JP5724244B2 - Manufacturing method of power module substrate, power module substrate, power module substrate with heat sink, and power module - Google Patents

Manufacturing method of power module substrate, power module substrate, power module substrate with heat sink, and power module Download PDF

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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、このパワーモジュール用基板の製造方法によって製造された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このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュールに関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate used in a semiconductor device for controlling a large current and a high voltage, a power module substrate manufactured by the method for manufacturing a power module substrate, a power module substrate with a heat sink, and this The present invention relates to a power module including a power module substrate.

半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば特許文献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の半導体チップが搭載される。
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 module for supplying power has a relatively high calorific value, and as a substrate on which the power module is mounted, for example, as shown in Patent Document 1, an Al (AlN (aluminum nitride) substrate is formed on a ceramic substrate. 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 chip 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、金属板をセラミックス基板に接合した後に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 formed. A method of joining the formed metal piece to a ceramic substrate has been proposed.

特開2003−086744号公報JP 2003-086744 A 特開2008−311294号公報JP 2008-311294 A

ところで、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。   By the way, 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 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.

また、ろう材箔を用いた場合、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、金属板とセラミックス基板との界面部分に存在する酸化被膜の合計厚さが厚くなる傾向にあった。   Moreover, when brazing material foil is used, an oxide film exists on the three surfaces of the surface of the metal plate and both surfaces of the brazing material foil, and the total oxide film present at the interface portion between the metal plate and the ceramic substrate. 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.

さらに、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、搭載される半導体素子等の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、冷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るため、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。   Furthermore, recently, power modules have been reduced in size and thickness, and the usage environment has become severe, and the amount of heat generated from electronic components such as mounted semiconductor elements tends to increase. Thus, it is necessary to dispose the power module substrate on the heat sink. 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 during the cooling / heating cycle load. There is a demand for improvement in bonding strength and reliability between a substrate and a metal plate.

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冷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、このパワーモジュール用基板の製造方法によって製造された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このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュールを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a power module substrate that is easily and at low cost and in which a metal plate and a ceramic substrate are reliably bonded to each other with high reliability of a thermal cycle. And a power module substrate manufactured by the method for manufacturing a power module substrate, a power module substrate with a heat sink, and a power module including the power module substrate. Objective.

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を固着させて、0.002mg/cm以上1.2mg/cm以下のSiを含むSi層を形成するSi固着工程と、このSi層を介して前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記Si層のSi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、Al−Si共晶系からなる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, said by fixing the Si to at least one of the bonding surfaces and bonding surfaces of the metal plate of the ceramic substrate, including 0.002 mg / cm 2 or more 1.2 mg / cm 2 or less of Si A Si fixing step for forming a Si layer, a laminating step for laminating the ceramic substrate and the metal plate through the Si layer, pressurizing and heating the laminated ceramic substrate and the metal plate in a laminating direction, A heating step for forming a molten metal region at the interface between the ceramic substrate and the metal plate, and solidifying the molten metal region A solidifying step for joining the ceramic substrate and the metal plate, and in the heating step, by diffusing Si of the Si layer to the metal plate side, at the interface between the ceramic substrate and the metal plate. Forming the molten metal region made of an Al-Si eutectic system, and maintaining the temperature constant in the state in which the molten metal region is formed in the solidification step, and further adding Si in the molten metal region to the metal By diffusing to the plate side, solidification of the molten metal region proceeds while the temperature is kept constant .

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を固着させて、0.002mg/cm以上1.2mg/cm以下のSiを含むSi層を形成するSi固着工程を備えており、加熱工程において、前記Si層のSi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、Al−Si共晶系からなる前記溶融金属領域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。 In the manufacturing method of the power module substrate having this configuration, Si is fixed to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate, and is 0.002 mg / cm 2 or more and 1.2 mg / cm 2. It comprises a Si fixing step for forming the following Si layer containing Si, and in the heating step, by diffusing Si of the Si layer toward the metal plate, at the interface between the ceramic substrate and the metal plate, Since the molten metal region made of the Al—Si eutectic system is formed, there is no need to use an Al—Si based brazing foil that is difficult to manufacture, and the metal plate and the ceramic substrate can be reliably manufactured at low cost. A power module substrate bonded to the 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層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 layer is directly formed on 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, it is necessary to perform an alignment operation of the brazing material foil. There is no. 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層を形成した場合、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。
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Si層を形成す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層を形成することが好ましい。セラミックス基板の接合面にSi層を形成する場合、一枚毎のセラミックス基板にそれぞれSi層を形成しなければならない。これに対して、金属板の接合面へSi層を形成する場合には、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Si層を形成することが可能となり、生産性に優れている。
Moreover, when the Si layer is directly formed on 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 is Since the thickness is reduced, the yield of initial bonding is improved.
The Si layer is formed on at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate. From the viewpoint of productivity, it is preferable to form the Si layer on the bonding surface of the metal plate. . When the Si layer is formed on the bonding surface of the ceramic substrate, the Si layer must be formed on each ceramic substrate. On the other hand, when forming the Si layer on the joint surface of the metal plate, the Si layer is continuously formed from one end to the other end of the long metal strip wound in a roll shape. Is possible, and is excellent in productivity.

また、固着するSi量を0.002mg/cm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Al−Si共晶系からなる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。
さらに、固着するSi量を1.2mg/cm以下としているので、Si層自体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Al−Si共晶系からなる溶融金属領域を確実に形成することができる。さらに、Si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, since the amount of Si to be fixed is 0.002 mg / cm 2 or more, a molten metal region made of an Al—Si eutectic system can be surely formed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate, It becomes possible to firmly join the metal plate.
Furthermore, since the amount of Si to be fixed is 1.2 mg / cm 2 or less, it is possible to prevent the Si layer itself from being cracked, and from the Al—Si eutectic system at the interface between the ceramic substrate and the metal plate. A molten metal region can be reliably formed. Furthermore, it can be prevented that Si is excessively diffused to the metal plate side and the strength of the metal plate near the interface is excessively increased. 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.

ここで、前記Si固着工程では、Si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とともにAlを固着させているので、形成されるSi層がAlとSiとを含有することになり、Si層にクラックが発生することを抑制することができる。また、このSi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とともにAlを固着させるには、SiとAlとを同時に蒸着してもよいし、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。さらに、SiとAlを積層してもよい。
Here, in the Si fixing step, it is preferable that Al is fixed together with Si.
In this case, since Al is fixed together with Si, the Si layer to be formed contains Al and Si, and the generation of cracks in the Si layer can be suppressed. In addition, the Si layer is preferentially melted, so that the molten metal region can be reliably formed, and the ceramic substrate and the metal plate can be firmly bonded. In order to fix Al together with Si, Si and Al may be vapor-deposited at the same time, or sputtering using an alloy of Si and Al as a target. Furthermore, Si and Al may be laminated.

また、前記Si固着工程は、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー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、スパッタリング、コールドスプレーによって、Si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、セラミックス基板と金属板との接合界面にSi層を確実に形成することが可能となる。また、Si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。
Further, the Si fixing step, deposition, CVD, sputtering, it is preferable that as to fix the Si to at least one of the bonding surfaces and bonding surfaces of the metal plate thus the ceramic substrate in a cold spray over.
In this case, deposition, CVD, sputtering, thus cold spray over, Si is securely affixed to at least one of the bonding surfaces and bonding surfaces of the metal plate of the ceramic substrate, the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate It becomes possible to reliably form the Si layer. In addition, the amount of Si adhered can be adjusted with high accuracy, and it is possible to securely form the molten metal region and firmly bond the ceramic substrate and the metal plate.

また、本発明のパワーモジュール用基板は、前述のパワーモジュール用基板の製造方法により製造されたパワーモジュール用基板であって、前記金属板には、Siが固溶されており、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%以下の範囲内に設定されていることを特徴としている。   The power module substrate of the present invention is a power module substrate manufactured by the above-described method for manufacturing a power module substrate, wherein Si is dissolved in the metal plate, Of these, the Si concentration in the vicinity of the interface with the ceramic substrate is set in the range of 0.05 mass% to 0.5 mass%.

この構成のパワーモジュール用基板においては、前記金属板にSiが固溶しており、接合界面側部分のSi濃度が、0.05質量%以上に設定されているので、前述の加熱工程においてSiが十分に金属板側に拡散しており、金属板とセラミックス板とが強固に接合されていることになる。さらに、金属板の接合界面側部分がSiによって固溶強化することになる。これにより、金属板部分における亀裂の発生を防止することができ、パワーモジュール用基板の接合信頼性の向上を図ることができる。
また、接合界面側部分のSi濃度が0.5質量%以下に設定されているので、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、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可能となり、セラミックス基板の割れ等を防止できる。
In the power module substrate having this configuration, Si is dissolved in the metal plate, and the Si concentration in the bonding interface side portion is set to 0.05% by mass or more. Is sufficiently diffused to the metal plate side, and the metal plate and the ceramic plate are firmly joined. Furthermore, the joint interface side portion of the metal plate is solid-solution strengthened by Si. Thereby, generation | occurrence | production of the crack in a metal plate part can be prevented, and the improvement of the joining reliability of the board | substrate for power modules can be aimed at.
Moreover, since the Si concentration at the bonding interface side portion is set to 0.5% by mass or less, it is possible to prevent the strength of the metal plate in the vicinity of the interface from being excessively increased, and a cooling cycle is loaded on the power module substrate. In this case, the thermal stress can be absorbed by the metal plate, and cracking of the ceramic substrate can be prevented.

また、本発明のパワーモジュール用基板は、パワーモジュール用基板の製造方法により製造されたパワーモジュール用基板であって、前記セラミックス基板が、AlN、Al及びSiのいずれかで構成されていることを特徴としている。
この構成のパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板が、絶縁性及び強度に優れたAlN、Al及びSiのいずれかで構成されているので、高品質なパワーモジュール用基板を提供することができる。
The power module substrate of the present invention is a power module substrate manufactured by a method for manufacturing a power module substrate, wherein the ceramic substrate is any one of AlN, Al 2 O 3 and Si 3 N 4. It is characterized by being composed.
In the power module substrate having this configuration, the ceramic substrate is made of any one of AlN, Al 2 O 3 and Si 3 N 4 having excellent insulation and strength. Can be provided.

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前述のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えたことを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクを備えているので、パワーモジュール用基板に発生した熱をヒートシンクによって効率的に冷却することができる。
A power module substrate with a heat sink according to the present invention includes the above-described power module substrate and a heat sink that cools the power module substrate.
According to the power module substrate with a heat sink having this structure, since the heat module for cooling the power module substrate is provided, the heat generated in the power module substrate can be efficiently cooled by the heat sink.

本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との接合強度が高く、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
A power module according to the present invention includes the power module substrate described above and an electronic component mounted on the power module substrate.
According to the power module having this configuration, the bonding strength between the ceramic substrate and the metal plate is high, and the reliability can be drastically improved even when the usage environment is severe.

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冷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、このパワーモジュール用基板の製造方法によって製造された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このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュールを提供することが可能となる。   According to the present invention, a method for manufacturing a power module substrate that can easily and inexpensively obtain a power module substrate with a high reliability of a thermal cycle in which a metal plate and a ceramic substrate are reliably bonded, It is possible to provide a power module substrate manufactured by the method for manufacturing a power module substrate, a power module substrate with a heat sink, and a power module including the power module substrate.

本発明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 embodiment of this invention. 本発明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濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Si concentration distribution of the circuit layer and metal layer of the board | substrate for power modules which is embodiment of this invention. 本発明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 embodiment of this invention. 本発明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 embodiment of this invention. 図4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.

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、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。   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、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 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 includes a top plate portion 5 joined to the power module substrate 10 and a flow path 6 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). It has. 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の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, the circuit layer 12 (metal plate 22) is formed at the center in the width direction of the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23). ) And the metal layer 13 (metal plate 23), a concentration gradient layer 33 is formed in which the concentration of Si gradually decreases as the distance from the bonding interface 30 in the stacking direction increases. Here, the Si concentration on the bonding interface 30 side of the concentration gradient layer 33 is set in the range of 0.05 mass% or more and 0.5 mass% or less.
The Si concentration on the bonding interface 30 side of the concentration gradient layer 33 is an average value measured at five points from the bonding interface 30 by the EPMA analysis (spot diameter 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.

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3から図5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固着工程S1)
まず、図4及び図5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を固着し、Si層24、25を形成する。ここで、Si層24、25におけるSi固着量が0.002mg/cm以上1.2mg/cm以下に調整されることになる。なお、本実施形態においては、Si層24、25におけるSi固着量を0.466mg/cmに設定した。
(Si fixing step S1)
First, as shown in FIGS. 4 and 5, Si is fixed to the joint surfaces of the metal plates 22 and 23 by sputtering to form Si layers 24 and 25. Here, so that the Si fixed amount of Si layers 24 and 25 is adjusted to 0.002 mg / cm 2 or more 1.2 mg / cm 2 or less. In the present embodiment, the Si fixing amount in the Si layers 24 and 25 is set to 0.466 mg / cm 2 .

(積層工程S2)
次に、図4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4及び図5に示すように、金属板22、23のうちSi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Si層24、25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. 4, 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. 4 and 5, the metal plates 22 and 23 are laminated so that the surfaces on which the Si layers 24 and 25 are formed face the ceramic substrate 11. That is, Si layers 24 and 25 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/cm)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、図5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5に示すように、Si層24、25のSiが金属板22、23側に拡散することによって、金属板22、23のSi層24、25近傍のSi濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。なお、上述の圧力が1kgf/cm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/cm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/cm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630℃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 the 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. 5, the molten metal regions 26 and 27 are formed by diffusing Si in the Si layers 24 and 25 toward the metal plates 22 and 23, thereby causing Si in the vicinity of the Si layers 24 and 25 of the metal plates 22 and 23. It is formed by increasing the concentration 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 630 ° C. to 655 ° C.

(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 in the molten metal regions 26 and 27 is further diffused to the metal plates 22 and 23 side. As a result, the Si concentration in the portions of the molten metal regions 26 and 27 gradually decreases and the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. 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、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層24、25のSi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のSiを金属板22、23へ拡散して凝固させることにより接合されているので、比較的短時間の接合条件でセラミックス基板11と回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)を接合することが可能となる。   In the power module substrate 10 and the power module 1 according to the present embodiment configured as described above, the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23) are made of metal. Molten metal regions 26 and 27 are formed by diffusing Si of the Si layers 24 and 25 formed on the joining surfaces of the plates 22 and 23 toward the metal plates 22 and 23, and the Si of the molten metal regions 26 and 27 is changed to Since bonding is performed by diffusing and solidifying the metal plates 22 and 23, the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23) are bonded under relatively short-time bonding conditions. It becomes possible to do.

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の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)における破断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 is dissolved in the plate 23), and the concentration of Si gradually decreases as the distance from the bonding interface 30 in the stacking direction is increased. Since the Si concentration is set within a range of 0.05% by mass or more and 0.5% by mass or less, a portion of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) on the bonding interface 30 side. The solid solution strengthens and can prevent the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) from breaking.
Further, Si is 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、金属板の接合面にSiを固着させて、0.002mg/cm以上1.2mg/cm以下のSiを含むSi層24、25を形成するSi固着工程S1を備えており、加熱工程S3において、Si層24、25のSi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、Al−Si共晶系からなる溶融金属領域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を製造することができる。 Further, by fixing the Si on the bonding surface of the metal plate, provided with a Si fixing step S1 for forming the Si layer 24, 25 comprising 0.002 mg / cm 2 or more 1.2 mg / cm 2 or less of Si, heating In step S3, Si in the Si layers 24 and 25 is diffused toward the metal plates 22 and 23, so that a molten metal region 26 made of an Al—Si eutectic system is formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23. 27, a power module in which the metal plates 22, 23 and the ceramic substrate 11 are reliably bonded at low cost without the need to use an Al—Si brazing foil that is difficult to manufacture. The substrate 10 can be manufactured.

また、Si層24、25におけるSi固着量が0.002mg/cm以上とされているので、セラミックス基板11と金属板22、23との界面に、Al−Si共晶系からなる溶融金属領域26、27を確実に形成することができ、金属板22、23とセラミックス基板11とを強固に接合することができる。
さらに、Si層24、25におけるSi固着量が1.2mg/cm以下とされているので、Si層24、25自体にクラックが発生することを防止することができる。
Further, since the Si adhesion amount in the Si layers 24 and 25 is 0.002 mg / cm 2 or more, a molten metal region made of an Al—Si eutectic system is formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23. 26 and 27 can be reliably formed, and the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 can be firmly bonded.
Furthermore, since the Si fixing amount in the Si layers 24 and 25 is 1.2 mg / cm 2 or less, it is possible to prevent cracks from occurring in the Si layers 24 and 25 themselves.

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い。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、Si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Si層24、25を形成する構成としているので、Si固着工程S1を効率良く行うことができる。
In addition, since the Si layers 24 and 25 are formed directly on the joining surfaces of the metal plates 22 and 23 without using the brazing material foil, it is not necessary to perform an alignment operation of the brazing material foil. Therefore, this power module substrate 10 can be produced efficiently.
In addition, since the Si layers 24 and 25 are formed, the oxide film interposed at the interface between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 exists only on the surfaces of the metal plates 22 and 23, so that The yield of joining can be improved.
Further, in the present embodiment, since the Si layers 24 and 25 are formed on the joint surfaces of the metal plates 22 and 23, the Si fixing step S1 can be performed efficiently.

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、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、SiやAl等の他のセラミックスで構成されていてもよい。 Although the ceramic substrate has been described as being composed of AlN, it is not limited thereto and may be composed of other ceramics such Si 3 N 4 or Al 2 O 3.

また、Si固着工程を、金属板の接合面にSi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を固着させてもよい。
さらに、Si固着工程において、スパッタによってSi層を形成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を固着させてSi層を形成してもよい。また、Si固着工程において、例えば、SiとAlとを同時に蒸着したり、SiとAlの合金をターゲットとしてスパッタリングしたりして、SiとAlとを含むSi層を形成してもよい。また、AlとSiとを積層してもよい。
Further, although the Si fixing step has been described as a configuration in which Si is fixed to the bonding surface of the metal plate, the present invention is not limited to this, and Si may be fixed to the bonding surface of the ceramic substrate.
Furthermore, in the Si fixing step, the Si layer is formed by sputtering. However, the present invention is not limited to this, and the Si layer may be formed by fixing Si by vapor deposition or CVD. In the Si fixing step, for example, Si and Al may be vapor-deposited at the same time, or an Si / Al alloy may be sputtered to form a Si layer containing Si and Al. Further, Al and Si may be laminated.

また、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、N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。 Further, the ceramic substrate and the metal plate have been described as being bonded using a vacuum heating furnace, but the present invention is not limited to this, and the ceramic substrate and the metal plate may be used in an N 2 atmosphere, an Ar atmosphere, or a He atmosphere. You may join with.

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/cm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 were prepared, Si was fixed to one side of these metal plates by vacuum deposition, and these two metal plates were made of AlN having a thickness of 40 mm square and a thickness of 0.635 mm. A vacuum heating furnace (vacuum degree: 10 −3 to 10 −5) is laminated on both surfaces of the ceramic substrate so that the vapor deposition surface faces the ceramic substrate, and the pressure is 1 to 5 kgf / cm 2 in the stacking direction. Pa) was heated to 630 to 650 ° C. to produce a power module substrate including a ceramic substrate, a circuit layer, and a metal layer.

ここで、真空蒸着により形成したSi層の厚さ(Si固着量)を、0.008μm(0.0019mg/cm)、0.6μm(0.1398mg/cm)、0.8μm(0.1864mg/cm)、1.0μm(0.2330mg/cm)、1.2μm(0.2796mg/cm)、1.5μm(0.3495mg/cm)、2.4μm(0.5592mg/cm)、3.6μm(0.8388mg/cm)、4.8μm(1.1184mg/cm)、6.0μm(1.3980mg/cm)の10水準としたパワーモジュール用基板を成形した。
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、接合率を比較した。評価結果を表1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
Here, the thickness (Si adhesion amount) of the Si layer formed by vacuum deposition is 0.008 μm (0.0019 mg / cm 2 ), 0.6 μm (0.1398 mg / cm 2 ), 0.8 μm (0. 1864 mg / cm 2 ), 1.0 μm (0.2330 mg / cm 2 ), 1.2 μm (0.2796 mg / cm 2 ), 1.5 μm (0.3495 mg / cm 2 ), 2.4 μm (0.5592 mg / cm 2 ) cm 2 ), 3.6 μm (0.8388 mg / cm 2 ), 4.8 μm (1.1184 mg / cm 2 ), 6.0 μm (1.3980 mg / cm 2 ), 10 levels of power module substrate did.
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 in a cooling cycle of −45 ° C. to 105 ° C., and the joining rates were compared. The evaluation results are shown in Table 1.
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

Figure 0005724244
Figure 0005724244

Si層の厚さを0.008μm(0.0019mg/cm)とした比較例1及びSi層の厚さを6.0μm(1.3980mg/cm)とした比較例2においては、冷熱サイクル1000回での接合率が85%以下となっており、セラミックス基板と金属板との接合強度が不足していることが確認された。
一方、Si層の厚さを0.6〜4.8μm(0.1398〜1.1184mg/cm)の範囲とした実施例1−8においては、冷熱サイクル1000回での接合率が95%以上、4000回での接合率が70%以上となっており、セラミックス基板と金属板とが強固に接合されていることが確認された。
The thickness of the Si layer 0.008μm in (0.0019mg / cm 2) and then 6.0μm thickness of Comparative Example 1 and Si layer (1.3980mg / cm 2) and the comparative example 2, the thermal cycle The joining rate at 1000 times was 85% or less, and it was confirmed that the joining strength between the ceramic substrate and the metal plate was insufficient.
On the other hand, in Example 1-8 in which the thickness of the Si layer was in the range of 0.6 to 4.8 μm (0.1398 to 1.1184 mg / cm 2 ), the bonding rate at 1000 cooling cycles was 95%. As described above, the bonding rate after 4000 times was 70% or more, and it was confirmed that the ceramic substrate and the metal plate were firmly bonded.

特に、Si層の厚さを1.0〜2.4μm(0.2330〜0.5592mg/cm)の範囲とした実施例3−6においては、冷熱サイクル1000回での接合率が99.5%以上、4000回での接合率が85%以上となっており、セラミックス基板と金属板との接合強度がさらに向上していることが確認された。 In particular, in Example 3-6 in which the thickness of the Si layer is in the range of 1.0 to 2.4 μm (0.2330 to 0.5592 mg / cm 2 ), the bonding rate at 1000 cooling cycles is 99.99. The bonding rate at 5% or more and 4000 times was 85% or more, and it was confirmed that the bonding strength between the ceramic substrate and the metal plate was further improved.

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/cm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, Si is 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 0.635 mm. of the surfaces of the ceramic substrate made of AlN, respectively deposition surface is laminated to the facing ceramic substrate, a vacuum heating furnace in a state pressurized with a pressure 5~35kgf / cm 2 in the stacking direction (vacuum degree of 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.

ここで、真空蒸着により形成したSi層の厚さ(Si固着量)を、0.008μm(0.0019mg/cm)、0.1μm(0.0233mg/cm)、0.4μm(0.0932mg/cm)、0.6μm(0.1398mg/cm)、0.8μm(0.1864mg/cm)、1.0μm(0.2330mg/cm)、1.2μm(0.2796mg/cm)、1.5μm(0.3495mg/cm)、2.4μm(0.5592mg/cm)、3.6μm(0.8388mg/cm)、4.8μm(1.1184mg/cm)、6.0μm(1.3980mg/cm)の12水準としたパワーモジュール用基板を成形した。
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、接合率を比較した。評価結果を表2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
Here, the thickness of the Si layer formed by vacuum deposition (Si adhesion amount) is 0.008 μm (0.0019 mg / cm 2 ), 0.1 μm (0.0233 mg / cm 2 ), 0.4 μm (0. 0932 mg / cm 2 ), 0.6 μm (0.1398 mg / cm 2 ), 0.8 μm (0.1864 mg / cm 2 ), 1.0 μm (0.2330 mg / cm 2 ), 1.2 μm (0.2796 mg / cm 2 ) cm 2), 1.5μm (0.3495mg / cm 2), 2.4μm (0.5592mg / cm 2), 3.6μm (0.8388mg / cm 2), 4.8μm (1.1184mg / cm 2 ), A power module substrate having a 12 level of 6.0 μm (1.3980 mg / cm 2 ) was molded.
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 in a cooling cycle of −45 ° C. to 105 ° C., and the joining rates were compared. The evaluation results are shown in Table 2.
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2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 Table 2.

Figure 0005724244
Figure 0005724244

Si層の厚さを0.008μm(0.0019mg/cm)とした比較例3においては、接合時の加圧圧力を5〜35kgf/cmと高くした場合であっても、冷熱サイクル1000回での接合率が63%となっており、セラミックス基板と金属板との接合強度が不足していることが確認された。また、Si層の厚さを6.0μm(1.3980mg/cm)とした比較例4においては、冷熱サイクル4000回での接合率が60.3%と低くなっていることが確認される。
一方、Si層の厚さを0.1〜4.8μm(0.0233〜1.1184mg/cm)の範囲とした実施例9−18においては、冷熱サイクル1000回での接合率が89%以上、4000回での接合率が70%以上となっており、セラミックス基板と金属板とが強固に接合されていることが確認された。
In Comparative Example 3 in which the thickness of the Si layer was 0.008 μm (0.0019 mg / cm 2 ), even when the pressure applied during bonding was increased to 5 to 35 kgf / cm 2 , the cooling / heating cycle 1000 The bonding rate at the time was 63%, and it was confirmed that the bonding strength between the ceramic substrate and the metal plate was insufficient. Further, in Comparative Example 4 in which the thickness of the Si layer was 6.0 μm (1.3980 mg / cm 2 ), it was confirmed that the bonding rate after 4000 cooling cycles was as low as 60.3%. .
On the other hand, in Example 9-18 in which the thickness of the Si layer was in the range of 0.1 to 4.8 μm (0.0233 to 1.1184 mg / cm 2 ), the bonding rate at 1000 cooling cycles was 89%. As described above, the bonding rate after 4000 times was 70% or more, and it was confirmed that the ceramic substrate and the metal plate were firmly bonded.

また、Si層の厚さを0.1〜4.8μm(0.0233〜1.1184mg/cm)とした場合に、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濃度が0.1質量%以上0.5質量%以下の範囲内になることが確認された。 Further, when the thickness of the Si layer is 0.1 to 4.8 μm (0.0233 to 1.1184 mg / cm 2 ), Si in the vicinity of the bonding interface of the ceramic substrate (50 μm from the bonding interface) of the metal plate. It was confirmed that the concentration was in the range of 0.1 mass% to 0.5 mass%.

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 セラミックス基板
12 回路層
13 金属層
22、23 金属板
24、25 Si層
26、27 溶融金属領域
30 接合界面
1 Power module 3 Semiconductor chip (electronic component)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power module substrate 11 Ceramic substrate 12 Circuit layer 13 Metal layer 22, 23 Metal plate 24, 25 Si layer 26, 27 Molten metal region 30 Bonding interface

Claims (7)

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を固着させて、0.002mg/cm以上1.2mg/cm以下のSiを含むSi層を形成するSi固着工程と、
このSi層を介して前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記加熱工程において、前記Si層のSi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、Al−Si共晶系からなる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,
Wherein by fixing the Si to at least one of the bonding surfaces and bonding surfaces of the metal plate of the ceramic substrate, Si adhering step of forming a Si layer containing 0.002 mg / cm 2 or more 1.2 mg / cm 2 or less of Si When,
A laminating step of laminating the ceramic substrate and the metal plate via the Si layer;
Heating and pressurizing and heating the laminated ceramic substrate and the metal plate in a laminating direction to form a molten metal region at the interface between the ceramic substrate and the metal plate;
A solidification step of joining the ceramic substrate and the metal plate by solidifying the molten metal region;
In the heating step, by diffusing Si of the Si layer to the metal plate side, the molten metal region made of an Al-Si eutectic system is formed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate ,
In the solidification step, the temperature is kept constant in a state where the molten metal region is formed, and Si in the molten metal region is further diffused to the metal plate side, whereby the temperature is kept constant. A method for producing a power module substrate, comprising solidifying a molten metal region .
前記Si固着工程では、Si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 fixing step, Al is fixed together with Si. 前記Si固着工程は、蒸着、CVD、スパッタリング、コールドスプレー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 fixation step, deposition, CVD, sputtering, according to claim 1 or claim, characterized in that to fix the Si to at least one of the bonding surfaces and bonding surfaces of the metal plate thus the ceramic substrate in a cold spray over The manufacturing method of the board | substrate for power modules of 2. 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板の製造方法により製造されたパワーモジュール用基板であって、
前記金属板には、Siが固溶されており、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%以下の範囲内に設定されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
A power module substrate manufactured by the method for manufacturing a power module substrate according to any one of claims 1 to 3,
Si is dissolved in the metal plate, and the Si concentration in the vicinity of the interface with the ceramic substrate in the metal plate is set within a range of 0.05 mass% or more and 0.5 mass% or less. A power module substrate.
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板の製造方法により製造されたパワーモジュール用基板であって、
前記セラミックス基板が、AlN、Al及びSiのいずれかで構成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
A power module substrate manufactured by the method for manufacturing a power module substrate according to any one of claims 1 to 3,
The power module substrate, wherein the ceramic substrate is made of any one of AlN, Al 2 O 3, and Si 3 N 4 .
請求項4又は請求項5に記載のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えたことを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。 6. A power module substrate with a heat sink, comprising: the power module substrate according to claim 4 ; and a heat sink for cooling the power module substrate. 請求項4又は請求項5に記載のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。 A power module comprising: the power module substrate according to claim 4 ; and an electronic component mounted on the power module substrate.
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