a method for manufacturing a ceramic circuit board in which metal plates are bonded to both surfaces of the ceramic substrate, and contains metal nanoparticles between the ceramic substrate and the metal plate. It is characterized by being bonded by heat treatment with a layer to be interposed.
本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板の製造方法においては、金属ナノ粒子を含有する層を介在させて金属板と接合するので、前述した理由により、加熱処理温度を比較的低温にできる。このため、比較的厚い金属板をセラミックス基板に接合することが可能となり、この金属板が放熱基板として作用するので、放熱効果に優れた半導体モジュール用セラミックス回路基板を得ることができる。 In the method for producing a ceramic circuit board for a semiconductor module according to the present invention, the layer containing metal nanoparticles is interposed and bonded to the metal plate, so that the heat treatment temperature can be made relatively low for the reasons described above. For this reason, it becomes possible to join a relatively thick metal plate to the ceramic substrate, and this metal plate acts as a heat dissipation substrate, so that a ceramic circuit substrate for a semiconductor module having an excellent heat dissipation effect can be obtained.
また、本発明において前記加熱処理温度は２００〜３００℃であり、少なくとも一方の前記金属板の厚さは１ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、放熱効果をより高めることができる。 Moreover, in this invention, it is preferable that the said heat processing temperature is 200-300 degreeC, and the thickness of at least one said metal plate is 1 mm or more. Thereby, the heat dissipation effect can be further enhanced.
更には、前記金属ナノ粒子を、揮発性有機溶剤と混合してペーストとし、前記セラミックス基板又は前記金属板に塗布することが好ましい。これによれば、金属ナノ粒子を含有する層を均一にかつ容易に形成することができる。 Furthermore, it is preferable that the metal nanoparticles are mixed with a volatile organic solvent to form a paste and applied to the ceramic substrate or the metal plate. According to this, the layer containing metal nanoparticles can be formed uniformly and easily.
本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板及びその製造方法によれば、セラミックス基板と金属板とを比較的低い温度で接合することが可能となり、金属板を接合する際にセラミックス基板へ加わる熱応力を低減でき、セラミックス基板を薄膜にし、かつ、金属板を１ｍｍ以上の厚さとしてもセラミックス基板の破損が生じることがない。 According to the ceramic circuit board for a semiconductor module and the manufacturing method thereof of the present invention, the ceramic board and the metal plate can be bonded at a relatively low temperature, and the thermal stress applied to the ceramic substrate when the metal plate is bonded can be reduced. Even if the ceramic substrate is made a thin film and the metal plate has a thickness of 1 mm or more, the ceramic substrate is not damaged.
したがって、放熱効率のよい半導体モジュール用のセラミックス回路基板が得られ、特にパワー半導体モジュール用として好適である。 Therefore, a ceramic circuit board for a semiconductor module with good heat dissipation efficiency can be obtained, and is particularly suitable for a power semiconductor module.
本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板は、セラミックス基板と金属板との間に金属ナノ粒子を含有する焼結層を介して接合されていることを特徴とする。以下「半導体モジュール用セラミックス基板」を「セラミックス回路基板」ともいう。 The ceramic circuit board for a semiconductor module of the present invention is characterized in that it is bonded between a ceramic substrate and a metal plate via a sintered layer containing metal nanoparticles. Hereinafter, the “ceramic substrate for semiconductor module” is also referred to as “ceramic circuit board”.
一般にナノスケールの金属粒子は、そのサイズ効果により、表面が極めて活性状態であり、融点以下であっても焼結することが知られている。 In general, nanoscale metal particles are known to sinter even when the surface is in an extremely active state due to the size effect and below the melting point.
そして、金属ナノ粒子を含有する層を、セラミックス基板と金属板との間に介在させて加熱焼成すると、金属ナノ粒子が焼結すると同時に、金属板とは金属結合で焼結により接合し、セラミックス基板とはアンカー効果により接合する。 Then, when the layer containing metal nanoparticles is interposed between the ceramic substrate and the metal plate and heated and fired, the metal nanoparticles are sintered, and at the same time, the metal plate and the metal plate are joined by sintering to form a ceramic. The substrate is joined by an anchor effect.
したがって、セラミックス基板と金属板とを比較的低温で接合することが可能となる。そのため、セラミックス基板を薄くし、金属板を厚くしても、セラミックス基板に大きな応力がかかることがないので、セラミックス基板が破損することなく、放熱効率の高いセラミック回路基板を得ることができる。 Therefore, the ceramic substrate and the metal plate can be bonded at a relatively low temperature. Therefore, even if the ceramic substrate is thinned and the metal plate is thickened, no great stress is applied to the ceramic substrate, so that a ceramic circuit substrate with high heat dissipation efficiency can be obtained without damaging the ceramic substrate.
本発明のセラミックス回路基板に使用できる金属板とは、銅、銀、金、アルミニウム及びその合金などが挙げられ、熱伝導率、導電性及びコスト的な点から銅が好ましい。また、金属板の厚さは１ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは２〜４ｍｍである。 Examples of the metal plate that can be used for the ceramic circuit board of the present invention include copper, silver, gold, aluminum, and alloys thereof, and copper is preferable from the viewpoint of thermal conductivity, conductivity, and cost. Further, the thickness of the metal plate is preferably 1 mm or more, more preferably 2 to 4 mm.
本発明で使用できるセラミックス基板とは、従来公知のセラミックス基板であればよく特に限定されないが、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等からなるセラミックス基板が挙げられ、特には酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなるセラミックス基板が好ましい。また、セラミックス基板の厚さは０．１〜１ｍｍであることが好ましく、より好ましくは０．２〜０．６ｍｍである。 The ceramic substrate that can be used in the present invention is not particularly limited as long as it is a conventionally known ceramic substrate. For example, aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and the like. A ceramic substrate made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is particularly preferable. Moreover, it is preferable that the thickness of a ceramic substrate is 0.1-1 mm, More preferably, it is 0.2-0.6 mm.
本発明で使用できる金属ナノ粒子とは、平均粒子径がナノ（ｎｍ）スケールの微細な金属粒子であり、金属材料としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ等が挙げられ、好ましくはＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔであり、より好ましくはＡｇ、Ｃｕである。上記金属材料は熱伝導性及び電気伝導性に優れており、安定した熱伝導性及び電気伝導性を確保することができる。 The metal nanoparticles that can be used in the present invention are fine metal particles having an average particle size of nano (nm) scale. Examples of the metal material include Ag, Au, Ru, Pd, Pt, Re, Os, Ir, and Cu. , Ni, Sn, Al, Zn, In, Co, W, Mo, and the like. Ag, Cu, Au, and Pt are preferable, and Ag and Cu are more preferable. The metal material is excellent in thermal conductivity and electrical conductivity, and can ensure stable thermal conductivity and electrical conductivity.
金属ナノ粒子の平均粒子径は、１〜１００ｎｍが好ましく、より好ましくは１〜５０ｎｍであり、更に好ましくは５〜１０ｎｍである。平均粒子径が５ｎｍ未満では製造が困難となり、５０ｎｍを超えると、焼結温度の低下効果が乏しくなる。 1-100 nm is preferable, as for the average particle diameter of a metal nanoparticle, More preferably, it is 1-50 nm, More preferably, it is 5-10 nm. If the average particle size is less than 5 nm, production becomes difficult, and if it exceeds 50 nm, the effect of lowering the sintering temperature becomes poor.
また、本発明では、前記金属ナノ粒子は、平均粒子径が１〜５μｍの通常の金属粉（以下単に金属粉という）と混合して混合物として用いてもよい。この場合でも金属ナノ粒子が先に焼結して通常の金属粉を囲むマトリックスを形成するため、低温での焼結が可能となる。 In the present invention, the metal nanoparticles may be used as a mixture by mixing with a normal metal powder having an average particle diameter of 1 to 5 μm (hereinafter simply referred to as metal powder). Even in this case, the metal nanoparticles are sintered first to form a matrix surrounding the normal metal powder, so that sintering at a low temperature is possible.
金属粉の金属材料としては金属ナノ粒子と同様のものが挙げられ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ等である。そして、金属ナノ粒子と金属粉との混合比は、金属ナノ粒子１００質量部に対し１０〜１０００質量部とすることが好ましい。 Examples of the metal material of the metal powder include the same metal nanoparticles as Ag, Au, Ru, Pd, Pt, Re, Os, Ir, Cu, Ni, Sn, Al, Zn, In, Co, W, Mo or the like. And it is preferable that the mixing ratio of a metal nanoparticle and metal powder shall be 10-1000 mass parts with respect to 100 mass parts of metal nanoparticles.
次に本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板の製造方法について説明する。本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板は、例えば以下のようにして製造することができる。すなわち、図１に示すように、まずセラミックス基板１の表面に溶剤等に分散させた上記金属ナノ粒子を塗布し、金属ナノ粒子を含有する層６を形成させる。 Next, the manufacturing method of the ceramic circuit board for semiconductor modules of this invention is demonstrated. The ceramic circuit board for a semiconductor module of the present invention can be manufactured, for example, as follows. That is, as shown in FIG. 1, first, the metal nanoparticles dispersed in a solvent or the like are applied to the surface of the ceramic substrate 1 to form a layer 6 containing metal nanoparticles.
本発明において、金属ナノ粒子は、金属ナノ粒子を独立して分散させるための有機物質と化学的に結合した状態で用いることが好ましい。ここで、金属ナノ粒子を独立して分散させるための有機物質は、金属ナノ粒子から有機物質を解離させる有機物質と加熱により反応し、燃焼により金属成分だけが残存する。この反応に必要な温度は１００℃〜３００℃であり、より好ましくは２００℃〜３００℃である。 In the present invention, the metal nanoparticles are preferably used in a state of being chemically bonded to an organic substance for independently dispersing the metal nanoparticles. Here, the organic substance for independently dispersing the metal nanoparticles reacts with the organic substance that dissociates the organic substance from the metal nanoparticles by heating, and only the metal component remains by combustion. The temperature required for this reaction is 100 ° C to 300 ° C, more preferably 200 ° C to 300 ° C.
また金属ナノ粒子には、必要に応じて揮発性有機溶剤、揮発性のバインダーなどを更に添加して、ペーストとして用いることが好ましい。 Moreover, it is preferable to add a volatile organic solvent, a volatile binder, etc. to a metal nanoparticle as needed, and to use it as a paste.
金属ナノ粒子の塗布方法としては、スクリーン印刷、インクジェット法等が挙げられ特に限定はない。 Examples of the method for applying the metal nanoparticles include screen printing and inkjet method, and are not particularly limited.
金属ナノ粒子を含有する層の厚みは、０．１〜１００μｍとすることが好ましく、より好ましくは０．５〜１０μｍである。 The thickness of the layer containing metal nanoparticles is preferably 0.1 to 100 μm, more preferably 0.5 to 10 μm.
そして、セラミックス基板１の両面の上記金属ナノ粒子を含有する層６，６上に、それぞれ金属板７，８を積層させた後、所定温度で加熱処理を行い、金属ナノ粒子を含有する層６，６を焼結させて、セラミックス基板１と金属板７，８とを接合する。 And after laminating | stacking the metal plates 7 and 8 on the said layers 6 and 6 containing the said metal nanoparticle of both surfaces of the ceramic substrate 1, respectively, it heat-processes at predetermined temperature, The layer 6 containing a metal nanoparticle , 6 are sintered and the ceramic substrate 1 and the metal plates 7, 8 are joined.
加熱処理温度は、使用した有機物質の燃焼温度よりも１０〜１００℃ほど高い温度とすることが好ましく、より好ましくは１００〜３００℃であり、更に好ましくは２００〜３００℃である。また、加熱処理時間は、１〜１００分とすることが好ましく、１０〜６０分とすることがより好ましい。なお、加熱処理は、１〜１０ＭＰａの高圧下、あるいは０．０１〜１Ｐａの低圧下で行ってもよい。加熱処理を前記高圧下あるいは低圧下にて行うことにより比較的低温かつ短時間での接合が可能となる。 The heat treatment temperature is preferably about 10 to 100 ° C. higher than the combustion temperature of the used organic substance, more preferably 100 to 300 ° C., and further preferably 200 to 300 ° C. The heat treatment time is preferably 1 to 100 minutes, and more preferably 10 to 60 minutes. The heat treatment may be performed under a high pressure of 1 to 10 MPa or under a low pressure of 0.01 to 1 Pa. By performing the heat treatment under the high pressure or the low pressure, bonding at a relatively low temperature and in a short time becomes possible.
そして、セラミックス基板上で、半導体素子等を搭載させる側は、各半導体素子同士を絶縁する必要があるため、金属ナノ粒子を塗布する前あるいは塗布後にマスク等でパターンニングを施す。 Then, on the ceramic substrate, the side on which the semiconductor elements and the like are mounted needs to insulate the semiconductor elements from each other. Therefore, patterning is performed with a mask or the like before or after applying the metal nanoparticles.
このようにして得られたセラミックス回路基板は、金属板７，８の厚みを１ｍｍ以上とし、かつ、セラミックス基板１の厚みを０．６ｍｍ以下としてもクラックや反りが生じることがない。また、金属板７，８を厚膜とすることができるので、従来のセラミックス回路基板のように放熱基板を必要としない。更には、パワー半導体モジュール等の熱容量の大きい大電流タイプの半導体モジュールの場合、アルミ等でできた冷却用フィンに設置する必要があるが、反りがないため、冷却用フィンに密着して固定することができ、放熱効果が極めて良好である。なお、半導体素子を実装する回路パターンとはならない方の金属板８のみを厚くしてもよい。 The ceramic circuit board thus obtained does not crack or warp even when the thickness of the metal plates 7 and 8 is 1 mm or more and the thickness of the ceramic board 1 is 0.6 mm or less. Further, since the metal plates 7 and 8 can be made thick, a heat dissipation board is not required unlike the conventional ceramic circuit board. Furthermore, in the case of a large current type semiconductor module having a large heat capacity such as a power semiconductor module, it is necessary to install it on a cooling fin made of aluminum or the like, but since there is no warpage, it is fixed in close contact with the cooling fin. And the heat dissipation effect is very good. Only the metal plate 8 that does not become a circuit pattern for mounting a semiconductor element may be thickened.
本発明は、例えば、パワー半導体モジュールに好適に利用できるセラミックス回路基板を提供することができる。 The present invention can provide a ceramic circuit board that can be suitably used for, for example, a power semiconductor module.
Claims (5)
前記セラミックス基板と前記金属板とが金属ナノ粒子を含有する焼結層を介して接合されていることを特徴とする半導体モジュール用セラミックス回路基板。 In a ceramic circuit substrate for a semiconductor module having a ceramic substrate and a metal plate bonded to both sides of the ceramic substrate,
The ceramic circuit board for a semiconductor module, wherein the ceramic substrate and the metal plate are bonded via a sintered layer containing metal nanoparticles.
前記セラミックス基板と前記金属板との間に金属ナノ粒子を含有する層を介在させて、加熱処理して接合することを特徴とする半導体モジュール用セラミックス回路基板の製造方法。 In a method for manufacturing a ceramic circuit board in which metal plates are bonded to both sides of a ceramic substrate,
A method for producing a ceramic circuit board for a semiconductor module, comprising: interposing a layer containing metal nanoparticles between the ceramic substrate and the metal plate;
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