JP2015185707A - Method of manufacturing substrate for power module with heat sink - Google Patents
Method of manufacturing substrate for power module with heat sink Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015185707A JP2015185707A JP2014061215A JP2014061215A JP2015185707A JP 2015185707 A JP2015185707 A JP 2015185707A JP 2014061215 A JP2014061215 A JP 2014061215A JP 2014061215 A JP2014061215 A JP 2014061215A JP 2015185707 A JP2015185707 A JP 2015185707A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- heat sink
- power module
- metal layer
- aluminum
- aluminum plate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Description
この発明は、セラミックス基板と該セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層とを有するパワーモジュール用基板と、前記金属層とフラックスを用いて接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクと、を備えた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 uses a power module substrate having a ceramic substrate, a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate, and a metal layer formed on the other surface of the ceramic substrate, and the metal layer and flux. The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, comprising a heat sink made of aluminum or an aluminum alloy joined together.
各種の半導体素子のうち、例えば、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は、電流値が高いために発熱量が多い。こうした大電力制御用のパワー素子を搭載するパワーモジュール用基板は、発熱による誤動作などを防止するために、適切に冷却を行う必要がある。このため、パワーモジュール用基板に放熱、冷却用のヒートシンクを備えたヒートシンク付パワーモジュール基板が用いられている。 Among various semiconductor elements, for example, a power element for high power control used for controlling an electric vehicle or an electric vehicle has a high current value, and therefore generates a large amount of heat. A power module substrate on which such a power element for high power control is mounted needs to be appropriately cooled in order to prevent malfunction due to heat generation. For this reason, a power module substrate with a heat sink provided with a heat sink for heat dissipation and cooling is used on the power module substrate.
ヒートシンク付パワーモジュール用基板としては、例えば特許文献1に記載されているように、AlN(窒化アルミニウム)からなるセラミックス基板の一方の面、および他方の面にアルミニウム板(回路層及び金属層)が接合されたパワーモジュール用基板とAlからなるヒートシンクとが、ろう付けによって接合されたものが提案されている。 As a power module substrate with a heat sink, for example, as described in Patent Document 1, an aluminum plate (circuit layer and metal layer) is provided on one surface of a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride) and the other surface. There has been proposed a structure in which a bonded power module substrate and a heat sink made of Al are bonded by brazing.
また、例えば特許文献2に示す半導体モジュールの冷却装置においては、セラミックス材からなる絶縁基板の両面にAlからなる金属板(上部電極及び下部電極)が接合されており、上部電極に半導体素子が接合された半導体モジュールと、アルミニウムからなる冷却器の天板とがフラックスを用いたろう付けによって接合されたもの、が提案されている。
For example, in the semiconductor module cooling apparatus disclosed in
ここで、フラックスを用いたろう付けとしては、KAlF4を主成分とするフラックスを用いたノコロックろう付けがある。このノコロックろう付けは、主に、アルミニウム板同士を接合する技術であり、例えばAl−Si系ろう材箔とKAlF4を主成分とするフラックスとを、アルミニウム板同士の間に配置し、このフラックスによってアルミニウム板の表面に形成された酸化膜を除去するとともに、ろう材の溶融を促進して、接合するものである。 Here, as the brazing using the flux, there is nocollock brazing using the flux mainly composed of KAlF 4 . This Nocolok brazing is a technique mainly for joining aluminum plates. For example, an Al—Si brazing foil and a flux mainly composed of KAlF 4 are disposed between aluminum plates, and this flux is used. Thus, the oxide film formed on the surface of the aluminum plate is removed, and the melting of the brazing material is promoted for bonding.
しかしながら、パワーモジュール用基板とヒートシンクをノコロックろう付けで接合する際に、フラックス成分であるKAlF4がパワーモジュール用基板のセラミックス基板とアルミニウム板との接合面に侵入し、セラミックス基板とアルミニウム板との間の接合信頼性を低下させる懸念があった。 However, when the power module substrate and the heat sink are joined by Noclock brazing, KAlF 4 which is a flux component enters the joining surface between the ceramic substrate and the aluminum plate of the power module substrate, and the ceramic substrate and the aluminum plate There was a concern of reducing the bonding reliability between the two.
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、フラックスを用いてパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際に、セラミックス基板と金属層との剥離を防止することが可能な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 circumstances described above, and is capable of preventing the ceramic substrate and the metal layer from being peeled off when the power module substrate and the heat sink are bonded using a flux. It aims at providing the manufacturing method of the board | substrate for power modules with an attachment.
上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、以下のような知見を得た。パワーモジュール用基板において、ヒートシンクが接合される金属層にCe及びLaなどの不純物が含有されている場合、セラミックス基板と金属板を接合する時にこれらCe及びLaがセラミックス基板と金属層との接合界面に凝集する。そして、セラミックス基板と金属層との接合界面にCe及びLaが凝集した状態で、ヒートシンクをフラックスを用いたろう付けで接合すると、セラミックス基板と金属層との接合界面にフラックスが侵入し、剥離が生じやすくなる。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have made extensive studies and as a result, obtained the following knowledge. In the power module substrate, when the metal layer to which the heat sink is bonded contains impurities such as Ce and La, when the ceramic substrate and the metal plate are bonded, these Ce and La are bonded to the ceramic substrate and the metal layer. Aggregate. Then, when Ce and La are aggregated at the bonding interface between the ceramic substrate and the metal layer and the heat sink is bonded by brazing using a flux, the flux enters the bonding interface between the ceramic substrate and the metal layer, and peeling occurs. It becomes easy.
本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであって、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層とを有するパワーモジュール用基板、および前記金属層に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンク、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、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板を非酸化雰囲気中で630℃以上、660℃以下の温度範囲で熱処理し、不純物を表面に析出させる熱処理工程と、前記不純物を前記アルミニウム板の表面から除去する不純物除去工程と、前記アルミニウム板を前記セラミックス基板の他方の面に接合し金属層を形成するアルミニウム板接合工程と、前記金属層と前記ヒートシンクとを、フラックスを用いて接合するヒートシンク接合工程と、を順に備えたことを特徴とする。 The present invention has been made based on the above knowledge, the manufacturing method of a power module substrate with a heat sink of the present invention is a ceramic substrate, a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate, A power module substrate having a metal layer formed on the other surface of the ceramic substrate, and a heat module substrate with a heat sink comprising a heat sink made of aluminum or an aluminum alloy bonded to the metal layer. A heat treatment step in which an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy is heat-treated in a non-oxidizing atmosphere in a temperature range of 630 ° C. or more and 660 ° C. or less, and impurities are deposited on the surface; Removing impurities and removing the aluminum plate from the ceramic And the aluminum plate bonding step of forming a metal layer bonded to the other surface of the substrate, and the said metal layer heat sink, characterized by comprising a heat sink bonding step of bonding using a flux, in this order.
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、金属層を形成するためのするアルミニウム板に含まれる不純物を熱処理工程によって表面近傍に析出させ、更にこの不純物を不純物除去工程によって除去した。こうした前処理を行ったアルミニウム板をセラミックス基板に接合し金属層を形成することによって、金属層とヒートシンクとをフラックスを用いて接合しても、金属層とセラミックス基板との接合界面に不純物が凝集することが抑制され、フラックス侵入時の金属層とセラミックス基板との剥離を抑制したヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することが可能になる。
ここで、熱処理の温度を630℃未満の場合、アルミニウム板に含まれる不純物を表面に析出させることができない。また、熱処理の温度が660℃を超えるとアルミニウム板が溶融する虞がある。よって、熱処理の温度を630℃以上660℃以下の範囲内としている。
According to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention, impurities contained in an aluminum plate for forming a metal layer are deposited in the vicinity of the surface by a heat treatment process, and further, the impurities are removed by an impurity removal process. . By joining the pre-treated aluminum plate to the ceramic substrate to form a metal layer, impurities are agglomerated at the bonding interface between the metal layer and the ceramic substrate even if the metal layer and the heat sink are bonded using a flux. Therefore, it is possible to manufacture a power module substrate with a heat sink that suppresses peeling between the metal layer and the ceramic substrate when the flux enters.
Here, when the temperature of the heat treatment is less than 630 ° C., impurities contained in the aluminum plate cannot be deposited on the surface. Moreover, when the temperature of heat processing exceeds 660 degreeC, there exists a possibility that an aluminum plate may fuse | melt. Therefore, the heat treatment temperature is set in the range of 630 ° C. or more and 660 ° C. or less.
本発明によれば、前記不純物除去工程は、エッチングによって前記不純物を除去する工程であることが好ましい。
アルミニウム表層をエッチングすることによって、熱処理工程で析出させた不純物をアルミニウム板の表面近傍に残存させることなく確実に除去することが可能になる。
According to the present invention, the impurity removal step is preferably a step of removing the impurities by etching.
By etching the aluminum surface layer, impurities deposited in the heat treatment step can be reliably removed without remaining in the vicinity of the surface of the aluminum plate.
本発明によれば、前記アルミニウム板は、Alの純度が99.99質量%以上のものを用いることが好ましい。
アルミニウム板として、純度が99.99質量%以上のAlを用いることによって、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差による熱ひずみを金属層で十分に吸収することができ、セラミックス基板の破損を抑制することができる。
According to the present invention, the aluminum plate preferably has an Al purity of 99.99% by mass or more.
By using Al with a purity of 99.99% by mass or more as the aluminum plate, the thermal strain due to the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink and the ceramic substrate can be sufficiently absorbed by the metal layer, and the ceramic substrate can be damaged. Can be suppressed.
本発明によれば、前記回路層は、前記不純物が除去された前記アルミニウム板を用いて形成されることが好ましい。
これによって、不純物が除去されたアルミニウム板を用いて回路層を形成することで回路層とセラミックス基板との接合界面に不純物が凝集することが抑制され、フラックス侵入時の剥離を抑制できる。よって、回路層とセラミックス基板とを強固に接合することが可能になる。
According to the present invention, it is preferable that the circuit layer is formed using the aluminum plate from which the impurities are removed.
Thus, by forming the circuit layer using the aluminum plate from which the impurities have been removed, the aggregation of impurities at the bonding interface between the circuit layer and the ceramic substrate is suppressed, and peeling at the time of flux entry can be suppressed. Therefore, it is possible to firmly bond the circuit layer and the ceramic substrate.
本発明によれば、前記熱処理工程における加熱時間は、12分以上、180分以下であることが好ましい。
熱処理工程における加熱時間を12分以上にすることよって、アルミニウム板の内部に存在する不純物を十分に表面近傍に析出させることができる。また、加熱時間を180分以下にすることよって、過度な加熱によるアルミニウム板の変形を防止することができる。
According to the present invention, the heating time in the heat treatment step is preferably 12 minutes or more and 180 minutes or less.
By setting the heating time in the heat treatment step to 12 minutes or more, impurities existing inside the aluminum plate can be sufficiently precipitated in the vicinity of the surface. Moreover, the deformation of the aluminum plate due to excessive heating can be prevented by setting the heating time to 180 minutes or less.
本発明によれば、前記不純物除去工程において除去する不純物は、少なくともCe、Laを含むことが好ましい。
アルミニウム板にCe、Laが含まれると、セラミックス基板と金属層との間にフラックスが侵入した際に、セラミックス基板と金属層とを剥離させる原因となりうる。アルミニウム板から除去する不純物として、少なくともCe、Laを含むことで、アルミニウム板とセラミックス基板を接合する際に、アルミニウム板(金属層)とセラミックス基板との接合界面にCe、Laが凝集することが抑制され、金属層とヒートシンクをフラックスを用いて接合した際に、フラックスが金属層とセラミックス基板の接合界面に侵入したとしても金属層とセラミックス基板との剥離を抑制したヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することが可能になる。
According to the present invention, it is preferable that the impurities to be removed in the impurity removal step include at least Ce and La.
When Ce and La are contained in the aluminum plate, when the flux enters between the ceramic substrate and the metal layer, it may cause the ceramic substrate and the metal layer to peel off. By including at least Ce and La as impurities to be removed from the aluminum plate, Ce and La may aggregate at the bonding interface between the aluminum plate (metal layer) and the ceramic substrate when the aluminum plate and the ceramic substrate are bonded. A power module substrate with a heat sink that suppresses separation between the metal layer and the ceramic substrate even if the flux enters the bonding interface between the metal layer and the ceramic substrate when the metal layer and the heat sink are bonded using a flux. It becomes possible to manufacture.
本発明によれば、前記不純物除去工程において除去する不純物は、更にPを含むことが好ましい。
アルミニウム板に含まれるPも、セラミックス基板と金属層との間にフラックスが侵入した際に、セラミックス基板と金属層とを剥離させる原因となりうる。よって、CeやLaと同様にフラックス成分によってセラミックス基板と金属層との接合を剥離させる懸念があるPを除去することで、セラミックス基板と金属層とをより一層強固に接合することが可能になる。
According to the present invention, it is preferable that the impurities removed in the impurity removal step further include P.
P contained in the aluminum plate can also cause the ceramic substrate and the metal layer to peel off when flux enters between the ceramic substrate and the metal layer. Therefore, it is possible to bond the ceramic substrate and the metal layer more firmly by removing P, which is likely to peel off the bond between the ceramic substrate and the metal layer by the flux component, like Ce and La. .
本発明によれば、フラックスを用いてパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際に、セラミックス基板と金属層との剥離を防止することが可能な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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when joining the power module board | substrate and a heat sink using a flux, the manufacturing method of the power module board | substrate with a heat sink which can prevent peeling with a ceramic substrate and a metal layer is provided. be able to.
以下、図面を参照して、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ついて説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 Hereinafter, with reference to drawings, the manufacturing method of the board for power modules with a heat sink of the present invention is explained. Each embodiment described below is specifically described for better understanding of the gist of the invention, and does not limit the present invention unless otherwise specified. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features of the present invention easier to understand, there is a case where a main part is shown in an enlarged manner for convenience, and the dimensional ratio of each component is the same as the actual one. Not necessarily.
(ヒートシンク付パワーモジュール用基板)
まず、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って得られるヒートシンク付パワーモジュール用基板の構成を、添付した図1を参照して説明する。
図1は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を示す断面図である。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板10は、パワーモジュール用基板11と、このパワーモジュール用基板11に接合されたヒートシンク12とから構成されている。
(Power module substrate with heat sink)
First, a configuration of a power module substrate with a heat sink obtained by the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a power module substrate with a heat sink.
The
パワーモジュール用基板11は、セラミックス基板21と、このセラミックス基板21の一方の面(21a側)に接合された回路層22および他方の面(21b側)に接合された金属層23と、から構成されている。
The
セラミックス基板21と回路層22および金属層23とは、ろう材によって接合されている。このろう材としては、例えば、Al−Si系のろう材によって接合されている。Al−Si系のろう材は、融点が550℃〜620℃程度である。
The
セラミックス基板21は、絶縁性および耐熱性の高いセラミックスからなる基板が好適に用いられる。セラミックス基板21を構成するセラミックスとしては、例えばAlN(窒化アルミニウム)、Al2O3(酸化アルミニウム)、Si3N4(窒化ケイ素)、Zr−Al2O3(ジルコニウム−酸化アルミニウム)などが挙げられる。本実施形態では、セラミックス基板21としてAlNを用いている。こうしたセラミックス板の厚さは、例えば、0.1〜1.0mm程度であればよい。一例として、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
As the
回路層22は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層用アルミニウム板52が接合すされることで形成されている。また、金属層23は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層用アルミニウム板53が接合されることで形成されている。本実施形態においては、これらアルミニウム板は、高純度アルミニウム材料、例えば、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)の圧延板から構成されている。
The
そして、回路層22の一方の面(図1において上面)にははんだ層を介して半導体素子が接合される。そして、金属層23の一方の面(図1において下面)にはシートシンク12がフラックスを用いたろう付けによって接合される。
また、金属層23は、例えば緩衝層として用いられる。緩衝層は、このヒートシンク付パワーモジュール用基板10に冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板21に発生する熱応力をこの緩衝層(金属層23)によって吸収でき、セラミックス基板21に割れが発生することを抑制できる。
A semiconductor element is bonded to one surface (the upper surface in FIG. 1) of the
The
これら回路層22および金属層23のうち、少なくともヒートシンク12と接合される金属層23を形成するための金属層用アルミニウム板53は、少なくとも、Alに含まれる微量元素であるCe(セリウム)及びLa(ランタン)を含む不純物を除去したものが用いられる。このようなアルミニウム板の不純物除去は、製造方法において詳述する。
Of the
こうしたCeやLaなどの不純物は、パワーモジュール用基板11とヒートシンク12とをフラックスを用いて接合する際に、回路層22および金属層23とセラミックス基板21との接合部分を剥離させる原因となりうる。よって、このCeやLaを極めて低濃度になるようにしたものを用い、回路層22および金属層23とセラミックス基板21との接合部分の剥離を抑制させる。
Such impurities such as Ce and La may cause the
なお、回路層22についても、回路層22を形成するためにCe(セリウム)及びLa(ランタン)を含む不純物を除去した回路層用アルミニウム板を用いることが好ましい。
For the
また、金属層23や回路層22を形成するために用いる金属層用アルミニウム板53、回路層用アルミニウム板は、Alに含まれる微量元素であるP(リン)を更に除去したもの用いることが好ましい。こうしたPなどの不純物も、パワーモジュール用基板11とヒートシンク12とをフラックスを用いて接合する際に、回路層22および金属層23とセラミックス基板21との接合部分を剥離させる原因となりうる。よって、このPを極めて低濃度になるようにしたものを用い、回路層22および金属層23とセラミックス基板21との接合部分の剥離を抑制させる。
The metal
ヒートシンク12は、例えば、天板部31と、この天板部31に形成された複数のフィン32,32…から構成されている。フィン32,32…は、互いに所定の間隔をあけて配置された板状部材である。このようなヒートシンク12は、フィン32,32…の間を冷媒である空気が流通することによって、このヒートシンク12に接合されたパワーモジュール用基板11から伝搬する熱を放熱する、いわゆる空冷式のヒートシンク12である。
なお、ヒートシンク12は、例えば、天板部31に例えば冷却水を流通させる複数の流路を一体に形成した、いわゆる水冷式のヒートシンク12であってもよい。
The
The
ヒートシンク12を構成する天板部31やフィン32,32…は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金などから形成されている。具体的には、A3003、A1050、4N−Al、A6063などが挙げられる。本実施形態では、A1050の圧延板を用いた。
The
なお、天板部31とフィン32,32…とは一体の部材として形成された構成であっても、天板部31の下面に複数のフィン32,32…をろう材等で接合した構成であってもよい。天板部31と複数のフィン32,32…とを別部材で構成する場合、天板部31と複数のフィン32,32…とは互いに異なる素材を用いて形成してもよい。
In addition, even if the
このようなヒートシンク12は、パワーモジュール用基板11の金属層23に対して、Al−Si系ろう材と、F(フッ素)を含むフラックス、例えばKAlF4を主成分とするフラックスを用いたノコロックろう付けによって接合されている。
Such a
(ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法)
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ついて、添付した図2、図3、図4を参照して説明する。
図2、図3、図4は、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を段階的に示した断面図である。
(Method for manufacturing power module substrate with heat sink)
A method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention will be described with reference to FIG. 2, FIG. 3, and FIG.
2, 3 and 4 are cross-sectional views showing a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention step by step.
セラミックス基板21の一方の面21aおよび他方の面21bに接合される回路層22、金属層23を形成するための回路層用アルミニウム板52及び金属層用アルミニウム板53(両アルミニウム板51)を用意する。まず、両アルミニウム板51を加熱処理する(加熱処理工程)。両アルミニウム板51は、純度99%以上のアルミニウム材料、純度99.9%以上のアルミニウム材料、純度99.99%以上のアルミニウム材料を用いることができる。厚さは0.2mm〜2.5mmに設定されている。本実施形態では純度が99.99質量%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板を用い、回路層用アルミニウム52は厚さ0.5mm、金属層用アルミニウム53は厚さ1.5mmのものを用いている。
Prepared are a
図2(a)に示すように、加熱処理工程では、非酸化雰囲気、例えば、真空中や窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気にした加熱炉50を用いて、両アルミニウム板51を、630℃以上、660℃以下の温度範囲で加熱する。本実施形態では、加熱炉42として真空加熱炉を用い、両アルミニウム板51を加熱している。
As shown in FIG. 2A, in the heat treatment step, both
また、加熱処理工程における保持時間は、12分以上180分以下とすることができる。 The holding time in the heat treatment step can be 12 minutes or more and 180 minutes or less.
こうした加熱処理工程によって、両アルミニウム板51の全体に分散して存在している不純物、例えばCe、La、Pを両アルミニウム板51の表層付近に析出させることができる。即ち、両アルミニウム板51の加熱によってこれらCe、La、Pの移動性が高まり、両アルミニウム板51の内部に存在するこれらCe、La、Pが両アルミニウム板51の表層に向けて移動し、表層近傍に析出するものと考えられる。
By such a heat treatment process, impurities, such as Ce, La, and P, dispersed in the
次に、加熱処理工程で両アルミニウム板51の表層近傍に析出させた、Ce、La、Pを含む不純物を両アルミニウム板51の表面近傍から除去する(不純物除去工程)。図2(b)に示すように、不純物除去工程では、加熱処理工程を経た両アルミニウム板51をエッチング液53に浸漬する。エッチング液53としては、アルカリ金属の水酸化物、本実施形態ではNaOH(水酸化ナトリウム)の水溶液を用いている。NaOH水溶液のNaOH濃度は、例えば2〜10質量%の範囲であればよく、本実施形態では5重量%としている。また、エッチング液53の液温としては、例えば室温ないし70℃以下の範囲であればよく、本実施形態ではエッチング液53の液温を50℃としている。
Next, impurities including Ce, La, and P deposited in the vicinity of the surface layers of both
両アルミニウム板51をエッチング液53に浸漬する際には、エッチング液53は静止された状態、または、所定の流速で撹拌された状態のいずれでもよい。
両アルミニウム板51をエッチング液53に浸漬する時間(エッチング時間)は、例えば30秒から5分の範囲であればよく、本実施形態においてはエッチング時間を80秒としている。
When both the
The time (etching time) for immersing both
このような不純物除去工程によって、両アルミニウム板51の表面から所定の深さまでの範囲がエッチング液53によって除去される。これによって、加熱処理工程で両アルミニウム板51の表面に析出させたCe、La、Pを含む不純物も、エッチング液53によって除去される。
By such an impurity removal step, the range from the surfaces of both
なお、この不純物除去工程では、上述したようにNaOHなどのエッチング液53によって両アルミニウム板51の表面領域を一律に除去する以外にも、例えば、不純物を選択的に溶解可能なエッチング液を用いて、両アルミニウム板51の表面から不純物だけを選択的に溶解させることも好ましい。
In this impurity removal step, in addition to removing the surface regions of both
不純物除去工程では、両アルミニウム板51をエッチング液53によってエッチングした後、純水54で水洗してから、更に酸洗液55によって酸洗することが好ましい。酸洗液55としては、無機酸溶液、本実施形態ではHNO3(硝酸)用いている。HNO3の濃度は、例えば30質量%程度のものを用いている。また、酸洗液55の液温としては、例えば室温(20℃)としている。
In the impurity removal step, it is preferable that both the
両アルミニウム板51を酸洗液55に浸漬する際には、エッチング液53は静止された状態、または、所定の流速で撹拌された状態のいずれでもよい。
両アルミニウム板51を酸洗液55で酸洗する時間は、例えば20秒程度であればよい。
不純物除去工程において、両アルミニウム板51のエッチング後に上述した酸洗を行うことによって、水洗だけを行う場合よりもエッチング後の残渣を確実に溶解して除去することができる。
When both the
The time for pickling both the
In the impurity removal step, by performing the above-described pickling after etching both the
こうした両アルミニウム板51の酸洗後に、再度両アルミニウム板51を純水54で水洗して酸洗液55を洗い流し、不純物除去工程が完了する。
以上のようにして得られる不純物除去後の両アルミニウム板51は、Ce、La、Pといった不純物が極めて低濃度にしか存在しない。一例として、不純物除去後の両アルミニウム板51は、CeとLaの合計濃度が2.6ppm以下、Pの濃度が4ppm以下である。
After pickling both the
Both the
加熱処理工程および不純物除去工程によって得られたCe、La、Pといった不純物が除去された両アルミニウム板51を、それぞれ回路層22および金属層23を形成するために用いる。図3(a)に示すように、セラミックス基板21の一方の面(21a側)に、回路層用アルミニウム板52が、ろう材箔41を介して積層される。また、セラミックス基板21の他方の面(21b側)に、金属層用アルミニウム板53が、ろう材箔41を介して積層される。セラミックス基板21としては、AlNが用いられる。また、ろう材箔41としては、Al−5.0mass%Si〜Al−10mass%Siろう材が用いられる。ろう材箔41の厚さは10μm〜30μmの範囲内に設定される。本実施形態では、ろう材箔41として厚さ15μmのAl−7mass%Siろう材箔を用いた。
Both
次に、図3(b)に示すように、回路層用アルミニウム板52、セラミックス基板21、金属層用アルミニウム板53を積層方向に加圧(圧力1〜5kgf/cm2)した状態で真空加熱炉40内に導入し、ろう材箔41の溶融温度まで加熱する。すると、ろう材箔41と回路層用アルミニウム板52、金属層用アルミニウム板53の一部とが溶融し、セラミックス基板21の一方の面(21a側)に回路層22が、また、セラミックス基板21の他方の面(21b側)に金属層23が、それぞれ形成される(アルミニウム板接合工程)。なお、真空加熱時の加熱温度は、例えば550℃以上650℃以下、加熱時間は30分以上180分以下とされている。本実施形態では630℃で90分の条件で加熱した。
Next, as shown in FIG. 3B, vacuum heating is performed in a state where the circuit
以上の工程によって、図3(c)に示すように、セラミックス基板21の一方の面(21a側)に回路層22が、また、セラミックス基板21の他方の面(21b側)に金属層23が、それぞれAl−Si系ろう材によって接合されたパワーモジュール用基板11が得られる。
3C, the
次に、図4(a)に示すように、パワーモジュール用基板11の金属層23に、ヒートシンク12を接合する(ヒートシンク接合工程)。
具体的には、パワーモジュール用基板11の金属層23と、ヒートシンク12の天板部31との間に、Al−Si系ろう材箔42と、フッ化物、例えばKAlF4、を主成分とするフラックス43とを介在させる。Al−Si系ろう材箔42としては、Al−10mass%Si〜Al−12mass%Siろう材が用いられる。ろう材箔42の厚さは30μm〜150μmの範囲内に設定される。本実施形態では、ろう材箔42として厚さ100μmのAl−10mass%Siろう材箔を用いた。
Next, as shown in FIG. 4A, the
Specifically, between the
次に、積層されたパワーモジュール用基板11、ヒートシンク12を、加熱炉44内に導入して加熱する。本実施形態では、加熱炉44内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は610〜625℃に設定されている。本実施形態においては、温度625℃5分の条件とした。
Next, the stacked
加熱炉44での加熱時に、フラックス43によって、金属層23の表面や、ヒートシンク12の天板部31の表面に形成されているAlの自然酸化膜が除去される。そして、ろう材箔42と金属層23の一部とが溶融し、パワーモジュール用基板11の金属層23と、ヒートシンク12とが、自然酸化膜を除去された状態で強固に接合される。
During heating in the
このような、パワーモジュール用基板11とヒートシンク12との接合時に、フラックス成分が液化、気化して、セラミックス基板21側へと移動することがある。しかしながら、回路層22及び金属層23が、前工程の加熱処理工程および不純物除去工程によって、Ce、La、Pなどの不純物が除去され、これらCe、La、Pが極めて低濃度であるアルミニウム板を用いて形成されているので、金属層23とヒートシンクの天板部31との接合時にフラックス成分がセラミックス基板21と金属層23との接合界面やセラミックス基板21と回路層22との接合界面に侵入しても、前工程でAl−Si系ろう材によって接合されているセラミックス基板21と回路層22、およびセラミックス基板21と金属層23とが剥離することを抑制できる。
At the time of joining the
以上の工程を経て、図4(b)に示すように、セラミックス基板21と回路層22や金属層23が強固に接合されたパワーモジュール用基板11を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板10を製造することができる。
Through the above-described steps, as shown in FIG. 4B, the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
本実施形態では、回路層用アルミニウム板52及び金属層用アルミニウム板53の両方に対し加熱処理工程及び不純物除去工程を施したが、回路層用アルミニウム板52に対しては必ずしも加熱処理工程及び不純物除去工程を適用する必要はない。フラックスの侵入は、セラミックス基板と金属層との接合界面への侵入が最も多いため、金属層用アルミニウム板53のみを上述した処理を行うことで、本発明の効果を得ることができる。
例えば、上述したように化学的にアルミニウム板51の表面を溶解させる以外にも、両アルミニウム板51の表面を物理的に研削、研磨することによって、加熱処理工程で両アルミニウム板51の表面に析出させたCe、La、Pを含む不純物を除去することもできる。
また、フラックスの成分は、KAlF4に限定されるものでは無く、アルミニウム板の自然酸化膜を除去するために有効なフラックスであれば好ましく利用できる。
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.
In this embodiment, the heat treatment step and the impurity removal step are performed on both the circuit
For example, in addition to chemically dissolving the surfaces of the
Further, the flux component is not limited to KAlF 4 , and any flux that is effective for removing the natural oxide film on the aluminum plate can be preferably used.
以下、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の効果を検証した実施例の結果を記載する。
まず、本発明例1−5と比較例1−3のサンプルを作成した。まず、パワーモジュール用基板の金属層を形成するアルミニウム板を用意した。アルミニウム板は、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)の厚さ1.5mmの圧延板とした。このアルミニウム板を用いて、表1記載の温度で熱処理工程を実施した。熱処理工程は真空中で60分行った。
次に、熱処理工程を実施したアルミニウム板に対しエッチングによって不純物除去工程を実施した。エッチング液としてNaOH5%水溶液を用い、液温50℃として表1記載の時間浸漬し、エッチング処理をした。その後、上記実施形態に記載した酸洗及び水洗を行った。なお、比較例1は熱処理工程及び不純物除去工程を実施しなかった。比較例3では不純物除去工程を実施しなかった。
Hereinafter, the result of the Example which verified the effect of the board | substrate for power modules with a heat sink of this invention is described.
First, samples of Invention Example 1-5 and Comparative Example 1-3 were prepared. First, an aluminum plate for forming the metal layer of the power module substrate was prepared. The aluminum plate was a rolled plate of aluminum having a purity of 99.99% by mass or more (so-called 4N aluminum) with a thickness of 1.5 mm. Using this aluminum plate, a heat treatment step was performed at the temperature shown in Table 1. The heat treatment process was performed in vacuum for 60 minutes.
Next, the impurity removal process was implemented by the etching with respect to the aluminum plate which performed the heat processing process. A 5% NaOH aqueous solution was used as an etching solution, and the solution temperature was 50 ° C. and immersion was performed for the time shown in Table 1 for etching treatment. Thereafter, pickling and water washing described in the above embodiment were performed. In Comparative Example 1, the heat treatment process and the impurity removal process were not performed. In Comparative Example 3, the impurity removal step was not performed.
次に、AlNからなるセラミックス基板の一方の面にAl−Si系ろう材を介して回路層用アルミニウム板(純度99.99%以上、厚さ0.5mm)を積層し、他方の面に金属層用アルミニウム板として本発明例1−5と比較例1−3の各アルミニウム板をAl−Si系ろう材を介して積層し、積層方向に加圧しながら640℃で接合し、パワーモジュール用基板を作成した。
そして、これらパワーモジュール用基板のそれぞれ金属層に、Al−Si系ろう材およびろう材箔の両面にKAlF4を主成分とするフラックスを介してヒートシンクを積層し、ノコロックろう付けした。ヒートシンクとしては、A1050のアルミニウム板を用いた。
Next, an aluminum plate for a circuit layer (purity 99.99% or more, thickness 0.5 mm) is laminated on one surface of a ceramic substrate made of AlN via an Al—Si brazing material, and metal is deposited on the other surface. Each aluminum plate of Invention Example 1-5 and Comparative Example 1-3 was laminated as an aluminum plate for layers through an Al—Si brazing material, and joined at 640 ° C. while pressing in the laminating direction, and a power module substrate It was created.
Then, a heat sink was laminated on each of the metal layers of these power module substrates on both surfaces of the Al—Si brazing material and the brazing material foil via a flux containing KAlF 4 as a main component, and Noclock brazing was performed. As the heat sink, an A1050 aluminum plate was used.
このようにして得られた、本発明例1−5と比較例1−3のヒートシンク付パワーモジュール用基板について、金属層とヒートシンクとの接合面の剥離率を評価した。 With respect to the power module substrate with a heat sink of Invention Examples 1-5 and Comparative Example 1-3 obtained in this manner, the peeling rate of the joint surface between the metal layer and the heat sink was evaluated.
「剥離率」の評価は、超音波深傷装置を用いてセラミックス基板と金属層との接合部を評価したもので、剥離率=剥離面積/接合面積×100の式から算出した。
ここで、剥離面積は、接合面を撮影した超音波深傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を測定したものである。また、接合面積は、接合前における接合すべき面積である金属層の接合面の面積とした。
剥離率が3%以上のものは×、剥離率が2%以上3%未満のものは○、2%未満のものは◎と評価した。
評価結果を表1に示す。
The “peeling rate” was evaluated by evaluating the joint between the ceramic substrate and the metal layer using an ultrasonic deep flaw device, and was calculated from the formula: peeling rate = peeling area / joining area × 100.
Here, the peeled area is obtained by measuring the area of the white portion because peeling is indicated by a white portion in the joined portion in an ultrasonic deep wound image obtained by photographing the joint surface. The bonding area was the area of the bonding surface of the metal layer, which is the area to be bonded before bonding.
Those having a peel rate of 3% or more were evaluated as x, those having a peel rate of 2% or more and less than 3% were evaluated as ◯, and those having a peel rate of less than 2% were evaluated as ◎.
The evaluation results are shown in Table 1.
熱処理と不純物除去を行わなかった比較例1、熱処理温度が630℃未満であった比較例2及び不純物除去を行わなかった比較例3では、剥離率が3%以上であり、製品としては好ましくない状態であった。 In Comparative Example 1 in which heat treatment and impurity removal were not performed, in Comparative Example 2 in which the heat treatment temperature was less than 630 ° C., and in Comparative Example 3 in which impurity removal was not performed, the peel rate was 3% or more, which is not preferable as a product. It was in a state.
630℃以上、660℃以下の温度範囲で熱処理を行い、エッチングによって不純物除去を行った本発明例1−5のアルミニウム板を用いて金属層を形成したヒートシンク付パワーモジュール用基板は、剥離率が3%未満であり、金属層とヒートシンクの剥離が抑制されていることが確認された。特に、エッチング時間を80秒とした本発明例1−4のアルミニウムを用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板は、剥離率が2%未満とすることが可能であった。 A substrate for a power module with a heat sink, in which a metal layer is formed using the aluminum plate of Invention Example 1-5, in which impurities are removed by etching after heat treatment in a temperature range of 630 ° C. or more and 660 ° C. or less, has a peeling rate. It was less than 3%, and it was confirmed that peeling of the metal layer and the heat sink was suppressed. In particular, the power module substrate with a heat sink using the aluminum of Invention Example 1-4 having an etching time of 80 seconds could have a peeling rate of less than 2%.
10 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
11 パワーモジュール用基板
12 ヒートシンク
21 セラミックス基板
22 回路層
23 金属層
51 アルミニウム板
DESCRIPTION OF
Claims (7)
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板を非酸化雰囲気中で630℃以上、660℃以下の温度範囲で熱処理し、不純物を表面に析出させる熱処理工程と、
前記不純物を前記アルミニウム板の表面から除去する不純物除去工程と、
前記アルミニウム板を前記セラミックス基板の他方の面に接合し、金属層を形成するアルミニウム板接合工程と、
前記金属層と前記ヒートシンクとを、フラックスを用いて接合するヒートシンク接合工程と、
を順に備えたことを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 A power module substrate having a ceramic substrate, a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate, and a metal layer formed on the other surface of the ceramic substrate, and aluminum bonded to the metal layer or A method of manufacturing a power module substrate with a heat sink comprising a heat sink made of an aluminum alloy,
A heat treatment step in which an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy is heat-treated in a non-oxidizing atmosphere in a temperature range of 630 ° C. or more and 660 ° C. or less, and impurities are deposited on the surface;
An impurity removing step of removing the impurities from the surface of the aluminum plate;
An aluminum plate joining step of joining the aluminum plate to the other surface of the ceramic substrate and forming a metal layer;
A heat sink joining step for joining the metal layer and the heat sink using a flux;
A method of manufacturing a power module substrate with a heat sink, comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014061215A JP6323104B2 (en) | 2014-03-25 | 2014-03-25 | Manufacturing method of power module substrate with heat sink |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014061215A JP6323104B2 (en) | 2014-03-25 | 2014-03-25 | Manufacturing method of power module substrate with heat sink |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015185707A true JP2015185707A (en) | 2015-10-22 |
JP6323104B2 JP6323104B2 (en) | 2018-05-16 |
Family
ID=54351913
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014061215A Active JP6323104B2 (en) | 2014-03-25 | 2014-03-25 | Manufacturing method of power module substrate with heat sink |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6323104B2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPWO2021060475A1 (en) * | 2019-09-25 | 2021-04-01 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0517856A (en) * | 1990-11-14 | 1993-01-26 | Mitsubishi Alum Co Ltd | Method for reducing impurity in pure al sheet |
JPH05239568A (en) * | 1992-02-28 | 1993-09-17 | Mitsubishi Alum Co Ltd | Method for refining of pure al sheet material by heating |
JP2012092430A (en) * | 2010-09-30 | 2012-05-17 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Method for producing aluminum article |
JP2013207236A (en) * | 2012-03-29 | 2013-10-07 | Mitsubishi Materials Corp | Power module substrate and manufacturing method thereof |
-
2014
- 2014-03-25 JP JP2014061215A patent/JP6323104B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0517856A (en) * | 1990-11-14 | 1993-01-26 | Mitsubishi Alum Co Ltd | Method for reducing impurity in pure al sheet |
JPH05239568A (en) * | 1992-02-28 | 1993-09-17 | Mitsubishi Alum Co Ltd | Method for refining of pure al sheet material by heating |
JP2012092430A (en) * | 2010-09-30 | 2012-05-17 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Method for producing aluminum article |
JP2013207236A (en) * | 2012-03-29 | 2013-10-07 | Mitsubishi Materials Corp | Power module substrate and manufacturing method thereof |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPWO2021060475A1 (en) * | 2019-09-25 | 2021-04-01 | ||
WO2021060475A1 (en) * | 2019-09-25 | 2021-04-01 | 京セラ株式会社 | Electronic component mounting base and electronic device |
JP7143535B2 (en) | 2019-09-25 | 2022-09-28 | 京セラ株式会社 | Substrate for mounting electronic component and electronic device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6323104B2 (en) | 2018-05-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI622138B (en) | Power module substrate, power module substrate having heatsink, power module having heatsink | |
TWI604574B (en) | Laminate, power module substrate, and power module substrate with heatsink | |
JP6111764B2 (en) | Power module substrate manufacturing method | |
JP5614485B2 (en) | Power module substrate with heat sink, power module with heat sink, and method for manufacturing power module substrate with heat sink | |
JP6696215B2 (en) | Bonded body, power module substrate with heat sink, heat sink, and method of manufacturing bonded body, method of manufacturing power module substrate with heat sink, and method of manufacturing heat sink | |
WO2014148425A1 (en) | Method for manufacturing bonded body and method for manufacturing power-module substrate | |
JP5725060B2 (en) | Bonded body, power module substrate, and power module substrate with heat sink | |
WO2013147144A1 (en) | Substrate for power module, substrate for power module with heat sink, power module, and method for manufacturing substrate for power module | |
WO2013147142A1 (en) | Power module substrate, power module substrate with heat sink, and power module | |
WO2014157178A1 (en) | Power module | |
KR102336484B1 (en) | Assembly, power-module substrate provided with heat sink, heat sink, method for manufacturing assembly, method for manufacturing power-module substrate provided with heat sink, and method for manufacturing heat sink | |
JP5938390B2 (en) | Power module | |
JP5725061B2 (en) | Power module substrate and power module substrate with heat sink | |
JP2013207237A (en) | Manufacturing method of substrate for power module with heat sink | |
JP6750422B2 (en) | Method for manufacturing insulated circuit board, insulated circuit board, power module, LED module, and thermoelectric module | |
JP6323104B2 (en) | Manufacturing method of power module substrate with heat sink | |
JP2014039062A (en) | Substrate for power module, substrate for power module having heat sink, power module, and method for manufacturing substrate for power module | |
WO2016002609A1 (en) | Method for producing ceramic-aluminum bonded body, method for producing power module substrate, ceramic-aluminum bonded body, and power module substrate | |
JP6287428B2 (en) | Manufacturing method of power module substrate with heat sink | |
JP2014187163A (en) | Aluminum heat exchanger, heat sink-equipped power module board, and method for manufacturing aluminum heat exchanger | |
JP6327058B2 (en) | Power module substrate with heat sink, method of manufacturing joined body, method of manufacturing power module substrate, and method of manufacturing power module substrate with heat sink | |
JP2011210745A (en) | Substrate for power module, and method of manufacturing the same | |
WO2020044594A1 (en) | Copper/ceramic bonded body, insulation circuit board, method for producing copper/ceramic bonded body, and method for manufacturing insulation circuit board | |
JP6422294B2 (en) | Manufacturing method of electronic module substrate and electronic module substrate | |
JP6299442B2 (en) | Power module |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160929 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20170711 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170808 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20171005 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20180313 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20180326 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6323104 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |