JP5493762B2 - Manufacturing method of power module substrate with heat sink - 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ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method of manufacturing a power module substrate with a heat sink used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.

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）やＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などからなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の第一の金属板が接合されるとともに、基板の反対側にＡｌ（アルミニウム）の第二の金属板を介してヒートシンクが接続されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が用いられる。
このようなヒートシンク付パワーモジュール基板では、第一の金属板は回路層として形成され、第一の金属板の上には、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。 Among semiconductor elements, a power module for supplying power has a relatively high calorific value, and as a substrate on which it is mounted, for example, a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), or the like. A power module substrate with a heat sink is used in which a first metal plate of Al (aluminum) is bonded to the upper surface and a heat sink is connected to the opposite side of the substrate via a second metal plate of Al (aluminum). .
In such a power module substrate with a heat sink, the first metal plate is formed as a circuit layer, and a semiconductor chip of a power element is mounted on the first metal plate via a solder material.

従来、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、例えば特許文献１に記載されているように、以下の手順で製造される。
まず、セラミックス基板の一方の面にろう材を介して第一の金属板を積層し、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して第二の金属板を積層して、これを積層方向に所定の圧力で加圧するとともに加熱し、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを接合させる（セラミックス基板接合工程）。
次に、第二の金属板のうちセラミックス基板とは反対側の面に、ろう材を介してヒートシンクの天板部を積層し、積層方向に所定の圧力で加圧するとともに加熱し、これにより第二の金属板とヒートシンクの天板部とを接合させる（ヒートシンク接合工程）。 Conventionally, the above-described power module substrate with a heat sink is manufactured by the following procedure as described in Patent Document 1, for example.
First, a first metal plate is laminated on one surface of a ceramic substrate via a brazing material, and a second metal plate is laminated on the other surface of the ceramic substrate via a brazing material. The ceramic substrate, the first metal plate, and the second metal plate are bonded to each other while being pressurized with a predetermined pressure (ceramic substrate bonding step).
Next, the top plate portion of the heat sink is laminated on the surface of the second metal plate opposite to the ceramic substrate via the brazing material, and is pressurized and heated with a predetermined pressure in the laminating direction. The second metal plate and the top plate of the heat sink are joined (heat sink joining step).

ここで、パワーモジュール用基板を冷却するためのヒートシンクとしては、天板部とこの天板部から立設されたフィン部とを備えたものが提案されている。従来、天板部とフィン部との接合には、例えば特許文献２に示すように、ろう付けが利用されている。このようなろう付けを行う場合、アルミニウム材の表面やろう材の表面に酸化被膜が存在するため、酸化被膜を除去するためのフラックスが使用されることがある。   Here, as a heat sink for cooling the power module substrate, one having a top plate portion and a fin portion standing from the top plate portion has been proposed. Conventionally, for example, as shown in Patent Document 2, brazing is used for joining the top plate portion and the fin portion. When such brazing is performed, an oxide film is present on the surface of the aluminum material or the surface of the brazing material, and thus a flux for removing the oxide film may be used.

ここで、天板部とフィン部とを接合してヒートシンクを形成する工程（ヒートシンク形成工程）については、パワーモジュール用基板と天板部とを接合した後にフィン部を接合したり、予め天板部にフィン部を接合した状態でパワーモジュール用基板を接合したりしていた。   Here, with respect to the step of forming a heat sink by joining the top plate portion and the fin portion (heat sink formation step), the fin portion is joined after the power module substrate and the top plate portion are joined, The power module substrate is joined in a state where the fin part is joined to the part.

特開２００２−００９２１２号公報JP 2002-009212 A 特開２００３−３１８５７８号公報JP 2003-318578 A

ところで、ヒートシンクのフィン部は、その肉厚がうすく、かつ、例えばＡ３００３といったアルミニウム合金で構成されており、比較的低い温度で溶融してしまうことから、このフィン部を天板部にろう付け等で接合する場合には、接合温度を低く設定する必要があった。また、上述のように、フラックスを用いて酸化被膜を除去していることから、フィン部の接合は窒素ガス雰囲気で行っていた。   By the way, the fin portion of the heat sink has a thin thickness and is made of, for example, an aluminum alloy such as A3003 and melts at a relatively low temperature. In the case of joining with, it was necessary to set the joining temperature low. Further, as described above, since the oxide film is removed using the flux, the fin portions are joined in a nitrogen gas atmosphere.

一方、セラミックス基板と金属板とを接合してパワーモジュール用基板を製出する際には、接合温度が低いと接合強度が不足し、熱サイクル負荷の信頼性が低下するおそれがある。このため、接合温度を高く設定する必要があった。また、ろう材を介して接合する場合、金属板の表面及びろう材の表面に形成された酸化被膜を除去するために、真空雰囲気で接合を行っていた。   On the other hand, when producing a power module substrate by bonding a ceramic substrate and a metal plate, if the bonding temperature is low, the bonding strength is insufficient, and the reliability of the thermal cycle load may be reduced. For this reason, it is necessary to set the bonding temperature high. Moreover, when joining via a brazing material, in order to remove the oxide film formed on the surface of the metal plate and the brazing material, the joining was performed in a vacuum atmosphere.

そこで、上述のように、まず、セラミックス基板と金属板とを高温で接合してパワーモジュール用基板を製出しておき、その後、このパワーモジュール用基板とヒートシンクの天板部とを接合していたのである。
このように、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する際には、接合工程を２回又は３回行う必要があり、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造コストが増加してしまうといった問題があった。 Therefore, as described above, first, a ceramic substrate and a metal plate are joined at a high temperature to produce a power module substrate, and then the power module substrate and the top plate of the heat sink are joined. It is.
Thus, when manufacturing a power module substrate with a heat sink, it is necessary to perform the bonding process two or three times, which increases the manufacturing cost of the power module substrate with a heat sink.

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、セラミックス基板と金属板の接合、ヒートシンクの天板部とフィン部との接合及び天板部とパワーモジュール用基板の接合を、同時に行い、低コストで製作することが可能であるとともに、セラミックス基板と金属板との接合強度が高く信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュールを製出することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法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 the bonding of the ceramic substrate and the metal plate, the bonding of the top plate portion and the fin portion of the heat sink, and the bonding of the top plate portion and the power module substrate are performed simultaneously. A method for manufacturing a power module substrate with a heat sink that can be manufactured at low cost and can produce a power module with a heat sink having high bonding strength between a ceramic substrate and a metal plate and high reliability. 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、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、該セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の他面に接合されたヒートシンクと、を備えるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記ヒートシンクは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる天板部と、この天板部から立設されたフィン部と、を備えており、前記第一の金属板の一面と前記セラミックス基板の表面のうちの少なくとも一方と、前記第二の金属板の一面と前記セラミックス基板の裏面のうちの少なくとも一方とに、Ｃｕを固着して、固着層を形成する固着層形成工程と、前記第二の金属板と前記天板部との間に介在層を形成する介在層形成工程と、前記天板部と前記フィン部との間に接合層を形成する接合層形成工程と、前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記第一の金属板及び前記第二の金属板とを積層し、前記介在層を介して前記第二の金属板と前記天板部とを積層し、前記接合層を介して前記天板部と前記フィン部とを積層する積層工程と、積層された前記第一の金属板と前記セラミックス基板と前記第二の金属板と前記天板部と前記フィン部と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第一の金属板との界面に第１溶融金属領域を形成し、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に第２溶融金属領域を形成するとともに、前記第二の金属板と前記天板部との界面及び前記天板部と前記フィン部との界面に、溶融金属部を形成する加熱工程と、これら第１溶融金属領域、第２溶融金属領域、溶融金属部が形成された状態で温度を一定に保持し、その状態で凝固を進行させることによって、前記第一の金属板と前記セラミックス基板、前記セラミックス基板と前記第二の金属板、前記第二の金属板と前記天板部、前記天板部と前記フィン部とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の元素を前記第一の金属板及び前記第二の金属板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記第一の金属板との界面に第１溶融金属領域を形成するとともに前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に第２溶融金属領域を形成する構成とされており、前記第一の金属板と前記セラミックス基板、前記セラミックス基板と前記第二の金属板、前記第二の金属板と前記天板部、前記天板部と前記フィン部とを、同時に接合することを特徴としている。
In order to solve the above problems and achieve the above object, a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention comprises a ceramic substrate and an aluminum having one surface bonded to the surface of the ceramic substrate. For a power module with a heat sink, comprising: one metal plate; a second metal plate made of aluminum with one surface bonded to the back surface of the ceramic substrate; and a heat sink bonded to the other surface of the second metal plate. A method of manufacturing a substrate, wherein the heat sink includes a top plate portion made of aluminum or an aluminum alloy, and a fin portion erected from the top plate portion, and one surface of the first metal plate; At least one of the surfaces of the ceramic substrate, at least one of the second metal plate and the back surface of the ceramic substrate. A fixing layer forming step of fixing Cu to the side and forming a fixing layer; an intervening layer forming step of forming an intervening layer between the second metal plate and the top plate portion; and the top plate A bonding layer forming step of forming a bonding layer between the portion and the fin portion, and laminating the ceramic substrate, the first metal plate, and the second metal plate via the fixing layer, and the interposition A lamination step of laminating the second metal plate and the top plate portion via a layer, and laminating the top plate portion and the fin portion via the bonding layer, and the laminated first metal A plate, the ceramic substrate, the second metal plate, the top plate portion, and the fin portion are pressurized and heated in the laminating direction, and a first molten metal region is formed at the interface between the ceramic substrate and the first metal plate. And a second melt is formed at the interface between the ceramic substrate and the second metal plate. To form a genus regions, at the interface between said surface and the top plate portion of the second metal plate and the top plate portion and the fin portion, and a heating step of forming a molten metal portion, these first molten metal The first metal plate, the ceramic substrate, the ceramic substrate, and the ceramic substrate are formed by maintaining the temperature constant in a state where the region, the second molten metal region, and the molten metal portion are formed, and proceeding solidification in that state. A second metal plate, the second metal plate and the top plate portion, a solidification step for joining the top plate portion and the fin portion, and in the heating step, the element of the fixing layer is By diffusing to the first metal plate and the second metal plate side, a first molten metal region is formed at the interface between the ceramic substrate and the first metal plate, and the ceramic substrate and the second metal plate Second at the interface with the metal plate The molten metal region is formed, and the first metal plate and the ceramic substrate, the ceramic substrate and the second metal plate, the second metal plate and the top plate portion, and the top plate portion And the fin portion are bonded at the same time.

この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、前記第一の金属板と前記セラミックス基板、前記セラミックス基板と前記第二の金属板、前記第二の金属板と前記天板部、前記天板部と前記フィン部とを、同時に接合する構成としていることから、接合工程を１回で行うことができ、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造コストを大幅に削減することができる。また、パワーモジュール用基板に不要な熱負荷が作用することがなく、反り等の発生を抑制することができる。   In the manufacturing method of the power module substrate with a heat sink having this configuration, the first metal plate and the ceramic substrate, the ceramic substrate and the second metal plate, the second metal plate and the top plate portion, Since the top plate portion and the fin portion are joined at the same time, the joining step can be performed once, and the manufacturing cost of the power module substrate with a heat sink can be greatly reduced. Further, unnecessary heat load does not act on the power module substrate, and the occurrence of warpage or the like can be suppressed.

そして、前記セラミックス基板と前記第一、第二の金属板との界面部分に、Ｃｕを固着した固着層を形成し、前記固着層の元素を前記第一、第二の金属板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記第一、第二の金属板との界面に第１、第２溶融金属領域を形成し、この第１、第２溶融金属領域を凝固させることで、セラミックス基板と第一、第二の金属板を接合する構成としているので、比較的低温条件下であっても、セラミックス基板と第一、第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。すなわち、Ｃｕは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、Ｃｕを第一、第二の金属板側に拡散させることで、低温条件下でも第１、第２溶融金属領域を確実に形成することができるのである。さらに、Ｃｕが存在することによって接合界面が活性化すると推測され、低温状況下でもセラミックス基板と第一、第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。   Then, a fixed layer to which Cu is fixed is formed at the interface portion between the ceramic substrate and the first and second metal plates, and the elements of the fixed layer are diffused to the first and second metal plates. By forming first and second molten metal regions at an interface between the ceramic substrate and the first and second metal plates, and solidifying the first and second molten metal regions, Since the first and second metal plates are joined, the ceramic substrate and the first and second metal plates can be firmly joined even under a relatively low temperature condition. That is, since Cu is an element that lowers the melting point of aluminum, the first and second molten metal regions are reliably formed even under low temperature conditions by diffusing Cu to the first and second metal plate sides. It can be done. Further, it is presumed that the bonding interface is activated by the presence of Cu, and the ceramic substrate and the first and second metal plates can be firmly bonded even under a low temperature condition.

なお、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に直接Ｃｕを固着させる構成としているが、生産性の観点から、金属板の接合面にＣｕを固着させることが好ましい。セラミックス基板の接合面にＣｕを固着する場合、一枚毎のセラミックス基板にそれぞれＣｕを固着しなければならない。これに対して、金属板の接合面へＣｕを固着する場合には、ロール状に巻かれた長尺の金属条に対し、その一端から他端にまで連続的にＣｕを固着することが可能となり、生産性に優れている。   In addition, although Cu is directly fixed to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate, it is preferable to fix Cu to the bonding surface of the metal plate from the viewpoint of productivity. When Cu is fixed to the bonding surface of the ceramic substrate, Cu must be fixed to each ceramic substrate. On the other hand, when fixing Cu to the joint surface of a metal plate, it is possible to fix Cu continuously from one end to the other end of a long metal strip wound in a roll shape. It is excellent in productivity.

ここで、前記接合層形成工程において、前記天板部と前記フィン部との界面に、ろう材とともに酸化被膜を除去するためのフラックスを配設することが好ましい。
アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板材の表面には酸化被膜が存在しているが、本発明では、フラックスによって酸化被膜を除去してフィン部と天板部とをろう付けしていることから、低温条件下でもフィン部と天板部とを強固に接合することができる。
また、このように、フィン部と天板部とをフラックスを用いる場合には、従来、窒素ガス雰囲気でろう付けを行っていた。本発明では、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との接合を、Ｃｕの拡散を利用して行っていることから、窒素ガス雰囲気でセラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との接合を行うことができる。 Here, in the bonding layer forming step, it is preferable to dispose a flux for removing the oxide film together with the brazing material at the interface between the top plate portion and the fin portion.
An oxide film is present on the surface of a plate made of aluminum or an aluminum alloy. However, in the present invention, the oxide film is removed by flux and the fin portion and the top plate portion are brazed, so that the low temperature condition is satisfied. Even underneath, the fin portion and the top plate portion can be firmly joined.
In addition, as described above, when the flux is used for the fin portion and the top plate portion, conventionally, brazing is performed in a nitrogen gas atmosphere. In the present invention, since the ceramic substrate, the first metal plate, and the second metal plate are joined using the diffusion of Cu, the ceramic substrate, the first metal plate, and the second metal plate in a nitrogen gas atmosphere. Bonding with two metal plates can be performed.

また、前記固着層形成工程において、前記第一の金属板の一面と前記セラミックス基板の表面のうちの少なくとも一方と、前記第二の金属板の一面と前記セラミックス基板の裏面のうちの少なくとも一方とに、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着することが好ましい。
Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉといった元素は、アルミニウムの融点をさらに降下させる元素であるため、比較的低温条件であっても、第一、第二の金属板とセラミックス基板との界面に、第１、第２溶融金属領域を確実に形成することができる。 In the fixing layer forming step, at least one of the one surface of the first metal plate and the surface of the ceramic substrate, at least one of the one surface of the second metal plate and the back surface of the ceramic substrate, In addition to Cu, it is preferable to fix one or more additive elements selected from Si, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li.
Since elements such as Si, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are elements that further lower the melting point of aluminum, the first and second metal plates and ceramics can be used even under relatively low temperature conditions. The first and second molten metal regions can be reliably formed at the interface with the substrate.

さらに、前記固着層形成工程では、ＣｕとともにＡｌを固着させることが好ましい。
この場合、ＣｕとともにＡｌを固着させているので、形成される固着層がＡｌを含有することになり、加熱工程において、この固着層が優先的に溶融し、第一、第二の金属板とセラミックス基板との界面に第１、第２溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、第一、第二の金属板とセラミックス基板とを強固に接合することができる。なお、ＣｕとともにＡｌを固着させるには、ＣｕとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、ＣｕとＡｌの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。 Further, in the fixing layer forming step, it is preferable to fix Al together with Cu.
In this case, since Al is fixed together with Cu, the fixed layer to be formed contains Al, and in the heating step, this fixed layer is preferentially melted, and the first and second metal plates and The first and second molten metal regions can be reliably formed at the interface with the ceramic substrate, and the first and second metal plates and the ceramic substrate can be firmly bonded. In order to fix Al together with Cu, Cu and Al may be vapor-deposited at the same time, or sputtering using an alloy of Cu and Al as a target.

また、前記介在層形成工程においては、前記第二の金属板の他面と前記天板部の接合面のうちの少なくとも一方に、Ｃｕ又はＳｉのうちの少なくとも１種以上を固着し、前記介在層として金属固着層を形成することが好ましい。
この場合、前記介在層形成工程において、前記ヒートシンクの天板部と前記第二の金属板との界面部分に、介在層として、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上を固着した金属固着層を形成し、この金属固着層の元素を前記天板部及び前記第二の金属板側に拡散させることにより、天板部と第二の金属板との界面に溶融金属領域（溶融金属部）を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、天板部と第二の金属板を接合する構成としているので、比較的低温条件下であっても、天板部と第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。 In the intervening layer forming step, at least one of Cu and Si is fixed to at least one of the other surface of the second metal plate and the joining surface of the top plate portion, and the intervening It is preferable to form a metal fixing layer as the layer.
In this case, in the intervening layer forming step, a metal fixing layer in which at least one of Cu or Si is fixed as an intervening layer is formed at the interface portion between the top plate portion of the heat sink and the second metal plate. Then, the molten metal region (molten metal portion) is formed at the interface between the top plate portion and the second metal plate by diffusing the elements of the metal fixed layer to the top plate portion and the second metal plate side. Since the molten metal region is solidified, the top plate portion and the second metal plate are joined together. Therefore, the top plate portion and the second metal plate can be joined even under relatively low temperature conditions. It becomes possible to join firmly.

ここで、前記介在層形成工程において、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕ又はＳｉのうちの少なくとも１種以上に加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着することが好ましい。
Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉといった元素は、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も、ヒートシンクの天板部と第二の金属板との界面に溶融金属領域を確実に形成することができる。 Here, in the intermediate layer forming step, at least one of the other surface of the second metal plate and the bonding surface of the heat sink, in addition to at least one of Cu or Si, Zn, Ge, Ag It is preferable to fix one or more additive elements selected from Mg, Ca, Ga and Li.
Elements such as Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are elements that lower the melting point of aluminum. Therefore, even at a relatively low temperature condition, they are present at the interface between the top plate portion of the heat sink and the second metal plate. The molten metal region can be reliably formed.

また、前記介在層形成工程では、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上とともにＡｌを固着させることが好ましい。
この場合、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上とともにＡｌを固着させているので、形成される金属固着層がＡｌを含有することになり、ヒートシンク加熱工程において、この金属固着層が優先的に溶融し、天板部と第二の金属板との界面に溶融金属領域（溶融金属部）を確実に形成することが可能となり、天板部と第二の金属板とを強固に接合することができる。なお、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上とともにＡｌを固着させるには、Ｃｕ又はＳｉとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、Ｃｕ又はＳｉとＡｌの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。 In the intervening layer forming step, it is preferable to fix Al together with one or more of Cu or Si to at least one of the other surface of the second metal plate and the bonding surface of the heat sink.
In this case, since Al is fixed together with one or more of Cu or Si, the formed metal fixing layer contains Al, and this metal fixing layer is preferentially melted in the heat sink heating step. In addition, it is possible to reliably form a molten metal region (molten metal portion) at the interface between the top plate portion and the second metal plate, and to firmly bond the top plate portion and the second metal plate. it can. In order to fix Al together with one or more of Cu or Si, Cu or Si and Al may be vapor-deposited simultaneously, or sputtering may be performed using an alloy of Cu or Si and Al.

本発明によれば、セラミックス基板と金属板の接合、ヒートシンクの天板部とフィン部との接合及び天板部とパワーモジュール用基板の接合を、同時に行い、低コストで製作することが可能であるとともに、セラミックス基板と金属板との接合強度が高く信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュールを製出することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。   According to the present invention, the ceramic substrate and the metal plate, the heat sink top plate portion and the fin portion, and the top plate portion and the power module substrate can be jointly manufactured at low cost. In addition, it is possible to provide a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink that can produce a highly reliable power module with a heat sink having high bonding strength between the ceramic substrate and the metal plate.

本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によって製出されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules with a heat sink produced by the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の回路層、金属層のＣｕ濃度分布及びＧｅ濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the Cu density | concentration distribution and Ge density | concentration distribution of the circuit layer of a power module board | substrate with a heat sink which is embodiment of this invention, and a metal layer. 本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンク（天板部）のＣｕ濃度分布及びＧｅ濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Cu density | concentration distribution and Ge density | concentration distribution of the metal layer and heat sink (top plate part) of the board | substrate for power modules with a heat sink which are embodiment of this invention. 本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。It is a flowchart of the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink which is embodiment of this invention. 図５におけるセラミックス基板と第一、第二の金属板（回路層、金属層）との接合界面近傍を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the joining interface vicinity of the ceramic substrate in FIG. 5, and a 1st, 2nd metal plate (circuit layer, metal layer). 図５における天板部と第二の金属板（金属層）との接合界面近傍を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the joining interface vicinity of the top-plate part in FIG. 5, and a 2nd metal plate (metal layer).

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に本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びこのヒートシンク付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 substrate with a heat sink and a power module using the power module substrate with a heat sink according to an embodiment of the present invention.
The power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is disposed, a semiconductor chip 3 bonded to the surface of the circuit layer 12 via a solder layer 2, and a heat sink 40. 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、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１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の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
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 power module substrate 10 has a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and the other surface (lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. And a disposed metal layer 13.
The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). In addition, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the width of the ceramic substrate 11 is set wider than the widths of the circuit layer 12 and the metal layer 13.

回路層１２は、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９９．９９％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。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に金属板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。 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 joining a metal plate 22 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 11.
The metal layer 13 is formed by bonding a metal plate 23 to the other surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by joining a metal plate 23 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more, like the circuit layer 12, to the ceramic substrate 11. Is formed.

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る。本実施形態におけるヒートシンク４０は、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４１と、この天板部４１に対向するように配置された底板部４５と、天板部４１と底板部４５との間に介装されたコルゲートフィン４６と、を備えており、天板部４１と底板部４５とコルゲートフィン４６とによって、冷却媒体が流通する流路４２が画成されている。   The heat sink 40 is for cooling the power module substrate 10 described above. The heat sink 40 in the present embodiment includes a top plate portion 41 joined to the power module substrate 10, a bottom plate portion 45 disposed so as to face the top plate portion 41, a top plate portion 41 and the bottom plate portion 45. A corrugated fin 46 interposed between the top plate portion 41, the bottom plate portion 45 and the corrugated fin 46 defines a flow path 42 through which a cooling medium flows.

ここで、このヒートシンク４０は、天板部４１とコルゲートフィン４６、コルゲートフィン４６と底板部４５が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図５に示すように、天板部４１及び底板部４５は、基材層４１Ａ、４５Ａと、基材層４１Ａ、４５Ａよりも融点の低い材料からなる接合層４１Ｂ、４５Ｂが積層された積層アルミ板で構成されており、接合層４１Ｂ、４５Ｂがコルゲートフィン４６側を向くように、天板部４１及び底板部４５が配設されている。つまり、天板部４１の基材層４１Ａが金属層１３に接する構成とされているのである。
なお、本実施形態では、基材層４１Ａ，４５ＡがＡ３００３合金で構成されており、接合層４１Ｂ、４５ＢがＡ４０４５合金で構成されている。 Here, the heat sink 40 is configured by brazing the top plate portion 41 and the corrugated fins 46, and the corrugated fins 46 and the bottom plate portion 45, respectively. In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the top plate portion 41 and the bottom plate portion 45 include base material layers 41A and 45A and bonding layers 41B and 45B made of a material having a lower melting point than the base material layers 41A and 45A. The top plate portion 41 and the bottom plate portion 45 are arranged so that the bonding layers 41B and 45B face the corrugated fins 46 side. That is, the base material layer 41 </ b> A of the top plate portion 41 is in contact with the metal layer 13.
In the present embodiment, the base material layers 41A and 45A are made of an A3003 alloy, and the bonding layers 41B and 45B are made of an A4045 alloy.

そして、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）に、Ｃｕに加えてＳｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。なお、本実施形態では、添加元素としてＧｅが固溶している。   As shown in FIG. 2, at the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23), the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13. In addition to Cu, one or more additive elements selected from Si, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are dissolved in (metal plate 23). In the present embodiment, Ge is dissolved as an additive element.

ここで、回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍には、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度及びＧｅ濃度が低下する濃度傾斜層３３が形成されている。ここで、この濃度傾斜層３３の接合界面３０側（回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍）のＣｕと添加元素（本実施形態ではＧｅ）の合計の濃度が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍のＣｕ濃度及びＧｅ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で、接合界面３０から５０μｍまでの範囲内を５点測定した平均値である。 Here, in the vicinity of the junction interface 30 between the circuit layer 12 and the metal layer 13, a concentration gradient layer 33 is formed in which the Cu concentration and the Ge concentration gradually decrease as the distance from the junction interface 30 in the stacking direction increases. Here, the total concentration of Cu and additive elements (Ge in this embodiment) on the bonding interface 30 side (near the bonding interface 30 of the circuit layer 12 and the metal layer 13) of the concentration gradient layer 33 is 0.05% by mass. It is set within a range of 5% by mass or less.
The Cu concentration and the Ge concentration in the vicinity of the bonding interface 30 between the circuit layer 12 and the metal layer 13 are average values obtained by measuring five points in the range from the bonding interface 30 to 50 μm by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm).

また、図３に示すように、金属層１３（金属板２３）と天板部４１との接合界面３６においては、金属層１３（金属板２３）及び天板部４１に、Ｃｕに加えてＳｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。なお、本実施形態では、添加元素としてＧｅが固溶している。
金属層１３及び天板部４１の接合界面３６近傍には、接合界面３６から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度及びＧｅ濃度が低下する濃度傾斜層３８、３９が形成されている。ここで、この濃度傾斜層３８、３９の接合界面３６側（金属層１３及び天板部４１の接合界面３６近傍）のＣｕと添加元素（本実施形態ではＧｅ）の合計の濃度が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層１３及び天板部４１の接合界面３６近傍のＣｕの濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で、接合界面３６から５０μｍまでの範囲内を５点測定した平均値である。 As shown in FIG. 3, in addition to Cu, Si is added to the metal layer 13 (metal plate 23) and the top plate portion 41 at the bonding interface 36 between the metal layer 13 (metal plate 23) and the top plate portion 41. , Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are dissolved in one or more additive elements. In the present embodiment, Ge is dissolved as an additive element.
In the vicinity of the bonding interface 36 between the metal layer 13 and the top plate portion 41, concentration gradient layers 38 and 39 are formed in which the Cu concentration and the Ge concentration gradually decrease as the distance from the bonding interface 36 in the stacking direction increases. Here, the total concentration of Cu and additive elements (Ge in this embodiment) on the bonding interface 36 side of the concentration gradient layers 38 and 39 (in the vicinity of the bonding interface 36 of the metal layer 13 and the top plate portion 41) is 0. It is set within a range of 05 mass% or more and 5 mass% or less.
The concentration of Cu in the vicinity of the bonding interface 36 between the metal layer 13 and the top plate portion 41 is an average value obtained by measuring five points in the range from the bonding interface 36 to 50 μm by EPMA analysis (spot diameter 30 μm).

以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink of the above-mentioned structure is demonstrated.

（固着層形成工程Ｓ０１）
まず、図５に示すように、回路層１２となる金属板２２の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第１固着層２４を形成するとともに、金属層１３となる金属板２３の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第２固着層２５を形成する
ここで、本実施形態では、Ｃｕとともに、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着しており、より具体的には、ＣｕとＧｅとを固着している。第１固着層２４及び第２固着層２５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以下に設定されている。 (Fixed layer forming step S01)
First, as shown in FIG. 5, Cu is fixed to one surface of the metal plate 22 to be the circuit layer 12 by sputtering to form the first fixed layer 24, and one surface of the metal plate 23 to be the metal layer 13 is Here, Cu is fixed by sputtering to form the second fixed layer 25. Here, in the present embodiment, one or two types selected from Si, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li together with Cu. The above additive elements are fixed, and more specifically, Cu and Ge are fixed. The Cu amount in the first fixing layer 24 and the second fixing layer 25 is set to 0.08 mg / cm 2 to 2.7 mg / cm 2 and the Ge amount is set to 0.002 mg / cm 2 to 2.5 mg / cm 2. ing.

（介在層形成工程Ｓ０２）
また、金属板２３の他面にＣｕを固着して、介在層として金属固着層２６を形成する。ここで、本実施形態では、Ｃｕとともに、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着しており、より具体的には、ＣｕとＧｅとを固着している。金属固着層２６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以下に設定されている。 (Intervening layer forming step S02)
Further, Cu is fixed to the other surface of the metal plate 23 to form a metal fixing layer 26 as an intervening layer. Here, in this embodiment, one or more additive elements selected from Si, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are fixed together with Cu, and more specifically, Cu and Ge are fixed. The Cu amount in the metal fixing layer 26 is set to 0.08 mg / cm 2 to 2.7 mg / cm 2 and the Ge amount is set to 0.002 mg / cm 2 to 2.5 mg / cm 2 .

（接合層形成工程Ｓ０３）
さらに、天板部４１とコルゲートフィン４６との間に接合層を形成する。本実施形態では、上述のように、天板部４１及び底板部４５に予め接合層４１Ｂ，４５Ｂが形成されている。 (Junction layer forming step S03)
Further, a bonding layer is formed between the top plate portion 41 and the corrugated fins 46. In the present embodiment, the bonding layers 41B and 45B are formed in advance on the top plate portion 41 and the bottom plate portion 45 as described above.

（積層工程Ｓ０４）
次に、図５に示すように、金属板２２をセラミックス基板１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板２３をセラミックス基板１１の他方の面側に積層する。さらに、金属板２３の他方の面側に天板部４１、コルゲートフィン４６、底板部４５を積層する。
このとき、図５に示すように、金属板２２の第１固着層２４、金属板２３の第２固着層２５が形成された面がセラミックス基板１１を向くように、金属板２２、２３を積層する。すなわち、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との間にそれぞれ第１固着層２４、第２固着層２５を介在させているのである。また、金属板２３の金属固着層２６が形成された面が、天板部４１側を向くように配置し、金属板２３と天板部４１との間に金属固着層２６を介在させる。
さらに、天板部４１の接合層４１Ｂ及び底板部４５の接合層４５Ｂがコルゲートフィン４６側を向くように、天板部４１及び底板部４５が配置され、天板部４１とコルゲートフィン４６、底板部４５とコルゲートフィン４６との間に、例えば、ＫＡｌＦ４を主成分とするフラックス（図示なし）が供給される。 (Lamination process S04)
Next, as shown in FIG. 5, the metal plate 22 is laminated on one surface side of the ceramic substrate 11, and the metal plate 23 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 11. Further, the top plate portion 41, the corrugated fins 46, and the bottom plate portion 45 are stacked on the other surface side of the metal plate 23.
At this time, as shown in FIG. 5, the metal plates 22 and 23 are laminated so that the surface of the metal plate 22 on which the first fixing layer 24 and the second fixing layer 25 of the metal plate 23 are formed faces the ceramic substrate 11. To do. That is, the first fixing layer 24 and the second fixing layer 25 are interposed between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11, respectively. The metal plate 23 is disposed such that the surface on which the metal fixing layer 26 is formed faces the top plate portion 41 side, and the metal fixing layer 26 is interposed between the metal plate 23 and the top plate portion 41.
Further, the top plate portion 41 and the bottom plate portion 45 are arranged so that the bonding layer 41B of the top plate portion 41 and the bonding layer 45B of the bottom plate portion 45 face the corrugated fins 46, and the top plate portion 41, the corrugated fins 46, the bottom plate For example, a flux (not shown) containing KAlF 4 as a main component is supplied between the portion 45 and the corrugated fins 46.

（加熱工程Ｓ０５）
次に、金属板２２、セラミックス基板１１、金属板２３、天板部４１、コルゲートフィン４６、底板部４５を積層方向に加圧（圧力０〜３ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱する。
これにより、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第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８を形成する。また、図７に示すように、金属板２３と天板部４１との界面に溶融金属領域２９を形成する。さらに、接合層４１Ｂ、４５Ｂが溶融することで、天板部４１とコルゲートフィン４６、コルゲートフィン４６と底板部４５との界面に溶融金属層が形成される。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５５０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。 (Heating step S05)
Next, in the atmosphere heating furnace, the metal plate 22, the ceramic substrate 11, the metal plate 23, the top plate portion 41, the corrugated fins 46, and the bottom plate portion 45 are pressurized (pressure 0 to 3 kgf / cm 2 ) in the stacking direction. Charge to heat.
Thereby, as shown in FIG. 6, the 1st molten metal area | region 27 and the 2nd molten metal area | region 28 are formed in the interface of the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11, respectively. Further, as shown in FIG. 7, a molten metal region 29 is formed at the interface between the metal plate 23 and the top plate portion 41. Furthermore, by melting the bonding layers 41B and 45B, a molten metal layer is formed at the interface between the top plate portion 41 and the corrugated fins 46 and between the corrugated fins 46 and the bottom plate portion 45.
Here, in this embodiment, the inside of the atmosphere heating furnace is a nitrogen gas atmosphere, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 630 ° C. or less.

（溶融金属凝固工程Ｓ０６）
次に、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８中のＣｕ及びＧｅが、さらに金属板２２、２３側へと拡散していくことになる。これにより、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８であった部分のＣｕ濃度及び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。これにより、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とが接合される。
同様に、溶融金属領域２９中のＣｕ及びＧｅが、さらに金属板２３側及び天板部４１側へと拡散し、溶融金属領域２９であった部分のＣｕ濃度及び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。これにより、金属板２３と天板部４１とが接合される。 (Molten metal solidification step S06)
Next, the temperature is kept constant with the first molten metal region 27 and the second molten metal region 28 formed. Then, Cu and Ge in the first molten metal region 27 and the second molten metal region 28 are further diffused toward the metal plates 22 and 23 side. As a result, the Cu concentration and the Ge concentration in the portions of the first molten metal region 27 and the second molten metal region 28 are gradually decreased and the melting point is increased, and solidification is performed while the temperature is kept constant. Will progress. Thereby, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are joined.
Similarly, Cu and Ge in the molten metal region 29 are further diffused toward the metal plate 23 side and the top plate portion 41 side, and the Cu concentration and the Ge concentration in the portion that was the molten metal region 29 gradually decrease. The melting point will rise, and solidification will proceed with the temperature kept constant. Thereby, the metal plate 23 and the top plate part 41 are joined.

つまり、セラミックス基板１１と金属板２２，２３、及び、天板部４１と金属板２３とは、いわゆる拡散接合（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。
また、天板部４１とコルゲートフィン４６、底板部４５とコルゲートフィン４６の間に形成された溶融金属層が凝固することによって、天板部４１とコルゲートフィン４６、底板部４５とコルゲートフィン４６とがろう付けされることになる。このとき、天板部４１、コルゲートフィン４６、底板部４５の表面には、酸化被膜が形成されているが、前述のフラックスによってこれらの酸化被膜が除去されることになる。 That is, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23, and the top plate portion 41 and the metal plate 23 are bonded by so-called diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding). After solidification progresses in this way, cooling is performed to room temperature.
Further, the molten metal layer formed between the top plate portion 41 and the corrugated fins 46, and the bottom plate portion 45 and the corrugated fins 46 is solidified, whereby the top plate portion 41 and the corrugated fins 46, and the bottom plate portion 45 and the corrugated fins 46 Will be brazed. At this time, oxide films are formed on the surfaces of the top plate portion 41, the corrugated fins 46, and the bottom plate portion 45, but these oxide films are removed by the aforementioned flux.

このようにして、天板部４１とコルゲートフィン４６と底板部４５とがろう付けされてヒートシンク４０が形成されるとともに、このヒートシンク４０とパワーモジュール用基板１０とが接合されて本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。   In this manner, the top plate portion 41, the corrugated fins 46, and the bottom plate portion 45 are brazed to form the heat sink 40, and the heat sink 40 and the power module substrate 10 are joined to form the present embodiment. A power module substrate with a heat sink is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態によれば、セラミックス基板１１と金属板２２，２３とを接合する工程と、天板部４１とコルゲートフィン４６と底板部４５とを接合してヒートシンク４０を形成する工程と、金属板２３と天板部４１とを接合する工程と、を同時に行う構成としていることから、接合工程を１回で行うことができ、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造コストを大幅に削減することができる。また、パワーモジュール用基板に不要な熱負荷が作用することがなく、反り等の発生を抑制することができる。   According to the present embodiment configured as described above, the step of bonding the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23, the top plate portion 41, the corrugated fins 46, and the bottom plate portion 45 are bonded, and the heat sink 40. And the step of joining the metal plate 23 and the top plate portion 41 are performed at the same time, so that the joining step can be performed once, and the manufacturing of the power module substrate with a heat sink can be performed. Cost can be greatly reduced. Further, unnecessary heat load does not act on the power module substrate, and the occurrence of warpage or the like can be suppressed.

そして、セラミックス基板１１と金属板２２，２３との界面部分に、Ｃｕ及びＧｅを固着した第１、第２固着層２４、２５を形成し、第１、第２固着層２４、２５のＣｕ及びＢＧｅを金属板２２，２３側に拡散させることにより、セラミックス基板１１と金属板２２，２３との界面に第１、第２溶融金属領域２７，２８を形成し、この第１、第２溶融金属領域２７，２８を凝固させることで、セラミックス基板１１と金属板２２，２３を接合する構成としているので、比較的低温条件下であっても、セラミックス基板１１と金属板２２，２３とを強固に接合することが可能となる。すなわち、Ｃｕ及びＧｅは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、Ｃｕ及びＧｅを金属板２２，２３側に拡散させることで、低温条件下でも第１、第２溶融金属領域２７，２８を確実に形成することができるのである。
さらに、Ｃｕが存在することによって接合界面近傍が活性化すると推測され、低温状況下でもセラミックス基板１１と金属板２２，２３とを強固に接合すること可能となるのである。 Then, first and second fixing layers 24 and 25 to which Cu and Ge are fixed are formed at the interface portion between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23, and Cu and the first and second fixing layers 24 and 25 are formed. By diffusing BGe toward the metal plates 22 and 23, first and second molten metal regions 27 and 28 are formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23, and the first and second molten metals are formed. Since the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are joined by solidifying the regions 27 and 28, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are strengthened even under relatively low temperature conditions. It becomes possible to join. That is, since Cu and Ge are elements that lower the melting point of aluminum, the first and second molten metal regions 27 and 28 can be formed even under low temperature conditions by diffusing Cu and Ge to the metal plates 22 and 23 side. It can be reliably formed.
Further, the presence of Cu is presumed to activate the vicinity of the bonding interface, and the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be firmly bonded even under a low temperature condition.

また、天板部４１とコルゲートフィン４６、コルゲートフィン４６と底板部４５との接合を、酸化被膜を除去するためのフラックスを用いたろう付けによって行っているので、天板部４１とコルゲートフィン４６、コルゲートフィン４６と底板部４５とを確実に接合することができる。   Further, since the top plate portion 41 and the corrugated fins 46, and the corrugated fins 46 and the bottom plate portion 45 are joined by brazing using a flux for removing the oxide film, the top plate portion 41 and the corrugated fins 46, The corrugated fins 46 and the bottom plate portion 45 can be reliably joined.

ここで、ヒートシンク４０を、フラックスを用いたろう付けによって形成する場合、窒素ガス雰囲気で５５０℃以上６３０℃以下の温度条件で接合することになるが、本実施形態では、前述のように、セラミックス基板１１と金属板２２，２３との接合に、Ｃｕと添加元素（Ｇｅ）とを用いていて、前述のように、低温条件での接合及び窒素ガス雰囲気での接合が可能なことから、セラミックス基板１１と金属板２２，２３との接合と同時に、天板部４１とコルゲートフィン４６と底板部４５とを、ろう付けによって接合してヒートシンク４０を製出することができる。よって、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造工程を省略することができ、製作コストの削減を図ることができる。   Here, when the heat sink 40 is formed by brazing using a flux, the heat sink 40 is bonded in a nitrogen gas atmosphere under a temperature condition of 550 ° C. or more and 630 ° C. or less. In this embodiment, as described above, the ceramic substrate is used. 11 and the metal plates 22 and 23, Cu and an additive element (Ge) are used. As described above, bonding under a low temperature condition and bonding in a nitrogen gas atmosphere are possible. Simultaneously with the joining of the metal plate 22 and the metal plate 22, 23, the top plate portion 41, the corrugated fins 46, and the bottom plate portion 45 can be joined by brazing to produce the heat sink 40. Therefore, the manufacturing process of the power module substrate with a heat sink can be omitted, and the manufacturing cost can be reduced.

さらに、本実施形態では、金属板２３と天板部４１との間に、ＣｕとともにＧｅを固着させ、これらＣｕとＧｅを拡散させることによって溶融金属領域２９を形成し、さらに溶融金属領域２９中のＣｕとＧｅを拡散させて、ヒートシンク４０の天板部４１とパワーモジュール用基板１０とを接合しているので、比較的低温条件においても、ヒートシンク４０の天板部４１とパワーモジュール用基板１０とを確実に接合することが可能となる。   Furthermore, in the present embodiment, Ge is fixed together with Cu between the metal plate 23 and the top plate portion 41, and the molten metal region 29 is formed by diffusing these Cu and Ge. Since the top plate portion 41 of the heat sink 40 and the power module substrate 10 are joined by diffusing Cu and Ge of the heat sink 40, the top plate portion 41 of the heat sink 40 and the power module substrate 10 can be obtained even under relatively low temperature conditions. Can be reliably joined.

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、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板と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、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよい。
また、セラミックス基板をＡｌＮで構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の他のセラミックスで構成されていてもよい。 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, the metal plate constituting the circuit layer and the metal layer has been described as a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99%, but is not limited to this, and aluminum having a purity of 99% (2N aluminum) It may be.
Further, the ceramic substrate has been described as being composed of AlN, it is not limited thereto, Si 3 N 4, Al 2 O 3 may be constituted by other ceramics such.

さらに、固着層形成工程において、スパッタによってＣｕや添加元素を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、蒸着やＣＶＤ等でＣｕや添加元素を固着させてもよい。
また、固着層形成工程において、Ｃｕや添加元素とともにＡｌを固着する構成としてもよい。 Furthermore, although it has been described that Cu and additive elements are fixed by sputtering in the fixing layer forming step, the present invention is not limited to this, and Cu or additive elements may be fixed by vapor deposition, CVD, or the like.
Moreover, it is good also as a structure which fixes Al together with Cu and an additive element in a fixed layer formation process.

さらに、ヒートシンクの天板部と金属層（金属板）とを、金属固着層を用いて接合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、天板部と金属層とをろう付けによって接合してもよい。すなわち、介在層としてろう材を配設してもよい。
また、本実施形態では、ヒートシンクの上に一つのパワーモジュール用基板が接合された構成として説明したが、これに限定されることはなく、一つのヒートシンクの上に複数のパワーモジュール用基板が接合されていてもよい。 Furthermore, the top plate portion of the heat sink and the metal layer (metal plate) have been described as being joined using a metal fixing layer, but the present invention is not limited to this, and the top plate portion and the metal layer are brazed. May be joined. That is, a brazing material may be disposed as the intervening layer.
In the present embodiment, the power module substrate is described as being bonded to the heat sink. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of power module substrates are bonded to the heat sink. May be.

また、天板部及び底板部が、基材層と接合層とを備えた積層アルミ材で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、コルゲートフィンを、例えばＡ３００３からなる芯材とこの芯材の両面にＡ４０４５からなる接合層とを備えたクラッド材で構成してもよい。この場合、天板部及び底板部は、単純なアルミニウム板を用いることができる。   In addition, the top plate portion and the bottom plate portion have been described as being made of a laminated aluminum material provided with a base material layer and a bonding layer, but the invention is not limited thereto, and the corrugated fin is made of, for example, A3003. You may comprise by the clad material provided with the core material and the joining layer which consists of A4045 on both surfaces of this core material. In this case, a simple aluminum plate can be used for the top plate portion and the bottom plate portion.

また、天板部、コルゲートフィン、底板部の材質は、本実施形態に限定されることはない。
さらに、コルゲートフィンの形状等を含め、ヒートシンクの構造も本実施形態に限定されるものではない。 Moreover, the material of a top plate part, a corrugated fin, and a bottom plate part is not limited to this embodiment.
Further, the structure of the heat sink including the shape of the corrugated fins is not limited to this embodiment.

３ 半導体チップ（電子部品）
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層（第一の金属板）
１３ 金属層（第二の金属板）
４０ ヒートシンク
２４ 第１固着層（固着層）
２５ 第２固着層（固着層）
２６ 金属固着層（介在層）
２７ 第一溶融金属領域
２８ 第二溶融金属領域
２９ 溶融金属領域（溶融金属部）
４１Ｂ 接合層 3 Semiconductor chip (electronic component)
10 Power Module Substrate 11 Ceramic Substrate 12 Circuit Layer (First Metal Plate)
13 Metal layer (second metal plate)
40 heat sink 24 first fixing layer (fixing layer)
25 Second fixing layer (fixing layer)
26 Metal fixing layer (intervening layer)
27 1st molten metal area | region 28 2nd molten metal area | region 29 Molten metal area | region (molten metal part)
41B bonding layer

Claims (7)

セラミックス基板と、該セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の他面に接合されたヒートシンクと、を備えるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記ヒートシンクは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる天板部と、この天板部から立設されたフィン部と、を備えており、
前記第一の金属板の一面と前記セラミックス基板の表面のうちの少なくとも一方と、前記第二の金属板の一面と前記セラミックス基板の裏面のうちの少なくとも一方とに、Ｃｕを固着して、固着層を形成する固着層形成工程と、
前記第二の金属板と前記天板部との間に介在層を形成する介在層形成工程と、
前記天板部と前記フィン部との間に接合層を形成する接合層形成工程と、
前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記第一の金属板及び前記第二の金属板とを積層し、前記介在層を介して前記第二の金属板と前記天板部とを積層し、前記接合層を介して前記天板部と前記フィン部とを積層する積層工程と、
積層された前記第一の金属板と前記セラミックス基板と前記第二の金属板と前記天板部と前記フィン部と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第一の金属板との界面に第１溶融金属領域を形成し、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に第２溶融金属領域を形成するとともに、前記第二の金属板と前記天板部との界面及び前記天板部と前記フィン部との界面に、溶融金属部を形成する加熱工程と、
これら第１溶融金属領域、第２溶融金属領域、溶融金属部が形成された状態で温度を一定に保持し、その状態で凝固を進行させることによって、前記第一の金属板と前記セラミックス基板、前記セラミックス基板と前記第二の金属板、前記第二の金属板と前記天板部、前記天板部と前記フィン部とを接合する凝固工程と、を有し、
前記加熱工程において、前記固着層の元素を前記第一の金属板及び前記第二の金属板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記第一の金属板との界面に第１溶融金属領域を形成するとともに前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に第２溶融金属領域を形成する構成とされており、
前記第一の金属板と前記セラミックス基板、前記セラミックス基板と前記第二の金属板、前記第二の金属板と前記天板部、前記天板部と前記フィン部とを、同時に接合することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
A ceramic substrate, a first metal plate made of aluminum with one surface bonded to the surface of the ceramic substrate, a second metal plate made of aluminum with one surface bonded to the back surface of the ceramic substrate, and the second A heat sink bonded to the other surface of the metal plate, and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink comprising:
The heat sink includes a top plate portion made of aluminum or an aluminum alloy, and a fin portion erected from the top plate portion,
Cu is fixed to at least one of the one surface of the first metal plate and the surface of the ceramic substrate, and at least one of the one surface of the second metal plate and the back surface of the ceramic substrate. A fixing layer forming step of forming a layer;
An intervening layer forming step of forming an intervening layer between the second metal plate and the top plate portion;
A bonding layer forming step of forming a bonding layer between the top plate portion and the fin portion;
Laminating the ceramic substrate, the first metal plate and the second metal plate via the fixing layer, laminating the second metal plate and the top plate portion via the intervening layer, A laminating step of laminating the top plate portion and the fin portion via the bonding layer;
The first metal plate, the ceramic substrate, the second metal plate, the top plate portion, and the fin portion that are laminated are pressurized and heated in the stacking direction, and the ceramic substrate and the first metal plate are heated. A first molten metal region is formed at the interface of the ceramic substrate, a second molten metal region is formed at the interface between the ceramic substrate and the second metal plate, and the interface between the second metal plate and the top plate portion. And a heating step of forming a molten metal portion at the interface between the top plate portion and the fin portion,
The first metal plate and the ceramic substrate are obtained by keeping the temperature constant in a state in which the first molten metal region, the second molten metal region, and the molten metal portion are formed, and proceeding solidification in that state . A solidification step for joining the ceramic substrate and the second metal plate, the second metal plate and the top plate portion, and the top plate portion and the fin portion;
In the heating step, a first molten metal region is formed at an interface between the ceramic substrate and the first metal plate by diffusing elements of the fixed layer toward the first metal plate and the second metal plate. And a second molten metal region is formed at the interface between the ceramic substrate and the second metal plate,
Bonding the first metal plate and the ceramic substrate, the ceramic substrate and the second metal plate, the second metal plate and the top plate portion, and the top plate portion and the fin portion simultaneously. A method of manufacturing a power module substrate with a heat sink, which is characterized.
前記接合層形成工程において、前記天板部と前記フィン部との界面に、ろう材とともに酸化被膜を除去するためのフラックスを配設することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。   2. The power module with a heat sink according to claim 1, wherein, in the bonding layer forming step, a flux for removing the oxide film together with the brazing material is disposed at an interface between the top plate portion and the fin portion. Manufacturing method for industrial use. 前記固着層形成工程において、前記第一の金属板の一面と前記セラミックス基板の表面のうちの少なくとも一方と、前記第二の金属板の一面と前記セラミックス基板の裏面のうちの少なくとも一方とに、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。   In the fixing layer forming step, at least one of the one surface of the first metal plate and the surface of the ceramic substrate, at least one of the one surface of the second metal plate and the back surface of the ceramic substrate, 3. In addition to Cu, one or more additive elements selected from Si, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are fixedly attached. Of manufacturing a power module substrate with a heat sink. 前記固着層形成工程では、ＣｕとともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。   The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to any one of claims 1 to 3, wherein in the fixing layer forming step, Al is fixed together with Cu. 前記介在層形成工程においては、前記第二の金属板の他面と前記天板部の接合面のうちの少なくとも一方に、Ｃｕ又はＳｉのうちの少なくとも１種以上を固着し、前記介在層として金属固着層を形成することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。   In the intervening layer forming step, at least one of Cu or Si is fixed to at least one of the other surface of the second metal plate and the joining surface of the top plate portion, and the intervening layer is used as the intervening layer. The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to any one of claims 1 to 4, wherein a metal fixing layer is formed. 前記介在層形成工程において、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕ又はＳｉのうちの少なくとも１種以上に加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着することを特徴とする請求項５に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。   In the intervening layer forming step, at least one of the other surface of the second metal plate and the bonding surface of the heat sink, in addition to at least one of Cu or Si, Zn, Ge, Ag, Mg, 6. The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to claim 5, wherein one or more additive elements selected from Ca, Ga and Li are fixed. 前記介在層形成工程では、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上とともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。   6. In the intervening layer forming step, Al is fixed together with at least one of Cu or Si on at least one of the other surface of the second metal plate and the bonding surface of the heat sink. Or the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink of Claim 6.
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