JP2011210746A - Substrate for power module, and method of manufacturing the same - Google Patents

Substrate for power module, and method of manufacturing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate for power module in which a metal layer and a heat sink are bonded without adversely affecting a junction between a ceramic substrate and the metal layer to improve reliability, and to provide a method of manufacturing the same.SOLUTION: In the substrate for power module 3 in which metal layers 6, 7 are laminated on both sides of the ceramic substrate 2 respectively, and the heat sink 5 is bonded to one metal layer 7, the metal layers 6, 7 contain crystal grains having an average particle diameter equal to or smaller than 0.5 μm, and the heat sink 5 and the metal layer 7 are directly bonded together by putting etched surfaces of both the heat sink 5 and the metal layer 7 together in a vacuum atmosphere after performing a surface cleaning etching on the surfaces of the metal layer 7 and the heat sink 5.

Description

本発明は、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及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage, and a method for manufacturing the same.

従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に、回路層となるアルミニウム金属層を積層し、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされ、一方、セラミックス基板の他方の面に放熱層となるアルミニウム金属層が形成され、この金属層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。   As a conventional power module, an aluminum metal layer to be a circuit layer is laminated on one surface of a ceramic substrate, and an electronic component such as a semiconductor chip is soldered on the circuit layer, while the other surface of the ceramic substrate is There is known a structure in which an aluminum metal layer serving as a heat dissipation layer is formed and a heat sink is joined to the metal layer.

このようなセラミックス基板に回路層又は放熱層となるアルミニウム金属層を積層状態に形成する方法として、例えば特許文献1では、セラミックス基板に、Al−Si系又はAl−Ge系のろう材を介在させてアルミニウム金属層を重ね合わせ、その積層体を加圧、加熱することにより、ろう材を溶融させて、セラミックス基板とアルミニウム金属層とを接合するようにしている。   As a method for forming an aluminum metal layer serving as a circuit layer or a heat dissipation layer on such a ceramic substrate, for example, in Patent Document 1, an Al—Si based or Al—Ge based brazing material is interposed in a ceramic substrate. Then, the aluminum metal layer is overlaid, and the laminated body is pressurized and heated to melt the brazing material and to join the ceramic substrate and the aluminum metal layer.

一方、金属層とヒートシンクとの間の接合方法としては、特許文献2に記載のねじ止めによる方法、特許文献3に記載のろう付けによる方法等がある。
そのうち、ねじ止めにより接合する方法では、金属層とヒートシンクとの接合面を密着させることが難しい。このため、熱伝導性のグリスを介在させて締結しているが、速やかな熱伝達には限界がある。
また、ろう付けにより接合する方法は、金属層とヒートシンクとを密着させて、速やかに熱伝達させることができるが、そのろう付け時の温度によりパワーモジュール用基板が再加熱され、既に接合したセラミックス基板と金属層との接合部への悪影響が懸念される。
On the other hand, as a joining method between the metal layer and the heat sink, there are a method by screwing described in Patent Document 2, a method by brazing described in Patent Document 3, and the like.
Among them, in the method of joining by screwing, it is difficult to closely adhere the joining surface between the metal layer and the heat sink. For this reason, it is fastened with heat conductive grease interposed, but there is a limit to rapid heat transfer.
In addition, the method of bonding by brazing allows the metal layer and the heat sink to be brought into close contact with each other so that heat can be transferred quickly. There is a concern about adverse effects on the joint between the substrate and the metal layer.

また、金属層とヒートシンクとの間の接合方法として、高価な設備が不要で比較的容易に安定したろう付けが可能なフラックスろう付け法としてノコロックろう付け法の適用が検討されているが、この接合方法であると、そのろう付け時に、セラミックス基板と金属層との間にフラックスが侵食して接合部にクラックを生じさせるおそれがある。   In addition, as a joining method between the metal layer and the heat sink, the application of the Nocolok brazing method is being studied as a flux brazing method that does not require expensive equipment and can be stably brazed relatively easily. In the joining method, at the time of brazing, there is a risk that the flux may erode between the ceramic substrate and the metal layer, causing cracks in the joint.

特開2008−311296号公報JP 2008-311296 A 特開2006−203108号公報JP 2006-203108 A 特開2008−277654号公報JP 2008-277654 A

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、セラミックス基板と金属層との接合部に悪影響を与えることなく金属層とヒートシンクとを接合して、信頼性を高めることができるパワーモジュール用基板及びその製造方法を提供する。   The present invention has been made in view of such circumstances, and can improve reliability by bonding the metal layer and the heat sink without adversely affecting the bonded portion between the ceramic substrate and the metal layer. A power module substrate and a manufacturing method thereof are provided.

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両面に金属層が積層されるとともに、その一方の金属層にヒートシンクが接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属層は、その結晶粒の平均粒径が0.5μm以下であり、前記ヒートシンクの表面に直接接合されていることを特徴とする。
また、その製造方法は、セラミックス基板の両面に金属層が積層されるとともに、その一方の金属層にヒートシンクが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、結晶粒の平均粒径が0.5μm以下である金属層及びヒートシンクの表面に真空雰囲気中で表面浄化エッチングを施した後に、前記真空雰囲気中で前記ヒートシンクと前記金属層とのエッチングした面どうしを重ね合わせて接合することを特徴とする。
The power module substrate of the present invention is a power module substrate in which a metal layer is laminated on both surfaces of a ceramic substrate, and a heat sink is bonded to one of the metal layers. The average particle size is 0.5 μm or less and is directly bonded to the surface of the heat sink.
The manufacturing method is a method for manufacturing a power module substrate in which metal layers are laminated on both surfaces of a ceramic substrate and a heat sink is bonded to one of the metal layers, and the average grain size of the crystal grains is 0. The surface of the metal layer having a thickness of 5 μm or less and the heat sink are subjected to surface purification etching in a vacuum atmosphere, and then the etched surfaces of the heat sink and the metal layer are overlapped and bonded in the vacuum atmosphere. And

本発明では、ヒートシンク及び金属層の表面にイオンビームやプラズマを照射して表面浄化エッチングすることにより、ヒートシンク及び金属層の表面を活性化させ、その活性化状態で直接接合しており、常温で接合できて、熱処理を伴わないことから、微細組織のまま接合することができる。直接接合とは、ヒートシンクと金属層との界面に何の反応層も介在させずに、それらの原子間を異種元素を介在させないで結合するものであり、その接合状態はTEMによる断面観察で確認することができる。   In the present invention, the surfaces of the heat sink and the metal layer are irradiated with an ion beam or plasma to perform surface purification etching, thereby activating the surfaces of the heat sink and the metal layer and directly bonding in the activated state. Since it can be joined and is not accompanied by heat treatment, it can be joined with a fine structure. Direct bonding means bonding without interstitial elements between the atoms without any reaction layer at the interface between the heat sink and the metal layer, and the bonding state is confirmed by TEM cross-sectional observation. can do.

また、本発明のパワーモジュール用基板において、前記金属層は、純度99.99wt%以上のアルミニウムからなるものとされる。
この高純度アルミニウムとすることにより、ヒートシンクとの間の熱伸縮差に起因する応力を緩和することができる。この場合、高純度アルミニウムを接合したパワーモジュール用基板を厳しい熱サイクル環境下で使用すると、アルミニウム金属層のはんだ接合面にしわが生じて、電子部品との接合性への悪影響が懸念されるが、結晶粒が微細であるので、その後に厳しい熱サイクル環境下で使用されても表面のしわの発生も抑制でき、電子部品との接合信頼性を向上させることができる。
In the power module substrate of the present invention, the metal layer is made of aluminum having a purity of 99.99 wt% or more.
By using this high-purity aluminum, the stress caused by the thermal expansion / contraction difference with the heat sink can be relaxed. In this case, if the power module substrate to which high-purity aluminum is bonded is used in a severe thermal cycle environment, wrinkles occur on the solder bonding surface of the aluminum metal layer, and there is a concern about the adverse effect on the bondability with electronic components. Since the crystal grains are fine, generation of wrinkles on the surface can be suppressed even if the crystal grains are used in a severe thermal cycle environment thereafter, and the reliability of bonding with the electronic component can be improved.

そして、本発明のパワーモジュールは、上記のパワーモジュール用基板の前記ヒートシンクが接合された金属層とは反対側の金属層に電子部品がはんだ付けにより接合されていることを特徴とする。   The power module of the present invention is characterized in that an electronic component is joined by soldering to a metal layer opposite to the metal layer to which the heat sink of the power module substrate is joined.

本発明によれば、結晶粒の平均粒径が0.5μm以下の金属層及びヒートシンクの表面を活性化状態で直接接合しているので、セラミックス基板と金属層との接合部に熱影響を与えることがなく、金属層が微細組織のまま接合されるため、その後に熱サイクル環境下で使用されても電子部品とのはんだ接合面のしわの発生もなく、その接合信頼性を向上させることができる。   According to the present invention, since the metal layer having an average grain size of 0.5 μm or less and the surface of the heat sink are directly bonded in an activated state, a thermal effect is exerted on the bonded portion between the ceramic substrate and the metal layer. Since the metal layer is bonded with a fine structure, there is no generation of wrinkles on the solder joint surface with the electronic component even if the metal layer is used in a thermal cycle environment thereafter, and the bonding reliability can be improved. it can.

本発明の実施形態のパワーモジュールの全体構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal section showing the whole power module composition of an embodiment of the present invention. 本発明の製造方法で使用される接合装置の概略構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the schematic structural example of the joining apparatus used with the manufacturing method of this invention.

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明に係るパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示している。この図1に示されるパワーモジュール1は、セラミックス等からなるセラミックス基板2を有するパワーモジュール用基板3と、パワーモジュール用基板3の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品4とから構成されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a power module using a power module substrate according to the present invention. The power module 1 shown in FIG. 1 includes a power module substrate 3 having a ceramic substrate 2 made of ceramics and the like, and an electronic component 4 such as a semiconductor chip mounted on the surface of the power module substrate 3. Yes.

パワーモジュール用基板3は、セラミックス基板2の両面に金属層6,7が積層されており、その一方の金属層6が回路層となり、その表面に電子部品4がはんだ付けされる。また、他方の金属層7は放熱層とされ、その表面にヒートシンク5が取り付けられている。
また、セラミックス基板2は、例えばAlN(窒化アルミニウム)、Si(窒化珪素)等の窒化物系セラミックス、若しくはAl(アルミナ)等の酸化物系セラミックスにより形成される。
金属層6,7は、いずれも純度99.99wt%以上のアルミニウムが用いられ、JIS規格では1N99を用いることができる。また、この金属層6,7は、その結晶粒の平均粒径が0.5μm以下の微細な結晶組織とされる。好ましくは、0.05〜0.2μmの平均結晶粒径とされる。
In the power module substrate 3, metal layers 6 and 7 are laminated on both surfaces of the ceramic substrate 2, one of the metal layers 6 becomes a circuit layer, and the electronic component 4 is soldered to the surface. The other metal layer 7 is a heat dissipation layer, and a heat sink 5 is attached to the surface thereof.
The ceramic substrate 2 is formed of nitride ceramics such as AlN (aluminum nitride) and Si 3 N 4 (silicon nitride), or oxide ceramics such as Al 2 O 3 (alumina).
For the metal layers 6 and 7, aluminum having a purity of 99.99 wt% or more is used, and 1N99 can be used in the JIS standard. The metal layers 6 and 7 have a fine crystal structure with an average grain size of 0.5 μm or less. The average crystal grain size is preferably 0.05 to 0.2 μm.

この場合、各層の厚さについて、個々の寸法は限定されるものではないが、セラミックス基板2の厚さは例えば635μm、回路層となる金属層6の厚さは600μmとされ、放熱層となる金属層7の厚さが1600μmとされる。
また、これら金属層6,7は、プレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板2に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板2に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。
In this case, the individual dimensions of the thickness of each layer are not limited, but the thickness of the ceramic substrate 2 is, for example, 635 μm, and the thickness of the metal layer 6 serving as a circuit layer is 600 μm, which becomes a heat dissipation layer. The thickness of the metal layer 7 is 1600 μm.
Further, these metal layers 6 and 7 are bonded to the ceramic substrate 2 by stamping to a desired outer shape by pressing, or after joining a flat plate to the ceramic substrate 2 and then etching to a desired outer shape. Either method can be employed.

そして、これらセラミックス基板2と回路層及び放熱層となる両金属層6,7との相互間の接合界面には、これらセラミックス基板2及び両金属層6,7の構成元素以外の異種元素が介在せず、セラミックス基板2と金属層6,7とが直接接合されている。   In addition, dissimilar elements other than the constituent elements of the ceramic substrate 2 and the two metal layers 6 and 7 are present at the bonding interface between the ceramic substrate 2 and the metal layers 6 and 7 serving as the circuit layer and the heat dissipation layer. Instead, the ceramic substrate 2 and the metal layers 6 and 7 are directly bonded.

ヒートシンク5は、その形状等は特に限定されないが、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、金属層7に接合される筒体15と、筒体15の内部を複数の流路16に区画する縦壁17とが一体に形成された構成とされている。そのアルミニウム合金としては、アルミニウムの濃度が90%〜99%のアルミニウム合金、例えばJIS規格でA6063が用いられる。筒体15の天板部15aは、金属層7より大きい四角形状の平面形状を有しており、各縦壁17は、筒体15の幅方向に等間隔で相互に平行に並べられ、筒体15の長さ方向に沿って設けられている。
そして、このヒートシンク5と放熱層となる金属層7との間も、セラミックス基板2とその表裏の両金属層6,7との接合部と同様に、直接接合とされている。これらの直接接合の具体的方法は後述する。
The shape of the heat sink 5 is not particularly limited. The heat sink 5 is formed by extrusion molding of an aluminum alloy and has a cylindrical body 15 joined to the metal layer 7 and a vertical wall that divides the interior of the cylindrical body 15 into a plurality of flow paths 16. 17 is formed integrally. As the aluminum alloy, an aluminum alloy having an aluminum concentration of 90% to 99%, for example, A6063 according to JIS standard is used. The top plate portion 15a of the cylindrical body 15 has a quadrangular planar shape larger than that of the metal layer 7, and the vertical walls 17 are arranged in parallel with each other at equal intervals in the width direction of the cylindrical body 15. It is provided along the length direction of the body 15.
The heat sink 5 and the metal layer 7 serving as a heat dissipation layer are also directly bonded in the same manner as the bonded portion between the ceramic substrate 2 and the metal layers 6 and 7 on the front and back sides. Specific methods of these direct bonding will be described later.

なお、金属層6と電子部品4との接合には、Sn−Ag−Cu系、Zn−Al系若しくはPb−Sn系等のはんだ材が用いられる。図中符号8がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品4と金属層6の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ(図示略)により接続される。   For joining the metal layer 6 and the electronic component 4, a solder material such as Sn—Ag—Cu, Zn—Al, or Pb—Sn is used. Reference numeral 8 in the figure indicates the solder joint layer. The electronic component 4 and the terminal portion of the metal layer 6 are connected by a bonding wire (not shown) made of aluminum.

このように構成したパワーモジュール用基板3を製造するには、セラミックス基板2及び各金属層6,7をそれぞれ形成し、これらの接合表面を次のようにして活性化して接合する。
まず、セラミックス基板2及び一方の金属層6を図2に示す接合装置21の真空チャンバ22内に配置する。この接合装置21は、真空チャンバ22内に、水平なステージ23と、このステージ23の上方でステージ23に対して離間接近する方向に駆動される上ラム24とが備えられており、これらステージ23の上面と上ラム23の下端面とが対向配置され、これらの対向面に向けてイオンビームをそれぞれ照射するイオンビーム源25が設けられている。
In order to manufacture the power module substrate 3 configured as described above, the ceramic substrate 2 and the metal layers 6 and 7 are respectively formed, and their bonding surfaces are activated and bonded as follows.
First, the ceramic substrate 2 and the one metal layer 6 are disposed in the vacuum chamber 22 of the bonding apparatus 21 shown in FIG. The joining apparatus 21 includes a horizontal stage 23 and an upper ram 24 that is driven in a direction of separating and approaching the stage 23 above the stage 23 in the vacuum chamber 22. An upper surface of the upper ram 23 and a lower end surface of the upper ram 23 are arranged to face each other, and an ion beam source 25 is provided to irradiate the ion beams toward these opposed surfaces.

そして、ステージ23上に例えばセラミックス基板2を載置するとともに、上ラム24の下端面に金属層6を保持し、これらセラミックス基板2の上面と金属層6の下面とにイオンビームを照射することにより、これらの表面を浄化エッチングする。例えば、イオンビームの場合であると、アルゴンなどの不活性ガスが用いられ、印加電圧1.5keV程度のアルゴン原子ビームをセラミックス基板2及び金属層6の表面に10分間程度照射することにより、セラミックス基板2及び金属層6に不安定で活性な表面が露出される。
そして、この活性化処理の後、その真空チャンバ22内で上ラム24を下降して、セラミックス基板2及び金属層6の活性化処理された表面どうしを重ね合わせることにより、これらを接合する。
Then, for example, the ceramic substrate 2 is placed on the stage 23, the metal layer 6 is held on the lower end surface of the upper ram 24, and the upper surface of the ceramic substrate 2 and the lower surface of the metal layer 6 are irradiated with an ion beam. Thus, these surfaces are purified and etched. For example, in the case of an ion beam, an inert gas such as argon is used, and the surface of the ceramic substrate 2 and the metal layer 6 is irradiated with an argon atom beam having an applied voltage of about 1.5 keV for about 10 minutes. An unstable and active surface is exposed on the substrate 2 and the metal layer 6.
Then, after the activation process, the upper ram 24 is lowered in the vacuum chamber 22 and the activated surfaces of the ceramic substrate 2 and the metal layer 6 are overlapped to join them.

次に、この金属層6を片面に接合したセラミックス基板2の反対面をステージ23の上方に向けるようにして保持し、もう一方の金属層7を上ラム24の下端面に保持し、同様にセラミックス基板2と金属層7との対向面にイオンビームを照射して表面浄化エッチングを施した後に、上ラム24を下降して、セラミックス基板2に金属層7を接合する。   Next, the metal layer 6 is held so that the opposite surface of the ceramic substrate 2 bonded to one side faces the upper side of the stage 23, and the other metal layer 7 is held on the lower end surface of the upper ram 24. The surface of the ceramic substrate 2 and the metal layer 7 facing each other is irradiated with an ion beam to perform surface purification etching, and then the upper ram 24 is lowered to join the metal layer 7 to the ceramic substrate 2.

次いで、放熱層となる金属層7にヒートシンク5を接合する。この場合も、セラミックス基板2に接合された放熱層となる金属層7と、ヒートシンク5とを対向させた状態として、これらをステージ23の上面と上ラム24の下端面とに保持し、これらの対向面にイオンビームを照射して表面浄化エッチングを施した後に、上ラム24を下降して、金属層7とヒートシンク5とのエッチングした面どうしを重ね合わせて接合する。   Next, the heat sink 5 is bonded to the metal layer 7 serving as a heat dissipation layer. In this case as well, the metal layer 7 serving as a heat dissipation layer bonded to the ceramic substrate 2 and the heat sink 5 are opposed to each other, and these are held on the upper surface of the stage 23 and the lower end surface of the upper ram 24. After the surface is etched by irradiating the opposite surface with an ion beam, the upper ram 24 is lowered and the etched surfaces of the metal layer 7 and the heat sink 5 are overlapped and joined.

このようにしてセラミックス基板2の両面に金属層6,7を接合し、放熱層となる金属層7にヒートシンク5を接合したパワーモジュール用基板3は、セラミックス基板2と金属層6,7とが、その界面に異種元素を介在させないで直接接合されており、強固に接合されるとともに、金属層7とヒートシンク5との間も異種元素が介在しないで直接接合され、強固に接合されている。
この場合に、セラミックス基板2への一方の金属層6の接合、他方の金属層7の接合、さらに金属層7とヒートシンク5との接合という3回の接合工程を経ることになるが、いずれの接合時にも加熱を伴わないので、後の接合工程が、それより前の工程でした接合部に悪影響を与えることがないとともに、この一連の接合処理において金属層6,7が加熱されないので、結晶粒が平均粒径0.5μm以下の微細組織のまま接合されている。
In this way, the power module substrate 3 in which the metal layers 6 and 7 are bonded to both surfaces of the ceramic substrate 2 and the heat sink 5 is bonded to the metal layer 7 serving as a heat dissipation layer has the ceramic substrate 2 and the metal layers 6 and 7. In addition, the interface is directly bonded without interposing a different element, and is firmly bonded, and the metal layer 7 and the heat sink 5 are also directly bonded without a different element interposed and are firmly bonded.
In this case, the bonding process of three times of bonding of one metal layer 6 to the ceramic substrate 2, bonding of the other metal layer 7, and bonding of the metal layer 7 and the heat sink 5 is performed. Since there is no heating even during the bonding, the subsequent bonding process does not adversely affect the bonded portion that was the previous process, and the metal layers 6 and 7 are not heated in this series of bonding processes. The grains are joined with a fine structure having an average particle diameter of 0.5 μm or less.

その後、回路層となる金属層6の上に電子部品4がはんだ付けされる。このはんだ付け作業は窒素と水素を混合した還元ガス雰囲気中で行われる。また、その後、大気中で電子部品4と金属層6との間でワイヤボンディングされる。
この一連の工程によってパワーモジュール1が完成する。
Thereafter, the electronic component 4 is soldered on the metal layer 6 that becomes the circuit layer. This soldering operation is performed in a reducing gas atmosphere in which nitrogen and hydrogen are mixed. Thereafter, wire bonding is performed between the electronic component 4 and the metal layer 6 in the atmosphere.
The power module 1 is completed through this series of steps.

このようにして製造されたパワーモジュール1は、金属層6,7が微細組織となっていることから、金属層6,7の表面にしわが生じることが防止される。しかも、軟質の純アルミニウム金属であるから、ヒートシンク5との熱伸縮差に基づく応力を緩和することができ、接合部の信頼性を長期に維持することができる。   In the power module 1 manufactured in this way, the metal layers 6 and 7 have a fine structure, so that wrinkles are prevented from occurring on the surfaces of the metal layers 6 and 7. And since it is a soft pure aluminum metal, the stress based on a thermal expansion-contraction difference with the heat sink 5 can be relieved, and the reliability of a junction part can be maintained for a long period of time.

本発明の効果確認のために、アルミニウム純度が99.99wt%の金属層と、窒化アルミニウムのセラミックス基板とを接合したものに、A6063のアルミニウム合金からなるヒートシンクを直接接合した、その接合に際しては、ヒートシンクと金属層との表面に印加電圧1.5keVのアルゴン原子ビームを10分間照射して、これらを接合した。また、比較例として、金属層にA6063のアルミニウム合金からなるヒートシンクをノコロックろう付け法により600℃に加熱して接合したものも作製した。
いずれの場合も、セラミックス基板と金属層とは、印加電圧1.5keVのアルゴン原子ビームを10分間照射して直接接合したものを用いた。
In order to confirm the effect of the present invention, a heat sink made of an aluminum alloy of A6063 was directly bonded to a metal layer having an aluminum purity of 99.99 wt% bonded to a ceramic substrate of aluminum nitride. The surfaces of the heat sink and the metal layer were irradiated with an argon atom beam having an applied voltage of 1.5 keV for 10 minutes to join them. As a comparative example, a heat sink made of an aluminum alloy of A6063 was joined to the metal layer by heating to 600 ° C. by a nocollock brazing method.
In either case, the ceramic substrate and the metal layer were directly bonded by irradiation with an argon atom beam with an applied voltage of 1.5 keV for 10 minutes.

これらの金属層は、回路層となる金属層が600μm、放熱層としてヒートシンクに接合される金属層を1600μmの厚さとした。いずれも金属層の平均結晶粒径は0.5μm以下のものを用いた。その結晶粒径は、金属層の表面をバレット氏液(塩酸、硝酸、フッ酸の混合液)にてマクロエッチングし、その面積率を偏光顕微鏡を用いて評価した。具体的には、材料表面において、直線で切り取った各粒子の線分の長さと、一定の長さの線分で切り取られる粒子数から粒径を見積もる方法(インターセプト法)により求めた。
このようにして作製したパワーモジュール用基板について、回路層となる600μmの厚さの金属層に電子部品として半導体チップをはんだ付けにより接合した後、熱サイクル試験を実施した。熱サイクル試験としては、−40℃から125℃の温度範囲で昇温と冷却とを3000サイクル繰り返した。
Of these metal layers, the metal layer serving as the circuit layer was 600 μm, and the metal layer bonded to the heat sink as the heat dissipation layer was 1600 μm thick. In either case, the metal layer had an average crystal grain size of 0.5 μm or less. The crystal grain size was evaluated by macro-etching the surface of the metal layer with Barrett's solution (mixed solution of hydrochloric acid, nitric acid and hydrofluoric acid), and the area ratio was evaluated using a polarizing microscope. Specifically, it was determined by a method (intercept method) for estimating the particle size from the length of the line segment of each particle cut by a straight line on the material surface and the number of particles cut by a line segment of a certain length.
For the power module substrate thus manufactured, a semiconductor chip as an electronic component was joined to a metal layer with a thickness of 600 μm serving as a circuit layer by soldering, and then a thermal cycle test was performed. As the thermal cycle test, the temperature increase and cooling were repeated 3000 cycles in the temperature range of −40 ° C. to 125 ° C.

試験後、電子部品と金属層との接合部及びセラミックス基板と金属層との接合部を断面観察した結果、実施例のものには特に異常は認められなかったが、比較例のものは、電子部品とのはんだ接合部における金属層の表面の一部に皺が認められ、特に、セラミックス基板と金属層とをろう付けしたものにおいて、皺の発生が顕著であった。
また、各金属層の平均結晶粒径を測定したところ、実施例のものは0.5μm以下で変化していなかったが、比較例のものは3.0μmと大きくなっていた。
After the test, as a result of cross-sectional observation of the joint between the electronic component and the metal layer and the joint between the ceramic substrate and the metal layer, no abnormality was found in the example, but the comparative example was Flaws were observed on a part of the surface of the metal layer in the solder joint with the component, and the generation of wrinkles was remarkable particularly when the ceramic substrate and the metal layer were brazed.
Moreover, when the average crystal grain size of each metal layer was measured, the sample in the example did not change below 0.5 μm, but the sample in the comparative example was as large as 3.0 μm.

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、本発明は、セラミックス基板と金属板との接合については、前述した直接接合するのが好ましいが、これらの間を通常のろう付けとすることを妨げるものではない。
As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
In the present invention, the ceramic substrate and the metal plate are preferably joined directly as described above, but this does not prevent ordinary brazing between them.

1 パワーモジュール
2 セラミックス基板
3 パワーモジュール用基板
4 電子部品
5 ヒートシンク
6,7 金属層
8 はんだ接合層
15 筒体
16 流路
17 縦壁
21 接合装置
22 真空チャンバ
23 ステージ
24 上ラム
25 イオンビーム源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power module 2 Ceramic substrate 3 Power module substrate 4 Electronic component 5 Heat sink 6, 7 Metal layer 8 Solder joint layer 15 Cylindrical body 16 Flow path 17 Vertical wall 21 Joining device 22 Vacuum chamber 23 Stage 24 Upper ram 25 Ion beam source

Claims (4)

セラミックス基板の両面に金属層が積層されるとともに、その一方の金属層にヒートシンクが接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属層は、その結晶粒の平均粒径が0.5μm以下であり、前記ヒートシンクの表面に直接接合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 layer is laminated on both surfaces of a ceramic substrate and a heat sink is bonded to one of the metal layers, and the metal layer has an average grain size of 0.5 μm or less. A power module substrate, which is directly bonded to a surface of the heat sink. 前記金属層は、純度99.99wt%以上のアルミニウムからなることを特徴とする請求項1記載のパワーモジュール用基板。   The power module substrate according to claim 1, wherein the metal layer is made of aluminum having a purity of 99.99 wt% or more. 請求項1又は2に記載のパワーモジュール用基板の前記ヒートシンクが接合された金属層とは反対側の金属層に電子部品がはんだ付けにより接合され、他方の金属層にヒートシンクが接合されていることを特徴とするパワーモジュール。   The electronic component is joined by soldering to the metal layer opposite to the metal layer to which the heat sink is joined of the power module substrate according to claim 1 or 2, and the heat sink is joined to the other metal layer. Power module characterized by セラミックス基板の両面に金属層が積層されるとともに、その一方の金属層にヒートシンクが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、結晶粒の平均粒径が0.5μm以下である金属層及びヒートシンクの表面に真空雰囲気中で表面浄化エッチングを施した後に、前記真空雰囲気中で前記ヒートシンクと前記金属層とのエッチングした面どうしを重ね合わせて接合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 of manufacturing a power module substrate in which a metal layer is laminated on both surfaces of a ceramic substrate and a heat sink is bonded to one of the metal layers, and the metal layer has an average grain size of 0.5 μm or less And the surface of the heat sink is subjected to surface purification etching in a vacuum atmosphere, and then the etched surfaces of the heat sink and the metal layer are overlapped and bonded in the vacuum atmosphere. Production method.
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