JP4998387B2 - Power module substrate manufacturing method and power module substrate - Google Patents

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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 used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.

一般に、半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、このパワーモジュール用基板としては、例えば特許文献１に示されるように、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等からなるセラミックス基板上にアルミニウム板をＡｌ−Ｓｉ系等のろう材料を介して接合させたものが用いられている。このアルミニウム板は、後工程のエッチング処理によって所望パターンの回路が形成されて回路層となる。そして、エッチング後は、この回路層の表面にはんだ材を介して電子部品（半導体チップ等のパワー素子）が搭載され、パワーモジュールとなるのである。
一方、この種のパワーモジュールは、回路層とは反対側の面が放熱のために冷却器に取り付けられるが、その場合に、セラミックス基板に放熱用金属板を接合し、該放熱用金属板を冷却器に接合するようにしている。また、特許文献２記載のパワーモジュールでは、放熱用金属板をセラミックス基板と熱膨張率の近似した材料からなる緩衝層を介在させて冷却器に接合することにより、熱歪みの発生を防止するようにしている。
特開２００４−３５６５０２号公報 特開２００７−２７３７０６号公報 In general, a power module for supplying power among semiconductor elements has a relatively high calorific value. As this power module substrate, for example, as shown in Patent Document 1, AlN, Al 2 O 3 , Si 3 N 4. A ceramic substrate made of SiC or the like is used in which an aluminum plate is joined via a brazing material such as an Al-Si system. This aluminum plate becomes a circuit layer by forming a circuit having a desired pattern by an etching process in a later step. Then, after etching, an electronic component (power element such as a semiconductor chip) is mounted on the surface of the circuit layer via a solder material to form a power module.
On the other hand, in this type of power module, the surface opposite to the circuit layer is attached to a cooler for heat dissipation. In this case, a metal plate for heat dissipation is joined to a ceramic substrate, and the metal plate for heat dissipation is attached. It is made to join with a cooler. Further, in the power module described in Patent Document 2, the heat radiating metal plate is joined to the cooler with a buffer layer made of a material having a thermal expansion coefficient approximate to that of the ceramic substrate, thereby preventing the occurrence of thermal distortion. I have to.
JP 2004-356502 A JP 2007-273706 A

ところで、近年、構造簡略化等の要請に伴い、緩衝層や放熱用金属板を使わずにセラミックス基板を冷却器に直接接触させることが検討されており、パワーモジュールとしては過酷な環境（熱サイクル）への適用が要求されてきている。
しかしながら、従来のセラミックス基板として多く用いられてきた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板では、通常のハンドリングではセラミックス基板の表面にわずかなすり傷が発生し易く、セラミックス基板への熱サイクル環境が厳しくなると、その傷が起点となってセラミックス基板の割れにつながるという懸念が生じてきた。この場合、セラミックス基板の表面を再研磨することも考えられるが、再研磨により、いわゆるマイクロクラックが発生して、新たな割れの原因となるおそれがある。 By the way, in recent years, due to the demand for structural simplification and the like, it has been studied to directly contact the ceramic substrate with the cooler without using a buffer layer or a heat radiating metal plate. ) Has been required to be applied.
However, in an aluminum nitride (AlN) substrate that has been widely used as a conventional ceramic substrate, slight scratches are likely to occur on the surface of the ceramic substrate in normal handling, and the thermal cycle environment to the ceramic substrate becomes severe. There has been concern that scratches may be the starting point and lead to cracks in the ceramic substrate. In this case, the surface of the ceramic substrate may be repolished. However, the repolishing may cause so-called microcracks, which may cause new cracks.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、過酷な熱サイクル環境の下でも割れ等の発生のないパワーモジュール用基板を得ることができる製造方法及びパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a manufacturing method and a power module substrate capable of obtaining a power module substrate that is free from cracks and the like even under severe heat cycle environments. The purpose is to do.

本発明に係る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上に回路層用金属板をろう付け接合してなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、セラミックス粉末をガス中に分散してエアロゾル化し、そのエアロゾルを前記セラミックス基板に噴射することにより、該セラミックス基板の表面にセラミックス被膜を形成し、その後、該セラミックス被膜の上に前記回路層用金属板をろう付け接合することを特徴とする。   A power module substrate manufacturing method according to the present invention is a power module substrate manufacturing method in which a circuit layer metal plate is brazed and bonded onto a ceramic substrate, wherein ceramic powder is dispersed in a gas. A ceramic film is formed on the surface of the ceramic substrate by being aerosolized and spraying the aerosol onto the ceramic substrate, and then the circuit layer metal plate is brazed and bonded onto the ceramic film. To do.

この製造方法においては、セラミックス基板の表面にセラミックス粉末をエアロゾル化して噴射することにより、セラミックス基板に衝突したセラミックス粉末が衝突時の衝撃によってさらに破砕、変形し、より微細な粒子となってセラミックス基板の表面に付着する。このとき、破砕により生じたセラミックス粉末の高活性な新生表面がセラミックス基板あるいは他のセラミックス粉末と結合し、セラミックス基板表面に緻密なセラミックス被膜を形成する。このため、セラミックス基板の表面にわずかなすり傷等が生じていたとしても、その傷中に、破砕、変形されたセラミックスの微粒子が入り込んで、傷を埋めながら結合して被膜を形成する。しかも、セラミックス被膜形成後の焼成処理が不要であるので、セラミックス基板に反りが発生することもなく、熱歪み等による被膜の割れも生じない。   In this manufacturing method, ceramic powder is aerosolized and sprayed on the surface of the ceramic substrate, so that the ceramic powder that collides with the ceramic substrate is further crushed and deformed by the impact at the time of collision, and becomes finer particles. Adhere to the surface. At this time, the highly active new surface of the ceramic powder generated by crushing is combined with the ceramic substrate or another ceramic powder to form a dense ceramic coating on the ceramic substrate surface. For this reason, even if a slight scratch or the like is generated on the surface of the ceramic substrate, finely divided ceramic particles that have been crushed and deformed enter the flaw and are bonded while filling the flaw to form a film. In addition, since the firing treatment after the ceramic coating is not required, the ceramic substrate is not warped and the coating is not cracked due to thermal strain or the like.

本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法において、前記セラミックス基板に噴射する前の前記セラミックス粉末の平均粒子径が０．１〜０．７μｍであり、前記セラミックス被膜は、その膜厚が１〜２μｍであり、被膜中のセラミックス粒子の最大部分の径の平均が１０〜５０ｎｍである構成としてもよい。   In the method for manufacturing a power module substrate according to the present invention, the ceramic powder before spraying onto the ceramic substrate has an average particle diameter of 0.1 to 0.7 μm, and the ceramic coating has a film thickness of 1 to 1 μm. It is good also as a structure which is 2 micrometers and the average of the diameter of the largest part of the ceramic particle in a film is 10-50 nm.

出発原料として平均粒子径が０．１〜０．７μｍのセラミックス粉末を使用してエアロゾルとし、これをセラミックス基板に向けて噴射すると、セラミックス基板への衝突時の破砕、変形により偏平形状等の不定形の粒子となってセラミックス基板に被膜を形成する。その衝突時の圧力を適宜に調整することにより、被膜中のセラミックス粒子の最大部分の径の平均が１０〜５０ｎｍとなるようにすると、セラミックス基板表面の微細な傷を確実に埋めて全体をより平坦な表面に仕上げることができる。   When ceramic powder with an average particle size of 0.1 to 0.7 μm is used as a starting material to form an aerosol and this is sprayed onto the ceramic substrate, flat shapes and other irregularities are not obtained due to crushing and deformation at the time of collision with the ceramic substrate. A film is formed on the ceramic substrate as regular particles. By appropriately adjusting the pressure at the time of the collision so that the average diameter of the maximum part of the ceramic particles in the coating is 10 to 50 nm, the fine scratches on the surface of the ceramic substrate are surely filled and the whole is more It can be finished to a flat surface.

本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法において、前記セラミックス基板は窒化アルミニウムであり、前記回路層用金属板はアルミニウム又はその合金であり、前記セラミックス粉末は酸化アルミニウムである構成としてもよい。
このような組み合わせであると、回路層用金属板のろう付けの接合性、回路層用金属板からセラミックス基板への熱伝達性がさらに良好となり、信頼性の高いパワーモジュール用基板を製造することができる。 In the method for manufacturing a power module substrate according to the present invention, the ceramic substrate may be aluminum nitride, the circuit layer metal plate may be aluminum or an alloy thereof, and the ceramic powder may be aluminum oxide.
With such a combination, the solderability of the circuit layer metal plate and the heat transfer from the circuit layer metal plate to the ceramic substrate are further improved, and a highly reliable power module substrate is manufactured. Can do.

また、本発明に係るパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の表面にセラミックス被膜が形成され、該セラミックス被膜の上に回路層用金属板がろう付け接合されてなり、前記セラミックス被膜は、膜厚が１〜２μｍであり、膜中のセラミックス粒子の最大部分の径の平均が１０〜５０ｎｍであることを特徴とする。
また、本発明に係るパワーモジュール用基板において、前記セラミックス基板は窒化アルミニウムであり、前記回路層用金属板はアルミニウム又はその合金であり、前記セラミックス粒子は酸化アルミニウムである構成としてもよい。 In the power module substrate according to the present invention, a ceramic coating is formed on the surface of the ceramic substrate, and a metal plate for a circuit layer is brazed and joined to the ceramic coating. It is 1-2 micrometers, The average of the diameter of the largest part of the ceramic particle in a film | membrane is 10-50 nm, It is characterized by the above-mentioned.
In the power module substrate according to the present invention, the ceramic substrate may be aluminum nitride, the circuit layer metal plate may be aluminum or an alloy thereof, and the ceramic particles may be aluminum oxide.

本発明によれば、セラミックス基板の表面にセラミックス粉末のエアロゾルを噴射してセラミックス被膜を形成したので、セラミックス基板の表面にわずかなすり傷等が生じていたとしても緻密なセラミックス被膜によりすり傷等を埋めて平坦な表面に仕上げることができる。このため、セラミックス基板の抗折強度が向上し、過酷な熱サイクル条件でも割れ等が生じにくく、また、緻密なセラミックス被膜の上にろう付けされる回路層用金属板の密着性も向上し、パワーモジュール用の絶縁基板としての信頼性を高めることができる。   According to the present invention, the ceramic powder aerosol is sprayed on the surface of the ceramic substrate to form the ceramic film, so that even if a slight scratch or the like is generated on the surface of the ceramic substrate, the fine ceramic film is scratched or the like. Can be finished to a flat surface. For this reason, the bending strength of the ceramic substrate is improved, cracking and the like are less likely to occur even under severe thermal cycle conditions, and the adhesion of the metal plate for circuit layers brazed onto a dense ceramic film is also improved. Reliability as an insulating substrate for a power module can be improved.

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示している。この図１に示されるパワーモジュール１は、セラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、該パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４と、パワーモジュール用基板３の裏面に接合された冷却器５とから構成されている。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a power module using a power module substrate according to the present invention. A power module 1 shown in FIG. 1 includes a power module substrate 3 having a ceramic substrate 2, an electronic component 4 such as a semiconductor chip mounted on the surface of the power module substrate 3, and a power module substrate 3. It is comprised from the cooler 5 joined to the back surface.

パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の表面側にセラミックス被膜６が形成され、該セラミックス被膜６の上に電子部品４を搭載するための回路層用金属板７が積層され、セラミックス基板２の裏面側に冷却器５が取り付けられる構成である。
また、セラミックス基板２は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成され、回路層用金属板７は、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる金属板により形成されている。
また、セラミックス被膜６は、例えばＡｌ２Ｏ３（アルミナ）の微細粒子からなり、後述のエアロゾルデポジション（Ａｅｒｏｓｏｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（ＡＤ法ともいう）により形成されたものである。 The power module substrate 3 has a ceramic film 6 formed on the surface of the ceramic substrate 2, and a circuit layer metal plate 7 for mounting the electronic component 4 is laminated on the ceramic film 6. The cooler 5 is attached to the back side.
Further, the ceramic substrate 2 is formed of nitride ceramics such as AlN (aluminum nitride) and Si 3 N 4 (silicon nitride), or oxide ceramics such as Al 2 O 3 (alumina) and is used for circuit layers. The metal plate 7 is formed of a metal plate made of pure aluminum or an aluminum alloy.
The ceramic film 6 is made of, for example, fine particles of Al 2 O 3 (alumina) and is formed by an aerosol deposition method (also referred to as an AD method) described later.

そして、このセラミックス被膜６の上に回路層用金属板７がろう付けにより積層され、その金属板７がエッチング処理されて所望のパターンの回路層を構成している。ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等が使用される。
また、この回路層用金属板７は、その表面にはんだの濡れ性を向上させるために、ニッケルメッキ処理によってニッケルメッキ膜８が形成されている。
そして、回路層用金属板７の上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−Ａｌ系若しくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によって電子部品４が接合される。図中符号９がそのはんだ接合層を示す。なお、電子部品４と回路層用金属板７の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。
一方、冷却器５は、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、その長さ方向に沿って冷却水を流通させるための多数の流路１０が形成されており、セラミックス基板２との間はろう付けによって接合される。 A circuit layer metal plate 7 is laminated on the ceramic film 6 by brazing, and the metal plate 7 is etched to form a circuit layer having a desired pattern. As the brazing material, Al—Si, Al—Ge, Al—Cu, Al—Mg, Al—Mn, or the like is used.
The circuit layer metal plate 7 has a nickel plating film 8 formed on the surface thereof by a nickel plating process in order to improve solder wettability.
And the electronic component 4 is joined on the metal plate 7 for circuit layers by solder materials, such as Sn-Ag-Cu type, Zn-Al type, or Pb-Sn type. Reference numeral 9 in the drawing indicates the solder joint layer. The electronic component 4 and the terminal portion of the circuit layer metal plate 7 are connected by a bonding wire (not shown) made of aluminum.
On the other hand, the cooler 5 is formed by extrusion molding of an aluminum alloy, and is formed with a large number of flow paths 10 for circulating cooling water along the length direction thereof. Joined by.

次に、このような構成のパワーモジュール１に使用されているパワーモジュール用基板３の製造方法について説明する。
まず、セラミックス基板２を製作して、その表面に、エアロゾルデポジション法によりセラミックス被膜６を形成する。図２は、セラミックス基板２の表面にエアロゾルデポジション法によりセラミックス被膜６を形成するための被膜形成装置１１の例を示している。この被膜形成装置１１は、セラミックス粉末をエアロゾル化するエアロゾル生成チャンバ１２と、そのエアロゾルをセラミックス基板２の表面に噴射してセラミックス被膜６を形成する処理チャンバ１３とを備えている。 Next, a method for manufacturing the power module substrate 3 used in the power module 1 having such a configuration will be described.
First, the ceramic substrate 2 is manufactured, and the ceramic film 6 is formed on the surface by an aerosol deposition method. FIG. 2 shows an example of a film forming apparatus 11 for forming the ceramic film 6 on the surface of the ceramic substrate 2 by the aerosol deposition method. The coating film forming apparatus 11 includes an aerosol generation chamber 12 that aerosolizes ceramic powder, and a processing chamber 13 that forms the ceramic film 6 by spraying the aerosol onto the surface of the ceramic substrate 2.

エアロゾル生成チャンバ１２は、その内部に原料粉となるセラミックス粉末Ｓが収容され、該セラミックス粉末Ｓにキャリアガス供給系１４から不活性ガス等のキャリアガスを吹き込むことにより、これらを混合してエアロゾルとし、このエアロゾルを搬送管１５を介して処理チャンバ１３に導くようになっている。キャリアガスとして用いられる不活性ガスとしては、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ２等が用いられる。
処理チャンバ１３は、エアロゾル生成チャンバ１２からの搬送管１５が内部に挿入されるとともに、その先端に垂直方向に沿って噴射ノズル１６が設けられており、この噴射ノズル１６に対向するようにセラミックス基板２を搭載するステージ１７が設けられている。
このステージ１７は、噴射ノズル１６からの噴射方向と直交する水平方向に沿ってセラミックス基板２を保持して、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向にセラミックス基板２を移動することができる構成である。また、処理チャンバ１３内は、真空ポンプ１８によって真空引きされるようになっている。 The aerosol generation chamber 12 contains a ceramic powder S as a raw material powder therein, and blows a carrier gas such as an inert gas from the carrier gas supply system 14 into the ceramic powder S, thereby mixing them into an aerosol. The aerosol is guided to the processing chamber 13 through the transport pipe 15. As the inert gas used as the carrier gas, He, Ar, N 2 or the like is used.
In the processing chamber 13, a transport pipe 15 from the aerosol generation chamber 12 is inserted therein, and an injection nozzle 16 is provided along the vertical direction at the tip, and the ceramic substrate is opposed to the injection nozzle 16. 2 is provided.
The stage 17 is configured to hold the ceramic substrate 2 along a horizontal direction orthogonal to the injection direction from the injection nozzle 16 and to move the ceramic substrate 2 in the X direction, the Y direction, and the Z direction. Further, the inside of the processing chamber 13 is evacuated by a vacuum pump 18.

このような構成の被膜形成装置１１を使用してセラミックス基板２の表面にセラミックス被膜６を形成するには、エアロゾル生成チャンバ１２内に、原料粉末としてＡｌ２Ｏ３（アルミナ）の粉末Ｓを収容する。このアルミナ粉末Ｓは、アルミナをボールミル等によって機械的に粉砕したものが使用され、その平均粒径は０．１〜０．７μｍとされる。そして、エアロゾル生成チャンバ１２内にキャリアガスを導入すると、セラミックス粉末Ｓがキャリアガスにより攪拌されながら、該キャリアガス中に分散してエアロゾルが生成される。
一方、処理チャンバ１３内は真空ポンプ１８によって真空引きされており、該処理チャンバ１３とエアロゾル生成チャンバ１２との差圧によってエアロゾルが搬送管１５を経由して噴射ノズル１６に導かれ、その先端から噴射させられる。また、処理チャンバ１３内においては、ステージ１７の上にセラミックス基板２が搭載されており、該セラミックス基板２は、図３（ａ）に示すようにステージ１７によって水平方向に移動しながら、噴射ノズル１６から噴射したセラミックス粉末のエアロゾルが表面に衝突し、図３（ｃ）に示すように表面全面にセラミックス被膜６が形成される。 In order to form the ceramic coating 6 on the surface of the ceramic substrate 2 using the coating film forming apparatus 11 having such a configuration, an Al 2 O 3 (alumina) powder S is accommodated in the aerosol generation chamber 12 as a raw material powder. To do. The alumina powder S is obtained by mechanically pulverizing alumina using a ball mill or the like, and has an average particle size of 0.1 to 0.7 μm. When a carrier gas is introduced into the aerosol generation chamber 12, the ceramic powder S is dispersed in the carrier gas while being stirred by the carrier gas, and an aerosol is generated.
On the other hand, the inside of the processing chamber 13 is evacuated by a vacuum pump 18, and the aerosol is guided to the injection nozzle 16 through the transport pipe 15 by the differential pressure between the processing chamber 13 and the aerosol generation chamber 12, and from the tip thereof. Be injected. In the processing chamber 13, the ceramic substrate 2 is mounted on the stage 17, and the ceramic substrate 2 is moved in the horizontal direction by the stage 17 as shown in FIG. The aerosol of ceramic powder sprayed from 16 collides with the surface, and a ceramic film 6 is formed on the entire surface as shown in FIG.

このエアロゾルは、セラミックス粉末がキャリアガスに分散したものであり、そのキャリアガスとともにセラミックス基板２に吹き付けられ、衝突時のエネルギーによって破砕又は変形して、さらに小さい粒子となってセラミックス基板２に付着する。このため、図３（ｂ）に示すように、セラミックス基板２の表面にすり傷等によるわずかな凹部Ａが生じている場合でも、その凹部Ａ内にセラミックス粉末が入り込んで、これを埋めながら結合してセラミックス基板２の表面に緻密なセラミックス被膜６を形成する。   In this aerosol, ceramic powder is dispersed in a carrier gas. The aerosol is sprayed on the ceramic substrate 2 together with the carrier gas, and is crushed or deformed by the energy at the time of collision, and becomes smaller particles and adheres to the ceramic substrate 2. . Therefore, as shown in FIG. 3B, even when a slight recess A due to a scratch or the like is generated on the surface of the ceramic substrate 2, the ceramic powder enters the recess A and is bonded while filling it. Then, a dense ceramic film 6 is formed on the surface of the ceramic substrate 2.

次いで、このセラミックス被膜６の表面にろう材箔を介して回路層用金属板７を積層し、これら積層体を不活性ガス雰囲気、還元ガス雰囲気又は真空雰囲気において積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させることによって回路層用金属板７をセラミックス被膜６に接合する。そして、その回路層用金属板７に所望のパターンでエッチング処理を施した後に、その表面に無電解めっきによりニッケルメッキ膜８を形成すると、パワーモジュール用基板３が完成する。   Next, a circuit layer metal plate 7 is laminated on the surface of the ceramic coating 6 via a brazing material foil, and these laminates are heated in a state of being pressurized in the laminating direction in an inert gas atmosphere, a reducing gas atmosphere or a vacuum atmosphere. Then, the metal plate for circuit layer 7 is joined to the ceramic film 6 by melting the brazing material foil. Then, after the metal layer 7 for circuit layer is etched with a desired pattern, a nickel plating film 8 is formed on the surface thereof by electroless plating, whereby the power module substrate 3 is completed.

このようにして製造されたパワーモジュール用基板３においては、そのセラミックス基板２に緻密なセラミックス粒子の結合からなるセラミックス被膜６が形成されていることから、セラミックス基板２の表面のすり傷等による凹部Ａがセラミックス被膜６により埋められ、表面が平坦に形成される。
このセラミックス被膜６は、エアロゾル化したセラミックス粉末が衝突時の衝撃によってさらに破砕、変形して、より微細な粒子となってセラミックス基板２の表面に付着して形成されたものである。この場合、破砕により生じたセラミックス粉末の高活性な新生表面がセラミックス基板２あるいは他のセラミックス粉末と結合することにより、セラミックス基板２表面に緻密な層として形成される。 In the power module substrate 3 manufactured as described above, since the ceramic coating 6 composed of dense ceramic particles is formed on the ceramic substrate 2, the surface of the ceramic substrate 2 is recessed due to scratches or the like. A is filled with the ceramic coating 6, and the surface is formed flat.
The ceramic coating 6 is formed by further crushing and deforming the aerosolized ceramic powder by impact at the time of collision to form finer particles and adhering to the surface of the ceramic substrate 2. In this case, a highly active new surface of the ceramic powder generated by crushing is combined with the ceramic substrate 2 or another ceramic powder, thereby forming a dense layer on the surface of the ceramic substrate 2.

出発原料として平均粒子径が０．１〜０．７μｍのセラミックス粉末を使用し、噴射ノズル１６からの噴射圧力を適宜に設定することにより、セラミックス被膜６中のセラミックス粒子をその最大部分の径の平均が１０〜５０ｎｍとなるようにすると、セラミックス基板２表面の微細な傷を確実に埋めて全体をより平坦な表面に仕上げることができる。最大部分の径とは、セラミックス粉末をセラミックス基板２に向けて噴射すると、衝突時の破砕、変形により偏平形状等の不定形の粒子となるため、その最大部分を測定することとしたのである。この粒子径は、セラミックス被膜６の断面をＦＥ−ＳＥＭ（Ｆｉｅｌｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を使用して観察することにより測定することができる。ＦＥ−ＳＥＭとして例えば日立製作所株式会社製のＳ−５０００を使用し、加速電圧が１０ｋＶ、出力電圧が３．８Ｖ、出力電流が１０ｍＡの条件で測定することができる。
なお、セラミックス被膜６を構成している各粒子径の最大値は５００ｎｍ以下とされる。また、膜厚は、均一な被膜に形成するために、１〜２μｍが好ましい。 Ceramic powder having an average particle size of 0.1 to 0.7 μm is used as a starting material, and by appropriately setting the injection pressure from the injection nozzle 16, the ceramic particles in the ceramic coating 6 have the maximum diameter. When the average is 10 to 50 nm, fine scratches on the surface of the ceramic substrate 2 can be surely filled and the entire surface can be finished to a flatter surface. The diameter of the maximum portion is that when the ceramic powder is sprayed toward the ceramic substrate 2, it becomes irregular shaped particles such as flat shapes due to crushing and deformation at the time of collision, and thus the maximum portion is measured. The particle diameter can be measured by observing the cross section of the ceramic coating 6 using a FE-SEM (Field Scanning Electron Microscope). For example, S-5000 manufactured by Hitachi, Ltd. can be used as the FE-SEM, and measurement can be performed under conditions of an acceleration voltage of 10 kV, an output voltage of 3.8 V, and an output current of 10 mA.
In addition, the maximum value of each particle diameter which comprises the ceramic film 6 shall be 500 nm or less. The film thickness is preferably 1 to 2 μm in order to form a uniform film.

このセラミックス被膜６は、焼成工程を経ることなく常温で形成されるため、焼成時の熱による歪みの発生がなく、反りや被膜の割れ等の欠陥が生じることがない。
したがって、前述した緻密組織に形成することができる効果と相まって、このセラミックス基板２は、抗折強度が向上し、過酷な熱サイクル条件でも割れ等が生じにくく、また、そのセラミックス被膜６の上にろう付けされる回路層用金属板７の密着性が向上するとともに、パワーモジュール用の絶縁基板としての信頼性を高めることができるものである。なお、セラミックス粉末としてアルミナを用いたことにより、ろう付け接合性がより高められ、強固な接合強度を発揮することができる。 Since the ceramic coating 6 is formed at normal temperature without passing through a firing step, there is no occurrence of distortion due to heat during firing, and defects such as warpage and cracks in the coating do not occur.
Therefore, coupled with the effect that can be formed in the above-described dense structure, this ceramic substrate 2 has an improved bending strength, is not easily cracked even under severe heat cycle conditions, and is formed on the ceramic coating 6. The adhesiveness of the brazed circuit layer metal plate 7 can be improved, and the reliability as an insulating substrate for a power module can be improved. In addition, by using alumina as the ceramic powder, the brazing bondability is further improved, and a strong bonding strength can be exhibited.

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、セラミックス被膜を構成する材料としては、アルミナの他にも、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等も適用可能である。また、セラミックス基板に冷却器を直接接合したが、セラミックス基板に放熱用金属板を接合した上で、この放熱用金属板を冷却器に接合するようにしてもよい。 As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
For example, as a material constituting the ceramic coating, in addition to alumina, AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), and the like can be applied. Moreover, although the cooler was directly joined to the ceramic substrate, the heat radiating metal plate may be joined to the cooler after the radiating metal plate is joined to the ceramic substrate.

本発明に係るパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの全体構成例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the example of whole structure of the power module using the board | substrate for power modules which concerns on this invention. 図１のパワーモジュール用基板を製造するための被膜形成装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the film formation apparatus for manufacturing the board | substrate for power modules of FIG. 図２の被膜形成装置を使用してセラミックス基板の表面にセラミックス被膜を形成している状態を示しており、（ａ）が被膜形成中の縦断面図、（ｂ）は被膜形成部分の拡大図、（ｃ）は被膜形成後の縦断面図である。The state which has formed the ceramic film on the surface of a ceramic substrate using the film formation apparatus of FIG. 2 is shown, (a) is a longitudinal cross-sectional view during film formation, (b) is an enlarged view of a film formation part. (C) is a longitudinal cross-sectional view after film formation.

符号の説明Explanation of symbols

１ パワーモジュール
２ 絶縁基板
３ パワーモジュール用基板
４ 電子部品
５ 冷却器
６ セラミックス被膜
７ 回路層用金属板
８ ニッケルメッキ膜
９ はんだ接合層
１０ 流路
１１ 被膜形成装置
１２ エアロゾル生成チャンバ
１３ 処理チャンバ
１４ キャリアガス供給系
１５ 搬送管
１６ 噴射ノズル
１７ ステージ
１８ 真空ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power module 2 Insulation board | substrate 3 Power module board | substrate 4 Electronic component 5 Cooler 6 Ceramic coating 7 Metal plate for circuit layers 8 Nickel plating film 9 Solder joint layer 10 Flow path 11 Coating formation apparatus 12 Aerosol production chamber 13 Processing chamber 14 Carrier Gas supply system 15 Transport pipe 16 Injection nozzle 17 Stage 18 Vacuum pump

Claims (5)

セラミックス基板の上に回路層用金属板をろう付け接合してなるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
セラミックス粉末をガス中に分散してエアロゾル化し、そのエアロゾルを前記セラミックス基板に噴射することにより、該セラミックス基板の表面にセラミックス被膜を形成し、その後、該セラミックス被膜の上に前記回路層用金属板をろう付け接合することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 A method for manufacturing a power module substrate, which is obtained by brazing a metal plate for a circuit layer on a ceramic substrate,
A ceramic powder is dispersed in a gas to form an aerosol, and the aerosol is sprayed onto the ceramic substrate to form a ceramic coating on the surface of the ceramic substrate, and then the circuit layer metal plate on the ceramic coating. A method for manufacturing a substrate for a power module, characterized by brazing and bonding. 前記セラミックス基板に噴射する前の前記セラミックス粉末の平均粒子径が０．１〜０．７μｍであり、前記セラミックス被膜は、その膜厚が１〜２μｍであり、被膜中のセラミックス粒子の最大部分の径の平均が１０〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The ceramic powder before spraying onto the ceramic substrate has an average particle size of 0.1 to 0.7 μm, the ceramic coating has a thickness of 1 to 2 μm, and the ceramic particles in the coating have a maximum portion. 2. The method for manufacturing a power module substrate according to claim 1, wherein the average diameter is 10 to 50 nm. 前記セラミックス基板は窒化アルミニウムであり、前記回路層用金属板はアルミニウム又はその合金であり、前記セラミックス粉末は酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   3. The method of manufacturing a power module substrate according to claim 1, wherein the ceramic substrate is aluminum nitride, the metal plate for circuit layer is aluminum or an alloy thereof, and the ceramic powder is aluminum oxide. . セラミックス基板の表面にセラミックス被膜が形成され、該セラミックス被膜の上に回路層用金属板がろう付け接合されてなり、前記セラミックス被膜は、膜厚が１〜２μｍであり、膜中のセラミックス粒子の最大部分の径の平均が１０〜５０ｎｍであることを特徴とするパワーモジュール用基板。   A ceramic film is formed on the surface of the ceramic substrate, and a metal plate for circuit layers is brazed and joined to the ceramic film. The ceramic film has a thickness of 1 to 2 μm, and the ceramic particles in the film A power module substrate having an average diameter of a maximum portion of 10 to 50 nm. 前記セラミックス基板は窒化アルミニウムであり、前記回路層用金属板はアルミニウム又はその合金であり、前記セラミックス粒子は酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項４記載のパワーモジュール用基板。   5. The power module substrate according to claim 4, wherein the ceramic substrate is aluminum nitride, the circuit layer metal plate is aluminum or an alloy thereof, and the ceramic particles are aluminum oxide.
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