JP5957848B2 - Power module substrate, power module substrate with heat sink, and method for manufacturing power module substrate - Google Patents

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

Info

Publication number
JP5957848B2
JP5957848B2 JP2011241396A JP2011241396A JP5957848B2 JP 5957848 B2 JP5957848 B2 JP 5957848B2 JP 2011241396 A JP2011241396 A JP 2011241396A JP 2011241396 A JP2011241396 A JP 2011241396A JP 5957848 B2 JP5957848 B2 JP 5957848B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
plate
aluminum
layer
power module
ceramic
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
JP2011241396A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2013098423A (en
Inventor
長瀬 敏之
敏之 長瀬
慎介 青木
慎介 青木
長友 義幸
義幸 長友
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 JP2011241396A priority Critical patent/JP5957848B2/en
Publication of JP2013098423A publication Critical patent/JP2013098423A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5957848B2 publication Critical patent/JP5957848B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means 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
    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321Disposition
    • H01L2224/32151Disposition 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
    • H01L2224/32221Disposition 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
    • H01L2224/32225Disposition 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

Description

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

半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、AlN(窒化アルミ)、Al(アルミナ)、Si(窒化ケイ素)などからなるセラミックス基板の一方の面側に回路層が形成され、セラミックス基板の他方の面側に金属層が形成されたパワーモジュール用基板が用いられる。このパワーモジュール用基板においては、金属層を介してヒートシンクが接続され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板とされる。また、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとされる。 Among semiconductor elements, a power element for supplying electric power has a relatively high calorific value, and for example, AlN (aluminum nitride), Al 2 O 3 (alumina), Si 3 N 4 ( A power module substrate in which a circuit layer is formed on one surface side of a ceramic substrate made of silicon nitride and the like and a metal layer is formed on the other surface side of the ceramic substrate is used. In this power module substrate, a heat sink is connected via a metal layer to form a power module substrate with a heat sink. Moreover, a semiconductor element as a power element is mounted on the circuit layer via a solder layer to form a power module.

上述のパワーモジュール用基板として、例えば特許文献1には、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板をろう付けして回路層とし、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板をろう付けして金属層としたものが提案されている。
また、特許文献2には、セラミックス基板の一方の面に金属板を接合して回路層とし、セラミックス基板の他方の面側に、鋳造法によってアルミニウム層を形成して金属層としたパワーモジュール用基板が開示されている。
As the above-described power module substrate, for example, in Patent Document 1, an aluminum plate is brazed to one surface of a ceramic substrate to form a circuit layer, and an aluminum plate is brazed to the other surface of the ceramic substrate to form a metal layer. What has been proposed.
In Patent Document 2, a metal plate is joined to one surface of a ceramic substrate to form a circuit layer, and an aluminum layer is formed by casting on the other surface side of the ceramic substrate to form a metal layer. A substrate is disclosed.

上述のパワーモジュールにおいては、使用時に熱サイクルが負荷されることになる。すると、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合界面には、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って熱応力が作用し、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合信頼性が低下するおそれがあった。ここで、純度が99.99質量%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)等の比較的変形抵抗の小さな金属で回路層及び金属層を構成し、熱応力を回路層及び金属層の変形によって吸収することにより、接合信頼性の向上を図ることが可能となる。   In the power module described above, a heat cycle is loaded during use. Then, thermal stress acts on the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer and the metal layer due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and aluminum, and the bonding reliability between the ceramic substrate and the circuit layer and metal layer decreases. There was a risk. Here, the circuit layer and the metal layer are made of a metal having a relatively small deformation resistance such as aluminum having a purity of 99.99% by mass or more (so-called 4N aluminum), and the thermal stress is absorbed by the deformation of the circuit layer and the metal layer. As a result, it is possible to improve the bonding reliability.

ところで、回路層を、4Nアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さな金属で構成した場合、熱サイクルを負荷した際に、回路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。回路層の表面にうねりやシワが発生した場合には、はんだ層にクラックが発生し、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、環境負荷の観点から、はんだ層として、Sn−Ag系、Sn−Cu系の鉛フリーはんだ材が使用されることが多くなっている。これらの鉛フリーはんだ材は、従来のSn−Pb系はんだ材に比べて変形しにくく、回路層のうねりやシワによって、はんだ層にクラックが生じやすい傾向にある。
また、最近は、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、回路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 circuit layer is made of a metal having a relatively small deformation resistance such as 4N aluminum, there is a problem that undulations and wrinkles are generated on the surface of the circuit layer when a thermal cycle is applied. When waviness or wrinkles occur on the surface of the circuit layer, cracks occur in the solder layer, and the reliability of the power module is reduced.
In particular, recently, Sn-Ag-based and Sn-Cu-based lead-free solder materials are often used as solder layers from the viewpoint of environmental load. These lead-free solder materials are less likely to be deformed than conventional Sn-Pb solder materials, and cracks tend to occur in the solder layer due to waviness and wrinkles of the circuit layer.
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 circuit layer.

ここで、例えば特許文献1,2には、回路層として銅板を用いたものが開示されている。回路層を銅板で構成した場合には、銅板の変形抵抗がアルミニウムに比べて大きいことから、回路層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。   Here, for example, Patent Documents 1 and 2 disclose one using a copper plate as a circuit layer. When the circuit layer is made of a copper plate, the deformation resistance of the copper plate is larger than that of aluminum, so that it is possible to suppress the occurrence of waviness and wrinkles in the circuit layer.

特許第3171234号公報Japanese Patent No. 3171234 特開2002−076551号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-075651

ところで、特許文献1,2のように、回路層を銅板で構成した場合には、熱サイクルによって銅板が加工硬化して変形しにくくなる。すると、熱応力が回路層で吸収されずにセラミックス基板に作用し、セラミックス基板が割れてしまうおそれがあった。セラミックス基板が割れると、セラミックス基板の一方側に位置する半導体素子及び回路層と、セラミックス基板の他方側に位置する金属層及びヒートシンクと、が電気的に接続されてしまい、パワーモジュール用基板として使用することができなくなってしまう。このため、回路層として銅板を用いる場合には、セラミックス基板の厚さを厚くしたり、セラミック基板の強度を向上させたりする必要があった。   By the way, as in Patent Documents 1 and 2, when the circuit layer is formed of a copper plate, the copper plate is hardened and hard to be deformed by a thermal cycle. Then, there is a possibility that the thermal stress acts on the ceramic substrate without being absorbed by the circuit layer, and the ceramic substrate is broken. When the ceramic substrate is cracked, the semiconductor element and circuit layer located on one side of the ceramic substrate are electrically connected to the metal layer and heat sink located on the other side of the ceramic substrate, and used as a power module substrate. You will not be able to. For this reason, when a copper plate is used as the circuit layer, it is necessary to increase the thickness of the ceramic substrate or improve the strength of the ceramic substrate.

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、回路層を変形抵抗が大きな銅または銅合金で構成しても、セラミックス基板の一方側と他方側とで絶縁性を確保することができるパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and ensures insulation between one side and the other side of the ceramic substrate even if the circuit layer is made of copper or copper alloy having a large deformation resistance. An object of the present invention is to provide a power module substrate that can be used, a power module substrate with a heat sink using the power module substrate, and a method for manufacturing the power module substrate.

このような課題を解決して、上述の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側に回路層が形成され、この回路層の一方の面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、銅または銅合金で構成され、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が形成されており、前記セラミックス基板と前記回路層との間には、前記セラミックス基板の一方の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる緩衝アルミ層と、前記回路層の他方の面に接合された補助セラミックス板と、が介装されており、前記セラミックス基板と前記補助セラミックス板とが同一の材質で構成されており、前記補助セラミックス板には、厚さ方向に貫通する複数のスリットが設けられていることを特徴としている。 In order to solve such problems and achieve the above-mentioned object, the power module substrate of the present invention has a circuit layer formed on one surface side of the ceramic substrate, and an electron is formed on one surface of the circuit layer. A power module substrate on which a component is mounted, wherein the circuit layer is made of copper or a copper alloy, and a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy is formed on the other surface of the ceramic substrate, Between the ceramic substrate and the circuit layer, a buffer aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy bonded to one surface of the ceramic substrate, an auxiliary ceramic plate bonded to the other surface of the circuit layer, There is interposed, said the ceramic substrate and the auxiliary ceramic plate are made of the same material, the auxiliary ceramic plate, A plurality of slits are characterized by being provided penetrating in the direction.

この構成のパワーモジュール用基板においては、回路層が銅または銅合金で構成されているので、変形抵抗が大きく、熱サイクルを負荷しても回路層表面にうねりやシワが生じにくい。よって、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。
そして、前記セラミックス基板と前記回路層との間には、前記セラミックス基板の一方の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる緩衝アルミ層と、前記回路層の他方の面に接合された補助セラミックス板と、が介装されているので、回路層とセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力を緩衝アルミ層で吸収することができ、セラミックス基板の割れを防止できる。よって、セラミックス基板の一方側と他方側とで絶縁性を確保することができる。なお、補助セラミックス板においては、回路層との熱膨張係数の差に起因する熱応力によって割れが生じることもあるが、緩衝アルミ層と回路層とが電気的に接続されたとしても、セラミックス基板で絶縁されていれば、パワーモジュール用基板として使用することができる。
また、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が形成されているので、セラミックス基板の他方側にヒートシンク等の金属部材を接合した際に、金属部材とセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力を、金属層で吸収することができる。
In the power module substrate having this configuration, since the circuit layer is made of copper or a copper alloy, deformation resistance is large, and even when a thermal cycle is applied, undulations and wrinkles are hardly generated on the surface of the circuit layer. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the solder layer.
Between the ceramic substrate and the circuit layer, a buffer aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy bonded to one surface of the ceramic substrate and an auxiliary ceramic bonded to the other surface of the circuit layer Since the board is interposed, the thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the circuit layer and the ceramic substrate can be absorbed by the buffer aluminum layer, and the ceramic substrate can be prevented from cracking. Therefore, insulation can be ensured on one side and the other side of the ceramic substrate. In the auxiliary ceramic plate, cracks may occur due to thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient from the circuit layer, but even if the buffer aluminum layer and the circuit layer are electrically connected, the ceramic substrate Can be used as a power module substrate.
In addition, since a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy is formed on the other surface of the ceramic substrate, when a metal member such as a heat sink is joined to the other side of the ceramic substrate, the metal member and the ceramic substrate Thermal stress resulting from the difference in thermal expansion coefficient can be absorbed by the metal layer.

また、前記補助セラミックス板には、厚さ方向に貫通する複数のスリットが設けられているので、補助セラミックス板が容易に変形するため、緩衝アルミ層と補助セラミックス板の変形によって、回路層とセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力を効率的に吸収することができ、セラミックス基板の割れを確実に防止することができる。
さらに、あらかじめ補助セラミックス板にスリットを形成しておくことで、熱応力によって補助セラミックス板が不規則に割れてしまうことを防止できる。
Further, since the auxiliary ceramic plate is provided with a plurality of slits penetrating in the thickness direction , the auxiliary ceramic plate is easily deformed. Therefore, the circuit layer and the ceramic plate are deformed by the deformation of the buffer aluminum layer and the auxiliary ceramic plate. The thermal stress resulting from the difference in thermal expansion coefficient with the substrate can be absorbed efficiently, and cracking of the ceramic substrate can be reliably prevented.
Furthermore, by forming slits in the auxiliary ceramic plate in advance, it is possible to prevent the auxiliary ceramic plate from being irregularly cracked due to thermal stress.

前記緩衝アルミ層が、純度99.98質量%以上のアルミニウムで構成されていることが好ましい。
この場合、前記緩衝アルミ層の変形抵抗が小さくなり、この緩衝アルミ層の変形によって、熱応力を効率的に吸収することができる。
It is preferable that the buffer aluminum layer is made of aluminum having a purity of 99.98% by mass or more.
In this case, the deformation resistance of the buffer aluminum layer is reduced, and thermal stress can be efficiently absorbed by the deformation of the buffer aluminum layer.

前記回路層の厚さtcが、0.1mm≦tc≦3mmとされ、前記補助セラミックス板の厚さtsが、0.15mm≦ts≦1mmとされ、前記緩衝アルミ層の厚さtaが、0.4mm≦ta≦3mmとされていることが好ましい。
この場合、前記回路層の厚さtcが、tc≧0.1mmとされているので、回路層における導電性を確保することができる。また、前記回路層の厚さtcが、tc≦3mmとされているので、回路層の変形抵抗が必要以上に大きくならず、発生する熱応力を抑制することができる。
また、前記補助セラミックス板の厚さtsが、ts≧0.15mmとされているので、回路層と確実に接合することができる。また、前記補助セラミックス板の厚さtsが、ts≦1mmとされているので、熱抵抗を抑えることができ、熱を効率良く放散することができる。
さらに、前記緩衝アルミ層の厚さtaが、ta≧0.4mmとされているので、前記緩衝アルミ層において熱応力を確実に吸収することができる。また、前記緩衝アルミ層の厚さtaが、ta≦3mmとされているので、熱抵抗を抑えることができ、熱を効率良く放散することができる。
The thickness tc of the circuit layer is 0.1 mm ≦ tc ≦ 3 mm, the thickness ts of the auxiliary ceramic plate is 0.15 mm ≦ ts ≦ 1 mm, and the thickness ta of the buffer aluminum layer is 0 It is preferable that 4 mm ≦ ta ≦ 3 mm.
In this case, since the thickness tc of the circuit layer is tc ≧ 0.1 mm, the conductivity in the circuit layer can be ensured. Further, since the thickness tc of the circuit layer is set to tc ≦ 3 mm, the deformation resistance of the circuit layer does not increase more than necessary, and the generated thermal stress can be suppressed.
Moreover, since the thickness ts of the auxiliary ceramic plate is set to ts ≧ 0.15 mm, the auxiliary ceramic plate can be reliably bonded to the circuit layer. Further, since the thickness ts of the auxiliary ceramic plate is set to ts ≦ 1 mm, the thermal resistance can be suppressed and heat can be efficiently dissipated.
Furthermore, since the thickness ta of the buffer aluminum layer is ta ≧ 0.4 mm, thermal stress can be reliably absorbed in the buffer aluminum layer. Further, since the thickness ta of the buffer aluminum layer is set to ta ≦ 3 mm, the thermal resistance can be suppressed and the heat can be efficiently dissipated.

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、上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の他方の面側に配設されたヒートシンクと、を備え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、セラミックス基板の割れが防止されることにより、セラミックス基板の一方側に配設された半導体素子等の電子部品と、セラミックス基板の他方側に配設されたヒートシンクとの間で、絶縁性を確保することができる。
A power module substrate with a heat sink according to the present invention includes the above-described power module substrate and a heat sink disposed on the other surface side of the power module substrate.
According to the power module substrate with a heat sink having this configuration, the ceramic substrate is prevented from being cracked, so that an electronic component such as a semiconductor element disposed on one side of the ceramic substrate and the other side of the ceramic substrate are disposed. Insulation can be ensured with the heat sink.

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、上述のパワーモジュール用基板を製出するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層となる銅板と前記補助セラミックス板とを接合する銅板接合工程と、前記補助セラミックス板と前記緩衝アルミ層となるアルミニウム板とを接合するアルミニウム板接合工程と、を有し、前記銅板接合工程では、前記銅板と前記補助セラミックス板とを、固相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた接合材を用いて接合する構成とされており、前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程とを同時に行う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 producing the power module substrate described above, wherein the copper plate joining the circuit board and the auxiliary ceramic plate is joined. And an aluminum plate joining step for joining the auxiliary ceramic plate and the aluminum plate to be the buffer aluminum layer. In the copper plate joining step, the copper plate and the auxiliary ceramic plate are mixed at a solid phase temperature. It is set as the structure joined using the joining material made into less than melting | fusing point of the said aluminum plate, The said copper plate joining process and the said aluminum plate joining process are performed simultaneously, It is characterized by the above-mentioned.

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、前記回路層となる銅板と前記補助セラミックス板とを接合する銅板接合工程と、前記補助セラミックス板と前記緩衝アルミ層となるアルミニウム板とを接合するアルミニウム板接合工程とを、同時に行う構成としていることから、補助セラミックス板に反りが生じることを抑制できる。また、前記銅板と前記補助セラミックス板とを、固相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた接合材を用いて接合するので、前記アルミニウム板の融点未満の温度条件であっても、補助セラミックス板と銅板とを確実に接合することができる。   According to the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, the copper plate joining step for joining the copper plate serving as the circuit layer and the auxiliary ceramic plate, and the aluminum plate serving as the buffer aluminum layer are joined to the auxiliary ceramic plate. Since it is set as the structure which performs the aluminum plate joining process to perform simultaneously, it can suppress that a curvature arises in an auxiliary ceramic board. Further, since the copper plate and the auxiliary ceramic plate are bonded using a bonding material whose solid-phase temperature is lower than the melting point of the aluminum plate, even if the temperature condition is lower than the melting point of the aluminum plate, the auxiliary ceramic plate A board and a copper board can be joined reliably.

前記アルミニウム板接合工程は、前記補助セラミックス板の接合面及び前記アルミニウム板の接合面のうち少なくとも一方に、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層を介して前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板と積層する積層工程と、積層された前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記補助セラミックス板と前記アルミニウム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、前記補助セラミックス板と前記アルミニウム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、前記固着層の元素を前記アルミニウム板側に拡散させることにより、前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板との界面に、前記溶融金属領域を形成する構成としても良い。
この場合、緩衝アルミ層となるアルミニウム板と補助セラミックス板とが、いわゆる液相拡散接合法(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているので、緩衝アルミ層と補助セラミックス板とを強固に接合することができる。
The aluminum plate joining step is a kind selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li on at least one of the joining surface of the auxiliary ceramic plate and the joining surface of the aluminum plate. Or a fixing step of fixing two or more kinds of additional elements and forming a fixing layer containing the additional element; a stacking step of stacking the auxiliary ceramic plate and the aluminum plate via the fixing layer; By pressing and heating the auxiliary ceramic plate and the aluminum plate in the stacking direction to form a molten metal region at the interface between the auxiliary ceramic plate and the aluminum plate, and solidifying the molten metal region A solidification step of joining the auxiliary ceramic plate and the aluminum plate, and in the heating step, The elements of the pinned layer be diffused in the aluminum plate side, the interface between the auxiliary ceramic plate and the aluminum plate may be configured to form the molten metal area.
In this case, since the aluminum plate serving as the buffer aluminum layer and the auxiliary ceramic plate are bonded by a so-called liquid phase diffusion bonding method, the buffer aluminum layer and the auxiliary ceramic plate are firmly bonded. be able to.

前記緩衝アルミ層と前記セラミックス基板とを接合するセラミックス基板接合工程を有し、前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程と前記セラミックス基板接合工程とを同時に行う構成としてもよい。
この場合、前記緩衝アルミ層と前記セラミックス基板とを接合するセラミックス基板接合工程と、前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程とを同時に行うことで、製造工程を省略でき、製造コストを低減することができる。
A ceramic substrate bonding step for bonding the buffer aluminum layer and the ceramic substrate may be included, and the copper plate bonding step, the aluminum plate bonding step, and the ceramic substrate bonding step may be performed simultaneously.
In this case, by simultaneously performing the ceramic substrate bonding step for bonding the buffer aluminum layer and the ceramic substrate, the copper plate bonding step, and the aluminum plate bonding step, the manufacturing process can be omitted and the manufacturing cost can be reduced. Can do.

本発明によれば、回路層を、変形抵抗が大きな銅または銅合金で構成しても、セラミックス基板の一方側と他方側とで絶縁性を確保することができるパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。   According to the present invention, even if the circuit layer is made of copper or a copper alloy having a large deformation resistance, the power module substrate that can ensure insulation on one side and the other side of the ceramic substrate, and this power module It is possible to provide a power module substrate with a heat sink using the working substrate and a method for manufacturing 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. 図1に示すパワーモジュールの製造方法のフロー図である。It is a flowchart of the manufacturing method of the power module shown in FIG. 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. 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. 本発明の第1の実施形態であるヒートシンク付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 with a heat sink which is the 1st 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の緩衝アルミ層の補助セラミックス板との界面における添加元素の濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the density | concentration distribution of the addition element in the interface with the auxiliary ceramic board of the buffer aluminum layer 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緩衝アルミ層とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層との界面における添加元素の濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the density | concentration distribution of the additive element in the buffer aluminum layer and ceramics board | substrate of the power module board | substrate which is the 2nd Embodiment of this invention, and the interface of a ceramics board | substrate and a metal layer. 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(ヒートシンク付パワーモジュール用基板)の金属層及びヒートシンク(放熱板)における添加元素の濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the density | concentration distribution of the addition element in the metal layer and heat sink (heat sink) of the board | substrate for power modules (power module board | substrate with a heat sink) 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の製造方法のフロー図である。It is a flowchart of the manufacturing method of the power module 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(ヒートシンク付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 (power module board | substrate with a heat sink) which is the 2nd Embodiment of this invention. 図11における緩衝アルミ層と補助セラミックス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 buffer aluminum layer in FIG. 11, and an auxiliary | assistant ceramic board. 図11における緩衝アルミ層とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層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 buffer aluminum layer and ceramic substrate in FIG. 11, and a ceramic substrate and a metal layer. 図11における金属層とヒートシンク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 layer and heat sink in FIG. 実施例において、パワーモジュール用基板の厚さ方向の電気抵抗値の測定方法を示す上面説明図である。In an Example, it is upper surface explanatory drawing which shows the measuring method of the electrical resistance value of the thickness direction of the board | substrate for power modules. 実施例において、パワーモジュール用基板の厚さ方向の電気抵抗値の測定方法を示す側面説明図である。In an Example, it is side explanatory drawing which shows the measuring method of the electrical resistance value of the thickness direction of the board | substrate for power modules.

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、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール1は、回路層12が配設されたパワーモジュール用基板10と、回路層12の表面にはんだ層2を介して接合された半導体素子3と、パワーモジュール用基板10の他方側(図1において下側)に配設されたヒートシンク40とを備えている。ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層12とはんだ層2との間にNiメッキ層(図示なし)が設けられている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a power module substrate, a power module substrate with a heat sink, and a power module according to the first embodiment of the present invention.
The power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is disposed, a semiconductor element 3 bonded to the surface of the circuit layer 12 via a solder layer 2, and the other side of the power module substrate 10 ( And a heat sink 40 disposed on the lower side in FIG. Here, the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material. In the present embodiment, a Ni plating layer (not shown) is provided between the circuit layer 12 and the solder layer 2.

パワーモジュール用基板10は、セラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面側(図1において上側)に配設された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)に接合された金属層13とを備えている。
そして、セラミックス基板11と回路層12との間には、セラミックス基板11の一方の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる緩衝アルミ層16と、緩衝アルミ層16の一方の面に接合されるとともに回路層12の他方の面に接合された補助セラミックス板17と、が配設されている。
The power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface side (upper side in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and the other surface (lower surface in FIG. 1). And a metal layer 13 bonded to each other.
Between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12, the buffer aluminum layer 16 made of aluminum or aluminum alloy bonded to one surface of the ceramic substrate 11 and the one surface of the buffer aluminum layer 16 are bonded. In addition, an auxiliary ceramic plate 17 bonded to the other surface of the circuit layer 12 is disposed.

セラミックス基板11は、一方の面側に配設された回路層12と他方の面側に配設された金属層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tは、0.2mm≦t≦1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、t=0.635mmに設定されている。 The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 disposed on one surface side and the metal layer 13 disposed on the other surface side, and is a highly insulating AlN. (Aluminum nitride). Further, the thickness t 0 of the ceramic substrate 11 is set in a range of 0.2 mm ≦ t 0 ≦ 1.5 mm, and in this embodiment, t 0 = 0.635 mm.

金属層13は、図4に示すように、セラミックス基板11の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板23が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層13は、純度が99.99質量%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. 4, the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate 23 made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by bonding a metal plate 23 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to the ceramic substrate 11.

回路層12は、図3に示すように、補助セラミックス板17の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板22が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層12は、無酸素銅によって形成されている。
また、回路層12の厚さtcは、0.1mm≦tc≦3mmとされており、本実施形態では、tc=1.0mmとされている。
As shown in FIG. 3, the circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate 22 made of copper or a copper alloy to one surface of the auxiliary ceramic plate 17. In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed of oxygen-free copper.
The thickness tc of the circuit layer 12 is 0.1 mm ≦ tc ≦ 3 mm, and in this embodiment, tc = 1.0 mm.

緩衝アルミ層16は、図3に示すように、補助セラミックス板17の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板26が接合されることにより形成されている。緩衝アルミ層16は、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いることができるが、本実施形態では、純度が99.99質量%以上のアルミニウム板26が補助セラミックス板17に接合されることで形成されている。
また、緩衝アルミ層16の厚さtaは、0.4mm≦ta≦3mmとされており、本実施形態では、ta=2.0mmとされている。
As shown in FIG. 3, the buffer aluminum layer 16 is formed by joining an aluminum plate 26 made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the auxiliary ceramic plate 17. The buffer aluminum layer 16 can be made of aluminum or an aluminum alloy. In the present embodiment, the buffer aluminum layer 16 is formed by joining an aluminum plate 26 having a purity of 99.99% by mass or more to the auxiliary ceramic plate 17.
Further, the thickness ta of the buffer aluminum layer 16 is 0.4 mm ≦ ta ≦ 3 mm, and in this embodiment, ta = 2.0 mm.

補助セラミックス板17は、例えばAlN、Al、Si等のセラミックス材料で構成されており、本実施形態では、AlN(窒化アルミ)で構成されている。補助セラミックス板17の厚さtsは、0.15mm≦ts≦1mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、ts=0.635mmに設定されている。
そして、本実施形態においては、図1又は図3に示すように、補助セラミックス板17に、厚さ方向に延在する複数のスリット18が設けられており、このスリット18によって、補助セラミックス板17が予め分割されているのである。
The auxiliary ceramic plate 17 is made of a ceramic material such as AlN, Al 2 O 3 , or Si 3 N 4 , and is made of AlN (aluminum nitride) in the present embodiment. The thickness ts of the auxiliary ceramic plate 17 is set in a range of 0.15 mm ≦ ts ≦ 1 mm, and in the present embodiment, ts = 0.635 mm.
In the present embodiment, as shown in FIG. 1 or FIG. 3, the auxiliary ceramic plate 17 is provided with a plurality of slits 18 extending in the thickness direction. Are divided in advance.

ヒートシンク40は、前述のパワーモジュール用基板10を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板10と接合される天板部41と、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路42と、を備えている。ヒートシンク40(天板部41)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。   The heat sink 40 is for cooling the power module substrate 10 described above, and a top plate portion 41 joined to the power module substrate 10 and a flow path 42 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). And. The heat sink 40 (top plate portion 41) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and is made of A6063 (aluminum alloy) in the present embodiment.

以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板10、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1の製造方法について、図2から図5を参照して説明する。
このパワーモジュール1の製造方法は、図2に示すように、銅板22と補助セラミックス板17とを接合する銅板接合工程S01と、補助セラミックス板17とアルミニウム板26とを接合するアルミニウム板接合工程S02と、緩衝アルミ層16とセラミックス基板11及びセラミックス基板11と金属層13となるアルミニウム板23とを接合するセラミックス基板接合工程S03と、パワーモジュール用基板10とヒートシンク40とを接合するヒートシンク接合工程S04と、回路層12の一面に半導体素子3を接合する半導体素子接合工程S05と、を備えている。
Below, the manufacturing method of the board | substrate 10 for power modules which is this embodiment, the board | substrate for power modules with a heat sink, and the power module 1 is demonstrated with reference to FIGS.
As shown in FIG. 2, the manufacturing method of the power module 1 includes a copper plate joining step S01 for joining the copper plate 22 and the auxiliary ceramic plate 17, and an aluminum plate joining step S02 for joining the auxiliary ceramic plate 17 and the aluminum plate 26. A ceramic substrate bonding step S03 for bonding the buffer aluminum layer 16 and the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 to be the ceramic substrate 11 and the metal layer 13, and a heat sink bonding step S04 for bonding the power module substrate 10 and the heat sink 40. And a semiconductor element bonding step S05 for bonding the semiconductor element 3 to one surface of the circuit layer 12.

(銅板接合工程S01/アルミニウム板接合工程S02)
まず、図3に示すように、補助セラミックス板17の一方の面側(図3において上側)に、ろう材50を介して銅板22を積層する。また、補助セラミックス板17の他方の面側(図3において下側)に第1ろう材51を介してアルミニウム板26を積層する。
ここで、アルミニウム板26と補助セラミックス板17との間に介在される第1ろう材51は、Al−Si系合金とされており、本実施形態では、Al−7.5質量%Siからなる厚さ5〜30μmのろう材箔を用いている。
(Copper plate joining step S01 / aluminum plate joining step S02)
First, as shown in FIG. 3, the copper plate 22 is laminated on one surface side (the upper side in FIG. 3) of the auxiliary ceramic plate 17 via the brazing material 50. Further, the aluminum plate 26 is laminated on the other surface side (lower side in FIG. 3) of the auxiliary ceramic plate 17 via the first brazing material 51.
Here, the first brazing material 51 interposed between the aluminum plate 26 and the auxiliary ceramic plate 17 is made of an Al—Si alloy, and in the present embodiment, is made of Al—7.5 mass% Si. A brazing material foil having a thickness of 5 to 30 μm is used.

そして、銅板22と補助セラミックス板17との間に介在されるろう材50は、その固相温度がアルミニウム板26の融点未満とされている。具体的には、ろう材50は、Ag−Cu−Ti系合金に、In,Bi,Li,Snから選択される1種又は2種以上の低融点元素が添加された構成とされており、本実施形態では、Ag−24質量%Cu−2質量%Ti−14質量%In合金とされている。また、ろう材50の厚さは10〜100μmとされている。   The brazing material 50 interposed between the copper plate 22 and the auxiliary ceramic plate 17 has a solid phase temperature lower than the melting point of the aluminum plate 26. Specifically, the brazing material 50 is configured such that one or more low melting point elements selected from In, Bi, Li, and Sn are added to an Ag—Cu—Ti alloy. In the present embodiment, an Ag-24 mass% Cu-2 mass% Ti-14 mass% In alloy is used. The brazing material 50 has a thickness of 10 to 100 μm.

次に、積層された銅板22、補助セラミックス板17、アルミニウム板26を、積層方向に加圧(圧力1.5〜35kgf/cm)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、銅板22と補助セラミックス板17との界面に溶融金属領域60を形成し、補助セラミックス板17とアルミニウム板26との界面に第1溶融金属領域61を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は630℃以上655℃以下の範囲内に設定している。
Next, the laminated copper plate 22, the auxiliary ceramic plate 17, and the aluminum plate 26 are charged and heated in a vacuum heating furnace in a state of being pressurized (pressure 1.5 to 35 kgf / cm 2 ) in the lamination direction, A molten metal region 60 is formed at the interface between the copper plate 22 and the auxiliary ceramic plate 17, and a first molten metal region 61 is formed at the interface between the auxiliary ceramic plate 17 and the aluminum plate 26.
Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, and the heating temperature is set in the range of 630 ° C. to 655 ° C.

ついで、上述の溶融金属領域60及び第1溶融金属領域61を凝固させることによって、銅板22と補助セラミックス板17、補助セラミックス板17とアルミニウム板26とを接合する。すなわち、本実施形態においては、銅板接合工程S01とアルミニウム板接合工程S02とが同時に実施されているのである。   Next, the copper plate 22 and the auxiliary ceramic plate 17 and the auxiliary ceramic plate 17 and the aluminum plate 26 are joined by solidifying the molten metal region 60 and the first molten metal region 61 described above. That is, in this embodiment, the copper plate joining step S01 and the aluminum plate joining step S02 are performed simultaneously.

(セラミックス基板接合工程S03)
次に、図4に示すように、緩衝アルミ層16の他方の面側に第2ろう材52を介してセラミックス基板11を積層し、セラミックス基板11の他方の面側に第3ろう材53を介して金属層13となるアルミニウム板23を積層する。
ここで、第2ろう材52及び第3ろう材53は、本実施形態では、Al−7.5質量%Si合金とされている。また、第2ろう材52及び第3ろう材53の厚さは5〜30μmとされている。
(Ceramic substrate bonding step S03)
Next, as shown in FIG. 4, the ceramic substrate 11 is laminated on the other surface side of the buffer aluminum layer 16 via the second brazing material 52, and the third brazing material 53 is disposed on the other surface side of the ceramic substrate 11. Then, an aluminum plate 23 to be the metal layer 13 is laminated.
Here, the second brazing material 52 and the third brazing material 53 are made of an Al-7.5 mass% Si alloy in this embodiment. Moreover, the thickness of the 2nd brazing material 52 and the 3rd brazing material 53 shall be 5-30 micrometers.

積層された回路層12、補助セラミックス板17及び緩衝アルミ層16とセラミックス基板11とアルミニウム板23とを積層方向に加圧(圧力1.5〜35kgf/cm)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、緩衝アルミ層16とセラミックス基板11との間に第2溶融金属領域62を形成し、セラミックス基板11とアルミニウム板23との間に第3溶融金属領域63を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は630℃以上655℃以下の範囲内に設定している。
The laminated circuit layer 12, auxiliary ceramic plate 17, buffer aluminum layer 16, ceramic substrate 11 and aluminum plate 23 are pressed in the stacking direction (pressure 1.5 to 35 kgf / cm 2 ) in a vacuum heating furnace. The second molten metal region 62 is formed between the buffer aluminum layer 16 and the ceramic substrate 11, and the third molten metal region 63 is formed between the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23.
Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, and the heating temperature is set in the range of 630 ° C. to 655 ° C.

ついで、上述の第2溶融金属領域62及び第3溶融金属領域63を凝固させることによって、緩衝アルミ層16とセラミックス基板11、セラミックス基板11とアルミニウム板23とを接合する。
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10が製出される。
Next, the buffer aluminum layer 16 and the ceramic substrate 11, and the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 are joined by solidifying the second molten metal region 62 and the third molten metal region 63 described above.
In this way, the power module substrate 10 according to the present embodiment is produced.

(ヒートシンク接合工程S04)
次に、図5に示すように、パワーモジュール用基板10の金属層13の他方側(図5において下側)に、第4ろう材54を介してヒートシンク40を積層する。この第4ろう材54は、第2ろう材52、第3ろう材53よりも固相温度が低い合金で構成されており、本実施形態では、Al−10質量%Si合金とされている。また、第4ろう材54の厚さは50〜100μmとされている。
(Heat sink joining step S04)
Next, as shown in FIG. 5, the heat sink 40 is laminated on the other side (the lower side in FIG. 5) of the metal layer 13 of the power module substrate 10 via the fourth brazing material 54. The fourth brazing material 54 is made of an alloy having a lower solid phase temperature than the second brazing material 52 and the third brazing material 53, and is an Al-10 mass% Si alloy in this embodiment. The thickness of the fourth brazing material 54 is 50 to 100 μm.

積層されたパワーモジュール用基板10とヒートシンク40とを積層方向に加圧(圧力1.5〜20kgf/cm)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属層13とヒートシンク40との間に第4溶融金属領域64を形成する。
そして、この第4溶融金属領域64を凝固させることで、ヒートシンク40とパワーモジュール用基板10とを接合する。このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製出される。
The laminated power module substrate 10 and the heat sink 40 are charged in a stacking direction (pressure 1.5 to 20 kgf / cm 2 ) and charged in a vacuum heating furnace to be heated, and the metal layer 13 and the heat sink 40 are heated. The 4th molten metal area | region 64 is formed between these.
Then, the heat sink 40 and the power module substrate 10 are joined by solidifying the fourth molten metal region 64. In this way, the power module substrate with a heat sink according to the present embodiment is produced.

(半導体素子接合工程S05)
次に、回路層12の表面に形成されたNiメッキ層(図示なし)の上に、はんだ材を介して半導体素子3を載置し、還元炉内においてはんだ接合する。これにより、半導体素子3が、はんだ層2を介してパワーモジュール用基板10上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール1が製出される。
(Semiconductor element bonding step S05)
Next, the semiconductor element 3 is placed on a Ni plating layer (not shown) formed on the surface of the circuit layer 12 via a solder material, and soldered in a reduction furnace. Thereby, the semiconductor element 3 is joined on the board | substrate 10 for power modules via the solder layer 2, and 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によれば、回路層12が、変形抵抗が比較的大きい銅板22によって構成されているので、回路層12表面におけるうねりやシワの発生を抑制することができる。よって、鉛フリーはんだ材を用いた場合であっても、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。   According to the present embodiment configured as described above, since the circuit layer 12 is configured by the copper plate 22 having a relatively large deformation resistance, the occurrence of waviness and wrinkles on the surface of the circuit layer 12 can be suppressed. it can. Therefore, even when a lead-free solder material is used, the occurrence of cracks in the solder layer 2 can be suppressed.

そして、セラミックス基板11と回路層12との間に、緩衝アルミ層16と補助セラミックス板17とが介装されているので、回路層12とセラミックス基板11との熱膨張係数の差に起因する熱応力を緩衝アルミ層16で吸収することができ、セラミックス基板11の割れを防止できる。よって、セラミックス基板11の一方側と他方側とで絶縁性を確保することができる。   Since the buffer aluminum layer 16 and the auxiliary ceramic plate 17 are interposed between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12, heat caused by the difference in thermal expansion coefficient between the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11. The stress can be absorbed by the buffer aluminum layer 16, and the ceramic substrate 11 can be prevented from cracking. Therefore, insulation can be ensured on one side and the other side of the ceramic substrate 11.

また、本実施形態では、補助セラミックス板17に、厚さ方向に延在する複数のスリット18が設けられているので、補助セラミックス板17が容易に変形することになり、緩衝アルミ層16と補助セラミックス板17の変形によって、回路層12とセラミックス基板11との熱膨張係数の差に起因する熱応力を効率的に吸収することができる。さらに、あらかじめ補助セラミックス板17にスリットを形成しておくことで、熱応力によって補助セラミックス板17が不規則に割れてしまうことを防止できる。
さらに、本実施形態では、緩衝アルミ層16が、4Nアルミニウムで構成されているので、緩衝アルミ層16の変形抵抗が小さくなり、この緩衝アルミ層16の変形によって、熱応力を効率的に吸収することができる。
Further, in the present embodiment, since the auxiliary ceramic plate 17 is provided with a plurality of slits 18 extending in the thickness direction, the auxiliary ceramic plate 17 is easily deformed, and the buffer aluminum layer 16 and the auxiliary aluminum plate 16 are supported. The deformation of the ceramic plate 17 can efficiently absorb the thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11. Furthermore, by forming slits in the auxiliary ceramic plate 17 in advance, it is possible to prevent the auxiliary ceramic plate 17 from being irregularly cracked due to thermal stress.
Furthermore, in this embodiment, since the buffer aluminum layer 16 is made of 4N aluminum, the deformation resistance of the buffer aluminum layer 16 is reduced, and the deformation of the buffer aluminum layer 16 efficiently absorbs thermal stress. be able to.

また、回路層12の厚さtcが、0.1mm≦tc≦3mmとされ、本実施形態では、tc=1.0mmとされているので、回路層12における導電性を確保することができるとともに、回路層12の変形抵抗が必要以上に大きくならず、セラミックス基板11の割れの発生を抑制することができる。
さらに、補助セラミックス板17の厚さtsが、0.15mm≦ts≦1mmとされ、本実施形態では、ts=0.635mmとされているので、回路層12と確実に接合することができるとともに、積層方向の熱抵抗を抑えることができ、熱をヒートシンク40側に向けて効率良く放散することができる。
また、緩衝アルミ層16の厚さtaが、0.4mm≦ta≦3mmとされ、本実施形態では、ta=2.0mmとされているので、緩衝アルミ層16において熱応力を確実に吸収することができるとともに、積層方向の熱抵抗を抑えることができ、熱をヒートシンク40側に向けて効率良く放散することができる。
In addition, since the thickness tc of the circuit layer 12 is 0.1 mm ≦ tc ≦ 3 mm and tc = 1.0 mm in this embodiment, the conductivity in the circuit layer 12 can be ensured. The deformation resistance of the circuit layer 12 does not increase more than necessary, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 can be suppressed.
Furthermore, since the thickness ts of the auxiliary ceramic plate 17 is 0.15 mm ≦ ts ≦ 1 mm, and in this embodiment, ts = 0.635 mm, it is possible to reliably bond to the circuit layer 12. The thermal resistance in the stacking direction can be suppressed, and heat can be efficiently dissipated toward the heat sink 40 side.
Further, the thickness ta of the buffer aluminum layer 16 is set to 0.4 mm ≦ ta ≦ 3 mm, and in this embodiment, ta = 2.0 mm. Therefore, the buffer aluminum layer 16 reliably absorbs thermal stress. In addition, thermal resistance in the stacking direction can be suppressed, and heat can be efficiently dissipated toward the heat sink 40 side.

また、本実施形態では、セラミックス基板11の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層13が形成されており、この金属層13を介してヒートシンク40が接合されているので、ヒートシンク40とセラミックス基板11との熱膨張係数の差に起因する熱応力を、金属層13で吸収することができ、セラミックス基板11の割れの防止及びヒートシンク40とセラミックス基板11との接合信頼性の向上を図ることができる。   In the present embodiment, the metal layer 13 made of aluminum or aluminum alloy is formed on the other surface of the ceramic substrate 11, and the heat sink 40 is joined via the metal layer 13. The thermal stress resulting from the difference in thermal expansion coefficient with the ceramic substrate 11 can be absorbed by the metal layer 13, thereby preventing the ceramic substrate 11 from cracking and improving the bonding reliability between the heat sink 40 and the ceramic substrate 11. be able to.

そして、本実施形態では、回路層12を形成する銅板接合工程S01と、緩衝アルミ層16を形成するアルミニウム板接合工程S02とを、同時に実施する構成としているので、補助セラミックス板17における反りの発生を抑えることができる。
また、銅板接合工程S01において、固相温度がアルミニウム板26の融点未満とされたろう材50を用いているので、アルミニウム板26の融点未満の温度条件においても、銅板22と補助セラミックス板17とを確実に接合することができる。
本実施形態では、ろう材50として、Ag−Cu−Ti系合金に、In,Bi,Li,Snから選択される1種又は2種以上の低融点元素を添加した合金、具体的には、Ag−24質量%Cu−2質量%Ti−14質量%In合金を用いているので、固相温度が620℃となり、アルミニウム板26の融点未満の温度条件で銅板22と補助セラミックス板17とを強固に接合することができる。
In the present embodiment, the copper plate bonding step S01 for forming the circuit layer 12 and the aluminum plate bonding step S02 for forming the buffer aluminum layer 16 are performed at the same time. Can be suppressed.
In the copper plate joining step S01, since the brazing material 50 having a solid phase temperature lower than the melting point of the aluminum plate 26 is used, the copper plate 22 and the auxiliary ceramic plate 17 are bonded even under temperature conditions lower than the melting point of the aluminum plate 26. It can be reliably joined.
In the present embodiment, as the brazing material 50, an alloy in which one or more low melting point elements selected from In, Bi, Li, and Sn are added to an Ag—Cu—Ti alloy, specifically, Since an Ag-24 mass% Cu-2 mass% Ti-14 mass% In alloy is used, the solid phase temperature is 620 ° C., and the copper plate 22 and the auxiliary ceramic plate 17 are bonded under temperature conditions below the melting point of the aluminum plate 26. It can be firmly joined.

次に、本発明の第2の実施形態について、図6から図13を参照して説明する。
本実施形態であるパワーモジュール101は、回路層112が配設されたパワーモジュール用基板110と、回路層112の表面にはんだ層102を介して接合された半導体素子103と、パワーモジュール用基板110の他方側(図6において下側)に配設されたヒートシンク140とを備えている。ここで、はんだ層102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とはんだ層102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 according to this embodiment includes a power module substrate 110 on which a circuit layer 112 is disposed, a semiconductor element 103 bonded to the surface of the circuit layer 112 via a solder layer 102, and a power module substrate 110. And a heat sink 140 disposed on the other side (lower side in FIG. 6). Here, the solder layer 102 is made of, for example, Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder. In the present embodiment, a Ni plating layer (not shown) is provided between the circuit layer 112 and the solder layer 102.

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の一方の面側(図6において上側)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6において下面)に接合された金属層113とを備えている。
そして、セラミックス基板111と回路層112との間には、セラミックス基板111の一方の面に接合された緩衝アルミ層116と、緩衝アルミ層116の一方の面に接合されるとともに回路層112の他方の面に接合された補助セラミックス板117と、が配設されている。
The power module substrate 110 includes a ceramic substrate 111, a circuit layer 112 disposed on one surface side (upper side in FIG. 6) of the ceramic substrate 111, and the other surface (lower surface in FIG. 6). And a metal layer 113 bonded to each other.
Between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112, the buffer aluminum layer 116 bonded to one surface of the ceramic substrate 111, and the other of the circuit layer 112 bonded to one surface of the buffer aluminum layer 116 Auxiliary ceramic plate 117 joined to the surface is disposed.

セラミックス基板111は、一方の面側に配設された回路層112と他方の面側に金属層113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Al(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tは、0.2mm≦t1≦1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、t=0.635mmに設定されている。 The ceramic substrate 111 prevents electrical connection between the circuit layer 112 disposed on one surface side and the metal layer 113 on the other surface side, and is a highly insulating Al 2 O 3 ( (Alumina). In addition, the thickness t 0 of the ceramic substrate 111 is set in a range of 0.2 mm ≦ t 0 1 ≦ 1.5 mm, and in this embodiment, t 0 = 0.635 mm.

金属層113は、図11に示すように、セラミックス基板111の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板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、純度が99.99質量%以上のアルミニウム板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 metal layer 113 is formed by joining an aluminum plate 123 made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate 111. In the present embodiment, the metal layer 113 is formed by bonding an aluminum plate 123 having a purity of 99.99% by mass or more to the ceramic substrate 111.

回路層112は、図11に示すように、補助セラミックス基板117の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板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、無酸素銅によって形成されている。
また、回路層112の厚さtcが0.1mm≦tc≦0.6mmとされ、本実施形態では、tc=1.0mmとされている。
As shown in FIG. 11, the circuit layer 112 is formed by bonding a copper plate 122 made of copper or a copper alloy to one surface of the auxiliary ceramic substrate 117. In the present embodiment, the circuit layer 112 is made of oxygen-free copper.
In addition, the thickness tc of the circuit layer 112 is 0.1 mm ≦ tc ≦ 0.6 mm, and in this embodiment, tc = 1.0 mm.

緩衝アルミ層116は、図11に示すように、補助セラミックス板117の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板126が接合されることにより形成されている。緩衝アルミ層116は、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いることができるが、本実施形態では、純度が99.99質量%以上のアルミニウム板126が補助セラミックス板117に接合されることで形成されている。
また、緩衝アルミ層116の厚さtaが0.4mm≦ta≦3.0mmとされ、本実施形態では、ta=1.5mmとされている。
As shown in FIG. 11, the buffer aluminum layer 116 is formed by joining an aluminum plate 126 made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the auxiliary ceramic plate 117. The buffer aluminum layer 116 can be made of aluminum or an aluminum alloy. In this embodiment, the buffer aluminum layer 116 is formed by joining an aluminum plate 126 having a purity of 99.99% by mass or more to the auxiliary ceramic plate 117.
In addition, the thickness ta of the buffer aluminum layer 116 is set to 0.4 mm ≦ ta ≦ 3.0 mm, and in this embodiment, ta = 1.5 mm.

補助セラミックス板117は、例えばAlN、Al、Si等のセラミックス材料で構成されており、本実施形態では、Al(アルミナ)で構成されている。補助セラミックス板117の厚さtsは、0.15mm≦ts≦1mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、ts=0.3mmに設定されている。 The auxiliary ceramic plate 117 is made of a ceramic material such as AlN, Al 2 O 3 , or Si 3 N 4 , and is made of Al 2 O 3 (alumina) in the present embodiment. The thickness ts of the auxiliary ceramic plate 117 is set within a range of 0.15 mm ≦ ts ≦ 1 mm, and in the present embodiment, ts = 0.3 mm.

ヒートシンク140は、前述のパワーモジュール用基板110を冷却するためのものである。本実施形態では、ヒートシンク140は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された放熱板とされている。   The heat sink 140 is for cooling the power module substrate 110 described above. In the present embodiment, the heat sink 140 is a heat radiating plate made of aluminum or an aluminum alloy.

そして、図7に示すように、補助セラミックス板117と緩衝アルミ層116との接合界面においては、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてCuが固溶している。
ここで、緩衝アルミ層116の補助セラミックス板117との接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度(本実施形態ではCu濃度)が低下する濃度傾斜層171が形成されている。また、この濃度傾斜層171の接合界面側(緩衝アルミ層116の補助セラミックス板117との接合界面近傍)の添加元素の濃度(本実施形態ではCu濃度)が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
なお、緩衝アルミ層116の補助セラミックス板117との接合界面近傍の添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図7のグラフは、緩衝アルミ層116の中央部分において積層方向にライン分析を行い、縦軸のCu濃度は前述の50μm位置でのCu濃度を基準として求めたものである。
As shown in FIG. 7, at the bonding interface between the auxiliary ceramic plate 117 and the buffer aluminum layer 116, one or two selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are used. Additive elements of seeds or more are in solid solution, and in this embodiment, Cu is dissolved as an additive element.
Here, in the vicinity of the bonding interface between the buffer aluminum layer 116 and the auxiliary ceramic plate 117, the concentration gradient layer 171 in which the concentration of the additive element (Cu concentration in this embodiment) gradually decreases as the distance from the bonding interface in the stacking direction increases. Is formed. Further, the concentration of the additive element (Cu concentration in the present embodiment) on the bonding interface side of the concentration gradient layer 171 (near the bonding interface of the buffer aluminum layer 116 with the auxiliary ceramic plate 117) is 0.01 mass% or more and 5 mass. % Is set within the range.
The concentration of the additive element in the vicinity of the bonding interface between the buffer aluminum layer 116 and the auxiliary ceramic plate 117 is an average value measured at 50 points from the bonding interface by EPMA analysis (spot diameter 30 μm). In the graph of FIG. 7, line analysis is performed in the stacking direction in the central portion of the buffer aluminum layer 116, and the Cu concentration on the vertical axis is obtained on the basis of the Cu concentration at the 50 μm position.

また、図8に示すように、緩衝アルミ層116とセラミックス基板111、セラミックス基板111と金属層113との接合界面においては、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてCuが固溶している。
ここで、緩衝アルミ層116及び金属層113とセラミックス基板111との接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度(本実施形態ではCu濃度)が低下する濃度傾斜層172,173が形成されている。また、この濃度傾斜層172,173の接合界面側(緩衝アルミ層116及び金属層113のセラミックス基板111との接合界面近傍)の添加元素の濃度(本実施形態ではCu濃度)が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
なお、緩衝アルミ層116及び金属層113のセラミックス基板111との接合界面近傍の添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図8のグラフは、緩衝アルミ層116及び金属層113の中央部分において積層方向にライン分析を行い、縦軸のCu濃度は前述の50μm位置でのCu濃度を基準として求めたものである。
Further, as shown in FIG. 8, at the bonding interface between the buffer aluminum layer 116 and the ceramic substrate 111 and between the ceramic substrate 111 and the metal layer 113, Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are used. One or more selected additive elements are in solid solution, and in the present embodiment, Cu is dissolved as the additive element.
Here, in the vicinity of the bonding interface between the buffer aluminum layer 116 and the metal layer 113 and the ceramic substrate 111, the concentration of the additive element (Cu concentration in the present embodiment) gradually decreases as the distance from the bonding interface in the stacking direction increases. Inclined layers 172 and 173 are formed. Further, the concentration (Cu concentration in this embodiment) of the additive element on the bonding interface side of the concentration gradient layers 172 and 173 (near the bonding interface between the buffer aluminum layer 116 and the metal layer 113 with the ceramic substrate 111) is 0.01. It is set within a range of mass% to 5 mass%.
In addition, the concentration of the additive element in the vicinity of the bonding interface between the buffer aluminum layer 116 and the metal layer 113 with the ceramic substrate 111 is an average value measured at 50 points from the bonding interface by EPMA analysis (spot diameter 30 μm). . In the graph of FIG. 8, line analysis is performed in the stacking direction in the central portion of the buffer aluminum layer 116 and the metal layer 113, and the Cu concentration on the vertical axis is obtained on the basis of the Cu concentration at the 50 μm position. .

さらに、図9に示すように、金属層113とヒートシンク140との接合界面においては、金属層113及びヒートシンク140に、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてCuが固溶している。
ここで、金属層113及びヒートシンク140の接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度(本実施形態ではCu濃度)が低下する濃度傾斜層174、175が形成されている。また、この濃度傾斜層174、175の接合界面側(金属層113及びヒートシンク140の接合界面近傍)の添加元素の濃度(本実施形態ではCu濃度)が、0.01質量%以上5質量%以下の範囲内に設定されている。
なお、この金属層113及びヒートシンク140の接合界面近傍の添加元素の濃度は、EPMA分析(スポット径30μm)によって、接合界面から50μmの位置で5点測定した平均値である。また、図9のグラフは、金属層113及びヒートシンク140の中央部分において積層方向にライン分析を行い、縦軸のCu濃度は前述の50μm位置でのCu濃度を基準として求めたものである。
Furthermore, as shown in FIG. 9, at the bonding interface between the metal layer 113 and the heat sink 140, the metal layer 113 and the heat sink 140 are selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li. One or more additional elements are in solid solution, and in this embodiment, Cu is dissolved as the additional element.
Here, in the vicinity of the bonding interface between the metal layer 113 and the heat sink 140, concentration gradient layers 174 and 175 in which the concentration of the additive element (Cu concentration in the present embodiment) gradually decreases as the distance from the bonding interface in the stacking direction is formed. Has been. Further, the concentration of the additive element (Cu concentration in this embodiment) on the bonding interface side (near the bonding interface between the metal layer 113 and the heat sink 140) of the concentration gradient layers 174 and 175 is 0.01 mass% or more and 5 mass% or less. It is set within the range.
The concentration of the additive element in the vicinity of the bonding interface between the metal layer 113 and the heat sink 140 is an average value measured at 5 points from the bonding interface by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm). In the graph of FIG. 9, line analysis is performed in the stacking direction in the central portion of the metal layer 113 and the heat sink 140, and the Cu concentration on the vertical axis is obtained on the basis of the Cu concentration at the 50 μm position.

以下に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板およびパワーモジュール101の製造方法について、図10から図14を参照して説明する。
このパワーモジュール101の製造方法は、銅板122と補助セラミックス板117とを接合する銅板接合工程S101と、補助セラミックス板111と緩衝アルミ層116となるアルミニウム板126とを接合するアルミニウム板接合工程S102と、緩衝アルミ層116とセラミックス基板111、セラミックス基板111と金属層113となるアルミニウム板123とを接合するセラミックス基板接合工程S103と、パワーモジュール用基板110とヒートシンク140とを接合するヒートシンク接合工程S104と、回路層112の一面に半導体素子103を接合する半導体素子接合工程S105と、を備えている。
Below, the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink which is this embodiment, and the power module 101 is demonstrated with reference to FIGS.
The manufacturing method of this power module 101 includes a copper plate joining step S101 for joining the copper plate 122 and the auxiliary ceramic plate 117, and an aluminum plate joining step S102 for joining the auxiliary ceramic plate 111 and the aluminum plate 126 serving as the buffer aluminum layer 116. A ceramic substrate bonding step S103 for bonding the buffer aluminum layer 116 and the ceramic substrate 111, an aluminum plate 123 to be the ceramic substrate 111 and the metal layer 113, and a heat sink bonding step S104 for bonding the power module substrate 110 and the heat sink 140. And a semiconductor element bonding step S105 for bonding the semiconductor element 103 to one surface of the circuit layer 112.

(銅板接合工程S101/アルミニウム板接合工程S102/セラミックス基板接合工程S103/ヒートシンク接合工程S104)
まず、図11に示すように、アルミニウム板126の一方の面にスパッタリングによって添加元素(Cu)を固着して第1固着層151を形成するとともに、アルミニウム板126の他方の面にスパッタリングによって添加元素(Cu)を固着して第2固着層152を形成する。また、アルミニウム板123の一方の面にスパッタリングによって添加元素(Cu)を固着して第3固着層153を形成するとともに、アルミニウム板123の他方の面にスパッタリングによって添加元素(Cu)を固着して第4固着層154を形成する。ここで、第1固着層151、第2固着層152、第3固着層153及び第4固着層154における添加元素量は0.01mg/cm以上10mg/cm以下の範囲内とされており、本実施形態では、添加元素としてCuを用いており、第1固着層151、第2固着層152、第3固着層153及び第4固着層154におけるCu量が0.08mg/cm以上2.7mg/cm以下に設定されている。
(Copper plate bonding step S101 / aluminum plate bonding step S102 / ceramic substrate bonding step S103 / heat sink bonding step S104)
First, as shown in FIG. 11, the additive element (Cu) is fixed to one surface of the aluminum plate 126 by sputtering to form the first fixed layer 151, and the additive element is added to the other surface of the aluminum plate 126 by sputtering. The second fixing layer 152 is formed by fixing (Cu). Further, the additive element (Cu) is fixed to one surface of the aluminum plate 123 by sputtering to form the third fixed layer 153, and the additive element (Cu) is fixed to the other surface of the aluminum plate 123 by sputtering. A fourth fixing layer 154 is formed. Here, the amount of added elements in the first fixed layer 151, the second fixed layer 152, the third fixed layer 153, and the fourth fixed layer 154 is in the range of 0.01 mg / cm 2 to 10 mg / cm 2. In this embodiment, Cu is used as the additive element, and the amount of Cu in the first fixed layer 151, the second fixed layer 152, the third fixed layer 153, and the fourth fixed layer 154 is 0.08 mg / cm 2 or more 2. 0.7 mg / cm 2 or less.

そして、図11に示すように、補助セラミックス板117の他方の面側(図11において下側)に、アルミニウム板126を積層し、アルミニウム板126の他方の面側にセラミックス基板111を積層し、セラミックス基板111の他方の面側にアルミニウム板123を積層し、さらに、アルミニウム板123の他方の面側にヒートシンク140を積層する。
また、補助セラミックス板117の一方の面側(図11において上側)に、ろう材150を介して銅板122を積層する。
Then, as shown in FIG. 11, the aluminum plate 126 is laminated on the other surface side (lower side in FIG. 11) of the auxiliary ceramic plate 117, and the ceramic substrate 111 is laminated on the other surface side of the aluminum plate 126, An aluminum plate 123 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 111, and a heat sink 140 is laminated on the other surface side of the aluminum plate 123.
Further, a copper plate 122 is laminated on one surface side (the upper side in FIG. 11) of the auxiliary ceramic plate 117 with a brazing material 150 interposed therebetween.

ここで、銅板122と補助セラミックス板117との間に介在されるろう材150は、その固相温度がアルミニウム板123、126、ヒートシンク140の融点未満とされている。具体的には、ろう材150は、Ag−Cu−Ti系合金に、In,Bi,Li,Snから選択される1種又は2種以上の低融点元素が添加された合金とされており、本実施形態では、Ag−24質量%Cu−2質量%Ti−14質量%In合金とされている。また、ろう材150の厚さは10〜100μmとされている。   Here, the brazing material 150 interposed between the copper plate 122 and the auxiliary ceramic plate 117 has a solid phase temperature below the melting point of the aluminum plates 123 and 126 and the heat sink 140. Specifically, the brazing material 150 is an alloy in which one or more low melting point elements selected from In, Bi, Li, and Sn are added to an Ag—Cu—Ti alloy. In the present embodiment, an Ag-24 mass% Cu-2 mass% Ti-14 mass% In alloy is used. The brazing material 150 has a thickness of 10 to 100 μm.

次に、銅板122、補助セラミックス板117、アルミニウム板126、セラミックス基板111、アルミニウム板123、ヒートシンク140を、その積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−3〜10−6Paの範囲内に設定し、加熱温度は630℃以上655℃以下の範囲内に設定している。 Next, the copper plate 122, the auxiliary ceramic plate 117, the aluminum plate 126, the ceramic substrate 111, the aluminum plate 123, and the heat sink 140 are pressed in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) in the vacuum heating furnace. Charge and heat. Here, in this embodiment, the pressure in a vacuum heating furnace is set in the range of 10 < -3 > -10 < -6 > Pa, and the heating temperature is set in the range of 630 degreeC or more and 655 degrees C or less.

すると、ろう材150が溶融することにより、銅板122と補助セラミックス板117との界面に溶融金属領域160が形成される。
また、補助セラミックス板117とアルミニウム板126との界面に第1溶融金属領域161が形成される。
さらに、アルミニウム板126とセラミックス基板111との界面に第2溶融金属領域162が形成され、セラミックス基板111とアルミニウム板123との界面に第3溶融金属領域163が形成される。
また、アルミニウム板123とヒートシンク140との界面に第4溶融金属領域164が形成される。
Then, the molten metal region 160 is formed at the interface between the copper plate 122 and the auxiliary ceramic plate 117 by melting the brazing material 150.
Further, a first molten metal region 161 is formed at the interface between the auxiliary ceramic plate 117 and the aluminum plate 126.
Further, a second molten metal region 162 is formed at the interface between the aluminum plate 126 and the ceramic substrate 111, and a third molten metal region 163 is formed at the interface between the ceramic substrate 111 and the aluminum plate 123.
Further, a fourth molten metal region 164 is formed at the interface between the aluminum plate 123 and the heat sink 140.

ここで、補助セラミックス板117とアルミニウム板126との界面に形成される第1溶融金属領域161は、図12に示すように、第1固着層151の添加元素(Cu)がアルミニウム板126側に拡散することによって、アルミニウム板126の第1固着層151近傍の添加元素の濃度(Cu濃度)が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。   Here, in the first molten metal region 161 formed at the interface between the auxiliary ceramic plate 117 and the aluminum plate 126, as shown in FIG. 12, the additive element (Cu) of the first fixing layer 151 is on the aluminum plate 126 side. By diffusion, the concentration (Cu concentration) of the additive element in the vicinity of the first fixed layer 151 of the aluminum plate 126 is increased, and the melting point is lowered.

また、アルミニウム板126とセラミックス基板111との界面に形成される第2溶融金属領域162及びセラミックス基板111とアルミニウム板123との界面に形成される第3溶融金属領域163は、図13に示すように、第2固着層152の添加元素(Cu)がアルミニウム板126側に、第3固着層153の添加元素(Cu)がアルミニウム板123側に拡散することによって、アルミニウム板126の第2固着層152近傍の添加元素の濃度(Cu濃度)及びアルミニウム板123の第3固着層153近傍の添加元素の濃度(Cu濃度)が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。   Further, the second molten metal region 162 formed at the interface between the aluminum plate 126 and the ceramic substrate 111 and the third molten metal region 163 formed at the interface between the ceramic substrate 111 and the aluminum plate 123 are as shown in FIG. Further, the additive element (Cu) of the second fixing layer 152 diffuses to the aluminum plate 126 side, and the additive element (Cu) of the third fixing layer 153 diffuses to the aluminum plate 123 side, whereby the second fixing layer of the aluminum plate 126 is obtained. It is formed by increasing the concentration of the additive element in the vicinity of 152 (Cu concentration) and the concentration of the additive element in the vicinity of the third fixed layer 153 of the aluminum plate 123 (Cu concentration) to lower the melting point.

また、アルミニウム板123とヒートシンク140との界面に形成される第4溶融金属領域164は、図14に示すように、第4固着層154の添加元素(Cu)がアルミニウム板123側及びヒートシンク140側に拡散することによって、アルミニウム板123及びヒートシンク140の第4固着層154近傍の添加元素の濃度(Cu濃度)が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。   Further, as shown in FIG. 14, the fourth molten metal region 164 formed at the interface between the aluminum plate 123 and the heat sink 140 has an additive element (Cu) of the fourth fixing layer 154 on the aluminum plate 123 side and the heat sink 140 side. As a result, the concentration (Cu concentration) of the additive element in the vicinity of the fourth fixing layer 154 of the aluminum plate 123 and the heat sink 140 is increased, and the melting point is lowered.

次に、第1溶融金属領域161、第2溶融金属領域162、第3溶融金属領域163、第4融金属領域164が形成された状態で温度を一定に保持しておく。
すると、第1溶融金属領域161、第2溶融金属領域162、第3溶融金属領域163、第4溶融金属領域164中のCuが、さらに拡散し、第1溶融金属領域161、第2溶融金属領域162、第3溶融金属領域163、第4溶融金属領域164であった部分のCu濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、補助セラミックス板117とアルミニウム板126、アルミニウム板126とセラミックス基板111、セラミックス基板111とアルミニウム板123、アルミニウム板123とヒートシンク140とが接合される。
Next, the temperature is kept constant in a state where the first molten metal region 161, the second molten metal region 162, the third molten metal region 163, and the fourth molten metal region 164 are formed.
Then, Cu in the 1st molten metal area | region 161, the 2nd molten metal area | region 162, the 3rd molten metal area | region 163, and the 4th molten metal area | region 164 further spread | diffused, and the 1st molten metal area | region 161 and the 2nd molten metal area | region 162, the third molten metal region 163, the portion of the fourth molten metal region 164, the Cu concentration gradually decreases, the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. Go. Thereby, the auxiliary ceramic plate 117 and the aluminum plate 126, the aluminum plate 126 and the ceramic substrate 111, the ceramic substrate 111 and the aluminum plate 123, and the aluminum plate 123 and the heat sink 140 are joined.

つまり、補助セラミックス板117とアルミニウム板126、アルミニウム板126とセラミックス基板111、セラミックス基板111とアルミニウム板123、アルミニウム板123とヒートシンク140は、いわゆる液相拡散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
そして、冷却する過程において、銅板122と補助セラミックス板117との界面に形成された溶融金属領域160が凝固し、銅板122と補助セラミックス板117とが接合される。
That is, the auxiliary ceramic plate 117 and the aluminum plate 126, the aluminum plate 126 and the ceramic substrate 111, the ceramic substrate 111 and the aluminum plate 123, and the aluminum plate 123 and the heat sink 140 are joined by so-called liquid phase diffusion bonding (Transient Liquid Phase Bonding). -ing After solidification progresses in this way, cooling is performed to room temperature.
In the cooling process, the molten metal region 160 formed at the interface between the copper plate 122 and the auxiliary ceramic plate 117 is solidified, and the copper plate 122 and the auxiliary ceramic plate 117 are joined.

このようにして、銅板122、補助セラミックス板117、アルミニウム板126、セラミックス基板111、アルミニウム板123、ヒートシンク140が接合され、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造されることになる。すなわち、本実施形態においては、銅板接合工程S101と、アルミニウム板接合工程S102と、セラミックス基板接合工程S103と、ヒートシンク接合工程S104とが、同時に実施されているのである。   In this manner, the copper plate 122, the auxiliary ceramic plate 117, the aluminum plate 126, the ceramic substrate 111, the aluminum plate 123, and the heat sink 140 are joined, and the power module substrate with a heat sink according to this embodiment is manufactured. That is, in this embodiment, the copper plate bonding step S101, the aluminum plate bonding step S102, the ceramic substrate bonding step S103, and the heat sink bonding step S104 are performed simultaneously.

(半導体素子接合工程S105)
次に、回路層112の表面に形成されたNiメッキ層(図示なし)の上に、はんだ材を介して半導体素子103を載置し、還元炉内においてはんだ接合する。これにより、半導体素子103が、はんだ層102を介してパワーモジュール用基板110上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール101が製出される。
(Semiconductor element bonding step S105)
Next, the semiconductor element 103 is placed on a Ni plating layer (not shown) formed on the surface of the circuit layer 112 via a solder material, and soldered in a reduction furnace. As a result, the semiconductor element 103 is bonded onto the power module substrate 110 via the solder layer 102, and the power module 101 according to this embodiment is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態によれば、回路層112が銅板122によって構成され、金属層113がアルミニウム板123で構成されているので、第1の実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。
また、本実施形態では、回路層112となる銅板123と、セラミックス基板111と、金属層113となるアルミニウム板123と、ヒートシンク140と、同時に接合する構成とされていることから、接合時におけるセラミックス基板111の反りの発生を抑制することができる。また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造コストを低減することができる。
According to the present embodiment configured as described above, since the circuit layer 112 is configured by the copper plate 122 and the metal layer 113 is configured by the aluminum plate 123, the same effect as the first embodiment is obtained. It becomes possible to play.
In the present embodiment, since the copper plate 123 to be the circuit layer 112, the ceramic substrate 111, the aluminum plate 123 to be the metal layer 113, and the heat sink 140 are joined at the same time, the ceramic at the time of joining is used. Generation of warpage of the substrate 111 can be suppressed. Moreover, the manufacturing cost of the power module substrate with a heat sink can be reduced.

本実施形態では、補助セラミックス板117と緩衝アルミ層116、緩衝アルミ層116とセラミックス基板111とが、いわゆる液相拡散接合法によって接合されているので、補助セラミックス板117と緩衝アルミ層116、緩衝アルミ層116とセラミックス基板111とを強固に接合できる。   In the present embodiment, the auxiliary ceramic plate 117 and the buffer aluminum layer 116, and the buffer aluminum layer 116 and the ceramic substrate 111 are bonded by a so-called liquid phase diffusion bonding method. The aluminum layer 116 and the ceramic substrate 111 can be firmly bonded.

さらに、本実施形態では、セラミックス基板111と金属層113となるアルミニウム板123とについても液相拡散接合法によって接合されているので、セラミックス基板111と金属層113とが強固に接合され、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板10を製造することができる。
さらに、本実施形態では、アルミニウム板123とヒートシンク140との接合も、液相拡散接合法によって接合されているので、アルミニウム板123とヒートシンク140とを強固に接合できる。
Furthermore, in this embodiment, since the ceramic substrate 111 and the aluminum plate 123 to be the metal layer 113 are also bonded by the liquid phase diffusion bonding method, the ceramic substrate 111 and the metal layer 113 are firmly bonded, and the bonding reliability is increased. It is possible to manufacture the power module substrate 10 having excellent properties.
Furthermore, in this embodiment, since the aluminum plate 123 and the heat sink 140 are also joined by the liquid phase diffusion joining method, the aluminum plate 123 and the heat sink 140 can be firmly joined.

また、本実施形態では、緩衝アルミ層116のうち補助セラミックス板117との接合界面近傍及びセラミックス基板111との接合界面近傍に、添加元素であるCuが固溶しているので、緩衝アルミ層116の接合界面近傍の強度を向上させることができる。
具体的には、緩衝アルミ層116のうち補助セラミックス板117及びセラミックス基板111との接合界面近傍におけるCu濃度が0.05質量%以上とされているので、緩衝アルミ層116の接合界面側部分を確実に強化することができ、緩衝アルミ層116における亀裂の発生を防止できる。また、緩衝アルミ層116のうち補助セラミックス板117及びセラミックス基板111との接合界面近傍におけるCu濃度が5質量%以下とされているので、緩衝アルミ層116の接合界面の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、このパワーモジュール用基板110に熱サイクルが負荷された際の熱応力を緩衝アルミ層116で吸収することができ、セラミックス基板111の割れ等を防止できる。
In the present embodiment, since Cu as an additive element is dissolved in the buffer aluminum layer 116 in the vicinity of the bonding interface with the auxiliary ceramic plate 117 and in the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate 111, the buffer aluminum layer 116. The strength in the vicinity of the bonding interface can be improved.
Specifically, since the Cu concentration in the vicinity of the bonding interface between the auxiliary ceramic plate 117 and the ceramic substrate 111 in the buffer aluminum layer 116 is 0.05 mass% or more, the bonding interface side portion of the buffer aluminum layer 116 is Reinforcement can be ensured, and the occurrence of cracks in the buffer aluminum layer 116 can be prevented. Further, since the Cu concentration in the vicinity of the bonding interface between the auxiliary ceramic plate 117 and the ceramic substrate 111 in the buffer aluminum layer 116 is 5 mass% or less, the strength of the bonding interface of the buffer aluminum layer 116 becomes higher than necessary. Can be prevented. Therefore, the thermal stress when the thermal cycle is loaded on the power module substrate 110 can be absorbed by the buffer aluminum layer 116, and the ceramic substrate 111 can be prevented from cracking.

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、補助セラミックス板及びセラミックス基板として、AlN、Alで構成されたものを例示して説明したが、これに限定されることはなく、Si等の他のセラミックス材料で構成されたものであってもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, the auxiliary ceramic plate and the ceramic substrate have been described by exemplifying those made of AlN and Al 2 O 3 , but are not limited to this, and are made of other ceramic materials such as Si 3 N 4. It may be what was done.

また、本実施形態においては、回路層とセラミックス基板との間に、一つの緩衝アルミ層と一つの補助セラミックス板が介装されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、複数の緩衝アルミ層及び複数の補助セラミックス板が介装された構成としてもよい。   In the present embodiment, the description has been made assuming that one buffer aluminum layer and one auxiliary ceramic plate are interposed between the circuit layer and the ceramic substrate. However, the present invention is not limited to this. The buffer aluminum layer and a plurality of auxiliary ceramic plates may be interposed.

さらに、第1の実施形態において、補助セラミックス板に、厚さ方向に貫通したスリットを設けたものとして説明したが、これに限定されることはなく、厚さ方向に貫通しない溝部を形成してもよい。この場合、冷熱サイクルによって熱応力が負荷された際に、この溝部を起点として補助セラミックス板が割れることになり、不規則な割れの発生を抑制することが可能となる。   Furthermore, in 1st Embodiment, although demonstrated as what provided the slit penetrated in the thickness direction in the auxiliary ceramic board, it is not limited to this, The groove part which does not penetrate in the thickness direction is formed. Also good. In this case, when a thermal stress is applied by the cooling / heating cycle, the auxiliary ceramic plate is cracked starting from the groove, and irregular cracking can be suppressed.

また、第2の実施形態において、添加元素としてCuを固着して接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Si,Cu,Ag,Zn,Mg,Ge,Ca,Ga,Liのうちのいずれか1種又は2種以上の添加元素を固着してもよい。
なお、MgやCa等の易酸化元素を用いる場合には、アルミニウムとともに添加元素を固着することが好ましい。これにより、MgやCa等の易酸化元素が酸化損耗することを抑制することができる。
Moreover, in 2nd Embodiment, although Cu was fixed as an additional element and it demonstrated as what joins, it is not limited to this, Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Any one or two or more additive elements of Li may be fixed.
When an easily oxidizable element such as Mg or Ca is used, it is preferable to fix the additive element together with aluminum. Thereby, it is possible to suppress oxidation wear of easily oxidizable elements such as Mg and Ca.

また、第2の実施形態において、アルミニウム板にCuを固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、補助セラミックス板、セラミックス基板やヒートシンク側に添加元素を固着してもよい。
さらに、スパッタによってCuを固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、めっき、蒸着、CVD、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト又はインクなどの塗布等でCuを固着させてもよい。
Further, in the second embodiment, it has been described that Cu is fixed to the aluminum plate. However, the present invention is not limited to this, and an additive element may be fixed to the auxiliary ceramic plate, the ceramic substrate, or the heat sink.
Furthermore, although it demonstrated as what fixes Cu by sputter | spatter, it is not limited to this, Cu is applied by plating, vapor deposition, CVD, cold spray, or application of paste or ink in which powder is dispersed. It may be fixed.

また、本実施形態では、ヒートシンクをA6063合金で構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、A1100合金、A3003合金、A5052合金、A7N01合金等の他の金属材料で構成されたものであってもよい。
さらに、ヒートシンクの構造は、本実施形態に限定されることはなく、他の構造のヒートシンクを採用してもよい。
Further, in the present embodiment, the heat sink is described as being composed of the A6063 alloy, but is not limited thereto, and is composed of other metal materials such as A1100 alloy, A3003 alloy, A5052 alloy, and A7N01 alloy. It may be a thing.
Furthermore, the structure of the heat sink is not limited to this embodiment, and a heat sink having another structure may be adopted.

また、本実施形態では、ヒートシンクの上に一つのパワーモジュール用基板が接合された構成として説明したが、これに限定されることはなく、一つのヒートシンクの上に複数のパワーモジュール用基板が接合されていてもよい。   In the present embodiment, the power module substrate is described as being bonded to the heat sink. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of power module substrates are bonded to the heat sink. May be.

以下に、本発明の効果を確認すべく実施した確認実験の結果について説明する。
表1に示す銅板、補助セラミックス板、緩衝アルミ層、セラミックス基板、金属層、ヒートシンクを備えた、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出し、評価した。
Below, the result of the confirmation experiment implemented in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.
A power module substrate with a heat sink including a copper plate, an auxiliary ceramic plate, a buffer aluminum layer, a ceramic substrate, a metal layer, and a heat sink shown in Table 1 was produced and evaluated.

(本発明例1−6)
銅板と補助セラミックス板との接合には、Ag−24質量%Cu−2質量%Ti−14質量%In合金からなり、厚さ50μmのろう材を用いた。
補助セラミックス板と緩衝アルミ層となるアルミニウム板との接合には、Al−7.5質量%Si合金からなり、厚さ20μmのろう材を用いた。
銅板と補助セラミックス板と緩衝アルミ層となるアルミニウム板とを、積層方向に圧力15kgf/cmで加圧した状態で、真空炉(圧力10−4Pa、温度650℃)に装入し、銅板と補助セラミックス板、補助セラミックス板と緩衝アルミ層となるアルミニウム板を同時に接合した。
(Invention Example 1-6)
For joining the copper plate and the auxiliary ceramic plate, a brazing material made of an Ag-24 mass% Cu-2 mass% Ti-14 mass% In alloy and having a thickness of 50 μm was used.
For joining the auxiliary ceramic plate and the aluminum plate serving as the buffer aluminum layer, a brazing material made of an Al-7.5 mass% Si alloy and having a thickness of 20 μm was used.
A copper plate, an auxiliary ceramic plate, and an aluminum plate serving as a buffer aluminum layer were charged in a vacuum furnace (pressure 10 −4 Pa, temperature 650 ° C.) in a state where the pressure was 15 kgf / cm 2 in the stacking direction. And the auxiliary ceramic plate, the auxiliary ceramic plate and the aluminum plate serving as the buffer aluminum layer were bonded simultaneously.

次に、緩衝アルミ層とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層となるアルミニウム板、金属層となるアルミニウム板とヒートシンクとの接合には、Al−10質量%Si合金からなり、厚さ50μmのろう材を用いた。
銅板、補助セラミックス板及び緩衝アルミ層と、セラミックス基板と、金属層となるアルミニウム板と、ヒートシンクとを、積層方向に圧力3.5kgf/cmで加圧した状態で、真空炉(圧力10−4Pa、温度610℃)に装入し、緩衝アルミ層とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層となるアルミニウム板、金属層となるアルミニウム板とヒートシンクとを同時に接合した。
なお、本発明例4−6においては、補助セラミックス板として、7mm間隔で複数のスリットが形成されたものを用いた。
Next, the buffer aluminum layer and the ceramic substrate, the aluminum plate that becomes the ceramic substrate and the metal layer, and the aluminum plate that becomes the metal layer and the heat sink are made of an Al-10 mass% Si alloy and have a thickness of 50 μm. Was used.
In a state where a copper plate, an auxiliary ceramic plate and a buffer aluminum layer, a ceramic substrate, an aluminum plate serving as a metal layer, and a heat sink are pressurized at a pressure of 3.5 kgf / cm 2 in the stacking direction, a vacuum furnace (pressure 10 − 4 Pa, temperature 610 ° C.), the buffer aluminum layer and the ceramic substrate, the aluminum plate serving as the ceramic substrate and the metal layer, and the aluminum plate serving as the metal layer and the heat sink were bonded simultaneously.
In Inventive Example 4-6, an auxiliary ceramic plate having a plurality of slits formed at intervals of 7 mm was used.

(本発明例7−12)
銅板と補助セラミックス板との接合には、Ag−24質量%Cu−2質量%Ti−14質量%In合金からなり、厚さ50μmのろう材を用いた。
また、緩衝アルミ層となるアルミニウム板の両面及び金属層となるアルミニウム板の両面に、スパッタリングによってCuを固着した。Cuの固着量は、0.15mg/cmとした。
(Invention Example 7-12)
For joining the copper plate and the auxiliary ceramic plate, a brazing material made of an Ag-24 mass% Cu-2 mass% Ti-14 mass% In alloy and having a thickness of 50 μm was used.
Further, Cu was fixed by sputtering on both surfaces of the aluminum plate serving as the buffer aluminum layer and both surfaces of the aluminum plate serving as the metal layer. The fixed amount of Cu was 0.15 mg / cm 2 .

銅板、補助セラミックス板、緩衝アルミ層となるアルミニウム板、セラミックス基板、金属層となるアルミニウム板、ヒートシンクを、積層し、これを積層方向に圧力20kgf/cmで加圧した状態で、真空炉(圧力10−4Pa、温度650℃)に装入し、銅板と補助セラミックス板、補助セラミックス板と緩衝アルミ層となるアルミニウム板、緩衝アルミ層となるアルミニウム板とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層となるアルミニウム板、金属層となるアルミニウム板とヒートシンクと、を同時に接合した。
なお、本発明例10−12においては、補助セラミックス板として、7mm間隔で複数のスリットが形成されたものを用いた。
In a state where a copper plate, an auxiliary ceramic plate, an aluminum plate serving as a buffer aluminum layer, a ceramic substrate, an aluminum plate serving as a metal layer, and a heat sink are stacked and pressed in a stacking direction at a pressure of 20 kgf / cm 2 , a vacuum furnace ( Pressure 10 −4 Pa, temperature 650 ° C.), copper plate and auxiliary ceramic plate, aluminum plate serving as auxiliary ceramic plate and buffer aluminum layer, aluminum plate serving as buffer aluminum layer and ceramic substrate, ceramic substrate and metal layer An aluminum plate to be formed, and an aluminum plate to be a metal layer and a heat sink were bonded simultaneously.
In Inventive Example 10-12, an auxiliary ceramic plate having a plurality of slits formed at intervals of 7 mm was used.

(比較例1,2)
比較例として、セラミックス基板の一方の面に銅板を接合し、セラミックス基板の他方の面に金属層となるアルミニウム板を接合し、かつ、金属層とヒートシンクを接合して、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出した。
(Comparative Examples 1 and 2)
As a comparative example, a copper plate is bonded to one surface of a ceramic substrate, an aluminum plate serving as a metal layer is bonded to the other surface of the ceramic substrate, and a metal layer and a heat sink are bonded to each other. Was produced.

比較例1においては、銅板とセラミックス基板との接合には、Ag−24質量%Cu−2質量%Ti−14質量%In合金からなり、厚さ50μmのろう材を用いた。また、セラミックス基板と金属層となるアルミニウム板との接合には、Al−7.5質量%Si合金からなり、厚さ20μmのろう材を用いた。
銅板とセラミックス基板と金属層となるアルミニウム板とを、積層方向に圧力15kgf/cmで加圧した状態で、真空炉(圧力10−4Pa、温度650℃)に装入し、銅板とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層となるアルミニウム板を同時に接合し、パワーモジュール用基板を製出した。
In Comparative Example 1, a brazing material made of an Ag-24 mass% Cu-2 mass% Ti-14 mass% In alloy and having a thickness of 50 μm was used for joining the copper plate and the ceramic substrate. In addition, a brazing material made of an Al-7.5 mass% Si alloy and having a thickness of 20 μm was used for joining the ceramic substrate and the aluminum plate serving as the metal layer.
A copper plate, a ceramic substrate, and an aluminum plate serving as a metal layer were charged in a vacuum furnace (pressure 10 −4 Pa, temperature 650 ° C.) in a state where the pressure was 15 kgf / cm 2 in the stacking direction. The board | substrate for ceramics and the aluminum board used as a metal layer were joined simultaneously, and the board | substrate for power modules was produced.

パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合には、Al−10質量%Si合金からなり、厚さ50μmのろう材を用いた。パワーモジュール用基板とヒートシンクとを積層方向に圧力3.5kgf/cmで加圧した状態で、真空炉(圧力10−4Pa、温度610℃)に装入し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合した。 For joining the power module substrate and the heat sink, a brazing material made of an Al-10 mass% Si alloy and having a thickness of 50 μm was used. In a state where the power module substrate and the heat sink are pressurized in the laminating direction at a pressure of 3.5 kgf / cm 2 , the substrate is inserted into a vacuum furnace (pressure 10 −4 Pa, temperature 610 ° C.). Were joined.

比較例2においては、銅板とセラミックス基板との接合には、Ag−24質量%Cu−2質量%Ti−14質量%In合金からなり、厚さ50μmのろう材を用いた。
また、金属層となるアルミニウム板の両面に、スパッタリングによってCuを固着した。Cuの固着量は、0.15mg/cmとした。
銅板、セラミックス基板、金属層となるアルミニウム板、ヒートシンクを、積層し、これを積層方向に圧力20kgf/cmで加圧した状態で、真空炉(圧力10−4Pa、温度650℃)に装入し、銅板とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層となるアルミニウム板、金属層となるアルミニウム板とヒートシンクと、を同時に接合した。
In Comparative Example 2, a brazing material made of an Ag-24 mass% Cu-2 mass% Ti-14 mass% In alloy and having a thickness of 50 μm was used for joining the copper plate and the ceramic substrate.
Further, Cu was fixed to both surfaces of the aluminum plate to be the metal layer by sputtering. The fixed amount of Cu was 0.15 mg / cm 2 .
A copper plate, a ceramic substrate, an aluminum plate serving as a metal layer, and a heat sink are stacked, and this is loaded in a vacuum furnace (pressure 10 −4 Pa, temperature 650 ° C.) in a state where the pressure is 20 kgf / cm 2 in the stacking direction. Then, a copper plate and a ceramic substrate, an aluminum plate serving as a ceramic substrate and a metal layer, and an aluminum plate serving as a metal layer and a heat sink were bonded simultaneously.

(冷熱サイクル前後の電気抵抗値評価)
得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板について、冷熱サイクル試験を実施し、冷熱サイクル負荷前後の電気抵抗値の変化について評価した。
電気抵抗値は、図15及び図16に示すように、回路層上の中心点Aとヒートシンク上の点B間をテスタ(KEITHLEY社製:2010MULTIMETER)を用いて、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の積層方向の電気抵抗値を測定した。なお、ヒートシンク上の点Bは、点Aから回路層の最短の端部を求め、点Aと前記端部を通る直線上であって、点Aと前記端部の距離Hと同距離だけ前記端部から離れたところからヒートシンク上に垂線を下ろした地点とした。ここで、電気抵抗値が1010Ω以上の場合には、〇と評価し、10Ω未満の場合には、×と評価した。
(Evaluation of electrical resistance before and after cooling cycle)
About the obtained substrate for power modules with a heat sink, the thermal cycle test was implemented and the change of the electrical resistance value before and behind the thermal cycle load was evaluated.
As shown in FIG. 15 and FIG. 16, the electrical resistance value is obtained by laminating a power module substrate with a heat sink using a tester (manufactured by KEITHLEY: 2010 MULTITIMER) between the center point A on the circuit layer and the point B on the heat sink. The electric resistance value in the direction was measured. The point B on the heat sink is the shortest end of the circuit layer from the point A and is on a straight line passing through the end A and the point A, and the distance H is equal to the distance H between the point A and the end. It was set as the point which made the perpendicular line on the heat sink from the place away from the edge part. Here, when the electrical resistance value was 10 10 Ω or more, it was evaluated as ◯, and when it was less than 10 8 Ω, it was evaluated as x.

冷熱サイクルは、エスペック株式会社製TSB−51を用いて、液相としてフロリナート(住友スリーエム株式会社製)を使用して実施した。−40℃×5分←→125℃×5分を1サイクルとして3000サイクル実施した。そして、冷熱サイクル負荷前後の電気抵抗値を測定した。評価結果を表2に示す。   The cooling / heating cycle was performed using TSB-51 manufactured by Espec Co., Ltd. and using Fluorinert (manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd.) as the liquid phase. 3000 cycles were performed with -40 ° C. × 5 minutes ← → 125 ° C. × 5 minutes as one cycle. And the electrical resistance value before and behind a thermal cycle load was measured. The evaluation results are shown in Table 2.

(セラミックス基板の外周部クラック観察)
冷熱サイクル負荷後のヒートシンク付パワーモジュール用基板について、外観から観察できるセラミックス基板の外周部でのクラックの有無を観察した。セラミックス基板の外周部のいずれかにクラックが認められたものは×とし、クラックが認められなかったものは〇と評価した。評価結果を表2に示す。
(Observation of cracks on the outer periphery of ceramic substrates)
About the power module substrate with a heat sink after the thermal cycle load, the presence or absence of cracks in the outer peripheral portion of the ceramic substrate that can be observed from the appearance was observed. A case where a crack was observed in any of the outer peripheral portions of the ceramic substrate was evaluated as x, and a case where no crack was observed was evaluated as ◯. The evaluation results are shown in Table 2.

Figure 0005957848
Figure 0005957848

Figure 0005957848
Figure 0005957848

本発明例においては、冷熱サイクル負荷前後で電気抵抗値が大きく変化せず、絶縁性が確保されていることが確認される。
これに対して、比較例1,2においては、冷熱サイクル負荷後に電気抵抗値が大幅に低下しており、十分に絶縁されていないことが確認される。これは、セラミックス基板に割れが生じたためと推測される。
以上のことから、本発明によれば、回路層を銅板で構成しても、セラミックス基板の割れを防止でき、絶縁性を確保することができる。
In the example of the present invention, it is confirmed that the electrical resistance value does not change greatly before and after the cooling / heating cycle load, and the insulation is ensured.
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, the electrical resistance value is greatly reduced after the thermal cycle load, and it is confirmed that the electrical insulation value is not sufficiently insulated. This is presumed to be because the ceramic substrate was cracked.
From the above, according to the present invention, even if the circuit layer is made of a copper plate, the ceramic substrate can be prevented from cracking and insulation can be ensured.

1, 101 パワーモジュール
2, 102 はんだ層
3, 103 半導体素子(電子部品)
10,110 パワーモジュール用基板
11,111 セラミックス基板
12,112 回路層
13,113 金属層
16,116 緩衝アルミ層
17,117 補助セラミックス板
18 スリット
40,140 ヒートシンク
50,150 ろう材(接合材)
1, 101 Power module 2, 102 Solder layer 3, 103 Semiconductor element (electronic component)
10, 110 Power module substrate 11, 111 Ceramic substrate 12, 112 Circuit layer 13, 113 Metal layer 16, 116 Buffer aluminum layer 17, 117 Auxiliary ceramic plate 18 Slit 40, 140 Heat sink 50, 150 Brazing material (joining material)

Claims (7)

セラミックス基板の一方の面側に回路層が形成され、この回路層の一方の面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層は、銅または銅合金で構成され、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が形成されており、
前記セラミックス基板と前記回路層との間には、前記セラミックス基板の一方の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる緩衝アルミ層と、前記回路層の他方の面に接合された補助セラミックス板と、が介装されており、
前記セラミックス基板と前記補助セラミックス板とが同一の材質で構成されており、
前記補助セラミックス板には、厚さ方向に貫通する複数のスリットが設けられていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
A power module substrate in which a circuit layer is formed on one surface side of a ceramic substrate, and an electronic component is mounted on one surface of the circuit layer,
The circuit layer is made of copper or a copper alloy, and a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy is formed on the other surface of the ceramic substrate.
Between the ceramic substrate and the circuit layer, a buffer aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy bonded to one surface of the ceramic substrate, and an auxiliary ceramic plate bonded to the other surface of the circuit layer; , Is intervening,
The ceramic substrate and the auxiliary ceramic plate are made of the same material ,
A substrate for a power module, wherein the auxiliary ceramic plate is provided with a plurality of slits penetrating in the thickness direction .
前記緩衝アルミ層が、純度99.98質量%以上のアルミニウムで構成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 buffer aluminum layer is made of aluminum having a purity of 99.98% by mass or more. 前記回路層の厚さtcが、0.1mm≦tc≦3mmとされ、補助セラミックス板の厚さtsが、0.15mm≦ts≦1mmとされ、前記緩衝アルミ層の厚さtaが、0.4mm≦ta≦3mmとされ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。 The thickness tc of the circuit layer is 0.1 mm ≦ tc ≦ 3 mm, the thickness ts of the auxiliary ceramic plate is 0.15 mm ≦ ts ≦ 1 mm, and the thickness ta of the buffer aluminum layer is 0. The power module substrate according to claim 1, wherein 4 mm ≦ ta ≦ 3 mm. 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と、このパワーモジュール用基板の他方の面側に配設されたヒートシンクと、を備え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。 A power module substrate according to any one of claims 1 to 3, and a heat sink disposed on the other surface side of the power module substrate. Power module substrate. 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を製出するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層となる銅板と前記補助セラミックス板とを接合する銅板接合工程と、前記補助セラミックス板と前記緩衝アルミ層となるアルミニウム板とを接合するアルミニウム板接合工程と、を有し、
前記銅板接合工程では、前記銅板と前記補助セラミックス板とを、固相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた接合材を用いて接合する構成とされており、
前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程とを同時に行うことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
A method for producing a power module substrate for producing the power module substrate according to any one of claims 1 to 3 ,
A copper plate joining step for joining the copper plate serving as the circuit layer and the auxiliary ceramic plate, and an aluminum plate joining step for joining the auxiliary ceramic plate and an aluminum plate serving as the buffer aluminum layer,
In the copper plate joining step, the copper plate and the auxiliary ceramic plate are joined using a joining material whose solid phase temperature is less than the melting point of the aluminum plate,
The method for manufacturing a power module substrate, wherein the copper plate joining step and the aluminum plate joining step are performed simultaneously.
前記アルミニウム板接合工程は、前記補助セラミックス板の接合面及び前記アルミニウム板の接合面のうち少なくとも一方に、Si,Cu,Zn,Ge,Ag,Mg,Ca,Ga及びLiから選択される1種又は2種以上の添加元素を固着し、前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層を介して前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板と積層する積層工程と、積層された前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記補助セラミックス板と前記アルミニウム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、前記補助セラミックス板と前記アルミニウム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、前記固着層の元素を前記アルミニウム板側に拡散させることにより、前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板との界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴とする請求項5に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。 The aluminum plate joining step is a kind selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li on at least one of the joining surface of the auxiliary ceramic plate and the joining surface of the aluminum plate. Or a fixing step of fixing two or more kinds of additional elements and forming a fixing layer containing the additional element; a stacking step of stacking the auxiliary ceramic plate and the aluminum plate via the fixing layer; By pressing and heating the auxiliary ceramic plate and the aluminum plate in the stacking direction to form a molten metal region at the interface between the auxiliary ceramic plate and the aluminum plate, and solidifying the molten metal region A solidification step of joining the auxiliary ceramic plate and the aluminum plate, and in the heating step, The elements of the pinned layer be diffused in the aluminum plate side, the interface between the auxiliary ceramic plate and the aluminum plate, a power module substrate according to claim 5, characterized in that forming the molten metal region Manufacturing method. 前記緩衝アルミ層と前記セラミックス基板とを接合するセラミックス基板接合工程を有し、前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程と前記セラミックス基板接合工程とを同時に行うことを特徴とする請求項5または請求項6に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。 The buffer aluminum layer and has a ceramic substrate bonding step of bonding the ceramic substrate, according to claim 5 or claims and performing said copper plate bonding step and the aluminum plate bonding step and the ceramic substrate bonding step simultaneously Item 7. A method for manufacturing a power module substrate according to Item 6 .
JP2011241396A 2011-11-02 2011-11-02 Power module substrate, power module substrate with heat sink, and method for manufacturing power module substrate Active JP5957848B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011241396A JP5957848B2 (en) 2011-11-02 2011-11-02 Power module substrate, power module substrate with heat sink, and method for manufacturing power module substrate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011241396A JP5957848B2 (en) 2011-11-02 2011-11-02 Power module substrate, power module substrate with heat sink, and method for manufacturing power module substrate

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013098423A JP2013098423A (en) 2013-05-20
JP5957848B2 true JP5957848B2 (en) 2016-07-27

Family

ID=48620052

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011241396A Active JP5957848B2 (en) 2011-11-02 2011-11-02 Power module substrate, power module substrate with heat sink, and method for manufacturing power module substrate

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5957848B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6127852B2 (en) * 2013-09-13 2017-05-17 三菱マテリアル株式会社 Power module substrate with heat sink and manufacturing method thereof
JP6471465B2 (en) * 2014-11-11 2019-02-20 三菱マテリアル株式会社 Power module board with cooler
JP6616166B2 (en) * 2015-09-26 2019-12-04 京セラ株式会社 Circuit board and electronic device

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61230345A (en) * 1985-04-04 1986-10-14 Hitachi Ltd Cooling module for semiconductor device
JP2993757B2 (en) * 1991-03-29 1999-12-27 田中貴金属工業株式会社 Brazing filler metal for ceramics
JP2003086747A (en) * 2001-09-10 2003-03-20 Hitachi Ltd Insulation circuit board, its manufacturing method and semiconductor power element using the same
JP2005032791A (en) * 2003-07-08 2005-02-03 Ngk Spark Plug Co Ltd Heat dissipating member, circuit board, and semiconductor device
JP4371151B2 (en) * 2007-05-28 2009-11-25 日立金属株式会社 Semiconductor power module
JP5303936B2 (en) * 2008-01-08 2013-10-02 三菱マテリアル株式会社 Power module substrate, power module, and method of manufacturing power module substrate
JP2011119652A (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

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013098423A (en) 2013-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6696215B2 (en) Bonded body, power module substrate with heat sink, heat sink, and method of manufacturing bonded body, method of manufacturing power module substrate with heat sink, and method of manufacturing heat sink
JP6079505B2 (en) Bonded body and power module substrate
KR102097177B1 (en) Power module substrate, power module substrate with heat sink, and power module
KR101690820B1 (en) Method for producing substrate for power module with heat sink, substrate for power module 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
JP2014060215A (en) Substrate for power module with heat sink, power module with heat sink and manufacturing method of substrate for power module with heat sink
JP5504842B2 (en) Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, and method for manufacturing power module substrate
WO2015029812A1 (en) Assembly and power-module substrate
JP2012178513A (en) Power module unit and manufacturing method of the same
JP2014222788A (en) Method for manufacturing substrate for power module, method for manufacturing substrate for power module with heat sink, and method for manufacturing power module
JP2014060216A (en) Substrate for power module with heat sink, power module with heat sink and manufacturing method of substrate for power module with heat sink
JP2011119652A (en) Method for producing substrate for power module with heat sink, substrate for power module with heat sink, and power module
JP5957848B2 (en) Power module substrate, power module substrate with heat sink, and method for manufacturing power module substrate
KR102524698B1 (en) Assembly, power module substrate, power module, assembly method and manufacturing method of power module substrate
JP6819299B2 (en) Joined body, substrate for power module, manufacturing method of joined body and manufacturing method of substrate for power module
WO2017126653A1 (en) Bonded body, power module substrate, power module, bonded body manufacturing method, and power module substrate manufacturing method
WO2016167217A1 (en) Bonded body, substrate for power module with heat sink, heat sink, method for producing bonded body, method for producing substrate for power module with heat sink, and method for producing heat sink
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
WO2017126641A1 (en) Bonded body, power module substrate, bonded body manufacturing method, and power module substrate manufacturing method
JP5724244B2 (en) Manufacturing method of power module substrate, power module substrate, power module substrate with heat sink, and power module
JP5796299B2 (en) Power module substrate with heat sink, manufacturing method of power module substrate with heat sink, and power module
JP5640548B2 (en) Power module substrate manufacturing method
JP5699882B2 (en) Power module substrate, power module substrate manufacturing method, power module substrate with 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: 20140925

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20150430

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150507

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150703

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160216

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160418

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: 20160524

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160606

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

Ref document number: 5957848

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150