JP5899725B2 - Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module - Google Patents

Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module Download PDF

Info

Publication number
JP5899725B2
JP5899725B2 JP2011194826A JP2011194826A JP5899725B2 JP 5899725 B2 JP5899725 B2 JP 5899725B2 JP 2011194826 A JP2011194826 A JP 2011194826A JP 2011194826 A JP2011194826 A JP 2011194826A JP 5899725 B2 JP5899725 B2 JP 5899725B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
power module
metal
ceramic substrate
metal layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2011194826A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2013058535A (en
Inventor
長友　義幸
義幸 長友
伸幸 寺▲崎▼
伸幸 寺▲崎▼
黒光　祥郎
祥郎 黒光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
Priority to JP2011194826A priority Critical patent/JP5899725B2/en
Publication of JP2013058535A publication Critical patent/JP2013058535A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5899725B2 publication Critical patent/JP5899725B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

この発明は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムからなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板、この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基板を備えた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に関するものである。   The present invention provides a power module substrate in which a circuit layer made of aluminum is disposed on one surface of a ceramic substrate, and a metal layer composed of aluminum is disposed on the other surface of the ceramic substrate. The present invention relates to a manufacturing method, a power module substrate with a heat sink provided with the power module substrate, and a power module.

半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、特許文献１−３に示すように、セラミックス基板の一方の面に回路層となるＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合され、セラミックス基板の他方の面に金属層となるＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が広く用いられている。これらのパワーモジュール用基板においては、金属層の他方の面側にはんだ層を介して銅製の放熱板（ヒートシンク）が接合される。
また、例えば特許文献４に示すように、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルミニウム合金部材を溶湯接合法によって接合して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。 Among semiconductor elements, a power element for supplying power has a relatively high calorific value, and as a substrate on which the power element is mounted, for example, as shown in Patent Document 1-3, a circuit layer is formed on one surface of a ceramic substrate. The Al (aluminum) metal plate is joined via an Al—Si brazing material, and the Al (aluminum) metal plate that becomes the metal layer on the other surface of the ceramic substrate is bonded to the Al—Si brazing material. A substrate for a power module bonded through a via is widely used. In these power module substrates, a copper heat sink (heat sink) is bonded to the other surface side of the metal layer via a solder layer.
For example, as shown in Patent Document 4, a power module substrate is proposed in which an aluminum alloy member is bonded to one surface and the other surface of a ceramic substrate by a molten metal bonding method to form a circuit layer and a metal layer. .

ここで、上述のパワーモジュールにおいては、その使用時に熱サイクルが負荷されることになる。ここで、パワーモジュール用基板に熱サイクルが負荷された場合には、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差による応力がセラミックス基板と金属層との接合界面に作用し、接合信頼性が低下するおそれがあった。そこで、従来は、純度が９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで金属層を構成して上述の熱応力を金属層の変形によって吸収することで、接合信頼性の向上を図っている。   Here, in the above-mentioned power module, a thermal cycle is loaded during use. Here, when a thermal cycle is applied to the power module substrate, stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and aluminum acts on the bonding interface between the ceramic substrate and the metal layer, resulting in a decrease in bonding reliability. There was a risk. Therefore, conventionally, the metal layer is made of aluminum having a relatively low deformation resistance such as 4N aluminum having a purity of 99.99% or more, and the above-described thermal stress is absorbed by the deformation of the metal layer. We are trying to improve.

特開２００７−３１１５２６号公報JP 2007-31526 A 特開２００８−２２７３３６号公報JP 2008-227336 A 特開２００６−２４５３４７号公報JP 2006-245347 A 特開２００２−３２９８１４号公報JP 2002-329814 A

ところで、金属層を純度が９９．９９％以上（４Ｎアルミニウム）等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで構成した場合、熱サイクルを負荷した際に、金属層の表面にうねりやシワが発生してしまうといった問題があった。このように金属層の表面にうねりやシワが発生すると、ヒートシンクとの間に介在するはんだ層にクラックが発生してしまうため、パワーモジュールの信頼性が低下することになる。
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、熱サイクルの温度差が大きく、金属層の表面にうねりやシワが発生しやすい傾向にある。 By the way, when the metal layer is made of aluminum having a relatively low deformation resistance such as a purity of 99.99% or more (4N aluminum), undulations and wrinkles are generated on the surface of the metal layer when a thermal cycle is applied. There was a problem such as. When waviness and wrinkles are generated on the surface of the metal layer in this manner, cracks are generated in the solder layer interposed between the heat sink and the reliability of the power module is lowered.
In particular, recently, power modules have become smaller and thinner, and the usage environment has become harsh, and the amount of heat generated from electronic components such as semiconductor elements has increased. Therefore, undulations and wrinkles tend to occur on the surface of the metal layer.

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、熱サイクル負荷時において、金属層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、ヒートシンクとの接合信頼性を向上させることが可能なパワーモジュール用基板、この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を備えた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 can suppress the occurrence of waviness and wrinkles on the surface of the metal layer at the time of thermal cycle load, and can improve the reliability of bonding with the heat sink. It is an object of the present invention to provide a power module substrate, a method for manufacturing the power module substrate, a power module substrate with a heat sink, and a power module including the power module substrate.

このような課題を解決して前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムからなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が配設され、前記金属層の他方の面側にはんだ層を介してヒートシンクが接合されるパワーモジュール用基板であって、前記金属層は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に露呈するように形成された硬化層を有しており、前記金属層の前記他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定され、前記金属層のうち、前記他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓの８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域が前記硬化層とされており、前記硬化層は、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有していることを特徴としている。 In order to solve the above problems and achieve the above object, the power module substrate of the present invention has a circuit layer made of aluminum disposed on one surface of the ceramic substrate, and the other surface of the ceramic substrate. A power module substrate in which a metal layer made of aluminum is disposed and a heat sink is bonded to the other surface side of the metal layer via a solder layer , wherein the metal layer is bonded to the ceramic substrate. An indentation hardness Hs on the other surface of the metal layer, and a hardened layer formed so as to be exposed on the other surface. There is set to 50 mgf / [mu] m 2 or more 200 mgf / [mu] m 2 within the range, of said metal layer, 80% of the indentation hardness Hs of the other surface Regions with indentation hardness of the upper are and the hardened layer, the hardened layer, Zr, Hf, Ta, Nb , B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, It is characterized by containing one or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li and Ni .

なお、本発明におけるインデンテーション硬度Ｈとは、バーコビッチ圧子と呼ばれる稜間角が１１４．８°以上１１５．１°以下の三角錐ダイヤモンド圧子を用いて試験荷重を５０００ｍｇｆとして負荷をかけた際の荷重―変位の相関を計測し、
Ｈ＝３７．９２６×１０−３×（荷重〔ｍｇｆ〕÷変位〔μｍ〕２）
の式で定義されるものである。 The indentation hardness H in the present invention is a load when a test load is set to 5000 mgf using a triangular pyramid diamond indenter having a ridge-to-edge angle of 114.8 ° or more and 115.1 ° or less called a Berkovich indenter. ―Measure the displacement correlation,
H = 37.926 × 10 −3 × (load [mgf] ÷ displacement [μm] 2 )
It is defined by the following formula.

この構成のパワーモジュール用基板によれば、はんだ層が形成される金属層の他方の面側に硬化層が形成されており、この硬化層のインデンテーション硬度が、前記金属層の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓ（５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下）の８０％以上に設定されているので、金属層の他方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
よって、ヒートシンクとの間に介在するはんだ層におけるクラックの発生を抑制することが可能となる。 According to the power module substrate of this configuration, the hardened layer is formed on the other surface side of the metal layer on which the solder layer is formed, and the indentation hardness of the hardened layer is on the other surface of the metal layer. Since it is set to 80% or more of the indentation hardness Hs (50 mgf / μm 2 or more and 200 mgf / μm 2 or less), the deformation resistance of the other surface side portion of the metal layer is increased, and undulation and wrinkle at the time of thermal cycle load are increased. Can be suppressed.
Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the solder layer interposed between the heat sink.

また、前記硬化層は、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しているので、これらの添加元素によってアルミニウムを硬化させることができ、上述の硬化層を確実に形成することができる。 The hardened layer is selected from Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li, and Ni. because it contains one or more added elements are, these additive elements can be cured aluminum, it is possible to reliably form a cured layer of the above.

また、前記硬化層における前記添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされていることが好ましい。
この場合、硬化層が、上述の添加元素を合計で０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内で含有していることから、これらの添加元素によって確実にアルミニウムを硬化させることができ、前述のインデンテーション硬度を有する硬化層を形成することが可能となる。 Moreover, it is preferable that the total content of the additive elements in the hardened layer is 0.2 atom% or more and 10 atom% or less.
In this case, since the hardened layer contains the above-mentioned additive elements in the range of 0.2 atom% or more and 10 atom% or less in total, aluminum can be reliably cured by these additive elements, A hardened layer having indentation hardness can be formed.

また、金属層は、前記他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満のインデンテーション硬度を有する本体層を有していることが好ましい。
この場合、本体層では、変形抵抗が比較的小さくなる。よって、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層の変形によって吸収することが可能となり、セラミックス基板と金属層との接合信頼性を向上させることができる。
なお、硬化層の厚さを１μｍ以上３００μｍ以下の範囲内とすることにより、金属層の他方の面にうねりやシワが発生することを確実に防止することができる。一方、本体層の厚さを１００μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内とすることにより、熱サイクル負荷時の熱応力を本体層で確実に吸収することができる。 The metal layer preferably has a main body layer having an indentation hardness of less than 80% of the indentation hardness Hs on the other surface.
In this case, the deformation resistance is relatively small in the main body layer. Therefore, it becomes possible to absorb the thermal stress at the time of thermal cycle load by the deformation of the main body layer, and the bonding reliability between the ceramic substrate and the metal layer can be improved.
In addition, by setting the thickness of the hardened layer within the range of 1 μm or more and 300 μm or less, it is possible to reliably prevent undulation and wrinkling from occurring on the other surface of the metal layer. On the other hand, by setting the thickness of the main body layer within the range of 100 μm or more and 1500 μm or less, the main body layer can reliably absorb the thermal stress during the heat cycle load.

さらに、前記セラミックス基板がＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３で構成されていることが好ましい。
この場合、セラミックス基板が絶縁性に優れていることから、絶縁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る。 Furthermore, it is preferable that the ceramic substrate is made of AlN, Si 3 N 4 or Al 2 O 3 .
In this case, since the ceramic substrate is excellent in insulation, a power module substrate with high insulation reliability can be provided.

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記金属層を加熱して、前記金属層の内部に向けて前記添加元素を拡散させることにより、前記金属層の前記他方の面側に硬化層を形成する加熱工程と、を備えていることを特徴としている。   The method for manufacturing a power module substrate according to the present invention is a method for manufacturing a power module substrate for manufacturing the power module substrate described above, wherein the metal plate serving as the metal layer is one surface bonded to the ceramic substrate. And the other surface, which is the opposite surface, Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, A fixing step of fixing one or more additional elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li and Ni, and forming a fixing layer containing the additional element, and heating the metal layer And a heating step of forming a hardened layer on the other surface side of the metal layer by diffusing the additive element toward the inside of the metal layer.

この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、加熱工程において、金属層の他方の面に形成された固着層に含有されるＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を金属層の内部へと拡散させることにより、金属層の他方の面側に添加元素を分散させることができ、金属層の他方の面側に硬化層を形成することができる。   According to the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, in the heating process, Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, contained in the fixing layer formed on the other surface of the metal layer. By diffusing one or more additional elements selected from Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li and Ni into the metal layer, An additive element can be dispersed on the other surface side of the metal layer, and a hardened layer can be formed on the other surface side of the metal layer.

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記金属板の一方の面側に、ろう材を介して前記セラミックス基板を積層する積層工程と、積層された前記セラミックス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、前記固着層の前記添加元素を、前記金属層の内部に向けて拡散させることにより、前記金属層の他方の面側に硬化層を形成することを特徴としている。   The power module substrate manufacturing method of the present invention is a power module substrate manufacturing method for manufacturing the power module substrate described above, wherein the metal plate serving as the metal layer is bonded to the ceramic substrate. And the other surface which is the opposite surface, Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, A fixing step of fixing one or more additional elements selected from Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li and Ni, and forming a fixing layer containing the additional element; and the metal plate A laminating step of laminating the ceramic substrate via a brazing material on one surface side of the substrate, pressurizing and heating the laminated ceramic and the metal plate in a laminating direction, and the ceramic substrate and the metal plate A heating step of forming a molten metal region on the surface, and a solidification step of joining the ceramic substrate and the metal plate by solidifying the molten metal region. In the heating step, A hardened layer is formed on the other surface side of the metal layer by diffusing the additive element toward the inside of the metal layer.

この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記金属層となる金属板と前記セラミックス基板とをろう付けするための加熱工程において、金属板の他方の面側に固着されたＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を拡散させて硬化層を形成することができる。よって、硬化層を形成するために別途加熱処理を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板の製造コストを削減することができる。   According to the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, in the heating step for brazing the metal plate serving as the metal layer and the ceramic substrate, Zr, Hf fixed to the other surface side of the metal plate. , Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li and Ni A hardened layer can be formed by diffusing elements. Therefore, it is not necessary to perform a separate heat treatment for forming the cured layer, and the manufacturing cost of the power module substrate can be reduced.

さらに、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記金属板の一方の面又は前記セラミックス基板の他方の面のうちの少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の第２添加元素を固着して第２固着層を形成する第２固着工程と、前記第２固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の前記添加元素を、前記金属層の内部に向けて拡散させることにより、前記金属層の他方の面側に硬化層を形成することを特徴としている。   The power module substrate manufacturing method of the present invention is a power module substrate manufacturing method for manufacturing the power module substrate described above, wherein the metal plate serving as the metal layer is bonded to the ceramic substrate. And the other surface which is the opposite surface, Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, A fixing step of fixing one or more additional elements selected from Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li and Ni, and forming a fixing layer containing the additional element; and the metal plate One or more kinds of second additive elements selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca and Li are applied to at least one of the one surface of the ceramic substrate and the other surface of the ceramic substrate. Adhering to the second adhering A second adhering step for forming the ceramic substrate, a laminating step for laminating the ceramic substrate and the metal plate via the second adhering layer, and pressurizing the laminated ceramic substrate and the metal plate in the laminating direction. A heating step of heating and forming a molten metal region at the interface between the ceramic substrate and the metal plate; and a solidifying step of bonding the ceramic substrate and the metal plate by solidifying the molten metal region. And in the heating step, a hardened layer is formed on the other surface side of the metal layer by diffusing the additive element of the fixed layer toward the inside of the metal layer.

この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、加熱工程によってＳｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の第２添加元素を拡散させて溶融金属領域を形成し、前記金属板と前記セラミックス基板とを接合することで金属層を形成することができる。また、この加熱工程において、前記金属層となる金属板の他方の面側に固着されたＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮから選択される１種又は２種以上の添加元素を拡散させて硬化層を形成することができる。よって、硬化層を形成するために別途加熱処理を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板の製造コストを削減することができる。   According to the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, one or more second additive elements selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, and Li are diffused by the heating process. Thus, a metal layer can be formed by forming a molten metal region and bonding the metal plate and the ceramic substrate. In this heating step, Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, which are fixed to the other surface side of the metal plate serving as the metal layer. , Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li and N can be diffused with one or more additive elements to form a hardened layer. Therefore, it is not necessary to perform a separate heat treatment for forming the cured layer, and the manufacturing cost of the power module substrate can be reduced.

また、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、前記金属層の他方の面側にはんだ層を介して接合されたヒートシンクと、を備えており、前記ヒートシンクが銅からなる放熱板とされている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、熱伝導性に優れた銅製の放熱板を備えているので、パワーモジュール用基板からの熱を効率的に拡げて放散させることができる。また、金属層とヒートシンクとの間に介在するはんだ層において、クラックの発生が抑制されるので、パワーモジュール用基板側の熱を確実にヒートシンクへと伝導させることができる。 A power module substrate with a heat sink according to the present invention includes the power module substrate described above and a heat sink bonded to the other surface side of the metal layer via a solder layer, and the heat sink is made of copper. It is characterized by being made from a heat sink.
According to the power module substrate with a heat sink having this configuration, since the heat sink made of copper having excellent thermal conductivity is provided, the heat from the power module substrate can be efficiently spread and dissipated. Moreover, since the generation of cracks is suppressed in the solder layer interposed between the metal layer and the heat sink, the heat on the power module substrate side can be reliably conducted to the heat sink.

さらに、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、この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している。
この構成のパワーモジュールによれば、金属層とヒートシンクとの間に形成されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制できるので、その信頼性を飛躍的に向上させることが可能となる。 Furthermore, the power module of the present invention is characterized by including the above-described power module substrate and an electronic component mounted on the power module substrate.
According to the power module having this configuration, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the solder layer formed between the metal layer and the heat sink, and it is possible to dramatically improve the reliability.

本発明によれば、熱サイクル負荷時に、金属層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、ヒートシンクとの接合信頼性を向上させることが可能なパワーモジュール用基板、この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を備えた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提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the board | substrate for power modules which can suppress generating a wave | undulation and a wrinkle on the surface of a metal layer at the time of a thermal cycle load, and can improve joining reliability with a heat sink, This board | substrate for power modules And a power module substrate with a heat sink and a power module provided with the power module substrate.

本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の金属層を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the metal layer of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 図５における金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the joining interface vicinity of the metal plate and ceramic substrate in FIG. 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の金属層（回路層）とセラミックス基板との接合界面を示す拡大説明図である。FIG. 6 is an enlarged explanatory view showing a bonding interface between a metal layer (circuit layer) and a ceramic substrate of a power module substrate according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the board | substrate for power modules which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第４の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the board | substrate for power modules which is the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第４の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第５の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the board | substrate for power modules which is the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第５の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 5th Embodiment of this invention.

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、本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２及び金属層１３が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の一方の面（図１において上面）に第１はんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、金属層１３の他方の面（図１において下面）に第２はんだ層４を介して接合された放熱板４０と、この放熱板４０の他方の面側に配設された冷却器５０と、を備えている。
ここで、第１はんだ層２及び第２はんだ層４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と第１はんだ層２との間、及び、金属層１３と第２はんだ層４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 using a power module substrate according to the first embodiment of the present invention.
This power module 1 is joined to a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 and a metal layer 13 are disposed, and one surface (upper surface in FIG. 1) of the circuit layer 12 via a first solder layer 2. The heat sink 40 joined to the other surface (lower surface in FIG. 1) of the semiconductor chip 3 via the second solder layer 4, and the cooling disposed on the other surface side of the heat sink 40. And a container 50.
Here, the first solder layer 2 and the second solder layer 4 are, for example, Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder materials. In the present embodiment, Ni plating layers (not shown) are provided between the circuit layer 12 and the first solder layer 2 and between the metal layer 13 and the second solder layer 4.

パワーモジュール用基板１０は、図１及び図２に示すように、絶縁層を構成するセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図２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２において下面）に配設された金属層１３とを備えている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11 constituting an insulating layer, and a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 2) of the ceramic substrate 11. And a metal layer 13 disposed on the other surface (lower surface in FIG. 2) of the ceramic substrate 11.

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及び図２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 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 FIGS. 1 and 2, the width of the ceramic substrate 11 is set wider than the width of the circuit layer 12 and the metal layer 13.

回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に、導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。   As shown in FIG. 5, the circuit layer 12 is formed by joining a conductive metal plate 22 to one surface (the upper surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by joining a metal plate 22 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 11.

金属層１３は、図５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図５において下面）に、金属板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。   As shown in FIG. 5, the metal layer 13 is formed by joining a metal plate 23 to the other surface (the lower surface in FIG. 5) 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.

放熱板４０は、前述のパワーモジュール用基板１０からの熱を面方向に拡げるものであり、本実施形態では、熱伝導性に優れた銅板とされている。
冷却器５０は、図１に示すように、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路５１を備えている。冷却器５０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。
なお、放熱板４０と冷却器５０とは、図１に示すように、固定ネジ４１によって締結されている。 The heat radiating plate 40 spreads heat from the power module substrate 10 in the surface direction, and is a copper plate excellent in thermal conductivity in the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the cooler 50 includes a flow path 51 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). The cooler 50 is preferably made of a material having good thermal conductivity, and is made of A6063 (aluminum alloy) in the present embodiment.
In addition, the heat sink 40 and the cooler 50 are fastened by a fixing screw 41 as shown in FIG.

そして、図２に示すように、金属層１３は、その他方の面（図２において下面）側に配設された硬化層１３Ａと、この硬化層１３Ａの一方の面側に位置する本体層１３Ｂと、を備えている。
硬化層１３Ａは、金属層１３の他方の面に露呈し、この他方の面から一方の面側（図２において上側）に向けて延在しており、金属層１３の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓに対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、金属層１３の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓは５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層１３Ｂは、そのインデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた領域となる。 As shown in FIG. 2, the metal layer 13 includes a hardened layer 13A disposed on the other surface (the lower surface in FIG. 2), and a main body layer 13B located on one surface side of the hardened layer 13A. And.
The hardened layer 13 </ b> A is exposed on the other surface of the metal layer 13 and extends from the other surface toward one surface side (upper side in FIG. 2), and indentation on the other surface of the metal layer 13. This is a region having an indentation hardness of 80% or more with respect to the hardness Hs. Here, in this embodiment, the indentation hardness Hs on the other surface of the metal layer 13 is set in a range of 50 mgf / μm 2 or more and 200 mgf / μm 2 or less.
The main body layer 13B is a region in which the indentation hardness Hb is less than 80% of the indentation hardness Hs.

なお、本実施形態では、金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Ｈｃが本体層１３Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂよりも高くされた界面近傍層１３Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、硬化層１３Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層１３Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層１３Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。 In the present embodiment, an interface vicinity layer 13C having an indentation hardness Hc higher than an indentation hardness Hb of the main body layer 13B is formed in the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate 11 in the metal layer 13. Yes.
Here, in the present embodiment, the thickness ts of the cured layer 13A is 1 μm or more and 300 μm or less, the thickness tb of the main body layer 13B is 100 μm or more and 1500 μm or less, and the thickness tc of the interface vicinity layer 13C is 50 μm or more and 300 μm or less. Has been.

また、硬化層１３Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内で含有している。
金属層１３においては、図３に示すように、その他方の面（図３において下面）が最も添加元素の含有量が高くなっており、一方の面側に向かうにしたがい添加元素の含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって金属層１３の一部が硬化され、上述の硬化層１３Ａが形成されているのである。 The hardened layer 13A is selected from Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li, and Ni. One or two or more kinds of additive elements are contained, and the total content of these additive elements is 0.2 atom% or more and 10 atom% or less. In the present embodiment, Zr is contained as an additive element in the range of 0.2 atom% or more and 10 atom% or less.
In the metal layer 13, as shown in FIG. 3, the other surface (the lower surface in FIG. 3) has the highest content of the additive element, and the content of the additive element increases toward one surface side. It is configured to be low. A part of the metal layer 13 is cured by the additive element, and the above-described cured layer 13A is formed.

一方、本体層１３Ｂでは、図３に示すように、添加元素の含有量が少ないことからＡｌの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
なお、セラミックス基板１１側に位置する界面近傍層１３Ｃにおいては、セラミックス基板１１と金属板２３との接合において利用される元素が拡散することで、本体層１３ＢよりもＡｌの純度が低くなっている。 On the other hand, in the main body layer 13B, as shown in FIG. 3, since the content of the additive element is small, the purity of Al is high and the deformation resistance remains small.
Note that, in the near-interface layer 13C located on the ceramic substrate 11 side, the element used for joining the ceramic substrate 11 and the metal plate 23 diffuses, so that the purity of Al is lower than that of the main body layer 13B. .

なお、本実施形態では、図２に示すように、回路層１２においても、その一方の面（図２おいて上面）側から順に、硬化層１２Ａ、本体層１２Ｂ、界面近傍層１２Ｃを備えている。回路層１２の硬化層１２Ａは、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内で含有している。
また、硬化層１２Ａは、回路層１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓ´に対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓ´は５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層１２Ｂは、そのインデンテーション硬度Ｈｂが´、前記インデンテーション硬度Ｈｓ´の８０％未満とされた領域となる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the circuit layer 12 also includes a hardened layer 12A, a main body layer 12B, and an interface vicinity layer 12C in this order from the one surface (upper surface in FIG. 2) side. Yes. The hardened layer 12A of the circuit layer 12 contains Zr as an additive element in the range of 0.2 atom% to 10 atom%.
Further, the hardened layer 12A is a region having an indentation hardness of 80% or more with respect to the indentation hardness Hs ′ on one surface of the circuit layer 12. In the present embodiment, indentation hardness Hs' in one surface of the circuit layer 12 is set to 50 mgf / [mu] m 2 or more 200 mgf / [mu] m 2 within the following ranges.
The main body layer 12B is a region in which the indentation hardness Hb is less than 80% of the indentation hardness Hs ′.

以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図４から図６を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 10 for power modules of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to FIGS.

（固着工程Ｓ０１）
まず、図５に示すように、金属層１３となる金属板２３の他方の面及び回路層１２となる金属板２２の一方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層２３Ａ，２２Ａを形成する。
本実施形態では、添加元素としてＺｒを固着しており、その固着量を０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上０．１５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。 (Fixing step S01)
First, as shown in FIG. 5, Zr, Hf, Ta, Nb, B, and Ti are formed on the other surface of the metal plate 23 to be the metal layer 13 and one surface of the metal plate 22 to be the circuit layer 12 by sputtering. , V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li and Ni are fixed, and this additional element is fixed. The fixing layers 23A and 22A containing s are formed.
In this embodiment, Zr is fixed as an additive element, and the fixed amount is set to 0.002 mg / cm 2 or more and 0.15 mg / cm 2 or less.

（積層工程Ｓ０２）
次に、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面側に、回路層１２となる金属板２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）が、厚さ５〜５０μｍ（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔２４を介して積層され、セラミックス基板１１の他方の面側に、金属層１３となる金属板２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）が厚さ５〜５０μｍ（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔２５を介して積層される。このとき、金属板２３は、固着層２３Ａが形成された面とは反対の面がセラミックス基板１１側を向くように積層される。このようにして積層体２０を形成する。
なお、本実施形態においては、ろう材箔２４、２５は、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされている。 (Lamination process S02)
Next, as shown in FIG. 5, a metal plate 22 (4N aluminum rolled plate) to be the circuit layer 12 is formed on one surface side of the ceramic substrate 11 with a thickness of 5 to 50 μm (14 μm in this embodiment). A metal plate 23 (4N aluminum rolled plate) that is laminated through the brazing filler metal foil 24 and becomes the metal layer 13 on the other surface side of the ceramic substrate 11 has a thickness of 5 to 50 μm (14 μm in this embodiment). It is laminated via the material foil 25. At this time, the metal plate 23 is laminated so that the surface opposite to the surface on which the fixing layer 23A is formed faces the ceramic substrate 11 side. In this way, the laminate 20 is formed.
In the present embodiment, the brazing material foils 24 and 25 are Al—Si based brazing materials containing Si which is a melting point lowering element.

（加熱工程Ｓ０３）
次に、積層工程Ｓ０２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１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱する。この加熱工程Ｓ０３によって、ろう材箔２４、２５と金属板２２、２３の一部とが溶融し、図６に示すように、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれ溶融金属領域２６、２７が形成される。ここで、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下、加熱時間は３０分以上１８０分以下とされている。
また、この加熱工程Ｓ０３により、金属板２３の固着層２３Ａに含有された添加元素（Ｚｒ）が金属板２３の一方の面側に向けて拡散していく。また、金属板２２の固着層２２Ａに含有された添加元素（Ｚｒ）が金属板２２の他方の面側に向けて拡散していく。 (Heating step S03)
Next, the laminated body 20 formed in the lamination step S02 is charged and heated in a heating furnace in a state of being pressurized (pressure 1 to 5 kgf / cm 2 ) in the lamination direction. By this heating step S03, the brazing material foils 24 and 25 and a part of the metal plates 22 and 23 are melted, and molten metal regions are respectively formed at the interfaces between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11, as shown in FIG. 26 and 27 are formed. Here, the heating temperature is 550 ° C. or more and 650 ° C. or less, and the heating time is 30 minutes or more and 180 minutes or less.
Further, by this heating step S03, the additive element (Zr) contained in the fixing layer 23A of the metal plate 23 diffuses toward the one surface side of the metal plate 23. Further, the additive element (Zr) contained in the fixed layer 22 </ b> A of the metal plate 22 diffuses toward the other surface side of the metal plate 22.

（凝固工程Ｓ０４）
次に、積層体２０を冷却することによって溶融金属領域２６、２７を凝固させ、セラミックス基板１１と金属板２２及び金属板２３とを接合する。このとき、ろう材箔２４、２５に含まれる融点降下元素（Ｓｉ）が金属板２２、２３側へと拡散していくことになる。 (Coagulation step S04)
Next, the molten metal regions 26 and 27 are solidified by cooling the laminated body 20, and the ceramic substrate 11, the metal plate 22, and the metal plate 23 are joined. At this time, the melting point lowering element (Si) contained in the brazing material foils 24 and 25 diffuses toward the metal plates 22 and 23.

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。
また、金属層１３においては、固着層２３Ａに含有された添加元素（Ｚｒ）が拡散することで硬化層１３Ａ及び本体層１３Ｂが形成される。また、ろう材箔２５に含まれるＳｉが拡散することで界面近傍層１３Ｃが形成される。同様に、回路層１２においては、固着層２２Ａに含有された添加元素（Ｚｒ）が拡散することで硬化層１２Ａ及び本体層１２Ｂが形成される。また、ろう材箔２４に含まれるＳｉが拡散することで界面近傍層１２Ｃが形成される。 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.
Further, in the metal layer 13, the hardened layer 13A and the main body layer 13B are formed by the diffusion of the additive element (Zr) contained in the fixed layer 23A. Moreover, the interface vicinity layer 13 </ b> C is formed by diffusion of Si contained in the brazing material foil 25. Similarly, in the circuit layer 12, the hardened layer 12A and the main body layer 12B are formed by the diffusion of the additive element (Zr) contained in the fixed layer 22A. Moreover, the interface vicinity layer 12 </ b> C is formed by diffusion of Si contained in the brazing material foil 24.

そして、このパワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面側に、はんだ層４を介して放熱板４０が接合され、この放熱板４０が固定ネジ４１によって冷却器５０に締結される。また、回路層１２の一方の面にはんだ層２を介して半導体チップ３を搭載する。これにより、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。   The heat radiation plate 40 is joined to the other surface side of the metal layer 13 of the power module substrate 10 via the solder layer 4, and the heat radiation plate 40 is fastened to the cooler 50 by a fixing screw 41. Further, the semiconductor chip 3 is mounted on one surface of the circuit layer 12 via the solder layer 2. Thereby, the power module 1 which is this embodiment is produced.

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用基板の製造方法においては、金属層１３の他方の面側に、硬化層１３Ａが形成されており、金属層１３の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定され、このインデンテーション硬度Ｈｓの８０％以上の領域が硬化層１３Ａとされているので、金属層１３の他方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。よって、この金属層１３の他方の面と放熱板４０との間に介在されたはんだ層４におけるクラックの発生を抑制することができる。 In the power module substrate 10 and the power module substrate manufacturing method according to the present embodiment configured as described above, the hardened layer 13A is formed on the other surface side of the metal layer 13, and the metal layer Since the indentation hardness Hs on the other surface of 13 is set in the range of 50 mgf / μm 2 or more and 200 mgf / μm 2 or less, and the region of 80% or more of this indentation hardness Hs is the hardened layer 13A. The deformation resistance of the other surface side portion of the layer 13 is increased, and it becomes possible to suppress the occurrence of waviness and wrinkles during a heat cycle load. Therefore, the occurrence of cracks in the solder layer 4 interposed between the other surface of the metal layer 13 and the heat sink 40 can be suppressed.

また、金属層１３は、インデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた本体層１３Ｂを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層１３Ｂの変形によって吸収することが可能となる。よって、セラミックス基板１１と金属層１３との接合信頼性を向上させることができる。   Further, since the metal layer 13 has the main body layer 13B whose indentation hardness Hb is less than 80% of the indentation hardness Hs, the thermal stress during the heat cycle load is absorbed by the deformation of the main body layer 13B. It becomes possible to do. Therefore, the bonding reliability between the ceramic substrate 11 and the metal layer 13 can be improved.

さらに、硬化層１３Ａの厚さが１μｍ以上３００μｍ以下とされていることから、金属層１３の他方の面にうねりやシワが発生することを確実に防止することができる。さらに、本体層１３Ｂの厚さが１００μｍ以上１５００μｍ以下とされているので、熱サイクル負荷時の熱応力を本体層１３Ｂで確実に吸収することができる。
よって、熱サイクル負荷時において、金属層１３の表面のうねりやシワの発生を抑制でき、放熱板４０との間に介在されるはんだ層４におけるクラックの発生を抑制できる。また、セラミックス基板１１と金属層１３との接合界面に熱応力が作用することを抑制でき、熱サイクル信頼性を向上させることができる。 Furthermore, since the thickness of the hardened layer 13A is set to 1 μm or more and 300 μm or less, it is possible to reliably prevent undulations and wrinkles from occurring on the other surface of the metal layer 13. Furthermore, since the thickness of the main body layer 13B is set to 100 μm or more and 1500 μm or less, the main layer 13B can reliably absorb the thermal stress during the heat cycle load.
Therefore, it is possible to suppress the occurrence of waviness and wrinkles on the surface of the metal layer 13 during a heat cycle load, and it is possible to suppress the occurrence of cracks in the solder layer 4 interposed between the heat sink 40. Moreover, it can suppress that a thermal stress acts on the joining interface of the ceramic substrate 11 and the metal layer 13, and can improve thermal cycle reliability.

この硬化層１３Ａにおいては、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされており、本実施形態では、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内で含有しているので、この添加元素（Ｚｒ）によって金属板２３を硬化させることができ、金属層１３の他方の面におけるインデンテーション硬さＨｓを５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内にすることができる。 In this hardened layer 13A, it is selected from Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li, and Ni. One or two or more kinds of additive elements are contained, and the total content of these additive elements is 0.2 atom% or more and 10 atom% or less. In this embodiment, Zr is set to 0 as an additive element. Since it is contained in the range of not less than 2 atom% and not more than 10 atom%, the metal plate 23 can be cured by this additional element (Zr), and the indentation hardness Hs on the other surface of the metal layer 13 is 50 mgf / can be [mu] m 2 or more 200 mgf / [mu] m 2 within the following ranges.

また、金属層１３となる金属板２３の他方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素（Ｚｒ）を含有する固着層２３Ａを形成し、この金属板２３を加熱することで添加元素（Ｚｒ）を拡散させているので、金属層１３の他方の面側において添加元素の含有量が高くなり、上述した硬化層１３Ａを形成することができる。また、添加元素の含有量は、他方の面から離れるに従い低くなることから、硬化層１３Ａに積層されるように、上述の本体層１３Ｂが形成されることになる。   Further, Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge are formed on the other surface of the metal plate 23 to be the metal layer 13 by sputtering. , Ag, Mg, Ca, Li, and Ni are fixed to one or more additional elements, and a fixed layer 23A containing the additional element (Zr) is formed, and the metal plate 23 is heated. Thus, since the additive element (Zr) is diffused, the content of the additive element is increased on the other surface side of the metal layer 13, and the above-described hardened layer 13A can be formed. Moreover, since content of an additive element becomes low as it leaves | separates from the other surface, the above-mentioned main body layer 13B is formed so that it may be laminated | stacked on 13 A of hardened layers.

さらに、本実施形態では、回路層１２の一方の面側に、回路層１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓ´に対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する硬化層１２Ａが形成されているので、回路層１２の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。よって、この回路層１２の一方の面と半導体チップ３との間に介在されたはんだ層２におけるクラックの発生を抑制することができる。
また、回路層１２は、インデンテーション硬度Ｈｂ´が、回路層１２の一方の面のインデンテーション硬度Ｈｓ´の８０％未満とされた本体層１２Ｂを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層１２Ｂの変形によって吸収することが可能となる。よって、セラミックス基板１１と回路層１２との接合信頼性を向上させることができる。 Furthermore, in this embodiment, a hardened layer 12A having an indentation hardness of 80% or more with respect to the indentation hardness Hs ′ on one surface of the circuit layer 12 is formed on one surface side of the circuit layer 12. Therefore, the deformation resistance of the one surface side portion of the circuit layer 12 becomes large, and it becomes possible to suppress the occurrence of swell and wrinkles during a heat cycle load. Therefore, the generation of cracks in the solder layer 2 interposed between one surface of the circuit layer 12 and the semiconductor chip 3 can be suppressed.
Further, since the circuit layer 12 has the main body layer 12B in which the indentation hardness Hb ′ is less than 80% of the indentation hardness Hs ′ of one surface of the circuit layer 12, the heat at the time of thermal cycle load The stress can be absorbed by the deformation of the main body layer 12B. Therefore, the bonding reliability between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 can be improved.

ここで、本実施形態では、セラミックス基板１１と金属板２２、２３をろう付けする加熱工程Ｓ０３において固着層２３Ａ，２２Ａの添加元素を拡散させているので、特別な熱処理工程を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板１０の製造コストを低く抑えることができる。   Here, in this embodiment, since the additive elements of the fixing layers 23A and 22A are diffused in the heating step S03 for brazing the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23, it is not necessary to perform a special heat treatment step. The manufacturing cost of the power module substrate 10 can be kept low.

次に、本発明の第２の実施形態について図７から図１１を参照して説明する。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２及び金属層１１３が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の一方の面（図７において上面）に第１はんだ層１０２を介して接合された半導体チップ１０３と、金属層１１３の他方の面（図７において下面）に第２はんだ層１０４を介して接合された放熱板１４０と、を備えている。なお、放熱板１４０は、熱伝導性に優れた銅板とされている。
第１はんだ層１０２及び第２はんだ層１０４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１１２と第１はんだ層１０２との間、及び、金属層１１３と第２はんだ層１０４との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The power module 101 is bonded to a power module substrate 110 on which a circuit layer 112 and a metal layer 113 are disposed, and one surface (upper surface in FIG. 7) of the circuit layer 112 via a first solder layer 102. The semiconductor chip 103 and the heat sink 140 joined to the other surface (lower surface in FIG. 7) of the metal layer 113 via the second solder layer 104 are provided. In addition, the heat sink 140 is a copper plate excellent in thermal conductivity.
The first solder layer 102 and the second solder layer 104 are, for example, Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder materials. In this embodiment, Ni plating layers (not shown) are provided between the circuit layer 112 and the first solder layer 102 and between the metal layer 113 and the second solder layer 104.

パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図８において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図８において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
本実施形態では、セラミックス基板１１１は絶縁性の高いＡｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さは、０．２〜０．８ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。 The power module substrate 110 has a ceramic substrate 111, a circuit layer 112 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 8) of the ceramic substrate 111, and the other surface (the lower surface in FIG. 8) of the ceramic substrate 111. And a disposed metal layer 113.
In the present embodiment, the ceramic substrate 111 is made of Al 2 O 3 (alumina) having high insulation. Further, the thickness of the ceramic substrate 111 is set in a range of 0.2 to 0.8 mm, and in this embodiment, is set to 0.32 mm.

図１１に示すように、回路層１１２は、セラミックス基板１１１の一方の面（図１１において上面）に導電性を有する金属板１２２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１１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２２がセラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。
また、金属層１１３は、セラミックス基板１１１の他方の面（図１１において下面）に金属板１２３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１１３は、回路層１１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２３がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。 As shown in FIG. 11, the circuit layer 112 is formed by bonding a conductive metal plate 122 to one surface (the upper surface in FIG. 11) of the ceramic substrate 111. In the present embodiment, the circuit layer 112 is formed by joining a metal plate 122 made of a rolled plate of aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 111.
The metal layer 113 is formed by bonding a metal plate 123 to the other surface (the lower surface in FIG. 11) of the ceramic substrate 111. In the present embodiment, the metal layer 113 is formed by joining a metal plate 123 made of a rolled plate of aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 111, as with the circuit layer 112. Has been.

そして、図８に示すように、金属層１１３は、その他方の面側に配設された硬化層１１３Ａと、この硬化層１１３Ａの一方の面側に位置する本体層１１３Ｂと、を備えている。
硬化層１１３Ａは、金属層１１３の他方の面に露呈し、この他方の面から一方の面側に向けて延在しており、金属層１１３の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓに対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、金属層１１３の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層１１３Ｂは、そのインデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた領域となる。 As shown in FIG. 8, the metal layer 113 includes a hardened layer 113A disposed on the other surface side, and a main body layer 113B located on one surface side of the hardened layer 113A. .
The hardened layer 113 </ b> A is exposed on the other surface of the metal layer 113 and extends from the other surface toward the one surface side, and is 80 with respect to the indentation hardness Hs on the other surface of the metal layer 113. It is a region having an indentation hardness of at least%. Here, in the present embodiment, the indentation hardness Hs on the other surface of the metal layer 113 is set in the range of 50 mgf / μm 2 or more and 200 mgf / μm 2 or less.
The main body layer 113B is a region in which the indentation hardness Hb is less than 80% of the indentation hardness Hs.

なお、本実施形態では、金属層１１３のうちセラミックス基板１１１との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Ｈｃが本体層１１３Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂよりも高くされた界面近傍層１１３Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、硬化層１１３Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層１１３Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層１１３Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。 In the present embodiment, an interface vicinity layer 113C in which the indentation hardness Hc is higher than the indentation hardness Hb of the main body layer 113B is formed in the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate 111 in the metal layer 113. Yes.
Here, in the present embodiment, the thickness ts of the hardened layer 113A is 1 μm or more and 300 μm or less, the thickness tb of the main body layer 113B is 100 μm or more and 1500 μm or less, and the thickness tc of the interface vicinity layer 113C is 50 μm or more and 300 μm or less. Has been.

また、硬化層１１３Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてＦｅを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内で含有している。   The hardened layer 113A is selected from Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li, and Ni. One or two or more kinds of additive elements are contained, and the total content of these additive elements is 0.2 atom% or more and 10 atom% or less. In the present embodiment, Fe is added as an additive element in the range of 0.2 atom% to 10 atom%.

金属層１１３においては、その他方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、一方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって金属層１１３の一部が硬化され、上述の硬化層１１３Ａが形成されている。
一方、本体層１１３Ｂでは、上述の添加元素（Ｆｅ）の含有量が少ないことからＡｌの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。 The metal layer 113 is configured such that the other surface has the highest content of the additive element, and the content decreases toward the one surface. A part of the metal layer 113 is cured by this additive element, and the above-described cured layer 113A is formed.
On the other hand, in the main body layer 113B, since the content of the additive element (Fe) is small, the purity of Al is high and the deformation resistance remains small.

なお、セラミックス基板１１１側に位置する界面近傍層１１３Ｃにおいては、セラミックス基板１１１と金属板１２３との接合において利用される元素が拡散することで、本体層１１３ＢよりもＡｌの純度が低くなっている。
詳述すると、界面近傍層１１３Ｃにおいては、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の第２添加元素が固溶している。ここで、この界面近傍層１１３Ｃの接合界面側の前記第２添加元素濃度の合計が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。 Note that, in the near-interface layer 113C located on the ceramic substrate 111 side, the element used for bonding the ceramic substrate 111 and the metal plate 123 is diffused, so that the purity of Al is lower than that of the main body layer 113B. .
Specifically, in the interface vicinity layer 113C, one or more second additive elements selected from Si, Cu, Ag, and Ge are in solid solution. Here, the total concentration of the second additive elements on the bonding interface side of the interface vicinity layer 113C is set in a range of 0.05% by mass or more and 5% by mass or less.

本実施形態では、ＣｕとＧｅを第２添加元素として用いており、界面近傍層１１３ＣのＣｕ濃度が０．０５質量％以上１質量％以下、Ｇｅ濃度が０．０５質量％以上１質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、界面近傍層１１３Ｃの前記第２添加元素濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で、接合界面から５０μｍまでの範囲内を５点測定した平均値である。このＥＰＭＡ分析では、スポット径の全体が接合界面から５０μｍまでの範囲内に入るようにして分析を実施した。 In the present embodiment, Cu and Ge are used as the second additive element, and the Cu concentration in the interface vicinity layer 113C is 0.05% by mass to 1% by mass, and the Ge concentration is 0.05% by mass to 1% by mass. It is set within the range.
The concentration of the second additive element in the interface vicinity layer 113C is an average value obtained by measuring five points within a range from the bonding interface to 50 μm by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm). In this EPMA analysis, the analysis was performed such that the entire spot diameter was within the range of 50 μm from the bonding interface.

また、セラミックス基板１１１と金属層１１３（金属板１２３）との接合界面１３０には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素が介在している。なお、本実施形態では、活性元素としてＨｆが介在している。
ここで、接合界面１３０部分には、図９に示すように活性金属であるＨｆと酸素とを含む酸素化合物からなる酸化物層１３２が形成されている。この酸化物層１３２は、活性金属であるＨｆとＡｌ２Ｏ３からなるセラミック基板１１１の酸素とが反応することによって生じたものである。この酸化物層１３２の厚さＨは、例えば０．１μｍ以上５μｍ以下とされている。 In addition, one or more active elements selected from Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, and Mo are interposed in the bonding interface 130 between the ceramic substrate 111 and the metal layer 113 (metal plate 123). Yes. In the present embodiment, Hf is present as an active element.
Here, an oxide layer 132 made of an oxygen compound containing Hf, which is an active metal, and oxygen is formed at the bonding interface 130 as shown in FIG. The oxide layer 132 is formed by a reaction between Hf, which is an active metal, and oxygen of the ceramic substrate 111 made of Al 2 O 3 . The thickness H of the oxide layer 132 is, for example, not less than 0.1 μm and not more than 5 μm.

なお、本実施形態では、回路層１１２となる金属板１２２とセラミックス基板１１１との接合についても、金属層１１３となる金属板１２３とセラミックス基板１１１と同様に行われており、接合界面部分に酸化物層が形成されており、回路層１１２の接合界面近傍にも第２添加元素（Ｃｕ，Ｇｅ）が固溶している。   In the present embodiment, the metal plate 122 serving as the circuit layer 112 and the ceramic substrate 111 are bonded in the same manner as the metal plate 123 serving as the metal layer 113 and the ceramic substrate 111, and the bonding interface portion is oxidized. A physical layer is formed, and the second additive element (Cu, Ge) is also dissolved in the vicinity of the junction interface of the circuit layer 112.

以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１１０の製造方法について、図１０及び図１１を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 110 for power modules of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to FIG.10 and FIG.11.

（第１固着工程Ｓ１１）
まず、図１１に示すように、金属層１１３となる金属板１２３の他方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層１２３Ａを形成する。
本実施形態では、添加元素としてＦｅを固着しており、その固着量を０．０５ｍｇ／ｃｍ２以上１．６ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。 (First fixing step S11)
First, as shown in FIG. 11, Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, and the like are formed on the other surface of the metal plate 123 to be the metal layer 113 by sputtering. One or more additional elements selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li, and Ni are fixed, and a fixed layer 123A containing the additional element is formed.
In this embodiment, Fe is fixed as an additive element, and the fixed amount is set to 0.05 mg / cm 2 or more and 1.6 mg / cm 2 or less.

（第２固着工程Ｓ１２）
次に、金属板１２２、１２３のそれぞれの接合面に、スパッタリングによって、第２添加元素であるＣｕ及びＧｅ、並びに、活性元素であるＨｆを固着し、第２固着層１２４、１２５を形成する。
本実施形態では、第２固着層１２４、１２５におけるＣｕ量は０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｇｅ量は０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上２．５ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｈｆ量は０．１ｍｇ／ｃｍ２以上６．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。 (Second fixing step S12)
Next, Cu and Ge, which are the second additive elements, and Hf, which is the active element, are fixed to the respective joint surfaces of the metal plates 122 and 123 by sputtering to form the second fixed layers 124 and 125.
In the present embodiment, the Cu amount in the second fixed layers 124 and 125 is 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less, the Ge amount is 0.002 mg / cm 2 or more and 2.5 mg / cm 2 or less, Hf The amount is set to 0.1 mg / cm 2 or more and 6.7 mg / cm 2 or less.

（積層工程Ｓ１３）
次に、金属板１２２をセラミックス基板１１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板１２３をセラミックス基板１１１の他方の面側に積層する。このとき、図１１に示すように、金属板１２２、１２３のうち第２固着層１２４、１２５が形成された面がセラミックス基板１１１を向くように積層する。すなわち、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との間に第２固着層１２４、１２５を介在させているのである。このようにして積層体１２０を形成する。 (Lamination process S13)
Next, the metal plate 122 is laminated on one surface side of the ceramic substrate 111, and the metal plate 123 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 111. At this time, as shown in FIG. 11, the metal plates 122 and 123 are laminated so that the surfaces on which the second fixing layers 124 and 125 are formed face the ceramic substrate 111. That is, the second fixed layers 124 and 125 are interposed between the metal plates 122 and 123 and the ceramic substrate 111. In this way, the stacked body 120 is formed.

（加熱工程Ｓ１４）
次に、積層工程Ｓ１３において形成された積層体１２０を、その積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。この溶融金属領域は、第２固着層１２４、１２５のＣｕ及びＧｅが金属板１２２、１２３側に拡散することによって、金属板１２２、１２３の第２固着層１２４、１２５近傍のＣｕ濃度、Ｇｅ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。 (Heating step S14)
Next, the stacked body 120 formed in the stacking step S13 is charged in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) in a heating furnace and heated, and the metal plates 122 and 123 and Molten metal regions are respectively formed at the interface with the ceramic substrate 111. In this molten metal region, Cu concentration and Ge concentration in the vicinity of the second fixed layers 124 and 125 of the metal plates 122 and 123 are diffused by Cu and Ge of the second fixed layers 124 and 125 diffusing to the metal plates 122 and 123 side. Is formed by increasing the melting point and lowering the melting point.

このとき、活性金属であるＨｆは、セラミックス基板１１１を構成するＡｌ２Ｏ３と反応し、Ｈｆと酸素とを含む酸素化合物（例えばＨｆＯ２）が生成し、酸化物層１３２が形成されることになる。
また、この加熱工程Ｓ１４により、金属板１２３の固着層１２３Ａに含有された添加元素（本実施形態ではＦｅ）が金属板１２３の一方の面側に向けて拡散していく。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をＮ２ガス雰囲気としており、加熱温度は、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。 At this time, the active metal Hf reacts with Al 2 O 3 constituting the ceramic substrate 111 to generate an oxygen compound (for example, HfO 2 ) containing Hf and oxygen, whereby the oxide layer 132 is formed. become.
Further, by this heating step S <b> 14, the additive element (Fe in this embodiment) contained in the fixing layer 123 </ b> A of the metal plate 123 diffuses toward one surface side of the metal plate 123.
In the present embodiment, the atmosphere in the heating furnace is an N 2 gas atmosphere, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 650 ° C. or less.

（凝固工程Ｓ１５）
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＣｕ、Ｇｅが、さらに金属板１２２、１２３側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度、Ｇｅ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３とは、いわゆる過渡液相接合（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 S15)
Next, the temperature is kept constant with the molten metal region formed. Then, Cu and Ge in the molten metal region are further diffused to the metal plates 122 and 123 side. As a result, the Cu concentration and the Ge concentration in the molten metal region gradually decrease and the melting point rises, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. That is, the ceramic substrate 111 and the metal plates 122 and 123 are bonded by so-called transient liquid phase bonding (Transient Liquid Phase Bonding). After solidification progresses in this way, cooling is performed to room temperature.

このようにして、回路層１１２及び金属層１１３となる金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０が製造される。
また、金属層１１３においては、固着層１２３Ａに含有された添加元素（Ｆｅ）が拡散することで硬化層１１３Ａ及び本体層１１３Ｂが形成される。また、第２固着層１２５に含まれるＣｕ及びＧｅが拡散することで界面近傍層１１３Ｃが形成される。 In this manner, the metal plates 122 and 123 to be the circuit layer 112 and the metal layer 113 and the ceramic substrate 111 are bonded together, and the power module substrate 110 according to this embodiment is manufactured.
Moreover, in the metal layer 113, the hardened layer 113A and the main body layer 113B are formed by the diffusion of the additive element (Fe) contained in the fixed layer 123A. Also, Cu and Ge contained in the second fixed layer 125 are diffused to form the interface vicinity layer 113C.

そして、このパワーモジュール用基板１１０の金属層１１３の他方の面側に、はんだ層１０４を介して放熱板１４０が接合される。また、回路層１１２の表面にはんだ層１０２を介して半導体チップ１０３を搭載する。これにより、本実施形態であるパワーモジュール１０１が製出される。   And the heat sink 140 is joined to the other surface side of the metal layer 113 of this power module substrate 110 through the solder layer 104. In addition, the semiconductor chip 103 is mounted on the surface of the circuit layer 112 via the solder layer 102. Thereby, the power module 101 which is this embodiment is produced.

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１１０及びパワーモジュール１０１においては、金属層１１３の他方の面側に硬化層１１３Ａが形成されているので、金属層１１３の他方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。よって、この金属層１１３の他方の面と放熱板１４０との間に介在されたはんだ層１０４におけるクラックの発生を抑制することができる。   In the power module substrate 110 and the power module 101 according to the present embodiment configured as described above, since the hardened layer 113A is formed on the other surface side of the metal layer 113, the other of the metal layers 113 is formed. The deformation resistance of the surface side portion is increased, and it becomes possible to suppress the occurrence of waviness and wrinkles during a heat cycle load. Therefore, the occurrence of cracks in the solder layer 104 interposed between the other surface of the metal layer 113 and the heat sink 140 can be suppressed.

また、金属層１１３に、前述の硬化層１１３Ａよりもインデンテーション硬度が低い本体層１１３Ｂを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層１１３Ｂの変形によって吸収することが可能となる。よって、セラミックス基板１１１と金属層１１３との接合信頼性を向上させることができる。   Further, since the metal layer 113 has the main body layer 113B having a lower indentation hardness than the above-described hardened layer 113A, it is possible to absorb the thermal stress at the time of thermal cycle load by the deformation of the main body layer 113B. Become. Therefore, the bonding reliability between the ceramic substrate 111 and the metal layer 113 can be improved.

また、本実施形態では、金属板１２２、１２３の接合面に第２添加元素としてＣｕ、Ｇｅを固着させる第２固着工程Ｓ１２を備えているので、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１の接合界面１３０には、Ｃｕ及びＧｅが介在することになる。
そして、セラミックス基板１１１がＡｌ２Ｏ３で構成されており、金属板１２２，１２３とセラミックス基板１１１との接合界面１３０に、活性元素としてＨｆが介在しており、より具体的には、接合界面１３０にＨｆと酸素とを含む酸素化合物からなる酸化物層１３２が形成されているので、この酸化物層１３２によってセラミックス基板１１１と金属板１２２，１２３との接合強度の向上を図ることができる。なお、この酸化物層１３２は、活性元素であるＨｆとセラミックス基板１１１の酸素との反応によって生成していることからセラミックス基板１１１との接合強度は極めて高い。 Further, in the present embodiment, since the second fixing step S12 for fixing Cu and Ge as the second additive elements to the bonding surfaces of the metal plates 122 and 123 is provided, the bonding interface between the metal plates 122 and 123 and the ceramic substrate 111 is provided. In 130, Cu and Ge intervene.
The ceramic substrate 111 is made of Al 2 O 3 , and Hf is interposed as an active element in the bonding interface 130 between the metal plates 122 and 123 and the ceramic substrate 111, and more specifically, the bonding interface. Since the oxide layer 132 made of an oxygen compound containing Hf and oxygen is formed on 130, the oxide layer 132 can improve the bonding strength between the ceramic substrate 111 and the metal plates 122 and 123. The oxide layer 132 is generated by a reaction between Hf, which is an active element, and oxygen of the ceramic substrate 111, so that the bonding strength with the ceramic substrate 111 is extremely high.

また、本実施形態では、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程Ｓ１４において、固着層１２３Ａの添加元素を拡散させているので、特別な熱処理工程を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板１１０の製造コストを低く抑えることができる。   Further, in the present embodiment, in the heating step S14 in which the molten metal region is formed at the interface between the ceramic substrate 111 and the metal plates 122 and 123, the additive element of the fixed layer 123A is diffused, so that a special heat treatment step is performed. This is unnecessary, and the manufacturing cost of the power module substrate 110 can be kept low.

次に、本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板について図１２及び図１３を用いて説明する。
本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０は、セラミックス基板２１１と、このセラミックス基板２１１の一方の面（図１２において上面）に配設された回路層２１２と、セラミックス基板２１１の他方の面（図１２において下面）に配設された金属層２１３とを備えている。 Next, a power module substrate according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The power module substrate 210 according to the present embodiment includes a ceramic substrate 211, a circuit layer 212 disposed on one surface of the ceramic substrate 211 (upper surface in FIG. 12), and the other surface of the ceramic substrate 211 (FIG. 12 and a metal layer 213 disposed on the lower surface.

セラミックス基板２１１は、本実施形態ではＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）で構成されたものとしている。また、セラミックス基板２１１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、０．３２ｍｍに設定されている。 In the present embodiment, the ceramic substrate 211 is made of Si 3 N 4 (silicon nitride). Further, the thickness of the ceramic substrate 211 is set in a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment, is set to 0.32 mm.

回路層２１２は、セラミックス基板２１１の一方の面に導電性を有する金属板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２１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板２１１に接合されることにより形成されている。
金属層２１３は、セラミックス基板２１１の他方の面に金属板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２１３は、Ｆｅ，Ｍｎを含有するアルミニウム合金の圧延板からなる金属板がセラミックス基板２１１に接合されることにより形成されている。 The circuit layer 212 is formed by bonding a conductive metal plate to one surface of the ceramic substrate 211. In the present embodiment, the circuit layer 212 is formed by bonding a metal plate made of a rolled plate of aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 211.
The metal layer 213 is formed by bonding a metal plate to the other surface of the ceramic substrate 211. In the present embodiment, the metal layer 213 is formed by joining a metal plate made of a rolled plate of an aluminum alloy containing Fe and Mn to the ceramic substrate 211.

そして、図１２に示すように、金属層２１３は、その他方の面に露呈した硬化層２１３Ａを備えている。この硬化層２１３Ａは、金属層２１３の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓに対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、金属層２１３の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。 And as shown in FIG. 12, the metal layer 213 is provided with the hardened layer 213A exposed to the other surface. The hardened layer 213A is a region having an indentation hardness of 80% or more with respect to the indentation hardness Hs on the other surface of the metal layer 213. Here, in this embodiment, the indentation hardness Hs on one surface of the metal layer 213 is set within a range of 50 mgf / μm 2 or more and 200 mgf / μm 2 or less.

なお、本実施形態では、金属層２１３のうちセラミックス基板２１１との接合界面近傍には、界面近傍層２１３Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、硬化層２１３Ａの厚さｔｓが１００μｍ以上１５００μｍ以下とされ、界面近傍層２１３Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。 In the present embodiment, the interface vicinity layer 213C is formed in the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate 211 in the metal layer 213.
Here, in the present embodiment, the thickness ts of the cured layer 213A is set to 100 μm or more and 1500 μm or less, and the thickness tc of the interface vicinity layer 213C is set to 50 μm or more and 300 μm or less.

また、硬化層２１３Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてＦｅ及びＭｎを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内で含有している。   The hardened layer 213A is selected from Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li, and Ni. One or two or more kinds of additive elements are contained, and the total content of these additive elements is 0.2 atom% or more and 10 atom% or less. In the present embodiment, Fe and Mn are added as additive elements in the range of 0.2 atom% or more and 10 atom% or less.

なお、セラミックス基板２１１側に位置する界面近傍層２１３Ｃは、セラミックス基板２１１と金属板２１３との接合において利用される元素が拡散することによって形成されている。
詳述すると、界面近傍層２１３Ｃにおいては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の第２添加元素が固溶している。ここで、この界面近傍層２１３Ｃの前記第２添加元素濃度の合計が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。 The interface vicinity layer 213 </ b> C located on the ceramic substrate 211 side is formed by diffusing an element used for bonding the ceramic substrate 211 and the metal plate 213.
Specifically, in the interface vicinity layer 213C, one or more second additive elements selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, and Li are dissolved. Here, the total concentration of the second additive elements in the interface vicinity layer 213C is set in a range of 0.05% by mass or more and 5% by mass or less.

本実施形態では、Ｓｉ及びＣｕを第２添加元素として用いており、界面近傍層２１３ＣのＳｉ濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下、Ｃｕ濃度が０．０５質量％以上１質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、界面近傍層２１３Ｃの前記第２添加元素濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で、接合界面から５０μｍまでの範囲内を５点測定した平均値である。このＥＰＭＡ分析では、スポット径の全体が接合界面から５０μｍまでの範囲内に入るようにして分析を実施した。 In the present embodiment, Si and Cu are used as the second additive element, and the Si concentration in the interface vicinity layer 213C is 0.05% by mass or more and 0.5% by mass or less, and the Cu concentration is 0.05% by mass or more and 1% by mass. % Is set within the range.
The concentration of the second additive element in the interface vicinity layer 213C is an average value obtained by measuring five points in the range from the bonding interface to 50 μm by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm). In this EPMA analysis, the analysis was performed such that the entire spot diameter was within the range of 50 μm from the bonding interface.

以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板２１０の製造方法について、図１３のフロー図を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the board 210 for power modules of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to the flowchart of FIG.

（第２固着工程Ｓ２１）
まず、回路層２１２となる金属板及び金属層２１３となる金属板のそれぞれの接合面に、スパッタリングによって、第２添加元素であるＳｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の第２添加元素を固着して、第２固着層を形成する。
本実施形態では、第２添加元素としてＣｕ及びＳｉを用いており、第２固着層におけるＣｕ量は０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｓｉ量は０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上１．２ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。 (Second fixing step S21)
First, the second additive elements Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, and Li are selected by sputtering on the joint surfaces of the metal plate that becomes the circuit layer 212 and the metal plate that becomes the metal layer 213, respectively. One or two or more second additive elements to be fixed are fixed to form the second fixed layer.
In the present embodiment, Cu and Si are used as the second additive element, the Cu amount in the second pinned layer is 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less, and the Si amount is 0.002 mg / cm 2. It is set to 1.2 mg / cm 2 or more.

（積層工程Ｓ２２）
次に、セラミックス基板２１１と金属板を積層する。このとき、金属板のうち第２固着層が形成された面がセラミックス基板２１１を向くように積層する。すなわち、金属板とセラミックス基板２１１との間に第２固着層を介在させているのである。このようにして積層体を形成する。 (Lamination process S22)
Next, the ceramic substrate 211 and the metal plate are laminated. At this time, the metal plate is laminated so that the surface on which the second fixing layer is formed faces the ceramic substrate 211. That is, the second fixed layer is interposed between the metal plate and the ceramic substrate 211. In this way, a laminate is formed.

（加熱工程Ｓ２３）
次に、積層工程Ｓ２２において形成された積層体を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板とセラミックス基板２１１との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。この溶融金属領域は、第２固着層のＣｕ及びＳｉが金属板側に拡散することによって、金属板の第２固着層近傍のＣｕ濃度、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、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をＮ２ガス雰囲気としており、加熱温度は、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。 (Heating step S23)
Next, the stacked body formed in the stacking step S22 is charged in the stacking direction (pressure 1 to 5 kgf / cm 2 ) in a heating furnace and heated, and the metal plate and the ceramic substrate 211 are heated. A molten metal region is formed at each interface. This molten metal region is formed by the Cu and Si in the second pinned layer diffusing to the metal plate side, thereby increasing the Cu concentration and Si concentration in the vicinity of the second pinned layer of the metal plate and lowering the melting point. Is.
In the present embodiment, the atmosphere in the heating furnace is an N 2 gas atmosphere, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 650 ° C. or less.

（凝固工程Ｓ２４）
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＣｕ、Ｓｉが、さらに金属板側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度、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２１１と金属板とは、いわゆる過渡液相接合（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 S24)
Next, the temperature is kept constant with the molten metal region formed. Then, Cu and Si in the molten metal region are further diffused to the metal plate side. As a result, the Cu concentration and the Si concentration in the portion that was the molten metal region gradually decrease and the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. That is, the ceramic substrate 211 and the metal plate are bonded by so-called transient liquid phase 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２１２及び金属層２１３となる金属板とセラミックス基板２１１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２１０が製造される。   Thus, the metal plate used as the circuit layer 212 and the metal layer 213, and the ceramic substrate 211 are joined, and the power module substrate 210 which is this embodiment is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０においては、金属層２１３の他方の面側に硬化層２１３Ａが形成されているので、金属層２１３の他方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。よって、この金属層２１３の他方の面と放熱板との間に介在されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制することができる。   In the power module substrate 210 according to the present embodiment configured as described above, since the hardened layer 213A is formed on the other surface side of the metal layer 213, the other surface side portion of the metal layer 213 is formed. Deformation resistance increases, and it becomes possible to suppress the occurrence of waviness and wrinkles during a heat cycle load. Therefore, generation | occurrence | production of the crack in the solder layer interposed between the other surface of this metal layer 213 and a heat sink can be suppressed.

次に、本発明の第４の実施形態であるパワーモジュール用基板について図１４及び図１５を用いて説明する。
本実施形態であるパワーモジュール用基板３１０は、セラミックス基板３１１と、このセラミックス基板３１１の一方の面（図１４において上面）に配設された回路層３１２と、セラミックス基板３１１の他方の面（図１４において下面）に配設された金属層３１３とを備えている。 Next, a power module substrate according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The power module substrate 310 according to the present embodiment includes a ceramic substrate 311, a circuit layer 312 disposed on one surface of the ceramic substrate 311 (upper surface in FIG. 14), and the other surface of the ceramic substrate 311 (FIG. 14 and a metal layer 313 disposed on the lower surface.

セラミックス基板３１１は、本実施形態ではＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板３１１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。   In this embodiment, the ceramic substrate 311 is made of AlN (aluminum nitride). Further, the thickness of the ceramic substrate 311 is set in a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment, is set to 0.635 mm.

回路層３１２は、セラミックス基板３１１の一方の面に導電性を有する金属板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３１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板３１１に接合されることにより形成されている。
金属層３１３は、セラミックス基板３１１の他方の面に金属板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３１３は、回路層３１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板３１１に接合されることで形成されている。 The circuit layer 312 is formed by bonding a conductive metal plate to one surface of the ceramic substrate 311. In the present embodiment, the circuit layer 312 is formed by joining a metal plate made of a rolled plate of aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 311.
The metal layer 313 is formed by bonding a metal plate to the other surface of the ceramic substrate 311. In the present embodiment, the metal layer 313 is formed by joining a metal plate made of a rolled plate of aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 311, as with the circuit layer 312. ing.

そして、図１４に示すように、金属層３１３は、その他方の面（図１４において下面）側に配設された硬化層３１３Ａと、この硬化層３１３Ａの一方の面側に位置する本体層３１３Ｂと、を備えている。
硬化層３１３Ａは、金属層３１３の他方の面に露呈し、この他方の面から一方の面側（図１４において上側）に向けて延在しており、金属層３１３の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓに対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、金属層３１３の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層３１３Ｂは、そのインデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた領域となる。 As shown in FIG. 14, the metal layer 313 includes a hardened layer 313A disposed on the other surface (lower surface in FIG. 14) side, and a main body layer 313B located on one surface side of the hardened layer 313A. And.
The hardened layer 313A is exposed on the other surface of the metal layer 313, extends from the other surface toward one surface side (upper side in FIG. 14), and is indented on the other surface of the metal layer 313. This is a region having an indentation hardness of 80% or more with respect to the hardness Hs. In the present embodiment, indentation hardness Hs at the other surface of the metal layer 313 is set to 50 mgf / [mu] m 2 or more 200 mgf / [mu] m 2 within the following ranges.
The main body layer 313B is a region where the indentation hardness Hb is less than 80% of the indentation hardness Hs.

なお、本実施形態では、金属層３１３のうちセラミックス基板３１１との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Ｈｃが本体層３１３Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂよりも高くされた界面近傍層３１３Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、硬化層３１３Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層３１３Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層３１３Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。 In the present embodiment, an interface vicinity layer 313C having an indentation hardness Hc higher than an indentation hardness Hb of the main body layer 313B is formed in the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate 311 in the metal layer 313. Yes.
Here, in this embodiment, the thickness ts of the hardened layer 313A is 1 μm or more and 300 μm or less, the thickness tb of the main body layer 313B is 100 μm or more and 1500 μm or less, and the thickness tc of the interface vicinity layer 313C is 50 μm or more and 300 μm or less. Has been.

また、硬化層３１３Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内で含有している。   The hardened layer 313A is selected from Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li, and Ni. One or two or more kinds of additive elements are contained, and the total content of these additive elements is 0.2 atom% or more and 10 atom% or less. In the present embodiment, Zr is contained as an additive element in the range of 0.2 atom% or more and 10 atom% or less.

金属層３１３においては、その他方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、一方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって金属層３１３の一部が硬化され、上述の硬化層３１３Ａが形成されているのである。
一方、本体層３１３Ｂでは、上述の添加元素の含有量が少ないことからＡｌの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。 In the metal layer 313, the other surface has the highest content of the additive element, and the content decreases toward the one surface. A part of the metal layer 313 is cured by the additive element, and the above-described cured layer 313A is formed.
On the other hand, in the main body layer 313B, since the content of the above-described additive element is small, the purity of Al is high and the deformation resistance remains small.

なお、セラミックス基板３１１側に位置する界面近傍層３１３Ｃにおいては、セラミックス基板３１１と金属板との接合において利用される元素が拡散することで、本体層３１３ＢよりもＡｌの純度が低くなっている。
詳述すると、界面近傍層３１３Ｃにおいては、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材に含まれるＳｉが固溶している。 In the near-interface layer 313C located on the ceramic substrate 311 side, the purity of Al is lower than that of the main body layer 313B due to the diffusion of elements used in the bonding of the ceramic substrate 311 and the metal plate.
More specifically, in the interface vicinity layer 313C, Si contained in the Al—Si based brazing material is dissolved.

以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板３１０の製造方法について、図１５のフロー図を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the board 310 for power modules of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to the flowchart of FIG.

（積層工程Ｓ３１）
まず、セラミックス基板３１１の一方の面側に、回路層３１２となる金属板を、厚さ１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔を介して積層し、セラミックス基板３１１の他方の面側に、金属層３１３となる金属板を厚さ１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔を介して積層して、積層体を形成する。なお、本実施形態においては、ろう材箔は、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされている。 (Lamination process S31)
First, a metal plate to be the circuit layer 312 is laminated on one surface side of the ceramic substrate 311 with a brazing material foil having a thickness of 15 to 30 μm (in this embodiment, 20 μm), and the other surface of the ceramic substrate 311. On the side, a metal plate to be the metal layer 313 is laminated through a brazing material foil having a thickness of 15 to 30 μm (in this embodiment, 20 μm) to form a laminate. In the present embodiment, the brazing material foil is an Al—Si based brazing material containing Si which is a melting point lowering element.

（接合加熱工程Ｓ３２）
次に、積層工程Ｓ３１において形成された積層体を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板とセラミックス基板３１１との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をＮ２ガス雰囲気としており、加熱温度は、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。 (Junction heating process S32)
Next, the stacked body formed in the stacking step S31 is charged in the stacking direction (pressure 1 to 5 kgf / cm 2 ) in a heating furnace and heated, and the metal plate, the ceramic substrate 311, A molten metal region is formed at each interface.
In the present embodiment, the atmosphere in the heating furnace is an N 2 gas atmosphere, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 650 ° C. or less.

（凝固工程Ｓ３３）
次に、積層体を冷却することによって溶融金属領域を凝固させ、セラミックス基板３１１と金属板とを接合する。このようにして、回路層３１２及び金属層３１３となる金属板とセラミックス基板３１１とが接合される。このとき、ろう材箔に含まれるＳｉが拡散することで、金属層３１３及び回路層３１２には、界面近傍層３１３Ｃ、３１２Ｃが形成される。 (Coagulation step S33)
Next, the molten metal region is solidified by cooling the laminate, and the ceramic substrate 311 and the metal plate are joined. In this manner, the metal plate to be the circuit layer 312 and the metal layer 313 and the ceramic substrate 311 are bonded. At this time, Si contained in the brazing material foil diffuses, so that near-interface layers 313C and 312C are formed in the metal layer 313 and the circuit layer 312.

（固着工程Ｓ３４）
次に、金属層３１３の他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する。
本実施形態では、添加元素としてＺｒをスパッタリングによって固着しており、その固着量をその固着量を０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上０．１５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。 (Fixing step S34)
Next, on the other surface of the metal layer 313, Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, One or more additional elements selected from Li and Ni are fixed, and a fixed layer containing the additional element is formed.
In this embodiment, Zr is fixed as an additive element by sputtering, and the fixing amount is set to 0.002 mg / cm 2 or more and 0.15 mg / cm 2 or less.

（加熱工程Ｓ３５）
そして、固着層が形成された金属層３１３を、接合されたセラミックス基板３１１とともに、加熱炉によって加熱する。このときの加熱温度は、上述の接合加熱工程Ｓ３２よりも低い温度とされる。
この加熱工程Ｓ３５により、金属層３１３の固着層に含有された添加元素（Ｚｒ）が金属層３１３の一方の面側に向けて拡散していく。これにより、金属層３１３には、固着層に含有された添加元素（Ｚｒ）が拡散することで硬化層３１３Ａ及び本体層３１３Ｂが形成される。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板３１０が製出される。 (Heating step S35)
Then, the metal layer 313 on which the fixed layer is formed is heated together with the bonded ceramic substrate 311 by a heating furnace. The heating temperature at this time is set to a temperature lower than the above-described bonding heating step S32.
By this heating step S <b> 35, the additive element (Zr) contained in the fixed layer of the metal layer 313 is diffused toward one surface side of the metal layer 313. Accordingly, the hardened layer 313A and the main body layer 313B are formed in the metal layer 313 by the diffusion of the additive element (Zr) contained in the fixed layer.
In this way, the power module substrate 310 according to the present embodiment is produced.

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３１０においては、金属層３１３の他方の面側に硬化層３１３Ａが形成されているので、金属層３１３の他方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。   In the power module substrate 310 according to the present embodiment configured as described above, since the hardened layer 313A is formed on the other surface side of the metal layer 313, the other surface side portion of the metal layer 313 is formed. Deformation resistance increases, and it becomes possible to suppress the occurrence of waviness and wrinkles during a heat cycle load.

また、金属層３１３は、硬化層３１３Ａよりも硬度が低い本体層３１３Ｂを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層３１３Ｂの変形によって吸収することが可能となる。よって、セラミックス基板３１１と金属層３１３との接合信頼性を向上させることができる。   Moreover, since the metal layer 313 has the main body layer 313B having a hardness lower than that of the hardened layer 313A, it is possible to absorb the thermal stress during the heat cycle load by the deformation of the main body layer 313B. Therefore, the bonding reliability between the ceramic substrate 311 and the metal layer 313 can be improved.

次に、本発明の第５の実施形態であるパワーモジュール用基板について図１６及び図１７を用いて説明する。
本実施形態であるパワーモジュール用基板４１０は、セラミックス基板４１１と、このセラミックス基板４１１の一方の面（図１６において上面）に配設された回路層４１２と、セラミックス基板４１１の他方の面（図１６において下面）に配設された金属層４１３とを備えている。 Next, a power module substrate according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The power module substrate 410 according to the present embodiment includes a ceramic substrate 411, a circuit layer 412 disposed on one surface of the ceramic substrate 411 (upper surface in FIG. 16), and the other surface of the ceramic substrate 411 (FIG. 16 and a metal layer 413 disposed on the lower surface.

セラミックス基板４１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されており、その厚さが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。
回路層４１２は、セラミックス基板４１１の一方の面に導電性を有する金属板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４１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板４１１に接合されることにより形成されている。
金属層４１３は、セラミックス基板４１１の他方の面に金属板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４１３は、回路層４１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板４１１に接合されることで形成されている。 The ceramic substrate 411 is made of highly insulating AlN (aluminum nitride), and its thickness is set within a range of 0.2 to 1.5 mm. In this embodiment, the thickness is set to 0.635 mm. Has been.
The circuit layer 412 is formed by bonding a conductive metal plate to one surface of the ceramic substrate 411. In the present embodiment, the circuit layer 412 is formed by bonding a metal plate made of a rolled plate of aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 411.
The metal layer 413 is formed by bonding a metal plate to the other surface of the ceramic substrate 411. In the present embodiment, the metal layer 413 is formed by bonding a metal plate made of a rolled plate of aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 411, similarly to the circuit layer 412. ing.

そして、図１６に示すように、金属層４１３は、その他方の面（図１６において下面）側に配設された硬化層４１３Ａと、この硬化層４１３Ａの他方の面側に位置する本体層４１３Ｂと、を備えている。
硬化層４１３Ａは、金属層４１３の他方の面に露呈し、この他方の面から一方の面側（図１６において上側）に向けて延在しており、金属層４１３の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓに対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、金属層４１３の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層４１３Ｂは、そのインデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた領域となる。 As shown in FIG. 16, the metal layer 413 includes a hardened layer 413A disposed on the other surface (the lower surface in FIG. 16), and a main body layer 413B located on the other surface side of the hardened layer 413A. And.
The hardened layer 413A is exposed on the other surface of the metal layer 413 and extends from the other surface toward one surface side (upper side in FIG. 16), and is indented on the other surface of the metal layer 413. This is a region having an indentation hardness of 80% or more with respect to the hardness Hs. Here, in this embodiment, the indentation hardness Hs on the other surface of the metal layer 413 is set in a range of 50 mgf / μm 2 or more and 200 mgf / μm 2 or less.
The main body layer 413B is a region where the indentation hardness Hb is less than 80% of the indentation hardness Hs.

なお、本実施形態では、金属層４１３のうちセラミックス基板４１１との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Ｈｃが本体層４１３Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂよりも高くされた界面近傍層４１３Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、硬化層４１３Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層４１３Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層４１３Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。 In the present embodiment, an interface vicinity layer 413C having an indentation hardness Hc higher than the indentation hardness Hb of the main body layer 413B is formed in the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate 411 in the metal layer 413. Yes.
Here, in this embodiment, the thickness ts of the hardened layer 413A is 1 μm or more and 300 μm or less, the thickness tb of the main body layer 413B is 100 μm or more and 1500 μm or less, and the thickness tc of the interface vicinity layer 413C is 50 μm or more and 300 μm or less. Has been.

また、硬化層４１３Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてＮｉを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有している。   Further, the hardened layer 413A is selected from Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li, and Ni. One or two or more kinds of additive elements are contained, and the total content of these additive elements is 0.2 atom% or more and 10 atom% or less. In the present embodiment, Ni is contained in an amount of 0.2 atom% or more and 10 atom% or less as an additive element.

金属層４１３においては、その他方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、一方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって金属層４１３の一部が硬化され、上述の硬化層４１３Ａが形成されているのである。
一方、本体層４１３Ｂでは、上述の添加元素の含有量が少ないことからＡｌの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。 In the metal layer 413, the other surface has the highest content of the additive element, and the content decreases toward the one surface. A part of the metal layer 413 is cured by the additive element, and the above-described cured layer 413A is formed.
On the other hand, in the main body layer 413B, since the content of the above-described additive element is small, the purity of Al is high and the deformation resistance remains small.

なお、セラミックス基板４１１側に位置する界面近傍層４１３Ｃにおいては、セラミックス基板４１１と金属板との接合において利用される元素が拡散することで、本体層４１３ＢよりもＡｌの純度が低くなっている。本実施形態では、界面近傍層４１３Ｃには、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材に含まれるＳｉが固溶している。   Note that, in the near-interface layer 413C located on the ceramic substrate 411 side, the purity of Al is lower than that of the main body layer 413B due to the diffusion of elements used in the bonding of the ceramic substrate 411 and the metal plate. In this embodiment, Si contained in the Al—Si based brazing material is dissolved in the interface vicinity layer 413C.

以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板４１０の製造方法について、図１７のフロー図を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 410 for power modules of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to the flowchart of FIG.

（固着工程Ｓ４１）
まず、金属層４１３となる金属板の他方の面にＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する。
本実施形態では、添加元素としてＮｉをめっきによって固着しており、その固着量を０．０５ｍｇ／ｃｍ２以上２．０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。 (Fixing step S41)
First, Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, One or two or more additional elements selected from Ca, Li and Ni are fixed, and a fixed layer containing this additional element is formed.
In this embodiment, Ni is fixed as an additive element by plating, and the fixed amount is set to 0.05 mg / cm 2 or more and 2.0 mg / cm 2 or less.

（加熱工程Ｓ４２）
次に、固着層が形成された金属板を加熱炉によって加熱する。このときの加熱温度は、１５０℃〜６００℃に設定されている。
この加熱工程Ｓ４２により、金属板の固着層に含有された添加元素（Ｎｉ）が金属板の一方の面側に向けて拡散していく。これにより、金属層４１３となる金属板には、硬化層４１３Ａ、本体層４１３Ｂが形成されることになる。 (Heating step S42)
Next, the metal plate on which the fixed layer is formed is heated by a heating furnace. The heating temperature at this time is set to 150 ° C. to 600 ° C.
By this heating step S42, the additive element (Ni) contained in the fixed layer of the metal plate diffuses toward the one surface side of the metal plate. Thereby, the hardened layer 413A and the main body layer 413B are formed on the metal plate to be the metal layer 413.

（積層工程Ｓ４３）
次に、セラミックス基板４１１の一方の面に、回路層４１２となる金属板を、厚さ１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔を介して積層し、セラミックス基板４１１の他方の面に、固着層の添加元素を拡散させた金属板を、厚さ１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔を介して積層して、積層体を形成する。なお、本実施形態においては、ろう材箔は、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされている。 (Lamination process S43)
Next, a metal plate to be the circuit layer 412 is laminated on one surface of the ceramic substrate 411 with a brazing filler metal foil having a thickness of 15 to 30 μm (20 μm in this embodiment), and the other surface of the ceramic substrate 411. Further, the metal plate in which the additive element of the fixing layer is diffused is laminated via a brazing material foil having a thickness of 15 to 30 μm (20 μm in this embodiment) to form a laminated body. In the present embodiment, the brazing material foil is an Al—Si based brazing material containing Si which is a melting point lowering element.

（接合加熱工程Ｓ４４）
次に、積層工程Ｓ４３において形成された積層体を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板とセラミックス基板４１１との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をＮ２ガス雰囲気としており、加熱温度は、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。 (Junction heating process S44)
Next, the laminated body formed in the laminating step S43 is charged in the laminating direction (pressure 1 to 5 kgf / cm 2 ) in a heating furnace and heated, and the metal plate, the ceramic substrate 411, A molten metal region is formed at each interface.
In the present embodiment, the atmosphere in the heating furnace is an N 2 gas atmosphere, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 650 ° C. or less.

（凝固工程Ｓ４５）
次に、積層体を冷却することによって溶融金属層を凝固させ、セラミックス基板４１１と金属板とを接合する。このようにして、回路層４１２及び金属層４１３となる金属板とセラミックス基板４１１とが接合される。このとき、ろう材箔に含まれるＳｉが拡散することで、金属層４１３には、界面近傍層４１３Ｃが形成される。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板４１０が製出される。 (Coagulation step S45)
Next, the molten metal layer is solidified by cooling the laminate, and the ceramic substrate 411 and the metal plate are joined. In this way, the metal plate to be the circuit layer 412 and the metal layer 413 and the ceramic substrate 411 are bonded. At this time, Si contained in the brazing material foil diffuses, so that the interface layer 413C is formed in the metal layer 413.
In this way, the power module substrate 410 according to the present embodiment is produced.

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４１０においては、金属層４１３の他方の面側に硬化層４１３Ａが形成されているので、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。また、金属層４１３は、硬化層４１３Ａよりも硬度が低い本体層４１３Ｂを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力を、この本体層４１３Ｂの変形によって吸収することが可能となる。   In the power module substrate 410 according to the present embodiment configured as described above, since the hardened layer 413A is formed on the other surface side of the metal layer 413, undulations and wrinkles are generated during a thermal cycle load. Can be suppressed. In addition, since the metal layer 413 includes the main body layer 413B having a hardness lower than that of the hardened layer 413A, it is possible to absorb the thermal stress during the heat cycle load by the deformation of the main body layer 413B.

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、硬化層が含有する添加元素は、実施形態で具体的に記載したものに限定されることはなく、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上を用いてもよい。
また、スパッタやめっきによって固着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、ＣＶＤ、コールドスプレー、又は、前記添加元素を含有する粉末が分散されたペースト若しくはインクの塗布によって添加元素を固着させてもよい。 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 additive elements contained in the hardened layer are not limited to those specifically described in the embodiment, and Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, One or more selected from Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li, and Ni may be used.
In addition, although it has been described that the fixing layer is formed by sputtering or plating, the present invention is not limited to this, and vapor deposition, CVD, cold spray, or a paste or ink in which powder containing the additive element is dispersed is used. The additive element may be fixed by coating.

また、Ａｌとともに添加元素、第２添加元素、活性元素を固着してもよい。この場合、Ｃａ及びＬｉ等の酸化しやすい元素であっても確実に固着させることが可能となる。なお、前記添加元素とともにＡｌを固着させるには、前記添加元素とＡｌとを同時に蒸着してもよいし、前記添加元素とＡｌの合金をターゲットとして用いてスパッタリングを行ってもよい。   Further, the additive element, the second additive element, and the active element may be fixed together with Al. In this case, even an easily oxidizable element such as Ca and Li can be securely fixed. In order to fix Al together with the additive element, the additive element and Al may be vapor-deposited simultaneously, or sputtering may be performed using an alloy of the additive element and Al as a target.

また、ヒートシンクとして銅製の放熱板を備えたものを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、他の構造のヒートシンクを用いたものであってもよい。
さらに、第２、第３の実施形態において、セラミックス基板と金属板との接合を、Ｎ２雰囲気の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、真空炉を用いてセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。この場合の真空度は、１０−６〜１０−３Ｐａの範囲内とすることが好ましい。 Moreover, although the example provided with the copper heat sink as a heat sink was mentioned as an example, it is not limited to this, You may use the heat sink of another structure.
Furthermore, in the second and third embodiments, the ceramic substrate and the metal plate have been described as being bonded using a heating furnace in an N 2 atmosphere. However, the present invention is not limited to this, and a vacuum furnace is used. The ceramic substrate and the metal plate may be joined together. In this case, the degree of vacuum is preferably in the range of 10 −6 to 10 −3 Pa.

また、第２の実施形態において、セラミックス基板としてＡｌ２Ｏ３を使用し、セラミックス基板と金属板との接合界面に活性元素を含む酸化物層を形成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、セラミックス基板としてＡｌＮやＳｉ３Ｎ４を使用し、セラミックス基板と金属板との接合界面に活性元素を含む窒化物層を形成したものであってもよい。 In the second embodiment, Al 2 O 3 is used as the ceramic substrate and an oxide layer containing an active element is formed at the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate. However, the present invention is not limited to this. However, AlN or Si 3 N 4 may be used as the ceramic substrate, and a nitride layer containing an active element may be formed at the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate.

本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
まず、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板の他方の面に、表１に示す添加元素を固着し、加熱することで硬化層を形成した。表１に、添加元素の固着量、加熱条件を示す。 A comparative experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
First, an additional element shown in Table 1 was fixed to the other surface of a metal plate made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm, and a hardened layer was formed by heating. Table 1 shows the fixing amount of the additive element and the heating conditions.

Figure 0005899725
Figure 0005899725

金属板に形成された硬化層及び本体層について、硬化層の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓ、硬化層の厚さ、本体層のインデンテーション硬度Ｈｂ、本体層の厚さを評価した。なお、本体層のインデンテーション硬度Ｈｂは、金属板の面中央における金属板の厚さ方向中央部を測定した。
また、硬化層を形成しない４Ｎアルミニウムからなる金属板を比較例Ａとした。この比較例Ａについても、上述の硬化層の他方の面に相当する位置、及び、本体層に相当する位置で、それぞれインデンテーション硬度を測定した。結果を表２に示す。 For the hardened layer and the main body layer formed on the metal plate, the indentation hardness Hs on the other surface of the hardened layer, the thickness of the hardened layer, the indentation hardness Hb of the main body layer, and the thickness of the main body layer were evaluated. In addition, the indentation hardness Hb of the main body layer was measured at the center in the thickness direction of the metal plate at the center of the surface of the metal plate.
A metal plate made of 4N aluminum that does not form a hardened layer was used as Comparative Example A. For Comparative Example A, the indentation hardness was measured at a position corresponding to the other surface of the cured layer and a position corresponding to the main body layer. The results are shown in Table 2.

Figure 0005899725
Figure 0005899725

試料１−２１について、いずれも金属板の表面に硬化層が形成され、その硬化層に積層するように、硬化層よりも硬度の低い本体層が形成された。   For Sample 1-21, a cured layer was formed on the surface of the metal plate, and a main body layer having a lower hardness than the cured layer was formed so as to be laminated on the cured layer.

次に、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板に、回路層として、４Ｎアルミニウムからなる厚さ０．６ｍｍの金属板、及び、金属層として厚さ０．６ｍｍの金属板を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
ここで、表１及び表２の試料１，２，９，１０，１４，２１の金属板を用いて金属層を形成したものを本発明例１−６とした。
また、表２の比較例Ａの金属板を用いて金属層を形成したものを比較例Ｂとした。 Next, on a ceramic substrate made of AlN having a thickness of 0.635 mm, a metal plate having a thickness of 0.6 mm made of 4N aluminum as a circuit layer and a metal plate having a thickness of 0.6 mm made of Al— Bonding was performed using a Si-based brazing material to produce a power module substrate.
Here, what formed the metal layer using the metal plate of sample 1,2,9,10,14,21 of Table 1 and Table 2 was set to Example 1-6 of this invention.
Moreover, what formed the metal layer using the metal plate of the comparative example A of Table 2 was set as the comparative example B.

そして、これらの試験片を用いて熱サイクル試験を実施した。具体的には、冷熱サイクル（−４５℃←→１２５℃）を２０００回繰り返した後に、試験片を観察し、金属層表面のうねり状態、セラミックス基板と金属層との間の接合率を評価した。結果を表３に示す。
なお、うねりについては、半径が２μｍの球状先端を有し、テーパ角が９０°の円錐を触針として用い、２．５（ｍｍ／基準長さ）×５区間の距離を、荷重４ｍＮ，速度１ｍｍ／ｓで表面を走査して区間平均の粗さ曲線を測定し、その十点平均粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）を算出した。
また、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である。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積 And the thermal cycle test was implemented using these test pieces. Specifically, after repeating the cooling cycle (−45 ° C. ← → 125 ° C.) 2000 times, the test piece was observed, and the undulation state of the metal layer surface and the bonding rate between the ceramic substrate and the metal layer were evaluated. . The results are shown in Table 3.
As for the waviness, a cone having a spherical tip with a radius of 2 μm and a taper angle of 90 ° is used as a stylus, and the distance of 2.5 (mm / reference length) × 5 section is applied with a load of 4 mN and a speed. The surface was scanned at 1 mm / s to measure the average roughness curve, and the ten-point average roughness Rz (JIS B0601-1994) was calculated.
Moreover, the joining rate was computed with the following formula | equation. Here, “initial bonding area” is an area to be bonded before bonding.
Bonding rate = (initial bonding area-peeling area) / initial bonding area

Figure 0005899725
Figure 0005899725

比較例Ｂでは、接合率は高いものの金属層の表面にうねりが確認された。
これに対して、硬化層を形成した本発明例１−６においては、金属層表面のうねりが抑制され、かつ、接合率も高かった。 In Comparative Example B, although the bonding rate was high, undulation was confirmed on the surface of the metal layer.
On the other hand, in this invention example 1-6 which formed the hardened layer, the wave | undulation of the metal layer surface was suppressed and the joining rate was also high.

１、１０１ パワーモジュール
２、１０２ 第１はんだ層
３、１０３ 半導体チップ（電子部品）
４、１０４ 第２はんだ層
１０、１１０、２１０、３１０、４１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１、３１１、４１１ セラミックス基板
１３、１１３、２１３、３１３、４１３ 金属層
１３Ａ、１１３Ａ、２１３Ａ、３１３Ａ、４１３Ａ 硬化層
１３Ｂ、１１３Ｂ、３１３Ｂ、４１３Ｂ 本体層
４０、１４０ 放熱板（ヒートシンク） 1, 101 Power module 2, 102 First solder layer 3, 103 Semiconductor chip (electronic component)
4, 104 Second solder layer 10, 110, 210, 310, 410 Power module substrate 11, 111, 211, 311, 411 Ceramic substrate 13, 113, 213, 313, 413 Metal layer 13A, 113A, 213A, 313A, 413A Hardened layer 13B, 113B, 313B, 413B Main body layer 40, 140 Heat sink (heat sink)

Claims (9)

セラミックス基板の一方の面にアルミニウムからなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が配設され、前記金属層の他方の面側にはんだ層を介してヒートシンクが接合されるパワーモジュール用基板であって、
前記金属層は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に露呈するように形成された硬化層を有しており、
前記金属層の前記他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定され、前記金属層のうち、前記他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓの８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域が前記硬化層とされており、
前記硬化層は、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有していることを特徴とするパワーモジュール用基板。 A circuit layer made of aluminum is arranged on one surface of the ceramic substrate, a metal layer made of aluminum is arranged on the other surface of the ceramic substrate, and a heat sink is disposed on the other surface side of the metal layer via a solder layer. Is a power module substrate to be joined ,
The metal layer has one surface to be bonded to the ceramic substrate and the other surface which is the opposite surface, and has a hardened layer formed so as to be exposed on the other surface,
The indentation hardness Hs on the other surface of the metal layer is set within a range of 50 mgf / μm 2 or more and 200 mgf / μm 2 or less, and 80% or more of the indentation hardness Hs on the other surface of the metal layer. The region having an indentation hardness of is the hardened layer ,
The hardened layer is selected from Zr, Hf, Ta, Nb, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li and Ni. A power module substrate comprising one or more additive elements . 前記硬化層における前記添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされてい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。 2. The power module substrate according to claim 1, wherein the total content of the additive elements in the hardened layer is 0.2 atom% or more and 10 atom% or less. 前記金属層は、前記他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満のインデンテーション硬度を有する本体層を有してい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。 3. The power module substrate according to claim 1 , wherein the metal layer has a main body layer having an indentation hardness of less than 80% of the indentation hardness Hs on the other surface. 4. . 前記セラミックス基板がＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。 A power module substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein the ceramic substrate is AlN, characterized in that it is composed of Si 3 N 4 or Al 2 O 3. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記金属層を加熱して、前記金属層の内部に向けて前記添加元素を拡散させることにより、前記金属層の前記他方の面側に硬化層を形成する加熱工程と、
を備えてい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 power module substrate manufacturing method for manufacturing the power module substrate according to any one of claims 1 to 4 ,
The metal plate as the metal layer has one surface to be bonded to the ceramic substrate and the other surface that is the opposite surface, and Zr, Hf, Ta, Nb, B, One or more additional elements selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li and Ni are fixed, and this addition An adhering step for forming an adhering layer containing the element;
A heating step of forming a hardened layer on the other surface side of the metal layer by heating the metal layer and diffusing the additive element toward the inside of the metal layer;
The manufacturing method of the board | substrate for power modules characterized by comprising. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記金属板の一方の面側に、ろう材を介して前記セラミックス基板を積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス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、前記固着層の前記添加元素を、前記金属層の内部に向けて拡散させることにより、前記金属層の他方の面側に硬化層を形成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。 A power module substrate manufacturing method for manufacturing the power module substrate according to any one of claims 1 to 4 ,
The metal plate as the metal layer has one surface to be bonded to the ceramic substrate and the other surface that is the opposite surface, and Zr, Hf, Ta, Nb, B, One or more additional elements selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li and Ni are fixed, and this addition An adhering step for forming an adhering layer containing the element;
A laminating step of laminating the ceramic substrate via a brazing material on one surface side of the metal plate;
Heating and pressurizing and heating the laminated ceramic and the metal plate in a laminating direction to form a molten metal region at an 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, a hardened layer is formed on the other surface side of the metal layer by diffusing the additive element of the fixed layer toward the inside of the metal layer. Manufacturing method. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記金属板の一方の面又は前記セラミックス基板の他方の面のうちの少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の第２添加元素を固着して第２固着層を形成する第２固着工程と、
前記第２固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記加熱工程において、前記固着層の前記添加元素を、前記金属層の内部に向けて拡散させることにより、前記金属層の他方の面側に硬化層を形成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。 A power module substrate manufacturing method for manufacturing the power module substrate according to any one of claims 1 to 4 ,
The metal plate as the metal layer has one surface to be bonded to the ceramic substrate and the other surface that is the opposite surface, and Zr, Hf, Ta, Nb, B, One or more additional elements selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Li and Ni are fixed, and this addition An adhering step for forming an adhering layer containing the element;
One or more second types selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca and Li are provided on at least one of the one surface of the metal plate or the other surface of the ceramic substrate. A second fixing step of fixing the additive element to form a second fixing layer;
A laminating step of laminating the ceramic substrate and the metal plate via the second fixing 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, a hardened layer is formed on the other surface side of the metal layer by diffusing the additive element of the fixed layer toward the inside of the metal layer. Manufacturing method. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記金属層の他方の面側にはんだ層を介して接合されたヒートシンクと、を備えており、前記ヒートシンクが銅からなる放熱板とされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。 5. A power module substrate according to claim 1, and a heat sink bonded to the other surface side of the metal layer via a solder layer, wherein the heat sink is copper. A power module substrate with a heat sink, characterized in that it is a heat radiating plate. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載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 1 ; and an electronic component mounted on the power module substrate.
JP2011194826A 2011-09-07 2011-09-07 Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module Active JP5899725B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011194826A JP5899725B2 (en) 2011-09-07 2011-09-07 Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011194826A JP5899725B2 (en) 2011-09-07 2011-09-07 Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013058535A JP2013058535A (en) 2013-03-28
JP5899725B2 true JP5899725B2 (en) 2016-04-06

Family

ID=48134183

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011194826A Active JP5899725B2 (en) 2011-09-07 2011-09-07 Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5899725B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4079711A4 (en) * 2019-12-19 2024-02-28 Mitsubishi Materials Corp Copper/ceramic joined body and insulated circuit board

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102591486B1 (en) * 2016-02-26 2023-10-19 고쿠리츠켄큐카이하츠호진 상교기쥬츠 소고켄큐쇼 heat dissipation board
WO2018180159A1 (en) 2017-03-29 2018-10-04 三菱マテリアル株式会社 Method for producing insulated circuit board with heat sink
EP4074678A4 (en) * 2019-12-12 2023-11-29 Mitsubishi Materials Corporation Copper/ceramic assembly and insulated circuit board

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0696765B2 (en) * 1985-05-08 1994-11-30 福久 松田 Surface hardening method of aluminum alloy material
JPS6376862A (en) * 1986-09-17 1988-04-07 Nippon Denso Co Ltd Aluminum member having hardened surface layer
JPS63297546A (en) * 1987-05-28 1988-12-05 Aisin Seiki Co Ltd Surface hardening method for aluminum alloy
JP3971296B2 (en) * 2002-12-27 2007-09-05 Ｄｏｗａホールディングス株式会社 Metal-ceramic bonding substrate and manufacturing method thereof
JP5067187B2 (en) * 2007-11-06 2012-11-07 三菱マテリアル株式会社 Power module substrate with heat sink and power module with heat sink
JP2011119653A (en) * 2009-09-09 2011-06-16 Mitsubishi Materials Corp Method for producing substrate for power module with heat sink, substrate for power module with heat sink, and power module
JP5573105B2 (en) * 2009-11-02 2014-08-20 三菱マテリアル株式会社 Split body manufacturing apparatus and manufacturing method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4079711A4 (en) * 2019-12-19 2024-02-28 Mitsubishi Materials Corp Copper/ceramic joined body and insulated circuit board

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013058535A (en) 2013-03-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5278354B2 (en) Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module
JP5736807B2 (en) Power module substrate with heat sink, manufacturing method of power module substrate with heat sink, and power module
JP5935292B2 (en) Method for manufacturing power module substrate, method for manufacturing power module substrate with heat sink
WO2011049067A1 (en) Substrate for power module, substrate with heat sink for power module, power module, method for producing substrate for power module, and method for producing substrate with heat sink for power module
JP5504842B2 (en) Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, and method for manufacturing power module substrate
JP5359936B2 (en) Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module
JP5899725B2 (en) Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module
WO2018180159A1 (en) Method for producing insulated circuit board with heat sink
JP5564999B2 (en) Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module
JP2011119652A (en) Method for producing substrate for power module with heat sink, substrate for power module with heat sink, and power module
JP5664038B2 (en) Power module substrate, power module substrate manufacturing method, and power module
US20190035710A1 (en) Bonded body, power module substrate, method for manufacturing bonded body, and method for manufacturing power module substrate
JP5640569B2 (en) Power module substrate manufacturing method
JP5957848B2 (en) Power module substrate, power module substrate with heat sink, and method for manufacturing power module substrate
TWI708754B (en) Bonded body, power module substrate, power mosule, method of producing bonded body and method of producing power module substrate
WO2015122446A1 (en) Copper/ceramic bond and power module substrate
JP5359953B2 (en) Power module substrate, power module, and method of manufacturing power module substrate
JP2011119653A (en) Method for producing substrate for power module with heat sink, substrate for power module with heat sink, and power module
JP2013058537A (en) Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module
JP5724244B2 (en) Manufacturing method of power module substrate, power module substrate, power module substrate with heat sink, and power module
JP5699882B2 (en) Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with heat sink, and power module
JP5335361B2 (en) Power module substrate with heat sink and power module with heat sink
JP5359943B2 (en) Power module substrate, power module, and method of manufacturing power module substrate
JP5359942B2 (en) Power module substrate, power module, and method of manufacturing power module substrate
JP2011066405A (en) Method of manufacturing substrate for power module, substrate for power module, substrate for power module including heat sink, and power module

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140328

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20150521

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150630

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150828

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160209

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160222

R150 Certificate of patent (=grant) or registration of utility model

Ref document number: 5899725

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150