JP2012164709A - Manufacturing method for substrate for power module, and substrate for power module - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method for a substrate for a power module, that can efficiently produce a substrate for a power module with high strength of an interface between a ceramic substrate and an aluminum layer composed of aluminum or an aluminum alloy and with excellent reliability, and provide the substrate for the power module.SOLUTION: The manufacturing method for a substrate for a power module includes: a fixture step of fixing Ag to a region where at least an aluminum layer 12 is formed on one surface of a ceramic substrate 11 and forming a fixture layer 24 including Ag; a molten aluminum filling step of disposing the ceramic substrate 11 on which the fixture layer 24 is formed in a mold 50, filling the mold 50 with molten aluminum M, and bringing the ceramic substrate 11 and the molten aluminum M into contact with each other; and a solidification step of solidifying the molten aluminum M in a state of being in contact with the ceramic substrate 11.

Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage, and a power module substrate.

半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、特許文献1−4に示すように、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)等からなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層とを備えたパワーモジュール用基板が広く用いられている。ここで、特許文献1−4においては、セラミックス基板の一方の面に、溶融アルミニウムを接触させることによって、上述の回路層を形成している。   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, as shown in Patent Documents 1-4, highly insulating AlN (aluminum nitride). 2. Description of the Related Art A power module substrate that includes a ceramic substrate made of the like and a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate is widely used. Here, in patent documents 1-4, the above-mentioned circuit layer is formed by making molten aluminum contact one side of a ceramic substrate.

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。
また、パワーモジュールから発生する熱を効率的に放散するために、例えば特許文献1に示すように、セラミックス基板の他方の面側にヒートシンクを配設したものが提案されている。
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.
In order to efficiently dissipate the heat generated from the power module, for example, as shown in Patent Document 1, a heat sink provided on the other surface side of the ceramic substrate has been proposed.

特開2002−076551号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-075651 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、上述のパワーモジュールにおいては、使用時に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回路層との界面には、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って熱応力が作用し、セラミックス基板と回路層との界面において剥離等が発生するおそれがあった。
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、半導体素子からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のようにヒートシンク上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板がヒートシンクによって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、回路層とセラミックス基板との界面に大きなせん断力が作用することになる。よって、従来にもまして、セラミックス基板と回路層との界面強度を向上させる必要があった。
By the way, in the above-mentioned power module, a heat cycle is loaded at the time of use. Then, thermal stress acts on the interface between the ceramic substrate and the circuit layer due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and aluminum, and there is a possibility that peeling or the like occurs at the interface between the ceramic substrate and the circuit layer.
In particular, recently, power modules have become smaller and thinner, and the usage environment has become severe, and the amount of heat generated from semiconductor elements tends to increase. It is necessary to dispose a substrate. In this case, since the power module substrate is constrained by the heat sink, a large shearing force acts on the interface between the circuit layer and the ceramic substrate during a heat cycle load. Therefore, it has been necessary to improve the interfacial strength between the ceramic substrate and the circuit layer as compared with the prior art.

ところで、特許文献1−4に記載されたように、セラミックス基板の表面に溶融アルミニウムを直接接触させることで回路層を形成する場合には、回路層とセラミックス基板との界面での剥離を防止するために、溶融アルミニウムとセラミックス基板との接触時間を十分に確保する必要があった。また、セラミックス基板が配設された鋳型内に溶融アルミニウムを充填する際の圧力を高く設定して、セラミックス基板と溶融アルミニウムとを高圧で接触させる必要があった。
このため、溶融アルミニウムの接触時間や充填圧力が変動した際には、セラミックス基板と回路層との界面強度が低下してしまうことになる。また、パワーモジュール用基板を効率良く生産することができないといった問題があった。
By the way, as described in Patent Documents 1-4, when the circuit layer is formed by bringing molten aluminum into direct contact with the surface of the ceramic substrate, peeling at the interface between the circuit layer and the ceramic substrate is prevented. Therefore, it is necessary to ensure a sufficient contact time between the molten aluminum and the ceramic substrate. In addition, it is necessary to set the pressure at the time of filling molten aluminum into the mold on which the ceramic substrate is disposed, and to bring the ceramic substrate and molten aluminum into contact with each other at a high pressure.
For this reason, when the contact time and filling pressure of molten aluminum fluctuate, the interface strength between the ceramic substrate and the circuit layer is lowered. Further, there is a problem that the power module substrate cannot be produced efficiently.

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アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層との界面強度が高く信頼性に優れたパワーモジュール用基板を効率よく生産することができるパワーモジュール用基板の製造方法、及び、パワーモジュール用基板を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and can efficiently produce a power module substrate having high interfacial strength between a ceramic substrate and an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy and excellent reliability. An object of the present invention is to provide a power module substrate manufacturing method and a 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の製造方法は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層が形成されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記セラミックス基板の一方の面のうち少なくとも前記アルミニウム層が形成される領域に、Agを固着し、Agを含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層が形成された前記セラミックス基板を鋳型内に配置し、この鋳型内に溶融アルミニウムを充填し、前記セラミックス基板と前記溶融アルミニウムとを接触させる溶融アルミニウム充填工程と、 前記セラミックス基板と接触した状態で前記溶融アルミニウムを凝固させる凝固工程と、を備えていることを特徴としている。   In order to solve the above problems and achieve the above object, a method for manufacturing a power module substrate according to the present invention includes a power module in which an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy is formed on one surface of a ceramic substrate. A method of manufacturing a substrate for use, comprising: fixing step of fixing Ag to at least a region of the ceramic substrate on which one of the aluminum layers is formed, and forming a fixing layer containing Ag; Placing the ceramic substrate with the layer formed in a mold, filling the mold with molten aluminum, and contacting the ceramic substrate with the molten aluminum; and in contact with the ceramic substrate A solidifying step for solidifying the molten aluminum. There.

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、セラミックス基板の一方の面のうち少なくともアルミニウム層が形成される領域にAgを含有する固着層が形成され、このセラミックス基板に対して溶融アルミニウムを接触させる構成としているので、セラミックス基板のうち固着層が形成された領域においては、溶融アルミニウムとの反応性が高くなり、セラミックス基板と溶融アルミニウムとの反応が促進されることになる。このため、溶融アルミニウムとセラミックス基板との接触時間を短くしたり、溶融アルミニウムの充填圧力を低くしたりしても、セラミックス基板とアルミニウム層との界面強度を向上させることができ、信頼性に優れたパワーモジュール用基板を製出することが可能となる。   According to the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, a fixing layer containing Ag is formed at least in a region where an aluminum layer is formed on one surface of the ceramic substrate, and molten aluminum is applied to the ceramic substrate. Since it is made to contact, in the area | region in which the adhering layer was formed among ceramic substrates, the reactivity with molten aluminum becomes high and reaction of a ceramic substrate and molten aluminum will be promoted. For this reason, even if the contact time between the molten aluminum and the ceramic substrate is shortened or the molten aluminum filling pressure is lowered, the interface strength between the ceramic substrate and the aluminum layer can be improved, and the reliability is excellent. It is possible to produce a power module substrate.

ここで、前記固着工程におけるAgの固着量が0.1mg/cm以上20mg/cm以下の範囲内とされていることが好ましい。
前記固着工程におけるAgの固着量が0.1mg/cm未満の場合には、セラミックス基板と溶融アルミニウムとの反応を促進させる効果を十分に奏功せしめることができなくなるおそれがある。また、前記固着工程におけるAgの固着量が20mg/cmを超える場合には、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に、AgとAlの反応物が過剰に生成してしまい、界面強度が低下するおそれがある。したがって、前記固着工程におけるAgの固着量を0.1mg/cm以上20mg/cm以下の範囲内とすることが好ましい。
Here, it is preferable that the fixed amount of Ag in the fixing step is in the range of 0.1 mg / cm 2 to 20 mg / cm 2 .
When the fixing amount of Ag in the fixing step is less than 0.1 mg / cm 2 , the effect of promoting the reaction between the ceramic substrate and molten aluminum may not be sufficiently achieved. Further, if the amount of Ag fixed in the fixing step exceeds 20 mg / cm 2 , an excessive reaction product of Ag and Al is generated at the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer, and the interface strength is reduced. There is a fear. Therefore, it is preferable that the fixing amount of Ag in the fixing step is in the range of 0.1 mg / cm 2 to 20 mg / cm 2 .

また、前記固着工程では、Agに加えて、Mg,Ca及びNiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着させる構成とされていてもよい。
Ag、及び、Mg,Ca,Niといった元素は、アルミニウムとの反応性が高い元素であることから、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に介在することによって界面強度を向上させることが可能となる。なお、Mg,Caといった活性な元素を固着する場合には、Alとともに固着させることにより、酸化ロスを抑えることができる。
Further, in the fixing step, one or two or more additive elements selected from Mg, Ca and Ni may be fixed in addition to Ag.
Since elements such as Ag and Mg, Ca, and Ni are elements having high reactivity with aluminum, interfacial strength can be improved by interposing them at the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer. When an active element such as Mg or Ca is fixed, the oxidation loss can be suppressed by fixing together with Al.

ここで、前記固着工程におけるAg及び前記添加元素の固着量の合計が、0.1mg/cm以上20mg/cm以下の範囲内とされていることが好ましい。
前記固着工程におけるAg及び前記添加元素の固着量の合計が0.1mg/cm未満の場合には、セラミックス基板と溶融アルミニウムとの反応を促進させる効果を十分に奏功せしめることができなくなるおそれがある。また、前記固着工程におけるAg及び前記添加元素の固着量の合計が20mg/cmを超える場合には、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に、Ag及び添加元素とAlとの反応物が過剰に生成してしまい、界面強度が低下するおそれがある。したがって、前記固着工程におけるAg及び前記添加元素の固着量の合計を0.1mg/cm以上20mg/cm以下の範囲内とすることが好ましい。
Here, it is preferable that the total amount of Ag and the additional element fixed in the fixing step be in the range of 0.1 mg / cm 2 to 20 mg / cm 2 .
In the case where the total amount of Ag and the additive element fixed in the fixing step is less than 0.1 mg / cm 2 , there is a possibility that the effect of promoting the reaction between the ceramic substrate and the molten aluminum cannot be sufficiently achieved. is there. Further, when the total amount of Ag and the additive element in the fixing step exceeds 20 mg / cm 2 , the reaction product of Ag, the additive element, and Al is excessive at the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer. It may generate | occur | produce and interface strength may fall. Therefore, it is preferable that the total amount of Ag and the additional element in the fixing step be in the range of 0.1 mg / cm 2 to 20 mg / cm 2 .

前記固着工程においては、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インクの塗布によって、Agを固着させることが好ましい。
この場合、セラミックス基板の一方の面に、確実にAgを固着す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る。
In the fixing step, Ag is preferably fixed by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of ink in which powder is dispersed.
In this case, Ag can be reliably fixed to one surface of the ceramic substrate. In addition, the amount of Ag adhered can be adjusted with high accuracy.

さらに、前記固着工程においては、Agペーストを塗布することによって前記固着層を形成することが好ましい。
この場合、Agペーストを塗布して焼成することにより、確実にAgを含有する固着層を形成することが可能となる。また、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、容易にAgを含有する固着層を形成することができる。なお、Agペーストを塗布した状態で前記セラミックス基板を加熱する際に、Agペーストの焼成を行う構成としてもよい。
Furthermore, in the fixing step, it is preferable to form the fixing layer by applying an Ag paste.
In this case, a fixed layer containing Ag can be surely formed by applying and baking Ag paste. In addition, since Ag does not oxidize even when heated and fired in an air atmosphere, a fixed layer containing Ag can be easily formed. The Ag paste may be fired when the ceramic substrate is heated with the Ag paste applied.

前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第2アルミニウム層を形成する構成としてもよい。
この場合、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層が形成され、かつ、セラミックス基板の他方の面に第2アルミニウム層が形成されたパワーモジュール用基板が製出されることになる。なお、第2アルミニウム層については、アルミニウム層と同様に、溶融アルミニウムをセラミックス基板の他方の面に接触させることで形成してもよいし、アルミニウム板をろう付け等で接合してもよい。
A second aluminum layer made of aluminum or aluminum alloy may be formed on the other surface of the ceramic substrate.
In this case, a power module substrate is produced in which an aluminum layer is formed on one surface of the ceramic substrate and a second aluminum layer is formed on the other surface of the ceramic substrate. The second aluminum layer may be formed by bringing molten aluminum into contact with the other surface of the ceramic substrate in the same manner as the aluminum layer, or an aluminum plate may be joined by brazing or the like.

本発明のパワーモジュール用基板は、前述のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板であって、前記アルミニウム層において、前記セラミックス基板との界面から50μmの位置におけるAg濃度と、前記セラミックス基板との界面から100μmの位置におけるAg濃度との濃度差が0.1質量%以下とされており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面には、Ag濃度が前記アルミニウム層中のAg濃度の2倍以上とされたAg高濃度部が形成されていることを特徴としている。   The power module substrate of the present invention is a power module substrate manufactured by the above-described method for manufacturing a power module substrate, and in the aluminum layer, an Ag concentration at a position of 50 μm from the interface with the ceramic substrate, The concentration difference with the Ag concentration at a position of 100 μm from the interface with the ceramic substrate is 0.1% by mass or less, and the Ag concentration in the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer is within the aluminum layer. It is characterized in that an Ag high concentration portion having an Ag concentration of 2 times or more is formed.

この構成のパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に、Ag濃度がアルミニウム層中のAg濃度の2倍以上とされたAg高濃度部が形成されているので、界面近傍に存在するAg原子により、セラミックス基板とアルミニウム層との界面強度の向上を図ることが可能となる。
なお、アルミニウム層中のAg濃度とは、アルミニウム層のうち界面から一定距離(例えば、5nm)離れた部分におけるAg濃度である。
In the power module substrate having this configuration, an Ag high concentration portion in which the Ag concentration is twice or more the Ag concentration in the aluminum layer is formed at the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer. The existing Ag atoms can improve the interface strength between the ceramic substrate and the aluminum layer.
The Ag concentration in the aluminum layer is the Ag concentration in a portion of the aluminum layer that is away from the interface by a certain distance (eg, 5 nm).

ここで、前記セラミックス基板がAlNで構成されている場合においては、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Ag、O、Nの質量比が、Al:Ag:O:N=50〜90質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることが好ましい。
また、前記セラミックス基板がSiで構成されている場合においては、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Si、Ag、O、Nの質量比が、Al:Si:Ag:O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることが好ましい。
さらに、前記セラミックス基板がAlで構成されている場合においては、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Ag、Oの質量比が、Al:Ag:O=50〜90質量%:1〜30質量%:0〜45質量%とされていることが好ましい。
Here, when the ceramic substrate is composed of AlN, the mass ratio of Al, Ag, O, and N analyzed by energy dispersive X-ray analysis of the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer is as follows: It is preferable that Al: Ag: O: N = 50 to 90% by mass: 1 to 30% by mass: 1 to 10% by mass: 25% by mass or less.
Further, when the ceramic substrate is made of Si 3 N 4 , Al, Si, Ag, O, and N of the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer analyzed by an energy dispersive X-ray analysis method are used. The mass ratio is preferably Al: Si: Ag: O: N = 15 to 45 mass%: 15 to 45 mass%: 1 to 30 mass%: 1 to 10 mass%: 25 mass% or less.
Furthermore, when the ceramic substrate is made of Al 2 O 3 , the mass ratio of Al, Ag, and O obtained by analyzing the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer by energy dispersive X-ray analysis is It is preferable that Al: Ag: O = 50 to 90% by mass: 1 to 30% by mass: 0 to 45% by mass.

セラミックス基板のアルミニウム層との界面に存在するAg原子の質量比が30質量%を超えると、AlとAg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。一方、Ag原子の質量比が1質量%未満であると、Ag原子による界面強度の向上を充分に図ることができなくなるおそれがある。よって、セラミックス基板とアルミニウム層との界面におけるAg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。   If the mass ratio of Ag atoms present at the interface with the aluminum layer of the ceramic substrate exceeds 30% by mass, a reaction product of Al and Ag will be generated excessively, and this reaction product may inhibit bonding. There is. On the other hand, if the mass ratio of Ag atoms is less than 1% by mass, there is a possibility that the interface strength due to Ag atoms cannot be sufficiently improved. Therefore, the mass ratio of Ag atoms at the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer is preferably in the range of 1 to 30% by mass.

ここで、エネルギー分散型X線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記界面の複数点(例えば、10〜100点)で測定し、その平均値を算出することになる。また、測定する際には、アルミニウム層の結晶粒界とセラミックス基板との界面は測定対象とせず、アルミニウム層の結晶粒とセラミックス基板との界面のみを測定対象とする。
なお、本明細書中におけるエネルギー分散型X線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡JEM−2010Fに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光X線元素分析装置NORAN System7を用いて加速電圧200kVで行った。
Here, since the spot diameter at the time of performing the analysis by the energy dispersive X-ray analysis method is extremely small, measurement is performed at a plurality of points (for example, 10 to 100 points) on the interface, and the average value is calculated. In the measurement, the interface between the crystal grain boundary of the aluminum layer and the ceramic substrate is not measured, and only the interface between the crystal grain of the aluminum layer and the ceramic substrate is measured.
The analytical value by the energy dispersive X-ray analysis method in this specification is the energy dispersive X-ray fluorescence element analyzer NORAN manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd. mounted on the electron microscope JEM-2010F manufactured by JEOL. The acceleration was performed at 200 kV using System7.

また、本発明のパワーモジュール用基板においては、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第2アルミニウム層を有する構成としてもよい。
この場合、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層が形成され、かつ、セラミックス基板の他方の面に第2アルミニウム層が形成されており、セラミックス基板の反りの発生が抑制される。また、例えば、アルミニウム層を回路層として半導体素子を配設し、第2アルミニウム層側にヒートシンクを配設することで、ヒートシンクを備えたパワーモジュールを構成することが可能となる。
Moreover, in the board | substrate for power modules of this invention, it is good also as a structure which has the 2nd aluminum layer which consists of aluminum or an aluminum alloy in the other surface of the said ceramic substrate.
In this case, the aluminum layer is formed on one surface of the ceramic substrate, and the second aluminum layer is formed on the other surface of the ceramic substrate, and thus the warpage of the ceramic substrate is suppressed. In addition, for example, by arranging a semiconductor element using an aluminum layer as a circuit layer and arranging a heat sink on the second aluminum layer side, a power module including the heat sink can be configured.

本発明によれば、セラミックス基板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層との界面強度が高く信頼性に優れたパワーモジュール用基板を効率よく生産することができるパワーモジュール用基板の製造方法、及び、パワーモジュール用基板を提供することが可能となる。   According to the present invention, a method for producing a power module substrate capable of efficiently producing a power module substrate having high interfacial strength between the ceramic substrate and an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy and excellent in reliability, and A power module substrate can be provided.

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の回路層及び金属層とセラミック基板との界面の模式図である。It is a schematic diagram of the interface of the circuit layer of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention, a metal layer, and a ceramic 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の回路層及び金属層のAg濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Ag density distribution of the circuit layer and metal 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のフロー図である。It is a flowchart of 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の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 1st 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の回路層とセラミック基板との界面の模式図である。It is a schematic diagram of the interface of the circuit layer and ceramic substrate of the board | substrate for power modules which are 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のAg濃度分布及びCa濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Ag density distribution and Ca density | concentration distribution of the circuit 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製造方法のフロー図である。It is a flowchart of 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. 本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板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 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層とセラミックス基板との界面の模式図である。It is a schematic diagram of the interface of the circuit layer and ceramic substrate of the board | substrate for power modules which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層のAg濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Ag density distribution of the circuit layer of the board | substrate for power modules which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板の金属層のAg濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Ag density | concentration distribution of the metal layer of the board | substrate for power modules which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。It is a flowchart of the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 3rd Embodiment of this invention. 図16におけるセラミックス基板と金属層との接合界面を示す拡大説明図である。FIG. 17 is an enlarged explanatory view showing a bonding interface between the ceramic substrate and the metal layer in FIG. 16.

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及びパワーモジュール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素子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−Ag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 10 and a power module 1 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 element 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-based, Sn-In-based, or Sn-Ag-Ag-based solder material. In the present embodiment, a Ni plating layer (not shown) is provided between the circuit layer 12 and the solder layer 2.

パワーモジュール用基板10は、セラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面(図1において上面)に配設された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)に配設された金属層13とを備えている。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
The power module substrate 10 has a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and the other surface (lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. And a disposed metal layer 13.
The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). In addition, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm.

回路層12は、セラミックス基板11の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
金属層13は、セラミックス基板11の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
本実施形態においては、回路層12及び金属層13は、純度が99.99質量%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)で構成されている。
The circuit layer 12 is formed by bringing one surface of the ceramic substrate 11 into contact with solid aluminum made of aluminum or an aluminum alloy and solidifying it.
The metal layer 13 is formed by contacting and solidifying molten aluminum made of aluminum or an aluminum alloy on the other surface of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, the circuit layer 12 and the metal layer 13 are made of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more.

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 heat sink 40 is for cooling the power module substrate 10 described above, and includes a top plate portion 41 joined to the power module substrate 10 and a flow path 42 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). It has. 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.

そして、セラミックス基板11と回路層12及び金属層13との界面30を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図2に示すように、界面30に、Agが濃縮したAg高濃度部32が形成されている。このAg高濃度部32においては、Ag濃度が、回路層12及び金属層13中のAg濃度よりも高くなっており、具体的には、界面30におけるAg濃度が、回路層12及び金属層13中のAg濃度の2倍以上とされている。ここで、本実施形態では、Ag高濃度部32の厚さHは4nm以下とされている。   When the interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 is observed with a transmission electron microscope, an Ag high concentration portion 32 in which Ag is concentrated is formed at the interface 30 as shown in FIG. Has been. In the Ag high concentration portion 32, the Ag concentration is higher than the Ag concentration in the circuit layer 12 and the metal layer 13. Specifically, the Ag concentration at the interface 30 is the circuit layer 12 and the metal layer 13. The concentration of Ag is not less than twice as high. Here, in this embodiment, the thickness H of the Ag high concentration portion 32 is 4 nm or less.

なお、ここで観察する界面30は、図2に示すように、回路層12及び金属層13の格子像の界面側端部とセラミックス基板11の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。
また、回路層12及び金属層13中のAg濃度とは、回路層12及び金属層13のうち界面30から一定距離(本実施形態では、5nm)離れた部分におけるAg濃度である。
As shown in FIG. 2, the interface 30 observed here is the center between the interface side end of the lattice image of the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the interface side end of the lattice image of the ceramic substrate 11. A reference plane S is assumed.
Further, the Ag concentration in the circuit layer 12 and the metal layer 13 is an Ag concentration in a portion of the circuit layer 12 and the metal layer 13 that is away from the interface 30 by a certain distance (5 nm in this embodiment).

また、この界面30をエネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した際のAl、Ag、O、Nの質量比が、Al:Ag: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、界面30を複数点(例えば、本実施形態では100点)で測定し、その平均値を算出している。また、回路層12及び金属層13の結晶粒界とセラミックス基板11との界面30は測定対象とせず、回路層12及び金属層13の結晶粒とセラミックス基板11との界面30のみを測定対象としている。   The mass ratio of Al, Ag, O, and N when this interface 30 is analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDS) is Al: Ag: O: N = 50 to 90% by mass: 1 to 30. It is set in the range of mass%: 1-10 mass%: 25 mass% or less. In addition, the spot diameter at the time of performing the analysis by EDS is 1 to 4 nm, the interface 30 is measured at a plurality of points (for example, 100 points in the present embodiment), and the average value is calculated. Further, the interface 30 between the crystal grain boundaries of the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 is not measured, and only the interface 30 between the crystal grains of the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 is measured. Yes.

また、回路層12及び金属層13におけるAg濃度をEPMA分析(スポット径30μm)によって測定した結果、図3に示すように、Agの濃度が厚さ方向で変化していない。すなわち、Agが一様に分布しており、界面30からの濃度勾配が確認されないのである。なお、回路層12及び金属層13におけるAg濃度は、セラミックス基板11の界面からの各位置で5点測定した平均値とした。
このように、本実施形態においては、セラミックス基板11の界面30部分にのみAgが濃縮しているのである。
Moreover, as a result of measuring the Ag concentration in the circuit layer 12 and the metal layer 13 by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm), the concentration of Ag does not change in the thickness direction as shown in FIG. That is, Ag is uniformly distributed, and the concentration gradient from the interface 30 is not confirmed. The Ag concentration in the circuit layer 12 and the metal layer 13 was an average value measured at five points at each position from the interface of the ceramic substrate 11.
Thus, in this embodiment, Ag is concentrated only in the interface 30 portion of the ceramic substrate 11.

以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板10の製造方法について、図4及び図5を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 10 for power modules which is this embodiment is demonstrated with reference to FIG.4 and FIG.5.

まず、図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面に、スクリーン印刷によってAgペーストを塗布し、第1Agペースト層24a及び第2Agペースト層25aを形成する。なお、第1Agペースト層24a及び第2Agペースト層25aの厚さは、乾燥後で約0.02〜200μmとされている。
第1Agペースト層24a及び第2Agペースト層25aを150〜200℃まで加熱して溶媒を除去した後に、400〜500℃で焼成を行い、第1Agペースト層24a及び第2Agペースト層25a内の樹脂を除去し、第1Ag焼成層24及び第2Ag焼成層25が形成される。このようにして、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面にAgが固着されることになる(固着工程S01)。なお、この固着工程S01で固着されるAg量は、0.1mg/cm以上20mg/cm以下の範囲内とされている。
First, as shown in FIG. 5, an Ag paste is applied to one surface and the other surface of the ceramic substrate 11 by screen printing to form a first Ag paste layer 24a and a second Ag paste layer 25a. In addition, the thickness of the 1st Ag paste layer 24a and the 2nd Ag paste layer 25a is about 0.02-200 micrometers after drying.
After the first Ag paste layer 24a and the second Ag paste layer 25a are heated to 150 to 200 ° C. to remove the solvent, baking is performed at 400 to 500 ° C., and the resin in the first Ag paste layer 24a and the second Ag paste layer 25a is removed. By removing, the first Ag fired layer 24 and the second Ag fired layer 25 are formed. In this way, Ag is fixed to one surface and the other surface of the ceramic substrate 11 (fixing step S01). The amount of Ag fixed in the fixing step S01 is in the range of 0.1 mg / cm 2 to 20 mg / cm 2 .

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、を含有しており、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.

次に、第1Ag焼成層24及び第2Ag焼成層25が形成されたセラミックス基板11を、鋳型50のキャビティ51内に設置する。この鋳型50を700〜850℃に加熱した状態で、溶湯供給口52から供給路53を介してキャビティ51内に溶融アルミニウムMを充填する(溶融アルミニウム充填工程S02)。このとき、溶融アルミニウムMの充填圧力を1×10〜3.5×10Paとしている。また、溶融アルミニウムMは、純度99.99質量%以上の4Nアルミニウムとされている。なお、鋳型50は、黒鉛で構成されており、そのキャビティ51の内面には、BN等の離型剤が塗布されている。 Next, the ceramic substrate 11 on which the first Ag fired layer 24 and the second Ag fired layer 25 are formed is placed in the cavity 51 of the mold 50. While the mold 50 is heated to 700 to 850 ° C., the molten aluminum M is filled into the cavity 51 from the molten metal supply port 52 through the supply path 53 (molten aluminum filling step S02). At this time, the filling pressure of the molten aluminum M is set to 1 × 10 5 to 3.5 × 10 6 Pa. The molten aluminum M is 4N aluminum having a purity of 99.99% by mass or more. The mold 50 is made of graphite, and a release agent such as BN is applied to the inner surface of the cavity 51.

次に、所定時間保持後、鋳型50を冷却し、キャビティ51内に充填された溶融アルミニウムMを凝固させる(凝固工程S03)。このとき、600℃まで15分掛けて冷却する。
そして、鋳型50から取り出し、余剰なアルミニウムを切削、又は、エッチング等によって除去し、回路層12及び金属層13を形成する(仕上工程S04)。
このようにして、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。
Next, after holding for a predetermined time, the mold 50 is cooled, and the molten aluminum M filled in the cavity 51 is solidified (solidification step S03). At this time, it cools over 600 minutes to 600 degreeC.
And it removes from the casting_mold | template 50 and removes excess aluminum by cutting or an etching etc., and forms the circuit layer 12 and the metal layer 13 (finishing process S04).
In this way, the power module substrate 10 according to the present embodiment is produced.

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の製造方法及びパワーモジュール用基板10においては、固着工程S01において、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面に、Agを含有する第1Ag焼成層24及び第2Ag焼成層25が形成され、溶融アルミニウム充填工程S02において、鋳型50のキャビティ51内に設置されたセラミックス基板11と溶融アルミニウムMとが接触される構成とされているので、セラミックス基板10のうち第1Ag焼成層24及び第2Ag焼成層25が形成された領域においては、アルミニウムとの反応性が高くなり、セラミックス基板11と溶融アルミニウムMとの反応が促進されることになる。よって、溶融アルミニウムMとセラミックス基板11との接触時間を短くしたり、溶融アルミニウムMの充填圧力を低くしたりしても、セラミックス基板11と回路層12及び金属層13との界面強度を向上させることができ、信頼性に優れたパワーモジュール用基板10を製出することが可能となる。   In the method for manufacturing the power module substrate 10 and the power module substrate 10 according to the present embodiment configured as described above, Ag is applied to one surface and the other surface of the ceramic substrate 11 in the fixing step S01. The first Ag fired layer 24 and the second Ag fired layer 25 are formed, and in the molten aluminum filling step S02, the ceramic substrate 11 placed in the cavity 51 of the mold 50 and the molten aluminum M are brought into contact with each other. Therefore, in the region of the ceramic substrate 10 where the first Ag fired layer 24 and the second Ag fired layer 25 are formed, the reactivity with aluminum is increased, and the reaction between the ceramic substrate 11 and the molten aluminum M is promoted. It will be. Therefore, even if the contact time between the molten aluminum M and the ceramic substrate 11 is shortened or the filling pressure of the molten aluminum M is lowered, the interface strength between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 is improved. Therefore, the power module substrate 10 having excellent reliability can be produced.

また、固着工程S01におけるAgの固着量が0.1mg/cm以上20mg/cm以下の範囲内とされているので、Agによる反応の促進の効果を確実に奏功せしめることができるとともに、AgとAlとの反応物が過剰に生成することを抑制することができる。よって、セラミックス基板11と回路層12及び金属層13との界面強度を向上させることが可能となる。 In addition, since the amount of Ag fixed in the fixing step S01 is in the range of 0.1 mg / cm 2 or more and 20 mg / cm 2 or less, the effect of promoting the reaction by Ag can be reliably achieved, and Ag It can suppress that the reaction material of Al and Al produces | generates excessively. Therefore, the interface strength between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 can be improved.

さらに、固着工程S01においては、Agペーストを塗布して第1Agペースト層24a及び第2Agペースト層25aを形成し、この第1Agペースト層24a及び第2Agペースト層25aを焼成することで第1Ag焼成層24及び第2Ag焼成層25を形成する構成とされている。よって、第1Ag焼成層24及び第2Ag焼成層25におけるAg量を精度良く調整することができる。
また、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、容易に第1Ag焼成層24及び第2Ag焼成層25を形成することができる。
Further, in the fixing step S01, an Ag paste is applied to form a first Ag paste layer 24a and a second Ag paste layer 25a, and the first Ag paste layer 24a and the second Ag paste layer 25a are fired to thereby fire the first Ag fired layer. 24 and the second Ag fired layer 25 are formed. Therefore, the Ag amount in the first Ag fired layer 24 and the second Ag fired layer 25 can be adjusted with high accuracy.
Moreover, since Ag does not oxidize even if it heats and bakes by air | atmosphere atmosphere, the 1st Ag baking layer 24 and the 2nd Ag baking layer 25 can be formed easily.

さらに、本実施形態では、セラミックス基板11の一方の面に回路層12を、他方の面に金属層13を同時に形成する構成とされていることから、セラミックス基板11における反りの発生を防止することができる。   Furthermore, in this embodiment, since the circuit layer 12 is formed on one surface of the ceramic substrate 11 and the metal layer 13 is formed on the other surface at the same time, the occurrence of warpage in the ceramic substrate 11 is prevented. Can do.

また、本実施形態においては、溶融アルミニウム充填工程S02において、溶融アルミニウムMの充填温度を700〜850℃としているので、湯流れ性が確保され、キャビティ51内に溶融アルミニウムMを十分に充填させることができ、かつ、鋳型50に密着することがなく、鋳型50から容易に取り出すことができる。   Further, in the present embodiment, since the filling temperature of the molten aluminum M is set to 700 to 850 ° C. in the molten aluminum filling step S02, the molten metal M is sufficiently filled in the cavity 51 because the molten metal flow is ensured. And can be easily taken out from the mold 50 without being in close contact with the mold 50.

本実施形態であるパワーモジュール用基板10は、上述のように、固着工程S01、溶融アルミニウム充填工程S02、凝固工程S03、仕上工程S04により、製出されたものである。ここで、セラミックス基板11に固着された第1Ag焼成層24及び第2Ag焼成層25のAgは、溶融アルミニウムM内に容易に拡散することから、製出後のパワーモジュール用基板10では、回路層12及び金属層13において、図3に示すように、厚さ方向におけるAg濃度分布が確認されない。   As described above, the power module substrate 10 according to the present embodiment is produced by the fixing step S01, the molten aluminum filling step S02, the solidification step S03, and the finishing step S04. Here, the Ag of the first Ag fired layer 24 and the second Ag fired layer 25 fixed to the ceramic substrate 11 easily diffuses into the molten aluminum M. Therefore, in the power module substrate 10 after production, the circuit layer 12 and the metal layer 13, as shown in FIG. 3, the Ag concentration distribution in the thickness direction is not confirmed.

そして、セラミックス基板11と回路層12及び金属層13との界面を電子顕微鏡で詳細に観察すると、Ag濃度が回路層12及び金属層13中のAg濃度の2倍以上とされたAg高濃度部32が形成されている。なお、Ag高濃度部32の厚さHは4nm以下とされている。このように、セラミックス基板11と回路層12及び金属層13との界面30に、Ag濃度が、回路層12及び金属層13中のAg濃度の2倍以上とされたAg高濃度部32が形成されているので、界面30にAg原子が介在することにより、AlNからなるセラミックス基板11と回路層12及び金属層13との界面強度の向上を図ることが可能となる。   Then, when the interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 is observed in detail with an electron microscope, the Ag high-concentration portion in which the Ag concentration is at least twice the Ag concentration in the circuit layer 12 and the metal layer 13 32 is formed. The thickness H of the Ag high concentration portion 32 is 4 nm or less. Thus, an Ag high concentration portion 32 in which the Ag concentration is twice or more the Ag concentration in the circuit layer 12 and the metal layer 13 is formed at the interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13. Therefore, the presence of Ag atoms in the interface 30 can improve the interface strength between the ceramic substrate 11 made of AlN, the circuit layer 12 and the metal layer 13.

また、セラミックス基板11と回路層12及び金属層13との界面30をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Ag、O、Nの質量比が、Al:Ag:O:N=50〜90質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされているので、AgとAlとの反応物が過剰に生成されることを防止でき、セラミックス基板11と回路層12及び金属層13との界面強度が向上することになる。よって、熱サイクル負荷時の信頼性を向上させることができる。   The mass ratio of Al, Ag, O, and N obtained by analyzing the interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 by energy dispersive X-ray analysis is Al: Ag: O: N = 50˜. 90% by mass: 1 to 30% by mass: 1 to 10% by mass: 25% by mass or less, so that an excessive reaction product of Ag and Al can be prevented, and the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the interface strength with the metal layer 13 are improved. Therefore, the reliability at the time of heat cycle load can be improved.

また、本実施形態であるパワーモジュール1においては、セラミックス基板11の一方の面に回路層12が形成され、他方の面に金属層13が形成されており、金属層13の他方の面側にヒートシンク40が配設されているので、ヒートシンク40とセラミックス基板11との熱膨張係数の差に起因する熱応力を金属層13で緩和することができ、セラミックス基板11における亀裂の発生を防止することができる。よって、回路層12上に配設された半導体素子3とヒートシンク40との間の絶縁性を確保することができる。   In the power module 1 according to the present embodiment, the circuit layer 12 is formed on one surface of the ceramic substrate 11, the metal layer 13 is formed on the other surface, and the other surface side of the metal layer 13 is formed. Since the heat sink 40 is provided, the thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink 40 and the ceramic substrate 11 can be relieved by the metal layer 13, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 can be prevented. Can do. Therefore, insulation between the semiconductor element 3 disposed on the circuit layer 12 and the heat sink 40 can be ensured.

次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図6に本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板110及びパワーモジュール101を示す。
このパワーモジュール101は、パワーモジュール用基板110と、このパワーモジュール用基板110の一方の面(図6において上面)にはんだ層102を介して接合された半導体素子103と、パワーモジュール用基板110の他方の面(図6において下面)側に配設されたヒートシンク140と、を備えている。ここで、はんだ層102は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Ag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102との間にNi膜(図示なし)が設けられている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 shows a power module substrate 110 and a power module 101 according to the second embodiment of the present invention.
The power module 101 includes a power module substrate 110, a semiconductor element 103 bonded to one surface (the upper surface in FIG. 6) of the power module substrate 110 via a solder layer 102, and the power module substrate 110. And a heat sink 140 disposed on the other surface (the lower surface in FIG. 6) side. Here, the solder layer 102 is made of, for example, Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Ag solder material. In the present embodiment, a Ni film (not shown) is provided between the circuit layer 112 and the solder layer 102.

本実施形態である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の一方の面に配設された回路層112と、を備えている。
セラミックス基板111は、その一方の面側と他方の面側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Si(窒化ケイ素)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 power module substrate 110 according to the present embodiment includes a ceramic substrate 111 and a circuit layer 112 disposed on one surface of the ceramic substrate 111.
The ceramic substrate 111 prevents electrical connection between the one surface side and the other surface side, and is made of highly insulating Si 3 N 4 (silicon nitride). Further, the thickness of the ceramic substrate 111 is set in a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment, is set to 0.32 mm.

回路層112は、セラミックス基板111の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
本実施形態においては、回路層112は、純度が99.99質量%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)で構成されている。
The circuit layer 112 is formed by contacting and solidifying molten aluminum made of aluminum or an aluminum alloy on one surface of the ceramic substrate 111.
In the present embodiment, the circuit layer 112 is made of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more.

ヒートシンク140は、半導体素子103が搭載される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。本実施形態では、熱伝導性が良好なA6063(アルミニウム合金)で構成された放熱板とされている。また、このヒートシンク140は、図6に示すように、セラミックス基板111の他方の面に直接接合されている。   The heat sink 140 is for cooling the power module substrate 110 on which the semiconductor element 103 is mounted. In the present embodiment, the heat dissipation plate is made of A6063 (aluminum alloy) having good thermal conductivity. The heat sink 140 is directly bonded to the other surface of the ceramic substrate 111 as shown in FIG.

そして、セラミックス基板111と回路層112との界面130を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図7に示すように、界面130に、Agが濃縮したAg高濃度部132が形成されている。このAg高濃度部132においては、Ag濃度が、回路層112中のAg濃度よりも高くなっており、具体的には、界面130におけるAg濃度が、回路層112中のAg濃度の2倍以上とされている。ここで、本実施形態では、Ag高濃度部132の厚さHは4nm以下とされている。
さらに、このAg高濃度部132においては、Caを含有しており、界面130におけるCa濃度が、回路層112中のCa濃度よりも高くなっている。
When the interface 130 between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 is observed with a transmission electron microscope, an Ag high concentration portion 132 in which Ag is concentrated is formed on the interface 130 as shown in FIG. In the Ag high concentration portion 132, the Ag concentration is higher than the Ag concentration in the circuit layer 112. Specifically, the Ag concentration at the interface 130 is more than twice the Ag concentration in the circuit layer 112. It is said that. Here, in this embodiment, the thickness H of the Ag high concentration portion 132 is 4 nm or less.
Further, the high Ag concentration portion 132 contains Ca, and the Ca concentration at the interface 130 is higher than the Ca concentration in the circuit layer 112.

なお、ここで観察する界面130は、図7に示すように、回路層112の格子像の界面側端部とセラミックス基板111の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。
また、回路層112中のAg濃度及びCa濃度とは、回路層112のうち界面130から一定距離(本実施形態では5nm)離れた部分におけるAg濃度及びCa濃度である。
Note that the interface 130 observed here is, as shown in FIG. 7, the center between the interface side end of the lattice image of the circuit layer 112 and the interface side end of the lattice image of the ceramic substrate 111 as a reference plane S. To do.
Further, the Ag concentration and the Ca concentration in the circuit layer 112 are the Ag concentration and the Ca concentration in a part of the circuit layer 112 that is away from the interface 130 by a certain distance (5 nm in this embodiment).

また、この界面130をエネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した際のAl、Si、Ag、O、Nの質量比が、Al:Si:Ag:O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下の範囲内に設定されている。なお、EDSによる分析を行う際のスポット径は1〜4nmとされており、界面130を複数点(例えば、本実施形態では100点)で測定し、その平均値を算出している。また、回路層112の結晶粒界とセラミックス基板111との界面130は測定対象とせず、回路層112の結晶粒とセラミックス基板111との界面130のみを測定対象としている。   The mass ratio of Al, Si, Ag, O, and N when the interface 130 is analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDS) is Al: Si: Ag: O: N = 15 to 45% by mass. 15 to 45% 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 analyzing by EDS is 1 to 4 nm, the interface 130 is measured at a plurality of points (for example, 100 points in the present embodiment), and the average value is calculated. In addition, the interface 130 between the crystal grain boundary of the circuit layer 112 and the ceramic substrate 111 is not a measurement target, and only the interface 130 between the crystal grain of the circuit layer 112 and the ceramic substrate 111 is a measurement target.

また、回路層112におけるAg濃度をEPMA分析(スポット径30μm)によって測定した結果、図8に示すように、Ag及びCaの濃度が厚さ方向で変化していない。すなわち、Ag及びCaが一様に分布しており、界面130からの濃度勾配が認められていないのである。なお、回路層112におけるAg濃度及びCa濃度は、セラミックス基板111の界面130からの各位置で5点測定した平均値とした。
このように、本実施形態においては、セラミックス基板111の界面130部分にのみAg及びCaが濃縮しているのである。
Further, as a result of measuring the Ag concentration in the circuit layer 112 by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm), the concentration of Ag and Ca does not change in the thickness direction as shown in FIG. That is, Ag and Ca are uniformly distributed, and a concentration gradient from the interface 130 is not recognized. The Ag concentration and the Ca concentration in the circuit layer 112 were average values measured at five points at each position from the interface 130 of the ceramic substrate 111.
Thus, in this embodiment, Ag and Ca are concentrated only in the interface 130 portion of the ceramic substrate 111.

以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板110の製造方法について、図9、図10を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 110 for power modules which is this embodiment is demonstrated with reference to FIG. 9, FIG.

まず、セラミックス基板111の一方の面にスパッタリングによってAg及びCaを固着して第1Ag層124を形成するとともに、セラミックス基板111の他方の面にスパッタリングによってAg及びCaを固着して第2Ag層125を形成する(固着工程S101)。ここで、第1Ag層124及び第2Ag層125におけるAg量及びCa量の合計が、0.1mg/cm以上20mg/cm以下とされている。 First, Ag and Ca are fixed to one surface of the ceramic substrate 111 by sputtering to form a first Ag layer 124, and Ag and Ca are fixed to the other surface of the ceramic substrate 111 by sputtering to form a second Ag layer 125. Form (fixing step S101). Here, the total amount of Ag and Ca in the first Ag layer 124 and the second Ag layer 125 is 0.1 mg / cm 2 or more and 20 mg / cm 2 or less.

次に、セラミックス基板111を、その一方の面が溶湯供給口152側を向くように、鋳型150のキャビティ151内に設置する。この鋳型150を700〜850℃に加熱した状態で、溶湯供給口152から供給路153を介してキャビティ151内に溶融アルミニウムMを充填する(溶融アルミニウム充填工程S102)。このとき、溶融アルミニウムMの充填圧力を1×10〜3.5×10Paとしている。また、溶融アルミニウムMは、純度99.99質量%以上の4Nアルミニウムとされている。
そして、所定時間保持後、鋳型150を冷却し、キャビティ151内に充填された溶融アルミニウムMを凝固させる(凝固工程S103)。
Next, the ceramic substrate 111 is placed in the cavity 151 of the mold 150 so that one surface thereof faces the molten metal supply port 152 side. In a state where the mold 150 is heated to 700 to 850 ° C., the molten aluminum M is filled into the cavity 151 from the molten metal supply port 152 through the supply path 153 (molten aluminum filling step S102). At this time, the filling pressure of the molten aluminum M is set to 1 × 10 5 to 3.5 × 10 6 Pa. The molten aluminum M is 4N aluminum having a purity of 99.99% by mass or more.
And after hold | maintaining for predetermined time, the casting_mold | template 150 is cooled and the molten aluminum M with which the cavity 151 was filled is solidified (solidification process S103).

次に、セラミックス基板111を、その他方の面が溶湯供給口152側を向くように、鋳型150のキャビティ151内に設置する。この鋳型150を700〜850℃に加熱した状態で、溶湯供給口152から供給路153を介してキャビティ151内に第2溶融アルミニウムMを充填する(第2溶融アルミニウム充填工程S104)。このとき、第2溶融アルミニウムMの充填圧力を1×10〜3.5×10Paとしている。また、第2溶融アルミニウムMは、A6063(アルミニウム合金)とされている。
そして、所定時間保持後、鋳型150を冷却し、キャビティ151内に充填された第2溶融アルミニウムMを凝固させる(第2凝固工程S105)。
Next, the ceramic substrate 111 is placed in the cavity 151 of the mold 150 so that the other surface faces the molten metal supply port 152 side. While heating the mold 150 to 700-850 ° C., from the melt feed port 152 through the supply passage 153 to fill the second molten aluminum M 2 in the cavity 151 (second molten aluminum filling step S104). At this time, the filling pressure of the second molten aluminum M 2 is set to 1 × 10 5 to 3.5 × 10 6 Pa. The second molten aluminum M 2 is an A6063 (aluminum alloy).
Then, after a predetermined time holding the mold 150 is cooled, to solidify the second molten aluminum M 2 filled in the cavity 151 (the second coagulation step S105).

そして、セラミックス基板111を鋳型150から取り出し、余剰なアルミニウムを切削、又は、エッチング等によって除去し、回路層112及びヒートシンク140を形成する(仕上工程S106)。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板110及びヒートシンク140が製出されることになる。
Then, the ceramic substrate 111 is taken out from the mold 150, and excess aluminum is removed by cutting or etching to form the circuit layer 112 and the heat sink 140 (finishing step S106).
Thus, the power module substrate 110 and the heat sink 140 according to the present embodiment are produced.

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の製造方法及びパワーモジュール用基板110においては、固着工程S101により、セラミックス基板111の一方の面に、Ag及びCaを含有する第1Ag層124を形成し、溶融アルミニウム充填工程S102により、鋳型150に設置されたセラミックス基板111と溶融アルミニウムMとを接触させる構成とされているので、溶融アルミニウムMとセラミックス基板111との反応性が高くなり、セラミックス基板111と回路層112との界面強度を向上させることが可能となる。   In the manufacturing method of the power module substrate 110 and the power module substrate 110 according to the present embodiment configured as described above, Ag and Ca are contained on one surface of the ceramic substrate 111 in the fixing step S101. Since the first Ag layer 124 is formed and the ceramic substrate 111 placed on the mold 150 is brought into contact with the molten aluminum M in the molten aluminum filling step S102, the reactivity between the molten aluminum M and the ceramic substrate 111 is achieved. As a result, the interface strength between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 can be improved.

同様に、固着工程S101により、セラミックス基板111の他方の面に、Ag及びCaを含有する第2Ag層125を形成し、第2溶融アルミニウム充填工程S104により、鋳型150に設置されたセラミックス基板111と第2溶融アルミニウムMとを接触させる構成とされているので、第2溶融アルミニウムMとセラミックス基板111との反応性が高くなり、セラミックス基板111とヒートンシンク140との界面強度を向上させることが可能となる。 Similarly, the second Ag layer 125 containing Ag and Ca is formed on the other surface of the ceramic substrate 111 by the fixing step S101, and the ceramic substrate 111 placed on the mold 150 is formed by the second molten aluminum filling step S104. Since the second molten aluminum M 2 is brought into contact with the second molten aluminum M 2 , the reactivity between the second molten aluminum M 2 and the ceramic substrate 111 is increased, and the interface strength between the ceramic substrate 111 and the heat sink 140 is improved. Is possible.

また、固着工程S101におけるAg及びCaの固着量の合計が、0.1mg/cm以上20mg/cm以下とされているので、Ag及びCaによるセラミックス基板111とアルミニウムとの反応を促進することができるとともに、Ag及びCaとAlの反応物が過剰に生成することを抑制することができる。よって、セラミックス基板111と回路層112及びヒートシンク140との界面強度を向上させることが可能となる。
さらに、固着工程S101は、スパッタリングによって、セラミックス基板111の一方の面及び他方の面にAg及びCaを固着させる構成としているので、第1Ag層124及び第2Ag層125におけるAg量及びCa量を精度良く調整することができる。
In addition, since the total amount of Ag and Ca fixed in the fixing step S101 is 0.1 mg / cm 2 or more and 20 mg / cm 2 or less, the reaction between the ceramic substrate 111 and aluminum by Ag and Ca is promoted. It is possible to suppress the generation of excessive reaction products of Ag and Ca and Al. Therefore, the interface strength between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 and the heat sink 140 can be improved.
Furthermore, since the fixing step S101 is configured to fix Ag and Ca to one surface and the other surface of the ceramic substrate 111 by sputtering, the Ag amount and the Ca amount in the first Ag layer 124 and the second Ag layer 125 are accurately determined. It can be adjusted well.

さらに、本実施形態においては、セラミックス基板111の一方の面に回路層112を形成する工程と、セラミックス基板111の他方の面にヒートシンク140を形成する工程とを、別工程としていることから、回路層112とヒートシンク140とでアルミニウムの材質を異なるものとすることができる。   Furthermore, in this embodiment, the step of forming the circuit layer 112 on one surface of the ceramic substrate 111 and the step of forming the heat sink 140 on the other surface of the ceramic substrate 111 are separate steps. The layer 112 and the heat sink 140 can be made of different aluminum materials.

また、本実施形態であるパワーモジュール用基板110は、上述のように、固着工程S101、溶融アルミニウム充填工程S102、凝固工程S103、第2溶融アルミニウム充填工程S104、第2凝固工程S105、仕上工程S106により、製出されたものである。ここで、セラミックス基板111に固着された第1Ag層124のAg及びCaは、溶融アルミニウムM内に容易に拡散することから、製出後のパワーモジュール用基板110において、回路層112の厚さ方向におけるAg濃度分布及びCa濃度分布が確認されない。   In addition, as described above, the power module substrate 110 according to the present embodiment includes the fixing step S101, the molten aluminum filling step S102, the solidification step S103, the second molten aluminum filling step S104, the second solidification step S105, and the finishing step S106. Is produced. Here, since Ag and Ca of the first Ag layer 124 fixed to the ceramic substrate 111 easily diffuse into the molten aluminum M, the thickness direction of the circuit layer 112 in the power module substrate 110 after production The Ag concentration distribution and Ca concentration distribution are not confirmed.

ただし、セラミックス基板111と回路層112との界面130を電子顕微鏡で詳細に観察すると、Ag濃度が回路層112中のAg濃度の2倍以上とされたAg高濃度部132が形成されている。なお、Ag高濃度部132の厚さHは4nm以下とされている。なお、このAg高濃度部132においては、Caも濃縮していることになる。
このように、セラミックス基板111と回路層112との界面130に、Ag及びCaが濃縮されたAg高濃度部132が形成されているので、界面130にAg原子及びCa原子が介在することにより、Siからなるセラミックス基板111と回路層112との界面強度の向上を図ることが可能となる。
同様に、セラミックス基板111とヒートシンク140との界面にもAg及びCaが濃縮することになり、セラミックス基板111とヒートシンク140との界面強度の向上を図ることが可能となる。
However, when the interface 130 between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 is observed in detail with an electron microscope, an Ag high-concentration portion 132 in which the Ag concentration is at least twice the Ag concentration in the circuit layer 112 is formed. Note that the thickness H of the Ag high concentration portion 132 is 4 nm or less. In the Ag high concentration portion 132, Ca is also concentrated.
Thus, since the Ag high concentration part 132 in which Ag and Ca are concentrated is formed at the interface 130 between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112, the Ag atoms and Ca atoms are present in the interface 130. The interface strength between the ceramic substrate 111 made of Si 3 N 4 and the circuit layer 112 can be improved.
Similarly, Ag and Ca are concentrated at the interface between the ceramic substrate 111 and the heat sink 140, and the interface strength between the ceramic substrate 111 and the heat sink 140 can be improved.

また、セラミックス基板111と回路層112との界面130をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Si、Ag、O、Nの質量比が、Al:Si:Ag:O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされているので、AgとAlとの反応物が過剰に生成されることを防止でき、セラミックス基板111と回路層112との界面強度が向上することになる。よって、熱サイクル負荷時の信頼性を向上させることができる。   The mass ratio of Al, Si, Ag, O, and N obtained by analyzing the interface 130 between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 by energy dispersive X-ray analysis is Al: Si: Ag: O: N = 15 to 45% by mass: 15 to 45% by mass: 1 to 30% by mass: 1 to 10% by mass: 25% by mass or less, so that an excessive reaction product of Ag and Al can be prevented, The interface strength between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 is improved. Therefore, the reliability at the time of heat cycle load can be improved.

次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図11に本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板210及びパワーモジュール201を示す。
このパワーモジュール201は、パワーモジュール用基板210と、このパワーモジュール用基板210の一方の面(図11において上面)にはんだ層202を介して接合された半導体素子203と、パワーモジュール用基板210の他方の面(図11において下面)側に配設されたヒートシンク240と、を備えている。ここで、はんだ層202は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Ag系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層212とはんだ層202との間にNi膜(図示なし)が設けられている。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 shows a power module substrate 210 and a power module 201 according to the third embodiment of the present invention.
The power module 201 includes a power module substrate 210, a semiconductor element 203 bonded to one surface (upper surface in FIG. 11) of the power module substrate 210 via a solder layer 202, and the power module substrate 210. And a heat sink 240 disposed on the other surface (lower surface in FIG. 11) side. Here, the solder layer 202 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Ag solder material. In this embodiment, a Ni film (not shown) is provided between the circuit layer 212 and the solder layer 202.

本実施形態であるパワーモジュール用基板210は、セラミックス基板211と、このセラミックス基板211の一方の面に配設された回路層212と、他方の面に配設された金属層213とを備えている。
セラミックス基板211は、その一方の面側と他方の面側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211の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
The power module substrate 210 according to this embodiment includes a ceramic substrate 211, a circuit layer 212 disposed on one surface of the ceramic substrate 211, and a metal layer 213 disposed on the other surface. Yes.
The ceramic substrate 211 prevents electrical connection between the one surface side and the other surface side, and is made of Al 2 O 3 (alumina) having high insulation properties. Further, the thickness of the ceramic substrate 211 is set in a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment, is set to 0.635 mm.

回路層212は、セラミックス基板211の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
本実施形態においては、回路層212は、純度が99.99質量%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)で構成されている。
The circuit layer 212 is formed by contacting and solidifying molten aluminum made of aluminum or an aluminum alloy on one surface of the ceramic substrate 211.
In the present embodiment, the circuit layer 212 is made of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more.

金属層213は、図16に示すように、セラミックス基板211の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板223が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層213は、純度が99.99質量%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板223がセラミックス基板211に接合されることで形成されている。   As shown in FIG. 16, the metal layer 213 is formed by joining a metal plate 223 made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate 211. In this embodiment, the metal layer 213 is formed by joining a metal plate 223 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to the ceramic substrate 211.

ヒートシンク240は、半導体素子203が搭載されるパワーモジュール用基板210を冷却するためのものであり、天板部241と冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路242とを備えている。ヒートシンク240(天板部241)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240の天板部241と金属層213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215が設けられている。
The heat sink 240 is for cooling the power module substrate 210 on which the semiconductor element 203 is mounted, and includes a top plate portion 241 and a flow path 242 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). . The heat sink 240 (top plate portion 241) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and in this embodiment, is made of A6063 (aluminum alloy).
In the present embodiment, a buffer layer 215 made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) is provided between the top plate portion 241 of the heat sink 240 and the metal layer 213. .

そして、セラミックス基板211と回路層212との界面230を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図12に示すように、界面230に、Agが濃縮したAg高濃度部232が形成されている。このAg高濃度部232においては、Ag濃度が、回路層212中のAg濃度よりも高くなっており、具体的には、界面230におけるAg濃度が、回路層212中のAg濃度の2倍以上とされている。ここで、本実施形態では、Ag高濃度部232の厚さHは4nm以下とされている。   When the interface 230 between the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212 is observed with a transmission electron microscope, an Ag high concentration portion 232 in which Ag is concentrated is formed at the interface 230 as shown in FIG. In the Ag high concentration portion 232, the Ag concentration is higher than the Ag concentration in the circuit layer 212. Specifically, the Ag concentration at the interface 230 is twice or more the Ag concentration in the circuit layer 212. It is said that. Here, in the present embodiment, the thickness H of the Ag high concentration portion 232 is set to 4 nm or less.

なお、ここで観察する界面230は、図12に示すように、回路層212の格子像の界面側端部とセラミックス基板211の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。
また、回路層212中のAg濃度とは、回路層212のうち界面230から一定距離(本実施形態では、5nm)離れた部分におけるAg濃度である。
Note that the interface 230 observed here is, as shown in FIG. 12, the center between the interface side end of the lattice image of the circuit layer 212 and the interface side end of the lattice image of the ceramic substrate 211 as a reference plane S. To do.
The Ag concentration in the circuit layer 212 is the Ag concentration in a portion of the circuit layer 212 that is away from the interface 230 by a certain distance (5 nm in this embodiment).

また、この界面230をエネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した際のAl、Ag、Oの質量比が、Al:Ag:O=50〜90質量%:1〜30質量%:0〜45質量%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、界面230を複数点(例えば、本実施形態では100点)で測定し、その平均値を算出している。また、回路層212の結晶粒界とセラミックス基板211との界面230は測定対象とせず、回路層212の結晶粒とセラミックス基板211との界面230のみを測定対象としている。   The mass ratio of Al, Ag, and O when the interface 230 is analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDS) is Al: Ag: O = 50 to 90 mass%: 1 to 30 mass%: 0. It is set within a range of ˜45 mass%. In addition, the spot diameter at the time of analyzing by EDS is 1 to 4 nm, the interface 230 is measured at a plurality of points (for example, 100 points in the present embodiment), and the average value is calculated. Further, the interface 230 between the crystal grain boundary of the circuit layer 212 and the ceramic substrate 211 is not measured, and only the interface 230 between the crystal grain of the circuit layer 212 and the ceramic substrate 211 is measured.

また、回路層212におけるAg濃度をEPMA分析(スポット径30μm)によって測定した結果、図13に示すように、Agの濃度が厚さ方向で変化していない。すなわち、Agが一様に分布しており、界面230からの濃度勾配が認められていないのである。なお、回路層212におけるAg濃度は、セラミックス基板211の界面230からの各位置で5点測定した平均値とした。
このように、本実施形態においては、セラミックス基板211の界面230部分にのみAgが濃縮しているのである。
Further, as a result of measuring the Ag concentration in the circuit layer 212 by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm), the Ag concentration does not change in the thickness direction as shown in FIG. That is, Ag is distributed uniformly and no concentration gradient from the interface 230 is observed. The Ag concentration in the circuit layer 212 was an average value measured at five points at each position from the interface 230 of the ceramic substrate 211.
Thus, in the present embodiment, Ag is concentrated only in the interface 230 portion of the ceramic substrate 211.

さらに、金属層213におけるAg濃度をEPMA分析(スポット径30μm)によって測定した結果、図14に示すように、金属層213のセラミックス基板211との接合界面236近傍には、接合界面236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237が形成されている。ここで、金属層213の接合界面236近傍のAg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、金属層213の接合界面236近傍のAg濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面236から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図14のグラフは、金属層213(金属板223)の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の50μm位置での濃度を基準として求めたものである。
Further, as a result of measuring the Ag concentration in the metal layer 213 by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm), as shown in FIG. 14, in the vicinity of the bonding interface 236 between the metal layer 213 and the ceramic substrate 211, the bonding direction from the bonding interface 236 A concentration gradient layer 237 is formed in which the Ag concentration gradually decreases as they are separated from each other. Here, the Ag concentration in the vicinity of the bonding interface 236 of the metal layer 213 is set within a range of 0.05 mass% or more and 5 mass% or less.
The Ag concentration in the vicinity of the bonding interface 236 of the metal layer 213 is an average value measured at five points at a position 50 μm from the bonding interface 236 by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm). In addition, the graph of FIG. 14 is obtained by performing line analysis in the stacking direction in the central portion of the metal layer 213 (metal plate 223) and using the concentration at the above-described 50 μm position as a reference.

以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板210の製造方法について、図15及び図17を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 210 for power modules which is this embodiment is demonstrated with reference to FIG.15 and FIG.17.

まず、セラミックス基板211の一方の面にスパッタリングによってAgを固着して第1Ag層224を形成するとともに、セラミックス基板211の他方の面にスパッタリングによってAgを固着して第2Ag層225を形成する(固着工程S201)。ここで、第1Ag層224及び第2Ag層225におけるAg量が、0.1mg/cm以上20mg/cm以下とされている。 First, Ag is fixed to one surface of the ceramic substrate 211 by sputtering to form a first Ag layer 224, and Ag is fixed to the other surface of the ceramic substrate 211 by sputtering to form a second Ag layer 225 (adhesion). Step S201). Here, the Ag amount in the first Ag layer 224 and the second Ag layer 225 is 0.1 mg / cm 2 or more and 20 mg / cm 2 or less.

次に、セラミックス基板211を、その一方の面が溶湯供給口252側を向くように、鋳型250のキャビティ251内に設置する。この鋳型250を700〜850℃に加熱した状態で、溶湯供給口252から供給路253を介してキャビティ251内に溶融アルミニウムMを充填する(溶融アルミニウム充填工程S202)。このとき、溶融アルミニウムMの充填圧力を1×10〜3.5×10Paとしている。また、溶融アルミニウムMは、純度99.99質量%以上の4Nアルミニウムとされている。
そして、所定時間保持後、鋳型250を冷却し、キャビティ251内に充填された溶融アルミニウムMを凝固させる(凝固工程S203)。
Next, the ceramic substrate 211 is installed in the cavity 251 of the mold 250 so that one surface thereof faces the molten metal supply port 252 side. In a state where the mold 250 is heated to 700 to 850 ° C., the molten aluminum M is filled into the cavity 251 from the molten metal supply port 252 through the supply path 253 (molten aluminum filling step S202). At this time, the filling pressure of the molten aluminum M is set to 1 × 10 5 to 3.5 × 10 6 Pa. The molten aluminum M is 4N aluminum having a purity of 99.99% by mass or more.
And after hold | maintaining for predetermined time, the casting_mold | template 250 is cooled and the molten aluminum M with which the cavity 251 was filled is solidified (solidification process S203).

次に、セラミックス基板211の他方の面に金属板223を接合する(金属板接合工程S204)。
まず、上述のセラミックス基板211を鋳型250から取り出し、セラミックス基板211の他方の面に金属板223を積層する。なお、金属板223は、純度99.99質量%以上の4Nアルミニウムの圧延板とされている。
そして、セラミックス基板211と金属板223とを積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板223とセラミックス基板211との界面に溶融金属領域227を形成する。ここで、溶融金属領域227は、図17に示すように、第2Ag層225のAgが金属板223に向けて拡散することによって、金属板223の第2Ag層225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。
Next, the metal plate 223 is joined to the other surface of the ceramic substrate 211 (metal plate joining step S204).
First, the above-described ceramic substrate 211 is taken out from the mold 250 and a metal plate 223 is laminated on the other surface of the ceramic substrate 211. The metal plate 223 is a rolled plate of 4N aluminum having a purity of 99.99% by mass or more.
Then, the ceramic substrate 211 and the metal plate 223 are charged in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) and charged in a vacuum heating furnace to be heated, and the interface between the metal plate 223 and the ceramic substrate 211. A molten metal region 227 is formed on the substrate. Here, in the molten metal region 227, as shown in FIG. 17, the Ag concentration in the vicinity of the second Ag layer 225 of the metal plate 223 increases due to the diffusion of Ag in the second Ag layer 225 toward the metal plate 223. It is formed by lowering the melting point.

なお、上述の圧力が1kgf/cm未満の場合には、セラミックス基板211と金属板223との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が35kgf/cmを超えた場合には、金属板223が変形するおそれがある。よって、上述の加圧圧力は、1〜35kgf/cmの範囲内とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa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。
When the pressure is less than 1 kgf / cm 2 , there is a possibility that the ceramic substrate 211 and the metal plate 223 cannot be bonded well. Moreover, when the above-mentioned pressure exceeds 35 kgf / cm < 2 >, there exists a possibility that the metal plate 223 may deform | transform. Therefore, the above-mentioned pressurizing pressure is preferably in the range of 1 to 35 kgf / cm 2 .
Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set in 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.

次に、溶融金属領域227中のAgが、さらに金属板223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227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。これにより、セラミックス基板211と金属板223とが接合される。つまり、金属板2223とセラミックス基板211とは、いわゆる液相拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。   Next, Ag in the molten metal region 227 further diffuses toward the metal plate 223 side. As a result, the Ag concentration in the portion that was the molten metal region 227 gradually decreases and the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. Thereby, the ceramic substrate 211 and the metal plate 223 are joined. In other words, the metal plate 2223 and the ceramic substrate 211 are joined by so-called liquid phase diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding).

そして、セラミックス基板211の一方の面側の余剰なアルミニウムを切削、又は、エッチング等によって除去し、回路層212を形成する(仕上工程S205)。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板210が製出されることになる。
Then, excess aluminum on one surface side of the ceramic substrate 211 is removed by cutting or etching to form the circuit layer 212 (finishing step S205).
In this way, the power module substrate 210 according to the present embodiment is produced.

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板210の製造方法においては、固着工程S201により、セラミックス基板211の一方の面に、Agを含有する第1Ag層224を形成し、溶融アルミニウム充填工程S202により、鋳型250に設置されたセラミックス基板211と溶融アルミニウムMとを接触させる構成とされているので、界面230に介在するAgにより、溶融アルミニウムMとセラミックス基板211との反応性が高くなり、セラミックス基板211と回路層212との界面強度を向上させることが可能となる。   In the manufacturing method of the power module substrate 210 according to the present embodiment configured as described above, the first Ag layer 224 containing Ag is formed on one surface of the ceramic substrate 211 by the fixing step S201, Since the ceramic substrate 211 installed in the mold 250 and the molten aluminum M are brought into contact with each other by the molten aluminum filling step S202, the reactivity between the molten aluminum M and the ceramic substrate 211 is caused by Ag present in the interface 230. As a result, the interface strength between the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212 can be improved.

また、セラミックス基板211と金属板223とが液相拡散接合によって接合されることで金属層213が形成される構成とされているので、金属板223とセラミックス基板211とを強固に接合することができる。また、金属層213にはAgが固溶することにより、金属層213のうちセラミックス基板211との接合界面236近傍部分の強度を向上させることができる。   In addition, since the metal layer 213 is formed by bonding the ceramic substrate 211 and the metal plate 223 by liquid phase diffusion bonding, the metal plate 223 and the ceramic substrate 211 can be firmly bonded. it can. Further, Ag dissolves in the metal layer 213, whereby the strength of the metal layer 213 in the vicinity of the bonding interface 236 with the ceramic substrate 211 can be improved.

また、固着工程S201におけるAgの固着量が、0.1mg/cm以上20mg/cm以下とされているので、Agによるセラミックス基板211とアルミニウムとの反応を促進することができるとともに、AgとAlの反応物が過剰に生成することを抑制することができる。よって、セラミックス基板211と回路層212との界面強度を確実に向上させることが可能となる。
さらに、固着工程S201は、スパッタリングによって、セラミックス基板211の一方の面及び他方の面に、Agを固着させる構成としているので、第1Ag層224及び第2Ag層225におけるAgの固着量を精度良く調整することができる。
Further, since the amount of Ag fixed in the fixing step S201 is 0.1 mg / cm 2 or more and 20 mg / cm 2 or less, the reaction between the ceramic substrate 211 and aluminum by Ag can be promoted, and Ag and It can suppress that the reaction material of Al produces | generates excessively. Therefore, the interface strength between the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212 can be reliably improved.
Furthermore, since the fixing step S201 is configured to fix Ag to one surface and the other surface of the ceramic substrate 211 by sputtering, the fixing amount of Ag in the first Ag layer 224 and the second Ag layer 225 is accurately adjusted. can do.

さらに、本実施形態においては、セラミックス基板211の一方の面に回路層212を形成する工程と、セラミックス基板211の他方の面に金属層213を形成する工程とを、別工程としていることから、回路層212と金属層213とでアルミニウムの材質を異なるものとすることができる。   Furthermore, in the present embodiment, the step of forming the circuit layer 212 on one surface of the ceramic substrate 211 and the step of forming the metal layer 213 on the other surface of the ceramic substrate 211 are separate steps. The circuit layer 212 and the metal layer 213 can be made of different aluminum materials.

また、本実施形態であるパワーモジュール用基板210では、回路層212において厚さ方向にAg濃度分布が認められず、金属層213において厚さ方向にAg濃度分布が認められている。これは、回路層212が溶融アルミニウムMをセラミックス基板211に接触させて形成していることから、Agが溶融アルミニウムM内に容易に拡散するためである。一方、金属層213は、セラミックス基板211との接合界面236近傍のみに溶融金属領域227が形成されることから、Agが金属板223の内部を拡散することになるため、Agの濃度勾配が形成されるのである。   Further, in the power module substrate 210 according to the present embodiment, the Ag concentration distribution is not recognized in the thickness direction in the circuit layer 212, and the Ag concentration distribution is recognized in the thickness direction in the metal layer 213. This is because Ag is easily diffused into the molten aluminum M because the circuit layer 212 is formed by bringing the molten aluminum M into contact with the ceramic substrate 211. On the other hand, in the metal layer 213, since the molten metal region 227 is formed only in the vicinity of the bonding interface 236 with the ceramic substrate 211, Ag diffuses inside the metal plate 223, so that a concentration gradient of Ag is formed. It is done.

ここで、セラミックス基板211と回路層212との界面230を電子顕微鏡で詳細に観察すると、Ag濃度が回路層212中のAg濃度の2倍以上とされたAg高濃度部232が形成されている。なお、Ag高濃度部232の厚さHは4nm以下とされている。
このように、セラミックス基板211と回路層212との界面230に、Agが濃縮されたAg高濃度部232が形成されているので、界面230にAg原子が介在することにより、Alからなるセラミックス基板211と回路層212との界面強度の向上を図ることが可能となる。
Here, when the interface 230 between the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212 is observed in detail with an electron microscope, an Ag high-concentration portion 232 in which the Ag concentration is twice or more the Ag concentration in the circuit layer 212 is formed. . Note that the thickness H of the Ag high concentration portion 232 is set to 4 nm or less.
Thus, since the Ag high concentration portion 232 in which Ag is concentrated is formed at the interface 230 between the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212, the Ag atoms intervene in the interface 230, so that Al 2 O 3 The interface strength between the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212 can be improved.

また、セラミックス基板211と回路層212との界面230をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Ag、Oの質量比が、Al:Ag:O=50〜90質量%:1〜30質量%:0〜45質量%とされているので、AgとAlとの反応物が過剰に生成されることを防止でき、セラミックス基板211と回路層212との界面強度が向上することになる。よって、熱サイクル負荷時の信頼性を向上させることができる。   Moreover, the mass ratio of Al, Ag, and O which analyzed the interface 230 of the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212 by the energy dispersive X-ray analysis method is Al: Ag: O = 50-90 mass%: 1-30 mass. %: 0 to 45% by mass, it is possible to prevent the reaction product of Ag and Al from being generated excessively, and the interface strength between the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212 is improved. Therefore, the reliability at the time of heat cycle load can be improved.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層を、純度99.99質量%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)で構成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば純度99質量%以上のアルミニウム(2Nアルミニウム)等であってもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, the circuit layer has been described as being composed of aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more, but is not limited thereto, and for example, aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% by mass or more It may be.

また、Agペーストの塗布或いはスパッタリングによって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、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インクなどの塗布等の手段によって、Agを固着させてもよい。
さらに、Agに加えて、Mg,Ca及びNiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着させる構成としてもよい。
Moreover, although it demonstrated as what fixes Ag by application | coating of Ag paste or sputtering, it is not limited to this, such as plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or ink in which powder is dispersed Ag may be fixed by means such as coating.
Furthermore, in addition to Ag, one or two or more additive elements selected from Mg, Ca, and Ni may be fixed.

また、ヒートシンクの構造や材質については、本実施形態に限定されることはない。
さらに、第3の実施形態において、セラミックス基板と金属板との接合を、真空加熱炉を用いて行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、N雰囲気、Ar雰囲気及びHe雰囲気等でセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。
Further, the structure and material of the heat sink are not limited to this embodiment.
Furthermore, in the third embodiment, the ceramic substrate and the metal plate are joined using a vacuum heating furnace. However, the present invention is not limited to this, and the N 2 atmosphere, Ar atmosphere, and He atmosphere are used. The ceramic substrate and the metal plate may be joined with each other.

本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
40mm角の厚さ0.635mmのAlNからなるセラミックス基板の両面に、スパッタによってAg及び添加元素を固着させた。このセラミックス基板を黒鉛鋳型内に設置し、温度800℃で4Nアルミニウムからなる溶融アルミニウムを充填した。なお、充填圧力を3×10Paとした。そして、この鋳型を15分間で600℃まで冷却し、溶融アルミニウムを凝固させた。その後、鋳型から取り出し、切削加工によって、36mm角、厚さ0.6mmの回路層及び金属層を形成した。
ここで、スパッタによるAg及び添加元素の固着量を、表1に示すように変化させた。
A confirmation experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
Ag and an additive element were fixed on both surfaces of a 40 mm square ceramic substrate made of AlN having a thickness of 0.635 mm by sputtering. This ceramic substrate was placed in a graphite mold and filled with molten aluminum made of 4N aluminum at a temperature of 800 ° C. The filling pressure was 3 × 10 5 Pa. Then, the mold was cooled to 600 ° C. in 15 minutes to solidify the molten aluminum. Then, it took out from the casting_mold | template and formed the circuit layer and metal layer of 36 mm square and thickness 0.6mm by cutting.
Here, the adhesion amount of Ag and additive elements by sputtering was changed as shown in Table 1.

このようにして成形されたパワーモジュール用基板の金属層側に、4Nアルミニウムからなり、厚さ0.9mmの緩衝層を介して、ヒートシンクの天板に相当する50mm×60mm、厚さ5mmのアルミニウム板(A6063)を接合した。これら緩衝層及びアルミニウム板は、Al−10.5質量%Siの厚さ50μmのろう材箔を用いて、温度610℃、圧力10kgf/cmの条件で接合した。 The power module substrate thus formed is made of 4N aluminum on the metal layer side, and a 50 mm × 60 mm, 5 mm thick aluminum equivalent to the top plate of the heat sink through a buffer layer having a thickness of 0.9 mm. The plate (A6063) was joined. The buffer layer and the aluminum plate were joined using a brazing material foil of Al-10.5 mass% Si with a thickness of 50 μm under the conditions of a temperature of 610 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 .

この試験片に対して、−40℃←→110℃の熱サイクルを2000回負荷し、その際の接合率を求めた。この結果を表1に示す。
なお、接合率は、以下の式で算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積のこととした。
接合率 = (初期接合面積−剥離面積)/初期接合面積
The test piece was loaded 2000 times with a thermal cycle of −40 ° C. ← → 110 ° C., and the bonding rate was determined. The results are shown in Table 1.
In addition, the joining rate was computed with the following formula | equation. Here, the initial bonding area is an area to be bonded before bonding.
Bonding rate = (initial bonding area-peeling area) / initial bonding area

Figure 2012164709
Figure 2012164709

Ag及び添加元素を固着させずにセラミックス基板に溶融アルミニウムを接触させた比較例においては、接合率が63.5%と低い値を示した。
これに対して、本発明例1−13においては、比較例に比べて接合率が向上していることが確認される。特に、Agの固着量を20mg/cm以下、あるいは、Ag及び添加元素を20mg/cm以下とした本発明例1−11においては、接合率が70%以上となっており、接合信頼性が向上していることが確認される。
In the comparative example in which molten aluminum was brought into contact with the ceramic substrate without fixing Ag and the additive element, the bonding rate was as low as 63.5%.
On the other hand, in Inventive Example 1-13, it is confirmed that the bonding rate is improved as compared with the comparative example. In particular, in Inventive Example 1-11 in which the adhesion amount of Ag is 20 mg / cm 2 or less, or the Ag and additive elements are 20 mg / cm 2 or less, the joining rate is 70% or more, and the joining reliability is increased. Is confirmed to be improved.

1、101、201 パワーモジュール
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(アルミニウム層)
13、213 金属層(第2アルミニウム層)
1, 101, 201 Power module 10, 110, 210 Power module substrate 11, 111, 211 Ceramic substrate 12, 112, 212 Circuit layer (aluminum layer)
13, 213 Metal layer (second aluminum layer)

Claims (12)

セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層が形成されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、
前記セラミックス基板の一方の面のうち少なくとも前記アルミニウム層が形成される領域に、Agを固着し、Agを含有する固着層を形成する固着工程と、
前記固着層が形成された前記セラミックス基板を鋳型内に配置し、この鋳型内に溶融アルミニウムを充填し、前記セラミックス基板と前記溶融アルミニウムとを接触させる溶融アルミニウム充填工程と、
前記セラミックス基板と接触した状態で前記溶融アルミニウムを凝固させる凝固工程と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
A method for producing a power module substrate in which an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy is formed on one surface of a ceramic substrate,
An adhering step of adhering Ag to at least an area where the aluminum layer is formed on one surface of the ceramic substrate, and forming an adhering layer containing Ag;
Placing the ceramic substrate on which the fixed layer is formed in a mold, filling the mold with molten aluminum, and contacting the ceramic substrate with the molten aluminum;
And a solidifying step for solidifying the molten aluminum in contact with the ceramic substrate.
前記固着工程におけるAgの固着量が0.1mg/cm以上20mg/cm以下の範囲内と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の製造方法。 2. The method for manufacturing a power module substrate according to claim 1, wherein the fixing amount of Ag in the fixing step is in the range of 0.1 mg / cm 2 to 20 mg / cm 2 . 前記固着工程において、Agに加えて、Mg,Ca及びNiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着させ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の製造方法。   3. The power module substrate according to claim 1, wherein, in the fixing step, one or more additive elements selected from Mg, Ca, and Ni are fixed in addition to Ag. 4. Manufacturing method. 前記固着工程におけるAg及び前記添加元素の固着量の合計が、0.1mg/cm以上20mg/cm以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項3に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。 4. The power module substrate according to claim 3, wherein the total amount of Ag and the additional element in the fixing step is within a range of 0.1 mg / cm 2 to 20 mg / cm 2. Manufacturing method. 前記固着工程においては、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インクの塗布によって、Agを固着させることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   In the fixing step, Ag is fixed by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of ink in which powder is dispersed. The manufacturing method of the board | substrate for power modules as described in a term. 前記固着工程においては、Agペーストを塗布することによって前記固着層を形成することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The method for manufacturing a power module substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein in the fixing step, the fixing layer is formed by applying an Ag paste. 前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第2アルミニウム層を形成することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The method for manufacturing a power module substrate according to any one of claims 1 to 6, wherein a second aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy is formed on the other surface of the ceramic substrate. 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板であって、
前記アルミニウム層において、前記セラミックス基板との界面から50μmの位置におけるAg濃度と、前記セラミックス基板との界面から100μmの位置におけるAg濃度と、の濃度差が0.1質量%以下とされており、
前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面には、Ag濃度が前記アルミニウム層中のAg濃度の2倍以上とされたAg高濃度部が形成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 manufactured by the method for manufacturing a power module substrate according to any one of claims 1 to 7,
In the aluminum layer, a concentration difference between an Ag concentration at a position of 50 μm from the interface with the ceramic substrate and an Ag concentration at a position of 100 μm from the interface with the ceramic substrate is 0.1% by mass or less,
A power module substrate, wherein an Ag high concentration portion having an Ag concentration of at least twice as high as an Ag concentration in the aluminum layer is formed at an interface between the ceramic substrate and the aluminum layer.
前記セラミックス基板がAlNで構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Ag、O、Nの質量比が、Al:Ag:O:N=50〜90質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることを特徴とする請求項8の記載のパワーモジュール用基板。   The ceramic substrate is made of AlN, and the mass ratio of Al, Ag, O, and N obtained by analyzing the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer by energy dispersive X-ray analysis is Al: Ag: O: 9. The power module substrate according to claim 8, wherein N = 50 to 90% by mass: 1 to 30% by mass: 1 to 10% by mass: 25% by mass or less. 前記セラミックス基板がSiで構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Si、Ag、O、Nの質量比が、Al:Si:Ag:O:N=15〜45質量%:15〜45質量%:1〜30質量%:1〜10質量%:25質量%以下とされていることを特徴とする請求項8の記載のパワーモジュール用基板。 The ceramic substrate is made of Si 3 N 4 , and the mass ratio of Al, Si, Ag, O, N analyzed by energy dispersive X-ray analysis at the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer is Al : Si: Ag: O: N = 15 to 45% by mass: 15 to 45% by mass: 1 to 30% by mass: 1 to 10% by mass: 25% by mass or less The board | substrate for power modules as described. 前記セラミックス基板がAlで構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Ag、Oの質量比が、Al:Ag:O=50〜90質量%:1〜30質量%:0〜45質量%とされていることを特徴とする請求項8の記載のパワーモジュール用基板。 The ceramic substrate is made of Al 2 O 3 , and the mass ratio of Al, Ag, and O obtained by analyzing the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer by energy dispersive X-ray analysis is Al: Ag: O. The power module substrate according to claim 8, wherein: 50 to 90% by mass: 1 to 30% by mass: 0 to 45% by mass. 前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第2アルミニウム層を有することを特徴とする請求項8から請求項11のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。   12. The power module substrate according to claim 8, further comprising a second aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy on the other surface of the ceramic substrate.
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