JP2019165100A - Method for manufacturing substrate for heat sink-equipped power module - Google Patents

Method for manufacturing substrate for heat sink-equipped power module Download PDF

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Abstract

To reliably join a substrate for a power module to a heat sink composed of an aluminum silicon carbide composite at a temperature of 500°C or below.SOLUTION: A method for joining, by diffusion, a metal layer of a substrate for a power module to a heat sink through a copper layer, provided that the substrate is arranged by joining a circuit layer to one face of a ceramic substrate and the metal layer made of aluminum or aluminum alloy to the other face, and the heat sink is composed of an aluminum silicon carbide composite formed by impregnating aluminum alloy into a porous body of silicon carbide comprises the step of joining the substrate for a power module and the heat sink together in a state in which a piece of metal foil of aluminum alloy with magnesium added thereto at a concentration of 0.02 mass% or more and 3.0 mass% or less is interposed between the metal layer of the substrate for a power module and the copper layer.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.

パワーモジュール用基板として、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板からなる絶縁層の一方の面に回路層が接合されるとともに、他方の面にアルミニウム板を介してアルミニウム系のヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が知られている。
例えば特許文献1に開示されているヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板からなる絶縁層の一方の面に純アルミニウム板、アルミニウム合金板、純銅板、銅合金板等からなる回路層が接合され、絶縁層の他方の面に純アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板からなる金属層が接合され、この金属層に、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたヒートシンクが銅層を介して接合されている。この場合、絶縁層と金属層とはろう材を用いて接合され、金属層とヒートシンクとは、その間に介在した銅層との間で固相拡散接合されている。
As a power module substrate, a circuit layer is bonded to one surface of an insulating layer made of a ceramic substrate such as aluminum nitride, and an aluminum heat sink is bonded to the other surface via an aluminum plate. A power module substrate is known.
For example, in a power module substrate with a heat sink disclosed in Patent Document 1, a circuit layer made of a pure aluminum plate, an aluminum alloy plate, a pure copper plate, a copper alloy plate, or the like is bonded to one surface of an insulating layer made of a ceramic substrate. A metal layer made of pure aluminum or an aluminum alloy metal plate is bonded to the other surface of the insulating layer, and a heat sink made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to the metal layer via a copper layer. In this case, the insulating layer and the metal layer are bonded using a brazing material, and the metal layer and the heat sink are bonded by solid phase diffusion between the copper layer interposed therebetween.

このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板において、セラミックス基板とアルミニウム板のような熱膨張係数の異なる部材の接合による反りを防止するため、ヒートシンクの材料として、特許文献2に開示される多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸させてなる低膨張係数の複合体(アルミニウム炭化珪素複合体とする)を用いることが提案されている。   In such a power module substrate with a heat sink, porous silicon carbide disclosed in Patent Document 2 is used as a heat sink material in order to prevent warping due to joining of members having different thermal expansion coefficients such as a ceramic substrate and an aluminum plate. It has been proposed to use a low expansion coefficient composite (aluminum silicon carbide composite) obtained by impregnating a molded body with a metal mainly composed of aluminum.

特開2014−60215号公報JP 2014-60215 A 特開2000−281465号公報JP 2000-281465 A

ところで、パワーモジュール用基板の金属層は、熱伸縮に伴う応力緩和のために比較的純度の高いアルミニウム(特に純度99.99質量%以上の高純度アルミニウム)により構成するのが好ましい。一方、特許文献2記載のアルミニウム炭化珪素複合体では高温鋳造法等で緻密で高強度の複合体を得るためにシリコンやマグネシウム等を含有する比較的純度の低いアルミニウム合金が用いられることから、このアルミニウム炭化珪素複合体と銅との固相拡散に要する温度は例えば500℃程度が適切である。
しかしながら、これらパワーモジュール用基板の金属層とアルミニウム炭化珪素複合体とを銅層を介して500℃程度の温度で同時に接合しようとすると、金属層と銅層との接合には不十分であり、金属層と銅層との間に金属間化合物(CuAl、CuAl等)が十分に成長せずに接合不良を生じ易い。これを解決するため、接合温度を高めようとすると、アルミニウム炭化珪素複合体の一部が溶融するおそれがある。
By the way, it is preferable that the metal layer of the power module substrate is made of relatively high purity aluminum (particularly high purity aluminum having a purity of 99.99% by mass or more) in order to relieve stress accompanying thermal expansion and contraction. On the other hand, since the aluminum silicon carbide composite described in Patent Document 2 uses a relatively low-purity aluminum alloy containing silicon, magnesium or the like in order to obtain a dense and high-strength composite by high temperature casting or the like, this A temperature required for solid phase diffusion of the aluminum silicon carbide composite and copper is, for example, about 500 ° C.
However, when trying to join the metal layer of the power module substrate and the aluminum silicon carbide composite at the same time at a temperature of about 500 ° C. via the copper layer, it is insufficient for joining the metal layer and the copper layer, Intermetallic compounds (CuAl 2 , CuAl, etc.) do not grow sufficiently between the metal layer and the copper layer, and joint failure tends to occur. In order to solve this, if an attempt is made to increase the bonding temperature, a part of the aluminum silicon carbide composite may be melted.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、パワーモジュール用基板とアルミニウム炭化珪素複合体からなるヒートシンクとを500℃以下の温度で確実に接合することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to reliably bond a power module substrate and a heat sink made of an aluminum silicon carbide composite at a temperature of 500 ° C. or lower.

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が接合されてなるパワーモジュール用基板における前記金属層と、炭化珪素の多孔体にアルミニウム合金を含浸して形成されたアルミニウム炭化珪素複合体からなるヒートシンクとを銅層を介して拡散接合することにより、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程を有し、前記ヒートシンク接合工程は、前記パワーモジュール用基板の前記金属層と前記銅層との間に、マグネシウムが添加されたアルミニウム合金からなる金属箔を介在した状態で前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを接合する。
この場合、前記金属箔のマグネシウムの濃度が0.02質量%以上3.0質量%以下である。
In the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention, a circuit layer is bonded to one surface of a ceramic substrate, and a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to the other surface of the ceramic substrate. By diffusion bonding the metal layer in the power module substrate and a heat sink made of an aluminum silicon carbide composite formed by impregnating a silicon carbide porous body with an aluminum alloy through a copper layer, the power module substrate A metal foil made of an aluminum alloy in which magnesium is added between the metal layer and the copper layer of the power module substrate. With the power module substrate and the heat module interposed therebetween. Bonding the heat sink.
In this case, the magnesium concentration of the metal foil is 0.02 mass% or more and 3.0 mass% or less.

一般に、パワーモジュール用基板における金属層の表面やヒートシンクのアルミニウム炭化珪素複合体の表面にはアルミニウム酸化膜が形成されており、これがアルミニウムと銅との金属間化合物の生成を妨げることにより、接合不良の原因となっている。
この製造方法によれば、マグネシウムが添加されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属箔をパワーモジュール用基板の金属層と銅層との間に介在したことにより、金属箔内に固溶したマグネシウムが拡散して金属層やヒートシンク表面の酸化膜と反応してアルミニウム酸化膜を破壊し、マグネシウム酸化物(MgAlやMgO)として分散する。この場合、金属箔は、マグネシウムが固溶したアルミニウム合金であるから、アルミニウム表面のアルミニウム酸化膜を破壊して生成されるマグネシウム酸化物は、アルミニウムと銅との界面に微細な粒子として分散した状態となる。したがって、このマグネシウム酸化物がアルミニウムと銅との金属間化合物の生成を阻害することが抑制され、その結果、アルミニウムと銅との金属間化合物の成長が促進され、500℃以下の低い温度でもパワーモジュール用基板とヒートシンクとを強固に接合することができる。
Generally, an aluminum oxide film is formed on the surface of the metal layer in the power module substrate and the surface of the aluminum silicon carbide composite of the heat sink, which prevents the formation of an intermetallic compound between aluminum and copper, resulting in poor bonding. Cause.
According to this manufacturing method, the metal foil made of aluminum or aluminum alloy to which magnesium is added is interposed between the metal layer and the copper layer of the power module substrate, so that the solid solution magnesium diffuses in the metal foil. Then, it reacts with the oxide film on the surface of the metal layer or the heat sink to destroy the aluminum oxide film and disperse as magnesium oxide (MgAl 2 O 4 or MgO). In this case, since the metal foil is an aluminum alloy in which magnesium is dissolved, the magnesium oxide produced by destroying the aluminum oxide film on the aluminum surface is dispersed as fine particles at the interface between aluminum and copper. It becomes. Therefore, it is suppressed that this magnesium oxide inhibits the formation of an intermetallic compound between aluminum and copper. As a result, the growth of the intermetallic compound between aluminum and copper is promoted, and the power is reduced even at a low temperature of 500 ° C. or lower. The module substrate and the heat sink can be firmly bonded.

この場合、金属箔におけるマグネシウムの濃度が0.02質量%未満ではマグネシウム酸化物が十分に形成されず、接合不良を生じるおそれがある。一方、金属箔におけるマグネシウムの濃度が3.0質量%を超えると、圧延が困難となる。   In this case, if the magnesium concentration in the metal foil is less than 0.02% by mass, the magnesium oxide is not sufficiently formed, and there is a risk of poor bonding. On the other hand, if the magnesium concentration in the metal foil exceeds 3.0% by mass, rolling becomes difficult.

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の好ましい態様としては、前記金属箔の厚さが3.0μm以上300.0μm以下であることが好ましい。
この場合、金属箔の厚さが、3.0μm未満とするのは圧延困難であり、300.0μmを超える厚さでは、金属箔(圧延箔)とセラミックスとの線膨張差から生じる応力が大きくなり、剥離の原因となるおそれがある。
As a preferred embodiment of the method for producing a power module substrate with a heat sink of the present invention, the thickness of the metal foil is preferably 3.0 μm or more and 300.0 μm or less.
In this case, when the thickness of the metal foil is less than 3.0 μm, it is difficult to roll, and when the thickness exceeds 300.0 μm, the stress caused by the difference in linear expansion between the metal foil (rolled foil) and the ceramic is large. And may cause peeling.

本発明の別の態様に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、前記金属箔は、さらにシリコンを含み、該シリコンの濃度が10.5質量%以下であってもよい。
シリコンも金属層やアルミニウム炭化珪素複合体のアルミニウムに拡散して接合強度を高めることができる。ただし、金属箔のシリコンの濃度が10.5質量%を超えていると、圧延が困難となる。
In the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to another aspect of the present invention, the metal foil may further contain silicon, and the silicon concentration may be 10.5% by mass or less.
Silicon can also diffuse into the aluminum of the metal layer or aluminum silicon carbide composite to increase the bonding strength. However, if the silicon concentration of the metal foil exceeds 10.5% by mass, rolling becomes difficult.

本発明によれば、金属箔のマグネシウム成分が、金属層やアルミニウム炭化珪素複合体の表面のアルミニウム酸化膜を破壊して微細なマグネシウム酸化物として分散するので、アルミニウムと銅との金属間化合物の成長が促進され、500℃以下の温度でパワーモジュール用基板とヒートシンクとを強固に接合することができる。   According to the present invention, the magnesium component of the metal foil breaks the aluminum oxide film on the surface of the metal layer and the aluminum silicon carbide composite and disperses as fine magnesium oxide, so that the intermetallic compound of aluminum and copper Growth is promoted, and the power module substrate and the heat sink can be firmly bonded at a temperature of 500 ° C. or lower.

本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の全体構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the whole structure of the board | substrate for power modules with a heat sink which concerns on one Embodiment of this invention. 図1のパワーモジュール用基板について接合前の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state before joining about the board | substrate for power modules of FIG. 上記実施形態の製造方法におけるパワーモジュール用基板にヒートシンクを接合する前の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state before joining a heat sink to the board | substrate for power modules in the manufacturing method of the said embodiment.

以下、本発明の実施形態について説明する。
図1に、本実施形態の製造方法により製造されたヒートシンク付パワーモジュール用基板1を示す。このヒートシンク付パワーモジュール用基板1は、パワーモジュール用基板10とヒートシンク20とが銅層30を介して積層状態で接合されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
In FIG. 1, the board | substrate 1 for power modules with a heat sink manufactured by the manufacturing method of this embodiment is shown. In the power module substrate 1 with a heat sink, the power module substrate 10 and the heat sink 20 are bonded in a laminated state via a copper layer 30.

パワーモジュール用基板10は、セラミックス基板11と、セラミックス基板11の一方の面(表面)11aに接合された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(裏面)11bに接合された金属層13とを有する。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13の間の電気的接続を防止する絶縁材であって、例えばAlN(窒化アルミ)、窒化珪素Si等により形成され、その板厚は0.2mm〜1.5mmである。
The power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 bonded to one surface (front surface) 11a of the ceramic substrate 11, and a metal layer 13 bonded to the other surface (back surface) 11b of the ceramic substrate 11. And have.
The ceramic substrate 11 is an insulating material that prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is formed of, for example, AlN (aluminum nitride), silicon nitride Si 3 N 4 or the like, and has a thickness of 0. .2 mm to 1.5 mm.

回路層12及び金属層13は、アルミニウム又はアルミニウム合金のいずれも適用可能であるが、金属層13については純度99.00質量%以上又は純度99.99質量%以上の純アルミニウムが応力緩和のために特に好ましい。これら回路層12及び金属層13の板厚は0.1mm〜1.0mmが好適である。これら回路層12及び金属層13は、セラミックス基板11の両面にアルミニウム板を、例えばAl−Si系のろう材を介して積層し、これらを積層方向に加圧して加熱することにより接合される。   As the circuit layer 12 and the metal layer 13, either aluminum or an aluminum alloy can be applied. However, for the metal layer 13, pure aluminum having a purity of 99.00% by mass or more or a purity of 99.99% by mass or more is used for stress relaxation. Is particularly preferred. The plate thickness of the circuit layer 12 and the metal layer 13 is preferably 0.1 mm to 1.0 mm. The circuit layer 12 and the metal layer 13 are bonded together by laminating aluminum plates on both surfaces of the ceramic substrate 11 through, for example, an Al—Si brazing material, and pressing and heating them in the laminating direction.

ヒートシンク20は、炭化珪素多孔体にアルミニウム合金を含浸して形成されたアルミニウム炭化珪素複合体により形成される。炭化珪素多孔体は、炭化珪素粉末と結合剤とを混合して板状に成形して焼結したものである。この炭化珪素多孔体にマグネシウムやシリコンを含有するアルミニウム合金の溶融物を高圧で含浸させることにより、アルミニウム炭化珪素複合体が製造される。アルミニウムと炭化珪素との両方の特性を兼ね備えており、ヒートシンクとして良好な熱伝導性を有するとともに、熱膨張係数が低く、パワーモジュール用基板10に接合されることにより、熱伸縮がパワーモジュール用基板10のセラミックス基板11と均衡して反り等の発生を抑制することができる。
ヒートシンク20としては、平板が好適に用いられ、その厚さは0.4mm〜6.0mmとするとよい。
なお、ヒートシンク20の表面には、含侵されたアルミニウム合金からなるスキン層(図示なし)が形成されており、このスキン層と銅層30が接合されている。
また、含浸されるアルミニウム合金としては、例えば、A356(ASTM規格)、ADC12、6063、3003等(JIS規格)を用いることができる。
銅層30は、特に限定されないが、熱伝導性の面で純銅からなるものが好ましい。例えば、無酸素銅の圧延板によって形成されており、0.05mm以上3.0mm以下の厚さに形成される。
Heat sink 20 is formed of an aluminum silicon carbide composite formed by impregnating a silicon carbide porous body with an aluminum alloy. The silicon carbide porous body is obtained by mixing silicon carbide powder and a binder, forming a plate shape, and sintering. An aluminum silicon carbide composite is produced by impregnating the silicon carbide porous body with a molten aluminum alloy containing magnesium or silicon at a high pressure. It has both the characteristics of aluminum and silicon carbide, has good thermal conductivity as a heat sink, has a low thermal expansion coefficient, and is bonded to the power module substrate 10 so that thermal expansion and contraction can be achieved. The occurrence of warpage or the like can be suppressed in balance with the 10 ceramic substrates 11.
As the heat sink 20, a flat plate is preferably used, and the thickness thereof is preferably 0.4 mm to 6.0 mm.
Note that a skin layer (not shown) made of an impregnated aluminum alloy is formed on the surface of the heat sink 20, and the skin layer and the copper layer 30 are joined.
Moreover, as an aluminum alloy to be impregnated, for example, A356 (ASTM standard), ADC12, 6063, 3003, etc. (JIS standard) can be used.
The copper layer 30 is not particularly limited, but is preferably made of pure copper in terms of thermal conductivity. For example, it is formed of a rolled plate of oxygen-free copper and has a thickness of 0.05 mm or more and 3.0 mm or less.

次に、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板1の製造方法について説明する。
その製造方法は、セラミックス基板11に回路層12及び金属層13を接合してパワーモジュール用基板10を形成するパワーモジュール用基板形成工程と、パワーモジュール用基板10にヒートシンク20を接合するヒートシンク接合工程とからなる。以下、この工程順に説明する。
Next, the manufacturing method of the board | substrate 1 for power modules with a heat sink of this embodiment is demonstrated.
The manufacturing method includes a power module substrate forming step of bonding the circuit layer 12 and the metal layer 13 to the ceramic substrate 11 to form the power module substrate 10, and a heat sink bonding step of bonding the heat sink 20 to the power module substrate 10. It consists of. Hereinafter, it demonstrates in order of this process.

(パワーモジュール用基板形成工程)
図2に示すように、セラミックス基板11の一方の面11aに回路層12となるアルミニウム板12A、他方の面11bに金属層13となるアルミニウム板13Aを、それぞれAl−Si系ろう材箔15を介して積層し、その積層体を積層方向に加圧した状態で加熱した後、冷却することにより、セラミックス基板11の一方の面11aに回路層12、他方の面11bに金属層13が接合されたパワーモジュール用基板10を形成する。ろう材箔15は加熱により溶融し、回路層12や金属層13中に拡散して、これらをセラミックス基板11と強固に接合する。
このときの接合条件は、必ずしも限定されるものではないが、真空雰囲気中で、積層方向の加圧力が0.3MPa〜1.0MPaで、640℃以上650℃以下の加熱温度に1分以上60分以下保持するのが好適である。
(Power module substrate formation process)
As shown in FIG. 2, an aluminum plate 12A to be a circuit layer 12 is formed on one surface 11a of the ceramic substrate 11, an aluminum plate 13A to be a metal layer 13 is formed on the other surface 11b, and an Al—Si brazing filler metal foil 15 is provided. The circuit layer 12 is bonded to one surface 11a of the ceramic substrate 11 and the metal layer 13 is bonded to the other surface 11b by heating the stacked body in a state of being pressed in the stacking direction and then cooling. The power module substrate 10 is formed. The brazing filler metal foil 15 is melted by heating, diffuses into the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is firmly bonded to the ceramic substrate 11.
The bonding conditions at this time are not necessarily limited, but the pressure in the stacking direction is 0.3 MPa to 1.0 MPa in a vacuum atmosphere, and the heating temperature is 640 ° C. or more and 650 ° C. or less for 1 minute or more and 60 minutes. It is preferable to hold the minute or less.

(ヒートシンク接合工程)
図3に示すように、パワーモジュール用基板10の金属層13に銅層30を介してヒートシンク20を接合する。この接合は、金属層13及びヒートシンク20のアルミニウムと銅層30の銅との固相拡散接合である。
また、この接合に際しては、金属箔40を金属層13と銅層30との間に挿入しておく。この金属箔40は、マグネシウムが添加されたアルミニウム合金により形成される金属箔である。
この金属箔40を金属層13と銅層30との間に介在させ、積層方向に加圧した状態で加熱することにより、金属層13とヒートシンク20とをアルミニウムと銅との拡散接合によって接合する。このときの接合条件としては、必ずしも限定されないが、真空雰囲気で、積層方向の加圧力が0.3MPa以上3.5MPa以下で、400℃以上500℃未満の加熱温度に5分以上240分以下保持するのが好適である。
(Heat sink bonding process)
As shown in FIG. 3, the heat sink 20 is bonded to the metal layer 13 of the power module substrate 10 via the copper layer 30. This bonding is a solid phase diffusion bonding of the aluminum of the metal layer 13 and the heat sink 20 and the copper of the copper layer 30.
In addition, the metal foil 40 is inserted between the metal layer 13 and the copper layer 30 for this joining. This metal foil 40 is a metal foil formed of an aluminum alloy to which magnesium is added.
The metal foil 40 is interposed between the metal layer 13 and the copper layer 30 and heated while being pressed in the laminating direction, thereby joining the metal layer 13 and the heat sink 20 by diffusion bonding of aluminum and copper. . The bonding conditions at this time are not necessarily limited, but the pressure in the stacking direction is 0.3 MPa or more and 3.5 MPa or less in a vacuum atmosphere, and is maintained at a heating temperature of 400 ° C. or more and less than 500 ° C. for 5 minutes or more and 240 minutes or less. It is preferable to do this.

前述したように、金属層13及びヒートシンク20表面にはアルミニウム酸化膜が存在しており、これが銅層30との固相拡散接合の妨げとなっている。この接合工程においては、金属箔40ではマグネシウム原子がアルミニウム合金内に含有されているため、そのマグネシウム原子が、金属層13及びヒートシンク20表面のアルミニウム酸化膜を破壊し、スピネル(MgAl)等のマグネシウム酸化物を生成する。このため、アルミニウム酸化膜が除去された金属層13及びアルミニウム炭化珪素アルミニウムの表面と銅層30の表面とが接触して拡散接合する。 As described above, an aluminum oxide film is present on the surfaces of the metal layer 13 and the heat sink 20, which hinders solid phase diffusion bonding with the copper layer 30. In this joining step, since magnesium atoms are contained in the aluminum alloy in the metal foil 40, the magnesium atoms destroy the aluminum oxide film on the surfaces of the metal layer 13 and the heat sink 20, and spinel (MgAl 2 O 4 ). To produce magnesium oxide. Therefore, the surface of the metal layer 13 and aluminum silicon carbide aluminum from which the aluminum oxide film has been removed and the surface of the copper layer 30 are in contact with each other to be diffusion bonded.

また、このとき生成されるマグネシウム酸化物は、マグネシウム原子の拡散によって形成されたものであるため、微細な粒子であり、金属層13と銅層30との界面に沿って面方向に分散して形成される。このため、金属層13やヒートシンク20のアルミニウムと銅層30の銅との拡散接合を阻害することが少なく、アルミニウムと銅との拡散接合が促進され、金属層13とヒートシンク20とが強固に接合される。   Further, since the magnesium oxide generated at this time is formed by diffusion of magnesium atoms, it is a fine particle and dispersed in the plane direction along the interface between the metal layer 13 and the copper layer 30. It is formed. Therefore, the diffusion bonding between the aluminum of the metal layer 13 or the heat sink 20 and the copper of the copper layer 30 is hardly hindered, the diffusion bonding between aluminum and copper is promoted, and the metal layer 13 and the heat sink 20 are firmly bonded. Is done.

この金属箔40は、マグネシウムが添加されたAl−Si合金(アルミニウム合金)の圧延箔であり、その厚さは3.0μm以上300.0μm以下が好ましい。この金属箔40の厚さは3.0μm未満とするのは圧延困難であり、300.0μmを超える厚さでは、金属箔40(圧延箔)とセラミックスとの線膨張差から生じる応力が大きくなり、剥離の原因となるおそれがある。
なお、金属箔40はマグネシウムが添加されたAl−Si合金により構成されていることとしたが、そのAl−Si合金におけるシリコンの含有比率が10.5質量%以下であることが好ましい。Al−Si合金におけるシリコンの含有比率が10.5質量%を超えると圧延困難となる。
また、上記実施形態では、金属箔40の材料をマグネシウムが添加されたAl−Si合金としたが、マグネシウムが添加された他のアルミニウム合金を用いてもよいし、マグネシウムが添加された純アルミニウムであってもよい。
This metal foil 40 is a rolled foil of an Al—Si alloy (aluminum alloy) to which magnesium is added, and the thickness is preferably 3.0 μm or more and 300.0 μm or less. When the thickness of the metal foil 40 is less than 3.0 μm, it is difficult to roll, and when the thickness exceeds 300.0 μm, the stress caused by the difference in linear expansion between the metal foil 40 (rolled foil) and the ceramic becomes large. May cause peeling.
In addition, although the metal foil 40 was comprised with the Al-Si alloy to which magnesium was added, it is preferable that the content rate of the silicon in the Al-Si alloy is 10.5 mass% or less. When the content ratio of silicon in the Al—Si alloy exceeds 10.5 mass%, rolling becomes difficult.
Moreover, in the said embodiment, although the material of the metal foil 40 was made into the Al-Si alloy to which magnesium was added, you may use the other aluminum alloy to which magnesium was added, and pure aluminum to which magnesium was added. There may be.

金属箔40におけるマグネシウムの濃度は、マグネシウムが0.02質量%以上3.0質量%以下となる比率に設定される。
マグネシウムの濃度が0.02質量%未満ではアルミニウムと銅との界面にマグネシウム酸化物が十分に形成されない結果、アルミニウム酸化膜が残存してアルミニウムと銅との拡散接合が阻害され、接合不良を生じるおそれがある。
一方、マグネシウムの濃度が増えると、相対的にアルミニウムの濃度が減少し、金属層40がより固くなることから、圧延が困難となる。
The density | concentration of magnesium in the metal foil 40 is set to the ratio from which magnesium will be 0.02 mass% or more and 3.0 mass% or less.
If the magnesium concentration is less than 0.02% by mass, magnesium oxide is not sufficiently formed at the interface between aluminum and copper. As a result, an aluminum oxide film remains and diffusion bonding between aluminum and copper is inhibited, resulting in poor bonding. There is a fear.
On the other hand, when the concentration of magnesium increases, the concentration of aluminum relatively decreases and the metal layer 40 becomes harder, so that rolling becomes difficult.

このようにしてパワーモジュール用基板10の金属層13とヒートシンク20とが銅層30を介して固相拡散接合されることにより、これらが一体になったヒートシンク付パワーモジュール用基板1が製造される。   In this way, the metal layer 13 of the power module substrate 10 and the heat sink 20 are solid-phase diffusion bonded via the copper layer 30, whereby the power module substrate 1 with a heat sink in which these are integrated is manufactured. .

この製造方法によれば、マグネシウムが添加されたアルミニウム合金からなる金属箔40を介在させたことにより、パワーモジュール用基板10の金属層13とアルミニウム炭化珪素複合体からなるヒートシンク20とを銅層30を介して500℃以下の低温で固相拡散接合することが可能になり、金属層13及びアルミニウム炭化珪素複合体からなるヒートシンク20のいずれもを強固に接合することができる。   According to this manufacturing method, by interposing the metal foil 40 made of an aluminum alloy to which magnesium is added, the copper layer 30 connects the metal layer 13 of the power module substrate 10 and the heat sink 20 made of the aluminum silicon carbide composite. Thus, it is possible to perform solid phase diffusion bonding at a low temperature of 500 ° C. or less, and it is possible to firmly bond both the metal layer 13 and the heat sink 20 made of the aluminum silicon carbide composite.

その他、細部構成は実施形態の構成のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
また、本実施形態では、ヒートシンク20は平板としたが、形状は特に限定されず、例えば、内部に水路を有する液冷式の冷却器であっても良い。
In addition, the detailed configuration is not limited to the configuration of the embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
In the present embodiment, the heat sink 20 is a flat plate, but the shape is not particularly limited. For example, a liquid-cooled cooler having a water channel inside may be used.

パワーモジュール用基板として、窒化アルミニウム板からなるセラミックス基板の両面に、純アルミニウム板(4N−Al)からなる回路層及び金属層を接合したものを用い、その金属層に厚さ1.0mmの銅層を接合した。パワーモジュール用基板の接合には、厚さ12μmのAl−7.5質量%Siろう材箔を用い、加圧力0.6MPaで、640℃〜660℃の温度に30分保持した。
実施例1〜8及び比較例1におけるパワーモジュール用基板の金属層と銅層との接合の際に形成した金属箔におけるMgの添加の有無、シリコンの濃度及びマグネシウムの濃度、並びに箔厚は表1の通りである。なお、従来例においては、パワーモジュール用基板の金属層と銅層との接続に上記金属箔を用いなかった。
このパワーモジュール用基板の金属層と銅層との接合においては、加圧力2.1MPaで490℃の温度に150分保持した。
As a power module substrate, a ceramic substrate made of an aluminum nitride plate and a circuit layer made of a pure aluminum plate (4N-Al) and a metal layer bonded to each other are used. The layers were joined. For joining the power module substrates, an Al-7.5 mass% Si brazing foil having a thickness of 12 μm was used and held at a temperature of 640 ° C. to 660 ° C. for 30 minutes at a pressure of 0.6 MPa.
The presence or absence of addition of Mg, the concentration of silicon and the concentration of magnesium, and the foil thickness in the metal foil formed when joining the metal layer and the copper layer of the power module substrate in Examples 1 to 8 and Comparative Example 1 are as follows. One. In the conventional example, the metal foil is not used for connection between the metal layer and the copper layer of the power module substrate.
In joining the metal layer and the copper layer of this power module substrate, the pressure was 2.1 MPa and the temperature was kept at 490 ° C. for 150 minutes.

得られた試料について、金属層と銅層との接合率(DBA/Cu接合率)を評価した。
接合率は、接合面の超音波探傷像を二値化処理して、剥離部分を除く接合された面積を求め、これを接合すべき界面の面積で割った比率とした。
また、得られた資料について、冷熱サイクル信頼性としてセラミックス基板と金属層との接合率(AIN/裏Al接合率)を評価した。このセラミックス基板及び金属層の接合率は、−40℃〜150℃の間で3000回変化させる温度サイクル試験を実行した後の数値である。
これらの結果を表1に示す。
About the obtained sample, the joining rate (DBA / Cu joining rate) of a metal layer and a copper layer was evaluated.
The bonding rate was a ratio obtained by binarizing the ultrasonic flaw detection image on the bonding surface to obtain the bonded area excluding the peeled portion, and dividing this by the area of the interface to be bonded.
Moreover, about the obtained data, the joining rate (AIN / back Al joining rate) of a ceramic substrate and a metal layer was evaluated as cooling cycle reliability. The bonding rate between the ceramic substrate and the metal layer is a numerical value after executing a temperature cycle test that is changed 3000 times between −40 ° C. and 150 ° C.
These results are shown in Table 1.

Figure 2019165100
Figure 2019165100

表1から明らかなように、マグネシウムを添加したアルミニウム箔、若しくは、マグネシウムを添加したAl−Si箔のマグネシウムの濃度が0.02質量%以上3.0質量%以下のもの(実施例1〜8)は、金属層と銅層との接合率(DBA/Cu接合率)が90%を超えており、500℃以下の温度でも実用上問題ない接合を得ることができた。
また、実施例1〜8の窒化アルミニウムにより構成されるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属層との接合率(AIN/裏Alの接合率)は、75%を超えており、冷熱サイクル信頼性も高かった。特に、実施例1〜7は、AIN/裏Alの接合率が80%を超えており、マグネシウムを添加したアルミニウム箔、若しくは、マグネシウムを添加したAl−Si箔の箔圧を3.0μm以上300.0μm以下とすることで、冷却サイクル信頼性をより高めることができた。
As is clear from Table 1, the magnesium concentration of the aluminum foil to which magnesium was added or the Al-Si foil to which magnesium was added was 0.02% by mass to 3.0% by mass (Examples 1 to 8). ) Has a bonding rate (DBA / Cu bonding rate) between the metal layer and the copper layer of more than 90%, and it was possible to obtain a bond having no practical problem even at a temperature of 500 ° C. or lower.
Further, the bonding rate (AIN / back Al bonding rate) between the ceramic substrate made of aluminum nitride of Examples 1 to 8 and the metal layer made of pure aluminum exceeds 75%, and the thermal cycle reliability is also high. it was high. In particular, in Examples 1 to 7, the bonding ratio of AIN / back Al exceeded 80%, and the foil pressure of the aluminum foil added with magnesium or the Al-Si foil added with magnesium was 3.0 μm or more and 300 By setting the thickness to 0.0 μm or less, the cooling cycle reliability could be further improved.

1 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
10 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
12 回路層
13 金属層
20 ヒートシンク
30 銅層
40 金属箔
50 接合層
1 Power Module Substrate with Heat Sink 10 Power Module Substrate 11 Ceramic Substrate 12 Circuit Layer 13 Metal Layer 20 Heat Sink 30 Copper Layer 40 Metal Foil 50 Bonding Layer

Claims (3)

セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が接合されてなるパワーモジュール用基板における前記金属層と、炭化珪素の多孔体にアルミニウム合金を含浸して形成されたアルミニウム炭化珪素複合体からなるヒートシンクとを銅層を介して拡散接合することにより、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程を有し、前記ヒートシンク接合工程は、前記パワーモジュール用基板の前記金属層と前記銅層との間に、マグネシウムが0.02質量%以上3.0質量%以下の濃度で添加されたアルミニウム合金からなる金属箔を介在した状態で前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを接合することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。   A circuit layer is bonded to one surface of the ceramic substrate, and a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to the other surface of the ceramic substrate. A heat sink joining step for joining the power module substrate and the heat sink by diffusion bonding a heat sink made of an aluminum silicon carbide composite formed by impregnating the body with an aluminum alloy through a copper layer. The heat sink joining step includes a metal made of an aluminum alloy in which magnesium is added at a concentration of 0.02 mass% or more and 3.0 mass% or less between the metal layer and the copper layer of the power module substrate. The power module substrate and the heat sink are connected with a foil interposed. Method of manufacturing a substrate for a power module with a heat sink, characterized by. 前記金属箔の厚さが3.0μm以上300.0μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。   The thickness of the said metal foil is 3.0 micrometers or more and 300.0 micrometers or less, The manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink of Claim 1 characterized by the above-mentioned. 前記金属箔は、さらにシリコンを含み、該シリコンの濃度が10.5質量%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。   The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to claim 1 or 2, wherein the metal foil further contains silicon, and the concentration of the silicon is 10.5 mass% or less.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114762102A (en) * 2019-12-02 2022-07-15 应用材料公司 Method and apparatus for processing substrate

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10270596A (en) * 1997-03-26 1998-10-09 Mitsubishi Materials Corp Ceramic circuit substrate with heat sink
US6033787A (en) * 1996-08-22 2000-03-07 Mitsubishi Materials Corporation Ceramic circuit board with heat sink
JP2001044345A (en) * 1999-07-27 2001-02-16 Denki Kagaku Kogyo Kk Board integral structure
CN102810487A (en) * 2011-05-31 2012-12-05 Ixys半导体有限公司 Method for joining metal-ceramic substrates to metal bodies
JP2014143351A (en) * 2013-01-25 2014-08-07 Mitsubishi Materials Corp Manufacturing method of substrate for power module with heat sink
JP2016012612A (en) * 2014-06-27 2016-01-21 三菱マテリアル株式会社 Base plate for power module with heat sink, manufacturing method and power module
JP2016208010A (en) * 2015-04-16 2016-12-08 三菱マテリアル株式会社 Bonded body, substrate for power module with heat sink, heat sink, method for producing bonded body, method for producing substrate for power module with heat sink, and method for producing heat sink

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6033787A (en) * 1996-08-22 2000-03-07 Mitsubishi Materials Corporation Ceramic circuit board with heat sink
JPH10270596A (en) * 1997-03-26 1998-10-09 Mitsubishi Materials Corp Ceramic circuit substrate with heat sink
JP2001044345A (en) * 1999-07-27 2001-02-16 Denki Kagaku Kogyo Kk Board integral structure
CN102810487A (en) * 2011-05-31 2012-12-05 Ixys半导体有限公司 Method for joining metal-ceramic substrates to metal bodies
US20120305281A1 (en) * 2011-05-31 2012-12-06 Ixys Semiconductor Gmbh Method of Joining Metal-Ceramic Substrates to Metal Bodies
JP2012250284A (en) * 2011-05-31 2012-12-20 Ixys Semiconductor Gmbh Method for joining metal-ceramic substrate to metal body
JP2014143351A (en) * 2013-01-25 2014-08-07 Mitsubishi Materials Corp Manufacturing method of substrate for power module with heat sink
JP2016012612A (en) * 2014-06-27 2016-01-21 三菱マテリアル株式会社 Base plate for power module with heat sink, manufacturing method and power module
JP2016208010A (en) * 2015-04-16 2016-12-08 三菱マテリアル株式会社 Bonded body, substrate for power module with heat sink, heat sink, method for producing bonded body, method for producing substrate for power module with heat sink, and method for producing heat sink
CN107534033A (en) * 2015-04-16 2018-01-02 三菱综合材料株式会社 Conjugant, the power module substrate for carrying radiator, radiator and conjugant manufacture method, carry radiator power module substrate manufacture method, the manufacture method of radiator
US20180040535A1 (en) * 2015-04-16 2018-02-08 Mitsubishi Materials Corporation Bonded body, substrate for power module with heat sink, heat sink, method for producing bonded body, method for producing substrate for power module with heat sink, and method for producing heat sink

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114762102A (en) * 2019-12-02 2022-07-15 应用材料公司 Method and apparatus for processing substrate

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