JP2012160641A - Substrate for power module with heat sink, manufacturing method of substrate for power module with heat sink, and power module - Google Patents
Substrate for power module with heat sink, manufacturing method of substrate for power module with heat sink, and power module Download PDFInfo
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Abstract
Description
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、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 with a heat sink, a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, and a power module used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.
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、ＡｌＮ（窒化アルミ）やＡｌ２Ｏ３（アルミナ）などからなるセラミックス基板の一方の面にＡｌ（アルミニウム）からなる第一の金属板が接合されるとともに、セラミックス基板の他方の面にＡｌ（アルミニウム）からなる第二の金属板が接合され、さらに、第二の金属板にヒートシンクが積層接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が用いられる。
このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板では、第一の金属板は回路層として形成され、第一の金属板の上に、はんだ材を介して半導体チップが搭載される。
Among semiconductor elements, a power element for supplying power has a relatively high calorific value, and as a substrate on which it is mounted, for example, a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride), Al 2 O 3 (alumina), or the like A first metal plate made of Al (aluminum) is bonded to one surface, a second metal plate made of Al (aluminum) is bonded to the other surface of the ceramic substrate, and a second metal plate A power module substrate with a heat sink, in which a heat sink is laminated and bonded, is used.
In such a power module substrate with a heat sink, the first metal plate is formed as a circuit layer, and a semiconductor chip is mounted on the first metal plate via a solder material.
従来、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、例えば特許文献１に記載されているように、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とをろう付けによって接合してパワーモジュール用基板を製出するセラミックス基板接合工程と、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをろう付けによって接合するヒートシンク接合工程と、によって製造されている。
Conventionally, the above-mentioned power module substrate with a heat sink is formed by joining a ceramic substrate, a first metal plate, and a second metal plate by brazing, as described in
また、特許文献２には、接合界面にＣｕを添加してセラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを接合したパワーモジュール用基板が提案されている。このパワーモジュール用基板においては、第一の金属板及び第二の金属板のうちセラミックス基板との接合界面近傍部分が、Ｃｕの固溶によって強度が向上している。このため、冷熱サイクルによって接合界面にせん断応力が作用しても、接合界面近傍部分に亀裂が発生することが抑制され、接合信頼性が高いパワーモジュール用基板を提供できるものである。
ところで、第二の金属板とヒートシンクとをろう付けする際には、融点を低く設定するために、Ｓｉを７．５質量％以上含有するＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材箔が使用されることが多い。
Ｓｉを比較的多く含有するＡｌ−Ｓｉ系合金においては、延性が不十分であることから圧延等によって箔材を製造するのが困難であった。
By the way, when brazing the second metal plate and the heat sink, an Al—Si alloy brazing foil containing 7.5% by mass or more of Si is used to set the melting point low. There are many.
In an Al-Si alloy containing a relatively large amount of Si, it has been difficult to produce a foil material by rolling or the like because of insufficient ductility.
また、ヒートシンクと第二の金属板との間にろう材箔を配置し、これらを積層方向に加圧して加熱することになるが、この加圧に際してろう材箔の位置がずれないように、ろう材箔、ヒートシンク及び第二の金属板を積層配置する必要があった。
さらに、ろう材箔を用いた場合、第二の金属板とヒートシンクとの界面部分には、第二の金属板及びヒートシンクの表面、ろう材箔の両面の４つの面において酸化被膜が存在することになり、酸化被膜の合計厚さが厚くなる傾向にあった。この酸化被膜により、接合が阻害されるおそれがあった。
Also, the brazing material foil is disposed between the heat sink and the second metal plate, and these are heated by pressing in the laminating direction. The brazing material foil, the heat sink, and the second metal plate had to be laminated.
Furthermore, when brazing material foil is used, an oxide film is present at the interface between the second metal plate and the heat sink on the surfaces of the second metal plate and the heat sink and on both surfaces of the brazing material foil. And the total thickness of the oxide film tended to increase. This oxide film may hinder bonding.
また、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とをろう材箔を用いて接合する場合には、前述のように、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との間にろう材箔を配置し、これらを積層方向に加圧して加熱することになるが、この加圧に際してろう材箔の位置がずれないように、ろう材箔、セラミックス基板、第一の金属板及び第二の金属板を積層配置する必要があった。
さらに、ろう材箔を用いた場合、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との界面部分には、第一の金属板及び第二の金属板の表面、セラミックス基板の表面、ろう材箔の両面の４つの面において酸化被膜が存在することになり、酸化被膜の合計厚さが厚くなる傾向にあった。この酸化被膜により、接合が阻害されるおそれがあった。
Further, when the ceramic substrate and the first metal plate and the second metal plate are joined using the brazing material foil, as described above, the ceramic substrate, the first metal plate, and the second metal plate, The brazing material foil is disposed between the two, and these are heated by pressing in the laminating direction, but the brazing material foil, ceramic substrate, The metal plate and the second metal plate had to be laminated.
Furthermore, when using the brazing material foil, the interface portion between the ceramic substrate and the first metal plate and the second metal plate includes the surface of the first metal plate and the second metal plate, the surface of the ceramic substrate, There was an oxide film on the four sides of the brazing foil, and the total thickness of the oxide film tended to be thick. This oxide film may hinder bonding.
また、ヒートシンクを接合した場合には、パワーモジュール用基板がヒートシンクによって拘束されるために、冷熱サイクル負荷時に、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになる。ここで、特許文献２では、Ｃｕを第一の金属板及び第二の金属板に固溶させることによって、接合界面近傍部分に亀裂が発生することが抑制され、接合信頼性が高いパワーモジュール用基板を提供できるが、パワーモジュールの冷却性能を向上させるため、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面でのさらなる接合信頼性の向上が求められている。
In addition, when the heat sink is bonded, the power module substrate is restrained by the heat sink, so that a large shearing force is applied to the bonding interface between the first metal plate and the second metal plate and the ceramic substrate during a thermal cycle load. Will act. Here, in
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、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との接合信頼性が高く、かつ、セラミックス割れの発生を抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を用い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 has a heat sink that has high bonding reliability between the ceramic substrate, the first metal plate, and the second metal plate and can suppress the occurrence of ceramic cracks. It is an object of the present invention to provide a power module substrate, a method for manufacturing the power module substrate with a heat sink, and a power module using the power module substrate with a heat sink.
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備え、前記第一の金属板及び前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍には、Ｃｕが固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍には、Ａｇが固溶されていることを特徴としている。 In order to solve such problems and achieve the above object, a power module substrate with a heat sink according to the present invention includes a ceramic substrate and a first metal made of aluminum having one surface bonded to the surface of the ceramic substrate. A plate, a second metal plate made of aluminum with one surface bonded to the back surface of the ceramic substrate, and a second metal plate bonded to the other surface opposite to the one surface bonded to the ceramic substrate. A heat sink made of aluminum or an aluminum alloy, and Cu is dissolved in the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate among the first metal plate and the second metal plate, and the second metal Ag is dissolved in the vicinity of the bonding interface between the plate and the heat sink.
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、第一の金属板及び第二の金属板のうちセラミックス基板との接合界面近傍が、Ｃｕの固溶によって強化されている。また、ヒートシンク及び第二の金属板の接合界面近傍が、Ａｇの固溶によって強化されている。ここで、Ｃｕは、Ａｇに比べてアルミニウムの強度を向上させる効果が大きいことから、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合強度が、第二の金属板とヒートシンクとの接合強度よりも高くなる。
よって、ヒートシンクと第二の金属板とが必要以上に強固に接合されず、冷熱サイクルを負荷させた際に、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することが抑制され、セラミックス基板の割れを防止することが可能となる。
In the power module substrate with a heat sink having this configuration, the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate of the first metal plate and the second metal plate is reinforced by solid solution of Cu. Further, the vicinity of the bonding interface between the heat sink and the second metal plate is strengthened by the solid solution of Ag. Here, since Cu has a larger effect of improving the strength of aluminum than Ag, the bonding strength between the first metal plate and the second metal plate and the ceramic substrate is such that the second metal plate and the heat sink It becomes higher than the bonding strength.
Therefore, the heat sink and the second metal plate are not bonded more firmly than necessary, and a large shear is applied to the bonding interface between the first metal plate and the second metal plate and the ceramic substrate when a cooling cycle is applied. It is possible to prevent the force from acting and to prevent the ceramic substrate from cracking.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、第一の金属板及び第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されていてもよい。
この場合、第一の金属板及び第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上とされているので、第一の金属板及び第二の金属板の前記接合界面近傍部分を確実に強化することができ、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との接合信頼性を向上させることが可能となる。また、第一の金属板及び第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が５質量％以下とされているので、第一の金属板及び第二の金属板の前記接合界面近傍部分の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、このパワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際の応力を第一の金属板及び第二の金属板で吸収することにより、セラミックス基板の割れ等を防止できる。
In the power module substrate with a heat sink of the present invention, the Cu concentration in the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate of the first metal plate and the second metal plate is in the range of 0.05 mass% or more and 5 mass% or less. It may be set.
In this case, among the first metal plate and the second metal plate, the Cu concentration in the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate is 0.05% by mass or more, so the first metal plate and the second metal plate The vicinity of the bonding interface of the plate can be reliably strengthened, and the bonding reliability between the ceramic substrate, the first metal plate, and the second metal plate can be improved. In addition, since the Cu concentration in the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate of the first metal plate and the second metal plate is 5 mass% or less, the first metal plate and the second metal plate It is possible to prevent the strength in the vicinity of the joint interface from becoming higher than necessary. Therefore, the ceramic substrate can be prevented from cracking by absorbing the stress when the cooling cycle is applied to the power module substrate by the first metal plate and the second metal plate.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの接合界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されていてもよい。
この場合、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの接合界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上とされているので、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを確実に接合することができる。また、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの接合界面近傍におけるＡｇ濃度が１０質量％以下とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍部分の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、このパワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際の応力を、前記第二の金属板で吸収することができ、セラミックス基板の割れを確実に防止することができる。
In the power module substrate with a heat sink of the present invention, the Ag concentration in the vicinity of the bonding interface between the second metal plate and the heat sink may be set in a range of 0.05% by mass or more and 10% by mass or less.
In this case, since the Ag concentration in the vicinity of the bonding interface between the second metal plate and the heat sink is 0.05% by mass or more, the second metal plate and the heat sink can be reliably bonded. it can. In addition, since the Ag concentration in the vicinity of the bonding interface between the second metal plate and the heat sink is 10% by mass or less, the strength in the vicinity of the bonding interface between the second metal plate and the heat sink is more than necessary. It can be prevented from becoming high. Therefore, the stress when the cooling cycle is applied to the power module substrate can be absorbed by the second metal plate, and the ceramic substrate can be reliably prevented from cracking.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ａｇに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されていてもよい。
前述の添加元素は、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、第二の金属板とヒートシンクとを接合することができる。また、前述の添加元素は、Ｃｕよりもアルミニウムの強度を向上させる効果が小さいものであるので、ヒートシンクと第二の金属板との接合強度が必要以上に高くならない。よって、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することが抑制され、セラミックス基板の割れを防止することができる。
In the power module substrate with a heat sink of the present invention, the second metal plate and the heat sink may be one or two selected from Si, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga and Li in addition to Ag. The above additive elements may be dissolved.
Since the aforementioned additive element lowers the melting point of aluminum, the second metal plate and the heat sink can be joined under a relatively low temperature condition. Further, since the additive element described above has a smaller effect of improving the strength of aluminum than Cu, the bonding strength between the heat sink and the second metal plate does not become higher than necessary. Therefore, it is possible to suppress a large shearing force from acting on the bonding interface between the first metal plate and the second metal plate and the ceramic substrate, and to prevent the ceramic substrate from cracking.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第一の金属板及び前記第二の金属板には、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されていてもよい。
前述の添加元素は、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。
In the power module substrate with a heat sink of the present invention, the first metal plate and the second metal plate are selected from Si, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga and Li in addition to Cu. The seed or two or more additional elements may be dissolved.
Since the aforementioned additive element lowers the melting point of aluminum, the first metal plate and the second metal plate can be reliably bonded to the ceramic substrate under relatively low temperature conditions.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていてもよい。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの第二の金属板で十分に吸収することができ、セラミックス基板の割れを抑制することができる。
In the power module substrate with a heat sink of the present invention, the second metal plate may be configured by laminating a plurality of metal plates.
In this case, since the second metal plate has a structure in which a plurality of metal plates are laminated, the second metal plate is sufficient for the thermal stress caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the heat sink and the ceramic substrate. Can be absorbed, and cracking of the ceramic substrate can be suppressed.
本発明のパワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、該ヒートシンク付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、使用環境が厳しい場合であっても、セラミックス基板の割れを防止でき、かつ、電子部品から発生する熱をヒートシンクによって効率的に冷却することができ、信頼性に優れたパワーモジュールを提供することができる。
A power module according to the present invention includes the above-described power module substrate with a heat sink, and an electronic component mounted on the power module substrate with a heat sink.
According to the power module of this configuration, even when the usage environment is severe, the ceramic substrate can be prevented from cracking, and the heat generated from the electronic components can be efficiently cooled by the heat sink. An excellent power module can be provided.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備えるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、前記第二の金属板の他面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、前記セラミックス基板接合工程は、前記セラミックス基板と前記第一の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第一の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕを固着して第１Ｃｕ層を形成するとともに、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第二の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕを固着して第２Ｃｕ層を形成するＣｕ固着工程と、前記第１Ｃｕ層を介して前記セラミックス基板と前記第一の金属板とを積層するとともに、前記第２Ｃｕ層を介して前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層するセラミックス基板積層工程と、積層された前記第一の金属板と前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との界面及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に、第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成するセラミックス基板加熱工程と、この第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を凝固させることによって、前記第一の金属板と前記セラミックス基板及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合する第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、を有し、前記ヒートシンク接合工程は、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＡｇを固着してＡｇ層を形成するＡｇ層形成工程と、前記Ａｇ層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有することを特徴としている。 In the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention, a ceramic substrate, a first metal plate made of aluminum having one surface bonded to the surface of the ceramic substrate, and one surface bonded to the back surface of the ceramic substrate. A power module with a heat sink, comprising: a second metal plate made of aluminum; and a heat sink made of aluminum or an aluminum alloy joined to the other surface opposite to the one surface joined to the ceramic substrate of the second metal plate. A method for manufacturing a substrate for a ceramic, comprising: a ceramic substrate and the first metal plate; a ceramic substrate bonding step for bonding the ceramic substrate and the second metal plate; and the second metal plate A heat sink bonding step for bonding the heat sink to a surface, and the ceramic substrate bonding The step forms a first Cu layer by fixing Cu to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the first metal plate at the bonding interface between the ceramic substrate and the first metal plate. And a second Cu layer is formed by fixing Cu to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the second metal plate at the bonding interface between the ceramic substrate and the second metal plate. And stacking the ceramic substrate and the first metal plate through the first Cu layer, and stacking the ceramic substrate and the second metal plate through the second Cu layer. The ceramic substrate laminating step, the laminated first metal plate, the ceramic substrate and the second metal plate are pressurized and heated in the laminating direction, A ceramic substrate heating step for forming a first molten metal region and a second molten metal region at an interface between the one metal plate and the ceramic substrate and at an interface between the ceramic substrate and the second metal plate; The first molten metal and the second molten metal solidified by joining the first metal plate and the ceramic substrate and the ceramic substrate and the second metal plate by solidifying the molten metal region and the second molten metal region. And the heat sink bonding step includes forming an Ag layer by fixing Ag to at least one of the other surface of the second metal plate and the bonding surface of the heat sink, and A heat sink laminating step of laminating the second metal plate and the heat sink via an Ag layer; and laminating the laminated second metal plate and the heat sink in a laminating direction. A heat sink heating step of forming a molten metal region at the interface between the second metal plate and the heat sink by applying pressure and heating, and solidifying the molten metal region, whereby the second metal plate and the heat sink And a molten metal solidification step for joining the two.
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、第二の金属板の他面にヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程が、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＡｇを固着してＡｇ層を形成するＡｇ層形成工程を備えているので、第二の金属板とヒートシンクとの接合界面には、Ａｇが介在することになる。このＡｇは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、ヒートシンクと第二の金属板との界面に溶融金属領域を形成することができる。よって、比較的低温、短時間の条件で接合しても、ヒートシンクと第二の金属板とを接合することが可能となる。また、ヒートシンクと第二の金属板の接合界面近傍に、Ａｇを固溶させることができる。 According to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink having this configuration, the heat sink joining step of joining the heat sink to the other surface of the second metal plate includes the step of joining the other surface of the second metal plate and the heat sink. Since an Ag layer forming step of forming Ag layer by fixing Ag to at least one of them is provided, Ag intervenes at the bonding interface between the second metal plate and the heat sink. Since Ag is an element that lowers the melting point of aluminum, a molten metal region can be formed at the interface between the heat sink and the second metal plate under relatively low temperature conditions. Therefore, it is possible to join the heat sink and the second metal plate even if they are joined under relatively low temperature and short time conditions. Further, Ag can be dissolved in the vicinity of the bonding interface between the heat sink and the second metal plate.
また、ヒートシンク加熱工程において、Ａｇ層内のＡｇを前記第二の金属板及びヒートシンク側に拡散させることにより、前記ヒートシンクと前記第二の金属板との界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記第二の金属板と前記ヒートシンクを接合する構成としているので、製造が困難なＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、第二の金属板とヒートシンクとが確実に接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。 Further, in the heat sink heating step, the molten metal region is formed at the interface between the heat sink and the second metal plate by diffusing Ag in the Ag layer toward the second metal plate and the heat sink. Since the second metal plate and the heat sink are joined by solidifying the molten metal region, it is not necessary to use an Al-Si brazing foil that is difficult to manufacture, and at low cost, the first A power module substrate with a heat sink in which the second metal plate and the heat sink are securely bonded can be manufactured.
さらに、ろう材箔を使用せずに、前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に直接Ａｇを固着しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がない。
しかも、第二の金属板及びヒートシンクに直接Ａｇを固着した場合、酸化被膜は、第二の金属板及びヒートシンクの表面にのみ形成されることになり、第二の金属板及びヒートシンクの界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。
Further, since the Ag is directly fixed to at least one of the joining surface of the heat sink and the other surface of the second metal plate without using the brazing material foil, alignment work of the brazing material foil is performed. There is no need.
Moreover, when Ag is directly fixed to the second metal plate and the heat sink, the oxide film is formed only on the surface of the second metal plate and the heat sink, and exists at the interface between the second metal plate and the heat sink. Since the total thickness of the oxide film to be reduced is reduced, the yield of initial bonding is improved.
また、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを接合するセラミックス基板接合工程が、第一の金属板及び第二の金属板と前記セラミックス基板の接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着して第１Ｃｕ層及び第２Ｃｕ層を形成するＣｕ固着工程を備えているので、第一の金属板及び第二の金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、Ｃｕが介在することになる。このＣｕ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、第一の金属板及び第二の金属板と前記セラミックス基板との界面に第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成することができる。よって、比較的低温、短時間の条件で接合しても、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを接合することが可能となる。また、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板の界面近傍にＣｕを固溶させることができる。 Further, the ceramic substrate bonding step of bonding the first metal plate and the second metal plate and the ceramic substrate may include Cu at least one of the bonding surfaces of the first metal plate and the second metal plate and the ceramic substrate. Cu is fixed to form a first Cu layer and a second Cu layer, so that Cu is present at the bonding interface between the first metal plate and the second metal plate and the ceramic substrate. become. Since this Cu is an element that lowers the melting point of aluminum, the first molten metal region and the second molten metal at the interface between the first metal plate and the second metal plate and the ceramic substrate at a relatively low temperature condition. Regions can be formed. Therefore, even if it joins on conditions of comparatively low temperature and a short time, it becomes possible to join a 1st metal plate and a 2nd metal plate, and a ceramic substrate. Also, Cu can be dissolved in the vicinity of the interface between the first metal plate and the second metal plate and the ceramic substrate.
セラミックス基板加熱工程において、第１Ｃｕ層及び第２Ｃｕ層のＣｕを第一の金属板及び第二の金属板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との界面に第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成し、この第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を凝固させることで、第一の金属板及び第二の金属板と前記セラミックス基板を接合する構成としているので、ろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とが確実に接合されたパワーモジュール用基板を製造することができる。 In the ceramic substrate heating step, by diffusing Cu of the first Cu layer and the second Cu layer toward the first metal plate and the second metal plate, the ceramic substrate, the first metal plate, and the second metal plate Forming a first molten metal region and a second molten metal region at the interface of the first metal plate, and solidifying the first molten metal region and the second molten metal region, so that the first metal plate, the second metal plate, and the ceramics are solidified. Because it is configured to bond substrates, it is not necessary to use brazing material foil, etc., and the first metal plate and the substrate for power modules in which the second metal plate and the ceramic substrate are securely bonded are manufactured at low cost. can do.
このように、ろう材箔を使用せずに、前記セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを接合可能であることから、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、例えば、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する場合であっても、位置ズレ等によるトラブルを未然に防止することができる。
しかも、第一の金属板及び第二の金属板、あるいは、セラミックス基板に直接Ｃｕを固着しているので、酸化被膜は、第一の金属板及び第二の金属板の表面にのみ形成されることになり、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板の界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。
As described above, since the ceramic substrate and the first metal plate and the second metal plate can be joined without using the brazing material foil, it is not necessary to perform an alignment operation of the brazing material foil. For example, even when a metal piece previously formed in a circuit pattern is joined to a ceramic substrate, troubles due to misalignment can be prevented in advance.
Moreover, since Cu is directly fixed to the first metal plate and the second metal plate or the ceramic substrate, the oxide film is formed only on the surfaces of the first metal plate and the second metal plate. In other words, the total thickness of the oxide film present at the interface between the first metal plate and the second metal plate and the ceramic substrate is reduced, so that the yield of initial bonding is improved.
前記Ａｇ層形成工程において、Ａｇに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，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もよい。
前述の添加元素は、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、第二の金属板とヒートシンクとを確実に接合することができる。さらに、前述の添加元素は、Ｃｕよりもアルミニウムの強度を向上させる効果が小さいものであることから、ヒートシンクと第二の金属板との接合強度が必要以上に高くなることがない。
In the Ag layer forming step, in addition to Ag, one or more additive elements selected from Si, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li may be fixed.
Since the aforementioned additive element lowers the melting point of aluminum, the second metal plate and the heat sink can be reliably bonded under relatively low temperature conditions. Furthermore, since the additive element described above has a smaller effect of improving the strength of aluminum than Cu, the bonding strength between the heat sink and the second metal plate does not become higher than necessary.
また、前記Ｃｕ固着工程において、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，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もよい。
前述の添加元素は、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。
Further, in the Cu fixing step, in addition to Cu, one or more additive elements selected from Si, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga and Li may be fixed.
Since the aforementioned additive element lowers the melting point of aluminum, the first metal plate and the second metal plate can be reliably bonded to the ceramic substrate under relatively low temperature conditions.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行ってもよい。
この場合、ヒートシンク積層工程とセラミックス基板積層工程、ヒートシンク加熱工程とセラミックス基板加熱工程、溶融金属凝固工程と第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、をそれぞれ同時に行うことによって、接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができる。
In the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention, the ceramic substrate bonding step and the heat sink bonding step may be performed simultaneously.
In this case, the cost required for joining by simultaneously performing the heat sink lamination step and the ceramic substrate lamination step, the heat sink heating step and the ceramic substrate heating step, the molten metal solidification step and the first molten metal and second molten metal solidification step, respectively. Can be greatly reduced. Further, since it is not necessary to repeatedly heat and cool, it is possible to reduce the warpage of the power module substrate with a heat sink.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、前記Ａｇ層形成工程では、ＡｇとともにＡｌを固着させる構成としてもよい。
この場合、ＡｇとともにＡｌを固着させているので、形成されるＡｇ層がＡｌを含有することになり、このＡｇ層が優先的に溶融し、第二の金属板とヒートシンクとの界面に溶融金属領域を確実に形成することが可能となる。なお、ＡｇとともにＡｌを固着させるには、ＡｇとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、ＡｇとＡｌの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。さらに、ＡｇとＡｌを積層してもよい。
In the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention, in the Ag layer forming step, Al may be fixed together with Ag.
In this case, since Al is fixed together with Ag, the formed Ag layer contains Al, and this Ag layer melts preferentially, and the molten metal is formed at the interface between the second metal plate and the heat sink. It is possible to reliably form the region. In order to fix Al together with Ag, Ag and Al may be vapor-deposited at the same time, or sputtering with an alloy of Ag and Al as a target. Furthermore, Ag and Al may be laminated.
また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、前記Ｃｕ固着工程においては、ＣｕとともにＡｌを固着させる構成としてもよい。
この場合、ＣｕとともにＡｌを固着させているので、形成される第１Ｃｕ層又は第２Ｃｕ層がＡｌを含有することになり、この第１Ｃｕ層又は第２Ｃｕ層が優先的に溶融し、第一の金属板又は第二の金属板とセラミックス基板との界面に第一溶融金属領域又は第二溶融金属領域を確実に形成することが可能となる。なお、ＣｕとともにＡｌを固着させるには、ＣｕとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、ＣｕとＡｌの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。さらに、ＣｕとＡｌを積層してもよい。
Moreover, in the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink of this invention, it is good also as a structure which fixes Al together with Cu in the said Cu adhering process.
In this case, since Al is fixed together with Cu, the first Cu layer or the second Cu layer to be formed contains Al, the first Cu layer or the second Cu layer is preferentially melted, and the first It becomes possible to reliably form the first molten metal region or the second molten metal region at the interface between the metal plate or the second metal plate and the ceramic substrate. In order to fix Al together with Cu, Cu and Al may be vapor-deposited at the same time, or sputtering using an alloy of Cu and Al as a target. Further, Cu and Al may be laminated.
また、前記Ａｇ層形成工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に、Ａｇを固着させる構成としてもよい。
この場合、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Ａｇが前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に確実に固着されるので、ヒートシンクと第二の金属板との接合界面にＡｇを確実に介在させることが可能となる。また、Ａｇの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域を確実に形成して、ヒートシンクと第二の金属板とを確実に接合することが可能となる。
Further, the Ag layer forming step includes plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of paste or ink in which powder is dispersed, and the other surface of the heat sink and the other surface of the second metal plate. It is good also as a structure which adheres Ag to at least one among them.
In this case, Ag is at least one of the bonding surface of the heat sink and the other surface of the second metal plate by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of paste and ink in which powder is dispersed. Since it is securely fixed to one side, Ag can be reliably interposed at the bonding interface between the heat sink and the second metal plate. In addition, the amount of Ag adhering can be adjusted with high accuracy, the molten metal region can be reliably formed, and the heat sink and the second metal plate can be reliably bonded.
また、前記Ｃｕ固着工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によってＣｕを固着させる構成としてもよい。
この場合、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Ｃｕが確実に固着されるので、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面にＣｕを確実に介在させることが可能となる。また、Ｃｕの固着量を精度良く調整することができ、第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を確実に形成して、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを強固に接合することが可能となる。
The Cu fixing step may be configured to fix Cu by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of paste and ink in which powder is dispersed.
In this case, Cu is firmly fixed by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of paste and ink in which powder is dispersed, so the first metal plate and the second metal plate Cu can be reliably interposed at the bonding interface between the ceramic substrate and the ceramic substrate. In addition, the amount of adhesion of Cu can be adjusted with high accuracy, the first molten metal region and the second molten metal region can be reliably formed, and the first metal plate, the second metal plate, and the ceramic substrate can be firmly formed. It becomes possible to join to.
本発明によれば、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との接合信頼性が高く、かつ、セラミックス割れの発生を抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することが可能となる。 According to the present invention, a power module substrate with a heat sink that has high bonding reliability between the ceramic substrate and the first metal plate and the second metal plate and can suppress the occurrence of ceramic cracks, and for the power module with this heat sink A substrate manufacturing method and a power module using the power module substrate with a heat sink can be provided.
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の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク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 substrate with a heat sink and a power module according to the first embodiment of the present invention.
The
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
The
The
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に金属板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。
The
The
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、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部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。
The
そして、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）に、Ｃｕが固溶している。
回路層１２及び金属層１３の接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度が低下する濃度傾斜層３２が形成されている。ここで、回路層１２及び金属層１３の接合界面近傍のＣｕ濃度が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、回路層１２及び金属層１３の接合界面近傍のＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図２のグラフは、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
As shown in FIG. 2, at the bonding interface between the
In the vicinity of the junction interface between the
The Cu concentration in the vicinity of the bonding interface between the
また、図３に示すように、金属層１３（金属板２３）とヒートシンク４０との接合界面においては、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０に、Ａｇが固溶している。金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次Ａｇ濃度が低下する濃度傾斜層３３、３４が形成されている。ここで、この濃度傾斜層３３、３４の接合界面側（金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面近傍）のＡｇ濃度が、０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面近傍のＡｇ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図３のグラフは、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０（天板部４１）の幅中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
As shown in FIG. 3, Ag is dissolved in the metal layer 13 (metal plate 23) and the
The Ag concentration in the vicinity of the bonding interface between the
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図４から図７を参照して説明する。 Below, the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to FIGS.
（Ａｇ層形成工程Ｓ０１／Ｃｕ固着工程Ｓ１１）
まず、図５に示すように、回路層１２となる金属板２２の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層２４を形成するとともに、金属層１３となる金属板２３の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層２５を形成する（Ｃｕ固着工程Ｓ１１）。第１Ｃｕ層２４及び第２Ｃｕ層２５におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
(Ag layer forming step S01 / Cu fixing step S11)
First, as shown in FIG. 5, Cu is fixed to one surface of the
また、金属層１３となる金属板２３の他面に、Ａｇペーストを塗布して、１５０〜２００℃で乾燥した後に３００〜５００℃で焼成を行うことによりＡｇ層２６を形成する。（Ａｇ層形成工程Ｓ０１）。なお、Ａｇペーストの厚さは、乾燥後で約０．０２〜２００μｍとした。また、Ａｇ層２６におけるＡｇ量は、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
In addition, an Ag paste is applied to the other surface of the
ここで使用されるＡｇペーストは、Ａｇ粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有し、Ａｇ粉末の含有量が、Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、Ａｇ粉末の含有量は、Ａｇペースト全体の８５質量％とされている。
また、本実施形態では、Ａｇペーストの粘度が１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下に調整されている。
The Ag paste used here contains Ag powder, a resin, a solvent, and a dispersant, and the content of the Ag powder is 60% by mass or more and 90% by mass or less of the entire Ag paste. The remainder is made of resin, solvent and dispersant. In the present embodiment, the content of the Ag powder is 85% by mass of the entire Ag paste.
In the present embodiment, the viscosity of the Ag paste is adjusted to 10 Pa · s to 500 Pa · s, more preferably 50 Pa · s to 300 Pa · s.
Ａｇ粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径０．８μｍのものを使用した。
溶剤は、沸点が２００℃以上のものが適しており、例えば、α−テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレンクリコールジブチルエーテル等を適用することができる。なお、本実施形態では、ジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いている。
樹脂は、Ａｇペーストの粘度を調整するものであり、５００℃以上で分解されるものが適しており、例えば、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を適用することができる。なお、本実施形態では、エチルセルロースを用いている。
また、本実施形態では、ジカルボン酸系の分散剤を添加している。なお、分散剤を添加することなくＡｇペーストを構成してもよい。
The Ag powder has a particle size of 0.05 μm or more and 1.0 μm or less. In this embodiment, an Ag powder having an average particle size of 0.8 μm was used.
As the solvent, those having a boiling point of 200 ° C. or more are suitable, and for example, α-terpineol, butyl carbitol acetate, diethylene glycol dibutyl ether and the like can be applied. In the present embodiment, diethylene glycol dibutyl ether is used.
The resin is for adjusting the viscosity of the Ag paste, and is suitable to be decomposed at 500 ° C. or higher. For example, an acrylic resin, an alkyd resin, or the like can be applied. In this embodiment, ethyl cellulose is used.
In this embodiment, a dicarboxylic acid-based dispersant is added. In addition, you may comprise Ag paste, without adding a dispersing agent.
（ヒートシンク積層工程Ｓ０２／セラミックス基板積層工程Ｓ１２）
次に、図５に示すように、金属板２２をセラミックス基板１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板２３をセラミックス基板１１の他方の面側に積層する（セラミックス基板積層工程Ｓ１２）。このとき、図５に示すように、金属板２２の第１Ｃｕ層２４、金属板２３の第２Ｃｕ層２５が形成された面がセラミックス基板１１を向くように、金属板２２、２３を積層する。
さらに、金属板２３の他方の面側に、ヒートシンク４０を積層する（ヒートシンク積層工程Ｓ０２）。このとき、図５に示すように、金属板２３のＡｇ層２６が形成された面がヒートシンク４０を向くように、金属板２３とヒートシンク４０とを積層する。
すなわち、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との間にそれぞれ第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５を介在させ、金属板２３とヒートシンク４０との間にＡｇ層２６を介在させているのである。
(Heat sink lamination step S02 / Ceramic substrate lamination step S12)
Next, as shown in FIG. 5, the
Further, the
That is, the
（ヒートシンク加熱工程Ｓ０３／セラミックス基板加熱工程Ｓ１３）
次に、金属板２２、セラミックス基板１１、金属板２３、ヒートシンク４０を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれ第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８を形成する（セラミックス基板加熱工程Ｓ１３）。
また、同時に、金属板２３とヒートシンク４０との間に溶融金属領域２９を形成する（ヒートシンク加熱工程Ｓ０３）。
ここで、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８は、図６に示すように、第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５のＣｕが金属板２２、２３に向けて拡散することによって、金属板２２、２３の第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５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。
また、溶融金属領域２９は、図７に示すように、Ａｇ層２６のＡｇが金属板２３側及びヒートシンク４０側に拡散することによって、金属板２３及びヒートシンク４０のＡｇ層２６近傍のＡｇ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。
(Heat sink heating step S03 / Ceramic substrate heating step S13)
Next, the
At the same time, a
Here, as shown in FIG. 6, the first
In addition, as shown in FIG. 7, the
なお、上述の圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合には、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合及び金属板２３とヒートシンク４０との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超えた場合には、金属板２２，２３及びヒートシンク４０が変形するおそれがある。よって、上述の加圧圧力は、１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲内とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
In addition, when the above-mentioned pressure is less than 1 kgf / cm < 2 >, there exists a possibility that joining of the
Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, and the heating temperature is set in the range of 600 ° C. to 650 ° C.
（溶融金属凝固工程Ｓ０４／第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ１４）
次に、溶融金属領域２９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２９中のＡｇが、さらに金属板２３側及びヒートシンク４０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２９であった部分のＡｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、ヒートシンク４０と金属板２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
(Molten metal solidification step S04 / first molten metal and second molten metal solidification step S14)
Next, the temperature is kept constant with the
同様に、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８中のＣｕが、さらに金属板２２、２３側へと拡散していくことになる。これにより、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８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。これにより、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とが接合される。つまり、金属板２２，２３とセラミックス基板１１とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
Similarly, Cu in the 1st molten metal area |
以上のようにして、金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが接合され、かつ、金属板２３とヒートシンク４０とが接合され、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
As described above, the
前述の構成とされた本実施形態においては、金属板２２、２３のセラミックス基板１１との接合面にＣｕを固着させるＣｕ固着工程Ｓ１１を備えているので、金属板２２、２３とセラミックス基板１１の接合界面にＣｕが介在することになる。Ｃｕは、Ａｌに対して反応性の高い元素であるため、接合界面にＣｕが存在することによってアルミニウムからなる金属板２２、２３の表面が活性化し、金属板２２、２３とセラミックス基板１１とを強固に接合することが可能となる。また、Ｃｕが固溶することにより、回路層１２及び金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面近傍部分の強度を向上させることができる。
In the present embodiment configured as described above, since the Cu fixing step S11 for fixing Cu to the bonding surfaces of the
また、金属板２３とヒートシンク４０との間にＡｇ層２６を形成するＡｇ層形成工程Ｓ０１を備えているので、金属板２３とヒートシンク４０との接合界面にＡｇが介在することになる。Ａｇは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において金属板２３とヒートシンク４０とを接合することができる。また、Ａｇが固溶することから、金属層１３とヒートシンク４０との接合界面近傍部分の強度を向上させることができる。
Further, since the Ag layer forming step S01 for forming the
ここで、Ｃｕは、Ａｇに比べてアルミニウムの強度を向上させる効果が大きく、金属板２２，２３とセラミックス基板１１との接合強度が、金属板２３とヒートシンク４０との接合強度よりも高くなる。このように、ヒートシンク４０と金属板２３とが必要以上に強固に接合されないことから、冷熱サイクルを負荷させた際に、回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面に大きなせん断力が作用することが抑制され、セラミックス基板１１の割れを防止することができる。
Here, Cu has a greater effect of improving the strength of aluminum than Ag, and the bonding strength between the
回路層１２及び金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上とされているので、回路層１２及び金属層１３の接合界面側部分を確実に強化することができ、回路層１２及び金属層１３における亀裂の発生を防止できる。また、回路層１２及び金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が５質量％以下とされているので、回路層１２及び金属層１３の接合界面の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、このパワーモジュール用基板１０に冷熱サイクルが負荷された際の熱応力を回路層１２及び金属層１３で吸収することができ、セラミックス基板１１の割れ等を防止できる。
Since the Cu concentration in the vicinity of the bonding interface with the
金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上とされているので、金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面側部分を適度に強化することができる。また、金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面近傍におけるＡｇ濃度が１０質量％以下とされているので、金属層１３の接合界面の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、このパワーモジュール用基板１０に冷熱サイクルが負荷された際の熱応力を金属層１３で吸収することができ、セラミックス基板１１の割れを確実に防止することができる。
Since the Ag concentration in the vicinity of the bonding interface between the
また、本実施形態では、ヒートシンク加熱工程Ｓ０３において、金属板２３の他面に形成されたＡｇ層２６のＡｇを金属板２３側及びヒートシンク４０側に拡散させることによって溶融金属領域２９を形成し、溶融金属凝固工程Ｓ０４において、溶融金属領域２９中のＡｇをさらに金属板２３側及びヒートシンク４０側へ拡散させることによって凝固させて、ヒートシンク４０と金属層１３（金属板２３）とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンク４０と金属板２３とを接合することが可能となる。
In the present embodiment, in the heat sink heating step S03, the
また、本実施形態では、セラミックス基板加熱工程Ｓ１３において、金属板２２、２３の接合面に形成された第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５のＣｕを金属板２２、２３側に拡散させることによって第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８を形成し、第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ１４において、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８中のＣｕをさらに金属板２２、２３側へ拡散させることによって凝固させて、セラミックス基板１１と金属板２２，２３とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを強固に接合することが可能となる。
In the present embodiment, in the ceramic substrate heating step S13, the
さらに、ヒートシンク４０と金属板２３との接合、及び、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合に、ろう材箔を使用していないので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実に、ヒートシンク４０と金属板２３、セラミックス基板１１と金属板２２，２３、をそれぞれ接合することができる。よって、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を、低コストで効率良く製出することが可能となる。
また、ろう材箔を使用していないので、ヒートシンク４０と金属板２３との界面、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との界面に存在する酸化皮膜の合計厚さが薄くなり、初期接合の歩留りが向上する
Furthermore, since the brazing material foil is not used for joining the
In addition, since no brazing foil is used, the total thickness of the oxide films existing at the interface between the
また、本実施形態では、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合と、金属板２３とヒートシンク４０との接合とを、同時に行う構成としているので、これらの接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、セラミックス基板１１に対して繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができ、高品質なヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出することができる。
Moreover, in this embodiment, since the joining of the
さらに、Ａｇ層形成工程Ｓ０１は、Ａｇペーストを塗布して焼成することによってＡｇ層２６を形成する構成としているので、ヒートシンク４０と金属板２３との間にＡｇを確実に介在させることが可能となる。また、Ａｇの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域２９を確実に形成して、ヒートシンク４０と金属板２３とを接合することが可能となる。さらに、このＡｇペーストは、大気雰囲気で加熱して焼成してもＡｇが酸化しないことから、比較的容易にＡｇ層２６を形成することができる。
Furthermore, since the Ag layer forming step S01 is configured to form the
また、Ｃｕ固着工程Ｓ１１は、スパッタリングによって金属板２２、２３の接合面にＣｕを固着させて第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５を形成する構成としているので、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との間にＣｕを確実に介在させることが可能となる。また、Ｃｕの固着量を精度良く調整することができ、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８を確実に形成して、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを強固に接合することが可能となる。
In addition, since the Cu fixing step S11 is configured to fix the Cu to the joint surfaces of the
次に、本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールについて、図８から図１３を用いて説明する。
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。
Next, a power module substrate with a heat sink and a power module according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The
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８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８において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
なお、セラミックス基板１１１は絶縁性の高いＡｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。
The
The
回路層１１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２２がセラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。
金属層１１３は、回路層１１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２３がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。
The
Similar to the
ヒートシンク１４０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものである。本実施形態であるヒートシンク１４０は、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１４１と、この天板部１４１に対向するように配置された底板部１４５と、天板部１４１と底板部１４５との間に介装されたコルゲートフィン１４６と、を備えており、天板部１４１と底板部１４５とコルゲートフィン１４６とによって、冷却媒体が流通する流路１４２が画成されている。
The
ここで、このヒートシンク１４０は、天板部１４１とコルゲートフィン１４６、コルゲートフィン１４６と底板部１４５が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図１３に示すように、天板部１４１及び底板部１４５は、Ａ３００３合金からなる基材層１４１Ａ、１４５Ａと、Ａ４０４５合金からなる接合層１４１Ｂ、１４５Ｂとが積層された積層アルミ板で構成されており、接合層１４１Ｂ、１４５Ｂがコルゲートフィン１４６側を向くように天板部１４１及び底板部１４５が配設されている。つまり、天板部１４１の基材層１４１Ａが金属層１１３に接する構成とされているのである。
Here, the
そして、図９に示すように、回路層１１２とセラミックス基板１１１との接合界面、及び、金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合界面においては、Ｃｕに加えてＳｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では添加元素としてＭｇが固溶している。
回路層１１２及び金属層１１３の接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度及びＭｇ濃度が低下する濃度傾斜層１３２が形成されている。ここで、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面近傍のＣｕ濃度及びＭｇ濃度の合計が、０．０５質量％以上６．５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面近傍のＣｕ濃度及びＭｇ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から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及び金属層１１３の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
As shown in FIG. 9, at the bonding interface between the
In the vicinity of the bonding interface between the
The Cu concentration and the Mg concentration in the vicinity of the bonding interface between the
また、図１０に示すように、ヒートシンク１４０（天板部１４１の基材層１４１Ａ）と金属層１１３（金属板１２３）との接合界面においては、金属層１１３（金属板１２３）及びヒートシンク１４０（天板部１４１の基材層１４１Ａ）に、Ａｇに加えてＳｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。なお、本実施形態では、添加元素としてＭｇが固溶している。
金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次Ａｇ濃度及びＭｇ濃度が低下する濃度傾斜層１３３、１３４が形成されている。ここで、この濃度傾斜層１３３、１３４の接合界面側（金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍）のＡｇ濃度及びＭｇ濃度の合計が、０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍のＡｇ濃度及びＭｇ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１０のグラフは、金属層１１３及びヒートシンク１４０（天板部１４１）の幅中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
Also, as shown in FIG. 10, at the bonding interface between the heat sink 140 (
In the vicinity of the bonding interface between the
The Ag concentration and the Mg concentration in the vicinity of the bonding interface between the
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。 Below, the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink of the above-mentioned structure is demonstrated.
（Ｃｕ固着工程Ｓ１０１）
まず、図１２に示すように、回路層１１２となる金属板１２２の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層１２４を形成するとともに、金属層１１３となる金属板１２３の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層１２５を形成する。なお、この第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５には、Ｃｕに加えてＳｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，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着されており、本実施形態では、添加元素としてＭｇを用いている。
ここで、本実施形態では、第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。また、Ｍｇ量は、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
(Cu fixing step S101)
First, as shown in FIG. 12, Cu is fixed to one surface of the
Here, in this embodiment, the Cu amount in the
（セラミックス基板積層工程Ｓ１０２）
次に、図１２に示すように、金属板１２２をセラミックス基板１１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板１２３をセラミックス基板１１１の他方の面側に積層する。このとき、図１２に示すように、金属板１２２の第１Ｃｕ層１２４、金属板１２３の第２Ｃｕ層１２５が形成された面がセラミックス基板１１１を向くように、金属板１２２、１２３を積層する。すなわち、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との間にそれぞれ第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５を介在させているのである。
(Ceramic substrate lamination step S102)
Next, as shown in FIG. 12, the
（セラミックス基板加熱工程Ｓ１０３）
次に、金属板１２２、セラミックス基板１１１、金属板１２３を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との界面にそれぞれ第一溶融金属領域、第二溶融金属領域を形成する。このとき、第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５のＣｕ及びＭｇが金属板１２２、１２３に向けて拡散し、金属板１２２、１２３の第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５近傍のＣｕ濃度及びＭｇ濃度が上昇して融点が低くなることにより、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域が形成される。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
(Ceramic substrate heating step S103)
Next, in a state where the
Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, and the heating temperature is set in the range of 600 ° C. to 650 ° C.
（第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ１０４）
次に、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域中のＣｕ及びＭｇが、さらに金属板１２２、１２３側へと拡散していくことになる。これにより、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度及びＭｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３とが接合され、パワーモジュール用基板１１０が製出されることになる。
(First molten metal and second molten metal solidification step S104)
Next, the temperature is kept constant with the first molten metal region and the second molten metal region formed. Then, Cu and Mg in the first molten metal region and the second molten metal region further diffuse toward the
（Ａｇ層形成工程Ｓ１０５）
次に、金属層１１３の他方の面に、スパッタリングによってＡｇ及びＭｇを固着してＡｇ層１２６を形成する。ここで、本実施形態では、Ａｇ層１２６におけるＡｇ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上５．４ｍｇ／ｃｍ２以下に設定され、Ｍｇ量は、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
(Ag layer forming step S105)
Next, Ag and Mg are fixed to the other surface of the
（ヒートシンク積層工程Ｓ１０６）
次に、図１３に示すように、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３の他方の面側に、ヒートシンク１４０を構成する天板部１４１、コルゲートフィン１４６、底板部１４５を積層する。このとき、天板部１４１の接合層１４１Ｂ及び底板部１４５の接合層１４５Ｂがコルゲートフィン１４６側を向くように、天板部１４１及び底板部１４５を積層する。また、天板部１４１とコルゲートフィン１４６、底板部１４５とコルゲートフィン１４６との間には、例えば、ＫＡｌＦ４を主成分とするフラックス（図示なし）を介在させておく。
また、金属板１２３のＡｇ層１２６が形成された面が、ヒートシンク１４０の天板部１４１を向くように配置し、金属板１２３とヒートシンク１４０との間にＡｇ層１２６を介在させる。
(Heat sink lamination step S106)
Next, as shown in FIG. 13, the
Further, the surface of the
（ヒートシンク加熱工程Ｓ１０７）
次に、積層されたパワーモジュール用基板１１０、天板部１４１、コルゲートフィン１４６及び底板部１４５を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、金属板１２３とヒートシンク１４０の天板部１４１との間に溶融金属領域を形成する。このとき、Ａｇ層１２６のＡｇ及びＭｇが金属板１２３及び天板部１４１に向けて拡散し、Ａｇ層１２６近傍のＡｇ濃度及びＭｇ濃度が上昇して融点が低くなることにより、溶融金属領域が形成される。
また、同時に、天板部１４１とコルゲートフィン１４６、底板部１４５とコルゲートフィン１４６との間にも、接合層１４１Ｂ、１４５Ｂを溶融させた溶融金属層を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５５０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。
(Heat sink heating step S107)
Next, the laminated
At the same time, a molten metal layer obtained by melting the bonding layers 141B and 145B is also formed between the
Here, in this embodiment, the inside of the atmosphere heating furnace is a nitrogen gas atmosphere, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 630 ° C. or less.
（溶融金属凝固工程Ｓ１０８）
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＡｇ及びＭｇが、さらに金属板１２３側及びヒートシンク１４０の天板部１４１側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＡｇ濃度及びＭｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、ヒートシンク１４０の天板部１４１と金属板２２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
(Molten metal solidification step S108)
Next, the temperature is kept constant with the molten metal region formed. Then, Ag and Mg in the molten metal region are further diffused to the
また、天板部１４１とコルゲートフィン１４６、底板部１４５とコルゲートフィン１４６の間に形成された溶融金属層が凝固することによって、天板部１４１とコルゲートフィン１４６、底板部１４５とコルゲートフィン１４６とがろう付けされることになる。このとき、天板部１４１、コルゲートフィン１４６、底板部１４５の表面には、酸化被膜が形成されているが、前述のフラックスによってこれらの酸化被膜が除去される。
Further, the molten metal layer formed between the
このようにして、天板部１４１とコルゲートフィン１４６と底板部１４５とがろう付けされてヒートシンク１４０が形成されるとともに、このヒートシンク１４０とパワーモジュール用基板１１０とが接合されて本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
In this manner, the
以上のような構成とされた本実施形態においては、回路層１１２及び金属層１１３に、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素としてＭｇが固溶されている。Ｍｇは、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１とを接合することができる。
In the present embodiment configured as described above, the
また、金属層１２３及びヒートシンク１４０の天板部１４１には、Ａｇに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素としてＭｇが固溶されている。Ｍｇは、Ｃｕよりもアルミニウムの強度を向上させる効果が小さいものであることから、ヒートシンク１４０と金属層１１３との接合強度が必要以上に高くならない。よって、冷熱サイクルを負荷した場合であっても、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合界面に大きなせん断力が作用することが抑制され、セラミックス基板１１１の割れを防止することができる。
In addition to Ag, Mg is added to the
また、ヒートシンク１４０を、フラックスを用いたろう付けによって形成する場合、窒素ガス雰囲気で５５０℃以上６３０℃以下の温度条件で接合することになるが、本実施形態では、ヒートシンク１４０とパワーモジュール用基板１１０との接合に、Ａｇ及びＭｇの拡散接合を利用しているので、前述のように、低温条件での接合及び窒素ガス雰囲気での接合が可能となる。よって、ヒートシンク１４０とパワーモジュール用基板１１０との接合と同時に、天板部１４１とコルゲートフィン１４６と底板部１４５とを、ろう付けによって接合してヒートシンク１４０を製出することができる。これにより、製造工程を省略することができ、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製作コストの削減を図ることができる。
When the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよい。
また、セラミックス基板をＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４等の他のセラミックスで構成されていてもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, the metal plate constituting the circuit layer and the metal layer has been described as a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99%, but is not limited to this, and aluminum having a purity of 99% (2N aluminum) It may be.
Further, the ceramic substrate AlN, has been described as being composed of Al 2 O 3, it is not limited thereto, but may be composed of other ceramics such Si 3 N 4.
さらに、第２の実施形態においては、Ｃｕ固着工程で、ＣｕとともにＭｇを固着させるものとして説明したが、これに限定されることはない。添加元素として、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上を用いても良い。
同様に、Ａｇ層形成工程で、ＡｇとともにＭｇを固着させるものとして説明したが、これに限定されることはない。添加元素として、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上を用いても良い。
Furthermore, in 2nd Embodiment, although it demonstrated as what fixes Mg together with Cu at the Cu adhering process, it is not limited to this. As the additive element, one or more selected from Si, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li may be used.
Similarly, in the Ag layer forming step, Mg is fixed together with Ag, but the present invention is not limited to this. As the additive element, one or more selected from Si, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li may be used.
さらに、Ａｇ層形成工程において、金属層となる金属板の他面にＡｇを固着させる構成としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、ヒートシンクの接合面にＡｇを固着させてもよいし、ヒートシンクの接合面及び金属板の他面に、それぞれＡｇを固着させてもよい。
また、Ａｇ層形成工程では、ペーストの塗布、スパッタによってＡｇを固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、めっき、蒸着、ＣＶＤ、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているインクなどの塗布等でＡｇを固着させてもよい。
さらに、Ａｇ層形成工程において、ＡｇとともにＡｌを固着する構成としてもよい。
Furthermore, in the Ag layer forming step, it has been described that the Ag is fixed to the other surface of the metal plate to be the metal layer. However, the present invention is not limited to this, and Ag is fixed to the bonding surface of the heat sink. Alternatively, Ag may be fixed to the joining surface of the heat sink and the other surface of the metal plate, respectively.
Further, in the Ag layer forming step, it has been described that the Ag is fixed by applying a paste or sputtering, but the present invention is not limited to this, and plating, vapor deposition, CVD, cold spray, or powder is dispersed. Ag may be fixed by application of ink or the like.
Furthermore, it is good also as a structure which fixes Al together with Ag in an Ag layer formation process.
また、Ｃｕ固着工程において、金属板にＣｕを固着させる構成としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス基板の接合面にＣｕを固着させてもよいし、セラミックス基板の接合面及び金属板の接合面に、それぞれＣｕを固着させてもよい。
また、Ｃｕ固着工程では、スパッタによってＣｕを固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、めっき、蒸着、ＣＶＤ、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト又はインクなどの塗布等でＣｕを固着させてもよい。
さらに、Ｃｕ固着工程において、ＣｕとともにＡｌを固着する構成としてもよい。
Moreover, although it demonstrated as what was set as the structure which fixes Cu to a metal plate in Cu fixation process, it is not limited to this, Cu may be fixed to the joint surface of a ceramic substrate, Cu may be fixed to the joining surface and the joining surface of the metal plate, respectively.
Further, in the Cu fixing process, it has been described that Cu is fixed by sputtering. However, the present invention is not limited to this, such as plating, vapor deposition, CVD, cold spray, or paste or ink in which powder is dispersed. Cu may be fixed by coating or the like.
Furthermore, in the Cu fixing step, Al may be fixed together with Cu.
また、本実施形態では、ヒートシンクの上に一つのパワーモジュール用基板が接合された構成として説明したが、これに限定されることはなく、一つのヒートシンクの上に複数のパワーモジュール用基板が接合されていてもよい。
また、ヒートシンクと金属層との接合を、真空加熱炉を用いて行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｎ２雰囲気、Ａｒ雰囲気及びＨｅ雰囲気等でヒートシンクと金属層との接合を行ってもよい。
In the present embodiment, the power module substrate is described as being bonded to the heat sink. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of power module substrates are bonded to the heat sink. May be.
Further, the bonding between the heat sink and the metal layer has been described as being carried out using a vacuum heating furnace is not limited thereto, N 2 atmosphere, the heat sink and the metal layer in Ar atmosphere and He atmosphere or the like Joining may be performed.
また、第２の実施形態において、天板部及び底板部が、基材層と接合層とを備えた積層アルミ材で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、コルゲートフィンを、例えばＡ３００３からなる芯材とこの芯材の両面にＡ４０４５からなる接合層とを備えたクラッド材で構成してもよい。この場合、天板部及び底板部は、単純なアルミニウム板を用いることができる。 Further, in the second embodiment, the top plate portion and the bottom plate portion have been described as being made of a laminated aluminum material provided with a base material layer and a bonding layer. You may comprise a fin with the clad material provided with the core material which consists of A3003, for example, and the joining layer which consists of A4045 on both surfaces of this core material. In this case, a simple aluminum plate can be used for the top plate portion and the bottom plate portion.
また、天板部、コルゲートフィン、底板部の材質は、本実施形態に限定されることはない。
さらに、コルゲートフィンの形状等を含め、ヒートシンクの構造も本実施形態に限定されるものではない。
Moreover, the material of a top plate part, a corrugated fin, and a bottom plate part is not limited to this embodiment.
Further, the structure of the heat sink including the shape of the corrugated fins is not limited to this embodiment.
さらに、図１４に示すように、第二の金属板２１３を、複数の金属板２１３Ａ、２１３Ｂを積層した構造としてもよい。この場合、第二の金属板２１３のうち一方側（図１４において上側）に位置する金属板２１３Ａがセラミックス基板２１１に接合され、他方側（図１４において下側）に位置する金属板２１３Ｂがヒートシンク２４０の天板部２４１に接合されることになる。なお、図１４では、２枚の金属板２１３Ａ、２１３Ｂを積層させたものとしているが、積層する枚数に制限はない。また、図１４に示すように、積層する金属板同士の大きさ、形状が異なっていても良いし、同じ大きさ、形状に調整されたものであってもよい。さらに、これらの金属板の組成が異なっていても良い。
Furthermore, as shown in FIG. 14, the
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板、あるいは、５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．３２ｍｍのＡｌ２Ｏ３からなるセラミックス基板に、４７ｍｍ×４７ｍｍ×０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる回路層と、４７ｍｍ×４７ｍｍ×０．６ｍｍの４Ｎアルミニウム板及び５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．９ｍｍの４Ｎアルミニウム板を積層した金属層とを接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
また、ヒートシンクとして６０ｍｍ×７０ｍｍ×５ｍｍのアルミニウム板を準備し、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合した。
A comparative experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
On a ceramic substrate made of 50 mm × 50 mm × 0.635 mm AlN or a ceramic substrate made of 50 mm × 50 mm × 0.32 mm Al 2 O 3 , a circuit layer made of 4N aluminum of 47 mm × 47 mm × 0.6 mm; A 47 mm × 47 mm × 0.6 mm 4N aluminum plate and a metal layer obtained by stacking 50 mm × 50 mm × 0.9 mm 4N aluminum plate were joined together to produce a power module substrate.
Also, a 60 mm × 70 mm × 5 mm aluminum plate was prepared as a heat sink, and the heat sink and the power module substrate were joined.
ここで、回路層及び金属層となる金属板（４Ｎアルミニウム）の接合面に、表１、２に示す元素を固着して、金属板とセラミックス基板とを積層して加圧加熱（温度：６５０℃、圧力：１２ｋｇｆ／ｃｍ２、時間：９０分）し、金属板とセラミックス基板とを接合した。
また、ヒートシンクの接合面に、表１に示す元素を固着して、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを積層して加圧加熱（温度：６１０℃、圧力：１２ｋｇｆ／ｃｍ２、時間：９０分）し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合した。
Here, the elements shown in Tables 1 and 2 are fixed to the joint surface of the metal plate (4N aluminum) to be the circuit layer and the metal layer, the metal plate and the ceramic substrate are laminated, and pressure heating (temperature: 650). C., pressure: 12 kgf / cm 2 , time: 90 minutes), and the metal plate and the ceramic substrate were joined.
Also, the elements shown in Table 1 are fixed to the joint surface of the heat sink, the power module substrate and the heat sink are laminated, and heated under pressure (temperature: 610 ° C., pressure: 12 kgf / cm 2 , time: 90 minutes). Then, the power module substrate and the heat sink were joined.
このようにして得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板に、冷熱サイクル（−４５℃〜２００℃）を２０００回繰り返した後、セラミックス基板の割れを評価した。なお、セラミックス基板の割れは、目視及び顕微鏡観察により、セラミックスにおける亀裂の有無で評価した。評価結果を表１、２に示す。 The thus-obtained power module substrate with a heat sink was subjected to 2000 cycles of cooling and heating (-45 ° C. to 200 ° C.) and then evaluated for cracks in the ceramic substrate. In addition, the crack of the ceramic substrate was evaluated by the presence or absence of the crack in ceramics by visual observation and microscopic observation. The evaluation results are shown in Tables 1 and 2.
回路層及び金属層とセラミックス基板とをＣｕの拡散接合によって接合し、金属層とヒートシンクとをＣｕの拡散接合によって接合した場合には、セラミックス基板の割れが観察された。これは、ヒートシンクと金属層とが必要以上に強固に固定されているので、冷熱サイクルによってセラミックス基板と回路層及び金属層との接合界面に大きなせん断応力が作用したためと推測される。
これに対して、回路層及び金属層とセラミックス基板とをＣｕの拡散接合によって接合し、金属層とヒートシンクとをＡｇの拡散接合によって接合した場合には、セラミックス基板の割れが抑制されることが確認された。
When the circuit layer and the metal layer were joined to the ceramic substrate by Cu diffusion bonding, and the metal layer and the heat sink were joined by Cu diffusion bonding, cracks in the ceramic substrate were observed. This is presumably because the heat sink and the metal layer were firmly fixed more than necessary, and a large shear stress was applied to the bonding interface between the ceramic substrate, the circuit layer, and the metal layer due to the thermal cycle.
On the other hand, when the circuit layer and the metal layer are bonded to the ceramic substrate by Cu diffusion bonding, and the metal layer and the heat sink are bonded to each other by Ag diffusion bonding, cracking of the ceramic substrate may be suppressed. confirmed.
１０、１１０、２１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１ セラミックス基板
１２、１１２、２１２ 回路層（第一の金属板）
１３、１１３、２１３ 金属層（第二の金属板）
４０、１４０、２４０ ヒートシンク
２４、１２４ 第１Ｃｕ層
２５、１２５ 第２Ｃｕ層
２６、１２６ Ａｇ層
２７ 第一溶融金属領域
２８ 第二溶融金属領域
２９ 溶融金属領域
10, 110, 210
13, 113, 213 Metal layer (second metal plate)
40, 140, 240
Claims (15)
前記セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、
前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、
該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備え、
前記第一の金属板及び前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍には、Ｃｕが固溶されており、
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍には、Ａｇが固溶されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。 A ceramic substrate;
A first metal plate made of aluminum with one surface bonded to the surface of the ceramic substrate;
A second metal plate made of aluminum with one surface bonded to the back surface of the ceramic substrate;
A heat sink made of aluminum or aluminum alloy joined to the other surface opposite to the one surface joined to the ceramic substrate of the second metal plate,
Cu is dissolved in the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate among the first metal plate and the second metal plate,
A power module substrate with a heat sink, wherein Ag is dissolved in the vicinity of a bonding interface between the second metal plate and the heat sink.
該ヒートシンク付パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。 A power module substrate with a heat sink according to any one of claims 1 to 6,
And an electronic component mounted on the power module substrate with a heat sink.
前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、
前記第二の金属板の他面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、
前記セラミックス基板接合工程は、
前記セラミックス基板と前記第一の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第一の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕを固着して第１Ｃｕ層を形成するとともに、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第二の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕを固着して第２Ｃｕ層を形成するＣｕ固着工程と、
前記第１Ｃｕ層を介して前記セラミックス基板と前記第一の金属板とを積層するとともに、前記第２Ｃｕ層を介して前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層するセラミックス基板積層工程と、
積層された前記第一の金属板と前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との界面及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に、第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成するセラミックス基板加熱工程と、
この第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を凝固させることによって、前記第一の金属板と前記セラミックス基板及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合する第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、を有し、
前記ヒートシンク接合工程は、
前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＡｇを固着してＡｇ層を形成するＡｇ層形成工程と、
前記Ａｇ層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、
積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 A ceramic substrate; a first metal plate made of aluminum with one surface bonded to the surface of the ceramic substrate; a second metal plate made of aluminum with one surface bonded to the back surface of the ceramic substrate; A method of manufacturing a power module substrate with a heat sink, comprising: a heat sink made of aluminum or aluminum alloy joined to the other surface opposite to the one surface joined to the ceramic substrate of a metal plate,
A ceramic substrate bonding step of bonding the ceramic substrate and the first metal plate, and the ceramic substrate and the second metal plate;
A heat sink joining step for joining the heat sink to the other surface of the second metal plate,
The ceramic substrate bonding step includes
While fixing Cu to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the first metal plate at the bonding interface between the ceramic substrate and the first metal plate, and forming a first Cu layer, Cu fixing that forms a second Cu layer by fixing Cu to at least one of a bonding surface of the ceramic substrate and a bonding surface of the second metal plate at a bonding interface between the ceramic substrate and the second metal plate. Process,
A ceramic substrate laminating step of laminating the ceramic substrate and the first metal plate via the first Cu layer, and laminating the ceramic substrate and the second metal plate via the second Cu layer;
The first metal plate, the ceramic substrate, and the second metal plate that are stacked are pressed and heated in the stacking direction, and the interface between the first metal plate and the ceramic substrate, the ceramic substrate, and the A ceramic substrate heating step for forming a first molten metal region and a second molten metal region at an interface with the second metal plate;
By solidifying the first molten metal region and the second molten metal region, the first molten metal and the second metal plate joining the first metal plate and the ceramic substrate and the ceramic substrate and the second metal plate. A molten metal solidification process,
The heat sink joining step includes
An Ag layer forming step of forming an Ag layer by fixing Ag to at least one of the other surface of the second metal plate and the bonding surface of the heat sink;
A heat sink laminating step of laminating the second metal plate and the heat sink via the Ag layer;
Heating and heating the laminated second metal plate and the heat sink in the laminating direction and forming a molten metal region at the interface between the second metal plate and the heat sink,
A method for producing a substrate for a power module with a heat sink, comprising: a molten metal solidification step for joining the second metal plate and the heat sink by solidifying the molten metal region.
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