JP2014060215A - Substrate for power module with heat sink, power module with heat sink and manufacturing method of substrate for power module with heat sink - Google Patents

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

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate for a power module with a heat sink, which can reduce initial heat resistance and inhibit raise of heat resistance under heat cycle load; and to provide a power module with a heat sink equipped with the substrate for the power module with the heat sink, and a manufacturing method of the substrate for the power module with the heat sink.SOLUTION: In a substrate for a power module with a heat sink, a metal layer 13 and a heat sink 31 are composed of Al or an Al alloy; and a copper layer 40, which is composed of a junction material formed from Cu or a Cu alloy, is formed between the metal layer 13 and the heat sink 31. The metal layer 13 and the heat sink 31 are solid-phase diffusion bonded with the copper layer 40.

Description

この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が配設されるとともに前記絶縁層の他方の面に金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、パワーモジュール用基板の他方の面側にヒートシンクと、を備えた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を備えたヒートシンク付パワーモジュール、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。   The present invention provides a power module substrate in which a circuit layer is disposed on one surface of an insulating layer and a metal layer is disposed on the other surface of the insulating layer, and on the other surface side of the power module substrate. The present invention relates to a power module substrate with a heat sink including a heat sink, a power module with a heat sink including the power module substrate with a heat sink, and a method for manufacturing the power module substrate with a heat sink.

各種の半導体素子のうちでも、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばAlN(窒化アルミ)などからなるセラミックス基板(絶縁層)上に導電性の優れた金属板を回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。
そして、このようなパワーモジュール用基板は、その回路層上に、はんだ材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される。
Among various semiconductor elements, a power element for high power control used for controlling an electric vehicle, an electric vehicle or the like has a large amount of heat generation. Therefore, as a substrate on which the element is mounted, for example, AlN (nitriding) 2. Description of the Related Art Conventionally, a power module substrate in which a metal plate having excellent conductivity is joined as a circuit layer on a ceramic substrate (insulating layer) made of aluminum or the like has been widely used.
Such a power module substrate has a semiconductor element mounted as a power element on the circuit layer via a solder material to form a power module.

例えば特許文献1に示すように、回路層及び金属層を構成する金属としては、Alが用いられ、ヒートシンクを構成する金属としては、Al(Al合金)が用いられている。そして、金属層の表面にヒートシンクがろう付けまたははんだ付けされたヒートシンク付パワーモジュール用基板が開示されている。   For example, as shown in Patent Document 1, Al is used as the metal constituting the circuit layer and the metal layer, and Al (Al alloy) is used as the metal constituting the heat sink. And the board | substrate for power modules with a heat sink by which the heat sink was brazed or soldered to the surface of the metal layer is disclosed.

特許文献2には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にAlで構成された回路層及び金属層が接合され、セラミックス基板の金属層側には、はんだを介してCuで構成された板材が接合され、さらにこの板材に、はんだを介してヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が開示されている。   In Patent Document 2, a circuit layer and a metal layer made of Al are joined to one surface and the other surface of a ceramic substrate, and a plate material made of Cu via solder on the metal layer side of the ceramic substrate. Is disclosed, and a power module substrate with a heat sink in which a heat sink is joined to the plate member via solder is disclosed.

特開2008−16813号公報JP 2008-16813 A 特開2007−250638号公報JP 2007-250638 A

ところで、特許文献1に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、アルミニウムからなる金属層とアルミニウム合金からなるヒートシンクとが接合されている。しかし、パワーモジュールの高効率化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなっているため、熱抵抗及び放熱性の観点から十分とは言えず、さらに低熱抵抗及び高放熱性を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板が求められている。   By the way, in the power module substrate with a heat sink shown in Patent Document 1, a metal layer made of aluminum and a heat sink made of an aluminum alloy are joined. However, as the efficiency of the power module has been improved and the usage environment has become severe, it cannot be said that it is sufficient from the viewpoint of thermal resistance and heat dissipation, and furthermore, a power module with a heat sink having low thermal resistance and high heat dissipation. Substrates are required.

また、特許文献2に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、金属層とCu板材、及びヒートシンクとCu板材とがはんだを介して接合されており、Cu板材による面方向への熱拡散の効果は期待できるものの、ヒートサイクル負荷条件が苛酷になったおり、はんだにクラックが生じて熱抵抗が上昇してしまうおそれがある。   Moreover, in the power module substrate with a heat sink shown in Patent Document 2, the metal layer and the Cu plate material, and the heat sink and the Cu plate material are joined via solder, and the effect of heat diffusion in the surface direction by the Cu plate material is Although it can be expected, the heat cycle load conditions have become severe, and there is a risk that the solder will crack and the thermal resistance will increase.

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、初期の熱抵抗を低減し、かつヒートサイクル負荷時において熱抵抗の上昇を抑制可能な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を備えたヒートシンク付パワーモジュール、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is a power module substrate with a heat sink that can reduce the initial thermal resistance and suppress an increase in thermal resistance during a heat cycle load, and the power with the heat sink. It is an object of the present invention to provide a power module with a heat sink provided with a module substrate, and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink.

前述の課題を解決するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、前記絶縁層の他方の面側に配設されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層及び前記ヒートシンクはAl又はAl合金で構成され、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に、Cu又はCu合金で構成された接合材からなる銅層が形成されており、前記金属層及び前記ヒートシンクが、前記銅層と固相拡散接合されていることを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, a power module substrate with a heat sink according to the present invention is formed on an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, and the other surface of the insulating layer. A power module substrate with a heat sink comprising a metal layer and a heat sink disposed on the other surface side of the insulating layer, wherein the metal layer and the heat sink are made of Al or an Al alloy, A copper layer made of a bonding material composed of Cu or Cu alloy is formed between the layer and the heat sink, and the metal layer and the heat sink are solid-phase diffusion bonded to the copper layer. It is a feature.

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、Al又はAl合金で構成された金属層及びヒートシンクが、Cu又はCu合金で構成された接合材からなる銅層と固相拡散接合されているので、金属層とヒートシンクとがこの銅層によって強固に接合されることになる。したがって、ヒートサイクルが負荷された場合に、金属層と銅層との接合界面、及びヒートシンクと銅層の接合界面に剥離が生じることを抑制して熱抵抗の上昇を抑制可能となり、接合信頼性を向上させることができる。
また、金属層とヒートシンクとの間に、熱伝導の良好なCu又はCu合金で構成された銅層が形成されているので、半導体素子からの熱を銅層の面内方向に拡げて放散させ、熱を効率的にヒートシンク側へ伝達することができ、初期の熱抵抗を低減することが可能となる。
According to the power module substrate with a heat sink of the present invention, the metal layer made of Al or Al alloy and the heat sink are solid-phase diffusion bonded to the copper layer made of the bonding material made of Cu or Cu alloy. The metal layer and the heat sink are firmly bonded by the copper layer. Therefore, when a heat cycle is applied, it is possible to suppress an increase in thermal resistance by suppressing the occurrence of peeling at the bonding interface between the metal layer and the copper layer and the bonding interface between the heat sink and the copper layer. Can be improved.
In addition, since a copper layer made of Cu or Cu alloy having good thermal conductivity is formed between the metal layer and the heat sink, the heat from the semiconductor element is spread and dissipated in the in-plane direction of the copper layer. The heat can be efficiently transferred to the heat sink, and the initial thermal resistance can be reduced.

また、前記金属層と前記銅層の接合界面、及び前記ヒートシンクと前記銅層の接合界面には、AlとCuからなる拡散層が形成されており、前記拡散層は、複数の金属間化合物が前記接合界面に沿って積層した構造とされ、前記拡散層と前記銅層との接合界面には、酸化物が、前記接合界面に沿って層状に分散している構成としても良い。
金属層と銅層との接合界面、及びヒートシンクと銅層との接合界面に、CuとAlからなる拡散層が形成されていることから、金属層中のAl(アルミニウム原子)と銅層中のCu(銅原子)、及びヒートシンク中のAlと銅層中のCuとが十分に相互拡散しており、金属層と銅層、及びヒートシンクと銅層とが強固に接合されている。
また、拡散層と銅層との接合界面には、酸化物が、接合界面に沿って層状に分散していることから、接合材の表面に形成された酸化膜が破壊されて固相拡散接合が十分に進行している。
In addition, a diffusion layer made of Al and Cu is formed at a bonding interface between the metal layer and the copper layer and a bonding interface between the heat sink and the copper layer, and the diffusion layer includes a plurality of intermetallic compounds. It is good also as a structure laminated | stacked along the said joining interface, and the oxide disperse | distributing to the joining interface of the said diffusion layer and the said copper layer in the layer form along the said joining interface.
Since a diffusion layer made of Cu and Al is formed at the bonding interface between the metal layer and the copper layer and the bonding interface between the heat sink and the copper layer, the Al (aluminum atom) in the metal layer and the copper layer Cu (copper atom), Al in the heat sink, and Cu in the copper layer are sufficiently interdiffused, and the metal layer and the copper layer, and the heat sink and the copper layer are firmly bonded.
In addition, since oxides are dispersed in layers along the bonding interface at the bonding interface between the diffusion layer and the copper layer, the oxide film formed on the surface of the bonding material is destroyed and solid phase diffusion bonding is performed. Is fully progressing.

ここで、前記銅層の平均結晶粒径が50μm以上200μm以下の範囲内とされ、前記金属層の平均結晶粒径が500μm以上とされていることが好ましい。
この場合、金属層及び銅層の平均結晶粒径が比較的大きく設定されているので、金属層及び銅層には、過剰な歪が蓄積されておらず、疲労特性が良好となる。したがって、ヒートサイクル負荷において、金属層と銅層との間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。
Here, it is preferable that the average crystal grain size of the copper layer is in the range of 50 μm or more and 200 μm or less, and the average crystal grain size of the metal layer is 500 μm or more.
In this case, since the average crystal grain sizes of the metal layer and the copper layer are set to be relatively large, excessive strain is not accumulated in the metal layer and the copper layer, and the fatigue characteristics are good. Therefore, in the heat cycle load, the bonding reliability against the thermal stress generated between the metal layer and the copper layer is improved.

前記接合材の厚さは、0.05mm以上3.0mm以下とされていても良い。
上記の範囲に接合材の厚さを設定することによって、半導体素子から発生する熱をヒートシンク側へ伝達する際に、熱を銅層の面内方向に拡げて効率的に伝達できるので、初期の熱抵抗を低減することが可能である。
The thickness of the bonding material may be 0.05 mm or greater and 3.0 mm or less.
By setting the thickness of the bonding material in the above range, when transferring the heat generated from the semiconductor element to the heat sink side, the heat can be efficiently transferred by spreading in the in-plane direction of the copper layer. It is possible to reduce the thermal resistance.

本発明のヒートシンク付パワーモジュールは、上記のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層の一方側に接合された半導体素子と、を備えていることを特徴としている。
本発明のヒートシンク付パワーモジュールによれば、上記のようなヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えているので、初期の熱抵抗が低く、ヒートサイクル負荷時においても熱抵抗の上昇を抑制して、半導体素子の動作の安定性を向上させることができる。
A power module with a heat sink according to the present invention includes the above-described power module substrate with a heat sink, and a semiconductor element bonded to one side of the circuit layer.
According to the power module with a heat sink of the present invention, since the power module substrate with a heat sink as described above is provided, the initial thermal resistance is low, and an increase in the thermal resistance is suppressed even during a heat cycle load. The stability of the operation of the element can be improved.

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、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、前記絶縁層の他方の面側に配設されたヒートシンクと、を備えた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、前記絶縁層の他方の面に、Al又はAl合金で構成された金属層を形成する金属層形成工程と、前記絶縁層の他方の面側に、Cu又はCu合金で構成された接合材を介在させて、Al又はAl合金で構成されたヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を備え、前記ヒートシンク接合工程において、前記金属層と前記接合材、及び前記ヒートシンクと前記接合材、とを固相拡散接合することを特徴としている。   The method of manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention includes an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, and the insulating layer. A power module substrate with a heat sink provided with a heat sink disposed on the other surface side of the layer, wherein a metal layer made of Al or an Al alloy is formed on the other surface of the insulating layer. A metal layer forming step to form, and a heat sink joining step of joining a heat sink made of Al or Al alloy with a bonding material made of Cu or Cu alloy interposed on the other surface side of the insulating layer, In the heat sink bonding step, the metal layer and the bonding material, and the heat sink and the bonding material are solid phase diffusion bonded.

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よれば、Al又はAl合金で構成された金属層とヒートシンクとを、Cu又はCu合金で構成された接合材を介して固相拡散接合するので、金属層及びヒートシンク中のAlと接合材中のCuが相互拡散し、金属層とヒートシンクとがCu又はCu合金で構成された銅層によって接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を得ることができる。   According to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention, the metal layer composed of Al or Al alloy and the heat sink are solid-phase diffusion bonded via a bonding material composed of Cu or Cu alloy. Further, Al in the metal layer and the heat sink and Cu in the bonding material are interdiffused, and a power module substrate with a heat sink in which the metal layer and the heat sink are bonded by a copper layer made of Cu or Cu alloy can be obtained. .

また、前記ヒートシンク接合工程において、前記金属層と前記ヒートシンクに対して、3kgf/cm以上35kgf/cm以下の荷重を負荷した状態で、400℃以上548℃未満で保持することにより、前記金属層と前記接合材、及び前記ヒートシンクと前記接合材とを固相拡散接合することを特徴としている。
このような構成にすることで、金属層と接合材、及びヒートシンクと接合材とが、確実に固相拡散接合され、金属層とヒートシンクとの間に銅層が形成される。また、このようにして固相拡散接合を行うと、金属層と銅層、及びヒートシンクと銅層との間に隙間が生じ難いので、金属層と銅層、及びヒートシンクと銅層との接合界面における熱伝導を良好にし、熱抵抗を低減できる。さらには、ろう材で接合する場合と比較して低温で固相拡散接合することができるので、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの熱膨張係数の差に起因する反りの発生が抑制され、熱抵抗を低減できる。また、この固相拡散接合によって形成された接合界面は強固に接合されており、ヒートサイクルが負荷された場合に、剥離が生じ難く熱抵抗の上昇を抑制することができる。
Further, in the heat sink bonding step, to the heat sink and the metal layer in a state loaded with 3 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less of a load, by holding less than 400 ° C. or higher 548 ° C., the metal The layer and the bonding material, and the heat sink and the bonding material are solid phase diffusion bonded.
With such a configuration, the metal layer and the bonding material, and the heat sink and the bonding material are reliably solid-phase diffusion bonded, and a copper layer is formed between the metal layer and the heat sink. Further, when solid phase diffusion bonding is performed in this manner, a gap is hardly generated between the metal layer and the copper layer and between the heat sink and the copper layer. Can improve heat conduction and reduce thermal resistance. Furthermore, since solid phase diffusion bonding can be performed at a low temperature compared to the case of bonding with a brazing material, the occurrence of warpage due to the difference in thermal expansion coefficient between the power module substrate and the heat sink is suppressed, and the thermal resistance is reduced. Can be reduced. In addition, the bonding interface formed by this solid phase diffusion bonding is firmly bonded, and when a heat cycle is applied, peeling is unlikely to occur and an increase in thermal resistance can be suppressed.

本発明によれば、初期の熱抵抗を低減し、かつヒートサイクル負荷時において熱抵抗の上昇を抑制可能な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を備えたヒートシンク付パワーモジュール、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。   According to the present invention, a power module substrate with a heat sink that can reduce an initial thermal resistance and suppress an increase in thermal resistance during a heat cycle load, a power module with a heat sink including the power module substrate with a heat sink, And the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink can be provided.

本発明の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module with a heat sink which concerns on embodiment of this invention, the board | substrate for power modules with a heat sink, and the board | substrate for power modules. 図1の金属層とヒートシンクとの接合部の拡大図である。It is an enlarged view of the junction part of the metal layer of FIG. 1, and a heat sink. 図2の金属層と銅層との接合界面における第一拡散層の拡大説明図である。FIG. 3 is an enlarged explanatory diagram of a first diffusion layer at a bonding interface between a metal layer and a copper layer in FIG. 2. 図2のヒートシンクと銅層との接合界面における第二拡散層の拡大説明図である。FIG. 3 is an enlarged explanatory diagram of a second diffusion layer at a bonding interface between the heat sink and the copper layer in FIG. 2. 本発明の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。It is a flowchart explaining the manufacturing method of the power module with a heat sink which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink which concerns on embodiment of this invention.

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、本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール1、ヒートシンク付パワーモジュール用基板30、パワーモジュール用基板10を示す。
このヒートシンク付パワーモジュール1は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板30と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板30の一方側(図1において上側)にはんだ層2を介して接合された半導体素子3と、を備えている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a power module 1 with a heat sink, a power module substrate 30 with a heat sink, and a power module substrate 10 according to an embodiment of the present invention.
The power module 1 with a heat sink includes a power module substrate 30 with a heat sink and a semiconductor element 3 bonded to one side (the upper side in FIG. 1) of the power module substrate 30 with a heat sink via a solder layer 2. I have.

はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−Cu系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材(いわゆる鉛フリーはんだ材)とされており、ヒートシンク付パワーモジュール用基板30と半導体素子3とを接合するものである。
半導体素子3は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。本実施形態では、IGBT素子とされている。
The solder layer 2 is made of, for example, a Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-In, or Sn-Ag-Cu solder material (so-called lead-free solder material). And the semiconductor element 3 are joined.
The semiconductor element 3 is an electronic component including a semiconductor, and various semiconductor elements are selected according to the required function. In this embodiment, an IGBT element is used.

ヒートシンク付パワーモジュール用基板30は、パワーモジュール用基板10と、パワーモジュール用基板10の他方側(図1において下側)に配設されたヒートシンク31とを備えている。
ヒートシンク31は、パワーモジュール用基板10側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク31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で構成されている。このヒートシンク31には、冷却用の流体が流れるための流路32が設けられている。
The power module substrate 30 with a heat sink includes a power module substrate 10 and a heat sink 31 disposed on the other side (lower side in FIG. 1) of the power module substrate 10.
The heat sink 31 is for dissipating heat on the power module substrate 10 side. The heat sink 31 is preferably made of a material having good thermal conductivity, and is made of A6063 in this embodiment. The heat sink 31 is provided with a flow path 32 through which a cooling fluid flows.

パワーモジュール用基板10は、図1に示すように、セラミックス基板11(絶縁層)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)に形成された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)に形成された金属層13と、を備えている。   As shown in FIG. 1, the power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11 (insulating layer), a circuit layer 12 formed on one surface of the ceramic substrate 11 (upper surface in FIG. 1), and the ceramic substrate 11. And a metal layer 13 formed on the other surface (the lower surface in FIG. 1).

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 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(図1において上面)に、金属板が接合されることにより形成されている。前記金属板は純アルミニウム板、アルミニウム合金板、純銅板、銅合金板等を用いることができる。本実施形態においては、回路層12は、純度が99.99%以上のAl(いわゆる4NAl)の圧延板からなるアルミニウム板22がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。   The circuit layer 12 is formed by joining a metal plate to one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. As the metal plate, a pure aluminum plate, an aluminum alloy plate, a pure copper plate, a copper alloy plate, or the like can be used. In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by bonding an aluminum plate 22 made of an Al (so-called 4NAl) rolled plate having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 11.

金属層13は、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)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Al(いわゆる4NAl)の圧延板からなるアルミニウム板23がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。   The metal layer 13 is formed by joining a metal plate made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface (the lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate 23 made of a rolled plate of Al (so-called 4NAl) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 11.

そして、パワーモジュール用基板10の金属層13とヒートシンク31とが、銅層40を介して固相拡散接合によって接合されている。
銅層40は、パワーモジュール用基板10とヒートシンク31とを接合するものである。この銅層40は、無酸素銅の圧延板からなる接合材50によって構成されている。なお、接合材50の厚さは、0.05mm以上3.0mm以下に設定されていることが好ましい。
The metal layer 13 of the power module substrate 10 and the heat sink 31 are joined by solid phase diffusion bonding via the copper layer 40.
The copper layer 40 joins the power module substrate 10 and the heat sink 31. The copper layer 40 is constituted by a bonding material 50 made of an oxygen-free copper rolled plate. The thickness of the bonding material 50 is preferably set to 0.05 mm or more and 3.0 mm or less.

金属層13と銅層40との接合界面には、図2に示すように、第一拡散層41(拡散層)が形成されている。また、ヒートシンク31と銅層40との接合界面にも同様に、第二拡散層42(拡散層)が形成されている。
第一拡散層41は、金属層13のAl(アルミニウム原子)と、銅層40のCu(銅原子)とが相互拡散することによって形成されるものである。この第一拡散層41においては、金属層13から銅層40に向かうに従い、漸次Alの濃度が低くなり、かつCuの濃度が高くなる濃度勾配を有している。
A first diffusion layer 41 (diffusion layer) is formed at the bonding interface between the metal layer 13 and the copper layer 40, as shown in FIG. Similarly, a second diffusion layer 42 (diffusion layer) is also formed at the bonding interface between the heat sink 31 and the copper layer 40.
The first diffusion layer 41 is formed by interdiffusion of Al (aluminum atoms) in the metal layer 13 and Cu (copper atoms) in the copper layer 40. The first diffusion layer 41 has a concentration gradient in which the Al concentration gradually decreases and the Cu concentration increases as it goes from the metal layer 13 to the copper layer 40.

また、第二拡散層42は、ヒートシンク31のAl(アルミニウム原子)と、銅層40のCu(銅原子)とが相互拡散することによって形成されるものである。この第二拡散層42においては、ヒートシンク31から銅層40に向かうに従い、漸次Alの濃度が低くなり、かつCuの濃度が高くなる濃度勾配を有している。   The second diffusion layer 42 is formed by mutual diffusion of Al (aluminum atoms) of the heat sink 31 and Cu (copper atoms) of the copper layer 40. The second diffusion layer 42 has a concentration gradient in which the Al concentration gradually decreases and the Cu concentration increases as it goes from the heat sink 31 to the copper layer 40.

図3に、第一拡散層41の拡大説明図を示す。この第一拡散層41は、AlとCuからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、この第一拡散層41の厚さtは、1μm以上80μm以下の範囲内、好ましくは、5μm以上80μm以下の範囲内に設定されている。
本実施形態では、図3に示すように、3種の金属間化合物が積層された構造とされており、金属層13側から銅層40側に向けて順に、θ相43、η2相44、ζ2相45とされている。
また、第一拡散層41と銅層40との接合界面には、酸化物46が、接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物46は、アルミナ(Al)等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物46は、第一拡散層41と銅層40との界面に分断された状態で分散しており、第一拡散層41と銅層40とが直接接触している領域も存在している。
FIG. 3 is an enlarged explanatory view of the first diffusion layer 41. The first diffusion layer 41 is composed of an intermetallic compound composed of Al and Cu. In the present embodiment, a plurality of intermetallic compounds are stacked along the bonding interface. Here, the thickness t of the first diffusion layer 41 is set in the range of 1 μm to 80 μm, preferably in the range of 5 μm to 80 μm.
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, a structure in which three types of intermetallic compounds are stacked is formed, and in order from the metal layer 13 side to the copper layer 40 side, a θ phase 43, a η2 phase 44, The ζ2 phase 45 is set.
In addition, the oxide 46 is dispersed in layers along the bonding interface at the bonding interface between the first diffusion layer 41 and the copper layer 40. In the present embodiment, the oxide 46 is an aluminum oxide such as alumina (Al 2 O 3 ). The oxide 46 is dispersed in a state of being divided at the interface between the first diffusion layer 41 and the copper layer 40, and there is a region where the first diffusion layer 41 and the copper layer 40 are in direct contact. ing.

図4に、第二拡散層42の拡大説明図を示す。この第二拡散層42は、AlとCuからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、この第二拡散層42の厚さtは、1μm以上80μm以下の範囲内、好ましくは、5μm以上80μm以下の範囲内に設定されている。
本実施形態では、図3に示すように、3種の金属間化合物が積層された構造とされており、ヒートシンク31側から銅層40側に向けて順に、θ相43、η2相44、ζ2相45とされている。
FIG. 4 is an enlarged explanatory view of the second diffusion layer 42. The second diffusion layer 42 is composed of an intermetallic compound composed of Al and Cu. In the present embodiment, a plurality of intermetallic compounds are stacked along the bonding interface. Here, the thickness t of the second diffusion layer 42 is set in the range of 1 μm to 80 μm, preferably in the range of 5 μm to 80 μm.
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, a structure in which three kinds of intermetallic compounds are laminated is formed, and in order from the heat sink 31 side to the copper layer 40 side, the θ phase 43, η2 phase 44, ζ2 Phase 45.

また、第二拡散層42と銅層40との接合界面には、酸化物46が、接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、酸化物46は、第二拡散層42と銅層40との界面に分断された状態で分散しており、第二拡散層42と銅層40とが直接接触している領域も存在している。
さらに、本実施形態では、銅層40の平均結晶粒径が50μm以上200μm以下の範囲内とされ、金属層13とヒートシンク31の平均結晶粒径が500μm以上とされている。
In addition, the oxide 46 is dispersed in layers along the bonding interface at the bonding interface between the second diffusion layer 42 and the copper layer 40. In the present embodiment, the oxide 46 is dispersed in a state of being divided at the interface between the second diffusion layer 42 and the copper layer 40, and the second diffusion layer 42 and the copper layer 40 are in direct contact with each other. There is also an area.
Further, in the present embodiment, the average crystal grain size of the copper layer 40 is in the range of 50 μm or more and 200 μm or less, and the average crystal grain size of the metal layer 13 and the heat sink 31 is 500 μm or more.

次に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール1、ヒートシンク付パワーモジュール用基板30、パワーモジュール用基板10の製造方法について、図5及び図6を用いて説明する。
まず、図6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、ろう材を介してアルミニウム板22、23を積層する。そして、加圧・加熱後冷却することによって、セラミックス基板11とアルミニウム板22、23を接合し、回路層12及び金属層13を形成する(回路層及び金属層形成工程S11)。なお、このろう付けの温度は、640℃〜650℃に設定されている。
こうして、パワーモジュール用基板10が得られる。
Next, the manufacturing method of the power module 1 with a heat sink, the power module substrate 30 with a heat sink, and the power module substrate 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 6, aluminum plates 22 and 23 are laminated on one surface and the other surface of the ceramic substrate 11 via a brazing material. Then, the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22 and 23 are joined by cooling after pressing and heating, thereby forming the circuit layer 12 and the metal layer 13 (circuit layer and metal layer forming step S11). The brazing temperature is set to 640 ° C to 650 ° C.
In this way, the power module substrate 10 is obtained.

次に、図6に示すように、パワーモジュール用基板10の他方の面側に接合材50と、ヒートシンク31とを、順に配置する。そして、このパワーモジュール用基板10、接合材50、ヒートシンク31を積層したものに対して、一方側及び他方側(図6において、上側及び下側)から荷重を負荷し、真空加熱炉の中に配置する。本実施形態においては、金属層13と接合材50、ヒートシンク31と接合材50との接触面に負荷される荷重は、3kgf/cm以上35kgf/cm以下とされている。そして、真空加熱の加熱温度を、400℃以上548℃未満とし、5分以上240分以下保持して固相拡散接合を行い、金属層13と接合材50、及びヒートシンク31と接合材50とを接合し、銅層40を形成する(ヒートシンク接合工程S12)。本実施形態においては、金属層13と接合材50、ヒートシンク31と接合材50との接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。 Next, as illustrated in FIG. 6, the bonding material 50 and the heat sink 31 are sequentially arranged on the other surface side of the power module substrate 10. And with respect to what laminated | stacked this board | substrate 10 for power modules, the joining material 50, and the heat sink 31, a load was loaded from one side and the other side (in FIG. 6, upper side and lower side), and it puts in a vacuum heating furnace Deploy. In this embodiment, the metal layer 13 and the bonding material 50, the load applied to the contact surface between the heat sink 31 and the bonding material 50 is a 3 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less. Then, the heating temperature of the vacuum heating is set to 400 ° C. or more and less than 548 ° C. and held for 5 minutes or more and 240 minutes or less to perform solid phase diffusion bonding, and the metal layer 13 and the bonding material 50, and the heat sink 31 and the bonding material 50 are combined. The copper layer 40 is formed by bonding (heat sink bonding step S12). In the present embodiment, the surfaces of the metal layer 13 and the bonding material 50 and the heat sink 31 and the bonding material 50 to be bonded are solid-phase diffusion bonded after the scratches on the surfaces have been removed and smoothed in advance. ing.

なお、真空加熱のより望ましい温度範囲は、アルミニウム板23を構成する金属(4NAl)と接合材50を構成する金属(Cu)、及びヒートシンク31を構成する金属(A6063)と接合材50を構成する金属(Cu)、の共晶温度のうち、最も低い共晶温度(共晶温度含まず)から共晶温度−5℃の範囲とされている。   In addition, the more desirable temperature range of vacuum heating comprises the metal (4NAl) which comprises the aluminum plate 23, the metal (Cu) which comprises the joining material 50, and the metal (A6063) which comprises the heat sink 31, and the joining material 50. The eutectic temperature of the metal (Cu) is in the range from the lowest eutectic temperature (not including the eutectic temperature) to the eutectic temperature of −5 ° C.

こうして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板30が得られる。
そして、回路層12の一方側(表面)に、はんだ材を介して半導体素子3を載置し、還元炉内においてはんだ接合する(半導体素子接合工程S13)。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール1が製出される。
In this way, the power module substrate 30 with a heat sink according to the present embodiment is obtained.
Then, the semiconductor element 3 is placed on one side (surface) of the circuit layer 12 via a solder material, and soldered in a reduction furnace (semiconductor element joining step S13).
Thus, the power module 1 with a heat sink which is this embodiment is produced.

以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板30によれば、4NAlで構成された金属層13及びA6063で構成されたヒートシンク31が、銅層40と固相拡散接合されているので、ヒートサイクルが負荷された場合に、金属層13と銅層40との接合界面、及びヒートシンク31と銅層40の接合界面に剥離が生じることを抑制して熱抵抗の上昇を抑制し、接合信頼性を向上させることができる。
また、金属層13とヒートシンク31との間に、熱伝導の良好なCuで構成された銅層40が形成されており、半導体素子3からの熱を銅層40の面内方向に拡げて効率的にヒートシンク側へ伝達でき、初期の熱抵抗を低減することが可能となる。
According to the power module substrate 30 with heat sink that is the present embodiment configured as described above, the heat sink 31 composed of the metal layer 13 composed of 4NAl and A6063 is bonded to the copper layer 40 by solid phase diffusion bonding. Therefore, when a heat cycle is applied, it is possible to suppress the occurrence of peeling at the bonding interface between the metal layer 13 and the copper layer 40 and the bonding interface between the heat sink 31 and the copper layer 40, thereby increasing the thermal resistance. It can suppress and can improve joint reliability.
In addition, a copper layer 40 made of Cu having good thermal conductivity is formed between the metal layer 13 and the heat sink 31, and heat from the semiconductor element 3 is spread in the in-plane direction of the copper layer 40 to improve efficiency. Therefore, it is possible to reduce the initial thermal resistance.

さらに、金属層13と銅層40との接合界面、及びヒートシンク31と銅層40との接合界面に、CuとAlからなる第一拡散層41及び第二拡散層42が形成されていることから、金属層13中のAl(アルミニウム原子)と銅層40中のCu(銅原子)、及びヒートシンク31中のAlと銅層40中のCuとが十分に相互拡散しており、金属層13と銅層40、及びヒートシンク31と銅層40とが強固に接合されている。   Furthermore, the first diffusion layer 41 and the second diffusion layer 42 made of Cu and Al are formed at the bonding interface between the metal layer 13 and the copper layer 40 and at the bonding interface between the heat sink 31 and the copper layer 40. Al (aluminum atom) in the metal layer 13 and Cu (copper atom) in the copper layer 40 and Al in the heat sink 31 and Cu in the copper layer 40 are sufficiently interdiffused, The copper layer 40 and the heat sink 31 and the copper layer 40 are firmly bonded.

また、第一拡散層41及び第二拡散層42は、複数の金属間化合物が前記接合界面に沿って積層した構造とされているので、脆い拡散層が大きく成長してしまうことを抑制できる。また、金属層13中のAlと銅層40中のCuとが相互拡散することにより、金属層13側から銅層40側に向けてそれぞれの組成に適した金属間化合物が層状に形成されることから、接合界面近傍の特性を安定させることができる。さらに、ヒートシンク31中のAlと銅層40中のCuとが相互拡散することにより、ヒートシンク31側から銅層40側に向けてそれぞれの組成に適した金属間化合物が層状に形成されることから接合界面近傍の特性を安定させることができる。
具体的には、第一拡散層41及び第二拡散層42は、金属層13及びヒートシンク31側から銅層40側に向けて順に、θ相43、η2相44、ζ2相45の3種の金属間化合物が積層しているので、第一拡散層41及び第二拡散層42の内部における体積変動が小さくなり、内部歪みが抑えられることになる。
Moreover, since the 1st diffused layer 41 and the 2nd diffused layer 42 are set as the structure which laminated | stacked the several intermetallic compound along the said joining interface, it can suppress that a brittle diffused layer grows large. Further, when Al in the metal layer 13 and Cu in the copper layer 40 are interdiffused, an intermetallic compound suitable for each composition is formed in layers from the metal layer 13 side to the copper layer 40 side. For this reason, the characteristics in the vicinity of the bonding interface can be stabilized. Furthermore, since Al in the heat sink 31 and Cu in the copper layer 40 are interdiffused, an intermetallic compound suitable for each composition is formed in layers from the heat sink 31 side to the copper layer 40 side. The characteristics in the vicinity of the bonding interface can be stabilized.
Specifically, the first diffusion layer 41 and the second diffusion layer 42 are in order of the three phases of the θ phase 43, the η2 phase 44, and the ζ2 phase 45 from the metal layer 13 and the heat sink 31 side to the copper layer 40 side. Since the intermetallic compound is laminated, the volume fluctuation inside the first diffusion layer 41 and the second diffusion layer 42 is reduced, and the internal strain is suppressed.

また、これらの第一拡散層41と銅層40、第二拡散層42と銅層40の接合界面において、酸化物46が接合界面に沿って層状に分散しているので、金属層13及びヒートシンク31の表面に形成された酸化膜が確実に破壊され、CuとAlの相互拡散が十分に進行していることになり、金属層13と銅層40、及びヒートシンク31と銅層40とが確実に接合されている。   Further, since the oxides 46 are dispersed in layers along the bonding interface between the first diffusion layer 41 and the copper layer 40, and the second diffusion layer 42 and the copper layer 40, the metal layer 13 and the heat sink The oxide film formed on the surface of 31 is reliably destroyed, and the mutual diffusion of Cu and Al is sufficiently advanced, so that the metal layer 13 and the copper layer 40 and the heat sink 31 and the copper layer 40 are surely formed. It is joined to.

さらに、第一拡散層41及び第二拡散層42の平均厚みが1μm以上80μm以下の範囲内、好ましくは5μm以上80μm以下の範囲内とされているので、金属層13中のAlと銅層40中のCu、及びヒートシンク31中のAlと銅層40中のCuとが十分に相互拡散していることになり、金属層13と銅層40、及びヒートシンク31と銅層40とが強固に接合できるとともに、金属層13、ヒートシンク31、及び銅層40に比べて脆い第一拡散層41及び第二拡散層42が必要以上に成長することが抑えられており、接合界面の特性が安定することになる。   Furthermore, since the average thickness of the first diffusion layer 41 and the second diffusion layer 42 is in the range of 1 μm to 80 μm, preferably in the range of 5 μm to 80 μm, the Al in the metal layer 13 and the copper layer 40 Cu in the heat sink 31 and Cu in the copper layer 40 are sufficiently interdiffused, and the metal layer 13 and the copper layer 40 and the heat sink 31 and the copper layer 40 are firmly bonded. In addition, the first diffusion layer 41 and the second diffusion layer 42 that are fragile compared to the metal layer 13, the heat sink 31, and the copper layer 40 are prevented from growing more than necessary, and the characteristics of the bonding interface are stabilized. become.

さらに、本実施形態においては、銅層40の平均結晶粒径が50μm以上200μm以下の範囲内とされ、金属層13とヒートシンク31の平均結晶粒径が500μm以上とされており、金属層13、ヒートシンク31、及び銅層40の平均結晶粒径が比較的大きく設定されている。よって、金属層13、ヒートシンク31、及び銅層40には、過剰な歪が蓄積されておらず、疲労特性が良好となる。したがって、ヒートサイクル負荷において、パワーモジュール用基板10とヒートシンク31との間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。   Furthermore, in this embodiment, the average crystal grain size of the copper layer 40 is in the range of 50 μm or more and 200 μm or less, and the average crystal grain size of the metal layer 13 and the heat sink 31 is 500 μm or more. The average crystal grain size of the heat sink 31 and the copper layer 40 is set to be relatively large. Therefore, excessive strain is not accumulated in the metal layer 13, the heat sink 31, and the copper layer 40, and the fatigue characteristics are improved. Therefore, in the heat cycle load, the bonding reliability against the thermal stress generated between the power module substrate 10 and the heat sink 31 is improved.

また、本実施形態においては、金属層13とヒートシンク31との間に接合材50を介在させて積層し、金属層13と接合材50、及びヒートシンク31と接合材50に対して、3kgf/cm以上35kgf/cm以下の荷重を負荷した状態で、400℃以上548℃未満で保持して固相拡散接合を行っている。このような条件で固相拡散接合しているので、金属層13と接合材50、及びヒートシンク31と接合材50とが、十分に密着した状態で固相拡散を行うことができ、金属層13と銅層40、及びヒートシンク31と銅層40とが確実に固相拡散接合される。また、このようにして固相拡散接合を行うと、金属層13と銅層40、及びヒートシンク31と銅層40との間に隙間が生じ難いので、金属層13と銅層40、及びヒートシンク31と銅層40との接合界面における熱伝導性を良好にし、熱抵抗を低減することができる。 In this embodiment, the bonding material 50 is laminated between the metal layer 13 and the heat sink 31, and the metal layer 13 and the bonding material 50 and the heat sink 31 and the bonding material 50 are 3 kgf / cm. while loaded with 2 or more 35 kgf / cm 2 or less of the load, are subjected to solid phase diffusion bonding was maintained at less than 400 ° C. or higher 548 ° C.. Since solid phase diffusion bonding is performed under such conditions, solid phase diffusion can be performed in a state in which the metal layer 13 and the bonding material 50 and the heat sink 31 and the bonding material 50 are sufficiently adhered to each other. And the copper layer 40, and the heat sink 31 and the copper layer 40 are securely solid-phase diffusion bonded. Further, when solid phase diffusion bonding is performed in this manner, it is difficult for a gap to be formed between the metal layer 13 and the copper layer 40 and between the heat sink 31 and the copper layer 40, so the metal layer 13, the copper layer 40, and the heat sink 31. The thermal conductivity at the bonding interface between the copper layer 40 and the copper layer 40 can be improved, and the thermal resistance can be reduced.

さらには、ろう材で接合する場合と比較して低温で固相拡散接合することができるので、パワーモジュール用基板10とヒートシンク31との熱膨張係数の差に起因する反りの発生が抑制され、熱抵抗を低減することができる。また、この固相拡散接合によって形成された接合界面は強固に接合されており、ヒートサイクルが負荷された場合に、剥離が生じ難く熱抵抗の上昇を抑制することができる。   Furthermore, since solid phase diffusion bonding can be performed at a low temperature compared to the case of bonding with a brazing material, the occurrence of warpage due to the difference in thermal expansion coefficient between the power module substrate 10 and the heat sink 31 is suppressed, Thermal resistance can be reduced. In addition, the bonding interface formed by this solid phase diffusion bonding is firmly bonded, and when a heat cycle is applied, peeling is unlikely to occur and an increase in thermal resistance can be suppressed.

また、本実施形態においては、接合材50の好ましい厚さは、0.05mm以上3.0mm以下とされているので、半導体素子3から発生する熱を銅層40の面内方向に拡げて効率的にヒートシンク31側へ伝達できるので、初期の熱抵抗を低減することが可能である。   Moreover, in this embodiment, since the preferable thickness of the joining material 50 is 0.05 mm or more and 3.0 mm or less, the heat which generate | occur | produces from the semiconductor element 3 is spread in the surface direction of the copper layer 40, and it is efficient. Therefore, it is possible to reduce the initial thermal resistance.

また、本実施形態においては、固相拡散接合する際の荷重が、3kgf/cm以上35kgf/cm以下とされているので、金属層13と銅層40、及びヒートシンク31と銅層40とを良好に接合することができるとともに、セラミックス基板11に割れが発生することを抑制することができる。 In the present embodiment, the load at the time of solid phase diffusion bonding, since there is a 3 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less, the metal layer 13 and the copper layer 40, and the heat sink 31 and the copper layer 40 Can be satisfactorily bonded, and cracking of the ceramic substrate 11 can be suppressed.

また、本実施形態においては、固相拡散接合の好ましい温度は、400℃以上548℃未満とされているので、AlとCuとの拡散を促進し、短時間で十分に固相拡散接合できるとともに、AlとCuとの間で液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制できる。   In the present embodiment, the preferred temperature for solid phase diffusion bonding is 400 ° C. or more and less than 548 ° C. Therefore, the diffusion between Al and Cu is promoted, and solid phase diffusion bonding can be sufficiently performed in a short time. It is possible to suppress the occurrence of a liquid phase between Al and Cu and the formation of bumps at the bonding interface or the variation in thickness.

また、固相拡散接合時におけるより望ましい加熱温度は、共晶温度(共晶温度含まず)から共晶温度−5℃の範囲とされているので、液相が形成されずアルミニウムと銅の化合物が生成されなくなり、固相拡散接合の接合信頼性が向上するとともに、固相拡散接合の際の拡散速度が速く、比較的短時間で固相拡散接合できる。   In addition, since a more preferable heating temperature in the solid phase diffusion bonding is in a range from the eutectic temperature (not including the eutectic temperature) to the eutectic temperature of −5 ° C., a liquid phase is not formed, and a compound of aluminum and copper Is not generated, the reliability of solid phase diffusion bonding is improved, and the diffusion rate during solid phase diffusion bonding is high, so that solid phase diffusion bonding can be performed in a relatively short time.

また、固相拡散接合する際に、接合される面に傷がある場合、固相拡散接合時に隙間が生じる場合があるが、金属層13と接合材50、ヒートシンク31と接合材50との接合される面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されているので、それぞれの接合界面に隙間が生じることを抑制して接合することが可能である。   In addition, when solid-phase diffusion bonding is performed, if there are scratches on the surfaces to be bonded, gaps may occur during solid-phase diffusion bonding, but the bonding between the metal layer 13 and the bonding material 50 and the heat sink 31 and the bonding material 50 may occur. Since the surfaces to be processed are solid-phase diffusion bonded after the scratches on the surfaces have been removed and smoothed in advance, it is possible to perform bonding while suppressing the formation of a gap at each bonding interface.

また、本実施形態においては、金属層13とヒートシンク31とが接合材50を介して固相拡散接合によって接合されており、金属層13とヒートシンク31との間に、はんだを介在させていないので、ヒートサイクル負荷時において接合信頼性を向上させることができ、熱抵抗の上昇を抑制することができる。また、アルミニウムや銅と比較して熱伝導性が劣るはんだを介在させていないので、金属層13とヒートシンク31との接合部における熱伝導性を向上させることができる。   In the present embodiment, the metal layer 13 and the heat sink 31 are bonded by solid phase diffusion bonding via the bonding material 50, and no solder is interposed between the metal layer 13 and the heat sink 31. In addition, it is possible to improve the bonding reliability during a heat cycle load, and to suppress an increase in thermal resistance. Moreover, since the solder which is inferior in heat conductivity compared with aluminum and copper is not interposed, the heat conductivity in the junction part of the metal layer 13 and the heat sink 31 can be improved.

本実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール1は、上記のようなヒートシンク付パワーモジュール用基板30を備えているので、初期の熱抵抗が低く、ヒートサイクル負荷時においても熱抵抗の上昇を抑制して、半導体素子の動作の安定性を向上させることが可能である。   Since the power module with heat sink 1 according to this embodiment includes the power module substrate 30 with heat sink as described above, the initial thermal resistance is low, and an increase in thermal resistance is suppressed even during a heat cycle load. It is possible to improve the stability of the operation of the semiconductor element.

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。   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.

なお、上記の実施形態では、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に形成される回路層及び金属層を、純度99.99%の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度99%のアルミニウム(2NAl)やアルミニウム合金等であっても良い。また、回路層は純アルミニウム板やアルミニウム合金板の他に、純銅板や銅合金板であっても良い。   In the above embodiment, the circuit layer and the metal layer formed on one surface and the other surface of the ceramic substrate have been described as a rolled sheet of pure aluminum having a purity of 99.99%. However, the present invention is not limited to this. In other words, it may be 99% pure aluminum (2NAl), aluminum alloy, or the like. The circuit layer may be a pure copper plate or a copper alloy plate in addition to a pure aluminum plate or an aluminum alloy plate.

また、上記の実施形態では、ヒートシンクはA6063(Al−Mg−Si)で構成される場合について説明したが、純アルミニウムや他のAl合金で構成されていても良い。   In the above embodiment, the heat sink is made of A6063 (Al—Mg—Si). However, the heat sink may be made of pure aluminum or another Al alloy.

また、上記の実施形態では、銅層は無酸素銅の銅板で構成されている場合について説明したが、これに限定されることはなく、その他の純銅や銅合金の銅板で構成されても良い。   Moreover, although said embodiment demonstrated the case where the copper layer was comprised with the copper plate of oxygen-free copper, it is not limited to this, You may be comprised with the copper plate of other pure copper or copper alloy. .

また、上記の実施形態では、絶縁層としてAlNからなるセラミックス基板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、SiやAl等からなるセラミックス基板を用いても良いし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成しても良い。 In the above embodiment, the ceramic substrate made of AlN is used as the insulating layer. However, the present invention is not limited to this, and a ceramic substrate made of Si 3 N 4 or Al 2 O 3 is used. Alternatively, the insulating layer may be made of an insulating resin.

また、上記の実施形態では、ヒートシンクが放熱フィンを備えていない場合について説明したが、放熱フィンを備えていても良い。   Moreover, although said heat sink demonstrated the case where the heat sink was not provided with the radiation fin, you may provide the radiation fin.

(実施例)
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
図5のフロー図に記載した手順に従って、荷重9kgf/cm、温度540℃、90分の条件で固相拡散接合を行い、発明例1〜4のヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
なお、セラミックス基板は、AlNで構成され、40mm×40mm、厚さ0.635mmのものを使用した。
回路層は、発明例1−3では4NAlの圧延板で構成され、37mm×37mm、厚さ0.6mmのものを使用した。発明例4では無酸素銅の銅板で構成され、37mm×37mm、厚さ0.6mmのものを使用した。
金属層は、4NAlの圧延板で構成され、37mm×37mm、厚さ0.6mmのものを使用した。
接合材は、無酸素銅の圧延板で構成され、37mm×37mmのものを使用した。接合材の厚さは、表1に示すように設定した。
ヒートシンクは、A6063合金の圧延板で構成され、50mm×50mm、厚さ5mmのものを使用した。
また、固相拡散接合は、真空加熱炉内の圧力が、10−6Pa以上、10−3Pa以下の範囲内で行った。
半導体素子は、IGBT素子とし、12.5mm×9.5mm、厚さ0.25mmのものを使用した。
(Example)
Below, the result of the confirmation experiment performed in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.
According to the procedure described in the flow chart of FIG. 5, solid phase diffusion bonding was performed under the conditions of a load of 9 kgf / cm 2 , a temperature of 540 ° C., and 90 minutes to produce power modules with heat sinks of Invention Examples 1 to 4.
The ceramic substrate was made of AlN, and had a size of 40 mm × 40 mm and a thickness of 0.635 mm.
In the inventive example 1-3, the circuit layer is composed of a 4NAl rolled plate, and has a size of 37 mm × 37 mm and a thickness of 0.6 mm. In Invention Example 4, an oxygen-free copper plate having a size of 37 mm × 37 mm and a thickness of 0.6 mm was used.
The metal layer was composed of a 4NAl rolled plate, and was 37 mm × 37 mm and having a thickness of 0.6 mm.
The joining material was formed of an oxygen-free copper rolled plate, and a 37 mm × 37 mm member was used. The thickness of the bonding material was set as shown in Table 1.
The heat sink was composed of a rolled plate of A6063 alloy, and a 50 mm × 50 mm, 5 mm thick one was used.
Further, the solid phase diffusion bonding was performed in a range where the pressure in the vacuum heating furnace was 10 −6 Pa or more and 10 −3 Pa or less.
As the semiconductor element, an IGBT element having a size of 12.5 mm × 9.5 mm and a thickness of 0.25 mm was used.

また、従来例1として次のヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
回路層となるアルミニウム板(37mm×37mm、厚さ0.6mm)とAlNで構成されたセラミックス基板(40mm×40mm、厚さ0.635mm)と金属層となるアルミニウム板(37mm×37mm、厚さ0.6mm)とを、Al−10質量%Siのろう材箔を介して積層し、積層方向に5kgf/cmで加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、650℃で30分加熱することによって接合し、パワーモジュール用基板を作製した。次にパワーモジュール用基板とヒートシンク(A6063合金の圧延板、50mm×50mm、厚さ5mm)とをSn−Ag−Cuはんだを介して接合した。そして、IGBT素子(12.5mm×9.5mm、厚さ0.25mm)をSn−Ag−Cuはんだを用いてはんだ付けし、ヒートシンク付パワーモジュールを作成した。
Moreover, the following power module with a heat sink was produced as the prior art example 1.
An aluminum plate (37 mm × 37 mm, thickness 0.6 mm) as a circuit layer, a ceramic substrate (40 mm × 40 mm, thickness 0.635 mm) made of AlN, and an aluminum plate (37 mm × 37 mm, thickness) as a metal layer 0.6 mm) is placed through a brazing foil of Al-10% by mass Si, charged in a stacking direction at a pressure of 5 kgf / cm 2 , and placed in a vacuum heating furnace at 30 ° C. at 30 ° C. Bonding was performed by partial heating to produce a power module substrate. Next, the power module substrate and a heat sink (A6063 alloy rolled plate, 50 mm × 50 mm, thickness 5 mm) were joined via Sn—Ag—Cu solder. And the IGBT element (12.5 mm x 9.5 mm, thickness 0.25 mm) was soldered using Sn-Ag-Cu solder, and the power module with a heat sink was created.

次に、従来例2として次のヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
回路層となるアルミニウム板(37mm×37mm、厚さ0.6mm)とAlNで構成されたセラミックス基板(40mm×40mm、厚さ0.635mm)と金属層となるアルミニウム板(37mm×37mm、厚さ0.6mm)とを、Al−10質量%Siのろう材箔を介して積層し、積層方向に5kgf/cmで加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、650℃で30分加熱することによって接合し、パワーモジュール用基板を作製した。次にパワーモジュール用基板とヒートシンク(A6063合金の圧延板、50mm×50mm、厚さ5mm)とを、Al−10質量%Siのろう材箔を介して接合した。そして、IGBT素子(12.5mm×9.5mm、厚さ0.25mm)をSn−Ag−Cuはんだを用いてはんだ付けし、ヒートシンク付パワーモジュールを作成した。
Next, as a conventional example 2, the following power module with a heat sink was produced.
An aluminum plate (37 mm × 37 mm, thickness 0.6 mm) as a circuit layer, a ceramic substrate (40 mm × 40 mm, thickness 0.635 mm) made of AlN, and an aluminum plate (37 mm × 37 mm, thickness) as a metal layer 0.6 mm) is placed through a brazing foil of Al-10% by mass Si, charged in a stacking direction at a pressure of 5 kgf / cm 2 , and placed in a vacuum heating furnace at 30 ° C. at 30 ° C. Bonding was performed by partial heating to produce a power module substrate. Next, the power module substrate and a heat sink (A6063 alloy rolled plate, 50 mm × 50 mm, thickness 5 mm) were joined together through a brazing foil of Al-10 mass% Si. And the IGBT element (12.5 mm x 9.5 mm, thickness 0.25 mm) was soldered using Sn-Ag-Cu solder, and the power module with a heat sink was created.

(平均結晶粒径の測定)
得られた積層板の断面をクロスセクションポリッシャ(日本電子株式会社製SM−09010)を用いて、イオン加速電圧:5kV、加工時間:14時間、遮蔽板からの突出量:100μmでイオンエッチングした後に観察し、接合界面近傍における銅板及びアルミニウム板の平均結晶粒径を測定した。なお、この平均結晶粒径の測定は、JIS H 0501記載の切断法に準拠して実施した。
(酸化物の測定方法)
クロスセクションポリッシャ(日本電子株式会社製SM−09010)を用いて、イオン加速電圧:5kV、加工時間:14時間、遮蔽板からの突出量:100μmでイオンエッチングした断面を走査型電子顕微鏡(カール ツァイスNTS社製ULTRA55)を用いて、加速電圧:1kV、WD:2.5mmでIn−Lens像を撮影すると、Cuと金属間化合物層の界面に沿って層状に分散した白いコンラストが得られた。また同条件にてESB像を撮影すると、前記箇所はAlより暗いコントラストになっていた。さらにEDS分析から前記箇所に酸素が濃集していた。以上のことからCuと金属間化合物層との界面には、酸化物が、前記界面に沿って層状に分散していることを確認した。
なお、平均結晶粒径の測定及び酸化物の測定は、金属層と接合材の接合界面にて行った。
(Measurement of average crystal grain size)
After performing cross-section polisher (SM-09010 manufactured by JEOL Ltd.), ion etching is performed on the cross-section of the obtained laminated plate with an ion acceleration voltage of 5 kV, a processing time of 14 hours, and a protrusion amount from the shielding plate of 100 μm. The average crystal grain size of the copper plate and the aluminum plate in the vicinity of the bonding interface was measured. The average crystal grain size was measured according to the cutting method described in JIS H 0501.
(Measurement method of oxide)
Using a cross section polisher (SM-09010, manufactured by JEOL Ltd.), a scanning electron microscope (Carl Zeiss) was used for the ion-etched section with an ion acceleration voltage of 5 kV, a processing time of 14 hours, and a protrusion amount from the shielding plate of 100 μm. When an In-Lens image was taken with an acceleration voltage of 1 kV and a WD of 2.5 mm using an NTTRA ULTRA 55), a white contrast dispersed in layers along the interface between Cu and the intermetallic compound layer was obtained. Further, when an ESB image was taken under the same conditions, the location was darker than Al. Furthermore, oxygen was concentrated in the said location from EDS analysis. From the above, it was confirmed that the oxide was dispersed in a layered manner along the interface at the interface between Cu and the intermetallic compound layer.
The average crystal grain size and the oxide were measured at the bonding interface between the metal layer and the bonding material.

(ヒートサイクル試験)
ヒートサイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製TSB−51を使用し、試験片(ヒートシンク付パワーモジュール)に対して、液相(フロリナート)で、−40℃×5分←→125℃×5分の3000サイクル実施した。
そして、ヒートサイクル試験前のヒートシンク付パワーモジュールの熱抵抗(初期の熱抵抗)、及びヒートサイクル試験後のヒートシンク付パワーモジュールの熱抵抗を測定した。
(Heat cycle test)
The heat cycle test uses TSB-51 manufactured by Espec Co., Ltd., and the test piece (power module with heat sink) is in a liquid phase (−40 ° C. × 5 minutes ← → 125 ° C. × 5). 3000 cycles of minutes were performed.
And the thermal resistance (initial thermal resistance) of the power module with a heat sink before a heat cycle test and the thermal resistance of the power module with a heat sink after a heat cycle test were measured.

(熱抵抗評価)
熱抵抗は、次のようにして測定した。半導体素子として、ヒータチップを用い、ヒータチップを100Wの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、ヒートシンクを流通する冷却媒体(エチレングリコール:水=9:1)の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
上記の評価の結果を表1に示す。
(Thermal resistance evaluation)
The thermal resistance was measured as follows. A heater chip was used as a semiconductor element, the heater chip was heated with 100 W of power, and the temperature of the heater chip was measured using a thermocouple. Further, the temperature of the cooling medium (ethylene glycol: water = 9: 1) flowing through the heat sink was measured. And the value which divided the temperature difference of a heater chip | tip and the temperature of a cooling medium with electric power was made into thermal resistance.
The results of the above evaluation are shown in Table 1.

発明例1〜4では、初期の熱抵抗が低く、ヒートサイクル試験後の熱抵抗の上昇も小さく、高い信頼性を有するヒートシンク付パワーモジュールであることが確認できた。
従来例1では、初期の熱抵抗は低いが、ヒートサイクル試験においてはんだにクラックが生じ、ヒートサイクル試験後の熱抵抗の上昇が大きくなった。
従来例2では、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをろう付けで接合する際に反りが生じて、接合部にクラックが発生し、初期の熱抵抗が大きくなった。また、ヒートサイクル試験後の熱抵抗の上昇も大きかった。
In Invention Examples 1 to 4, it was confirmed that the power module with a heat sink had a low initial thermal resistance, a small increase in thermal resistance after the heat cycle test, and high reliability.
In Conventional Example 1, the initial thermal resistance was low, but cracks occurred in the solder in the heat cycle test, and the increase in thermal resistance after the heat cycle test was large.
In Conventional Example 2, warpage occurred when the power module substrate and the heat sink were joined by brazing, cracks were generated at the joint, and the initial thermal resistance was increased. Also, the increase in thermal resistance after the heat cycle test was large.

1 ヒートシンク付パワーモジュール
3 半導体素子
10 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
12 回路層
13 金属層
30 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
31 ヒートシンク
40 銅層
41 第一拡散層(拡散層)
42 第二拡散層(拡散層)
46 酸化物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power module 3 with a heat sink Semiconductor element 10 Power module substrate 11 Ceramic substrate 12 Circuit layer 13 Metal layer 30 Power module substrate with heat sink 31 Heat sink 40 Copper layer 41 First diffusion layer (diffusion layer)
42 Second diffusion layer (diffusion layer)
46 Oxide

Claims (7)

  1. 絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、前記絶縁層の他方の面側に配設されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
    前記金属層及び前記ヒートシンクはAl又はAl合金で構成され、
    前記金属層と前記ヒートシンクとの間に、Cu又はCu合金で構成された接合材からなる銅層が形成されており、
    前記金属層及び前記ヒートシンクが、前記銅層と固相拡散接合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。
    An insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, a heat sink disposed on the other surface side of the insulating layer, A power module substrate with a heat sink comprising:
    The metal layer and the heat sink are made of Al or Al alloy,
    Between the metal layer and the heat sink, a copper layer made of a bonding material composed of Cu or Cu alloy is formed,
    A substrate for a power module with a heat sink, wherein the metal layer and the heat sink are solid-phase diffusion bonded to the copper layer.
  2. 前記金属層と前記銅層の接合界面、及び前記ヒートシンクと前記銅層の接合界面には、AlとCuからなる拡散層が形成されており、
    前記拡散層は、複数の金属間化合物が前記接合界面に沿って積層した構造とされ、
    前記拡散層と前記銅層との接合界面には、酸化物が、前記接合界面に沿って層状に分散していることを特徴とする請求項1に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
    A diffusion layer made of Al and Cu is formed at the bonding interface between the metal layer and the copper layer and the bonding interface between the heat sink and the copper layer.
    The diffusion layer has a structure in which a plurality of intermetallic compounds are laminated along the bonding interface,
    2. The power module substrate with a heat sink according to claim 1, wherein an oxide is dispersed in a layered manner along the bonding interface at a bonding interface between the diffusion layer and the copper layer.
  3. 前記銅層の平均結晶粒径が50μm以上200μm以下の範囲内とされ、前記金属層の平均結晶粒径が500μm以上とされていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。   The heat sink according to claim 1 or 2, wherein an average crystal grain size of the copper layer is in a range of 50 µm or more and 200 µm or less, and an average crystal grain size of the metal layer is 500 µm or more. Power module board.
  4. 前記接合材の厚さは、0.05mm以上3.0mm以下とされていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。   4. The power module substrate with a heat sink according to claim 1, wherein a thickness of the bonding material is 0.05 mm or more and 3.0 mm or less. 5.
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層の一方側に接合された半導体素子と、を備え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。   A power module with a heat sink, comprising: the power module substrate with a heat sink according to any one of claims 1 to 4; and a semiconductor element bonded to one side of the circuit layer. .
  6. 絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、前記絶縁層の他方の面側に配設されたヒートシンクと、を備えた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、
    前記絶縁層の他方の面に、Al又はAl合金で構成された金属層を形成する金属層形成工程と、
    前記絶縁層の他方の面側に、Cu又はCu合金で構成された接合材を介在させて、Al又はAl合金で構成されたヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を備え、
    前記ヒートシンク接合工程において、前記金属層と前記接合材、及び前記ヒートシンクと前記接合材、とを固相拡散接合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。
    An insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, a heat sink disposed on the other surface side of the insulating layer, A method for manufacturing a power module substrate with a heat sink comprising:
    A metal layer forming step of forming a metal layer composed of Al or an Al alloy on the other surface of the insulating layer;
    A heat sink joining step for joining a heat sink made of Al or Al alloy with a bonding material made of Cu or Cu alloy interposed on the other surface side of the insulating layer, and
    In the heat sink bonding step, the metal layer and the bonding material, and the heat sink and the bonding material are solid-phase diffusion bonded, and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink.
  7. 前記ヒートシンク接合工程において、
    前記金属層と前記ヒートシンクに対して、3kgf/cm以上35kgf/cm以下の荷重を負荷した状態で、400℃以上548℃未満で保持することにより、前記金属層と前記接合材、及び前記ヒートシンクと前記接合材とを固相拡散接合することを特徴とする請求項6に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
    In the heat sink joining step,
    With respect to the heat sink and the metal layer in a state loaded with 3 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less of a load, by holding less than 400 ° C. or higher 548 ° C., the bonding material and the metal layer, and wherein The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to claim 6, wherein the heat sink and the bonding material are solid phase diffusion bonded.
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