JP5991103B2 - Power module substrate with heat sink, power module with heat sink, and method for manufacturing power module substrate with heat sink - Google Patents

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

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Description

この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が配設されるとともに前記絶縁層の他方の面に金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、パワーモジュール用基板の他方の面側にヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール、及び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。   The present invention provides a power module substrate in which a circuit layer is disposed on one surface of an insulating layer and a metal layer is disposed on the other surface of the insulating layer, and on the other surface side of the power module substrate. The present invention relates to a power module substrate with a heat sink including a heat sink, a power module with a heat sink including the power module substrate with a heat sink, and a method for manufacturing the 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は、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）上に導電性の優れた金属板を回路層として接合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。
そして、このような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 or the like has a large amount of heat generation. Therefore, as a substrate on which the element is mounted, for example, AlN (nitriding) 2. Description of the Related Art Conventionally, a power module substrate in which a metal plate having excellent conductivity is joined as a circuit layer on a ceramic substrate (insulating layer) made of aluminum or the like has been widely used.
Such a power module substrate has a semiconductor element mounted as a power element on the circuit layer via a solder material to form a power module.

例えば特許文献１に示すように、回路層及び金属層を構成する金属としては、Ｃｕが用いられ、ヒートシンクを構成する金属としても、Ｃｕが用いられている。そして、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとが、はんだを介して接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が開示されている。   For example, as shown in Patent Document 1, Cu is used as the metal constituting the circuit layer and the metal layer, and Cu is also used as the metal constituting the heat sink. And the power module board | substrate with a heat sink by which the metal layer and heat sink of the board | substrate for power modules were joined via the solder is disclosed.

特許文献２には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＣｕで構成された回路層及び金属層が接合され、セラミックス基板の金属層側には、さらに融点降下層が形成されたＡｌ箔を介してＣｕで構成された板材が接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が開示されている。   Patent Document 2 discloses an Al foil in which a circuit layer and a metal layer made of Cu are bonded to one surface and the other surface of a ceramic substrate, and a melting point lowering layer is further formed on the metal layer side of the ceramic substrate. There is disclosed a power module substrate with a heat sink in which a plate material made of Cu is joined via a heat sink.

特開２００３−３０９２３４号公報JP 2003-309234 A 特開平１０−２７０５９６号公報JP-A-10-270596

ところで、特許文献１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、金属層とヒートシンクとがはんだを介して接合されており、ヒートサイクル負荷時の熱応力を吸収する効果はあるものの、初期の熱抵抗が大きくなる問題がある。さらに、ヒートサイクル負荷時において、はんだにクラックが生じて熱抵抗が上昇する問題もある。また、金属層とヒートシンクとをろう付けによって接合することも考えられるが、ヒートサイクル負荷時の熱応力を吸収する効果が低くなるため、絶縁層が割れてしまうおそれがある。   By the way, in the power module substrate with a heat sink shown in Patent Document 1, the metal layer and the heat sink are joined via solder, and although there is an effect of absorbing the thermal stress during the heat cycle load, the initial thermal resistance There is a problem that becomes large. Furthermore, there is a problem that the thermal resistance is increased due to cracks in the solder during a heat cycle load. In addition, it is conceivable to join the metal layer and the heat sink by brazing, but the effect of absorbing the thermal stress during the heat cycle load is reduced, so that the insulating layer may be broken.

また、特許文献２に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、金属層とヒートシンクとが、融点降下層が形成されたＡｌ箔を介して接合されており、接合時に金属層とヒートシンクとの接合界面に液相が形成される。このような液相が形成されると、接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりして、初期の熱抵抗が上昇するとともに、ヒートサイクル負荷によって熱抵抗の上昇率が大きくなる問題が生じる。   Further, in the power module substrate with a heat sink shown in Patent Document 2, the metal layer and the heat sink are bonded via an Al foil on which a melting point lowering layer is formed, and the bonding interface between the metal layer and the heat sink is bonded at the time of bonding. A liquid phase is formed. When such a liquid phase is formed, bumps occur at the bonding interface or the thickness fluctuates, increasing the initial thermal resistance and increasing the rate of increase in thermal resistance due to heat cycle load. Arise.

特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子からの発熱量が大きくなっている。そのため、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合部における熱抵抗が低く放熱性が良好で、ヒートサイクル負荷時においても接合の信頼性が高いヒートシンク付パワーモジュール用基板が求められている。   In particular, recently, power modules have been reduced in size and thickness, and the usage environment has become severe, and the amount of heat generated from semiconductor elements has increased. Therefore, there is a need for a power module substrate with a heat sink that has a low thermal resistance at the joint between the power module substrate and the heat sink, good heat dissipation, and high joining reliability even under heat cycle load.

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、初期の熱抵抗が低く、かつヒートサイクル負荷において絶縁層に割れが発生することを抑制するとともに熱抵抗の上昇を抑制可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール、及びヒートシンク付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 has a low initial thermal resistance, and can suppress the occurrence of cracks in the insulating layer under a heat cycle load and can suppress an increase in thermal resistance. It is an object of the present invention to provide a power module substrate with a heat sink, a power module with a heat sink provided with the power module substrate with a heat sink, and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink.

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は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、前記絶縁層の他方の面側に配設されたヒートシンクと、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に配設された接合材と、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、前記金属層及び前記ヒートシンクは、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成され、前記金属層及び前記ヒートシンクが、Ａｌ又はＡｌ合金で構成された前記接合材と固相拡散接合されており、前記金属層と前記接合材の接合界面には、ＡｌとＣｕからなる第一拡散層が形成され、前記ヒートシンクと前記接合材の接合界面には、ＡｌとＣｕからなる第二拡散層が形成されており、前記第一拡散層及び前記第二拡散層は、複数の金属間化合物が前記接合界面に沿って積層した構造とされ、酸化物が、前記金属層と前記第一拡散層、及び前記ヒートシンクと前記第二拡散層との接合界面に沿って、層状に分散していることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, a power module substrate with a heat sink according to the present invention is formed on an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, and the other surface of the insulating layer. A power module substrate with a heat sink, comprising: a metal layer; a heat sink disposed on the other surface side of the insulating layer; and a bonding material disposed between the metal layer and the heat sink. the metal layer and the heat sink is composed of Cu or Cu alloy, said metal layer and said heat sink are the bonding material and the solid phase diffusion bonding, which is made of Al or an Al alloy, the said metal layer A first diffusion layer made of Al and Cu is formed at the bonding interface of the bonding material, and a second diffusion layer made of Al and Cu is formed at the bonding interface between the heat sink and the bonding material. one The scattering layer and the second diffusion layer have a structure in which a plurality of intermetallic compounds are stacked along the bonding interface, and the oxide includes the metal layer, the first diffusion layer, the heat sink, and the second diffusion. It is characterized by being dispersed in layers along the bonding interface with the layers .

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成された金属層とヒートシンクとが、Ａｌ又はＡｌ合金で構成された接合材と固相拡散接合されているので、金属層とヒートシンクとがこの接合材によって強固に接合されている。したがって、ヒートサイクルが負荷された場合に、金属層と接合材との接合界面、及びヒートシンクと接合材との接合界面に剥離が生じることを抑制して熱抵抗の上昇を抑制できる。また、接合材は、強度が低いＡｌ又はＡｌ合金で構成されているので、ヒートサイクル負荷時においてパワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に生じる熱応力を接合材で吸収することができ、絶縁層（セラミックス基板）に生じる割れの発生を抑制可能となる。
さらには、金属層とヒートシンクの間に、はんだと比べて熱伝導の良好なＡｌ又はＡｌ合金で構成された接合材が存在しているので、初期の熱抵抗を低減することが可能となる。 According to the power module substrate with a heat sink of the present invention, the metal layer composed of Cu or Cu alloy and the heat sink are solid-phase diffusion bonded to the joining material composed of Al or Al alloy. And the heat sink are firmly bonded by this bonding material. Therefore, when a heat cycle is applied, it is possible to suppress an increase in thermal resistance by suppressing separation from occurring at the bonding interface between the metal layer and the bonding material and the bonding interface between the heat sink and the bonding material. In addition, since the bonding material is made of Al or Al alloy having low strength, the bonding material can absorb the thermal stress generated between the power module substrate and the heat sink during a heat cycle load. It is possible to suppress the occurrence of cracks occurring in the (ceramic substrate).
Furthermore, since there is a bonding material made of Al or an Al alloy having better thermal conductivity than the solder between the metal layer and the heat sink, the initial thermal resistance can be reduced.

金属層と接合材との接合界面にはＡｌとＣｕからなる第一拡散層が形成され、ヒートシンクと接合材との接合界面には、ＣｕとＡｌからなる第二拡散層が形成されていることから、金属層中のＣｕ（銅原子）と接合材中のＡｌ（アルミニウム原子）、及びヒートシンク中のＣｕと接合材中のＡｌとが十分に相互拡散しており、金属層と接合材、及びヒートシンクと接合材とが強固に接合されている。
また、酸化物が、前記金属層と前記第一拡散層、及び前記ヒートシンクと前記第二拡散層との接合界面に沿って、層状に分散していることから、接合材の表面に形成された酸化膜が破壊されて固相拡散接合が十分に進行している。 A first diffusion layer made of Al and Cu is formed at the bonding interface between the metal layer and the bonding material, and a second diffusion layer made of Cu and Al is formed at the bonding interface between the heat sink and the bonding material. From the above, Cu (copper atom) in the metal layer and Al (aluminum atom) in the bonding material, Cu in the heat sink and Al in the bonding material are sufficiently interdiffused, and the metal layer and the bonding material, and The heat sink and the bonding material are firmly bonded.
In addition, since the oxide is dispersed in layers along the bonding interface between the metal layer and the first diffusion layer, and the heat sink and the second diffusion layer, the oxide is formed on the surface of the bonding material. The oxide film is destroyed and solid phase diffusion bonding is sufficiently advanced.

ここで、前記金属層の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、前記第一拡散層と前記第二拡散層の間に形成されるＡｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされていることが好ましい。
この場合、金属層及びアルミニウム層の平均結晶粒径が比較的大きく設定されているので、金属層及びアルミニウム層には、過剰な歪が蓄積されておらず、疲労特性が良好となる。したがって、ヒートサイクル負荷において、金属層とアルミニウム層との間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。 Here, the average crystal grain size of the metal layer is within the range of 50 μm or more and 200 μm or less, and the average crystal of the aluminum layer made of Al or Al alloy formed between the first diffusion layer and the second diffusion layer. It is preferable that the particle size is 500 μm or more.
In this case, since the average crystal grain size of the metal layer and the aluminum layer is set to be relatively large, excessive strain is not accumulated in the metal layer and the aluminum layer, and the fatigue characteristics are good. Therefore, in the heat cycle load, the bonding reliability against the thermal stress generated between the metal layer and the aluminum layer is improved.

さらに、前記接合材の厚さは、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とされていても良い。
接合材の厚さが０．１ｍｍ以上に設定されているので、ヒートサイクルが負荷された際にパワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に生じる熱応力を確実に吸収し、絶縁層に割れが生じることを抑制できる。また、接合材の厚さが３．０ｍｍ以下に設定されているので、熱抵抗を十分に低くでき、はんだを用いた場合と比べて初期の熱抵抗を低減することが可能となる。 Furthermore, the thickness of the bonding material may be 0.1 mm or more and 3.0 mm or less.
Since the thickness of the bonding material is set to 0.1 mm or more, the thermal stress generated between the power module substrate and the heat sink is reliably absorbed when a heat cycle is applied, and the insulating layer is cracked. This can be suppressed. Moreover, since the thickness of the bonding material is set to 3.0 mm or less, the thermal resistance can be sufficiently lowered, and the initial thermal resistance can be reduced as compared with the case where solder is used.

本発明のヒートシンク付パワーモジュールは、上記のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層の一方側に接合された半導体素子と、を備えていることを特徴としている。
本発明のヒートシンク付パワーモジュールによれば、上記のようなヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えているので、初期の熱抵抗が低く、かつヒートサイクル負荷において絶縁層に割れが発生することを抑制するとともに熱抵抗の上昇を抑制し、半導体素子の動作の安定性を向上させることができる。 A power module with a heat sink according to the present invention includes the above-described power module substrate with a heat sink, and a semiconductor element bonded to one side of the circuit layer.
According to the power module with a heat sink of the present invention, since the power module substrate with a heat sink as described above is provided, the initial thermal resistance is low, and the occurrence of cracks in the insulating layer in a heat cycle load is suppressed. At the same time, an increase in thermal resistance can be suppressed, and the stability of the operation of the semiconductor element can be improved.

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、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、前記絶縁層の他方の面側に配設されたヒートシンクと、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、前記絶縁層の他方の面に、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成された金属層を形成する金属層形成工程と、前記絶縁層の他方の面側に、Ａｌ又はＡｌ合金で構成された接合材を介在させて、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成された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、前記ヒートシンク接合工程において、前記金属層と前記接合材、及び前記ヒートシンクと前記接合材、とを固相拡散接合する構成とされ、前記ヒートシンク接合工程において、前記金属層と前記ヒートシンクに対して、３ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以上３５ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持することにより、前記金属層と前記接合材、及び前記ヒートシンクと前記接合材とを固相拡散接合することを特徴としている。 The method of manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention includes an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, and the insulating layer. A power module substrate with a heat sink provided with a heat sink disposed on the other surface side of the layer, wherein a metal layer made of Cu or Cu alloy is formed on the other surface of the insulating layer. A metal layer forming step to be formed; and a heat sink joining step of joining a heat sink made of Cu or Cu alloy with a bonding material made of Al or Al alloy interposed on the other surface side of the insulating layer; the provided, in the heat sink bonding step, the bonding material and the metal layer, and the bonding material and the heat sink, is configured to a city to solid phase diffusion bonding, in the heat sink bonding step, Against serial metal layer and the heat sink, in a state loaded with 3 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less of a load, by holding less than 400 ° C. or higher 548 ° C., the bonding material and the metal layer, and wherein It is characterized by solid phase diffusion bonding of a heat sink and the bonding material .

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、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成された金属層とヒートシンクとを、Ａｌ又はＡｌ合金で構成された接合材を介して固相拡散接合するので、金属層及びヒートシンク中のＣｕと接合材中のＡｌが相互拡散し、金属層とヒートシンクとがＡｌ又はＡｌ合金で構成された接合材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を得ることができる。   According to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention, the metal layer composed of Cu or Cu alloy and the heat sink are solid phase diffusion bonded via a bonding material composed of Al or Al alloy. Further, Cu in the metal layer and the heat sink and Al in the bonding material are interdiffused, and a power module substrate with a heat sink in which the metal layer and the heat sink are bonded by a bonding material made of Al or an Al alloy can be obtained. .

また、前記ヒートシンク接合工程において、前記金属層と前記ヒートシンクに対して、３ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持することにより、前記金属層と前記接合材、及び前記ヒートシンクと前記接合材とを固相拡散接合することを特徴としている。
このような構成にすることで、金属層と接合材、及びヒートシンクと接合材とが、確実に固相拡散接合される。また、このようにして固相拡散接合を行うと、金属層と接合材、及びヒートシンクと接合材との間に隙間が生じ難いので、金属層と接合材、及びヒートシンクと接合材との接合界面における熱伝導を良好にし、熱抵抗を低減できる。また、この固相拡散接合によって形成された接合界面は強固に接合されており、ヒートサイクルが負荷された場合に、剥離が生じ難く熱抵抗の上昇を抑制することができる。 Further, in the heat sink bonding step, to the heat sink and the metal layer in a state loaded with 3 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less of a load, by holding less than 400 ° C. or higher 548 ° C., the metal The layer and the bonding material, and the heat sink and the bonding material are solid phase diffusion bonded.
With this configuration, the metal layer and the bonding material, and the heat sink and the bonding material are reliably solid-phase diffusion bonded. In addition, when solid phase diffusion bonding is performed in this manner, there is hardly any gap between the metal layer and the bonding material, and the heat sink and the bonding material. Therefore, the bonding interface between the metal layer and the bonding material, and the heat sink and the bonding material. Can improve heat conduction and reduce thermal resistance. In addition, the bonding interface formed by this solid phase diffusion bonding is firmly bonded, and when a heat cycle is applied, peeling is unlikely to occur and an increase in thermal resistance can be suppressed.

本発明によれば、初期の熱抵抗を低減し、かつヒートサイクル負荷時において熱抵抗の上昇を抑制可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール、及びヒートシンク付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 power module substrate with a heat sink that can reduce an initial thermal resistance and suppress an increase in thermal resistance during a heat cycle load, a power module with a heat sink including the power module substrate with a heat sink, And the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink can be provided.

本発明の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール、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 with a heat sink which concerns on embodiment of this invention, the board | substrate for power modules with a heat sink, and the board | substrate for power modules. 図１の金属層とヒートシンクとの接合部の拡大図である。It is an enlarged view of the junction part of the metal layer of FIG. 1, and a heat sink. 図２の金属層と接合材との接合界面における第一拡散層の拡大説明図である。FIG. 3 is an enlarged explanatory view of a first diffusion layer at a bonding interface between a metal layer and a bonding material in FIG. 2. 図２のヒートシンクと接合材との接合界面における第二拡散層の拡大説明図である。FIG. 3 is an enlarged explanatory view of a second diffusion layer at a bonding interface between a heat sink and a bonding material in FIG. 2. 本発明の実施形態に係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 concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink which concerns on 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、本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、パワーモジュール用基板１０を示す。
このヒートシンク付パワーモジュール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 1 with a heat sink, a power module substrate 30 with a heat sink, and a power module substrate 10 according to an embodiment of the present invention.
The power module 1 with a heat sink 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. I have.

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）とされており、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と半導体素子３とを接合するものである。
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。本実施形態では、半導体素子３は、ＩＧＢＴ素子とされている。 The solder layer 2 is made of, for example, a Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-In, or Sn-Ag-Cu solder material (so-called lead-free solder material). And the semiconductor element 3 are joined.
The semiconductor element 3 is an electronic component including a semiconductor, and various semiconductor elements are selected according to the required function. In the present embodiment, the semiconductor element 3 is an IGBT element.

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.

ヒートシンク３１は、パワーモジュール用基板１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク３１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、純Ｃｕ（無酸素銅）で構成されている。このヒートシンク３１には、冷却用の流体が流れるための流路３２が設けられている。   The heat sink 31 is for dissipating heat on the power module substrate 10 side. The heat sink 31 is preferably made of a material having good thermal conductivity. In this embodiment, the heat sink 31 is made of pure Cu (oxygen-free copper). The heat sink 31 is provided with a flow path 32 through which a cooling fluid flows.

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、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。   The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). In addition, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm.

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、金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、無酸素銅（純Ｃｕ）の圧延板からなる銅板２２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。   The circuit layer 12 is formed by joining a metal plate to one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate 22 made of a rolled plate of oxygen-free copper (pure Cu) to the ceramic substrate 11.

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、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、無酸素銅（純Ｃｕ）の圧延板からなる銅板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。   The metal layer 13 is formed by joining a metal plate made of Cu or a Cu alloy to the other surface (the lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by joining a copper plate 23 made of an oxygen-free copper (pure Cu) rolled plate to the ceramic substrate 11.

そして、パワーモジュール用基板１０の金属層１３及びヒートシンク３１が、Ａｌ又はＡｌ合金で構成された接合材５０と固相拡散接合によって接合されている。
接合材５０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。接合材５０がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていることから、強度が十分に低く、ヒートサイクルが負荷された際にパワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１との間に生じる熱応力を確実に吸収し、セラミックス基板１１に割れが生じることを抑制できる。接合材５０は、さらに純度９９％以上のアルミニウム（いわゆる２ＮＡｌ）で構成することができる。この場合、熱抵抗が十分に低いので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の熱抵抗を低減できる。
本実施形態においては、接合材５０は、純度９９．９９％以上のＡｌ（いわゆる４ＮＡｌ）の圧延板によって構成されている。なお、接合材５０の厚さは、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に設定されていることが好ましい。 The metal layer 13 and the heat sink 31 of the power module substrate 10 are bonded to the bonding material 50 made of Al or Al alloy by solid phase diffusion bonding.
As the bonding material 50, aluminum or an aluminum alloy can be used. Since the bonding material 50 is made of aluminum or an aluminum alloy, the strength is sufficiently low, and the thermal stress generated between the power module substrate 10 and the heat sink 31 is reliably absorbed when a heat cycle is applied. Further, it is possible to prevent the ceramic substrate 11 from being cracked. The bonding material 50 can be made of aluminum (so-called 2NAl) having a purity of 99% or more. In this case, since the thermal resistance is sufficiently low, the thermal resistance of the power module substrate 30 with a heat sink can be reduced.
In the present embodiment, the bonding material 50 is composed of a rolled sheet of Al (so-called 4NAl) having a purity of 99.99% or more. The thickness of the bonding material 50 is preferably set to 0.1 mm or more and 3.0 mm or less.

ここで、固相拡散接合後においては、金属層１３とヒートシンク３１との間に、第一拡散層４１（拡散層）とアルミニウム層４０と第二拡散層４２（拡散層）とが形成される。図２に示すように、第一拡散層４１（拡散層）は、金属層１３と接合材５０との接合界面に形成され、ヒートシンク３１と接合材５０との接合界面には、第二拡散層４２（拡散層）が形成されている。
第一拡散層４１は、金属層１３のＣｕ（銅原子）と、接合材５０のＡｌ（アルミニウム原子）とが相互拡散することによって形成されるものである。この第一拡散層４１においては、金属層１３からアルミニウム層４０に向かうに従い、漸次Ｃｕの濃度が低くなり、かつＡｌの濃度が高くなる濃度勾配を有している。 Here, after solid phase diffusion bonding, a first diffusion layer 41 (diffusion layer), an aluminum layer 40, and a second diffusion layer 42 (diffusion layer) are formed between the metal layer 13 and the heat sink 31. . As shown in FIG. 2, the first diffusion layer 41 (diffusion layer) is formed at the bonding interface between the metal layer 13 and the bonding material 50, and the second diffusion layer is formed at the bonding interface between the heat sink 31 and the bonding material 50. 42 (diffusion layer) is formed.
The first diffusion layer 41 is formed by mutual diffusion of Cu (copper atoms) in the metal layer 13 and Al (aluminum atoms) in the bonding material 50. The first diffusion layer 41 has a concentration gradient in which the concentration of Cu gradually decreases and the concentration of Al increases as it goes from the metal layer 13 to the aluminum layer 40.

また、第二拡散層４２は、ヒートシンク３１のＣｕ（銅原子）と、接合材５０のＡｌ（アルミニウム原子）とが相互拡散することによって形成されるものである。この第二拡散層４２においては、ヒートシンク３１からアルミニウム層４０に向かうに従い、漸次Ｃｕの濃度が低くなり、かつＡｌの濃度が高くなる濃度勾配を有している。   The second diffusion layer 42 is formed by mutual diffusion of Cu (copper atoms) of the heat sink 31 and Al (aluminum atoms) of the bonding material 50. The second diffusion layer 42 has a concentration gradient in which the concentration of Cu gradually decreases and the concentration of Al increases as it goes from the heat sink 31 to the aluminum layer 40.

図３に、第一拡散層４１の拡大説明図を示す。この第一拡散層４１は、ＡｌとＣｕからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、この第一拡散層４１の厚さｔは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
本実施形態では、図３に示すように、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、金属層１３側からアルミニウム層４０側に向けて順に、ζ２相４３、η２相４４、θ相４５とされている。 FIG. 3 is an enlarged explanatory view of the first diffusion layer 41. The first diffusion layer 41 is composed of an intermetallic compound composed of Al and Cu. In the present embodiment, a plurality of intermetallic compounds are stacked along the bonding interface. Here, the thickness t of the first diffusion layer 41 is set in the range of 1 μm to 80 μm, preferably in the range of 5 μm to 80 μm.
In this embodiment, as shown in FIG. 3, a structure in which three kinds of intermetallic compounds are laminated is formed, and in order from the metal layer 13 side to the aluminum layer 40 side, a ζ2 phase 43, a η2 phase 44, The θ phase is 45.

また、金属層１３と第一拡散層４１との接合界面には、酸化物４６が、接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物４６は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物４６は、金属層１３と第一拡散層４１との界面に分断された状態で分散しており、金属層１３と第一拡散層４１とが直接接触している領域も存在している。 Further, the oxide 46 is dispersed in a layered manner along the bonding interface at the bonding interface between the metal layer 13 and the first diffusion layer 41. In the present embodiment, the oxide 46 is an aluminum oxide such as alumina (Al 2 O 3 ). The oxide 46 is dispersed in a state where it is divided at the interface between the metal layer 13 and the first diffusion layer 41, and there is a region where the metal layer 13 and the first diffusion layer 41 are in direct contact. ing.

図４に、第二拡散層４２の拡大説明図を示す。この第二拡散層４２は、ＡｌとＣｕからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、この第二拡散層４２の厚さｔは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
本実施形態では、図４に示すように、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、ヒートシンク３１側からアルミニウム層４０側に向けて順に、ζ２相４３、η２相４４、θ相４５とされている。 FIG. 4 is an enlarged explanatory view of the second diffusion layer 42. The second diffusion layer 42 is composed of an intermetallic compound composed of Al and Cu. In the present embodiment, a plurality of intermetallic compounds are stacked along the bonding interface. Here, the thickness t of the second diffusion layer 42 is set in the range of 1 μm to 80 μm, preferably in the range of 5 μm to 80 μm.
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, a structure in which three kinds of intermetallic compounds are laminated is formed, and in order from the heat sink 31 side to the aluminum layer 40 side, the ζ2 phase 43, the η2 phase 44, θ Phase 45.

また、ヒートシンク３１と第二拡散層４２との接合界面には、酸化物４６が、接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物４６は、金属層１３と第二拡散層４２との界面に分断された状態で分散しており、金属層１３と第二拡散層４２とが直接接触している領域も存在している。
さらに、本実施形態では、金属層１３とヒートシンク３１の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、第一拡散層４１と第二拡散層４２との間に形成されるＡｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層４０の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされている。 Further, the oxide 46 is dispersed in layers along the bonding interface at the bonding interface between the heat sink 31 and the second diffusion layer 42. In the present embodiment, the oxide 46 is dispersed in a state of being divided at the interface between the metal layer 13 and the second diffusion layer 42, and the metal layer 13 and the second diffusion layer 42 are in direct contact with each other. There is also an area that is.
Furthermore, in the present embodiment, the average crystal grain size of the metal layer 13 and the heat sink 31 is in the range of 50 μm or more and 200 μm or less, and Al or Al formed between the first diffusion layer 41 and the second diffusion layer 42. The average crystal grain size of the aluminum layer 40 made of an alloy is 500 μm or more.

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１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、パワーモジュール用基板１０の製造方法について、図５及び図６を用いて説明する。
まず、図６に示すように、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、ろう材を介して銅板２２、２３を積層する。そして、加圧・加熱後冷却することによって、セラミックス基板１１と銅板２２、２３を接合し、回路層１２及び金属層１３を形成する（回路層及び金属層形成工程Ｓ１１）。なお、このろう付けの温度は、８００℃〜９００℃に設定されている。
こうして、パワーモジュール用基板１０が得られる。 Next, the manufacturing method of the power module 1 with a heat sink, the power module substrate 30 with a heat sink, and the power module substrate 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 6, copper plates 22 and 23 are laminated on one surface and the other surface of the ceramic substrate 11 via a brazing material. And by cooling after pressurizing and heating, the ceramic substrate 11 and the copper plates 22 and 23 are joined to form the circuit layer 12 and the metal layer 13 (circuit layer and metal layer forming step S11). The brazing temperature is set to 800 ° C to 900 ° C.
In this way, the power module substrate 10 is obtained.

次に、図６に示すように、パワーモジュール用基板１０の他方の面側に接合材５０と、ヒートシンク３１とを、順に配置する。そして、このパワーモジュール用基板１０、接合材５０、ヒートシンク３１を積層したものに対して、一方側及び他方側（図６において、上側及び下側）から荷重を負荷し、真空加熱炉の中に配置する。本実施形態においては、金属層１３と接合材５０、ヒートシンク３１と接合材５０との接触面に負荷される荷重は、３ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下とされている。そして、真空加熱の加熱温度を、４００℃以上５４８℃未満とし、５分以上２４０分以下保持して固相拡散接合を行い、金属層１３と接合材５０、及びヒートシンク３１と接合材５０とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１２）。本実施形態においては、金属層１３と接合材５０、ヒートシンク３１と接合材５０との接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。
なお、真空加熱のより望ましい温度範囲は、ＡｌとＣｕとの共晶温度である５４８℃（共晶温度含まず）から共晶温度−５℃の範囲とされている。 Next, as illustrated in FIG. 6, the bonding material 50 and the heat sink 31 are sequentially arranged on the other surface side of the power module substrate 10. And with respect to what laminated | stacked this board | substrate 10 for power modules, the joining material 50, and the heat sink 31, a load was loaded from one side and the other side (in FIG. 6, upper side and lower side), and it puts in a vacuum heating furnace Deploy. In this embodiment, the metal layer 13 and the bonding material 50, the load applied to the contact surface between the heat sink 31 and the bonding material 50 is a 3 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less. Then, the heating temperature of the vacuum heating is set to 400 ° C. or more and less than 548 ° C. and held for 5 minutes or more and 240 minutes or less to perform solid phase diffusion bonding, and the metal layer 13 and the bonding material 50, and the heat sink 31 and the bonding material 50 are combined. Joining (heat sink joining step S12). In the present embodiment, the surfaces of the metal layer 13 and the bonding material 50 and the heat sink 31 and the bonding material 50 to be bonded are solid-phase diffusion bonded after the scratches on the surfaces have been removed and smoothed in advance. ing.
A more desirable temperature range for vacuum heating is a range from 548 ° C. (not including the eutectic temperature), which is the eutectic temperature of Al and Cu, to a eutectic temperature of −5 ° C.

こうして、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３０が得られる。
そして、回路層１２の一方側（表面）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（半導体素子接合工程Ｓ１３）。
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１が製出される。 In this way, the power module substrate 30 with a heat sink according to the present embodiment is obtained.
Then, the semiconductor element 3 is placed on one side (surface) of the circuit layer 12 via a solder material, and soldered in a reduction furnace (semiconductor element joining step S13).
Thus, the power module 1 with a heat sink which is this embodiment is produced.

以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０によれば、Ｃｕで構成された金属層１３及びヒートシンク３１とが、４ＮＡｌで構成された接合材５０と固相拡散接合されているので、金属層１３とヒートシンク３１とが接合材５０によって強固に接合されている。したがって、ヒートサイクルが負荷された場合に、金属層１３と接合材５０との接合界面、及びヒートシンク３１と接合材５０との接合界面に剥離が生じることを抑制して熱抵抗の上昇を抑制できる。   According to the power module substrate with heat sink 30 of the present embodiment configured as described above, the metal layer 13 and the heat sink 31 made of Cu are bonded to the bonding material 50 made of 4NAl and the solid phase diffusion. Since they are bonded, the metal layer 13 and the heat sink 31 are firmly bonded by the bonding material 50. Therefore, when a heat cycle is applied, it is possible to suppress an increase in thermal resistance by suppressing separation from occurring at the bonding interface between the metal layer 13 and the bonding material 50 and the bonding interface between the heat sink 31 and the bonding material 50. .

また、接合材５０は、強度が十分に低い４ＮＡｌで構成されているので、ヒートサイクル負荷時においてパワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１との間に生じる熱応力を接合材５０で吸収することができ、セラミックス基板１１に生じる割れの発生を抑制可能となる。
さらには、金属層１３とヒートシンク３１とが、はんだと比べて熱伝導の良好な４ＮＡｌで構成された接合材５０によって接合されているので、初期の熱抵抗を低減することが可能となる。 In addition, since the bonding material 50 is made of 4NAl having a sufficiently low strength, the bonding material 50 can absorb the thermal stress generated between the power module substrate 10 and the heat sink 31 during a heat cycle load. The occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 can be suppressed.
Furthermore, since the metal layer 13 and the heat sink 31 are joined by the joining material 50 made of 4NAl, which has better thermal conductivity than the solder, it is possible to reduce the initial thermal resistance.

さらに、固相拡散接合後においては、金属層１３とヒートシンク３１との間に、第一拡散層４１（拡散層）とアルミニウム層４０と第二拡散層４２（拡散層）とが形成される。金属層１３と接合材５０との接合界面にはＡｌとＣｕからなる第一拡散層４１が形成され、ヒートシンク３１と接合材５０との接合界面にはＡｌとＣｕからなる第二拡散層４２が形成されていることから、金属層１３中のＣｕ（銅原子）と接合材５０中のＡｌ（アルミニウム原子）、及びヒートシンク３１中のＣｕと接合材５０中のＡｌとが十分に相互拡散しており、金属層１３と接合材５０、及びヒートシンク３１と接合材５０とが強固に接合されている。   Further, after solid phase diffusion bonding, a first diffusion layer 41 (diffusion layer), an aluminum layer 40, and a second diffusion layer 42 (diffusion layer) are formed between the metal layer 13 and the heat sink 31. A first diffusion layer 41 made of Al and Cu is formed at the bonding interface between the metal layer 13 and the bonding material 50, and a second diffusion layer 42 made of Al and Cu is formed at the bonding interface between the heat sink 31 and the bonding material 50. As a result, Cu (copper atoms) in the metal layer 13 and Al (aluminum atoms) in the bonding material 50, and Cu in the heat sink 31 and Al in the bonding material 50 are sufficiently interdiffused. The metal layer 13 and the bonding material 50 and the heat sink 31 and the bonding material 50 are firmly bonded.

また、第一拡散層４１及び第二拡散層４２は、複数の金属間化合物が前記接合界面に沿って積層した構造とされているので、脆い拡散層が大きく成長してしまうことを抑制できる。また、金属層１３中のＣｕと接合材５０中のＡｌとが相互拡散することにより、金属層１３側からアルミニウム層４０側に向けてそれぞれの組成に適した金属間化合物が層状に形成されることから、接合界面近傍の特性を安定させることができる。さらに、ヒートシンク３１中のＣｕと接合材５０中のＡｌとが相互拡散することにより、ヒートシンク３１側からアルミニウム層４０側に向けてそれぞれの組成に適した金属間化合物が層状に形成されることから接合界面近傍の特性を安定させることができる。   Moreover, since the 1st diffused layer 41 and the 2nd diffused layer 42 are set as the structure which laminated | stacked the several intermetallic compound along the said joining interface, it can suppress that a brittle diffused layer grows large. Further, when Cu in the metal layer 13 and Al in the bonding material 50 are interdiffused, an intermetallic compound suitable for each composition is formed in layers from the metal layer 13 side to the aluminum layer 40 side. For this reason, the characteristics in the vicinity of the bonding interface can be stabilized. Furthermore, since Cu in the heat sink 31 and Al in the bonding material 50 are interdiffused, an intermetallic compound suitable for each composition is formed in layers from the heat sink 31 side to the aluminum layer 40 side. The characteristics in the vicinity of the bonding interface can be stabilized.

具体的には、第一拡散層４１及び第二拡散層４２は、金属層１３及びヒートシンク３１側からアルミニウム層４０側に向けて順に、ζ２相４３、η２相４４、θ相４５の３種の金属間化合物が積層しているので、第一拡散層４１及び第二拡散層４２の内部における体積変動が小さくなり、内部歪みが抑えられることになる。   Specifically, the first diffusion layer 41 and the second diffusion layer 42 are in order of three types of ζ2 phase 43, η2 phase 44, and θ phase 45 from the metal layer 13 and the heat sink 31 side to the aluminum layer 40 side. Since the intermetallic compound is laminated, the volume fluctuation inside the first diffusion layer 41 and the second diffusion layer 42 is reduced, and the internal strain is suppressed.

また、酸化物４６が、金属層１３と第一拡散層４１、ヒートシンク３１と第二拡散層４２との接合界面に沿って層状に分散しているので、接合材５０の表面に形成された酸化膜が確実に破壊され、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行していることになり、金属層１３と接合材５０、及びヒートシンク３１と接合材５０とが確実に接合されている。   Further, since the oxide 46 is dispersed in layers along the bonding interface between the metal layer 13 and the first diffusion layer 41 and the heat sink 31 and the second diffusion layer 42, the oxidation formed on the surface of the bonding material 50. The film is surely broken and the mutual diffusion of Cu and Al is sufficiently advanced, so that the metal layer 13 and the bonding material 50 and the heat sink 31 and the bonding material 50 are reliably bonded.

さらに、第一拡散層４１及び第二拡散層４２の平均厚みが１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、金属層１３中のＣｕと接合材５０中のＡｌ、及びヒートシンク３１中のＣｕと接合材５０中のＡｌとが十分に相互拡散していることになり、金属層１３と接合材５０、及びヒートシンク３１と接合材５０とを強固に接合できるとともに、金属層１３、ヒートシンク３１、及び接合材５０に比べて脆い第一拡散層４１及び第二拡散層４２が必要以上に成長することが抑えられており、接合界面の特性が安定することになる。   Furthermore, since the average thickness of the first diffusion layer 41 and the second diffusion layer 42 is in the range of 1 μm to 80 μm, preferably in the range of 5 μm to 80 μm, the Cu in the metal layer 13 and the bonding material 50 Al in the heat sink 31 and Cu in the heat sink 31 and Al in the bonding material 50 are sufficiently diffused to each other, and the metal layer 13 and the bonding material 50 and the heat sink 31 and the bonding material 50 are firmly bonded. In addition, the first diffusion layer 41 and the second diffusion layer 42 that are fragile compared to the metal layer 13, the heat sink 31, and the bonding material 50 are prevented from growing more than necessary, and the characteristics of the bonding interface are stabilized. become.

さらに、本実施形態においては、金属層１３とヒートシンク３１の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、第一拡散層４１と第二拡散層４２の間に形成されるＡｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層４０の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされており、金属層１３、ヒートシンク３１、及びアルミニウム層４０の平均結晶粒径が比較的大きく設定されている。よって、金属層１３、ヒートシンク３１、及びアルミニウム層４０には、過剰な歪が蓄積されておらず、疲労特性が良好となる。したがって、ヒートサイクル負荷において、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１との間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。   Furthermore, in the present embodiment, the average crystal grain size of the metal layer 13 and the heat sink 31 is in the range of 50 μm or more and 200 μm or less, and Al or Al formed between the first diffusion layer 41 and the second diffusion layer 42. The average crystal grain size of the aluminum layer 40 made of an alloy is 500 μm or more, and the average crystal grain size of the metal layer 13, the heat sink 31, and the aluminum layer 40 is set to be relatively large. Therefore, excessive strain is not accumulated in the metal layer 13, the heat sink 31, and the aluminum layer 40, and the fatigue characteristics are improved. Therefore, in the heat cycle load, the bonding reliability against the thermal stress generated between the power module substrate 10 and the heat sink 31 is improved.

また、本実施形態においては、金属層１３とヒートシンク３１との間に接合材５０を介在させて積層し、金属層１３と接合材５０、及びヒートシンク３１と接合材５０に対して、３ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持して固相拡散接合を行っている。このような条件で固相拡散接合しているので、金属層１３と接合材５０、及びヒートシンク３１と接合材５０とが、十分に密着した状態で固相拡散を行うことができ、金属層１３と接合材５０、及びヒートシンク３１と接合材５０とが確実に固相拡散接合される。また、このようにして固相拡散接合を行うと、金属層１３と接合材５０、及びヒートシンク３１と接合材５０との間に隙間が生じ難いので、金属層１３と接合材５０、及びヒートシンク３１と接合材５０との接合界面における熱伝導を良好にし、熱抵抗を低減することができる。 In this embodiment, the bonding material 50 is laminated between the metal layer 13 and the heat sink 31, and the metal layer 13 and the bonding material 50 and the heat sink 31 and the bonding material 50 are 3 kgf / cm. while loaded with 2 or more 35 kgf / cm 2 or less of the load, are subjected to solid phase diffusion bonding was maintained at less than 400 ° C. or higher 548 ° C.. Since solid phase diffusion bonding is performed under such conditions, solid phase diffusion can be performed in a state in which the metal layer 13 and the bonding material 50 and the heat sink 31 and the bonding material 50 are sufficiently adhered to each other. And the bonding material 50, and the heat sink 31 and the bonding material 50 are securely solid-phase diffusion bonded. In addition, when solid phase diffusion bonding is performed in this manner, it is difficult for gaps to be generated between the metal layer 13 and the bonding material 50 and between the heat sink 31 and the bonding material 50, so the metal layer 13 and the bonding material 50 and the heat sink 31 are not generated. It is possible to improve the heat conduction at the bonding interface between the bonding material 50 and the bonding material 50 and to reduce the thermal resistance.

また、本実施形態においては、固相拡散接合する際の荷重が、３ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下とされているので、金属層１３と接合材５０、及びヒートシンク３１と接合材５０とを良好に接合することができるとともに、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制することができる。 In the present embodiment, the load at the time of solid phase diffusion bonding, since there is a 3 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less, the metal layer 13 and the bonding material 50, and a heat sink 31 and the bonding material 50 Can be satisfactorily bonded, and cracking of the ceramic substrate 11 can be suppressed.

また、本実施形態においては、固相拡散接合の好ましい温度は、４００℃以上５４８℃未満とされているので、ＡｌとＣｕとの拡散を促進し、短時間で十分に固相拡散接合できるとともに、ＡｌとＣｕとの間で液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制できる。   In the present embodiment, the preferred temperature for solid phase diffusion bonding is 400 ° C. or more and less than 548 ° C. Therefore, the diffusion between Al and Cu is promoted, and solid phase diffusion bonding can be sufficiently performed in a short time. It is possible to suppress the occurrence of a liquid phase between Al and Cu and the formation of bumps at the bonding interface or the variation in thickness.

また、固相拡散接合時におけるより望ましい加熱温度は、共晶温度（共晶温度含まず）から共晶温度−５℃の範囲とされているので、液相が形成されずアルミニウムと銅の化合物が生成されなくなり、固相拡散接合の接合信頼性が向上するとともに、固相拡散接合の際の拡散速度が速く、比較的短時間で固相拡散接合できる。   In addition, since a more preferable heating temperature in the solid phase diffusion bonding is in a range from the eutectic temperature (not including the eutectic temperature) to the eutectic temperature of −5 ° C., a liquid phase is not formed, and a compound of aluminum and copper Is not generated, the reliability of solid phase diffusion bonding is improved, and the diffusion rate during solid phase diffusion bonding is high, so that solid phase diffusion bonding can be performed in a relatively short time.

また、接合材５０の好ましい厚さは、０．１ｍｍ以上に設定されているので、ヒートサイクルが負荷された際にパワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１との間に生じる熱応力を確実に吸収し、セラミックス基板１１に割れが生じることを抑制できる。また、接合材５０の好ましい厚さは、３．０ｍｍ以下に設定されているので、熱抵抗を十分に低くでき、はんだを用いた場合と比べて初期の熱抵抗を低減することが可能となる。   Further, since the preferable thickness of the bonding material 50 is set to 0.1 mm or more, the thermal stress generated between the power module substrate 10 and the heat sink 31 is reliably absorbed when a heat cycle is applied. Further, it is possible to prevent the ceramic substrate 11 from being cracked. Moreover, since the preferable thickness of the joining material 50 is set to 3.0 mm or less, the thermal resistance can be sufficiently lowered, and the initial thermal resistance can be reduced as compared with the case where solder is used. .

また、固相拡散接合する際に、接合される面に傷がある場合、固相拡散接合時に隙間が生じる場合があるが、金属層１３と接合材５０、ヒートシンク３１と接合材５０との接合される面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されているので、それぞれの接合界面に隙間が生じることを抑制して接合することが可能である。   In addition, when solid-phase diffusion bonding is performed, if there are scratches on the surfaces to be bonded, gaps may occur during solid-phase diffusion bonding, but the bonding between the metal layer 13 and the bonding material 50 and the heat sink 31 and the bonding material 50 may occur. Since the surfaces to be processed are solid-phase diffusion bonded after the scratches on the surfaces have been removed and smoothed in advance, it is possible to perform bonding while suppressing the formation of a gap at each bonding interface.

また、本実施形態においては、金属層１３とヒートシンク３１とが接合材５０を介して固相拡散接合によって接合されており、金属層１３とヒートシンク３１との間に、はんだを介在させていないので、ヒートサイクル負荷時において接合信頼性を向上させることができ、熱抵抗の上昇を抑制することができる。   In the present embodiment, the metal layer 13 and the heat sink 31 are bonded by solid phase diffusion bonding via the bonding material 50, and no solder is interposed between the metal layer 13 and the heat sink 31. In addition, it is possible to improve the bonding reliability during a heat cycle load, and to suppress an increase in thermal resistance.

また、金属層１３とヒートシンク３１との間に、４ＮＡｌを介在させて固相拡接合により接合する構成とされているので、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できる。   In addition, since 4NAl is interposed between the metal layer 13 and the heat sink 31 and bonded by solid phase expansion bonding, the manufacturing cost of the power module substrate with a heat sink can be reduced.

また、本実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール１は、上記のようなヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を備えているので、初期の熱抵抗が低く、ヒートサイクル負荷時において、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制するとともに、熱抵抗の上昇を抑制し、半導体素子３の動作の安定性を向上させることが可能である。   Moreover, since the power module 1 with a heat sink according to the present embodiment includes the power module substrate 30 with a heat sink as described above, the initial thermal resistance is low, and the ceramic substrate 11 is not cracked during a heat cycle load. While suppressing generation | occurrence | production, it is possible to suppress the raise of thermal resistance and to improve the stability of operation | movement of the semiconductor element 3. FIG.

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。   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.

なお、上記の実施形態では、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に形成される回路層及び金属層が、無酸素銅（純Ｃｕ）で構成される場合について説明したが、これに限定されることはなく、例えばタフピッチ銅やその他の純銅で構成されても良いし、Ｃｕ合金で構成されても良い。   In the above embodiment, the case where the circuit layer and the metal layer formed on one surface and the other surface of the ceramic substrate are made of oxygen-free copper (pure Cu) has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, it may be made of tough pitch copper or other pure copper, or may be made of a Cu alloy.

また、上記の実施形態では、接合材が、４ＮＡｌの圧延板で構成される場合について説明したが、これに限定されることはなく、例えば純度９９％のアルミニウム（２ＮＡｌ）やアルミニウム合金等の圧延板で構成されても良い。   In the above embodiment, the case where the bonding material is composed of a 4NAl rolled plate has been described. However, the present invention is not limited to this, and rolling of, for example, aluminum (2NAl) having a purity of 99% or an aluminum alloy is performed. You may be comprised with a board.

また、上記の実施形態では、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、Ｓｉ３Ｎ４やＡｌ２Ｏ３等からなるセラミックス基板を用いても良いし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成しても良い。 In the above 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.

また、上記の実施形態では、ヒートシンクが放熱フィンを備えていない場合について説明したが、放熱フィンを備えていても良い。   Moreover, although said heat sink demonstrated the case where the heat sink was not provided with the radiation fin, you may provide the radiation fin.

（実施例）
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。
図５のフロー図に記載した手順に従って、荷重１５ｋｇｆ／ｃｍ２、温度５４０℃、３０分の条件で固相拡散接合を行い、発明例１〜５のヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
なお、セラミックス基板は、ＡｌＮで構成され、４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのものを使用した。
回路層は、無酸素銅の圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのものを使用した。
金属層は、無酸素銅の圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのものを使用した。
接合材は、Ａｌの圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍのものを使用した。接合材のＡｌの純度、及び厚さは、表１に示すように設定した。
ヒートシンクは、無酸素銅の圧延板で構成され、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍのものを使用した。
また、固相拡散接合は、真空加熱炉内の圧力が、１０−６Ｐａ以上、１０−３Ｐａ以下の範囲内で行った。
半導体素子は、ＩＧＢＴ素子とし、１２．５ｍｍ×９．５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。 (Example)
Below, the result of the confirmation experiment performed in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.
According to the procedure described in the flow chart of FIG. 5, solid phase diffusion bonding was performed under the conditions of a load of 15 kgf / cm 2 , a temperature of 540 ° C., and 30 minutes, and power modules with heat sinks of Invention Examples 1 to 5 were manufactured.
The ceramic substrate was made of AlN, and had a size of 40 mm × 40 mm and a thickness of 0.635 mm.
The circuit layer was made of an oxygen-free copper rolled plate, and was 37 mm × 37 mm and 0.3 mm thick.
The metal layer was composed of a rolled plate of oxygen-free copper, and a layer having a size of 37 mm × 37 mm and a thickness of 0.3 mm was used.
The joining material was composed of an Al rolled plate, and a 37 mm × 37 mm member was used. The purity and thickness of Al of the bonding material were set as shown in Table 1.
The heat sink was composed of an oxygen-free copper rolled plate, and a 50 mm × 50 mm, 5 mm thick one was used.
Further, the solid phase diffusion bonding was performed in a range where the pressure in the vacuum heating furnace was 10 −6 Pa or more and 10 −3 Pa or less.
As the semiconductor element, an IGBT element having a size of 12.5 mm × 9.5 mm and a thickness of 0.25 mm was used.

また、従来例１として次のヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
回路層となる無酸素銅の圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）とＡｌＮで構成されたセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍ）と金属層となる無酸素銅の圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）とを、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉのろう材箔を介して積層し、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、８５０℃で１０分加熱することによって接合し、パワーモジュール用基板を作製した。次にパワーモジュール用基板とヒートシンク（無酸素銅の圧延板、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）とをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを介して接合した。そして、ＩＧＢＴ素子（１２．５ｍｍ×９．５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍ）をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを用いてはんだ付けし、ヒートシンク付パワーモジュールを作成した。 Moreover, the following power module with a heat sink was produced as the prior art example 1.
Oxygen-free copper rolled plate (37 mm x 37 mm, thickness 0.3 mm) as a circuit layer, ceramic substrate (40 mm x 40 mm, thickness 0.635 mm) made of AlN, and oxygen-free copper as a metal layer A plate (37 mm × 37 mm, thickness 0.3 mm) is laminated through a brazing foil of Ag-27.4 mass% Cu-2.0 mass% Ti, and pressed at 5 kgf / cm 2 in the laminating direction. In this state, the substrate was placed in a vacuum heating furnace and joined by heating at 850 ° C. for 10 minutes to produce a power module substrate. Next, the power module substrate and a heat sink (oxygen-free copper rolled plate, 50 mm × 50 mm, thickness 5 mm) were joined via Sn—Ag—Cu solder. And the IGBT element (12.5 mm x 9.5 mm, thickness 0.25 mm) was soldered using Sn-Ag-Cu solder, and the power module with a heat sink was created.

（試験片の断面観察）
得られた積層板の断面をクロスセクションポリッシャ（日本電子株式会社製ＳＭ−０９０１０）を用いて、イオン加速電圧：５ｋＶ、加工時間：１４時間、遮蔽板からの突出量：１００μｍでイオンエッチングした後に観察し、接合界面近傍における銅板及びアルミニウム板の平均結晶粒径を測定した。なお、この平均結晶粒径の測定は、ＪＩＳ Ｈ ０５０１記載の切断法に準拠して実施した。
（酸化物の測定方法）
クロスセクションポリッシャ（日本電子株式会社製ＳＭ−０９０１０）を用いて、イオン加速電圧：５ｋＶ、加工時間：１４時間、遮蔽板からの突出量：１００μｍでイオンエッチングした断面を走査型電子顕微鏡（カール ツァイスＮＴＳ社製ＵＬＴＲＡ５５）を用いて、加速電圧：１ｋＶ、ＷＤ：２．５ｍｍでＩｎ−Ｌｅｎｓ像を撮影すると、Ｃｕと金属間化合物層の界面に沿って層状に分散した白いコンラストが得られた。また同条件にてＥＳＢ像を撮影すると、前記箇所はＡｌより暗いコントラストになっていた。さらにＥＤＳ分析から前記箇所に酸素が濃集していた。以上のことからＣｕと金属間化合物層との界面には、酸化物が、前記界面に沿って層状に分散していることを確認した。
なお、平均結晶粒径の測定及び酸化物の測定は、金属層と接合材の接合界面にて行った。
（ヒートサイクル試験）
ヒートサイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、試験片（ヒートシンク付パワーモジュール）に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１２５℃×５分の３０００サイクル実施した。
このヒートサイクル試験において、５００サイクル毎にセラミックス基板の割れの有無を確認し、割れが発生するまでのサイクル数を測定した。
また、ヒートサイクル試験前のヒートシンク付パワーモジュールの熱抵抗（初期の熱抵抗）、及びヒートサイクル試験後のヒートシンク付パワーモジュールの熱抵抗を測定した。 (Cross-section observation of specimen)
After performing cross-section polisher (SM-09010 manufactured by JEOL Ltd.), ion etching is performed on the cross-section of the obtained laminated plate with an ion acceleration voltage of 5 kV, a processing time of 14 hours, and a protrusion amount from the shielding plate of 100 μm The average crystal grain size of the copper plate and the aluminum plate in the vicinity of the bonding interface was measured. The average crystal grain size was measured according to the cutting method described in JIS H 0501.
(Measurement method of oxide)
Using a cross section polisher (SM-09010, manufactured by JEOL Ltd.), a scanning electron microscope (Carl Zeiss) was used for the ion-etched section with an ion acceleration voltage of 5 kV, a processing time of 14 hours, and a protrusion amount from the shielding plate of 100 μm. When an In-Lens image was taken with an acceleration voltage of 1 kV and a WD of 2.5 mm using an NTTRA ULTRA 55), a white contrast dispersed in layers along the interface between Cu and the intermetallic compound layer was obtained. Further, when an ESB image was taken under the same conditions, the location was darker than Al. Furthermore, oxygen was concentrated in the said location from EDS analysis. From the above, it was confirmed that the oxide was dispersed in a layered manner along the interface at the interface between Cu and the intermetallic compound layer.
The average crystal grain size and the oxide were measured at the bonding interface between the metal layer and the bonding material.
(Heat cycle test)
The heat cycle test uses TSB-51 manufactured by Espec Co., Ltd., and the test piece (power module with heat sink) is in a liquid phase (−40 ° C. × 5 minutes ← → 125 ° C. × 5). 3000 cycles of minutes were performed.
In this heat cycle test, the presence or absence of cracks in the ceramic substrate was confirmed every 500 cycles, and the number of cycles until cracks occurred was measured.
Moreover, the thermal resistance (initial thermal resistance) of the power module with a heat sink before the heat cycle test and the thermal resistance of the power module with the heat sink after the heat cycle test were measured.

（熱抵抗評価）
熱抵抗は、次のようにして測定した。半導体素子として、ヒータチップを用い、ヒータチップを１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、ヒートシンクを流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
上記の評価の結果を表１に示す。 (Thermal resistance evaluation)
The thermal resistance was measured as follows. A heater chip was used as a semiconductor element, the heater chip was heated with 100 W of power, and the temperature of the heater chip was measured using a thermocouple. Further, the temperature of the cooling medium (ethylene glycol: water = 9: 1) flowing through the heat sink was measured. And the value which divided the temperature difference of a heater chip | tip and the temperature of a cooling medium with electric power was made into thermal resistance.
The results of the above evaluation are shown in Table 1.

Figure 0005991103
Figure 0005991103

発明例１〜５では、ヒートサイクル試験において、はんだ接合による従来例１同等又はそれ以上にセラミックス基板の割れが抑制されるとともに、初期の熱抵抗が低く、ヒートサイクル試験後の熱抵抗の上昇も小さく、高い信頼性を有するヒートシンク付パワーモジュールであることが確認できた。
従来例１では、初期の熱抵抗が高く、ヒートサイクル試験においてはんだにクラックが生じ、ヒートサイクル試験後の熱抵抗が大きく上昇した。 In Invention Examples 1 to 5, in the heat cycle test, cracking of the ceramic substrate is suppressed to a level equivalent to or higher than that of Conventional Example 1 by solder bonding, the initial thermal resistance is low, and the thermal resistance increases after the heat cycle test. It was confirmed that it was a small and highly reliable power module with a heat sink.
In Conventional Example 1, the initial thermal resistance was high, cracks were generated in the solder in the heat cycle test, and the thermal resistance after the heat cycle test was greatly increased.

１ パワーモジュール
３ 半導体素子
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
３０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
３１ ヒートシンク
４０ アルミニウム層
４１ 第一拡散層（拡散層）
４２ 第二拡散層（拡散層）
４６ 酸化物
５０ 接合材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power module 3 Semiconductor element 10 Power module substrate 11 Ceramic substrate 12 Circuit layer 13 Metal layer 30 Power module substrate 31 with heat sink Heat sink 40 Aluminum layer 41 First diffusion layer (diffusion layer)
42 Second diffusion layer (diffusion layer)
46 Oxide 50 Bonding material

Claims (5)

絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、前記絶縁層の他方の面側に配設されたヒートシンクと、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に配設された接合材と、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、
前記金属層及び前記ヒートシンクは、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成され、
前記金属層及び前記ヒートシンクが、Ａｌ又はＡｌ合金で構成された前記接合材と固相拡散接合されており、
前記金属層と前記接合材の接合界面には、ＡｌとＣｕからなる第一拡散層が形成され、前記ヒートシンクと前記接合材の接合界面には、ＡｌとＣｕからなる第二拡散層が形成されており、
前記第一拡散層及び前記第二拡散層は、複数の金属間化合物が前記接合界面に沿って積層した構造とされ、
酸化物が、前記金属層と前記第一拡散層、及び前記ヒートシンクと前記第二拡散層との接合界面に沿って、層状に分散し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。 An insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, a heat sink disposed on the other surface side of the insulating layer, A power module substrate with a heat sink comprising: a bonding material disposed between the metal layer and the heat sink;
The metal layer and the heat sink are made of Cu or Cu alloy,
The metal layer and the heat sink are solid phase diffusion bonded with the bonding material composed of Al or Al alloy ,
A first diffusion layer made of Al and Cu is formed at the bonding interface between the metal layer and the bonding material, and a second diffusion layer made of Al and Cu is formed at the bonding interface between the heat sink and the bonding material. And
The first diffusion layer and the second diffusion layer have a structure in which a plurality of intermetallic compounds are stacked along the bonding interface.
A power module substrate with a heat sink , wherein the oxide is dispersed in layers along the bonding interface between the metal layer and the first diffusion layer, and the heat sink and the second diffusion layer . 前記金属層の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、前記第一拡散層と前記第二拡散層の間に形成されたＡｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。 The average crystal grain size of the aluminum layer made of Al or Al alloy formed between the first diffusion layer and the second diffusion layer is within the range of the average crystal grain size of the metal layer being 50 μm or more and 200 μm or less. The power module substrate with a heat sink according to claim 1, wherein the substrate is 500 μm or more. 前記接合材の厚さは、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。 3. The power module substrate with a heat sink according to claim 1, wherein the bonding material has a thickness of 0.1 mm to 3.0 mm. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層の一方側に接合された半導体素子と、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。 A power module with a heat sink, comprising: the power module substrate with a heat sink according to any one of claims 1 to 3; and a semiconductor element bonded to one side of the circuit layer. . 絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、前記絶縁層の他方の面側に配設されたヒートシンクと、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、
前記絶縁層の他方の面に、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成された金属層を形成する金属層形成工程と、
前記絶縁層の他方の面側に、Ａｌ又はＡｌ合金で構成された接合材を介在させて、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成された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、
前記ヒートシンク接合工程において、前記金属層と前記接合材、及び前記ヒートシンクと前記接合材、とを固相拡散接合する構成とされ、
前記ヒートシンク接合工程において、前記金属層と前記ヒートシンクに対して、３ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以上３５ｋｇｆ／ｃｍ ２ 以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持することにより、前記金属層と前記接合材、及び前記ヒートシンクと前記接合材とを固相拡散接合す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の製造方法。 An insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, a heat sink disposed on the other surface side of the insulating layer, A method for manufacturing a power module substrate with a heat sink comprising:
A metal layer forming step of forming a metal layer made of Cu or Cu alloy on the other surface of the insulating layer;
A heat sink joining step of joining a heat sink made of Cu or Cu alloy with a bonding material made of Al or Al alloy interposed on the other surface side of the insulating layer, and
In the heat sink bonding step, the metal layer and the bonding material, and the heat sink and the bonding material are configured to be solid phase diffusion bonded ,
In the heat sink bonding step, with respect to the metal layer heat sink, in a state loaded with 3 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less of a load, by holding less than 400 ° C. or higher 548 ° C., and the metal layer A method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, wherein the bonding material and the heat sink and the bonding material are solid phase diffusion bonded .
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