JP5786569B2 - Power module substrate manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、セラミックス基板の両面に異なる厚さの金属層を積層したパワーモジュール用基板の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate in which metal layers having different thicknesses are laminated on both surfaces of a ceramic substrate.

従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に、回路層となるアルミニウム金属層が積層され、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となるアルミニウムの金属層が形成され、この金属層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。   As a conventional power module, an aluminum metal layer as a circuit layer is laminated on one surface of a ceramic substrate, and an electronic component such as a semiconductor chip is soldered on the circuit layer, and the other surface of the ceramic substrate. There is known a structure in which a metal layer of aluminum serving as a heat dissipation layer is formed and a heat sink is joined to the metal layer.

また、このようなセラミックス基板に回路層又は放熱層となるアルミニウム金属層を積層状態に形成する方法として、セラミックス基板に、Al−Si系又はAl−Ge系のろう材を介在させてアルミニウム金属層を重ね合わせ、その積層体を加圧、加熱することにより、ろう材を溶融させて、セラミックス基板とアルミニウム金属層とを接合することが知られている。
この場合、回路層及び放熱層とも同じ板材で形成されるのが一般的であったが、放熱層とヒートシンクとの間の熱伸縮を緩和するための緩衝機能を放熱層自身に持たせるべく、放熱層を肉厚に形成することが検討されている。
Further, as a method for forming an aluminum metal layer to be a circuit layer or a heat dissipation layer on such a ceramic substrate, an aluminum metal layer is formed by interposing an Al—Si or Al—Ge brazing material in the ceramic substrate. It is known that a ceramic substrate and an aluminum metal layer are joined by melting the brazing material by melting and brazing the laminated body and heating the laminated body.
In this case, the circuit layer and the heat dissipation layer were generally formed of the same plate material, but in order to have a buffer function for relaxing the thermal expansion and contraction between the heat dissipation layer and the heat sink, the heat dissipation layer itself, It has been studied to form the heat dissipation layer thick.

特許文献1には、セラミックス基板の両面に厚さの異なる金属層を積層したパワーモジュール用基板が提案されており、体積が大きい金属層側を凹とする(体積が小さい金属層側を凸とする)反りが生じることが開示されている。
また、特許文献2には、反り防止対策として、厚い金属層を薄い金属層より変形抵抗の小さい材料で構成することが開示されている。例えば、厚肉の金属層を純度99.99〜99.9999%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム〜6Nアルミニウム)で構成し、薄肉の金属層をそれより純度の低い純度99〜99.99%以上のアルミニウム(いわゆる2Nアルミニウム〜4Nアルミニウム)で構成することにより、反りを低減させている。
Patent Document 1 proposes a power module substrate in which metal layers having different thicknesses are laminated on both surfaces of a ceramic substrate, and the metal layer side having a large volume is concave (the metal layer side having a small volume is convex. It is disclosed that warping occurs.
Patent Document 2 discloses that a thick metal layer is made of a material having a smaller deformation resistance than a thin metal layer as a measure for preventing warpage. For example, a thick metal layer is made of aluminum having a purity of 99.99 to 99.9999% or more (so-called 4N aluminum to 6N aluminum), and a thin metal layer is less than purity of 99 to 99.99% or more. Warpage is reduced by constituting the aluminum (so-called 2N aluminum to 4N aluminum).

特開2002−252433号公報JP 2002-252433 A 特開2010−93225号公報JP 2010-93225 A

このように、両金属層とも同じ組成、同じ性状であるとすると、回路層と放熱層との厚さの差から、ろう付けのための加熱処理を経由するとパワーモジュール用基板の全体に反りが生じて、その後のヒートシンクとの接合が困難になるという問題があった。
また、特許文献2記載の技術では、2枚の金属層の材料を変えなければならず、同じ材料のものを用いる場合には適用できないという問題があった。
As described above, if both metal layers have the same composition and the same properties, the entire power module substrate warps through the heat treatment for brazing due to the difference in thickness between the circuit layer and the heat dissipation layer. As a result, there is a problem that it is difficult to join the heat sink thereafter.
Further, the technique described in Patent Document 2 has a problem that the materials of the two metal layers must be changed, and cannot be applied when using the same material.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、セラミックス基板の両面に異なる厚さの金属層を積層する場合に、接合時に発生する反りを低減することができ、接合の信頼性を高め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 such circumstances, and in the case where metal layers having different thicknesses are laminated on both surfaces of a ceramic substrate, warpage occurring at the time of bonding can be reduced, and bonding reliability can be reduced. It aims at providing the manufacturing method of the board | substrate for power modules which can improve property.

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両面に異なる厚さの金属層が積層されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、両金属層を前記セラミックス基板の両面に配置し、これらを加熱して接合した後に、その接合体を平行な板の間で厚さ方向に加圧した状態で冷却することにより前記金属層に塑性変形を生じさせ、その後、常温まで戻してから加圧を解くことを特徴とする。 The method for manufacturing a power module substrate of the present invention is a method for manufacturing a power module substrate in which metal layers having different thicknesses are laminated on both surfaces of a ceramic substrate, wherein both metal layers are disposed on both surfaces of the ceramic substrate. After these are heated and joined, the joined body is cooled in a state of being pressed in the thickness direction between parallel plates to cause plastic deformation in the metal layer, and then returned to room temperature and then pressed. It is characterized by solving .

厚さを異ならせた金属層では熱伸縮の差が大きいので、これらをセラミックス基板の両面に接合した場合は、加熱接合後の冷却過程において薄肉の金属層側を凸とする反りを生じさせる応力が発生する。本発明においては、両金属層とセラミックス基板との接合後において、厚さ方向に加圧した状態で冷却されることにより、反りの発生が抑制される。両金属層とセラミックス基板との接合後において、常温以下の低温まで冷却を進めると、厚肉の金属層の熱収縮による応力が大きくなるが、両金属層とセラミックス基板とは加圧されて拘束された状態であるので、反りとしては変形できなくなる。これをさらに冷却すると、金属層に塑性変形が生じる。この塑性変形は、反りとは逆方向の変形であり、その塑性変形領域まで冷却した後に常温まで戻すと、塑性変形した分、反りが相殺されて、冷却前の常温時に生じていた反りよりも小さくなる。
このように、両金属層とセラミックス基板とを厚さ方向に加圧した状態で冷却することで、両金属層に、熱伸縮による反りと逆向きの塑性変形を生じさせることができ、パワーモジュール用基板全体の反りを低減することができる。
The difference in thermal expansion and contraction is large in metal layers with different thicknesses, so when they are bonded to both sides of a ceramic substrate, the stress that causes warping with the thin metal layer side protruding in the cooling process after heat bonding Will occur. In this invention, after joining both metal layers and a ceramic substrate, generation | occurrence | production of curvature is suppressed by cooling in the state pressurized in the thickness direction. When the metal layer and the ceramic substrate are joined and cooled down to a low temperature below room temperature, the stress due to thermal shrinkage of the thick metal layer increases, but the metal layer and the ceramic substrate are pressed and restrained. In this state, the warp cannot be deformed. When this is further cooled, plastic deformation occurs in the metal layer. This plastic deformation is the deformation in the direction opposite to the warp.If it is cooled to the plastic deformation region and returned to room temperature, the warpage is offset by the amount of plastic deformation, which is more than the warp that occurred at room temperature before cooling. Get smaller.
Thus, by cooling both metal layers and the ceramic substrate in a state of being pressurized in the thickness direction, both metal layers can be caused to undergo plastic deformation opposite to the warp due to thermal expansion and contraction, and the power module. Warpage of the entire substrate can be reduced.

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記セラミックス基板の両面に積層される厚みの厚い金属層に対する薄い金属層の厚さの比率を0.2以上0.9以下で構成し、厚さ方向に9.8×10Pa以上343×10Pa以下で加圧した状態で−5℃以下−70℃以上の範囲内に冷却するとよい。
このように、両金属層の厚さの比率に合わせて加圧と冷却の条件を設定することにより、冷却過程において生じる反りの発生を防止して、パワーモジュール用基板の接合信頼性を向上させることができる。
In the method for manufacturing a power module substrate according to the present invention, the ratio of the thickness of the thin metal layer to the thick metal layer laminated on both surfaces of the ceramic substrate is 0.2 or more and 0.9 or less. It is good to cool in the range of −5 ° C. or lower and −70 ° C. or higher in a state of being pressurized at 9.8 × 10 4 Pa or more and 343 × 10 4 Pa or less in the direction.
Thus, by setting the conditions of pressurization and cooling in accordance with the ratio of the thicknesses of both metal layers, the occurrence of warpage that occurs in the cooling process is prevented, and the bonding reliability of the power module substrate is improved. be able to.

本発明によれば、セラミックス基板の両面に異なる厚さの金属層を積層する場合に、接合により発生する反りを低減することができ、接合の信頼性を高め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できる。また、両金属層が同じ材料であっても適用できることから、種々のパワーモジュール用基板の製造に応用することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when the metal layer of different thickness is laminated | stacked on both surfaces of a ceramic substrate, the curvature which generate | occur | produces by joining can be reduced and manufacture of the board | substrate for power modules which can improve the reliability of joining. A method can be provided. Moreover, since it can apply even if both metal layers are the same material, it can apply to manufacture of the board | substrate for various power modules.

本発明の実施形態のパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの全体構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the whole structure of the power module using the board | substrate for power modules of embodiment of this invention. 本発明の製造方法で用いられる加圧装置の例を示す正面図である。It is a front view which shows the example of the pressurization apparatus used with the manufacturing method of this invention.

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の一実施形態のパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示している。このパワーモジュール1は、セラミックス等からなるセラミックス基板2を有するパワーモジュール用基板3と、パワーモジュール用基板3の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品4と、パワーモジュール用基板3の裏面に接合されたヒートシンク5とから構成される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a power module using a power module substrate according to an embodiment of the present invention. The power module 1 includes a power module substrate 3 having a ceramic substrate 2 made of ceramics, an electronic component 4 such as a semiconductor chip mounted on the surface of the power module substrate 3, and a back surface of the power module substrate 3. The heat sink 5 is joined.

パワーモジュール用基板3は、セラミックス基板2の両面に金属層6,7が積層されており、その一方の金属層6が回路層となり、その表面に電子部品4がはんだ付けされる。また、他方の金属層7は放熱層とされ、その表面にヒートシンク5が取り付けられる。
セラミックス基板2は、例えば、AlN(窒化アルミニウム)、Si(窒化珪素)等の窒化物系セラミックス、もしくはAl(アルミナ)等の酸化物系セラミックスやSiC(炭化珪素)等の炭化物系セラミックスにより形成され、その厚さは例えば0.635mmとされる。
金属層6,7は、いずれも純度99.90質量%以上のアルミニウムが用いられ、JIS規格では、1N90(純度99.90質量%以上:いわゆる3Nアルミニウム)又は1N99(純度99.99質量%以上:いわゆる4Nアルミニウム)を用いることができる。なお、金属層6,7には、アルミニウムの他、Cuを用いることもできる。
このパワーモジュール用基板3は、放熱層となる金属層7に緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属層6よりも肉厚に形成されたものを用いている。
In the power module substrate 3, metal layers 6 and 7 are laminated on both surfaces of the ceramic substrate 2, one of the metal layers 6 becomes a circuit layer, and the electronic component 4 is soldered to the surface. The other metal layer 7 is a heat radiating layer, and the heat sink 5 is attached to the surface thereof.
The ceramic substrate 2 is made of, for example, nitride ceramics such as AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), oxide ceramics such as Al 2 O 3 (alumina), SiC (silicon carbide), or the like. It is formed of carbide-based ceramics and has a thickness of 0.635 mm, for example.
The metal layers 6 and 7 are each made of aluminum having a purity of 99.90% by mass or more. According to JIS standards, 1N90 (purity 99.90% by mass or more: so-called 3N aluminum) or 1N99 (purity 99.99% by mass or more). : So-called 4N aluminum) can be used. In addition, Cu can also be used for the metal layers 6 and 7 besides aluminum.
The power module substrate 3 is formed so as to be thicker than the metal layer 6 serving as a circuit layer because the metal layer 7 serving as a heat dissipation layer has a buffer function.

この場合、回路層及び放熱層となる金属層6,7の厚さは、その金属層7に対する金属層6の厚さの比率(金属層6の厚さ/金属層7の厚さ)が0.2以上0.9以下となるように形成されている。
本実施形態のパワーモジュール用基板3においては、例えば、回路層となる金属層6の厚さは0.6mmとされ、放熱層となる金属層7の厚さが1.6mmとされており、その厚さの比率は0.375となる。
これら金属層6,7は、プレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板2に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板2に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。
In this case, the thickness of the metal layers 6 and 7 serving as the circuit layer and the heat dissipation layer is such that the ratio of the thickness of the metal layer 6 to the metal layer 7 (the thickness of the metal layer 6 / the thickness of the metal layer 7) is 0. .2 or more and 0.9 or less.
In the power module substrate 3 of the present embodiment, for example, the thickness of the metal layer 6 that is a circuit layer is 0.6 mm, and the thickness of the metal layer 7 that is a heat dissipation layer is 1.6 mm. The thickness ratio is 0.375.
These metal layers 6 and 7 are formed into a desired external shape by etching after bonding a material punched into a desired external shape by pressing to the ceramic substrate 2 or joining a flat plate to the ceramic substrate 2. Either method can be employed.

なお、本実施形態のパワーモジュール用基板3は、放熱層となる金属層7の厚さの方が回路層となる金属層6の厚さよりも厚い例であるが、逆の形態として、放熱層となる金属層7の厚さの方が回路層となる金属層6の厚さよりも薄く設けられるものであってもよい。
以下、特に指定しない限り、金属層7の厚さの方が金属層6の厚さよりも厚いものとして説明する。
また、両金属層6,7の厚さは、上述の厚さに限定されることはなく、例えば、0.6mmよりも薄いものや、1.6mmよりも厚いものも用いられる。
The power module substrate 3 of the present embodiment is an example in which the thickness of the metal layer 7 serving as a heat dissipation layer is thicker than the thickness of the metal layer 6 serving as a circuit layer. The thickness of the metal layer 7 to be used may be smaller than the thickness of the metal layer 6 to be the circuit layer.
Hereinafter, unless otherwise specified, it is assumed that the thickness of the metal layer 7 is greater than the thickness of the metal layer 6.
Moreover, the thickness of both the metal layers 6 and 7 is not limited to the above-mentioned thickness, For example, the thing thinner than 0.6 mm and the thing thicker than 1.6 mm are used.

セラミックス基板2と回路層及び放熱層となる金属層6,7とは、ろう付けにより積層されている。ろう材としては、Al−Si系、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系またはAl−Mn系等の合金が使用される。   The ceramic substrate 2 and the metal layers 6 and 7 serving as a circuit layer and a heat dissipation layer are laminated by brazing. As the brazing material, an alloy such as Al—Si, Al—Ge, Al—Cu, Al—Mg, or Al—Mn is used.

なお、金属層6と電子部品4との接合には、Sn−Ag−Cu系,Zn−Al系もしくはPb−Sn系等のはんだ材が用いられる。図中符号8がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品4と金属層6の端子部との間は、アルミニウム等からなるボンディングワイヤ(図示略)により接続される。   For joining the metal layer 6 and the electronic component 4, a solder material such as Sn—Ag—Cu, Zn—Al, or Pb—Sn is used. Reference numeral 8 in the figure indicates the solder joint layer. The electronic component 4 and the terminal portion of the metal layer 6 are connected by a bonding wire (not shown) made of aluminum or the like.

また、ヒートシンク5は、平板状のもの、熱間鍛造等によって多数のピン状フィンを一体に形成したもの、押出成形によって相互に平行な帯状フィンを一体に形成したもの等、適宜の形状のものを採用することができる。
放熱層となる金属層7とヒートシンク5との間の接合法としては、Al−Si系、Al−Ge系、Al−Cu系、Al−Mg系またはAl−Mn系等の合金のろう材によるろう付け法や、Al−Si系のろう材にフラックスを用いたノコロックろう付け法、金属層およびヒートシンクにNiめっきを施し、Sn−Ag−Cu系、Zn−AlもしくはPb−Sn系等のはんだ材によりはんだ付けする方法が用いられ、あるいは、シリコングリースによって密着させた状態でねじによって機械的に固定される。
Further, the heat sink 5 has an appropriate shape, such as a flat plate, one in which a large number of pin-shaped fins are integrally formed by hot forging or the like, and one in which strip-like fins are formed in parallel by extrusion. Can be adopted.
As a joining method between the heat sink 5 and the metal layer 7 serving as a heat dissipation layer, an Al—Si based, Al—Ge based, Al—Cu based, Al—Mg based, or Al—Mn based alloy brazing material is used. Brazing method, Nocolok brazing method using flux for Al-Si based brazing material, Ni plating on metal layer and heat sink, Sn-Ag-Cu based, Zn-Al or Pb-Sn based solder A method of soldering with a material is used, or it is mechanically fixed with screws in a state of being in close contact with silicon grease.

このように構成される本実施形態のパワーモジュール1は、以下のようにして製造される。
まず、セラミックス基板2の一方の面に回路層となる金属層6をろう材箔を介して積層し、セラミックス基板2の他方の面に放熱層となる金属層7もろう材箔を介して積層する。そして、この積層体Sを図2に示す加圧装置110に設置する。
この加圧装置110は、ベース板111と、ベース板111の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト112と、これらガイドポスト112の上端部に固定された固定板113と、これらベース板111と固定板113との間で上下移動自在にガイドポスト112に支持された押圧板114と、固定板113と押圧板114との間に設けられて押圧板114を下方に付勢するばね等の付勢手段115とを備えている。
固定板113および押圧板114は、ベース板111に対して平行に配置されており、ベース板111と押圧板114との間に前述の積層体Sが配置される。積層体Sの両面に加圧を均一にするためにカーボンシート116が配設される。
この加圧装置110により積層体Sを加圧した状態で、加圧装置110ごと図示略の加熱炉内に設置し、真空雰囲気中で例えば630℃のろう付け温度に加熱してろう付けを行うことにより、パワーモジュール用基板3を製造する。
The power module 1 of the present embodiment configured as described above is manufactured as follows.
First, a metal layer 6 serving as a circuit layer is laminated on one surface of the ceramic substrate 2 via a brazing material foil, and a metal layer 7 serving as a heat dissipation layer is also laminated on the other surface of the ceramic substrate 2 via a brazing material foil. To do. And this laminated body S is installed in the pressurization apparatus 110 shown in FIG.
The pressure device 110 includes a base plate 111, guide posts 112 vertically attached to the four corners of the upper surface of the base plate 111, a fixed plate 113 fixed to the upper ends of the guide posts 112, and the base plates 111. A pressing plate 114 supported by a guide post 112 so as to freely move up and down between the fixing plate 113 and a spring provided between the fixing plate 113 and the pressing plate 114 to urge the pressing plate 114 downward. And urging means 115.
The fixed plate 113 and the pressing plate 114 are arranged in parallel to the base plate 111, and the above-described laminate S is arranged between the base plate 111 and the pressing plate 114. Carbon sheets 116 are disposed on both sides of the laminate S in order to make the pressure uniform.
In a state where the laminate S is pressurized by the pressurizing device 110, the pressurizing device 110 is installed in a heating furnace (not shown) and brazed by heating to a brazing temperature of, for example, 630 ° C. in a vacuum atmosphere. Thus, the power module substrate 3 is manufactured.

図1に示すパワーモジュール用基板3のように、回路層及び放熱層となる金属層6,7の厚さを異ならせた場合、ろう付け時の加熱による熱伸縮の差が大きいので、接合後の冷却過程で発生する残留応力のために、常温まで戻して加圧状態を解放すると薄肉の金属層6側を凸とする反りが生じる。冷却過程において、常温以下の低温までさらに冷却を進めると、熱収縮による変形(反り量)は、さらに増加することとなる。
本実施形態においては、この金属層6側を凸とする反りが生じたパワーモジュール用基板に対して、反りを矯正するように荷重を負荷し、厚さ方向に加圧した状態で冷却を行う。その際、9.8×10Pa(1kg/cm)以上343×10Pa(35kg/cm)以下で加圧した状態で−5℃以下−70℃以上の範囲内に冷却することが好ましい。加圧状態のパワーモジュール用基板を冷却する場合、図2に示す加圧装置ごと冷却器に投入すると、通常5分程度でパワーモジュール用基板も雰囲気温度に到達することから、保持時間としては、パワーモジュール用基板をその冷却温度まで冷却するために、冷却器へ投入後5分程度放置するとよい。より好ましくは、−10℃〜−20℃で10分間の冷却を行うとよい。
When the thicknesses of the metal layers 6 and 7 serving as the circuit layer and the heat dissipation layer are different as in the power module substrate 3 shown in FIG. 1, there is a large difference in thermal expansion and contraction due to heating during brazing. Due to the residual stress generated during the cooling process, when the pressure state is released by returning to normal temperature, a warp is formed in which the thin metal layer 6 side is convex. In the cooling process, when the cooling is further advanced to a low temperature of room temperature or lower, the deformation (warping amount) due to thermal shrinkage further increases.
In the present embodiment, the power module substrate on which the warp with the metal layer 6 side convex is applied with a load so as to correct the warp and cooled in a state of being pressurized in the thickness direction. . At that time, it is cooled within a range of −5 ° C. or lower and −70 ° C. or higher in a state of being pressurized at 9.8 × 10 4 Pa (1 kg / cm 2 ) or more and 343 × 10 4 Pa (35 kg / cm 2 ) or less. Is preferred. When cooling the power module substrate in a pressurized state, if the entire pressure device shown in FIG. 2 is put into the cooler, the power module substrate normally reaches the ambient temperature in about 5 minutes. In order to cool the power module substrate to its cooling temperature, it may be left for about 5 minutes after being put into the cooler. More preferably, it is good to cool at -10 degreeC--20 degreeC for 10 minutes.

この場合、両金属層6,7とセラミックス基板2とは厚さ方向に加圧され、反りが生じないように拘束されていることから、冷却時において見かけ上は変化がないように見えるが、応力に抗して加圧されていることにより金属層6,7に塑性変形が生じる。両金属層6,7の塑性変形は、反りとは逆方向の変形であり、その塑性変形領域まで冷却した後に常温まで戻すと、塑性変形した分、反りが相殺されて、冷却前の常温時に生じていた反りよりも、冷却後の常温時の反りの方が小さくなる。したがって、冷却前の常温時の応力よりも、冷却後の常温時の応力の方が小さくなる。
このように、両金属層6,7とセラミックス基板2とを厚さ方向に加圧した状態で冷却することにより、両金属層6,7に、熱伸縮による反りと逆向きの塑性変形を生じさせ、パワーモジュール用基板3の全体の反りを低減させることができる。
In this case, since both the metal layers 6 and 7 and the ceramic substrate 2 are pressed in the thickness direction and are restrained so as not to warp, there appears to be no change during cooling. The metal layers 6 and 7 are plastically deformed by being pressed against the stress. The plastic deformation of both the metal layers 6 and 7 is a deformation in the opposite direction to the warp. When cooled to the plastic deformation region and returned to room temperature, the warp is offset by the amount of plastic deformation, and at normal temperature before cooling. The warp at normal temperature after cooling is smaller than the warp that has occurred. Therefore, the stress at normal temperature after cooling is smaller than the stress at normal temperature before cooling.
Thus, by cooling both the metal layers 6 and 7 and the ceramic substrate 2 in a state where they are pressed in the thickness direction, both the metal layers 6 and 7 undergo plastic deformation opposite to the warp due to thermal expansion and contraction. The overall warpage of the power module substrate 3 can be reduced.

次に、本発明の効果を確認するために行った実施例および比較例について説明する。
回路層及び放熱層ともにアルミニウム純度99.99質量%の28mm角の金属層を用い、回路層となる金属層6の厚さは0.6mm、放熱層となる金属層7の厚さは1.6mmとした。これらの金属層の厚さの比率(回路層の厚さ/放熱層の厚さ)は0.375である。セラミックス基板2には、AlNを用い、厚さ0.635mmとした。これら金属層6,7とセラミックス基板2とは、厚さ10μm〜15μmのAl−Si系ろう材を用いて接合した。
このように構成されたパワーモジュール用基板の製造には、まず、金属層6の裏面とセラミックス基板2の表面、および金属層7の表面とセラミックス基板2の裏面を、それぞれろう材を挟んで当接させ、これらを積層したセラミックス基板2および金属層6,7を厚さ方向に加圧しながら、真空雰囲気中、600℃〜650℃で約1時間加熱することにより、セラミックス基板2と両金属層6,7とをろう付け接合し、試料1〜15のパワーモジュール用基板を製造した。
Next, examples and comparative examples performed for confirming the effects of the present invention will be described.
A 28 mm square metal layer having an aluminum purity of 99.99 mass% is used for both the circuit layer and the heat dissipation layer, the thickness of the metal layer 6 serving as the circuit layer is 0.6 mm, and the thickness of the metal layer 7 serving as the heat dissipation layer is 1. It was 6 mm. The ratio of the thicknesses of these metal layers (circuit layer thickness / heat dissipation layer thickness) is 0.375. The ceramic substrate 2 was made of AlN and had a thickness of 0.635 mm. The metal layers 6 and 7 and the ceramic substrate 2 were bonded using an Al—Si brazing material having a thickness of 10 μm to 15 μm.
In manufacturing the power module substrate thus configured, first, the back surface of the metal layer 6 and the front surface of the ceramic substrate 2, and the front surface of the metal layer 7 and the back surface of the ceramic substrate 2 are respectively sandwiched by brazing materials. The ceramic substrate 2 and the metal layers 6, 7 laminated with each other are heated in a vacuum atmosphere at 600 ° C. to 650 ° C. for about 1 hour while being pressed in the thickness direction. 6 and 7 were brazed and joined, and power module substrates of Samples 1 to 15 were manufactured.

その後、セラミックス基板2と金属層6,7とを加圧した状態で常温まで冷却し、加圧を解放した。この状態では、薄肉の金属層6側を凸とする反りが認められた。そして、これら接合後のパワーモジュール用基板について全体の反りを測定した。これらの測定結果を接合後の反り量として28mm長さ当たりの平面度を表1に示す。
次に、各試料1〜15について、平面度改善のために3種類の処理を実施し、これらの平面度改善後の各試料1〜15の反り量について測定を行った。試料1〜5については、接合後に53.9×10Pa(5.5kg/cm)で厚さ方向に加圧し、その加圧状態を20分間保持した後に加圧を解く方法で平面度改善を行った。試料6〜10については、接合後に加圧を解いた状態で−70℃まで冷却し、全体の温度が一定となるように20分間保持した後に、再度−70℃から常温まで戻す方法で行った。また、試料11〜15については、接合後に53.9×10Pa(5.5kg/cm)で厚さ方向に加圧し、その加圧状態で−70℃まで冷却し、冷却および加圧を20分間保持した後に、再度−70℃から常温まで戻し、加圧を解く方法で行った。これら試料1〜15の平面度改善後の反り量の測定結果を表1に示す。
なお、平面度は、定盤上にパワーモジュール用基板を載置し、上部よりレーザー変位計で測定した。また、平面度変化率Zは、接合後の平面度をXとし、平面度改善後の平面度をYとした場合に、Z=(X−Y)/X×100(%)により算出される値である。
Thereafter, the ceramic substrate 2 and the metal layers 6 and 7 were cooled to room temperature while being pressurized, and the pressure was released. In this state, a warp having a convex on the thin metal layer 6 side was recognized. And the whole curvature about the board | substrate for power modules after these joining was measured. Table 1 shows the flatness per 28 mm length with these measurement results as the amount of warpage after joining.
Next, each sample 1-15 was subjected to three types of processing for improving the flatness, and the amount of warpage of each sample 1-15 after the improvement of the flatness was measured. Samples 1 to 5 were flattened by a method in which pressure was applied in the thickness direction at 53.9 × 10 4 Pa (5.5 kg / cm 2 ) after bonding, the pressure state was maintained for 20 minutes, and then the pressure was released. Improved. Samples 6 to 10 were cooled to -70 ° C with the pressure released after bonding, held for 20 minutes so that the entire temperature was constant, and then returned from -70 ° C to room temperature. . Moreover, about the samples 11-15, after joining, it pressurizes to thickness direction by 53.9 * 10 < 4 > Pa (5.5 kg / cm < 2 >), it cools to -70 degreeC in the pressurization state, cooling and pressurization After holding for 20 minutes, the temperature was returned from −70 ° C. to room temperature, and the pressure was released. Table 1 shows the measurement results of the warpage amount after improving the flatness of these samples 1 to 15.
The flatness was measured by placing a power module substrate on a surface plate and using a laser displacement meter from above. The flatness change rate Z is calculated by Z = (X−Y) / X × 100 (%), where X is the flatness after bonding, and Y is the flatness after the flatness is improved. Value.

Figure 0005786569
Figure 0005786569

表1からわかるように、試料11〜15については、所定の荷重を付加し、その加圧状態で冷却を行うことにより、平面度改善前と比べて反り量が大幅に低減された。平面度改善の方法として加圧のみ行う場合(試料1〜5)や、冷却のみ行う場合(試料6〜10)においても反り量は低減されたが、加圧と冷却とを同時に行う場合(試料11〜15)と比べて、効果は小さかった。
なお、上記においては、セラミックス基板と両金属層とを−70℃まで冷却したが、金属層に塑性変形が生じる温度領域まで冷却すればよい。どの程度まで冷却するかは、パワーモジュール用基板の面積、板厚、材質等によって生じる反り量の程度に応じて設定すればよい。例えば、少なくとも−10℃〜−20℃まで冷却し、その状態を10分間保持することが好ましい。
As can be seen from Table 1, with respect to Samples 11 to 15, by applying a predetermined load and cooling in the pressurized state, the amount of warpage was greatly reduced as compared to before flatness improvement. As a method for improving flatness, the amount of warpage was reduced when only pressing (samples 1 to 5) or only cooling (samples 6 to 10) was performed, but when pressing and cooling were performed simultaneously (sample) Compared with 11-15), the effect was small.
In the above description, the ceramic substrate and both metal layers are cooled to -70 ° C., but may be cooled to a temperature range where plastic deformation occurs in the metal layer. The degree of cooling may be set according to the degree of warpage caused by the area, thickness, material, etc. of the power module substrate. For example, it is preferable to cool to at least −10 ° C. to −20 ° C. and hold this state for 10 minutes.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態においては、セラミックス基板と両金属層との接合後に一度加圧を解放し、冷却過程において再度の加圧を行っていたが、接合後に加圧を解放せずに、そのまま連続して冷却を行ってもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, in the above embodiment, the pressurization is once released after the ceramic substrate and the two metal layers are joined, and the pressurization is performed again in the cooling process. Then, cooling may be performed.

また、セラミックス基板と金属層との接合は、ろう付け以外にもはんだ付けも可能である。また、TLP接合法(Transient Liquid Phase Bonding)と称される過渡液相接合法によって接合してもよい。この過渡液相接合法においては、金属層の表面に蒸着させた銅層を、金属層とセラミックス基板との界面に介在させて行う。加熱により、金属層のアルミニウム中に銅が拡散し、金属層の銅層近傍の銅濃度が上昇して融点が低下し、アルミニウムと銅との共晶域にて接合界面に金属液相が形成される。この金属液相が形成された状態で温度を一定に保持しておくと、金属液相がセラミックス基板と反応するとともに、銅がさらにアルミニウム中に拡散することに伴い、金属液相中の銅濃度が徐々に低下して融点が上昇し、温度を一定に保持した状態で凝固が進行する。これにより、金属層とセラミックス基板との強固な接合が得られる。
また、セラミックス基板と金属層とを、活性金属ろう材を用いて接合する方法を採用することもできる。例えば、活性金属であるTiを含む活性金属ろう材(Ag‐27.4質量%Cu‐2.0質量%Ti)を用い、金属層とセラミックス基板との積層体を加圧した状態で真空中で加熱し、活性金属であるTiをセラミックス基板に優先的に拡散させて、Ag‐Cu合金を介して金属層とセラミックス基板とを接合できる。
The ceramic substrate and the metal layer can be joined by soldering in addition to brazing. Moreover, you may join by the transient liquid phase joining method called TLP joining method (Transient Liquid Phase Bonding). In this transient liquid phase bonding method, a copper layer deposited on the surface of the metal layer is interposed at the interface between the metal layer and the ceramic substrate. By heating, copper diffuses into the aluminum of the metal layer, the copper concentration in the vicinity of the copper layer of the metal layer increases and the melting point decreases, and a metal liquid phase forms at the bonding interface in the eutectic region of aluminum and copper Is done. If the temperature is kept constant in a state in which this metal liquid phase is formed, the metal liquid phase reacts with the ceramic substrate, and copper further diffuses into the aluminum, so that the copper concentration in the metal liquid phase Gradually decreases, the melting point rises, and solidification proceeds with the temperature kept constant. As a result, a strong bond between the metal layer and the ceramic substrate can be obtained.
Moreover, the method of joining a ceramic substrate and a metal layer using an active metal brazing material can also be employ | adopted. For example, an active metal brazing material (Ag-27.4% by mass Cu-2.0% by mass Ti) containing Ti, which is an active metal, is used in a state where a laminate of a metal layer and a ceramic substrate is pressurized. By heating with Ti, the active metal Ti is preferentially diffused into the ceramic substrate, and the metal layer and the ceramic substrate can be joined via the Ag-Cu alloy.

1 パワーモジュール
2 セラミックス基板
3 パワーモジュール用基板
4 電子部品
5 ヒートシンク
6,7 金属層
8 はんだ接合層
110 加圧装置
111 ベース板
112 ガイドポスト
113 固定板
114 押圧板
115 付勢手段
116 カーボンシート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power module 2 Ceramic substrate 3 Power module substrate 4 Electronic component 5 Heat sink 6, 7 Metal layer 8 Solder joint layer 110 Pressurizing device 111 Base plate 112 Guide post 113 Fixing plate 114 Press plate 115 Energizing means 116 Carbon sheet

Claims (2)

セラミックス基板の両面に異なる厚さの金属層が積層されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、両金属層を前記セラミックス基板の両面に配置し、これらを加熱して接合した後に、その接合体を平行な板の間で厚さ方向に加圧した状態で冷却することにより前記金属層に塑性変形を生じさせ、その後、常温まで戻してから加圧を解く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 metal layers having different thicknesses are laminated on both surfaces of a ceramic substrate, wherein both metal layers are disposed on both surfaces of the ceramic substrate, and these are heated and bonded, and then bonded The power module substrate is characterized in that the body is cooled in a state of being pressed in the thickness direction between parallel plates to cause plastic deformation in the metal layer, and then the pressure is released after returning to room temperature . Production method. 請求項1記載のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記セラミックス基板の両面に積層される厚みの厚い金属層に対する薄い金属層の厚さの比率を0.2以上0.9以下で構成し、厚さ方向に9.8×10Pa以上343×10Pa以下で加圧した状態で−5℃以下−70℃以上の範囲内に冷却することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 In the manufacturing method of the board | substrate for power modules of Claim 1, The ratio of the thickness of the thin metal layer with respect to the thick metal layer laminated | stacked on both surfaces of the said ceramic substrate is comprised by 0.2 or more and 0.9 or less, A method for producing a substrate for a power module, characterized by cooling in a range of −5 ° C. or lower and −70 ° C. or higher in a state of being pressurized at 9.8 × 10 4 Pa or more and 343 × 10 4 Pa or less in the thickness direction. .
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