JP6471465B2 - Power module board with cooler - Google Patents

Power module board with cooler Download PDF

Info

Publication number
JP6471465B2
JP6471465B2 JP2014229044A JP2014229044A JP6471465B2 JP 6471465 B2 JP6471465 B2 JP 6471465B2 JP 2014229044 A JP2014229044 A JP 2014229044A JP 2014229044 A JP2014229044 A JP 2014229044A JP 6471465 B2 JP6471465 B2 JP 6471465B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal layer
heat dissipation
substrate
copper
power module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2014229044A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016092359A (en
Inventor
智哉 大開
智哉 大開
宗太郎 大井
宗太郎 大井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
Priority to JP2014229044A priority Critical patent/JP6471465B2/en
Publication of JP2016092359A publication Critical patent/JP2016092359A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6471465B2 publication Critical patent/JP6471465B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

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

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられる冷却器付パワーモジュール用基板に関する。 The present invention relates to a power module substrate with a cooler used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.

従来のパワーモジュール用基板としては、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、この回路層の上に半導体素子等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に金属層を介してヒートシンク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用いられている。このような構成のパワーモジュール用基板においては、各種構成部材の熱膨張係数の違いにより、反りが生じるという問題がある。   As a conventional power module substrate, a circuit layer is formed on one surface of a ceramic substrate serving as an insulating layer, and an electronic component such as a semiconductor element is soldered on the circuit layer. A power module substrate with a heat sink in which a heat sink is bonded to the surface via a metal layer is used. In the power module substrate having such a configuration, there is a problem that warpage occurs due to differences in thermal expansion coefficients of various components.

このような問題を受け、特許文献１では、絶縁層となる第一のセラミックス板に加え第二のセラミックス板を設け、その間に横方向へ熱を広げる熱拡散板（金属板）を設けた絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）が開示されている。この絶縁回路基板は、熱拡散板との積層構造とすることで、剛性を高め、反りを抑制することが可能とされている。
一方、特許文献２では、絶縁層となる第一のセラミックス板に加え、セラミックス板からなる強化材をともに鋳型に設置し、アルミニウムからなる金属溶湯を流し込むことで金属−セラミックス接合基板（パワーモジュール用基板）を作製している。 In response to such problems, in Patent Document 1, in addition to the first ceramic plate serving as the insulating layer, a second ceramic plate is provided, and a heat diffusion plate (metal plate) that spreads heat in the lateral direction is provided therebetween. A circuit board (power module board) is disclosed. This insulating circuit board has a laminated structure with a heat diffusing plate, thereby increasing rigidity and suppressing warpage.
On the other hand, in Patent Document 2, a metal-ceramic bonding substrate (for a power module) is prepared by placing a reinforcing material made of a ceramic plate together with a first ceramic plate serving as an insulating layer in a mold and pouring a molten metal made of aluminum. Substrate).

特開２００３−８６７４７号公報JP 2003-86747 A 特許第５３８９５９５号公報Japanese Patent No. 5389595

しかし、特許文献１に記載のパワーモジュール用基板では、全ての金属層としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いた場合、セラミックス板を複数枚使用することから熱抵抗が上昇する問題があった。また、全ての金属層として銅または銅合金を用いた場合、実装工程の温度履歴を与えた際に、セラミックス板に割れが生じる問題があった。また、特許文献２に記載のパワーモジュール用基板では、回路層や絶縁層であるセラミックス基板の面積に対し、より大きい面積の強化材としてのセラミックス板を用いると、実装工程の温度履歴を与えた際に、強化材としてのセラミックス板が割れる問題がある。   However, in the power module substrate described in Patent Document 1, when aluminum or an aluminum alloy is used as all the metal layers, there is a problem in that the thermal resistance increases because a plurality of ceramic plates are used. Further, when copper or a copper alloy is used as all the metal layers, there is a problem that the ceramic plate is cracked when the temperature history of the mounting process is given. Further, in the power module substrate described in Patent Document 2, the use of a ceramic plate as a reinforcing material having a larger area than the area of the ceramic substrate that is a circuit layer or an insulating layer gave a temperature history of the mounting process. In this case, there is a problem that the ceramic plate as the reinforcing material breaks.

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、反りを抑制した上で、良好な放熱性能を持ち、セラミックス板の割れが生じない信頼性の高い冷却器付パワーモジュール用基板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 a highly reliable power module substrate with a cooler that has good heat dissipation performance and does not cause cracking of a ceramic plate while suppressing warpage. The purpose is to provide.

本発明の冷却器付パワーモジュール用基板は、パワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板が取り付けられた冷却器とを有する冷却器付パワーモジュール用基板であって、前記パワーモジュール用基板は、銅又は銅合金又はアルミニウム合金からなる放熱基板の両面に、第１金属層を介してセラミックス板がそれぞれ接合されるとともに、一方のセラミックス板の前記第１金属層とは反対面に回路層が接合され、他方のセラミックス板の前記第１金属層とは反対面に第２金属層が接合されてなり、前記放熱基板と前記第１金属層とが異種材料又は同種で異質な材料からなり、前記放熱基板又は前記回路層のいずれかが銅又は銅合金からなり、前記放熱基板、前記第１金属層、前記回路層又は前記第２金属層の内いずれかの組合せが異種材料であり、前記放熱基板の厚さが前記第１金属層及び前記第２金属層よりも厚く、前記セラミックス板の面積が前記放熱基板の面積より小さく形成されており、前記冷却器に、前記放熱基板において前記セラミックス板から外方に張り出している部分が固定されている。 The power module substrate with a cooler of the present invention is a power module substrate with a cooler having a power module substrate and a cooler to which the power module substrate is attached, and the power module substrate includes: A ceramic plate is bonded to both surfaces of a heat dissipation substrate made of copper, copper alloy, or aluminum alloy via a first metal layer, and a circuit layer is bonded to the opposite surface of the first ceramic plate to the first metal layer. A second metal layer is bonded to the opposite surface of the other ceramic plate to the first metal layer, and the heat dissipation substrate and the first metal layer are made of different materials or the same kind of different materials, Either the heat dissipation substrate or the circuit layer is made of copper or a copper alloy, and any combination of the heat dissipation substrate, the first metal layer, the circuit layer, and the second metal layer is provided. A seed material, wherein a thickness of the first metal layer of the radiating board and thicker than the second metal layer, the area of the ceramic plate is formed rather smaller than the area of the heat radiation substrate, the cooler The portion of the heat radiating board that protrudes outward from the ceramic plate is fixed.

本発明では、厚い放熱基板を有していることで、製造時の反りだけではなく半導体素子をはんだ付けする時の反りをも抑制でき、また、厚い放熱基板が熱拡散板として速やかに熱を拡散するので従来構造に比べ良好な放熱性能を持ち、さらに、厚い放熱基板に第１金属層を介して放熱基板より小さい面積のセラミックス板が接合されているので、セラミックス板へかかる応力が小さくセラミックス板の割れも発生しない。
なお、上述の同種で異質な材料とは、例えば純アルミニウムとアルミニウム合金の組合せや純銅と銅合金の組合せ等をさすものとする。 In the present invention, the thick heat dissipation board can suppress not only the warpage during manufacturing but also the warpage when soldering the semiconductor element, and the thick heat dissipation board can quickly heat as a heat diffusion plate. Because it diffuses, it has better heat dissipation performance than the conventional structure. Furthermore, since a ceramic plate with a smaller area than the heat dissipation substrate is bonded to the thick heat dissipation substrate via the first metal layer, the stress applied to the ceramic plate is small. There is no cracking of the plate.
Note that the above-mentioned same and different materials refer to, for example, a combination of pure aluminum and an aluminum alloy, a combination of pure copper and a copper alloy, or the like.

また本発明の冷却器付パワーモジュール用基板は、前記放熱基板が銅又は銅合金で形成され、前記第１金属層及び前記第２金属層及び前記回路層がアルミニウムで形成されているとよい。
このパワーモジュール用基板は、厚い放熱基板が銅又は銅合金よりなることで、全体の剛性が高くなり、銅は熱伝導性も良いので反りも少なく高い放熱性能が得られる。 Moreover, the board | substrate for power modules with a cooler of this invention WHEREIN: The said thermal radiation board | substrate is good to be formed with copper or a copper alloy, and it is good for the said 1st metal layer, the said 2nd metal layer, and the said circuit layer to be formed with aluminum.
In this power module substrate, the thick heat dissipation substrate is made of copper or a copper alloy, so that the overall rigidity is increased. Since copper has good thermal conductivity, warpage is small and high heat dissipation performance can be obtained.

また本発明の冷却器付パワーモジュール用基板は、前記放熱基板がアルミニウム合金で形成され、前記第１金属層及び前記第２金属層及び前記回路層が銅又は銅合金で形成されてもよい。
このパワーモジュール用基板は、半導体素子の直下に位置する回路層が銅又は銅合金で形成されているので、半導体素子で生じる熱を速やかに拡散放熱することができる。 Moreover, as for the board | substrate for power modules with a cooler of this invention, the said thermal radiation board | substrate may be formed with an aluminum alloy, and the said 1st metal layer, the said 2nd metal layer, and the said circuit layer may be formed with copper or a copper alloy.
In the power module substrate, since the circuit layer located immediately below the semiconductor element is formed of copper or a copper alloy, the heat generated in the semiconductor element can be quickly diffused and dissipated.

また本発明の冷却器付パワーモジュール用基板は、前記放熱基板がアルミニウム合金で形成され、前記第１金属層が純アルミニウムで形成され、前記第２金属層及び前記回路層が銅又は銅合金で形成されていてもよい。
このパワーモジュール用基板は、半導体素子の直下に位置する回路層が銅又は銅合金で形成されているので、半導体素子で生じる熱を速やかに拡散放熱することができる。また、厚い放熱基板と第１金属層とがアルミニウム金属同士であることから接合が容易となり製造コストを低く抑えることができる。 In the power module substrate with a cooler of the present invention, the heat dissipation substrate is formed of an aluminum alloy, the first metal layer is formed of pure aluminum, and the second metal layer and the circuit layer are copper or a copper alloy. It may be formed.
In the power module substrate, since the circuit layer located immediately below the semiconductor element is formed of copper or a copper alloy, the heat generated in the semiconductor element can be quickly diffused and dissipated. Further, since the thick heat dissipation substrate and the first metal layer are made of aluminum metal, the joining becomes easy and the manufacturing cost can be kept low.

本発明によれば、反りを抑制した上で良好な放熱性能を持ちセラミックス板の割れが生じない信頼性の高いパワーモジュール用基板を得ることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the board | substrate for power modules with high reliability which has favorable heat dissipation performance, the crack of a ceramic board does not arise, after suppressing curvature can be obtained.

本発明のパワーモジュール用基板の第１実施形態の製造方法を工程毎に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of 1st Embodiment of the board | substrate for power modules of this invention for every process. 本発明のパワーモジュール用基板の第２実施形態の製造方法を工程毎に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of 2nd Embodiment of the board | substrate for power modules of this invention for every process. 本発明のパワーモジュール用基板の第３実施形態の製造方法を工程毎に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of 3rd Embodiment of the board | substrate for power modules of this invention for every process. 本発明のパワーモジュール用基板の他の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows other embodiment of the board | substrate for power modules of this invention. 図４同様本発明のパワーモジュール用基板の他の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows other embodiment of the board | substrate for power modules of this invention like FIG. 本発明の製造方法に用いる加圧装置の正面図である。It is a front view of the pressurization apparatus used for the manufacturing method of the present invention.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
図１（ｄ）に示す第１実施形態のパワーモジュール用基板１０は、回路用構造部１１と放熱用構造部１２と放熱基板１３とを備えており、この回路用構造部１１の表面に半導体素子等の電子部品１４が搭載されることにより、パワーモジュール１５が製造される。
回路用構造部１１は、絶縁層としてのセラミックス板１６と、セラミックス板１６の一方の面に接合された回路層１８と、セラミックス板１６の他方の面に接合された第１金属層１７とを備える。
放熱用構造部１２は、セラミックス板２１と、セラミックス板２１の一方の面に接合された第２金属層２０と、セラミックス板２１の他方の面に接合された第１金属層１９とを備える。
セラミックス板１６，２１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用いることができ、厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定することができる。
第１金属層１７，１９は、例えば、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）や純度９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）のアルミニウム板を用いることができ、厚さは０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内に設定することができる。
回路層１８と第２金属層２０も第１金属層１７，１９と同様に、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）や純度９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）のアルミニウム板を用いることができ、厚さは０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内に設定することができる。
放熱基板１３は、無酸素銅、タフピッチ銅等の純銅又はＣｕ−Ｚｒ系などの銅合金により形成され、放熱板として機能するものであるとともにパワーモジュール用基板１０を冷却器３０等に固定するための強度部材としても機能するので、上述した他のいずれの構成材よりも厚く０．３ｍｍ〜６．０ｍｍの範囲内に設定されている。また、面積は、セラミックス板１６，２１よりも広く形成されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<First Embodiment>
A power module substrate 10 according to the first embodiment shown in FIG. 1 (d) includes a circuit structure portion 11, a heat dissipation structure portion 12, and a heat dissipation substrate 13, and a semiconductor is formed on the surface of the circuit structure portion 11. The power module 15 is manufactured by mounting the electronic component 14 such as an element.
The circuit structure portion 11 includes a ceramic plate 16 as an insulating layer, a circuit layer 18 bonded to one surface of the ceramic plate 16, and a first metal layer 17 bonded to the other surface of the ceramic plate 16. Prepare.
The heat dissipation structure 12 includes a ceramic plate 21, a second metal layer 20 bonded to one surface of the ceramic plate 21, and a first metal layer 19 bonded to the other surface of the ceramic plate 21.
The ceramic plates 16 and 21 can be made of, for example, nitride ceramics such as AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), or oxide ceramics such as Al 2 O 3 (alumina). The thickness can be set within a range of 0.2 mm to 1.5 mm.
For the first metal layers 17 and 19, for example, an aluminum plate made of aluminum having a purity of 99.99% by mass or more (so-called 4N aluminum) or aluminum having a purity of 99% by mass or more (so-called 2N aluminum) can be used. It can be set within a range of 0.1 mm to 1.0 mm.
Similarly to the first metal layers 17 and 19, the circuit layer 18 and the second metal layer 20 are made of aluminum having a purity of 99.99 mass% or more (so-called 4N aluminum) or aluminum having a purity of 99 mass% or more (so-called 2N aluminum). A plate can be used, and the thickness can be set within a range of 0.1 mm to 1.0 mm.
The heat dissipation board 13 is formed of pure copper such as oxygen-free copper or tough pitch copper, or a copper alloy such as Cu—Zr, and functions as a heat dissipation plate and also fixes the power module substrate 10 to the cooler 30 or the like. Therefore, the thickness is set in the range of 0.3 mm to 6.0 mm thicker than any of the other constituent materials described above. Moreover, the area is formed wider than the ceramic plates 16 and 21.

また、回路用構造部１１のセラミックス板１６と、放熱用構造部１２のセラミックス板２１とは、面積比が１：０．８〜１．２の範囲内で、厚さはほぼ同じ厚さで形成されるとよい。上記面積比がこの範囲を外れると、面積がより大きいセラミックス板側の端部に応力がかかり、温度変化を与えられた際に、セラミックス板に割れが発生するおそれがある。
また放熱基板１３に対する各セラミックス板１６，２１の接合位置のズレ量は、セラミックス基板１６の各辺の長さをＬｍｍ及び板厚をｔｍｍとした時の各辺におけるズレ量（ｍｍ）が０．２×Ｌ×ｔ以下の範囲で接合されているとよい。上記ズレ量が０．２×Ｌ×ｔを超えると、ズレ量がより大きいセラミックス板側の端部に応力がかかり、温度変化を与えられた際に、セラミックス板に割れが発生するおそれがある。
さらに、回路用構造部１１の第１金属層１７と、放熱用構造部１２の第１金属層１９とは、同じ材料であり、ほぼ同じ厚さで、平面的な大きさは回路用構造部１１ではセラミックス板１６より第１金属層１７がやや小さく形成されているのに対して、放熱用構造部１２においてはセラミックス板２１と第１金属層１９は同じ大きさに形成されているので、第１金属層１７の方が第１金属層１９よりやや小さく形成されている。
同様に、回路用構造部１１の回路層１８と、放熱用構造部１２の第２金属層２０も、お互いに同じ材料、ほぼ同じ厚さであるが、平面的な大きさは回路層１８が第２金属層２０よりやや小さく形成されている。回路用構造部１１の第１金属層１７と回路層１８がセラミックス板１６より小さく形成されるのは、絶縁基板としての沿面距離を確保するためである。ただし、その寸法差は小さく、セラミックス板１６の端面から第１金属層１７及び回路層１８の端面までの距離が０．５ｍｍ〜３．０ｍｍとされている。このように回路用構造部１１と放熱用構造部１２とでわずかに寸法が異なる場合があるが、このパワーモジュール用基板１０全体としては、中心の放熱基板１３に対して上下ほぼ対称の構造であり、各構成部材は、ほぼ同じ大きさでほぼ同じ位置に配置され形成されている。 Further, the ceramic plate 16 of the circuit structure portion 11 and the ceramic plate 21 of the heat dissipation structure portion 12 have an area ratio within a range of 1: 0.8 to 1.2, and have substantially the same thickness. It may be formed. If the area ratio is out of this range, stress is applied to the end of the ceramic plate having a larger area, and cracks may occur in the ceramic plate when a temperature change is applied.
Further, the displacement amount of the bonding position of each ceramic plate 16, 21 with respect to the heat dissipation substrate 13 is such that the displacement amount (mm) at each side when the length of each side of the ceramic substrate 16 is L mm and the plate thickness is t mm is 0. It is good to join in the range below 2xLxt. When the amount of deviation exceeds 0.2 × L × t, stress is applied to the end portion on the ceramic plate side where the amount of deviation is larger, and there is a risk of cracking in the ceramic plate when a temperature change is applied. .
Further, the first metal layer 17 of the circuit structure unit 11 and the first metal layer 19 of the heat dissipation structure unit 12 are made of the same material, have substantially the same thickness, and the planar size is the circuit structure unit. 11, the first metal layer 17 is formed slightly smaller than the ceramic plate 16, whereas the ceramic plate 21 and the first metal layer 19 are formed in the same size in the heat dissipation structure 12. The first metal layer 17 is formed slightly smaller than the first metal layer 19.
Similarly, the circuit layer 18 of the circuit structure unit 11 and the second metal layer 20 of the heat dissipation structure unit 12 are made of the same material and substantially the same thickness, but the planar size of the circuit layer 18 is It is formed slightly smaller than the second metal layer 20. The reason why the first metal layer 17 and the circuit layer 18 of the circuit structure portion 11 are formed smaller than the ceramic plate 16 is to secure a creeping distance as an insulating substrate. However, the dimensional difference is small, and the distance from the end face of the ceramic plate 16 to the end faces of the first metal layer 17 and the circuit layer 18 is 0.5 mm to 3.0 mm. As described above, the circuit structure portion 11 and the heat dissipation structure portion 12 may have slightly different dimensions, but the power module substrate 10 as a whole has a structure that is substantially symmetrical with respect to the central heat dissipation substrate 13. In addition, the constituent members are substantially the same size and are arranged and formed at substantially the same position.

次に、このように構成されるパワーモジュール用基板１０を製造する方法について説明する。このパワーモジュール用基板１０は、セラミックス板１６と回路層１８及び第１金属層１７とを接合する回路用構造部接合工程、セラミックス板２１と第１金属層１９及び第２金属層２０とを接合する放熱用構造部接合工程、回路用構造部接合工程及び放熱用構造部接合工程で製造された回路用構造部１１と放熱用構造部１２とを放熱基板１３に接合する放熱基板接合工程により製造される。以下、これらの工程を説明する。   Next, a method for manufacturing the power module substrate 10 configured as described above will be described. This power module substrate 10 has a circuit structure bonding step for bonding the ceramic plate 16 to the circuit layer 18 and the first metal layer 17, and bonds the ceramic plate 21 to the first metal layer 19 and the second metal layer 20. Manufactured by a heat dissipation substrate bonding step of bonding the circuit structure portion 11 and the heat dissipation structure portion 12 manufactured in the heat dissipation structure portion bonding step, the circuit structure portion bonding step, and the heat dissipation structure portion bonding step to the heat dissipation substrate 13. Is done. Hereinafter, these steps will be described.

（回路用構造部接合工程）
まず、セラミックス板１６の一方の面にろう材２２を介して回路層１８を積層し、さらに、他方の面にろう材２２を介して第１金属層１７を積層して、これらを一体に接合する。
ろう材２２は、Ａｌ−Ｓｉ系等の合金で箔の形態で用いるとよい。
具体的には、セラミックス板１６と回路層１８及び第１金属層１７とを図１（ａ）に示すようにろう材２２を介して積層した積層体Ｓを図６に示す加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧した状態とする。
この加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備えている。
固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されており、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体Ｓが配置される。積層体Ｓの両面には加圧を均一にするためにクッションシート１１６が配設される。クッションシート１１６は、カーボンシートとグラファイトシートの積層板で形成されている。この加圧装置１１０により加圧した状態で、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設置し、真空雰囲気下で接合温度に加熱してセラミックス板１６に回路層１８と第１金属層１７をろう付け接合する。この場合の加圧力としては例えば０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下、接合温度としては６１０℃以上６５０℃以下、加熱時間としては１分以上６０分以下とされる。 (Circuit structure bonding process)
First, the circuit layer 18 is laminated on one surface of the ceramic plate 16 via the brazing material 22, and the first metal layer 17 is laminated on the other surface via the brazing material 22, and these are joined together. To do.
The brazing material 22 is preferably an Al—Si based alloy in the form of a foil.
Specifically, a pressurizing device 110 shown in FIG. 6 is used for the laminate S in which the ceramic plate 16, the circuit layer 18 and the first metal layer 17 are laminated via the brazing material 22 as shown in FIG. The pressure is applied in the stacking direction.
The pressure device 110 includes a base plate 111, guide posts 112 vertically attached to the four corners of the upper surface of the base plate 111, a fixed plate 113 fixed to the upper ends of the guide posts 112, and the base plates 111. A pressing plate 114 supported by a guide post 112 so as to freely move up and down between the fixing plate 113 and a spring provided between the fixing plate 113 and the pressing plate 114 to urge the pressing plate 114 downward. And urging means 115.
The fixed plate 113 and the pressing plate 114 are arranged in parallel to the base plate 111, and the above-described laminate S is arranged between the base plate 111 and the pressing plate 114. Cushion sheets 116 are disposed on both surfaces of the laminate S to make the pressure uniform. The cushion sheet 116 is formed of a laminate of a carbon sheet and a graphite sheet. In a state where the pressure is applied by the pressure device 110, the pressure device 110 is installed in a heating furnace (not shown), heated to a bonding temperature in a vacuum atmosphere, and the circuit layer 18 and the first metal layer 17 are formed on the ceramic plate 16. Braze and join. In this case, the applied pressure is, for example, 0.1 MPa to 3.4 MPa, the bonding temperature is 610 ° C. to 650 ° C., and the heating time is 1 minute to 60 minutes.

（放熱用構造部接合工程）
回路用構造部接合工程同様に、セラミックス板２１の一方の面にろう材２２を介して第１金属層１９を積層し、他方の面にろう材２２を介して第２金属層２０を積層して、これらを一体に接合する。
具体的には、セラミックス板２１と第１金属層１９及び第２金属層２０とを図１（ｂ）に示すようにろう材２２を介して積層した積層体Ｓを図４に示す加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧した状態とし、回路用構造部接合工程と同様の加圧条件、温度条件によって接合される。
回路用構造部接合工程と放熱用構造部接合工程の順序は、いずれを先に行ってもよい。
あるいは回路用構造部１１のための積層体Ｓと放熱用構造部１２のための積層体Ｓとをクッションシート１１６を介して積み重ね、これらを加圧装置１１０で加圧して同時に接合することもできる。 (Heat dissipation structure bonding process)
Similar to the circuit structure bonding step, the first metal layer 19 is laminated on one surface of the ceramic plate 21 via the brazing material 22, and the second metal layer 20 is laminated on the other surface via the brazing material 22. Are joined together.
Specifically, a pressurizing apparatus shown in FIG. 4 is a laminate S in which a ceramic plate 21, a first metal layer 19, and a second metal layer 20 are laminated via a brazing filler metal 22 as shown in FIG. 110 is used in a state of being pressurized in the stacking direction, and bonding is performed under the same pressure and temperature conditions as in the circuit structure bonding step.
Any order of the circuit structure bonding step and the heat dissipation structure bonding step may be performed first.
Alternatively, the laminate S for the circuit structure portion 11 and the laminate S for the heat dissipation structure portion 12 can be stacked via the cushion sheet 116, and these can be simultaneously pressed by the pressurizing device 110. .

（放熱基板接合工程）
回路用構造部接合工程及び放熱用構造部接合工程により得られた回路用構造部１１と放熱用構造部１２とを放熱基板１３の両側に図１（ｃ）に示すように積層する。
そして、これらの積層体Ｓを図４に示す加圧装置１１０を用いて積層方向に０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下に加圧し、真空雰囲気下で接合温度４００℃以上５４８℃以下に１分以上６０分以下加熱して放熱基板１３を両第１金属層１７，１９と固相拡散接合する。 (Heat dissipation substrate bonding process)
As shown in FIG. 1C, the circuit structure portion 11 and the heat dissipation structure portion 12 obtained by the circuit structure portion bonding step and the heat dissipation structure portion bonding step are stacked on both sides of the heat dissipation substrate 13.
And these laminated bodies S are pressurized to 0.1 MPa or more and 3.4 MPa or less in a lamination direction using the pressurization apparatus 110 shown in FIG. 4, and it is 1 minute or more to joining temperature 400 degreeC or more and 548 degrees C or less in a vacuum atmosphere. Heat dissipation substrate 13 is solid-phase diffusion bonded to both first metal layers 17 and 19 by heating for 60 minutes or less.

このようにして製造されるパワーモジュール用基板１０は、厚い放熱基板１３が銅又は銅合金よりなることで全体の剛性が高くなり、また、銅又は銅合金は熱伝導性も良いので反りも少なく高い放熱性能が得られる。また、厚い放熱基板１３は放熱板として機能するものであるとともに、パワーモジュール用基板１０を冷却器３０等に固定するための強度部材としても機能しており、放熱用構造部１２の第２金属層２０の下面に隙間無く接触させた冷却器３０に、放熱用構造部１２から外方に張り出している部分を図１（ｄ）に鎖線で示すようにボルト３５によって固定することができる。   The power module substrate 10 manufactured in this manner has a high overall rigidity because the thick heat dissipation substrate 13 is made of copper or a copper alloy, and the copper or copper alloy has a good thermal conductivity, so there is little warpage. High heat dissipation performance can be obtained. Further, the thick heat dissipation substrate 13 functions as a heat dissipation plate, and also functions as a strength member for fixing the power module substrate 10 to the cooler 30 and the like, and the second metal of the heat dissipation structure 12. A portion projecting outward from the heat radiating structure 12 can be fixed to the cooler 30 in contact with the lower surface of the layer 20 without a gap by a bolt 35 as shown by a chain line in FIG.

＜第２実施形態＞
図２は第２実施形態を示している。この実施形態において図１の第１実施形態と共通要素には同一符号を付している（以下の各実施形態においても同様）。
なお、共通要素とは、機能として同じものであれば材料が違うものも含まれることとする。
図２（ｄ）に示すパワーモジュール用基板１０は、第１金属層１７，１９と回路層１８と第２金属層２０とが銅又は銅合金により形成され、例えば純度９９．９６質量％以上の銅（いわゆる無酸素銅）により形成される。放熱基板１３はアルミニウム合金、例えばＡ１０５０、Ａ３００３合金により形成される。セラミックス板１６，２１は前述の第１実施形態と同様ＡＩＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスが用いられる。そして、このパワーモジュール用基板１０は以下の工程を経て製造される。 Second Embodiment
FIG. 2 shows a second embodiment. In this embodiment, the same reference numerals are given to the common elements as in the first embodiment of FIG. 1 (the same applies to the following embodiments).
Note that common elements include those having different materials as long as they have the same function.
In the power module substrate 10 shown in FIG. 2D, the first metal layers 17 and 19, the circuit layer 18, and the second metal layer 20 are formed of copper or a copper alloy, and have a purity of 99.96 mass% or more, for example. It is formed of copper (so-called oxygen-free copper). The heat dissipation substrate 13 is formed of an aluminum alloy, for example, A1050 or A3003 alloy. As in the first embodiment, the ceramic plates 16 and 21 are made of nitride ceramics such as AIN (aluminum nitride) and Si 3 N 4 (silicon nitride), or oxide ceramics such as Al 2 O 3 (alumina). Used. And this board | substrate 10 for power modules is manufactured through the following processes.

（回路用構造部接合工程）
図２（ａ）に示すようにセラミックス板１６の両面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ又はＡｇ−Ｔｉからなる活性金属を含有するペースト２３を印刷し一方の面に回路層１８を積層し、他方の面に第１金属層１７を積層し、その積層体Ｓを図４に示す加圧装置１１０を用いて積層方向に０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下に加圧し、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設置し、真空雰囲気下で８００℃以上９３０℃以下に１分以上６０分以下加熱してセラミックス板１６に回路層１８と第１金属層１７を活性金属ろう付け法によって接合する。 (Circuit structure bonding process)
As shown in FIG. 2 (a), paste 23 containing an active metal composed of Ag-Cu-Ti or Ag-Ti is printed on both surfaces of the ceramic plate 16, and the circuit layer 18 is laminated on one surface, and the other surface. The first metal layer 17 is laminated on the laminated body S, and the laminated body S is pressurized to 0.1 MPa or more and 3.4 MPa or less in the laminating direction using the pressurizing device 110 shown in FIG. The circuit layer 18 and the first metal layer 17 are joined to the ceramic plate 16 by an active metal brazing method by being installed in a furnace and heated to 800 ° C. or more and 930 ° C. or less for 1 minute or more and 60 minutes or less in a vacuum atmosphere.

（放熱用構造部接合工程）
上述の回路用構造部接合工程同様に図２（ｂ）に示すセラミックス板２１の両面にペースト２３を印刷し、一方の面に第１金属層１９を積層し、他方の面に第２金属層２０を積層して、これらを活性金属ろう付け法により一体に接合する。 (Heat dissipation structure bonding process)
Similar to the circuit structure bonding step described above, the paste 23 is printed on both surfaces of the ceramic plate 21 shown in FIG. 2B, the first metal layer 19 is laminated on one surface, and the second metal layer is formed on the other surface. 20 are laminated and these are joined together by an active metal brazing method.

（放熱基板接合工程）
回路用構造部接合工程及び放熱用構造部接合工程により得られた回路用構造部１１と放熱用構造部１２とを放熱基板１３の両側に図２（ｃ）に示すように積層する。そして、これらの積層体Ｓを第１実施形態同様に図６に示す加圧装置１１０を用いて積層方向に０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下に加圧し、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設置し、真空雰囲気下で接合温度４００℃以上５４８℃以下に１分以上６０分以下加熱して固相拡散接合する。 (Heat dissipation substrate bonding process)
The circuit structure portion 11 and the heat dissipation structure portion 12 obtained by the circuit structure portion bonding step and the heat dissipation structure portion bonding step are laminated on both sides of the heat dissipation substrate 13 as shown in FIG. And these laminated bodies S are pressurized to 0.1 MPa or more and 3.4 MPa or less to the lamination direction using the pressurization apparatus 110 shown in FIG. 6 similarly to 1st Embodiment, and the heating furnace not shown in figure with the pressurization apparatus 110 whole is shown. And solid phase diffusion bonding is performed by heating at a bonding temperature of 400 ° C. to 548 ° C. for 1 minute to 60 minutes in a vacuum atmosphere.

このようにして製造されるパワーモジュール用基板１０は、半導体素子１４の直下に位置する回路層１８が銅又は銅合金で形成されているので、半導体素子１４で生じる熱を速やかに拡散放熱することができる。   In the power module substrate 10 manufactured in this way, since the circuit layer 18 located immediately below the semiconductor element 14 is formed of copper or a copper alloy, the heat generated in the semiconductor element 14 can be quickly diffused and dissipated. Can do.

＜第３実施形態＞
図３は第３実施形態を示している。
図３（ｆ）に示す第３実施形態のパワーモジュール用基板１０は、第１金属層１７，１９が純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）や純度９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）の純アルミニウム板により形成される。回路層１８と第２金属層２０とは銅又は銅合金、例えば純度９９．９６質量％以上の銅（いわゆる無酸素銅）で形成される。放熱基板１３はアルミニウム合金、例えばＡ１０５０、Ａ３００３合金の板により形成される。セラミックス板１６，２１は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより形成される。そして、このパワーモジュール用基板１０は以下の工程を経て製造される。 <Third Embodiment>
FIG. 3 shows a third embodiment.
In the power module substrate 10 of the third embodiment shown in FIG. 3F, the first metal layers 17 and 19 are aluminum having a purity of 99.99% by mass or more (so-called 4N aluminum) or aluminum having a purity of 99% by mass or more ( It is formed of a so-called 2N aluminum) pure aluminum plate. The circuit layer 18 and the second metal layer 20 are formed of copper or a copper alloy, for example, copper having a purity of 99.96% by mass or more (so-called oxygen-free copper). The heat dissipation substrate 13 is formed of an aluminum alloy, for example, an A1050 or A3003 alloy plate. The ceramic plates 16 and 21 are made of nitride ceramics such as AlN (aluminum nitride) and Si 3 N 4 (silicon nitride), or oxide ceramics such as Al 2 O 3 (alumina). And this board | substrate 10 for power modules is manufactured through the following processes.

（回路用構造部接合工程）
図３（ａ）に示すようにセラミックス板１６の一方の面にペースト２３を印刷しその面に回路層１８を積層し、その積層体Ｓを図６に示す加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧し、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設置し、真空雰囲気下で８００℃以上９３０℃以下に加熱してセラミックス板１６に回路層１８を活性金属ろう付け法によって接合する。
その後、図３（ｂ）に示すように接合したセラミックス板１６の他方の面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材２２を介して第１金属層１７を積層し、加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧し、真空雰囲気下で６１０℃以上６５０℃以下に加熱してろう付け接合する。 (Circuit structure bonding process)
As shown in FIG. 3 (a), the paste 23 is printed on one surface of the ceramic plate 16, the circuit layer 18 is laminated on the surface, and the laminate S is laminated in the laminating direction using the pressurizing device 110 shown in FIG. The pressure device 110 is placed in a heating furnace (not shown), heated to 800 ° C. or higher and 930 ° C. or lower in a vacuum atmosphere, and the circuit layer 18 is joined to the ceramic plate 16 by an active metal brazing method.
After that, as shown in FIG. 3B, the first metal layer 17 is laminated on the other surface of the joined ceramic plate 16 via the Al—Si brazing material 22, and the pressing device 110 is used in the lamination direction. Pressurize and heat to 610 ° C. or more and 650 ° C. or less in a vacuum atmosphere to braze and join.

（放熱用構造部接合工程）
上述の回路用構造部接合工程と同様に図３（ｃ）に示すセラミックス板２１の一方の面に第２金属層２０を活性金属ろう付け法によって接合した後、図３（ｄ）に示すセラミックス板２１の他方の面に第１金属層１９をろう付け接合する。 (Heat dissipation structure bonding process)
The second metal layer 20 is bonded to one surface of the ceramic plate 21 shown in FIG. 3C by the active metal brazing method in the same manner as the circuit structure bonding step described above, and then the ceramic shown in FIG. The first metal layer 19 is brazed to the other surface of the plate 21.

（放熱基板接合工程）
回路用構造部接合工程及び放熱用構造部接合工程により得られた回路用構造部１１と放熱用構造部１２とを放熱基板１３の両側に、芯材の両面にＭｇ入りろう材層をクラッドした両面ろうクラッド材（芯材：Ａ３００３、ろう材層（両面）：Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金）２５を介して図３（ｅ）に示すように積層し、図６に示す加圧装置１１０で積層方向に０．００１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下に加圧し、窒素雰囲気下で５８０℃以上６５０℃以下に１分以上１０分以下加熱してろう付け接合する。
また、回路用構造部１１と放熱用構造部１２とを放熱基板１３に接合する際に、固相拡散接合によって接合することもできる。 (Heat dissipation substrate bonding process)
The circuit structure portion 11 and the heat dissipation structure portion 12 obtained by the circuit structure portion bonding step and the heat dissipation structure portion bonding step are clad on both sides of the heat dissipation substrate 13 and Mg brazing filler metal layers are clad on both sides of the core material. A double-sided brazing clad material (core material: A3003, brazing material layer (both sides): Al—Si—Mg alloy) 25 is laminated as shown in FIG. The pressure is applied in the direction of 0.001 MPa to 0.5 MPa, and brazing is performed by heating at 580 ° C. to 650 ° C. for 1 minute to 10 minutes in a nitrogen atmosphere.
Further, when the circuit structure portion 11 and the heat dissipation structure portion 12 are bonded to the heat dissipation substrate 13, they can also be bonded by solid phase diffusion bonding.

このようにして製造されるパワーモジュール用基板１０は、半導体素子１４の直下に位置する回路層１８が銅又は銅合金で形成されているので、半導体素子１４で生じる熱を速やかに拡散放熱することができる。
また、厚い放熱基板１３と第１金属層１７，１９との接合は、アルミニウム金属同士であることから接合が容易となり製造コストを低く抑えることができる。 In the power module substrate 10 manufactured in this way, since the circuit layer 18 located immediately below the semiconductor element 14 is formed of copper or a copper alloy, the heat generated in the semiconductor element 14 can be quickly diffused and dissipated. Can do.
Moreover, since the joining of the thick heat dissipation substrate 13 and the first metal layers 17 and 19 is made of aluminum metal, the joining becomes easy and the manufacturing cost can be kept low.

なお、上記実施形態では、第１金属層１７，１９は放熱基板１３よりも面積が小さくなるよう形成されていたが、これに限らず、図４に示すように放熱基板１３とほぼ同じ大きさとすることができる。
また、上記実施形態では、第２金属層２０はセラミックス板２１と同じ大きさとなるよう形成されていたが、これに限らず、図５に示すようにセラミックス板２１よりも面積を小さくすることができる。 In the above-described embodiment, the first metal layers 17 and 19 are formed to have a smaller area than the heat dissipation substrate 13, but the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. can do.
Moreover, in the said embodiment, although the 2nd metal layer 20 was formed so that it might become the same magnitude | size as the ceramic board 21, it is not restricted to this, As shown in FIG. it can.

本発明の効果の確認のために行った試験について説明する。
（実施例１）
第１実施形態の実施例として、放熱基板１３が無酸素銅（平面サイズ：１５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ：２．３５ｍｍ）、セラミックス板１６，２１は窒化アルミニウム（平面サイズ：１００ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ：０．６３５ｍｍ）、第１金属層１７及び回路層１８は純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウム（平面サイズ：９６ｍｍ×４６ｍｍ、厚さ：０．４ｍｍ）、第１金属層１９及び第２金属層２０は純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウム（平面サイズ：１００ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ：０．４ｍｍ）とした。
回路用構造部接合工程と放熱用構造部接合工程では積層体を０．３ＭＰａで加圧し、真空雰囲気中６４５℃で４５分間加熱してそれぞれ接合した。放熱基板接合工程では積層体を１．０ＭＰａで加圧し、真空雰囲気中５４０℃で６０分間加熱して接合し作製した。 A test conducted for confirming the effect of the present invention will be described.
Example 1
As an example of the first embodiment, the heat dissipation substrate 13 is oxygen-free copper (planar size: 150 mm × 60 mm, thickness: 2.35 mm), and the ceramic plates 16 and 21 are aluminum nitride (planar size: 100 mm × 50 mm, thickness). The first metal layer 17 and the circuit layer 18 are 4N aluminum having a purity of 99.99% by mass or more (planar size: 96 mm × 46 mm, thickness: 0.4 mm), the first metal layer 19 and the second metal layer 19. The metal layer 20 was made of 4N aluminum (planar size: 100 mm × 50 mm, thickness: 0.4 mm) having a purity of 99.99% by mass or more.
In the circuit structure bonding step and the heat dissipation structure bonding step, the laminate was pressurized at 0.3 MPa and heated at 645 ° C. in a vacuum atmosphere for 45 minutes for bonding. In the heat dissipation substrate bonding step, the laminate was pressurized at 1.0 MPa and heated and bonded at 540 ° C. for 60 minutes in a vacuum atmosphere.

（実施例２）
第２実施形態の実施例として、放熱基板１３がＡ３００３アルミニウム合金（平面サイズ：１５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ：２．５ｍｍ）、セラミックス板１６，２１は窒化アルミニウム（平面サイズ：１００ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ：０．６３５ｍｍ）、第１金属層１７及び回路層１８は無酸素銅（平面サイズ：９６ｍｍ×４６ｍｍ、厚さ：０．３ｍｍ）、第１金属層１９及び第２金属層２０は無酸素銅（平面サイズ：１００ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ：０．３ｍｍ）とした。
回路用構造部接合工程と放熱用構造部接合工程では積層体を０．１ＭＰａで加圧し、真空雰囲気中８２５℃で３０分間加熱してそれぞれを接合した。放熱基板接合工程では積層体を１．０ＭＰａで加圧し、真空雰囲気中５４０℃で６０分間加熱して接合し作製した。 (Example 2)
As an example of the second embodiment, the heat dissipation substrate 13 is an A3003 aluminum alloy (planar size: 150 mm × 60 mm, thickness: 2.5 mm), and the ceramic plates 16 and 21 are aluminum nitride (planar size: 100 mm × 50 mm, thickness). : 0.635 mm), the first metal layer 17 and the circuit layer 18 are oxygen-free copper (plane size: 96 mm × 46 mm, thickness: 0.3 mm), and the first metal layer 19 and the second metal layer 20 are oxygen-free copper (Plane size: 100 mm × 50 mm, thickness: 0.3 mm).
In the circuit structure bonding step and the heat dissipation structure bonding step, the laminate was pressurized at 0.1 MPa and heated at 825 ° C. for 30 minutes in a vacuum atmosphere to bond them. In the heat dissipation substrate bonding step, the laminate was pressurized at 1.0 MPa and heated and bonded at 540 ° C. for 60 minutes in a vacuum atmosphere.

（実施例３）
第３実施形態の実施例として、放熱基板１３がＡ３００３アルミニウム合金（平面サイズ：１５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ：２．５ｍｍ）、セラミックス板１６，２１は窒化アルミニウム（平面サイズ：１００ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ：０．６３５ｍｍ）、第１金属層１７は純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウム（平面サイズ：９６ｍｍ×４６ｍｍ、厚さ：０．３ｍｍ）、第１金属層１９は純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウム（平面サイズ：１００ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ：０．３ｍｍ）、回路層１８は無酸素銅（平面サイズ：９６ｍｍ×４６ｍｍ、厚さ：０．３ｍｍ）、第２金属層２０は無酸素銅（平面サイズ：１００ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ：０．３ｍｍ）とした。
回路用構造部接合工程と放熱用構造部接合工程のセラミックス板１６，２１と回路層１８、第２金属層２０との接合では積層体を０．１ＭＰａで加圧し、真空雰囲気中８２５℃で３０分間加熱してそれぞれを接合した。回路用構造部接合工程と放熱用構造部接合工程のセラミックス板１６，２１と第１金属層１７，１９との接合では積層体を０．３ＭＰａで加圧し、真空雰囲気中６４５℃で４５分間加熱してそれぞれを接合した。放熱基板接合工程では積層体を０．０１ＭＰａで加圧し、窒素雰囲気中６１０℃で５分間加熱して接合し作製した。 (Example 3)
As an example of the third embodiment, the heat dissipation substrate 13 is an A3003 aluminum alloy (planar size: 150 mm × 60 mm, thickness: 2.5 mm), and the ceramic plates 16 and 21 are aluminum nitride (planar size: 100 mm × 50 mm, thickness). : 0.635 mm), the first metal layer 17 is 4N aluminum having a purity of 99.99 mass% or more (planar size: 96 mm × 46 mm, thickness: 0.3 mm), and the first metal layer 19 is 99.99 mass% purity. The above 4N aluminum (planar size: 100 mm × 50 mm, thickness: 0.3 mm), the circuit layer 18 is oxygen-free copper (planar size: 96 mm × 46 mm, thickness: 0.3 mm), and the second metal layer 20 is not present. Oxygen copper (planar size: 100 mm × 50 mm, thickness: 0.3 mm) was used.
In the joining of the ceramic plates 16 and 21 to the circuit layer 18 and the second metal layer 20 in the circuit structure joining step and the heat radiating structure joining step, the laminated body is pressurized at 0.1 MPa and 30 at 825 ° C. in a vacuum atmosphere. Each was joined by heating for a minute. In joining the ceramic plates 16 and 21 and the first metal layers 17 and 19 in the circuit structure joining step and the heat radiating structure joining step, the laminate is pressurized at 0.3 MPa and heated at 645 ° C. for 45 minutes in a vacuum atmosphere. And joined each other. In the heat dissipation substrate bonding step, the laminate was pressurized at 0.01 MPa and heated and bonded at 610 ° C. for 5 minutes in a nitrogen atmosphere.

（比較例１）
比較例１としては、純度９９．５質量％以上のＡ１０５０アルミニウム板（平面サイズ：１５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ：３．０ｍｍ）の両面にセラミックス板（材質：窒化アルミニウム、平面サイズ：１００ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ：０．６３５ｍｍ）をそれぞれ接合し、これらセラミックス板のアルミニウム板とは逆の面に、純度９９．５質量％以上のＡ１０５０アルミニウム板（平面サイズ：１００ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ：０．４ｍｍ）をそれぞれ接合した５層構造のパワーモジュール用基板とした。
接合方法は、アルミニウム板とセラミックス板の間にろう材（Ａｌ−Ｓｉ系等の合金箔）を介して積層し、その積層体を０．３ＭＰａで加圧し、真空雰囲気中６４５℃で４５分間加熱した。 (Comparative Example 1)
As Comparative Example 1, a ceramic plate (material: aluminum nitride, plane size: 100 mm × 50 mm) on both sides of an A1050 aluminum plate (planar size: 150 mm × 60 mm, thickness: 3.0 mm) having a purity of 99.5% by mass or more, Thickness: 0.635 mm) are joined, and the A1050 aluminum plate (planar size: 100 mm × 50 mm, thickness: 0.4 mm) having a purity of 99.5% by mass or more is formed on the surface opposite to the aluminum plate of these ceramic plates. ) Were joined to each other as a power module substrate having a five-layer structure.
In the joining method, the aluminum plate and the ceramic plate were laminated via a brazing material (alloy foil such as Al—Si), the laminated body was pressurized at 0.3 MPa, and heated at 645 ° C. in a vacuum atmosphere for 45 minutes.

（比較例２）
比較例２としては、無酸素銅（平面サイズ：１５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ：３．０ｍｍ）の両面にセラミックス板（材質：窒化アルミニウム、平面サイズ：１００ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ：０．６３５ｍｍ）をそれぞれ接合し、これらセラミックス板の銅板とは逆の面に、無酸素銅（平面サイズ：１００ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ：０．３ｍｍ）をそれぞれ接合した５層構造のパワーモジュール用基板とした。
接合方法は、銅板とセラミックス板の間にろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材）を介し積層し、その積層体を０．１ＭＰａで加圧し、真空雰囲気中８２５℃で３０分間加熱して一括で５層を接合した。 (Comparative Example 2)
As Comparative Example 2, ceramic plates (material: aluminum nitride, plane size: 100 mm × 50 mm, thickness: 0.635 mm) on both surfaces of oxygen-free copper (planar size: 150 mm × 60 mm, thickness: 3.0 mm) Each of the ceramic plates was bonded to a power module substrate having a five-layer structure in which oxygen-free copper (plane size: 100 mm × 50 mm, thickness: 0.3 mm) was bonded to the surface opposite to the copper plate.
The bonding method is to laminate by laminating a brazing material (Ag—Cu—Ti brazing material) between a copper plate and a ceramic plate, pressurizing the laminated body at 0.1 MPa, and heating at 825 ° C. for 30 minutes in a vacuum atmosphere. Five layers were joined.

（比較例３）
比較例３としては、セラミックス板（材質：窒化アルミニウム、平面サイズ：１００ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ：０．６３５ｍｍ）の両面にそれぞれ同じ純度９９．５質量％以上のＡ１０５０アルミニウム板（平面サイズ：９６ｍｍ×４６ｍｍ、厚さ：０．４ｍｍ）を接合し、一方のアルミニウム板のセラミックス板とは逆の面に純度９９．５質量％以上のＡ１０５０アルミニウム板（平面サイズ：１５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ：３．０ｍｍ）を接合した４層構成のパワーモジュール用基板とした。製造方法は比較例１と同様ろう付け接合で作製した。 (Comparative Example 3)
As Comparative Example 3, an A1050 aluminum plate (planar size: 96 mmx) having the same purity of 99.5% by mass or more on both surfaces of a ceramic plate (material: aluminum nitride, planar size: 100 mm x 50 mm, thickness: 0.635 mm). 46 mm, thickness: 0.4 mm), an A1050 aluminum plate having a purity of 99.5% by mass or more (plane size: 150 mm × 60 mm, thickness: 3. 0 mm) was used as a power module substrate having a four-layer structure. The manufacturing method was the same as that of Comparative Example 1 and was prepared by brazing.

（比較例４）
比較例４としては、純度９９．５質量％以上のＡ１０５０アルミニウム板（平面サイズ：１５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ：３．０ｍｍ）の一方の面に、１００ｍｍ×５０ｍｍのセラミックス板を介して純度９９．５質量％以上のＡ１０５０アルミニウム板（１００ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ：０．４ｍｍ）を接合し、他方の面に１５０ｍｍ×６０ｍｍのセラミックス板を介して純度９９．５質量％以上のＡ１０５０アルミニウム板（１５０×６０ｍｍ、厚さ：０．４ｍｍ）を接合し、５層構造のパワーモジュール用基板とした。セラミックス板の材質は窒化アルミニウムを用い、厚さは０．６３５ｍｍとした。
接合方法は、アルミニウム板とセラミックス板の間にろう材（Ａｌ−Ｓｉ系の合金箔）を介して積層し、その積層体を０．３ＭＰａで加圧し、真空雰囲気中６４５℃で４５分間加熱した。 (Comparative Example 4)
As Comparative Example 4, the purity of 99.05% by mass or more of an A1050 aluminum plate (planar size: 150 mm × 60 mm, thickness: 3.0 mm) on one surface through a 100 mm × 50 mm ceramic plate. An A1050 aluminum plate (150 mm × 50 mm, thickness: 0.4 mm) of 5% by mass or more is bonded, and an A1050 aluminum plate (purity of 99.5% by mass or more through a ceramic plate of 150 mm × 60 mm on the other surface (150 × 60 mm, thickness: 0.4 mm) were joined to form a power module substrate having a five-layer structure. The material of the ceramic plate was aluminum nitride, and the thickness was 0.635 mm.
As a joining method, the aluminum plate and the ceramic plate were laminated via a brazing material (Al—Si alloy foil), the laminate was pressurized at 0.3 MPa, and heated at 645 ° C. for 45 minutes in a vacuum atmosphere.

試験結果を表１に示す。
なお、基板反り量は、回路層の長手方向の長さ１００ｍｍの間での反り量を室温と２８０℃とで測定し、室温での反り量を（Ａ）欄に示し、２８０℃での反り量を（Ｂ）欄に示す。なお、反りの定義は、回路層が凸状になった場合を＋、回路層が凹状になった場合を−とする。また、室温から２８０℃まで加熱し室温まで冷却した後に、回路層とセラミックス板との接合界面を超音波深傷により撮影し、セラミックス割れの有無を評価した。
熱抵抗の解析方法としては、放熱用構造部に冷却器を接合し、回路層に半導体素子（１５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ２００μｍ）をはんだ付けにより搭載し、冷却器には６５℃の一定温度に保持した冷却流体を用いた状態で、素子発熱量１００Ｗ、ベース下面の熱伝達係数を８，０００Ｗ／ｍ２・Ｋの条件にて、半導体素子の温度を測定し冷却流体との温度差を求めた。 The test results are shown in Table 1.
Note that the amount of warpage of the circuit layer was measured at room temperature and 280 ° C., and the amount of warpage at room temperature is shown in the column (A), and the warpage at 280 ° C. was measured. The amount is shown in column (B). The definition of the warp is + when the circuit layer is convex, and-when the circuit layer is concave. Further, after heating from room temperature to 280 ° C. and cooling to room temperature, the interface between the circuit layer and the ceramic plate was photographed by ultrasonic flaws to evaluate the presence or absence of ceramic cracks.
As a thermal resistance analysis method, a cooler is joined to the heat dissipation structure, a semiconductor element (15 mm × 15 mm, thickness 200 μm) is mounted on the circuit layer by soldering, and the cooler is kept at a constant temperature of 65 ° C. In the state using the retained cooling fluid, the temperature of the semiconductor device is measured and the temperature difference from the cooling fluid is obtained under the condition of the element heating value of 100 W and the heat transfer coefficient of the lower surface of the base of 8,000 W / m 2 · K. It was.

Figure 0006471465
Figure 0006471465

以上の結果より実施例では、基板接合後の反り（Ａ）だけではなく半導体素子をはんだ付けする時の反り（Ｂ）をも抑制できた。また、比較例２及び比較例４では、室温から２８０℃まで加熱し室温まで冷却した後に、セラミックス割れが確認されたが、実施例では、いずれも発生していない。これらセラミックス割れは、いずれもセラミックス板へかかる応力が大きいことが原因とされる。さらに、実施例では、半導体素子温度と冷却流体との温度差が、比較例１に比べて２．８％〜１０．３％低く、熱抵抗が小さくなっていることが確認できた。   From the above results, in the examples, not only the warpage (A) after bonding the substrates but also the warpage (B) when soldering the semiconductor element could be suppressed. In Comparative Example 2 and Comparative Example 4, ceramic cracks were confirmed after heating from room temperature to 280 ° C. and cooling to room temperature, but none occurred in the examples. These ceramic cracks are caused by a large stress applied to the ceramic plate. Further, in the example, the temperature difference between the semiconductor element temperature and the cooling fluid was 2.8% to 10.3% lower than that in Comparative Example 1, and it was confirmed that the thermal resistance was reduced.

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。   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.

１０…パワーモジュール用基板
１１…回路用構造部
１２…放熱用構造部
１３…放熱基板
１６…セラミックス板
１７…第１金属層
１８…回路層
１９…第１金属層
２０…第２金属層
２１…セラミックス板
３０…冷却器
１１０…加圧装置
１１６…クッションシート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Power module substrate 11 ... Circuit structure part 12 ... Heat radiation structure part 13 ... Heat radiation board 16 ... Ceramic board 17 ... First metal layer 18 ... Circuit layer 19 ... First metal layer 20 ... Second metal layer 21 ... Ceramic plate 30 ... cooler 110 ... pressure device 116 ... cushion sheet

Claims (4)

パワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板が取り付けられた冷却器とを有する冷却器付パワーモジュール用基板であって、
前記パワーモジュール用基板は、銅又は銅合金又はアルミニウム合金からなる放熱基板の両面に、第１金属層を介してセラミックス板がそれぞれ接合されるとともに、一方のセラミックス板の前記第１金属層とは反対面に回路層が接合され、他方のセラミックス板の前記第１金属層とは反対面に第２金属層が接合されてなり、前記放熱基板と前記第１金属層とが異種材料又は同種で異質な材料からなり、前記放熱基板又は前記回路層のいずれかが銅又は銅合金からなり、前記放熱基板、前記第１金属層、前記回路層又は前記第２金属層の内いずれかの組合せが異種材料であり、前記放熱基板の厚さが前記第１金属層及び前記第２金属層よりも厚く、前記セラミックス板の面積が前記放熱基板の面積より小さく形成されており、
前記冷却器に、前記放熱基板において前記セラミックス板から外方に張り出している部分が固定されていることを特徴とする冷却器付パワーモジュール用基板。 A power module substrate with a cooler having a power module substrate and a cooler to which the power module substrate is attached,
In the power module substrate, ceramic plates are respectively bonded to both surfaces of a heat dissipation substrate made of copper, a copper alloy, or an aluminum alloy via a first metal layer, and the first metal layer of one ceramic plate is A circuit layer is bonded to the opposite surface, a second metal layer is bonded to the opposite surface of the other ceramic plate to the first metal layer, and the heat dissipation substrate and the first metal layer are made of different materials or the same kind. Made of a different material, either the heat dissipation board or the circuit layer is made of copper or a copper alloy, and any combination of the heat dissipation board, the first metal layer, the circuit layer, or the second metal layer is a heterogeneous material, the thickness of the heat dissipation substrate is thicker than the first metal layer and the second metal layer, the area of the ceramic plate is formed rather smaller than the area of the heat dissipation substrate,
The power module substrate with a cooler , wherein a portion of the heat dissipation substrate that protrudes outward from the ceramic plate is fixed to the cooler . 前記放熱基板が銅又は銅合金で形成され、前記第１金属層及び前記第２金属層及び前記回路層がアルミニウムで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却器付パワーモジュール用基板。 2. The power module with a cooler according to claim 1, wherein the heat dissipation substrate is formed of copper or a copper alloy, and the first metal layer, the second metal layer, and the circuit layer are formed of aluminum. Substrate. 前記放熱基板がアルミニウム合金で形成され、前記第１金属層及び前記第２金属層及び前記回路層が銅又は銅合金で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却器付パワーモジュール用基板。 2. The power with a cooler according to claim 1, wherein the heat dissipation substrate is formed of an aluminum alloy, and the first metal layer, the second metal layer, and the circuit layer are formed of copper or a copper alloy . Module board. 前記放熱基板がアルミニウム合金で形成され、前記第１金属層が純アルミニウムで形成され、前記第２金属層及び前記回路層が銅又は銅合金で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却器付パワーモジュール用基板。 The heat dissipation substrate is formed of an aluminum alloy, the first metal layer is formed of pure aluminum, and the second metal layer and the circuit layer are formed of copper or a copper alloy. The board | substrate for power modules with a cooler of description.
JP2014229044A 2014-11-11 2014-11-11 Power module board with cooler Expired - Fee Related JP6471465B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014229044A JP6471465B2 (en) 2014-11-11 2014-11-11 Power module board with cooler

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014229044A JP6471465B2 (en) 2014-11-11 2014-11-11 Power module board with cooler

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016092359A JP2016092359A (en) 2016-05-23
JP6471465B2 true JP6471465B2 (en) 2019-02-20

Family

ID=56018719

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014229044A Expired - Fee Related JP6471465B2 (en) 2014-11-11 2014-11-11 Power module board with cooler

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6471465B2 (en)

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002076214A (en) * 2000-08-28 2002-03-15 Toshiba Corp Insulating substrate, its manufacturing method, and semiconductor device using the same
DE10142615A1 (en) * 2001-08-31 2003-04-10 Siemens Ag Power electronics unit
JP2003086747A (en) * 2001-09-10 2003-03-20 Hitachi Ltd Insulation circuit board, its manufacturing method and semiconductor power element using the same
JP2006294971A (en) * 2005-04-13 2006-10-26 Toyota Industries Corp Substrate for power module and its production process
JP4478618B2 (en) * 2005-06-28 2010-06-09 本田技研工業株式会社 Power semiconductor module
JP5144657B2 (en) * 2007-05-30 2013-02-13 京セラ株式会社 Laminated heat dissipation base, heat dissipation unit using the same, and electronic device
JP5765131B2 (en) * 2011-08-12 2015-08-19 三菱マテリアル株式会社 Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, and method for manufacturing power module substrate
JP5957848B2 (en) * 2011-11-02 2016-07-27 三菱マテリアル株式会社 Power module substrate, power module substrate with heat sink, and method for manufacturing power module substrate
JP5725060B2 (en) * 2013-03-14 2015-05-27 三菱マテリアル株式会社 Bonded body, power module substrate, and power module substrate with heat sink
JP6111764B2 (en) * 2013-03-18 2017-04-12 三菱マテリアル株式会社 Power module substrate manufacturing method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016092359A (en) 2016-05-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5892281B2 (en) Power module substrate with heat sink and power module
KR102300972B1 (en) Substrate unit for power modules, and power module
JP6137267B2 (en) Power module substrate with heat sink and power module
JP6201827B2 (en) Manufacturing method of power module substrate with heat sink
JP6417834B2 (en) Power module substrate with cooler and method for manufacturing power module substrate with cooler
JP4978221B2 (en) Circuit board manufacturing apparatus and manufacturing method, and cushion sheet used in the manufacturing method
JP6455056B2 (en) Manufacturing method and pressure device for power module substrate with heat sink
JP6375818B2 (en) Manufacturing apparatus and manufacturing method for power module substrate with heat sink
JP6024477B2 (en) Manufacturing method of power module substrate with heat sink
JP5786569B2 (en) Power module substrate manufacturing method
JP5640610B2 (en) Power module substrate manufacturing equipment
JP2019176152A (en) Insulated circuit board with heat sink
JP6201828B2 (en) Manufacturing method of power module substrate with heat sink
JP6357917B2 (en) Power module substrate with heat sink, method for manufacturing the same, and power module
JP2018135251A (en) Method for manufacturing substrate for power module
JP6028497B2 (en) Power module substrate and manufacturing method thereof
JP6471465B2 (en) Power module board with cooler
JP6409621B2 (en) Manufacturing method of joined body of ceramic substrate and aluminum plate
JP6264822B2 (en) Power module substrate with heat sink and manufacturing method thereof
JP2005072036A (en) Power module, and method and apparatus for manufacturing circuit board
JP5303936B2 (en) Power module substrate, power module, and method of manufacturing power module substrate
JP2012074611A (en) Manufacturing device and manufacturing method of substrate for power module
JP5900559B2 (en) Power module substrate manufacturing method
JP6264889B2 (en) Power module substrate with heat sink and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170929

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180620

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180710

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180830

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

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20181225

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190107

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6471465

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees