JP2017183716A - Manufacturing method of insulation circuit board with heat sink, and insulation circuit board with heat sink - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付絶縁回路基板に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink and an insulated circuit board with a heat sink.
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（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などのセラミックスからなる絶縁基板と、この絶縁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、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属層を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, and for example, AlN (aluminum nitride), Al An insulating substrate made of ceramics such as 2 O 3 (alumina), Si 3 N 4 (silicon nitride), and a circuit layer formed by bonding a metal plate having excellent conductivity to one surface of the insulating substrate, The provided insulating circuit board has been widely used. In addition, as an insulating circuit board, a ceramic substrate having a metal layer formed on the other surface is also provided.
また、回路層に搭載した半導体素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、絶縁回路基板の金属層側にヒートシンクを接合したヒートシンク付絶縁回路基板が提供されている。ヒートシンクの材料としては、アルミニウム合金やＡｌＳｉＣに代表される炭化ケイ素質部材中にアルミニウムもしくはアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料などのアルミニウム系材料が広く利用されている。 In addition, in order to efficiently dissipate heat generated from a semiconductor element or the like mounted on a circuit layer, an insulating circuit board with a heat sink is provided in which a heat sink is bonded to the metal layer side of the insulating circuit board. As a material for the heat sink, aluminum-based materials such as an aluminum-based composite material in which aluminum or an aluminum alloy is filled in a silicon carbide member typified by aluminum alloy or AlSiC are widely used.
絶縁回路基板とＡｌＳｉＣとを接合する方法としては、ろう材を用いる方法と、ＡｌＳｉＣの被覆層（スキン層）の一部を溶融させる方法が知られている。 As a method for joining an insulating circuit substrate and AlSiC, a method using a brazing material and a method of melting a part of a coating layer (skin layer) of AlSiC are known.
特許文献１には、主に炭化ケイ素からなる多孔体に、初晶温度が６１５℃以上であるアルミニウム合金を含浸して形成されたＡｌＳｉＣ系複合体と、絶縁回路基板とを、ろう材を用いて接合することが開示されている。なお、この特許文献１の実施例では、ＡｌＳｉＣ系複合体と絶縁回路基板を、アルミニウム系ろう材を用いて５９０℃でろう付けしている。 In Patent Document 1, an AlSiC-based composite formed by impregnating a porous body mainly made of silicon carbide with an aluminum alloy having an initial crystal temperature of 615 ° C. or higher, and an insulating circuit board are used as a brazing material. Joining is disclosed. In the example of Patent Document 1, the AlSiC composite and the insulating circuit board are brazed at 590 ° C. using an aluminum brazing material.
特許文献２には、ヒートシンクとしてＳｉとＭｇとが所定の量で含有されたアルミニウム合金の被覆層が形成されているＡｌＳｉＣ系複合材料を用い、このＡｌＳｉＣ系複合材料の被覆層の一部を溶融させて、絶縁回路基板とＡｌＳｉＣ系複合材料とを接合することが開示されている。 Patent Document 2 uses an AlSiC composite material in which an aluminum alloy coating layer containing a predetermined amount of Si and Mg is used as a heat sink, and a part of the coating layer of the AlSiC composite material is melted. Thus, it is disclosed that an insulating circuit board and an AlSiC composite material are bonded together.
特許文献３には、絶縁回路基板とヒートシンクとの接合を、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材にＭｇが含有されたろう材箔を用いて、５９０℃以上６３０℃以下の加熱温度で接合することが開示されている。 Patent Document 3 discloses that the insulating circuit board and the heat sink are joined at a heating temperature of 590 ° C. or more and 630 ° C. or less using a brazing material foil containing Mg in an Al—Si brazing material. ing.
ところで、最近では、パワー半導体素子等の高出力化が進められており、これを搭載するヒートシンク付絶縁回路基板では、パワー半導体素子等にて発生した熱を、ヒートシンクにて効率良く外部に放出できるように、絶縁回路基板とヒートシンクとを高い接合信頼性で接合することが要求される。しかしながら、特許文献１に開示されている絶縁回路基板とＡｌＳｉＣとを、アルミニウム系ろう材を用いて接合する方法では、ろう付けの接合温度が高いため、ＡｌＳｉＣの母材が部分的に溶融して、ＡｌＳｉＣが歪んで変形し、絶縁回路基板とＡｌＳｉＣとを高い接合信頼性で接合するのが難しくなることがある。また、特許文献２に記載されているＡｌＳｉＣ系複合材料の被覆層の一部を溶融させる方法においては、ＡｌＳｉＣ系複合材料の被覆層の一部のみを溶融させることが難しく、ＡｌＳｉＣの母材が部分的に溶融することがある。 Recently, power semiconductor devices and the like have been increased in output, and in an insulated circuit board with a heat sink on which the power semiconductor devices are mounted, heat generated in the power semiconductor devices can be efficiently released to the outside by the heat sink. As described above, it is required to bond the insulating circuit board and the heat sink with high bonding reliability. However, in the method of joining the insulated circuit board and AlSiC disclosed in Patent Document 1 using an aluminum-based brazing material, since the brazing joining temperature is high, the AlSiC base material is partially melted. AlSiC may be distorted and deformed, and it may be difficult to bond the insulating circuit substrate and AlSiC with high bonding reliability. Further, in the method of melting a part of the AlSiC composite material coating layer described in Patent Document 2, it is difficult to melt only a part of the AlSiC composite material coating layer. May melt partially.
また、特許文献３に開示されているように、絶縁回路基板とＡｌＳｉＣとを、Ｍｇ含有Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合する方法では、ろう付けの接合温度が高いため、ＡｌＳｉＣの母材が部分的に溶融して、ＡｌＳｉＣが歪んで変形し、絶縁回路基板とＡｌＳｉＣとを高い接合信頼性で接合するのが難しくなることがある。接合温度を下げるためには、Ｍｇ含有Ａｌ−Ｓｉ系ろう材のＭｇ含有量を多くし、ろう材の融点を下げることが考えられるが、Ｍｇ含有量を多くした場合、ろう材箔の延性が低下するために、ろう材箔を製造することが困難となる。
また、ヒートシンクとしてＡｌＳｉＣを用いた場合に限らず、ヒートシンクにアルミニウム合金を用いた場合でもアルミニウム合金母材の部分的な溶融が起こるおそれがある。
In addition, as disclosed in Patent Document 3, in the method of joining an insulating circuit substrate and AlSiC using an Mg-containing Al—Si brazing material, since the joining temperature of brazing is high, the AlSiC base material May partially melt and AlSiC may be distorted and deformed, making it difficult to bond the insulating circuit substrate and AlSiC with high bonding reliability. In order to lower the joining temperature, it is conceivable to increase the Mg content of the Mg-containing Al—Si brazing material and lower the melting point of the brazing material. However, when the Mg content is increased, the ductility of the brazing material foil is reduced. Since it falls, it becomes difficult to manufacture a brazing material foil.
Further, not only when AlSiC is used as a heat sink, but also when an aluminum alloy is used for the heat sink, there is a possibility that the aluminum alloy base material partially melts.
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、絶縁回路基板の金属層とＡｌＳｉＣなどのアルミニウム合金を母材とするヒートシンクとをろう材を用いて、ヒートシンクの母材を溶融させずに、高い接合信頼性で接合できるヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付絶縁回路基板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 uses a brazing material to melt a base material of a heat sink by using a brazing material between a metal layer of an insulated circuit board and an aluminum alloy such as AlSiC as a base material. An object of the present invention is to provide an insulating circuit board with a heat sink that can be bonded with high bonding reliability, and an insulating circuit board with a heat sink.
前述の課題を解決するために、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層とを有する絶縁回路基板の前記金属層と、ヒートシンクとをろう材を用いて接合するヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法であって、前記金属層は、前記ヒートシンクとの接合面がＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材で構成され、前記ヒートシンクは、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料で構成されており、前記ろう材は、ＡｌまたはＡｌ合金で構成されているＡｌ部材層と、このＡｌ部材層の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたＭｇ層とを有する積層ろう材であり、前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面、前記ヒートシンクおよび前記Ａｌ層を構成するＡｌ部材のうちの少なくとも一つは、Ｓｉ含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金からなり、前記Ａｌ−Ｓｉ合金と前記Ｍｇ層とが接触するように配置された前記積層ろう材を介して、前記金属層と前記ヒートシンクとを積層して、積層体を形成する積層工程と、前記積層体を５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲で加熱して、前記金属層と、ヒートシンクとを接合する加熱工程とを備えていることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, a method of manufacturing an insulated circuit board with a heat sink according to the present invention includes an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, and formed on the other surface of the insulating layer. A method of manufacturing an insulated circuit board with a heat sink, wherein the metal layer of the insulated circuit board having the formed metal layer and the heat sink are joined using a brazing material, wherein the metal layer has a joint surface with the heat sink. The heat sink is composed of an Al member composed of Al or an Al alloy, and the heat sink is composed of an Al member composed of Al or an Al alloy, or an Al-based composite material in which a silicon carbide member is filled with an Al member composed of Al or an Al alloy. The brazing material has an Al member layer made of Al or an Al alloy, and an Mg layer formed on at least one of the front and back surfaces of the Al member layer. At least one of a joining surface of the metal layer to the heat sink, the heat sink and the Al member constituting the Al layer is an Al content of 0.1 atomic% or more. A laminate that is made of a Si alloy and that forms a laminate by laminating the metal layer and the heat sink through the laminated brazing material arranged so that the Al-Si alloy and the Mg layer are in contact with each other. And a heating step of heating the laminate in a temperature range of 550 ° C. to 575 ° C. to join the metal layer and a heat sink.
この構成のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によれば、ろう材として、Ａｌ部材層と、このＡｌ部材層の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたＭｇ層とを有する積層ろう材を用い、金属層のヒートシンクとの接合面、ヒートシンクおよび積層ろう材のＡｌ部材層のうちの少なくとも一つを、Ｓｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金で構成し、このＡｌ−Ｓｉ合金とＭｇ層とが接触するように積層ろう材を介して、金属層とヒートシンクとを積層して形成した積層体を加熱して、金属層とヒートシンクとを接合する。上記の積層体を加熱すると、積層ろう材のＭｇ層のＭｇがＡｌ−Ｓｉ合金中に拡散することによって、Ａｌ−Ｓｉ合金中のＳｉと拡散してきたＭｇとが反応することによって局所的に高濃度のＭｇ２Ｓｉが生成され、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。この領域は５７５℃以下で接合に十分な量の液相を生成することが可能である。従来のアルミニウムを主成分とするアルミニウム系ろう材、Ｍｇ含有Ａｌ−Ｓｉ系ろう材、Ｍｇ含有ろう材を皮材としたクラッド材などのろう材は、５７５℃以下では、接合に十分な量の液相を生成することができない。そして、金属層とヒートシンクとはともにＡｌ部材から構成されているので、この液相は、金属層とヒートシンクとに拡散し、両者が接合される。よって、上記の構成のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によれば、従来のろう材を用いた場合と比較して低温での加熱によって、ヒートシンクの母材を溶融させずに、金属層とヒートシンクとが高い接合信頼性で接合したヒートシンク付絶縁回路基板を得ることができる。 According to the method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink having this configuration, a laminated brazing material having an Al member layer and an Mg layer formed on at least one of the front and back surfaces of the Al member layer is used as the brazing material. At least one of the joining surface of the metal layer with the heat sink, the heat sink and the Al member layer of the laminated brazing material is made of an Al—Si alloy having a Si content of 0.1 atomic% or more. The laminated body formed by laminating the metal layer and the heat sink is heated via the laminated brazing material so that the alloy and the Mg layer are in contact with each other, thereby joining the metal layer and the heat sink. When the laminated body is heated, Mg in the Mg layer of the laminated brazing material diffuses into the Al-Si alloy, and the Si in the Al-Si alloy reacts with the diffused Mg to increase locally. A concentration of Mg 2 Si is generated, and a region where Al, Mg 2 Si, and Mg coexist or a region where Al, Mg 2 Si, and Si coexist are formed. This region can generate a sufficient amount of liquid phase for bonding at 575 ° C. or lower. Conventional brazing materials such as aluminum-based brazing materials mainly composed of aluminum, Mg-containing Al—Si brazing materials, and clad materials made of Mg-containing brazing materials are used at a temperature of 575 ° C. or less, which is sufficient for bonding. A liquid phase cannot be produced. And since both a metal layer and a heat sink are comprised from the Al member, this liquid phase diffuses into a metal layer and a heat sink, and both are joined. Therefore, according to the method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink having the above-described configuration, the metal layer and the heat sink can be obtained without melting the base material of the heat sink by heating at a low temperature compared to the case of using the conventional brazing material. Therefore, it is possible to obtain an insulated circuit board with a heat sink bonded with high bonding reliability.
また、上記の積層ろう材は、Ａｌ部材層とＭｇ層とが分離した構造を有するので、Ｍｇ層のＭｇ濃度を高くできる。従来のＭｇ含有Ａｌ−Ｓｉ系ろう材やＭｇ含有ろう材を皮材としたクラッド材を用いて本件発明の効果を奏するためには、Ｍｇの濃度を高くしなければならないが、この場合、圧延性が低下し、Ｍｇ含有Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を得ることができない。そのため、本件発明においては、上記の積層ろう材を用いている。上記の積層ろう材は、Ａｌ部材層とＭｇ層とが分離した構造を有するので、Ｍｇ層のＭｇ濃度を高くできる。Ｍｇ濃度が高いＭｇ層を有しているので、Ｍｇ層に接触しているＡｌ−Ｓｉ合金にＭｇを確実に拡散することができる。 In addition, since the laminated brazing filler metal has a structure in which the Al member layer and the Mg layer are separated, the Mg concentration of the Mg layer can be increased. In order to achieve the effects of the present invention by using a conventional Mg-containing Al—Si brazing material or a clad material made of a Mg-containing brazing material as a skin material, the concentration of Mg must be increased. As a result, the Mg-containing Al—Si brazing material cannot be obtained. Therefore, in this invention, said laminated brazing material is used. Since the laminated brazing material has a structure in which the Al member layer and the Mg layer are separated, the Mg concentration of the Mg layer can be increased. Since the Mg layer having a high Mg concentration is included, Mg can be reliably diffused into the Al—Si alloy in contact with the Mg layer.
また、Ｍｇ層に接触しているＡｌ−Ｓｉ合金は、Ｓｉ含有量が０．１原子％以上に設定されている。Ｓｉ含有量が０．１原子％未満だと、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域で生成する液相の量が少なくなり、金属層とヒートシンクとの接合性が低下する。
また、加熱温度が５５０℃未満の場合、液相の生成量が少なくなるため、接合性が低下する。５７５℃を超えた場合、ろうこぶやヒートシンク母材の溶融が生じる。
In addition, the Al content of the Al—Si alloy in contact with the Mg layer is set to 0.1 atomic% or more. When the Si content is less than 0.1 atomic%, the amount of liquid phase generated in a region where Al, Mg 2 Si and Mg coexist or in a region where Al, Mg 2 Si and Si coexist is reduced. Bondability between the layer and the heat sink is reduced.
On the other hand, when the heating temperature is less than 550 ° C., the amount of liquid phase generated is reduced, so that the bondability is lowered. When the temperature exceeds 575 ° C., the solder bump and the heat sink base material melt.
以上の理由により、上記のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によれば、比較的低温での加熱によって、金属層とヒートシンクとが高い接合信頼性で接合したヒートシンク付絶縁回路基板を得ることができると考えられる。 For the above reasons, according to the above method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink, it is possible to obtain an insulated circuit board with a heat sink in which the metal layer and the heat sink are bonded with high bonding reliability by heating at a relatively low temperature. it is conceivable that.
ここで、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法においては、前記ヒートシンクを構成するＡｌ部材が前記Ａｌ−Ｓｉ合金であって、前記積層工程において、前記Ｍｇ層が前記ヒートシンクと接触するように、前記積層ろう材を配置してもよい。
この場合は、ヒートシンクを構成しているＡｌ−Ｓｉ合金中にＭｇ層のＭｇが拡散することによって、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。よって、比較的低温での加熱により液相を生成して、金属層とヒートシンクとを接合することが可能となる。なお、絶縁回路基板の金属層のヒートシンクとの接合面および積層ろう材のＡｌ部材層を構成しているＡｌ部材としては、純ＡｌもしくはＳｉ含有量が０．１原子％未満のＡｌ合金を用いることができる。
Here, in the method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink according to the present invention, the Al member constituting the heat sink is the Al—Si alloy, and the Mg layer is in contact with the heat sink in the stacking step. The laminated brazing material may be disposed.
In this case, Mg in the Mg layer diffuses into the Al—Si alloy constituting the heat sink, so that a region where Al, Mg 2 Si, and Mg coexist, and Al, Mg 2 Si, and Si coexist. A region is formed. Accordingly, it is possible to bond the metal layer and the heat sink by generating a liquid phase by heating at a relatively low temperature. As the Al member constituting the joint surface of the metal layer of the insulated circuit board with the heat sink and the Al member layer of the laminated brazing material, pure Al or an Al alloy having a Si content of less than 0.1 atomic% is used. be able to.
また、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法においては、前記ろう材の前記Ａｌ部材層を構成するＡｌ部材が前記Ａｌ−Ｓｉ合金であってもよい。
この場合は、積層ろう材のＡｌ部材層を構成しているＡｌ−Ｓｉ合金中にＭｇ層中のＭｇが拡散することによって、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。よって、比較的低温での加熱により液相を生成して、金属層とヒートシンクとを接合することが可能となる。なお、絶縁回路基板の金属層のヒートシンクとの接合面およびヒートシンクを構成しているＡｌ部材としては、純ＡｌもしくはＳｉ含有量が０．１原子％未満のＡｌ合金を用いることができる。
In the method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink according to the present invention, the Al member constituting the Al member layer of the brazing material may be the Al-Si alloy.
In this case, Mg in the Mg layer diffuses into the Al—Si alloy constituting the Al member layer of the laminated brazing material, so that a region where Al, Mg 2 Si, and Mg coexist or Al and Mg 2 are mixed. A region where Si and Si coexist is formed. Accordingly, it is possible to bond the metal layer and the heat sink by generating a liquid phase by heating at a relatively low temperature. In addition, as a joining surface with the heat sink of the metal layer of an insulated circuit board and Al member which comprises a heat sink, pure Al or Al alloy whose Si content is less than 0.1 atomic% can be used.
ここで、前記Ｍｇ層のＭｇ量〔Ｍｇ〕と前記ろう材の前記Ａｌ部材層のＳｉ量〔Ｓｉ〕と原子比〔Ｍｇ〕／〔Ｓｉ〕は２．０未満であることが好ましい。
この場合、ＭｇとＳｉとが反応してＭｇ２Ｓｉが生成されるが、Ｍｇ２Ｓｉの生成に使われたＳｉ以外の余剰のＳｉが金属層とヒートシンクとの間に存在することで、接合界面の組成がＡｌ−Ｍｇ２Ｓｉ−Ｓｉの擬３元系となり、固相線温度が低くなる。よって、比較的低温条件であっても、接合界面に液相を出現させることができ、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとを確実に接合することができる。
Here, the Mg amount [Mg] of the Mg layer, the Si amount [Si] of the Al member layer of the brazing material, and the atomic ratio [Mg] / [Si] are preferably less than 2.0.
In this case, Mg 2 Si reacts to produce Mg 2 Si, but excess Si other than Si used for the production of Mg 2 Si exists between the metal layer and the heat sink. The composition of the interface becomes a pseudo-ternary system of Al—Mg 2 Si—Si, and the solidus temperature is lowered. Therefore, even under a relatively low temperature condition, a liquid phase can appear at the bonding interface, and the metal layer of the insulating circuit board and the heat sink can be reliably bonded.
さらに、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法においては、前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面を構成するＡｌ部材が前記Ａｌ−Ｓｉ合金であって、前記積層工程において、前記Ｍｇ層が前記金属層と接触するように、前記積層ろう材を配置してもよい。
この場合は、絶縁回路基板の金属層を構成しているＡｌ−Ｓｉ合金中にＭｇ層中のＭｇが拡散することによって、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。よって、比較的低温での加熱により液相を生成して、金属層とヒートシンクとを接合することが可能となる。なお、積層ろう材のＡｌ部材層およびヒートシンクを構成しているＡｌ部材としては、純ＡｌもしくはＳｉ含有量が０．１原子％未満のＡｌ合金を用いることができる。
Furthermore, in the method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink according to the present invention, the Al member constituting the joint surface of the metal layer with the heat sink is the Al-Si alloy, and in the laminating step, the Mg layer is The laminated brazing material may be disposed so as to be in contact with the metal layer.
In this case, Mg in the Mg layer diffuses into the Al-Si alloy constituting the metal layer of the insulated circuit board, so that a region where Al, Mg 2 Si, and Mg coexist, or Al and Mg 2 Si A region where Si and Si coexist is formed. Accordingly, it is possible to bond the metal layer and the heat sink by generating a liquid phase by heating at a relatively low temperature. In addition, as the Al member constituting the Al member layer of the laminated brazing material and the heat sink, pure Al or an Al alloy having a Si content of less than 0.1 atomic% can be used.
さらにまた、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法においては、前記加熱工程にて、前記積層体を積層方向に０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の圧力を付与しながら加熱することが好ましい。
この場合、絶縁回路基板及びヒートシンクに亀裂や破損を生じさせずに、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとを高い接合信頼性で確実に接合することが可能となる。
Furthermore, in the method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink according to the present invention, it is preferable that in the heating step, the laminate is heated while applying a pressure of 0.1 MPa to 3.5 MPa in the stacking direction.
In this case, the metal layer of the insulating circuit board and the heat sink can be reliably bonded with high bonding reliability without causing cracks or damage to the insulating circuit board and the heat sink.
本発明のヒートシンク付絶縁回路基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層とを有する絶縁回路基板と、ヒートシンクと、を備えたヒートシンク付絶縁回路基板であって、前記金属層は、前記ヒートシンクとの接合面がＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材で構成され、前記ヒートシンクは、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料で構成されており、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に接合層が形成されており、当該接合層内に、Ｍｇ２Ｓｉ相が分散されていることを特徴としている。 An insulated circuit board with a heat sink according to the present invention includes an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, and a metal layer formed on the other surface of the insulating layer; A heat sink, and an insulating circuit board with a heat sink, wherein the metal layer is composed of an Al member having a joint surface with the heat sink made of Al or an Al alloy, and the heat sink is made of Al or an Al alloy. It is composed of an Al-based composite material in which an Al member made of Al or an Al alloy is filled in a member or a silicon carbide member, and a bonding layer is formed between the metal layer and the heat sink, A feature is that the Mg 2 Si phase is dispersed in the bonding layer.
この構成のヒートシンク付絶縁回路基板によれば、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に接合層が形成されており、当該接合層内に、Ｍｇ２Ｓｉ相が分散されているので、接合界面においてＭｇ層のＭｇとＡｌ−Ｓｉ合金のＳｉとが十分に反応していることになる。また、Ｍｇ層のＭｇによって、金属層の接合面及びヒートシンクの接合面に形成された酸化アルミニウム膜が除去される。
よって、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとの接合強度に優れたヒートシンク付絶縁回路基板を得ることができる。
According to the insulating circuit board with a heat sink having this configuration, a bonding layer is formed between the metal layer and the heat sink, and the Mg 2 Si phase is dispersed in the bonding layer. This means that Mg in the Mg layer and Si in the Al—Si alloy are sufficiently reacted. Moreover, the aluminum oxide film formed on the bonding surface of the metal layer and the bonding surface of the heat sink is removed by Mg of the Mg layer.
Therefore, it is possible to obtain an insulated circuit board with a heat sink excellent in bonding strength between the metal layer of the insulated circuit board and the heat sink.
ここで、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板においては、前記接合層には、Ｓｉ相が分散されていることが好ましい。
この場合、前記接合層にＳｉ相が分散されていることから、金属層とヒートシンクとの接合界面に存在するＳｉ量が、Ｍｇ量に対してＭｇ２Ｓｉの構成比よりも多くなっていることになり、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとが確実に接合することができる。
Here, in the insulated circuit board with a heat sink of the present invention, it is preferable that a Si phase is dispersed in the bonding layer.
In this case, since the Si phase is dispersed in the bonding layer, the amount of Si existing at the bonding interface between the metal layer and the heat sink is larger than the composition ratio of Mg 2 Si with respect to the amount of Mg. Thus, the metal layer of the insulated circuit board and the heat sink can be reliably bonded.
また、前記金属層のＡｌ部材及び前記ヒートシンクのＡｌ部材の内部に、Ｍｇ２Ｓｉ相が分散されていることが好ましい。
この場合、接合界面に配置されたＭｇが前記金属層のＡｌ部材及び前記ヒートシンクのＡｌ部材の内部にまで拡散しており、前記金属層の接合面及びヒートシンクの接合面に形成された酸化アルミニウム膜が確実に除去されており、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとの接合強度に優れている。
Moreover, it is preferable that the Mg 2 Si phase is dispersed inside the Al member of the metal layer and the Al member of the heat sink.
In this case, Mg arranged at the bonding interface diffuses into the Al member of the metal layer and the Al member of the heat sink, and the aluminum oxide film formed on the bonding surface of the metal layer and the bonding surface of the heat sink Is reliably removed, and the bonding strength between the metal layer of the insulated circuit board and the heat sink is excellent.
本発明によれば、絶縁回路基板の金属層とＡｌＳｉＣなどのアルミニウム合金を母材とするヒートシンクとをろう材を用いて、ヒートシンクの母材を溶融させずに、高い接合信頼性で接合できるヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付絶縁回路基板を提供することが可能となる。 According to the present invention, a heat sink that can be bonded with high bonding reliability without melting the base material of the heat sink by using the brazing material between the metal layer of the insulating circuit board and the heat sink having an aluminum alloy such as AlSiC as a base material. It becomes possible to provide a manufacturing method of an attached insulated circuit board and an insulated circuit board with a heat sink.
以下、図面を参照して、本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板、及び、ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法の一実施形態について説明する。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, an embodiment of an insulating circuit board with a heat sink and a method of manufacturing an insulating circuit board with a heat sink according to the present invention will be described with reference to the drawings. 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.
まず、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によって得られるヒートシンク付絶縁回路基板の構成を、図１と図２を参照して説明する。
図１は、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によって得られるヒートシンク付絶縁回路基板の一例を示す概略断面図である。図２は、図１における金属層とヒートシンクとの接合層の拡大断面図である。
First, the configuration of an insulated circuit board with a heat sink obtained by the method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an insulated circuit board with a heat sink obtained by the method for producing an insulated circuit board with a heat sink of the present invention. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a bonding layer between the metal layer and the heat sink in FIG.
図１において、ヒートシンク付絶縁回路基板１０は、絶縁回路基板２０と、絶縁回路基板２０の金属層２３に接合されたヒートシンク３０と、を備えている。 In FIG. 1, the insulated circuit board with heat sink 10 includes an insulated circuit board 20 and a heat sink 30 bonded to the metal layer 23 of the insulated circuit board 20.
絶縁回路基板２０は、絶縁層となるセラミックス基板２１と、このセラミックス基板２１の一方の面（図１において上面）に形成された回路層２２と、セラミックス基板２１の他方の面（図１において下面）に形成された金属層２３と、を備えている。 The insulating circuit board 20 includes a ceramic substrate 21 serving as an insulating layer, a circuit layer 22 formed on one surface (upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 21, and the other surface (lower surface in FIG. 1). And a metal layer 23 formed on the substrate.
セラミックス基板（絶縁層）２１は、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、セラミックス基板２１は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。セラミックス基板２１の厚さは、例えば、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。 The ceramic substrate (insulating layer) 21 is made of ceramics such as Si 3 N 4 (silicon nitride), AlN (aluminum nitride), and Al 2 O 3 (alumina) that are excellent in insulation and heat dissipation. In the present embodiment, the ceramic substrate 21 is made of AlN (aluminum nitride). The thickness of the ceramic substrate 21 is set within a range of 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, for example, and is set to 0.635 mm in the present embodiment.
回路層２２は、セラミックス基板２１の一方の面にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が接合されることで形成されている。Ａｌ部材としては、純度が９９質量％以上のＡｌ（２Ｎアルミニウム）や純度が９９．９９質量％以上のＡｌ（４Ｎアルミニウム）を用いることができる。本実施形態では、４Ｎアルミニウムの圧延板を用いている。回路層２２の厚さは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．４ｍｍに設定されている。回路層２２とセラミックス基板２１とは、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されている。 The circuit layer 22 is formed by bonding an Al member made of Al or an Al alloy to one surface of the ceramic substrate 21. As the Al member, Al (2N aluminum) having a purity of 99% by mass or more and Al (4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more can be used. In this embodiment, a 4N aluminum rolled plate is used. The thickness of the circuit layer 22 is set in a range of 0.1 mm to 1.0 mm, and is set to 0.4 mm in the present embodiment. The circuit layer 22 and the ceramic substrate 21 are joined by, for example, an Al—Si brazing material.
回路層２２の材料としては、Ａｌ部材以外に、ＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ部材を用いることができる。例えば、セラミックス基板２１に無酸素銅の圧延板を接合して回路層２２とすることができる。また、回路層２２として、Ａｌ部材とＣｕ部材とを接合した接合体を用いてもよい。例えば、セラミックス基板２１にＡｌ部材を接合し、さらにそのＡｌ部材にＣｕ部材を接合した接合体を回路層２２とすることができる。Ａｌ部材とＣｕ部材とを接合する場合は、Ａｌ部材とＣｕ部材との間にＴｉからなるＴｉ部材を介在させることが好ましい。Ｔｉ部材を介在させることによって、後述する製造方法において、加熱工程をＡｌとＣｕの共晶温度（５４０℃）以上の温度で行うことができる。 As a material of the circuit layer 22, a Cu member made of Cu or a Cu alloy can be used in addition to the Al member. For example, an oxygen-free copper rolled plate can be joined to the ceramic substrate 21 to form the circuit layer 22. Further, as the circuit layer 22, a joined body in which an Al member and a Cu member are joined may be used. For example, a joined body in which an Al member is joined to the ceramic substrate 21 and a Cu member is joined to the Al member can be used as the circuit layer 22. When joining the Al member and the Cu member, it is preferable to interpose a Ti member made of Ti between the Al member and the Cu member. By interposing the Ti member, the heating step can be performed at a temperature equal to or higher than the eutectic temperature of Al and Cu (540 ° C.) in the manufacturing method described later.
金属層２３は、セラミックス基板２１の他方の面にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が接合されることで形成されている。金属層２３の厚さは、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．４ｍｍに設定されている。金属層２３とセラミックス基板２１とは、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されている。 The metal layer 23 is formed by bonding an Al member made of Al or an Al alloy to the other surface of the ceramic substrate 21. The thickness of the metal layer 23 is set within a range of 0.1 mm to 3.0 mm, and is set to 0.4 mm in the present embodiment. The metal layer 23 and the ceramic substrate 21 are joined by, for example, an Al—Si brazing material.
ヒートシンク３０は、絶縁回路基板２０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク３０は、Ａｌ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料から構成されている。Ａｌ合金としては、純Ａｌ（例えば、Ａ１０５０）、Ａｌ−Ｍｎ系合金（例えば、Ａ３００３）、Ａｌ−Ｓｉ系合金（例えば、Ａ４０４３）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（例えば、Ａ６０６３）を用いることができる。Ａｌ基複合材料としては、ＡｌＳｉＣを用いることができる。ＡｌＳｉＣは、被覆層を有してもよいし、有していなくてもよい。 The heat sink 30 is for dissipating heat on the insulated circuit board 20 side. The heat sink 30 is made of an Al base composite material in which an Al member made of an Al alloy or a silicon carbide member is filled with an Al member made of Al or an Al alloy. As the Al alloy, pure Al (eg, A1050), Al—Mn alloy (eg, A3003), Al—Si alloy (eg, A4043), or Al—Mg—Si alloy (eg, A6063) should be used. Can do. AlSiC can be used as the Al-based composite material. AlSiC may or may not have a coating layer.
絶縁回路基板２０の金属層２３とヒートシンク３０との間には、接合層４０が形成されている。接合層４０は、図２に示すように、Ｍｇ２ＳｉからなるＭｇ２Ｓｉ相４１が分散された組織を有する。このＭｇ２Ｓｉ相４１が分散されている接合層４０は、次に述べる製造方法によって、金属層２３とヒートシンク３０とを接合することによって形成される。 A bonding layer 40 is formed between the metal layer 23 of the insulated circuit board 20 and the heat sink 30. Bonding layer 40, as shown in FIG. 2, has a structure in which Mg 2 Si phase 41 consisting of Mg 2 Si is dispersed. The bonding layer 40 in which the Mg 2 Si phase 41 is dispersed is formed by bonding the metal layer 23 and the heat sink 30 by the manufacturing method described below.
なお、図２に示すように、接合層４０には、Ｓｉ単体相４２も分散している。さらに、Ｍｇ２Ｓｉ相４１は、金属層２３とヒートシンク３０の内部にも分散している。
なお、Ｍｇ２Ｓｉ相４１は、ＳｉとＭｇとの包晶反応で形成されることから、Ｍｇ２Ｓｉ相４１の中心にＳｉが存在し、このＳｉの周囲にＭｇ２Ｓｉが形成されている場合もある。
ここで、接合層４０の厚さｔは、３μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とされている。なお、ヒートシンク３０の接合面及び金属層２３の接合面には、酸化アルミニウム膜とＭｇとが反応して形成されたＭｇ酸化物（ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４（スピネル）等）が存在しており、それぞれ酸素偏析層として観察されるため、これら酸素偏析層に挟まれた領域が接合層４０となる。
As shown in FIG. 2, the Si single phase 42 is also dispersed in the bonding layer 40. Furthermore, the Mg 2 Si phase 41 is also dispersed inside the metal layer 23 and the heat sink 30.
Since the Mg 2 Si phase 41 is formed by a peritectic reaction between Si and Mg, Si exists in the center of the Mg 2 Si phase 41 and Mg 2 Si is formed around the Si. In some cases.
Here, the thickness t of the bonding layer 40 is in the range of 3 μm to 50 μm. Note that Mg oxide (MgO, MgAl 2 O 4 (spinel), etc.) formed by a reaction between the aluminum oxide film and Mg exists on the bonding surface of the heat sink 30 and the bonding surface of the metal layer 23. Since each is observed as an oxygen segregation layer, the region sandwiched between these oxygen segregation layers becomes the bonding layer 40.
次に、図1と図２に示す上記構成のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する。
（第１実施形態）
図３は、第１実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。
Next, a method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink having the above-described configuration shown in FIGS. 1 and 2 will be described.
(First embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink according to the first embodiment.
第１実施形態のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法では、先ず、図３（ａ）に示すように、絶縁回路基板２０と、積層ろう材５０Ｓと、ヒートシンク３０とを用意する。 In the method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink according to the first embodiment, first, as shown in FIG. 3A, an insulated circuit board 20, a laminated brazing material 50S, and a heat sink 30 are prepared.
本実施形態において、絶縁回路基板２０は、セラミックス基板２１の一方の面及び他方の面に純度が９９．９９質量％以上のＡｌ（４Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで製造されている。 In the present embodiment, the insulated circuit board 20 is manufactured by bonding a rolled sheet of Al (4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to one surface and the other surface of the ceramic substrate 21.
積層ろう材５０Ｓは、Ｓｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金からなる箔状のＡｌ部材で構成されているＡｌ部材層５１Ｓと、このＡｌ部材層５１Ｓの表裏面の一方の面（図３（ａ）において下面）に形成されたＭｇ層５２とからなる。なお、Ａｌ部材層５１ＳのＳｉ含有量は１２．５原子％以下とすることが望ましい。Ｓｉ含有量が１２．５原子％を超えると、箔状のＡｌ部材とすることが難しくなる。
また、Ｍｇ層５２は、Ａｌ部材層５１の表裏両面に形成してもよい。
Ａｌ部材層５１Ｓの厚さは、３μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。
Ｍｇ層５２は、Ｍｇ濃度が８０原子％以上であることが好ましく、９０原子％以上であることが特に好ましい。Ｍｇ層５２のＭｇ濃度が８０原子％以上であると、後述する加熱工程においてＭｇ２Ｓｉが生成し易くなる。
Ｍｇ層５２の厚さは、０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。Ｍｇ層５２の厚さが薄くなりすぎと、後述する加熱工程の際に生成するＭｇ２Ｓｉの量が少なくなり、金属層２３とヒートシンク３０とを接合するのが困難になるおそれがある。一方、Ｍｇ層５２の厚さが厚くなりすぎると、後述する加熱工程の際に、Ａｌ−Ｍｇ合金の液相が過剰に生成して、金属層２３とヒートシンク３０との接合層にろうこぶが発生するおそれがある。また、接合層にボイドが生じ、熱抵抗となるおそれがある。なお、Ｍｇ層５２をＡｌ部材層５１Ｓの表裏両面に形成した場合、Ｍｇ層５２の厚さはその合計の厚さである。
The laminated brazing material 50S includes an Al member layer 51S made of a foil-like Al member made of an Al—Si alloy having an Si content of 0.1 atomic% or more, and one of the front and back surfaces of the Al member layer 51S. It comprises an Mg layer 52 formed on the surface (the lower surface in FIG. 3A). The Si content of the Al member layer 51S is desirably 12.5 atomic% or less. If the Si content exceeds 12.5 atomic%, it becomes difficult to obtain a foil-shaped Al member.
The Mg layer 52 may be formed on both the front and back surfaces of the Al member layer 51.
The thickness of the Al member layer 51S is preferably in the range of 3 μm to 50 μm.
The Mg layer 52 preferably has an Mg concentration of 80 atomic% or more, and particularly preferably 90 atomic% or more. When the Mg concentration of the Mg layer 52 is 80 atomic% or more, Mg 2 Si is easily generated in the heating process described later.
The thickness of the Mg layer 52 is preferably in the range of 0.1 μm to 10 μm. If the thickness of the Mg layer 52 becomes too thin, the amount of Mg 2 Si generated during the heating step described later decreases, and it may be difficult to join the metal layer 23 and the heat sink 30. On the other hand, if the thickness of the Mg layer 52 becomes too thick, an excessive liquid phase of an Al—Mg alloy is generated during the heating process described later, and a wax is formed on the bonding layer between the metal layer 23 and the heat sink 30. May occur. In addition, voids are generated in the bonding layer, which may cause thermal resistance. When the Mg layer 52 is formed on both the front and back surfaces of the Al member layer 51S, the thickness of the Mg layer 52 is the total thickness.
積層ろう材５０Ｓは、Ａｌ部材層５１Ｓの表裏面にＭｇ層５２を形成することによって製造することができる。Ｍｇ層５２を形成する方法としては、Ｍｇターゲットを用いたスパッタ法あるいはＭｇ粉末のペーストを塗布して乾燥する方法、蒸着法等を用いることができる。 The laminated brazing material 50S can be manufactured by forming the Mg layer 52 on the front and back surfaces of the Al member layer 51S. As a method of forming the Mg layer 52, a sputtering method using an Mg target, a method of applying and drying a paste of Mg powder, a vapor deposition method, or the like can be used.
ここで、本実施形態においては、Ｍｇ層５２のＭｇ量〔Ｍｇ〕と積層ろう材５０ＳのＡｌ部材層５１ＳのＳｉ量〔Ｓｉ〕と原子比〔Ｍｇ〕／〔Ｓｉ〕が２．０未満となるように、Ｍｇ層５２のＭｇ濃度及び厚さ、Ａｌ部材層５１ＳのＳｉ濃度及び厚さを調整している。 Here, in the present embodiment, the Mg amount [Mg] of the Mg layer 52 and the Si amount [Si] of the Al member layer 51S of the laminated brazing material 50S and the atomic ratio [Mg] / [Si] are less than 2.0. Thus, the Mg concentration and thickness of the Mg layer 52 and the Si concentration and thickness of the Al member layer 51S are adjusted.
ヒートシンク３０は、純Ａｌ又はＳｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＳｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金又は純ＡｌからなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料（ＡｌＳｉＣ）で構成されている。
本実施形態では、ＡｌＳｉＣで構成されている。
The heat sink 30 is an Al member made of pure Al or an Al—Si alloy having a Si content of 0.1 atomic% or more, or an Al—Si alloy having a Si content of 0.1 atomic% or more in a silicon carbide member. It is made of an Al-based composite material (AlSiC) filled with an Al member made of pure Al.
In this embodiment, it is made of AlSiC.
次に、図３（ｂ）に示すように、絶縁回路基板２０と、積層ろう材５０Ｓと、ヒートシンク３０とを積層して積層体１１ａを形成する（積層工程）。図３（ｂ）において、積層ろう材５０Ｓは、Ｍｇ層５２がヒートシンク３０と接触するように配置されているが、本実施形態では積層ろう材５０Ｓの配置の向きに特に制限はない。積層ろう材５０ＳのＭｇ層５２が金属層２３と接触するように配置されていてもよい。 Next, as shown in FIG. 3B, the insulating circuit board 20, the laminated brazing material 50S, and the heat sink 30 are laminated to form a laminated body 11a (lamination step). In FIG. 3B, the laminated brazing material 50S is arranged so that the Mg layer 52 is in contact with the heat sink 30. However, in this embodiment, the arrangement direction of the laminated brazing material 50S is not particularly limited. The Mg layer 52 of the laminated brazing material 50 </ b> S may be disposed so as to be in contact with the metal layer 23.
次に、積層体１１ａを加熱して、金属層２３とヒートシンク３０とを接合する（加熱工程）。加熱工程において、積層体１１ａを加熱することによって、積層ろう材のＭｇ層５２のＭｇがヒートシンク３０のＡｌ−Ｓｉ合金中に拡散し、Ａｌ−Ｓｉ合金中のＳｉと拡散してきたＭｇとが反応することによって高濃度のＭｇ２Ｓｉが生成され、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。そして、金属層２３とヒートシンク３０とはともにＡｌ部材から構成されているので、この液相は、金属層２３とヒートシンク３０とに拡散し、両者が接合される。
加熱工程において、積層体１１ａの加熱温度は、５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲である。積層体１１ａの加熱温度が低くなりすぎると、液相の生成量が少なくなるため接合性が低下する。一方、積層体１１ａの加熱温度が高くなりすぎると、ろうこぶやヒートシンク３０の母材の溶融が生じる。
本実施形態では、Ｍｇ層５２のＭｇ量〔Ｍｇ〕と積層ろう材５０ＳのＡｌ部材層５１ＳのＳｉ量〔Ｓｉ〕と原子比〔Ｍｇ〕／〔Ｓｉ〕が２．０未満となるように、Ｍｇ層５２のＭｇ濃度及び厚さ、Ａｌ部材層５１ＳのＳｉ濃度及び厚さを調整していることから、接合界面の組成がＡｌ−Ｍｇ２Ｓｉ−Ｓｉの擬３元系となり、固相線温度が低くなるため、積層体１１ａの加熱温度を低温条件とすることができる。
Next, the stacked body 11a is heated to join the metal layer 23 and the heat sink 30 (heating process). In the heating step, by heating the laminated body 11a, Mg in the Mg layer 52 of the laminated brazing material diffuses into the Al—Si alloy of the heat sink 30, and Si in the Al—Si alloy reacts with the diffused Mg. As a result, a high concentration of Mg 2 Si is generated, and a region where Al, Mg 2 Si, and Mg coexist or a region where Al, Mg 2 Si, and Si coexist are formed. And since both the metal layer 23 and the heat sink 30 are comprised from the Al member, this liquid phase diffuses into the metal layer 23 and the heat sink 30, and both are joined.
In the heating step, the heating temperature of the stacked body 11a is in the temperature range of 550 ° C. or higher and 575 ° C. or lower. If the heating temperature of the laminated body 11a is too low, the amount of liquid phase generated is reduced, so that the bondability is lowered. On the other hand, if the heating temperature of the laminated body 11a becomes too high, melting of the base material of the solder bump and the heat sink 30 occurs.
In the present embodiment, the Mg amount [Mg] of the Mg layer 52 and the Si amount [Si] of the Al member layer 51S of the laminated brazing material 50S and the atomic ratio [Mg] / [Si] are less than 2.0. Since the Mg concentration and thickness of the Mg layer 52 and the Si concentration and thickness of the Al member layer 51S are adjusted, the composition of the bonding interface becomes an Al—Mg 2 Si—Si pseudo ternary system, and the solid line Since temperature becomes low, the heating temperature of the laminated body 11a can be made into low temperature conditions.
加熱工程において、積層体１１ａの加熱は、積層体１１ａを積層方向に０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の圧力を付与しながら行うことが好ましい。付与する圧力が低くなりすぎると、液相が絶縁回路基板２０の金属層２３とヒートシンク３０とに拡散しにくくなるおそれがある。付与する圧力が高くなりすぎると、絶縁回路基板２０及びヒートシンク３０に亀裂や破損が生じるおそれがある。 In the heating step, it is preferable to heat the stacked body 11a while applying a pressure of 0.1 MPa to 3.5 MPa in the stacking direction of the stacked body 11a. If the applied pressure is too low, the liquid phase may be difficult to diffuse into the metal layer 23 and the heat sink 30 of the insulated circuit board 20. If the applied pressure becomes too high, the insulating circuit board 20 and the heat sink 30 may be cracked or damaged.
加熱温度での保持時間は、１０分以上１８０分以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
加熱は、１０−６Ｐａ以上１０−２Ｐａ以下の真空又は、窒素雰囲気等の不活性雰囲気で行うことが好ましい。
The holding time at the heating temperature is preferably set within a range of 10 minutes to 180 minutes.
Heating is preferably performed in a vacuum of 10 −6 Pa to 10 −2 Pa or an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere.
上述のような条件で接合することにより、図２に示すように、Ｍｇ２Ｓｉ相４１が分散された接合層４０が形成される。図４に示すように、昇温過程においてＭｇ層５２のＭｇが積層ろう材５０ＳのＡｌ部材層５１Ｓの内部へと拡散し、Ｍｇ２Ｓｉ相４１が形成される。そして、加熱温度で保持している際に、液相が出現するとともに、金属層２３の接合面及びヒートシンク３０の接合面に形成された酸化アルミニウム膜２３Ａ、３０ＡとＭｇ２Ｓｉ相４１とが以下のように反応式で反応し、酸化アルミニウム膜が除去され、Ｍｇ酸化物（ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４（スピネル）等）が形成される。なお、余剰のＳｉがＳｉ単体相４２として残存する。
３Ｍｇ２Ｓｉ＋８Ａｌ２Ｏ３ → ６ＭｇＡｌ２Ｏ４＋３Ｓｉ
３Ｍｇ２Ｓｉ＋２Ａｌ２Ｏ３ → ６ＭｇＯ＋３Ｓｉ
そして、接合後には、接合層４０の内部にＭｇ２Ｓｉ相４１及びＳｉ単体相４２が分散される。また、ヒートシンク３０及び金属層２３の内部にまでＭｇ２Ｓｉ相４１が分散されている。
By bonding under the above-described conditions, the bonding layer 40 in which the Mg 2 Si phase 41 is dispersed is formed as shown in FIG. As shown in FIG. 4, Mg in the Mg layer 52 diffuses into the Al member layer 51 </ b > S of the laminated brazing material 50 </ b > S in the temperature rising process, and the Mg 2 Si phase 41 is formed. Then, when held at the heating temperature, together with a liquid phase appears, joint surface and aluminum oxide film 23A formed on the bonding surface of the heat sink 30 of the metal layer 23, and the 30A and Mg 2 Si phase 41 below Thus, the aluminum oxide film is removed by the reaction formula, and Mg oxide (MgO, MgAl 2 O 4 (spinel), etc.) is formed. Excess Si remains as the Si single phase 42.
3Mg 2 Si + 8Al 2 O 3 → 6MgAl 2 O 4 + 3Si
3Mg 2 Si + 2Al 2 O 3 → 6MgO + 3Si
After the bonding, the Mg 2 Si phase 41 and the Si single phase 42 are dispersed inside the bonding layer 40. Further, the Mg 2 Si phase 41 is dispersed even inside the heat sink 30 and the metal layer 23.
また、Ｍｇ層５２のＭｇ量〔Ｍｇ〕と積層ろう材５０ＳのＡｌ部材層５１ＳのＳｉ量〔Ｓｉ〕と原子比〔Ｍｇ〕／〔Ｓｉ〕が２．０未満となるように、Ｍｇ層５２のＭｇ濃度及び厚さ、Ａｌ部材層５１ＳのＳｉ濃度及び厚さを調整しているので、接合界面の組成がＡｌ−Ｍｇ２Ｓｉ−Ｓｉの擬３元系となり、固相線温度が低くなる。よって、比較的低温条件であっても、接合界面に液相を出現させることができ、絶縁回路基板２０の金属層２３とヒートシンク３０とを確実に接合することができる。 Further, the Mg layer 52 so that the Mg amount [Mg] of the Mg layer 52 and the Si amount [Si] of the Al member layer 51S of the laminated brazing filler metal 50S and the atomic ratio [Mg] / [Si] are less than 2.0. Since the Mg concentration and thickness of Si and the Si concentration and thickness of the Al member layer 51S are adjusted, the composition of the bonding interface becomes an Al—Mg 2 Si—Si pseudo-ternary system, and the solidus temperature decreases. . Therefore, even under a relatively low temperature condition, a liquid phase can appear at the bonding interface, and the metal layer 23 of the insulating circuit board 20 and the heat sink 30 can be reliably bonded.
なお、Ａｌ−Ｓｉ合金（Ｓｉ濃度１２．５ｍａｓｓ％以下）からなるＡｌ部材層５１Ｓの厚さが５０μｍを超えた場合、あるいは、Ｍｇ層５２の厚さが２．０μｍを超える場合には、液相が増加し、ろうこぶが生じるおそれがあるため、Ａｌ部材層５１Ｓの厚さは５０μｍ以下、Ｍｇ層５２の厚さは２．０μｍ以下とすることが好ましい。 When the thickness of the Al member layer 51S made of an Al—Si alloy (Si concentration of 12.5 mass% or less) exceeds 50 μm, or when the thickness of the Mg layer 52 exceeds 2.0 μm, the liquid Since the phase may increase and a hump may occur, the thickness of the Al member layer 51S is preferably 50 μm or less and the thickness of the Mg layer 52 is preferably 2.0 μm or less.
（第２実施形態）
図５は、第１実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the insulated circuit board with a heat sink according to the first embodiment.
第２実施形態のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法では、先ず、図５（ａ）に示すように、絶縁回路基板２０と、積層ろう材５０と、ヒートシンク３０Ｓとを用意する。 In the method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink according to the second embodiment, first, as shown in FIG. 5A, an insulated circuit board 20, a laminated brazing material 50, and a heat sink 30S are prepared.
本実施形態において、絶縁回路基板２０は、セラミックス基板２１の一方の面及び他方の面に純度が９９．９９質量％以上のＡｌ（４Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで製造されている。 In the present embodiment, the insulated circuit board 20 is manufactured by bonding a rolled sheet of Al (4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to one surface and the other surface of the ceramic substrate 21.
積層ろう材５０は、純ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材で構成されているＡｌ部材層５１と、このＡｌ部材層５１の表裏面の一方の面（図５（ａ）において下面）に形成されたＭｇ層５２とからなる。なお、Ｍｇ層５２は、Ａｌ部材層５１の表裏両面に形成してもよい。
Ａｌ部材層５１は、純度９９．９９質量％以上の純ＡｌまたはＳｉ含有量が０．１原子％未満であるＡｌ合金で構成されていることが好ましい。Ａｌ部材層５１の厚さは、３μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。
The laminated brazing material 50 is formed on an Al member layer 51 made of an Al member made of pure Al or an Al alloy, and one surface (the lower surface in FIG. 5A) of the front and back surfaces of the Al member layer 51. Mg layer 52. The Mg layer 52 may be formed on both the front and back surfaces of the Al member layer 51.
The Al member layer 51 is preferably made of pure Al having a purity of 99.99% by mass or more or an Al alloy having a Si content of less than 0.1 atomic%. The thickness of the Al member layer 51 is preferably in the range of 3 μm to 50 μm.
Ｍｇ層５２は、Ｍｇ濃度が８０原子％以上であることが好ましく、９０原子％以上であることが特に好ましい。Ｍｇ層５２のＭｇ濃度が８０原子％以上であると、後述する加熱工程においてＳｉが拡散し易くなり、Ｍｇ２Ｓｉが生成し易くなる。また、Ｍｇ層５２の厚さは、０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。Ｍｇ層５２の厚さが薄くなりすぎと、後述する加熱工程の際に生成するＭｇ２Ｓｉの量が少なくなり、金属層２３とヒートシンク３０Ｓとを接合するのが困難になるおそれがある。一方、Ｍｇ層５２の厚さが厚くなりすぎると、後述する加熱工程の際に、Ａｌ−Ｍｇ合金の液相が過剰に生成して、金属層２３とヒートシンク３０Ｓとの接合層にろうこぶが発生するおそれがある。 The Mg layer 52 preferably has an Mg concentration of 80 atomic% or more, and particularly preferably 90 atomic% or more. When the Mg concentration of the Mg layer 52 is 80 atomic% or more, Si is easily diffused in a heating process described later, and Mg 2 Si is easily generated. The thickness of the Mg layer 52 is preferably in the range of 0.1 μm or more and 10 μm or less. If the thickness of the Mg layer 52 becomes too thin, the amount of Mg 2 Si generated during the heating process described later decreases, which may make it difficult to join the metal layer 23 and the heat sink 30S. On the other hand, when the thickness of the Mg layer 52 becomes too thick, an excessive liquid phase of Al—Mg alloy is generated during the heating process described later, and a wax is formed on the bonding layer between the metal layer 23 and the heat sink 30S. May occur.
積層ろう材５０は、Ａｌ部材層５１の表裏面にＭｇ層５２を形成することによって製造することができる。Ｍｇ層５２を形成する方法としては、Ｍｇターゲットを用いたスパッタ法あるいはＭｇ粉末のペーストを塗布して乾燥する方法や蒸着法を用いることができる。 The laminated brazing material 50 can be manufactured by forming the Mg layer 52 on the front and back surfaces of the Al member layer 51. As a method of forming the Mg layer 52, a sputtering method using an Mg target, a method of applying and drying a paste of Mg powder, or a vapor deposition method can be used.
ヒートシンク３０Ｓは、Ｓｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＳｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料で構成されている。
本実施形態では、ヒートシンク３０Ｓは、炭化ケイ素中にＳｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌＳｉＣで構成されている。
The heat sink 30S is an Al member made of an Al—Si alloy having a Si content of 0.1 atomic% or more, or an Al member made of an Al—Si alloy having a Si content of 0.1 atomic% or more in a silicon carbide member. It is comprised with the Al group composite material with which it filled.
In the present embodiment, the heat sink 30S is made of AlSiC in which silicon carbide is filled with an Al member made of an Al—Si alloy having a Si content of 0.1 atomic% or more.
次に、図５（ｂ）に示すように、絶縁回路基板２０と、積層ろう材５０と、ヒートシンク３０Ｓとを積層して積層体１１ｂを形成する（積層工程）。本実施形態では、Ｍｇ層５２がヒートシンク３０Ｓと接触するように、積層ろう材５０を配置する。 Next, as shown in FIG. 5B, the insulating circuit board 20, the laminated brazing material 50, and the heat sink 30S are laminated to form a laminated body 11b (lamination step). In the present embodiment, the laminated brazing material 50 is disposed so that the Mg layer 52 is in contact with the heat sink 30S.
次に、積層体１１ｂを加熱して、金属層２３とヒートシンク３０Ｓとを接合する（加熱工程）。加熱工程において、積層体１１ｂを加熱することによって、積層ろう材のＭｇ層５２のＭｇがヒートシンク３０ＳのＡｌ−Ｓｉ合金中に拡散し、Ａｌ−Ｓｉ合金中のＳｉと拡散してきたＭｇとが反応することによって高濃度のＭｇ２Ｓｉが生成され、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。そして、金属層２３とヒートシンク３０ＳとはともにＡｌ部材から構成されているので、この液相は、金属層２３とヒートシンク３０Ｓとに拡散し、両者が接合される。 Next, the stacked body 11b is heated to join the metal layer 23 and the heat sink 30S (heating step). In the heating process, by heating the laminated body 11b, Mg in the Mg layer 52 of the laminated brazing material diffuses into the Al—Si alloy of the heat sink 30S, and Si in the Al—Si alloy reacts with the diffused Mg. As a result, a high concentration of Mg 2 Si is generated, and a region where Al, Mg 2 Si, and Mg coexist or a region where Al, Mg 2 Si, and Si coexist are formed. And since both the metal layer 23 and the heat sink 30S are comprised from the Al member, this liquid phase diffuses into the metal layer 23 and the heat sink 30S, and both are joined.
加熱工程において、積層体１１ｂの加熱温度は、５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲にあることが好ましい。積層体１１ｂの加熱温度が低くなりすぎると、液相の生成量が少なくなるため接合性が低下する。一方、積層体１１ｂの加熱温度が高くなりすぎると、ろうこぶやヒートシンク３０の母材の溶融が生じる。 In the heating step, the heating temperature of the stacked body 11b is preferably in the temperature range of 550 ° C. or higher and 575 ° C. or lower. If the heating temperature of the laminated body 11b is too low, the amount of liquid phase generated is reduced, so that the bondability is lowered. On the other hand, when the heating temperature of the laminated body 11b becomes too high, melting of the base material of the solder bump and the heat sink 30 occurs.
加熱工程において、積層体１１ｂの加熱は、積層体１１ｂを積層方向に０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の圧力を付与しながら行うことが好ましい。付与する圧力が低くなりすぎると、液相が絶縁回路基板２０の金属層２３とヒートシンク３０Ｓとに拡散しにくくなるおそれがある。付与する圧力が高くなりすぎると、絶縁回路基板２０及びヒートシンク３０Ｓに亀裂や破損が生じるおそれがある。 In the heating step, it is preferable to heat the stacked body 11b while applying a pressure of 0.1 MPa to 3.5 MPa in the stacking direction of the stacked body 11b. If the applied pressure is too low, the liquid phase may not easily diffuse into the metal layer 23 of the insulating circuit board 20 and the heat sink 30S. If the applied pressure becomes too high, the insulating circuit board 20 and the heat sink 30S may be cracked or broken.
加熱工程において、積層体１１ｂの加熱温度、積層方向に付与する圧力、加熱時間および加熱条件（加熱雰囲気）は、上記の第１実施形態の場合と同様とすることができる。 In the heating step, the heating temperature of the stacked body 11b, the pressure applied in the stacking direction, the heating time, and the heating conditions (heating atmosphere) can be the same as those in the first embodiment.
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。なお、第３実施形態では第１実施形態および第２実施形態との相違点を中心に説明し、これらの実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付して再度の説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink according to the third embodiment. In the third embodiment, differences from the first embodiment and the second embodiment will be mainly described, and the same components as those in the embodiments will be denoted by the same reference numerals and the description thereof will not be repeated. To do.
第３実施形態のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法では、先ず、図６（ａ）に示すように、絶縁回路基板２０Ｓと、積層ろう材５０と、ヒートシンク３０とを用意する。 In the method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink according to the third embodiment, first, as shown in FIG. 6A, an insulated circuit board 20S, a laminated brazing material 50, and a heat sink 30 are prepared.
本実施形態においては、絶縁回路基板２０Ｓは、セラミックス基板２１の一方の面に純度が９９．９９質量％以上のＡｌ（４Ｎアルミニウム）の圧延板が接合され回路層２２を形成しており、他方の面にＳｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金の圧延板が接合され金属層２３Ｓを形成している。なお、Ｓｉの含有量は１２．５原子％以下であることが好ましい。Ｓｉの含有量が１２．５原子％を超えた場合、金属層２３Ｓが塑性変形しにくくなり、セラミックス基板２１との接合信頼性が低下するおそれがある。 In the present embodiment, the insulating circuit board 20S has a circuit layer 22 formed by bonding a rolled plate of Al (4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more to one surface of the ceramic substrate 21. On this surface, a rolled plate of an Al—Si alloy having a Si content of 0.1 atomic% or more is joined to form a metal layer 23S. In addition, it is preferable that content of Si is 12.5 atomic% or less. When the Si content exceeds 12.5 atomic%, the metal layer 23S is difficult to be plastically deformed, and the bonding reliability with the ceramic substrate 21 may be reduced.
積層ろう材５０は、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材で構成されているＡｌ部材層５１と、このＡｌ部材層５１の表裏面の一方の面（図６（ａ）において上面）に形成されたＭｇ層５２とからなる。 The laminated brazing material 50 is formed on an Al member layer 51 composed of an Al member made of Al or an Al alloy, and one surface (the upper surface in FIG. 6A) of the front and back surfaces of the Al member layer 51. It consists of Mg layer 52.
ヒートシンク３０は、Ａｌ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料で構成されている。 The heat sink 30 is made of an Al base composite material in which an Al member made of an Al alloy or a silicon carbide member is filled with an Al member made of Al or an Al alloy.
次に、図６（ｂ）に示すように、絶縁回路基板２０Ｓと、積層ろう材５０と、ヒートシンク３０とを積層して積層体１１ｃを形成する（積層工程）。本実施形態では、Ｍｇ層５２が金属層２３Ｓと接触するように、積層ろう材５０を配置する。 Next, as shown in FIG. 6B, the insulating circuit board 20S, the laminated brazing material 50, and the heat sink 30 are laminated to form a laminated body 11c (lamination process). In the present embodiment, the laminated brazing material 50 is disposed so that the Mg layer 52 is in contact with the metal layer 23S.
次に、積層体１１ｃを加熱して、金属層２３Ｓとヒートシンク３０とを接合する（加熱工程）。加熱工程において、積層体１１ｃを加熱することによって、積層ろう材のＭｇ層５２のＭｇが金属層２３Ｓに拡散し、金属層２３Ｓ中のＳｉと拡散してきたＭｇとが反応することによって高濃度のＭｇ２Ｓｉが生成され、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。そして、金属層２３Ｓとヒートシンク３０とはともにＡｌ部材から構成されているので、この液相は、金属層２３Ｓとヒートシンク３０とに拡散し、両者が接合される。 Next, the stacked body 11c is heated to join the metal layer 23S and the heat sink 30 (heating process). In the heating step, by heating the laminated body 11c, Mg in the Mg layer 52 of the laminated brazing material diffuses into the metal layer 23S, and Si in the metal layer 23S reacts with the diffused Mg to cause a high concentration. Mg 2 Si is generated, and a region where Al, Mg 2 Si, and Mg coexist or a region where Al, Mg 2 Si, and Si coexist are formed. And since both the metal layer 23S and the heat sink 30 are comprised from the Al member, this liquid phase diffuses into the metal layer 23S and the heat sink 30, and both are joined.
加熱工程において、積層体１１ｃの加熱温度、積層方向に付与する圧力、加熱時間および加熱条件（真空加熱炉内の圧力）は、上記の第１実施形態の場合と同様とすることができる。 In the heating step, the heating temperature of the stacked body 11c, the pressure applied in the stacking direction, the heating time, and the heating conditions (pressure in the vacuum heating furnace) can be the same as those in the first embodiment.
図１と図２に示す上記構成のヒートシンク付絶縁回路基板１０では、絶縁回路基板２０の金属層２３がＡｌ部材から構成されているが、金属層２３はヒートシンク３０との接合面がＡｌ部材から構成されていればよい。すなわち、絶縁回路基板２０の金属層２３は、ヒートシンクとの接合面がＡｌ部材から構成されていれば、二つの金属部材を接合した接合体としてもよい。
次に、絶縁回路基板の金属層が接合体とされているヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法について説明する。
In the insulated circuit board with heat sink 10 having the above-described configuration shown in FIGS. 1 and 2, the metal layer 23 of the insulated circuit board 20 is made of an Al member. It only has to be configured. That is, the metal layer 23 of the insulated circuit board 20 may be a joined body in which two metal members are joined as long as the joint surface with the heat sink is made of an Al member.
Next, a method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink in which the metal layer of the insulated circuit board is a bonded body will be described.
図７は、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によって得られるヒートシンク付絶縁回路基板の金属層が接合体とされている例を示す概略断面図である。なお、図７に示すヒートシンク付絶縁回路基板では、図１と図２に示すヒートシンク付絶縁回路基板と共通する構成要素については、同一の符号を付して再度の説明を省略する。 FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example in which the metal layer of the insulating circuit board with heat sink obtained by the method for manufacturing an insulating circuit board with heat sink of the present invention is a joined body. In the insulated circuit board with a heat sink shown in FIG. 7, the same components as those in the insulated circuit board with the heat sink shown in FIG. 1 and FIG.
図７において、ヒートシンク付絶縁回路基板６０は、絶縁回路基板７０と、絶縁回路基板の金属層に接合されたヒートシンク３０と、を備えている。 In FIG. 7, an insulated circuit board 60 with a heat sink includes an insulated circuit board 70 and a heat sink 30 bonded to a metal layer of the insulated circuit board.
絶縁回路基板７０は、絶縁層となるセラミックス基板７１と、このセラミックス基板７１の一方の面（図７において上面）に形成された回路層７２と、セラミックス基板２１の他方の面（図７において下面）に形成された金属層７３と、を備えている。 The insulated circuit board 70 includes a ceramic substrate 71 serving as an insulating layer, a circuit layer 72 formed on one surface (upper surface in FIG. 7) of the ceramic substrate 71, and the other surface (lower surface in FIG. 7). And a metal layer 73 formed on the substrate.
セラミックス基板（絶縁層）７１は、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、セラミックス基板７１は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。セラミックス基板２１の厚さは、例えば、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６３５ｍｍに設定されている。 The ceramic substrate (insulating layer) 71 is made of ceramics such as Si 3 N 4 (silicon nitride), AlN (aluminum nitride), and Al 2 O 3 (alumina) that are excellent in insulation and heat dissipation. In the present embodiment, the ceramic substrate 71 is made of AlN (aluminum nitride). The thickness of the ceramic substrate 21 is set within a range of 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, for example, and is set to 0.635 mm in the present embodiment.
回路層７２は、セラミックス基板７１の一方の面にＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ部材が接合されることで形成されている。Ｃｕ部材としては、無酸素銅を用いることができる。本実施形態では、無酸素銅の圧延板を用いている。回路層７２の厚さは０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．３ｍｍに設定されている。回路層７２とセラミックス基板７１とは、例えば、ＤＢＣ法あるいは活性金属ろう付け法によって接合されている。 The circuit layer 72 is formed by bonding a Cu member made of Cu or a Cu alloy to one surface of the ceramic substrate 71. As the Cu member, oxygen-free copper can be used. In this embodiment, an oxygen-free copper rolled plate is used. The thickness of the circuit layer 72 is set within a range of 0.05 mm to 1 mm, and is set to 0.3 mm in the present embodiment. The circuit layer 72 and the ceramic substrate 71 are bonded by, for example, the DBC method or the active metal brazing method.
回路層７２の材料としては、Ｃｕ部材以外にも、Ａｌ部材を用いることができる。また、回路層７２として、Ａｌ部材とＣｕ部材とを接合した接合体を用いてもよい。例えば、セラミックス基板７１にＡｌ部材を接合し、さらにそのＡｌ部材にＣｕ部材を接合して回路層７２とすることができる。Ａｌ部材とＣｕ部材とを接合する場合は、Ａｌ部材とＣｕ部材との間にＴｉ箔を介在させることが好ましい。 As a material of the circuit layer 72, an Al member can be used in addition to the Cu member. Further, as the circuit layer 72, a joined body in which an Al member and a Cu member are joined may be used. For example, the circuit layer 72 can be formed by bonding an Al member to the ceramic substrate 71 and further bonding a Cu member to the Al member. When joining an Al member and a Cu member, it is preferable to interpose a Ti foil between the Al member and the Cu member.
金属層７３は、セラミックス基板７１の他方の面に接合されているＣｕ部材金属層７４と、Ｃｕ部材金属層７４のセラミックス基板７１に接合されている面とは反対側の面に接合されているＴｉ部材金属層７５と、Ｔｉ部材金属層７５のＣｕ部材金属層７４に接合されている面とは反対側の面に接合されているＡｌ部材金属層７６とから構成されている。 The metal layer 73 is bonded to the Cu member metal layer 74 bonded to the other surface of the ceramic substrate 71 and the surface of the Cu member metal layer 74 opposite to the surface bonded to the ceramic substrate 71. The Ti member metal layer 75 and the Al member metal layer 76 bonded to the surface of the Ti member metal layer 75 opposite to the surface bonded to the Cu member metal layer 74 are configured.
Ｃｕ部材金属層７４は、セラミックス基板７１の他方の面にＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ部材が接合されることで形成されている。Ｃｕ部材としては、無酸素銅を用いることができる。本実施形態では、無酸素銅の圧延板を用いている。Ｃｕ部材金属層７４の厚さは０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．３ｍｍに設定されている。Ｃｕ部材金属層７４とセラミックス基板７１とは、例えば、ＤＢＣ法あるいは活性金属ろう付け法によって接合されている。 The Cu member metal layer 74 is formed by bonding a Cu member made of Cu or a Cu alloy to the other surface of the ceramic substrate 71. As the Cu member, oxygen-free copper can be used. In this embodiment, an oxygen-free copper rolled plate is used. The thickness of the Cu member metal layer 74 is set within a range of 0.05 mm to 1 mm, and is set to 0.3 mm in the present embodiment. The Cu member metal layer 74 and the ceramic substrate 71 are bonded by, for example, the DBC method or the active metal brazing method.
Ｔｉ部材金属層７５は、ＴｉからなるＴｉ部材から構成されている。Ｔｉ部材金属層７５の厚さは０．００３ｍｍ以上０．０５０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．０３ｍｍに設定されている。Ｔｉ部材金属層７５とＣｕ部材金属層７４とは、例えば、固相拡散接合によって接合されている。 The Ti member metal layer 75 is composed of a Ti member made of Ti. The thickness of the Ti member metal layer 75 is set in the range of 0.003 mm or more and 0.050 mm or less, and is set to 0.03 mm in this embodiment. The Ti member metal layer 75 and the Cu member metal layer 74 are bonded by, for example, solid phase diffusion bonding.
Ａｌ部材金属層７６は、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材から構成されている。Ａｌ部材金属層７６の厚さは、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．４ｍｍに設定されている。Ａｌ部材金属層７６とＴｉ部材金属層７５とは、例えば、固相拡散法によって接合されている。 The Al member metal layer 76 is made of an Al member made of Al or an Al alloy. The thickness of the Al member metal layer 76 is set in a range of 0.1 mm or more and 3.0 mm or less, and is set to 0.4 mm in the present embodiment. The Al member metal layer 76 and the Ti member metal layer 75 are bonded by, for example, a solid phase diffusion method.
Ａｌ部材金属層７６とヒートシンク３０は、積層ろう材を用いて接合されている。Ａｌ部材金属層７６とヒートシンク３０との接合層８０は、Ｍｇ２Ｓｉ相が形成されている。 The Al member metal layer 76 and the heat sink 30 are joined using a laminated brazing material. The bonding layer 80 between the Al member metal layer 76 and the heat sink 30 is formed with an Mg 2 Si phase.
次に、図７に示す上記構成のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink having the above-described configuration shown in FIG. 7 will be described.
（第４実施形態）
図８は、第４実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。なお、第４実施形態では第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態との相違点を中心に説明し、これらの実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付して再度の説明を省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink according to the fourth embodiment. In the fourth embodiment, differences from the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment will be mainly described. Components common to those embodiments are denoted by the same reference numerals. The description will not be repeated.
先ず、図８（ａ）に示すように、絶縁回路基板７０と、積層ろう材５０と、ヒートシンク３０とを用意する。 First, as shown in FIG. 8A, an insulating circuit board 70, a laminated brazing material 50, and a heat sink 30 are prepared.
絶縁回路基板７０は、セラミックス基板２１の一方の面に回路層７２となる板材が接合され、他方の面にＣｕ部材金属層７４となる板材とＴｉ部材金属層７５となる板材とＡｌ部材金属層７６となる板材が接合され、金属層７３が形成されている。本実施形態では、Ａｌ部材金属層７６は、純度が９９．９９質量％以上のＡｌ（４Ｎアルミニウム）の圧延板が接合されることで形成されている。 The insulating circuit board 70 has a plate material to be a circuit layer 72 bonded to one surface of the ceramic substrate 21, and a plate material to be a Cu member metal layer 74 and a plate material to be a Ti member metal layer 75 and an Al member metal layer to the other surface. The plate material which becomes 76 is joined, and the metal layer 73 is formed. In this embodiment, the Al member metal layer 76 is formed by joining rolled sheets of Al (4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more.
積層ろう材５０は、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材で構成されているＡｌ部材層５１と、このＡｌ部材層５１の表裏面の一方の面（図８（ａ）において下面）に形成されたＭｇ層５２とからなる。 The laminated brazing material 50 was formed on an Al member layer 51 composed of an Al member made of Al or an Al alloy, and on one surface (the lower surface in FIG. 8A) of the front and back surfaces of the Al member layer 51. It consists of Mg layer 52.
ヒートシンク３０Ｓは、Ｓｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＳｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料で構成されている。 The heat sink 30S is an Al member made of an Al—Si alloy having a Si content of 0.1 atomic% or more, or an Al member made of an Al—Si alloy having a Si content of 0.1 atomic% or more in a silicon carbide member. It is comprised with the Al group composite material with which it filled.
次に、図８（ｂ）に示すように、絶縁回路基板７０と、積層ろう材５０と、ヒートシンク３０Ｓとを積層して積層体を形成する（積層工程）。本実施形態では、Ｍｇ層５２がヒートシンク３０Ｓと接触するように、積層ろう材５０を配置する。 Next, as shown in FIG. 8B, the insulating circuit board 70, the laminated brazing material 50, and the heat sink 30S are laminated to form a laminated body (lamination step). In the present embodiment, the laminated brazing material 50 is disposed so that the Mg layer 52 is in contact with the heat sink 30S.
次に、積層体６１を加熱して、Ａｌ部材金属層７６とヒートシンク３０Ｓとを接合する（加熱工程）。加熱工程において、積層体を加熱することによって、積層ろう材のＭｇ層５２のＭｇがヒートシンク３０ＳのＡｌ−Ｓｉ合金中に拡散し、Ａｌ−Ｓｉ合金中のＳｉと拡散してきたＭｇとが反応することによって高濃度のＭｇ２Ｓｉが生成され、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。そして、Ａｌ部材金属層７６とヒートシンク３０ＳとはともにＡｌ部材から構成されているので、この液相は、Ａｌ部材金属層７６とヒートシンク３０Ｓとに拡散し、両者が接合される。 Next, the laminate 61 is heated to join the Al member metal layer 76 and the heat sink 30S (heating step). In the heating step, by heating the laminated body, Mg in the Mg layer 52 of the laminated brazing material diffuses into the Al—Si alloy of the heat sink 30S, and Si in the Al—Si alloy reacts with the diffused Mg. As a result, high-concentration Mg 2 Si is generated, and a region where Al, Mg 2 Si, and Mg coexist or a region where Al, Mg 2 Si, and Si coexist are formed. Since both the Al member metal layer 76 and the heat sink 30S are made of an Al member, this liquid phase diffuses into the Al member metal layer 76 and the heat sink 30S, and both are bonded.
加熱工程において、積層体の加熱温度、積層方向に付与する圧力、加熱時間および加熱条件（真空加熱炉内の圧力）は、上記の第１実施形態の場合と同様とすることができる。 In the heating step, the heating temperature of the laminate, the pressure applied in the stacking direction, the heating time, and the heating conditions (pressure in the vacuum heating furnace) can be the same as in the case of the first embodiment.
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、第１実施形態では、絶縁回路基板２０の金属層２３をＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ部材で構成して、金属層２３とヒートシンク３０の両方のＡｌ部材をＡｌ−Ｓｉ合金としてもよい。このとき、積層ろう材５０は、Ａｌ部材層５１の表裏両面にＭｇ層５２を形成して、金属層２３とヒートシンク３０の両者に、積層ろう材５０のＭｇ層５２を接触させることが好ましい。この場合、金属層２３とヒートシンク３０の両者にＭｇ層５２のＭｇが拡散するので、Ｍｇ２Ｓｉが生成しやすくなる。
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.
For example, in the first embodiment, the metal layer 23 of the insulated circuit board 20 may be formed of an Al member made of an Al—Si alloy, and the Al members of both the metal layer 23 and the heat sink 30 may be made of an Al—Si alloy. At this time, it is preferable that the laminated brazing material 50 has Mg layers 52 formed on both the front and back surfaces of the Al member layer 51, and the Mg layer 52 of the laminated brazing material 50 is brought into contact with both the metal layer 23 and the heat sink 30. In this case, Mg in the Mg layer 52 diffuses into both the metal layer 23 and the heat sink 30, so that Mg 2 Si is easily generated.
なお、絶縁回路基板は、金属層のヒートシンクとの接合面がＡｌ部材から構成されていればよく、その他の構成に特に制限はない。絶縁回路基板の回路層および金属層は、積層体の加熱工程において溶融しないように構成されていれば、種々の材料の接合体とすることができる。 The insulating circuit board is not particularly limited as long as the joining surface of the metal layer to the heat sink is made of an Al member. As long as the circuit layer and the metal layer of the insulating circuit board are configured not to melt in the heating process of the laminate, they can be joined to various materials.
また、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層にパワー半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。 Moreover, although this embodiment demonstrated as a thing which mounts a power semiconductor element in the circuit layer of an insulated circuit board and comprises a power module, it is not limited to this. For example, the LED module may be configured by mounting an LED element on an insulating circuit board, or the thermoelectric module may be configured by mounting a thermoelectric element on a circuit layer of the insulating circuit board.
（実施例１）
上述した実施形態に記載した方法で表１記載の条件で各ヒートシンク付絶縁回路基板を作製した。
表１の実施形態は、各絶縁回路基板がどの実施形態に該当するかを示している。また、加熱雰囲気は真空雰囲気とした。
従来例のヒートシンク付絶縁回路基板は、積層ろう材の代わりに、Ｍｇ含有ろう材（組成：Ａｌ：Ｓｉ：Ｍｇ＝８９．１：８．８：１．１（ａｔ％））を、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとの間を配置した。
得られた絶縁回路基板に対し、ろうこぶの有無及び接合層の接合率を評価した。
Example 1
Each insulated circuit board with a heat sink was produced under the conditions described in Table 1 by the method described in the above-described embodiment.
The embodiment of Table 1 shows which embodiment each insulating circuit board corresponds to. The heating atmosphere was a vacuum atmosphere.
An insulated circuit board with a heat sink according to a conventional example uses an Mg-containing brazing material (composition: Al: Si: Mg = 89.1: 8.8: 1.1 (at%)) instead of a laminated brazing material and an insulating circuit. Between the metal layer of the substrate and the heat sink was placed.
The obtained insulated circuit board was evaluated for the presence or absence of a bump and the bonding rate of the bonding layer.
（ろうこぶの有無）
ろうこぶの有無は、ヒートシンク付絶縁回路基板を目視で観察し、ろうこぶが生じていたものを「×」、生じていなかったものを「○」と評価した。
(With or without a bump)
The presence or absence of a bump was evaluated by visually observing an insulating circuit board with a heat sink, and “X” was evaluated when the bump was generated, and “O” when the bump was not generated.
（接合層の接合率）
ヒートシンクと絶縁回路基板との接合層の超音波探傷像を、超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて測定し、以下の式から接合率を算出した。
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、すなわち絶縁回路基板の金属層の面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
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層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。
結果を表１に示す。
(Joint rate of joining layer)
The ultrasonic flaw detection image of the bonding layer between the heat sink and the insulating circuit board was measured using an ultrasonic flaw detection apparatus (FineSAT 200 manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.), and the bonding rate was calculated from the following equation.
Here, the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area of the metal layer of the insulated circuit board.
(Bonding rate) = {(initial bonding area) − (peeling area)} / (initial bonding area)
In an image obtained by binarizing an ultrasonic flaw detection image, peeling is indicated by a white portion in the bonding layer, and thus the area of the white portion is defined as a peeling area.
The results are shown in Table 1.
Ｓｉ含有量が０．１原子％未満とされた比較例１、加熱温度が５５０℃未満であった比較例２、Ａｌ−Ｓｉ合金とＭｇ層の接触が無かった比較例４、Ｍｇ含有ろう材を用いた従来例は、接合層の接合率が低かった。加熱温度が５７５℃を超えた比較例３では、ろうこぶが生じていた。
一方、本発明例のヒートシンク付絶縁回路基板では、ろうこぶが生じることもなく、接合層の接合率が高いことが確認された。
Comparative Example 1 in which the Si content was less than 0.1 atomic%, Comparative Example 2 in which the heating temperature was less than 550 ° C., Comparative Example 4 in which there was no contact between the Al—Si alloy and the Mg layer, Mg-containing brazing material In the conventional example using, the bonding rate of the bonding layer was low. In Comparative Example 3 where the heating temperature exceeded 575 ° C., a bump was generated.
On the other hand, in the insulated circuit board with a heat sink of the example of the present invention, it was confirmed that no joint was formed and the joining rate of the joining layer was high.
（実施例２）
ＡｌＮからなるセラミックス板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面及び他方の面に純度９９．９９質量％のアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．６ｍｍｔ）を接合し、絶縁回路基板を作成した。
この絶縁回路基板とＡｌＳｉＣヒートシンク（５０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍｔ、含侵されているアルミニウムはＡＤＣ１２）とを、表２記載の積層ろう材を介して積層し、表２記載の加熱条件で接合した。接合雰囲気は１×１０−５Ｐａの真空雰囲気とした。
得られたヒートシンク付絶縁回路基板について、実施例１と同様に、ろうこぶ、及び、接合層の接合率（初期接合率）を評価した。冷熱サイクル後における接合層の接合率（冷熱サイクル後接合率）について評価した。冷熱サイクルの条件は、−４０℃←→１５０℃のサイクルを２０００回行った後の接合率を実施例１と同様の方法で評価した。
また、本発明例１のヒートシンク付絶縁回路基板において、金属層とヒートシンクの接合界面をＥＰＭＡ（日本電子株式会社製ＪＥＯＬ ＪＸＡ−８５３０Ｆ）で観察し、ＢＥＩ像及びＯ、Ｍｇ、Ｓｉのマッピング像を取得した（図９）。
(Example 2)
An aluminum circuit board (37 mm x 37 mm x 0.6 mmt) with a purity of 99.99 mass% is joined to one side and the other side of a ceramic plate made of AlN (40 mm x 40 mm x 0.635 mmt) to produce an insulated circuit board. did.
This insulating circuit board and an AlSiC heat sink (50 mm × 60 mm × 5 mmt, impregnated aluminum is ADC12) were laminated through the laminated brazing material shown in Table 2, and joined under the heating conditions shown in Table 2. The bonding atmosphere was a vacuum atmosphere of 1 × 10 −5 Pa.
About the obtained insulated circuit board with a heat sink, similarly to Example 1, the bonding rate (initial bonding rate) of the solder bump and the bonding layer was evaluated. It evaluated about the joining rate (joining rate after a thermal cycle) of the joining layer after a thermal cycle. The conditions for the cooling and heating cycle were evaluated in the same manner as in Example 1 on the bonding rate after 2000 cycles of −40 ° C. ← → 150 ° C. were performed.
Moreover, in the insulated circuit board with a heat sink of Example 1 of the present invention, the bonding interface between the metal layer and the heat sink was observed with EPMA (JEOL JXA-8530F manufactured by JEOL Ltd.), and a BEI image and a mapping image of O, Mg, and Si were obtained. Obtained (FIG. 9).
本発明例３１〜４５のヒートシンク付絶縁回路基板においても、ろうこぶが生じることがなく、接合層の接合率が高いことが確認された。
特に、前記Ｍｇ層のＭｇ量〔Ｍｇ〕と前記ろう材の前記Ａｌ部材層のＳｉ量〔Ｓｉ〕と原子比〔Ｍｇ〕／〔Ｓｉ〕が２．０未満とされた本発明例３１〜３３，３６，３７，４４，４５においては、他の本発明例に比べて冷熱サイクル後の接合率が高くなっていることが確認された。
Also in the insulated circuit boards with heat sinks of Examples 31 to 45 of the present invention, no bumps were formed, and it was confirmed that the bonding rate of the bonding layer was high.
In particular, Invention Examples 31 to 33 in which the Mg amount [Mg] of the Mg layer and the Si amount [Si] of the Al member layer of the brazing material and the atomic ratio [Mg] / [Si] are less than 2.0. , 36, 37, 44, and 45, it was confirmed that the joining rate after the thermal cycle was higher than that of the other examples of the present invention.
１０、６０ ヒートシンク付絶縁回路基板
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 積層体
２０、２０Ｓ、７０ 絶縁回路基板
２１、７１ セラミックス基板
２２、７２ 回路層
２３、２３Ｓ、７３ 金属層
３０、３０Ｓ ヒートシンク
７４ Ｃｕ部材金属層
７５ Ｔｉ部材金属層
７６ Ａｌ部材金属層
４０、８０ 接合層
４１ Ｍｇ２Ｓｉ相
５０、５０Ｓ 積層ろう材
５１、５１Ｓ Ａｌ部材層
５２ Ｍｇ層
10, 60 Insulated circuit board with heat sink 11a, 11b, 11c Laminate 20, 20S, 70 Insulated circuit board 21, 71 Ceramic substrate 22, 72 Circuit layer 23, 23S, 73 Metal layer 30, 30S Heat sink 74 Cu member metal layer 75 Ti member metal layer 76 Al member metal layer 40, 80 Bonding layer 41 Mg 2 Si phase 50, 50S Laminated brazing material 51, 51S Al member layer 52 Mg layer
Claims (9)
前記金属層は、前記ヒートシンクとの接合面がＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材で構成され、
前記ヒートシンクは、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料で構成されており、
前記ろう材は、ＡｌまたはＡｌ合金で構成されているＡｌ部材層と、このＡｌ部材層の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたＭｇ層とを有する積層ろう材であり、
前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面、前記ヒートシンクおよび前記Ａｌ部材層を構成するＡｌ部材のうちの少なくとも一つは、Ｓｉ含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金からなり、
前記Ａｌ−Ｓｉ合金と前記Ｍｇ層とが接触するように配置された前記積層ろう材を介して、前記金属層と前記ヒートシンクとを積層して、積層体を形成する積層工程と、
前記積層体を５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲で加熱して、前記金属層と、ヒートシンクとを接合する加熱工程と、
を備えていることを特徴とするヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法。 An insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, the metal layer of the insulating circuit board, and a heat sink A method of manufacturing an insulated circuit board with a heat sink to be joined using,
The metal layer is composed of an Al member whose bonding surface with the heat sink is made of Al or an Al alloy,
The heat sink is made of an Al base composite material in which an Al member made of Al or an Al alloy, or a silicon carbide member filled with an Al member made of Al or an Al alloy,
The brazing material is a laminated brazing material having an Al member layer made of Al or an Al alloy and an Mg layer formed on at least one of the front and back surfaces of the Al member layer,
At least one of the joining surface of the metal layer with the heat sink, the heat sink and the Al member constituting the Al member layer is made of an Al-Si alloy having a Si content of 0.1 atomic% or more.
A laminating step of laminating the metal layer and the heat sink via the laminating brazing material disposed so that the Al-Si alloy and the Mg layer are in contact with each other;
Heating the laminate in a temperature range of 550 ° C. or more and 575 ° C. or less, and joining the metal layer and a heat sink;
The manufacturing method of the insulated circuit board with a heat sink characterized by the above-mentioned.
前記積層工程において、前記Ｍｇ層が前記ヒートシンクと接触するように、前記積層ろう材を配置することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法。 The Al member constituting the heat sink is the Al-Si alloy,
2. The method for manufacturing an insulated circuit board with a heat sink according to claim 1, wherein the laminated brazing material is disposed so that the Mg layer is in contact with the heat sink in the laminating step.
前記積層工程において、前記Ｍｇ層が前記金属層と接触するように、前記積層ろう材を配置することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法。 The Al member constituting the joint surface of the metal layer with the heat sink is the Al-Si alloy,
2. The method of manufacturing an insulated circuit board with a heat sink according to claim 1, wherein in the laminating step, the laminated brazing material is disposed so that the Mg layer is in contact with the metal layer.
前記金属層は、前記ヒートシンクとの接合面がＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材で構成され、
前記ヒートシンクは、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料で構成されており、
前記金属層と前記ヒートシンクとの間に接合層が形成されており、当該接合層内に、Ｍｇ２Ｓｉ相が分散されていることを特徴とするヒートシンク付絶縁回路基板。 An insulating circuit with a heat sink, comprising: an insulating layer; a circuit layer formed on one surface of the insulating layer; an insulating circuit substrate having a metal layer formed on the other surface of the insulating layer; and a heat sink. A substrate,
The metal layer is composed of an Al member whose bonding surface with the heat sink is made of Al or an Al alloy,
The heat sink is made of an Al base composite material in which an Al member made of Al or an Al alloy, or a silicon carbide member filled with an Al member made of Al or an Al alloy,
An insulating circuit board with a heat sink, wherein a bonding layer is formed between the metal layer and the heat sink, and an Mg 2 Si phase is dispersed in the bonding layer.
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017183360A (en) * | 2016-03-28 | 2017-10-05 | 三菱マテリアル株式会社 | Manufacturing method of board for power module with heat sink |
| JP2019127432A (en) * | 2018-01-25 | 2019-08-01 | 三菱マテリアル株式会社 | Copper/ceramic joint, insulation circuit board, and manufacturing method for copper/ceramic joint, manufacturing method for insulation circuit board |
| WO2019146464A1 (en) * | 2018-01-25 | 2019-08-01 | 三菱マテリアル株式会社 | Copper/ceramic bonded body, insulating circuit board, copper/ceramic bonded body production method, and insulating circuit board production method |
| WO2019159257A1 (en) * | 2018-02-14 | 2019-08-22 | 三菱マテリアル株式会社 | METHOD FOR MANUFACTURING CERAMIC/AL-SiC COMPOSITE MATERIAL JOINED BODY, AND METHOD FOR MANUFACTURING HEAT SINK-EQUIPPED SUBSTRATE FOR POWER MODULE |
| CN111801790A (en) * | 2018-03-27 | 2020-10-20 | 三菱综合材料株式会社 | Method for manufacturing insulated circuit board with radiator |
| CN114823364A (en) * | 2021-04-19 | 2022-07-29 | 江苏博睿光电股份有限公司 | Airtight packaging method |
| US11524359B2 (en) * | 2017-08-23 | 2022-12-13 | Georgia Tech Research Corporation | Low temperature direct bonding of aluminum nitride to AlSiC substrates |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03234392A (en) * | 1990-02-08 | 1991-10-18 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | Al material for vacuum brazing |
| JP2010098060A (en) * | 2008-10-15 | 2010-04-30 | Mitsubishi Materials Corp | Substrate for power module with heat sink and power module with heat sink |
| JP2013086104A (en) * | 2011-10-14 | 2013-05-13 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | Aluminum alloy brazing sheet |
| JP2013146756A (en) * | 2012-01-19 | 2013-08-01 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | Aluminum alloy brazing sheet and method for manufacturing the same, and method for brazing aluminum-made heat exchanger |
| WO2013147121A1 (en) * | 2012-03-30 | 2013-10-03 | 三菱マテリアル株式会社 | Power module substrate with heat sink, and method for producing power module substrate with heat sink |
| JP2013243181A (en) * | 2012-05-18 | 2013-12-05 | Showa Denko Kk | Electronic element mounting substrate |
| JP2015093310A (en) * | 2013-11-13 | 2015-05-18 | 三菱アルミニウム株式会社 | Aluminum alloy brazing sheet, installation body of aluminum alloy for brazing, and method for brazing aluminum alloy material |
-
2017
- 2017-03-17 JP JP2017053572A patent/JP6822247B2/en active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03234392A (en) * | 1990-02-08 | 1991-10-18 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | Al material for vacuum brazing |
| JP2010098060A (en) * | 2008-10-15 | 2010-04-30 | Mitsubishi Materials Corp | Substrate for power module with heat sink and power module with heat sink |
| JP2013086104A (en) * | 2011-10-14 | 2013-05-13 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | Aluminum alloy brazing sheet |
| JP2013146756A (en) * | 2012-01-19 | 2013-08-01 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | Aluminum alloy brazing sheet and method for manufacturing the same, and method for brazing aluminum-made heat exchanger |
| WO2013147121A1 (en) * | 2012-03-30 | 2013-10-03 | 三菱マテリアル株式会社 | Power module substrate with heat sink, and method for producing power module substrate with heat sink |
| JP2013243181A (en) * | 2012-05-18 | 2013-12-05 | Showa Denko Kk | Electronic element mounting substrate |
| JP2015093310A (en) * | 2013-11-13 | 2015-05-18 | 三菱アルミニウム株式会社 | Aluminum alloy brazing sheet, installation body of aluminum alloy for brazing, and method for brazing aluminum alloy material |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017183360A (en) * | 2016-03-28 | 2017-10-05 | 三菱マテリアル株式会社 | Manufacturing method of board for power module with heat sink |
| US11524359B2 (en) * | 2017-08-23 | 2022-12-13 | Georgia Tech Research Corporation | Low temperature direct bonding of aluminum nitride to AlSiC substrates |
| JP2019127432A (en) * | 2018-01-25 | 2019-08-01 | 三菱マテリアル株式会社 | Copper/ceramic joint, insulation circuit board, and manufacturing method for copper/ceramic joint, manufacturing method for insulation circuit board |
| WO2019146464A1 (en) * | 2018-01-25 | 2019-08-01 | 三菱マテリアル株式会社 | Copper/ceramic bonded body, insulating circuit board, copper/ceramic bonded body production method, and insulating circuit board production method |
| JP7192451B2 (en) | 2018-01-25 | 2022-12-20 | 三菱マテリアル株式会社 | COPPER/CERAMIC JOINT, INSULATED CIRCUIT BOARD, METHOD FOR MANUFACTURING COPPER/CERAMIC JOINT, AND METHOD FOR MANUFACTURING INSULATED CIRCUIT BOARD |
| WO2019159257A1 (en) * | 2018-02-14 | 2019-08-22 | 三菱マテリアル株式会社 | METHOD FOR MANUFACTURING CERAMIC/AL-SiC COMPOSITE MATERIAL JOINED BODY, AND METHOD FOR MANUFACTURING HEAT SINK-EQUIPPED SUBSTRATE FOR POWER MODULE |
| EP3753912A4 (en) * | 2018-02-14 | 2021-10-13 | Mitsubishi Materials Corporation | Method for manufacturing ceramic/al-sic composite material joined body, and method for manufacturing heat sink-equipped substrate for power module |
| CN111801790A (en) * | 2018-03-27 | 2020-10-20 | 三菱综合材料株式会社 | Method for manufacturing insulated circuit board with radiator |
| CN111801790B (en) * | 2018-03-27 | 2024-03-29 | 三菱综合材料株式会社 | Method for manufacturing insulating circuit substrate with radiator |
| CN114823364A (en) * | 2021-04-19 | 2022-07-29 | 江苏博睿光电股份有限公司 | Airtight packaging method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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