JP6330951B2

JP6330951B2 - Joints for manufacturing power module substrates

Info

Publication number: JP6330951B2
Application number: JP2017101759A
Authority: JP
Inventors: 智哉大開; 宗太郎大井; 仁人西川
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2017-05-23
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: JP2017139508A

Description

本発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板製造のための接合体に関する。 The present invention relates to a joined body for manufacturing a power module substrate in which a circuit layer is formed on one surface of a ceramic substrate.

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、発熱量が大きく、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）などからなるセラミックス基板等の絶縁層上に回路層として導電性の優れた金属板を接合したパワーモジュール用基板に搭載される。 Among various semiconductor elements, a power element for high power control used for controlling an electric vehicle or an electric vehicle has a large calorific value, for example, insulation of a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride) or the like. It is mounted on a power module substrate in which a metal plate having excellent conductivity is bonded as a circuit layer on the layer.

このようなパワーモジュール用基板は、回路層上に半導体素子（パワー素子）がはんだ材を介して搭載されることによりパワーモジュールとされる。この種のパワーモジュール用基板として、セラミックス基板の下面に接合された熱伝導性に優れるヒートシンクによって放熱する構造が知られている。回路層を構成する金属としては、Ａｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）等が用いられている。そして、回路層にレジストを印刷して所定の形状にエッチングすることにより、回路パターンを形成することができる。 Such a power module substrate is formed into a power module by mounting a semiconductor element (power element) on a circuit layer via a solder material. As this type of power module substrate, a structure is known in which heat is radiated by a heat sink excellent in thermal conductivity bonded to the lower surface of a ceramic substrate. As the metal constituting the circuit layer, Al (aluminum), Cu (copper), or the like is used. A circuit pattern can be formed by printing a resist on the circuit layer and etching it into a predetermined shape.

パワーモジュールにおいては、比較的変形抵抗の小さなアルミニウム板で回路層が構成されることにより、周辺環境の温度変化によるヒートサイクルの負荷に対して、セラミックス基板とアルミニウム回路層との間に生じる熱応力を回路層が吸収できる。しかしながら、アルミニウム回路層に接合された半導体素子の発熱によるパワーサイクルの負荷によって、半導体素子とアルミニウム回路層とを接合するはんだにクラックが生じ、パワーモジュールの信頼性が低下する場合がある。 In a power module, the circuit layer is composed of an aluminum plate with relatively small deformation resistance, so that the thermal stress generated between the ceramic substrate and the aluminum circuit layer against the load of the heat cycle due to temperature changes in the surrounding environment. Can be absorbed by the circuit layer. However, the power cycle load caused by the heat generated by the semiconductor element bonded to the aluminum circuit layer may cause cracks in the solder that bonds the semiconductor element and the aluminum circuit layer, thereby reducing the reliability of the power module.

また、アルミニウムは銅と比較して熱伝導性が低いので、アルミニウム板で構成された回路層は銅で構成された回路層と比較して放熱性が劣る。さらに、アルミニウムは表面に酸化皮膜が形成されるため、そのままでは、アルミニウム回路層と半導体素子とをはんだで良好に接合することは困難である。 In addition, since aluminum has lower thermal conductivity than copper, a circuit layer made of an aluminum plate is inferior in heat dissipation compared to a circuit layer made of copper. Furthermore, since an oxide film is formed on the surface of aluminum, it is difficult to satisfactorily bond the aluminum circuit layer and the semiconductor element with solder.

一方、回路層が銅板で構成されている場合には、銅は変形抵抗が比較的高いため、半導体素子の発熱によるパワーサイクルの負荷によってセラミックス基板と銅回路層との間に熱応力が生じ、セラミックス基板に割れが発生する場合がある。 On the other hand, when the circuit layer is composed of a copper plate, since copper has a relatively high deformation resistance, thermal stress is generated between the ceramic substrate and the copper circuit layer due to the load of the power cycle due to heat generation of the semiconductor element, Cracks may occur in the ceramic substrate.

特に、近年のパワーモジュールは、小型化・薄肉化が進められるとともに、半導体素子の発熱量が増大し、ヒートサイクルおよびパワーサイクルの条件が厳しくなるなど、その使用環境も厳しくなってきている。このため、アルミニウムで回路層を構成した場合は、放熱性が不足して、パワーサイクルの負荷による信頼性の低下が問題となる。一方、銅で回路層を構成した場合は、熱応力の吸収が不足して、ヒートサイクルの負荷による信頼性の低下が問題となる。 In particular, power modules in recent years have been used in harsh environments such as miniaturization and thinning, increased heat generation of semiconductor elements, and stricter heat cycle and power cycle conditions. For this reason, when the circuit layer is made of aluminum, the heat dissipation is insufficient, and a decrease in reliability due to the load of the power cycle becomes a problem. On the other hand, when the circuit layer is made of copper, the thermal stress is not sufficiently absorbed, resulting in a decrease in reliability due to a heat cycle load.

このように、銅で構成された回路層は、パワーサイクルに対する信頼性は高いものの、ヒートサイクルに対する信頼性が低く、アルミニウムで構成された回路層は、ヒートサイクルに対する信頼性は高いものの、パワーサイクルに対する信頼性が低い。 Thus, although the circuit layer made of copper has high reliability with respect to the power cycle, the reliability with respect to the heat cycle is low, while the circuit layer made of aluminum has high reliability with respect to the heat cycle, the power cycle The reliability for is low.

これに対し、例えば特許文献１では、セラミックス基板にアルミニウム層またはアルミニウム合金層と銅層または銅合金層とを順に積層形成することにより、層間整合性を高め、接合を強化した積層構造を提案している。 On the other hand, for example, Patent Document 1 proposes a laminated structure in which an aluminum layer or an aluminum alloy layer and a copper layer or a copper alloy layer are sequentially laminated on a ceramic substrate to improve interlayer matching and strengthen bonding. ing.

特開２００３−７８０８６号公報JP 2003-78086 A

セラミックス基板にアルミニウム層と銅層とを積層形成する場合、セラミックス基板上にアルミニウム板を接合する工程とセラミックス基板上に接合されたアルミニウム板上に銅板を接合する工程とを別々に行う方法、セラミックス基板上にアルミニウム板および銅板を重ねて同時に接合する方法、アルミニウム層と銅層との圧延クラッド材をセラミックス基板に接合する方法などが特許文献１に提案されている。 In the case of laminating and forming an aluminum layer and a copper layer on a ceramic substrate, a method of separately performing a step of bonding an aluminum plate on the ceramic substrate and a step of bonding a copper plate on the aluminum plate bonded on the ceramic substrate, ceramics Patent Document 1 proposes a method in which an aluminum plate and a copper plate are stacked on a substrate and bonded simultaneously, a method in which a rolled clad material of an aluminum layer and a copper layer is bonded to a ceramic substrate, and the like.

しかしながら、圧延クラッド材をセラミックス基板に接合する場合、ろう付の高温によってアルミニウム層と銅層との接合界面に液相が生じ、この部分の接合強度が低下するという問題がある。このため、圧延クラッド材を用いずにセラミックス基板上にアルミニウム層および銅層を順次形成する方法が望ましい。 However, when the rolled clad material is bonded to the ceramic substrate, there is a problem that a liquid phase is generated at the bonding interface between the aluminum layer and the copper layer due to the high temperature of brazing, and the bonding strength of this portion is lowered. For this reason, a method of sequentially forming an aluminum layer and a copper layer on a ceramic substrate without using a rolled clad material is desirable.

一方、アルミニウム層と銅層をそれぞれ別の積層工程により接合する場合には、各積層工程において生じる各位置ずれやエッチング工程において生じる寸法誤差などが累積して、アルミニウム層と銅層との形状を一致させる作業性が悪く、未接合部分が生じたり位置精度が悪化したりするなどにより熱的性能が低下し、所望の性能を得られないおそれがある。アルミニウム層と銅層とを確実に接合するためには、寸法誤差を考慮してアルミニウム層を大きめに形成しておいて銅層を接合する方法が考えられるが、この場合、得られる基板のアルミニウム層が大きくなるため、基板の小型化が阻害されるという問題が生じる。 On the other hand, when the aluminum layer and the copper layer are joined by separate lamination processes, misalignment caused in each lamination process, dimensional error produced in the etching process, etc. are accumulated, and the shape of the aluminum layer and the copper layer is changed. The matching workability is poor, and there is a possibility that the thermal performance is deteriorated due to the occurrence of an unjoined portion or the positional accuracy is deteriorated, and the desired performance cannot be obtained. In order to securely bond the aluminum layer and the copper layer, a method of bonding the copper layer by forming a large aluminum layer in consideration of dimensional errors is conceivable. Since the layer becomes large, there arises a problem that miniaturization of the substrate is hindered.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、絶縁層上に複数の金属層が積層されるパワーモジュール用基板を製造するための接合体であって、所望の回路パターンを確実に形成できるパワーモジュール用基板製造のための接合体を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is a joined body for manufacturing a power module substrate in which a plurality of metal layers are laminated on an insulating layer, and a desired circuit pattern can be reliably obtained. An object of the present invention is to provide a bonded body for manufacturing a power module substrate that can be formed.

本発明は、絶縁層とこの絶縁層の一方の面に形成された回路層とを有するパワーモジュール用基板を製造するための接合体であって、絶縁層を形成するセラミックス基板の一方の面上の所定位置に、回路層を形成する所定の大きさのアルミニウム板が接合され、前記セラミックス基板上に接合された前記アルミニウム板上の所定位置に、前記アルミニウム板よりも小さい回路形状を有し前記回路層を形成する銅板が接合されてなり、前記銅板は、複数の回路パターン部とこれらの回路パターン部を接続するブリッジ部とで構成され、前記ブリッジ部の厚さが前記回路パターン部よりも小さく形成されるとともに、前記ブリッジ部の下面が前記回路パターン部の下面から凹ませられている。
この接合体において、前記ブリッジ部の上面が前記回路パターン部の上面から凹んでいることとしてもよい。
この接合体は、後述の実施形態では図９に示す構造のものが相当する。
さらに、前記回路パターン部の上にレジスト層が形成されていることとしてもよい。この接合体は、後述の実施形態では図１０に示す構造のものが相当する。
なお、パワーモジュール用基板の製造方法としては、絶縁層を形成するセラミックス基板の一方の面上の所定位置に、回路層を形成する所定の大きさのアルミニウム板を位置決めして積層載置し、前記セラミックス基板に前記アルミニウム板を接合するアルミニウム板接合工程と、前記セラミックス基板上に接合された前記アルミニウム板上の所定位置に、前記アルミニウム板よりも小さい回路形状を有し前記回路層を形成する銅板を位置決めして積層載置し、銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱し前記アルミニウム板と前記銅板とを固相拡散接合する銅板接合工程と、前記アルミニウム板上に接合された前記銅板上にレジスト層を形成するレジスト形成工程と、前記アルミニウム板における前記銅板が接合されていない周辺部をエッチング処理により除去するエッチング工程とを有する。 The present invention provides a joined body for manufacturing a power module substrate having an insulating layer and a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, on one surface of the ceramic substrate on which the insulating layer is formed. An aluminum plate of a predetermined size forming a circuit layer is bonded to a predetermined position of the circuit board, and a predetermined circuit position on the aluminum plate bonded to the ceramic substrate has a circuit shape smaller than the aluminum plate. A copper plate forming a circuit layer is joined, and the copper plate is composed of a plurality of circuit pattern portions and a bridge portion connecting these circuit pattern portions, and the thickness of the bridge portion is larger than that of the circuit pattern portion. In addition to being formed small, the lower surface of the bridge portion is recessed from the lower surface of the circuit pattern portion.
In this joined body, the upper surface of the bridge portion may be recessed from the upper surface of the circuit pattern portion.
This joined body corresponds to the structure shown in FIG.
Furthermore, a resist layer may be formed on the circuit pattern portion. This joined body corresponds to the structure shown in FIG.
As a method for manufacturing a power module substrate, an aluminum plate having a predetermined size for forming a circuit layer is positioned and stacked at a predetermined position on one surface of a ceramic substrate on which an insulating layer is formed. An aluminum plate joining step for joining the aluminum plate to the ceramic substrate, and forming the circuit layer having a circuit shape smaller than the aluminum plate at a predetermined position on the aluminum plate joined on the ceramic substrate. A copper plate is positioned and stacked, and heated at a temperature lower than the eutectic temperature of copper and aluminum to solid-phase diffusion-bond the aluminum plate and the copper plate, and on the copper plate bonded onto the aluminum plate. A resist forming step for forming a resist layer on the substrate, and etching the peripheral portion of the aluminum plate where the copper plate is not bonded. Having an etching step of removing the grayed process.

この製造方法によれば、回路形状よりも大きなアルミニウム板に銅板を接合するので、アルミニウム板に対する銅板の位置決めが容易であるとともに、アルミニウム板と銅板との間に未接合部分が生じず、接合面積を確保することにより放熱性を向上させることができる。また、アルミニウム板と銅板とが固相拡散によって強固に接合されるので、熱応力による剥離が抑制され、ヒートサイクルおよびパワーサイクルによる負荷に対する信頼性の高いパワーモジュール用基板を実現できる。 According to this manufacturing method, since the copper plate is joined to the aluminum plate larger than the circuit shape, the positioning of the copper plate with respect to the aluminum plate is easy, and an unjoined portion does not occur between the aluminum plate and the copper plate. It is possible to improve heat dissipation by ensuring the above. In addition, since the aluminum plate and the copper plate are firmly joined by solid phase diffusion, peeling due to thermal stress is suppressed, and a highly reliable power module substrate for a load caused by heat cycle and power cycle can be realized.

そして、このように製造されたパワーモジュール用基板は、熱伝導率の高い銅板上に半導体素子が搭載されることにより、半導体素子から発生する熱を銅板で面方向に広げて放散させ、パワーモジュール用基板に対するパワーサイクルによる負荷を緩和させることができるとともに、セラミックス基板と銅板との間に変形抵抗の小さいアルミニウム板が備えられることにより、セラミックス基板と銅板との熱膨張係数の差に起因する熱応力をアルミニウム板で吸収させ、パワーモジュール用基板に対するヒートサイクルによる負荷を緩和させることができる。 And the power module substrate manufactured in this way has a semiconductor element mounted on a copper plate with high thermal conductivity, thereby spreading and dissipating heat generated from the semiconductor element in the plane direction with the copper plate. The load caused by the power cycle on the industrial substrate can be alleviated and an aluminum plate having a low deformation resistance is provided between the ceramic substrate and the copper plate, so that the heat caused by the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and the copper plate can be obtained. The stress can be absorbed by the aluminum plate, and the load caused by the heat cycle on the power module substrate can be reduced.

この製造方法において、前記エッチング工程においてＦｅＣｌ_３溶液をエッチング液として用い、前記アルミニウム板の前記周辺部を除去してもよい。 In this manufacturing method, the peripheral portion of the aluminum plate may be removed by using an FeCl ₃ solution as an etchant in the etching step.

また、この製造方法において、前記銅板を複数の回路パターン部とこの回路パターン部を接続するブリッジ部とで構成し、前記ブリッジ部の厚さを前記回路パターン部よりも小さくするとともに、前記ブリッジ部の下面を前記回路パターン部の下面から凹ませておき、前記レジスト形成工程において、前記レジスト層を前記回路パターン部上に形成し、前記エッチング工程において、ＦｅＣｌ_３溶液をエッチング液として用い、前記アルミニウム板の前記周辺部を除去する間に前記銅板の前記ブリッジ部を除去してもよい。この場合、複数の回路パターンをブリッジ部により接続しているので、複数の回路パターンを一度にアルミニウム板に位置合わせして積層することが可能である。また、除去すべきアルミニウムの体積に応じてブリッジ部の厚さやエッチング時間等を適切に調整することによって、複数種の薬液を使用する必要がなく、アルミニウム板の周辺部が除去されるまでの間にブリッジ部も適切に除去することが可能となる。 Further, in this manufacturing method, the copper plate is composed of a plurality of circuit pattern portions and a bridge portion connecting the circuit pattern portions, and the bridge portion has a thickness smaller than that of the circuit pattern portion, and the bridge portion. The lower surface of the circuit pattern portion is recessed from the lower surface of the circuit pattern portion, and in the resist forming step, the resist layer is formed on the circuit pattern portion. In the etching step, an FeCl ₃ solution is used as an etching solution, and the aluminum The bridge portion of the copper plate may be removed while the peripheral portion of the plate is removed. In this case, since the plurality of circuit patterns are connected by the bridge portion, the plurality of circuit patterns can be aligned and stacked on the aluminum plate at a time. In addition, by appropriately adjusting the thickness of the bridge portion, the etching time, etc. according to the volume of aluminum to be removed, it is not necessary to use multiple types of chemicals, and until the peripheral portion of the aluminum plate is removed. In addition, the bridge portion can be appropriately removed.

あるいは、前記銅板を複数の回路パターン部とこの回路パターン部を接続するブリッジ部とで構成し、前記エッチング工程において、ＨＮＯ_３溶液をエッチング液として用いて、前記銅板の前記ブリッジ部を除去した後、ＦｅＣｌ_３溶液をエッチング液として用いて前記アルミニウム板の前記周辺部を除去してもよい。この場合、銅のみを除去するＨＮＯ_３溶液によってブリッジ部を確実に除去した後にＦｅＣｌ_３溶液によってアルミニウム板の周辺部を除去するので、エッチング時間やブリッジ部の厚さ等の設定が容易である。 Alternatively, after the copper plate is composed of a plurality of circuit pattern portions and a bridge portion connecting the circuit pattern portions, and in the etching step, the bridge portion of the copper plate is removed using an HNO ₃ solution as an etchant. The peripheral portion of the aluminum plate may be removed using an FeCl ₃ solution as an etchant. In this case, since the peripheral portion of the aluminum plate is removed with the FeCl ₃ solution after the bridge portion is reliably removed with the HNO ₃ solution that removes only copper, the etching time, the thickness of the bridge portion, and the like can be easily set.

さらに、この製造方法では、前記アルミニウム板接合工程において、前記セラミックス基板の他方の面上の所定位置に、放熱層を形成する所定の大きさの放熱用アルミニウム板を位置決めして積層載置し、この放熱用アルミニウム板を前記アルミニウム板とともに前記セラミックス基板に接合し、前記銅板接合工程において、前記セラミックス基板上に接合された前記放熱用アルミニウム板上の所定位置に、前記放熱用アルミニウム板よりも小さい所望の形状を有する放熱用銅板を位置決めして積層載置し、前記放熱用アルミニウム板と前記放熱用銅板とを固相拡散接合することにより、前記絶縁層の他方の面に、前記放熱用アルミニウム板および前記放熱用銅板が積層されてなる放熱層を形成してもよい。 Further, in this manufacturing method, in the aluminum plate joining step, a heat radiation aluminum plate having a predetermined size for forming a heat dissipation layer is positioned and stacked at a predetermined position on the other surface of the ceramic substrate, The heat radiating aluminum plate is joined to the ceramic substrate together with the aluminum plate, and is smaller than the heat radiating aluminum plate at a predetermined position on the heat radiating aluminum plate joined on the ceramic substrate in the copper plate joining step. The heat-dissipating copper plate having a desired shape is positioned and stacked, and the heat-dissipating aluminum plate and the heat-dissipating copper plate are solid-phase diffusion bonded to each other to form the heat-dissipating aluminum on the other surface of the insulating layer. A heat dissipation layer formed by laminating a plate and the heat dissipation copper plate may be formed.

この場合、放熱層の表面が銅であり、アルミニウム製のヒートシンクを比較的低温のはんだ付けにより接合できるので、各層間の接合強度を低下させるおそれがない。また、銅板接合工程において、放熱用銅板上にさらにアルミニウム製のヒートシンクを積層して加熱処理することにより、放熱用アルミニウム板と放熱用銅板とを固相拡散接合するとともに、放熱用銅板とヒートシンクとを固相拡散接合することも可能である。 In this case, the surface of the heat dissipation layer is copper, and an aluminum heat sink can be joined by soldering at a relatively low temperature, so there is no possibility of reducing the joint strength between the layers. Further, in the copper plate joining step, by further laminating an aluminum heat sink on the heat radiating copper plate and heat-treating, the heat radiating aluminum plate and the heat radiating copper plate are solid phase diffusion bonded, and the heat radiating copper plate and the heat sink It is also possible to perform solid phase diffusion bonding.

本発明によれば、セラミックス基板上にアルミニウム層と銅層とが積層されるパワーモジュール用基板において、各層間を確実に接合し、所望の回路パターンを形成することができる。これにより、パワーモジュール用基板を小型化できるとともに、放熱性を向上させることができる。 According to the onset bright, the power module substrate and the aluminum layer and the copper layer is laminated ceramic substrate, and reliably joined to each layer, it is possible to form a desired circuit pattern. As a result, the power module substrate can be miniaturized and the heat dissipation can be improved.

本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法により製造されたパワーモジュール用基板にヒートシンクおよび半導体素子が接合されてなるパワーモジュールを示す側面図である。It is a side view which shows the power module by which a heat sink and a semiconductor element are joined to the board for power modules manufactured by the manufacturing method of the board | substrate for power modules which concerns on this invention. 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態におけるアルミニウム板接合工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。It is the top view (a) and side view (b) which show the aluminum plate joining process in one Embodiment of the manufacturing method of the board | substrate for power modules which concerns on this invention. 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態における銅板接合工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。It is the top view (a) and side view (b) which show the copper plate joining process in one Embodiment of the manufacturing method of the board | substrate for power modules concerning this invention. 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態におけるレジスト形成工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。It is the top view (a) and side view (b) which show the resist formation process in one Embodiment of the manufacturing method of the board | substrate for power modules which concerns on this invention. 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態におけるエッチング工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。It is the top view (a) and side view (b) which show the etching process in one Embodiment of the manufacturing method of the board | substrate for power modules concerning this invention. 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法による他の実施形態に係るパワーモジュール用基板に半導体素子が接合されてなるパワーモジュールを示す側面図である。It is a side view which shows the power module by which a semiconductor element is joined to the board for power modules concerning other embodiments by the manufacturing method of the board for power modules concerning the present invention. パワーモジュール用基板の製造における銅とアルミニウムとの固相拡散接合の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the solid phase diffusion joining of copper and aluminum in manufacture of the board | substrate for power modules. 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の第２実施形態におけるアルミニウム板接合工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。It is the top view (a) and side view (b) which show the aluminum plate joining process in 2nd Embodiment of the manufacturing method of the board | substrate for power modules which concerns on this invention. 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の第２実施形態における銅板接合工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。It is the top view (a) and side view (b) which show the copper plate joining process in 2nd Embodiment of the manufacturing method of the board | substrate for power modules which concerns on this invention. 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の第２実施形態におけるレジスト形成工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。It is the top view (a) and side view (b) which show the resist formation process in 2nd Embodiment of the manufacturing method of the board | substrate for power modules concerning this invention. 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の第２実施形態におけるエッチング工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。It is the top view (a) and side view (b) which show the etching process in 2nd Embodiment of the manufacturing method of the board | substrate for power modules which concerns on this invention. 本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の第２実施形態によって製造されたパワーモジュール用基板を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。It is the top view (a) and side view (b) which show the board | substrate for power modules manufactured by 2nd Embodiment of the manufacturing method of the board | substrate for power modules which concerns on this invention.

以下、本発明の実施形態について説明する。図１に、本発明に係る製造方法により製造されたパワーモジュール用基板１０に半導体素子１２およびヒートシンク１４が接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール１６を示す。 The following describes the onset Akira embodiment. FIG. 1 shows a power module 16 with a heat sink in which a semiconductor element 12 and a heat sink 14 are joined to a power module substrate 10 manufactured by the manufacturing method according to the present invention.

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板２０と、セラミックス基板２０の一方の面（表面）２０ａに接合されたアルミニウム板２２と、このアルミニウム板２２に接合された銅板２４と、セラミック基板２０の他方の面（裏面）２０ｂに接合された放熱用アルミニウム板２６と、この放熱用アルミニウム板２６に接合された放熱用銅板２８とを有する。 The power module substrate 10 includes a ceramic substrate 20, an aluminum plate 22 bonded to one surface (surface) 20 a of the ceramic substrate 20, a copper plate 24 bonded to the aluminum plate 22, and the other of the ceramic substrate 20. It has a heat radiating aluminum plate 26 joined to the surface (back surface) 20 b and a heat radiating copper plate 28 joined to the heat radiating aluminum plate 26.

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板２０にアルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６を接合するアルミニウム板接合工程（図２）と、アルミニウム板２２と銅板２４および放熱用アルミニウム板２６と放熱用銅板２８とを接合する銅板接合工程（図３）と、銅板２４上および放熱用銅板２８上にレジスト層３０を形成するレジスト形成工程（図４）と、アルミニウム板２２における銅板２４が接合されていない周辺部２２ａおよび放熱用アルミニウム板２６における放熱用銅板２８が接合されていない周辺部２６ａをエッチング処理により除去するエッチング工程（図５）とを行うことにより製造される。 The power module substrate 10 includes an aluminum plate joining step (FIG. 2) for joining the aluminum plate 22 and the heat radiating aluminum plate 26 to the ceramic substrate 20, the aluminum plate 22 and the copper plate 24, the heat radiating aluminum plate 26, and the heat radiating copper plate 28. A copper plate joining step (FIG. 3), a resist forming step (FIG. 4) for forming a resist layer 30 on the copper plate 24 and the heat radiating copper plate 28, and the periphery of the aluminum plate 22 where the copper plate 24 is not joined. It is manufactured by performing the etching process (FIG. 5) which removes the peripheral part 26a to which the copper plate 28 for heat dissipation in the part 22a and the heat dissipation aluminum plate 26 is not joined.

より具体的には、まず、図２に示すアルミニウム板接合工程において、絶縁層を形成するセラミックス基板２０の表面２０ａ，裏面２０ｂ上の所定位置に、回路層を形成する所定の大きさのアルミニウム板２２およびヒートシンク１４が接合される放熱用アルミニウム板２６を位置決めして積層載置し、アルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６とセラミックス基板２０とを接合する。セラミックス基板２０に対するアルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６の位置決めは、例えばセラミックス基板２０の２辺を基準とすることができる。 More specifically, first, in the aluminum plate joining step shown in FIG. 2, an aluminum plate having a predetermined size for forming a circuit layer at a predetermined position on the front surface 20a and the back surface 20b of the ceramic substrate 20 on which the insulating layer is formed. The heat radiating aluminum plate 26 to which the heat sink 22 and the heat sink 14 are bonded is positioned and stacked, and the aluminum plate 22, the heat radiating aluminum plate 26 and the ceramic substrate 20 are bonded. Positioning of the aluminum plate 22 and the heat-dissipating aluminum plate 26 with respect to the ceramic substrate 20 can be based on, for example, two sides of the ceramic substrate 20.

セラミックス基板２０は、回路層を形成するアルミニウム板２２と放熱用アルミニウム板２６との間の電気的接続を防止する絶縁材であって、例えばＡｌＮ（窒化アルミ），ＡｌＯ_３，Ｓｉ_３Ｎ_４等で形成され、その板厚は０．２ｍｍ〜１．５ｍｍである。アルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６は例えば純度９９．９９％以上、板厚０．１ｍｍ〜１．０ｍｍのアルミニウム圧延板である。これらのアルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６とセラミックス基板２０とを、例えばＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて６４０℃〜６５０℃でろう付する。 The ceramic substrate 20 is an insulating material that prevents electrical connection between the aluminum plate 22 forming the circuit layer and the heat-dissipating aluminum plate 26. For example, AlN (aluminum nitride), AlO ₃ , Si ₃ N _4, etc. The plate thickness is 0.2 mm to 1.5 mm. The aluminum plate 22 and the heat dissipation aluminum plate 26 are, for example, aluminum rolled plates having a purity of 99.99% or more and a plate thickness of 0.1 mm to 1.0 mm. The aluminum plate 22, the heat radiating aluminum plate 26, and the ceramic substrate 20 are brazed at 640 ° C. to 650 ° C. using, for example, an Al—Si brazing material.

次に、図３に示す銅板接合工程において、セラミックス基板２０の表面２０ａ上に接合されたアルミニウム板２２上の所定位置に、アルミニウム板２２よりも小さい所望の回路形状を有しアルミニウム板２２とともに回路層を形成する銅板２４を位置決めして積層載置する。同様に、セラミックス基板２２の裏面２０ｂ上に接合された放熱用アルミニウム板２６上の所定位置に、放熱用アルミニウム板２６よりも小さい所望の形状を有し放熱用アルミニウム板２６とともに放熱層を形成する放熱用銅板２８を位置決めして積層載置する。そして、銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱し、銅板２４とアルミニウム板２２、および放熱用銅板２８と放熱用アルミニウム板２６とをそれぞれ固相拡散接合する。 Next, in the copper plate joining step shown in FIG. 3, a circuit having a desired circuit shape smaller than the aluminum plate 22 is formed at a predetermined position on the aluminum plate 22 joined on the surface 20 a of the ceramic substrate 20. The copper plate 24 forming the layer is positioned and stacked. Similarly, a heat radiation layer having a desired shape smaller than the heat dissipation aluminum plate 26 is formed at a predetermined position on the heat dissipation aluminum plate 26 joined to the back surface 20b of the ceramic substrate 22 together with the heat dissipation aluminum plate 26. The heat dissipating copper plate 28 is positioned and stacked. Then, heating is performed at a temperature lower than the eutectic temperature of copper and aluminum, and the copper plate 24 and the aluminum plate 22, and the heat-dissipating copper plate 28 and the heat-dissipating aluminum plate 26 are respectively solid-phase diffusion bonded.

銅板２４，放熱用銅板２８は、例えばセラミックス基板２０の２辺や、セラミックス基板２０に接合されたアルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６の２辺などを基準として位置決めすることができるが、いずれの場合もアルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６からはみ出さない状態とする。また、各部材の接合面は、固相拡散接合処理前に予め傷が除去されて平滑にされている。 The copper plate 24 and the heat radiating copper plate 28 can be positioned with reference to, for example, two sides of the ceramic substrate 20, the aluminum plate 22 joined to the ceramic substrate 20, and the two sides of the heat radiating aluminum plate 26. In this case, the aluminum plate 22 and the heat radiating aluminum plate 26 are not protruded. Further, the bonding surfaces of the members are smoothed by removing scratches in advance before the solid phase diffusion bonding process.

銅板２４，放熱用銅板２８は、例えば０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の厚さを有する無酸素銅の圧延板であり、セラミックス基板２０の表裏面に対して３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下で加圧保持され、４００℃以上５４８℃未満の加熱温度を５分以上２４０分以下保持する真空加熱により、アルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６に固相拡散接合される。なお、この銅板接合工程において、図３に２点鎖線で示すように、放熱用銅板２８に対してさらにアルミニウムまたはアルミニウム合金製のヒートシンク１４も同時に固相拡散接合してもよい。 Copper plate 24, the radiating copper plate 28 is, for example, a rolled plate of oxygen-free copper having a thickness of 0.1mm or more 6.0 mm, 3 kgf / cm ² or more 35 kgf / cm ² to the front and rear faces of the ceramic substrate 20 Solid-phase diffusion bonding is performed on the aluminum plate 22 and the heat-dissipating aluminum plate 26 by vacuum heating which is held under pressure and held at a heating temperature of 400 ° C. or more and less than 548 ° C. for 5 minutes or more and 240 minutes or less. In this copper plate joining step, as shown by a two-dot chain line in FIG. 3, a heat sink 14 made of aluminum or aluminum alloy may be simultaneously solid-phase diffusion joined to the heat radiating copper plate 28.

銅板２４の板厚を０．１ｍｍ以上とすることにより、半導体素子１２からの熱を銅層２４で拡げて熱をより効率的に伝達し、パワーサイクル負荷時の初期の熱抵抗を低減することができるので、パワーサイクルに対する信頼性をより高くすることができる。また、銅板２４の板厚を６．０ｍｍ以下とすることにより、回路層の剛性を低減させ、ヒートサイクル負荷時においてセラミックス基板２０に割れが生じることを抑制できる。 By setting the thickness of the copper plate 24 to 0.1 mm or more, the heat from the semiconductor element 12 is spread by the copper layer 24 to transfer the heat more efficiently, and the initial thermal resistance at the time of power cycle load is reduced. Therefore, the reliability with respect to the power cycle can be further increased. Further, by setting the thickness of the copper plate 24 to 6.0 mm or less, it is possible to reduce the rigidity of the circuit layer and to prevent the ceramic substrate 20 from being cracked during a heat cycle load.

固相拡散のための真空加熱における加熱温度は、アルミニウム板２２を構成する金属（Ａｌ）と銅板２４を構成する金属（Ｃｕ）、放熱用アルミニウム板２６を構成する金属（Ａｌ）と放熱用銅板２８を構成する金属（Ｃｕ）、ヒートシンク１４も同時に接合する場合には放熱用銅板２８を構成する金属（Ｃｕ）とヒートシンク１４を構成する金属（例えば、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）の共晶温度のうち、最も低い共晶温度（共晶温度含まず）から共晶温度−５℃の範囲が好ましい。 The heating temperature in vacuum heating for solid phase diffusion is as follows: the metal (Al) constituting the aluminum plate 22 and the metal (Cu) constituting the copper plate 24, the metal (Al) constituting the heat radiating aluminum plate 26 and the heat radiating copper plate In the case where the metal (Cu) and the heat sink 14 are also bonded at the same time, the eutectic of the metal (Cu) constituting the heat dissipation copper plate 28 and the metal (for example, Al—Mg—Si alloy) constituting the heat sink 14 is used. Among the temperatures, the range from the lowest eutectic temperature (not including the eutectic temperature) to the eutectic temperature of −5 ° C. is preferable.

ここで、アルミニウム（アルミニウム板２２、放熱用アルミニウム板２６、ヒートシンク１４）と銅（銅板２４、放熱用銅板２８）との間における固相拡散接合について、アルミニウム板２２と銅板２４との接合を例として図７を参照して説明する。アルミニウム板２２と銅板２４とは、アルミニウム板２２のアルミニウム原子と銅板２４の銅原子とが相互拡散することによって、拡散層４０を形成して接合される。この拡散層４０においては、アルミニウム板２２から銅板２４に向かうにしたがい、漸次アルミニウム原子の濃度が低くなり、かつ銅原子の濃度が高くなる濃度勾配を有する。 Here, as for solid phase diffusion bonding between aluminum (aluminum plate 22, heat dissipation aluminum plate 26, heat sink 14) and copper (copper plate 24, heat dissipation copper plate 28), the connection between aluminum plate 22 and copper plate 24 is an example. Will be described with reference to FIG. The aluminum plate 22 and the copper plate 24 are joined together by forming a diffusion layer 40 when the aluminum atoms of the aluminum plate 22 and the copper atoms of the copper plate 24 are interdiffused. The diffusion layer 40 has a concentration gradient in which the concentration of aluminum atoms gradually decreases and the concentration of copper atoms increases as it goes from the aluminum plate 22 to the copper plate 24.

拡散層４０は、ＣｕとＡｌとからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では図７に示すように、複数の金属間化合物が界面に沿って積層された構成となっている。拡散層４０は、厚さｔの平均が１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定され、アルミニウム板２２側から銅板２４側に向けて順にθ相４１、η２相４２、ζ２相４３の３種の金属間化合物が積層されている。 The diffusion layer 40 is made of an intermetallic compound composed of Cu and Al. In the present embodiment, as shown in FIG. 7, a plurality of intermetallic compounds are laminated along the interface. The diffusion layer 40 has an average thickness t in the range of 1 μm or more and 80 μm or less, preferably in the range of 5 μm or more and 80 μm or less, and in order from the aluminum plate 22 side to the copper plate 24 side, the θ phase 41, η2 Three types of intermetallic compounds of phase 42 and ζ2 phase 43 are laminated.

なお、この拡散層は、アルミニウム板２２側から銅板２４側に向けて順に、接合界面に沿って、θ相、η２相が積層し、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層した構造とされていても良い。 The diffusion layer is formed by laminating a θ phase and a η2 phase in this order from the aluminum plate 22 side to the copper plate 24 side, and at least one of the ζ2, δ, and γ2 phases. A structure in which phases are laminated may be used.

さらに、銅板２４と固相拡散接合により形成された拡散層４０との界面に沿って、酸化物４４が層状に分散している。本実施形態においては、この酸化物４４はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアルミニウム酸化物である。酸化物４４は、拡散層４０と銅板２４との界面に分断された状態で分散しており、拡散層４０と銅板２４とが直接接触している領域も存在する。なお、銅板２４と拡散層４０の界面に沿って、酸化物４４が拡散層４０の内部に層状に分散している構成とされても良い。なお、本実施形態では、銅板２４の平均結晶粒径は５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内、アルミニウム板２２の平均結晶粒径は５００μｍ以上である。 Furthermore, oxides 44 are dispersed in layers along the interface between the copper plate 24 and the diffusion layer 40 formed by solid phase diffusion bonding. In the present embodiment, the oxide 44 is an aluminum oxide such as alumina (Al ₂ O ₃ ). The oxide 44 is dispersed in a state of being divided at the interface between the diffusion layer 40 and the copper plate 24, and there is a region where the diffusion layer 40 and the copper plate 24 are in direct contact. The oxide 44 may be dispersed in the diffusion layer 40 in a layered manner along the interface between the copper plate 24 and the diffusion layer 40. In the present embodiment, the average crystal grain size of the copper plate 24 is in the range of 50 μm or more and 200 μm or less, and the average crystal grain size of the aluminum plate 22 is 500 μm or more.

次に、図４に示すレジスト形成工程において、アルミニウム板２２上に接合された銅板２４上および放熱用アルミニウム板２６上に接合された放熱用銅板２８にレジスト層３０を形成する。レジスト層３０は、例えばレジストインキを銅板２４，放熱用銅板２８の各表面にスクリーン印刷することにより形成される。 Next, in the resist forming step shown in FIG. 4, a resist layer 30 is formed on the copper plate 24 bonded on the aluminum plate 22 and the heat-dissipating copper plate 28 bonded on the heat-dissipating aluminum plate 26. The resist layer 30 is formed, for example, by screen printing a resist ink on each surface of the copper plate 24 and the heat radiating copper plate 28.

次に、図５に示すように、エッチング工程において、アルミニウム板２２における銅板２４が接合されていない周辺部２２ａ、および放熱用アルミニウム板２６における放熱用銅板２８が接合されていない周辺部２６ａをエッチング処理により除去した後、レジスト層３０を除去する。エッチング液としては、例えばアルミニウムに対して十分なエッチング性を有するＦｅＣｌ_３溶液を用いることができる。 Next, as shown in FIG. 5, in the etching process, the peripheral portion 22a of the aluminum plate 22 where the copper plate 24 is not joined and the peripheral portion 26a of the heat radiating aluminum plate 26 where the heat radiating copper plate 28 is not joined are etched. After the removal by the treatment, the resist layer 30 is removed. As the etchant, for example, an FeCl ₃ solution having sufficient etching properties for aluminum can be used.

アルミニウム板２２よりも小さい銅板２４の裏面全面がアルミニウム板２２の表面に固相拡散接合されているとともに、放熱用アルミニウム板２６よりも小さい放熱用銅板２８の裏面全面が放熱用アルミニウム板２６の表面に固相拡散接合されているので、このエッチング工程において銅板２４を超えたアルミニウム板２２の周辺部２２ａおよび放熱用銅板２８を超えた放熱用アルミニウム板２６の周辺部２６ａをエッチングで除去することにより、アルミニウム板２２と銅板２４、および放熱用アルミニウム板２６と放熱用銅板２８とが一致した形状で、セラミックス基板２０の表裏面上にそれぞれ積層接合された状態となる。 The entire back surface of the copper plate 24 smaller than the aluminum plate 22 is solid phase diffusion bonded to the surface of the aluminum plate 22, and the entire back surface of the heat dissipation copper plate 28 smaller than the heat dissipation aluminum plate 26 is the surface of the heat dissipation aluminum plate 26. In this etching step, the peripheral portion 22a of the aluminum plate 22 that exceeds the copper plate 24 and the peripheral portion 26a of the heat dissipation aluminum plate 26 that exceeds the heat dissipation copper plate 28 are removed by etching in this etching step. The aluminum plate 22 and the copper plate 24, and the heat-dissipating aluminum plate 26 and the heat-dissipating copper plate 28 coincide with each other and are laminated and bonded on the front and back surfaces of the ceramic substrate 20, respectively.

以上説明したように、本実施形態に係る製造方法によれば、セラミックス基板２０の表面２０ａ上に接合したアルミニウム板２２よりも小さな銅板２４を固相拡散接合により強固にアルミニウム板２２に接合した後に、銅板２４からはみ出したアルミニウム板２２の周辺部２２ａをエッチングにより除去するので、銅層とアルミニウム層とが確実に接合されたパワーモジュール用基板１０を得ることができる。 As described above, according to the manufacturing method according to the present embodiment, after the copper plate 24 smaller than the aluminum plate 22 bonded on the surface 20a of the ceramic substrate 20 is firmly bonded to the aluminum plate 22 by solid phase diffusion bonding. Since the peripheral portion 22a of the aluminum plate 22 protruding from the copper plate 24 is removed by etching, the power module substrate 10 in which the copper layer and the aluminum layer are reliably bonded can be obtained.

また、このように製造されたパワーモジュール用基板１０においては、アルミニウム板２２中のＡｌが銅板２４側へ、銅板２４中のＣｕがアルミニウム板２２側へと十分に相互拡散し、アルミニウム板２２と銅板２４との間に、ＣｕとＡｌの拡散層４０が形成されている。したがって、アルミニウム板２２と銅板２４とが確実に固相拡散接合され、接合強度を確保することができる。 In the power module substrate 10 manufactured in this way, Al in the aluminum plate 22 is sufficiently diffused to the copper plate 24 side, and Cu in the copper plate 24 is sufficiently diffused to the aluminum plate 22 side. Between the copper plate 24, a diffusion layer 40 of Cu and Al is formed. Therefore, the aluminum plate 22 and the copper plate 24 are reliably solid-phase diffusion bonded, and the bonding strength can be ensured.

また、銅板２４と拡散層４０との界面に沿って酸化物４４が層状に分散しているので、アルミニウム板２２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、銅板２４と拡散層４０とが確実に接合されている。 Further, since the oxides 44 are dispersed in layers along the interface between the copper plate 24 and the diffusion layer 40, the oxide film formed on the aluminum plate 22 is surely destroyed, and the mutual diffusion of Cu and Al is sufficient. As a result, the copper plate 24 and the diffusion layer 40 are reliably bonded.

さらに、拡散層４０において、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層されるので、脆い金属間化合物が大きく成長してしまうことが抑制されている。また、銅板２４中のＣｕとアルミニウム板２２中のＡｌとが相互拡散することにより、銅板２４側からアルミニウム板２２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ので、接合界面の特性を安定させることができる。具体的には、拡散層４０は、アルミニウム板２２側から銅板２４側に向けて順に、θ相４１、η２相４２、ζ２相４３の３種の金属間化合物が積層又はθ相、η２相が積層し、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層しているので、拡散層４０内部における体積変動が小さく、内部歪みが抑えられる。 Furthermore, since a plurality of intermetallic compounds are laminated along the bonding interface in the diffusion layer 40, the brittle intermetallic compound is prevented from growing greatly. In addition, since Cu in the copper plate 24 and Al in the aluminum plate 22 are interdiffused, an intermetallic compound suitable for each composition is formed in layers from the copper plate 24 side to the aluminum plate 22 side. The characteristics of the bonding interface can be stabilized. Specifically, in the diffusion layer 40, three types of intermetallic compounds of the θ phase 41, the η2 phase 42, and the ζ2 phase 43 are laminated in order from the aluminum plate 22 side to the copper plate 24 side, or the θ phase and the η2 phase are stacked. Further, since at least one of the ζ 2 phase, δ phase, and γ 2 phase is laminated, the volume fluctuation inside the diffusion layer 40 is small, and the internal strain is suppressed.

また、アルミニウム板２２および銅板２４の平均結晶粒径が比較的大きく、アルミニウム板２２の平均結晶粒径が５００μｍ以上、銅板２４の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内に設定されている。これにより、アルミニウム板２２および銅板２４に過剰な歪み等が蓄積されず、疲労特性が向上する。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１４との間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。 In addition, the average crystal grain size of the aluminum plate 22 and the copper plate 24 is relatively large, the average crystal grain size of the aluminum plate 22 is set in the range of 500 μm or more, and the average crystal grain size of the copper plate 24 is set in the range of 50 μm or more and 200 μm or less. . Thereby, excessive strain or the like is not accumulated in the aluminum plate 22 and the copper plate 24, 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 14 is improved.

さらに、拡散層４０の平均厚さｔが１μｍ以上８０μｍ以下、好ましくは５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内であることにより、ＣｕとＡｌとの相互拡散が十分に進行しており、アルミニウム板２２と銅板２４とを強固に接合できるとともに、アルミニウム板２２および銅板２４に比べて脆い金属間化合物が必要以上に成長することが抑えられ、接合界面の特性が安定する。 Furthermore, when the average thickness t of the diffusion layer 40 is in the range of 1 μm or more and 80 μm or less, preferably 5 μm or more and 80 μm or less, the mutual diffusion of Cu and Al is sufficiently advanced, and the aluminum plate 22 and the copper plate 24, the intermetallic compound that is more brittle than the aluminum plate 22 and the copper plate 24 can be prevented from growing more than necessary, and the characteristics of the bonding interface can be stabilized.

図８〜図１２に、本発明の第２実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０の製造方法を示す。この実施形態では、図９に示すように、複数の回路パターン部１２４Ａとこれらの回路パターン部１２４Ａを接続するブリッジ部１２４Ｂとで構成した銅板１２４を用いる。 8 to 12 show a method for manufacturing the power module substrate 110 according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, as shown in FIG. 9, a copper plate 124 composed of a plurality of circuit pattern portions 124A and a bridge portion 124B connecting these circuit pattern portions 124A is used.

この実施形態においても、パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板２０にアルミニウム板１２２，１２６を接合するアルミニウム板接合工程（図８）と、アルミニウム板１２２と銅板１２４とを接合する銅板接合工程（図９）と、銅板１２４の各回路パターン部１２４Ａ上にレジスト層１３０を形成するレジスト形成工程（図１０）と、アルミニウム板１２２における銅板１２４が接合されていない周辺部１２２ａをエッチング処理により除去するエッチング工程（図１１）と、銅板１２４上のレジスト層１３０を除去するレジスト除去工程（図１２）とを行うことにより製造される。 Also in this embodiment, the power module substrate 110 includes an aluminum plate joining step (FIG. 8) for joining the aluminum plates 122 and 126 to the ceramic substrate 20, and a copper plate joining step (FIG. 8) for joining the aluminum plate 122 and the copper plate 124. 9), a resist forming step (FIG. 10) for forming the resist layer 130 on each circuit pattern portion 124A of the copper plate 124, and an etching for removing the peripheral portion 122a of the aluminum plate 122 where the copper plate 124 is not bonded by etching. It is manufactured by performing a step (FIG. 11) and a resist removing step (FIG. 12) for removing the resist layer 130 on the copper plate 124.

図８に示すアルミニウム板接合工程において、絶縁層を形成するセラミックス基板２０の表裏面２０ａ，２０ｂ上の各所定位置に、回路層を形成する所定の大きさのアルミニウム板１２２および放熱用アルミニウム板１２６を位置決めして積層載置し、アルミニウム板１２２，放熱用アルミニウム板１２６とセラミックス基板２０とを接合する。セラミックス基板２０に対するアルミニウム板１２２，放熱用アルミニウム板１２６の位置決めは、例えばセラミックス基板２０の２辺を基準とすることができる。 In the aluminum plate joining step shown in FIG. 8, the aluminum plate 122 and the heat-dissipating aluminum plate 126 having a predetermined size for forming a circuit layer at respective predetermined positions on the front and back surfaces 20a and 20b of the ceramic substrate 20 forming the insulating layer. Are stacked and mounted, and the aluminum plate 122, the heat radiating aluminum plate 126, and the ceramic substrate 20 are joined. The positioning of the aluminum plate 122 and the heat-dissipating aluminum plate 126 with respect to the ceramic substrate 20 can be based on, for example, two sides of the ceramic substrate 20.

セラミックス基板２０は、回路層を形成するアルミニウム板１２２と放熱用アルミニウム板１２６との間の電気的接続を防止する絶縁材であって、例えばＡｌＮ（窒化アルミ），Ａｉ_２Ｏ_３，Ｓｉ_３Ｎ_４等で形成され、その厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍである。アルミニウム板１２２，放熱用アルミニウム板１２６は例えば純度９９．９９％以上、板厚０．１ｍｍ〜１．０ｍｍのアルミニウム圧延板である。これらのアルミニウム板１２２，放熱用アルミニウム板１２６とセラミックス基板２０とを、例えばＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて６４０℃〜６５０℃でろう付する。 The ceramic substrate 20 is an insulating material that prevents electrical connection between the aluminum plate 122 forming the circuit layer and the heat-dissipating aluminum plate 126. For example, AlN (aluminum nitride), Ai ₂ O ₃ , Si ₃ N ₄ etc., and the thickness is 0.2 mm to 1.5 mm. The aluminum plate 122 and the heat radiating aluminum plate 126 are, for example, rolled aluminum plates having a purity of 99.99% or more and a thickness of 0.1 mm to 1.0 mm. The aluminum plate 122, the heat radiating aluminum plate 126, and the ceramic substrate 20 are brazed at 640 ° C. to 650 ° C. using, for example, an Al—Si brazing material.

図９に示す銅板接合工程において、セラミックス基板１２２上に接合されたアルミニウム板１２２上の所定位置に、アルミニウム板１２２よりも小さい銅板１２４を位置決めして積層載置し、銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱し固相拡散接合する。この銅板１２４は、ブリッジ部１２４Ｂによって複数の回路パターン部１２４Ａが接続された形状であるので、各回路パターン部１２４Ａをそれぞれ位置決めする作業は不要である。固相拡散接合については、前記実施形態と同様であるのでここでは説明を省略する。 In the copper plate bonding step shown in FIG. 9, a copper plate 124 smaller than the aluminum plate 122 is positioned and stacked at a predetermined position on the aluminum plate 122 bonded to the ceramic substrate 122, and the eutectic temperature of copper and aluminum is placed. Heat at less than that and solid phase diffusion bonding. Since the copper plate 124 has a shape in which a plurality of circuit pattern portions 124A are connected by the bridge portion 124B, it is not necessary to position each circuit pattern portion 124A. Since the solid phase diffusion bonding is the same as in the above embodiment, the description thereof is omitted here.

本実施形態において、銅板１２４は、ブリッジ部１２４Ｂの厚さを回路パターン部１２４Ａよりも小さくするとともに、ブリッジ部１２４Ｂの下面を回路パターン部１２４Ａの下面から凹ませておく。つまり、銅板１２４の各回路パターン部１２４Ａがアルミニウム板１２２に接合された状態において、各ブリッジ部１２４Ｂはアルミニウム板１２２の上面から離間し、浮いた状態となっている。さらに、図示例のブリッジ部１２４Ｂは、上面も回路パターン部１２４Ｂの上面から凹んでいる。この銅板１２４において、回路パターン部１２４Ａの厚さは０．１ｍｍ〜６ｍｍ、ブリッジ部１２４Ｂの厚さは０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度が好ましい。 In the present embodiment, the copper plate 124 has the thickness of the bridge portion 124B smaller than that of the circuit pattern portion 124A, and the lower surface of the bridge portion 124B is recessed from the lower surface of the circuit pattern portion 124A. That is, in a state where each circuit pattern portion 124 A of the copper plate 124 is bonded to the aluminum plate 122, each bridge portion 124 B is separated from the upper surface of the aluminum plate 122 and is in a floating state. Furthermore, the bridge portion 124B in the illustrated example has a top surface that is also recessed from the top surface of the circuit pattern portion 124B. In this copper plate 124, the thickness of the circuit pattern portion 124A is preferably about 0.1 mm to 6 mm, and the thickness of the bridge portion 124B is preferably about 0.05 mm to 0.2 mm.

銅板１２４は、回路パターン部１２４Ａがセラミックス基板２０の表面２０ａに対して３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下で加圧保持され、４００℃以上５４８℃未満の加熱温度を５分以上２４０分以下保持する真空加熱により、アルミニウム板１２２に固相拡散接合される。 Copper plate 124 is the circuit pattern portion 124A is 3 kgf / cm ² or more 35 kgf / cm ² or less in a pressurized held against the surface 20a of the ceramic substrate 20, the following 240 minutes or 5 minutes heating temperature below 400 ° C. or higher 548 ° C. Solid-phase diffusion bonding is performed on the aluminum plate 122 by vacuum heating.

次に、図１０に示すレジスト形成工程において、アルミニウム板１２２上に接合された銅板１２４の各回路パターン部１２４Ａ上に、レジスト層１３０を形成する。図１０（ａ）において、レジスト層１３０をハッチングで示す。レジスト層１３０は、例えばレジストインキを銅板１２４の各回路パターン部１２４Ａの上面にスクリーン印刷することにより形成される。このとき、回路パターン部１２４Ａから１段凹んで設けられた各ブリッジ部１２４Ｂ上には、レジスト層１３０は形成されない。 Next, in the resist formation step shown in FIG. 10, a resist layer 130 is formed on each circuit pattern portion 124 A of the copper plate 124 bonded to the aluminum plate 122. In FIG. 10A, the resist layer 130 is indicated by hatching. The resist layer 130 is formed, for example, by screen printing resist ink on the upper surface of each circuit pattern portion 124 A of the copper plate 124. At this time, the resist layer 130 is not formed on each bridge portion 124B provided to be recessed by one step from the circuit pattern portion 124A.

次に、図１１に示すエッチング工程において、ＦｅＣｌ_３溶液をエッチング液として用い、アルミニウム板１２２の周辺部１２２ａを除去する間に、銅板１２４のブリッジ部１２４Ｂを除去する。図１１において、除去される周辺部１２２ａおよびブリッジ部１２４Ｂをハッチングおよび２点鎖線で示す。 Next, in the etching step shown in FIG. 11, the bridge portion 124B of the copper plate 124 is removed while the peripheral portion 122a of the aluminum plate 122 is removed using the FeCl ₃ solution as an etching solution. In FIG. 11, the peripheral portion 122a and the bridge portion 124B to be removed are indicated by hatching and a two-dot chain line.

ＦｅＣｌ_３溶液の銅に対するエッチング性は、アルミニウムに対するエッチング性に比較すると弱いが、アルミニウム板１２２の厚さ（０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ）に対して銅板１２４のブリッジ部１２４Ｂの厚さ（０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ）が小さく、またブリッジ部１２４Ｂの上下面がエッチング液に触れるようにセラミックス基板２０から離間して設けられているため、ＦｅＣｌ_３溶液によってアルミニウム板１２２の周辺部１２２ａが除去される間にブリッジ部１２４Ｂを除去することができる。 Etching with respect FeCl ₃ solution copper is weak when compared to the etching with respect to aluminum, the thickness of the aluminum plate 122 (0.1 mm to 1.0 mm) with respect to the bridge portion the thickness of the 124B of the copper plate 124 (0. 05mm to 0.2mm) and the upper and lower surfaces of the bridge portion 124B are spaced apart from the ceramic substrate 20 so as to come into contact with the etching solution, so that the peripheral portion 122a of the aluminum plate 122 is removed by the FeCl ₃ solution. In the meantime, the bridge portion 124B can be removed.

アルミニウム板１２２よりも小さい各回路パターン部１２４Ａの裏面がアルミニウム板１２２の表面に固相拡散接合されているので、このエッチング工程において回路パターン部１２４Ａを超えたアルミニウム板１２２の周辺部１２２ａをエッチングで除去することにより、アルミニウム板１２２と各回路パターン部１２４Ａとが一致した形状でセラミックス基板２０上に積層接合された状態となる。 Since the back surface of each circuit pattern portion 124A smaller than the aluminum plate 122 is solid phase diffusion bonded to the surface of the aluminum plate 122, the peripheral portion 122a of the aluminum plate 122 beyond the circuit pattern portion 124A is etched by this etching process. By removing, the aluminum plate 122 and each circuit pattern portion 124 A are laminated and bonded onto the ceramic substrate 20 in a matching shape.

そして、レジスト層１３０を除去することにより、図１２に示すように、複数の回路パターン部１２４Ａがアルミニウム板１２２を介して１枚のセラミックス基板２０に対して確実に接合されたパワーモジュール用基板１１０を得ることができる。この実施形態によれば、回路パターン部１２４Ａが複数であっても位置決めが容易であり、またエッチング液が１種類で足りるので簡易な設備や工程による製造が可能である。 Then, by removing the resist layer 130, a power module substrate 110 in which a plurality of circuit pattern portions 124A are reliably bonded to one ceramic substrate 20 via an aluminum plate 122 as shown in FIG. Can be obtained. According to this embodiment, positioning is easy even if there are a plurality of circuit pattern portions 124A, and since only one type of etching solution is required, manufacturing with simple equipment and processes is possible.

なお、ブリッジ部１２４Ｂによって複数の回路パターン部１２４Ａが接続された銅板１２４を用いる場合、エッチング工程においてＨＮＯ_３溶液をエッチング液として用いて銅板１２４の各ブリッジ部１２４Ｂを除去した後、ＦｅＣｌ_３溶液をエッチング液として用いてアルミニウム板１２２の周辺部１２２ａを除去してもよい。 In addition, when using the copper plate 124 to which the plurality of circuit pattern portions 124A are connected by the bridge portion 124B, after removing each bridge portion 124B of the copper plate 124 using an HNO ₃ solution as an etchant in the etching process, an FeCl ₃ solution is used. The peripheral portion 122a of the aluminum plate 122 may be removed by using it as an etching solution.

この場合は、回路パターン部１２４Ａとブリッジ部１２４Ｂとの厚さの差は必要なく、ブリッジ部１２４Ｂの下面がアルミニウム板１２２に接していてもよい。また、ブリッジ部１２４Ｂの上面は回路パターン部１２４Ｂの上面から凹んでいなくてもよいが、レジスト層１３０は回路パターン部１２４Ａの上面にのみ形成され、ブリッジ部１２４Ｂ上には形成されない。 In this case, the difference in thickness between the circuit pattern portion 124A and the bridge portion 124B is not necessary, and the lower surface of the bridge portion 124B may be in contact with the aluminum plate 122. Further, the upper surface of the bridge portion 124B may not be recessed from the upper surface of the circuit pattern portion 124B, but the resist layer 130 is formed only on the upper surface of the circuit pattern portion 124A and not on the bridge portion 124B.

また、本発明の他の実施形態として図６に示すように、放熱用銅板２９が放熱用アルミニウム板２６よりも大きい構成のパワーモジュール用基板１１を製造し、これに半導体素子１２を接合してなるパワーモジュール１７を製造することもできる。この場合、銅板接合工程後のエッチング工程において、裏面の放熱用銅板２９はエッチングしない。さらに、放熱用銅板を設けない構成とすることもできる。 As another embodiment of the present invention, as shown in FIG. 6, a power module substrate 11 having a heat dissipation copper plate 29 larger than the heat dissipation aluminum plate 26 is manufactured, and a semiconductor element 12 is bonded thereto. A power module 17 can be manufactured. In this case, the heat-dissipating copper plate 29 on the back surface is not etched in the etching step after the copper plate joining step. Furthermore, it can also be set as the structure which does not provide the copper plate for heat dissipation.

なお、上記実施形態では、純度９９．９９％のアルミニウム板を用いたが、これに限らず、純度９９％又は純度９９．９％のアルミニウム板やアルミニウム合金からなる板を用いることもできる。また、無酸素銅からなる銅板を用いたが、これに限らず、他の純銅からなる銅板又は銅合金からなる銅板を用いることもできる。 In the above embodiment, an aluminum plate having a purity of 99.99% is used. However, the present invention is not limited to this, and an aluminum plate having a purity of 99% or 99.9% or a plate made of an aluminum alloy can also be used. Moreover, although the copper plate which consists of oxygen-free copper was used, it is not restricted to this, The copper plate which consists of another pure copper or the copper plate which consists of copper alloys can also be used.

（実施例１）
アルミニウム板接合工程として、絶縁層を形成するセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、板厚０．６３５ｍｍのＡｌＮ）の表裏面の所定位置に、アルミニウム板（３８ｍｍ×３８ｍｍ、板厚０．２５ｍｍの４Ｎ−Ａｌ）を位置決めして積層載置し、Ａｌ−Ｓｉろう箔（厚さ１４μｍ）を介し、積層方向に０．３ＭＰａの圧力を加え、温度６４０℃で４０分加熱して接合した。 Example 1
As an aluminum plate joining step, an aluminum plate (38 mm × 38 mm, plate thickness 0.25 mm, 4N-Al) is formed at a predetermined position on the front and back surfaces of a ceramic substrate (40 mm × 40 mm, plate thickness 0.635 mm AlN) forming an insulating layer. ) Was positioned and stacked, and a pressure of 0.3 MPa was applied in the stacking direction via an Al—Si brazing foil (thickness: 14 μm), and heating was performed at a temperature of 640 ° C. for 40 minutes for bonding.

銅板接合工程として、セラミックス基板上に接合された一方のアルミニウム板の所定位置に、回路層を形成する銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、板厚０．３ｍｍ、無酸素銅）を位置決めして積層載置し、積層方向に１ＭＰａの圧力を加え、温度５４０℃で９０分加熱し、固相拡散接合した。なお、加熱は真空加熱炉内で１×１０^−２Ｐａで行った。 As a copper plate joining step, a copper plate (37 mm × 37 mm, plate thickness 0.3 mm, oxygen-free copper) for forming a circuit layer is positioned and laminated at a predetermined position of one aluminum plate joined on a ceramic substrate. Then, a pressure of 1 MPa was applied in the laminating direction and heated at a temperature of 540 ° C. for 90 minutes to perform solid phase diffusion bonding. The heating was performed at 1 × 10 ⁻² Pa in a vacuum heating furnace.

レジスト形成工程として、アルミニウム板上に接合された銅板上に、回路寸法３７ｍｍ×３７ｍｍのレジスト層を印刷により形成した。レジストとしては太陽インキ製造株式会社製Ｘ−８７（商品名）を用いた。そして、エッチング工程として、ＦｅＣｌ_３溶液をエッチング液として用い、アルミニウム板における銅板が接合されていない周辺部をエッチングにより除去した。この結果、セラミックス基板に対して寸法精度の優れた回路パターンを確保できた。 As a resist formation step, a resist layer having a circuit size of 37 mm × 37 mm was formed on a copper plate bonded on an aluminum plate by printing. X-87 (trade name) manufactured by Taiyo Ink Manufacturing Co., Ltd. was used as the resist. Then, as an etching process, an FeCl ₃ solution was used as an etching solution, and the peripheral portion of the aluminum plate where the copper plate was not joined was removed by etching. As a result, it was possible to secure a circuit pattern with excellent dimensional accuracy for the ceramic substrate.

（実施例２）
実施例１と同じ方法により、セラミック基板の表裏面に板厚０．２５ｍｍのアルミニウム板を接合し、接合されたアルミニウム板に対して、回路パターン部の板厚０．３ｍｍ、ブリッジ部の板厚０．１５ｍｍの銅板を実施例１と同様の方法で固相拡散接合して、ＦｅＣｌ_３溶液でエッチング工程を行ったところ、９分間で銅板のブリッジ部およびアルミニウム板の周辺部を除去することにより、セラミックス基板に対して寸法精度の優れた回路パターンを確保できた。 (Example 2)
In the same manner as in Example 1, an aluminum plate having a thickness of 0.25 mm was joined to the front and back surfaces of the ceramic substrate, and the board thickness of the circuit pattern portion was 0.3 mm and the thickness of the bridge portion was compared to the joined aluminum plate. A 0.15 mm copper plate was solid phase diffusion bonded in the same manner as in Example 1 and an etching process was performed with an FeCl ₃ solution. By removing the bridge portion of the copper plate and the peripheral portion of the aluminum plate in 9 minutes, As a result, it was possible to secure a circuit pattern with excellent dimensional accuracy for ceramic substrates.

（実施例３）
実施例１と同じ方法により、セラミック基板の表裏面に板厚０．２５ｍｍのアルミニウム板を接合し、接合されたアルミニウム板に対して、回路パターン部の板厚０．３ｍｍ、ブリッジ部の板厚０．１５ｍｍの銅板を接合して、ＨＮＯ_３溶液でまずブリッジ部を除去した後、ＦｅＣｌ_３溶液でエッチング工程を行ったところ、７分間でアルミニウム板の周辺部を除去でき、セラミックス基板に対して寸法精度の優れた回路パターンを確保できた。 (Example 3)
In the same manner as in Example 1, an aluminum plate having a thickness of 0.25 mm was joined to the front and back surfaces of the ceramic substrate, and the board thickness of the circuit pattern portion was 0.3 mm and the thickness of the bridge portion was compared to the joined aluminum plate. After joining the 0.15 mm copper plate and removing the bridge portion with HNO ₃ solution first, the etching process was performed with FeCl ₃ solution, and the peripheral portion of the aluminum plate could be removed in 7 minutes. A circuit pattern with excellent dimensional accuracy could be secured.

以上説明したように、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板上に複数の金属層が積層されるパワーモジュール用基板において、各層間を確実に接合できるとともに、所望の回路パターンを高い寸法精度で確実に形成できるので、搭載された半導体素子からの放熱性を向上させ、パワーモジュール用基板の小型が実現できる。 As described above, according to the method for manufacturing a power module substrate of the present invention, in a power module substrate in which a plurality of metal layers are laminated on a ceramic substrate, each layer can be reliably bonded and a desired circuit can be obtained. Since the pattern can be reliably formed with high dimensional accuracy, the heat dissipation from the mounted semiconductor element can be improved, and the power module substrate can be miniaturized.

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば放熱層は、銅板を含む構成と、銅板を含まずアルミニウム板のみで形成する構成と、いずれの形態であってもよい。 In addition, this invention is not limited to the thing of the structure of the said embodiment, In a detailed structure, it is possible to add a various change in the range which does not deviate from the meaning of this invention. For example, the heat dissipation layer may have either a configuration including a copper plate or a configuration including only an aluminum plate without including a copper plate.

１０，１１パワーモジュール用基板
１２半導体素子
１４ヒートシンク
１６ヒートシンク付パワーモジュール
１７パワーモジュール
２０セラミックス基板（絶縁層）
２０ａ一方の面（表面）
２０ｂ他方の面（裏面）
２２アルミニウム板（回路層）
２２ａ周辺部
２４銅板（回路層）
２６放熱用アルミニウム板（放熱層）
２６ａ周辺部
２８，２９放熱用銅板（放熱層）
３０レジスト層
４０拡散層
４１ θ相
４２ η２相
４３ ζ２相
４４酸化物
１１０パワーモジュール用基板
１２２アルミニウム板（回路層）
１２２ａ周辺部
１２４銅板（回路層）
１２４Ａ回路パターン部
１２４Ｂブリッジ部
１２６アルミニウム板（放熱層）
１３０レジスト層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 11 Power module substrate 12 Semiconductor element 14 Heat sink 16 Power module 17 with heat sink Power module 20 Ceramic substrate (insulating layer)
20a One side (surface)
20b The other side (back side)
22 Aluminum plate (circuit layer)
22a peripheral part 24 copper plate (circuit layer)
26 Aluminum plate for heat dissipation (heat dissipation layer)
26a Peripheral part 28, 29 Copper plate for heat dissipation (heat dissipation layer)
30 Resist layer 40 Diffusion layer 41 θ phase 42 η2 phase 43 ζ2 phase 44 Oxide 110 Power module substrate 122 Aluminum plate (circuit layer)
122a peripheral part 124 copper plate (circuit layer)
124A Circuit pattern portion 124B Bridge portion 126 Aluminum plate (heat radiation layer)
130 resist layer

Claims

A joined body for manufacturing a power module substrate having an insulating layer and a circuit layer formed on one surface of the insulating layer,
An aluminum plate having a predetermined size for forming the circuit layer is bonded to a predetermined position on one surface of the ceramic substrate forming the insulating layer,
A copper plate having a circuit shape smaller than the aluminum plate and forming the circuit layer is bonded to a predetermined position on the aluminum plate bonded on the ceramic substrate ,
The copper plate is composed of a plurality of circuit pattern portions and a bridge portion connecting these circuit pattern portions, and the bridge portion is formed to have a thickness smaller than that of the circuit pattern portion, and the lower surface of the bridge portion is A joined body for manufacturing a power module substrate, which is recessed from a lower surface of the circuit pattern portion .

The joined body for manufacturing a power module substrate according to claim 1, wherein an upper surface of the bridge portion is recessed from an upper surface of the circuit pattern portion .

Conjugate for claim 1 or 2 substrate manufacturing a power module, wherein the resist layer is formed on the circuit pattern part.