JP5640548B2 - Power module substrate manufacturing method - Google Patents

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Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.

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Ａｌ（アルミニウム）の金属板がろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子（半導体素子）が搭載される。
なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたものが提案されている。 Among semiconductor elements, a power element for supplying power has a relatively high calorific value. Therefore, as a substrate on which the power element is mounted, for example, as shown in Patent Document 1, an Al (AlN (aluminum nitride)) ceramic substrate is made of Al ( A power module substrate in which a metal plate of (aluminum) is bonded via a brazing material is used.
The metal plate is formed as a circuit layer, and a power element (semiconductor element) is mounted on the metal plate via a solder material.
In addition, a metal plate made of Al or the like is bonded to the lower surface of the ceramic substrate to form a metal layer for heat dissipation, and the entire power module substrate is bonded to the heat sink via this metal layer. Yes.

また、回路層を形成する手段としては、セラミックス基板に金属板を接合した後に、この金属板に回路パターンを形成する方法の他に、例えば特許文献２に開示されているように、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する方法が提案されている。   As a means for forming a circuit layer, in addition to a method of forming a circuit pattern on a metal plate after bonding the metal plate to a ceramic substrate, for example, as disclosed in Patent Document 2, a circuit pattern is previously provided. There has been proposed a method of joining a metal piece formed in a shape to a ceramic substrate.

さらに、前記回路層及び前記金属層としての金属板とセラミックス基板との良好な接合強度を得るため、例えば下記特許文献３に、セラミックス基板の表面粗さを０．５μｍ未満とした技術が開示されている。   Further, in order to obtain a good bonding strength between the circuit layer and the metal plate as the metal layer and the ceramic substrate, for example, Patent Document 3 below discloses a technique in which the surface roughness of the ceramic substrate is less than 0.5 μm. ing.

特開２００３−０８６７４４号公報JP 2003-086744 A 特開２００８−３１１２９４号公報JP 2008-311294 A 特開平３−２３４０４５号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-234045

しかしながら、金属板をセラミックス基板に接合する場合、単にセラミックス基板の表面粗さを低減しても十分に高い接合強度が得られず、信頼性の向上が図れないという不都合があった。例えば、セラミックス基板の表面に対して、乾式でＡｌ２Ｏ３粒子によるホーニング処理を行い、表面粗さをＲａ＝０．２μｍにしても、剥離試験で界面剥離が生じてしまう場合があることが分かった。また、研磨法により表面粗さをＲａ＝０．１μｍ以下にしても、やはり同様に界面剥離が生じてしまう場合があった。 However, when the metal plate is bonded to the ceramic substrate, there is a disadvantage that a sufficiently high bonding strength cannot be obtained even if the surface roughness of the ceramic substrate is simply reduced, and the reliability cannot be improved. For example, even if the surface of the ceramic substrate is subjected to a honing process with Al 2 O 3 particles in a dry manner and the surface roughness is set to Ra = 0.2 μm, interface peeling may occur in the peeling test. I understood. Further, even when the surface roughness was set to Ra = 0.1 μm or less by the polishing method, there was a case where the interface peeling occurred in the same manner.

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、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のように放熱板上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板が放熱板によって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになり、従来にも増して、セラミックス基板と金属板との間の接合強度の向上及び信頼性の向上が求められている。   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 tends to increase. It is necessary to dispose a module substrate. In this case, since the power module substrate is constrained by the heat radiating plate, a large shearing force acts on the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate at the time of thermal cycle loading. There is a demand for improvement in bonding strength and reliability between the metal plate and the metal plate.

また、セラミックス基板と金属板とのろう付けする際には、融点を低く設定するためにＳｉを７．５質量％以上含有するＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材箔が使用されることが多い。このようにＳｉを比較的多く含有するＡｌ−Ｓｉ系合金においては、延性が不十分であることから圧延等によって箔材を製造するのが困難であった。   Further, when brazing the ceramic substrate and the metal plate, an Al—Si based alloy brazing foil containing 7.5% by mass or more of Si is often used in order to set the melting point low. Thus, in an Al-Si alloy containing a relatively large amount of Si, it is difficult to produce a foil material by rolling or the like because of insufficient ductility.

さらに、ろう材箔を用いた場合、金属板とセラミックス基板との界面部分には、金属板の表面、ろう材箔の両面の３つの面において酸化被膜が存在することになり、酸化被膜の合計厚さが厚くなる傾向にあった。   Furthermore, when the brazing material foil is used, an oxide film exists on the interface between the metal plate and the ceramic substrate on the three surfaces of the surface of the metal plate and the both surfaces of the brazing material foil. The thickness tended to increase.

さらに、セラミックス基板と金属板との間にろう材箔を配置し、これらを積層方向に加圧して加熱することになるが、この加圧に際してろう材箔の位置がずれないように、ろう材箔、セラミックス基板及び金属板を積層配置する必要があった。
特に、特許文献２に記載されているように、予め回路パターン状に形成された金属片をろう材箔を介して接合する場合には、接合面の形状が複雑なため、さらに、ろう材箔、セラミックス基板及び金属板の位置精度を向上させる必要があった。
なお、ろう材箔の位置がずれた場合には、セラミックス基板と金属板との間に溶融金属層を十分に形成することができず、セラミックス基板と金属板との間の接合強度が低下するおそれがある。 Furthermore, a brazing filler metal foil is disposed between the ceramic substrate and the metal plate, and these are heated by pressurizing them in the laminating direction. It was necessary to laminate and arrange a foil, a ceramic substrate, and a metal plate.
In particular, as described in Patent Document 2, when joining metal pieces formed in a circuit pattern in advance via a brazing material foil, the shape of the joining surface is complicated. It was necessary to improve the positional accuracy of the ceramic substrate and the metal plate.
When the position of the brazing foil is shifted, a molten metal layer cannot be sufficiently formed between the ceramic substrate and the metal plate, and the bonding strength between the ceramic substrate and the metal plate is reduced. There is a fear.

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、容易に、かつ、低コストで、金属板とセラミックス基板とが確実に接合された熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板を得ることができる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 provides a power module substrate with high thermal cycle reliability in which a metal plate and a ceramic substrate are reliably bonded easily and at low cost. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a power module substrate .

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、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ＳｉとＣｕを固着させるＳｉ及びＣｕ固着工程と、固着したＳｉ及びＣｕ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Ｓｉ及びＣｕ固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、Ｓｉ；０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上１．２ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｃｕ；０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下を介在させ、前記加熱工程において、固着させたＳｉ及びＣｕを前記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金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成し、前記凝固工程において、前記溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記溶融金属領域中のＳｉ及びＣｕをさらに前記金属板側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させ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 according to the present invention is for a power module in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate. A method for manufacturing a substrate, comprising: a Si and Cu fixing step for fixing Si and Cu to at least one of a bonding surface of the ceramic substrate and a bonding surface of the metal plate; and the ceramic substrate via the fixed Si and Cu. And laminating the metal plate and the laminated ceramic substrate and the metal plate are pressurized and heated in the 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; Has, in the Si and Cu adhering step, the interface between the ceramic substrate and the metal plate, Si; 0.002 mg / cm 2 or more 1.2 mg / cm 2 or less, Cu; 0.08 mg / cm 2 or more 2 The molten metal region is formed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate by diffusing the fixed Si and Cu to the metal plate side in the heating step with an interposition of 0.7 mg / cm 2 or less. In the solidification step, the temperature is kept constant while the molten metal region is formed, and the temperature is kept constant by further diffusing Si and Cu in the molten metal region to the metal plate side. In this state, the molten metal region is solidified .

この構成のパワーモジュール用基板の製造方法においては、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Ｓｉ及びＣｕを固着させるＳｉ及びＣｕ固着工程を備えているので、前記金属板と前記セラミックス基板の接合界面には、ＳｉとＣｕとが介在することになる。ここで、Ｃｕは、Ａｌに対して反応性の高い元素であるため、接合界面近傍にＣｕが存在することによってアルミニウムからなる金属板の表面が活性化することになる。よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。   In the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, since the Si and Cu fixing step of fixing Si and Cu to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate is provided, the metal Si and Cu are present at the bonding interface between the plate and the ceramic substrate. Here, since Cu is an element highly reactive with Al, the presence of Cu in the vicinity of the bonding interface activates the surface of the metal plate made of aluminum. Therefore, it is possible to firmly bond the ceramic substrate and the metal plate even if they are bonded under relatively low temperature and short time bonding conditions.

また、加熱工程において、固着したＳｉ及びＣｕを前記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金属板との界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記金属板と前記セラミックス基板を接合する構成としているので、製造が困難なＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、金属板とセラミックス基板とが確実に接合されたパワーモジュール用基板を製造することができる。   Further, in the heating process, by fixing the adhered Si and Cu to the metal plate side, the molten metal region is formed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate, and the molten metal region is solidified. Since the metal plate and the ceramic substrate are joined, there is no need to use an Al-Si brazing foil that is difficult to manufacture, and the metal plate and the ceramic substrate are securely joined at low cost. A power module substrate can be manufactured.

また、ろう材箔を使用せずに、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Ｓｉ及びＣｕを固着しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がない。よって、例えば、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する場合であっても、位置ズレ等によるトラブルを未然に防止することができる。   In addition, since the Si and Cu are directly fixed to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate without using the brazing material foil, alignment work of the brazing material foil is performed. There is no need. Therefore, for example, even when a metal piece previously formed in a circuit pattern is bonded to a ceramic substrate, troubles due to misalignment can be prevented.

しかも、金属板及びセラミックス基板に直接Ｓｉ及びＣｕを固着した場合、酸化被膜は、金属板の表面にのみ形成されることになり、金属板及びセラミックス基板の界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。   Moreover, when Si and Cu are fixed directly to the metal plate and the ceramic substrate, the oxide film is formed only on the surface of the metal plate, and the total thickness of the oxide film present at the interface between the metal plate and the ceramic substrate. Therefore, the yield of initial bonding is improved.

また、前記Ｓｉ及びＣｕ固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在されるＳｉ量及びＣｕ量を、Ｓｉ；０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上、Ｃｕ；０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上としているので、セラミックス基板と金属板との界面に、溶融金属領域を確実に形成することができ、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。 Further, in the Si and Cu fixing step, the Si amount and the Cu amount interposed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate are Si: 0.002 mg / cm 2 or more, Cu: 0.08 mg / cm 2 or more. Therefore, the molten metal region can be reliably formed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate, and the ceramic substrate and the metal plate can be firmly bonded.

さらに、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在されるＳｉ量及びＣｕ量を、Ｓｉ；１．２ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｃｕ；２．７ｍｇ／ｃｍ２以下としているので、Ｓｉ及びＣｕを固着して形成された部分にクラックが発生することを防止することができ、セラミックス基板と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。さらに、Ｓｉ及びＣｕが過剰に金属板側に拡散して界面近傍の金属板の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を金属板で吸収することができ、セラミックス基板の割れ等を防止できる。 Further, the Si amount and the Cu content is interposed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate, Si; 1.2 mg / cm 2 or less, Cu; since a 2.7 mg / cm 2 or less, Si and Cu It is possible to prevent the occurrence of cracks in the fixed portion, and it is possible to reliably form a molten metal region at the interface between the ceramic substrate and the metal plate. Further, it is possible to prevent Si and Cu from excessively diffusing to the metal plate side and excessively increasing the strength of the metal plate near the interface. Therefore, when a cooling cycle is loaded on the power module substrate, the thermal stress can be absorbed by the metal plate, and cracking of the ceramic substrate can be prevented.

また、前記Ｓｉ及びＣｕ固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、Ｓｉ；０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上１．２ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｃｕ；０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下を介在させているので、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍における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５．０質量％以下の範囲内に設定されたパワーモジュール用基板を製造することができる。 Further, in the above Si and Cu adhering step, the interface between the ceramic substrate and the metal plate, Si; 0.002 mg / cm 2 or more 1.2 mg / cm 2 or less, Cu; 0.08 mg / cm 2 or more 2. Since 7 mg / cm 2 or less is interposed, the Si concentration in the vicinity of the interface with the ceramic substrate in the metal plate is 0.05 mass% or more and 0.5 mass% or less, and the Cu concentration is 0.05 mass% or more. A power module substrate set in a range of 5.0% by mass or less can be manufactured.

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Ｓｉ及び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Ｓｉ及びＣｕを固着させることが好ましい。
また、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、Ｓｉ及びＣｕをそれぞれ単独で固着して、Ｃｕ層及びＳｉ層を形成してもよい。あるいは、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、Ｓｉ及びＣｕを同時に固着させてＳｉとＣｕとの混在層を形成してもよい。 Although Si and Cu are fixed directly to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate, Si and Cu are fixed to the bonding surface of the metal plate from the viewpoint of productivity. It is preferable.
In addition, the Cu layer and the Si layer may be formed by fixing Si and Cu individually to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate. Alternatively, a mixed layer of Si and Cu may be formed by simultaneously fixing Si and Cu to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate.

ここで、前記Ｓｉ及びＣｕ固着工程では、Ｓｉ及びＣｕとともに、Ａｌを固着させる構成とすることが好ましい。
この場合、Ｓｉ及びＣｕとともにＡｌを固着させているので、形成されるＳｉ及びＣｕ層がＡｌを含有することになり、このＳｉ及びＣｕ層が優先的に溶融することになり、溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することができる。なお、Ｓｉ及びＣｕとともにＡｌを固着させるには、Ｓｉ及びＣｕとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、Ｓｉ及び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。また、Ｓｉ及びＣｕとＡｌを積層させてもよい。 Here, in the Si and Cu fixing step, it is preferable that Al is fixed together with Si and Cu.
In this case, since Al is fixed together with Si and Cu, the formed Si and Cu layers contain Al, the Si and Cu layers are preferentially melted, and the molten metal region is reduced. It becomes possible to form reliably, and a ceramic substrate and a metal plate can be joined firmly. In order to fix Al together with Si and Cu, Si, Cu, and Al may be vapor-deposited simultaneously, or sputtering may be performed using an alloy of Si, Cu, and Al as a target. Further, Si, Cu and Al may be laminated.

また、前記Ｓｉ及びＣｕ固着工程は、蒸着、ＣＶＤ又はスパッタリングによって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Ｓｉ及びＣｕを固着させるものとすることが好ましい。
この場合、蒸着、ＣＶＤ又はスパッタリングによって、Ｓｉ及びＣｕが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確実に固着されるので、セラミックス基板と金属板との接合界面にＳｉ及びＣｕを確実に介在させることが可能となる。また、Ｓｉ及びＣｕの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域を確実に形成して、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。 In the Si and Cu fixing step, it is preferable that Si and Cu are fixed to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate by vapor deposition, CVD, or sputtering.
In this case, since Si and Cu are securely fixed to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate by vapor deposition, CVD, or sputtering, Si is bonded to the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate. And Cu can be reliably interposed. In addition, the amount of Si and Cu adhering can be adjusted with high accuracy, the molten metal region can be formed reliably, and the ceramic substrate and the metal plate can be firmly bonded.

本発明によれば、容易に、かつ、低コストで、金属板とセラミックス基板とが確実に接合された熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板を得ることができる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, there is provided a method for manufacturing a power module substrate capable of obtaining a power module substrate having a high thermal cycle reliability in which a metal plate and a ceramic substrate are reliably bonded to each other easily and at low cost. It becomes possible to provide.

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 which is the 1st Embodiment of this invention. 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の回路層及び金属層のＳｉ濃度分布及びＣｕ濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Si concentration distribution and Cu concentration distribution of the circuit layer and metal layer of the board | substrate for power modules which are the 1st Embodiment of this invention. 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の回路層及び金属層（金属板）とセラミックス基板との接合界面の模式図である。It is a schematic diagram of the joining interface of the circuit layer of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention, a metal layer (metal plate), and a ceramic substrate. 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の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 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 which is the 1st Embodiment of this invention. 図５における金属板とセラミックス基板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 metal plate and ceramic substrate in FIG. 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層のＳｉ濃度分布及びＣｕ濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Si concentration distribution and Cu concentration distribution of the circuit layer and metal layer of the board | substrate for power modules which are the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミックス基板との接合界面の模式図である。It is the schematic diagram of the joining interface of the circuit layer of the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention, a metal layer (metal plate), and a ceramic substrate. 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態である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 which is the 2nd Embodiment of this invention. 実施例の評価結果を示すグラフである。It is a graph which shows the evaluation result of an Example.

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パワーモジュール用基板、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４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, a power module substrate with a heat sink, and a power module 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 4. 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、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％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 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.

金属層１３は、図５に示すように、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。   As shown in FIG. 5, 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４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、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部５と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路６と、を備えている。ヒートシンク４（天板部５）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４の天板部５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 heat sink 4 is for cooling the power module substrate 10 described above, and the top plate portion 5 joined to the power module substrate 10 and the flow path 6 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). And. The heat sink 4 (top plate portion 5) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and in this embodiment, is made of A6063 (aluminum alloy).
In the present embodiment, a buffer layer 15 made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) is provided between the top plate portion 5 of the heat sink 4 and the metal layer 13. .

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の幅方向中央部（図１のＡ部）においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）にＳｉ及びＣｕが固溶しており、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｓｉ濃度及びＣｕ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側のＳｉ濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下の範囲内に、Ｃｕ濃度が０．０５質量％以上５．０質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、濃度傾斜層３３の接合界面３０側のＳｉ濃度及びＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図２のグラフは、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μm位置での濃度を基準として求めたものである。 As shown in FIG. 2, in the center part in the width direction (part A in FIG. 1) of the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23), Concentration gradient in which Si and Cu are dissolved in the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23), and the Si concentration and the Cu concentration gradually decrease as the distance from the bonding interface 30 in the stacking direction increases. A layer 33 is formed. Here, the Si concentration on the bonding interface 30 side of the concentration gradient layer 33 is in the range of 0.05 mass% to 0.5 mass%, and the Cu concentration is 0.05 mass% to 5.0 mass%. It is set within the range.
Note that the Si concentration and the Cu concentration on the bonding interface 30 side of the concentration gradient layer 33 are average values measured at 5 points from the bonding interface 30 by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm). Further, the graph of FIG. 2 is obtained by performing line analysis in the stacking direction in the central portion of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23), and obtaining the above-mentioned concentration at the 50 μm position as a reference. It is.

また、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の幅方向端部（図１のＢ部）においては、アルミニウムの母相中にＣｕを含む化合物が析出したＣｕ析出部３５が形成されている。ここで、このＣｕ析出部３５におけるＣｕ濃度は、０．５質量％以上５．０質量％以下の範囲内に設定されており、アルミニウム中の固溶量を大幅に超えるＣｕが含有されている。
なお、Ｃｕ析出部３５のＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で５点測定した平均値である。 Further, at the end portion in the width direction (B portion in FIG. 1) of the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23), Cu is contained in the aluminum matrix. A Cu precipitation portion 35 in which a compound containing is precipitated is formed. Here, Cu concentration in this Cu precipitation part 35 is set in the range of 0.5 mass% or more and 5.0 mass% or less, and Cu exceeding the amount of solid solution in aluminum is contained. .
Note that the Cu concentration of the Cu precipitation portion 35 is an average value measured at five points by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm).

また、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を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図３に示すように、接合界面３０にＳｉが濃縮したＳｉ高濃度部３２が形成されている。このＳｉ高濃度部３２においては、Ｓｉ濃度が、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のＳｉ濃度よりも５倍以上高くなっている。なお、このＳｉ高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
ここで、観察する接合界面３０は、図３に示すように、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。 Further, when the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) is observed with a transmission electron microscope, as shown in FIG. A Si high concentration portion 32 enriched with Si is formed. In the high Si concentration portion 32, the Si concentration is 5 times or more higher than the Si concentration in the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23). The thickness H of the high Si concentration portion 32 is 4 nm or less.
Here, as shown in FIG. 3, the bonding interface 30 to be observed is an interface side end of the lattice image of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) and the lattice image of the ceramic substrate 11. A center between the interface side end portion is defined as a reference plane S.

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 | substrate 10 for power modules of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to FIGS.

（Ｓｉ及びＣｕ固着工程Ｓ１）
まず、図５及び図６に示すように、金属板２２、２３のそれぞれの接合面に、スパッタリングによってＳｉ及びＣｕを固着し、ＳｉとＣｕとの混在層２４、２５を形成する。ここで、混在層２４、２５におけるＳｉ量及びＣｕ量は、Ｓｉ；０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上１．２ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｃｕ；０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。 (Si and Cu fixing step S1)
First, as shown in FIGS. 5 and 6, Si and Cu are fixed to the respective joint surfaces of the metal plates 22 and 23 by sputtering to form mixed layers 24 and 25 of Si and Cu. Here, Si amount and the Cu amount in the mixed layer 24 and 25, Si; 0.002mg / cm 2 or more 1.2 mg / cm 2 or less, Cu; 0.08mg / cm 2 or more 2.7 mg / cm 2 below Is set.

（積層工程Ｓ２）
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。このとき、図５及び図６に示すように、金属板２２、２３のうち混在層２４、２５が形成された面がセラミックス基板１１を向くように積層する。すなわち、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との間にそれぞれ混在層２４、２５（Ｓｉ及びＣｕ）を介在させているのである。このようにして積層体２０を形成する。 (Lamination process S2)
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. At this time, as shown in FIGS. 5 and 6, the metal plates 22 and 23 are laminated so that the surface on which the mixed layers 24 and 25 are formed faces the ceramic substrate 11. That is, the mixed layers 24 and 25 (Si and Cu) are interposed between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11, respectively. In this way, the laminate 20 is formed.

（加熱工程Ｓ３）
次に、積層工程Ｓ２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１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、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を形成する。この溶融金属領域２６、２７は、図６に示すように、混在層２４、２５のＳｉ及びＣｕが金属板２２、２３側に拡散することによって、金属板２２、２３の混在層２４、２５近傍のＳｉ濃度及びＣｕ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。なお、上述の圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合には、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超えた場合には、金属板２２，２３が変形するおそれがある。よって、積層体２０を加圧する際の圧力は、１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲内とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力を１０−６〜１０−３Ｐａ、加熱温度を６１０℃以上６５５℃以下の範囲内に設定している。 (Heating step S3)
Next, the stacked body 20 formed in the stacking step S2 is charged in a stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) in a vacuum heating furnace and heated, as shown in FIG. In addition, molten metal regions 26 and 27 are formed at the interfaces between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11, respectively. As shown in FIG. 6, the molten metal regions 26 and 27 are formed near the mixed layers 24 and 25 of the metal plates 22 and 23 by diffusing Si and Cu of the mixed layers 24 and 25 toward the metal plates 22 and 23. This is formed by increasing the Si concentration and Cu concentration of the material and lowering the melting point. When the pressure is less than 1 kgf / cm 2 , there is a possibility that the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 cannot be bonded well. Moreover, when the above-mentioned pressure exceeds 35 kgf / cm < 2 >, there exists a possibility that the metal plates 22 and 23 may deform | transform. Therefore, it is preferable that the pressure at the time of pressurizing the laminated body 20 be in the range of 1 to 35 kgf / cm 2 .
Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set to 10 −6 to 10 −3 Pa, and the heating temperature is set to a range of 610 ° C. or more and 655 ° C. or less.

（凝固工程Ｓ４）
次に、溶融金属領域２６、２７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２６、２７中のＳｉ及びＣｕ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、溶融金属領域２６、２７であった部分のＳｉ濃度及びＣｕ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１１と金属板２２、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。 (Coagulation step S4)
Next, the temperature is kept constant with the molten metal regions 26 and 27 formed. Then, Si and Cu in the molten metal regions 26 and 27 are further diffused to the metal plates 22 and 23 side. As a result, the Si concentration and the Cu concentration in the portions that were the molten metal regions 26 and 27 are gradually decreased and the melting point is increased, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. Become. That is, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are joined by so-called diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding). After solidification progresses in this way, cooling is performed to room temperature.

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。   In this way, the metal plates 22 and 23 to be the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 are joined, and the power module substrate 10 according to the present embodiment is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１においては、金属板２２、２３の接合面にＳｉ及びＣｕを固着させるＳｉ及びＣｕ固着工程Ｓ１を備えているので、金属板２２、２３とセラミックス基板１１の接合界面３０には、ＳｉとＣｕとが介在することになる。ここで、Ｃｕは、Ａｌに対して反応性の高い元素であるため、接合界面３０にＣｕが存在することによってアルミニウムからなる金属板２２、２３の表面が活性化することになる。よって、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。   The power module substrate 10 and the power module 1 according to the present embodiment configured as described above include a Si and Cu fixing step S1 for fixing Si and Cu to the joint surfaces of the metal plates 22 and 23. Therefore, Si and Cu are present at the bonding interface 30 between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11. Here, since Cu is an element highly reactive with Al, the presence of Cu at the bonding interface 30 activates the surfaces of the metal plates 22 and 23 made of aluminum. Therefore, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be firmly bonded.

さらに、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）とが、金属板２２、２３の接合面に形成されたＳｉとＣｕとの混在層２４、２５のＳｉ及びＣｕを金属板２２、２３側に拡散させることによって溶融金属領域２６、２７を形成し、この溶融金属領域２６、２７中のＳｉ及びＣｕを金属板２２、２３へ拡散させることによって凝固させて接合しているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、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。   Further, the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23) are formed on the bonding surfaces of the metal plates 22 and 23, and the Si and Cu mixed layers 24 and 25 Si are formed. Then, molten metal regions 26 and 27 are formed by diffusing Cu and Cu on the metal plates 22 and 23 side, and Si and Cu in the molten metal regions 26 and 27 are solidified by diffusing to the metal plates 22 and 23. Since they are joined, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be firmly joined even if they are joined under relatively low temperature and short time joining conditions.

また、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の幅方向中央部においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）にＳｉ及びＣｕが固溶しており、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｓｉ濃度及びＣｕ濃度が低下する濃度傾斜層３３が形成されており、この濃度傾斜層３３の接合界面３０側のＳｉ濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下の範囲内に、Ｃｕ濃度が０．０５質量％以上５．０質量％以下の範囲内に設定されているので、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の接合界面３０側の部分が固溶強化し、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）における亀裂の発生を防止することができる。
また、加熱工程Ｓ３においてＳｉ及びＣｕが十分に金属板２２、２３側に拡散しており、金属板２２、２３とセラミックス板１１とが強固に接合されていることになる。 Further, at the center portion in the width direction of the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11 and 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 (metal) A concentration gradient layer 33 is formed in which Si and Cu are dissolved in the plate 23), and the Si concentration and the Cu concentration gradually decrease as the distance from the bonding interface 30 in the stacking direction increases. Since the Si concentration on the bonding interface 30 side is set in the range of 0.05% by mass or more and 0.5% by mass or less, and the Cu concentration is set in the range of 0.05% by mass or more and 5.0% by mass or less, The joint layer 30 side portion of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) is solid-solution strengthened, and cracks in the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) occur. Occurrence can be prevented.
Further, Si and Cu are sufficiently diffused to the metal plates 22 and 23 side in the heating step S3, and the metal plates 22 and 23 and the ceramic plate 11 are firmly bonded.

さらに、本実施形態では、セラミックス基板１１がＡｌＮで構成されており、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との接合界面３０に、Ｓｉ濃度が、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のＳｉ濃度の５倍以上とされたＳｉ高濃度部３２が形成されているので、接合界面３０に存在するＳｉによってセラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合強度の向上を図ることができる。   Furthermore, in the present embodiment, the ceramic substrate 11 is made of AlN, and the Si concentration at the bonding interface 30 between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 is the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13. Since the Si high concentration portion 32 having a Si concentration of 5 times or more of the (metal plate 23) is formed, the bonding strength between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 is increased by Si present at the bonding interface 30. Improvements can be made.

また、金属板の接合面にＳｉ及びＣｕを固着させて混在層２４、２５を形成するＳｉ及びＣｕ固着工程Ｓ１を備えており、加熱工程Ｓ３において、混在層２４、２５のＳｉ及びＣｕ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との界面に溶融金属領域２６、２７を形成する構成としているので、製造が困難なＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔を用いる必要がなく、低コストで、金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが確実に接合されたパワーモジュール用基板１０を製造することが可能となる。   In addition, Si and Cu fixing step S1 for fixing Si and Cu to the bonding surface of the metal plate to form mixed layers 24 and 25 is provided. In heating step S3, Si and Cu in the mixed layers 24 and 25 are made of metal. Since the molten metal regions 26 and 27 are formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 by diffusing to the side of the plates 22 and 23, the Al-Si brazing material foil is difficult to manufacture. Therefore, it is possible to manufacture the power module substrate 10 in which the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 are reliably bonded at low cost.

また、Ｓｉ及びＣｕ固着工程Ｓ１において、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との界面に介在されるＳｉ量及びＣｕ量を、Ｓｉ；０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上、Ｃｕ；０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上としているので、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との界面に、溶融金属領域２６、２７を確実に形成することができ、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。 Further, in the Si and Cu fixing step S1, the Si amount and the Cu amount interposed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are set to Si: 0.002 mg / cm 2 or more, Cu: 0.08 mg / cm. Since the number is two or more, the molten metal regions 26 and 27 can be reliably formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23, and the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are firmly bonded. It becomes possible.

さらに、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との界面に介在されるＳｉ量及びＣｕ量を、Ｓｉ；１．２ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｃｕ；２．７ｍｇ／ｃｍ２以下としているので、ＳｉとＣｕの混在層２４、２５にクラックが発生することを防止することができ、セラミックス基板１１と金属板２２，２３との界面に溶融金属領域２６，２７を確実に形成することができる。さらに、Ｓｉ及びＣｕが過剰に金属板２２，２３側に拡散して界面近傍の金属板２２，２３の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板１０に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を回路層１２、金属層１３（金属板２２，２３）で吸収することができ、セラミックス基板１１の割れ等を防止できる。 Further, the Si amount and the Cu content is interposed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plate 22,23, Si; 1.2mg / cm 2 or less, Cu; since a 2.7 mg / cm 2 or less, and Si Cracks can be prevented from occurring in the Cu mixed layers 24 and 25, and the molten metal regions 26 and 27 can be reliably formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23. Further, it is possible to prevent Si and Cu from excessively diffusing toward the metal plates 22 and 23 and excessively increasing the strength of the metal plates 22 and 23 near the interface. Therefore, when the cooling cycle is applied to the power module substrate 10, the thermal stress can be absorbed by the circuit layer 12 and the metal layer 13 (metal plates 22 and 23), and cracking of the ceramic substrate 11 can be prevented. .

また、ろう材箔を使用せずに、金属板２２、２３の接合面に直接Ｓｉ及びＣｕを固着して混在層２４、２５を形成しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実にセラミックス基板１１と金属板２２，２３とを接合することができる。よって、このパワーモジュール用基板１０を効率良く製出することが可能となる。
しかも、金属板２２、２３の接合面に混在層２４、２５を形成しているので、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面に介在する酸化被膜は、金属板２２、２３の表面にのみ存在することになるため、初期接合の歩留りを向上させることができる。
さらに、本実施形態では、金属板２２、２３の接合面に直接Ｓｉ及びＣｕを固着して混在層２４、２５を形成する構成としているので、Ｓｉ及びＣｕ固着工程Ｓ１を効率良く行うことができる。 In addition, since the mixed layers 24 and 25 are formed by directly bonding Si and Cu to the joint surfaces of the metal plates 22 and 23 without using the brazing material foil, alignment work of the brazing material foil is performed. There is no need, and the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be reliably bonded. Therefore, this power module substrate 10 can be produced efficiently.
Moreover, since the mixed layers 24 and 25 are formed on the joint surfaces of the metal plates 22 and 23, the oxide film interposed at the interface between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 is formed on the surfaces of the metal plates 22 and 23. Therefore, the yield of initial bonding can be improved.
Furthermore, in this embodiment, since the mixed layers 24 and 25 are formed by directly fixing Si and Cu to the joint surfaces of the metal plates 22 and 23, the Si and Cu fixing step S1 can be performed efficiently. .

次に、本発明の第２の実施形態について図７から図１０を参照して説明する。
この第２の実施形態であるパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板１１１がＳｉ３Ｎ４で構成されている。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the power module substrate according to the second embodiment, the ceramic substrate 111 is made of Si 3 N 4 .

ここで、図７に示すように、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）との接合界面１３０の幅方向中央部においては、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）にＳｉ及びＣｕが固溶しており、接合界面１３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｓｉ濃度及びＣｕ濃度が低下する濃度傾斜層１３３が形成されている。ここで、この濃度傾斜層１３３の接合界面１３０側のＳｉ濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下の範囲内に、Ｃｕ濃度が０．０５質量％以上５．０質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、濃度傾斜層１３３の接合界面１３０側のＳｉ濃度及びＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図７のグラフは、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μm位置での濃度を基準として求めたものである。 Here, as shown in FIG. 7, the circuit layer 112 (metal plate) is formed at the center in the width direction of the bonding interface 130 between the ceramic substrate 111, the circuit layer 112 (metal plate 122), and the metal layer 113 (metal plate 123). 122) and the metal layer 113 (metal plate 123) are dissolved in Si and Cu, and a concentration gradient layer 133 is formed in which the Si concentration and the Cu concentration gradually decrease as the distance from the bonding interface 130 in the stacking direction increases. Yes. Here, the Si concentration on the bonding interface 130 side of the concentration gradient layer 133 is in the range of 0.05 mass% to 0.5 mass%, and the Cu concentration is 0.05 mass% to 5.0 mass%. It is set within the range.
The Si concentration and the Cu concentration on the bonding interface 130 side of the concentration gradient layer 133 are average values measured at five points from the bonding interface 30 by a EPMA analysis (spot diameter of 30 μm). Further, the graph of FIG. 7 is obtained by performing line analysis in the stacking direction in the central portion of the circuit layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123), and obtaining the above-mentioned concentration at the 50 μm position as a reference. It is.

また、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）との接合界面１３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図８に示すように、接合界面１３０に酸素が濃縮した酸素高濃度部１３２が形成されている。この酸素高濃度部１３２においては、酸素濃度が、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）中の酸素濃度よりも高くなっている。なお、この酸素高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
なお、ここで観察する接合界面１３０は、図８に示すように、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１１の格子像の接合界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。 When the bonding interface 130 between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123) is observed with a transmission electron microscope, as shown in FIG. An oxygen high concentration portion 132 in which oxygen is concentrated is formed. In the oxygen high concentration portion 132, the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the circuit layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123). Note that the thickness H of the high oxygen concentration portion 132 is 4 nm or less.
As shown in FIG. 8, the bonding interface 130 observed here is a lattice image of the ceramic substrate 111 and the interface side end of the lattice image of the circuit layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123). The reference plane S is the center between the end of the bonding interface side.

以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板の製造方法について、図９及び図１０を参照して説明する。なお、本実施形態では、Ｓｉ及びＣｕ固着工程が、Ｃｕ固着工程Ｓ１０とＳｉ固着工程Ｓ１１とに分離されている。   Below, the manufacturing method of the board | substrate for power modules of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to FIG.9 and FIG.10. In this embodiment, the Si and Cu fixing process is separated into a Cu fixing process S10 and a Si fixing process S11.

（Ｃｕ固着工程Ｓ１０）
まず、図１０に示すように、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Ｃｕを固着し、Ｃｕ層１２４Ａ、１２５Ａを形成する。ここで、Ｃｕ層１２４Ａ、１２５ＡにおけるＣｕ量は、Ｃｕ；０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。 (Cu fixing step S10)
First, as shown in FIG. 10, Cu is fixed to the respective joint surfaces of the metal plates 122 and 123 by sputtering to form Cu layers 124A and 125A. Here, the amount of Cu in the Cu layers 124A and 125A is set to Cu; 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less.

（Ｓｉ固着工程Ｓ１１）
次に、金属板１２２、１２３のそれぞれの接合面に形成されたＣｕ層１２４Ａ、１２５Ａの上に、スパッタリングによってＳｉを固着し、Ｓｉ層１２４Ｂ、１２５Ｂを形成する。ここで、Ｓｉ層１２４Ｂ、１２５ＢにおけるＳｉ量は、Ｓｉ；０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上１．２ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。 (Si fixing step S11)
Next, Si is fixed on the Cu layers 124A and 125A formed on the joint surfaces of the metal plates 122 and 123 by sputtering to form Si layers 124B and 125B. Here, Si layer 124B, Si amount in the 125B is, Si; 0.002mg / cm 2 or more 1.2 mg / cm 2 is set below.

（積層工程Ｓ１２）
次に、図１０に示すように、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１０に示すように、金属板１２２、１２３のうちＣｕ層１２４Ａ、１２５Ａ及びＳｉ層１２４Ｂ、１２５Ｂが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との間にそれぞれＣｕ層１２４Ａ、１２５Ａ及びＳｉ層１２４Ｂ、１２５Ｂ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 S12)
Next, as shown in FIG. 10, the metal plate 122 is laminated on one surface side of the ceramic substrate 111, and the metal plate 123 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 111. At this time, as shown in FIG. 10, the metal plates 122 and 123 are laminated so that the surfaces on which the Cu layers 124A and 125A and the Si layers 124B and 125B are formed face the ceramic substrate 111. That is, Cu layers 124A and 125A and Si layers 124B and 125B are interposed between the metal plates 122 and 123 and the ceramic substrate 111, respectively. In this way, a laminate is formed.

（加熱工程Ｓ１３）
次に、積層工程Ｓ１２において形成された積層体を、その積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、図１０に示すように、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１２６、１２７を形成する。この溶融金属領域１２６、１２７は、図１０に示すように、Ｃｕ層１２４Ａ、１２５Ａ及びＳｉ層１２４Ｂ、１２５ＢのＳｉ及びＣｕが金属板１２２、１２３側に拡散することによって、金属板１２２、１２３のＣｕ層１２４Ａ、１２５Ａ及びＳｉ層１２４Ｂ、１２５Ｂ近傍のＳｉ濃度及びＣｕ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。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力を１０−６〜１０−３Ｐａ、加熱温度を６１０℃以上６５５℃以下の範囲内に設定している。 (Heating step S13)
Next, the stacked body formed in the stacking step S12 is charged in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) in a vacuum heating furnace and heated, as shown in FIG. The molten metal regions 126 and 127 are formed at the interfaces between the metal plates 122 and 123 and the ceramic substrate 111, respectively. As shown in FIG. 10, the molten metal regions 126 and 127 are formed on the metal plates 122 and 123 by diffusing Si and Cu in the Cu layers 124A and 125A and the Si layers 124B and 125B toward the metal plates 122 and 123, respectively. The Cu layers 124A and 125A and the Si layers 124B and 125B are formed by increasing the Si concentration and the Cu concentration and lowering the melting point.
Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set to 10 −6 to 10 −3 Pa, and the heating temperature is set to a range of 610 ° C. or more and 655 ° C. or less.

（凝固工程Ｓ１４）
次に、溶融金属領域１２６、１２７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１２６、１２７中のＳｉ及びＣｕ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１２６、１２７であった部分のＳｉ濃度及びＣｕ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 S14)
Next, the temperature is kept constant with the molten metal regions 126 and 127 formed. Then, Si and Cu in the molten metal regions 126 and 127 are further diffused to the metal plates 122 and 123 side. As a result, the Si concentration and the Cu concentration in the portions that were the molten metal regions 126 and 127 gradually decrease and the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. Become. That is, the ceramic substrate 111 and the metal plates 122 and 123 are joined by so-called diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding). After solidification progresses in this way, cooling is performed to room temperature.

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が製造されることになる。   In this way, the metal plates 122 and 123 to be the circuit layer 112 and the metal layer 113 are bonded to the ceramic substrate 111, and the power module substrate according to this embodiment is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板においては、金属板1２２、1２３の接合面にＣｕを固着させるＣｕ固着工程Ｓ１０及びＳｉを固着させるＳｉ固着工程Ｓ１１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、ＳｉとＣｕとが介在することになる。ここで、Ｃｕは、Ａｌに対して反応性の高い元素であるため、接合界面１３０にＣｕが存在することによってアルミニウムからなる金属板１２２、１２３の表面が活性化することになる。よって、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３とを強固に接合することが可能となる。   The power module substrate according to the present embodiment configured as described above includes a Cu fixing step S10 for fixing Cu to the bonding surfaces of the metal plates 122 and 123 and a Si fixing step S11 for fixing Si. Therefore, Si and Cu are present at the bonding interface 130 between the metal plates 122 and 123 and the ceramic substrate 111. Here, since Cu is a highly reactive element with respect to Al, the presence of Cu at the bonding interface 130 activates the surfaces of the metal plates 122 and 123 made of aluminum. Therefore, the ceramic substrate 111 and the metal plates 122 and 123 can be firmly bonded.

さらに、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）とが、金属板１２２、１２３の接合面に形成されたＣｕ層１２４Ａ、１２５ＡとＳｉ層１２４Ｂ、１２５ＢのＣｕ及びＳｉを金属板１２２、１２３側に拡散させることによって溶融金属領域１２６、１２７を形成し、この溶融金属領域１２６、１２７中のＳｉ及びＣｕを金属板１２２、１２３へ拡散させることによって凝固させて接合しているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３とを強固に接合することが可能となる。   Further, the ceramic substrate 111, the circuit layer 112 (metal plate 122), and the metal layer 113 (metal plate 123) are formed of Cu layers 124A, 125A and Si layers 124B, 125B formed on the joining surfaces of the metal plates 122, 123. Molten metal regions 126 and 127 are formed by diffusing Cu and Si toward the metal plates 122 and 123, and Si and Cu in the molten metal regions 126 and 127 are solidified by diffusing into the metal plates 122 and 123. Therefore, the ceramic substrate 111 and the metal plates 122 and 123 can be firmly bonded even when bonded under relatively low temperature and short time bonding conditions.

また、本実施形態では、セラミックス基板１１１がＳｉ３Ｎ４で構成されており、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との接合界面１３０に、酸素濃度が回路層１１２及び金属層１１３を構成する金属板１２２、１２３中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部１３２が生成されているので、この酸素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。また、この酸素高濃度部１３２の厚さが４ｎｍ以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって酸素高濃度部１３２にクラックが発生することが抑制される。 In the present embodiment, the ceramic substrate 111 is made of Si 3 N 4 , and the oxygen concentration is present at the bonding interface 130 between the metal plates 122 and 123 to be the circuit layer 112 and the metal layer 113 and the ceramic substrate 111. Since the oxygen high concentration part 132 made higher than the oxygen concentration in the metal plates 122 and 123 constituting the layer 112 and the metal layer 113 is generated, the oxygen bonds between the ceramic substrate 111 and the metal plates 122 and 123. The strength can be improved. Further, since the thickness of the high oxygen concentration portion 132 is set to 4 nm or less, the occurrence of cracks in the high oxygen concentration portion 132 due to stress when a thermal cycle is loaded is suppressed.

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。 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.

また、Ｓｉ及びＣｕ固着工程において、金属板の接合面にＳｉ及びＣｕを固着させる構成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、セラミックス基板の接合面にＳｉ及びＣｕを固着させてもよい。あるいは、セラミックス基板の接合面及び金属板の接合面に、それぞれＳｉ及びＣｕを固着させてもよい。
さらに、Ｓｉ及びＣｕ固着工程において、スパッタによってＳｉ及びＣｕ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Ｓｉ及びＣｕを固着させてもよい。また、Ｓｉ及びＣｕ固着工程において、Ｓｉ及びＣｕとともにＡｌを固着させてもよい。 Further, in the Si and Cu fixing step, the description has been made assuming that Si and Cu are fixed to the bonding surface of the metal plate. However, the present invention is not limited to this, and Si and Cu are fixed to the bonding surface of the ceramic substrate. You may let them. Alternatively, Si and Cu may be fixed to the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate, respectively.
Furthermore, in the Si and Cu fixing step, it has been described that Si and Cu are fixed by sputtering. However, the present invention is not limited to this, and Si and Cu may be fixed by vapor deposition, CVD, or the like. Further, in the Si and Cu fixing step, Al may be fixed together with Si and Cu.

また、第２の実施形態において、Ｓｉ及びＣｕ固着工程を、Ｃｕ固着工程Ｓ１０の後にＳｉ固着工程Ｓ１１を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、Ｓｉ固着工程の後にＣｕ固着工程を行う構成としてもよい。
さらに、セラミックス基板と金属板との接合を、真空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、Ｎ２雰囲気、Ａｒ雰囲気やＨｅ雰囲気などでセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。 In the second embodiment, the Si and Cu fixing process is described as performing the Si fixing process S11 after the Cu fixing process S10. However, the present invention is not limited to this, and the Cu fixing process is performed after the Si fixing process. It is good also as composition which performs a process.
Furthermore, although the ceramic substrate and the metal plate have been described as being joined using a vacuum heating furnace, the present invention is not limited to this, and the ceramic substrate and the metal plate can be used in an N 2 atmosphere, an Ar atmosphere, or a He atmosphere. You may join with.

また、ヒートシンクの天板部と金属層との間に、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）からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層がなくてもよい。
さらに、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 provided the buffer layer which consists of aluminum, the aluminum alloy, or the composite material containing aluminum (for example, AlSiC etc.) between the top-plate part of a heat sink and a metal layer, even if this buffer layer is not provided Good.
Furthermore, although the heat sink has been described as being made of aluminum, it may be made of an aluminum alloy or a composite material containing 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、セラミックス基板をＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４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、Ａｌ２Ｏ３等の他のセラミックスで構成されていてもよい。 Further, the ceramic substrate AlN, has been described as being composed of Si 3 N 4, it is not limited thereto, but may be composed of other ceramic such as Al 2 O 3.

本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板を２枚準備し、これら金属板の片面に真空蒸着によってＳｉ及びＣｕを固着させ、これら２枚の金属板を４０ｍｍ角で厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板の両面に、それぞれ蒸着面がセラミックス基板を向くようにして積層し、積層方向に圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉（真空度１０−３〜１０−５Ｐａ）で６３０〜６５０℃に加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。 A confirmation experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
Two metal plates made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm are prepared, Si and Cu are fixed to one side of these metal plates by vacuum deposition, and the two metal plates are 40 mm square and 0.635 mm thick. A vacuum heating furnace (vacuum degree: 10 −3 to 10) is laminated on both surfaces of a ceramic substrate made of AlN so that the vapor deposition surface faces the ceramic substrate, and is pressurized at a pressure of 1 to 5 kgf / cm 2 in the stacking direction. −5 Pa) to 630 to 650 ° C. to produce a power module substrate including a ceramic substrate, a circuit layer, and a metal layer.

そして、固着したＳｉ量及びＣｕ量を変量した種々の試験片を製出した。
このようにして成形されたパワーモジュール用基板の金属層側に、４Ｎアルミニウムからなる厚さ０．９ｍｍの緩衝層を介して、ヒートシンクの天板に相当する５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３）を接合した。
これらの試験片を−４５℃〜１０５℃の冷熱サイクルに負荷し、冷熱サイクルを２０００回繰り返した後の接合率を比較した。評価結果を図１１に示す。
なお、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とした。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
ここで、冷熱サイクルを２０００回繰り返した後の接合率が７０％未満のものを×、接合率が７０％以上８５％未満のものを△、接合率が８５％以上のものを○とした。 And various test pieces which varied the amount of fixed Si and Cu were produced.
A 50 mm × 60 mm, 5 mm thick aluminum plate corresponding to the top plate of the heat sink is disposed on the metal layer side of the power module substrate thus formed through a 0.9 mm thick buffer layer made of 4N aluminum. (A6063) was joined.
These test pieces were loaded on a cooling cycle of −45 ° C. to 105 ° C., and the joining rates after the cooling cycle was repeated 2000 times were compared. The evaluation results are shown in FIG.
In addition, the joining rate was computed with the following formula | equation. Here, the initial bonding area is an area to be bonded before bonding.
Bonding rate = (initial bonding area−peeling area) / initial bonding area Here, a bonding rate of less than 70% after 2,000 cycles of the thermal cycle is x, and a bonding rate of 70% or more and less than 85%. Δ, those with a joining rate of 85% or more were marked with ○.

Ｓｉ量を０．００１ｍｇ／ｃｍ２、Ｃｕ量を０．０５ｍｇ／ｃｍ２としたものでは、冷熱サイクル負荷後の接合率が７０％未満であった。界面に介在するＳｉ量、Ｃｕ量が少なく、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を十分に形成することができないためと判断される。
また、Ｓｉ量を１．４ｍｇ／ｃｍ２、又は、Ｃｕ量を３．２ｍｇ／ｃｍ２としたものにおいても、冷熱サイクル負荷後の接合率が７０％未満であった。これは、Ｓｉ及びＣｕの量が多く金属板が硬くなり過ぎて、冷熱サイクルによる熱応力が接合界面に負荷されたためと推測される。 In the case where the Si amount was 0.001 mg / cm 2 and the Cu amount was 0.05 mg / cm 2 , the joining rate after the thermal cycle load was less than 70%. It is judged that the amount of Si and Cu intervening at the interface is small and the molten metal region cannot be sufficiently formed at the interface between the metal plate and the ceramic substrate.
Further, 1.4 mg / cm 2 of Si amount, or, even in those in which the Cu amount of 3.2 mg / cm 2, the junction rate after thermal cycle load was less than 70%. This is presumably because the amount of Si and Cu is large and the metal plate becomes too hard, and thermal stress due to the thermal cycle is applied to the joint interface.

一方、Ｓｉ量を０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上１．２ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｃｕ量を０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下としたものでは、冷熱サイクル負荷後の接合率が７０％以上であった。Ｓｉ，Ｃｕの拡散によって、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、金属板とセラミックス基板とを強固に接合できたと判断される。 On the other hand, the Si amount 0.002 mg / cm 2 or more 1.2 mg / cm 2 or less, is that where the amount of Cu and 0.08 mg / cm 2 or more 2.7 mg / cm 2 or less, the junction rate after thermal cycle load It was 70% or more. Due to the diffusion of Si and Cu, a molten metal region can be reliably formed at the interface between the metal plate and the ceramic substrate, and it is determined that the metal plate and the ceramic substrate can be firmly bonded.

特に、Ｓｉ量を〔Ｓｉ〕、Ｃｕ量を〔Ｃｕ〕とした場合において、
〔Ｃｕ〕＋２×〔Ｓｉ〕≦３
但し、０．００２ｍｇ／ｃｍ２≦〔Ｓｉ〕≦１．２ｍｇ／ｃｍ２
０．０８ｍｇ／ｃｍ２≦〔Ｃｕ〕≦２．７ｍｇ／ｃｍ２
の関係を満足する条件では、冷熱サイクル負荷後の接合率が８５％以上となり、さらに強固に金属板とセラミックス基板とを接合できることが確認された。これは、上記の関係を超えるＳｉ，Ｃｕが固着された場合、金属板が、Ｓｉ，Ｃｕによる固溶硬化によって硬くなりすぎて接合率にバラツキが生じるためと推測される。 In particular, when the Si amount is [Si] and the Cu amount is [Cu],
[Cu] + 2 × [Si] ≦ 3
However, 0.002 mg / cm 2 ≦ [Si] ≦ 1.2 mg / cm 2
0.08 mg / cm 2 ≦ [Cu] ≦ 2.7 mg / cm 2
Under the conditions satisfying the above relationship, the joining rate after the thermal cycle load was 85% or more, and it was confirmed that the metal plate and the ceramic substrate can be joined more firmly. This is presumed that when Si and Cu exceeding the above relationship are fixed, the metal plate becomes too hard due to solid solution hardening with Si and Cu, resulting in variations in the bonding rate.

次に、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板を２枚準備し、これら金属板の片面に真空蒸着によってＳｉ及びＣｕを固着させ、これら２枚の金属板を４０ｍｍ角で厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板の両面に、それぞれ蒸着面がセラミックス基板を向くようにして積層し、積層方向に圧力５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉（真空度１０−３〜１０−５Ｐａ）で６３０〜６５０℃に加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。 Next, two metal plates made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm are prepared, and Si and Cu are fixed to one side of these metal plates by vacuum deposition, and the two metal plates are 40 mm square and have a thickness of 0. . Stacked on both sides of a ceramic substrate made of .635 mm AlN so that the vapor deposition surface faces the ceramic substrate, and in a state of being pressurized at a pressure of 5 to 35 kgf / cm 2 in the stacking direction (vacuum degree 10 − 3 to 10 −5 Pa) to 630 to 650 ° C. to produce a power module substrate including a ceramic substrate, a circuit layer, and a metal layer.

そして、固着したＳｉ量及びＣｕ量を変量した種々の試験片を製出した。
このようにして成形されたパワーモジュール用基板の金属層側に、４Ｎアルミニウムからなる厚さ０．９ｍｍの緩衝層を介して、ヒートシンクの天板に相当する５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３）を接合した。
これらの試験片を−４５℃〜１０５℃の冷熱サイクルに負荷し、冷熱サイクルを２０００回繰り返した後の接合率を比較した。評価結果を表１から表３に示す。
なお、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とした。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積 And various test pieces which varied the amount of fixed Si and Cu were produced.
A 50 mm × 60 mm, 5 mm thick aluminum plate corresponding to the top plate of the heat sink is disposed on the metal layer side of the power module substrate thus formed through a 0.9 mm thick buffer layer made of 4N aluminum. (A6063) was joined.
These test pieces were loaded on a cooling cycle of −45 ° C. to 105 ° C., and the joining rates after the cooling cycle was repeated 2000 times were compared. The evaluation results are shown in Tables 1 to 3.
In addition, the joining rate was computed with the following formula | equation. Here, the initial bonding area is an area to be bonded before bonding.
Bonding rate = (initial bonding area-peeling area) / initial bonding area

また、これらの試験片について、金属板のうちセラミックス基板の接合界面近傍（接合界面から５０μｍ）のＳｉ濃度を、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって測定した。測定結果を表１から表３に併せて示す。   Moreover, about these test pieces, Si density | concentration of the metal board vicinity of the joining interface (50 micrometers from a joining interface) of a ceramic substrate was measured by EPMA analysis (spot diameter of 30 micrometers). The measurement results are also shown in Tables 1 to 3.

Figure 0005640548
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Ｓｉ固着量及びＣｕ固着量が本発明の範囲外とされた比較例１−１６においては、冷熱サイクルを２０００回繰り返した後の接合率が７０％未満であった。
これに対して、Ｓｉ固着量及びＣｕ固着量が本発明の範囲内とされた実施例１−４８においては、冷熱サイクルを２０００回繰り返した後の接合率が７０％を超えていた。 In Comparative Example 1-16 in which the Si fixing amount and the Cu fixing amount were out of the scope of the present invention, the joining rate after 2000 times of the cooling and heating cycle was less than 70%.
On the other hand, in Example 1-48 in which the Si fixing amount and the Cu fixing amount were within the range of the present invention, the joining rate after 2000 times of the cooling and heating cycle exceeded 70%.

また、Ｓｉ層の固着量を０．００１ｍｇ／ｃｍ２とした比較例１では、界面のＳｉ濃度が０．０３９質量％となった。Ｓｉ層の固着量を１．３９８ｍｇ／ｃｍ２とした比較例１１−１６では、界面のＳｉ濃度が０．５質量％を超えていた。これに対して、Ｓｉ層の固着量を０．１１６５〜１．１６５ｍｇ／ｃｍ２とした実施例１−４８では、界面のＳｉ濃度が、０．２〜０．５質量％の範囲内となることが確認された。 Further, in Comparative Example 1 in which the Si layer was fixed to 0.001 mg / cm 2 , the Si concentration at the interface was 0.039% by mass. In Comparative Example 11-16 in which the amount of Si layer fixed was 1.398 mg / cm 2 , the Si concentration at the interface exceeded 0.5 mass%. On the other hand, in Example 1-48 in which the fixed amount of the Si layer was 0.1165 to 1.165 mg / cm 2 , the Si concentration at the interface was in the range of 0.2 to 0.5 mass%. It was confirmed.

同様に、Ｃｕ層の固着量を０．００５ｍｇ／ｃｍ２とした比較例１では、界面のＣｕ濃度が０．０２７質量％となった。Ｃｕ層の固着量を３．１３６ｍｇ／ｃｍ２とした比較例２−１０では、界面のＣｕ濃度が６質量％を超えていた。これに対して、Ｃｕ層の固着量を０．４４８〜２．６８８ｍｇ／ｃｍ２とした実施例１−４８では、界面のＣｕ濃度が、０．４５〜５質量％の範囲内となることが確認された。 Similarly, in Comparative Example 1 in which the adhesion amount of the Cu layer was 0.005 mg / cm 2 , the Cu concentration at the interface was 0.027% by mass. In Comparative Example 2-10 in which the fixed amount of the Cu layer was 3.136 mg / cm 2 , the Cu concentration at the interface exceeded 6% by mass. On the other hand, in Example 1-48 in which the adhesion amount of the Cu layer was 0.448 to 2.688 mg / cm 2 , the Cu concentration at the interface might be in the range of 0.45 to 5 mass%. confirmed.

１ パワーモジュール
３ 半導体チップ（電子部品）
１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１ セラミックス基板
１２、１１２ 回路層
１３、１１３ 金属層
２２、２３、１２２、１２３ 金属板
２４、２５ 混在層
２６、２７、１２６、１２７ 溶融金属領域
３０、１３０ 接合界面
１２４Ａ、１２５Ａ Ｃｕ層
１２４Ｂ、１２５Ｂ Ｓｉ層 1 Power module 3 Semiconductor chip (electronic component)
10 Power module substrate 11, 111 Ceramic substrate 12, 112 Circuit layer 13, 113 Metal layer 22, 23, 122, 123 Metal plate 24, 25 Mixed layer 26, 27, 126, 127 Molten metal region 30, 130 Bonding interface 124A 125A Cu layer 124B, 125B Si layer

Claims (3)

セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
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ＳｉとＣｕを固着させるＳｉ及びＣｕ固着工程と、
固着したＳｉ及びＣｕ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Ｓｉ及びＣｕ固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、Ｓｉ；０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上１．２ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｃｕ；０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下を介在させ、
前記加熱工程において、固着させたＳｉ及びＣｕを前記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金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成し、
前記凝固工程において、前記溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記溶融金属領域中のＳｉ及びＣｕをさらに前記金属板側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 A method for manufacturing a power module substrate in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate,
Si and Cu fixing step for fixing Si and Cu to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate;
A laminating step of laminating the ceramic substrate and the metal plate through the fixed Si and Cu;
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 Si and Cu adhering step, the interface between the ceramic substrate and the metal plate, Si; 0.002 mg / cm 2 or more 1.2 mg / cm 2 or less, Cu; 0.08 mg / cm 2 or more 2.7 mg / cm 2 or less intervening,
In the heating step, the molten metal region is formed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate by diffusing the fixed Si and Cu to the metal plate side,
In the solidification step, the temperature is kept constant in a state where the molten metal region is formed, and the temperature is kept constant by further diffusing Si and Cu in the molten metal region to the metal plate side. The method for producing a substrate for a power module, wherein solidification of the molten metal region proceeds. 前記Ｓｉ及びＣｕ固着工程では、Ｓｉ及びＣｕとともに、Ａｌを固着させることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The power module substrate manufacturing method according to claim 1, wherein in the Si and Cu fixing step, Al is fixed together with Si and Cu. 前記Ｓｉ及びＣｕ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、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって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Ｓｉ及びＣｕを固着させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The Si and Cu fixing step includes at least one of a bonding surface of the ceramic substrate and a bonding surface of the metal plate by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of paste and ink in which powder is dispersed. The method for manufacturing a power module substrate according to claim 1, wherein Si and Cu are fixed to one side.
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