JP2011238892A - Substrate for power module, substrate with heat sink for power module, power module, method for producing substrate for power module, and method for producing substrate with heat sink for power module - Google Patents
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Abstract
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、このパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付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, a method for manufacturing the power module substrate, and a heat sink. The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate.
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
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
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
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Al2O3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、ヒートシンク付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. An object of the present invention is to provide a power module including a power substrate, a method for manufacturing the power module substrate, and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink.
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、アルミニウムまたはアルミニウム合金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、Zn,Ge,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前記添加元素の濃度の合計が0.01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 for a power module in which a metal plate made of aluminum or an aluminum alloy is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate. A substrate in which one or more additive elements selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga and Li are solid-solved in the metal plate, and the ceramic substrate in the metal plate The total concentration of the additive elements in the vicinity of the interface is set in the range of 0.01% by mass to 5% by mass.
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、Zn,Ge,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前記添加元素の濃度の合計が0.01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可能となり、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, one or more additive elements selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga, and Li are dissolved in the metal plate. The joint interface side portion 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 the additive elements in the vicinity of the interface with the ceramic substrate of the metal plate is 0.01% by mass or more, the solid-solution strengthening is performed on the bonding interface side portion of the metal plate. be able to. Moreover, since the total concentration of the additive elements in the vicinity of the interface with the ceramic substrate of the metal plate is 5% by mass or less, it is possible to prevent the strength of the bonding interface of the metal plate from becoming 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.
ここで、前記セラミックス基板がAlN又はSi3N4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Si3N4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Si3N4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、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、5nm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.
Note that 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, 5 nm or more).
また、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、前記添加元素の濃度が前記金属板中の前記添加元素の濃度の2倍以上とされた添加元素高濃度部が形成されていることが好ましい。
この場合、セラミックス基板と金属板との接合界面に、前記添加元素の濃度が前記金属板中の前記添加元素の濃度の2倍以上とされた添加元素高濃度部が形成されているので、界面近傍に存在する前記添加元素原子により、セラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることが可能となる。
なお、金属板中の前記添加元素の濃度とは、金属板のうち接合界面から一定距離(例えば、5nm以上)離れた部分における前記添加元素の濃度である。
In addition, an additive element high concentration portion in which the concentration of the additive element is at least twice the concentration of the additive element in the metal plate is formed at the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate. Is preferred.
In this case, since the additive element high concentration portion in which the concentration of the additive element is at least twice the concentration of the additive element in the metal plate is formed at the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate. The additive element atoms present in the vicinity can improve the bonding strength between the ceramic substrate and the metal plate.
The concentration of the additive element in the metal plate is the concentration of the additive element in a portion of the metal plate that is away from the bonding interface by a certain distance (for example, 5 nm or more).
さらに、前記セラミックス基板がAlNで構成されており、前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、前記添加元素、O、Nの質量比が、Al:添加元素:O:N=50〜90質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることが好ましい。
あるいは、前記セラミックス基板がSi3N4で構成されており、前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Si、前記添加元素、O、Nの質量比が、Al:Si:添加元素:O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることが好ましい。
また、前記セラミックス基板がAl2O3で構成されており、前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、前記添加元素、Oの質量比が、Al:添加元素:O=50〜90質量%:1〜30質量%:45質量%以下とされていることが好ましい。
Further, the ceramic substrate is composed of AlN, and the mass ratio of Al, the additive element, O, and N analyzed by energy dispersive X-ray analysis of the bonding interface including the high concentration portion of the additive element is Al. : Additive element: O: N = 50 to 90% by mass: 1 to 30% by mass: 1 to 10% by mass: preferably 25% by mass or less.
Alternatively, the ceramic substrate is composed of Si 3 N 4 , and Al, Si, the additive element, O, and N are analyzed by energy dispersive X-ray analysis of the bonding interface including the high concentration portion of the additive element. The mass ratio is preferably Al: Si: additive element: O: N = 15 to 45 mass%: 15 to 45 mass%: 1 to 30 mass%: 1 to 10 mass%: 25 mass% or less. .
Further, the ceramic substrate is made of Al 2 O 3 , and the mass ratio of Al, the additive element, and O obtained by analyzing the bonding interface including the high concentration portion of the additive element by energy dispersive X-ray analysis, Al: additive element: O = 50 to 90% by mass: 1 to 30% by mass: 45% by mass or less is preferable.
接合界面に存在する前記添加元素原子の質量比が30質量%を超えると、Alと添加元素との反応物が過剰に生成されることになり、この反応物が接合を阻害するおそれがある。また、この反応物によって金属板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、熱サイクル負荷時にセラミックス基板に応力が作用し、セラミックス基板が割れてしまうおそれがある。一方、前記添加元素原子の質量比が1質量%未満であると、添加元素原子による接合強度の向上を充分に図ることができなくなるおそれがある。よって、接合界面における添加元素原子の質量比は、1〜30質量%の範囲内とすることが好ましい。 When the mass ratio of the additive element atoms present at the bonding interface exceeds 30% by mass, a reaction product of Al and the additive element is excessively generated, and this reaction product may inhibit the bonding. In addition, the vicinity of the bonding interface of the metal plate is unnecessarily strengthened by the reactant, and stress may act on the ceramic substrate during a thermal cycle load, and the ceramic substrate may be broken. On the other hand, if the mass ratio of the additive element atoms is less than 1% by mass, there is a possibility that the junction strength due to the additive element atoms cannot be sufficiently improved. Therefore, the mass ratio of additive element atoms at the bonding interface is preferably in the range of 1 to 30% by mass.
ここで、エネルギー分散型X線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記接合界面の複数点(例えば、10〜100点)で測定し、その平均値を算出することになる。また、測定する際には、金属板の結晶粒界とセラミックス基板との接合界面は測定対象とせず、結晶粒とセラミックス基板との接合界面のみを測定対象とする。
なお、本明細書中におけるエネルギー分散型X線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡JEM−2010Fに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光X線元素分析装置NORAN System7を用いて加速電圧200kVで行った。
Here, since the spot diameter at the time of performing the analysis by the energy dispersive X-ray analysis method is extremely small, measurement is performed at a plurality of points (for example, 10 to 100 points) on the bonding interface, and the average value is calculated. . Further, when measuring, the bonding interface between the crystal grain boundary of the metal plate and the ceramic substrate is not measured, but only the bonding interface between the crystal grain and the ceramic substrate is measured.
The analytical value by the energy dispersive X-ray analysis method in this specification is the energy dispersive X-ray fluorescence element analyzer NORAN manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd. mounted on the electron microscope JEM-2010F manufactured by JEOL. The acceleration was performed at 200 kV using System7.
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で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 configuration, 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.
ここで、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、前記セラミックス基板の一方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第一の金属板が接合され、前記セラミックス基板の他方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第二の金属板が接合されており、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合面とは反対側の面に、前記ヒートシンクが接合されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Zn,Ge,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、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されていることが好ましい。 Here, in the above-described power module substrate with a heat sink, a first metal plate made of aluminum or an aluminum alloy is joined to one surface of the ceramic substrate, and the other surface of the ceramic substrate is made of aluminum or an aluminum alloy. A second metal plate is joined, and the heat sink is joined to a surface of the second metal plate opposite to the joint surface with the ceramic substrate, and the second metal plate and In the heat sink, one or more additive elements selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga and Li are dissolved, and the second metal plate and the heat sink near the interface The total concentration of the additive elements is preferably set within a range of 0.01% by mass to 5% by mass.
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、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに、それぞれZn,Ge,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、第二の金属板及びヒートシンクのそれぞれの接合界面側部分が固溶強化することになる。
そして、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01質量%以上とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンク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、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍における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、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面の強度が過剰に高くなることを防止でき、熱歪みを前記第二の金属板で吸収することができる。
According to the power module substrate with a heat sink having this configuration, the second metal plate and the heat sink each include one or more additive elements selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga, and Li. Since they are in solid solution, the respective joining interface side portions of the second metal plate and the heat sink are strengthened by solid solution.
Since the total concentration of the additive elements in the vicinity of the bonding interface between the second metal plate and the heat sink is 0.01% by mass or more, the bonding interface side portion between the second metal plate and the heat sink Can be solid solution strengthened. In addition, since the total concentration of the additive elements in the vicinity of the bonding interface between the second metal plate and the heat sink is 5% by mass or less, the strength of the bonding interface between the second metal plate and the heat sink is excessive. And the thermal strain can be absorbed by the second metal plate.
また、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第二の金属板の厚さが、前記第一の金属板の厚さよりも厚くなるように設定されていることが好ましい。
この場合、ヒートシンクが設けられている側の剛性を、その反対側の剛性と比較して高くすることができ、これによりヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを抑えることができる。
In the power module substrate with a heat sink described above, it is preferable that the thickness of the second metal plate is set to be greater than the thickness of the first metal plate.
In this case, the rigidity on the side where the heat sink is provided can be made higher than the rigidity on the opposite side, whereby the warpage of the power module substrate with a heat sink can be suppressed.
さらに、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることが好ましい。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みをこの第二の金属板で十分に緩和することができ、セラミックス基板での割れの発生を抑制することができる。
Furthermore, in the above-described power module substrate with a heat sink, the second metal plate is preferably configured by laminating a plurality of metal plates.
In this case, since the second metal plate has a structure in which a plurality of metal plates are laminated, the second metal plate can sufficiently prevent thermal distortion caused by the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink and the ceramic substrate. And the occurrence of cracks in the ceramic substrate can be suppressed.
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、アルミニウムまたはアルミニウム合金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、Zn,Ge,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、この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、前記添加元素を、0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下の範囲内で介在させ、前記加熱工程において、前記添加元素を前記金属板に向けて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 according to the present invention is a method for manufacturing a power module substrate in which a metal plate made of aluminum or an aluminum alloy is laminated and bonded to the surface of the ceramic substrate, and the bonding surface of the ceramic substrate And one or more additive elements selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga and Li are fixed to at least one of the joint surfaces of the metal plate, and a fixing layer containing the additive element is provided. A fixing step of forming, a stacking step of stacking the ceramic substrate and the metal plate via the fixing layer, and pressing and heating the stacked ceramic substrate and the metal plate in a stacking direction; and A heating step of forming a molten metal region at the interface with the metal plate and solidifying the molten metal region It includes a coagulation step of bonding the mix substrate and the metal plate, and in the fixing step, the interface between the ceramic substrate and the metal plate, said additional element, 0.01 mg / cm 2 or more 10 mg / cm is interposed within the range of 2 or less, in the heating step, by the additive element to diffuse toward the metal plate, the interface between the ceramic substrate and the metal plate, to form the molten metal area It is a feature.
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、Zn,Ge,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、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、Zn,Ge,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、Zn,Ge,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、比較的低温な条件においても、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。
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 selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga, and Li. Alternatively, since a fixing step of fixing two or more kinds of additional elements and forming a fixing layer containing the additional elements is provided, the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate has Zn, Ge, Mg, Ca. One or two or more additive elements selected from, Ga and Li are present. Here, since elements such as Zn, Ge, Mg, Ca, Ga, and Li are elements that lower the melting point of aluminum, a molten metal region is formed at the interface between the metal plate and the ceramic substrate even under relatively low temperature conditions. Can be formed.
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、Zn,Ge,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前記金属板に向けて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。 In the heating step, the ceramic substrate and the metal plate are diffused by diffusing one or more additive elements selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga, and Li toward the metal plate. By forming the molten metal region at the interface and solidifying the molten metal region, it is configured to join the metal plate and the ceramic substrate, so there is no need to use a brazing material foil or the like, at a low cost, A power module substrate in which a metal plate and a ceramic substrate are securely bonded 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前記添加元素の固着量を0.01mg/cm2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前記添加元素の固着量を10mg/cm2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、前記添加元素が過剰に金属板に向けて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, since the amount of fixing of the additive element interposed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate is 0.01 mg / cm 2 or more, it is melted at the interface between the ceramic substrate and the metal plate. The metal region can be reliably formed, and the ceramic substrate and the metal plate can be firmly bonded.
Furthermore, since the fixed amount of 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 occurrence of cracks in the fixed layer, A molten metal region can be reliably formed at the interface with the metal plate. Furthermore, it is possible to prevent the additive element from excessively diffusing toward the metal plate 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、前記添加元素を、0.01mg/cm2以上10mg/cm2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前記添加元素の濃度の合計が0.01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。 Furthermore, in the fixing step, the additive element is interposed in the interface between the ceramic substrate and the metal plate within a range of 0.01 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less. Among them, a power module substrate in which the total concentration of the additive elements in the vicinity of the interface with the ceramic substrate is within a range of 0.01% by mass to 5% by mass can be manufactured.
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る。すると、両面に酸化被膜が形成されたろう材箔を用いた場合に比べて、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ため、初期接合の歩留りを向上させることができる。 In addition, 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. As a result, the total thickness of the oxide film present at the interface between the metal plate and the ceramic substrate is reduced compared to the case where the brazing material foil having the oxide film formed on both sides is used, so that the yield of initial bonding can be improved. it can.
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、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、金属板の接合面に前記添加元素を固着させることが好ましい。
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、前記添加元素をそれぞれ単独で固着して複数の添加元素層を形成してもよい。
The additive element is fixed directly to at least one of the ceramic substrate bonding surface and the metal plate bonding surface. From the viewpoint of productivity, the additive element is fixed to the metal plate bonding surface. It is preferable to make it.
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 to form a plurality of additive element layers.
ここで、前記固着工程では、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、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、前記添加元素とともにAlを固着させるには、前記添加元素とAlとを同時に蒸着してもよいし、前記添加元素とAlの合金をターゲットとして用いてスパッタリングを行ってもよい。また、Alと添加元素を積層してもよい。
Here, in the fixing step, it is preferable that Al is fixed together with the additive element.
In this case, since Al is fixed together with the additive element, the fixed layer to be formed contains Al, and in the heating process, the fixed layer is preferentially melted to reliably form a 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 the additive element, the additive element and Al may be vapor-deposited simultaneously, or sputtering may be performed using an alloy of the additive element and Al as a target. Alternatively, Al and an additive element 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、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、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。
なお、前記添加元素を含むペーストを用いる場合には、大気で加熱した際の金属板の酸化を防止するために、セラミックス基板側に塗布することが好ましい。また、前記添加元素を含むペーストを塗布した状態で前記セラミックス基板と前記金属板と積層しておき、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する際に、前記添加元素を含むペーストの焼成を行う構成としてもよい。
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 the additive element on one side.
In this case, the additive element is 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 paste and ink in which powder is dispersed. Since it is firmly fixed to one side, the additive element can be reliably interposed at the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate. In addition, the amount of the additive element fixed can be adjusted with high accuracy, and the molten metal region can be reliably formed, and the ceramic substrate and the metal plate can be firmly bonded.
In addition, when using the paste containing the said additive element, in order to prevent the oxidation of a metal plate at the time of heating in air | atmosphere, it is preferable to apply | coat to the ceramic substrate side. Further, the ceramic substrate and the metal plate are laminated in a state where the paste containing the additive element is applied, and when the laminated ceramic substrate and the metal plate are pressed and heated in the laminating direction, the addition is performed. It is good also as a structure which bakes the paste containing an element.
本発明のヒートシンク付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一方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第一の金属板が接合され、前記セラミックス基板の他方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第二の金属板が接合されており、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合面とは反対側の面に、前記ヒートシンクが接合されてなるヒートシンク付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と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、前記第二の金属板の一面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、前記ヒートシンク接合工程は、前記第二の金属板の接合面及び前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Zn,Ge,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て添加元素層を形成する添加元素層形成工程と、前記添加元素層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有し、前記ヒートシンク加熱工程において、前記添加元素層の添加元素を前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに向けて拡散させることにより、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴としている。 In the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention, a first metal plate made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to one surface of a ceramic substrate, and the other surface of the ceramic substrate is made of aluminum or an aluminum alloy. A method of manufacturing a power module substrate with a heat sink, wherein a second metal plate is bonded, and the heat sink is bonded to a surface of the second metal plate opposite to the bonding surface with the ceramic substrate. A ceramic substrate bonding step of bonding the ceramic substrate and the first metal plate, the ceramic substrate and the second metal plate, and bonding the heat sink to one surface of the second metal plate. A heat sink joining step, wherein the heat sink joining step comprises the second metal. An additive element layer is formed by fixing one or more additive elements selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga, and Li to at least one of the bonding surface of the heat sink and the bonding surface of the heat sink Element layer forming step, heat sink lamination step of laminating the second metal plate and the heat sink via the additive element layer, and pressing the laminated second metal plate and the heat sink in the laminating direction A heat sink heating step for forming a molten metal region at the interface between the second metal plate and the heat sink, and solidifying the molten metal region, thereby joining the second metal plate and the heat sink. A molten metal solidifying step, wherein in the heat sink heating step, the additive element of the additive element layer is added to the second metal plate and the heat sink. By diffusing toward the interface between the heat sink and the second metal plate, it is characterized by forming the molten metal region.
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、第二の金属板とヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程が、前記第二の金属板の接合面及び前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Zn,Ge,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て添加元素層を形成する添加元素層形成工程を備えているので、第二の金属板とヒートシンクとの接合界面には、添加元素が介在することになる。この添加元素は、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、ヒートシンクと第二の金属板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。
In the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink having this configuration, the heat sink joining step for joining the second metal plate and the heat sink includes at least one of the joining surface of the second metal plate and the joining surface of the heat sink. In addition, since an additional element layer forming step of fixing one or two or more additional elements selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga and Li to form an additional element layer is provided. An additive element is present at the bonding interface between the metal plate and the heat sink. Since this additive element is an element that lowers the melting point of aluminum, a molten metal region can be formed at the interface between the heat sink and the second metal plate under relatively low temperature conditions.
Therefore, even if it joins on comparatively low temperature and short time joining conditions, it becomes possible to join a heat sink and a 2nd metal plate firmly.
また、添加元素層内の添加元素を前記第二の金属板及びヒートシンクに向けて拡散させることにより、前記ヒートシンクと前記第二の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、前記第二の金属板と前記ヒートシンクを接合する構成としているので、製造が困難なAl−Si系のろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、第二の金属板とヒートシンクとが確実に接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。
さらに、ろう材箔を使用せずに、前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に、直接、添加元素を固着しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がない。
しかも、前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面に、直接、添加元素を固着した場合、酸化被膜は、第二の金属板及びヒートシンクの表面にのみ形成されることになり、第二の金属板及びヒートシンク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。
Further, the molten metal region is formed at the interface between the heat sink and the second metal plate by diffusing the additive element in the additive element layer toward the second metal plate and the heat sink. By solidifying the region, the second metal plate and the heat sink are joined together, so there is no need to use an Al-Si brazing foil that is difficult to manufacture, and the second A power module substrate with a heat sink in which the metal plate and the heat sink are securely bonded can be manufactured.
Further, since the additive element is directly fixed to at least one of the joining surface of the heat sink and the joining surface of the second metal plate without using the brazing material foil, the positioning operation of the brazing material foil is performed. There is no need to do etc.
Moreover, when the additive element is directly fixed to the joint surface of the heat sink and the joint surface of the second metal plate, the oxide film is formed only on the surfaces of the second metal plate and the heat sink, Since the total thickness of the oxide film present at the interface between the second metal plate and the heat sink is reduced, the yield of initial bonding is improved.
ここで、前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことが好ましい。
この場合、前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことによって、接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができる。
Here, it is preferable to simultaneously perform the ceramic substrate bonding step and the heat sink bonding step.
In this case, by performing the ceramic substrate bonding step and the heat sink bonding step at the same time, the cost required for bonding can be greatly reduced. Further, since it is not necessary to repeatedly heat and cool, it is possible to reduce the warpage of the power module substrate with a heat sink.
さらに、前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることが好ましい。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、この第二の金属板で十分に緩和することができ、セラミックス基板での割れの発生を抑制することができる。
Furthermore, it is preferable that the second metal plate is configured by laminating a plurality of metal plates.
In this case, since the second metal plate has a structure in which a plurality of metal plates are laminated, the thermal strain caused by the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink and the ceramic substrate is reduced with this second metal plate. It can be sufficiently relaxed and the occurrence of cracks in the ceramic substrate can be suppressed.
また、前記添加元素層形成工程は、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ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に、添加元素を固着させることが好ましい。
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、添加元素が前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の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、ヒートシンクと第二の金属板との接合界面に添加元素を確実に介在させることが可能となる。また、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、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。
In addition, the additional element layer forming step includes plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spraying, or bonding of the heat sink bonding surface and the second metal plate by application of paste or ink in which powder is dispersed. It is preferable to fix the additive element on at least one of the surfaces.
In this case, the additive element is selected from the bonding surface of the heat sink and the bonding surface of the second 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, it is possible to reliably interpose the additive element at the bonding interface between the heat sink and the second metal plate. In addition, the amount of the additive element fixed can be adjusted with high accuracy, the molten metal region can be reliably formed, and the heat sink and the second metal plate can be firmly bonded.
さらに、前記添加元素層形成工程では、前記添加元素とともにAlを固着させることが好ましい。
この場合、前記添加元素とともにAlを固着させているので、形成される添加元素層がAlを含有することになり、ヒートシンク加熱工程において、この添加元素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、ヒートシンクと第二の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、前記添加元素とともにAlを固着させるには、前記添加元素とAlとを同時に蒸着してもよいし、前記添加元素とAlの合金をターゲットとして用いてスパッタリングを行ってもよい。また、Alと添加元素を積層してもよい。
Further, in the additive element layer forming step, it is preferable to fix Al together with the additive element.
In this case, since Al is fixed together with the additive element, the additive element layer to be formed contains Al, and in the heat sink heating process, the additive element layer is preferentially melted to form a molten metal region. It becomes possible to form reliably, and a heat sink and a 2nd metal plate can be joined firmly. Moreover, oxidation of oxidation active elements, such as Mg, Ca, Li, can be prevented. In order to fix Al together with the additive element, the additive element and Al may be vapor-deposited simultaneously, or sputtering may be performed using an alloy of the additive element and Al as a target. Alternatively, Al and an additive element may be stacked.
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、ヒートシンク付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 manufacturing method of a power board and a manufacturing method of a power module substrate with a heat sink.
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。
まず、図1から図6を用いて、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、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、並びに、パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
First, a power module substrate, a power module substrate with a heat sink and a power module, and a method for manufacturing the power module substrate according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1に示すパワーモジュール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めっき層(図示なし)が設けられている。
A
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の左右方向長さ)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
The
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
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
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
In the present embodiment, a
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においては、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)に、Zn,Ge,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、回路層12及び金属層13の接合界面30近傍の添加元素の濃度の合計が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
ここで、本実施形態では、Geを添加元素として用いており、回路層12及び金属層13の接合界面30近傍のGe濃度が0.01質量%以上5質量%以下に設定されている。
As shown in FIG. 2, at the
In the vicinity of the
Here, in the present embodiment, Ge is used as an additive element, and the Ge concentration in the vicinity of the
なお、回路層12及び金属層13の接合界面30近傍の添加元素の濃度は、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。
The concentration of the additive element in the vicinity of the
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に添加元素(Ge)が濃縮した添加元素高濃度部32が形成されている。この添加元素高濃度部32においては、添加元素の濃度(Ge濃度)が、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)中の添加元素の濃度(Ge濃度)の2倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部32の厚さHは4nm以下とされている。
さらに、この添加元素高濃度部32においては、酸素濃度が、セラミックス基板11中の酸素濃度よりも高く設定されている。
Further, when the
Further, in the
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の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。また、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)中の添加元素の濃度(Ge濃度)とは、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)のうち接合界面30から一定距離(本実施形態では、5nm以上)離れた部分における添加元素の濃度(Ge濃度)である。
また、セラミックス基板11中の酸素濃度とは、セラミックス基板11のうち接合界面30から一定距離(本実施形態では、5nm以上)離れた部分における結晶粒内の酸素濃度である。
Note that, as shown in FIG. 3, the
The oxygen concentration in the
また、この接合界面30をエネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した際のAl、添加元素(Ge)、O、Nの質量比が、Al:添加元素(Ge):O:N=50〜90質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下の範囲内に設定されている。なお、EDSによる分析を行う際のスポット径は1〜4nmとされており、接合界面30を複数点(例えば、本実施形態では20点)で測定し、その平均値を算出している。また、回路層12及び金属層13を構成する金属板22、23の結晶粒界とセラミックス基板11との接合界面30は測定対象とせず、回路層12及び金属層13を構成する金属板22、23の結晶粒とセラミックス基板11との接合界面30のみを測定対象としている。
The mass ratio of Al, additive element (Ge), O, and N when this
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 |
(固着工程S01)
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、Zn,Ge,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における添加元素量(Ge量)は0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下に設定されている。
(Fixing step S01)
First, as shown in FIGS. 5 and 6, one or more additives selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga and Li are added to the respective joint surfaces of the
Here, in the present embodiment, Ge is used as an additive element, and the additive element amount (Ge amount) in the fixed
(積層工程S02)
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(添加元素:Ge)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 S02)
Next, as shown in FIG. 5, the
(加熱工程S03)
次に、積層工程S02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/cm2)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の添加元素(Ge)が金属板22、23に向けて拡散することによって、金属板22、23の固着層24、25近傍の添加元素の濃度(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/cm2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/cm2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/cm2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10−3〜10−6Pa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 S03)
Next, the
Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set in a range of 10 −3 to 10 −6 Pa, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 650 ° C. or less.
(凝固工程S04)
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中の添加元素(Ge)が、さらに金属板22、23に向けて拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域26、27であった部分の添加元素の濃度(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 S04)
Next, the temperature is kept constant with the
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
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、パワーモジュール1及びパワーモジュール用基板の製造方法においては、金属板22、23の接合面に添加元素(Ge)を固着させる固着工程S01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、添加元素(Ge)が介在することになる。ここで、Ge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22,23とセラミックス基板11との界面に溶融金属領域26,27を形成することができる。
In the
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前記添加元素(Ge)を含有する固着層24、25の前記添加元素(Ge)を金属板22、23に向けて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中の添加元素(Ge)を金属板22、23へ拡散させることによって凝固させることによって接合されているので、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。
Further, the
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においては、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)に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側の前記添加元素の濃度の合計が、0.01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0.01質量%以上5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S03において前記添加元素(Ge)が十分に金属板22、23に向けて拡散しており、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
In addition, the additive element (Ge) is sufficiently diffused toward the
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、添加元素(Ge)が濃縮した添加元素高濃度部32が形成されており、この添加元素高濃度部32の添加元素の濃度(Ge濃度)が、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)中の添加元素の濃度(Ge濃度)の2倍以上とされているので、界面近傍に存在する添加元素原子(Ge原子)により、セラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることが可能となる。また、この添加元素高濃度部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添加元素高濃度部32にクラックが発生することが抑制される。
In the present embodiment, the
さらに、本実施形態では、接合界面30をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、添加元素(Ge)、O、Nの質量比が、Al:添加元素(Ge):O:N=50〜90質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされているので、接合界面30に、添加元素が過剰に存在して接合を阻害することを防止できるとともに、添加元素原子(Ge原子)による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。また、接合界面30に酸素濃度の高い部分が厚く存在することが防止され、熱サイクルを負荷した際のクラックの発生を抑制することができる。
Furthermore, in this embodiment, the mass ratio of Al, additive element (Ge), O, and N obtained by analyzing the
また、金属板の接合面に添加元素(Ge)を固着させて固着層24、25を形成する固着工程S01を備えており、加熱工程S03において、固着層24、25の添加元素(Ge)を金属板22、23に向けて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を製造することができる。
In addition, a fixing step S01 for fixing the additive element (Ge) to the bonding surface of the metal plate to form the fixing layers 24 and 25 is provided. In the heating step S03, the additive element (Ge) of the fixing layers 24 and 25 is added. Since the
また、本実施形態では、固着工程S01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Ge量を0.01mg/cm2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, since the Ge amount interposed at the interface between the
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Ge量を10mg/cm2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、添加元素(Ge)が過剰に金属板22,23に向けて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 amount of Ge interposed at the interface between the
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
In addition, since the fixing layers 24 and 25 are formed on the joining surfaces of the
次に、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、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、並びに、パワーモジュール用基板の製造方法について、図7から図11を参照して説明する。 Next, a power module substrate, a power module substrate with a heat sink and a power module, and a method for manufacturing the power module substrate according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. .
図7に示すパワーモジュール101は、回路層112が配設されたパワーモジュール用基板110と、回路層112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140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112とはんだ層2との間にNiめっき層(図示なし)が設けられている。
A
パワーモジュール用基板110は、セラミックス基板111と、このセラミックス基板111の一方の面(図7において上面)に配設された回路層112と、セラミックス基板111の他方の面(図7において下面)に配設された金属層113とを備えている。
セラミックス基板111は、回路層112と金属層113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Al2O3(アルミナ)で構成されている。また、セラミックス基板111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。
The
The
回路層112は、セラミックス基板111の一方の面に導電性を有する金属板122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112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122がセラミックス基板111に接合されることにより形成されている。
金属層113は、セラミックス基板111の他方の面に金属板123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113は、回路層112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123がセラミックス基板111に接合されることで形成されている。
The
The
ヒートシンク140は、前述のパワーモジュール用基板110を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板110と接合される天板部141と、冷却媒体が流通する流路142と、を備えている。ヒートシンク140(天板部141)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140の天板部141と金属層113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115が設けられている。
The
In the present embodiment, a
そして、図8に示すように、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)との接合界面130においては、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)に、Zn,Ge,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。
詳述すると、回路層112及び金属層113の接合界面130近傍には、接合界面130から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素濃度が低下する濃度傾斜層133が形成されている。ここで、回路層112及び金属層113の接合界面130近傍の添加元素濃度が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
ここで、本実施形態では、Mg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Mg濃度が0.01質量%以上5質量%以下に設定されている。
As shown in FIG. 8, at the
More specifically, a
Here, in this embodiment, Mg is used as an additive element, and the Mg concentration in the vicinity of the
なお、回路層112及び金属層113の接合界面130近傍の添加元素の濃度は、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8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。
The concentration of the additive element in the vicinity of the
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9に示すように、接合界面130に添加元素(Mg)が濃縮した添加元素高濃度部132が形成されている。この添加元素高濃度部132においては、添加元素の濃度(Mg濃度)が、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)中の添加元素の濃度(Mg濃度)の2倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部132の厚さHは4nm以下とされている。
Further, when the
なお、ここで観察する接合界面130は、図9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の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。また、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)中の添加元素の濃度(Mg濃度)は、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)のうち接合界面130から一定距離(本実施形態では5nm)離れた部分における添加元素の濃度(Mg濃度)である。
Note that, as shown in FIG. 9, the
また、この接合界面130をエネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した際のAl、添加元素(Mg)、Oの質量比が、Al:添加元素(Mg):O=50〜90質量%:1〜30質量%:45質量%以下の範囲内に設定されている。なお、EDSによる分析を行う際のスポット径は1〜4nmとされており、接合界面130を複数点(例えば、本実施形態では20点)で測定し、その平均値を算出している。また、回路層112及び金属層113を構成する金属板122、123の結晶粒界とセラミックス基板111との接合界面130は測定対象とせず、回路層112及び金属層113を構成する金属板122、123の結晶粒とセラミックス基板111との接合界面130のみを測定対象としている。
The mass ratio of Al, additive element (Mg), and O when this
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10から図11を参照して説明する。 Below, the manufacturing method of the board | substrate for power modules of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to FIGS.
(固着工程S101)
まず、図11に示すように、セラミックス基板111の一方の面及び他方の面に、蒸着によってZn,Ge,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124、125を形成する。
ここで、本実施形態では、Mgを添加元素として用いており、固着層124、125における添加元素量(Mg量)は0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下に設定されている。
(Fixing step S101)
First, as shown in FIG. 11, one or more additive elements selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga and Li are fixed to one surface and the other surface of the
Here, in this embodiment, Mg is used as an additive element, and the amount of additive element (Mg amount) in the fixing layers 124 and 125 is set to 0.01 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less.
(積層工程S102)
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。
(Lamination process S102)
Next, the
(加熱工程S103)
次に、金属板122、セラミックス基板111、金属板123を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。このとき、固着層124、125のMgが金属板122、123に向けて拡散し、金属板122、123とセラミックス基板111との界面に溶融金属領域が形成される。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
(Heating step S103)
Next, the
(凝固工程S104)
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておき、溶融金属領域中の添加元素(Mg)を、さらに金属板122、123に向けて拡散させる。すると、溶融金属領域であった部分の添加元素濃度(Mg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。このように凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
このようにして、パワーモジュール用基板110が製出される。
(Coagulation step S104)
Next, the temperature is kept constant in a state where the molten metal region is formed, and the additive element (Mg) in the molten metal region is further diffused toward the
In this way, the
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110及びパワーモジュール101、パワーモジュール用基板の製造方法においては、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、セラミックス基板111の一方の面及び他方の面に形成された固着層124、125のMgを金属板122、123に向けて拡散させることによって溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域中のMgを金属板122、123へさらに拡散させて凝固させることにより接合されているので、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。
In the manufacturing method of the
また、セラミックス基板111と回路層112及び金属層113との接合界面130においては、回路層112及び金属層113に添加元素(Mg)が固溶しており、回路層112及び金属層113のそれぞれの接合界面130側の添加元素濃度(Mg濃度)が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されているので、回路層112及び金属層113の接合界面130側部分が固溶強化し、回路層112及び金属層113における亀裂の発生を防止することができる。
In addition, at the
また、本実施形態では、セラミックス基板111がAl2O3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、添加元素(Mg)が濃縮した添加元素高濃度部132が形成されており、この添加元素高濃度部132の添加元素濃度(Mg濃度)が、回路層112及び金属層113中の添加元素濃度(Mg濃度)の2倍以上とされているので、界面近傍に存在する添加元素原子(Mg原子)により、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可能となる。また、この添加元素高濃度部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添加元素高濃度部132にクラックが発生することが抑制される。
In the present embodiment, the
さらに、本実施形態では、接合界面130をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、添加元素(Mg)、Oの質量比が、Al:添加元素(Mg):O=50〜90質量%:1〜30質量%:45質量%以下とされているので、接合界面130に、Alと添加元素(Mg)との反応物が過剰に生成して接合を阻害することを防止できるとともに、添加元素原子(Mg原子)による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。
Furthermore, in the present embodiment, the mass ratio of Al, additive element (Mg), and O analyzed by energy dispersive X-ray analysis of the
次に、本発明の第3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、並びに、パワーモジュール用基板の製造方法について、図12から図17を参照して説明する。 Next, a power module substrate, a power module substrate with a heat sink and a power module, and a method for manufacturing the power module substrate according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. .
図12に示すパワーモジュール201は、回路層212が配設されたパワーモジュール用基板210と、回路層212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240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212とはんだ層2との間にNiめっき層(図示なし)が設けられている。
A
パワーモジュール用基板210は、セラミックス基板211と、このセラミックス基板211の一方の面(図12において上面)に配設された回路層212と、セラミックス基板211の他方の面(図12において下面)に配設された金属層213とを備えている。
セラミックス基板211は、回路層212と金属層213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Si3N4(窒化珪素)で構成されている。また、セラミックス基板211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、0.32mmに設定されている。
The
The
回路層212は、セラミックス基板211の一方の面に導電性を有する金属板222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212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222がセラミックス基板211に接合されることにより形成されている。
金属層213は、セラミックス基板211の他方の面に金属板223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213は、回路層212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223がセラミックス基板211に接合されることで形成されている。
The
The
ヒートシンク240は、前述のパワーモジュール用基板210を冷却するためのものである。本実施形態におけるヒートシンク240は、パワーモジュール用基板210と接合される天板部241と、この天板部241に対向するように配置された底板部245と、天板部241と底板部245との間に介装されたコルゲートフィン246と、を備えており、天板部241と底板部245とコルゲートフィン246とによって、冷却媒体が流通する流路242が画成されている。
The
ここで、このヒートシンク240は、天板部241とコルゲートフィン246、コルゲートフィン246と底板部245が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図17に示すように、天板部241及び底板部245は、基材層241A、245Aと、基材層241A、245Aよりも融点の低い材料からなる接合層241B、245Bが積層された積層アルミ板で構成されており、接合層241B、245Bがコルゲートフィン246側を向くように、天板部241及び底板部245が配設されている。つまり、天板部241の基材層241Aが金属層213に接する構成とされているのである。
なお、本実施形態では、基材層241A,245AがA3003合金で構成されており、接合層241B、245BがA4045合金で構成されている。
Here, the
In the present embodiment, the base material layers 241A and 245A are made of an A3003 alloy, and the bonding layers 241B and 245B are made of an A4045 alloy.
そして、図13に示すように、セラミックス基板211と回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)との接合界面230においては、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)に、Zn,Ge,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。
詳述すると、回路層212及び金属層213の接合界面230近傍には、接合界面230から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素濃度が低下する濃度傾斜層233が形成されている。ここで、回路層212及び金属層213の接合界面230近傍の添加元素濃度が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
ここで、本実施形態では、Znを添加元素として用いており、回路層212及び金属層213の接合界面230近傍のZn濃度が0.01質量%以上5質量%以下に設定されている。
As shown in FIG. 13, at the
More specifically, a
Here, in this embodiment, Zn is used as an additive element, and the Zn concentration in the vicinity of the
なお、回路層212及び金属層213の接合界面230近傍の添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面230から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図13のグラフは、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)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。
Note that the concentration of the additive element in the vicinity of the
また、セラミックス基板211と回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)との接合界面230を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図14に示すように、接合界面230に添加元素(Zn)が濃縮した添加元素高濃度部232が形成されている。この添加元素高濃度部232においては、添加元素濃度(Zn濃度)が、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)中の添加元素濃度(Zn濃度)の2倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部232の厚さHは4nm以下とされている。
さらに、この添加元素高濃度部232においては、酸素濃度が、セラミックス基板211中の酸素濃度よりも高く設定されている。
Further, when the
Further, in the additive element
なお、ここで観察する接合界面230は、図14に示すように、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)の格子像の界面側端部とセラミックス基板211の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。また、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)中の添加元素濃度(Zn濃度)は、回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)のうち接合界面230から一定距離(本実施形態では5nm)離れた部分における添加元素濃度(Zn濃度)である。
また、セラミックス基板211中の酸素濃度とは、セラミックス基板211のうち接合界面230から一定距離(本実施形態では5nm)離れた部分における結晶粒内の酸素濃度である。
Note that, as shown in FIG. 14, the
The oxygen concentration in the
また、この接合界面230をエネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した際のAl、Si、添加元素(Zn)、O、Nの質量比が、Al:Si:添加元素(Zn):O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下の範囲内に設定されている。なお、EDSによる分析を行う際のスポット径は1〜4nmとされており、接合界面230を複数点(例えば、本実施形態では20点)で測定し、その平均値を算出している。また、回路層212及び金属層213を構成する金属板222、223の結晶粒界とセラミックス基板211との接合界面230は測定対象とせず、回路層212及び金属層213を構成する金属板222、223の結晶粒とセラミックス基板211との接合界面230のみを測定対象としている。
The mass ratio of Al, Si, additive element (Zn), O, and N when the
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図15から図17を参照して説明する。 Below, the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to FIGS.
(めっき工程S201)
まず、図16に示すように、金属板222、223の表面に、添加元素(Zn)を含むめっき層224、225をそれぞれ形成する。なお、このめっき層224、225の厚さは、1μm〜5μmの範囲内に設定されている。本実施形態では、このめっき層224、225が添加元素の固着層となる。
(Plating step S201)
First, as shown in FIG. 16, plating
(積層工程S202)
次に、金属板222をセラミックス基板211の一方の面側に積層し、かつ、金属板223をセラミックス基板211の他方の面側に積層する。このとき、めっき層224、225がそれぞれセラミックス基板211側に向くように、金属板222、223を配置する。
(Lamination process S202)
Next, the
(加熱工程S203)
次に、金属板222、セラミックス基板211、金属板223を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、めっき層224、225の添加元素(Zn)を金属板222,223に向けて拡散させることにより、金属板222、223とセラミックス基板211との界面に溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
(Heating step S203)
Next, in a state where the
Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, and the heating temperature is set in the range of 600 ° C. to 650 ° C.
(凝固工程S204)
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておき、溶融金属領域中の添加元素(Zn)を、さらに金属板222、223に向けて拡散させる。すると、溶融金属領域であった部分の添加元素の濃度(Zn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211と金属板222、223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。このように凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
このようにして、パワーモジュール用基板210が製出される。
(Coagulation step S204)
Next, the temperature is kept constant in a state where the molten metal region is formed, and the additive element (Zn) in the molten metal region is further diffused toward the
In this way, the
(ヒートシンク積層工程S205)
次に、パワーモジュール用基板210の金属層213の他方の面側に、ヒートシンク240を構成する天板部241、コルゲートフィン246、底板部245を積層する。このとき、金属層213と天板部241との間に添加元素(Zn)を含む固着層226を介在させる。本実施形態では、固着層226は、金属層213の他方の面にスパッタやめっきを施すことで形成されている。
また、天板部241の接合層241B及び底板部245の接合層245Bがコルゲートフィン246側を向くように、天板部241及び底板部245を積層する。
(Heat sink lamination step S205)
Next, the
Further, the
(ヒートシンク加熱工程S206)
次に、積層されたパワーモジュール用基板210、天板部241、コルゲートフィン246及び底板部245を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、固着層226の添加元素(Zn)を金属層213及び天板部241に向けて拡散させることにより、金属層213とヒートシンク240の天板部241との間に溶融金属領域を形成する。同時に、天板部241とコルゲートフィン246、底板部245とコルゲートフィン246との間にも、接合層241B、245Bを溶融させて溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は550℃以上630℃以下の範囲内に設定している。
(Heat sink heating step S206)
Next, the laminated
Here, in this embodiment, the inside of the atmosphere heating furnace is a nitrogen gas atmosphere, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 630 ° C. or less.
(溶融金属凝固工程S207)
そして、冷却することにより、金属層213とヒートシンク240の天板部241との間に溶融金属領域、天板部241とコルゲートフィン246、底板部245とコルゲートフィン246の間に形成された溶融金属領域を凝固させることによって、金属層213と天板部241、天板部241とコルゲートフィン246、底板部245とコルゲートフィン246とが接合されることになる。
(Molten metal solidification step S207)
Then, by cooling, a molten metal region formed between the
このようにして、天板部241とコルゲートフィン246と底板部245とがろう付けされてヒートシンク240が形成されるとともに、このヒートシンク240とパワーモジュール用基板210とが接合されてヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造されることになる。
In this manner, the
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210及びパワーモジュール201においては、セラミックス基板211と回路層212(金属板222)及び金属層213(金属板223)とが、金属板222、223に形成されためっき層224、225の添加元素(Zn)を金属板222、223に向けて拡散させることによって溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域中の添加元素(Zn)を金属板222、223へさらに拡散させて凝固させることにより接合されているので、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211と金属板222、223とを強固に接合することが可能となる。
In the
また、本実施形態では、セラミックス基板211がSi3N4で構成されており、回路層212及び金属層213となる金属板222、223とセラミックス基板211との接合界面230に、添加元素(Zn)が濃縮した添加元素高濃度部232が形成されており、この添加元素高濃度部232の添加元素濃度(Zn濃度)が、回路層212及び金属層213中の添加元素濃度(Zn濃度)の2倍以上とされているので、界面近傍に存在する添加元素原子(Zn原子)により、セラミックス基板211と金属板222、223との接合強度の向上を図ることが可能となる。また、この添加元素高濃度部232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添加元素高濃度部232にクラックが発生することが抑制される。
In this embodiment, the
さらに、本実施形態では、接合界面230をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Si、添加元素(Zn)、O、Nの質量比が、Al:Si:添加元素(Zn):O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされているので、接合界面230に、Alと添加元素(Zn)との反応物が過剰に生成して接合を阻害することを防止できるとともに、添加元素原子(Zn原子)による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。また、接合界面230に酸素濃度の高い部分が厚く存在することが防止され、熱サイクルを負荷した際のクラックの発生を抑制することができる。
Furthermore, in this embodiment, the mass ratio of Al, Si, additive element (Zn), O, and N obtained by analyzing the
また、本実施形態では、金属板222、223に形成しためっき層224、225を固着層としているので、セラミックス基板211と金属板222、223との間に添加元素(Zn)を確実に介在させることができる。
In this embodiment, since the plating layers 224 and 225 formed on the
次に、本発明の第4の実施形態について、図18から図22を参照して説明する。
図18に示すパワーモジュール301は、回路層312が配設されたパワーモジュール用基板310と、回路層312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340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312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。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
A
パワーモジュール用基板310は、セラミックス基板311と、このセラミックス基板311の一方の面(図18において上面)に配設された回路層312と、セラミックス基板311の他方の面(図18において下面)に配設された金属層313とを備えている。
セラミックス基板311は、回路層312と金属層313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311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。
The
The
回路層312は、セラミックス基板311の一方の面に導電性を有する第一の金属板322が接合されることにより形成されている。
金属層313は、セラミックス基板311の他方の面に第二の金属板323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、第一の金属板322及び第二の金属板323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)の圧延板とされている。
The
The
In the present embodiment, the
ヒートシンク340は、前述のパワーモジュール用基板310を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板310と接合される天板部341と、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路342と、を備えている。ヒートシンク340(天板部341)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。
The
そして、図19に示すように、金属層313(第二の金属板323)とヒートシンク340との接合界面330においては、金属層313(第二の金属板323)及びヒートシンク340に、Zn,Ge,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。
詳述すると、金属層313とヒートシンク340との接合界面330近傍には、接合界面330から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素濃度が低下する濃度傾斜層333、334が形成されている。そして、金属層313とヒートシンク340との接合界面330近傍の添加元素濃度が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
As shown in FIG. 19, at the
More specifically, concentration gradient layers 333 and 334 are formed in the vicinity of the
ここで、本実施形態では、Geを添加元素として用いており、金属層313とヒートシンク340との接合界面330近傍のGe濃度が0.01質量%以上5質量%以下に設定されている。
なお、金属層313とヒートシンク340との接合界面330近傍の添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面330から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図19のグラフは、金属層313(金属板323)及びヒートシンク340(天板部341)の幅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。
Here, in this embodiment, Ge is used as an additive element, and the Ge concentration in the vicinity of the
The concentration of the additive element in the vicinity of the
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図20から図22を参照して説明する。 Below, the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to FIGS.
(添加元素層形成工程S301/固着工程S311)
まず、図21に示すように、回路層312となる第一の金属板322の一面に、スパッタリングによって添加元素であるGeを固着して第1Ge層324を形成するとともに、金属層313となる第二の金属板323の一面に、スパッタリングによってGeを固着して第2Ge層325を形成する(固着工程S311)。
また、金属層313となる第二の金属板323の他面に、スパッタリングによって添加元素であるGeを固着してGe層326を形成する(添加元素層形成工程S301)。
ここで、本実施形態では、第1Ge層324、第2Ge層325及びGe層326におけるGe量は、0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下に設定されている。
(Additive element layer forming step S301 / adhering step S311)
First, as shown in FIG. 21, the
Further, the
Here, in this embodiment, the Ge amount in the
(ヒートシンク積層工程S302/セラミックス基板積層工程S312)
次に、図21に示すように、第一の金属板322をセラミックス基板311の一方の面側に積層し、かつ、第二の金属板323をセラミックス基板311の他方の面側に積層する(セラミックス基板積層工程S312)。このとき、図21に示すように、第一の金属板322の第1Ge層324、第二の金属板323の第2Ge層325が形成された面がセラミックス基板311を向くように、第一の金属板322及び第二の金属板323を積層する。
さらに、第二の金属板323の他方の面側に、ヒートシンク340を積層する(ヒートシンク積層工程S302)。このとき、図21に示すように、第二の金属板323のGe層326が形成された面がヒートシンク340を向くように、第二の金属板323とヒートシンク340とを積層する。
すなわち、第一の金属板322とセラミックス基板311との間に第1Ge層324を介在させ、第二の金属板323とセラミックス基板311との間に第2Ge層325を介在させ、第二の金属板323とヒートシンク340との間にGe層326を介在させているのである。
(Heat Sink Laminating Step S302 / Ceramic Substrate Laminating Step S312)
Next, as shown in FIG. 21, the
Further, the
That is, the
(ヒートシンク加熱工程S303/セラミックス基板加熱工程S313)
次に、第一の金属板322、セラミックス基板311、第二の金属板323、ヒートシンク340を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。第1Ge層324のGeが第一の金属板322に向けて拡散されることにより、第一の金属板322とセラミックス基板311との界面に第一溶融金属領域327を形成する。また、第2Ge層325のGeが第二の金属板323に向けて拡散されることにより、第二の金属板323とセラミックス基板311との界面に第二溶融金属領域328を形成する(セラミックス基板加熱工程S313)。
また、同時に、第二の金属板323とヒートシンク340との間に溶融金属領域329を形成する(ヒートシンク加熱工程S303)。溶融金属領域329は、図22に示すように、Ge層326のGeが第二の金属板323及びヒートシンク340に向けて拡散することによって、第二の金属板323及びヒートシンク340のGe層326近傍の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。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
(Heat sink heating step S303 / ceramics substrate heating step S313)
Next, the
At the same time, a
Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, and the heating temperature is set in the range of 600 ° C. to 650 ° C.
(溶融金属凝固工程S304/第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程S314)
次に、溶融金属領域329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329中のGeが、さらに第二の金属板323及びヒートシンク340に向けて拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域329であった部分の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、ヒートシンク340と第二の金属板323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。
(Molten metal solidification step S304 / first molten metal and second molten metal solidification step S314)
Next, the temperature is kept constant with the
同様に、第一溶融金属領域327中のGeが、さらに第一の金属板322に向かって拡散していく。また、第二溶融金属領域328中のGeが、さらに第二の金属板323に向かって拡散していく。これにより、第一溶融金属領域327、第二溶融金属領域328であった部分の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。これにより、セラミックス基板311と第一の金属板322、セラミックス基板311と第二の金属板323が接合される。つまり、セラミックス基板311と第一の金属板322及び第二の金属板323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。
Similarly, Ge in the first
以上のようにして、回路層312となる第一の金属板322とセラミックス基板311とが接合され、金属層313となる第二の金属板323とセラミックス基板311とが接合され、かつ、第二の金属板323とヒートシンク340とが接合され、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
As described above, the
以上のような構成とされた本実施形態においては、金属層313となる第二の金属板323とヒートシンク340との間にGe層326を形成するGe層形成工程S301を備えているので、第二の金属板323とヒートシンク340との接合界面330には、Geが介在することになる。このGe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、ヒートシンク340と第二の金属板323との界面に溶融金属領域329を形成することができる。よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンク340と第二の金属板323とを強固に接合することが可能となる。
The present embodiment configured as described above includes the Ge layer forming step S301 for forming the
また、本実施形態では、第一の金属板322とセラミックス基板311の接合面及び第二の金属板323とセラミックス基板311の接合面に、Geを固着させる固着工程S311を備えているので、第一の金属板322とセラミックス基板311の接合界面、第二の金属板323とセラミックス基板311の接合界面にもGeが介在することになり、セラミックス基板311と第一の金属板322、セラミックス基板311と第二の金属板323を強固に接合することが可能となる。
In the present embodiment, since the bonding step S311 for fixing Ge to the bonding surface of the
さらに、ヒートシンク加熱工程S303において、第二の金属板323の接合面に形成されたGe層326のGeを第二の金属板323及びヒートシンク340に向けて拡散させることによって溶融金属領域329を形成し、溶融金属凝固工程S304において、溶融金属領域329中のGeをさらに第二の金属板323及びヒートシンク340に向けて拡散させることによって凝固させて、ヒートシンク340と第二の金属板323(金属層313)とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンク340と第二の金属板323とを強固に接合することが可能となる。
Further, in the heat sink heating step S303, the
また、本実施形態では、セラミックス基板311と第一の金属板322(回路層312)及び第二の金属板323(金属層313)についても、セラミックス基板加熱工程S313において、第一の金属板322、第二の金属板323の接合面に形成された第1Ge層324、第2Ge層325のGeを第一の金属板322、第二の金属板323に向けて拡散させることによって第一溶融金属領域327、第二溶融金属領域328を形成し、第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程S314において、第一溶融金属領域327、第二溶融金属領域328中のGeをさらに第一の金属板322、第二の金属板323に向けて拡散させることによって凝固させて、セラミックス基板311と第一の金属板322(回路層312)及び第二の金属板323(金属層313)とを接合する構成としているので、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311と第一の金属板322(回路層312)及び第二の金属板323(金属層313)とを強固に接合することが可能となる。
In the present embodiment, the
さらに、ヒートシンク340と第二の金属板323との接合、及び、セラミックス基板311と第一の金属板322及び第二の金属板323との接合に、ろう材箔を使用していないので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実に、ヒートシンク340と第二の金属板323、セラミックス基板311と第一の金属板322及び第二の金属板323、をそれぞれ接合することができる。よって、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を、低コストで効率良く製出することが可能となる。
Furthermore, brazing material foil is not used for joining the
また、本実施形態では、セラミックス基板311と第一の金属板322及び第二の金属板323との接合と、第二の金属板323とヒートシンク340との接合とを、同時に行う構成としているので、これらの接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、セラミックス基板311に対して繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができ、高品質なヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出することができる。
In the present embodiment, the
さらに、Ge層形成工程S301は、スパッタリングによって第二の金属板323の接合面にGeを固着させてGe層326を形成する構成としているので、ヒートシンク340と第二の金属板323との間にGeを確実に介在させることが可能となる。また、Geの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域329を確実に形成して、ヒートシンク340と第二の金属板323とを強固に接合することが可能となる。
Further, since the Ge layer forming step S301 is configured to form the
また、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、ヒートシンク340と第二の金属板323(金属層313)との接合界面330において、第二の金属板323(金属層313)及びヒートシンク340に添加元素であるGeが固溶しており、第二の金属板323(金属層313)及びヒートシンク340のそれぞれの接合界面330側のGe濃度が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されているので、第二の金属板323(金属層313)及びヒートシンク340の接合界面330側の部分が固溶強化し、第二の金属板323(金属層313)及びヒートシンク340における亀裂の発生を防止することができる。よって、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。
Further, in the power module substrate with a heat sink according to the present embodiment, the second metal plate 323 (metal layer 313) and the heat sink at the
次に、本発明の第5の実施形態について、図23から図26を用いて説明する。
このパワーモジュール401は、回路層412が配設されたパワーモジュール用基板410と、回路層412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440とを備えている。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The
パワーモジュール用基板410は、セラミックス基板411と、このセラミックス基板411の一方の面(図23において上面)に配設された回路層412と、セラミックス基板411の他方の面(図23において下面)に配設された金属層413とを備えている。 なお、セラミックス基板411は絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。
The
回路層412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)の圧延板からなる第一の金属板422がセラミックス基板411に接合されることにより形成されている。
金属層413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)の圧延板からなる第二の金属板423がセラミックス基板411に接合されることで形成されている。
The
The
ヒートシンク440は、前述のパワーモジュール用基板410を冷却するためのものである。本実施形態であるヒートシンク440は、パワーモジュール用基板410と接合される天板部441と、この天板部441に対向するように配置された底板部445と、天板部441と底板部445との間に介装されたコルゲートフィン446と、を備えており、天板部441と底板部445とコルゲートフィン446とによって、冷却媒体が流通する流路442が画成されている。
The
ここで、このヒートシンク440は、天板部441とコルゲートフィン446、コルゲートフィン446と底板部445が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図26に示すように、底板部445は、基材層445Aと、基材層445Aよりも融点の低い材料からなる接合層445Bが積層された積層アルミ板で構成されている。なお、本実施形態では、基材層445AがA3003合金で構成されており、接合層445BがA4045合金で構成されている。
Here, the
そしてヒートシンク440の天板部441と第二の金属板423(金属層413)との接合界面においては、第二の金属板423(金属層413)及び天板部441に、Zn,Ge,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。なお、本実施形態では、添加元素としてMgが固溶している。
また、第一の金属板422(回路層412)とセラミックス基板411との接合界面、及び、第一の金属板423(金属層413)とセラミックス基板411との接合界面においては、Zn,Ge,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おり、本実施形態ではMgが固溶している。
At the bonding interface between the
Further, at the bonding interface between the first metal plate 422 (circuit layer 412) and the
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。 Below, the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink of the above-mentioned structure is demonstrated.
(固着層形成工程S401)
まず、図25に示すように、回路層412となる第一の金属板422の一面に、スパッタリングによってMgを固着して第1Mg層424を形成するとともに、金属層413となる第二の金属板423の一面に、スパッタリングによってMgを固着して第2Mg層425を形成する。さらに、第二の金属板423の他面にもスパッタリングによってMgを固着してMg層426を形成する。
ここで、本実施形態では、第1Mg層424、第2Mg層425、Mg層426におけるMg量は、は0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下に設定されている。
(Fixed layer forming step S401)
First, as shown in FIG. 25, Mg is fixed to one surface of the
Here, in this embodiment, the amount of Mg in the
(積層工程S402)
次に、図25に示すように、第一の金属板422をセラミックス基板411の一方の面側に積層し、かつ、第二の金属板423をセラミックス基板411の他方の面側に積層する。このとき、図25に示すように、第一の金属板422の第1Mg層424、第二の金属板423の第2Mg層425が形成された面がセラミックス基板411を向くように、第一の金属板422及び第二の金属板423を積層する。
さらに、第二の金属板423のMg層426が形成された面側に、天板部441を積層配置する。
(Lamination process S402)
Next, as shown in FIG. 25, the
Furthermore, the
(加熱工程S403)
次に、第一の金属板422、セラミックス基板411、第二の金属板423、天板部441を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する。第1Mg層424のMgが第一の金属板422に向けて拡散することにより、第一の金属板422とセラミックス基板411との界面に第一溶融金属領域427を形成する。第2Mg層425のMgが第二の金属板423に向けて拡散することにより、第二の金属板423とセラミックス基板411との界面に第二溶融金属領域428を形成する。さらに、Mg層426のMgが第二の金属板423及び天板部441に向けて拡散することにより、第二の金属板423と天板部441との間に、溶融金属領域429を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
(Heating step S403)
Next, the
Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, and the heating temperature is set in the range of 600 ° C. to 650 ° C.
(溶融金属凝固工程S404)
次に、第一溶融金属領域427、第二溶融金属領域428が形成された状態で温度を一定に保持しておく。第一溶融金属領域427中のMgが第一の金属板422に向けて拡散し、第二溶融金属領域428中のMgが、第二の金属板423に向けて拡散していくことになる。すると、第一溶融金属領域427、第二溶融金属領域428であった部分のMg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。これにより、セラミックス基板411と第一の金属板422及び第二の金属板423とが接合される。
また、溶融金属領域429が形成された状態で温度を一定に保持しておく。溶融金属領域429中のMgが、第二の金属板423及び天板部441に向けて拡散していくことになる。すると、溶融金属領域429であった部分のMg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。これにより、第二の金属板423と天板部441とが接合される。
(Molten metal solidification step S404)
Next, the temperature is kept constant with the first
Further, the temperature is kept constant with the
(フィン積層工程S405)
次に、図26に示すように、天板部441の他方の面側に、ろう材箔447(例えば、Al−10%Si合金箔等の低融点アルミニウム合金箔)、コルゲートフィン446、底板部445を積層する。このとき、底板部445の接合層445Bがコルゲートフィン446側を向くように底板部445を積層する。また、天板部441とコルゲートフィン446、底板部445とコルゲートフィン446との間には、例えば、KAlF4を主成分とするフラックス(図示なし)を介在させておく。
(Fin laminating step S405)
Next, as shown in FIG. 26, brazing material foil 447 (for example, low melting point aluminum alloy foil such as Al-10% Si alloy foil),
(ろう付け工程S406)
次に、天板部441、コルゲートフィン446及び底板部445を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、天板部441とコルゲートフィン446、底板部445とコルゲートフィン446との間に、ろう材箔447及び接合層445Bを溶融させた溶融金属層を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は550℃以上630℃以下の範囲内に設定している。
そして、冷却することによって、天板部441とコルゲートフィン446、底板部445とコルゲートフィン446の間に形成された溶融金属層を凝固させ、天板部441とコルゲートフィン446、底板部445とコルゲートフィン446とをろう付けする。このとき、天板部441、コルゲートフィン446、底板部445の表面には、酸化被膜が形成されているが、前述のフラックスによってこれらの酸化被膜が除去されることになる。
(Brazing process S406)
Next, in a state where the
Here, in this embodiment, the inside of the atmosphere heating furnace is a nitrogen gas atmosphere, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 630 ° C. or less.
Then, by cooling, the molten metal layer formed between the
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。 Thus, the power module substrate with a heat sink 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ヒートシンク付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の製造方法においては、ヒートシンク440の天板部441と第二の金属板423(金属層413)との間にMgを固着させ、このMgを拡散させることによって溶融金属領域429を形成し、さらに溶融金属領域429中のMgを拡散させて、ヒートシンク440の天板部441とパワーモジュール用基板410とを接合しているので、比較的低温条件においても、ヒートシンク440の天板部441とパワーモジュール用基板410とを確実に接合することが可能となる。
In the manufacturing method of the power module substrate with a heat sink and the power module substrate with a heat sink according to the present embodiment configured as described above, the
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)やアルミニウム合金であってもよい。
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) Or an aluminum alloy.
また、添加元素として、Ge,Mg,Znを用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、Zn,Ge,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用いても良い。
さらに、スパッタ、ペーストの塗布、めっきによって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、蒸着、CVD、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているインクの塗布によって、前記添加元素を固着させてもよい。
Moreover, although it demonstrated as what uses Ge, Mg, Zn as an additional element, it is not limited to this, One type or two or more types selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga, and Li An additive element may be used.
Furthermore, although it demonstrated as what fixes an addition element by sputter | spatter, application | coating of a paste, and plating, it is not limited to this, By application | coating of vapor deposition, CVD, cold spray, or the ink in which the powder is disperse | distributed, The additive element may be fixed.
また、固着工程において、添加元素とともにAlを固着させてもよい。特に、添加元素として、Mg,Ca,Liなどの酸化活性元素を用いる場合には、Alとともに固着させることによって、これらの元素の酸化を防止することが可能となる。 Further, in the fixing step, Al may be fixed together with the additive element. In particular, when an oxidation active element such as Mg, Ca, Li or the like is used as an additive element, it is possible to prevent oxidation of these elements by fixing together with Al.
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。
また、本発明の第3の実施形態においては、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを同時に接合してもよい。
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.
In the third embodiment of the present invention, the power module substrate and the heat sink may be bonded simultaneously.
さらに、図27に示すように、金属層513を、複数の金属板513A、513Bを積層した構造としてもよい。この場合、金属層513のうち一方側(図27において上側)に位置する金属板513Aがセラミックス基板511に接合され、他方側(図27において下側)に位置する金属板513Bがヒートシンク540の天板部541に接合されることになる。そして、他方側に位置する金属板513Bとヒートシンク540の天板部541との間に添加元素層を形成することで、他方側に位置する金属板513Bとヒートシンク540の天板部541とが接合されているのである。ここで、積層された金属板513A、513B同士を添加元素層を介して接合することで金属層513を構成してもよい。なお、図27では、2枚の金属板513A、513Bを積層させたものとしているが、積層する枚数に制限はない。また、積層する金属板同士の大きさ、形状が異なっていても良いし、同じ大きさ、形状に調整されたものであってもよい。さらに、これらの金属板の組成が異なっていても良い。
Furthermore, as shown in FIG. 27, the
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、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(温度:650℃、圧力:4kgf/cm2、時間:30分)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, an additive element is fixed to a bonding surface of an aluminum plate (4N aluminum) to be a circuit layer and a metal layer to form a fixing layer, and the metal plate and the ceramic substrate are stacked and pressurized and heated (temperature: 650). C., pressure: 4 kgf / cm 2 , time: 30 minutes), and 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、接合界面近傍(接合界面から50μmの位置)における添加元素の濃度をEPMA分析した。また、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、表2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
Then, various test pieces in which the adhering additive element was changed were produced, and the concentration of the additive element in the vicinity of the joining interface (position 50 μm from the joining interface) was analyzed by EPMA. Moreover, the 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 and 2. 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
固着層の添加元素の固着量が合計で10.35mg/cm2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65.9%であった。これは、添加元素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。 In Comparative Example 1 in which the total amount of fixed elements added to the fixed layer was 10.35 mg / cm 2 , the bonding rate after 2000 cycles of the thermal cycle (−45 ° C. to 125 ° C.) was 65.9%. there were. This is presumably because the amount of additive elements is large and the metal plate becomes too hard, and thermal stress due to the thermal cycle is applied to the joint interface.
固着層の添加元素の固着量が0.009mg/cm2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59.8%であった。これは、界面に介在する添加元素量が少なく、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。 In Comparative Example 2 where the fixed amount of the additive element in the fixed layer was 0.009 mg / cm 2 , the joining rate after 2000 cycles of the cooling and heating cycle (−45 ° C. to 125 ° C.) was 59.8%. . This is considered to be because the amount of additive elements present at the interface is small and the molten metal region could not be sufficiently formed at the interface between the metal plate and the ceramic substrate.
これに対して、本発明例1−43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70%以上であった。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 Example 1-43 of this invention, all the joining rates after 2000 times of a cooling-heat cycle (-45 degreeC-125 degreeC) were 70% or more. The diffusion of various additive elements makes it possible to reliably form a molten metal region at the interface between the metal plate and the ceramic substrate, and it is determined that the metal plate and the ceramic substrate can be firmly bonded.
1 パワーモジュール
3 半導体チップ(電子部品)
10、110、210、310、410、510 パワーモジュール用基板
11、111、211、311、411、511 セラミックス基板
12、112、212、312、412、512 回路層
13、113、213、 金属層
22、122、222、322、422 金属板(第一の金属板)
23、123、223、323、423 金属板(第二の金属板)
24、25、124、125、324、325、424、425 固着層
26、27 溶融金属領域
30、130、230 接合界面
1
10, 110, 210, 310, 410, 510
23, 123, 223, 323, 423 Metal plate (second metal plate)
24, 25, 124, 125, 324, 325, 424, 425 Adhering
Claims (19)
前記金属板には、Zn,Ge,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前記添加元素の濃度の合計が0.01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 or an aluminum alloy is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate,
In the metal plate, one or more additive elements selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga, and Li are dissolved, and in the vicinity of the interface between the metal plate and the ceramic substrate. The power module substrate, wherein the total concentration of the additive elements is set within a range of 0.01% by mass to 5% by mass.
前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、前記添加元素、O、Nの質量比が、Al:添加元素:O:N=50〜90質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール用基板。 The ceramic substrate is made of AlN;
The mass ratio of Al, the additive element, and O, N analyzed by energy dispersive X-ray analysis of the joint interface including the high concentration part of the additive element is Al: additive element: O: N = 50 to 90 mass%. The power module substrate according to claim 3, wherein: 1 to 30% by mass: 1 to 10% by mass: 25% by mass or less.
前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Si、前記添加元素、O、Nの質量比が、Al:Si:添加元素:O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール用基板。 The ceramic substrate is made of Si 3 N 4 ;
The mass ratio of Al, Si, the additive element, and O and N obtained by analyzing the joint interface including the high concentration portion of the additive element by energy dispersive X-ray analysis is Al: Si: additive element: O: N = 15. The power module substrate according to claim 3, wherein the power module substrate is set to ˜45 mass%: 15 to 45 mass%: 1 to 30 mass%: 1 to 10 mass%: 25 mass% or less.
前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、前記添加元素、Oの質量比が、Al:添加元素:O=50〜90質量%:1〜30質量%:45質量%以下とされていることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール用基板。 The ceramic substrate is made of Al 2 O 3 ;
The mass ratio of Al, the additive element, and O obtained by analyzing the bonding interface including the high concentration portion of the additive element by energy dispersive X-ray analysis is Al: additive element: O = 50 to 90 mass%: 1 to 30. The power module substrate according to claim 3, wherein the mass percentage is 45% by mass or less.
前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合面とは反対側の面に、前記ヒートシンクが接合されており、
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Zn,Ge,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、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が0.01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請求項7に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。 A first metal plate made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to one surface of the ceramic substrate, and a second metal plate made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to the other surface of the ceramic substrate;
The heat sink is bonded to the surface of the second metal plate opposite to the bonding surface with the ceramic substrate,
In the second metal plate and the heat sink, one or more additive elements selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga and Li are dissolved, and the second metal plate and The power module substrate with a heat sink according to claim 7, wherein the total concentration of the additive elements in the vicinity of the interface of the heat sink is set in a range of 0.01% by mass or more and 5% by mass or less.
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、Zn,Ge,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、この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、前記添加元素を、0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下の範囲内で介在させ、
前記加熱工程において、前記添加元素を前記金属板に向けて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 producing a power module substrate in which a metal plate made of aluminum or an aluminum alloy is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate,
One or more additional elements selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga and Li are fixed to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate, and the additional element A fixing step of forming a fixing layer containing:
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, the additive element is interposed in the interface between the ceramic substrate and the metal plate within a range of 0.01 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 the additive element toward the metal plate. Method.
前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、
前記第二の金属板の一面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、
前記ヒートシンク接合工程は、
前記第二の金属板の接合面及び前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Zn,Ge,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て添加元素層を形成する添加元素層形成工程と、
前記添加元素層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、
積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有し、
前記ヒートシンク加熱工程において、前記添加元素層の添加元素を前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに向けて拡散させることにより、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 A first metal plate made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to one surface of the ceramic substrate, and a second metal plate made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to the other surface of the ceramic substrate. A method of manufacturing a power module substrate with a heat sink, wherein the heat sink is bonded to a surface opposite to a bonding surface with the ceramic substrate of the metal plate,
A ceramic substrate bonding step of bonding the ceramic substrate and the first metal plate, and the ceramic substrate and the second metal plate;
A heat sink joining step for joining the heat sink to one surface of the second metal plate,
The heat sink joining step includes
One or more additional elements selected from Zn, Ge, Mg, Ca, Ga and Li are fixedly added to at least one of the bonding surface of the second metal plate and the bonding surface of the heat sink. An additive element layer forming step for forming an element layer;
A heat sink lamination step of laminating the second metal plate and the heat sink via the additive element layer;
Heating and heating the laminated second metal plate and the heat sink in the laminating direction and forming a molten metal region at the interface between the second metal plate and the heat sink,
By solidifying the molten metal region, the molten metal solidifying step for joining the second metal plate and the heat sink,
In the heat sink heating step, the molten metal region is formed at the interface between the second metal plate and the heat sink by diffusing the additive element of the additive element layer toward the second metal plate and the heat sink. A method of manufacturing a power module substrate with a heat sink, characterized by comprising:
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