JP5825380B2 - Copper / ceramic bonding body and power module substrate - Google Patents
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Description
この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材とアルミナからなるセラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体、この銅／セラミックス接合体からなるパワーモジュール用基板に関するものである。 The present invention relates to a copper / ceramic bonded body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of alumina are bonded, and a power module substrate made of the copper / ceramic bonded body.
ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えたパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層が形成したものも提供されている。
A semiconductor device such as an LED or a power module has a structure in which a semiconductor element is bonded on a circuit layer made of a conductive material.
In power semiconductor elements for large power control used to control wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, etc., the amount of heat generated is large. Therefore, for example, AlN (aluminum nitride), Al 2. Description of the Related Art Conventionally, a power module substrate including a ceramic substrate made of 2 O 3 (alumina) or the like and a circuit layer formed by bonding a metal plate having excellent conductivity to one surface of the ceramic substrate has been widely used. It is used. As the power joule substrate, a substrate in which a metal layer is formed by bonding a metal plate to the other surface of the ceramic substrate is also provided.
例えば、特許文献１には、回路層及び金属層を構成する第一の金属板及び第二の金属板を銅板とし、この銅板をＤＢＣ法によってセラミックス基板に直接接合したパワーモジュール用基板が提案されている。このＤＢＣ法においては、銅と銅酸化物との共晶反応を利用することにより、銅板とセラミックス基板との界面に液相を生じさせ、銅板とセラミックス基板とを接合している。 For example, Patent Document 1 proposes a power module substrate in which a first metal plate and a second metal plate constituting a circuit layer and a metal layer are copper plates, and the copper plates are directly bonded to a ceramic substrate by a DBC method. ing. In this DBC method, by utilizing a eutectic reaction between copper and copper oxide, a liquid phase is generated at the interface between the copper plate and the ceramic substrate, and the copper plate and the ceramic substrate are joined.
また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、銅板を接合することにより回路層及び金属層を形成したパワーモジュール用基板が提案されている。このパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を介在させて銅板を配置し、加熱処理を行うことにより銅板が接合されている（いわゆる活性金属ろう付け法）。この活性金属ろう付け法では、活性金属であるＴｉが含有されたろう材を用いているため、溶融したろう材とセラミックス基板との濡れ性が向上し、セラミックス基板と銅板とが良好に接合されることになる。 Patent Document 2 proposes a power module substrate in which a circuit layer and a metal layer are formed by bonding a copper plate to one surface and the other surface of a ceramic substrate. In this power module substrate, a copper plate is disposed on one surface and the other surface of the ceramic substrate with an Ag—Cu—Ti brazing material interposed therebetween, and heat treatment is performed to bond the copper plate ( So-called active metal brazing). In this active metal brazing method, since a brazing material containing Ti, which is an active metal, is used, the wettability between the molten brazing material and the ceramic substrate is improved, and the ceramic substrate and the copper plate are bonded well. It will be.
しかしながら、特許文献１に開示されているように、ＤＢＣ法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、接合温度を１０６５℃以上（銅と銅酸化物との共晶点温度以上）にする必要があることから、接合時にセラミックス基板が劣化してしまうおそれがあった。
また、特許文献２に開示されているように、活性金属ろう付け法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、接合温度が９００℃と比較的高温とされていることから、やはり、セラミックス基板が劣化してしまうといった問題があった。ここで、接合温度を低下させると、ろう材がセラミックス基板と十分に反応せず、セラミックス基板と銅板との界面でとの接合率が低下してしまい、信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することができなくなる。さらに、活性金属ろう付け法によって、アルミナからなるセラミックス基板と銅板とを接合した場合には、セラミックス基板と銅板との接合界面にＴｉ酸化物層が厚く形成される。このＴｉ酸化物層は硬く脆いため、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板に割れが発生するおそれがあった。
However, as disclosed in Patent Document 1, when the ceramic substrate and the copper plate are bonded by the DBC method, the bonding temperature is set to 1065 ° C. or higher (eutectic point temperature of copper and copper oxide or higher). Since it is necessary, the ceramic substrate may be deteriorated during bonding.
Further, as disclosed in Patent Document 2, when the ceramic substrate and the copper plate are bonded by the active metal brazing method, the bonding temperature is relatively high, 900 ° C. There was a problem that the substrate deteriorated. Here, when the bonding temperature is lowered, the brazing material does not sufficiently react with the ceramic substrate, and the bonding rate at the interface between the ceramic substrate and the copper plate decreases, thereby providing a highly reliable power module substrate. Can not do. Furthermore, when the ceramic substrate made of alumina and the copper plate are joined by the active metal brazing method, a thick Ti oxide layer is formed at the joining interface between the ceramic substrate and the copper plate. Since this Ti oxide layer is hard and brittle, there is a possibility that cracks may occur in the ceramic substrate when a thermal cycle is applied.
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、銅又は銅合金からなる銅部材とアルミナからなるセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体、及び、この銅／セラミックス接合体からなるパワーモジュール用基板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 a copper / ceramic bonded body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of alumina are securely bonded, and the copper / ceramics It aims at providing the board | substrate for power modules which consists of a joining body.
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の銅／セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、アルミナからなるセラミックス部材とが接合された銅／セラミックス接合体であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面には、活性元素と酸素と燐とを含有する活性元素酸化物層が形成されており、この活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上２２０ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。 In order to solve such problems and achieve the above object, the copper / ceramic bonded body of the present invention is a copper / ceramic bonded to a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of alumina. An active element oxide layer containing an active element, oxygen, and phosphorus is formed at a bonding interface between the copper member and the ceramic member, and the thickness of the active element oxide layer. Is in the range of 5 nm to 220 nm.
この構成の銅／セラミックス接合体においては、銅又は銅合金からなる銅部材とアルミナからなるセラミックス部材との接合界面に、活性元素と酸素と燐とを含有する活性元素酸化物層が形成された構造とされている。そして、本発明では、この活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上とされているので、セラミックス部材と銅部材とが確実に接合され、接合強度を確保することが可能となる。一方、活性元素酸化物層の厚さが２２０ｎｍ以下とされているので、比較的硬くて脆い活性元素酸化物層の厚さが薄く、例えば冷熱サイクル負荷時の熱応力によってセラミックス部材に割れが生じることを抑制できる。 In the copper / ceramic bonded body having this configuration, an active element oxide layer containing an active element, oxygen, and phosphorus is formed at the bonding interface between a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of alumina. It is structured. And in this invention, since the thickness of this active element oxide layer shall be 5 nm or more, it becomes possible to join a ceramic member and a copper member reliably, and to ensure joining strength. On the other hand, since the thickness of the active element oxide layer is 220 nm or less , the thickness of the active element oxide layer that is relatively hard and brittle is thin. This can be suppressed.
ここで、活性元素を介在させて銅部材とアルミナからなるセラミックス部材とを高温保持の条件で接合した場合、活性元素とアルミナの酸素とが反応し、厚い酸化物層が形成されることになる。本発明では、低温の条件で銅部材とアルミナからなるセラミックス部材とを接合することにより、活性元素酸化物層を比較的薄く形成することが可能となる。
また、接合界面に燐（Ｐ）を介在させると、この燐（Ｐ）が活性元素と結合するとともに酸素と反応することにより、セラミックス部材の表面に燐（Ｐ）を含有する前記活性元素酸化物層が形成されやすくなる。よって、低温の条件でも、銅部材とセラミックス部材とを確実に接合することができる。これにより、接合時におけるセラミックス部材の熱劣化等を抑制することが可能となる。
なお、本発明においては、活性金属として、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等を用いることができる。さらに、アルミナとして、９２％アルミナ、９６％アルミナ、９８％アルミナ、ジルコニア強化アルミナ等を用いることができる。
Here, when an active element is interposed and a ceramic member made of alumina and a ceramic member made of alumina are bonded together under the condition of maintaining a high temperature, the active element and oxygen of alumina react to form a thick oxide layer. . In the present invention, an active element oxide layer can be formed relatively thin by bonding a copper member and a ceramic member made of alumina under low temperature conditions.
Further, when phosphorus (P) is interposed at the bonding interface, the phosphorus (P) is bonded to the active element and reacts with oxygen, whereby the active element oxide containing phosphorus (P) on the surface of the ceramic member. A layer is easily formed. Therefore, the copper member and the ceramic member can be reliably bonded even under low temperature conditions. Thereby, it becomes possible to suppress the thermal deterioration of the ceramic member at the time of joining.
In the present invention, Ti, Zr, Hf, etc. can be used as the active metal. Furthermore, as alumina, 92% alumina, 96% alumina, 98% alumina, zirconia reinforced alumina, or the like can be used.
本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記活性元素酸化物層における燐濃度が、１．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされていてもよい。
この場合、前記活性元素酸化物層における燐濃度（Ｐ濃度）が、１．５ｍａｓｓ％以上とされているので、低温の条件でも確実に前記活性元素酸化物層を形成でき、銅部材とセラミックス部材とを強固に接合することが可能となる。また、前記活性元素酸化物層における燐濃度（Ｐ濃度）が、１０ｍａｓｓ％以下とされているので、前記活性元素酸化物層が過剰に硬くなることがなく、例えば冷熱サイクル負荷時の熱応力によってセラミックス部材に割れが生じることを抑制できる。
In the copper / ceramic bonding article of the present invention, the phosphorus concentration in the active element oxide layer may be in the range of 1.5 mass% to 10 mass%.
In this case, since the phosphorus concentration (P concentration) in the active element oxide layer is 1.5 mass% or more, the active element oxide layer can be reliably formed even under low temperature conditions, and a copper member and a ceramic member. Can be firmly joined. In addition, since the phosphorus concentration (P concentration) in the active element oxide layer is set to 10 mass% or less, the active element oxide layer is not excessively hardened, for example, due to thermal stress during a cooling cycle load. It can suppress that a ceramic member is cracked.
本発明のパワーモジュール用基板は、アルミナからなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されたパワーモジュール用基板であって、上述の銅／セラミックス接合体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よれば、上述の銅／セラミックス接合体で構成されているので、低温の条件で接合することによりセラミックス基板への熱負荷を軽減でき、セラミックス基板の劣化を抑制することができる。また、低温の条件で接合した場合であっても、セラミックス基板と銅板とが確実に接合しており、接合信頼性を確保することができる。なお、セラミックス基板の表面に接合された銅板は、回路層あるいは金属層として用いられる。
The power module substrate of the present invention is a power module substrate in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate made of alumina, and is composed of the above-described copper / ceramic bonded body. It is characterized by.
According to the power module substrate having this configuration, the above-described copper / ceramic bonding body is used, so that the thermal load on the ceramic substrate can be reduced by bonding under low temperature conditions, and deterioration of the ceramic substrate is suppressed. be able to. Moreover, even if it joins on low temperature conditions, the ceramic substrate and the copper plate have joined reliably, and joining reliability can be ensured. In addition, the copper plate joined to the surface of the ceramic substrate is used as a circuit layer or a metal layer.
本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅部材とアルミナからなるセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体、及び、この銅／セラミックス接合体からなるパワーモジュール用基板を提供することが可能となる。 According to the present invention, there are provided a copper / ceramic bonding body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of alumina are securely bonded, and a power module substrate made of the copper / ceramic bonding body. It becomes possible.
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。
本実施形態に係る銅／セラミックス接合体は、アルミナからなるセラミックス部材としてのセラミックス基板１１と、銅または銅合金からなる銅部材としての銅板２２（回路層１２）とが接合されることにより構成されたパワーモジュール用基板１０とされている。
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１０及びこのパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
The copper / ceramic bonded body according to the present embodiment is configured by bonding a ceramic substrate 11 as a ceramic member made of alumina and a copper plate 22 (circuit layer 12) as a copper member made of copper or a copper alloy. The power module substrate 10 is used.
FIG. 1 shows a power module substrate 10 according to an embodiment of the present invention and a power module 1 using the power module substrate 10.
このパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０の一方側（図１において上側）の面にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、パワーモジュール用基板１０の他方側（図１において下側）に配置されたヒートシンク５１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。
The power module 1 includes a power module substrate 10, a semiconductor element 3 bonded to a surface on one side (the upper side in FIG. 1) of the power module substrate 10 via a solder layer 2, and the power module substrate 10. And a heat sink 51 disposed on the other side (lower side in FIG. 1).
Here, the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material.
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、本実施形態のセラミックス基板１１は、アルミナの１種である９８％アルミナで構成されている。ここで、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、０．３８ｍｍに設定されている。
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 the ceramic substrate 11 of this embodiment is made of 98% alumina which is a kind of alumina. . Here, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and is set to 0.38 mm in the present embodiment.
回路層１２は、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板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を構成する銅板２２として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６ｍｍに設定されている。 As shown in FIG. 4, the circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate 22 made of copper or a copper alloy to one surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, an oxygen-free copper rolled plate is used as the copper plate 22 constituting the circuit layer 12. A circuit pattern is formed on the circuit layer 12, and one surface (the upper surface in FIG. 1) is a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted. Here, the thickness of the circuit layer 12 is set within a range of 0.1 mm to 1.0 mm, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
金属層１３は、図４に示すように、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウム板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、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板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。なお、このアルミニウム板２３は、０．２％耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下とされている。ここで、金属層１３（アルミニウム板２３）の厚さは０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。 As shown in FIG. 4, the metal layer 13 is formed by bonding an aluminum plate 23 to the other surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate 23 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to the ceramic substrate 11. The aluminum plate 23 has a 0.2% proof stress of 30 N / mm 2 or less. Here, the thickness of the metal layer 13 (aluminum plate 23) is set in the range of 0.5 mm or more and 6 mm or less, and is set to 2.0 mm in this embodiment.
ヒートシンク５１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５２と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路５３とを備えている。ヒートシンク５１（天板部５２）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。
このヒートシンク５１（天板部５２）は、本実施形態においては、パワーモジュール用基板１０の金属層１３にろう付けによって直接接合されている。
The heat sink 51 is for cooling the power module substrate 10 described above, and includes a top plate portion 52 joined to the power module substrate 10 and a flow path 53 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). It has. The heat sink 51 (top plate portion 52) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and is made of A6063 (aluminum alloy) in the present embodiment.
In the present embodiment, the heat sink 51 (top plate portion 52) is directly joined to the metal layer 13 of the power module substrate 10 by brazing.
ここで、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）との接合界面には、活性元素と酸素と燐とを含む活性元素酸化物層３０が形成されている。本実施形態では、この活性元素酸化物層３０の厚さｔが、５ｎｍ以上２２０ｎｍ以下の範囲内とされている。
本実施形態においては、活性元素としてＴｉを有しており、上述の活性元素酸化物層３０は、Ｔｉと酸素（Ｏ）と燐（Ｐ）とを含むＴｉ−Ｐ−Ｏ層とされている。
なお、活性元素としてＺｒを用いた場合には、活性元素酸化物層３０はＺｒ−Ｐ−Ｏ層とされ、Ｎｂを用いた場合にはＮｂ−Ｐ−Ｏ層とされ、Ｈｆを用いた場合にはＨｆ−Ｐ−Ｏ層とされている。
また、本実施形態においては、活性元素酸化物層３０におけるＰの含有量が１．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされている。なお、ここでのＰの含有量は活性金属とＰとＯの合計量を１００とした含有量である。
Ｐの含有量が１．５ｍａｓｓ％以上とされているので、確実に活性元素酸化物層３０を形成することができ、セラミックス基板１１と回路層１２とを確実に接合することができる。また、Ｐの含有量が１０ｍａｓｓ％以下とされているので、活性元素酸化物層３０が過剰に硬くなることがなく、例えば冷熱サイクル負荷時の熱応力によるセラミックス基板への負荷を低減でき、接合界面の信頼性低下を防ぐことができる。
Here, as shown in FIG. 2, an active element oxide layer 30 containing an active element, oxygen, and phosphorus is formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (copper plate 22). In the present embodiment, the thickness t of the active element oxide layer 30 is in the range of 5 nm to 220 nm .
In the present embodiment, Ti is included as an active element, and the above active element oxide layer 30 is a Ti—PO layer containing Ti, oxygen (O), and phosphorus (P). .
When Zr is used as the active element, the active element oxide layer 30 is a Zr-PO layer, and when Nb is used, the active element oxide layer 30 is an Nb-PO layer, and when Hf is used. Is an Hf-PO layer.
In the present embodiment, the P content in the active element oxide layer 30 is in the range of 1.5 mass% to 10 mass%. In addition, content of P here is content which made the total amount of an active metal, P, and O 100. FIG.
Since the P content is 1.5 mass% or more, the active element oxide layer 30 can be reliably formed, and the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 can be reliably bonded. In addition, since the P content is 10 mass% or less, the active element oxide layer 30 is not excessively hardened, and for example, the load on the ceramic substrate due to the thermal stress during the thermal cycle load can be reduced. It is possible to prevent the reliability of the interface from being lowered.
次に、上述した本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the power module substrate 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図４において上面）に、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４、Ｔｉ箔２５、及び回路層１２となる銅板２２を順に積層する（第１積層工程Ｓ０１）とともに、セラミックス基板１１の他方の面（図４において下面）に、接合材２７を介して金属層１３となるＡｌ板２３を順に積層する（第２積層工程Ｓ０２）。 First, as shown in FIG. 4, a Cu—P brazing material 24, a Ti foil 25, and a copper plate 22 to be the circuit layer 12 are sequentially laminated on one surface (the upper surface in FIG. 4) of the ceramic substrate 11 (first Along with the one laminating step S01), the Al plate 23 to be the metal layer 13 is sequentially laminated on the other surface (the lower surface in FIG. 4) of the ceramic substrate 11 via the bonding material 27 (second laminating step S02).
ここで、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４として、Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲で含み、かつ、低融点元素であるＳｎを７ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下の範囲で含み、さらに、Ｎｉを２ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲で含むＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材を用いている。さらに、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４の厚さは、５μｍ以上５０μｍ以下の範囲とされている。 Here, in this embodiment, the Cu-P brazing material 24 includes P in a range of 3 mass% to 10 mass%, and includes Sn, which is a low melting point element, in a range of 7 mass% to 50 mass%. Furthermore, a Cu—P—Sn—Ni brazing material containing Ni in a range of 2 mass% to 15 mass% is used. Furthermore, the thickness of the Cu-P brazing material 24 is in the range of 5 μm to 50 μm.
また、本実施形態では、Ｔｉ箔２５の厚さは、０．５μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされ、本実施形態では厚さ１２μｍのＴｉ箔を用いている。
さらに、本実施形態では、アルミニウム板２３を接合する接合材２７として、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系ろう材（例えばＡｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材）を用いている。
In the present embodiment, the thickness of the Ti foil 25 is in the range of 0.5 μm or more and 25 μm or less. In the present embodiment, a Ti foil having a thickness of 12 μm is used.
Furthermore, in this embodiment, an Al—Si based brazing material (for example, Al—7.5 mass% Si brazing material) containing Si that is a melting point lowering element is used as the joining material 27 for joining the aluminum plate 23.
次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４、Ｔｉ箔２５、銅板２２、接合材２７、Ａｌ板２３を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱処理工程Ｓ０３）。本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、保持時間は３０分以上３６０分以下の範囲内に設定している。
以上の工程Ｓ０１〜Ｓ０３により、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。
Next, vacuum heating is performed in a state where the ceramic substrate 11, the Cu—P brazing material 24, the Ti foil 25, the copper plate 22, the bonding material 27, and the Al plate 23 are pressed in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ). The furnace is charged and heated (heat treatment step S03). In this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, the heating temperature is in the range of 600 ° C. to 650 ° C., and the holding time is 30 minutes to 360 minutes. Is set within the range.
Through the steps S01 to S03, the power module substrate 10 according to the present embodiment is manufactured.
次に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面側に、ヒートシンク５１を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）。
パワーモジュール用基板１０とヒートシンク５１とを、ろう材２８を介して積層し、積層方向に加圧するとともに真空炉内に装入してろう付けを行う。これにより、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク５１の天板部５２とを接合する。このとき、ろう材２８としては、例えば、厚さ２０〜１１０μｍのＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔（例えばＡｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｉろう材箔）を用いることができ、ろう付け温度は、加熱処理工程Ｓ０３における温度条件よりも低温に設定する。
Next, the heat sink 51 is bonded to the other surface side of the metal layer 13 of the power module substrate 10 (heat sink bonding step S04).
The power module substrate 10 and the heat sink 51 are laminated via the brazing material 28, pressurized in the laminating direction, and inserted into a vacuum furnace for brazing. As a result, the metal layer 13 of the power module substrate 10 and the top plate portion 52 of the heat sink 51 are joined. At this time, as the brazing material 28, for example, an Al—Si based brazing material foil (for example, Al-10 mass% Si brazing material foil) having a thickness of 20 to 110 μm can be used, and the brazing temperature is set in the heat treatment step S03. Set to a lower temperature than the temperature condition in.
次に、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の一方の面に、半導体素子３をはんだ付けにより接合する（半導体素子搭載工程Ｓ０５）。
以上の工程Ｓ０１〜Ｓ０５により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。
Next, the semiconductor element 3 is joined to one surface of the circuit layer 12 of the power module substrate 10 by soldering (semiconductor element mounting step S05).
Through the above steps S01 to S05, the power module 1 shown in FIG. 1 is produced.
ここで、加熱処理工程Ｓ０３においては、セラミックス基板１１と銅板２２との接合界面において、Ｔｉ箔２５のＴｉと、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４のＰと、セラミックス基板１１やＣｕ−Ｐ系ろう材２４等に存在する酸素と、が反応し、Ｐを含む活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｐ−Ｏ層）が形成される。セラミックス基板１１やＣｕ−Ｐ系ろう材２４等に存在する酸素としては、例えばセラミックス基板１１の表面に存在する酸化物、Ｔｉ箔２５やＣｕ−Ｐ系ろう材２４に含まれる酸化物等が挙げられる。なお、本実施形態では、加熱処理工程Ｓ０３が低温の条件で実施されていることから、セラミックス基板１１を構成するアルミナの分解が抑制され、アルミナからの酸素の供給が抑えられ、活性元素酸化物層３０を薄く形成することが可能となる。 Here, in the heat treatment step S03, at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the copper plate 22, Ti of the Ti foil 25, P of the Cu—P brazing material 24, and the ceramic substrate 11 or the Cu—P brazing material. The oxygen present in 24 and the like reacts to form an active element oxide layer 30 (Ti-PO layer) containing P. Examples of oxygen present in the ceramic substrate 11 and the Cu-P brazing material 24 include oxides present on the surface of the ceramic substrate 11, oxides contained in the Ti foil 25 and the Cu-P brazing material 24, and the like. It is done. In this embodiment, since the heat treatment step S03 is performed under a low temperature condition, decomposition of alumina constituting the ceramic substrate 11 is suppressed, supply of oxygen from alumina is suppressed, and active element oxide The layer 30 can be formed thin.
以上のような構成とされた本実施形態の銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板１０）によれば、無酸素銅からなる銅板２２（回路層１２）とアルミナからなるセラミックス基板１１とが、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４及びＴｉ箔２５を介して接合されており、セラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）との接合界面に、活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｐ−Ｏ層）が形成されているので、セラミックス基板１１と回路層１２とが強固に接合されることになる。 According to the copper / ceramic bonding body (power module substrate 10) of the present embodiment configured as described above, the copper plate 22 (circuit layer 12) made of oxygen-free copper and the ceramic substrate 11 made of alumina include: The active element oxide layer 30 (Ti-PO layer) is bonded to the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 (circuit layer 12). Thus, the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 are firmly bonded.
本実施形態では、活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｐ−Ｏ層）の厚さｔが５ｎｍ以上とされているので、セラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）とが確実に接合され、これらの接合強度を確保することが可能となる。一方、活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｐ−Ｏ層）の厚さｔが２２０ｎｍ以下とされているので、冷熱サイクル負荷時の熱応力によってセラミックス基板１１に割れが生じることを抑制できる。
なお、上述の作用効果を奏するためには、活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｐ−Ｏ層）の厚さｔを１０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下とすることが好ましい。
In the present embodiment, since the thickness t of the active element oxide layer 30 (Ti-PO layer) is 5 nm or more, the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 (circuit layer 12) are reliably bonded, It is possible to ensure these bonding strengths. On the other hand, since the thickness t of the active element oxide layer 30 (Ti—PO layer) is set to 220 nm or less , it is possible to suppress the ceramic substrate 11 from being cracked by the thermal stress at the time of the cold cycle load.
In order to achieve the above-described effects, it is preferable that the thickness t of the active element oxide layer 30 (Ti—P—O layer) be 10 nm or more and 200 nm or less.
さらに、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４を用いて接合しているので、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４のＰとＴｉ箔２５のＴｉとが反応し、さらに酸素と反応することによって、Ｐを含有する活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｐ−Ｏ層）が確実に形成されることになる。これにより、セラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）とを確実に接合することが可能となる。すなわち、活性元素であるＴｉと反応しやすく、かつ、酸素とも反応しやすい元素であるＰを界面に介在させることで、上述の活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｐ−Ｏ層）の形成が促進され、低温の条件でもセラミックス基板１１と銅板２２とが確実に接合されるのである。 Furthermore, in this embodiment, since it joins using the Cu-P type brazing material 24, P of the Cu-P type brazing material 24 reacts with Ti of the Ti foil 25, and further reacts with oxygen. , The active element oxide layer 30 (Ti-PO layer) containing P is surely formed. Thereby, it becomes possible to join the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 (circuit layer 12) reliably. That is, the active element oxide layer 30 (Ti—PO layer) is formed by interposing P, which is an element that easily reacts with Ti as an active element and also easily reacts with oxygen, at the interface. This facilitates the bonding of the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 even under low temperature conditions.
また、アルミナからなるセラミックス基板１１と銅板２２とを、Ｔｉを介在させて高温保持した場合には、セラミックス基板１１中の窒素とＴｉとが反応し、厚いＴｉ酸化物層が形成されることになるが、本実施形態では、加熱処理工程Ｓ０３において低温の条件としていることから、上述の活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｐ−Ｏ層）が比較的薄く形成されるのである。 Further, when the ceramic substrate 11 made of alumina and the copper plate 22 are held at a high temperature with Ti interposed, nitrogen and Ti in the ceramic substrate 11 react to form a thick Ti oxide layer. However, in this embodiment, since the low temperature condition is used in the heat treatment step S03, the active element oxide layer 30 (Ti-PO layer) is formed relatively thin.
さらに、本実施形態では、上述のように、セラミックス基板１１と銅板２２とを低温の条件で接合可能であることから、本実施形態では、加熱処理工程Ｓ０３において、セラミックス基板１１と銅板２２、及び、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３を同時に接合している。よって、パワーモジュール用基板１０の製造効率を大幅に向上させ、製造コストを削減することができる。また、セラミックス基板１１の両面に同時に銅板２２及びアルミニウム板２３を接合するので、接合時におけるセラミックス基板１１の反りの発生を抑制することができる。 Furthermore, in the present embodiment, as described above, the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 can be bonded under low temperature conditions. Therefore, in the present embodiment, in the heat treatment step S03, the ceramic substrate 11 and the copper plate 22, and The ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 are bonded simultaneously. Therefore, the manufacturing efficiency of the power module substrate 10 can be greatly improved, and the manufacturing cost can be reduced. Further, since the copper plate 22 and the aluminum plate 23 are simultaneously bonded to both surfaces of the ceramic substrate 11, the occurrence of warpage of the ceramic substrate 11 at the time of bonding can be 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、銅部材としての銅板（回路層）とセラミックス部材としてのセラミックス基板とを接合したパワーモジュール用基板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、銅又は銅合金からなる銅部材と、アルミナからなるセラミックス部材とが接合された銅／セラミックス接合体であればよい。
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, a power module substrate in which a copper plate (circuit layer) as a copper member and a ceramic substrate as a ceramic member are joined has been described as an example, but the present invention is not limited thereto, and is made of copper or a copper alloy. Any copper / ceramic bonded body in which a copper member and a ceramic member made of alumina are bonded may be used.
また、銅板を接合することによって回路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、銅板を接合することによって金属層を形成してもよい。
さらに、銅板を、無酸素銅又はタフピッチ銅の圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよい。
また、金属層を構成するアルミニウム板を、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）等、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。
さらに、金属層は、アルミニウム板で構成したものに限定されることはなく、その他の金属で構成したものであってもよい。
Moreover, although demonstrated as what forms a circuit layer by joining a copper plate, it is not limited to this, You may form a metal layer by joining a copper plate.
Furthermore, although the copper plate was demonstrated as a rolled plate of an oxygen free copper or a tough pitch copper, it is not limited to this, You may be comprised with another copper or copper alloy.
Moreover, although the aluminum plate which comprises a metal layer was demonstrated as a rolled plate of pure aluminum of purity 99.99 mass% or more, it is not limited to this, Aluminum (2N aluminum) of purity 99 mass% or more, etc. It may be composed of aluminum or an aluminum alloy.
Furthermore, a metal layer is not limited to what was comprised with the aluminum plate, and may be comprised with the other metal.
また、窒化物セラミックスとして９８％アルミナを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、９２％アルミナ、９６％アルミナ、ジルコニア強化アルミナ等の他のアルミナを適用してもよい。
さらに、活性元素としてＴｉを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、Ｚｒ，Ｈｆ等の他の活性元素を適用してもよい。
Further, although 98% alumina has been described as an example of the nitride ceramics, the present invention is not limited to this, and other aluminas such as 92% alumina, 96% alumina, zirconia reinforced alumina may be applied.
Furthermore, although Ti has been described as an example of the active element, the present invention is not limited to this, and other active elements such as Zr and Hf may be applied.
さらに、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材を用いてセラミックス基板と銅板とを接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、他のろう材を用いてもよい。
また、本実施形態では、セラミックス基板と銅板との間にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材、Ｔｉ箔を介在させるものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉペースト、Ｔｉペースト等を介在させてもよい。
Furthermore, although this embodiment demonstrated as what joins a ceramic substrate and a copper plate using a Cu-P-Sn-Ni type brazing material, it is not limited to this, It uses other brazing materials. Also good.
Moreover, although this embodiment demonstrated as what interposes a Cu-P-Sn-Ni type | system | group brazing material and Ti foil between a ceramic substrate and a copper plate, it is not limited to this, Cu-P- Sn-Ni paste, Ti paste or the like may be interposed.
さらに、ヒートシンクは、本実施形態で例示したものに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
また、ヒートシンクの天板部や放熱板と金属層との間に、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てもよい。
Furthermore, the heat sink is not limited to those exemplified in the present embodiment, and the structure of the heat sink is not particularly limited.
Further, a buffer layer made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) may be provided between the top plate portion of the heat sink or the heat radiating plate and the metal layer.
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。
表１に示すセラミックス基板（株式会社ＭＡＲＵＷＡ社製）、ろう材、活性元素、銅板を用いて、銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）を形成した。
詳述すると、４０ｍｍ角で厚さ０．３８ｍｍのセラミックス基板の一方の面及び他方の面に、表１に示すろう材及び活性元素を介在させて、３８ｍｍ角の厚さ０．３ｍｍの銅板（無酸素銅の圧延板）を積層し、これらを積層方向に圧力７ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内（真空度５×１０−４Ｐａ）に装入し、加熱することによってパワーモジュール用基板を作製した。なお、加熱処理工程の条件を表２に示す。
なお、本発明例４については、Ｃｕ−7ｍａｓｓ％Ｐ−１５ｍａｓｓ％Ｓｎ−１０ｍａｓｓ％Ｎｉ粉末とＴｉ粉末からなるペーストをろう材及び活性元素として用いた。なお、ペーストの塗布厚は８０μｍとした。
A confirmation experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
A copper / ceramic bonding body (power module substrate) was formed using a ceramic substrate (manufactured by MARUWA Co., Ltd.), a brazing material, an active element, and a copper plate shown in Table 1.
More specifically, a 40 mm square, 0.38 mm thick ceramic substrate with a brazing material and active elements shown in Table 1 interposed between one side and the other side, a 38 mm square 0.3 mm thick copper plate ( By laminating an oxygen-free copper rolled plate), charging them in a vacuum heating furnace (vacuum degree 5 × 10 −4 Pa) in a state where they are pressurized at a pressure of 7 kgf / cm 2 in the laminating direction, and heating them. A power module substrate was prepared. Table 2 shows the conditions of the heat treatment process.
For Invention Example 4, a paste made of Cu-7 mass% P-15 mass% Sn-10 mass% Ni powder and Ti powder was used as a brazing material and an active element. The paste coating thickness was 80 μm.
このようにして得られたパワーモジュール用基板について、回路層（銅板）とセラミックス基板との接合界面の観察を行うとともに、初期接合率、冷熱サイクル後の接合率を評価した。 For the power module substrate thus obtained, the bonding interface between the circuit layer (copper plate) and the ceramic substrate was observed, and the initial bonding rate and the bonding rate after the thermal cycle were evaluated.
（接合界面観察）
銅板とセラミックス基板との接合界面を、透過型電子顕微鏡（日本電子株式会社製ＪＥＭ−２０１０Ｆ）を用いて観察した。
本発明例２の界面観察結果を図５に示す。
また、活性元素酸化物層の厚さを測定した。さらに、活性元素酸化物層中のＰ濃度、活性金属濃度及びＯ濃度を測定し、Ｐ濃度、活性金属濃度及びＯ濃度の合計を１００としたＰ濃度を算出した。なお、活性元素酸化物層の厚さは、５視野の平均値とした。また、Ｐ濃度については、測定点を５点とし、その平均値とした。結果を表２に示す。
(Joint interface observation)
The bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate was observed using a transmission electron microscope (JEM-2010F manufactured by JEOL Ltd.).
The interface observation result of Example 2 of the present invention is shown in FIG.
Further, the thickness of the active element oxide layer was measured. Further, the P concentration, the active metal concentration, and the O concentration in the active element oxide layer were measured, and the P concentration was calculated with the sum of the P concentration, the active metal concentration, and the O concentration being 100. Note that the thickness of the active element oxide layer was an average value of five fields of view. Moreover, about P density | concentration, the measurement point was made into 5 points | pieces and it was set as the average value. The results are shown in Table 2.
（冷熱サイクル試験）
冷熱サイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、パワーモジュール用基板に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１５０℃×５分の２０００サイクルを実施した。
(Cooling cycle test)
The thermal cycle test uses TSB-51, a thermal shock tester, Espec Corp., and -40 ° C x 5 minutes ← → 150 ° C x 5 minutes 2000 cycles in the liquid phase (Fluorinert) with respect to the power module substrate. Carried out.
（接合率）
銅板とセラミックス基板との接合率は、超音波探傷装置を用いて以下の式を用いて求めた。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、すなわち銅板の面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
(Joining rate)
The bonding rate between the copper plate and the ceramic substrate was determined using the following equation using an ultrasonic flaw detector. Here, the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area of the copper plate. In the ultrasonic flaw detection image, peeling is indicated by a white portion in the joint, and thus the area of the white portion was taken as the peeling area.
(Bonding rate) = {(initial bonding area) − (peeling area)} / (initial bonding area)
銅板とセラミックス基板とを、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材を用いて低温の条件で接合した従来例１では、接合されなかった。 In Conventional Example 1 in which the copper plate and the ceramic substrate were joined at a low temperature using an Ag—Cu—Ti brazing material, they were not joined.
活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ未満とされた比較例１では、初期接合率が低く、接合が不十分であった。
活性元素酸化物層の厚さが２２０ｎｍを超える比較例２では、冷熱サイクル後にセラミックス基板に割れが生じた。接合界面に活性元素酸化物層が厚く形成されたためにセラミックス基板にかかる熱応力が増加したためと推測される。
In Comparative Example 1 in which the thickness of the active element oxide layer was less than 5 nm, the initial bonding rate was low and the bonding was insufficient.
In Comparative Example 2 where the thickness of the active element oxide layer exceeds 220 nm , the ceramic substrate cracked after the cooling and heating cycle. It is presumed that the thermal stress applied to the ceramic substrate increased because the active element oxide layer was formed thick at the bonding interface.
これに対して、活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上２２０ｎｍ以下とされた本発明例１−１１においては、比較的低温の条件であっても初期接合率が高く、セラミックス基板と銅板とが確実に接合されていた。また、冷熱サイクル後の接合率が高く、接合信頼性が向上していた。 On the other hand, in Inventive Example 1-11 in which the thickness of the active element oxide layer is 5 nm or more and 220 nm or less , the initial bonding rate is high even under relatively low temperature conditions. Was securely joined. Moreover, the joining rate after a thermal cycle was high, and the joining reliability was improving.
以上の結果から、本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅部材とアルミナからなるセラミックス部材とが低温の条件でも確実に接合された銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）を提供することが可能であることが確認された。 From the above results, according to the present invention, there is provided a copper / ceramic bonded body (power module substrate) in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of alumina are reliably bonded even at a low temperature. It was confirmed that it was possible.
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 銅板
２４ Ｃｕ−Ｐ系ろう材
２５ Ｔｉ箔
３０ 活性元素酸化物層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power module substrate 11 Ceramic substrate 12 Circuit layer 13 Metal layer 22 Copper plate 24 Cu-P brazing material 25 Ti foil 30 Active element oxide layer
Claims (3)
前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面には、活性元素と酸素と燐とを含有する活性元素酸化物層が形成されており、
この活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上２２０ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする銅／セラミックス接合体。 A copper / ceramic bonded body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of alumina are bonded,
An active element oxide layer containing an active element, oxygen and phosphorus is formed at the bonding interface between the copper member and the ceramic member,
A copper / ceramic bonding article, wherein the active element oxide layer has a thickness in a range of 5 nm to 220 nm .
請求項１または請求項２に記載の銅／セラミックス接合体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 in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate made of alumina,
A power module substrate comprising the copper / ceramic bonding article according to claim 1 or 2.
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