JP5359936B2 - Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体素子等の電子部品が搭載される回路層を備えた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、このパワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板及び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 having a circuit layer on which electronic components such as semiconductor elements are mounted, a method for manufacturing the power module substrate, a power module substrate with a heat sink using the power module substrate, and a power module It is about.
半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子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、特許文献1に示すように、AlN(窒化アルミ)からなるセラミックス基板上に、回路層となる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広く用いられている。
また、例えば特許文献2−4に示すように、セラミックス基板の上にアルミニウム合金部材を溶湯接合法によって接合して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。
このようなパワーモジュール用基板においては、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとして使用される。
Among semiconductor elements, a power element for supplying power has a relatively high calorific value, and as a substrate on which the power element is mounted, for example, on a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride), as shown in
For example, as shown in Patent Document 2-4, a power module substrate is proposed in which an aluminum alloy member is bonded onto a ceramic substrate by a molten metal bonding method to form a circuit layer.
In such a power module substrate, a semiconductor element as a power element is mounted on a circuit layer via a solder layer and used as a power module.
ここで、上述のパワーモジュールにおいては、使用時に熱サイクルが負荷されることになる。すると、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差による応力がセラミックス基板と回路層との接合界面に作用し、接合信頼性が低下するおそれがある。そこで、従来は、純度が99.99%以上の4Nアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで回路層を構成して熱応力を回路層の変形によって吸収することで、接合信頼性の向上を図っている。 Here, in the above-mentioned power module, a heat cycle is loaded during use. Then, the stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and aluminum acts on the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer, and there is a possibility that the bonding reliability is lowered. Therefore, conventionally, the circuit layer is made of aluminum having a relatively small deformation resistance such as 4N aluminum having a purity of 99.99% or more, and the thermal stress is absorbed by the deformation of the circuit layer, thereby improving the bonding reliability. I am trying.
ところで、回路層を純度が99.99%以上(4Nアルミニウム)等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで構成した場合、熱サイクルを負荷した際に、回路層の表面にうねりやシワが発生してしまうといった問題があった。このように回路層の表面にうねりやシワが発生すると、はんだ層にクラックが発生してしまうため、パワーモジュールの信頼性が低下することになる。
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、熱サイクルの温度差が大きく、回路層の表面にうねりやシワが発生するおそれがある。
By the way, when the circuit layer is made of aluminum having a relatively low deformation resistance such as a purity of 99.99% or more (4N aluminum), undulations and wrinkles occur on the surface of the circuit layer when a thermal cycle is applied. There was a problem such as. When waviness and wrinkles are generated on the surface of the circuit layer in this way, cracks are generated in the solder layer, which reduces the reliability of the power module.
In particular, recently, power modules have become smaller and thinner, and the usage environment has become harsh, and the amount of heat generated from electronic components such as semiconductor elements has increased. May cause waviness and wrinkles on the surface of the circuit layer.
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、熱サイクル負荷時において、回路層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、かつ、セラミックス基板と回路層との接合界面に熱応力が作用することを抑制でき、熱サイクル信頼性に優れた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、このパワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及び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 above-described circumstances, and can suppress the occurrence of waviness and wrinkles on the surface of the circuit layer at the time of thermal cycle loading, and the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer. A power module substrate having excellent thermal cycle reliability, a method for manufacturing the power module substrate, a power module substrate with a heat sink and a power module provided with the power module substrate The purpose is to provide.
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、セラミックス基板の一面に、アルミニウムからなる回路層が配設され、この回路層の一方の面上に電子部品が配設されるパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、本体層と、前記一方の面側に露呈するように配置された表面硬化層と、を有しており、前記回路層の前記一方の面におけるインデンテーション硬度Hsが50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下の範囲内に設定され、前記回路層のうち、前記インデンテーション硬度Hsの80%以上のインデンテーション硬度を有する領域が前記表面硬化層とされており、前記表面硬化層は、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を含有しており、前記本体層のインデンテーション硬度Hbが、前記インデンテーション硬度Hsの80%未満と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-mentioned object, the power module substrate of the present invention has a circuit layer made of aluminum disposed on one surface of a ceramic substrate, on one surface of the circuit layer. The electronic component is disposed on the power module substrate, and the circuit layer includes a main body layer and a hardened surface layer disposed so as to be exposed on the one surface side. The indentation hardness Hs on the one surface of the circuit layer is set within a range of 50 mgf / μm 2 or more and 200 mgf / μm 2 or less, and the indentation hardness of the circuit layer is 80% or more of the indentation hardness Hs. The region having the surface hardened layer contains the one or more additional elements selected from Zr, Hf, Ta and Nb. Indentation hardness Hb of the body layer, is characterized in that it is less than 80% of the indentation hardness Hs.
なお、本発明におけるインデンテーション硬度Hとは、バーコビッチ圧子と呼ばれる稜間角が114.8°以上115.1°以下の三角錐ダイヤモンド圧子を用いて試験荷重を5000mgfとして負荷をかけた際の荷重―変位の相関を計測し、
H=37.926×10−3×(荷重〔mgf〕÷変位〔μm〕2)
の式で定義されるものである。
The indentation hardness H in the present invention is a load when a test load is set to 5000 mgf using a triangular pyramid diamond indenter having a ridge-to-edge angle of 114.8 ° or more and 115.1 ° or less called a Berkovich indenter. ―Measure the displacement correlation,
H = 37.926 × 10 −3 × (load [mgf] ÷ displacement [μm] 2 )
It is defined by the following formula.
この構成のパワーモジュール用基板によれば、回路層のうち、はんだ層が形成される回路層の一方の面側に表面硬化層が形成されており、この表面硬化層のインデンテーション硬度が、前記回路層の前記一方の面におけるインデンテーション硬度Hs(50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下)の80%以上に設定されているので、回路層の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
なお、前記表面硬化層がZr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を含有しているので、これらの添加元素によってアルミニウムを硬化させることで前記表面硬化層を形成することが可能となる。
According to the power module substrate of this configuration, the hardened surface layer is formed on one surface side of the circuit layer on which the solder layer is formed among the circuit layers, and the indentation hardness of the hardened surface layer has the above-described indentation hardness. Since it is set to 80% or more of the indentation hardness Hs (50 mgf / μm 2 or more and 200 mgf / μm 2 or less) on the one surface of the circuit layer, the deformation resistance of one surface side portion of the circuit layer is increased, It is possible to suppress the occurrence of swell and wrinkles during a heat cycle load.
Since the surface hardened layer contains one or more additive elements selected from Zr, Hf, Ta and Nb, the surface hardened layer is formed by hardening aluminum with these additive elements. It becomes possible to form.
また、回路層は、インデンテーション硬度Hbが、前記インデンテーション硬度Hsの80%未満とされた本体層を有しているので、この本体層では、変形抵抗が比較的小さくなる。よって、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層の変形によって吸収することが可能となり、セラミックス基板と回路層との接合信頼性を向上させることができる。 Further, since the circuit layer has a main body layer having an indentation hardness Hb of less than 80% of the indentation hardness Hs, the deformation resistance is relatively small in this main body layer. Therefore, it becomes possible to absorb the thermal stress at the time of thermal cycle loading by the deformation of the main body layer, and the bonding reliability between the ceramic substrate and the circuit layer can be improved.
ここで、前記表面硬化層の厚さが1μm以上300μm以下とされており、前記本体層の厚さが100μm以上1500μm以下とされていることが好ましい。
この場合、表面硬化層の厚さが1μm以上300μm以下とされていることから、回路層の一方の面にうねりやシワが発生することを確実に防止することができる。また、本体層の厚さが100μm以上1500μm以下とされているので、熱サイクル負荷時の熱応力を本体層で確実に吸収することができる。
Here, it is preferable that the thickness of the surface hardened layer is 1 μm or more and 300 μm or less, and the thickness of the main body layer is 100 μm or more and 1500 μm or less.
In this case, since the thickness of the hardened surface layer is 1 μm or more and 300 μm or less, it is possible to reliably prevent the occurrence of waviness and wrinkles on one surface of the circuit layer. Moreover, since the thickness of the main body layer is set to 100 μm or more and 1500 μm or less, the main body layer can reliably absorb the thermal stress during the heat cycle load.
また、前記表面硬化層における前記添加元素の含有量の合計が0.2atom%以上10atom%以下とされていることが好ましい。
この場合、表面硬化層が、上述の添加元素を合計で0.2atom%以上10atom%以下含有していることから、これらの添加元素によって確実にアルミニウムを硬化させることができ、前述のインデンテーション硬度を有する表面硬化層を形成することが可能となる。
Moreover, it is preferable that the total content of the additive elements in the surface hardened layer is 0.2 atom% or more and 10 atom% or less.
In this case, since the surface hardened layer contains the above-mentioned additive elements in a total amount of 0.2 atom% or more and 10 atom% or less, aluminum can be reliably cured by these additive elements, and the indentation hardness described above. It is possible to form a hardened surface layer having
さらに、前記セラミックス基板がAlN,Si3N4又はAl2O3で構成されていることが好ましい。
この場合、セラミックス基板が絶縁性に優れていることから、絶縁信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することができる。
Furthermore, it is preferable that the ceramic substrate is made of AlN, Si 3 N 4 or Al 2 O 3 .
In this case, since the ceramic substrate is excellent in insulation, a power module substrate with high insulation reliability can be provided.
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、前記回路層となる金属板の一方の面に、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記回路層を加熱して、前記回路層の内部に向けて前記添加元素を拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面硬化層を形成する加熱工程と、を備えていることを特徴としている。 Power method of manufacturing a substrate for the module of the present invention is a method of manufacturing a power module substrate to produce a substrate for the aforementioned power module, to the plane of the hand of the metal plate serving as the circuit layer, Zr, Hf, A fixing step of fixing one or more additional elements selected from Ta and Nb, forming a fixing layer containing the additional element, and heating the circuit layer toward the inside of the circuit layer And a heating step of forming a hardened surface layer on the one surface of the circuit layer by diffusing the additive element.
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、加熱工程において、回路層の一方の面に形成された固着層に含有されるZr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を回路層の内部へと拡散させることにより、回路層の一方の面側の添加元素濃度が高く、一方の面から離れるに従い添加元素濃度が低くなる。そして、この添加元素の濃度分布によって、回路層の一方の面側に表面硬化層が形成され、この表面硬化層に積層するように本体層が形成されることになる。よって、表面硬化層と本体層とを備えたパワーモジュール用基板を製造することができる。 According to the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, in the heating process, one or two selected from Zr, Hf, Ta, and Nb contained in the fixing layer formed on one surface of the circuit layer. By diffusing the above additive elements into the circuit layer, the concentration of the additive element on one side of the circuit layer is high, and the concentration of the additive element decreases as the distance from the one side increases. Then, a surface hardened layer is formed on one surface side of the circuit layer by the concentration distribution of the additive element, and a main body layer is formed so as to be laminated on the surface hardened layer. Therefore, a power module substrate including a hardened surface layer and a main body layer can be manufactured.
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、前記回路層となる金属板の一方の面に、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記金属板の他方の面側に、ろう材を介して前記セラミックス基板を積層する積層工程と、積層された前記セラミックスと前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の前記添加元素を、前記回路層の内部に向けて拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面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, wherein Zr, Hf is formed on one surface of the metal plate to be the circuit layer. , Ta and Nb, one or two or more additional elements are fixed, a fixing step of forming a fixing layer containing the additional element, and a brazing material on the other surface side of the metal plate A laminating step of laminating the ceramic substrate, and a heating step of pressurizing and heating the laminated ceramic and the metal plate in a laminating direction to form a molten metal region at the interface between the ceramic substrate and the metal plate; A solidifying step of bonding the ceramic substrate and the metal plate by solidifying the molten metal region, and in the heating step, the fixing layer A pressurized element, by diffusing toward the inside of the circuit layer is characterized by forming a surface hardened layer on the one surface of the circuit 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、前記金属板と前記セラミックス基板とをろう付けするための加熱工程において、金属板の一方の面側に固着されたZr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を拡散させて表面硬化層を形成することができる。よって、表面硬化層を形成するために別途加熱処理を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板の製造コストを削減することができる。 According to the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, in the heating process for brazing the metal plate and the ceramic substrate, Zr, Hf, Ta, and Nb fixed to one surface side of the metal plate. The hardened surface layer can be formed by diffusing one or two or more additional elements selected from the following. Therefore, it is not necessary to perform a separate heat treatment to form the hardened surface layer, and the manufacturing cost of the power module substrate can be reduced.
さらに、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、前記回路層となる金属板の一方の面に、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記金属板の他方の面又は前記セラミックス基板の一面のうちの少なくとも一方に、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca及びLiから選択される1種又は2種以上の第2添加元素を固着して第2固着層を形成する第2固着工程と、前記第2固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の前記添加元素を、前記回路層の内部に向けて拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面硬化層を形成することを特徴としている。 Furthermore, the method for manufacturing a power module substrate of the present invention is a method for manufacturing a power module substrate described above, wherein Zr, Hf is formed on one surface of the metal plate to be the circuit layer. , Ta and Nb, one or two or more additional elements are fixed, a fixing step of forming a fixing layer containing the additional element, and the other surface of the metal plate or one surface of the ceramic substrate A second fixing layer in which one or two or more second additive elements selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, and Li are fixed to at least one of them to form a second fixing layer. A step of laminating the ceramic substrate and the metal plate through the second fixing layer, pressurizing and heating the laminated ceramic substrate and the metal plate in the laminating direction, A heating step of forming a molten metal region at the interface between the ceramic substrate and the metal plate, and a solidification step of bonding the ceramic substrate and the metal plate by solidifying the molten metal region, In the heating step, a hardened surface layer is formed on the one surface of the circuit layer by diffusing the additive element of the fixed layer toward the inside of the circuit 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、加熱工程によってSi,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca及びLiから選択される1種又は2種以上の第2添加元素を拡散させて溶融金属領域を形成し、前記金属板と前記セラミックス基板とを接合することで回路層を形成することができる。また、この加熱工程において、金属板の一方の面側に固着されたZr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を拡散させて表面硬化層を形成することができる。よって、表面硬化層を形成するために別途加熱処理を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板の製造コストを削減することができる。 According to the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, one or more second additive elements selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, and Li are diffused by the heating process. Thus, a molten metal region is formed, and the circuit layer can be formed by bonding the metal plate and the ceramic substrate. In this heating step, the surface hardened layer may be formed by diffusing one or more additive elements selected from Zr, Hf, Ta, and Nb fixed to one surface side of the metal plate. it can. Therefore, it is not necessary to perform a separate heat treatment to form the hardened surface layer, and the manufacturing cost of the power module substrate can be reduced.
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、前記回路層となる金属板の一方の面に、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記金属板の他方の面又は前記セラミックス基板の一面のうちの少なくとも一方に、Si,Cu,Ag及びGeから選択される1種又は2種以上の第2添加元素と、Ti,Zr,Hf,Ta,Nb及びMoから選択される1種又は2種以上の活性元素と、を固着し、これら第2添加元素及び活性元素を含有する第2固着層を形成する第2固着工程と、前記第2固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックスと前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記金属板に前記添加元素を拡散させることにより、前記金属板の表層に金属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, wherein Zr, Hf is formed on one surface of the metal plate to be the circuit layer. , Ta and Nb, one or two or more additional elements are fixed, a fixing step of forming a fixing layer containing the additional element, and the other surface of the metal plate or one surface of the ceramic substrate At least one of them includes one or more second additive elements selected from Si, Cu, Ag and Ge, and one or two kinds selected from Ti, Zr, Hf, Ta, Nb and Mo. A second fixing step of fixing the active element and forming a second fixing layer containing the second additive element and the active element, and the ceramic substrate and the metal plate via the second fixing layer. And multiply A laminating step, a heating step of pressurizing and heating the laminated ceramic and the metal plate in a laminating direction to form a molten metal region at an interface between the ceramic substrate and the metal plate, and the molten metal region Solidifying the ceramic substrate and the metal plate by solidifying, and in the heating step, the additive element is diffused into the metal plate to diffuse the surface of the metal plate. It is characterized by forming a 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、加熱工程によって、Si,Cu,Ag及びGeから選択される1種又は2種以上の第2添加元素と、Ti,Zr,Hf,Ta,Nb及びMoから選択される1種又は2種以上の活性元素とを拡散させて溶融金属領域を形成し、前記金属板と前記セラミックス基板とを接合することで回路層を形成することができる。特に、前記第2添加元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
また、この加熱工程において、金属板の一方の面側に固着されたZr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を拡散させて表面硬化層を形成することができる。よって、表面硬化層を形成するために別途加熱処理を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板の製造コストを削減することができる。
According to the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, one or more second additive elements selected from Si, Cu, Ag, and Ge, and Ti, Zr, Hf, Ta, A circuit layer can be formed by diffusing one or more active elements selected from Nb and Mo to form a molten metal region and joining the metal plate and the ceramic substrate. In particular, since the second additive element is an element that lowers the melting point of aluminum, a molten metal region can be formed at the interface between the metal plate and the ceramic substrate under a relatively low temperature condition.
In this heating step, the surface hardened layer may be formed by diffusing one or more additive elements selected from Zr, Hf, Ta, and Nb fixed to one surface side of the metal plate. it can. Therefore, it is not necessary to perform a separate heat treatment to form the hardened surface layer, and the manufacturing cost of the power module substrate can be reduced.
ここで、前記固着工程では、前記添加元素とともにAlを固着させることが好ましい。
この場合、前記添加元素とともにAlを固着させているので、添加元素を確実に固着されることができる。なお、前記添加元素とともにAlを固着させるには、前記添加元素とAlとを同時に蒸着してもよいし、前記添加元素とAlの合金をターゲットとして用いてスパッタリングを行ってもよい。
Here, in the fixing step, it is preferable to fix Al together with the additive element.
In this case, since Al is fixed together with the additive element, the additive element can be securely fixed. In order to fix Al together with the additive element, the additive element and Al may be vapor-deposited simultaneously, or sputtering may be performed using an alloy of the additive element and Al as a target.
また、前記固着工程は、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、前記添加元素を含有する粉末が分散されたペースト若しくはインクの塗布によって前記添加元素を固着し、前記固着層を形成することが好ましい。
この場合、めっき、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー、又は、前記添加元素を含有する粉末が分散されたペースト若しくはインクの塗布によって、前記添加元素を前記金属板の一方の面に確実に固着でき、前述の固着層を形成することができる。また、前記添加元素の固着量を精度良く調整することが可能となる。
The fixing step fixes the additive element by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of a paste or ink in which the powder containing the additive element is dispersed to form the fixing layer. It is preferable.
In this case, the additive element can be securely fixed to one surface of the metal plate by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of paste or ink in which the powder containing the additive element is dispersed. The above-mentioned fixed layer can be formed. In addition, it becomes possible to accurately adjust the amount of the additive element fixed.
また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前述のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えたことを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクを備えているので、パワーモジュール用基板に発生した熱をヒートシンクによって効率的に冷却することができる。
A power module substrate with a heat sink according to the present invention includes the power module substrate described above and a heat sink that cools the power module substrate.
According to the power module substrate with a heat sink having this structure, since the heat module for cooling the power module substrate is provided, the heat generated in the power module substrate can be efficiently cooled by the heat sink.
さらに、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、このパワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えた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、セラミックス基板と回路層との接合強度が高く、かつ、回路層と半導体素子との間に形成されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制できるので、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることが可能となる。
Furthermore, the power module of the present invention is characterized by including the above-described power module substrate and an electronic component mounted on the power module substrate.
According to the power module having this configuration, the bonding strength between the ceramic substrate and the circuit layer is high, and the generation of cracks in the solder layer formed between the circuit layer and the semiconductor element can be suppressed. Even in such a case, the reliability can be dramatically improved.
本発明によれば、熱サイクル負荷時において、回路層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、かつ、セラミックス基板と回路層との接合界面に熱応力が作用することを抑制でき、熱サイクル信頼性に優れた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、このパワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを提供することができる。 According to the present invention, during thermal cycle loading, it is possible to suppress the occurrence of waviness and wrinkles on the surface of the circuit layer, and it is possible to suppress thermal stress from acting on the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer, It is possible to provide a power module substrate having excellent thermal cycle reliability, a method for manufacturing the power module substrate, a power module substrate with a heat sink provided with the power module substrate, and a power module.
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を用いた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、ヒートシンク40とを備えている。ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層12とはんだ層2との間に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.
FIG. 1 shows a power module using a power module substrate according to the first embodiment of the present invention.
The power module 1 includes a
パワーモジュール用基板10は、図1及び図2に示すように、絶縁層を構成するセラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一面(図1及び図2において上面)に配設された回路層12と、セラミックス基板11の他面(図1及び図2において下面)に配設された金属層13とを備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
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、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。なお、本実施形態では、図1及び図2に示すように、セラミック基板11の幅は、回路層12及び金属層13の幅より広く設定されている。
The
回路層12は、図5に示すように、セラミックス基板11の一面(図5において上面)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99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板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。
As shown in FIG. 5, the
金属層13は、図5に示すように、セラミックス基板11の他面(図5において下面)に、金属板23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、金属層13は、回路層12と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板23がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
As shown in FIG. 5, the
ヒートシンク40は、前述のパワーモジュール用基板10を冷却するためのものであり、図1に示すように、天板部41と、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路42とを備えている。ヒートシンク40(天板部41)は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、A6063(アルミニウム合金)で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク40の天板部41と金属層13との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層15が設けられている。
The
In the present embodiment, a
そして、図2に示すように、回路層12は、その一方の面(図2おいて上面)側に配設された表面硬化層12Aと、この表面硬化層12Aの他方の面側に位置する本体層12Bと、を備えている。
表面硬化層12Aは、回路層12の一方の面に露呈し、この一方の面から他方の面側(図2において下側)に向けて延在しており、回路層12の一方の面におけるインデンテーション硬度Hsに対して80%以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層12の一方の面におけるインデンテーション硬度Hsが50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下の範囲内に設定されている。
本体層12Bは、そのインデンテーション硬度Hbが前記インデンテーション硬度Hsの80%未満とされた領域となる。
As shown in FIG. 2, the
The surface hardened
The
なお、本実施形態では、回路層12のうちセラミックス基板11との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Hcが本体層12Bのインデンテーション硬度Hbよりも高くされた界面近傍層12Cが形成されている。
ここで、本実施形態では、表面硬化層12Aの厚さtsが1μm以上300μm以下とされ、本体層12Bの厚さtbが100μm以上1500μm以下、界面近傍層12Cの厚さtcが50μm以上300μm以下とされている。
In the present embodiment, an
Here, in this embodiment, the thickness ts of the surface hardened
また、表面硬化層12Aは、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が0.2atom%以上10atom%以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてZrを0.2atom%以上10atom%以下含有している。
回路層12においては、図3に示すように、その一方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、他方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって回路層12の一部が硬化され、上述の表面硬化層12Aが形成されているのである。
Further, the surface hardened
As shown in FIG. 3, the
一方、本体層12Bでは、図3に示すように、添加元素の含有量が少ないことからAlの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
なお、セラミックス基板11側に位置する界面近傍層12Cにおいては、セラミックス基板11と金属板22との接合において利用される元素が拡散することで、本体層12BよりもAlの純度が低くなっている。
On the other hand, in the
In the near-
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板10の製造方法について、図4から図6を参照して説明する。
Below, the manufacturing method of the board |
(固着工程S01)
まず、図5に示すように、回路層12となる金属板22の一方の面に、スパッタリングによって、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層22Aを形成する。
本実施形態では、添加元素としてZrを固着しており、その固着量を0.002mg/cm2以上0.15mg/cm2以下に設定している。
(Fixing step S01)
First, as shown in FIG. 5, one or more additive elements selected from Zr, Hf, Ta, and Nb are fixed to one surface of the
In this embodiment, Zr is fixed as an additive element, and the fixed amount is set to 0.002 mg / cm 2 or more and 0.15 mg / cm 2 or less.
(積層工程S02)
次に、図5に示すように、セラミックス基板11の一面側に、回路層12となる金属板22(4Nアルミニウムの圧延板)が、厚さ5〜50μm(本実施形態では14μm)のろう材箔24を介して積層され、セラミックス基板11の他面側に、金属層13となる金属板23(4Nアルミニウムの圧延板)が厚さ5〜50μm(本実施形態では14μm)のろう材箔25を介して積層される。このとき、金属板22は、固着層22Aが形成された面とは反対の面がセラミックス基板11側を向くように積層される。このようにして積層体20を形成する。
なお、本実施形態においては、ろう材箔24、25は、融点降下元素であるSiを含有したAl−Si系のろう材とされている。
(Lamination process S02)
Next, as shown in FIG. 5, on one surface side of the
In the present embodiment, the brazing material foils 24 and 25 are Al—Si based brazing materials containing Si which is a melting point lowering element.
(加熱工程S03)
次に、積層工程S02において形成された積層体20を、その積層方向に加圧(圧力1〜5kgf/cm2)した状態で加熱炉内に装入して加熱する。この加熱工程S03によって、ろう材箔24、25と金属板22、23の一部とが溶融し、図6に示すように、金属板22、23とセラミックス基板11との界面にそれぞれ溶融金属領域26、27が形成される。ここで、加熱温度は550℃以上650℃以下、加熱時間は30分以上180分以下とされている。
また、この加熱工程S03により、金属板22の固着層22Aに含有された添加元素(本実施形態ではZr)が金属板22の他方の面側に向けて拡散していく。
(Heating step S03)
Next, the
Further, by this heating step S03, the additive element (Zr in the present embodiment) contained in the
(凝固工程S04)
次に、積層体20を冷却することによって溶融金属領域26、27を凝固させ、セラミックス基板11と金属板22及び金属板23とを接合する。このとき、ろう材箔24、25に含まれる融点降下元素(Si)が金属板22、23側へと拡散していくことになる。
(Coagulation step S04)
Next, the
このようにして、回路層12及び金属層13となる金属板22、23とセラミックス基板11とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板10が製造される。
また、回路層12においては、固着層22Aに含有された添加元素が拡散することで表面硬化層12A及び本体層12Bが形成される。また、ろう材箔24に含まれるSiが拡散することで接合近傍層12Cが形成される。
In this way, the
Further, in the
そして、このパワーモジュール用基板10の金属層13の他方の面側に、緩衝層15を介してヒートシンク40がろう付け等によって接合され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が形成される。また、回路層12の表面にはんだ層2を介して半導体チップ3を搭載することで本実施形態であるパワーモジュール1が製出される。
Then, the
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用基板の製造方法においては、回路層12の一方の面側に、表面硬化層12Aが形成されており、回路層12の一方の面におけるインデンテーション硬度Hsが50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下の範囲内に設定され、このインデンテーション硬度Hsの80%以上の領域が表面硬化層12Aとされているので、回路層12の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
In the
また、回路層12は、インデンテーション硬度Hbが前記インデンテーション硬度Hsの80%未満とされた本体層12Bを有しているので、この本体層12Bでは変形抵抗が比較的小さく、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層12Bの変形によって吸収することが可能となる。よって、セラミックス基板11と回路層12との接合信頼性を向上させることができる。
Further, since the
さらに、表面硬化層12Aの厚さが1μm以上300μm以下とされていることから、回路層12の一方の面にうねりやシワが発生することを確実に防止することができる。さらに、本体層12Bの厚さが100μm以上1500μm以下とされているので、熱サイクル負荷時の熱応力を本体層12Bで確実に吸収することができる。
よって、熱サイクル負荷時において、回路層12の表面のうねりやシワの発生を抑制でき、はんだ層2におけるクラックの発生を抑制できる。また、セラミックス基板11と回路層12との接合界面に熱応力が作用することを抑制でき、熱サイクル信頼性を向上させることができる。
Furthermore, since the thickness of the surface hardened
Therefore, it is possible to suppress the generation of waviness and wrinkles on the surface of the
この表面硬化層12Aにおいては、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が0.2atom%以上10atom%以下とされており、本実施形態では、添加元素としてZrを0.2atom%以上10atom%以下含有しているので、この添加元素によって金属板22を硬化させることができ、回路層12の一方の面におけるインデンテーション硬さHsを50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下の範囲内にすることができる。
This
また、回路層12となる金属板22の一方の面に、スパッタリングによって、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素(本実施形態ではZr)を含有する固着層22Aを形成し、この金属板22(回路層12)を加熱することで添加元素を拡散させているので、回路層12の一方の面側において添加元素の含有量が高くなり、上述した表面硬化層12Aを形成することができる。また、添加元素の含有量は、一方の面から離れるに従い低くなることから、表面硬化層12Aに積層されるように、上述の本体層12Bが形成されることになる。
Further, one or more additive elements selected from Zr, Hf, Ta, and Nb are fixed to one surface of the
ここで、本実施形態では、セラミックス基板11と金属板22、23をろう付けする加熱工程S03において固着層22Aの添加元素を拡散させているので、特別な熱処理工程を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板10の製造コストを低く抑えることができる。
Here, in this embodiment, since the additive element of the
次に、本発明の第2の実施形態について図7から図11を参照して説明する。
このパワーモジュール101は、回路層112が配設されたパワーモジュール用基板110と、回路層112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、ヒートシンク140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112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。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The
パワーモジュール用基板110は、セラミックス基板111と、このセラミックス基板111の一方の面(図7において上面)に配設された回路層112と、セラミックス基板111の他方の面(図7において下面)に配設された金属層113とを備えている。
セラミックス基板111は、回路層112と金属層113との間の電気的接続を防止するものである。本実施形態では、セラミックス基板111は絶縁性の高いAl2O3(アルミナ)で構成されている。また、セラミックス基板111の厚さは、0.2〜0.8mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.32mmに設定されている。
The
The
図11に示すように、回路層112は、セラミックス基板111の一方の面に導電性を有する金属板122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112は、純度が99.99%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板122がセラミックス基板111に接合されることにより形成されている。
また、金属層113は、セラミックス基板111の他方の面に金属板123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、金属層113は、回路層112と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板123がセラミックス基板111に接合されることで形成されている。
As shown in FIG. 11, the
The
ヒートシンク140は、前述のパワーモジュール用基板110を冷却するためのものであり、図7に示すように、パワーモジュール用基板110と接合される天板部141を備えている。本実施形態では、この天板部141の下方側に、コルゲートフィン146と底板部145とが配設されており、これら天板部141、コルゲートフィン146及び底板部145によって、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路142が画成されている。
なお、ヒートシンク140(天板部141)は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、A3003(アルミニウム合金)で構成されている。
The
The heat sink 140 (top plate portion 141) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and is made of A3003 (aluminum alloy) in the present embodiment.
そして、図8に示すように、回路層112は、その一方の面(図8おいて上面)側に配設された表面硬化層112Aと、この表面硬化層112Aの他方の面側に位置する本体層112Bと、を備えている。
表面硬化層112Aは、回路層112の一方の面に露呈し、この一方の面から他方の面側(図8において下側)に向けて延在しており、回路層112の一方の面におけるインデンテーション硬度Hsに対して80%以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層112の一方の面におけるインデンテーション硬度Hsが50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下の範囲内に設定されている。
本体層112Bは、そのインデンテーション硬度Hbが前記インデンテーション硬度Hsの80%未満とされた領域となる。
As shown in FIG. 8, the
The
The
なお、本実施形態では、回路層112のうちセラミックス基板111との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Hcが本体層112Bのインデンテーション硬度Hbよりも高くされた界面近傍層112Cが形成されている。
ここで、本実施形態では、表面硬化層112Aの厚さtsが1μm以上300μm以下とされ、本体層112Bの厚さtbが100μm以上1500μm以下、界面近傍層112Cの厚さtcが50μm以上300μm以下とされている。
In the present embodiment, an
Here, in this embodiment, the thickness ts of the surface hardened
また、表面硬化層112Aは、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が0.2atom%以上10atom%以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてZrを0.2atom%以上10atom%以下含有している。
Further, the surface hardened
回路層112においては、その一方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、他方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって回路層112の一部が硬化され、上述の表面硬化層112Aが形成されているのである。
一方、本体層112Bでは、上述の添加元素の含有量が少ないことからAlの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
The
On the other hand, in the
なお、セラミックス基板111側に位置する界面近傍層112Cにおいては、セラミックス基板111と金属板122との接合において利用される元素が拡散することで、本体層よりもAlの純度が低くなっている。
詳述すると、界面近傍層112Cにおいては、Si、Cu、Ag及びGeから選択される1種又は2種以上の第2添加元素が固溶している。ここで、この界面近傍層112Cの接合界面側の前記第2添加元素濃度の合計が、0.05質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
Note that, in the near-
More specifically, in the
本実施形態では、CuとGeを第2添加元素として用いており、界面近傍層112CのCu濃度が0.05質量%以上1質量%以下、Ge濃度が0.05質量%以上1質量%以下の範囲内に設定されている。
なお、界面近傍層112Cの前記第2添加元素濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)で、接合界面から50μmまでの範囲内を5点測定した平均値である。このEPMA分析では、スポット径の全体が接合界面から50μmまでの範囲内に入るようにして分析を実施した。
In the present embodiment, Cu and Ge are used as the second additive element, and the Cu concentration in the
The concentration of the second additive element in the
また、セラミックス基板111と回路層112(金属板122)との接合界面130には、Ti,Zr,Hf,Ta,Nb及びMoから選択される1種又は2種以上の活性元素が介在している。なお、本実施形態では、活性元素としてHfが介在している。
ここで、接合界面130部分には、図9に示すように活性金属であるHfと酸素とを含む酸素化合物からなる酸化物層132が形成されている。この酸化物層132は、活性金属であるHfとAl2O3からなるセラミック基板111の酸素とが反応することによって生じたものである。この酸化物層132の厚さHは、例えば0.1μm以上5μm以下とされている。
In addition, one or more active elements selected from Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, and Mo are interposed in the
Here, an
なお、本実施形態では、金属層113となる金属板123とセラミックス基板111との接合についても、回路層112となる金属板122とセラミックス基板111と同様に行われており、接合界面部分に酸化物層が形成されており、金属層113の接合界面近傍にも第2添加元素が固溶している。
In the present embodiment, the
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板110の製造方法について、図10及び図11を参照して説明する。
Below, the manufacturing method of the board |
(第1固着工程S11)
まず、図11に示すように、回路層112となる金属板122の一方の面に、スパッタリングによって、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層122Aを形成する。
本実施形態では、添加元素としてZrを固着しており、その固着量を0.002mg/cm2以上0.15mg/cm2以下に設定している。
(First fixing step S11)
First, as shown in FIG. 11, one or more additive elements selected from Zr, Hf, Ta, and Nb are fixed to one surface of the
In this embodiment, Zr is fixed as an additive element, and the fixed amount is set to 0.002 mg / cm 2 or more and 0.15 mg / cm 2 or less.
(第2固着工程S12)
次に、金属板122、123のそれぞれの接合面に、スパッタリングによって、第2添加元素であるCu及びGe、並びに、活性元素であるHfを固着し、第2固着層124、125を形成する。
本実施形態では、第2固着層124、125におけるCu量は0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下、Ge量は0.002mg/cm2以上2.5mg/cm2以下、Hf量は0.1mg/cm2以上6.7mg/cm2以下に設定されている。
(Second fixing step S12)
Next, Cu and Ge, which are the second additive elements, and Hf, which is the active element, are fixed to the respective joint surfaces of the
In the present embodiment, the Cu amount in the second
(積層工程S13)
次に、金属板122をセラミックス基板111の一方の面側に積層し、かつ、金属板123をセラミックス基板111の他方の面側に積層する。このとき、図11に示すように、金属板122、123のうち第2固着層124、125形成された面がセラミックス基板111を向くように積層する。すなわち、金属板122、123とセラミックス基板111との間に第2固着層124、125を介在させているのである。このようにして積層体120を形成する。
(Lamination process S13)
Next, the
(加熱工程S14)
次に、積層工程S13において形成された積層体120を、その積層方向に加圧(圧力1〜5kgf/cm2)した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板122、123とセラミックス基板111との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。この溶融金属領域1は、第2固着層124、125のCu及びGeが金属板122、123側に拡散することによって、金属板122、123の第2固着層124、125近傍のCu濃度、Ge濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
(Heating step S14)
Next, the
このとき、活性金属であるHfは、セラミックス基板111を構成するAl2O3と反応し、Hfと酸素とを含む酸素化合物(例えばHfO2)が生成し、酸化物層132が形成されることになる。
また、この加熱工程S14により、金属板122の固着層122Aに含有された添加元素(本実施形態ではZr)が金属板122の他方の面側に向けて拡散していく。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をN2ガス雰囲気としており、加熱温度は、550℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
At this time, the active metal Hf reacts with Al 2 O 3 constituting the
Further, by this heating step S <b> 14, the additive element (Zr in the present embodiment) contained in the fixed
In the present embodiment, the atmosphere in the heating furnace is an N 2 gas atmosphere, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 650 ° C. or less.
(凝固工程S15)
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のCu、Geが、さらに金属板122、123側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のCu濃度、Ge濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板111と金属板122、123とは、いわゆる等温拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
(Coagulation step S15)
Next, the temperature is kept constant with the molten metal region formed. Then, Cu and Ge in the molten metal region are further diffused to the
このようにして、回路層112及び金属層113となる金属板122、123とセラミックス基板111とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板110が製造される。
また、回路層112においては、固着層122Aに含有された添加元素が拡散することで表面硬化層112A及び本体層112Bが形成される。また、第2固着層124に含まれるCu及びGeが拡散することで接合近傍層112Cが形成される。
In this manner, the
In the
そして、このパワーモジュール用基板110の金属層113の他方の面側に、ヒートシンク140がろう付け等によって接合され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が形成される。また、回路層112の表面にはんだ層2を介して半導体チップ3を搭載することで本実施形態であるパワーモジュール101が製出される。
Then, the
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及びパワーモジュール101においては、回路層112の一方の面に表面硬化層112Aが形成されているので、回路層112の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。また、回路層112に、前述の表面硬化層112Aよりもインデンテーション硬度が低い本体層112Bを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層112Bの変形によって吸収することが可能となる。よって、セラミックス基板111と回路層112との接合信頼性を向上させることができる。
In the
また、本実施形態では、金属板122、123の接合面に第2添加元素としてCu、Geを固着させる第2固着工程S12を備えているので、金属板122、123とセラミックス基板111の接合界面130には、Cu及びGeが介在することになる。
そして、セラミックス基板111がAl2O3で構成されており、金属板122,123とセラミックス基板111との接合界面130に、活性元素としてHfが介在しており、より具体的には、接合界面130にHfと酸素とを含む酸素化合物からなる酸化物層132が形成されているので、この酸化物層132によってセラミックス基板111と金属板122,123との接合強度の向上を図ることができる。なお、この酸化物層132は、活性元素であるHfとセラミックス基板111の酸素との反応によって生成していることからセラミックス基板111との接合強度は極めて高い。
Further, in the present embodiment, since the second fixing step S12 for fixing Cu and Ge as the second additive elements to the bonding surfaces of the
The
また、本実施形態では、セラミックス基板111と金属板122、123との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程S14において、固着層122Aの添加元素を拡散させているので、特別な熱処理工程を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板110の製造コストを低く抑えることができる。
Further, in the present embodiment, in the heating step S14 for forming the molten metal region at the interface between the
次に、本発明の第3の実施形態であるパワーモジュール用基板について図12及び図13を用いて説明する。
本実施形態であるパワーモジュール用基板210は、セラミックス基板211と、このセラミックス基板211の一方の面(図12において上面)に配設された回路層212と、セラミックス基板211の他方の面(図12において下面)に配設された金属層213とを備えている。
Next, a power module substrate according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The
セラミックス基板211は、回路層212と金属層213との間の電気的接続を防止するものである。本実施形態では、セラミックス基板211は絶縁性の高いSi3N4(窒化珪素)で構成されている。また、セラミックス基板211の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.32mmに設定されている。
The
回路層212は、セラミックス基板211の一方の面に導電性を有する金属板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212は、純度が99.99%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板がセラミックス基板211に接合されることにより形成されている。
金属層213は、セラミックス基板211の他方の面に金属板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、金属層213は、回路層212と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板がセラミックス基板211に接合されることで形成されている。
The
The
そして、図12に示すように、回路層212は、その一方の面(図12おいて上面)側に配設された表面硬化層212Aと、この表面硬化層212Aの他方の面側に位置する本体層212Bと、を備えている。
表面硬化層212Aは、回路層212の一方の面に露呈し、この一方の面から他方の面側(図12において下側)に向けて延在しており、回路層212の一方の面におけるインデンテーション硬度Hsに対して80%以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層212の一方の面におけるインデンテーション硬度Hsが50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下の範囲内に設定されている。
本体層212Bは、そのインデンテーション硬度Hbが前記インデンテーション硬度Hsの80%未満とされた領域となる。
Then, as shown in FIG. 12, the
The surface hardened
The
なお、本実施形態では、回路層212のうちセラミックス基板211との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Hcが本体層212Bのインデンテーション硬度Hbよりも高くされた界面近傍層212Cが形成されている。
ここで、本実施形態では、表面硬化層212Aの厚さtsが1μm以上300μm以下とされ、本体層212Bの厚さtbが100μm以上1500μm以下、界面近傍層212Cの厚さtcが50μm以上300μm以下とされている。
In the present embodiment, an
Here, in this embodiment, the thickness ts of the surface hardened
また、表面硬化層212Aは、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が0.2atom%以上10atom%以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてZrを0.2atom%以上10atom%以下含有している。
Further, the surface hardened
回路層212においては、その一方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、他方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって回路層212の一部が硬化され、上述の表面硬化層212Aが形成されているのである。
一方、本体層212Bでは、上述の添加元素の含有量が少ないことからAlの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
The
On the other hand, in the
なお、セラミックス基板211側に位置する界面近傍層212Cにおいては、セラミックス基板211と金属板との接合において利用される元素が拡散することで、本体層212BよりもAlの純度が低くなっている。
詳述すると、界面近傍層212Cにおいては、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca及びLiから選択される1種又は2種以上の第2添加元素が固溶している。ここで、この界面近傍層212Cの前記第2添加元素濃度の合計が、0.05質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
In the
Specifically, in the
本実施形態では、Si及びCuを第2添加元素として用いており、界面近傍層212CのSi濃度が0.05質量%以上0.5質量%以下、Cu濃度が0.05質量%以上1質量%以下の範囲内に設定されている。
なお、界面近傍層212Cの前記第2添加元素濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)で、接合界面から50μmまでの範囲内を5点測定した平均値である。このEPMA分析では、スポット径の全体が接合界面から50μmまでの範囲内に入るようにして分析を実施した。
In the present embodiment, Si and Cu are used as the second additive element, and the Si concentration in the
The concentration of the second additive element in the
なお、本実施形態では、金属層213となる金属板とセラミックス基板211との接合についても、回路層212となる金属板とセラミックス基板211と同様に行われており、金属層213の接合界面近傍にも第2添加元素が固溶している。
In the present embodiment, the metal plate to be the
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板210の製造方法について、図13のフロー図を参照して説明する。
Below, the manufacturing method of the
(第1固着工程S21)
まず、回路層212となる金属板の一方の面に、スパッタリングによって、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する。
本実施形態では、添加元素としてZrを固着しており、その固着量を0.002mg/cm2以上0.15mg/cm2以下に設定している。
(First fixing step S21)
First, one or more additive elements selected from Zr, Hf, Ta, and Nb are fixed to one surface of a metal plate to be the
In this embodiment, Zr is fixed as an additive element, and the fixed amount is set to 0.002 mg / cm 2 or more and 0.15 mg / cm 2 or less.
(第2固着工程S22)
次に、回路層212となる金属板及び金属層213となる金属板のそれぞれの接合面に、スパッタリングによって、第2添加元素であるSi,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca及びLiから選択される1種又は2種以上の第2添加元素を固着し、第2固着層を形成する。
本実施形態では、第2添加元素としてCu及びSiを用いており、第2固着層におけるCu量は0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下、Si量は0.002mg/cm2以上1.2mg/cm2以下に設定されている。
(Second fixing step S22)
Next, from the Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, and Li, which are the second additive elements, by sputtering on the joint surfaces of the metal plate that becomes the
In the present embodiment, Cu and Si are used as the second additive element, the Cu amount in the second pinned layer is 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less, and the Si amount is 0.002 mg / cm 2. It is set to 1.2 mg / cm 2 or more.
(積層工程S23)
次に、セラミックス基板211と金属板を積層する。このとき、金属板のうち第2固着層が形成された面がセラミックス基板211を向くように積層する。すなわち、金属板とセラミックス基板211との間に第2固着層を介在させているのである。このようにして積層体を形成する。
(Lamination process S23)
Next, the
(加熱工程S24)
次に、積層工程S23において形成された積層体を、その積層方向に加圧(圧力1〜5kgf/cm2)した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板とセラミックス基板211との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。この溶融金属領域は、第2固着層のCu及びSiが金属板側に拡散することによって、金属板の第2固着層近傍のCu濃度、Si濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
そして、この加熱工程S24により、回路層212となる金属板の固着層に含有された添加元素(本実施形態ではZr)が金属板の他方の面側に向けて拡散していく。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をN2ガス雰囲気としており、加熱温度は、550℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
(Heating step S24)
Next, the stacked body formed in the stacking step S23 is charged in the stacking direction (pressure 1 to 5 kgf / cm 2 ) in a heating furnace and heated, and the metal plate and the
And by this heating process S24, the additive element (Zr in this embodiment) contained in the fixed layer of the metal plate that becomes the
In the present embodiment, the atmosphere in the heating furnace is an N 2 gas atmosphere, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 650 ° C. or less.
(凝固工程S25)
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のCu、Siが、さらに金属板側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のCu濃度、Si濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板211と金属板とは、いわゆる等温拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
(Coagulation step S25)
Next, the temperature is kept constant with the molten metal region formed. Then, Cu and Si in the molten metal region are further diffused to the metal plate side. As a result, the Cu concentration and the Si concentration in the portion that was the molten metal region gradually decrease and the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. That is, the
このようにして、回路層212及び金属層213となる金属板とセラミックス基板211とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板210が製造される。
また、回路層212においては、固着層に含有された添加元素が拡散することで表面硬化層212A及び本体層212Bが形成される。また、第2固着層に含まれるCu及びSiが拡散することで接合近傍層212Cが形成される。
Thus, the metal plate used as the
In the
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210においては、回路層212の一方の面に表面硬化層212Aが形成されているので、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。また、回路層212は、表面硬化層212Aよりも硬度が低い本体層212Bを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層212Bの変形によって吸収することが可能となる。
In the
また、本実施形態では、セラミックス基板211と金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程S24において、回路層212となる金属板に形成された固着層の添加元素を拡散させているので、特別な熱処理工程を行う必要がなく表面硬化層212Aを形成することができ、このパワーモジュール用基板210の製造コストを低く抑えることができる。
Further, in the present embodiment, in the heating step S24 in which a molten metal region is formed at the interface between the
次に、本発明の第4の実施形態であるパワーモジュール用基板について図14及び図15を用いて説明する。
本実施形態であるパワーモジュール用基板310は、セラミックス基板311と、このセラミックス基板311の一方の面(図14において上面)に配設された回路層312と、セラミックス基板311の他方の面(図14において下面)に配設された金属層313とを備えている。
Next, a power module substrate according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The
セラミックス基板311は、回路層312と金属層313との間の電気的接続を防止するものである。本実施形態では、セラミックス基板311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311の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
The
回路層312は、セラミックス基板311の一方の面に導電性を有する金属板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312は、純度が99.99%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板がセラミックス基板311に接合されることにより形成されている。
金属層313は、セラミックス基板311の他方の面に金属板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、金属層313は、回路層312と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板がセラミックス基板311に接合されることで形成されている。
The
The
そして、図14に示すように、回路層312は、その一方の面(図14おいて上面)側に配設された表面硬化層312Aと、この表面硬化層312Aの他方の面側に位置する本体層312Bと、を備えている。
表面硬化層312Aは、回路層312の一方の面に露呈し、この一方の面から他方の面側(図14において下側)に向けて延在しており、回路層312の一方の面におけるインデンテーション硬度Hsに対して80%以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層312の一方の面におけるインデンテーション硬度Hsが50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下の範囲内に設定されている。
本体層312Bは、そのインデンテーション硬度Hbが前記インデンテーション硬度Hsの80%未満とされた領域となる。
And as shown in FIG. 14, the
The
The
なお、本実施形態では、回路層312のうちセラミックス基板311との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Hcが本体層312Bのインデンテーション硬度Hbよりも高くされた界面近傍層312Cが形成されている。
ここで、本実施形態では、表面硬化層312Aの厚さtsが1μm以上300μm以下とされ、本体層312Bの厚さtbが100μm以上1500μm以下、界面近傍層312Cの厚さtcが50μm以上300μm以下とされている。
In the present embodiment, an
Here, in this embodiment, the thickness ts of the surface hardened
また、表面硬化層312Aは、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が0.2atom%以上10atom%以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてZrを0.2atom%以上10atom%以下含有している。
The
回路層312においては、その一方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、他方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって回路層312の一部が硬化され、上述の表面硬化層312Aが形成されているのである。
一方、本体層312Bでは、上述の添加元素の含有量が少ないことからAlの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
The
On the other hand, in the
なお、セラミックス基板311側に位置する界面近傍層312Cにおいては、セラミックス基板311と金属板との接合において利用される元素が拡散することで、本体層312BよりもAlの純度が低くなっている。
詳述すると、界面近傍層312Cにおいては、Al−Si系のろう材に含まれるSiが固溶している。
In the
More specifically, in the
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板310の製造方法について、図15のフロー図を参照して説明する。
Below, the manufacturing method of the
(積層工程S31)
まず、セラミックス基板311の一面側に、回路層312となる金属板を、厚さ15〜30μm(本実施形態では20μm)のろう材箔を介して積層し、セラミックス基板311の他面側に、金属層13となる金属板を厚さ15〜30μm(本実施形態では20μm)のろう材箔を介して積層して、積層体を形成する。なお、本実施形態においては、ろう材箔は、融点降下元素であるSiを含有したAl−Si系のろう材とされている。
(Lamination process S31)
First, a metal plate to be a
(接合加熱工程S32)
次に、積層工程S31において形成された積層体を、その積層方向に加圧(圧力1〜5kgf/cm2)した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板とセラミックス基板311との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をN2ガス雰囲気としており、加熱温度は、550℃以上650℃以下の範囲内に設定している。
(Junction heating process S32)
Next, the stacked body formed in the stacking step S31 is charged in the stacking direction (pressure 1 to 5 kgf / cm 2 ) in a heating furnace and heated, and the metal plate, the
In the present embodiment, the atmosphere in the heating furnace is an N 2 gas atmosphere, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 650 ° C. or less.
(凝固工程S33)
次に、積層体を冷却することによって溶融金属領域を凝固させ、セラミックス基板311と金属板とを接合する。このようにして、回路層312及び金属層313となる金属板とセラミックス基板311とが接合される。このとき、ろう材箔に含まれるSiが拡散することで、回路層312には、接合近傍層312Cが形成される。
(Coagulation step S33)
Next, the molten metal region is solidified by cooling the laminate, and the
(固着工程S34)
次に、回路層312の一方の面に、スパッタリングによって、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する。
本実施形態では、添加元素としてZrを固着しており、その固着量を0.002mg/cm2以上0.15mg/cm2以下に設定している。
(Fixing step S34)
Next, one or more additional elements selected from Zr, Hf, Ta, and Nb are fixed to one surface of the
In this embodiment, Zr is fixed as an additive element, and the fixed amount is set to 0.002 mg / cm 2 or more and 0.15 mg / cm 2 or less.
(加熱工程S35)
そして、固着層が形成された回路層312を、接合されたセラミックス基板311及び金属層313とともに、加熱炉によって加熱する。このときの加熱温度は、上述の接合加熱工程S32よりも低い温度とされる。
この加熱工程S35により、金属板の固着層に含有された添加元素(本実施形態では )が金属板の他方の面側に向けて拡散していく。これにより、回路層312には、固着層に含有された添加元素が拡散することで表面硬化層312A及び本体層312Bが形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板310が製出される。
(Heating step S35)
Then, the
By this heating step S35, the additive element (in this embodiment) contained in the fixed layer of the metal plate diffuses toward the other surface side of the metal plate. Thereby, the
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310においては、回路層312の一方の面に表面硬化層312Aが形成されているので、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。また、回路層312は、表面硬化層312Aよりも硬度が低い本体層312Bを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層312Bの変形によって吸収することが可能となる。
In the
次に、本発明の第5の実施形態であるパワーモジュール用基板について図16及び図17を用いて説明する。
本実施形態であるパワーモジュール用基板410は、セラミックス基板411と、このセラミックス基板411の一方の面(図16において上面)に配設された回路層412と、セラミックス基板411の他方の面(図16において下面)に配設された金属層413とを備えている。
Next, a power module substrate according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The
セラミックス基板411は、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されており、その厚さが0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
回路層412は、セラミックス基板411の一方の面に導電性を有する金属板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412は、純度が99.99%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板がセラミックス基板411に接合されることにより形成されている。
金属層413は、セラミックス基板411の他方の面に金属板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、金属層413は、回路層412と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板がセラミックス基板411に接合されることで形成されている。
The
The
The
そして、図16に示すように、回路層412は、その一方の面(図16おいて上面)側に配設された表面硬化層412Aと、この表面硬化層412Aの他方の面側に位置する本体層412Bと、を備えている。
表面硬化層412Aは、回路層412の一方の面に露呈し、この一方の面から他方の面側(図16において下側)に向けて延在しており、回路層412の一方の面におけるインデンテーション硬度Hsに対して80%以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層412の一方の面におけるインデンテーション硬度Hsが50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下の範囲内に設定されている。
本体層412Bは、そのインデンテーション硬度Hbが前記インデンテーション硬度Hsの80%未満とされた領域となる。
And as shown in FIG. 16, the
The
The
なお、本実施形態では、回路層412のうちセラミックス基板411との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Hcが本体層412Bのインデンテーション硬度Hbよりも高くされた界面近傍層412Cが形成されている。
ここで、本実施形態では、表面硬化層412Aの厚さtsが1μm以上300μm以下とされ、本体層412Bの厚さtbが100μm以上1500μm以下、界面近傍層412Cの厚さtcが50μm以上300μm以下とされている。
In the present embodiment, an
Here, in this embodiment, the thickness ts of the surface hardened
また、表面硬化層412Aは、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が0.2atom%以上10atom%以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてZrを0.2atom%以上10atom%以下含有している。
The
回路層412においては、その一方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、他方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって回路層412の一部が硬化され、上述の表面硬化層412Aが形成されているのである。
一方、本体層412Bでは、上述の添加元素の含有量が少ないことからAlの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
The
On the other hand, in the
なお、セラミックス基板411側に位置する界面近傍層412Cにおいては、セラミックス基板411と金属板との接合において利用される元素が拡散することで、本体層412BよりもAlの純度が低くなっている。本実施形態では、界面近傍層412Cには、Al−Si系のろう材に含まれるSiが固溶している。
In the
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板410の製造方法について、図17のフロー図を参照して説明する。
Below, the manufacturing method of the board |
(固着工程S41)
まず、固着層となる金属板の一方の面に、スパッタリングによって、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する。
本実施形態では、添加元素としてZrを固着しており、その固着量を0.002mg/cm2以上0.15mg/cm2以下に設定している。
(Fixing step S41)
First, one or more additive elements selected from Zr, Hf, Ta, and Nb are fixed to one surface of a metal plate to be a fixed layer by sputtering, and a fixed layer containing this additional element is formed. Form.
In this embodiment, Zr is fixed as an additive element, and the fixed amount is set to 0.002 mg / cm 2 or more and 0.15 mg / cm 2 or less.
(加熱工程S42)
次に、固着層が形成された金属板を加熱炉によって加熱する。このときの加熱温度は、550℃〜650℃に設定されている。
この加熱工程S42により、金属板の固着層に含有された添加元素(本実施形態ではZr)が金属板の他方の面側に向けて拡散していく。これにより、回路層となる金属板には、表面硬化層412A、本体層412Bが形成されることになる。
(Heating step S42)
Next, the metal plate on which the fixed layer is formed is heated by a heating furnace. The heating temperature at this time is set to 550 ° C to 650 ° C.
By this heating step S42, the additive element (Zr in this embodiment) contained in the fixed layer of the metal plate diffuses toward the other surface side of the metal plate. As a result, the surface hardened
(積層工程S43)
次に、セラミックス基板411の一面側に、添加元素を拡散させた金属板を、厚さ15〜30μm(本実施形態では20μm)のろう材箔を介して積層し、セラミックス基板311の他面側に、金属層413となる金属板を厚さ15〜30μm(本実施形態では20μm)のろう材箔を介して積層して、積層体を形成する。なお、本実施形態においては、ろう材箔は、融点降下元素であるSiを含有したAl−Si系のろう材とされている。
(Lamination process S43)
Next, a metal plate in which an additive element is diffused is laminated on one surface side of the
(接合加熱工程S44)
次に、積層工程S43において形成された積層体を、その積層方向に加圧(圧力1〜5kgf/cm2)した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板とセラミックス基板411との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をN2ガス雰囲気としており、加熱温度は、550℃以上650℃以下の範囲内に設定している。すなわち、前述の加熱工程S42よりも低い温度とされているのである。
(Junction heating process S44)
Next, the laminated body formed in the laminating step S43 is charged in the laminating direction (pressure 1 to 5 kgf / cm 2 ) in a heating furnace and heated, and the metal plate, the
In the present embodiment, the atmosphere in the heating furnace is an N 2 gas atmosphere, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 650 ° C. or less. That is, the temperature is lower than that of the heating step S42 described above.
(凝固工程S45)
次に、積層体を冷却することによって溶融金属層を凝固させ、セラミックス基板411と金属板とを接合する。このようにして、回路層412及び金属層413となる金属板とセラミックス基板411とが接合される。このとき、ろう材箔に含まれるSiが拡散することで、回路層412には、接合近傍層412Cが形成される。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板410が製出される。
(Coagulation step S45)
Next, the molten metal layer is solidified by cooling the laminate, and the
In this way, the
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410においては、回路層412の一方の面に表面硬化層412Aが形成されているので、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。また、回路層412は、表面硬化層412Aよりも硬度が低い本体層412Bを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層412Bの変形によって吸収することが可能となる。
In the
そして、本実施形態では、回路層412となる金属板に固着層を形成して加熱し、表面硬化層412A及び本体層412Bを形成した後に、金属板をセラミックス基板411と接合させているので、金属板とセラミックス基板411との接合温度よりも高い温度条件で添加元素を拡散させることが可能となる。よって、添加元素として、アルミニウム中の拡散速度が遅い元素(例えばHf)を使用することができる。
And in this embodiment, after forming a fixed layer in the metal plate used as the
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、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素をスパッタによって固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、めっき、蒸着、CVD、コールドスプレー、又は、前記添加元素を含有する粉末が分散されたペースト若しくはインクの塗布によって添加元素を固着させてもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, one or more additive elements selected from Zr, Hf, Ta, and Nb have been described as being fixed by sputtering, but the present invention is not limited to this, and plating, vapor deposition, CVD, cold spray is not limited thereto. Alternatively, the additive element may be fixed by applying a paste or ink in which the powder containing the additive element is dispersed.
また、Alとともに添加元素、第2添加元素、活性元素を固着してもよい。この場合、Ca及びLi等の酸化しやすい元素であっても確実に固着させることが可能となる。なお、前記添加元素とともにAlを固着させるには、前記添加元素とAlとを同時に蒸着してもよいし、前記添加元素とAlの合金をターゲットとして用いてスパッタリングを行ってもよい。 Further, the additive element, the second additive element, and the active element may be fixed together with Al. In this case, even an easily oxidizable element such as Ca and Li can be securely fixed. In order to fix Al together with the additive element, the additive element and Al may be vapor-deposited at the same time, or sputtering may be performed using an alloy of the additive element and Al as a target.
また、ヒートシンクをアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はなく、種々の構成のヒートシンクを用いることができる。 Moreover, although demonstrated as what comprised the heat sink with aluminum, you may be comprised with the composite material etc. which contain aluminum alloy or aluminum. Furthermore, although the description has been made with the heat sink having the flow path of the cooling medium, the structure of the heat sink is not particularly limited, and heat sinks having various configurations can be used.
また、第2、第3の実施形態において、セラミックス基板と金属板との接合を、N2雰囲気の加熱炉を用いて行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、真空炉を用いてセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。この場合の真空度は、10−6〜10−3Paの範囲内とすることが好ましい。 In the second and third embodiments, the bonding between the ceramic substrate and the metal plate has been described as being performed using a heating furnace in an N 2 atmosphere. However, the present invention is not limited to this, and a vacuum furnace is used. The ceramic substrate and the metal plate may be joined together. In this case, the degree of vacuum is preferably in the range of 10 −6 to 10 −3 Pa.
さらに、第2の実施形態において、セラミックス基板としてAl2O3を使用し、セラミックス基板と金属板との接合界面に活性元素を含む酸化物層を形成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、セラミックス基板としてAlNやSi3N4を使用し、セラミックス基板と金属板との接合界面に活性元素を含む窒化物層を形成したものであってもよい。 In the second embodiment, Al 2 O 3 is used as the ceramic substrate and an oxide layer containing an active element is formed at the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate. However, the present invention is not limited to this. However, AlN or Si 3 N 4 may be used as the ceramic substrate, and a nitride layer containing an active element may be formed at the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate.
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
まず、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる金属板の一方の面に、表1に示す添加元素を固着し、加熱することで表面硬化層及び本体層を形成した。表1に、添加元素の固着量、加熱条件を示す。
A comparative experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
First, the surface hardening layer and the main body layer were formed by fixing the additive element shown in Table 1 on one surface of a metal plate made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm and heating. Table 1 shows the fixing amount of the additive element and the heating conditions.
金属板に形成された表面硬化層及び本体層について、表面硬化層の一方の面におけるインデンテーション硬度Hs、表面硬化層の厚さ、本体層のインデンテーション硬度Hb、本体層の厚さを評価した。なお、本体層のインデンテーション硬度Hbは、金属板の面中央における金属板の厚さ方向中央部を測定した。
また、表面硬化層を形成しない4Nアルミニウムからなる金属板を比較例1とした。さらに、Siを1質量%含むアルミニウム合金からなる金属板を比較例2とした。これら比較例1A、2Aについても、上述の表面硬化層の一方の面に相当する位置、及び、本体層に相当する位置で、それぞれインデンテーション硬度を測定した。結果を表2に示す。
結果を表2に示す。
For the surface hardened layer and the main body layer formed on the metal plate, the indentation hardness Hs on one surface of the surface hardened layer, the thickness of the surface hardened layer, the indentation hardness Hb of the main body layer, and the thickness of the main body layer were evaluated. . In addition, the indentation hardness Hb of the main body layer was measured at the center in the thickness direction of the metal plate at the center of the surface of the metal plate.
A metal plate made of 4N aluminum that does not form a hardened surface layer was used as Comparative Example 1. Further, a metal plate made of an aluminum alloy containing 1% by mass of Si was set as Comparative Example 2. For these Comparative Examples 1A and 2A, the indentation hardness was measured at a position corresponding to one surface of the above-mentioned surface hardened layer and a position corresponding to the main body layer. The results are shown in Table 2.
The results are shown in Table 2.
試料1−4について、いずれも金属板の表面に表面硬化層が形成され、その表面硬化層に積層するように、表面硬化層よりも硬度の低い本体層が形成された。 In each of Samples 1-4, a surface hardened layer was formed on the surface of the metal plate, and a main body layer having a lower hardness than the surface hardened layer was formed so as to be laminated on the surface hardened layer.
次に、厚さ0.635mmのAlNからなるセラミックス基板に、回路層として、厚さ0.6mmの金属板、及び、金属層として厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる金属板を、Al−Si系のろう材を用いて接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
ここで、表1及び表2の試料1、2の金属板を用いて回路層を形成したものを本発明例1、2とした。
また、表2の比較例1Aの金属板を用いて回路層を形成したものを比較例1Bとした。さらに、表2の比較例2Aの金属板を用いて回路層を形成したものを比較例2Bとした。
Next, on a ceramic substrate made of AlN having a thickness of 0.635 mm, a metal plate having a thickness of 0.6 mm as a circuit layer, and a metal plate made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm as a metal layer, Al— Bonding was performed using a Si-based brazing material to produce a power module substrate.
Here, what formed the circuit layer using the metal plate of the
Moreover, what formed the circuit layer using the metal plate of the comparative example 1A of Table 2 was set as the comparative example 1B. Furthermore, what formed the circuit layer using the metal plate of the comparative example 2A of Table 2 was set as the comparative example 2B.
そして、これらの試験片を用いて熱サイクル試験を実施した。具体的には、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後に、試験片を観察し、回路層表面のうねり状態、セラミックス基板と回路層との間の接合率を評価した。結果を表3に示す。
なお、うねりについては、半径が2μmの球状先端を有し、テーパ角が90°の円錐を触針として用い、2.5(mm/基準長さ)×5区間の距離を、荷重4mN,速度1mm/sで表面を走査して区間平均の粗さ曲線を測定し、その十点平均粗さRz(JIS B0601−1994)を算出した。
また、接合率は、以下の式で算出した。ここで、「初期接合面積」とは、接合前における接合すべき面積のことである。
接合率 = (初期接合面積−剥離面積)/初期接合面積
And the thermal cycle test was implemented using these test pieces. Specifically, after repeating the cooling cycle (−45 ° C.-125 ° C.) 2000 times, the test piece was observed, and the undulation state on the surface of the circuit layer and the bonding rate between the ceramic substrate and the circuit layer were evaluated. The results are shown in Table 3.
As for the waviness, a cone having a spherical tip with a radius of 2 μm and a taper angle of 90 ° is used as a stylus, and the distance of 2.5 (mm / reference length) × 5 section is applied with a load of 4 mN and a speed. The surface was scanned at 1 mm / s to measure the average roughness curve, and the ten-point average roughness Rz (JIS B0601-1994) was calculated.
Moreover, the joining rate was computed with the following formula | equation. Here, “initial bonding area” is an area to be bonded before bonding.
Bonding rate = (initial bonding area-peeling area) / initial bonding area
比較例1Bでは、接合率は高いものの回路層の表面にうねりが確認された。一方、比較例2Bでは、回路層表面のうねりは抑制されたが、接合率が低く接合信頼性に劣っていた。
これに対して、表面硬化層を形成した本発明例1、2においては、回路層表面のうねりが抑制され、かつ、接合率も高かった。
In Comparative Example 1B, although the bonding rate was high, undulation was confirmed on the surface of the circuit layer. On the other hand, in Comparative Example 2B, the undulation on the surface of the circuit layer was suppressed, but the bonding rate was low and the bonding reliability was poor.
On the other hand, in the present invention examples 1 and 2 in which the hardened surface layer was formed, the undulation on the surface of the circuit layer was suppressed and the joining rate was high.
1、101 パワーモジュール
3 半導体チップ(電子部品)
10、10、210、310、410 パワーモジュール用基板
11、111、211、311、411 セラミックス基板
12、112、212、312、412 回路層
12A、112A、212A、312A、412A 表面硬化層
12B、112B、212B、312B、412B 本体層
40、140 ヒートシンク
1, 101
10, 10, 210, 310, 410
Claims (12)
前記回路層は、本体層と、前記一方の面側に露呈するように配置された表面硬化層と、を有しており、
前記回路層の前記一方の面におけるインデンテーション硬度Hsが50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下の範囲内に設定され、
前記回路層のうち、前記インデンテーション硬度Hsの80%以上のインデンテーション硬度を有する領域が前記表面硬化層とされており、
前記表面硬化層は、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を含有しており、
前記本体層のインデンテーション硬度Hbが、前記インデンテーション硬度Hsの80%未満と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 power module substrate in which a circuit layer made of aluminum is disposed on one surface of a ceramic substrate, and an electronic component is disposed on one surface of the circuit layer,
The circuit layer has a main body layer and a surface hardened layer disposed so as to be exposed on the one surface side,
Indentation hardness Hs of the one surface of the circuit layer is set to 50 mgf / [mu] m 2 or more 200 mgf / [mu] m 2 within the following ranges,
Of the circuit layer, a region having an indentation hardness of 80% or more of the indentation hardness Hs is the surface hardened layer.
The surface hardened layer contains one or more additive elements selected from Zr, Hf, Ta and Nb,
The power module substrate, wherein the body layer has an indentation hardness Hb of less than 80% of the indentation hardness Hs.
前記回路層となる金属板の一方の面に、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記回路層を加熱して、前記回路層の内部に向けて前記添加元素を拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面硬化層を形成する加熱工程と、
を備えてい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 4,
Secured to the surface of the hand of the metal plate serving as the circuit layer, secured Zr, Hf, one or more additive elements selected from Ta and Nb, to form a fixed layer containing the additive element Process,
A heating step of forming a hardened surface layer on the one surface of the circuit layer by heating the circuit layer and diffusing the additive element toward the inside of the circuit layer;
The manufacturing method of the board | substrate for power modules characterized by comprising.
前記回路層となる金属板の一方の面に、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記金属板の他方の面側に、ろう材を介して前記セラミックス基板を積層する積層工程と、
積層された前記セラミックスと前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記加熱工程において、前記固着層の前記添加元素を、前記回路層の内部に向けて拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面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 4,
An adhering step of adhering one or more additional elements selected from Zr, Hf, Ta and Nb to one surface of the metal plate to be the circuit layer and forming an adhering layer containing the additional element When,
A laminating step of laminating the ceramic substrate via a brazing material on the other surface side of the metal plate;
Heating and pressurizing and heating the laminated ceramic and the metal plate in a laminating direction to form a molten metal region at an interface between the ceramic substrate and the metal plate;
A solidification step of joining the ceramic substrate and the metal plate by solidifying the molten metal region;
In the heating step, a hardened surface layer is formed on the one surface of the circuit layer by diffusing the additive element of the fixed layer toward the inside of the circuit layer. A method for manufacturing a substrate.
前記回路層となる金属板の一方の面に、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記金属板の他方の面又は前記セラミックス基板の一面のうちの少なくとも一方に、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca及びLiから選択される1種又は2種以上の第2添加元素を固着して第2固着層を形成する第2固着工程と、
前記第2固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記加熱工程において、前記固着層の前記添加元素を、前記回路層の内部に向けて拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面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 4,
An adhering step of adhering one or more additional elements selected from Zr, Hf, Ta and Nb to one surface of the metal plate to be the circuit layer and forming an adhering layer containing the additional element When,
One or more second additive elements selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca and Li on at least one of the other surface of the metal plate or one surface of the ceramic substrate A second fixing step in which the second fixing layer is formed by fixing
A laminating step of laminating the ceramic substrate and the metal plate via the second fixing layer;
Heating and pressurizing and heating the laminated ceramic substrate and the metal plate in a laminating direction to form a molten metal region at the interface between the ceramic substrate and the metal plate;
A solidification step of joining the ceramic substrate and the metal plate by solidifying the molten metal region;
In the heating step, a hardened surface layer is formed on the one surface of the circuit layer by diffusing the additive element of the fixed layer toward the inside of the circuit layer. A method for manufacturing a substrate.
前記回路層となる金属板の一方の面に、Zr,Hf,Ta及びNbから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記金属板の他方の面又は前記セラミックス基板の一面のうちの少なくとも一方に、Si,Cu,Ag及びGeから選択される1種又は2種以上の第2添加元素と、Ti,Zr,Hf,Ta,Nb及びMoから選択される1種又は2種以上の活性元素と、を固着し、これら第2添加元素及び活性元素を含有する第2固着層を形成する第2固着工程と、
前記第2固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、
積層された前記セラミックスと前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記金属板に前記添加元素を拡散させることにより、前記金属板の表層に金属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 4,
An adhering step of adhering one or more additional elements selected from Zr, Hf, Ta and Nb to one surface of the metal plate to be the circuit layer and forming an adhering layer containing the additional element When,
At least one of the other surface of the metal plate or one surface of the ceramic substrate, one or more second additive elements selected from Si, Cu, Ag and Ge, and Ti, Zr, Hf, A second fixing step of fixing one or more active elements selected from Ta, Nb and Mo, and forming a second fixing layer containing these second additive elements and active elements;
A laminating step of laminating the ceramic substrate and the metal plate via the second fixing layer;
Heating and pressurizing and heating the laminated ceramic and the metal plate in a laminating direction to form a molten metal region at an interface between the ceramic substrate and the metal plate;
A solidification step of joining the ceramic substrate and the metal plate by solidifying the molten metal region;
A method for manufacturing a power module substrate, wherein a metal hardened layer is formed on a surface layer of the metal plate by diffusing the additive element in the metal plate.
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