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JP3063299B2 - Substrate for mounting semiconductor devices - Google Patents
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JP3063299B2 - Substrate for mounting semiconductor devices - Google Patents

Substrate for mounting semiconductor devices

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JP3063299B2
JP3063299B2 JP3262903A JP26290391A JP3063299B2 JP 3063299 B2 JP3063299 B2 JP 3063299B2 JP 3262903 A JP3262903 A JP 3262903A JP 26290391 A JP26290391 A JP 26290391A JP 3063299 B2 JP3063299 B2 JP 3063299B2
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substrate
alloy
semiconductor device
brazing material
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Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は半導体装置実装用基
板、詳しくは放熱フィンを備えた半導体装置実装用基板
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a substrate for mounting a semiconductor device, and more particularly, to a substrate for mounting a semiconductor device provided with a radiation fin.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、例えばパワーモジュール等の半導
体装置を実装するためのセラミックス基板、特に放熱フ
ィンを備えたセラミックス基板としては、図2に示すよ
うな構造のものが知られていた。このものでは、アルミ
ナ等のセラミックス基板21の上面に回路形成用の薄板
20を介して半導体チップ22を搭載している。セラミ
ックス基板21の下面側には、銅等金属製薄板27を介
して、例えば銅等金属製のヒートシンク23が例えばは
んだ26(Pb−Sn合金等)付けされていた。さら
に、このヒートシンク23の下面には、アルミニウム製
または銅製の放熱フィン24がねじ25により固定され
ていた。したがって、大電力用のICチップ22で発生
した熱はアルミナ基板21を経てヒートシンク23に吸
収され、さらには放熱フィン24から放熱されることと
なる。
2. Description of the Related Art Heretofore, as a ceramic substrate for mounting a semiconductor device such as a power module, in particular, a ceramic substrate provided with heat radiation fins has a structure as shown in FIG. In this embodiment, a semiconductor chip 22 is mounted on a ceramic substrate 21 made of alumina or the like via a thin plate 20 for forming a circuit. A heat sink 23 made of, for example, a metal such as copper is attached to a lower surface side of the ceramic substrate 21 via a thin plate 27 made of a metal such as copper, for example, a solder 26 (Pb-Sn alloy or the like). Further, a heat radiating fin 24 made of aluminum or copper is fixed to the lower surface of the heat sink 23 with a screw 25. Therefore, the heat generated by the high power IC chip 22 is absorbed by the heat sink 23 via the alumina substrate 21 and further radiated from the heat radiation fins 24.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のセラミックス基板にあっては、熱サイクル、
断続通電等により、はんだおよびろう材(金属−セラミ
ックス界面)の熱疲労による劣化が生じている。すなわ
ち、セラミックス基板と金属製薄板(ひいてはヒートシ
ンク)との密着性が低下していた。また、ヒートシンク
は銅により形成されており、かつ、ヒートシンクと放熱
フィンとがネジ止めされているため、基板全体として重
量が大きくなるという課題があった。さらに、これらの
2つの部材をネジ止めしていたため、その製造工数が増
加するという課題もあった。
However, in such a conventional ceramic substrate, heat cycle,
Deterioration due to thermal fatigue of the solder and the brazing material (metal-ceramics interface) is caused by intermittent conduction and the like. That is, the adhesiveness between the ceramic substrate and the metal thin plate (and thus the heat sink) has been reduced. In addition, since the heat sink is formed of copper and the heat sink and the radiation fin are screwed, there is a problem that the weight of the entire substrate increases. Further, since these two members are screwed, there is a problem that the number of manufacturing steps increases.

【0004】[0004]

【発明の目的】そこで、この発明は、製造工数を低減
し、基板全体としての重量を軽減するとともに、基板と
放熱フィンとの密着性を高めた半導体装置実装用セラミ
ックス基板を提供することを、その目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a ceramic substrate for mounting a semiconductor device, in which the number of manufacturing steps is reduced, the weight of the entire substrate is reduced, and the adhesion between the substrate and the radiation fins is improved. That is the purpose.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明
は、表面に半導体装置が実装される窒化アルミニウム系
焼結体製基板と、この窒化アルミニウム系焼結体製基板
の裏面にアルミニウム−シリコン系合金製ろう材を介し
て接合されたアルミニウム板と、このアルミニウム板の
裏面にアルミニウム−シリコン系合金製ろう材を介して
接合されたアルミニウム製またはアルミニウム合金製の
放熱フィンとを有する半導体装置実装用基板である。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an aluminum nitride-based sintered body substrate on which a semiconductor device is mounted on a front surface, and an aluminum nitride-based sintered body on a back surface of the aluminum nitride-based sintered body. Semiconductor device having an aluminum plate joined via a silicon-based alloy brazing material, and aluminum or aluminum alloy radiating fins joined to the back surface of the aluminum plate via an aluminum-silicon-based alloy brazing material This is a mounting substrate.

【0006】[0006]

【作用】請求項1に係る半導体装置実装用基板にあって
は、アルミニウム製またはアルミニウム合金製の放熱フ
ィンをアルミニウム板およびろう材を介して窒化アルミ
ニウム系焼結体製基板に接合している。よって、接合の
ためのネジが不要である。このため、その全体の重量を
軽減することができる。また、ろう材を適宜選択するこ
とによりその密着性を高めることができる。しかも、放
熱フィンにより、その放熱性は高められている。また、
アルミニウム合金製の放熱フィンとしてアルミニウム−
シリコン合金を用いた場合は、熱応力による基板の反り
を軽減することができる。
In the semiconductor device mounting board according to the first aspect, a heat dissipation fin made of aluminum or an aluminum alloy is joined to the aluminum nitride-based sintered body via an aluminum plate and a brazing material. Therefore, screws for joining are unnecessary. Therefore, the overall weight can be reduced. Further, by appropriately selecting the brazing material, the adhesion can be improved. Moreover, the heat dissipation is enhanced by the heat dissipation fins. Also,
Aluminum radiating fins made of aluminum alloy
When a silicon alloy is used, warpage of the substrate due to thermal stress can be reduced.

【0007】[0007]

【実施例】以下、この発明の一実施例について図1を参
照して説明する。この図に示すように、窒化アルミニウ
ム系焼結体である窒化アルミニウム基板16の上面には
例えばアルミニウム製の回路形成用薄板10がろう材1
4により接着されている。詳しくは、窒化アルミニウム
基板16の表面は酸化処理されてアルミナ層が形成さ
れ、さらにこのアルミナ層の表面に二酸化珪素(SiO
)の層が形成されている。そして、この二酸化珪素層
の表面にはろう材14が被着されている。ろう材14
は、例えばAl−13%(重量%、以下同じ)Si合
金、Al−7.5%Si合金、Al−7.5%Si−1
0%Ge合金などのAl−Si系合金が使用される。さ
らに、この薄板10の上面には半導体チップ12が例え
ばはんだ付けにより搭載されている。図1において、1
5は、はんだを示す。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. As shown in this figure, a circuit-forming thin plate 10 made of, for example, aluminum is formed on an upper surface of an aluminum nitride substrate 16 which is an aluminum nitride-based sintered body.
4 bonded together. Specifically, the surface of the aluminum nitride substrate 16 is oxidized to form an alumina layer, and the surface of the alumina layer is further coated with silicon dioxide (SiO 2).
2 ) The layer is formed. And, on the surface of this silicon dioxide layer, a brazing material 14 is adhered. Brazing material 14
Are, for example, Al-13% (wt%, the same applies hereinafter) Si alloy, Al-7.5% Si alloy, Al-7.5% Si-1
An Al-Si based alloy such as a 0% Ge alloy is used. Further, a semiconductor chip 12 is mounted on the upper surface of the thin plate 10 by, for example, soldering. In FIG. 1, 1
Reference numeral 5 denotes a solder.

【0008】また、この窒化アルミニウム基板16の裏
面には、上記アルミニウム−シリコン合金系ろう材14
を介してアルミニウム板17が接合されている。このア
ルミニウム板17の裏面には、同じくアルミニウム−シ
リコン合金系ろう材14を介してアルミニウム製の放熱
フィン19が接合されている。この放熱フィン19とし
ては、純アルミニウムの他にも、例えばAl−2.5%
Mg−0.2%Cr合金、Al−1%Mn合金、Al−
20〜40%Si合金等を用いることができる。Al−
Si合金は、超急冷Al粉末にSi粉末を加え、熱間押
出加工または熱間鍛造加工により、Si含有重量が例え
ば40%となるように所定の形状に製造したものを使用
する。なお、放熱フィン19としてAl−40%Si合
金を用いたときは、その熱膨張率が純アルミニウムより
小さいので、半導体装置実装用基板全体に生じる熱応力
による反りを低減することができる。例えば、純アルミ
ニウムの熱膨張率が23.13×10−6/Kであるの
に対して、Al−40%Siの熱膨張率は14.11×
10−6Kである。
The aluminum-silicon alloy brazing material 14 is provided on the back surface of the aluminum nitride substrate 16.
The aluminum plate 17 is joined via the. Aluminum radiating fins 19 are joined to the back surface of the aluminum plate 17 via an aluminum-silicon alloy brazing material 14. The radiation fins 19 may be made of, for example, Al-2.5% besides pure aluminum.
Mg-0.2% Cr alloy, Al-1% Mn alloy, Al-
A 20 to 40% Si alloy or the like can be used. Al-
As the Si alloy, one obtained by adding a Si powder to a super-quenched Al powder and performing hot extrusion or hot forging into a predetermined shape so that the Si content weight is, for example, 40% is used. When an Al-40% Si alloy is used as the radiation fin 19, its thermal expansion coefficient is smaller than that of pure aluminum, so that warpage due to thermal stress generated in the entire semiconductor device mounting substrate can be reduced. For example, while the thermal expansion coefficient of pure aluminum is 23.13 × 10 −6 / K, the thermal expansion coefficient of Al-40% Si is 14.11 ×
10 −6 K.

【0009】なお、上記アルミナ層は例えば0.2〜2
0μmの厚さに、上記二酸化珪素層は0.01〜10μ
mの厚さにそれぞれ形成されるものとする。そして、こ
の二酸化珪素の層としては酸化ジルコニウム(Zr
)、酸化チタン(TiO)を含むこともできる。
また、窒化アルミニウム系焼結体としては、窒化アルミ
ニウム基板をそのまま(Yを焼結助剤として5〜
10%含むもの)使用することもできる。また、窒化ア
ルミニウムの表面を酸化処理したのみのもの、窒化アル
ミニウムの表面にSiCを被覆したものなどをも使用す
ることができる。
The alumina layer is, for example, 0.2 to 2
0 μm thickness, the silicon dioxide layer is 0.01-10 μm
m. As the silicon dioxide layer, zirconium oxide (Zr
O 2 ) and titanium oxide (TiO 2 ).
In addition, as the aluminum nitride-based sintered body, the aluminum nitride substrate was used as it is (5 to 5% by using Y 2 O 3 as a sintering aid).
10%) can also be used. Further, a material obtained by simply oxidizing the surface of aluminum nitride, a material obtained by coating the surface of aluminum nitride with SiC, or the like can be used.

【0010】この実施例に係る半導体装置実装用基板に
おいては、半導体装置実装用基板全体に生じる熱応力に
よる反りを低減することができる。また、既存の回路形
成用の窒化アルミニウム基板に、アルミニウム板を挟ん
でアルミニウム系ろう材14によってアルミニウム合金
製の放熱フィンを接合することにより、この発明に係る
半導体装置実装用基板を容易に製造することができる。
In the substrate for mounting a semiconductor device according to this embodiment, it is possible to reduce the warpage due to thermal stress generated in the entire substrate for mounting a semiconductor device. In addition, by bonding a heat dissipation fin made of an aluminum alloy to an existing aluminum nitride substrate for forming a circuit with an aluminum-based brazing material 14 with an aluminum plate interposed therebetween, the semiconductor device mounting substrate according to the present invention can be easily manufactured. be able to.

【0011】[0011]

【発明の効果】この発明によれば、半導体装置実装用基
板の製造工数を削減することができる。半導体装置実装
用基板全体としての重量を軽減することができる。ま
た、半導体装置実装用基板と放熱フィンとの密着性を高
めることができる。また、窒化アルミニウム系焼結体を
基板として使用することにより、放熱性を改善すること
ができる。また、熱応力による反りを低減できる。
According to the present invention, the number of steps for manufacturing a semiconductor device mounting substrate can be reduced. The weight of the entire semiconductor device mounting substrate can be reduced. Further, the adhesiveness between the semiconductor device mounting substrate and the radiation fins can be improved. In addition, by using an aluminum nitride-based sintered body as a substrate, heat dissipation can be improved. Also, warpage due to thermal stress can be reduced.

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

【図1】この発明の一実施例に係る半導体装置実装用セ
ラミックス基板を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a ceramic substrate for mounting a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図2】従来のセラミックス基板を示す断面図である。FIG. 2 is a sectional view showing a conventional ceramic substrate.

【符号の説明】 12 半導体チップ、 14 アルミニウム−シリコン合金系ろう材、 16 窒化アルミニウム基板、 17 アルミニウム板、 19 アルミニウム製の放熱フィン。[Description of Signs] 12 semiconductor chips, 14 aluminum-silicon alloy brazing material, 16 aluminum nitride substrate, 17 aluminum plate, 19 aluminum radiating fins.

フロントページの続き (56)参考文献 実開 平2−68448(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 23/373 H01L 23/12 Continuation of the front page (56) References Hikaru Hei 2-68448 (JP, U) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 23/373 H01L 23/12

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 表面に半導体装置が実装される窒化アル
ミニウム系焼結体製基板と、 この窒化アルミニウム系焼結体製基板の裏面にアルミニ
ウム−シリコン系合金製ろう材を介して接合されたアル
ミニウム板と、 このアルミニウム板の裏面にアルミニウム−シリコン系
合金製ろう材を介して接合されたアルミニウム製または
アルミニウム合金製の放熱フィンとを有する半導体装置
実装用基板。
1. An aluminum nitride-based sintered body substrate on which a semiconductor device is mounted on the front surface, and aluminum bonded to the back surface of the aluminum nitride-based sintered body substrate via an aluminum-silicon alloy brazing material. A semiconductor device mounting substrate comprising: a plate; and a radiating fin made of aluminum or an aluminum alloy joined to a back surface of the aluminum plate via a brazing material made of an aluminum-silicon alloy.
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