JP2011082502A - Substrate for power module, substrate for power module with heat sink, power module, and method of manufacturing substrate for power module - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate for power module that has metal plates and a ceramic substrate reliably joined together and is high in heat cycle reliability, and to provide a substrate for power module with a heat sink including the substrate for power module, a power module, and a method of manufacturing the substrate for power module. <P>SOLUTION: The substrate 10 for power module has the metal plates 12 and 13, made of aluminum, stacked and joined on surfaces of the ceramic substrate 11, wherein one or more additional elements selected out of Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are solid-dissolved in the metal plates 12 and 13 in addition to Si and Cu, and a total of concentrations of Si, Cu, and the additional elements near interfaces of the metal plates 12 and 13 with the ceramic substrate 11 is set to be 0.05 to 5 mass%. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage, a power module substrate with a heat sink provided with the power module substrate, a power module, and a method of manufacturing the power module substrate. It is.

半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば特許文献1に示すように、AlN(窒化アルミ)からなるセラミックス基板上にAl(アルミニウム)の金属板がろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子(半導体素子)が搭載される。
なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにAl等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたものが提案されている。
Among semiconductor elements, a power element for supplying power has a relatively high calorific value. Therefore, as a substrate on which the power element is mounted, for example, as shown in Patent Document 1, an Al (AlN (aluminum nitride)) ceramic substrate is made of Al ( A power module substrate in which a metal plate of (aluminum) is bonded via a brazing material is used.
The metal plate is formed as a circuit layer, and a power element (semiconductor element) is mounted on the metal plate via a solder material.
In addition, a metal plate made of Al or the like is bonded to the lower surface of the ceramic substrate to form a metal layer for heat dissipation, and the entire power module substrate is bonded to the heat sink via this metal layer. Yes.

また、回路層を形成する手段としては、セラミックス基板に金属板を接合した後に、この金属板に回路パターンを形成する方法の他に、例えば特許文献2に開示されているように、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する方法が提案されている。   As a means for forming a circuit layer, in addition to a method of forming a circuit pattern on a metal plate after bonding the metal plate to a ceramic substrate, for example, as disclosed in Patent Document 2, a circuit pattern is previously provided. There has been proposed a method of joining a metal piece formed in a shape to a ceramic substrate.

ここで、前記回路層及び前記金属層としての金属板とセラミックス基板との良好な接合強度を得るため、例えば下記特許文献3に、セラミックス基板の表面粗さを0.5μm未満とした技術が開示されている。   Here, in order to obtain good bonding strength between the circuit layer and the metal plate as the metal layer and the ceramic substrate, for example, the following Patent Document 3 discloses a technique in which the surface roughness of the ceramic substrate is less than 0.5 μm. Has been.

特開2003−086744号公報JP 2003-086744 A 特開2008−311294号公報JP 2008-311294 A 特開平3−234045号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-234045

しかしながら、金属板をセラミックス基板に接合する場合、単にセラミックス基板の表面粗さを低減しても十分に高い接合強度が得られず、信頼性の向上が図れないという不都合があった。例えば、セラミックス基板の表面に対して、乾式でAl粒子によるホーニング処理を行い、表面粗さをRa=0.2μmにしても、剥離試験で界面剥離が生じてしまう場合があることが分かった。また、研磨法により表面粗さをRa=0.1μm以下にしても、やはり同様に界面剥離が生じてしまう場合があった。 However, when the metal plate is bonded to the ceramic substrate, there is a disadvantage that a sufficiently high bonding strength cannot be obtained even if the surface roughness of the ceramic substrate is simply reduced, and the reliability cannot be improved. For example, even if the surface of the ceramic substrate is subjected to a honing process with Al 2 O 3 particles in a dry manner and the surface roughness is set to Ra = 0.2 μm, interface peeling may occur in the peeling test. I understood. Further, even when the surface roughness was set to Ra = 0.1 μm or less by the polishing method, there was a case where the interface peeling occurred in the same manner.

特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のように放熱板上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板が放熱板によって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになり、従来にも増して、セラミックス基板と金属板との間の接合強度の向上及び信頼性の向上が求められている。   In particular, recently, power modules have become smaller and thinner, and the usage environment has become harsh, and the amount of heat generated from electronic components tends to increase. It is necessary to dispose a module substrate. In this case, since the power module substrate is constrained by the heat radiating plate, a large shearing force acts on the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate at the time of thermal cycle loading. There is a demand for improvement in bonding strength and reliability between the metal plate and the metal plate.

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and a metal plate and a ceramic substrate are reliably bonded to each other, and a power module substrate having high thermal cycle reliability, and a heat sink equipped with the power module substrate. An object is to provide a power module substrate, a power module, and a method of manufacturing the power module substrate.

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属板には、SiとCuに加えて、Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶されており、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるSi、Cu及び前記添加元素の濃度の合計が0.05質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されていることを特徴としている。   In order to solve such problems and achieve the above object, the power module substrate of the present invention is a power module substrate in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate. In addition to Si and Cu, the metal plate contains one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li in solid solution, and the metal The total concentration of Si, Cu and the additive element in the vicinity of the interface with the ceramic substrate in the plate is set in a range of 0.05% by mass or more and 5% by mass or less.

この構成のパワーモジュール用基板においては、前記金属板にSiとCuに加えて、Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶しているので、金属板の接合界面側部分が固溶強化することになる。これにより、金属板部分での破断を防止することができ、接合信頼性を向上させることができる。
ここで、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるSi、Cu及び前記添加元素の濃度の合計が0.05質量%以上とされているので、金属板の接合界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるSi、Cu及び前記添加元素の濃度の合計が5質量%以下とされているので、金属板の接合界面の強度が過剰に高くなることを防止でき、このパワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を金属板で吸収することができ、セラミックス基板の割れ等を防止できる。
In the power module substrate having this configuration, in addition to Si and Cu, one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are solid-solved in the metal plate. Therefore, the joint interface side portion of the metal plate is strengthened by solid solution. Thereby, the fracture | rupture in a metal plate part can be prevented and joining reliability can be improved.
Here, since the total concentration of Si, Cu and the additive element in the vicinity of the interface with the ceramic substrate in the metal plate is 0.05% by mass or more, the bonding interface side portion of the metal plate can be securely Solid solution can be strengthened. In addition, since the total concentration of Si, Cu and the additive element in the vicinity of the interface with the ceramic substrate in the metal plate is 5% by mass or less, the strength of the bonding interface of the metal plate is excessively high. When a cooling cycle is applied to the power module substrate, the thermal stress can be absorbed by the metal plate, and cracking of the ceramic substrate can be prevented.

また、前記セラミックス基板の幅が前記金属板の幅よりも広く設定され、前記金属板の幅方向端部に、Cuを含む化合物がアルミニウム中に析出したCu析出部が形成された構成を採用することが好ましい。
この場合、金属板の幅方向端部にCu析出部が形成されているので、金属板の幅方向端部を析出強化することが可能となる。これにより、金属板の幅方向端部からの破断の発生を防止することができ、接合信頼性を向上させることができる。
The width of the ceramic substrate is set wider than the width of the metal plate, and a structure in which a Cu precipitation portion in which a compound containing Cu is precipitated in aluminum is formed at the width direction end portion of the metal plate is adopted. It is preferable.
In this case, since the Cu precipitation portion is formed at the end portion in the width direction of the metal plate, the end portion in the width direction of the metal plate can be strengthened by precipitation. Thereby, generation | occurrence | production of the fracture | rupture from the width direction edge part of a metal plate can be prevented, and joining reliability can be improved.

ここで、前記セラミックス基板がAlN又はAlで構成されており、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、Si濃度が前記金属板中のSi濃度の5倍以上とされたSi高濃度部が形成されていてもよい。
この場合、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、Si濃度が前記金属板中のSi濃度の5倍以上とされたSi高濃度部が形成されているので、接合界面に存在するSi原子によってAlN又はAlからなるセラミックス基板とアルミニウムからなる金属板との接合強度が向上することになる。なお、ここで、金属板中のSi濃度とは、金属板のうち接合界面から一定距離(例えば、50nm以上)離れた部分におけるSi濃度である。
Here, the ceramic substrate is made of AlN or Al 2 O 3 , and the Si concentration is 5 times or more of the Si concentration in the metal plate at the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate. A high concentration part may be formed.
In this case, since a Si high concentration portion in which the Si concentration is 5 times or more than the Si concentration in the metal plate is formed at the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate, Si present at the bonding interface is formed. The bonding strength between the ceramic substrate made of AlN or Al 2 O 3 and the metal plate made of aluminum is improved by the atoms. Here, the Si concentration in the metal plate is the Si concentration in a portion of the metal plate that is away from the joint interface by a certain distance (for example, 50 nm or more).

また、前記セラミックス基板がAlN又はSiで構成されており、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、酸素濃度が前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部が形成されており、該酸素高濃度部の厚さが4nm以下とされていてもよい。
この場合、AlN又はSiからなるセラミックス基板とアルミニウムからなる金属板との接合界面に、酸素濃度が前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部が形成されているので、接合界面に存在する酸素によってAlN又はSiからなるセラミックス基板とアルミニウムからなる金属板との接合強度が向上する。さらに、この酸素高濃度部の厚さが4nm以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって酸素高濃度部にクラックが発生することが抑制される。
なお、ここで、金属板中及びセラミックス基板中の酸素濃度とは、金属板及びセラミックス基板のうち接合界面から一定距離(例えば、50nm以上)離れた部分における酸素濃度である。
Further, the ceramic substrate is made of AlN or Si 3 N 4 , and the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the metal plate and the ceramic substrate at the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate. A high oxygen concentration portion may be formed, and the thickness of the high oxygen concentration portion may be 4 nm or less.
In this case, an oxygen high concentration portion in which the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the metal plate and the ceramic substrate is formed at the bonding interface between the ceramic substrate made of AlN or Si 3 N 4 and the metal plate made of aluminum. Since it is formed, the bonding strength between the ceramic substrate made of AlN or Si 3 N 4 and the metal plate made of aluminum is improved by oxygen present at the bonding interface. Furthermore, since the thickness of the high oxygen concentration portion is 4 nm or less, the occurrence of cracks in the high oxygen concentration portion due to stress when a thermal cycle is applied is suppressed.
Here, the oxygen concentration in the metal plate and the ceramic substrate is an oxygen concentration in a portion of the metal plate and the ceramic substrate that is away from the bonding interface by a certain distance (for example, 50 nm or more).

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前述のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えたことを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクを備えているので、パワーモジュール用基板に発生した熱をヒートシンクによって効率的に冷却することができる。
A power module substrate with a heat sink according to the present invention includes the above-described power module substrate and a heat sink that cools the power module substrate.
According to the power module substrate with a heat sink having this structure, since the heat module for cooling the power module substrate is provided, the heat generated in the power module substrate can be efficiently cooled by the heat sink.

本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との接合強度が高く、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
A power module according to the present invention includes the power module substrate described above and an electronic component mounted on the power module substrate.
According to the power module having this configuration, the bonding strength between the ceramic substrate and the metal plate is high, and the reliability can be drastically improved even when the usage environment is severe.

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、SiとCuに加えて、Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、Si,Cu及び前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、Si、Cu及び前記添加元素を、0.1mg/cm以上10mg/cm以下の範囲内で介在させ、前記加熱工程において、前記固着層のSi,Cu及び前記添加元素を前記金属板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴としている。 The method for manufacturing a power module substrate of the present invention is a method for manufacturing a power module substrate in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate, the bonding surface of the ceramic substrate and the metal In addition to Si and Cu, one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are fixed to at least one of the joining surfaces of the plates, and Si, Cu And a fixing step of forming a fixing layer containing the additive element, a stacking step of stacking the ceramic substrate and the metal plate through the fixing layer, and a stacking direction of the stacked ceramic substrate and the metal plate And heating to form a molten metal region at the interface between the ceramic substrate and the metal plate, and solidifying the molten metal region And a solidifying step for joining the ceramic substrate and the metal plate, and in the fixing step, Si, Cu, and the additive element are added to the interface between the ceramic substrate and the metal plate, respectively. In the heating step, Si, Cu, and the additive element of the fixing layer are diffused to the metal plate side in the heating step, thereby interposing the ceramic substrate and the metal in the range of 1 mg / cm 2 to 10 mg / cm 2. The molten metal region is formed at the interface with the plate.

この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、SiとCuに加えて、Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、Si,Cu及び前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程を備えているので、前記金属板と前記セラミックス基板の接合界面には、SiとCuに加えて、Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が介在することになる。ここで、SiとCu、並びに、Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成することができる。また、Cuは、Alに対して反応性の高い元素であるため、接合界面近傍にCuが存在することによってアルミニウムからなる金属板の表面が活性化することになる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
According to the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, in addition to Si and Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate, The metal plate and the ceramic substrate are provided with a fixing step of fixing one or more additive elements selected from Ga and Li and forming a fixing layer containing Si, Cu and the additional element. In addition to Si and Cu, one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are present at the bonding interface. Here, since elements such as Si and Cu, and Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are elements that lower the melting point of aluminum, the metal plate and the ceramic substrate can be bonded at a relatively low temperature. A molten metal region can be formed at the interface. In addition, since Cu is an element highly reactive with Al, the presence of Cu in the vicinity of the bonding interface activates the surface of the metal plate made of aluminum.
Therefore, it is possible to firmly bond the ceramic substrate and the metal plate even if they are bonded under relatively low temperature and short time bonding conditions.

また、加熱工程において、固着層のSiと、Cuと、Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素と、を前記金属板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記金属板と前記セラミックス基板を接合する構成としているので、Al−Si系のろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、金属板とセラミックス基板とが確実に接合されたパワーモジュール用基板を製造することができる。   Further, in the heating process, Si, Cu, and one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are diffused to the metal plate side. By forming the molten metal region at the interface between the ceramic substrate and the metal plate, and solidifying the molten metal region, the metal plate and the ceramic substrate are joined. It is not necessary to use a Si-based brazing material foil or the like, and a power module substrate in which a metal plate and a ceramic substrate are reliably bonded can be manufactured at low cost.

このように、ろう材箔を使用せずに、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合可能であることから、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、例えば、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する場合であっても、位置ズレ等によるトラブルを未然に防止することができる。   Thus, since the ceramic substrate and the metal plate can be joined without using a brazing material foil, it is not necessary to perform an alignment operation or the like of the brazing material foil. Even when the formed metal piece is bonded to the ceramic substrate, troubles due to misalignment can be prevented in advance.

また、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在されるSi、Cu及び前記添加元素の固着量を0.1mg/cm以上としているので、セラミックス基板と金属板との界面に、溶融金属領域を確実に形成することができ、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
さらに、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在されるSi、Cu及び前記添加元素の固着量を10mg/cm以下としているので、固着層にクラックが発生することを防止することができ、セラミックス基板と金属板との界面に溶融金属領域を確実に形成することができる。さらに、Si、Cu及び前記添加元素が過剰に金属板側に拡散して界面近傍の金属板の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を金属板で吸収することができ、セラミックス基板の割れ等を防止できる。
Further, in the fixing step, the fixing amount of Si, Cu and the additive element interposed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate is 0.1 mg / cm 2 or more. A molten metal region can be reliably formed at the interface, and the ceramic substrate and the metal plate can be firmly bonded.
Furthermore, since the fixed amount of Si, Cu and the additive element interposed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate is 10 mg / cm 2 or less, it is possible to prevent the fixed layer from cracking. The molten metal region can be reliably formed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate. Furthermore, it can be prevented that Si, Cu and the additive element are excessively diffused to the metal plate side and the strength of the metal plate near the interface is excessively increased. Therefore, when a cooling cycle is loaded on the power module substrate, the thermal stress can be absorbed by the metal plate, and cracking of the ceramic substrate can be prevented.

さらに、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、Si、Cu及び前記添加元素を、0.1mg/cm以上10mg/cm以下の範囲内で介在させているので、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるSi、Cu及び前記添加元素の濃度の合計が0.05質量%以上5質量%以下の範囲内とされたパワーモジュール用基板を製造することができる。 Further, in the fixing step, Si, Cu and the additive element are interposed in the range of 0.1 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less at the interface between the ceramic substrate and the metal plate. Producing a power module substrate in which the total concentration of Si, Cu and the additive element in the vicinity of the interface with the ceramic substrate in the metal plate is in the range of 0.05 mass% to 5 mass%. it can.

しかも、金属板及びセラミックス基板に直接固着層を形成しているので、酸化被膜は、金属板の表面にのみ形成されることになり、金属板及びセラミックス基板の界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。   Moreover, since the fixing layer is formed directly on the metal plate and the ceramic substrate, the oxide film is formed only on the surface of the metal plate, and the total thickness of the oxide film existing at the interface between the metal plate and the ceramic substrate. Therefore, the yield of initial bonding is improved.

なお、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に直接Si、Cu及び前記添加元素を固着させる構成としているが、生産性の観点から、金属板の接合面にSi、Cu及び前記添加元素を固着させることが好ましい。セラミックス基板の接合面にSi、Cu及び前記添加元素を固着する場合、一枚毎のセラミックス基板にそれぞれSi、Cu及び前記添加元素を固着しなければならない。これに対して、金属板の接合面へSi、Cu及び前記添加元素を固着する場合には、ロール状に巻かれた長尺の金属条に対し、その一端から他端にまで連続的にSi、Cu及び前記添加元素を固着することが可能となり、生産性に優れている。   In addition, although it is set as the structure which adheres Si, Cu, and the said additional element directly to at least one among the joint surface of the said ceramic substrate and the said metal plate, from a viewpoint of productivity, Si, It is preferable to fix Cu and the additive element. When Si, Cu, and the additive element are fixed to the bonding surface of the ceramic substrate, Si, Cu, and the additive element must be fixed to each ceramic substrate. On the other hand, when Si, Cu and the additive element are fixed to the joint surface of the metal plate, Si is continuously applied from one end to the other end of the long metal strip wound in a roll shape. Cu and the additive element can be fixed, and the productivity is excellent.

また、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Si、Cu及び前記添加元素をそれぞれ単独で固着して、Cu層、Si層及び添加元素層を形成してもよい。あるいは、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Si、Cu及び前記添加元素を同時に固着させてSiとCuと前記添加元素の固着層を形成してもよい。   Alternatively, the Cu layer, the Si layer, and the additive element layer may be formed by fixing Si, Cu, and the additive element individually to at least one of the joint surface of the ceramic substrate and the joint surface of the metal plate. Good. Alternatively, Si, Cu, and the additional element may be simultaneously fixed to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate to form a fixed layer of Si, Cu, and the additional element.

ここで、前記固着工程では、Si、Cu及び前記添加元素とともにAlを固着させる構成とすることが好ましい。
この場合、Si、Cu及び前記添加元素とともにAlを固着させているので、形成される固着層がAlを含有することになり、加熱工程において、この固着層が優先的に溶融して溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することができる。また、Mg,Ca,Liなどの酸化活性元素の酸化を防止することができる。なお、Si、Cu及び前記添加元素とともにAlを固着させるには、Si、Cu及び前記添加元素とAlとを同時に蒸着してもよいし、Si、Cu及び前記添加元素とAlの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。さらに、Si、Cu及び添加元素とAlとを積層してもよい。
Here, in the fixing step, it is preferable that Al is fixed together with Si, Cu and the additive element.
In this case, since Al is fixed together with Si, Cu and the additive element, the fixed layer to be formed contains Al, and in the heating process, the fixed layer is preferentially melted and the molten metal region. Can be reliably formed, and the ceramic substrate and the metal plate can be firmly bonded. Moreover, oxidation of oxidation active elements, such as Mg, Ca, Li, can be prevented. In order to fix Al together with Si, Cu and the additive element, Si, Cu and the additive element and Al may be vapor-deposited simultaneously, or an alloy of Si, Cu and the additive element and Al may be used as a target. Sputtering may be performed. Furthermore, Si, Cu, an additive element, and Al may be stacked.

また、前記固着工程は、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にSi、Cu及び前記添加元素を固着させるものとすることが好ましい。
この場合、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Si、Cu及び前記添加元素が前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に確実に固着されるので、セラミックス基板と金属板との接合界面にSi、Cu及び前記添加元素を確実に介在させることが可能となる。また、Si、Cu及び前記添加元素の固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域を確実に形成して、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
Further, the fixing step may include at least one of a bonding surface of the ceramic substrate and a bonding surface of the metal plate by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of paste and ink in which powder is dispersed. It is preferable to fix Si, Cu, and the additional element on one side.
In this case, Si, Cu, and the additive element are bonded to the bonding surface of the ceramic substrate and the metal plate by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of paste and ink in which powder is dispersed. Since it is securely fixed to at least one of the surfaces, Si, Cu, and the additive element can be reliably interposed at the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate. In addition, it is possible to accurately adjust the amount of Si, Cu, and the additive element, and it is possible to securely form the molten metal region and firmly bond the ceramic substrate and the metal plate.

本発明によれば、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the metal plate and the ceramic board | substrate are joined reliably, the board | substrate for power modules with high heat cycle reliability, the board | substrate for power modules with a heat sink provided with this board | substrate for power modules, a power module, and this power module It is possible to provide a method for manufacturing a manufacturing substrate.

本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層のSi濃度、Cu濃度及び添加元素濃度を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Si density | concentration, Cu density | concentration, and additive element density | concentration of the circuit layer and metal layer of the board | substrate for power modules which are the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層(金属板)とセラミックス基板との接合界面の模式図である。It is a schematic diagram of the joining interface of the circuit layer of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention, a metal layer (metal plate), and a ceramic substrate. 本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 図5における金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the joining interface vicinity of the metal plate and ceramic substrate in FIG. 本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層のSi濃度、Cu濃度及び添加元素濃度を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Si density | concentration, Cu density | concentration, and additive element density | concentration of the circuit layer and metal layer of the board | substrate for power modules which are the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層(金属板)とセラミックス基板との接合界面の模式図である。It is the schematic diagram of the joining interface of the circuit layer of the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention, a metal layer (metal plate), and a ceramic substrate. 本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention.

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図1に本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール1は、回路層12が配設されたパワーモジュール用基板10と、回路層12の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク4とを備えている。ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層12とはんだ層2との間にNiメッキ層(図示なし)が設けられている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a power module substrate and a power module according to the first embodiment of the present invention.
The power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is disposed, a semiconductor chip 3 bonded to the surface of the circuit layer 12 via a solder layer 2, and a heat sink 4. Here, the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material. In the present embodiment, a Ni plating layer (not shown) is provided between the circuit layer 12 and the solder layer 2.

パワーモジュール用基板10は、セラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面(図1において上面)に配設された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)に配設された金属層13とを備えている。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。なお、本実施形態では、図1に示すように、セラミック基板11の幅(図1における左右方向長さ)は、回路層12及び金属層13の幅より広く設定されている。
The power module substrate 10 has a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and the other surface (lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. And a disposed metal layer 13.
The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). In addition, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the width of the ceramic substrate 11 (the length in the left-right direction in FIG. 1) is set wider than the width of the circuit layer 12 and the metal layer 13.

回路層12は、図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面に導電性を有する金属板22が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層12は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板22がセラミックス基板11に接合されることにより形成されている。   As shown in FIG. 5, the circuit layer 12 is formed by bonding a conductive metal plate 22 to one surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by joining a metal plate 22 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 11.

金属層13は、図5に示すように、セラミックス基板11の他方の面に金属板23が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層13は、回路層12と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板23がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。   As shown in FIG. 5, the metal layer 13 is formed by bonding a metal plate 23 to the other surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by joining a metal plate 23 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more, like the circuit layer 12, to the ceramic substrate 11. Is formed.

ヒートシンク4は、前述のパワーモジュール用基板10を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板10と接合される天板部5と、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路6と、を備えている。ヒートシンク4(天板部5)は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、A6063(アルミニウム合金)で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク4の天板部5と金属層13との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層15が設けられている。
The heat sink 4 is for cooling the power module substrate 10 described above, and the top plate portion 5 joined to the power module substrate 10 and the flow path 6 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). And. The heat sink 4 (top plate portion 5) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and in this embodiment, is made of A6063 (aluminum alloy).
In the present embodiment, a buffer layer 15 made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) is provided between the top plate portion 5 of the heat sink 4 and the metal layer 13. .

そして、図2に示すように、セラミックス基板11と回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)との接合界面30の幅方向中央部においては、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)にSiとCuに加えて、Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶している。回路層12及び金属層13の接合界面30近傍には、接合界面30から積層方向に離間するにしたがい漸次Si濃度、Cu濃度及び前記添加元素の濃度が低下する濃度傾斜層33が形成されている。ここで、この濃度傾斜層33の接合界面30側(回路層12及び金属層13の接合界面30近傍)のSi、Cu及び前記添加元素の濃度の合計が、0.05質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
なお、回路層12及び金属層13の接合界面30近傍のSi、Cu及び前記添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面30から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図2のグラフは、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の50μm位置での濃度を基準として求めたものである。
As shown in FIG. 2, the circuit layer 12 (metal plate 22) is formed at the center in the width direction of the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23). ) And the metal layer 13 (metal plate 23), in addition to Si and Cu, one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are in solid solution. . In the vicinity of the bonding interface 30 between the circuit layer 12 and the metal layer 13, a concentration gradient layer 33 is formed in which the Si concentration, the Cu concentration, and the concentration of the additive element gradually decrease as they are separated from the bonding interface 30 in the stacking direction. . Here, the total concentration of Si, Cu and the additive element on the bonding interface 30 side of the concentration gradient layer 33 (near the bonding interface 30 of the circuit layer 12 and the metal layer 13) is 0.05 mass% or more and 5 mass%. It is set within the following range.
The concentrations of Si, Cu, and the additive element in the vicinity of the bonding interface 30 between the circuit layer 12 and the metal layer 13 are average values measured at five points at a position 50 μm from the bonding interface 30 by EPMA analysis (spot diameter 30 μm). is there. The graph of FIG. 2 is obtained by performing line analysis in the stacking direction in the central portion of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23), and obtaining the above-mentioned concentration at the 50 μm position as a reference. It is.

ここで、本実施形態では、Geを添加元素として用いており、回路層12及び金属層13の接合界面30近傍のGe濃度が0.05質量%以上1質量%以下、Si濃度が0.05質量%以上0.5質量%以下、Cu濃度が0.05質量%以上1質量%以下の範囲内に設定されている。   Here, in this embodiment, Ge is used as an additive element, the Ge concentration in the vicinity of the junction interface 30 between the circuit layer 12 and the metal layer 13 is 0.05 mass% or more and 1 mass% or less, and the Si concentration is 0.05. The mass is set in the range of not less than 0.5% by mass and the Cu concentration is not less than 0.05% by mass and not more than 1% by mass.

また、セラミックス基板11と回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)との接合界面30の幅方向端部においては、アルミニウムの母相中にCuを含む化合物が析出したCu析出部35が形成されている。ここで、このCu析出部35におけるCu濃度は、0.5質量%以上5.0質量%以下の範囲内に設定されており、アルミニウム中の固溶量を大幅に超えるCuが含有されている。
なお、Cu析出部35のCu濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)で5点測定した平均値である。
Further, at the end portion in the width direction of the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23), a Cu-containing compound is precipitated in the aluminum matrix. A precipitation portion 35 is formed. Here, Cu concentration in this Cu precipitation part 35 is set in the range of 0.5 mass% or more and 5.0 mass% or less, and Cu exceeding the amount of solid solution in aluminum is contained. .
Note that the Cu concentration of the Cu precipitation portion 35 is an average value measured at five points by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm).

また、セラミックス基板11と回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)との接合界面30を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図3に示すように、接合界面30にSiが濃縮したSi高濃度部32が形成されている。このSi高濃度部32においては、Si濃度が、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)中のSi濃度よりも5倍以上高くなっている。なお、このSi高濃度部32の厚さHは4nm以下とされている。
ここで、観察する接合界面30は、図3に示すように、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)の格子像の界面側端部とセラミックス基板11の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。
Further, when the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) is observed with a transmission electron microscope, as shown in FIG. A Si high concentration portion 32 enriched with Si is formed. In the high Si concentration portion 32, the Si concentration is 5 times or more higher than the Si concentration in the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23). The thickness H of the high Si concentration portion 32 is 4 nm or less.
Here, as shown in FIG. 3, the bonding interface 30 to be observed is an interface side end of the lattice image of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) and the lattice image of the ceramic substrate 11. A center between the interface side end portion is defined as a reference plane S.

以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板10の製造方法について、図4から図6を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 10 for power modules of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to FIGS.

(固着工程S1)
まず、図5及び図6に示すように、金属板22、23のそれぞれの接合面に、スパッタリングによってSi及びCu、並びに、Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、固着層24、25を形成する。
ここで、本実施形態では、Geを添加元素として用いており、固着層24、25におけるSi量は0.002mg/cm以上1.2mg/cm以下、Cu量は0.08mg/cm以上2.7mg/cm以下、Ge量は0.002mg/cm以上2.5mg/cm以下に設定されている。
(Fixing step S1)
First, as shown in FIGS. 5 and 6, 1 is selected from Si and Cu, and Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li by sputtering on the respective joint surfaces of the metal plates 22 and 23. The seeds or two or more additional elements are fixed to form the fixed layers 24 and 25.
Here, in the present embodiment, using the Ge as an additional element, Si amount in the pinned layer 24 and 25 are 0.002 mg / cm 2 or more 1.2 mg / cm 2 or less, Cu amount is 0.08 mg / cm 2 The above is set to 2.7 mg / cm 2 or less, and the Ge amount is set to 0.002 mg / cm 2 or more and 2.5 mg / cm 2 or less.

(積層工程S2)
次に、図5に示すように、金属板22をセラミックス基板11の一方の面側に積層し、かつ、金属板23をセラミックス基板11の他方の面側に積層する。このとき、図5及び図6に示すように、金属板22、23のうち固着層24、25が形成された面がセラミックス基板11を向くように積層する。すなわち、金属板22、23とセラミックス基板11との間にそれぞれ固着層24、25(Si、Cu及び前記添加元素)を介在させているのである。このようにして積層体20を形成する。
(Lamination process S2)
Next, as shown in FIG. 5, the metal plate 22 is laminated on one surface side of the ceramic substrate 11, and the metal plate 23 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 11. At this time, as shown in FIGS. 5 and 6, the metal plates 22 and 23 are laminated so that the surfaces on which the fixing layers 24 and 25 are formed face the ceramic substrate 11. That is, the fixing layers 24 and 25 (Si, Cu and the additive elements) are interposed between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11, respectively. In this way, the laminate 20 is formed.

(加熱工程S3)
次に、積層工程S2において形成された積層体20を、その積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm)した状態で加熱炉内に装入して加熱し、図6に示すように、金属板22、23とセラミックス基板11との界面にそれぞれ溶融金属領域26、27を形成する。この溶融金属領域26、27は、図6に示すように、固着層24、25のSi、Cu及び前記添加元素が金属板22、23側に拡散することによって、金属板22、23の固着層24、25近傍のSi濃度、Cu濃度及び前記添加元素の濃度(本実施形態では、Ge濃度)が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。なお、上述の圧力が1kgf/cm未満の場合には、セラミックス基板11と金属板22、23との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が35kgf/cmを超えた場合には、金属板22,23が変形するおそれがある。よって、上述の加圧圧力は、1〜35kgf/cmの範囲内とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をNガス雰囲気としており、加熱温度は、550℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
(Heating step S3)
Next, the stacked body 20 formed in the stacking step S2 is charged in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) in a heating furnace and heated, as shown in FIG. The molten metal regions 26 and 27 are formed at the interfaces between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11, respectively. As shown in FIG. 6, the molten metal regions 26 and 27 are formed by fixing the Si and Cu in the fixing layers 24 and 25 and the additive element to the metal plates 22 and 23, thereby causing the fixing layers of the metal plates 22 and 23. It is formed by increasing the Si concentration in the vicinity of 24 and 25, the Cu concentration, and the concentration of the additive element (in this embodiment, the Ge concentration) to lower the melting point. When the pressure is less than 1 kgf / cm 2 , there is a possibility that the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 cannot be bonded well. Moreover, when the above-mentioned pressure exceeds 35 kgf / cm < 2 >, there exists a possibility that the metal plates 22 and 23 may deform | transform. Therefore, the above-mentioned pressurizing pressure is preferably in the range of 1 to 35 kgf / cm 2 .
Here, in this embodiment, the atmosphere in the heating furnace is an N 2 gas atmosphere, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 650 ° C. or less.

(凝固工程S4)
次に、溶融金属領域26、27が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域26、27中のSi、Cu及び添加元素(本実施形態では、Ge)が、さらに金属板22、23側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域26、27であった部分のSi濃度、Cu濃度及び前記添加元素の濃度(本実施形態では、Ge濃度)が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板11と金属板22、23とは、いわゆる等温拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
(Coagulation step S4)
Next, the temperature is kept constant with the molten metal regions 26 and 27 formed. Then, Si, Cu and additive elements (Ge in this embodiment) in the molten metal regions 26 and 27 are further diffused toward the metal plates 22 and 23. As a result, the Si concentration, the Cu concentration, and the concentration of the additive element (Ge concentration in the present embodiment) in the portions that were the molten metal regions 26 and 27 gradually decrease, and the melting point increases. Coagulation proceeds in a state where is kept constant. That is, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are bonded by so-called isothermal diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding). After solidification progresses in this way, cooling is performed to room temperature.

このようにして、回路層12及び金属層13となる金属板22、23とセラミックス基板11とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板10が製造される。   In this way, the metal plates 22 and 23 to be the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 are joined, and the power module substrate 10 according to the present embodiment is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板10及びパワーモジュール1においては、金属板22、23の接合面にSi、Cu及び前記添加元素(本実施形態では、Ge)を固着させる固着工程S1を備えているので、金属板22、23とセラミックス基板11の接合界面30には、Si、Cu及び前記添加元素とが介在することになる。ここで、Cuは、Alに対して反応性の高い元素であるため、接合界面30にCuが存在することによってアルミニウムからなる金属板22、23の表面が活性化することになる。よって、セラミックス基板11と金属板22、23とを強固に接合することが可能となる。   In the power module substrate 10 and the power module 1 according to the present embodiment configured as described above, Si, Cu, and the additive element (Ge in the present embodiment) are added to the joint surfaces of the metal plates 22 and 23. Since the fixing step S <b> 1 for fixing is provided, Si, Cu, and the additive element are present in the bonding interface 30 between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11. Here, since Cu is an element highly reactive with Al, the presence of Cu at the bonding interface 30 activates the surfaces of the metal plates 22 and 23 made of aluminum. Therefore, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be firmly bonded.

さらに、セラミックス基板11と回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)とが、金属板22、23の接合面に形成されたSi、Cu及び前記添加元素を含有する固着層24、25のSi、Cu及び前記添加元素を金属板22、23側に拡散させることによって溶融金属領域26、27を形成し、この溶融金属領域26、27中のSi、Cu及び前記添加元素を金属板22、23へ拡散させることによって凝固させて接合しているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板11と金属板22、23とを強固に接合することが可能となる。特に、Si、Cu及びZn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiといった元素は、アルミニウムの融点を降下するものであることから、低温条件での接合が可能となる。   Further, the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23) are formed on the bonding surfaces of the metal plates 22 and 23, and a fixing layer containing Si, Cu, and the additive element. The molten metal regions 26 and 27 are formed by diffusing 24, 25 Si, Cu and the additive element toward the metal plates 22 and 23, and Si, Cu and the additive element in the molten metal regions 26 and 27 are formed. Since the metal plates 22 and 23 are solidified by being diffused and bonded, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be firmly bonded even if bonded under relatively low temperature and short time bonding conditions. Is possible. In particular, since elements such as Si, Cu and Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li lower the melting point of aluminum, bonding under low temperature conditions is possible.

また、セラミックス基板11と回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)との接合界面30の幅方向中央部においては、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)にSi、Cu及び前記添加元素が固溶しており、回路層12及び金属層13のそれぞれの接合界面30側のSi、Cu及び前記添加元素の濃度の合計が、0.05質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、Geを添加元素として用いており、回路層12及び金属層13の接合界面30近傍のGe濃度が0.05質量%以上1質量%以下、Si濃度が0.05質量%以上0.5質量%以下、Cu濃度が0.05質量%以上1質量%以下の範囲内に設定されているので、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)の接合界面30側の部分が固溶強化し、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)における亀裂の発生を防止することができる。
また、加熱工程S3においてSi、Cu及び前記添加元素が十分に金属板22、23側に拡散しており、金属板22、23とセラミックス板11とが強固に接合されていることになる。
Further, at the center portion in the width direction of the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23), the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal) In the plate 23), Si, Cu and the additive element are dissolved, and the total concentration of Si, Cu and the additive element on the bonding interface 30 side of the circuit layer 12 and the metal layer 13 is 0.05 mass. In the present embodiment, Ge is used as an additive element, and the Ge concentration in the vicinity of the junction interface 30 between the circuit layer 12 and the metal layer 13 is 0.05% by mass. 1% by mass or less, Si concentration of 0.05% by mass or more and 0.5% by mass or less, and Cu concentration of 0.05% by mass or more and 1% by mass or less. Plate 22) and metal layer 13 (metal plate 2) Joint interface 30 side portions solid solution strengthening of), it is possible to prevent the occurrence of cracks in the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23).
Further, in the heating step S3, Si, Cu and the additive element are sufficiently diffused to the metal plates 22 and 23 side, and the metal plates 22 and 23 and the ceramic plate 11 are firmly bonded.

さらに、本実施形態では、セラミックス基板11がAlNで構成されており、金属板22、23とセラミックス基板11との接合界面30に、Si濃度が、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)中のSi濃度の5倍以上とされたSi高濃度部32が形成されているので、接合界面30に存在するSiによってセラミックス基板11と金属板22、23との接合強度の向上を図ることができる。   Furthermore, in the present embodiment, the ceramic substrate 11 is made of AlN, and the Si concentration at the bonding interface 30 between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 is the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13. Since the Si high concentration portion 32 having a Si concentration of 5 times or more of the (metal plate 23) is formed, the bonding strength between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 is increased by Si present at the bonding interface 30. Improvements can be made.

また、金属板の接合面にSi、Cu及び前記添加元素を固着させて固着層24、25を形成する固着工程S1を備えており、加熱工程S3において、固着層24、25のSi、Cu及び前記添加元素を金属板22、23側に拡散させることにより、セラミックス基板11と金属板22、23との界面に溶融金属領域26、27を形成する構成としているので、製造が困難なAl−Si系のろう材箔を用いる必要がなく、低コストで、金属板22、23とセラミックス基板11とが確実に接合されたパワーモジュール用基板10を製造することが可能となる。   In addition, a fixing step S1 is provided in which Si, Cu and the additive element are fixed to the bonding surface of the metal plate to form the fixing layers 24, 25. In the heating step S3, the Si, Cu and the fixing layers 24, 25 Since the molten metal regions 26 and 27 are formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 by diffusing the additive element toward the metal plates 22 and 23, Al-Si which is difficult to manufacture is formed. It is not necessary to use a brazing material foil, and the power module substrate 10 in which the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 are reliably bonded can be manufactured at low cost.

また、本実施形態では、固着工程S1において、セラミックス基板11と金属板22、23との界面に介在されるSi量、Cu量及びGe量を、Si;0.002mg/cm以上、Cu;0.08mg/cm以上、Ge;0.002mg/cm以上としているので、セラミックス基板11と金属板22、23との界面に、溶融金属領域26、27を確実に形成することができ、セラミックス基板11と金属板22、23とを強固に接合することが可能となる。 In the present embodiment, in the fixing step S1, the Si amount, the Cu amount, and the Ge amount interposed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22, 23 are set to Si: 0.002 mg / cm 2 or more, Cu; Since 0.08 mg / cm 2 or more and Ge; 0.002 mg / cm 2 or more, the molten metal regions 26 and 27 can be reliably formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23, It becomes possible to firmly bond the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23.

さらに、セラミックス基板11と金属板22、23との界面に介在されるSi量、Cu量及びGe量を、Si;1.2mg/cm以下、Cu;2.7mg/cm以下、Ge;2.5mg/cm以下としているので、固着層24、25にクラックが発生することを防止することができ、セラミックス基板11と金属板22,23との界面に溶融金属領域26,27を確実に形成することができる。さらに、Si、Cu及び前記添加元素が過剰に金属板22,23側に拡散して界面近傍の金属板22,23の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板10に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を回路層12、金属層13(金属板22,23)で吸収することができ、セラミックス基板11の割れ等を防止できる。 Furthermore, Si amount is interposed in the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23, the Cu amount and amount of Ge, Si; 1.2mg / cm 2 or less, Cu; 2.7 mg / cm 2 or less, Ge; Since it is 2.5 mg / cm 2 or less, the occurrence of cracks in the fixing layers 24 and 25 can be prevented, and the molten metal regions 26 and 27 are surely provided at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23. Can be formed. Furthermore, it is possible to prevent the Si and Cu and the additive element from excessively diffusing to the metal plates 22 and 23 side and excessively increasing the strength of the metal plates 22 and 23 in the vicinity of the interface. Therefore, when the cooling cycle is applied to the power module substrate 10, the thermal stress can be absorbed by the circuit layer 12 and the metal layer 13 (metal plates 22 and 23), and cracking of the ceramic substrate 11 can be prevented. .

また、ろう材箔を使用せずに、金属板22、23の接合面に直接固着層24、25を形成しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実にセラミックス基板11と金属板22,23とを接合することができる。
しかも、金属板22、23の接合面に固着層24、25を形成しているので、金属板22、23とセラミックス基板11との界面に介在する酸化被膜は、金属板22、23の表面にのみ存在することになるため、接合をN雰囲気下で行うことが可能となる。よって、このパワーモジュール用基板10を効率良く製出することが可能となり、製造コストを大幅に削減することが可能となる。
Further, since the fixing layers 24 and 25 are formed directly on the joint surfaces of the metal plates 22 and 23 without using the brazing material foil, it is not necessary to perform the alignment work of the brazing material foil, and the ceramics can be surely used. The board | substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be joined.
In addition, since the fixing layers 24 and 25 are formed on the joining surfaces of the metal plates 22 and 23, the oxide film interposed at the interface between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 is formed on the surfaces of the metal plates 22 and 23. Therefore, bonding can be performed in an N 2 atmosphere. Therefore, this power module substrate 10 can be produced efficiently, and the manufacturing cost can be greatly reduced.

次に、本発明の第2の実施形態について図7から図10を参照して説明する。
この第2の実施形態であるパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板111がSiで構成されている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the power module substrate according to the second embodiment, the ceramic substrate 111 is made of Si 3 N 4 .

セラミックス基板111と回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)との接合界面130の幅方向中央部においては、図7に示すように、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)にSiとCuに加えて、Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶している。ここで、回路層112及び金属層113の接合界面130近傍のSi、Cu及び前記添加元素の濃度の合計が、0.05質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
なお、回路層112及び金属層113の接合界面130近傍のSi、Cu及び前記添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面130から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図7のグラフは、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の50μm位置での濃度を基準として求めたものである。
As shown in FIG. 7, the circuit layer 112 (metal plate 122) and the ceramic substrate 111, the circuit layer 112 (metal plate 122), and the metal layer 113 (metal plate 123) In addition to Si and Cu, one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are dissolved in the metal layer 113 (metal plate 123). Here, the total concentration of Si, Cu and the additive element in the vicinity of the bonding interface 130 between the circuit layer 112 and the metal layer 113 is set within a range of 0.05 mass% or more and 5 mass% or less.
The concentrations of Si, Cu, and the additive element in the vicinity of the bonding interface 130 between the circuit layer 112 and the metal layer 113 are average values measured at five points from the bonding interface 130 by the EPMA analysis (spot diameter 30 μm). is there. In addition, the graph of FIG. 7 is obtained by performing line analysis in the stacking direction in the central portion of the circuit layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123), and obtaining the concentration at the above-mentioned 50 μm position as a reference. It is.

ここで、本実施形態では、Agを添加元素として用いており、回路層112及び金属層113の接合界面130近傍のAg濃度が0.05質量%以上1.5質量%以下、Si濃度が0.05質量%以上0.5質量%以下、Cu濃度が0.05質量%以上1質量%以下の範囲内に設定されている。   Here, in this embodiment, Ag is used as an additive element, the Ag concentration in the vicinity of the bonding interface 130 between the circuit layer 112 and the metal layer 113 is 0.05 mass% or more and 1.5 mass% or less, and the Si concentration is 0. 0.05 mass% or more and 0.5 mass% or less, and Cu concentration is set in the range of 0.05 mass% or more and 1 mass% or less.

また、セラミックス基板111と回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)との接合界面130を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図8に示すように、接合界面130に酸素が濃縮した酸素高濃度部132が形成されている。この酸素高濃度部132においては、酸素濃度が、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)中の酸素濃度よりも高くなっている。なお、この酸素高濃度部132の厚さHは4nm以下とされている。
なお、ここで観察する接合界面130は、図8に示すように、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)の格子像の界面側端部とセラミックス基板111の格子像の接合界面側端部との間の中央を基準面Sとする。
When the bonding interface 130 between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123) is observed with a transmission electron microscope, as shown in FIG. An oxygen high concentration portion 132 in which oxygen is concentrated is formed. In the oxygen high concentration portion 132, the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the circuit layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123). Note that the thickness H of the high oxygen concentration portion 132 is 4 nm or less.
As shown in FIG. 8, the bonding interface 130 observed here is a lattice image of the ceramic substrate 111 and the interface side end of the lattice image of the circuit layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123). The reference plane S is the center between the end of the bonding interface side.

以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板の製造方法について、図9及び図10を参照して説明する。なお、本実施形態では、固着工程が、Cu固着工程S10とSi固着工程S11と添加元素固着工程S12とに分離されている。   Below, the manufacturing method of the board | substrate for power modules of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to FIG.9 and FIG.10. In the present embodiment, the fixing step is separated into a Cu fixing step S10, a Si fixing step S11, and an additive element fixing step S12.

(Cu固着工程S10)
まず、図10に示すように、金属板122、123のそれぞれの接合面に、スパッタリングによってCuを固着し、Cu層124A、125Aを形成する。ここで、Cu層124A、125AにおけるCu量は、0.08mg/cm以上2.7mg/cm以下に設定されている。また、Cu層124A、125Aの厚さは、0.1μm以上3μm以下の範囲内に設定することが好ましい。
(Cu fixing step S10)
First, as shown in FIG. 10, Cu is fixed to the respective joint surfaces of the metal plates 122 and 123 by sputtering to form Cu layers 124A and 125A. Here, the amount of Cu in the Cu layers 124A and 125A is set to 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less. Moreover, it is preferable to set the thickness of the Cu layers 124A and 125A within the range of 0.1 μm or more and 3 μm or less.

(Si固着工程S11)
次に、金属板122、123のそれぞれの接合面に形成されたCu層124A、125Aの上に、スパッタリングによってSiを固着し、Si層124B、125Bを形成する。ここで、Si層124B、125BにおけるSi量は、0.002mg/cm以上1.2mg/cm以下に設定されている。また、Si層124B、125Bの厚さは、0.01μm以上5μm以下の範囲内に設定することが好ましい。
(Si fixing step S11)
Next, Si is fixed on the Cu layers 124A and 125A formed on the joint surfaces of the metal plates 122 and 123 by sputtering to form Si layers 124B and 125B. Here, Si layer 124B, Si amount in the 125B is set to 0.002 mg / cm 2 or more 1.2 mg / cm 2 or less. The thickness of the Si layers 124B and 125B is preferably set within a range of 0.01 μm to 5 μm.

(添加元素固着工程S12)
次に、前述のSi層124B、125Bの上に、スパッタリングによってZn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、添加元素層124C、125Cを形成する。ここで、本実施形態では、添加元素としてAgを用いており、添加元素層124C、125CにおけるAg量は,0.08mg/cm以上5.4mg/cm以下に設定されている。また、添加元素層124C、125Cの厚さは、0.01μm以上5μm以下の範囲内に設定することが好ましい。
(Additive element fixing step S12)
Next, one or more additional elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are fixed on the Si layers 124B and 125B by sputtering, and the additional element layer 124C is obtained. , 125C. Here, in the present embodiment uses the Ag as an additional element, the additional element layer 124C, Ag amount in the 125C is set to 0.08 mg / cm 2 or more 5.4 mg / cm 2 or less. The thickness of the additive element layers 124C and 125C is preferably set within a range of 0.01 μm to 5 μm.

(積層工程S13)
次に、金属板122をセラミックス基板111の一方の面側に積層し、かつ、金属板123をセラミックス基板111の他方の面側に積層する。このとき、図10に示すように、金属板122、123のうちCu層124A、125A、Si層124B、125B及び添加元素層124C、125Cが形成された面がセラミックス基板111を向くように積層する。すなわち、金属板122、123とセラミックス基板111との間にそれぞれCu層124A、125A、Si層124B、125B及び添加元素層124C、125Cを介在させているのである。このようにして積層体を形成する。
(Lamination process S13)
Next, the metal plate 122 is laminated on one surface side of the ceramic substrate 111, and the metal plate 123 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 111. At this time, as shown in FIG. 10, the metal plates 122 and 123 are stacked so that the surfaces on which the Cu layers 124A and 125A, the Si layers 124B and 125B, and the additive element layers 124C and 125C are formed face the ceramic substrate 111. . That is, the Cu layers 124A, 125A, the Si layers 124B, 125B, and the additive element layers 124C, 125C are interposed between the metal plates 122, 123 and the ceramic substrate 111, respectively. In this way, a laminate is formed.

(加熱工程S14)
次に、積層工程S13において形成された積層体を、その積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm)した状態で加熱炉内に装入して加熱し、図10に示すように、金属板122、123とセラミックス基板111との界面にそれぞれ溶融金属領域126、127を形成する。この溶融金属領域126、127は、図10に示すように、Cu層124A、125A、Si層124B、125B及び添加元素層124C、125CのSi、Cu及び添加元素(本実施形態ではAg)が金属板122、123側に拡散することによって、金属板122、123のCu層124A、125A、Si層124B、125B及び添加元素層124C、125C近傍のSi濃度、Cu濃度及び添加元素の濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
ここで、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をNガス雰囲気としており、加熱温度は、550℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
(Heating step S14)
Next, the stacked body formed in the stacking step S13 is charged in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) in a heating furnace and heated, as shown in FIG. Molten metal regions 126 and 127 are formed at the interfaces between the metal plates 122 and 123 and the ceramic substrate 111, respectively. As shown in FIG. 10, in the molten metal regions 126 and 127, the Cu layers 124A and 125A, the Si layers 124B and 125B, and the additive element layers 124C and 125C have Si, Cu, and the additive element (Ag in this embodiment) made of metal. By diffusing toward the plates 122 and 123, the Si concentration, the Cu concentration and the concentration of the additive element in the vicinity of the Cu layers 124A and 125A, the Si layers 124B and 125B and the additive element layers 124C and 125C of the metal plates 122 and 123 are increased. Thus, the melting point is lowered.
Here, in this embodiment, the atmosphere in the heating furnace is an N 2 gas atmosphere, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 650 ° C. or less.

(凝固工程S15)
次に、溶融金属領域126、127が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域126、127中のSi、Cu及び添加元素がさらに金属板122、123側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域126、127であった部分のSi濃度、Cu濃度及び添加元素の濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板111と金属板122、123とは、いわゆる等温拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
(Coagulation step S15)
Next, the temperature is kept constant in a state where the molten metal regions 126 and 127 are formed. Then, Si, Cu and additive elements in the molten metal regions 126 and 127 are further diffused to the metal plates 122 and 123 side. As a result, the Si concentration, the Cu concentration, and the concentration of the additive element in the portions that were the molten metal regions 126 and 127 are gradually decreased and the melting point is increased, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. Will do. That is, the ceramic substrate 111 and the metal plates 122 and 123 are bonded by so-called isothermal diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding). After solidification progresses in this way, cooling is performed to room temperature.

このようにして、回路層112及び金属層113となる金属板122、123とセラミックス基板111とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板が製造されることになる。   In this way, the metal plates 122 and 123 to be the circuit layer 112 and the metal layer 113 are bonded to the ceramic substrate 111, and the power module substrate according to this embodiment is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板においては、金属板122、123の接合面にCuを固着させるCu固着工程S10と、Siを固着させるSi固着工程S11と、前記添加元素(本実施形態ではAg)を固着させる添加元素固着工程S12と、を備えているので、金属板122、123とセラミックス基板111の接合界面130には、Si、Cu及び前記添加元素が介在することになる。ここで、Cuは、Alに対して反応性の高い元素であるため、接合界面130にCuが存在することによってアルミニウムからなる金属板122、123の表面が活性化することになり、セラミックス基板111と金属板122、123とを強固に接合することが可能となる。   In the power module substrate according to the present embodiment configured as described above, the Cu fixing step S10 for fixing Cu to the joint surfaces of the metal plates 122 and 123, the Si fixing step S11 for fixing Si, Since the additive element fixing step S12 for fixing the additive element (Ag in the present embodiment) is provided, Si, Cu, and the additive element are interposed in the bonding interface 130 between the metal plates 122 and 123 and the ceramic substrate 111. Will do. Here, since Cu is a highly reactive element with respect to Al, the presence of Cu at the bonding interface 130 activates the surfaces of the metal plates 122 and 123 made of aluminum, and the ceramic substrate 111. And the metal plates 122 and 123 can be firmly bonded.

さらに、セラミックス基板111と回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)とが、金属板122、123の接合面に形成されたCu層124A、125AとSi層124B、125Bと添加元素層124C、125CのCu,Si及び添加元素を金属板122、123側に拡散させることによって溶融金属領域126、127を形成し、この溶融金属領域126、127中のSi、Cu及び添加元素を金属板122、123へ拡散させることによって凝固させて接合しているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板111と金属板122、123とを強固に接合することが可能となる。特に、Si、Cu及びZn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiといった元素は、アルミニウムの融点を降下するものであることから、低温条件での接合が可能となる。   Further, the ceramic substrate 111, the circuit layer 112 (metal plate 122), and the metal layer 113 (metal plate 123) are formed by Cu layers 124A and 125A and Si layers 124B and 125B formed on the joining surfaces of the metal plates 122 and 123, respectively. Molten metal regions 126 and 127 are formed by diffusing Cu, Si and additive elements of the additive element layers 124C and 125C toward the metal plates 122 and 123, and Si, Cu and additive elements in the molten metal regions 126 and 127 are formed. Is bonded to the metal plates 122 and 123 by solidification, so that the ceramic substrate 111 and the metal plates 122 and 123 are firmly bonded even when bonded under relatively low temperature and short time bonding conditions. It becomes possible. In particular, since elements such as Si, Cu and Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li lower the melting point of aluminum, bonding under low temperature conditions is possible.

また、本実施形態では、セラミックス基板111がSiで構成されており、回路層112及び金属層113となる金属板122、123とセラミックス基板111との接合界面130に、酸素濃度が回路層112及び金属層113を構成する金属板122、123中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部132が生成されているので、この酸素によってセラミックス基板111と金属板122、123との接合強度の向上を図ることができる。また、この酸素高濃度部132の厚さが4nm以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって酸素高濃度部132にクラックが発生することが抑制される。 In the present embodiment, the ceramic substrate 111 is made of Si 3 N 4 , and the oxygen concentration is present at the bonding interface 130 between the metal plates 122 and 123 to be the circuit layer 112 and the metal layer 113 and the ceramic substrate 111. Since the oxygen high concentration part 132 made higher than the oxygen concentration in the metal plates 122 and 123 constituting the layer 112 and the metal layer 113 is generated, the oxygen bonds between the ceramic substrate 111 and the metal plates 122 and 123. The strength can be improved. Further, since the thickness of the high oxygen concentration portion 132 is set to 4 nm or less, the occurrence of cracks in the high oxygen concentration portion 132 due to stress when a thermal cycle is loaded is suppressed.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層及び金属層を構成する金属板を純度99.99%の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度99%のアルミニウム(2Nアルミニウム)であってもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, the metal plate constituting the circuit layer and the metal layer has been described as a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99%, but is not limited to this, and aluminum having a purity of 99% (2N aluminum) It may be.

また、固着工程において、金属板の接合面にSi、Cu及び前記添加元素を固着させる構成としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス基板の接合面にSi、Cu及び前記添加元素を固着させてもよいし、セラミックス基板の接合面及び金属板の接合面に、それぞれSi、Cu及び前記添加元素を固着させてもよい。
また、固着工程において、Si、Cu及び前記添加元素とともにAlを固着させてもよい。
さらに、固着工程において、スパッタによってSi、Cu及び前記添加元素を固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、めっき、蒸着、CVD、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Si、Cu及び前記添加元素を固着させてもよい。
Further, in the fixing process, it has been described that Si, Cu and the additive element are fixed to the bonding surface of the metal plate, but the present invention is not limited thereto, and Si, Cu and the bonding surface of the ceramic substrate are not limited thereto. The additive element may be fixed, or Si, Cu, and the additive element may be fixed to the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate, respectively.
Further, in the fixing step, Al may be fixed together with Si, Cu and the additive element.
Furthermore, in the fixing process, it has been described that Si, Cu, and the additional element are fixed by sputtering, but the present invention is not limited to this, and plating, vapor deposition, CVD, cold spray, or powder is dispersed. Si, Cu, and the additive element may be fixed by applying paste, ink, or the like.

また、第2の実施形態において、固着工程を、Cu固着工程S10の後にSi固着工程S11を行い、さらに、添加元素固着工程S12を行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、Si固着工程、Cu固着工程及び添加元素固着工程の順番に制限はない。
さらに、添加元素とCu又は添加元素とSi等の合金を用いて、Cuと添加元素又はSiと添加元素の合金層を形成してもよい。
また、セラミックス基板と金属板との接合を、N雰囲気の加熱炉を用いて行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、真空炉を用いてセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。この場合の真空度は、10−6〜10−3Paの範囲内とすることが好ましい。
Further, in the second embodiment, the fixing process is described as performing the Si fixing process S11 after the Cu fixing process S10, and further performing the additive element fixing process S12, but is not limited thereto. There is no restriction on the order of the Si fixing step, the Cu fixing step, and the additive element fixing step.
Further, an alloy layer of Cu and an additive element or Si and an additive element may be formed using an alloy such as an additive element and Cu or an additive element and Si.
Further, the bonding between the ceramic substrate and the metal plate has been described as being performed using a heating furnace of an N 2 atmosphere, it is not limited thereto, bonding between the ceramic substrate and the metal plate using a vacuum furnace May be performed. In this case, the degree of vacuum is preferably in the range of 10 −6 to 10 −3 Pa.

また、ヒートシンクの天板部と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層がなくてもよい。
さらに、ヒートシンクをアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はなく、種々の構成のヒートシンクを用いることができる。
Moreover, although demonstrated as what provided the buffer layer which consists of aluminum, the aluminum alloy, or the composite material containing aluminum (for example, AlSiC etc.) between the top-plate part of a heat sink and a metal layer, even if this buffer layer is not provided Good.
Furthermore, although the heat sink has been described as being made of aluminum, it may be made of an aluminum alloy or a composite material containing aluminum. Furthermore, although the description has been made with the heat sink having the flow path of the cooling medium, the structure of the heat sink is not particularly limited, and heat sinks having various configurations can be used.

また、セラミックス基板をAlN、Siで構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Al等の他のセラミックスで構成されていてもよい。 Further, the ceramic substrate AlN, has been described as being composed of Si 3 N 4, it is not limited thereto, but may be composed of other ceramic such as Al 2 O 3.

本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
厚さ0.635mmのAlNからなるセラミックス基板に、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる回路層と、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる金属層とを接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
ここで、回路層及び金属層となるアルミニウム板(4Nアルミニウム)の接合面に、Si、Cu及び添加元素を固着して固着層を形成し、金属板とセラミックス基板とを積層して加圧加熱し、金属板とセラミックス基板とを接合した。
A comparative experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
A power module substrate is fabricated by bonding a circuit layer made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm and a metal layer made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm to a ceramic substrate made of AlN having a thickness of 0.635 mm. did.
Here, a bonding layer is formed by bonding Si, Cu and additive elements to the bonding surface of an aluminum plate (4N aluminum) to be a circuit layer and a metal layer, and the metal plate and the ceramic substrate are stacked and pressurized and heated. Then, the metal plate and the ceramic substrate were joined.

そして、固着する添加元素を変更した種々の試験片を製出し、これらの試験片を用いて接合信頼性の評価を行った。接合信頼性の評価としては、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後の接合率を比較した。結果を表1から表3に示す。
なお、接合率は、以下の式で算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積のこととした。
接合率 = (初期接合面積−剥離面積)/初期接合面積
And various test pieces which changed the adhering additive element were produced, and joining reliability was evaluated using these test pieces. As an evaluation of the bonding reliability, the bonding rates after 2000 times of the thermal cycle (−45 ° C.-125 ° C.) were compared. The results are shown in Tables 1 to 3.
In addition, the joining rate was computed with the following formula | equation. Here, the initial bonding area is an area to be bonded before bonding.
Bonding rate = (initial bonding area-peeling area) / initial bonding area

また、これらの試験片について、金属板のうちセラミックス基板の接合界面近傍(接合界面から50μm)のSi、Cu及び添加元素の濃度を、EPMA分析(スポット径30μm)によって測定した。Si、Cu及び添加元素の合計濃度を表1−3に併せて示す。   Moreover, about these test pieces, the density | concentration of Si, Cu, and an additional element of the metal board vicinity of the joining interface (50 micrometers from a joining interface) of a ceramic substrate was measured by EPMA analysis (spot diameter of 30 micrometers). The total concentration of Si, Cu and additive elements is shown in Table 1-3.

Figure 2011082502
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固着層のSi量が0.001mg/cm(厚さ換算0.0043μm)、Cu量が0.005mg/cm(厚さ換算0.0056μm)、及び添加元素(Li)の固着量が0.05mg/cm(厚さ換算0.935μm)とされ、固着量の合計が0.056mg/cmとされた比較例1では、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後の接合率が52.1%と非常に低い値を示した。これは、界面に介在するSi量、Cu量及び添加元素(Li)量が少なく、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を十分に形成することができなかったためと判断される。 The amount of Si in the fixing layer is 0.001 mg / cm 2 (0.0043 μm in terms of thickness), the amount of Cu is 0.005 mg / cm 2 (0.0056 μm in terms of thickness), and the amount of fixing of the additive element (Li) is 0 is a .05mg / cm 2 (thickness in terms of 0.935μm), the total fixed amount in Comparative example 1 was set to 0.056 mg / cm 2, it was repeated 2000 times a thermal cycle (-45 ℃ -125 ℃) The subsequent bonding rate was a very low value of 52.1%. This is presumably because the amount of Si, Cu, and additive element (Li) present at the interface was small, and the molten metal region could not be sufficiently formed at the interface between the metal plate and the ceramic substrate.

固着層のSi量が0.9mg/cm(厚さ換算3.86μm)、Cu量が2.2mg/cm(厚さ換算2.47μm)、及び添加元素(Ag)の固着量が5.2mg/cm(厚さ換算4.96μm)、添加元素(Ge)の固着量が2.2mg/cm(厚さ換算4.13μm)とされ、固着量の合計が10.5mg/cmとされた比較例2では、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後の接合率が65.3%であった。これは、Si、Cu及び添加元素(Ag、Ge)の量が多く金属板が硬くなり過ぎて、冷熱サイクルによる熱応力が接合界面に負荷されたためと推測される。 The fixed layer has an Si amount of 0.9 mg / cm 2 (thickness conversion: 3.86 μm), a Cu amount of 2.2 mg / cm 2 (thickness conversion: 2.47 μm), and an additional element (Ag) fixing amount of 5 .2mg / cm 2 (thickness in terms of 4.96μm), the amount fixation of the additive element (Ge) is a 2.2 mg / cm 2 (thickness in terms of 4.13μm), a total of fixed amount 10.5 mg / cm In Comparative Example 2, which was set to 2, the joining rate after 2000 times of the cooling / heating cycle (−45 ° C. to 125 ° C.) was 65.3%. This is presumably because the amount of Si, Cu, and additive elements (Ag, Ge) is so large that the metal plate becomes too hard and thermal stress due to the thermal cycle is applied to the bonding interface.

これに対して、本発明例1−60においては、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後の接合率が全て93%以上であった。
また、固着層のSi量が0.002mg/cm(厚さ換算0.0086μm)、Cu量が0.008mg/cm(厚さ換算0.009μm)、及び添加元素(Li)の固着量が0.09mg/cm(厚さ換算1.68μm)とされ、固着量の合計が0.1mg/cmとされた本発明例61や固着層のSi量が0.9mg/cm(厚さ換算3.86μm)、Cu量が2.2mg/cm(厚さ換算2.47μm)、及び添加元素(Ag)の固着量が5.0mg/cm(厚さ換算4.77μm)、添加元素(Ge)の固着量が1.9mg/cm(厚さ換算3.57μm)とされ、固着量の合計が10mg/cmとされた本発明例62においても、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後の接合率が70%を超えていた。
この結果から、本発明例によれば、Si,Cu及び各種添加元素の拡散によって、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、金属板とセラミックス基板とを強固に接合できたと判断される。
On the other hand, in Inventive Example 1-60, the joining rate after repeating the cooling / heating cycle (-45 ° C.-125 ° C.) 2000 times was 93% or more.
Further, Si amount is 0.002 mg / cm 2 (thickness conversion 0.0086Myuemu) of the pinned layer, Cu amount is 0.008 mg / cm 2 (thickness in terms of 0.009), and added sticking amount of the element (Li) Is 0.09 mg / cm 2 (thickness conversion 1.68 μm), and the total amount of fixing is 0.1 mg / cm 2 of the present invention example 61 and the fixing layer Si amount is 0.9 mg / cm 2 ( (Thickness conversion: 3.86 μm), Cu amount: 2.2 mg / cm 2 (thickness conversion: 2.47 μm), and additional element (Ag) sticking amount: 5.0 mg / cm 2 (thickness conversion: 4.77 μm) In the present invention example 62 in which the fixed amount of the additive element (Ge) was 1.9 mg / cm 2 (thickness conversion 3.57 μm) and the total fixed amount was 10 mg / cm 2 , the cooling cycle (− 45 ° C.-125 ° C.) 0% was over.
From this result, according to the example of the present invention, it becomes possible to reliably form a molten metal region at the interface between the metal plate and the ceramic substrate by diffusion of Si, Cu and various additive elements. It is judged that the material was able to be firmly joined.

また、本発明例1−62においては、金属板のうちセラミックス基板の接合界面近傍(接合界面から50μm)のSi,Cu及び各種添加元素の合計濃度が0.05質量%以上5質量%以下の範囲内になることが確認された。   In Invention Example 1-62, the total concentration of Si, Cu and various additive elements in the vicinity of the bonding interface of the ceramic substrate (50 μm from the bonding interface) of the metal plate is 0.05% by mass or more and 5% by mass or less. It was confirmed to be within the range.

1 パワーモジュール
3 半導体チップ(電子部品)
10 パワーモジュール用基板
11、111 セラミックス基板
12、112 回路層
13、113 金属層
22、23、122、123 金属板
24、25 固着層
26、27、126、127 溶融金属領域
30、130 接合界面
124A、125A Cu層
124B、125B Si層
124C、125C 添加元素層
1 Power module 3 Semiconductor chip (electronic component)
10 Power module substrate 11, 111 Ceramic substrate 12, 112 Circuit layer 13, 113 Metal layer 22, 23, 122, 123 Metal plate 24, 25 Adhering layer 26, 27, 126, 127 Molten metal region 30, 130 Bonding interface 124A 125A Cu layer 124B, 125B Si layer 124C, 125C additive element layer

Claims (9)

セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、
前記金属板には、SiとCuに加えて、Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶されており、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるSi、Cu及び前記添加元素の濃度の合計が0.05質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
A power module substrate in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate,
In the metal plate, in addition to Si and Cu, one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are solid-dissolved. Among them, the power module substrate is characterized in that the total concentration of Si, Cu and the additive element in the vicinity of the interface with the ceramic substrate is set in a range of 0.05 mass% to 5 mass%.
前記セラミックス基板の幅が前記金属板の幅よりも広く設定されており、前記金属板の幅方向端部には、Cuを含む化合物がアルミニウム中に析出したCu析出部が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール用基板。   The width of the ceramic substrate is set wider than the width of the metal plate, and a Cu precipitation portion in which a compound containing Cu is precipitated in aluminum is formed at the width direction end portion of the metal plate. The power module substrate according to claim 1. 前記セラミックス基板がAlN又はAlで構成されており、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、Si濃度が前記金属板中のSi濃度の5倍以上とされたSi高濃度部が形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のパワーモジュール用基板。 The ceramic substrate is made of AlN or Al 2 O 3 , and a Si high concentration portion where the Si concentration is 5 times or more of the Si concentration in the metal plate at the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate The power module substrate according to claim 1, wherein the power module substrate is formed. 前記セラミックス基板がAlN又はSiで構成されており、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、酸素濃度が前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部が形成されており、該酸素高濃度部の厚さが4nm以下とされていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のパワーモジュール用基板。 The ceramic substrate is made of AlN or Si 3 N 4 , and the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the metal plate and the ceramic substrate at the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate. The power module substrate according to claim 1, wherein a high concentration portion is formed, and the thickness of the oxygen high concentration portion is 4 nm or less. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えたことを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。   A power module substrate with a heat sink, comprising: the power module substrate according to any one of claims 1 to 4; and a heat sink that cools the power module substrate. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。   5. A power module comprising the power module substrate according to claim 1, and an electronic component mounted on the power module substrate. セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、SiとCuに加えて、Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、Si、Cu及び前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、Si、Cu及び前記添加元素を、0.1mg/cm以上10mg/cm以下の範囲内で介在させ、
前記加熱工程において、前記固着層の元素を前記金属板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
A method for manufacturing a power module substrate in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate,
In addition to Si and Cu, at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate is one or more selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li. A fixing step of fixing the additive element and forming a fixing layer containing Si, Cu and the additive element;
A laminating step of laminating the ceramic substrate and the metal plate via the fixing layer;
Heating and pressurizing and heating the laminated ceramic substrate and the metal plate in a laminating direction to form a molten metal region at the interface between the ceramic substrate and the metal plate;
A solidification step of joining the ceramic substrate and the metal plate by solidifying the molten metal region;
In the fixing step, Si, Cu and the additive element are interposed in an interface between the ceramic substrate and the metal plate within a range of 0.1 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less,
In the heating step, the molten metal region is formed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate by diffusing elements of the fixed layer toward the metal plate side. Production method.
前記固着工程では、Si、Cu及び前記添加元素とともに、Alを固着させることを特徴とする請求項7に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The method for manufacturing a power module substrate according to claim 7, wherein in the fixing step, Al is fixed together with Si, Cu, and the additive element. 前記固着工程は、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Si及びCu、並びに、Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着させることを特徴とする請求項7又は請求項8に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The fixing step may be performed on at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of a paste and ink in which powder is dispersed. 9 or 8, wherein one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are fixed. Of manufacturing a power module substrate.
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