JP2011082503A - Substrate for power module, substrate for power module with heat sink, power module, and method of manufacturing substrate for power module - Google Patents

Substrate for power module, substrate for power module with heat sink, power module, and method of manufacturing substrate for power module Download PDF

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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 power module including the substrate for 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 Cu, and a total of Cu concentrations and concentrations of 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、ヒートシンク付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 for controlling a large current and a high voltage, a power module substrate with a heat sink, a power module including the power module substrate, and a method for 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、搭載される半導体素子等の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, power modules have recently been reduced in size and thickness, and the usage environment has become stricter, and the amount of heat generated from electronic components such as mounted semiconductor elements tends to increase. Thus, it is necessary to dispose the power module substrate on the heat sink. 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、ヒートシンク付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, in which a metal plate and a ceramic substrate are securely bonded to each other, a power module substrate having a high heat cycle reliability, a power module substrate with a heat sink, and the power module. It is an object of the present invention to provide a power module including a power board and a method for manufacturing the power module board.

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、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Cu濃度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 Cu, the metal plate contains one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li in solid solution. Among these, the total of the Cu concentration in the vicinity of the interface with the ceramic substrate and the concentration of the additive element is set in a range of 0.05 mass% or more and 5 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 structure, in addition to Cu, one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are dissolved in the metal plate. Therefore, the bonding 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 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, it is possible to reliably dissolve the bonding interface side portion of the metal plate. Can be strengthened. In addition, since the total concentration of Cu and the additive element in the vicinity of the interface with the ceramic substrate of the metal plate is 5% by mass or less, the strength of the bonding interface of the metal plate is prevented from becoming excessively high. When the 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。
Here, the ceramic substrate is made of AlN or Si 3 N 4 , and the oxygen concentration at the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate is higher than the oxygen concentration in the metal plate and the ceramic substrate. The oxygen high concentration portion may be formed, and the thickness of the oxygen high 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、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、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、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 Cu, one or more additional 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 Cu and the additional elements are fixed. A fixing step of forming a fixing layer containing, a stacking step of stacking the ceramic substrate and the metal plate via the fixing layer, and pressing the stacked ceramic substrate and the metal plate in the stacking direction By heating and forming a molten metal region at the interface between the ceramic substrate and the metal plate, and solidifying the molten metal region Anda solidification step of bonding the metal plate and the ceramic substrate, in the fixing step, the interface between the ceramic substrate and the metal plate, Cu and the additive element, 0.1 mg / cm 2 or more 10 mg / cm 2 or less, and in the heating step, by diffusing Cu and the additive element of the fixing layer to the metal plate side, the interface between the ceramic substrate and the metal plate, It is characterized by forming a molten metal region.

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、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、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、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、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, at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate is added to Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Since there is a fixing step of fixing one or more additional elements selected from Li and forming a fixing layer containing Cu and the additional elements, the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate is provided. In addition to Cu, one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are present. Here, elements such as Cu and Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are elements that lower the melting point of aluminum, and therefore, at the interface between the metal plate and the ceramic substrate at a relatively low temperature condition. A molten metal region can be formed. 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Cuと前記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、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 step, the molten metal region is formed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate by diffusing Cu of the fixing layer and the additive element toward the metal plate, and the molten metal region is Since it is configured to join the metal plate and the ceramic substrate by solidifying, it is not necessary to use a brazing material foil or the like, and the power module substrate in which the metal plate and the ceramic substrate are securely joined at low cost. Can be manufactured.

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、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 amount of Cu and the additional element fixed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate is 0.1 mg / cm 2 or more, so that the interface between the ceramic substrate and the metal plate is The molten metal region can be reliably formed, and the ceramic substrate and the metal plate can be firmly bonded.
Furthermore, since the fixed amount of Cu and the additional 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 generation of cracks in the fixed layer, A molten metal region can be reliably formed at the interface between the substrate and the metal plate. Furthermore, it is possible to prevent Cu and the additive element from excessively diffusing to the metal plate side and excessively increasing the strength of the metal plate near the interface. 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、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Cu及び前記添加元素の濃度の合計が0.05質量%以上3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。 Furthermore, in the fixing step, Cu and the additive element are interposed in the 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. It is possible to manufacture a power module substrate in which the total concentration of Cu and the additive element in the vicinity of the interface with the ceramic substrate in the plate is in the range of 0.05% by mass to 3% by mass.

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 Cu and the said additional element directly to at least one among the joining surface of the said ceramic substrate and the joining surface of the said metal plate, from a viewpoint of productivity, Cu and the said addition are added to the joining surface of a metal plate. It is preferable to fix the elements. When Cu and the additive element are fixed to the bonding surface of the ceramic substrate, Cu and the additive element must be fixed to each ceramic substrate. On the other hand, when Cu and the additive element are fixed to the joint surface of the metal plate, Cu and the continuous metal strip are continuously formed from one end to the other end of the long metal strip wound in a roll shape. It is possible to fix the additive element, 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、Cu及び前記添加元素をそれぞれ単独で固着して、Cu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、Cu及び前記添加元素を同時に固着させてCuと前記添加元素の固着層を形成してもよい。   In addition, Cu and the additive element may be fixed to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate, respectively, to form the Cu layer and the additive element layer. Alternatively, 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 Cu and the additional element.

ここで、前記固着工程では、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、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、Cu及び前記添加元素とともにAlを固着させるには、Cu及び前記添加元素とAlとを同時に蒸着してもよいし、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、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 Cu and the additive element.
In this case, since Al is fixed together with Cu and the additive element, the formed fixed layer contains Al, and in the heating process, the fixed layer is preferentially melted to ensure the molten metal region. Thus, 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 Cu and the additive element, Cu and the additive element and Al may be vapor-deposited simultaneously, or sputtering may be performed using an alloy of Cu, the additive element and Al as a target. Furthermore, Cu and additive elements and Al may be laminated.

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、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、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、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. On the other hand, it is preferable to fix Cu and one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li.
In this case, Cu and the additive element are applied to 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 paste and ink in which powder is dispersed. Since it is securely fixed to at least one of them, it becomes possible to reliably interpose Cu and the additive element at the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate. In addition, it is possible to accurately adjust the amount of Cu and the additive element to be fixed, 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、ヒートシンク付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。   According to the present invention, a metal plate and a ceramic substrate are securely bonded to each other, and a power module substrate having a high heat cycle reliability, a power module substrate with a heat sink, a power module including the power module substrate, and the power module It is possible to provide a method for manufacturing a manufacturing substrate.

本発明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 embodiment of this invention. 本発明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 Cu density | concentration and additive element density | concentration of the circuit layer and metal layer of the board | substrate for power modules which are embodiment of this invention. 本発明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 junction interface of the circuit layer of the board | substrate for power modules which is embodiment of this invention, a metal layer (metal plate), and a ceramic substrate. 本発明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 embodiment of this invention. 本発明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 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. 本発明の他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 other embodiment of this invention. 本発明の他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 other 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に本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付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, a power module substrate with a heat sink, and a power module according to an 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 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 Cu concentration and the concentration of the additive element gradually decrease as the distance from the bonding interface 30 in the stacking direction increases. Here, the total concentration of Cu and the additive element on the bonding interface 30 side of the concentration gradient layer 33 (in the vicinity of the bonding interface 30 between the circuit layer 12 and the metal layer 13) is 0.05% by mass or more and 5% by mass or less. It is set within the range.
Note that the concentrations of 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 from the bonding interface 30 by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm). 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、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 bonding 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 Cu concentration is 0.05. It is set within the range of 1% by mass or more.

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に酸素が濃縮した酸素高濃度部32が形成されている。この酸素高濃度部32においては、酸素濃度が、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)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32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の格子像の接合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. An oxygen high concentration portion 32 in which oxygen is concentrated is formed. In the oxygen high concentration portion 32, the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23). Note that the thickness H of the oxygen high concentration portion 32 is 4 nm or less.
Note that, as shown in FIG. 3, the bonding interface 30 observed here is a lattice image of the circuit board 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) on the interface side and the ceramic substrate 11. 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、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, one type selected from Cu and Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li is formed on the respective joint surfaces of the metal plates 22 and 23 by sputtering. Two or more additional elements are fixed to form the fixed layers 24 and 25.
Here, in this embodiment, Ge is used as an additive element, the Cu amount in the fixed layers 24 and 25 is 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less, and the Ge amount is 0.002 mg / cm 2. It is set to 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(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 (Cu and the additive element) 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)した状態で真空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、真空加熱炉内の圧力は10−6〜10−3Paの範囲内に、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 a stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) in a vacuum heating furnace and heated, as shown in FIG. In addition, 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 in the fixed layers 24 and 25 of the metal plates 22 and 23 by diffusing the Cu and the additive element to the metal plates 22 and 23 side. It is formed by increasing the Cu concentration in the vicinity of 25 and the concentration of the additive element (Ge concentration in this embodiment) and lowering 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 pressure in the vacuum heating furnace is set in a range of 10 −6 to 10 −3 Pa, 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, Cu and the additive element (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 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 are gradually decreased, and the melting point is increased, and the temperature is kept constant. Solidification will proceed in the held state. That is, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are joined by so-called 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、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, Cu and the additive element (Ge in the present embodiment) are fixed to the joint surfaces of the metal plates 22 and 23. Since the fixing step S <b> 1 is provided, 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Cu及び前記添加元素を含有する固着層24、25の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、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。   Furthermore, 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 the fixing layer 24 containing Cu and the additive element, 25 Cu and the additive element are diffused toward the metal plates 22 and 23 to form the molten metal regions 26 and 27, and the Cu and the additive element in the molten metal regions 26 and 27 are transferred to the metal plates 22 and 23. Since it is solidified and bonded by diffusion, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be firmly bonded even when bonded under relatively low temperature and short time bonding conditions. In particular, Cu, and elements such as Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li lower the melting point of aluminum, so that 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、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とセラミックス基板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) Cu and the additive element are dissolved in the plate 23), and the total concentration of Cu and the additive element on the bonding interface 30 side of the circuit layer 12 and the metal layer 13 is 0.05% by mass or more and 5% by 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 mass% or more and 1 mass%. Hereinafter, since the Cu concentration is set in the range of 0.05% by mass or more and 1% by mass or less, the portion of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) on the bonding interface 30 side is Solid solution strengthened, circuit layer 12 (metal plate It is possible to prevent the occurrence of cracks in 2) and the metal layer 13 (metal plate 23).
Further, in the heating step S3, 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 substrate 11 are firmly bonded.

また、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、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との接合界面30に、酸素濃度が回路層12及び金属層13を構成する金属板22、23中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部32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。また、この酸素高濃度部32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32にクラックが発生することが抑制される。   Further, in the present embodiment, the ceramic substrate 11 is made of AlN, and the oxygen concentration is present at the bonding interface 30 between the metal plates 22 and 23 to be the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 11. Since the oxygen high concentration part 32 made higher than the oxygen concentration in the metal plates 22 and 23 constituting the metal layer 13 is generated, the bonding strength between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 is improved by this oxygen. Can be achieved. Moreover, since the thickness of the high oxygen concentration portion 32 is 4 nm or less, the occurrence of cracks in the high oxygen concentration portion 32 due to the stress when a thermal cycle is loaded is suppressed.

また、金属板の接合面に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 to fix the Cu and the additional element to the bonding surface of the metal plate to form the fixing layers 24 and 25. In the heating step S3, Cu and the additional element of the fixing layers 24 and 25 are added. 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 to the metal plates 22 and 23 side, it is necessary to use a brazing material foil that is difficult to manufacture. Thus, 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Cu量及びGe量を、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 amount of Cu and the amount of Ge interposed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are set to Cu: 0.08 mg / cm 2 or more, 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, and the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are firmly formed. It becomes possible to join.

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Cu量及びGe量を、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、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, since the Cu amount and Ge amount interposed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are Cu: 2.7 mg / cm 2 or less and Ge: 2.5 mg / cm 2 or less, the fixing layer It is possible to prevent cracks 24 and 25 from being generated, and 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. Furthermore, it is possible to prevent 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。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、初期接合の歩留りを向上させることができる。
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. Therefore, this power module substrate 10 can be produced efficiently.
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, the yield of initial bonding can be improved.

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Cu及び前記添加元素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、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 the Cu and the additive element are fixed to the bonding surface of the metal plate. However, the present invention is not limited to this, and Cu and the additive element are added to the bonding surface of the ceramic substrate. 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.
Furthermore, in the fixing step, it has been described that 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 a paste in which powder is dispersed and Cu and the additive element may be fixed by application of ink or the like.

また、Cuと前記添加元素とを固着させて、Cu及び前記添加元素を含有する固着層を形成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、図7及び図8に示すように、セラミックス基板111の接合面または金属板123,124の接合面の少なくとも一方に、Cu層124A、125Aと、添加元素層124B、125Bとをそれぞれ形成してもよい。すなわち、固着工程S1が、Cu固着工程S10と添加元素固着工程S11とに分離されていてもよいのである。また、添加元素固着工程の後にCu固着工程を設けてもよい。   Moreover, although Cu and the said additional element were fixed, it demonstrated as what forms the fixed layer containing Cu and the said additional element, but it is not limited to this, As shown in FIG.7 and FIG.8. Cu layers 124A and 125A and additive element layers 124B and 125B may be formed on at least one of the bonding surface of the ceramic substrate 111 or the bonding surfaces of the metal plates 123 and 124, respectively. That is, the fixing step S1 may be separated into the Cu fixing step S10 and the additive element fixing step S11. Further, a Cu fixing step may be provided after the additive element fixing step.

さらに、添加元素とCuの合金を用いて、Cu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、真空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、N雰囲気、Ar雰囲気及びHe雰囲気等でセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。
Further, an alloy layer of Cu and an additive element may be formed using an alloy of the additive element and Cu.
Further, the ceramic substrate and the metal plate have been described as being bonded using a vacuum heating furnace, but the present invention is not limited to this, and the ceramic substrate and the metal plate can be used in an N 2 atmosphere, an Ar atmosphere, a He atmosphere, or the like. You may join with.

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、Si、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 has been described as being composed of AlN, it is not limited thereto, Si 3 N 4, Al 2 O 3 may be constituted by other ceramics such.

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、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, on the joint surface of the aluminum plate (4N aluminum) to be the circuit layer and the metal layer, Cu and an additive element are fixed to form a fixed layer, the metal plate and the ceramic substrate are laminated, and heated under pressure, A metal plate and a 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。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 Cu and the addition element of the joining vicinity of a ceramic substrate among metal plates (50 micrometers from a joining interface) was measured by EPMA analysis (spot diameter of 30 micrometers). The total concentration of Cu and additive elements is also shown in Table 1-3.

Figure 2011082503
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Figure 2011082503
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固着層のCu量が0.01mg/cm(厚さ換算0.011μm)、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0.06mg/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49.2%と非常に低い値を示した。これは、界面に介在する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 Cu in the fixed layer is 0.01 mg / cm 2 (thickness conversion 0.011 μm), and the amount of the additional element (Li) fixed is 0.05 mg / cm 2 (thickness conversion 0.935 μm). In Comparative Example 1 in which the total of 0.06 mg / cm 2 was obtained, the joining rate after 2000 times of the cooling and heating cycle (−45 ° C. to 125 ° C.) was 49.2%, which was a very low value. This is considered to be because the amount of Cu and the amount of additive element (Li) present at the interface were 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Cu量が2.4mg/cm(厚さ換算2.69μm)、及び添加元素(Ge)の固着量が2.4mg/cm(厚さ換算4.51μm)、添加元素(Ag)の固着量が5.3mg/cm(厚さ換算5.05μm)とされ、固着量の合計が10.1mg/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63.3%であった。これは、Cu及び添加元素(Ge,Ag)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 amount of Cu in the fixing layer is 2.4 mg / cm 2 (thickness conversion: 2.69 μm), the amount of fixing of the additive element (Ge) is 2.4 mg / cm 2 (thickness conversion: 4.51 μm), and the additional element (Ag amount sticking) is a 5.3 mg / cm 2 (thickness in terms 5.05Myuemu), total fixation quantity in Comparative example 2 was set to 10.1 mg / cm 2, thermal cycle (-45 ° C. -125 ° C. ) Was repeated 2000 times, and the bonding rate was 63.3%. This is presumably because the amount of Cu and additive elements (Ge, Ag) is so large that the metal plate becomes too hard, and thermal stress due to the thermal cycle is applied to the joint interface.

これに対して、本発明例1−63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Cu量が0.01mg/cm(厚さ換算0.011μm)、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64や固着層のCu量が2.4mg/cm(厚さ換算2.69μm)、及び添加元素(Ge)の固着量が2.1mg/cm(厚さ換算3.95μm)、添加元素(Ag)の固着量が5.1mg/cm(厚さ換算4.86μm)とされ、固着量の合計が9.6mg/cmとされた本発明例65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、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 this invention example 1-63, all the joining rates after repeating a cooling-heat cycle (-45 degreeC-125 degreeC) 2000 times were 93% or more.
In addition, the amount of Cu in the fixing layer is 0.01 mg / cm 2 (thickness conversion 0.011 μm), and the amount of fixing of the additive element (Li) is 0.09 mg / cm 2 (thickness conversion 1.68 μm), Invention Example 64 in which the total amount of fixing was 0.1 mg / cm 2 and the amount of Cu in the fixing layer was 2.4 mg / cm 2 (thickness conversion 2.69 μm), and the amount of fixing of the additive element (Ge) was 2.1 mg / cm 2 (thickness conversion: 3.95 μm), the additive element (Ag) sticking amount is 5.1 mg / cm 2 (thickness conversion: 4.86 μm), and the total sticking amount is 9.6 mg / cm 2. Also in Example 65 of the present invention, which was set to cm 2 , the bonding rate after 2000 times of the cooling / heating cycle (−45 ° C. to 125 ° C.) exceeded 70%.
From this result, according to the example of the present invention, it is possible to reliably form a molten metal region at the interface between the metal plate and the ceramic substrate by the diffusion of Cu and various additive elements, and the metal plate and the ceramic substrate are firmly bonded. It is judged that it was able to be joined.

また、本発明例1−65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 Inventive Example 1-65, the total concentration of Cu and various additive elements in the vicinity of the bonding interface of the ceramic substrate (50 μm from the bonding interface) in the metal plate is in the range of 0.05 mass% or more and 5 mass% or less. It was confirmed that

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 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 Additive element layer

Claims (8)

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、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Cu濃度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 Cu, one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are solid-dissolved. A power module substrate, characterized in that the sum of the Cu concentration in the vicinity of the interface with the ceramic substrate and the concentration of the additive element is set in a range of 0.05 mass% or more and 5 mass% or less.
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3のいずれか一項に記載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 3; and a heat sink that cools the power module substrate. 請求項1から請求項3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。   A power module comprising: the power module substrate according to any one of claims 1 to 3; 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、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、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、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 Cu, at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate is one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li. Fixing step, forming a fixing layer containing 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, Cu and the additive element are interposed in the interface between the ceramic substrate and the metal plate within a range of 0.1 mg / cm 2 to 10 mg / cm 2 ,
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、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6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 6, wherein in the fixing step, Al is fixed together with 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、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、を固着させることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The 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. Cu, and one or two or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are fixed together. A method for manufacturing a power module substrate.
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