JP2012059836A - Substrate for power module, method of manufacturing substrate for power module, and power module - Google Patents

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

Info

Publication number
JP2012059836A
JP2012059836A JP2010200141A JP2010200141A JP2012059836A JP 2012059836 A JP2012059836 A JP 2012059836A JP 2010200141 A JP2010200141 A JP 2010200141A JP 2010200141 A JP2010200141 A JP 2010200141A JP 2012059836 A JP2012059836 A JP 2012059836A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
circuit layer
ceramic substrate
layer
power module
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2010200141A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5664038B2 (en
Inventor
Joji Kitahara
丈嗣 北原
Toshiyuki Nagase
敏之 長瀬
Hiroshi Tonomura
宏史 殿村
Yoshiyuki Nagatomo
義幸 長友
Yoshio Kuromitsu
祥郎 黒光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
Priority to JP2010200141A priority Critical patent/JP5664038B2/en
Publication of JP2012059836A publication Critical patent/JP2012059836A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5664038B2 publication Critical patent/JP5664038B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321Disposition
    • H01L2224/32151Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate for a power module capable of suppressing occurrence of waviness and wrinkle on the surface of a circuit layer during cold cycle load, and suppressing a thermal stress from acting on a junction interface between a ceramics substrate and the circuit layer, being excellent in thermal cycle reliability.SOLUTION: In a substrate 10 for a power module, a circuit layer 12 is joined to one surface of a ceramic substrate 11, with an electronic component mounted on the surface of the circuit layer 12. The circuit layer 12 is made from aluminum alloy of precipitation dispersion type in which precipitation particles are dispersed in parent phase of aluminum. Based on the observation with a scanning electron microscope of the cross section of the circuit layer 12, a precipitation deficient layer 12A of which the presence ratio of precipitation particles whose particle size is 0.1 μm or larger is less than 3% is formed at the junction interface portion of the circuit layer 12 with the ceramics substrate 11. On one surface side of the circuit layer 12, the presence ratio of precipitation particles whose particle size is 0.1 μm or larger is 3% or higher.

Description

この発明は、半導体素子等の電子部品が搭載される回路層を備えたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法、このパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールに関するものである。   The present invention relates to a power module substrate having a circuit layer on which an electronic component such as a semiconductor element is mounted, a method for manufacturing the power module substrate, and a power module using the 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、回路層となるアルミニウム板がAl−Si系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が広く用いられている。
また、例えば特許文献2−4に示すように、セラミックス基板の上にアルミニウム合金部材を溶湯接合法によって接合して回路層を形成したパワーモジュール用基板が提案されている。
このようなパワーモジュール用基板においては、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとして使用される。
Among semiconductor elements, a power element for supplying power has a relatively high calorific value, and as a substrate on which the power element is mounted, for example, on a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride), as shown in Patent Document 1, 2. Description of the Related Art A power module substrate in which an aluminum plate serving as a circuit layer is bonded via an Al—Si brazing material is widely used.
For example, as shown in Patent Document 2-4, a power module substrate is proposed in which an aluminum alloy member is bonded onto a ceramic substrate by a molten metal bonding method to form a circuit layer.
In such a power module substrate, a semiconductor element as a power element is mounted on a circuit layer via a solder layer and used as a power module.

ここで、上述のパワーモジュールにおいては、使用時に冷熱サイクルが負荷されることになる。すると、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差による応力がセラミックス基板と回路層との接合界面に作用し、接合信頼性が低下するおそれがある。そこで、従来は、純度が99.99%以上の4Nアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで回路層を構成して熱応力を回路層の変形によって吸収することで、接合信頼性の向上を図っている。   Here, in the above-mentioned power module, a cooling cycle is loaded during use. Then, the stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and aluminum acts on the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer, and there is a possibility that the bonding reliability is lowered. Therefore, conventionally, the circuit layer is made of aluminum having a relatively small deformation resistance such as 4N aluminum having a purity of 99.99% or more, and the thermal stress is absorbed by the deformation of the circuit layer, thereby improving the bonding reliability. I am trying.

特開2005−328087号公報JP 2005-328087 A 特開2002−329814号公報JP 2002-329814 A 特開2005−252136号公報JP 2005-252136 A 特開2007−092150号公報JP 2007-092150 A

ところで、回路層を純度が99.99%以上(4Nアルミニウム)等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで構成した場合、冷熱サイクルを負荷した際に、回路層の表面にうねりやシワが発生してしまうといった問題があった。このように回路層の表面にうねりやシワが発生すると、はんだ層を介して接合した半導体素子等の電子部品との接合が不十分となり、パワーモジュールの信頼性が低下することになる。
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、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、冷熱サイクルの温度差が大きく、回路層の表面にうねりやシワがさらに発生しやすい状況になっている。
By the way, when the circuit layer is made of aluminum having a relatively low deformation resistance such as a purity of 99.99% or more (4N aluminum), undulations and wrinkles are generated on the surface of the circuit layer when a thermal cycle is applied. There was a problem such as. When waviness and wrinkles are generated on the surface of the circuit layer in this manner, the bonding with the electronic component such as a semiconductor element bonded through the solder layer becomes insufficient, and the reliability of the power module is lowered.
In particular, power modules have recently been reduced in size and thickness, and the usage environment has become harsh, and the amount of heat generated from electronic components such as semiconductor elements has increased. Therefore, undulations and wrinkles are more likely to occur on the surface of the circuit layer.

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、冷熱サイクル負荷時において、回路層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、かつ、セラミックス基板と回路層との接合界面に熱応力が作用することを抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法、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を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and can suppress the occurrence of waviness and wrinkles on the surface of the circuit layer during a thermal cycle load, and the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer. An object of the present invention is to provide a power module substrate that can suppress the action of thermal stress on the substrate and has excellent cooling cycle reliability, a method for manufacturing the power module substrate, and a power module including the power module substrate. .

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、前記回路層の断面の走査型電子顕微鏡観察において、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分には、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%未満とされた析出物欠乏層が形成されており、前記回路層の一方の面側においては、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%以上と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-described object, the power module substrate of the present invention has a circuit layer bonded to one surface of a ceramic substrate, and an electronic component is formed on the surface of the circuit layer. A power module substrate to be mounted, wherein the circuit layer is made of a precipitation-dispersion type aluminum alloy in which precipitate particles are dispersed in an aluminum matrix, and a scanning electron in a cross section of the circuit layer. In the microscopic observation, a precipitate-deficient layer in which the abundance ratio of precipitate particles having a particle size of 0.1 μm or more is less than 3% is formed in the bonding interface portion with the ceramic substrate in the circuit layer, One surface side of the circuit layer is characterized in that the abundance ratio of precipitate particles having a particle diameter of 0.1 μm or more is 3% or more.

なお、回路層断面の走査型電子顕微鏡観察において観察される析出物粒子の粒径は、断面円形をなす粒径rの基準析出物粒子を想定し、この基準析出物粒子と同等の面積を有する析出物粒子の粒径をrとする。
また、析出物粒子の存在比率は、EPMAの面分析あるいはマッピングにより析出物粒子を構成する元素を含むことが確認できている粒子とそれ以外の箇所に二値化分離処理をした際の面積率で算出する。
The particle diameter of the precipitate particles observed in the scanning electron microscope observation of the circuit layer cross section is assumed to be a reference precipitate particle having a particle diameter r having a circular cross section, and has the same area as this reference precipitate particle. Let r be the particle size of the precipitate particles.
The abundance ratio of precipitate particles is the area ratio when binarization separation processing is performed on particles that have been confirmed to contain elements constituting the precipitate particles by surface analysis or mapping of EPMA and other places. Calculate with

この構成のパワーモジュール用基板によれば、回路層がアルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、前記回路層の一方の面側においては、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%以上とされていることから、回路層の一方の面側部分が析出強化されることになる。よって、回路層の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、冷熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。なお、アルミニウムの母相には、アルミニウム以外の元素が固溶していてもよい。   According to the power module substrate of this configuration, the circuit layer is composed of a precipitation-dispersed aluminum alloy in which precipitate particles are dispersed in the aluminum matrix, and on one surface side of the circuit layer, Since the abundance ratio of precipitate particles having a particle size of 0.1 μm or more is 3% or more, one surface side portion of the circuit layer is strengthened by precipitation. Therefore, the deformation resistance of the one surface side portion of the circuit layer is increased, and it becomes possible to suppress the occurrence of swell and wrinkles during a cold cycle load. It should be noted that elements other than aluminum may be dissolved in the aluminum matrix.

また、回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分には、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%未満とされた析出物欠乏層が形成されているので、回路層とセラミックス基板とが、良好に接合されることになる。また、析出物欠乏層においては、変形抵抗が小さくなることから、セラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの析出物欠乏層によって緩和することができ、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。   Further, in the circuit layer, a precipitate deficient layer in which the abundance ratio of precipitate particles having a particle size of 0.1 μm or more is less than 3% is formed at the bonding interface portion with the ceramic substrate. And the ceramic substrate are bonded satisfactorily. In addition, since the deformation resistance is reduced in the precipitate-deficient layer, the thermal stress caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and the circuit layer can be relaxed by this precipitate-deficient layer, and the cooling cycle load can be reduced. The occurrence of cracks in the ceramic substrate at the time can be suppressed.

ここで、前記析出物欠乏層は、前記接合界面からの厚さが2μm以上50μm以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
この場合、前記析出物欠乏層の前記接合界面からの厚さが2μm以上とされているので、セラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの析出物欠乏層によって確実に緩和することができ、冷熱サイクル負荷時における回路層とセラミックス基板との接合信頼性を向上させることができる。
また、前記析出物欠乏層の厚さは、セラミックス基板と回路層となるアルミニウム板とを接合する際における、これらセラミックス基板と回路層の界面に形成される溶融金属領域における溶融金属量によって決定される。よって、前記析出物欠乏層の前記接合界面からの厚さが50μm以下とされている場合には、セラミックス基板と回路層となるアルミニウム板との界面に形成される溶融金属領域における溶融金属量が抑えられることになり、余剰な溶融金属による染みの発生を抑制することができる。
Here, it is preferable that the thickness of the precipitate deficient layer is set in a range of 2 μm or more and 50 μm or less from the bonding interface.
In this case, since the thickness of the precipitate-deficient layer from the bonding interface is 2 μm or more, the thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and the circuit layer is reliably ensured by the precipitate-deficient layer. It is possible to improve the bonding reliability between the circuit layer and the ceramic substrate at the time of thermal cycle loading.
The thickness of the precipitate deficient layer is determined by the amount of molten metal in the molten metal region formed at the interface between the ceramic substrate and the circuit layer when the ceramic substrate and the aluminum plate to be the circuit layer are joined. The Therefore, when the thickness of the precipitate deficient layer from the bonding interface is 50 μm or less, the amount of molten metal in the molten metal region formed at the interface between the ceramic substrate and the aluminum plate serving as the circuit layer is As a result, it is possible to suppress the occurrence of stains caused by excess molten metal.

また、前記析出物粒子が、FeとMnを含有していることが好ましい。
この場合、FeとMnを含有する析出物粒子によって、回路層の一方の面側部分の変形抵抗を確実に高くすることができ、冷熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。また、回路層を構成するアルミニウム合金として、例えばA3003合金等を用いることができる。
The precipitate particles preferably contain Fe and Mn.
In this case, the precipitate particles containing Fe and Mn can reliably increase the deformation resistance of one surface side portion of the circuit layer, and can suppress the occurrence of undulation and wrinkles during a cold cycle load. It becomes. Moreover, as an aluminum alloy which comprises a circuit layer, A3003 alloy etc. can be used, for example.

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一方の面に回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、回路層となる金属板として、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されたアルミニウム板を準備し、このアルミニウム板と、セラミックス基板とを、ろう材を介して積層する積層工程と、積層された前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板と前記セラミックス基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、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを接合して前記回路層を形成する凝固工程と、を備えており、前記加熱工程及び前記凝固工程により、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%未満とされた析出物欠乏層を形成することを特徴としている。   The method for manufacturing a power module substrate of the present invention is a method for manufacturing a power module substrate in which a circuit layer is bonded to one surface of a ceramic substrate, and an electronic component is mounted on the surface of the circuit layer, As a metal plate for the circuit layer, an aluminum plate made of a precipitation-dispersed aluminum alloy in which precipitate particles are dispersed in an aluminum matrix is prepared, and this aluminum plate, a ceramic substrate, and a brazing material are used. A laminating step of laminating through, a heating step of pressurizing and heating the laminated aluminum plate and the ceramic substrate in a laminating direction, and forming a molten metal region at an interface between the aluminum plate and the ceramic substrate; By solidifying the molten metal region, the aluminum plate and the ceramic substrate are joined to form the circuit layer. A solidifying step to be formed, and an abundance ratio of precipitate particles having a particle size of 0.1 μm or more is formed at a bonding interface portion with the ceramic substrate in the circuit layer by the heating step and the solidifying step. It is characterized by forming a precipitate-deficient layer of less than%.

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、加熱工程において、回路層となるアルミニウム板とセラミックス基板との界面に介在させたろう材を溶融させることで、アルミニウム板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成し、凝固工程でこの溶融金属領域を凝固させているので、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを接合することで回路層を形成することができる。また、加熱工程において、溶融金属領域を形成しているので、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%未満とされた析出物欠乏層を形成することが可能となる。すなわち、加熱工程において、ろう材が溶融するとともにアルミニウム板の一部も溶融し、溶融金属領域が形成されることになる。このとき、アルミニウム板中の析出物粒子が溶融金属領域に溶出し、析出物欠乏層が形成されることになる。ここで、ろう材箔の材質及び厚さ、加熱工程における加熱温度及び加熱時間を調整することで、溶融金属領域における溶融金属量が変化し、前記析出物欠乏層の厚さが制御される。   According to the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, in the heating step, the brazing material interposed at the interface between the aluminum plate serving as the circuit layer and the ceramic substrate is melted, so that the interface between the aluminum plate and the ceramic substrate is obtained. Since the molten metal region is formed and solidified in the solidification step, the circuit layer can be formed by joining the aluminum plate and the ceramic substrate. Further, since a molten metal region is formed in the heating process, the abundance ratio of precipitate particles having a particle size of 0.1 μm or more is set to less than 3% at the bonding interface portion with the ceramic substrate in the circuit layer. It is possible to form a precipitate-deficient layer. That is, in the heating step, the brazing material is melted and a part of the aluminum plate is also melted to form a molten metal region. At this time, precipitate particles in the aluminum plate are eluted into the molten metal region, and a precipitate-deficient layer is formed. Here, by adjusting the material and thickness of the brazing foil, the heating temperature and the heating time in the heating step, the amount of molten metal in the molten metal region changes, and the thickness of the precipitate-deficient layer is controlled.

また、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一方の面に回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、回路層となる金属板として、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されたアルミニウム板を準備し、このアルミニウム板の接合面又はセラミックス基板の接合面のうちの少なくとも一方に、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着して固着層を形成する固着工程と、この固着層を介して、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層する積層工程と、積層された前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板と前記セラミックス基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、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを接合して前記回路層を形成する凝固工程と、を備えており、前記加熱工程及び前記凝固工程により、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%未満とされた析出物欠乏層を形成することを特徴としている。   The power module substrate manufacturing method of the present invention is a method for manufacturing a power module substrate in which a circuit layer is bonded to one surface of a ceramic substrate, and an electronic component is mounted on the surface of the circuit layer. Then, an aluminum plate made of a precipitation-dispersed aluminum alloy in which precipitate particles are dispersed in an aluminum matrix is prepared as a metal plate to be a circuit layer, and a joining surface of the aluminum plate or a ceramic substrate is joined. A fixing step in which one or more additive elements selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are fixed to at least one of the surfaces to form a fixing layer; A lamination step of laminating the aluminum plate and the ceramic substrate through the fixing layer, and the laminated aluminum plate and the ceramic substrate. Pressing and heating in the layer direction to form a molten metal region at the interface between the aluminum plate and the ceramic substrate, and bonding the aluminum plate and the ceramic substrate by solidifying the molten metal region And a solidification step of forming the circuit layer, and a precipitate having a particle size of 0.1 μm or more is formed on the bonding interface portion of the circuit layer with the ceramic substrate by the heating step and the solidification step. It is characterized by forming a precipitate-deficient layer in which the abundance ratio of particles is less than 3%.

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、加熱工程において、回路層となるアルミニウム板とセラミックス基板との界面に介在させた添加元素を回路層側に拡散させることで、溶融金属領域を形成し、凝固工程でこの溶融金属領域を凝固させているので、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを接合することで回路層を形成することができる。また、加熱工程において、溶融金属領域を形成しているので、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%未満とされた析出物欠乏層を形成することが可能となる。すなわち、加熱工程において、添加元素が回路層側に拡散することでアルミニウム板の一部が溶融し、溶融金属領域が形成されることになる。このとき、アルミニウム板中の析出物粒子が溶融金属領域に溶出し、析出物欠乏層が形成されることになる。ここで、添加元素の固着量、加熱工程における加熱温度及び加熱時間を調整することで、溶融金属領域における溶融金属量が変化し、前記析出物欠乏層の厚さが制御される。
また、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素は、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、アルミニウム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。
According to the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, in the heating step, the molten metal region is formed by diffusing the additive element interposed at the interface between the aluminum plate serving as the circuit layer and the ceramic substrate to the circuit layer side. Since the molten metal region is solidified in the solidification step, the circuit layer can be formed by joining the aluminum plate and the ceramic substrate. Further, since a molten metal region is formed in the heating process, the abundance ratio of precipitate particles having a particle size of 0.1 μm or more is set to less than 3% at the bonding interface portion with the ceramic substrate in the circuit layer. It is possible to form a precipitate-deficient layer. That is, in the heating process, the additive element diffuses to the circuit layer side, so that a part of the aluminum plate is melted and a molten metal region is formed. At this time, precipitate particles in the aluminum plate are eluted into the molten metal region, and a precipitate-deficient layer is formed. Here, by adjusting the fixing amount of the additive element, the heating temperature and the heating time in the heating step, the amount of molten metal in the molten metal region changes, and the thickness of the precipitate-deficient layer is controlled.
In addition, one or more additive elements selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are elements that lower the melting point of aluminum. A molten metal region can be formed at the interface between the aluminum plate and the ceramic substrate.

ここで、前記固着工程では、前記添加元素とともにアルミニウム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アルミニウムを固着させているので、添加元素を確実に固着させることができる。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。
Here, in the fixing step, it is preferable to fix aluminum together with the additive element.
In this case, since the aluminum is fixed together with the additive element, the additive element can be securely fixed. 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.

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、前記添加元素を含有する粉末が分散されたペースト若しくはインクの塗布によって前記添加元素を固着し、前記固着層を形成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、前記添加元素を含有する粉末が分散されたペースト若しくはインクの塗布によって、前記添加元素を確実に固着でき、前述の固着層を形成することができる。また、前記添加元素の固着量を精度良く調整することが可能となる。
The fixing step fixes the additive element by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of a paste or ink in which the powder containing the additive element is dispersed to form the fixing layer. It is preferable.
In this case, the additive element can be reliably fixed by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of a paste or ink in which the powder containing the additive element is dispersed, and the above-described fixing layer is formed. be able to. In addition, it becomes possible to accurately adjust the amount of the additive element fixed.

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、このパワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴としている。
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回路層との接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル時において回路層の一方の面にうねりやシワが発生せず、回路層の一方の面に搭載された電子部品と回路層とを確実に接合することができる。よって、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可能となる。
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 of this configuration, the bonding strength between the ceramic substrate and the circuit layer is high, and no swell or wrinkle is generated on one surface of the circuit layer during the thermal cycle, and the circuit module is mounted on one surface of the circuit layer. The electronic component and the circuit layer thus formed can be reliably bonded. Therefore, even when the use environment is severe, it is possible to dramatically improve the reliability.

本発明によれば、冷熱サイクル負荷時において、回路層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、かつ、セラミックス基板と回路層との接合界面に熱応力が作用することを抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法、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を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of waviness and wrinkles on the surface of the circuit layer during a cold cycle load, and to suppress the application of thermal stress to the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer. It is possible to provide a power module substrate having excellent cooling cycle reliability, a method for manufacturing the power module substrate, and a power module including the power module substrate.

本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層の走査型電子顕微鏡によるCOMPO像である。It is a COMPO image by the scanning electron microscope of the circuit layer of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 図5におけるアルミニウム板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the joining interface vicinity of the aluminum plate and ceramic substrate in FIG. 本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層の添加元素の濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the concentration distribution of the addition element of the circuit layer and metal layer of the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層とセラミックス基板との接合界面の模式図である。It is a schematic diagram of the junction interface of the circuit layer and metal layer of a power module substrate which is the 2nd Embodiment of this invention, and a ceramic substrate. 本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 図12におけるアルミニウム板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the joining interface vicinity of the aluminum plate and ceramic substrate in FIG.

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図1に、本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板10を用いたパワーモジュール1を示す。
このパワーモジュール1は、回路層12が配設されたパワーモジュール用基板10と、回路層12の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク40とを備えている。ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層12とはんだ層2との間にNiメッキ層(図示なし)が設けられている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a power module 1 using a power module substrate 10 according to a first embodiment of the present invention.
The power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is disposed, a semiconductor chip 3 bonded to the surface of the circuit layer 12 via a solder layer 2, and a heat sink 40. Here, the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material. In the present embodiment, a Ni plating layer (not shown) is provided between the circuit layer 12 and the solder layer 2.

パワーモジュール用基板10は、図1及び図2に示すように、絶縁層を構成するセラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一面(図1及び図2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の他面(図1及び図2において下面)に配設された金属層13とを備えている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11 constituting an insulating layer and a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIGS. 1 and 2) of the ceramic substrate 11. And a metal layer 13 disposed on the other surface (the lower surface in FIGS. 1 and 2) of the ceramic substrate 11.

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Al(アルミナ)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。 The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is made of highly insulating Al 2 O 3 (alumina). In addition, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm.

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(図1、図2及び図5において上面)に、導電性を有するアルミニウム板22が接合されることにより形成されている。
この回路層12は、図3に示すように、アルミニウムの母相中に析出物粒子12Cが分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、FeとMnとを含む析出物粒子が分散されたアルミニウム合金(例えば、A3003合金)の圧延板からなるアルミニウム板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。なお、回路層12の厚さは、0.1〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
As shown in FIG. 5, the circuit layer 12 is formed by joining a conductive aluminum plate 22 to one surface of the ceramic substrate 11 (the upper surface in FIGS. 1, 2, and 5). .
As shown in FIG. 3, the circuit layer 12 is composed of a precipitate-dispersed aluminum alloy in which precipitate particles 12C are dispersed in an aluminum matrix. In this embodiment, the circuit layer 12 contains Fe and Mn. An aluminum plate 22 made of a rolled plate of an aluminum alloy (for example, A3003 alloy) in which precipitate particles are dispersed is formed by bonding to the ceramic substrate 11. Note that the thickness of the circuit layer 12 is set within a range of 0.1 to 1.5 mm, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.

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(図1、図2及び図5において下面)に、アルミニウム板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、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)の圧延板からなるアルミニウム板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。なお、金属層13の厚さは、0.1〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。   As shown in FIG. 5, the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate 23 to the other surface (the lower surface in FIGS. 1, 2, and 5) of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate 23 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 11. Note that the thickness of the metal layer 13 is set within a range of 0.1 to 1.5 mm, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.

ヒートシンク40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、図1に示すように、天板部41と、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路42とを備えている。ヒートシンク40(天板部41)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40の天板部41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 40 is for cooling the power module substrate 10 described above. As shown in FIG. 1, the heat sink 40 includes a top plate portion 41 and a flow path 42 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). I have. The heat sink 40 (top plate portion 41) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and is made of A6063 (aluminum alloy) in the present embodiment.
In the present embodiment, a buffer layer 15 made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) is provided between the top plate portion 41 of the heat sink 40 and the metal layer 13. .

そして、図2に示すように、回路層12は、セラミックス基板11との接合界面側部分に配設された析出物欠乏層12Aと、この析出物欠乏層12Aに積層する本体層12Bと、を備えている。
ここで、析出物欠乏層12Aの接合界面からの厚さtは、2μm≦t≦50μmの範囲内に設定されている。
また、本体層12Bは、回路層12の一方の面(すなわち、半導体チップ3が搭載される搭載面)にまで延在している。
Then, as shown in FIG. 2, the circuit layer 12 includes a precipitate deficient layer 12A disposed on the bonding interface side portion with the ceramic substrate 11, and a main body layer 12B laminated on the precipitate deficient layer 12A. I have.
Here, the thickness t from the bonding interface of the precipitate-deficient layer 12A is set in the range of 2 μm ≦ t ≦ 50 μm.
The main body layer 12B extends to one surface of the circuit layer 12 (that is, the mounting surface on which the semiconductor chip 3 is mounted).

そして、回路層12の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、図3に示すように、セラミックス基板11との接合界面30側部分に配設された析出物欠乏層12Aにおいては、粒径0.1μm以上の析出物粒子12Cの存在比率が3%未満とされており、本体層12Bにおいては、粒径0.1μm以上の析出物粒子12Cの存在比率が3%以上とされている。すなわち、析出物欠乏層12Aと本体層12Bとでは、粒径0.1μm以上の析出物粒子12Cの分散状態が異なっているのである。   As a result of observing the cross section of the circuit layer 12 with a scanning electron microscope, as shown in FIG. 3, in the precipitate deficient layer 12 </ b> A disposed on the bonding interface 30 side portion with the ceramic substrate 11, the particle size is 0 The abundance ratio of precipitate particles 12C of 1 μm or more is less than 3%, and the abundance ratio of precipitate particles 12C having a particle diameter of 0.1 μm or more is 3% or more in the main body layer 12B. That is, the precipitate deficient layer 12A and the main body layer 12B are different in the dispersion state of the precipitate particles 12C having a particle diameter of 0.1 μm or more.

なお、回路層12の断面の走査型電子顕微鏡観察において観察される析出物粒子12Cの粒径は、断面円形をなす粒径rの基準析出物粒子を想定し、この基準析出物粒子と同等の面積を有する析出物粒子12Cの粒径をrとした。
また、析出物粒子12Cの存在比率は、EPMAの面分析あるいはマッピングによりFeとMnを含むことが確認できている粒子とそれ以外の箇所に二値化分離処理をした際の面積率で算出した。
The particle diameter of the precipitate particles 12C observed in the scanning electron microscope observation of the cross section of the circuit layer 12 is assumed to be a reference precipitate particle having a particle diameter r having a circular cross section, and is equivalent to this reference precipitate particle. The particle size of the precipitate particles 12C having an area was defined as r.
In addition, the abundance ratio of the precipitate particles 12C was calculated by an area ratio when binarization separation processing was performed on particles that were confirmed to contain Fe and Mn by surface analysis or mapping of EPMA and other locations. .

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

(積層工程S01)
まず、図4及び図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面側に、回路層12となるアルミニウム板22(A3003合金の圧延板)が、厚さ5〜50μm(本実施形態では14μm)のろう材箔24を介して積層され、セラミックス基板11の他方の面側に、金属層13となるアルミニウム板23(4Nアルミニウムの圧延板)が厚さ5〜50μm(本実施形態では14μm)のろう材箔25を介して積層される。
なお、本実施形態においては、ろう材箔24、25は、融点降下元素であるSiを含有したAl−Si系のろう材(Al−7.5質量%Si)とされている。
(Lamination process S01)
First, as shown in FIGS. 4 and 5, an aluminum plate 22 (A3003 alloy rolled plate) serving as the circuit layer 12 is formed on one surface side of the ceramic substrate 11 with a thickness of 5 to 50 μm (14 μm in this embodiment). The aluminum plate 23 (4N aluminum rolled plate) to be the metal layer 13 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 11 with a thickness of 5 to 50 μm (14 μm in this embodiment). Is laminated via a brazing filler metal foil 25.
In the present embodiment, the brazing material foils 24 and 25 are Al—Si based brazing materials (Al—7.5 mass% Si) containing Si that is a melting point lowering element.

(加熱工程S02)
次に、積層工程S01において形成された積層体を、その積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm)した状態で加熱炉内に装入して加熱する。この加熱工程S02によって、ろう材箔24、25とアルミニウム板22、23の一部とが溶融し、図6に示すように、アルミニウム板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が形成される。ここで、加熱温度は550℃以上650℃以下、加熱時間は30分以上180分以下とされている。
この加熱工程S02においては、ろう材箔24が溶融するとともにアルミニウム板22の一部も溶融し、溶融金属領域26が形成されることになる。このとき、アルミニウム板22中の析出物粒子12Cが溶融金属領域26に溶出し、上述の析出物欠乏層12Aが形成されることになる。
(Heating step S02)
Next, the laminated body formed in the laminating step S01 is charged in a heating furnace in a state of being pressurized (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) in the laminating direction and heated. By this heating step S02, the brazing material foils 24, 25 and a part of the aluminum plates 22, 23 are melted, and as shown in FIG. 6, molten metal regions are respectively formed at the interfaces between the aluminum plates 22, 23 and the ceramic substrate 11. 26 and 27 are formed. Here, the heating temperature is 550 ° C. or more and 650 ° C. or less, and the heating time is 30 minutes or more and 180 minutes or less.
In the heating step S02, the brazing filler metal foil 24 is melted and a part of the aluminum plate 22 is also melted, so that a molten metal region 26 is formed. At this time, the precipitate particles 12C in the aluminum plate 22 are eluted into the molten metal region 26, and the above-described precipitate deficient layer 12A is formed.

(凝固工程S03)
次に、積層体を冷却することによって溶融金属領域26、27を凝固させ、セラミックス基板11とアルミニウム板22、23とを接合する。このとき、ろう材箔24、25に含まれる融点降下元素(Si)がアルミニウム板22、23側へと拡散していくことになる。
このようにして、回路層12及び金属層13となるアルミニウム板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。
(Coagulation step S03)
Next, the molten metal regions 26 and 27 are solidified by cooling the laminate, and the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22 and 23 are joined. At this time, the melting point lowering element (Si) contained in the brazing material foils 24 and 25 diffuses toward the aluminum plates 22 and 23 side.
In this manner, the aluminum plates 22 and 23 to be the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 are joined, and the power module substrate 10 according to the present embodiment is manufactured.

そして、このパワーモジュール用基板10の金属層13の他方の面側に、緩衝層15を介してヒートシンク40がろう付け等によって接合され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が形成される。また、回路層12の表面にはんだ層2を介して半導体チップ3を搭載することで本実施形態であるパワーモジュール1が製出される。   Then, the heat sink 40 is joined to the other surface side of the metal layer 13 of the power module substrate 10 via the buffer layer 15 by brazing or the like to form a power module substrate with a heat sink. Further, the power module 1 according to the present embodiment is produced by mounting the semiconductor chip 3 on the surface of the circuit layer 12 via the solder layer 2.

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においては、回路層12が、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金からなるアルミニウム板22を接合することで構成されており、回路層12の一方の面側(すなわち、半導体チップ3が搭載される搭載面)においては、粒径0.1μm以上の析出物粒子12Cの存在比率が3%以上とされた本体層12Bが配設されていることから、回路層12の一方の面側部分が析出強化されることになる。
したがって、回路層12の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、冷熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。よって、一方の面上に搭載された半導体チップ3と回路層12との間の接合信頼性を大幅に向上させることが可能となる。
In the power module substrate 10 according to the present embodiment configured as described above, the circuit layer 12 has an aluminum plate 22 made of a precipitation-dispersed aluminum alloy in which precipitate particles are dispersed in an aluminum matrix. In one surface side of the circuit layer 12 (that is, the mounting surface on which the semiconductor chip 3 is mounted), the abundance ratio of the precipitate particles 12C having a particle diameter of 0.1 μm or more is 3 Since the main body layer 12 </ b> B having a ratio of at least% is provided, one surface side portion of the circuit layer 12 is precipitation strengthened.
Therefore, the deformation resistance of the one surface side portion of the circuit layer 12 is increased, and it is possible to suppress the occurrence of swell and wrinkles during a cold cycle load. Therefore, it is possible to greatly improve the bonding reliability between the semiconductor chip 3 mounted on one surface and the circuit layer 12.

また、回路層12のうちセラミックス基板11との接合界面部分には、粒径0.1μm以上の析出物粒子12Cの存在比率が3%未満とされた析出物欠乏層12Aが形成されているので、回路層12とセラミックス基板11とが良好に接合されることになる。また、析出物欠乏層12Aにおいては、析出物粒子12Cの分散量が少なく変形抵抗が小さくなることから、セラミックス基板11と回路層12との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの析出物欠乏層12Aによって緩和することができ、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板11の割れの発生を抑制することができる。   In addition, a precipitate deficient layer 12A in which the abundance ratio of the precipitate particles 12C having a particle size of 0.1 μm or more is less than 3% is formed at the bonding interface portion with the ceramic substrate 11 in the circuit layer 12. Thus, the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11 are bonded satisfactorily. Further, in the precipitate deficient layer 12A, the amount of precipitate particles 12C dispersed is small and the deformation resistance is small, so that the thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 is applied to the precipitate. It can be mitigated by the deficient layer 12A, and the generation of cracks in the ceramic substrate 11 during a cooling cycle load can be suppressed.

さらに、本実施形態では、析出物欠乏層12Aの接合界面からの厚さtが、t≧2μmとされているので、セラミックス基板11と回路層12との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの析出物欠乏層12Aによって確実に緩和することができ、冷熱サイクル負荷時における回路層12とセラミックス基板11との接合信頼性を向上させることができる。
また、析出物欠乏層12Aの厚さは、セラミックス基板11と回路層12の界面に形成される溶融金属領域26における溶融金属量によって決定される。よって、析出物欠乏層12Aの接合界面からの厚さtを、t≦50μmとすることにより、セラミックス基板11と回路層12となるアルミニウム板22との界面に形成される溶融金属領域26における溶融金属量が抑えられることになり、余剰な溶融金属による染みの発生を抑制することができる。
Furthermore, in this embodiment, since the thickness t from the bonding interface of the precipitate deficient layer 12A is t ≧ 2 μm, the thermal stress caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 Can be reliably relaxed by the precipitate-deficient layer 12A, and the bonding reliability between the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11 at the time of a cold cycle load can be improved.
The thickness of the precipitate deficient layer 12 </ b> A is determined by the amount of molten metal in the molten metal region 26 formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12. Therefore, by setting the thickness t from the bonding interface of the precipitate deficient layer 12A to t ≦ 50 μm, the melting in the molten metal region 26 formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 22 serving as the circuit layer 12 is achieved. The amount of metal will be suppressed, and the occurrence of stains due to excess molten metal can be suppressed.

また、本実施形態では、回路層12が、FeとMnを含有する析出物粒子12Cが分散されたアルミニウム合金(例えばA3003合金)で構成されているので、回路層11の一方の面側部分の変形抵抗を確実に高くすることができ、冷熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。   In the present embodiment, the circuit layer 12 is made of an aluminum alloy (for example, A3003 alloy) in which precipitate particles 12C containing Fe and Mn are dispersed. Deformation resistance can be reliably increased, and it is possible to suppress the occurrence of waviness and wrinkles during a cold cycle load.

また、本実施形態であるパワーモジュール用基板10の製造方法によれば、加熱工程S02において、回路層12となるアルミニウム板22とセラミックス基板11との界面に介在させたろう材24を溶融させることで、アルミニウム板22とセラミックス基板11との界面に溶融金属領域26を形成し、かつ、金属層13となるアルミニウム板23とセラミックス基板11との界面に介在させたろう材25を溶融させることで、アルミニウム板23とセラミックス基板11との界面に溶融金属領域27を形成し、凝固工程S03において、これら溶融金属領域26、27を凝固させているので、アルミニウム板22、23とセラミックス基板11とを接合することで、本実施形態であるパワーモジュール用基板10が製出されることになる。   Further, according to the method for manufacturing the power module substrate 10 according to the present embodiment, the brazing material 24 interposed at the interface between the aluminum plate 22 to be the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11 is melted in the heating step S02. By forming a molten metal region 26 at the interface between the aluminum plate 22 and the ceramic substrate 11 and melting the brazing material 25 interposed at the interface between the aluminum plate 23 to be the metal layer 13 and the ceramic substrate 11, aluminum Since the molten metal region 27 is formed at the interface between the plate 23 and the ceramic substrate 11 and these molten metal regions 26 and 27 are solidified in the solidification step S03, the aluminum plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 are joined. Thus, the power module substrate 10 according to the present embodiment is produced.

また、加熱工程S02において、アルミニウム板22とセラミックス基板11との界面に溶融金属領域26を形成することにより、回路層12のうちセラミックス基板11との接合界面部分に、粒径0.1μm以上の析出物粒子12Cの存在比率が3%未満とされた析出物欠乏層12Aを形成することが可能となる。ここで、ろう材箔24の材質及び厚さ、加熱工程S02における加熱温度及び加熱時間を調整することで、溶融金属領域26における溶融金属量が変化し、析出物欠乏層12Aの厚さを制御することが可能となる。   Further, in the heating step S02, by forming a molten metal region 26 at the interface between the aluminum plate 22 and the ceramic substrate 11, a particle diameter of 0.1 μm or more is formed at the bonding interface portion of the circuit layer 12 with the ceramic substrate 11. It is possible to form the precipitate deficient layer 12A in which the abundance ratio of the precipitate particles 12C is less than 3%. Here, by adjusting the material and thickness of the brazing foil 24, the heating temperature and the heating time in the heating step S02, the amount of molten metal in the molten metal region 26 changes, and the thickness of the precipitate-deficient layer 12A is controlled. It becomes possible to do.

次に、本発明の第2の実施形態について図7から図13を参照して説明する。
このパワーモジュール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メッキ層(図示なし)が設けられている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The power module 101 includes a power module substrate 110 on which a circuit layer 112 is disposed, a semiconductor chip 3 bonded to the surface of the circuit layer 112 via a solder layer 2, and a heat sink 140. Here, the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material. In the present embodiment, a Ni plating layer (not shown) is provided between the circuit layer 112 and the solder layer 2.

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る。本実施形態では、セラミックス基板111は絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板111の厚さは、0.2〜0.8mm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 power module substrate 110 includes a ceramic substrate 111, a circuit layer 112 disposed on one surface of the ceramic substrate 111 (upper surface in FIG. 7), and the other surface (lower surface in FIG. 7) of the ceramic substrate 111. And a disposed metal layer 113.
The ceramic substrate 111 prevents electrical connection between the circuit layer 112 and the metal layer 113. In the present embodiment, the ceramic substrate 111 is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). Further, the thickness of the ceramic substrate 111 is set in a range of 0.2 to 0.8 mm, and in this embodiment, is set to 0.635 mm.

図12に示すように、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アルミニウム板122が接合されることにより形成されている。
この回路層112は、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、FeとMnとを含む析出物粒子が分散されたアルミニウム合金(例えば、A3003合金)の圧延板からなるアルミニウム板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。なお、回路層112の厚さは、0.1〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.4mmに設定されている。
As shown in FIG. 12, the circuit layer 112 is formed by bonding a conductive aluminum plate 122 to one surface of the ceramic substrate 111.
The circuit layer 112 is made of a precipitate-dispersed aluminum alloy in which precipitate particles are dispersed in an aluminum matrix. In this embodiment, aluminum in which precipitate particles containing Fe and Mn are dispersed. An aluminum plate 122 made of a rolled plate of an alloy (for example, A3003 alloy) is joined to the ceramic substrate 111. Note that the thickness of the circuit layer 112 is set within a range of 0.1 to 1.5 mm, and is set to 0.4 mm in the present embodiment.

また、金属層113は、セラミックス基板111の他方の面にアルミニウム板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、純度が99.99%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)の圧延板からなるアルミニウム板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。なお、金属層112の厚さは、0.1〜5.0mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、2.0mmに設定されている。   The metal layer 113 is formed by bonding an aluminum plate 123 to the other surface of the ceramic substrate 111. In the present embodiment, the metal layer 113 is formed by joining an aluminum plate 123 made of a rolled plate of aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 111. In addition, the thickness of the metal layer 112 is set within a range of 0.1 to 5.0 mm, and is set to 2.0 mm in the present embodiment.

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、図7に示すように、天板部141と、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路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。   The heat sink 140 is for cooling the power module substrate 110 described above. As shown in FIG. 7, the heat sink 140 includes a top plate portion 141 and a flow path 142 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). I have. The heat sink 140 (top plate portion 141) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and in this embodiment, is made of A6063 (aluminum alloy).

そして、図8に示すように、回路層112は、セラミックス基板111との接合界面側部分に配設された析出物欠乏層112Aと、この析出物欠乏層112Aに積層する本体層112Bと、を備えている。
ここで、析出物欠乏層112Aの接合界面からの厚さtは、2μm≦t≦50μmの範囲内に設定されている。
また、本体層112Bは、回路層112の一方の面(すなわち、半導体チップ3が搭載される搭載面)にまで延在している。
Then, as shown in FIG. 8, the circuit layer 112 includes a precipitate deficient layer 112A disposed on the bonding interface side portion with the ceramic substrate 111, and a main body layer 112B laminated on the precipitate deficient layer 112A. I have.
Here, the thickness t from the bonding interface of the precipitate deficient layer 112A is set in a range of 2 μm ≦ t ≦ 50 μm.
The main body layer 112B extends to one surface of the circuit layer 112 (that is, the mounting surface on which the semiconductor chip 3 is mounted).

そして、回路層112の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、セラミックス基板111との接合界面側部分に配設された析出物欠乏層112Aにおいては、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%未満とされており、本体層112Bにおいては、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%以上とされている。すなわち、析出物欠乏層112Aと本体層112Bとでは、粒径0.1μm以上の析出物粒子の分散状態が異なっているのである。   As a result of observing the cross section of the circuit layer 112 with a scanning electron microscope, in the precipitate deficient layer 112A disposed on the bonding interface side portion with the ceramic substrate 111, precipitate particles having a particle size of 0.1 μm or more are observed. The abundance ratio is less than 3%, and in the main body layer 112B, the abundance ratio of precipitate particles having a particle diameter of 0.1 μm or more is 3% or more. That is, the precipitate deficient layer 112A and the main body layer 112B are different in the dispersion state of the precipitate particles having a particle diameter of 0.1 μm or more.

なお、回路層112の断面を走査型電子顕微鏡で観察される析出物粒子の粒径は、断面円形をなす粒径rの基準析出物粒子を想定し、この基準析出物粒子と同等の面積を有する析出物粒子の粒径をrとした。
また、析出物粒子の存在比率は、EPMAの面分析あるいはマッピングによりFeとMnを含むことが確認できている粒子とそれ以外の箇所に二値化分離処理をした際の面積率で算出した。
The particle diameter of the precipitate particles observed by a scanning electron microscope for the cross section of the circuit layer 112 is assumed to be a reference precipitate particle having a particle diameter r having a circular cross section, and has an area equivalent to that of the reference precipitate particle. The particle size of the precipitate particles was r.
In addition, the abundance ratio of the precipitate particles was calculated as an area ratio when binarization separation processing was performed on particles that have been confirmed to contain Fe and Mn by surface analysis or mapping of EPMA and other locations.

また、本実施形態では、セラミックス基板111と回路層112(アルミニウム板122)及び金属層113(アルミニウム板123)との接合界面130においては、回路層112(アルミニウム板122)及び金属層113(アルミニウム板123)に、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶している。
回路層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の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。
In this embodiment, at the bonding interface 130 between the ceramic substrate 111, the circuit layer 112 (aluminum plate 122), and the metal layer 113 (aluminum plate 123), the circuit layer 112 (aluminum plate 122) and the metal layer 113 (aluminum). One or more additive elements selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are dissolved in the plate 123).
In the vicinity of the bonding interface 130 between the circuit layer 112 and the metal layer 113, a concentration gradient layer 133 is formed in which the concentration of the additive element gradually decreases as the distance from the bonding interface 130 in the stacking direction is increased. Here, the total concentration of additive elements in the vicinity of the bonding interface 130 between the circuit layer 112 and the metal layer 113 is set within a range of 0.01 mass% or more and 5 mass% or less.

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9のグラフは、回路層112(アルミニウム板122)及び金属層113(アルミニウム板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。
ここで、本実施形態では、Cu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Cu濃度が0.01質量%以上5質量%以下に設定されている。
The concentration of the additive element in the vicinity of the bonding interface 130 between the circuit layer 112 and the metal layer 113 is an average value measured at 5 points from the bonding interface 130 by EPMA analysis (spot diameter 30 μm). Further, the graph of FIG. 9 is obtained by performing line analysis in the stacking direction in the central portion of the circuit layer 112 (aluminum plate 122) and the metal layer 113 (aluminum plate 123), and obtaining the concentration at the above-mentioned 50 μm position as a reference. It is.
Here, in this embodiment, Cu is used as an additive element, and the Cu concentration in the vicinity of the bonding interface 130 between the circuit layer 112 and the metal layer 113 is set to 0.01 mass% or more and 5 mass% or less.

また、セラミックス基板111と回路層112(アルミニウム板122)及び金属層113(アルミニウム板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10に示すように、接合界面130に添加元素(Cu)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(Cu濃度)が、回路層112(アルミニウム板122)及び金属層113(アルミニウム板123)中の添加元素の濃度(Cu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。   When the bonding interface 130 between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 (aluminum plate 122) and the metal layer 113 (aluminum plate 123) is observed with a transmission electron microscope, as shown in FIG. An additive element high concentration portion 132 in which the additive element (Cu) is concentrated is formed. In the additive element high concentration portion 132, the additive element concentration (Cu concentration) is twice the additive element concentration (Cu concentration) in the circuit layer 112 (aluminum plate 122) and the metal layer 113 (aluminum plate 123). That's it. The thickness H of the additive element high concentration portion 132 is 4 nm or less.

なお、ここで観察する接合界面130は、図10に示すように、回路層112(アルミニウム板122)及び金属層113(アルミニウム板123)の格子像の界面側端部とセラミックス基板111の格子像の接合界面側端部との間の中央を基準面Sとする。また、回路層112(アルミニウム板122)及び金属層113(アルミニウム板123)中の添加元素の濃度(Cu濃度)とは、回路層112(アルミニウム板122)及び金属層113(アルミニウム板123)のうち接合界面130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(Cu濃度)である。   Note that, as shown in FIG. 10, the bonding interface 130 observed here is a lattice image of the ceramic substrate 111 and the interface side end of the lattice image of the circuit layer 112 (aluminum plate 122) and the metal layer 113 (aluminum plate 123). The reference plane S is the center between the end of the bonding interface side. The concentration (Cu concentration) of the additive element in the circuit layer 112 (aluminum plate 122) and the metal layer 113 (aluminum plate 123) is the same as that of the circuit layer 112 (aluminum plate 122) and the metal layer 113 (aluminum plate 123). Among these, it is the concentration (Cu concentration) of the additive element in a portion away from the bonding interface 130 by a certain distance (in this embodiment, 5 nm or more).

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(Cu)、O、Nの質量比が、Al:添加元素(Cu):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を構成するアルミニウム板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を構成するアルミニウム板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 (Cu), O, and N when the bonding interface 130 is analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDS) is Al: additive element (Cu): O: N = It is set in the range of 50 to 90% by mass: 1 to 30% by mass: 1 to 10% by mass: 25% by mass or less. In addition, the spot diameter at the time of performing the analysis by EDS is 1 to 4 nm, the bonding interface 130 is measured at a plurality of points (for example, 20 points in the present embodiment), and the average value is calculated. Further, the bonding interface 130 between the crystal grain boundary of the aluminum plates 122 and 123 constituting the circuit layer 112 and the metal layer 113 and the ceramic substrate 111 is not a measurement target, and the aluminum plate 122 constituting the circuit layer 112 and the metal layer 113, Only the bonding interface 130 between the crystal grains 123 and the ceramic substrate 111 is set as a measurement target.

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。   The analytical value obtained 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.

以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板110の製造方法について、図11から図13を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 110 for power modules of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to FIGS.

(固着工程S11)
まず、図11及び図12に示すように、回路層112となるアルミニウム板122のセラミックス基板111との接合面及び金属層113となるアルミニウム板123のセラミックス基板111との接合面に、スパッタリングによって、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着して固着層124、125を形成する。このとき、固着層124、125における添加元素量は0.01mg/cm以上10mg/cm以下の範囲内とされている。
本実施形態では、添加元素としてCuを用いており、固着層124、125における添加元素量(Cu量)は0.08mg/cm以上2.7mg/cm以下に設定されている。
さらに、本実施形態では、アルミニウム板123のうちヒートシンク140の天板部141との接合面にも、Cuを固着することで固着層126を形成している。
(Fixing step S11)
First, as shown in FIGS. 11 and 12, sputtering is performed on the bonding surface of the aluminum plate 122 to be the circuit layer 112 with the ceramic substrate 111 and the bonding surface of the aluminum plate 123 to be the metal layer 113 with the ceramic substrate 111. One or more additive elements selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are fixed to form the fixed layers 124 and 125. At this time, the amount of added elements in the fixed layers 124 and 125 is set in the range of 0.01 mg / cm 2 to 10 mg / cm 2 .
In this embodiment, Cu is used as an additive element, and the additive element amount (Cu amount) in the fixed layers 124 and 125 is set to 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less.
Furthermore, in this embodiment, the fixing layer 126 is formed by fixing Cu to the joint surface of the aluminum plate 123 with the top plate portion 141 of the heat sink 140.

(積層工程S12)
次に、アルミニウム板122をセラミックス基板111の一方の面側に積層し、かつ、アルミニウム板123をセラミックス基板111の他方の面側に積層する。このとき、図12に示すように、アルミニウム板122、123のうち固着層124、125形成された面がセラミックス基板111を向くように積層する。すなわち、アルミニウム板122、123とセラミックス基板111との間に固着層124、125を介在させているのである。
さらに、本実施形態では、アルミニウム板123の他方の面側に、固着層126を介して天板部141を積層する。
(Lamination process S12)
Next, the aluminum plate 122 is laminated on one surface side of the ceramic substrate 111, and the aluminum plate 123 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 111. At this time, as shown in FIG. 12, the aluminum plates 122 and 123 are laminated so that the surfaces on which the fixing layers 124 and 125 are formed face the ceramic substrate 111. That is, the fixing layers 124 and 125 are interposed between the aluminum plates 122 and 123 and the ceramic substrate 111.
Furthermore, in this embodiment, the top plate portion 141 is laminated on the other surface side of the aluminum plate 123 via the fixing layer 126.

(加熱工程S13)
次に、積層工程S12において積層されたアルミニウム板122、セラミックス基板111、アルミニウム板123、天板部141を、その積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm)した状態で加熱炉内に装入して加熱し、図13に示すように、アルミニウム板122、123とセラミックス基板111との界面にそれぞれ溶融金属領域127、128が形成される。これら溶融金属領域127、128は、固着層124、125のCuがアルミニウム板122、123側に拡散することによって、アルミニウム板122、123の固着層124、125近傍のCu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。同様に、固着層126のCuがアルミニウム板123及び天板部141側に拡散することによってアルミニウム板123と天板部141との界面にも溶融金属領域が形成されることになる。
この加熱工程S13においては、アルミニウム板122中の析出物粒子が溶融金属領域127に溶出し、上述の析出物欠乏層112Aが形成されることになる。
(Heating step S13)
Next, the aluminum plate 122, the ceramic substrate 111, the aluminum plate 123, and the top plate portion 141 laminated in the lamination step S12 are pressed in the lamination direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) in the heating furnace. As shown in FIG. 13, the molten metal regions 127 and 128 are formed at the interfaces between the aluminum plates 122 and 123 and the ceramic substrate 111, respectively. In these molten metal regions 127 and 128, the Cu concentration in the vicinity of the fixing layers 124 and 125 of the aluminum plates 122 and 123 increases due to the diffusion of Cu in the fixing layers 124 and 125 toward the aluminum plates 122 and 123, so that the melting point is increased. It is formed by lowering. Similarly, the Cu of the fixing layer 126 diffuses toward the aluminum plate 123 and the top plate portion 141, so that a molten metal region is also formed at the interface between the aluminum plate 123 and the top plate portion 141.
In this heating step S13, the precipitate particles in the aluminum plate 122 are eluted into the molten metal region 127, and the above-described precipitate deficient layer 112A is formed.

(凝固工程S14)
次に、溶融金属領域127,128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127,128中のCuが、さらにアルミニウム板122、123側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域127,128であった部分のCu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とアルミニウム板122、123とは、いわゆる等温拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
同様に、アルミニウム板123と天板部141との間に形成された溶融金属領域中のCuがアルミニウム板123及び天板部141側へと拡散していくことにより、凝固が進行していくことになる。
(Coagulation step S14)
Next, the temperature is kept constant while the molten metal regions 127 and 128 are formed. Then, Cu in the molten metal regions 127 and 128 further diffuses toward the aluminum plates 122 and 123 side. As a result, the Cu concentration in the portions of the molten metal regions 127 and 128 gradually decreases and the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. That is, the ceramic substrate 111 and the aluminum plates 122 and 123 are bonded by so-called isothermal diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding). After solidification progresses in this way, cooling is performed to room temperature.
Similarly, solidification proceeds as Cu in the molten metal region formed between the aluminum plate 123 and the top plate portion 141 diffuses toward the aluminum plate 123 and the top plate portion 141. become.

このようにして、回路層112及び金属層113となるアルミニウム板122、123とセラミックス基板111とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板110が製造される。また、アルミニウム板123と天板部141とも接合されて、ヒートシンク付パワーモジュールが構成されることになる。すなわち、本実施形態では、パワーモジュール用基板110の形成と、ヒートシンク140の接合と、を同時に実施しているのである。   In this manner, the aluminum plates 122 and 123 to be the circuit layer 112 and the metal layer 113 and the ceramic substrate 111 are bonded together, and the power module substrate 110 according to this embodiment is manufactured. Further, the aluminum plate 123 and the top plate portion 141 are joined together to constitute a power module with a heat sink. That is, in the present embodiment, the formation of the power module substrate 110 and the bonding of the heat sink 140 are performed simultaneously.

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においては、上述の第1の実施形態と同様に、回路層112が、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金からなるアルミニウム板122を接合することで構成されており、回路層112の一方の面側(すなわち、半導体チップ3が搭載される搭載面)に、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%以上とされた本体層112Bが配設されていることから、回路層112の一方の面側部分が析出強化されることになり、冷熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。   In the power module substrate 110 and the power module 101 according to the present embodiment configured as described above, the circuit layer 112 includes precipitate particles in the aluminum matrix as in the first embodiment described above. The aluminum plate 122 made of a precipitation-dispersed aluminum alloy in which is dispersed is bonded, and the particle size is formed on one surface side of the circuit layer 112 (that is, the mounting surface on which the semiconductor chip 3 is mounted). Since the main body layer 112B in which the abundance ratio of the precipitate particles of 0.1 μm or more is 3% or more is provided, one surface side portion of the circuit layer 112 is strengthened by precipitation, and the thermal cycle It is possible to suppress the occurrence of swells and wrinkles during loading.

また、回路層112のうちセラミックス基板111との接合界面部分に、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%未満とされた析出物欠乏層112Aが形成されているので、セラミックス基板111と回路層112との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの析出物欠乏層112Aによって緩和することができ、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板111の割れの発生を抑制することができる。   In addition, since the precipitate deficient layer 112A in which the abundance ratio of precipitate particles having a particle size of 0.1 μm or more is less than 3% is formed in the bonding interface portion with the ceramic substrate 111 in the circuit layer 112, the ceramics Thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the substrate 111 and the circuit layer 112 can be relieved by the precipitate-deficient layer 112A, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate 111 during a cooling / heating cycle load can be suppressed. .

さらに、回路層112及び金属層113とセラミックス基板111との接合界面130には、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiのうちのいずれか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、添加元素としてCuが固溶されているので、回路層112及び金属層113とセラミックス基板111との接合界面130側部分が固溶強化することになり、回路層112及び金属層113部分での破断を防止することができる。   Furthermore, at the bonding interface 130 between the circuit layer 112 and the metal layer 113 and the ceramic substrate 111, one or more of Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are used. The additive element is in solid solution, and in this embodiment, since Cu is dissolved as the additive element, the bonding interface 130 side portion between the circuit layer 112 and the metal layer 113 and the ceramic substrate 111 is solid solution strengthened. Thus, the breakage at the circuit layer 112 and the metal layer 113 can be prevented.

ここで、回路層112及び金属層113のうち接合界面130近傍における添加元素の濃度(本実施形態ではCu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近傍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110に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を回路層112及び金属層113で緩和することが可能となり、セラミックス基板111の割れの発生を抑制できる。   Here, the concentration of the additive element in the vicinity of the bonding interface 130 (Cu concentration in the present embodiment) of the circuit layer 112 and the metal layer 113 is set within a range of 0.01% by mass or more and 5% by mass or less. It is possible to prevent the strength in the vicinity of the bonding interface 130 between the circuit layer 112 and the metal layer 113 from being excessively increased, and when the power module substrate 110 is subjected to a thermal cycle, the thermal stress is applied to the circuit layer 112 and the metal layer 113. And the occurrence of cracks in the ceramic substrate 111 can be suppressed.

また、回路層112及び金属層113とセラミックス基板111との接合界面130には、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiのうちのいずれか1種又は2種以上の添加元素の濃度(本実施形態ではCu濃度)が、回路層112及び金属層113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132が形成されているので、界面近傍に存在する添加元素原子(Cu原子)により、回路層112及び金属層113とセラミックス基板111との接合強度の向上を図ることが可能となる。   In addition, at the junction interface 130 between the circuit layer 112 and the metal layer 113 and the ceramic substrate 111, one or more of Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are used. Since the additive element high-concentration portion 132 in which the concentration of the additive element (Cu concentration in this embodiment) is twice or more the concentration of the additive element in the circuit layer 112 and the metal layer 113 is formed, the vicinity of the interface It is possible to improve the bonding strength between the circuit layer 112 and the metal layer 113 and the ceramic substrate 111 by the additive element atoms (Cu atoms) present in the substrate.

また、添加元素高濃度部132を含む接合界面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(Cu)、Oの質量比が、分析した際のAl、添加元素(Cu)、O、Nの質量比が、Al:添加元素(Cu):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ので、Alと添加元素(Cu)との反応物が過剰に生成されることがなく、回路層112及び金属層113とセラミックス基板111との接合を良好に行うことができる。また、この反応物によって回路層112及び金属層113の接合界面130近傍が必要以上に強化されることがなく、熱応力を確実に吸収することが可能となり、冷熱サイクル負荷時のセラミックス基板111の割れの発生を抑制することができる。   Further, when the mass ratio of Al, additive element (Cu), and O analyzed by the energy dispersive X-ray analysis of the bonding interface 130 including the high concentration part 132 of the additive element is analyzed, Al, additive element (Cu), The mass ratio of O and N is set within a range of Al: addition element (Cu): O: N = 50 to 90 mass%: 1 to 30 mass%: 1 to 10 mass%: 25 mass% or less. Therefore, a reaction product of Al and the additive element (Cu) is not generated excessively, and the circuit layer 112 and the metal layer 113 and the ceramic substrate 111 can be bonded satisfactorily. In addition, the vicinity of the bonding interface 130 between the circuit layer 112 and the metal layer 113 is not strengthened more than necessary by this reactant, and it becomes possible to absorb the thermal stress without fail, and the ceramic substrate 111 at the time of the thermal cycle load. Generation of cracks can be suppressed.

また、本実施形態であるパワーモジュール用基板110の製造方法によれば、加熱工程S13において、回路層112となるアルミニウム板122とセラミックス基板111との界面に介在させた添加元素(Cu)を回路層112側に拡散させることで、溶融金属領域127を形成し、凝固工程S14でこの溶融金属領域127を凝固させているので、アルミニウム板122とセラミックス基板111とを接合することで回路層112を形成することができる。また、加熱工程S13において、溶融金属領域127を形成する際に、回路層112のうちセラミックス基板111との接合界面130部分に、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%未満とされた析出物欠乏層112Aを形成することが可能となる。すなわち、加熱工程S13において、添加元素(Cu)が回路層112側に拡散することでアルミニウム板122の一部が溶融し、溶融金属領域127が形成されることになる。このとき、アルミニウム板122中の析出物粒子が溶融金属領域127に溶出し、析出物欠乏層112Aが形成されることになる。ここで、添加元素(Cu)の固着量、加熱工程S13における加熱温度及び加熱時間を調整することで、溶融金属領域127における溶融金属量が変化し、析出物欠乏層112Aの厚さを制御することが可能となる。   Further, according to the method for manufacturing the power module substrate 110 according to the present embodiment, in the heating step S13, the additive element (Cu) interposed in the interface between the aluminum plate 122 serving as the circuit layer 112 and the ceramic substrate 111 is used as the circuit. Since the molten metal region 127 is formed by diffusing to the layer 112 side, and the molten metal region 127 is solidified in the solidification step S14, the circuit layer 112 is formed by bonding the aluminum plate 122 and the ceramic substrate 111. Can be formed. Further, when the molten metal region 127 is formed in the heating step S13, the abundance ratio of precipitate particles having a particle size of 0.1 μm or more is less than 3% in the bonding interface 130 portion of the circuit layer 112 with the ceramic substrate 111. It is possible to form the precipitate-deficient layer 112A. That is, in the heating step S <b> 13, the additive element (Cu) diffuses toward the circuit layer 112, so that a part of the aluminum plate 122 is melted and a molten metal region 127 is formed. At this time, the precipitate particles in the aluminum plate 122 are eluted into the molten metal region 127, and the precipitate-deficient layer 112A is formed. Here, by adjusting the fixing amount of the additive element (Cu), the heating temperature and the heating time in the heating step S13, the molten metal amount in the molten metal region 127 changes, and the thickness of the precipitate deficient layer 112A is controlled. It becomes possible.

また、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素は、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、アルミニウム板122とセラミックス基板111との界面に溶融金属領域127を形成することができる。   In addition, one or more additive elements selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are elements that lower the melting point of aluminum. The molten metal region 127 can be formed at the interface between the aluminum plate 122 and the ceramic substrate 111.

また、固着工程S11では、スパッタリングによって添加元素(Cu)を固着しているので、アルミニウム板122とセラミックス基板111との間に確実に添加元素(Cu)を配設することができ、アルミニウム板122とセラミックス基板111とを確実に
接合することができる。また、添加元素(Cu)の固着量を精度良く調整することが可能となり、析出物欠乏層112Aの厚さを制御することができる。
In addition, in the fixing step S11, since the additive element (Cu) is fixed by sputtering, the additive element (Cu) can be reliably disposed between the aluminum plate 122 and the ceramic substrate 111. And the ceramic substrate 111 can be reliably bonded. In addition, the amount of the additive element (Cu) fixed can be accurately adjusted, and the thickness of the precipitate deficient layer 112A can be controlled.

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、回路層を、析出物粒子がFe,Mnを含有する析出分散型のアルミニウム合金(A3003合金)によって構成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、他の析出分散型のアルミニウム合金で回路層を構成してもよい。
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 circuit layer has been described as being composed of a precipitation-dispersed aluminum alloy (A3003 alloy) in which the precipitate particles contain Fe and Mn. The circuit layer may be made of an aluminum alloy.

また、セラミックス基板として、Al、AlNを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、Si等の他のセラミックス基板であってもよい。
なお、第2の実施形態では、セラミックス基板としてAlNを用いた場合において、接合界面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(Cu)、O、Nの質量比が、Al:添加元素(Cu):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ものとして説明したが、例えばセラミックス基板としてAlを用いた場合においては、Al、添加元素(Cu)、Oの質量比が、Al:添加元素(Cu):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ことが好ましい。
Also, as the ceramic substrate, has been described by way of Al 2 O 3, AlN example, it is not limited to this and may be another ceramic substrate, such as Si 3 N 4.
In the second embodiment, when AlN is used as the ceramic substrate, the mass of Al, additive elements (Cu), O, and N when the bonding interface is analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDS). Although the ratio has been described as being set within a range of Al: addition element (Cu): O: N = 50 to 90 mass%: 1 to 30 mass%: 1 to 10 mass%: 25 mass% or less. For example, when Al 2 O 3 is used as the ceramic substrate, the mass ratio of Al, additive element (Cu), and O is Al: additive element (Cu): O = 50 to 90 mass%: 1 to 30 mass. %: It is preferably set within a range of 45% by mass or less.

ここで、接合界面に存在する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アルミニウム板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、冷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、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。
以上のことから、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のである。
Here, if 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. is there. In addition, the vicinity of the bonding interface of the aluminum plate is strengthened more than necessary by this reaction product, 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, it may not be possible to sufficiently improve the bonding strength due to the additive element atoms.
From the above, it is preferable that the mass ratio of the additive element atoms at the bonding interface be in the range of 1 to 30% by mass.

また、固着工程においては、Alとともに添加元素を固着してもよい。この場合、Ca及びLi等の酸化しやすい元素であっても確実に固着させることが可能となる。なお、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、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。   Further, in the fixing step, the additive element may be fixed together with Al. In this case, even an easily oxidizable element such as Ca and Li can be securely fixed. 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.

さらに、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。例えばコルゲートフィンを有するものであっても良いし、放熱フィンが立設されたものであってもよい。   Further, the structure of the heat sink is not particularly limited, and heat sinks having various configurations can be used. For example, it may have corrugated fins, or may have radiating fins standing upright.

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。   A comparative experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.

(本発明例1)
まず、厚さ0.635mmのAlNからなるセラミックス基板に、回路層として、厚さ0.6mmのA3003合金からなるアルミニウム板、及び、金属層として厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなるアルミニウム板を、Al−Si系のろう材(Al−7.5質量%Si)を用いて、接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
なお、ろう材箔の厚さを14μmとし、加圧条件3.0kgf/cm、加熱温度625℃、加熱時間30分、加熱雰囲気を真空とした。
(Invention Example 1)
First, on a ceramic substrate made of AlN having a thickness of 0.635 mm, an aluminum plate made of A3003 alloy having a thickness of 0.6 mm as a circuit layer, and an aluminum plate made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm as a metal layer. Then, bonding was performed using an Al—Si based brazing material (Al—7.5 mass% Si) to produce a power module substrate.
The thickness of the brazing material foil was 14 μm, the pressing condition was 3.0 kgf / cm 2 , the heating temperature was 625 ° C., the heating time was 30 minutes, and the heating atmosphere was vacuum.

(本発明例2)
厚さ0.635mmのAlNからなるセラミックス基板に、回路層として、厚さ0.6mmのA3003合金からなるアルミニウム板、及び、金属層として厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなるアルミニウム板を、第2の実施形態のように添加元素を固着させてTLP接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
なお、添加元素としてCuを用い、Cuの固着量を0.9mg/cmとし、加圧条件5.0kgf/cm、加熱温度610℃、加熱時間(保持時間)30分、加熱雰囲気を真空とした。
(Invention Example 2)
A ceramic substrate made of AlN having a thickness of 0.635 mm, an aluminum plate made of A3003 alloy having a thickness of 0.6 mm as a circuit layer, and an aluminum plate made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm as a metal layer, As in the second embodiment, the additive element was fixed and TLP bonded to produce a power module substrate.
Note that Cu was used as an additive element, the amount of Cu fixed was 0.9 mg / cm 2 , the pressurization condition was 5.0 kgf / cm 2 , the heating temperature was 610 ° C., the heating time (holding time) was 30 minutes, and the heating atmosphere was vacuumed It was.

(比較例1)
厚さ0.635mmのAlNからなるセラミックス基板に、回路層として、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなるアルミニウム板、及び、金属層として厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなるアルミニウム板を、Al−Si系のろう材(Al−7.5質量%Si)を用いて、接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
なお、ろう材箔の厚さを14μmとし、加圧条件3.0kgf/cm、加熱温度625℃、加熱時間30分、加熱雰囲気を真空とした。
(Comparative Example 1)
To a ceramic substrate made of AlN having a thickness of 0.635 mm, an aluminum plate made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm as a circuit layer and an aluminum plate made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm as a metal layer are made of Al. Bonding was performed using a -Si based brazing material (Al-7.5 mass% Si) to produce a power module substrate.
The thickness of the brazing material foil was 14 μm, the pressing condition was 3.0 kgf / cm 2 , the heating temperature was 625 ° C., the heating time was 30 minutes, and the heating atmosphere was vacuum.

(比較例2)
厚さ0.635mmのAlNからなるセラミックス基板に、回路層として、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなるアルミニウム板、及び、金属層として厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなるアルミニウム板を、第2の実施形態のように添加元素を固着させてTLP接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
なお、添加元素としてCuを用い、Cuの固着量を0.9mg/cmとし、加圧条件5.0kgf/cm、加熱温度610℃、加熱時間(保持時間)30分、加熱雰囲気を真空とした。
(Comparative Example 2)
A ceramic substrate made of AlN having a thickness of 0.635 mm is provided with an aluminum plate made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm as a circuit layer and an aluminum plate made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm as a metal layer. As in the second embodiment, the additive element was fixed and TLP bonded to produce a power module substrate.
Note that Cu was used as an additive element, the amount of Cu fixed was 0.9 mg / cm 2 , the pressurization condition was 5.0 kgf / cm 2 , the heating temperature was 610 ° C., the heating time (holding time) was 30 minutes, and the heating atmosphere was vacuumed It was.

そして、これらの試験片を用いて冷熱サイクル試験を実施した。具体的には、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後に、試験片を観察し、回路層表面のうねり状態、セラミックス基板と回路層との間の接合率を評価した。結果を表1に示す。
なお、うねりについては、半径が2μmの球状先端を有し、テーパ角が90°の円錐を触針として用い、2.5(mm/基準長さ)×5区間の距離を、荷重4mN,速度1mm/sで表面を走査して区間平均の粗さ曲線を測定し、その十点平均粗さRz(JIS B0601−1994)を算出した。
また、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である。
接合率 = (初期接合面積−剥離面積)/初期接合面積
And the thermal cycle test was implemented using these test pieces. Specifically, after repeating the cooling cycle (−45 ° C.-125 ° C.) 2000 times, the test piece was observed, and the undulation state on the surface of the circuit layer and the bonding rate between the ceramic substrate and the circuit layer were evaluated. The results are shown in Table 1.
As for the waviness, a cone having a spherical tip with a radius of 2 μm and a taper angle of 90 ° is used as a stylus, and the distance of 2.5 (mm / reference length) × 5 section is applied with a load of 4 mN and speed The surface was scanned at 1 mm / s to measure the average roughness curve, and the ten-point average roughness Rz (JIS B0601-1994) was calculated.
Moreover, the joining rate was computed with the following formula | equation. Here, “initial bonding area” is an area to be bonded before bonding.
Bonding rate = (initial bonding area-peeling area) / initial bonding area

また、回路層における析出物欠陥層の厚さ、析出物の平均粒度、を評価した。
本明細書での析出物欠乏層の厚さは、走査型電子顕微鏡によって観察した本発明例1,2及び比較例1,2の試料の断面をAdobe Photoshop CS2(Adobe Systems Incorporated製)の明るさ・コントラストコマンドを用いて解析した像又は写真において、最もセラミックス基板に近接した析出物付近に生じる画像コントラストの境界と金属/セラミックス界面との平均距離と定義した。
また、

観察した像及び写真において、その明るさやコントラストを変量させた。すると、析出物欠乏層が存在している試料においては、析出物欠乏層と析出物非欠乏層の間にコントラスト境界が観察される。そこで、本明細書においては、このコントラスト境界と金属/セラミック界面との距離を析出物欠乏層の厚さと定義した。
また、本明細書における析出物の平均粒径は、走査型電子顕微鏡にて本発明例1,2及び比較例1,2の試料の断面を観察した像及び写真のある一定の領域において、以下の式で定義した。
(析出物の平均粒径)=(A/B/π)0.5
A=(観察領域における粒径0.1μm以上の析出物粒子の面積比率)×観察領域の面積
B=(観察領域内に存在する粒径0.1μm以上の析出物粒子の個数)
π:円周率
Further, the thickness of the precipitate defect layer in the circuit layer and the average particle size of the precipitate were evaluated.
The thickness of the precipitate-deficient layer in this specification is the brightness of Adobe Photoshop CS2 (manufactured by Adobe Systems Incorporated), which is a cross section of the samples of Invention Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 observed with a scanning electron microscope. In the image or photograph analyzed using the contrast command, the average distance between the boundary of the image contrast generated near the precipitate closest to the ceramic substrate and the metal / ceramic interface was defined.
Also,

The brightness and contrast of the observed images and photographs were varied. Then, in the sample in which the precipitate deficient layer exists, a contrast boundary is observed between the precipitate deficient layer and the precipitate non-deficient layer. Therefore, in this specification, the distance between the contrast boundary and the metal / ceramic interface is defined as the thickness of the precipitate-deficient layer.
In addition, the average particle size of the precipitates in the present specification is as follows in a certain region of images and photographs obtained by observing the cross sections of the samples of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention with a scanning electron microscope. It was defined by the formula of
(Average particle size of the precipitate) = (A / B / π) 0.5
A = (Area ratio of precipitate particles having a particle size of 0.1 μm or more in the observation region) × Area of observation region B = (Number of precipitate particles having a particle size of 0.1 μm or more present in the observation region)
π: Pi ratio

比較例1、2では、接合率は高いものの回路層の表面にうねりが確認された。
これに対して、回路層をA3003合金で構成した本発明例1、2においては、回路層表面のうねりが抑制され、かつ、接合率も高かった。
また、本発明例1、2においては、回路層に析出物欠乏層が形成されていることが確認された。
In Comparative Examples 1 and 2, undulation was confirmed on the surface of the circuit layer although the bonding rate was high.
On the other hand, in Examples 1 and 2 of the present invention in which the circuit layer was composed of the A3003 alloy, the undulation on the surface of the circuit layer was suppressed and the joining rate was high.
Moreover, in Invention Examples 1 and 2, it was confirmed that a precipitate-deficient layer was formed in the circuit layer.

1、101 パワーモジュール
3 半導体チップ(電子部品)
10、110 パワーモジュール用基板
11、111 セラミックス基板
12、112 回路層
12A、112A 析出物欠乏層
12C 析出物粒子
22、122 アルミニウム板
23、123 アルミニウム板
24 ろう材箔
26 溶融金属領域
124 固着層
127 溶融金属領域
1, 101 Power module 3 Semiconductor chip (electronic component)
10, 110 Power module substrate 11, 111 Ceramic substrate 12, 112 Circuit layer 12A, 112A Precipitate deficient layer 12C Precipitate particle 22, 122 Aluminum plate 23, 123 Aluminum plate 24 Brazing material foil 26 Molten metal region 124 Adhering layer 127 Molten metal area

Claims (8)

セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層は、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、
前記回路層の断面の走査型電子顕微鏡観察において、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分には、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%未満とされた析出物欠乏層が形成されており、
前記回路層の一方の面側においては、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%以上と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 circuit layer is bonded to one surface of a ceramic substrate, and an electronic component is mounted on the surface of the circuit layer,
The circuit layer is made of a precipitate-dispersed aluminum alloy in which precipitate particles are dispersed in an aluminum matrix,
In the scanning electron microscope observation of the cross section of the circuit layer, precipitation in which the abundance ratio of precipitate particles having a particle size of 0.1 μm or more is less than 3% at the bonding interface portion with the ceramic substrate in the circuit layer A deficiency layer is formed,
The power module substrate, wherein the presence ratio of precipitate particles having a particle size of 0.1 μm or more is set to 3% or more on one surface side of the circuit layer.
前記析出物欠乏層は、前記接合界面からの厚さが2μm以上50μm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1に記載のパワーモジュール用基板。   2. The power module substrate according to claim 1, wherein the precipitate-deficient layer has a thickness from the bonding interface set in a range of 2 μm to 50 μm. 前記析出物粒子が、Fe及びMnを含有していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のパワーモジュール用基板。   The power module substrate according to claim 1, wherein the precipitate particles contain Fe and Mn. セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
回路層となる金属板として、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されたアルミニウム板を準備し、このアルミニウム板と、セラミックス基板とを、ろう材を介して積層する積層工程と、
積層された前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板と前記セラミックス基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、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを接合して前記回路層を形成する凝固工程と、を備えており、
前記加熱工程及び前記凝固工程により、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%未満とされた析出物欠乏層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 of manufacturing a power module substrate, wherein a circuit layer is bonded to one surface of a ceramic substrate, and an electronic component is mounted on the surface of the circuit layer,
As a metal plate for the circuit layer, an aluminum plate made of a precipitation-dispersed aluminum alloy in which precipitate particles are dispersed in an aluminum matrix is prepared, and this aluminum plate, a ceramic substrate, and a brazing material are used. A laminating process of laminating through,
Heating and pressing the laminated aluminum plate and the ceramic substrate in the laminating direction and forming a molten metal region at an interface between the aluminum plate and the ceramic substrate;
A solidification step of solidifying the molten metal region to form the circuit layer by joining the aluminum plate and the ceramic substrate;
By the heating step and the solidifying step, a precipitate-deficient layer in which the abundance ratio of precipitate particles having a particle size of 0.1 μm or more is less than 3% is formed at the bonding interface portion with the ceramic substrate in the circuit layer. A method for manufacturing a power module substrate.
セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
回路層となる金属板として、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されたアルミニウム板を準備し、このアルミニウム板の接合面又はセラミックス基板の接合面のうちの少なくとも一方に、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着して固着層を形成する固着工程と、
この固着層を介して、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層する積層工程と、
積層された前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板と前記セラミックス基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、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを接合して前記回路層を形成する凝固工程と、を備えており、
前記加熱工程及び前記凝固工程により、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径0.1μm以上の析出物粒子の存在比率が3%未満とされた析出物欠乏層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 of manufacturing a power module substrate, wherein a circuit layer is bonded to one surface of a ceramic substrate, and an electronic component is mounted on the surface of the circuit layer,
As a metal plate to be a circuit layer, an aluminum plate made of a precipitation-dispersed aluminum alloy in which precipitate particles are dispersed in an aluminum matrix is prepared, and the bonding surface of the aluminum plate or the bonding surface of the ceramic substrate is prepared. An adhering step of adhering one or more additional elements selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li to at least one of them to form an adhering layer;
A laminating step of laminating the aluminum plate and the ceramic substrate through the fixing layer,
Heating and pressing the laminated aluminum plate and the ceramic substrate in the laminating direction and forming a molten metal region at an interface between the aluminum plate and the ceramic substrate;
A solidification step of solidifying the molten metal region to form the circuit layer by joining the aluminum plate and the ceramic substrate;
By the heating step and the solidifying step, a precipitate-deficient layer in which the abundance ratio of precipitate particles having a particle size of 0.1 μm or more is less than 3% is formed at the bonding interface portion with the ceramic substrate in the circuit layer. A method for manufacturing a power module substrate.
前記固着工程では、前記添加元素とともにアルミニウムを固着することを特徴とする請求項5に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   6. The method for manufacturing a power module substrate according to claim 5, wherein in the fixing step, aluminum is fixed together with the additive element. 前記固着工程は、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、前記添加元素を含有する粉末が分散されたペースト若しくはインクの塗布によって前記添加元素を固着し、前記固着層を形成することを特徴とする請求項5又は請求項6に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   In the fixing step, the additional element is fixed by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of a paste or ink in which powder containing the additional element is dispersed to form the fixed layer. The manufacturing method of the board | substrate for power modules of Claim 5 or Claim 6 characterized by the above-mentioned. 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記回路層の表面に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。   A power module comprising: the power module substrate according to any one of claims 1 to 3; and an electronic component mounted on a surface of the circuit layer.
JP2010200141A 2010-09-07 2010-09-07 Power module substrate, power module substrate manufacturing method, and power module Active JP5664038B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010200141A JP5664038B2 (en) 2010-09-07 2010-09-07 Power module substrate, power module substrate manufacturing method, and power module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010200141A JP5664038B2 (en) 2010-09-07 2010-09-07 Power module substrate, power module substrate manufacturing method, and power module

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012059836A true JP2012059836A (en) 2012-03-22
JP5664038B2 JP5664038B2 (en) 2015-02-04

Family

ID=46056607

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010200141A Active JP5664038B2 (en) 2010-09-07 2010-09-07 Power module substrate, power module substrate manufacturing method, and power module

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5664038B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016163035A (en) * 2015-03-05 2016-09-05 三菱マテリアル株式会社 Method of manufacturing substrate for power module and substrate for power module
KR20170024578A (en) 2014-06-30 2017-03-07 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 Method for producing ceramic-aluminum bonded body, method for producing power module substrate, ceramic-aluminum bonded body, and power module substrate
WO2021187464A1 (en) * 2020-03-18 2021-09-23 三菱マテリアル株式会社 Insulated circuit board
JP2021153180A (en) * 2020-03-18 2021-09-30 三菱マテリアル株式会社 Insulative circuit board

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1065296A (en) * 1996-08-22 1998-03-06 Mitsubishi Materials Corp Ceramic circuit board
JP2001010874A (en) * 1999-03-27 2001-01-16 Nippon Hybrid Technologies Kk Production of composite material of inorganic material with metal containing aluminum and product related to the same
JP2007092150A (en) * 2005-09-29 2007-04-12 Dowa Holdings Co Ltd Aluminum-ceramic joined substrate and method for producing the same
WO2007142261A1 (en) * 2006-06-06 2007-12-13 Mitsubishi Materials Corporation Power element mounting substrate, method for manufacturing the power element mounting substrate, power element mounting unit, method for manufacturing the power element mounting unit, and power module
JP2009019223A (en) * 2007-07-10 2009-01-29 Nippon Light Metal Co Ltd Aluminum alloy sheet superior in heat resistance, manufacturing method therefor, aluminum alloy sheet superior in heat resistance and deep drawability, and manufacturing method therefor
WO2009148168A1 (en) * 2008-06-06 2009-12-10 三菱マテリアル株式会社 Substrate for power module, power module, and method for producing substrate for power module

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1065296A (en) * 1996-08-22 1998-03-06 Mitsubishi Materials Corp Ceramic circuit board
JP2001010874A (en) * 1999-03-27 2001-01-16 Nippon Hybrid Technologies Kk Production of composite material of inorganic material with metal containing aluminum and product related to the same
JP2007092150A (en) * 2005-09-29 2007-04-12 Dowa Holdings Co Ltd Aluminum-ceramic joined substrate and method for producing the same
WO2007142261A1 (en) * 2006-06-06 2007-12-13 Mitsubishi Materials Corporation Power element mounting substrate, method for manufacturing the power element mounting substrate, power element mounting unit, method for manufacturing the power element mounting unit, and power module
JP2009019223A (en) * 2007-07-10 2009-01-29 Nippon Light Metal Co Ltd Aluminum alloy sheet superior in heat resistance, manufacturing method therefor, aluminum alloy sheet superior in heat resistance and deep drawability, and manufacturing method therefor
WO2009148168A1 (en) * 2008-06-06 2009-12-10 三菱マテリアル株式会社 Substrate for power module, power module, and method for producing substrate for power module

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170024578A (en) 2014-06-30 2017-03-07 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 Method for producing ceramic-aluminum bonded body, method for producing power module substrate, ceramic-aluminum bonded body, and power module substrate
US10573577B2 (en) 2014-06-30 2020-02-25 Mitsubishi Materials Corporation Method for producing ceramic-aluminum bonded body, method for producing power module substrate, ceramic-aluminum bonded body, and power module substrate
JP2016163035A (en) * 2015-03-05 2016-09-05 三菱マテリアル株式会社 Method of manufacturing substrate for power module and substrate for power module
WO2021187464A1 (en) * 2020-03-18 2021-09-23 三菱マテリアル株式会社 Insulated circuit board
JP2021153180A (en) * 2020-03-18 2021-09-30 三菱マテリアル株式会社 Insulative circuit board

Also Published As

Publication number Publication date
JP5664038B2 (en) 2015-02-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105027277B (en) The manufacture method of power module substrate
WO2009148168A1 (en) Substrate for power module, power module, and method for producing substrate for power module
JP4747315B2 (en) Power module substrate and power module
TWI695778B (en) Bonded body, power module substrate with heat sink, heat sink, method of producing bonded body, method of producing power module substrate with heat sink and method of producing heat sink
WO2014061588A1 (en) Substrate for power module with heat sink, power module with heat sink, and method for producing substrate for power module with heat sink
CN104205324B (en) The power module substrate carrying radiator and the manufacture method of the power module substrate carrying radiator
US8609993B2 (en) Power module substrate, power module, and method for manufacturing power module substrate
JP5598592B2 (en) Power module
WO2011049067A1 (en) 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
TWI661516B (en) Bonded body, power module substrate with heat sink, heat sink, method of producing bonded body, method of producing power module substrate with heat sink and method of producing heat sink
JP5278354B2 (en) Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module
JP5664038B2 (en) Power module substrate, power module substrate manufacturing method, and power module
WO2018180159A1 (en) Method for producing insulated circuit board with heat sink
JP5359936B2 (en) Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module
WO2017077761A1 (en) Ceramic-aluminum conjugate, power module substrate, and power module
JP5640569B2 (en) Power module substrate manufacturing method
JP5741793B2 (en) Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, method for manufacturing power module substrate, and method for manufacturing power module substrate with heat sink
WO2016002609A1 (en) Method for producing ceramic-aluminum bonded body, method for producing power module substrate, ceramic-aluminum bonded body, and power module substrate
WO2015122446A1 (en) Copper/ceramic bond and power module substrate
JP5724273B2 (en) Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, method for manufacturing power module substrate, and method for manufacturing power module substrate with heat sink
JP2011181845A (en) Substrate for power module, method of manufacturing the same, substrate for power module with heat sink, and power module
JP6269116B2 (en) Metal member with underlayer, insulated circuit board, semiconductor device, insulated circuit board with heat sink, and method for producing metal member with underlayer
WO2016167217A1 (en) Bonded body, substrate for power module with heat sink, heat sink, method for producing bonded body, method for producing substrate for power module with heat sink, and method for producing heat sink
CN102655126B (en) Power module substrate and preparation method, this substrate carrying radiator and power model
JP5699882B2 (en) Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130329

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130926

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140107

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140306

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20141111

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20141124

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5664038

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150