JP2017168568A - Method for manufacturing conjugant and method for manufacturing power module substrate - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a conjugant capable of collectively joining a ceramic member, an aluminum member, and a copper member by a relatively simple work.SOLUTION: A method for manufacturing a conjugant comprises the steps of: laminating a ceramic member and an aluminum member via a brazing filler metal foil and directly laminating the aluminum member and a copper member; and joining the laminated ceramic member, aluminum member, and copper member by heating in a state in which they are pressurized in a lamination direction. The brazing filler metal foil has a composition in which the content of Cu is not less than 3 mass% and not more than 10 mass%, the content of Mg is not less than 1 mass% and not more than 5 mass%, and the balance has Al and inevitable impurities. The joining step forms a solid-liquid coexisting range in a junction interface between the ceramic member and the aluminum member, and joins the aluminum member and the copper member by solid-phase diffusion under the condition that a load of pressurization in the lamination direction is not less than 0.3 MPa and not more than 3 MPa, and a junction temperature is not less than a solidus line temperature and less than 548°C of an aluminum alloy constituting the brazing filler metal foil.SELECTED DRAWING: None

Description

この発明は、セラミックス部材と、このセラミックス部材に接合されたＡｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム部材と、前記アルミニウム部材に接合されたＣｕ又はＣｕ合金からなる銅部材と、を備えた接合体の製造方法、セラミックス基板とこのセラミックス基板に接合されたアルミニウム層とこのアルミニウム層に接合された銅層とを備えた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 relates to a method of manufacturing a joined body comprising a ceramic member, an aluminum member made of Al or an Al alloy joined to the ceramic member, and a copper member made of Cu or a Cu alloy joined to the aluminum member. The present invention relates to a method of manufacturing a power module substrate comprising a ceramic substrate, an aluminum layer bonded to the ceramic substrate, and a copper layer bonded to the aluminum layer.

ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、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）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備え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。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層が形成したものも提供されている。 A semiconductor device such as an LED or a power module has a structure in which a semiconductor element is bonded on a circuit layer made of a conductive material.
In power semiconductor elements for large power control used to control wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, etc., the amount of heat generated is large. Therefore, for example, AlN (aluminum nitride), Al 2. Description of the Related Art Conventionally, a power module substrate including a ceramic substrate made of 2 O 3 (alumina) or the like and a circuit layer formed by bonding a metal plate having excellent conductivity to one surface of the ceramic substrate has been widely used. It is used. As the power joule substrate, a substrate in which a metal layer is formed by bonding a metal plate to the other surface of the ceramic substrate is also provided.

回路層を構成する金属としては、Ａｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）等が用いられている。
例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面に、アルミニウム板からなる回路層が接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面に銅板からなる回路層が接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。 As the metal constituting the circuit layer, Al (aluminum), Cu (copper), or the like is used.
For example, Patent Document 1 proposes a power module substrate in which a circuit layer made of an aluminum plate is bonded to one surface of a ceramic substrate.
Patent Document 2 proposes a power module substrate in which a circuit layer made of a copper plate is bonded to one surface of a ceramic substrate.

さらに、特許文献３から特許文献５には、回路層又は金属層を、セラミックス基板に接合されたアルミニウム層とこのアルミニウム層に接合された銅層とからなる２層構造としたパワーモジュール用基板が提案されている。
回路層又は金属層を、アルミニウム層と銅層との２層構造とすることにより、ヒートサイクル負荷時に発生する熱歪をアルミニウム層で吸収してセラミックス基板の割れを抑制できるとともに、銅層によって熱を面方向に広げることにより放熱特性を向上させることが可能となる。 Further, Patent Document 3 to Patent Document 5 include a power module substrate having a two-layer structure in which a circuit layer or a metal layer is composed of an aluminum layer bonded to a ceramic substrate and a copper layer bonded to the aluminum layer. Proposed.
By making the circuit layer or the metal layer into a two-layer structure of an aluminum layer and a copper layer, the aluminum layer absorbs thermal strain generated at the time of heat cycle load and can suppress cracking of the ceramic substrate. It is possible to improve the heat dissipation characteristics by spreading in the surface direction.

特許第３１７１２３４号公報Japanese Patent No. 3171234 特許第３２１１８５６号公報Japanese Patent No. 3211856 特開２０１３−２２９５４５号公報JP2013-229545A 特開２０１４−１６０７９９号公報JP 2014-160799 A 特開２０１４−１７７０３１号公報JP 2014-177031 A

ところで、特許文献３及び特許文献４においては、セラミックス基板とアルミニウム層となるアルミニウム板を接合した後に、アルミニウム層の上に銅層となる銅板を積層し、アルミニウム層と銅板とを固相拡散接合している。このため、接合工程が２回となり、製造工程が煩雑となるといった問題があった。また、２回の接合工程においてセラミックス基板がそれぞれ高温に加熱されることになり、セラミックス基板が劣化してしまうおそれがあった。   By the way, in patent document 3 and patent document 4, after joining the aluminum plate used as a ceramic substrate and an aluminum layer, the copper plate used as a copper layer is laminated | stacked on an aluminum layer, and an aluminum layer and a copper plate are solid-phase diffusion-bonded. doing. For this reason, there existed a problem that a joining process will be 2 times and a manufacturing process will become complicated. In addition, the ceramic substrate is heated to a high temperature in the two joining steps, and the ceramic substrate may be deteriorated.

また、特許文献５においては、セラミックス基板とアルミニウム層となるアルミニウム板とをろう材を介して積層するとともに、アルミニウム板と銅層となる銅板とをＴｉ箔を介して積層し、積層方向に加圧した状態で６４０℃程度に加熱することにより、セラミックス基板とアルミニウム板をろう材によって接合するとともに、アルミニウム板とＴｉ箔及びＴｉ箔と銅板を固相拡散接合している。これにより、セラミックス基板とアルミニウム板と銅板とを一括で接合している。   In Patent Document 5, a ceramic substrate and an aluminum plate to be an aluminum layer are laminated via a brazing material, and an aluminum plate and a copper plate to be a copper layer are laminated via a Ti foil and applied in the laminating direction. By heating to about 640 ° C. in a pressed state, the ceramic substrate and the aluminum plate are joined by the brazing material, and the aluminum plate and the Ti foil, and the Ti foil and the copper plate are joined by solid phase diffusion joining. Thereby, the ceramic substrate, the aluminum plate, and the copper plate are joined together.

しかしながら、特許文献５においては、Ｔｉ箔の挿入作業や位置決め作業が必要となり、作業効率が大幅に低下するといった問題があった。また、アルミニウム層と銅層との間にＴｉ層が形成され、このＴｉ層によって積層方向の熱抵抗が大きくなり、放熱特性が低下するおそれがあった。
さらに、セラミックス基板とアルミニウム板とを、ろう材を用いて接合しているが、セラミックス基板とアルミニウム板との接合界面に多量の液相が生じた場合には、ろう染みやろうこぶが発生するといった問題があった。 However, in Patent Document 5, there is a problem that work for inserting Ti foil and positioning work are required, and work efficiency is greatly reduced. In addition, a Ti layer is formed between the aluminum layer and the copper layer, and this Ti layer increases the thermal resistance in the stacking direction, which may reduce the heat dissipation characteristics.
Furthermore, the ceramic substrate and the aluminum plate are joined using a brazing material, but if a large amount of liquid phase is generated at the joining interface between the ceramic substrate and the aluminum plate, wax stains and wax bumps are generated. There was a problem.

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、セラミックス部材、アルミニウム部材及び銅部材を、比較的簡単な作業によって一括で接合することができる接合体の製造方法、及び、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 a method for manufacturing a joined body capable of joining a ceramic member, an aluminum member, and a copper member together in a relatively simple operation, and a power module It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing an industrial substrate.

このような課題を解決して前記目的を達成するために、本発明の接合体の製造方法は、セラミックス部材と、このセラミックス部材に接合されたＡｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム部材と、前記アルミニウム部材に接合されたＣｕ又はＣｕ合金からなる銅部材と、を備えた接合体の製造方法であって、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを、ろう材箔を介して積層するとともに、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを直接積層する積層工程と、積層された前記セラミックス部材、前記アルミニウム部材及び前記銅部材を積層方向に加圧した状態で加熱し、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材、及び、前記アルミニウム部材と前記銅部材を接合する接合工程と、を有し、前記ろう材箔は、Ｃｕの含有量が３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇの含有量が１ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％以下、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金からなり、前記接合工程では、積層方向への加圧の荷重を０．３ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の範囲内、接合温度を前記ろう材箔を構成する前記アルミニウム合金の固相線温度以上５４８℃未満の範囲内とし、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に固液共存領域を形成し、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを接合するとともに、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを固相拡散接合することを特徴としている。   In order to solve such problems and achieve the above object, a method of manufacturing a joined body according to the present invention includes a ceramic member, an aluminum member made of Al or an Al alloy joined to the ceramic member, and the aluminum member. And a copper member made of Cu or a Cu alloy bonded to each other, wherein the ceramic member and the aluminum member are laminated via a brazing material foil, and the aluminum member and A laminating step of directly laminating the copper member, heating the laminated ceramic member, the aluminum member, and the copper member in a state of being pressurized in the laminating direction, the ceramic member, the aluminum member, and the aluminum A joining step of joining the member and the copper member, wherein the brazing material foil has a Cu content of 3 mas. % To 10 mass%, Mg content is 1 mass% to 5 mass%, the balance is made of an aluminum alloy composed of Al and unavoidable impurities. In the joining step, the pressure applied in the stacking direction is 0.3 MPa. The solid-liquid coexistence region is in the range of 3 MPa or less and the bonding temperature is in the range of the solidus temperature of the aluminum alloy constituting the brazing material foil to less than 548 ° C. And the ceramic member and the aluminum member are bonded together, and the aluminum member and the copper member are bonded by solid phase diffusion bonding.

この構成の接合体の製造方法によれば、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との間に、Ｃｕの含有量が３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇの含有量が１ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％以下、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金からなるろう材箔を配設しているので、接合工程で、接合温度を前記アルミニウム合金の固相線温度以上５４８℃未満としても、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に固液共存領域を形成することができ、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを接合することができる。よって、セラミックス部材とアルミニウム部材との接合と、アルミニウム部材と銅部材との固相拡散接合と、一括で行うことができる。また、アルミニウム部材と銅部材とを直接積層しているので、作業効率を大幅に向上させることができる。   According to the method for manufacturing a bonded body having this configuration, the Cu content is 3 mass% to 10 mass%, the Mg content is 1 mass% to 5 mass%, and the balance is between the ceramic member and the aluminum member. Since a brazing foil made of an aluminum alloy having a composition composed of Al and inevitable impurities is disposed, even if the bonding temperature is set to be equal to or higher than the solidus temperature of the aluminum alloy and lower than 548 ° C. in the bonding step, A solid-liquid coexistence region can be formed at the joint interface with the aluminum member, and the ceramic member and the aluminum member can be joined. Therefore, the joining of the ceramic member and the aluminum member and the solid phase diffusion joining of the aluminum member and the copper member can be performed collectively. Moreover, since the aluminum member and the copper member are directly laminated, the working efficiency can be greatly improved.

さらに、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に固液共存領域を形成しているので、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に液相が多量に生成することがなく、液相がアルミニウム部材と銅部材との固相拡散接合に悪影響を与えることがない。また、ろう染みやろうこぶの発生を抑制することができる。
また、積層方向への加圧の荷重を０．３ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の範囲内にしているので、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に固液共存領域した場合に、液相を前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に均一に存在させることができ、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを良好に接合することができる。 Further, since a solid-liquid coexistence region is formed at the bonding interface between the ceramic member and the aluminum member, a large amount of liquid phase is not generated at the bonding interface between the ceramic member and the aluminum member. However, this does not adversely affect the solid phase diffusion bonding between the aluminum member and the copper member. In addition, the occurrence of wax stains and bumps can be suppressed.
Further, since the pressure applied in the laminating direction is within the range of 0.3 MPa or more and 3 MPa or less, when the solid-liquid coexistence region is formed at the joining interface between the ceramic member and the aluminum member, the liquid phase is changed to the ceramics. It can be made to exist uniformly in the joining interface of a member and the said aluminum member, and the said ceramic member and the said aluminum member can be joined favorably.

ここで、本発明の接合体の製造方法においては、前記ろう材箔を構成する前記アルミニウム合金は、固相線温度が４９０℃以上とされていることが好ましい。
この場合、前記ろう材箔を構成する前記アルミニウム合金の固相線温度が４９０℃以上とされているので、接合工程における接合温度を比較的高く設定することができ、得られた接合体を比較的高い温度領域で使用することができる。 Here, in the method for manufacturing a joined body according to the present invention, it is preferable that the aluminum alloy constituting the brazing material foil has a solidus temperature of 490 ° C. or higher.
In this case, since the solidus temperature of the aluminum alloy constituting the brazing material foil is 490 ° C. or higher, the joining temperature in the joining process can be set relatively high, and the obtained joined bodies are compared. Can be used in a high temperature range.

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層、前記アルミニウム層と銅層とを、上述の接合体の製造方法によって接合することを特徴としている。   The power module substrate manufacturing method of the present invention is a power in which a circuit layer formed by laminating an aluminum layer made of Al or Al alloy and a copper layer made of Cu or Cu alloy is formed on one surface of a ceramic substrate. A method for manufacturing a module substrate, wherein the ceramic substrate and the aluminum layer, and the aluminum layer and the copper layer are bonded by the above-described manufacturing method of a bonded body.

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層、前記アルミニウム層と銅層とを、上述の接合体の製造方法によって接合することを特徴としている。   In the method for manufacturing a power module substrate of the present invention, a circuit layer is formed on one surface of the ceramic substrate, and an aluminum layer made of Al or Al alloy and Cu or Cu alloy are formed on the other surface of the ceramic substrate. A method for manufacturing a power module substrate in which a metal layer formed by laminating a copper layer is formed, wherein the ceramic substrate and the aluminum layer, and the aluminum layer and the copper layer are combined. It is characterized by joining.

さらに、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層、前記アルミニウム層と銅層とを、上述の接合体の製造方法によって接合することを特徴としている。   Furthermore, in the method for manufacturing a power module substrate of the present invention, a circuit layer is formed by laminating an aluminum layer made of Al or an Al alloy and a copper layer made of Cu or a Cu alloy on one surface of the ceramic substrate. A method for producing a power module substrate in which a metal layer formed by laminating an aluminum layer made of Al or Al alloy and a copper layer made of Cu or Cu alloy is formed on the other surface of the ceramic substrate, The ceramic substrate and the aluminum layer, and the aluminum layer and the copper layer are bonded by the above-described manufacturing method of the bonded body.

これらの構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板とアルミニウム層、アルミニウム層と銅層とを、一括で接合することができ、セラミックス基板の一方の面に形成された回路層又はセラミックス基板の他方の面に形成された金属層が、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層された構造とされたパワーモジュール用基板を効率良く製造することが可能となる。   According to the method for manufacturing a power module substrate having these configurations, a ceramic substrate and an aluminum layer, an aluminum layer and a copper layer can be bonded together, and a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate or Efficiently producing a power module substrate in which the metal layer formed on the other surface of the ceramic substrate has a structure in which an aluminum layer made of Al or Al alloy and a copper layer made of Cu or Cu alloy are laminated. Is possible.

本発明によれば、セラミックス部材、アルミニウム部材及び銅部材を、比較的簡単な作業によって一括で接合することができる接合体の製造方法、及び、パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is possible to provide the manufacturing method of the conjugate | zygote which can join a ceramic member, an aluminum member, and a copper member collectively by a comparatively easy operation | work, and the manufacturing method of the board | substrate for power modules. It becomes.

本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the power module substrate manufactured by the manufacturing method of the power module substrate which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板とヒートシンク及び半導体素子との接合方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the joining method of the board | substrate for power modules which is embodiment of this invention, a heat sink, and a semiconductor element.

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。
本実施形態において製造対象となる接合体は、セラミックス部材としてセラミックス基板１１、アルミニウム部材としてアルミニウム板２２Ａ及び銅部材として銅板２２Ｂが接合されてなる回路層１２、アルミニウム部材としてアルミニウム板２３Ａ及び銅部材として銅板２３Ｂが接合されてなる金属層１３を備えたパワーモジュール用基板１０とされている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
The joined body to be manufactured in the present embodiment includes the ceramic substrate 11 as the ceramic member, the circuit layer 12 in which the aluminum plate 22A and the copper plate 22B are joined as the aluminum member, and the aluminum plate 23A and the copper member as the aluminum member. The power module substrate 10 includes a metal layer 13 to which a copper plate 23B is bonded.

図１に、本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２及び金属層１３が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の一方の面（図１において上面）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、金属層１３の他方の面（図１において下面）に接合されたヒートシンク４０と、を備えている。
ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間、Ｎｉめっき層（図示なし）が設けられている。 FIG. 1 shows a power module 1 using a power module substrate 10 according to an embodiment of the present invention.
The power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 and a metal layer 13 are disposed, and a semiconductor element bonded to one surface (upper surface in FIG. 1) of the circuit layer 12 via a solder layer 2. 3 and a heat sink 40 bonded to the other surface (the lower surface in FIG. 1) of the metal layer 13.
Here, the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material. In the present embodiment, a Ni plating layer (not shown) is provided between the circuit layer 12 and the solder layer 2.

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。 The power module substrate 10 has a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and the other surface (lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. And a disposed metal layer 13.
The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is composed of AlN (aluminum nitride) having high insulation in this embodiment. In addition, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm.

回路層１２は、図１で示すように、セラミックス基板１１の一方の面に配設されたアルミニウム層１２Ａと、このアルミニウム層１２Ａの一方側（図１において上側）に積層された銅層１２Ｂと、を有している。
この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。 As shown in FIG. 1, the circuit layer 12 includes an aluminum layer 12A disposed on one surface of the ceramic substrate 11, and a copper layer 12B laminated on one side (the upper side in FIG. 1) of the aluminum layer 12A. ,have.
A circuit pattern is formed on the circuit layer 12, and one surface (the upper surface in FIG. 1) is a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted.

アルミニウム層１２Ａは、図３に示すように、アルミニウム板２２Ａがセラミックス基板１１の一方の面に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、アルミニウム層１２Ａは、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板２２Ａがセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。ここで、接合されるアルミニウム板２２Ａの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。 As shown in FIG. 3, the aluminum layer 12 </ b> A is formed by bonding an aluminum plate 22 </ b> A to one surface of the ceramic substrate 11.
In this embodiment, the aluminum layer 12A is formed by joining an aluminum plate 22A made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to the ceramic substrate 11. Here, it is preferable that the thickness of the aluminum plate 22A to be joined is set within a range of 0.1 mm to 1 mm.

銅層１２Ｂは、図３に示すように、銅板２２Ｂがアルミニウム層１２Ａの一方側（図１において上側）に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、銅層１２Ｂは、無酸素銅の圧延板からなる銅板２２Ｂがアルミニウム層１２Ａに固相拡散接合されることにより形成されている。ここで、接合される銅板２２Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。 As shown in FIG. 3, the copper layer 12B is formed by joining the copper plate 22B to one side (the upper side in FIG. 1) of the aluminum layer 12A.
In the present embodiment, the copper layer 12B is formed by solid phase diffusion bonding of a copper plate 22B made of an oxygen-free copper rolled plate to the aluminum layer 12A. Here, it is preferable that the thickness of the copper plate 22B to be joined is set within a range of 0.1 mm to 1 mm.

金属層１３は、図１で示すように、セラミックス基板１１の他方の面に配設されたアルミニウム層１３Ａと、このアルミニウム層１３Ａの他方側（図１において下側）に積層された銅層１３Ｂと、を有している。   As shown in FIG. 1, the metal layer 13 includes an aluminum layer 13A disposed on the other surface of the ceramic substrate 11, and a copper layer 13B laminated on the other side (lower side in FIG. 1) of the aluminum layer 13A. And have.

アルミニウム層１３Ａは、図３に示すように、アルミニウム板２３Ａがセラミックス基板１１の一方の面に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、アルミニウム層１３Ａは、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板２３Ａがセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。ここで、接合されるアルミニウム板２３Ａの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。 As shown in FIG. 3, the aluminum layer 13 </ b> A is formed by joining an aluminum plate 23 </ b> A to one surface of the ceramic substrate 11.
In this embodiment, the aluminum layer 13A is formed by joining an aluminum plate 23A made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to the ceramic substrate 11. Here, it is preferable that the thickness of the aluminum plate 23A to be joined is set within a range of 0.1 mm to 1 mm.

銅層１３Ｂは、図３に示すように、銅板２３Ｂがアルミニウム層１３Ａの他方側（図１において下側）に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、銅層１３Ｂは、無酸素銅の圧延板からなる銅板２３Ｂがアルミニウム層１３Ａに固相拡散接合されることにより形成されている。ここで、接合される銅板２３Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。 As shown in FIG. 3, the copper layer 13B is formed by bonding the copper plate 23B to the other side (lower side in FIG. 1) of the aluminum layer 13A.
In the present embodiment, the copper layer 13B is formed by solid phase diffusion bonding of a copper plate 23B made of an oxygen-free copper rolled plate to the aluminum layer 13A. Here, it is preferable that the thickness of the copper plate 23B to be joined is set within a range of 0.1 mm to 1 mm.

ヒートシンク４０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。本実施形態では、ヒートシンク４０は、銅又は銅合金で構成されており、具体的には無酸素銅で構成されている。また、このヒートシンク４０には、冷却用の流体が流れるための流路４１が設けられている。
本実施形態においては、ヒートシンク４０と金属層１３の銅層１３Ｂとが、はんだ層３２を介して接合されている。このはんだ層３２は、例えばＳｎ−Ｓｂ系、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）とされている。 The heat sink 40 is for dissipating heat on the power module substrate 10 side. In the present embodiment, the heat sink 40 is made of copper or a copper alloy, specifically, oxygen-free copper. Further, the heat sink 40 is provided with a flow path 41 through which a cooling fluid flows.
In the present embodiment, the heat sink 40 and the copper layer 13 </ b> B of the metal layer 13 are joined via the solder layer 32. The solder layer 32 is, for example, a Sn—Sb, Sn—Ag, Sn—Cu, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material (so-called lead-free solder material).

次に、上述した本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法及びパワーモジュール１の製造方法について、図２から図４を参照して説明する。   Next, the manufacturing method of the power module substrate 10 and the manufacturing method of the power module 1 according to the present embodiment described above will be described with reference to FIGS.

（積層工程Ｓ０１）
まず、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム層１２Ａとなるアルミニウム板２２Ａを積層し、このアルミニウム板２２Ａの一方の面にＣｕ層１２Ｂとなる銅板２２Ｂを積層する。さらに、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム層１３Ａとなるアルミニウム板２３Ａを積層し、このアルミニウム板２３Ａの他方の面にＣｕ層１３Ｂとなる銅板２３Ｂを積層する。 (Lamination process S01)
First, as shown in FIG. 3, an aluminum plate 22A that becomes the aluminum layer 12A is laminated on one surface of the ceramic substrate 11, and a copper plate 22B that becomes the Cu layer 12B is laminated on one surface of the aluminum plate 22A. Further, an aluminum plate 23A to be the aluminum layer 13A is laminated on the other surface of the ceramic substrate 11, and a copper plate 23B to be the Cu layer 13B is laminated to the other surface of the aluminum plate 23A.

ここで、この積層工程Ｓ０１においては、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂは、それぞれ直接積層されている。なお、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂ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ている。   Here, in this lamination process S01, the aluminum plate 22A and the copper plate 22B, and the aluminum plate 23A and the copper plate 23B are directly laminated, respectively. In addition, each surface to which the aluminum plate 22A and the copper plate 22B and the aluminum plate 23A and the copper plate 23B are joined is previously smoothed by removing the scratches on the surfaces.

また、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとの間には、ろう材箔２６，２７が配設される。なお、ろう材箔２６，２７の厚さは、５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
そして、これらのろう材箔２６，２７は、Ｃｕの含有量が３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇの含有量が１ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％以下、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金で構成されている。なお、このろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度は４９０℃以上であることが好ましい。
以下に、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の組成を上述のように規定した理由について説明する。 Further, brazing material foils 26 and 27 are disposed between the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A. In addition, it is preferable that the thickness of the brazing material foils 26 and 27 is in the range of 5 μm or more and 30 μm or less.
These brazing material foils 26 and 27 are made of an aluminum alloy having a composition in which the Cu content is 3 mass% or more and 10 mass% or less, the Mg content is 1 mass% or more and 5 mass% or less, and the balance is Al and inevitable impurities. Has been. The solidus temperature of the aluminum alloy constituting the brazing material foils 26 and 27 is preferably 490 ° C. or higher.
Hereinafter, the reason why the composition of the aluminum alloy constituting the brazing material foils 26 and 27 is defined as described above will be described.

Ｃｕの含有量が３ｍａｓｓ％未満、及び、Ｍｇの含有量が１ｍａｓｓ％未満の場合には、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度が十分に低くならず、後述する接合工程において接合温度の範囲が狭くなり、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ，２３Ａ、及び、アルミニウム板２２Ａ、２３Ａと銅板２２Ｂ、２３Ｂとの接合が不十分となるおそれがある。
また、Ｃｕの含有量が１０ｍａｓｓ％を超える場合には、硬くなりすぎて、圧延によってろう材箔を形成することが困難となるおそれがある。さらに、Ｍｇの含有量が５ｍａｓｓ％を超える場合には、液相線温度が低く、後述する接合工程Ｓ０２において液相が多量に生成し、ろう染みやろうこぶが発生するおそれがある。 When the Cu content is less than 3 mass% and the Mg content is less than 1 mass%, the solidus temperature of the aluminum alloy constituting the brazing material foils 26 and 27 is not sufficiently lowered, and the joining described later In the process, the range of the bonding temperature becomes narrow, and there is a possibility that the bonding between the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A, and the aluminum plates 22A and 23A and the copper plates 22B and 23B becomes insufficient.
Moreover, when content of Cu exceeds 10 mass%, it may become hard and it may become difficult to form brazing material foil by rolling. Furthermore, when the Mg content exceeds 5 mass%, the liquidus temperature is low, and a large amount of liquid phase is generated in the joining step S02 described later, and there is a possibility that wax stains and wax bumps may occur.

以上のことから、本実施形態では、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の組成をＣｕの含有量が３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇの含有量が１ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％以下、残部がＡｌと不可避不純物としている。
なお、Ｃｕの含有量の下限は３．５ｍａｓｓ％以上とすることが好ましく、４ｍａｓｓ％以上とすることがさらに好ましい。また、Ｃｕの含有量の上限は、８ｍａｓｓ％以下とすることが好ましく、６ｍａｓｓ％以下とすることがさらに好ましい。
さらに、Ｍｇの含有量の下限は１．５ｍａｓｓ％以上とすることが好ましく、２ｍａｓｓ％以上とすることがさらに好ましい。また、Ｍｇの含有量の上限は、４ｍａｓｓ％以下とすることが好ましく、３ｍａｓｓ％以下とすることがさらに好ましい。 From the above, in this embodiment, the composition of the aluminum alloy constituting the brazing filler foils 26 and 27 is such that the Cu content is 3 mass% or more and 10 mass% or less, the Mg content is 1 mass% or more and 5 mass% or less, and the balance is Al and inevitable impurities.
The lower limit of the Cu content is preferably 3.5 mass% or more, and more preferably 4 mass% or more. Moreover, it is preferable to set it as 8 mass% or less, and, as for the upper limit of Cu content, it is more preferable to set it as 6 mass% or less.
Furthermore, the lower limit of the Mg content is preferably 1.5 mass% or more, and more preferably 2 mass% or more. The upper limit of the Mg content is preferably 4 mass% or less, and more preferably 3 mass% or less.

なお、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金に含まれる不可避不純物としては、Ａｇ、Ｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、希土類元素、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｄ，Ｈｇ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｂｅ、Ｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｈ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等が挙げられる。これらの不可避不純物は、総量で０．１５ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。
特に、上述の不可避不純物の中でも、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｎといった元素については、それぞれ０．０５ｍａｓｓ％未満に制限することが好ましい。 Inevitable impurities contained in the aluminum alloy constituting the brazing foils 26 and 27 include Ag, B, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, rare earth elements, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co, Se, Te, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Au, Zn, Cd, Hg, Ga, In, Ge, Sn, As, Sb, Tl, Pb, Bi, Be, N, C, Si, Li, H, O, S, P, etc. are mentioned. These inevitable impurities are preferably 0.15 mass% or less in total.
In particular, among the inevitable impurities described above, it is preferable to limit elements such as Si, Ge, Fe, Cr, and Mn to less than 0.05 mass%.

（接合工程Ｓ０２）
次に、積層された銅板２２Ｂ、アルミニウム板２２Ａ、セラミックス基板１１、アルミニウム板２３Ａ、銅板２３Ｂを、積層方向に加圧した状態で真空加熱炉（真空度１０−３Ｐａ以上１０−５Ｐａ以下）内に配置して加熱し、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ，２３Ａとの接合界面に固液共存領域を形成し、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ，２３Ｂとを接合するとともに、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、及び、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂをそれぞれ固相拡散接合する。 (Jointing step S02)
Next, a vacuum heating furnace (vacuum degree: 10 −3 Pa or more and 10 −5 Pa or less) in a state where the laminated copper plate 22B, aluminum plate 22A, ceramic substrate 11, aluminum plate 23A, and copper plate 23B are pressurized in the lamination direction. It is placed inside and heated to form a solid-liquid coexistence region at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A, and the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23B are bonded together. 22B, and the aluminum plate 23A and the copper plate 23B are respectively solid phase diffusion bonded.

ここで、接合工程Ｓ０２における積層方向への加圧荷重を、０．３ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の範囲内に設定している。
また、接合工程Ｓ０２における接合温度は、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度以上５４８℃未満の範囲内に設定している。なお、上述の接合温度での保持時間は１０ｍｉｎ以上２４０ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。
以下に、接合工程Ｓ０２における加圧荷重及び接合温度を上述のように規定した理由について説明する。 Here, the pressure load in the stacking direction in the joining step S02 is set within a range of 0.3 MPa to 3 MPa.
Moreover, the joining temperature in joining process S02 is set in the range more than the solidus temperature of the aluminum alloy which comprises the brazing material foils 26 and 27, and less than 548 degreeC. Note that the holding time at the above-described bonding temperature is preferably in the range of 10 min to 240 min.
Below, the reason which prescribed | regulated the pressurization load and joining temperature in joining process S02 as mentioned above is demonstrated.

接合工程Ｓ０２における積層方向への加圧荷重が０．３ＭＰａ未満の場合には、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとの接合界面において液相が均一に存在せずに、接合が不十分となるおそれがある。また、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂとが十分に接触せず、これらの固相拡散接合が不十分となるおそれがある。
一方、接合工程Ｓ０２における積層方向への加圧荷重が３ＭＰａを超える場合には、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとの接合界面から液相が外部へと排出されてしまい、接合が不十分となるおそれがある。また、加熱時において、アルミニウム板２２Ａ、２３Ａの形状が維持できないおそれがある。 When the pressure load in the laminating direction in the bonding step S02 is less than 0.3 MPa, the liquid phase does not exist uniformly at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A, and bonding is insufficient. There is a risk. Further, the aluminum plate 22A and the copper plate 22B, and the aluminum plate 23A and the copper plate 23B are not sufficiently in contact with each other, and there is a possibility that these solid phase diffusion bondings become insufficient.
On the other hand, when the pressure load in the stacking direction in the bonding step S02 exceeds 3 MPa, the liquid phase is discharged from the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A, and bonding is insufficient. There is a risk of becoming. Further, the shape of the aluminum plates 22A and 23A may not be maintained during heating.

以上のことから、本実施形態においては、接合工程Ｓ０２における積層方向への加圧荷重を０．３ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の範囲内に設定している。
なお、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａ、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂを確実に接合するためには、積層方向への加圧荷重の下限値を０．５ＭＰａ以上とすることが好ましく、０．７ＭＰａ以上とすることがさらに好ましい。
また、加熱時において、アルミニウム板２２Ａ、２３Ａの形状を確実に維持するためには、積層方向への加圧荷重の上限値を２．５ＭＰａ以下とすることが好ましく、２ＭＰａ以下とすることがさらに好ましい。 From the above, in this embodiment, the pressure load in the stacking direction in the joining step S02 is set within a range of 0.3 MPa or more and 3 MPa or less.
In order to securely bond the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A, the aluminum plate 22A and the copper plate 22B, and the aluminum plate 23A and the copper plate 23B, the lower limit value of the pressure load in the stacking direction is 0.5 MPa or more. It is preferable that the pressure be 0.7 MPa or more.
Further, in order to reliably maintain the shape of the aluminum plates 22A and 23A during heating, the upper limit value of the pressure load in the stacking direction is preferably 2.5 MPa or less, and more preferably 2 MPa or less. preferable.

接合工程Ｓ０２における接合温度が、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度未満の場合には、液相が生じず、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとを接合することができない。
一方、接合工程Ｓ０２における接合温度が５４８℃以上の場合には、アルミニウムと銅の共晶温度以上となり、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂの界面に液相が生じ、これらを固相拡散接合することができない。 When the bonding temperature in the bonding step S02 is lower than the solidus temperature of the aluminum alloy constituting the brazing foils 26 and 27, no liquid phase is generated, and the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A are bonded. I can't.
On the other hand, when the joining temperature in the joining step S02 is 548 ° C. or higher, the temperature becomes equal to or higher than the eutectic temperature of aluminum and copper, and a liquid phase is generated at the interface between the aluminum plate 22A and the copper plate 22B, and the aluminum plate 23A and the copper plate 23B. Solid phase diffusion bonding is not possible.

以上のことから、本実施形態においては、接合工程Ｓ０２における接合温度を、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度以上５４８℃未満の範囲内に設定している。
なお、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａ、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂ、を確実に接合するためには、接合温度の下限値を、固相線温度＋２０℃以上とすることが好ましく、固相線温度＋３０℃以上とすることがさらに好ましい。
また、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂの界面に液相が生じることを確実に抑制するためには、接合温度の上限値を、５４５℃以下とすることが好ましく、５４０℃以下とすることがさらに好ましい。 From the above, in the present embodiment, the joining temperature in the joining step S02 is set within the range of the solidus temperature of the aluminum alloy constituting the brazing material foils 26 and 27 and less than 548 ° C.
In order to securely bond the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A, the aluminum plate 22A and the copper plate 22B, and the aluminum plate 23A and the copper plate 23B, the lower limit value of the bonding temperature is set to the solidus temperature + 20 ° C. or higher. The solidus temperature is preferably + 30 ° C. or higher.
Moreover, in order to suppress reliably that a liquid phase arises in the interface of aluminum plate 22A and copper plate 22B, and aluminum plate 23A and copper plate 23B, it is preferable to make the upper limit of joining temperature into 545 degreeC or less. More preferably, it is as follows.

（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）
次に、図４に示すように、パワーモジュール用基板１０の他方側（図４において下側）に、はんだ材３２を介してヒートシンク４０を積層し、還元炉内において、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４０とを接合する。 (Heat sink joining step S03)
Next, as shown in FIG. 4, a heat sink 40 is laminated on the other side (lower side in FIG. 4) of the power module substrate 10 via a solder material 32, and in the reduction furnace, The heat sink 40 is joined.

（半導体素子接合工程Ｓ０４）
次に、図４に示すように、パワーモジュール用基板１０の回路層１２（銅層１２Ｂ）の一方の面に、はんだ材２を介して半導体素子３を積層し、還元炉内において、パワーモジュール用基板１０の回路層１２（銅層１２Ｂ）と半導体素子３とを接合する。
以上のようにして、図１に示すパワーモジュール１が製造される。 (Semiconductor element bonding step S04)
Next, as shown in FIG. 4, the semiconductor element 3 is laminated on one surface of the circuit layer 12 (copper layer 12 </ b> B) of the power module substrate 10 via the solder material 2. The circuit layer 12 (copper layer 12B) of the circuit board 10 and the semiconductor element 3 are joined.
The power module 1 shown in FIG. 1 is manufactured as described above.

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとの間に、Ｃｕの含有量が３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇの含有量が１ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％以下、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金からなるろう材箔２６，２７を配設しているので、接合工程Ｓ０２において、接合温度を、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度以上５４８℃未満とすることで、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとの接合界面に固液共存領域を形成することができ、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとを接合することが可能となる。   According to the method for manufacturing the power module substrate 10 of the present embodiment configured as described above, the Cu content is 3 mass% or more and 10 mass% or less between the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A. In addition, since the brazing material foils 26 and 27 made of an aluminum alloy having a composition in which the Mg content is 1 mass% or more and 5 mass% or less and the balance is made of Al and inevitable impurities are disposed, the joining temperature is set in the joining step S02. A solid-liquid coexistence region can be formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A by setting the aluminum alloy constituting the brazing filler foils 26 and 27 to a solidus temperature of more than 548 ° C. It becomes possible to join the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A.

また、アルミニウム板２２Ａに銅板２２Ｂを、アルミニウム板２３Ａに銅板２３Ｂを直接積層し、積層方向に加圧した状態でろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度以上５４８℃未満に加熱しているので、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂとを、それぞれ固相拡散接合することができる。
よって、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ，２３Ａとの接合と、アルミニウム板２２Ａ、２３Ａと銅板２２Ｂ、２３Ｂとの固相拡散接合とを、一括で行うことが可能となり、パワーモジュール用基板１０の製造効率を大幅に向上させることができる。 Further, the copper plate 22B is directly laminated on the aluminum plate 22A, and the copper plate 23B is directly laminated on the aluminum plate 23A, and the aluminum alloy constituting the brazing material foils 26, 27 is pressed in the laminating direction to a temperature not lower than 548 ° C. Since it is heated, the aluminum plate 22A and the copper plate 22B, and the aluminum plate 23A and the copper plate 23B can be solid phase diffusion bonded, respectively.
Therefore, the bonding of the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A and the solid phase diffusion bonding of the aluminum plates 22A and 23A and the copper plates 22B and 23B can be performed in a lump. Efficiency can be greatly improved.

さらに、接合工程Ｓ０２において、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとの接合界面に固液共存領域を形成しているので、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとの接合界面に液相が多量に生成することがなく、液相がアルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂとの固相拡散接合に悪影響を与えることがない。また、ろう染みやろうこぶの発生を抑制することができる。   Furthermore, in the bonding step S02, since a solid-liquid coexistence region is formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A, a large amount of liquid phase is present at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A. The liquid phase does not adversely affect the solid phase diffusion bonding between the aluminum plate 22A and the copper plate 22B, and the aluminum plate 23A and the copper plate 23B. In addition, the occurrence of wax stains and bumps can be suppressed.

また、接合工程Ｓ０２において、積層方向への加圧の荷重を０．３ＭＰａ以上としているので、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ，２３Ａとの接合界面に固液共存領域させた際に、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ，２３Ａとの接合界面に液相を均一に存在させることができ、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ，２３Ａとを良好に接合することができる。また、積層方向への加圧の荷重を３ＭＰａ以下としているので、接合工程Ｓ０２の加熱時においても、アルミニウム板２２Ａ，２３Ａの形状を維持することができる。   In addition, in the bonding step S02, the pressure applied in the stacking direction is set to 0.3 MPa or more. Therefore, when the solid-liquid coexistence region is formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A, the ceramic substrate 11 is used. And the aluminum plates 22A and 23A can be made to have a uniform liquid phase, and the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A and 23A can be satisfactorily bonded. Further, since the pressure applied in the stacking direction is 3 MPa or less, the shapes of the aluminum plates 22A and 23A can be maintained even during the heating in the joining step S02.

さらに、本実施形態では、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度が４９０℃以上とされているので、接合工程Ｓ０２における接合温度を比較的高く設定することができ、得られたパワーモジュール用基板１０を比較的高い温度領域で使用することができる。さらに、接合工程Ｓ０２における接合温度が高くなることで、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂとを確実に固相拡散接合することが可能となる。   Furthermore, in this embodiment, since the solidus temperature of the aluminum alloy constituting the brazing material foils 26 and 27 is set to 490 ° C. or higher, the bonding temperature in the bonding step S02 can be set relatively high. The obtained power module substrate 10 can be used in a relatively high temperature region. Furthermore, by increasing the bonding temperature in the bonding step S02, the aluminum plate 22A and the copper plate 22B, and the aluminum plate 23A and the copper plate 23B can be reliably solid-phase diffusion bonded.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、パワーモジュール用基板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス部材と、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム部材と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる銅部材とを接合した構造の接合体であればよい。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, in the present embodiment, the power module substrate has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the ceramic member, the aluminum member made of Al or Al alloy, and the copper made of Cu or Cu alloy are not limited thereto. What is necessary is just a joined body of the structure which joined the member.

また、本実施形態では、回路層及び金属層を、それぞれアルミニウム層と銅層との２層構造を有するものとして説明したが、回路層又は金属層の少なくとも一方が、アルミニウム層と銅層との２層構造を有するものとされていればよい。   In the present embodiment, the circuit layer and the metal layer have been described as having a two-layer structure of an aluminum layer and a copper layer. However, at least one of the circuit layer or the metal layer is an aluminum layer and a copper layer. It is only necessary to have a two-layer structure.

また、本実施形態では、セラミックス基板１１として、窒化アルミ（ＡｌＮ）を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等の他のセラミックスで構成されたものであってもよい。
また、ヒートシンクは、本実施形態で例示してものに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。 In the present embodiment, the ceramic substrate 11 has been described by taking aluminum nitride (AlN) as an example. However, the present invention is not limited to this, and alumina (Al 2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ) is not limited thereto. ) And other ceramics.
Further, the heat sink is not limited to the one exemplified in this embodiment, and the structure of the heat sink is not particularly limited.

本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する
表１に示すセラミックス基板（５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ）と、表１に示す組成のアルミニウムの圧延板（４６ｍｍ×５６ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）、表１に示す組成の銅の圧延板（４６ｍｍ×５６ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）を準備した。 The confirmation experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described. The ceramic substrate shown in Table 1 (50 mm × 60 mm × thickness 0.635 mm) and the aluminum rolled plate (46 mm × 56 mm) having the composition shown in Table 1. X thickness 0.4 mm), a copper rolled plate (46 mm x 56 mm x thickness 0.4 mm) having the composition shown in Table 1 was prepared.

次に、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、表１に示す組成のろう材箔（厚さ１７μｍ）を介してアルミニウム板を積層し、このアルミニウム板の上に銅板を積層した。
そして、積層されたセラミックス基板、アルミニウム板、銅板を、真空炉（１０−４Ｐａ）内に装入し、表２に示す荷重で積層方向に加圧し、表２に示す接合温度及び保持時間で加熱して、セラミックス基板、アルミニウム板、銅板を接合し、接合体（評価用試料）を作成した。 Next, an aluminum plate was laminated on one surface and the other surface of the ceramic substrate via a brazing material foil (thickness: 17 μm) having the composition shown in Table 1, and a copper plate was laminated on the aluminum plate.
Then, the laminated ceramic substrate, aluminum plate, and copper plate are placed in a vacuum furnace (10 −4 Pa), pressed in the stacking direction with the load shown in Table 2, and at the joining temperature and holding time shown in Table 2. By heating, a ceramic substrate, an aluminum plate, and a copper plate were joined together to prepare a joined body (evaluation sample).

（初期接合率）
得られた接合体（評価用試料）を用いて、セラミックス基板とアルミニウム板、アルミニウム板と銅板との接合率をそれぞれ評価した。なお、接合率は、セラミックス基板の一方の面側と他方の面側の両方で行い、その平均値を算出した。
具体的には、超音波探傷装置（日立パワーソリューションズ社製ＦＩＮＥＳＡＴ）を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち回路層の面積（４６ｍｍ×５６ｍｍ）とした。超音波探傷像を二値化処理した画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剥離面積とした。評価結果を表２に示す。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（非接合部面積）｝／（初期接合面積）×１００ (Initial joining rate)
Using the obtained joined body (sample for evaluation), the joining rates of the ceramic substrate and the aluminum plate, and the aluminum plate and the copper plate were evaluated. The bonding rate was measured on both the one surface side and the other surface side of the ceramic substrate, and the average value was calculated.
Specifically, evaluation was performed using an ultrasonic flaw detector (FINESAT manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.), and calculation was performed from the following formula. Here, the initial bonding area was the area to be bonded before bonding, that is, the area of the circuit layer (46 mm × 56 mm). In the image obtained by binarizing the ultrasonic flaw detection image, the peeling is indicated by the white portion in the joint portion. Therefore, the area of the white portion is defined as the peeling area. The evaluation results are shown in Table 2.
(Joining rate) = {(initial joining area) − (non-joining area)} / (initial joining area) × 100

（ろう染み面積率）
ろう染み面積率の測定は、上述の接合体（評価用試料）を回路層側（一方の面側）から平面視して撮影して画像を取得し、該画像を２値化処理してろう染みに相当する範囲の面積を画像上にて測定することによって行った。なお、ろうしみ面積にはろうこぶも含まれている。 (Wax stain area rate)
For the measurement of the wax stain area ratio, the above-mentioned joined body (evaluation sample) is taken in plan view from the circuit layer side (one surface side) to obtain an image, and the image is binarized. This was done by measuring the area of the range corresponding to the stain on the image. Note that the waxy area includes the solder bump.

Figure 2017168568
Figure 2017168568

Figure 2017168568
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ろう材箔のＣｕ濃度を３ｍａｓｓ％未満とした比較例１、ろう材箔のＭｇ濃度を１ｍａｓｓ％未満とした比較例２では、ろう材箔の固相線温度が５４８℃未満とならないため、接合温度５４０℃では液相が生成せず、セラミックス基板とアルミニウム板との接合を行うことができず、接合体（評価用試料）を形成することができなかった。このため、アルミニウム板と銅板との接合率についても評価しなかった。   In Comparative Example 1 in which the Cu concentration of the brazing material foil was less than 3 mass% and Comparative Example 2 in which the Mg concentration of the brazing material foil was less than 1 mass%, the solidus temperature of the brazing material foil was not less than 548 ° C. At a temperature of 540 ° C., a liquid phase was not generated, the ceramic substrate and the aluminum plate could not be joined, and a joined body (evaluation sample) could not be formed. For this reason, it did not evaluate also about the joining rate of an aluminum plate and a copper plate.

荷重を０．３ＭＰａ以下とした比較例３ではセラミック基板とアルミニウム板との接合率やアルミニウム板と銅板との接合率が低下した。
接合温度を固相線温度未満とした比較例４では、液相が生成せず、セラミックス基板とアルミニウム板を接合することができず、接合体（評価用試料）を形成することができなかった。このため、アルミニウム板と銅板との接合率についても評価しなかった。
ろう材箔のＣｕ濃度が１０ｍａｓｓを超えた比較例５では、ろう材箔を製造することができなかった。 In Comparative Example 3 in which the load was 0.3 MPa or less, the bonding rate between the ceramic substrate and the aluminum plate and the bonding rate between the aluminum plate and the copper plate were lowered.
In Comparative Example 4 in which the bonding temperature was lower than the solidus temperature, a liquid phase was not generated, the ceramic substrate and the aluminum plate could not be bonded, and a bonded body (evaluation sample) could not be formed. . For this reason, it did not evaluate also about the joining rate of an aluminum plate and a copper plate.
In Comparative Example 5 in which the Cu concentration of the brazing material foil exceeded 10 mass, the brazing material foil could not be produced.

ろう材箔のＭｇ濃度が５ｍａｓｓ％を超えた比較例６、荷重が３ＭＰａを超えた比較例７では、ろう染み面積率が上昇した。
接合温度が５４８℃以上とされた比較例８では、アルミニウム板と銅板の間に液相が生じ、アルミニウム板と銅板とを固相拡散接合することができず、接合体（評価用試料）を形成することができなかった。このため、セラミックス基板とアルミニウム板との接合率についても評価しなかった。 In Comparative Example 6 in which the Mg concentration of the brazing material foil exceeded 5 mass% and Comparative Example 7 in which the load exceeded 3 MPa, the wax stain area ratio increased.
In Comparative Example 8 in which the bonding temperature is 548 ° C. or higher, a liquid phase is generated between the aluminum plate and the copper plate, and the aluminum plate and the copper plate cannot be solid-phase diffusion bonded. Could not be formed. For this reason, the bonding rate between the ceramic substrate and the aluminum plate was not evaluated.

これに対して、本発明例の接合体（評価用試料）は、接合率が高く、ろう染み面積率の低くかった。以上から、セラミックス部材、アルミニウム部材及び銅部材を、一括で接合し、セラミックス部材、アルミニウム部材及び銅部材の接合率高く、ろう染みやろうこぶの少ないパワーモジュール用基板が得られることが分かった。   On the other hand, the joined body (sample for evaluation) of the present invention example had a high joining rate and a low wax stain area rate. From the above, it was found that a ceramic member, an aluminum member, and a copper member were joined together to obtain a power module substrate with a high joining rate of the ceramic member, the aluminum member, and the copper member, and with less wax stains and bumps.

１０ パワーモジュール用基板（接合体）
１１ セラミックス基板（セラミックス部材）
１２ 回路層
１３ 金属層
２２Ａ アルミニウム板（アルミニウム部材）
２３Ａ アルミニウム板（アルミニウム部材）
２２Ｂ 銅板（銅部材）
２３Ｂ 銅板（銅部材） 10 Power module substrate (joint)
11 Ceramic substrate (ceramic member)
12 circuit layer 13 metal layer 22A aluminum plate (aluminum member)
23A Aluminum plate (aluminum member)
22B Copper plate (copper member)
23B Copper plate (copper member)

Claims (5)

セラミックス部材と、このセラミックス部材に接合されたＡｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム部材と、前記アルミニウム部材に接合されたＣｕ又はＣｕ合金からなる銅部材と、を備えた接合体の製造方法であって、
前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを、ろう材箔を介して積層するとともに、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを直接積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス部材、前記アルミニウム部材及び前記銅部材を積層方向に加圧した状態で加熱し、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材、及び、前記アルミニウム部材と前記銅部材を接合する接合工程と、を有し、
前記ろう材箔は、Ｃｕの含有量が３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇの含有量が１ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％以下、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金からなり、
前記接合工程では、積層方向への加圧の荷重を０．３ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の範囲内、接合温度を前記ろう材箔を構成する前記アルミニウム合金の固相線温度以上５４８℃未満の範囲内とし、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に固液共存領域を形成し、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを接合するとともに、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを固相拡散接合することを特徴とする接合体の製造方法。 A method for producing a joined body comprising a ceramic member, an aluminum member made of Al or Al alloy joined to the ceramic member, and a copper member made of Cu or Cu alloy joined to the aluminum member,
Laminating step of laminating the ceramic member and the aluminum member via a brazing filler metal foil, and directly laminating the aluminum member and the copper member;
The laminated ceramic member, the aluminum member and the copper member are heated in a state of being pressed in the laminating direction, and the ceramic member and the aluminum member, and the joining step of joining the aluminum member and the copper member; Have
The brazing foil is made of an aluminum alloy having a composition in which the Cu content is 3 mass% or more and 10 mass% or less, the Mg content is 1 mass% or more and 5 mass% or less, and the balance is Al and inevitable impurities.
In the joining step, the pressure applied in the laminating direction is within the range of 0.3 MPa or more and 3 MPa or less, and the joining temperature is within the range of the solidus temperature of the aluminum alloy constituting the brazing foil or less than 548 ° C. Forming a solid-liquid coexistence region at the bonding interface between the ceramic member and the aluminum member, bonding the ceramic member and the aluminum member, and solid-phase diffusion bonding the aluminum member and the copper member. A method for producing a joined body. 前記ろう材箔を構成する前記アルミニウム合金は、固相線温度が４９０℃以上とされていることを特徴とする請求項１に記載の接合体の製造方法。   The method for producing a joined body according to claim 1, wherein the aluminum alloy constituting the brazing foil has a solidus temperature of 490 ° C or higher. セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記アルミニウム層、前記アルミニウム層と銅層とを、請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法によって接合することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 A method for manufacturing a power module substrate in which a circuit layer formed by laminating an aluminum layer made of Al or an Al alloy and a copper layer made of Cu or a Cu alloy is formed on one surface of a ceramic substrate,
The method for manufacturing a substrate for a power module, wherein the ceramic substrate and the aluminum layer, and the aluminum layer and the copper layer are bonded by the method for manufacturing a bonded body according to claim 1 or 2. セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記アルミニウム層、前記アルミニウム層と銅層とを、請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法によって接合することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 A circuit layer is disposed on one surface of the ceramic substrate, and a metal layer is formed on the other surface of the ceramic substrate by laminating an aluminum layer made of Al or Al alloy and a copper layer made of Cu or Cu alloy. A method for manufacturing a power module substrate, comprising:
The method for manufacturing a substrate for a power module, wherein the ceramic substrate and the aluminum layer, and the aluminum layer and the copper layer are bonded by the method for manufacturing a bonded body according to claim 1 or 2. セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記アルミニウム層、前記アルミニウム層と銅層とを、請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法によって接合することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 A circuit layer formed by laminating an aluminum layer made of Al or Al alloy and a copper layer made of Cu or Cu alloy is formed on one surface of the ceramic substrate, and Al or Al alloy is formed on the other surface of the ceramic substrate. A method for producing a power module substrate in which a metal layer is formed by laminating an aluminum layer made of Cu and a copper layer made of Cu or Cu alloy,
The method for manufacturing a substrate for a power module, wherein the ceramic substrate and the aluminum layer, and the aluminum layer and the copper layer are bonded by the method for manufacturing a bonded body according to claim 1 or 2.
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