JP5987418B2

JP5987418B2 - Manufacturing method of power module substrate with heat sink

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Publication number: JP5987418B2
Application number: JP2012083057A
Authority: JP
Inventors: 伸幸寺▲崎▼; 長友　義幸; 義幸長友; 黒光　祥郎; 祥郎黒光
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013214566A

Description

この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が形成されるとともに前記絶縁層の他方の面に金属層が形成された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前記金属層側に接合されるヒートシンクと、を備えた、ヒートシンク付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。 According to the present invention, a power module substrate having a circuit layer formed on one surface of an insulating layer and a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, and bonded to the metal layer side of the power module substrate The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink.

各種の半導体素子のうちでも、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板として、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板（絶縁層）の一方の面及び他方の面に回路層及び金属層を形成したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。
また、金属層側に、半導体素子及びパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が提供されている。
そして、このようなパワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板は、その回路層上に、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子（電子部品）が搭載され、パワーモジュールとされる。 Among various semiconductor elements, a power element for high power control used for controlling an electric vehicle, an electric vehicle, and the like has a large amount of heat generation. Therefore, as a substrate on which this element is mounted, for example, AlN (aluminum nitride) 2. Description of the Related Art Conventionally, a power module substrate in which a circuit layer and a metal layer are formed on one surface and the other surface of a ceramic substrate (insulating layer) made of or the like has been widely used.
Further, there is provided a power module substrate with a heat sink in which a semiconductor element and a heat sink for cooling the power module substrate are bonded to the metal layer side.
Such a power module substrate and a power module substrate with a heat sink have a semiconductor element (electronic component) as a power element mounted on the circuit layer via a solder material to form a power module.

上述のパワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、特許文献１，２に示すように、回路層及び金属層を、銅やアルミニウムで構成したものが広く提案されている。
例えば、特許文献１には、セラミックス基板の両面にアルミニウム板を接合し、回路層及び金属層としたパワーモジュール用基板、及び、このパワーモジュール用基板にヒートシンクを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。
また、特許文献２には、ラミックス基板の両面に銅板をＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のろう材を用いた活性金属法によって接合し、回路層及び金属層とした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に銅板からなるヒートシンクをはんだ付けによって接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。 In the above-described power module substrate and power module substrate with a heat sink, as shown in Patent Documents 1 and 2, those in which the circuit layer and the metal layer are made of copper or aluminum have been widely proposed.
For example, Patent Document 1 discloses a power module substrate in which an aluminum plate is bonded to both surfaces of a ceramic substrate to form a circuit layer and a metal layer, and a power module substrate with a heat sink in which a heat sink is bonded to the power module substrate. Proposed.
Patent Document 2 discloses a power module substrate in which a copper plate is joined to both surfaces of a lamix substrate by an active metal method using an Ag—Cu—Ti brazing material to form a circuit layer and a metal layer, and this power. A power module substrate with a heat sink in which a heat sink made of a copper plate is joined to the module substrate by soldering has been proposed.

ところで、セラミックス基板（絶縁層）に形成される回路層及び金属層において、厚さ、大きさ、形成パターンが互いに異なっている場合には、セラミックス基板に金属板を接合して上述のパワーモジュール用基板を製造する際に、パワーモジュール用基板に反りが生じることがあった。
このパワーモジュール用基板に生じる反りを低減する手段として、特許文献３では、パワーモジュール用基板を−２０℃以下に冷却して長時間保持する方法が提案されている。また、特許文献４では、パワーモジュール用基板を−１１０℃以下にまで冷却する方法が提案されている。 By the way, when the circuit layer and metal layer formed on the ceramic substrate (insulating layer) are different in thickness, size and formation pattern, a metal plate is joined to the ceramic substrate and the above-mentioned power module is used. When manufacturing a substrate, the power module substrate may be warped.
As means for reducing the warpage generated in the power module substrate, Patent Document 3 proposes a method of cooling the power module substrate to −20 ° C. or lower and holding it for a long time. Patent Document 4 proposes a method of cooling the power module substrate to −110 ° C. or lower.

特許第３１７１２３４号公報Japanese Patent No. 3171234 特開第３２１１８５６号公報Japanese Patent No. 3211856 特許第３４１９６２０号公報Japanese Patent No. 3419620 特許第３９２２５３８号公報Japanese Patent No. 3922538

ところで、上述のように、パワーモジュール用基板にヒートシンクを接合した場合、接合後のヒートシンク付パワーモジュール用基板においても反りが生じることになる。ここで、ヒートシンクを接合する際に、特許文献３，４に記載された方法を適用することにより反りを低減することが考えられる。
しかしながら、特許文献３に示す方法では、パワーモジュール用基板を−２０℃以下に保持する時間が長すぎるために、生産性が悪化する問題があった。
また、特許文献４に示す方法では、パワーモジュール用基板の冷却温度が−１１０℃とされており、冷却温度が低すぎるために、冷却に必要なコストが過剰に大きくなる問題があった。 By the way, as mentioned above, when a heat sink is joined to the power module substrate, warping also occurs in the power module substrate with a heat sink after joining. Here, when joining a heat sink, it is possible to reduce curvature by applying the method described in patent documents 3 and 4.
However, the method shown in Patent Document 3 has a problem that productivity is deteriorated because the time for holding the power module substrate at −20 ° C. or less is too long.
Moreover, in the method shown in Patent Document 4, the cooling temperature of the power module substrate is set to −110 ° C., and the cooling temperature is too low, so that the cost required for cooling becomes excessively high.

さらに、ヒートシンクを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、パワーモジュール用基板に比べて構造が複雑で大型化するため、特許文献３，４に記載された方法のように、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を単純に冷却しても、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを十分に低減することはできなかった。 Furthermore, the power module substrate with a heat sink to which the heat sink is joined has a more complicated structure and a larger size than the power module substrate. Therefore, as in the methods described in Patent Documents 3 and 4, Even if the substrate is simply cooled, the warp of the power module substrate with a heat sink cannot be sufficiently reduced.

また、回路層及び金属層においては、それぞれの要求特性に応じて、種々の金属が選択的に使用され、回路層及び金属層が互いに異なる金属材料で構成されることがある。
例えば、回路層を、純度９９．０質量％以上９９．５質量％未満のアルミニウム（２Nアルミニウム）で構成し、金属層を純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成したパワーモジュール用基板や、回路層を銅又は銅合金で構成し、金属層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成したパワーモジュール用基板が提案されている。 In the circuit layer and the metal layer, various metals may be selectively used according to the required characteristics, and the circuit layer and the metal layer may be made of different metal materials.
For example, a power module in which the circuit layer is composed of aluminum (2N aluminum) having a purity of 99.0% by mass or more and less than 99.5% by mass, and the metal layer is composed of aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more. There has been proposed a power module substrate in which a circuit board and a circuit layer are made of copper or a copper alloy and a metal layer is made of aluminum or an aluminum alloy.

上述のように回路層及び金属層を互いに異なる金属で構成した場合、回路層及び金属層の剛性や熱膨張係数が互いに異なるために、ヒートシンクを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板において、さらに反りが発生しやすくなるといった問題がある。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板に反りが生じた場合、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板（絶縁層）に大きな曲げ応力が作用し、セラミックス基板（絶縁層）に亀裂等が生じるおそれがあった。 When the circuit layer and the metal layer are made of different metals as described above, the circuit layer and the metal layer have different rigidity and thermal expansion coefficients. There is a problem that it is likely to occur.
If the heat module substrate with a heat sink warps, a large bending stress may act on the ceramic substrate (insulating layer) when a cooling cycle is applied, which may cause cracks in the ceramic substrate (insulating layer). It was.

また、ヒートシンクに冷却器を接合する場合に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に反りが生じていると、ヒートシンクと冷却器との間に隙間が生じ、パワーモジュール用基板を十分に冷却できなくなるおそれがあった。
さらに、ヒートシンク自体に冷却フィンや流路を形成して冷却媒体を流通させる構造とした場合には、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に反りが生じることで、冷却媒体の漏れ等が生じるおそれがあった。
このため、回路層及び金属層を、互いに異なる金属で構成した場合であっても、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを十分に低減することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法が望まれていた。 In addition, when a cooler is joined to a heat sink, if the power module substrate with a heat sink is warped, a gap may be formed between the heat sink and the cooler, making it impossible to sufficiently cool the power module substrate. there were.
Further, when the cooling medium is formed by forming cooling fins and flow paths in the heat sink itself, there is a possibility that the cooling medium leaks due to warping of the power module substrate with the heat sink. .
Therefore, there is a demand for a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink that can sufficiently reduce the warpage of the power module substrate with a heat sink even when the circuit layer and the metal layer are made of different metals. It was.

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、絶縁層の一方の面及び他方の面に互いに異なる金属で構成された回路層及び金属層を形成したパワーモジュール用基板とヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを、比較的短時間かつ低コストで低減することができるヒートシンク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 includes a power module substrate, a heat sink, and a circuit layer and a metal layer formed of different metals on one surface and the other surface of the insulating layer. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a substrate for a heat sink power module that can reduce warpage of the substrate for a power module with a heat sink having a relatively short time and low cost.

前述の課題を解決するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁層の一方の面に回路層が形成されるとともに前記絶縁層の他方の面に金属層が形成された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前記金属層側に接合されるヒートシンクと、を備えた、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記絶縁層の一方の面に、前記回路層を形成する回路層形成工程と、前記絶縁層の他方の面に、前記回路層とは異なる金属からなる金属層を形成する金属層形成工程と、前記金属層側に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を備えており、前記ヒートシンク接合工程では、前記回路層と前記絶縁層と前記金属層と前記ヒートシンクとを積層し、積層方向に加圧した状態で加熱して接合した後に、積層方向に加圧した状態で常温よりも低い温度にまで冷却し、冷却後に常温まで戻して加圧を除去することを特徴としている。
なお、本発明において、ヒートシンクとは、パワーモジュール用基板の熱を放散する作用を有する部材であって、放熱板、冷却フィンを備えた冷却フィン付放熱板、あるいは、冷却媒体の流路を備えた冷却器、を含むものとする。 In order to solve the above-described problems, the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention has a circuit layer formed on one surface of an insulating layer and a metal layer formed on the other surface of the insulating layer. A power module substrate with a heat sink, comprising: a power module substrate; and a heat sink bonded to the metal layer side of the power module substrate, on one surface of the insulating layer, A circuit layer forming step for forming the circuit layer, a metal layer forming step for forming a metal layer made of a metal different from the circuit layer on the other surface of the insulating layer, and the heat sink bonded to the metal layer side A heat sink bonding step, wherein the circuit layer, the insulating layer, the metal layer, and the heat sink are stacked and applied in the stacking direction. After bonding heated at state, it cooled in a pressurized state in the stacking direction to a temperature lower than the room temperature, is characterized by removing the pressure returned to normal temperature after cooling.
In the present invention, the heat sink is a member having an action of radiating heat of the power module substrate, and includes a heat radiating plate, a heat radiating plate with cooling fins provided with cooling fins, or a cooling medium flow path. A cooler.

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記金属層側に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程において、前記回路層と前記絶縁層と前記金属層と前記ヒートシンクとを積層し、積層方向に加圧した状態で加熱して接合した後に、積層方向に加圧した状態で常温より低い温度にまで冷却する構成とされているので、加熱接合後の冷却過程においてヒートシンク付パワーモジュール用基板は反るように変形できず、さらに常温よりも低い温度にまで冷却されることで前記ヒートシンクに塑性変形が生じることになる。この塑性変形は、反りとは逆方向の変形であり、その塑性変形領域まで冷却した後、常温に戻すと、塑性変形した分だけ、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りが相殺されることになる。 According to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention, in the heat sink joining step of joining the heat sink to the metal layer side, the circuit layer, the insulating layer, the metal layer, and the heat sink are laminated, After heating and bonding in a state pressurized in the stacking direction, it is configured to cool to a temperature lower than normal temperature in a state pressed in the stacking direction, so for power modules with heat sinks in the cooling process after heat bonding The substrate cannot be deformed to warp, and further, the heat sink is plastically deformed by being cooled to a temperature lower than room temperature. This plastic deformation is a deformation in a direction opposite to the warp. When the plastic deformation region is cooled to the room temperature and then returned to room temperature, the warp of the power module substrate with a heat sink is offset by the amount of plastic deformation. .

また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を積層方向に加圧した状態で冷却しているので、冷却過程においてヒートシンク付パワーモジュール用基板が強く拘束されることになり、比較的短時間かつ高温の条件で、ヒートシンクを塑性変形させることができ、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを低減することができる。よって、高価な冷却装置を必要とせず、低コストで効率よく、反りが低減されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。 In addition, since the power module substrate with a heat sink is cooled in a state of being pressurized in the stacking direction, the power module substrate with the heat sink is strongly restrained in the cooling process. The heat sink can be plastically deformed, and the warpage of the power module substrate with a heat sink can be reduced. Therefore, an expensive cooling device is not required, and a power module substrate with a heat sink with reduced warpage can be manufactured efficiently at low cost.

ここで、前記ヒートシンク接合工程においては、積層方向に９．８×１０^４Ｐａ以上３４３×１０^４Ｐａ以下で加圧した状態で冷却することが好ましい。
この場合、加圧した状態で加熱接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を、確実に拘束した状態で常温よりも低い温度にまで冷却することができ、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを確実に低減できると。また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に必要以上の荷重が負荷されず、絶縁層の割れ等のトラブルを抑制することができる。 Here, in the heat sink joining step, it is preferable to cool in a state of being pressurized at 9.8 × 10 ⁴ Pa or more and 343 × 10 ⁴ Pa or less in the stacking direction.
In this case, the power module substrate with a heat sink that is heat-bonded in a pressurized state can be cooled to a temperature lower than room temperature in a surely restrained state, and the warpage of the power module substrate with a heat sink can be ensured. If it can be reduced. Further, a load more than necessary is not applied to the power module substrate with a heat sink, and troubles such as cracking of the insulating layer can be suppressed.

また、前記ヒートシンク接合工程においては、積層方向に加圧した状態で−７０℃以上−５℃以下の範囲内に冷却することが好ましい。
この場合、積層方向に加圧した状態で−７０℃以上−５℃以下の範囲内に冷却する構成とされていることから、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を必要以上に冷却する必要がなく、冷却時間及び常温に戻す時間を短縮することができ、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の生産効率を向上させることができる。また、ヒートシンクを確実に塑性変形させて、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを低減することができる。 Moreover, in the heat sink joining step, it is preferable to cool within a range of −70 ° C. or more and −5 ° C. or less in a state of being pressurized in the stacking direction.
In this case, since it is configured to cool within a range of −70 ° C. or more and −5 ° C. or less in a state of being pressurized in the stacking direction, it is not necessary to cool the power module substrate with a heat sink more than necessary. It is possible to shorten the time and the time for returning to room temperature, and to improve the production efficiency of the power module substrate with a heat sink. In addition, the warp of the power module substrate with a heat sink can be reduced by reliably plastically deforming the heat sink.

さらに、前記金属層形成工程と、前記ヒートシンク接合工程と、が同時に実施される構成としてもよい。
この場合、前記金属層形成工程と前記ヒートシンク接合工程とを同時に行うことによって、接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、繰り返し加熱、冷却を行う必要がなく、絶縁層に不要な負荷が作用せず、絶縁層に亀裂等が生じることを抑制することができる。 Furthermore, the metal layer forming step and the heat sink joining step may be performed simultaneously.
In this case, by performing the metal layer forming step and the heat sink joining step at the same time, the cost for joining can be greatly reduced. In addition, it is not necessary to repeatedly heat and cool, an unnecessary load does not act on the insulating layer, and it is possible to prevent the insulating layer from being cracked.

また、前記回路層は銅又は銅合金で構成され、前記金属層はアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよい。
回路層を銅又は銅合金で構成し、金属層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成したヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、回路層が熱伝導性に優れているので、半導体素子からの熱を回路層の面方向に拡げ、効率的に熱を放散することができる。また、金属層の変形抵抗が比較的小さくなり、ヒートシンクと絶縁層との熱膨張係数の差に起因する歪みを金属層で吸収でき、絶縁層の割れを抑制することができる。
そして、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記回路層が銅又は銅合金で構成され、前記金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成された場合であっても、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを十分に低減することができる。 The circuit layer may be made of copper or a copper alloy, and the metal layer may be made of aluminum or an aluminum alloy.
In a power module substrate with a heat sink in which the circuit layer is made of copper or a copper alloy and the metal layer is made of aluminum or an aluminum alloy, the circuit layer is excellent in thermal conductivity. It can spread in the direction of the surface and can dissipate heat efficiently. In addition, the deformation resistance of the metal layer becomes relatively small, strain caused by the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink and the insulating layer can be absorbed by the metal layer, and cracking of the insulating layer can be suppressed.
According to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention, even if the circuit layer is made of copper or a copper alloy and the metal layer is made of aluminum or an aluminum alloy, Warpage of the power module substrate can be sufficiently reduced.

また、前記金属層が、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムで構成され、前記回路層が、前記金属層よりもアルミニウムの純度が低いアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていても良い。
この場合、金属層が、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムで構成され、変形抵抗が小さいため、ヒートシンクと絶縁層との熱膨張係数の差に起因する歪みを金属層で吸収でき、絶縁層の割れを抑制することができる。また、回路層が記金属層よりもアルミニウムの純度が低いアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されているので、回路層の変形が抑制され、半導体素子と回路層との間に介在するはんだ層にクラックが発生することを抑制できる
そして、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記金属層が、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムで構成され、前記回路層が、前記金属層よりもアルミニウムの純度が低いアルミニウム又はアルミニウム合金で構成された場合であっても、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを十分に低減することができる。 The metal layer may be made of aluminum having a purity of 99.99% by mass or more, and the circuit layer may be made of aluminum or an aluminum alloy whose purity is lower than that of the metal layer.
In this case, since the metal layer is made of aluminum having a purity of 99.99% by mass or more and has a small deformation resistance, the metal layer can absorb strain caused by the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink and the insulating layer. Can be prevented from cracking. In addition, since the circuit layer is made of aluminum or aluminum alloy whose purity is lower than that of the metal layer, deformation of the circuit layer is suppressed, and cracks are generated in the solder layer interposed between the semiconductor element and the circuit layer. According to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention, the metal layer is made of aluminum having a purity of 99.99% by mass or more, and the circuit layer is the metal layer. Even if it is a case where it is comprised with aluminum or aluminum alloy whose purity of aluminum is lower than that, the curvature of the substrate for power modules with a heat sink can be reduced sufficiently.

本発明によれば、絶縁層の一方の面及び他方の面に互いに異なる金属で構成された回路層及び金属層を形成したパワーモジュール用基板とヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを、比較的短時間かつ低コストで低減することができるヒートシンクパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a warp of a power module substrate with a heat sink comprising a power module substrate and a heat sink, each of which includes a circuit layer and a metal layer formed of different metals on one surface and the other surface of the insulating layer. Can be provided in a relatively short time and at low cost.

本発明の第一の実施形態に係るパワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の概略説明図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic explanatory drawing of the power module which concerns on 1st embodiment of this invention, and the board | substrate for power modules with a heat sink. 本発明の第一の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。It is a flowchart explaining the manufacturing method of the power module with a heat sink which is 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュールの製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the power module with a heat sink which is 1st embodiment of this invention. 本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュールの製造方法で用いられる加圧装置の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the pressurization apparatus used with the manufacturing method of the power module with a heat sink which is embodiment of this invention. 本発明の第二の実施形態に係るパワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module which concerns on 2nd embodiment of this invention, the board | substrate for power modules with a heat sink, and the board | substrate for power modules. 本発明の第二の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。It is a flowchart explaining the manufacturing method of the power module with a heat sink which is 2nd embodiment of this invention. 本発明の第二の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュールの製造方法における回路層及び金属層形成工程の説明図である。It is explanatory drawing of the circuit layer and metal layer formation process in the manufacturing method of the power module with a heat sink which is 2nd embodiment of this invention. 本発明の第二の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュールの製造方法におけるヒートシンク接合工程の説明図である。It is explanatory drawing of the heat sink joining process in the manufacturing method of the power module with a heat sink which is 2nd embodiment of this invention.

以下に、本発明の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の第一の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュールの製造方法によって製造されたヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、及び、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を用いたパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の一方側（図１において上側）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a power module substrate 30 with a heat sink manufactured by the method for manufacturing a power module with a heat sink according to the first embodiment of the present invention, and a power module 1 using the power module substrate 30 with a heat sink. Show.
The power module 1 includes a power module substrate 30 with a heat sink, and a semiconductor element 3 bonded to one side (the upper side in FIG. 1) of the power module substrate 30 with a heat sink via a solder layer 2. Yes.

はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされている。
半導体素子３は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。 The solder layer 2 is made of, for example, Sn—Ag, Sn—Cu, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder (so-called lead-free solder).
The semiconductor element 3 is an electronic component including a semiconductor, and various semiconductor elements are selected according to the required function.

ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０は、パワーモジュール用基板１０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）に接合されたヒートシンク３１とを備えている。 The power module substrate 30 with a heat sink includes a power module substrate 10 and a heat sink 31 bonded to the other side (lower side in FIG. 1) of the power module substrate 10.

パワーモジュール用基板１０は、図１に示すように、セラミックス基板１１（絶縁層）と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に形成された金属層１３と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11 (insulating layer), a circuit layer 12 formed on one surface of the ceramic substrate 11 (upper surface in FIG. 1), and the ceramic substrate 11. And a metal layer 13 formed on the other surface (the lower surface in FIG. 1).

セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。 The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). Further, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, and is set to 0.635 mm in the present embodiment.

回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に、導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。この回路層１２の厚さｔ１は、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。本実施形態においては、回路層１２は、無酸素銅の圧延板からなる銅板２２がセラミックス基板１１の一方の面に接合されることにより形成されており、この銅板２２の厚さｔ１が０．３ｍｍとされている。 The circuit layer 12 is formed by bonding a conductive metal plate to one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. The thickness t1 of the circuit layer 12 is set within a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less. In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by joining a copper plate 22 made of an oxygen-free copper rolled plate to one surface of the ceramic substrate 11, and the thickness t1 of the copper plate 22 is 0. It is 3 mm.

金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に、金属板が接合されることにより形成されている。この金属層１３の厚さｔ２は、０．６ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。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）の圧延板からなるアルミニウム板２３がセラミックス基板１１の他方の面に接合されることにより形成されており、このアルミニウム板２３の厚さｔ２が１．６ｍｍとされている。
なお、回路層１２と金属層１３の厚さの比ｔ１／ｔ２は、０．０１≦ｔ１／ｔ２≦０．９の範囲内とされている。 The metal layer 13 is formed by bonding a metal plate to the other surface (the lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. The thickness t2 of the metal layer 13 is set within a range of 0.6 mm to 6.0 mm. In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate 23 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more to the other surface of the ceramic substrate 11. The thickness t2 of the aluminum plate 23 is 1.6 mm.
The thickness ratio t1 / t2 between the circuit layer 12 and the metal layer 13 is in the range of 0.01 ≦ t1 / t2 ≦ 0.9.

ヒートシンク３１は、パワーモジュール用基板１０側の熱を放散する作用を有する部材であって、本実施形態では、熱伝導性に優れた金属からなる放熱板とされている。具体的には、Ａ６０６３等のアルミニウム合金からなる放熱板とされており、このヒートシンク３１の厚さは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
なお、このヒートシンク３１（放熱板）には、冷却媒体（例えば水）が流通する流路３６を備えた冷却器３５が積層配置されることになる。ここで、ヒートシンク３１と冷却器３５とは、固定ネジ３７によって連結される構造とされている。 The heat sink 31 is a member having a function of radiating heat on the power module substrate 10 side, and in this embodiment, the heat sink 31 is a heat radiating plate made of a metal having excellent thermal conductivity. Specifically, the heat sink is made of an aluminum alloy such as A6063, and the thickness of the heat sink 31 is set in a range of 1 mm to 10 mm.
The heat sink 31 (heat radiating plate) is laminated with a cooler 35 having a flow path 36 through which a cooling medium (for example, water) flows. Here, the heat sink 31 and the cooler 35 are connected by a fixing screw 37.

次に、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３０の製造方法について、図２から図４を用いて説明する。
まず、図３で示すように、銅板２２とセラミックス基板１１とを接合し、回路層１２を形成する（回路層形成工程Ｓ０１）。セラミックス基板１１の一方の面に、活性ろう材２５を介して銅板２２を積層し、いわゆる活性金属法によって、銅板２２とセラミックス基板１１とを接合する。本実施形態では、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉからなる活性ろう材２５を用いて、１０^−３Ｐａの真空中にて、積層方向に９．８×１０^４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ^２）以上３４３×１０^４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）以下の範囲で加圧し、８５０℃で１０分加熱することによって、セラミックス基板１１と銅板２２とを接合している。 Next, a method for manufacturing the power module substrate 30 with a heat sink according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 3, the copper plate 22 and the ceramic substrate 11 are joined to form the circuit layer 12 (circuit layer forming step S01). A copper plate 22 is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 via an active brazing material 25, and the copper plate 22 and the ceramic substrate 11 are joined by a so-called active metal method. In this embodiment, the active brazing material 25 made of Ag-27.4 mass% Cu-2.0 mass% Ti is used and 9.8 × 10 ⁴ Pa in the stacking direction in a vacuum of 10 ⁻³ Pa. (1kgf / cm ²⁾ or more ^{343 × 10 4 Pa (35kgf /} cm 2) pressed in the following ranges, by heating 10 minutes at 850 ° C., and bonding the ceramic substrate 11 and the copper plate 22.

次に、セラミックス基板１１の他方の面側に金属層１３となるアルミニウム板２３を接合する（金属層形成工程Ｓ０２）とともに、アルミニウム板２３とヒートシンク３１とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。本実施形態では、これら金属層形成工程Ｓ０２と、ヒートシンク接合工程Ｓ０３と、を同時に実施することになる。 Next, the aluminum plate 23 to be the metal layer 13 is joined to the other surface side of the ceramic substrate 11 (metal layer forming step S02), and the aluminum plate 23 and the heat sink 31 are joined (heat sink joining step S03). In the present embodiment, the metal layer forming step S02 and the heat sink joining step S03 are performed simultaneously.

アルミニウム板２３のセラミックス基板１１との接合面にスパッタリングによって、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第１固着層２６を形成するとともに、アルミニウム板２３のヒートシンク３１との接合面にスパッタリングによって、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第２固着層２７を形成する（固着層形成工程Ｓ１１）。ここで、第１固着層２６及び第２固着層２７における添加元素量は０．０１ｍｇ／ｃｍ^２以上１０ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とされている。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２６及び第２固着層２７におけるＣｕ量が０．０８ｍｇ／ｃｍ^２以上２．７ｍｇ／ｃｍ^２以下に設定されている。 One or two or more additive elements of Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li are fixed to the joint surface of the aluminum plate 23 with the ceramic substrate 11 by sputtering. The first fixing layer 26 is formed, and any one or two of Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li are formed on the joint surface of the aluminum plate 23 with the heat sink 31 by sputtering. The second fixed layer 27 is formed by fixing additional elements of seeds or more (fixed layer forming step S11). Here, the amount of added elements in the first fixed layer 26 and the second fixed layer 27 is in the range of 0.01 mg / cm ^{2 to} 10 mg / cm ² . In the present embodiment, Cu is used as an additive element, and the amount of Cu in the first fixed layer 26 and the second fixed layer 27 is set to 0.08 mg / cm ² or more and 2.7 mg / cm ² or less.

次に、図３に示すように、アルミニウム板２３をセラミックス基板１１の他方の面側に積層する。さらに、アルミニウム板２３の他方の面側にヒートシンク３１を積層し、積層体Ｓとする（積層工程Ｓ１２）。
このとき、図３に示すように、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との間に第１固着層２６（添加元素：Ｃｕ）を介在させ、アルミニウム板２３とヒートシンク３１との間に第２固着層２７（添加元素：Ｃｕ）を介在させる。 Next, as shown in FIG. 3, the aluminum plate 23 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 11. Furthermore, the heat sink 31 is laminated on the other surface side of the aluminum plate 23 to obtain a laminated body S (lamination step S12).
At this time, as shown in FIG. 3, the first fixing layer 26 (additive element: Cu) is interposed between the aluminum plate 23 and the ceramic substrate 11, and the second fixing layer is interposed between the aluminum plate 23 and the heat sink 31. 27 (additive element: Cu) is interposed.

次に、上述の積層体Ｓを積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する（加圧加熱工程Ｓ１３）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力を１０^−３〜１０^−６Ｐａの範囲内に設定し、加熱温度を５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。また、積層方向の加圧の圧力を９．８×１０^４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ^２）以上３４３×１０^４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）以下の範囲内に設定している。 Next, in a state where the above-described laminate S is pressurized in the stacking direction, it is charged into a vacuum heating furnace and heated (pressure heating step S13). 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 550 degreeC or more and 650 degrees C or less. Also, by setting the pressure in the laminating direction of the pressure within the range of ^{9.8 × 10 4 Pa (1kgf /} cm 2) or more ^{343 × 10 4 Pa (35kgf /} cm 2).

ここで、本実施形態では、銅板２２が接合されたセラミックス基板１１、アルミニウム板２３、ヒートシンク３１は、図４に示す加圧装置４０を用いて積層方向に加圧され、真空加熱炉内に装入されることになる。
この加圧装置４０は、ベース板４１と、このベース板４１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト４２と、これらガイドポスト４２の上端部に配置された固定板４３と、これらベース板４１と固定板４３との間で上下移動自在にガイドポスト４２に支持された押圧板４４と、固定板４３と押圧板４４との間に設けられて押圧板４４を下方に付勢するばね等の付勢手段４５と、固定板４３を上下させる調整ネジ４６と、を備えている。 Here, in this embodiment, the ceramic substrate 11, the aluminum plate 23, and the heat sink 31 to which the copper plate 22 is bonded are pressed in the stacking direction using the pressurizing device 40 shown in FIG. 4 and are installed in the vacuum heating furnace. Will be entered.
The pressure device 40 includes a base plate 41, guide posts 42 that are vertically attached to the four corners of the upper surface of the base plate 41, a fixing plate 43 that is disposed at the upper ends of the guide posts 42, and these base plates. 41, a pressing plate 44 supported by the guide post 42 so as to be movable up and down between the fixing plate 43 and a spring provided between the fixing plate 43 and the pressing plate 44 to urge the pressing plate 44 downward. Urging means 45 and an adjusting screw 46 for moving the fixing plate 43 up and down.

固定板４３及び押圧板４４は、ベース板４１に対して平行に配置されており、ベース板４１と押圧板４４との間に、前述の積層体Ｓが配置される。ここで、積層体Ｓとベース板４１及び押圧板４４との間には、それぞれカーボンシート４７が介装される。
そして、調整ネジ４６の位置を調節することによって固定板４３を上下させて、付勢手段４５により押圧板４４をベース板４１側に押し込むことにより、積層体Ｓが積層方向に加圧される構成とされている。 The fixed plate 43 and the pressing plate 44 are arranged in parallel to the base plate 41, and the above-described laminate S is arranged between the base plate 41 and the pressing plate 44. Here, carbon sheets 47 are interposed between the laminate S, the base plate 41 and the pressing plate 44, respectively.
And the structure which pressurizes the fixed board 43 by adjusting the position of the adjustment screw 46, and pushes the press board 44 to the base board 41 side by the biasing means 45, and the laminated body S is pressurized in the lamination direction. It is said that.

このように、加圧装置４０によって積層方向に加圧された状態で、真空加熱炉内に装入され、上述のように加熱されることにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３（金属層１３）とが接合され、かつ、アルミニウム板２３（金属層１３）とヒートシンク３１とが接合され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０が製造される。
なお、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３（金属層１３）、及び、アルミニウム板２３（金属層１３）とヒートシンク３１は、第１固着層２６及び第２固着層２７の添加元素（本実施形態ではＣｕ）のアルミニウム中への拡散による過渡液相接合法（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＤｉｆｆｕｓｉｏｎＢｏｎｄｉｎｇ）によって接合される。 In this way, the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 (metal layer 13) are charged into the vacuum heating furnace while being pressurized in the stacking direction by the pressurizing device 40 and heated as described above. Are joined together, and the aluminum plate 23 (metal layer 13) and the heat sink 31 are joined together to produce the power module substrate 30 with a heat sink.
The ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 (metal layer 13), and the aluminum plate 23 (metal layer 13) and the heat sink 31 are added elements of the first fixing layer 26 and the second fixing layer 27 (Cu in this embodiment). ) By diffusion into aluminum (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding).

そして、加圧加熱工程Ｓ１３によって接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板３０は、加圧装置４０によって加圧した状態で、常温よりも低い温度まで冷却される（加圧冷却工程Ｓ１４）。
具体的には、９．８×１０^４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ^２）以上３４３×１０^４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）以下の範囲で加圧したままの状態で、加圧装置４０ごと冷却装置５０内に装入し、−７０℃以上−５℃以下の範囲まで冷却する。なお、加圧状態のヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を冷却する場合、図４に示す加圧装置４０ごと冷却装置５０に装入すると、通常、５分程度でヒートシンク付パワーモジュール用基板３０が雰囲気温度に到達することから、保持時間としては５分以上とすることが好ましい。
より好ましくは、−２０℃以上―１０℃以下の温度範囲で、保持時間を１０分以上とするとよい。 And the board | substrate 30 for power modules with a heat sink joined by pressurization heating process S13 is cooled to temperature lower than normal temperature in the state pressurized by the pressurizer 40 (pressurization cooling process S14).
^{Specifically, 9.8 × 10 4 Pa (1kgf} / cm 2) or more ^{343 × 10 4 Pa (35kgf /} cm 2) The following in a state pressurized range, pressure device 40 by the cooling device 50 It is charged in and cooled to the range of -70 ° C or higher and -5 ° C or lower. In addition, when cooling the power module substrate 30 with a heat sink in a pressurized state, when the pressure device 40 shown in FIG. 4 is inserted into the cooling device 50, the power module substrate 30 with a heat sink usually has an atmosphere in about 5 minutes. In order to reach the temperature, the holding time is preferably 5 minutes or more.
More preferably, the holding time is 10 minutes or more in the temperature range of −20 ° C. or more and −10 ° C. or less.

そして、冷却したヒートシンク付パワーモジュール用基板３０及び加圧装置４０を常温にまで戻して、加圧装置４０から取り外すことにより、反りが低減されたヒートシンク付パワーモジュール用基板３０が製造されることになる。 Then, the cooled power module substrate 30 with heat sink and the pressure device 40 are returned to room temperature and removed from the pressure device 40, whereby the power module substrate 30 with heat sink with reduced warpage is manufactured. Become.

以上のような構成とされた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の製造方法によれば、金属層１３となるアルミニウム板２３とヒートシンク３１とを接合するヒートシンク接合工程Ｓ０３において、銅板２２が接合されたセラミックス基板１１、アルミニウム板２３、ヒートシンク３１を積層して積層体Ｓとし、この積層体Ｓを積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する加圧加熱工程Ｓ１３と、加圧加熱工程Ｓ１３により接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を、加圧装置４０によって加圧した状態で、常温よりも低い温度まで冷却を行う加圧冷却工程Ｓ１４と、を備えているので、加圧加熱工程Ｓ１３後の冷却過程においてヒートシンク付パワーモジュール用基板３０が反るように変形できずに拘束され、さらに常温よりも低い温度にまで冷却されることでヒートシンク３１には、反りとは逆方向に塑性変形が生じることになる。このようにヒートシンク３１を塑性変形された後に、常温に戻すと、塑性変形した分だけヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の反りが相殺され、反りの低減されたヒートシンク付パワーモジュール用基板３０が製造されることになる。 According to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present embodiment configured as described above, in the heat sink joining step S03 in which the aluminum plate 23 to be the metal layer 13 and the heat sink 31 are joined, the copper plate 22 is The bonded ceramic substrate 11, the aluminum plate 23, and the heat sink 31 are stacked to form a stacked body S, and the stacked body S is charged in the stacking direction and charged in a vacuum heating furnace and heated. S13, and a pressure cooling step S14 for cooling the power module substrate 30 with a heat sink bonded in the pressure heating step S13 to a temperature lower than normal temperature in a state where the substrate 30 is pressurized by the pressure device 40. Therefore, the power module substrate with heat sink 30 is warped in the cooling process after the pressure heating step S13. It is constrained to not be, the heat sink 31 by being cooled further to a temperature lower than the room temperature would plastic deformation in the reverse direction is generated from the warp. When the heat sink 31 is plastically deformed and then returned to room temperature, the warpage of the power module substrate 30 with heat sink is offset by the amount of plastic deformation, and the power module substrate 30 with heat sink with reduced warpage is manufactured. Will be.

よって、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０に半導体素子３を搭載し、冷熱サイクルが負荷された場合であっても、セラミックス基板１１に作用する曲げ応力を低減でき、セラミックス基板１１に亀裂等が生じることを抑制できる。
また、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を、固定ネジ３７によって冷却器３５に連結する場合に、ヒートシンク３１と冷却器３５との間に隙間が生じず、冷却器３５によって、半導体素子３及びパワーモジュール用基板１０を効率よく冷却することが可能となる。 Therefore, even when the semiconductor element 3 is mounted on the power module substrate 30 with a heat sink and a cooling cycle is applied, the bending stress acting on the ceramic substrate 11 can be reduced, and a crack or the like occurs in the ceramic substrate 11. This can be suppressed.
In addition, when the power module substrate 30 with a heat sink is connected to the cooler 35 with the fixing screw 37, no gap is generated between the heat sink 31 and the cooler 35, and the semiconductor element 3 and the power The module substrate 10 can be efficiently cooled.

また、上述のように、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を積層方向に加圧した状態で冷却しているので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０が強く拘束されることになり、比較的短時間かつ高温の条件で、ヒートシンク３１を塑性変形させることができ、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の反りを確実に低減することができる。よって、高価な冷却装置を必要とせず、低コストで効率よく、反りが低減されたヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を製造することができる。 In addition, as described above, since the power module substrate 30 with a heat sink is cooled in a state of being pressurized in the stacking direction, the power module substrate 30 with a heat sink is strongly restrained, and it can be performed in a relatively short time. The heat sink 31 can be plastically deformed under high temperature conditions, and the warpage of the power module substrate 30 with a heat sink can be reliably reduced. Therefore, an expensive cooling device is not required, and the power module substrate 30 with a heat sink with low warpage can be manufactured efficiently at low cost.

本実施形態では、ヒートシンク接合工程Ｓ０３の加圧冷却工程Ｓ１４においては、積層方向に９．８×１０^４Ｐａ以上３４３×１０^４Ｐａ以下で加圧した状態で冷却する構成としている。
加圧冷却工程Ｓ１４における加圧圧力が９．８×１０^４Ｐａ未満の場合は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を十分に拘束することができず、ヒートシンク３１に塑性変形が生じ難くなり、冷却温度をさらに低温にする必要がある。
一方、加圧冷却工程Ｓ１４における加圧圧力が３４３×１０^４Ｐａを超える場合は、加圧が高すぎるためセラミックス基板１１に割れが発生することがある。
よって、本実施形態では、加圧冷却工程Ｓ１４における加圧圧力を９．８×１０^４Ｐａ以上３４３×１０^４Ｐａ以下に設定している。 In the present embodiment, in the pressure cooling step S14 of the heat sink bonding step S03, the cooling is performed in a state of being pressurized at 9.8 × 10 ⁴ Pa or more and 343 × 10 ⁴ Pa or less in the stacking direction.
When the pressurizing pressure in the pressurizing and cooling step S14 is less than 9.8 × 10 ⁴ Pa, the power module substrate 30 with the heat sink cannot be sufficiently restrained, and the plastic deformation of the heat sink 31 is difficult to occur. The temperature needs to be further lowered.
On the other hand, when the pressurizing pressure in the pressurizing and cooling step S14 exceeds 343 × 10 ⁴ Pa, the ceramic substrate 11 may be cracked because the pressurization is too high.
Therefore, in this embodiment, the pressurization pressure in pressurization cooling process S14 is set to 9.8 * 10 < ⁴ > Pa or more and 343 * 10 < ⁴ > Pa or less.

本実施形態では、ヒートシンク接合工程Ｓ０３の加圧冷却工程Ｓ１４においては、積層方向に加圧した状態で−７０℃以上−５℃以下の範囲内に冷却する構成としている。
加圧冷却工程Ｓ１４における冷却温度が−７０℃未満の場合には、冷却温度が低いので高価な冷却装置が必要となり、冷却を実施するためのコストが増加する。
一方、冷却温度が−５℃以上の場合は、冷却が不十分なためにヒートシンク３１に塑性変形が十分に生じ難くなり、加圧圧力を高く設定する必要がある。
よって、本実施形態では、加圧冷却工程Ｓ１４における冷却温度を−７０℃以上−５℃以下に設定している。 In the present embodiment, in the pressure cooling step S14 of the heat sink joining step S03, cooling is performed in a range of −70 ° C. or more and −5 ° C. or less in a state where the pressure is applied in the stacking direction.
When the cooling temperature in the pressure cooling step S14 is less than −70 ° C., the cooling temperature is low, so that an expensive cooling device is required, and the cost for performing the cooling increases.
On the other hand, when the cooling temperature is −5 ° C. or higher, the cooling is insufficient, so that plastic deformation hardly occurs in the heat sink 31 and it is necessary to set the pressurizing pressure high.
Therefore, in the present embodiment, the cooling temperature in the pressure cooling step S14 is set to be −70 ° C. or higher and −5 ° C. or lower.

さらに、本実施形態では、金属層形成工程Ｓ０２と、ヒートシンク接合工程Ｓ０３と、を同時に実施する構成としているので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の製造コストを大幅に削減することができる。また、繰り返し加熱、冷却を行う必要がなくなるので、セラミックス基板１１に不要な負荷が作用せず、セラミックス基板１１に亀裂等が生じることを抑制することができる。 Furthermore, in this embodiment, since the metal layer forming step S02 and the heat sink joining step S03 are performed at the same time, the manufacturing cost of the power module substrate 30 with a heat sink can be greatly reduced. In addition, since there is no need to repeatedly heat and cool, it is possible to prevent an unnecessary load from acting on the ceramic substrate 11 and to prevent the ceramic substrate 11 from being cracked.

また、本実施形態では、回路層１２が無酸素銅の圧延板からなる銅板２２を接合することによって構成されているので、回路層１２が熱伝導性に優れており、半導体素子３からの熱を回路層１２の面方向に拡げ、効率的に熱を放散することができる。また、金属層１３が純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムの圧延板を接合することで構成されているので、金属層１３の変形抵抗が比較的小さくなり、ヒートシンク３１とセラミックス基板１１との熱膨張係数の差に起因する歪みを金属層１３で吸収でき、セラミックス基板１１の割れを抑制することができる。
このように、回路層１２が銅で構成され、金属層１３がアルミニウムで構成されたパワーモジュール用基板１０を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板３０であっても、反りを十分に低減することができる。 In the present embodiment, since the circuit layer 12 is formed by joining the copper plate 22 made of a rolled plate of oxygen-free copper, the circuit layer 12 is excellent in thermal conductivity, and the heat from the semiconductor element 3 Can be spread in the surface direction of the circuit layer 12 to efficiently dissipate heat. Further, since the metal layer 13 is formed by joining 4N aluminum rolled plates having a purity of 99.99% by mass or more, the deformation resistance of the metal layer 13 becomes relatively small, and the heat sink 31 and the ceramic substrate 11 The strain caused by the difference in thermal expansion coefficient can be absorbed by the metal layer 13, and cracking of the ceramic substrate 11 can be suppressed.
Thus, even in the power module substrate 30 with a heat sink including the power module substrate 10 in which the circuit layer 12 is made of copper and the metal layer 13 is made of aluminum, warping can be sufficiently reduced. it can.

さらに、本実施形態では、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３（金属層１３）、及び、アルミニウム板２３（金属層１３）とヒートシンク３１を、第１固着層２６及び第２固着層２７の添加元素（本実施形態ではＣｕ）のアルミニウム中への拡散による過渡液相接合法（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＤｉｆｆｕｓｉｏｎＢｏｎｄｉｎｇ）によって接合しているので、比較的低温条件でこれらを強固に接合することができ、接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を製造することができる。 Further, in the present embodiment, the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 (metal layer 13), and the aluminum plate 23 (metal layer 13) and the heat sink 31 are added elements of the first fixing layer 26 and the second fixing layer 27 ( In this embodiment, since bonding is performed by a transient liquid phase diffusion bonding method by diffusion of Cu) into aluminum, these can be firmly bonded at a relatively low temperature condition, and bonding reliability can be achieved. It is possible to manufacture the power module substrate 30 with a heat sink that is excellent in heat resistance.

次に、本発明の第二の実施形態について、図５から図８を用いて説明する。
図５に、本発明の第二の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュールの製造方法によって製造されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０、及び、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０を用いたパワーモジュール１０１を示す。
このパワーモジュール１０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０の一方側（図５において上側）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 5 shows a power module substrate 130 with a heat sink manufactured by the method for manufacturing a power module with a heat sink according to the second embodiment of the present invention, and a power module 101 using the power module substrate 130 with a heat sink. Show.
The power module 101 includes a power module substrate 130 with a heat sink, and a semiconductor element 3 bonded to one side (the upper side in FIG. 5) of the power module substrate 130 with a heat sink via a solder layer 2. Yes.

ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０は、パワーモジュール用基板１１０と、パワーモジュール用基板１１０の他方側（図５において下側）に接合されたヒートシンク１３１とを備えている。 The power module substrate with heat sink 130 includes a power module substrate 110 and a heat sink 131 bonded to the other side (lower side in FIG. 5) of the power module substrate 110.

パワーモジュール用基板１１０は、図５に示すように、セラミックス基板１１１（絶縁層）と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図５において上面）に形成された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図５において下面）に形成された金属層１１３と、を備えている。 As shown in FIG. 5, the power module substrate 110 includes a ceramic substrate 111 (insulating layer), a circuit layer 112 formed on one surface (the upper surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 111, and the ceramic substrate 111. And a metal layer 113 formed on the other surface (the lower surface in FIG. 5).

セラミックス基板１１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。 The ceramic substrate 111 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). Further, the thickness of the ceramic substrate 111 is set within a range of 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, and in this embodiment, is set to 0.635 mm.

回路層１１２は、セラミックス基板１１１の一方の面（図５において上面）に、導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。この回路層１１２の厚さｔ１は、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。本実施形態においては、回路層１１２は、純度９９．００質量％以上９９．５０質量％未満のアルミニウム(以下、２Ｎアルミニウム)の圧延板からなるアルミニウム板１２２がセラミックス基板１１１の一方の面に接合されることにより形成されており、このアルミニウム板１２２の厚さｔ１が０．６ｍｍとされている。 The circuit layer 112 is formed by bonding a conductive metal plate to one surface (the upper surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 111. The thickness t1 of the circuit layer 112 is set within a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less. In the present embodiment, the circuit layer 112 has an aluminum plate 122 made of a rolled plate of aluminum (hereinafter, 2N aluminum) having a purity of 99.00 mass% or more and less than 99.50 mass% bonded to one surface of the ceramic substrate 111. The thickness t1 of the aluminum plate 122 is 0.6 mm.

金属層１１３は、セラミックス基板１１１の他方の面（図５において下面）に、金属板が接合されることにより形成されている。この金属層１１３の厚さｔ２は、０．６ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。本実施形態においては、金属層１１３は、純度が純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（以下、４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板１２３がセラミックス基板１１１の他方の面に接合されることにより形成されており、このアルミニウム板１２３の厚さｔ２が１．６ｍｍとされている。
ここで、回路層１１２と金属層１１３の厚さの比ｔ１／ｔ２は、０．０１≦ｔ１／ｔ２≦０．９の範囲内とされている。
なお、これら２Ｎアルミニウム及び４Ｎアルミニウムの主な不純物としては、Ｆｅ，Ｓｉ、Ｃｕが挙げられる。 The metal layer 113 is formed by bonding a metal plate to the other surface (the lower surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 111. The thickness t2 of the metal layer 113 is set within a range of 0.6 mm or greater and 6.0 mm or less. In this embodiment, the metal layer 113 is formed by joining an aluminum plate 123 made of a rolled plate of aluminum (hereinafter, 4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more to the other surface of the ceramic substrate 111. The aluminum plate 123 has a thickness t2 of 1.6 mm.
Here, the ratio t1 / t2 of the thickness of the circuit layer 112 and the metal layer 113 is in the range of 0.01 ≦ t1 / t2 ≦ 0.9.
The main impurities of these 2N aluminum and 4N aluminum include Fe, Si, and Cu.

ヒートシンク１３１は、パワーモジュール用基板１１０側の熱を放散する作用を有する部材であって、本実施形態では、冷却媒体が流通する流路１３２を備えた冷却器とされている。具体的には、Ａ６０６３等のアルミニウム合金からなる冷却器とされており、このヒートシンク１３１（冷却器）の天板部の厚さは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。 The heat sink 131 is a member having a function of radiating heat on the power module substrate 110 side. In the present embodiment, the heat sink 131 is a cooler including a flow path 132 through which a cooling medium flows. Specifically, the cooler is made of an aluminum alloy such as A6063, and the thickness of the top plate portion of the heat sink 131 (cooler) is set within a range of 1 mm to 10 mm.

次に、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１３０の製造方法について、図６から図８を用いて説明する。
まず、図７で示すように、セラミックス基板１１１の一方の面にアルミニウム板１２２を接合して回路層１１２を形成するとともに、セラミックス基板１１１の他方の面にアルミニウム板１２３を接合して金属層１１３を形成する（回路層及び金属層形成工程Ｓ１０１）。 Next, a method for manufacturing the power module substrate 130 with a heat sink according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 7, an aluminum plate 122 is bonded to one surface of the ceramic substrate 111 to form the circuit layer 112, and an aluminum plate 123 is bonded to the other surface of the ceramic substrate 111 to form the metal layer 113. (Circuit layer and metal layer forming step S101).

本実施形態では、アルミニウム板１２２、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔１２５、セラミックス基板１１１、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔１２６、アルミニウム板１２３を積層し、これらを、図４に示す加圧装置４０によって積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入する。本実施形態では、１０^−３Ｐａの真空中にて、積層方向に９．８×１０^４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ^２）以上３４３×１０^４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）以下の範囲で加圧し、６５０℃で９０分加熱することによって、アルミニウム板１２２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を接合し、パワーモジュール用基板１１０が製造される。
そして、パワーモジュール用基板１１０は、上述した加圧装置４０によって加圧した状態で、常温よりも低い温度まで冷却を行う。具体的には、９．８×１０^４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ^２）以上３４３×１０^４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）以下の範囲で加圧したままの状態で、加圧装置４０ごと冷却装置５０内に装入し、−７０℃以上−５℃以下の範囲まで冷却する。 In this embodiment, an aluminum plate 122, an Al—Si based brazing material foil 125, a ceramic substrate 111, an Al—Si based brazing material foil 126, and an aluminum plate 123 are laminated, and these are applied to the pressurizing apparatus shown in FIG. A vacuum heating furnace is charged in a state of being pressurized in the laminating direction by 40. In the present ^{embodiment, 10} -3 C. in Pa vacuum, stacking direction ^{9.8 × 10 4 Pa (1kgf /} cm 2) or more ^{343 × 10 4 Pa (35kgf /} cm 2) pressed in the following ranges, By heating at 650 ° C. for 90 minutes, the aluminum plate 122 and the ceramic substrate 111, and the ceramic substrate 111 and the aluminum plate 123 are joined together, whereby the power module substrate 110 is manufactured.
Then, the power module substrate 110 is cooled to a temperature lower than room temperature in a state where the power module substrate 110 is pressurized by the above-described pressure device 40. ^{Specifically, 9.8 × 10 4 Pa (1kgf} / cm 2) or more ^{343 × 10 4 Pa (35kgf /} cm 2) The following in a state pressurized range, pressure device 40 by the cooling device 50 It is charged in and cooled to the range of -70 ° C or higher and -5 ° C or lower.

加圧装置４０ごと冷却されたパワーモジュール用基板１１０を常温に戻し、加圧装置４０から取り外すことにより、反りが低減されたパワーモジュール用基板１１０が製造される。 The power module substrate 110 cooled together with the pressure device 40 is returned to room temperature and removed from the pressure device 40, whereby the power module substrate 110 with reduced warpage is manufactured.

次に、このパワーモジュール用基板１１０の他方の面側にヒートシンク１３１を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１０３）。
まず、パワーモジュール用基板１１０、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔１２７、ヒートシンク１３１を積層し、積層体Ｓとする（積層工程Ｓ１１２）。なお、このろう材箔１２７は、上述のろう材箔１２５、１２６よりもＳｉの含有量が高く、融点が低いものとされている。 Next, the heat sink 131 is bonded to the other surface side of the power module substrate 110 (heat sink bonding step S103).
First, the power module substrate 110, the Al—Si brazing material foil 127, and the heat sink 131 are laminated to form a laminated body S (lamination step S112). The brazing material foil 127 has a higher Si content and a lower melting point than the brazing material foils 125 and 126 described above.

次に、この積層体Ｓを上述した加圧装置４０によって積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入して加熱する（加圧加熱工程Ｓ１１３）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力を１０^−３〜１０^−６Ｐａの範囲内に設定し、積層方向に９．８×１０^４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ^２）以上３４３×１０^４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）以下の範囲で加圧し、６１０℃で９０分加熱することにより、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１３１とを接合する。これにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０が製造される。
そして、加圧加熱工程Ｓ１１３により接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０は、加圧装置４０によって加圧した状態で、常温よりも低い温度まで冷却を行う（加圧冷却工程Ｓ１１４）。
具体的には、９．８×１０^４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ^２）以上３４３×１０^４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）以下の範囲で加圧したままの状態で、加圧装置４０ごと冷却装置５０内に装入し、−７０℃以上−５℃以下の範囲まで冷却する。 Next, the laminated body S is charged in a vacuum heating furnace in a state where the laminated body S is pressurized in the laminating direction by the pressurizing apparatus 40 described above, and heated (pressure heating step S113). Here, in the present embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set within a range of 10 ⁻³ to 10 ⁻⁶ Pa, and 9.8 × 10 ⁴ Pa (1 kgf / cm ² ) or more and 343 × 10 ⁶ in the stacking direction. ^The power module substrate 110 and the heat sink 131 are joined by pressurizing within a range of ⁴ Pa (35 kgf / cm ² ) or less and heating at 610 ° C. for 90 minutes. Thereby, the power module substrate 130 with a heat sink is manufactured.
And the board | substrate 130 for power modules with a heat sink joined by pressurization heating process S113 cools to the temperature lower than normal temperature in the state pressurized by the pressurizer 40 (pressurization cooling process S114).
^{Specifically, 9.8 × 10 4 Pa (1kgf} / cm 2) or more ^{343 × 10 4 Pa (35kgf /} cm 2) The following in a state pressurized range, pressure device 40 by the cooling device 50 It is charged in and cooled to the range of -70 ° C or higher and -5 ° C or lower.

そして、冷却したヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０及び加圧装置４０を常温にまで戻して、加圧装置４０から取り外すことにより、反りが低減されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０が製造されることになる。 Then, the cooled power module substrate 130 with heat sink and the pressure device 40 are returned to room temperature and removed from the pressure device 40, whereby the power module substrate 130 with heat sink with reduced warpage is manufactured. Become.

以上のような構成とされた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の製造方法によれば、第一の実施形態と同様に、加圧加熱工程Ｓ１１３により接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０を、加圧装置４０によって加圧した状態で、常温よりも低い温度まで冷却を行う加圧冷却工程Ｓ１１４を備えているので、高価な冷却装置を必要とせず、低コストで効率よく、反りの低減されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０を製造することができる。 According to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present embodiment configured as described above, a power module substrate with a heat sink bonded by the pressurizing and heating step S113 as in the first embodiment. Since the pressure cooling step S114 is performed to cool 130 to a temperature lower than room temperature in a state where the pressure is pressurized by the pressure device 40, an expensive cooling device is not required, and the warp is efficiently performed at low cost. It is possible to manufacture a power module substrate 130 with a heat sink with a reduced heat resistance.

また、本実施形態では、回路層１１２が２Ｎアルミニウムの圧延板からなるアルミニウム板１２２を接合することによって構成されているので、冷熱サイクルによって回路層１１２が容易に変形せず、半導体素子３と回路層１１２との間に介在するはんだ層２にクラックが発生することを抑制できる。また、金属層１１３が４Ｎアルミニウムの圧延板からなるアルミニウム板１２３を接合することで構成されているので、金属層１１３の変形抵抗が比較的小さくなり、ヒートシンク１３１とセラミックス基板１１１との熱膨張係数の差に起因する歪みを金属層１１３で吸収でき、セラミックス基板１１１の割れを抑制することができる。
このように、回路層１１２が２Ｎアルミニウムで構成され、金属層１１３が４Ｎアルミニウムで構成されたパワーモジュール用基板１１０を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０であっても、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０の反りを十分に低減することができる。 In the present embodiment, since the circuit layer 112 is formed by joining the aluminum plate 122 made of a 2N aluminum rolled plate, the circuit layer 112 is not easily deformed by the thermal cycle, and the semiconductor element 3 and the circuit are formed. It is possible to suppress the occurrence of cracks in the solder layer 2 interposed between the layer 112. Further, since the metal layer 113 is formed by joining the aluminum plate 123 made of a 4N aluminum rolled plate, the deformation resistance of the metal layer 113 becomes relatively small, and the thermal expansion coefficient between the heat sink 131 and the ceramic substrate 111. The distortion caused by the difference between the two can be absorbed by the metal layer 113 and the ceramic substrate 111 can be prevented from cracking.
As described above, even if the power module substrate 130 with the heat sink includes the power module substrate 110 in which the circuit layer 112 is made of 2N aluminum and the metal layer 113 is made of 4N aluminum, the power module substrate with the heat sink is used. The warpage of 130 can be sufficiently reduced.

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、本実施形態においては、絶縁層としてＡｌＮからなるセラミックス基板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ_３Ｎ_４やＡｌ_２Ｏ_３等からなるセラミックス基板を用いてもよいし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。
また、図４に示す加圧装置を用いて加圧するものとして説明下が、これに限定されることはなく、他の構成の加圧装置を用いてもよい。 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, in the present embodiment, the ceramic substrate made of AlN is used as the insulating layer. However, the present invention is not limited to this, and a ceramic substrate made of Si ₃ N ₄ or Al ₂ O ₃ is used. Alternatively, the insulating layer may be made of an insulating resin.
In addition, the description below assumes that pressurization is performed using the pressurization apparatus shown in FIG. 4, but the present invention is not limited to this, and pressurization apparatuses having other configurations may be used.

第一の実施形態においては、回路層が無酸素銅の圧延板で構成され、金属層が４Ｎアルミニウムの圧延板で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば回路層が他の銅又は銅合金で構成され、金属層が他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよい。
また、第二の実施形態においては、回路層が２Ｎアルミニウムの圧延板で構成され、金属層が４Ｎアルミニウムの圧延板で構成されているものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば回路層が他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、金属層が他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよく、回路層と金属層とが異なる金属で構成されていればよい。 In the first embodiment, the circuit layer is formed of an oxygen-free copper rolled plate and the metal layer is formed of a 4N aluminum rolled plate. However, the present invention is not limited to this. The layer may be composed of other copper or copper alloy, and the metal layer may be composed of other aluminum or aluminum alloy.
Further, in the second embodiment, the circuit layer is described as being composed of a 2N aluminum rolled plate and the metal layer is composed of a 4N aluminum rolled plate, but the present invention is not limited thereto. For example, the circuit layer may be made of other aluminum or aluminum alloy, the metal layer may be made of other aluminum or aluminum alloy, and the circuit layer and the metal layer may be made of different metals.

また、第一の実施形態においては、銅板とセラミックス基板とをＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の活性ろう材を用い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、Ａｇ−Ｔｉ系の接合材を用いて、Ａｇ，Ｔｉを銅板側に拡散させることによって、銅板とセラミックス基板とを接合してもよい。また、銅板とセラミックス基板とを銅と酸素の共晶反応を利用したＤＢＣ法で接合してもよい。 Moreover, in 1st embodiment, although demonstrated as what joins a copper plate and a ceramic substrate using an Ag-Cu-Ti type | system | group active brazing material, it is not limited to this, Ag-Ti type | system | group The copper plate and the ceramic substrate may be bonded by diffusing Ag and Ti to the copper plate side using the bonding material. Further, the copper plate and the ceramic substrate may be joined by a DBC method using a eutectic reaction between copper and oxygen.

また、本実施形態では、加圧加熱工程の後、加圧装置で加圧したまま加圧冷却工程を実施する構成として説明したが、これに限定されることはなく、加圧加熱工程の後、加圧装置から取り外し、その後、加圧装置によってヒートシンク付パワーモジュール用基板を加圧して加圧冷却を実施してもよい。また、加圧加熱工程と加圧冷却工程とで、異なる加圧装置を用いてもよい。 In the present embodiment, the configuration in which the pressurization and cooling step is performed after the pressurization and heating step is performed while being pressurized by the pressurization apparatus is not limited to this, but the configuration after the pressurization and heating step is performed. Then, the pressure module may be removed from the pressurizing device, and then the power module substrate with a heat sink may be pressurized by the pressurizing device to perform pressure cooling. Moreover, you may use a different pressurization apparatus by a pressurization heating process and a pressurization cooling process.

以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
（実施例１）
実施例１では、第一の実施形態に例示したように、回路層を無酸素銅の圧延板で構成し、金属層を４Ｎアルミニウムの圧延板で構成したパワーモジュール用基板と、ヒートシンクとしてＡ６０６３合金からなる放熱板と、を接合した、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いて評価した。
まず、ＡｌＮで構成された厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板の一方の面に活性ろう材であるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを塗布し、セラミックス基板の一方の面側に、２８ｍｍ×２８ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの無酸素銅の圧延板を積層した。そして、５３．９×１０^４Ｐａ（５．５ｋｇｆ／ｃｍ^２）で加圧し、８５０℃で加熱後、常温まで冷却し、セラミックス基板の一方の面に無酸素銅で構成された回路層を接合した。 Below, the result of the confirmation experiment performed in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.
Example 1
In Example 1, as exemplified in the first embodiment, a power module substrate in which a circuit layer is formed of a rolled plate of oxygen-free copper and a metal layer is formed of a rolled plate of 4N aluminum, and an A6063 alloy as a heat sink. It evaluated using the board | substrate for power modules with a heat sink which joined the heat sink which consists of.
First, Ag—Cu—Ti, which is an active brazing material, is applied to one surface of a ceramic substrate made of AlN and having a thickness of 0.635 mm, and 28 mm × 28 mm, thickness 0 is applied to one surface of the ceramic substrate. A rolled plate of 6 mm oxygen-free copper was laminated. Then, pressurization is performed at 53.9 × 10 ⁴ Pa (5.5 kgf / cm ² ), heating at 850 ° C., cooling to room temperature, and bonding a circuit layer made of oxygen-free copper to one surface of the ceramic substrate. did.

次に、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、回路層が形成されたセラミックス基板、金属層となるアルミニウム板、ヒートシンクを積層した。そして、図４に示す加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、１０^−３Ｐａの真空中にて、積層方向に５３．９×１０^４Ｐａ（５．５ｋｇｆ／ｃｍ^２）で加圧し、６１０℃で６０分加熱した。これにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造した。そして、このヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、後述する平面度改善処理を実施した。 Next, Cu was fixed by sputtering on both surfaces of the aluminum plate to be a metal layer, and a ceramic substrate on which a circuit layer was formed, an aluminum plate to be a metal layer, and a heat sink were laminated. And in the state pressurized with the pressurization apparatus shown in FIG. 4 in the lamination direction, it inserted in a vacuum heating furnace, and 53.9 * 10 < ⁴ > Pa in the lamination direction in the vacuum of 10 < ^-3 > Pa. The pressure was increased (5.5 kgf / cm ² ), and the mixture was heated at 610 ° C. for 60 minutes. Thus, a power module substrate with a heat sink was manufactured. And the flatness improvement process mentioned later was implemented with respect to this power module substrate with a heat sink.

本発明例１〜５においては、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を加圧装置によって積層方向に５３．９×１０^４Ｐａで加圧し、−４０℃まで冷却し、−４０℃で２０分間保持した後に、常温まで戻し、加圧を除去した。
比較例１〜５においては、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を加圧装置によって積層方向に５３．９×１０^４Ｐａで加圧し、常温で２０分間保持した後に、加圧を除去した。
比較例６〜１０においては、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を加圧装置から取り出して加圧を除去した状態で、−４０℃まで冷却し、−４０℃で２０分間保持した後に、常温まで戻した。 In Invention Examples 1 to 5, after the power module substrate with a heat sink was pressurized at 53.9 × 10 ⁴ Pa in the stacking direction with a pressurizing device, cooled to −40 ° C., and held at −40 ° C. for 20 minutes. The temperature was returned to room temperature and the pressure was removed.
In Comparative Examples 1 to 5, the power module substrate with a heat sink was pressed at 53.9 × 10 ⁴ Pa in the stacking direction with a pressurizing device and held at room temperature for 20 minutes, and then the pressurization was removed.
In Comparative Examples 6 to 10, the power module substrate with a heat sink was taken out from the pressurizing apparatus and the pressurization was removed, and then cooled to −40 ° C., held at −40 ° C. for 20 minutes, and then returned to room temperature. .

上述のようにして作製したヒートシンク付パワーモジュール用基板について、ヒートシンクを接合後の回路層の平面度と、平面度改善処理を実施した後の平面度を評価した。
なお、平面度は、パワーモジュール用基板を定盤上に載置し、レーザー変位計を用いて一方側（上方側）から測定した。また、平面度変化率は、接合後の平面度をＸとし、平面度改善処理を実施した後の平面度をＹとした場合に、Ｚ＝（Ｘ−Ｙ）／Ｘ×１００（％）により算出される値である。 About the power module substrate with a heat sink produced as described above, the flatness of the circuit layer after the heat sink was joined and the flatness after the flatness improvement processing were performed were evaluated.
The flatness was measured from one side (upper side) using a laser displacement meter after placing the power module substrate on a surface plate. The flatness change rate is expressed by Z = (X−Y) / X × 100 (%), where X is the flatness after bonding, and Y is the flatness after the flatness improvement processing. This is a calculated value.

また、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いて、冷熱サイクル試験を実施した。なお、絶縁基板の割れは、サイクル数５００回毎に評価装置から取り出して、絶縁基板の割れが確認された時点でのサイクル数で評価した。測定条件を以下に示す。
評価装置：エスペック株式会社製ＴＳＢ−５１
液相：フロリナート
温度条件：−４０℃×５分 ←→ １２５℃×５分
平面度及び冷熱サイクル試験の評価結果を、表１に示す。 Moreover, the thermal cycle test was implemented using the board | substrate for power modules with a heat sink mentioned above. In addition, the crack of the insulated substrate was taken out from the evaluation apparatus every 500 cycles, and evaluated by the cycle number when the crack of the insulated substrate was confirmed. The measurement conditions are shown below.
Evaluation device: TSB-51 manufactured by ESPEC Corporation
Liquid phase: Fluorinert Temperature conditions: −40 ° C. × 5 minutes ← → 125 ° C. × 5 minutes Table 1 shows the evaluation results of the flatness and the thermal cycle test.

比較例１〜５においては、平面度の改善効果が小さかった。ヒートシンク付パワーモジュール用基板を単に加圧しただけでは、平面度を改善できないことが確認された。
また、比較例６〜１０においては、比較例１〜５よりは平面度が改善されているが、まだ不十分であった。ヒートシンク付パワーモジュール用基板を単に冷却しただけでは、平面度を十分に改善できないことが確認された。
これに対して、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を加圧しながら冷却した本発明例１〜５においては、平面度が大幅に改善されることが確認された。 In Comparative Examples 1 to 5, the effect of improving the flatness was small. It was confirmed that the flatness cannot be improved by simply pressurizing the power module substrate with a heat sink.
Moreover, in Comparative Examples 6-10, although flatness was improved rather than Comparative Examples 1-5, it was still inadequate. It was confirmed that flatness cannot be improved sufficiently by simply cooling the power module substrate with a heat sink.
On the other hand, it was confirmed that the flatness was greatly improved in Invention Examples 1 to 5 where the power module substrate with heat sink was cooled while being pressurized.

また、平面度が十分に改善されていない比較例１〜１０では、少ないサイクル回数でセラミックスの割れが確認された。
これに対して、平面度が十分に改善された本発明例１〜５においては、サイクル数が３５００回の段階でもセラミックス基板の割れは確認されなかった。
以上のように、本発明によれば、回路層を銅で構成し、金属層をアルミニウムで構成したパワーモジュール用基板とヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であっても、反りを十分に低減することができることが確認された。 Further, in Comparative Examples 1 to 10 in which the flatness was not sufficiently improved, cracking of the ceramic was confirmed with a small number of cycles.
On the other hand, in Examples 1 to 5 of the present invention in which the flatness was sufficiently improved, cracking of the ceramic substrate was not confirmed even when the number of cycles was 3500.
As described above, according to the present invention, even if a power module substrate having a heat module including a power module substrate and a heat sink, in which the circuit layer is made of copper and the metal layer is made of aluminum, warping is sufficient. It was confirmed that it can be reduced.

（実施例２）
実施例２では、回路層を２Ｎアルミニウムの圧延板で構成し、金属層を４Ｎアルミニウムの圧延板で構成したパワーモジュール用基板と、ヒートシンクとしてＡ６０６３合金からなる放熱板と、を接合した、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いた。
まず、ＡｌＮで構成された厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板の一方の面に、Ａｌ−７．５質量％Ｓｉのろう材箔を介して２Ｎアルミニウムの圧延板を積層し、セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ−７．５質量％Ｓｉのろう材箔を介して４Ｎアルミニウムの圧延板を積層し、図４に示す加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、１０^−３Ｐａの真空中にて、積層方向に５３．９×１０^４Ｐａ（５．５ｋｇｆ／ｃｍ^２）で加圧し、６５０℃で６０分加熱し、パワーモジュール用基板を製造した。 (Example 2)
In Example 2, a power module substrate in which a circuit layer is formed of a 2N aluminum rolled plate and a metal layer is formed of a 4N aluminum rolled plate and a heat sink made of an A6063 alloy as a heat sink are joined. A power module substrate was used.
First, a 2N aluminum rolled plate was laminated on one surface of a ceramic substrate made of AlN and having a thickness of 0.635 mm through a brazing foil of Al-7.5 mass% Si, and the other side of the ceramic substrate was laminated. In a vacuum heating furnace, a 4N aluminum rolled plate is laminated on the surface through a brazing foil of Al-7.5 mass% Si and pressed in the laminating direction using the pressurizing apparatus shown in FIG. In a vacuum of 10 ⁻³ Pa, pressurization is performed at 53.9 × 10 ⁴ Pa (5.5 kgf / cm ² ) in the stacking direction, and heating is performed at 650 ° C. for 60 minutes. Manufactured.

次に、このパワーモジュール用基板の他方の面側に、Ａｌ−１０質量％Ｓｉのろう材箔を介してヒートシンクを積層した。そして、図４に示す加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、１０^−３Ｐａの真空中にて、積層方向に５３．９×１０^４Ｐａ（５．５ｋｇｆ／ｃｍ^２）で加圧し、６１０℃で６０分加熱した。これにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造した。そして、このヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、後述する平面度改善処理を実施した。 Next, a heat sink was laminated on the other surface side of the power module substrate via a brazing foil of Al-10 mass% Si. And in the state pressurized with the pressurization apparatus shown in FIG. 4 in the lamination direction, it inserted in a vacuum heating furnace, and 53.9 * 10 < ⁴ > Pa in the lamination direction in the vacuum of 10 < ^-3 > Pa. The pressure was increased (5.5 kgf / cm ² ), and the mixture was heated at 610 ° C. for 60 minutes. Thus, a power module substrate with a heat sink was manufactured. And the flatness improvement process mentioned later was implemented with respect to this power module substrate with a heat sink.

本発明例１１〜１５においては、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を加圧装置によって積層方向に５３．９×１０^４Ｐａで加圧し、−４０℃まで冷却し、−４０℃で２０分間保持した後に、常温まで戻し、加圧を除去した。
比較例１１〜１５においては、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を加圧装置によって積層方向に５３．９×１０^４Ｐａで加圧し、常温で２０分間保持した後に、加圧を除去した。
比較例１６〜２０においては、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を加圧装置から取り出して加圧を除去した状態で、−４０℃まで冷却し、−４０℃で２０分間保持した後に、常温まで戻した。 In Invention Examples 11 to 15, after the power module substrate with a heat sink was pressurized at 53.9 × 10 ⁴ Pa in the stacking direction with a pressurizing device, cooled to −40 ° C., and held at −40 ° C. for 20 minutes. The temperature was returned to room temperature and the pressure was removed.
In Comparative Examples 11 to 15, the power module substrate with a heat sink was pressed at 53.9 × 10 ⁴ Pa in the stacking direction by a pressurizing device and held at room temperature for 20 minutes, and then the pressurization was removed.
In Comparative Examples 16 to 20, the power module substrate with a heat sink was taken out from the pressurizing apparatus and the pressurization was removed, and then cooled to −40 ° C., held at −40 ° C. for 20 minutes, and then returned to room temperature. .

上述のようにして作製したヒートシンク付パワーモジュール用基板について、実施例１と同様に、平面度及びセラミックス基板の割れを評価した。評価結果を表２に示す。 About the board | substrate for power modules with a heat sink produced as mentioned above, similarly to Example 1, the flatness and the crack of the ceramic substrate were evaluated. The evaluation results are shown in Table 2.

比較例１１〜２０においては、平面度の改善効果が小さかった。また、平面度が十分に改善されていないことから、少ないサイクル回数でセラミックスの割れが確認された。
これに対して、発明例１１〜１５においては、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を加圧した状態で冷却しているので、平面度が大幅に改善されており、サイクル数が４０００回の段階でもセラミックス基板の割れは確認されなかった。
以上のように、本発明によれば、回路層を２Ｎアルミニウムで構成し、金属層を４Ｎアルミニウムで構成したパワーモジュール用基板と、ヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であっても、反りを十分に低減することができることが確認された。 In Comparative Examples 11 to 20, the effect of improving the flatness was small. Further, since the flatness was not sufficiently improved, cracking of the ceramic was confirmed with a small number of cycles.
On the other hand, in the invention examples 11-15, since the power module substrate with a heat sink is cooled in a pressurized state, the flatness is greatly improved, and the ceramics can be obtained even when the number of cycles is 4000. No cracking of the substrate was confirmed.
As described above, according to the present invention, a power module substrate with a heat sink including a power module substrate having a circuit layer made of 2N aluminum and a metal layer made of 4N aluminum, and a heat sink. It has been confirmed that the warpage can be sufficiently reduced.

１０、１１０パワーモジュール用基板
１１、１１１セラミックス基板（絶縁層）
１２、１１２回路層
１３、１１３金属層
３０、１３０ヒートシンク付パワーモジュール用基板
３１、１３１ヒートシンク 10, 110 Power module substrate 11, 111 Ceramic substrate (insulating layer)
12, 112 Circuit layer 13, 113 Metal layer 30, 130 Power module substrate with heat sink 31, 131 Heat sink

Claims

A power module substrate having a circuit layer formed on one surface of the insulating layer and a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, and a heat sink bonded to the metal layer side of the power module substrate A method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, comprising:
A circuit layer forming step of forming the circuit layer on one surface of the insulating layer;
A metal layer forming step of forming a metal layer made of a metal different from the circuit layer on the other surface of the insulating layer;
A heat sink joining step for joining the heat sink to the metal layer side;
With
In the heat sink bonding step, the circuit layer, the insulating layer, the metal layer, and the heat sink are stacked, heated and bonded in a state of being pressurized in the stacking direction, and then at room temperature in a state of being pressed in the stacking direction. A method for producing a substrate for a power module with a heat sink, wherein the pressure is removed by cooling to a low temperature and then returning to room temperature after cooling .

2. The power module substrate with a heat sink according to claim 1, wherein in the heat sink bonding step, cooling is performed in a state of being pressurized at 9.8 × 10 ⁴ Pa or more and 343 × 10 ⁴ Pa or less in the stacking direction. Production method.

3. The heat sink according to claim 1, wherein, in the heat sink joining step, cooling is performed within a range of −70 ° C. or more and −5 ° C. or less in a state of being pressurized in the stacking direction. Method for manufacturing a power module substrate.

The said metal layer formation process and the said heat sink joining process are implemented simultaneously, The manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink as described in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned.

5. The power module with a heat sink according to claim 1, wherein the circuit layer is made of copper or a copper alloy, and the metal layer is made of aluminum or an aluminum alloy. A method for manufacturing a substrate.

The metal layer is made of aluminum having a purity of 99.99% by mass or more, and the circuit layer is made of aluminum or an aluminum alloy whose purity is lower than that of the metal layer. The manufacturing method of the board | substrate for heat sink power modules as described in any one of Claim 1-4.