JP5316167B2 - Power module substrate, power module substrate manufacturing method, and power module - Google Patents
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Description
この発明は、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、このパワーモジュール用基板の製造方法及びこのパワーモジュール基板を備えたパワーモジュールに関するものである。 The present invention relates to a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage, a method for manufacturing the power module substrate, and a power module including the power module substrate.
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、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。
A power module for supplying power among semiconductor elements has a relatively high calorific value. For example, an Al (aluminum) metal plate is formed on a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride). A power module substrate bonded via a Si-based brazing material is used.
The metal plate is formed as a circuit layer, and a power element semiconductor chip is mounted on the metal plate via a solder material.
また、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して冷却器が接合された冷却器付パワーモジュール用基板が提案されている。このような冷却器付パワーモジュール用基板においては、電子部品から発生した熱を効率的に放散することが可能となる。
ここで、セラミックス基板は、回路層と金属層との間の絶縁性を確保するとともに、パワーモジュール用基板全体の剛性を確保する役割を有している。
Also, a power module substrate with a cooler has been proposed in which a metal plate such as Al is joined to the lower surface of the ceramic substrate to form a metal layer for heat dissipation, and a cooler is joined through the metal layer. . In such a power module substrate with a cooler, the heat generated from the electronic component can be efficiently dissipated.
Here, the ceramic substrate has a role of ensuring the insulation between the circuit layer and the metal layer and ensuring the rigidity of the entire power module substrate.
さらに、近年では、パワーモジュールユニットにおいて、電子部品の高集積化、高密度化が進められており、例えば特許文献２、３に記載されているように、ひとつのセラミックス基板に複数の回路層を形成したパワーモジュール用基板が提案されている。 Furthermore, in recent years, in the power module unit, electronic components have been highly integrated and densified. For example, as described in Patent Documents 2 and 3, a plurality of circuit layers are formed on one ceramic substrate. A formed power module substrate has been proposed.
しかしながら、複数の回路層を形成するために、比較的サイズの大きなセラミックス基板を用いた場合には、回路層や金属層の接合時や熱サイクル負荷時において、セラミックス基板に比較的大きな反りが発生し、割れが生じるおそれがあった。つまり、面積の大きなパワーモジュール用基板を構成する際には、その剛性を確保するために大きな面積のセラミックス基板を用いる必要があるが、大きなセラミックス基板を用いると割れや反りが発生してしまうことになるのである。 However, if a relatively large ceramic substrate is used to form multiple circuit layers, a relatively large warp will occur in the ceramic substrate when the circuit layer or metal layer is joined or when a thermal cycle is applied. However, there was a risk of cracking. In other words, when configuring a power module substrate with a large area, it is necessary to use a ceramic substrate with a large area in order to ensure its rigidity, but cracks and warping will occur if a large ceramic substrate is used. It becomes.
特に、例えば特許文献１の図４に示すように、パワーモジュール用基板を冷却器の天板部に直接接合した冷却器付パワーモジュール用基板では、パワーモジュール用基板の熱膨張係数はセラミックス基板に依存して比較的小さく、冷却器の天板部はアルミニウム等で構成されていて熱膨張係数が比較的大きいため、冷却器付パワーモジュールに熱サイクルが負荷された際に、熱膨張率の差によって熱応力が生じ、セラミックス基板に割れや反りが発生してしまう危険性がさらに高くなる。 In particular, for example, as shown in FIG. 4 of Patent Document 1, in a power module substrate with a cooler in which the power module substrate is directly joined to the top plate portion of the cooler, the thermal expansion coefficient of the power module substrate is the ceramic substrate. Depending on the temperature, the top plate of the cooler is made of aluminum and has a relatively large coefficient of thermal expansion. As a result, thermal stress is generated, and the risk of cracking and warping of the ceramic substrate is further increased.
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、比較的面積の大きくても、セラミック基板の反り、割れの発生を抑制することが可能なパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法及び、このパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances described above, and is a power module substrate capable of suppressing warpage and cracking of a ceramic substrate even when the area is relatively large, and the power module substrate. An object of the present invention is to provide a manufacturing method and a power module using the power module substrate.
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、アルミニウム又はアルミニウム合金の板材からなる金属層と、この金属層の一方の面に配設されたセラミックス基板と、このセラミックス基板の上に配設され、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層と、を備え、前記金属層は、前記セラミックス基板に純度９９．９％以上のアルミニウムの板材を接合することで構成され、前記金属層は、前記セラミックス基板よりも面積が大きく設定されており、前記金属層には、前記一方の面側部分において、アルミニウムの母相中に第２相が分散されてなる硬化層と、アルミニウムの単一相からなる軟質層と、が設けられており、前記硬化層は、前記金属層の一方の面の全面に形成されていることを特徴としている。
In order to solve such problems and achieve the above object, the power module substrate of the present invention is disposed on a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy plate and on one surface of the metal layer. A ceramic substrate, and a circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy, the metal layer joining an aluminum plate having a purity of 99.9% or more to the ceramic substrate. The area of the metal layer is set larger than that of the ceramic substrate, and the second phase is dispersed in the matrix of aluminum in the one surface side portion of the metal layer. A hardened layer and a soft layer made of a single phase of aluminum are provided, and the hardened layer is formed on the entire surface of one surface of the metal layer. It is characterized by a door.
この構成のパワーモジュール用基板においては、金属層の一方の面側部分に、アルミニウムの母相中に第２相が分散した硬化層が設けられているので、金属層の剛性が向上することになり、パワーモジュール用基板自体の剛性を確保することが可能となる。よって、比較的面積の大きなパワーモジュール用基板を形成したとしても、セラミックス基板を分割して比較的面積を小さくすることが可能となり、セラミックス基板の反りや割れを抑制することができる。
また、アルミニウムの単一相からなる軟質層を有しているので、熱サイクル負荷時や接合時において発生する熱応力をこの軟質層によって吸収することができる。
また、金属層が純度９９．９％以上のアルミニウムで構成されていることから、金属層の変形抵抗が小さく、アルミニウムとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力（ひずみ）を金属層で効率的に吸収することが可能となり、セラミックス基板の反りや割れを確実に抑えることができる。
なお、純度９９．９％以上のアルミニウムによって金属層を構成した場合には剛性が低くなるが、金属層の一方の面側に硬化層を形成することによって、金属層全体の剛性を確保することができる。
In the power module substrate having this configuration, since the hardened layer in which the second phase is dispersed in the aluminum mother phase is provided on one surface side portion of the metal layer, the rigidity of the metal layer is improved. Thus, the rigidity of the power module substrate itself can be ensured. Therefore, even if a power module substrate having a relatively large area is formed, the ceramic substrate can be divided to relatively reduce the area, and warpage and cracking of the ceramic substrate can be suppressed.
Moreover, since it has the soft layer which consists of a single phase of aluminum, the thermal stress which generate | occur | produces at the time of a thermal cycle load and joining can be absorbed by this soft layer.
In addition, since the metal layer is made of aluminum having a purity of 99.9% or more, the deformation resistance of the metal layer is small, and the thermal stress (strain) resulting from the difference in thermal expansion coefficient between the aluminum and the ceramic substrate is reduced to the metal. It becomes possible to absorb efficiently by the layer, and it is possible to reliably suppress warping and cracking of the ceramic substrate.
In addition, when the metal layer is made of aluminum having a purity of 99.9% or more, the rigidity is lowered, but the rigidity of the entire metal layer is ensured by forming a hardened layer on one surface side of the metal layer. Can do.
ここで、前記セラミックス基板が、前記金属層の一方の面に複数配設され、これら複数のセラミックス基板に回路層がそれぞれ形成されている構成とすることが好ましい。
この場合、金属層の上に、複数のセラミックス基板が配設され、このセラミックス基板の上に回路層が形成されていることから、セラミックス基板自体が分割されて比較的面積が小さくすることができ、セラミックス基板の反りや割れを抑えることが可能となる。よって、複数の回路層が形成された大型のパワーモジュール用基板を構成することが可能となる。
Here, it is preferable that a plurality of the ceramic substrates are arranged on one surface of the metal layer, and a circuit layer is formed on each of the plurality of ceramic substrates.
In this case, since a plurality of ceramic substrates are disposed on the metal layer and the circuit layer is formed on the ceramic substrate, the ceramic substrate itself can be divided to reduce the area relatively. It is possible to suppress warping and cracking of the ceramic substrate. Therefore, it is possible to configure a large power module substrate on which a plurality of circuit layers are formed.
また、前記金属層の面積が、４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下とされていることが好ましい。
この場合、前記金属層の面積が、４０００ｍｍ２以上とされているので、例えば複数のセラミックス基板を金属層上に配設することが可能となる。また、前記金属層の面積が、１００００ｍｍ２以下とされているので、硬化層によって金属層の剛性を確保することができる。
The area of the metal layer, which is preferably a 4000 mm 2 or more 10000 mm 2 or less.
In this case, since the area of the metal layer is 4000 mm 2 or more, for example, a plurality of ceramic substrates can be disposed on the metal layer. Moreover, since the area of the said metal layer shall be 10000 mm < 2 > or less, the rigidity of a metal layer can be ensured with a hardened layer.
さらに、前記セラミックス基板の面積が、１００ｍｍ２以上２０００ｍｍ２以下とされていることが好ましい。
この場合、前記セラミックス基板の面積が、１００ｍｍ２以上とされているので、セラミックス基板の上に回路層を形成することができる。また、前記セラミックス基板の面積が、２０００ｍｍ２以下とされているので、セラミックス基板の反りや割れを確実に抑制することができる。
Furthermore, it is preferable that the area of the ceramic substrate is 100 mm 2 or more and 2000 mm 2 or less.
In this case, since the area of the ceramic substrate is 100 mm 2 or more, a circuit layer can be formed on the ceramic substrate. Moreover, since the area of the ceramic substrate is 2000 mm 2 or less, warping and cracking of the ceramic substrate can be reliably suppressed.
さらに、前記金属層が、冷却器の天板部とされることが好ましい。
この場合、金属層が冷却器の天板部としても役割を有することから、金属層の一方の面に配設されたセラミックス基板及び回路層を効率的に冷却することが可能となる。よって、回路層上に配設される電子部品から発生する熱を冷却器によって効率的に冷却することができ、電子部品が高集積、高密度に配設されたパワーモジュールユニットに適用することができる。
Furthermore, it is preferable that the metal layer is a top plate portion of a cooler.
In this case, since the metal layer also functions as a top plate portion of the cooler, the ceramic substrate and the circuit layer disposed on one surface of the metal layer can be efficiently cooled. Therefore, the heat generated from the electronic components disposed on the circuit layer can be efficiently cooled by the cooler, and can be applied to a power module unit in which the electronic components are highly integrated and densely disposed. it can.
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層となるアルミニウム板の一方の面の全面に、前記第２相を構成する元素を含有したアルミ合金からなるろう材を配設し、このろう材の上に前記セラミックス基板を積層し、このセラミックス基板上に回路層となる金属板を積層して、積層体を形成する積層工程と、前記積層体を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板の一方の面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、前記溶融工程及び前記凝固工程により、前記金属層の一方の面側部分に、アルミニウムの母相中に第２相が分散されてなる硬化層を形成することを特徴としている。 The power module substrate manufacturing method of the present invention is a power module substrate manufacturing method for manufacturing the power module substrate described above, on the entire surface of one surface of the aluminum plate to be the metal layer, A brazing material made of an aluminum alloy containing an element constituting the second phase is disposed, the ceramic substrate is laminated on the brazing material, and a metal plate serving as a circuit layer is laminated on the ceramic substrate, A laminating step for forming a laminate, a melting step for pressurizing and heating the laminate in the laminating direction to form a molten aluminum layer on one surface of the aluminum plate, and a solidification for solidifying the molten aluminum layer by cooling And the second phase is dispersed in the aluminum matrix on one surface side portion of the metal layer by the melting step and the solidifying step. It is characterized by forming a cured layer.
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属層となるアルミニウム板の一方の面の全面に、前記第２相を構成する元素を含有したアルミ合金からなるろう材を配設し、このろう材を溶融・凝固させていることから、金属層の一方の面側に、第２相を構成する元素の濃度が高い部分を生じさせて、アルミニウムの母相中に第２相が分散されてなる硬化層を形成することが可能となる。なお、硬化層における第２相の分散状態は、ろう材に含まれる前記第２相を構成する元素量、溶融工程の温度及び時間、前記凝固工程の凝固速度等によって調整されることになる。 According to the method for manufacturing a power module substrate of this configuration, the brazing material made of an aluminum alloy containing the element constituting the second phase is disposed on the entire surface of one surface of the aluminum plate to be the metal layer, Since this brazing material is melted and solidified, a portion having a high concentration of the elements constituting the second phase is formed on one side of the metal layer, and the second phase is dispersed in the aluminum parent phase. It is possible to form a cured layer. Note that the dispersion state of the second phase in the hardened layer is adjusted by the amount of elements constituting the second phase contained in the brazing material, the temperature and time of the melting step, the solidification rate of the solidification step, and the like.
本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、高集積、高密度のパワーモジュールユニットを構成することが可能となる。
A power module according to the present invention includes the above-described power module substrate and an electronic component mounted on the circuit layer.
According to the power module having this configuration, a highly integrated and high-density power module unit can be configured.
本発明によれば、比較的面積の大きくても、セラミック基板の反り、割れの発生を抑制することが可能なパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法及び、このパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することが可能となる。 According to the present invention, even when the area is relatively large, the substrate for a power module capable of suppressing warpage and cracking of the ceramic substrate, the method for manufacturing the substrate for the power module, and the substrate for the power module are provided. It is possible to provide the power module used.
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１、図２に本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、を備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. 1 and 2 show a power module substrate and a power module according to a first embodiment of the present invention.
The power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is disposed, and a semiconductor chip 3 bonded to the surface of the circuit layer 12 via a solder layer 2. Here, the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material. In the present embodiment, a Ni plating layer (not shown) is provided between the circuit layer 12 and the solder layer 2.
パワーモジュール用基板１０は、金属層１３と、この金属層１３の一方の面（図２において上面）に複数配設されたセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の上にそれぞれ配設された回路層１２と、を備えている。本実施形態においては、ひとつの金属層１３の上に、２つのセラミックス基板１１及び回路層１２が配設されている。 The power module substrate 10 includes a metal layer 13, a plurality of ceramic substrates 11 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 2) of the metal layer 13, and circuits disposed on the ceramic substrate 11, respectively. And a layer 12. In the present embodiment, two ceramic substrates 11 and a circuit layer 12 are disposed on one metal layer 13.
ここで、金属層１３の面積（一方の面の面積）は、４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下とされており、本実施形態では、１４０ｍｍ×６０ｍｍの矩形平板状をなしている。
また、セラミックス基板１１の面積（一方の面の面積）は、１００ｍｍ２以上２０００ｍｍ２以下とされている。
Here, the area of the metal layer 13 (the area of one surface) is set to 4000 mm 2 or more and 10000 mm 2 or less, and in this embodiment, a rectangular flat plate shape of 140 mm × 60 mm is formed.
Further, the area of the ceramic substrate 11 (the area of one surface) is set to 100 mm 2 or more and 2000 mm 2 or less.
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２ｍｍ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 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is composed of AlN (aluminum nitride) having high insulation in this embodiment. Further, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, and is set to 0.635 mm in the present embodiment.
回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９％以上のアルミニウムの圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。ここで、セラミックス基板１１と金属板２２の接合には、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２４を用いている。ここで、回路層１２の厚さは０．２ｍｍ以上２．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．０ｍｍに設定されている。 As shown in FIG. 5, the circuit layer 12 is formed by bonding a conductive metal plate 22 to one surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by bonding a metal plate 22 made of an aluminum rolled plate having a purity of 99.9% or more to the ceramic substrate 11. Here, for bonding the ceramic substrate 11 and the metal plate 22, an Al—Si brazing material foil 24 containing Si as a melting point lowering element is used. Here, the thickness of the circuit layer 12 is set in a range of 0.2 mm or more and 2.5 mm or less, and is set to 1.0 mm in the present embodiment.
金属層１３は、図５に示すように、純度９９．９％以上のアルミニウム板２３からなり、この金属層１３の一方の面にセラミックス基板１１が接合されている。ここで、金属層１３をなすアルミニウム板２３とセラミックス基板１１との接合には、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２５を用いている。ここで、金属層１３の厚さは０．２ｍｍ以上２．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．０ｍｍに設定されている。 As shown in FIG. 5, the metal layer 13 is made of an aluminum plate 23 having a purity of 99.9% or higher, and the ceramic substrate 11 is bonded to one surface of the metal layer 13. Here, for the joining of the aluminum plate 23 forming the metal layer 13 and the ceramic substrate 11, an Al—Si based brazing foil 25 containing Si which is a melting point lowering element is used. Here, the thickness of the metal layer 13 is set within a range of 0.2 mm or more and 2.5 mm or less, and is set to 1.0 mm in the present embodiment.
そして、金属層１３には、図３に示すように、アルミニウムの母相中に第２相が分散されてなる硬化層３１と、アルミニウムの単一相からなる軟質層３２と、が設けられている。硬化層３１は、金属層１３の一方の面側に形成されており、その厚さｔｐが５μｍ以上１２００μｍ以下とされている。
硬化層３１においては、図４に示すように、アルミニウムの母相３５中に第２相３６が分散されている。本実施形態では、ろう材箔２５に含有されたＳｉが濃縮してなる第２相３６が分散されている。
As shown in FIG. 3, the metal layer 13 is provided with a hardened layer 31 in which the second phase is dispersed in the aluminum mother phase and a soft layer 32 made of a single aluminum phase. Yes. The hardened layer 31 is formed on one surface side of the metal layer 13 and has a thickness tp of 5 μm or more and 1200 μm or less.
In the hardened layer 31, as shown in FIG. 4, the second phase 36 is dispersed in the aluminum parent phase 35. In the present embodiment, the second phase 36 formed by concentration of Si contained in the brazing material foil 25 is dispersed.
以下に、前述したパワーモジュール用基板１０の製造方法について説明する。
図５に示すように、純度９９．９％以上のアルミニウム板２３の一方の面の上に、厚さ１０μｍ以上１００μｍ以下（本実施形態では５０μｍ）のＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２５を、アルミニウム板２３の一方の面の全面を覆うように配置する。ここで、本実施形態では、Ａｌ―７．５ｗｔ％Ｓｉ合金からなるろう材箔２５を用いている。
そして、このろう材箔２５が配置されたアルミニウム板２３の上に、２つのセラミックス基板１１が積層され、このセラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２となる金属板２２が、５μｍ以上５０μｍ以下（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔２４を介して積層され、積層体２０が形成される（積層工程）。
Below, the manufacturing method of the board | substrate 10 for power modules mentioned above is demonstrated.
As shown in FIG. 5, an Al—Si brazing foil 25 having a thickness of 10 μm to 100 μm (50 μm in this embodiment) is formed on one surface of an aluminum plate 23 having a purity of 99.9% or more. It arrange | positions so that the whole surface of one side of the aluminum plate 23 may be covered. Here, in this embodiment, the brazing material foil 25 made of an Al-7.5 wt% Si alloy is used.
Then, two ceramic substrates 11 are laminated on the aluminum plate 23 on which the brazing material foil 25 is disposed, and a metal plate 22 to be the circuit layer 12 is formed on one surface of the ceramic substrate 11 with a thickness of 5 μm to 50 μm. The laminated body 20 is formed through a brazing material foil 24 (14 μm in the present embodiment) below (lamination step).
このようにして形成された積層体２０を、一対のカーボン板５１、５１によって積層方向に挟み込む。このとき、セラミックス基板１１及び金属板２２が積層されていないアルミニウム板２３の周縁部に、スペーサ５２を介装させる。
そして、カーボン板５１、５１を互いに近接する方向に押圧することにより、積層体２０をその積層方向に加圧（圧力０．５〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）する。
The laminated body 20 thus formed is sandwiched between the pair of carbon plates 51 and 51 in the lamination direction. At this time, the spacer 52 is interposed on the peripheral edge of the aluminum plate 23 on which the ceramic substrate 11 and the metal plate 22 are not laminated.
And the laminated body 20 is pressurized (the pressure of 0.5-5 kgf / cm < 2 >) to the lamination direction by pressing the carbon plates 51 and 51 in the direction which adjoins mutually.
このように積層体２０を加圧した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔２４、２５を溶融する（溶融工程）。ここで真空炉内の真空度は、１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａとされている。また、加熱条件は、６３０〜６５０℃×０．１〜０．５時間とされている。
この溶融工程によって、ろう材箔２４、２５が溶融し、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との界面、セラミックス基板１１と金属板２２との界面に、それぞれ溶融アルミニウム層が形成されることになる。また、図６に示すように、アルミニウム板２３の一方の面全体に溶融アルミニウム層２８が形成される。
Thus, the laminated body 20 is charged in a vacuum furnace and heated to melt the brazing foils 24 and 25 (melting step). Here, the degree of vacuum in the vacuum furnace is set to 10 −3 Pa to 10 −5 Pa. The heating conditions are 630 to 650 ° C. × 0.1 to 0.5 hours.
By this melting process, the brazing material foils 24 and 25 are melted, and a molten aluminum layer is formed at the interface between the aluminum plate 23 and the ceramic substrate 11 and at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plate 22, respectively. Further, as shown in FIG. 6, a molten aluminum layer 28 is formed on the entire one surface of the aluminum plate 23.
次に、積層体２０を冷却することによって溶融アルミニウム層を凝固させる（凝固工程）。このときの冷却速度は、０．５〜２℃／ｍｉｎとされている。
ここで、金属層１３の一方の面上に配設されたろう材箔２５が溶融・凝固することにより、金属層１３の一方の面近傍には、ろう材箔２５に含まれたＳｉの濃度が高い部分が生じることになり、このＳｉ濃度が高い部分において、Ｓｉ元素が濃縮した第２相３６が晶出し、硬化層３１が形成されることになる。なお、硬化層３１における第２相３６のサイズ、分布は、ろう材箔２５におけるＳｉの含有量、溶融工程における加熱温度、凝固工程における冷却速度によって調整されることになる。
Next, the molten aluminum layer is solidified by cooling the laminated body 20 (solidification step). The cooling rate at this time is 0.5 to 2 ° C./min.
Here, when the brazing filler metal foil 25 disposed on one surface of the metal layer 13 is melted and solidified, the concentration of Si contained in the brazing filler metal foil 25 is near one surface of the metal layer 13. A high portion is generated, and the second phase 36 enriched with Si element is crystallized in the portion where the Si concentration is high, and the hardened layer 31 is formed. The size and distribution of the second phase 36 in the hardened layer 31 are adjusted by the Si content in the brazing filler metal foil 25, the heating temperature in the melting step, and the cooling rate in the solidification step.
このようにして、ひとつの金属層１３（面積４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下）の上に、複数（２つ）のセラミックス基板１１が配設され、このセラミックス基板１１のそれぞれに回路層１２が形成されたパワーモジュール用基板１０が製造される。 In this way, a plurality (two) of ceramic substrates 11 are disposed on one metal layer 13 (area: 4000 mm 2 or more and 10,000 mm 2 or less), and a circuit layer 12 is formed on each of the ceramic substrates 11. The power module substrate 10 is manufactured.
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１においては、純度９９．９％以上のアルミニウム板２３からなる金属層１３に、アルミニウムの母相３５中に第２相３６が分散されてなる硬化層３１が形成されているので、金属層１３自体の剛性が向上することになり、セラミックス基板１１を分割しても、パワーモジュール用基板１０全体の剛性を確保することができる。また、金属層１３がアルミニウムの単一相からなる軟質層３２を備えているので、金属層１３によって熱応力を吸収することができ、セラミックス基板１１の反り、割れを確実に抑制することができる。 In the power module substrate 10 and the power module 1 according to the present embodiment configured as described above, the metal layer 13 made of the aluminum plate 23 having a purity of 99.9% or more is placed in the aluminum matrix 35. Since the hardened layer 31 in which the two phases 36 are dispersed is formed, the rigidity of the metal layer 13 itself is improved, and the rigidity of the entire power module substrate 10 is ensured even if the ceramic substrate 11 is divided. can do. Moreover, since the metal layer 13 includes the soft layer 32 made of a single phase of aluminum, the metal layer 13 can absorb thermal stress, and the warpage and cracking of the ceramic substrate 11 can be reliably suppressed. .
また、面積４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下とされた金属層１３の上に、複数のセラミックス基板１１が配設され、このセラミックス基板１１の上にそれぞれ回路層１２が形成されているので、セラミックス基板１１の面積が１００ｍｍ２以上２０００ｍｍ２以下と比較的小さくなり、セラミックス基板１１の反り及び割れの発生を抑えることができる。 In addition, a plurality of ceramic substrates 11 are disposed on the metal layer 13 having an area of 4000 mm 2 or more and 10,000 mm 2 or less, and the circuit layers 12 are formed on the ceramic substrate 11. Is relatively small, 100 mm 2 to 2000 mm 2, and warpage and cracking of the ceramic substrate 11 can be suppressed.
さらに、金属層１３の面積が、４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下とされているので、金属層１３の上に複数のセラミックス基板１１及び回路層１２を形成することが可能となるとともに、硬化層３１によって金属層１３の剛性を確実に確保することができる。
さらに、セラミックス基板１１の面積が、１００ｍｍ２以上２０００ｍｍ２以下とされているので、セラミックス基板１１の上に回路層１２を確実に形成することができるとともに、セラミックス基板１１に負荷される熱応力を抑制でき、反りや割れを確実に抑制することができる。
Furthermore, since the area of the metal layer 13 is 4000 mm 2 or more and 10000 mm 2 or less, it is possible to form the plurality of ceramic substrates 11 and the circuit layers 12 on the metal layer 13 and the hardened layer 31 The rigidity of the metal layer 13 can be ensured reliably.
Furthermore, since the area of the ceramic substrate 11 is 100 mm 2 or more and 2000 mm 2 or less, the circuit layer 12 can be reliably formed on the ceramic substrate 11 and the thermal stress applied to the ceramic substrate 11 can be reduced. It is possible to suppress the warpage and cracking.
また、金属層１３が純度９９．９％以上のアルミニウム板２３で構成されているので、金属層１３の変形抵抗が小さく、熱応力（ひずみ）を金属層１３で効率的に吸収することが可能となり、セラミックス基板１１の反りや割れを確実に抑えることができる。また、純度９９．９％以上のアルミニウム板２３は比較的剛性が低いが、硬化層３１によって金属層１３全体の剛性を確保することができる。 Further, since the metal layer 13 is composed of the aluminum plate 23 having a purity of 99.9% or more, the deformation resistance of the metal layer 13 is small, and the thermal stress (strain) can be efficiently absorbed by the metal layer 13. Thus, warping and cracking of the ceramic substrate 11 can be reliably suppressed. The aluminum plate 23 having a purity of 99.9% or higher has a relatively low rigidity, but the rigidity of the entire metal layer 13 can be secured by the hardened layer 31.
また、前述のパワーモジュール用基板１０の製造方法によれば、第２相３６を構成する元素（本実施形態ではＳｉ）を含むろう材箔２５を用いることにより、金属層１３に、硬化層３１と軟質層３２とを比較的容易に、かつ、確実に形成することができる。なお、硬化層３１における第２相３６の分散状態は、ろう材箔２５に含まれるＳｉ量、溶融工程の温度及び時間、凝固工程の凝固速度等によって調整することが可能である。 Further, according to the method for manufacturing the power module substrate 10 described above, the hardened layer 31 is formed on the metal layer 13 by using the brazing material foil 25 containing the element (Si in the present embodiment) constituting the second phase 36. And the soft layer 32 can be formed relatively easily and reliably. The dispersion state of the second phase 36 in the hardened layer 31 can be adjusted by the amount of Si contained in the brazing filler metal foil 25, the temperature and time of the melting process, the solidification rate of the solidification process, and the like.
さらに、本実施形態では、金属層１３を構成するアルミニウム板２３の一方の面に配設されたろう材箔２５の厚さが５μｍ以上５０μｍ以下とされている。このろう材箔２５の厚さが５μｍ未満である場合には、硬化層３１を確実に形成することができなくなり、金属層１３の剛性向上を図ることができなくなるおそれがある。また、ろう材箔２５の厚さが５０μｍを超えると、セラミックス基板１１との接合信頼性を確保することができなくなる。このため、本実施形態のように、ろう材箔２５の厚さを５μｍ以上５０μｍ以下とすることが好ましい。 Furthermore, in this embodiment, the thickness of the brazing filler metal foil 25 disposed on one surface of the aluminum plate 23 constituting the metal layer 13 is set to 5 μm or more and 50 μm or less. If the thickness of the brazing material foil 25 is less than 5 μm, the hardened layer 31 cannot be reliably formed, and the rigidity of the metal layer 13 may not be improved. On the other hand, when the thickness of the brazing filler metal foil 25 exceeds 50 μm, it becomes impossible to ensure the bonding reliability with the ceramic substrate 11. For this reason, it is preferable that the thickness of the brazing filler metal foil 25 is 5 μm or more and 50 μm or less as in the present embodiment.
次に、本発明の第２の実施形態について図７〜図９を参照して説明する。
この第２の実施形態であるパワーモジュール用基板１１０においては、図７に示すように、金属層１１３の他方の面側に、冷却器用部材である放熱フィン１６２が設けられており、金属層１１３が冷却器１６０の天板部１６１として利用されているのである。
また、図８に示すように、硬化層１３１においては、アルミニウムの母相１３５中に、第２相としてＭｇ２Ｓｉからなる析出物粒子１３６が分散されている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the power module substrate 110 according to the second embodiment, as shown in FIG. 7, heat radiation fins 162 as cooler members are provided on the other surface side of the metal layer 113. Is used as the top plate portion 161 of the cooler 160.
As shown in FIG. 8, in the hardened layer 131, precipitate particles 136 made of Mg 2 Si as the second phase are dispersed in the aluminum parent phase 135.
以下に、このパワーモジュール用基板１１０の製造方法について説明する。
図９に示すように、純度９９．９％以上のアルミニウム板１２３の一方の面の上に、厚さ５μｍ以上５０μｍ以下（本実施形態では２５μｍ）のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のろう材箔１２５を、アルミニウム板１２３の一方の面の全面を覆うように配置する。
Below, the manufacturing method of this board | substrate 110 for power modules is demonstrated.
As shown in FIG. 9, an Al—Si—Mg-based brazing foil 125 having a thickness of 5 μm to 50 μm (25 μm in this embodiment) is formed on one surface of an aluminum plate 123 having a purity of 99.9% or more. Is arranged so as to cover the entire surface of one surface of the aluminum plate 123.
そして、このろう材箔１２５が配置されたアルミニウム板１２３の上に、２つのセラミックス基板１１１を積層し、このセラミックス基板１１１の一方の面に、回路層１１２となる金属板１２２を、５μｍ以上５０μｍ以下（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔１２４を介して積層する。
さらに、セラミックス基板１１１が積層されない部分に、ろう材箔１２５の上にさらにろう材箔１２６を重ねて配置する。このろう材箔１２５とろう材箔１２６との合計厚さは１００μｍ以下に設定されており、本実施形態では、５０μｍとされている。このようにして積層体１２０が形成される（積層工程）。
Then, two ceramic substrates 111 are laminated on the aluminum plate 123 on which the brazing material foil 125 is disposed, and a metal plate 122 to be the circuit layer 112 is formed on one surface of the ceramic substrate 111 with a thickness of 5 μm or more and 50 μm. It laminates | stacks through the brazing material foil 124 of the following (this embodiment 14 micrometers).
Further, a brazing filler metal foil 126 is further stacked on the brazing filler metal foil 125 in a portion where the ceramic substrate 111 is not laminated. The total thickness of the brazing material foil 125 and the brazing material foil 126 is set to 100 μm or less, and in this embodiment, the thickness is 50 μm. Thus, the laminated body 120 is formed (lamination process).
このようにして形成された積層体１２０を、一対のカーボン板５１、５１によって積層方向に挟み込む。このとき、セラミックス基板１１１及び金属板１２２が積層されていないアルミニウム板１２３の周縁部に、スペーサ５２を介装させる。
そして、カーボン板５１、５１を互いに近接する方向に押圧することにより、積層体１２０をその積層方向に加圧（圧力０．５〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）する。
The laminated body 120 thus formed is sandwiched between the pair of carbon plates 51 and 51 in the lamination direction. At this time, the spacer 52 is interposed on the peripheral edge of the aluminum plate 123 on which the ceramic substrate 111 and the metal plate 122 are not laminated.
And the laminated body 120 is pressurized (pressure 0.5-5 kgf / cm < 2 >) to the lamination direction by pressing the carbon plates 51 and 51 in the direction which adjoins mutually.
このように積層体１２０を加圧した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔１２４、１２５を溶融する（溶融工程）。ここで真空炉内の真空度は、１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａとされている。また、加熱条件は、６３０〜６５０℃×０．１〜０．５時間とされる。
この溶融工程によって、ろう材箔１２４、１２５が溶融し、アルミニウム板１２３とセラミックス基板１１１との界面、セラミックス基板１１１と金属板１２２との界面に、それぞれ溶融アルミニウム層が形成されることになる。また、アルミニウム板１２３の一方の面においても溶融アルミニウム層が形成される。
In this way, the laminated body 120 is charged in a vacuum furnace and heated to melt the brazing filler metal foils 124 and 125 (melting step). Here, the degree of vacuum in the vacuum furnace is set to 10 −3 Pa to 10 −5 Pa. Moreover, heating conditions shall be 630-650 degreeC x 0.1-0.5 hour.
By this melting step, the brazing foils 124 and 125 are melted, and a molten aluminum layer is formed at the interface between the aluminum plate 123 and the ceramic substrate 111 and at the interface between the ceramic substrate 111 and the metal plate 122, respectively. A molten aluminum layer is also formed on one surface of the aluminum plate 123.
次に、積層体１２０を冷却することによって溶融アルミニウム層を凝固させる（凝固工程）。このときの冷却速度は、０．５〜２℃／ｍｉｎとされている。
ここで、金属層１１３の一方の面上に配設されたろう材箔１２５が溶融・凝固することにより、金属層１１３の一方の面近傍には、ろう材箔１２５に含まれたＳｉ、Ｍｇの濃度が高い部分が生じることになる。
ここで、ＭｇとＳｉとが反応し、第２相として金属間化合物Ｍｇ２Ｓｉを形成することになる。このＭｇ２Ｓｉは、アルミニウムの母相１３５中に固溶することなく、析出物粒子１３６として分散され、硬化層１３１が形成されることになる。なお、硬化層１３１における析出物粒子１３６（第２相）のサイズ、分布は、ろう材箔１２５におけるＳｉ、Ｍｇの含有量、溶融工程における加熱温度、凝固工程における冷却速度によって調整されることになる。
Next, the laminated body 120 is cooled to solidify the molten aluminum layer (solidification step). The cooling rate at this time is 0.5 to 2 ° C./min.
Here, when the brazing filler metal foil 125 disposed on one surface of the metal layer 113 is melted and solidified, there is Si or Mg contained in the brazing filler metal foil 125 near one surface of the metal layer 113. A part with a high density will be produced.
Here, Mg and Si react to form the intermetallic compound Mg 2 Si as the second phase. This Mg 2 Si is dispersed as precipitate particles 136 without being dissolved in the aluminum matrix 135, and the hardened layer 131 is formed. The size and distribution of the precipitate particles 136 (second phase) in the hardened layer 131 are adjusted by the contents of Si and Mg in the brazing filler metal foil 125, the heating temperature in the melting process, and the cooling rate in the solidification process. Become.
そして、金属層１１３の他方の面に複数の放熱フィン１６２を接合し、金属層１１３を冷却器１６０の天板部１６１として利用する。
このようにして、ひとつの金属層１１３（面積４０００ｍｍ２以上１００００ｍｍ２以下）の上に、複数（２つ）のセラミックス基板１１１が配設され、このセラミックス基板１１１のそれぞれに回路層１１２が形成されたパワーモジュール用基板１１０が製造される。
A plurality of heat radiation fins 162 are joined to the other surface of the metal layer 113, and the metal layer 113 is used as the top plate portion 161 of the cooler 160.
In this way, a plurality (two) of ceramic substrates 111 are disposed on one metal layer 113 (area of 4000 mm 2 or more and 10,000 mm 2 or less), and the circuit layer 112 is formed on each of the ceramic substrates 111. The power module substrate 110 is manufactured.
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０においては、金属層１１３の他方の面に、放熱フィン１６２が配設され、金属層１１３が冷却器１６０の天板部１６１として利用されているので、金属層１１３の一方の面に配設されたセラミックス基板１１１及び回路層１１２を効率的に冷却することが可能となる。よって、回路層１１２上に配設される電子部品から発生する熱を冷却器１６０によって効率的に冷却することができ、電子部品が高集積、高密度に配設されたパワーモジュールユニットに適用することができる。 In the power module substrate 110 according to the present embodiment configured as described above, the radiation fins 162 are disposed on the other surface of the metal layer 113, and the metal layer 113 is the top plate portion 161 of the cooler 160. Therefore, the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 disposed on one surface of the metal layer 113 can be efficiently cooled. Therefore, the heat generated from the electronic components arranged on the circuit layer 112 can be efficiently cooled by the cooler 160, and the electronic components are applied to a power module unit arranged with high integration and high density. be able to.
また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１１が配設されていない部分に、ろう材箔１２６をさらに配置しているので、セラミックス基板１１１が配設されない部分に形成される硬化層１３１において、析出物粒子１３６（第２相）を数多く分散させて高強度化を図ることが可能となり、金属層１１３の剛性をさらに向上させることができる。また、ろう材箔１２５、１２６の合計厚さが１００μｍ以下とされているので、金属層１１３自体が変形してしまうことを防止することができる。 Further, according to the method for manufacturing the power module substrate 110 according to the present embodiment, the brazing material foil 126 is further disposed in the portion where the ceramic substrate 111 is not disposed, and therefore the ceramic substrate 111 is not disposed. In the hardened layer 131 formed in the portion, a large number of precipitate particles 136 (second phase) can be dispersed to increase the strength, and the rigidity of the metal layer 113 can be further improved. In addition, since the total thickness of the brazing foils 125 and 126 is 100 μm or less, the metal layer 113 itself can be prevented from being deformed.
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、硬化層を構成する第２相を、Ｓｉ濃縮相又はＭｇ２Ｓｉからなる析出物粒子として説明したが、これに限定されることはない。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, the second phase constituting the cured layer has been described as a precipitate particles composed of a Si concentration phase or Mg 2 Si, it is not limited thereto.
また、金属層の一方の面に配設するろう材箔をＡｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｍｇ系のものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系等の他のろう材であってもよい。 In addition, the brazing material foil disposed on one surface of the metal layer has been described as being of Al-Si type or Al-Mg type, but is not limited thereto, for example, Al-Si-Mg type, Al Other brazing materials such as -Ge type and Al-Si-Cu type may be used.
また、金属層の一方の面に、２つのセラミックス基板を配設したものとして説明したが、これに限定されることはなく、金属層の大きさ、セラミックス基板の大きさ等を考慮して適宜設計変更してもよい。
さらに、セラミックス基板の厚さ、材質、回路層の厚さ、材質については、本実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。
In addition, although it has been described that two ceramic substrates are disposed on one surface of the metal layer, the present invention is not limited to this, and the metal layer, the size of the ceramic substrate, and the like are appropriately taken into consideration. The design may be changed.
Furthermore, the thickness and material of the ceramic substrate, the thickness and material of the circuit layer are not limited to this embodiment, and the design may be changed as appropriate.
また、第２の実施形態において、冷却器として天板部にフィンを立設したものとして説明したが、これに限定されることはなく、冷却媒体の流路を有するものであってもよく、冷却器の構造に特に限定はない。 In the second embodiment, the fins are described as standing on the top plate as a cooler. However, the present invention is not limited to this, and may have a cooling medium flow path. There is no particular limitation on the structure of the cooler.
１ パワーモジュール
２ 半導体チップ（電子部品）
１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１ セラミックス基板
１２、１１２ 回路層
１３、１１３ 金属層
２３、１２３ アルミニウム板
２５、１２５ ろう材箔
１２６ ろう材箔
３１、１３１ 硬化層
３２ 軟質層
３５、１３５ 母相
３６ 第２相
１３６ 析出物粒子（第２相）
１６０ 冷却器
１６１ 天板部
１６２ 放熱フィン
1 Power module 2 Semiconductor chip (electronic component)
10, 110 Power module substrate 11, 111 Ceramic substrate 12, 112 Circuit layer 13, 113 Metal layer 23, 123 Aluminum plate 25, 125 Brazing material foil 126 Brazing material foil 31, 131 Hardened layer 32 Soft layer 35, 135 Mother phase 36 Second phase 136 Precipitate particles (second phase)
160 Cooler 161 Top Plate 162 Radiation Fin
Claims (7)
前記金属層は、前記セラミックス基板に純度９９．９％以上のアルミニウムの板材を接合することで構成され、
前記金属層は、前記セラミックス基板よりも面積が大きく設定されており、
前記金属層には、前記一方の面側部分において、アルミニウムの母相中に第２相が分散されてなる硬化層と、アルミニウムの単一相からなる軟質層と、が設けられており、
前記硬化層は、前記金属層の一方の面の全面に形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。 A metal layer made of aluminum or an aluminum alloy plate, a ceramic substrate disposed on one surface of the metal layer, and a circuit layer disposed on the ceramic substrate and made of aluminum or an aluminum alloy. ,
The metal layer is configured by joining an aluminum plate having a purity of 99.9% or more to the ceramic substrate,
The metal layer has a larger area than the ceramic substrate,
The metal layer is provided with a hardened layer in which a second phase is dispersed in an aluminum matrix and a soft layer made of a single phase of aluminum in the one surface side portion,
The power module substrate, wherein the hardened layer is formed on the entire surface of one surface of the metal layer.
前記金属層となるアルミニウム板の一方の面の全面に、前記第２相を構成する元素を含有したアルミ合金からなるろう材を配設し、このろう材の上に前記セラミックス基板を積層し、このセラミックス基板上に回路層となる金属板を積層して、積層体を形成する積層工程と、
前記積層体を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板の一方の面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、
冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、
前記溶融工程及び前記凝固工程により、前記金属層の一方の面側部分に前記第２相が分散した硬化層を形成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 power module substrate manufacturing method for manufacturing the power module substrate according to any one of claims 1 to 5 ,
Disposing a brazing material made of an aluminum alloy containing the element constituting the second phase on the entire surface of one surface of the aluminum plate to be the metal layer, laminating the ceramic substrate on the brazing material, A lamination step of laminating a metal plate to be a circuit layer on the ceramic substrate to form a laminate;
A melting step of pressurizing and heating the laminate in the laminating direction to form a molten aluminum layer on one surface of the aluminum plate;
A solidification step of solidifying the molten aluminum layer by cooling,
A method of manufacturing a power module substrate, wherein a hardened layer in which the second phase is dispersed is formed on one surface side portion of the metal layer by the melting step and the solidifying step.
A power module comprising the power module substrate according to any one of claims 1 to 5 and an electronic component mounted on the circuit layer.
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