JP6507722B2 - Method of manufacturing power module substrate - Google Patents
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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パワーモジュール用基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a high current, producing how the power module substrate used in a semiconductor device for controlling the high voltage.
車載用パワーモジュールには、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板の上に金属板が積層されたパワーモジュール用基板が用いられる。この金属板は、セラミックス基板の両面に積層され、その一方が回路層となり、他方が放熱層となる。回路層には銅板又はアルミニウム板が用いられ、放熱層にはアルミニウム板が用いられるのが一般的である。 A power module substrate in which a metal plate is stacked on a ceramic substrate such as aluminum nitride is used for a vehicle power module. This metal plate is laminated on both sides of the ceramic substrate, one of which is a circuit layer, and the other is a heat dissipation layer. In general, a copper plate or an aluminum plate is used for the circuit layer, and an aluminum plate is generally used for the heat dissipation layer.
例えば、特許文献１及び特許文献２には、セラミックス基板の一方の面に銅板が接合され、他方の面にはアルミニウム板が接合されたパワーモジュール用基板が開示されている。
また、セラミックス基板には、窒化アルミニウムや窒化珪素などの窒化物、アルミナなどの酸化物が用いられるが、窒化珪素からなるセラミックス基板は、アルミニウムとの接合体に多用されている窒化アルミニウムに比べて、機械的強度が高いため、回路層に厚い銅を用いて高剛性のパワーモジュールとして使用することができる。
For example, Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose a power module substrate in which a copper plate is joined to one surface of a ceramic substrate and an aluminum plate is joined to the other surface.
In addition, although a nitride such as aluminum nitride or silicon nitride or an oxide such as alumina is used for the ceramic substrate, the ceramic substrate made of silicon nitride is more than aluminum nitride which is frequently used for a joint with aluminum. Because of its high mechanical strength, thick copper can be used for the circuit layer and it can be used as a highly rigid power module.
ところで、金属層にアルミニウムを用いるパワーモジュール用基板においても、この窒化珪素基板を用いることにより剛性を高めることができ、薄肉化を図ることができると考えられる。しかしながら、窒化珪素の場合、窒化アルミニウムやアルミナに比べ、アルミニウムシリコン（Ａｌ−Ｓｉ）箔を用いてアルミニウム板を接合すると、その接合界面にボイドが発生し易いという問題がある。 By the way, also in a power module substrate using aluminum as the metal layer, by using this silicon nitride substrate, it is considered that rigidity can be enhanced and thinning can be achieved. However, in the case of silicon nitride, there is a problem that when an aluminum plate is bonded using an aluminum silicon (Al-Si) foil as compared with aluminum nitride or alumina, voids are easily generated at the bonding interface.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、窒化珪素からなるセラミックス基板に対するアルミニウム板の接合性を高めて、剛性の高いパワーモジュール用基板を製造することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to manufacture a substrate for a power module having high rigidity by enhancing the bonding property of an aluminum plate to a ceramic substrate made of silicon nitride.
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、窒化珪素からなるセラミックス基板の両面に、アルミニウムシリコン系ろう材を介して、厚さ０．０７５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の純度９９質量％以上の純アルミニウムからなる第１アルミニウム板をそれぞれ積層するとともに、これら第１アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の表面にアルミニウムシリコン系ろう材を介して厚さ０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の純度９９質量％以上の純アルミニウムからなる第２アルミニウム板をそれぞれ積層し、これらの積層体を加圧加熱して接合する。 Method for manufacturing a power module substrate of the present invention, both surfaces of the ceramic substrate made of silicon nitride, over the aluminum-silicon-based brazing material, thickness 0.075mm or 0.4mm following purity of at least 99% by weight pure with laminated first aluminum plate made of aluminum, respectively, these first aluminum plate the ceramic substrate and the purity opposite surface below the aluminum silicon brazing material thickness of 0.1mm or more 1.5mm over the of the 99 Second aluminum plates made of pure aluminum of not less than% by mass are respectively laminated, and these laminates are joined by pressure heating.
窒化珪素からなるセラミックス基板は柱状粒が重なり合った隙間の多い表面を有しており、表面には焼結助剤相とともに酸化珪素相が存在している。この窒化珪素からなるセラミックス基板とアルミニウム板とをアルミニウムシリコン系ろう材を介して加圧加熱するだけでは、ろう材中のシリコンがセラミックス基板とアルミニウム板との界面から短時間でアルミニウム板に拡散して、界面付近のアルミニウム板の一部を溶融し、この溶融アルミニウムが次式のようにセラミックス基板の酸化珪素（ＳｉＯ２）と反応して、一酸化珪素（ＳｉＯ）のガスを生じさせ、これがボイドとなって接合を阻害する。
２Ａｌ＋３ＳｉＯ２ → Ａｌ２Ｏ３＋３ＳｉＯ
A ceramic substrate made of silicon nitride has a surface with many gaps in which columnar grains overlap each other, and a silicon oxide phase is present on the surface together with a sintering aid phase. Only by pressure heating the ceramic substrate made of silicon nitride and the aluminum plate through the aluminum silicon-based brazing material, silicon in the brazing material diffuses from the interface between the ceramic substrate and the aluminum plate to the aluminum plate in a short time. Te, melts a portion of the aluminum plate in the vicinity of the interface, the molten aluminum reacts with the silicon oxide of the ceramic substrate as shown in the following equation (SiO 2), causing the gas silicon monoxide (SiO), which is It becomes a void and inhibits bonding.
2Al + 3SiO 2 → Al 2 O 3 + 3SiO
本発明では、セラミックス基板に接合される第１アルミニウム板にさらに第２アルミニウム板を積層して、その間にもアルミニウムシリコン系ろう材を介在させるので、これら両アルミニウム板の間に介在させたアルミニウムシリコン系ろう材が溶融して、そのシリコン成分が第１アルミニウム板中に拡散することにより、セラミックス基板と第１アルミニウム板との間のアルミニウムシリコン系ろう材中のシリコン成分の第１アルミニウム板中への拡散速度が抑えられる。このため、セラミックス基板と第１アルミニウム板との界面付近のシリコン濃度が高い状態に維持され、その結果、アルミニウム板の溶融が抑えられることから、ボイドの発生が防止されるとともに、ろう材の液相の範囲が十分に広がってセラミックス基板と第１アルミニウム板とを確実に接合することができる。 In the present invention, the second aluminum plate is further stacked on the first aluminum plate to be joined to the ceramic substrate, and the aluminum silicon based brazing material is also interposed therebetween, so the aluminum silicon based brazing material interposed between both aluminum plates. The material melts and the silicon component diffuses into the first aluminum plate to diffuse the silicon component in the aluminum silicon brazing material between the ceramic substrate and the first aluminum plate into the first aluminum plate Speed is reduced. For this reason, the silicon concentration in the vicinity of the interface between the ceramic substrate and the first aluminum plate is maintained in a high state, and as a result, the melting of the aluminum plate is suppressed. The range of the phases is sufficiently spread, and the ceramic substrate and the first aluminum plate can be reliably bonded.
第１アルミニウム板が薄すぎると、ろう材の液相中に第１アルミニウム板が溶融することにより大量の液相が発生することとなり、第２アルミニウム板の表面上に、周囲から液相が回り込むことにより、ろうシミとなるおそれがある。厚過ぎると、セラミックス基板と第１アルミニウム板との界面付近のシリコン濃度を高い状態に維持することができにくくなり、ボイドが発生するおそれがある。すなわち、第１アルミニウム板と第２アルミニウム板の間にアルミニウムシリコン系ろう材を介在させる効果が小さくなる。
このため、第１アルミニウム板の板厚は０．０７５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下とされている。
If the first aluminum plate is too thin, a large amount of liquid phase is generated by melting the first aluminum plate in the liquid phase of the brazing material, and the liquid phase wraps around the surface of the second aluminum plate. Depending on the situation, it may cause wax stains. If the thickness is too thick, it is difficult to maintain the silicon concentration in the vicinity of the interface between the ceramic substrate and the first aluminum plate in a high state, and there is a possibility that voids may occur. That is, the effect of interposing the aluminum silicon brazing material between the first aluminum plate and the second aluminum plate is reduced.
For this reason, the thickness of the first aluminum plate is set to not less than 0.075 mm and not more than 0.4 mm.
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記第２アルミニウム板は、アルミニウム純度が９９．９９質量％以上であるとよい。 In the method of manufacturing a power module substrate according to the present invention, the second aluminum plate preferably has an aluminum purity of 99.99% by mass or more.
アルミニウム板に不純物が多く含まれていると、その不純物成分とアルミニウムとの析出物（例えばアルミニウム鉄化合物）が粒界に析出し、その析出物にシリコンが反応してアルミニウムを部分的に溶融し、これが表面に達して、第１アルミニウム板が薄すぎる場合と同様にろうシミ発生の原因となり易い。アルミニウム板の純度を９９．９９質量％以上とすることにより、粒界の析出物を少なくしてろうシミ発生を防止することができる。 If the aluminum plate contains a large amount of impurities, precipitates of the impurity components and aluminum (eg, aluminum iron compound) precipitate at grain boundaries, and silicon reacts with the precipitates to partially melt the aluminum. This reaches the surface and is likely to cause the generation of wax marks as in the case where the first aluminum plate is too thin. By setting the purity of the aluminum plate to 99.99% by mass or more, it is possible to reduce precipitation at grain boundaries and to prevent the generation of wax stains.
本発明によれば、窒化珪素からなるセラミックス基板に対するアルミニウム板の接合性を高めて、剛性の高いパワーモジュール用基板を製造することができる。 According to the present invention, the bonding property of the aluminum plate to the ceramic substrate made of silicon nitride can be enhanced, and the power module substrate having high rigidity can be manufactured.
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。
図１に示す一実施形態のパワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板２０の一方の面に回路層３０が接合され、他方の面に放熱層４０が接合されている。そして、このパワーモジュール用基板１０の回路層３０の表面に半導体素子５０が搭載され、放熱層４０にはヒートシンク６０が接合される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the power module substrate 10 of the embodiment shown in FIG. 1, the circuit layer 30 is bonded to one surface of the ceramic substrate 20, and the heat dissipation layer 40 is bonded to the other surface. The semiconductor element 50 is mounted on the surface of the circuit layer 30 of the power module substrate 10, and the heat sink 60 is bonded to the heat dissipation layer 40.
セラミックス基板２０は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）からなり、厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。 The ceramic substrate 20 is made of silicon nitride (Si 3 N 4 ), and the thickness is set in the range of 0.2 mm to 1.5 mm.
回路層３０及び放熱層４０は、図２に製造途中の状態を示したように、それぞれ２枚のアルミニウム板３１，３２，４１，４２を接合してなるものである。それぞれ、セラミックス基板２０側から第１アルミニウム板３１，４１、第２アルミニウム板３２，４２とする。いずれのアルミニウム板３１，３２，４１，４２とも、純度９９．９９質量％以上の純アルミニウム（ＪＩＳ規格では１Ｎ９９）からなり、その板厚は、第１アルミニウム板３１，４１が０．０７５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下、第２アルミニウム板３２，４２が０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。これらアルミニウム板３１，３２，４１，４２は、両者の間にシリコンアルミニウム系ろう材（以下、単にろう材という場合もある）７０を介して一体に接合されて回路層３０又は放熱層４０を形成している。 The circuit layer 30 and the heat radiation layer 40 are formed by joining two aluminum plates 31, 32, 41 and 42, respectively, as shown in FIG. The first aluminum plates 31 and 41 and the second aluminum plates 32 and 42 are formed from the ceramic substrate 20 side, respectively. Each of the aluminum plates 31, 32, 41 and 42 is made of pure aluminum having a purity of 99.99% by mass or more (1N99 according to the JIS standard), and the thickness of the first aluminum plate 31, 41 is 0.075 mm or more. .4 mm or less, and the second aluminum plates 32 and 42 are 0.1 mm or more and 1.5 mm or less. These aluminum plates 31, 32, 41 and 42 are integrally joined via a silicon aluminum-based brazing material (hereinafter may be simply referred to as brazing material) 70 between them to form the circuit layer 30 or the heat dissipation layer 40. doing.
以下、各アルミニウム板３１，３２，４１，４２を区別する場合には、回路層３０に用いられる２枚のアルミニウム板を回路層用第１アルミニウム板３１、回路層用第２アルミニウム板３２とし、放熱層４０に用いられる２枚のアルミニウム板を放熱層用第１アルミニウム板４１、放熱層用第２アルミニウム板４２とする。 Hereinafter, in order to distinguish the respective aluminum plates 31, 32, 41, 42, the two aluminum plates used for the circuit layer 30 are referred to as a first aluminum plate 31 for the circuit layer and a second aluminum plate 32 for the circuit layer, Two aluminum plates used for the heat dissipation layer 40 are referred to as a first heat dissipation layer aluminum plate 41 and a heat dissipation layer second aluminum plate 42.
次に、このような構成の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。
図２に示すように、セラミックス基板２０の一方の面に、回路層用第１アルミニウム板３１、回路層用第２アルミニウム板３２をそれぞれアルミニウムシリコン系ろう材７０を介して積層し、セラミックス基板２０の他方の面に、放熱層用第１アルミニウム板４１、放熱層用第２アルミニウム板４２をそれぞれアルミニウムシリコン系ろう材７０を介して積層し、積層体Ｓとする。アルミニウムシリコン系ろう材７０は箔の形態で用いるとよい。
Next, a method of manufacturing the power module substrate 10 having such a configuration will be described.
As shown in FIG. 2, the first aluminum plate 31 for circuit layer and the second aluminum plate 32 for circuit layer are laminated on one surface of the ceramic substrate 20 through the aluminum silicon brazing material 70 respectively, and the ceramic substrate 20 is formed. The first aluminum plate 41 for the heat radiation layer and the second aluminum plate 42 for the heat radiation layer are laminated on the other surface of the aluminum foil 70 through the aluminum silicon brazing material 70 to form a laminate S. The aluminum silicon brazing filler metal 70 may be used in the form of a foil.
この場合、セラミックス基板２０と第１アルミニウム板３１，４１との間に設けられるろう材７０と、第１アルミニウム板３１，４１と第２アルミニウム板３２，４２との間に設けられるろう材７０とのシリコン含有量は同じでよく、５質量％以上１２質量％以下とされる。また、ろう材７０の厚みも同じでよく、５μｍ以上３０μｍ以下とされる。これらアルミニウムシリコン系ろう材７０は、この含有量及び厚みの範囲であれば、それぞれを異なるシリコン含有量、異なる厚さとしてもよい。
これらの積層体Ｓを図３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。
In this case, the brazing material 70 provided between the ceramic substrate 20 and the first aluminum plates 31 and 41 and the brazing material 70 provided between the first aluminum plates 31 and 41 and the second aluminum plates 32 and 42 The silicon content of these may be the same, and is 5% by mass or more and 12% by mass or less. In addition, the thickness of the brazing material 70 may be the same, and is 5 μm to 30 μm. As long as the content and the thickness of the aluminum silicon-based brazing filler metal 70 fall within the range, each of them may have a different silicon content and a different thickness.
The stacked body S is pressed in the stacking direction using the pressing device 110 shown in FIG.
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。 The pressure device 110 includes a base plate 111, guide posts 112 vertically attached to four corners of the upper surface of the base plate 111, a fixing plate 113 fixed to the upper end of the guide posts 112, and the base plates 111. Such as a pressure plate provided between the pressure plate 114 and the pressure plate 114, which is supported between the pressure plate 114 and the pressure plate 114, and a pressure plate 114 supported between the pressure plate 114 and the pressure plate 114; A biasing means 115 is provided.
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。 The fixing plate 113 and the pressing plate 114 are disposed in parallel to the base plate 111, and the above-described laminate S is disposed between the base plate 111 and the pressing plate 114. Cushion sheets 116 are disposed on both sides of the laminate S in order to equalize the pressure. The cushion sheet 116 is formed of a laminate of a carbon sheet and a graphite sheet.
この加圧装置１１０により積層体Ｓを加圧した状態で、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基板２０に回路層用第１アルミニウム板３１と放熱層用第１アルミニウム板４１とをろう付け接合するとともに、これら第１アルミニウム板３１，４１にそれぞれ第２アルミニウム板３２，４２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。 In a state in which the laminate S is pressurized by the pressurizing device 110, the pressurizing device 110 is installed in a heating furnace (not shown), heated to a bonding temperature in a vacuum atmosphere, and heated to the ceramic substrate 20 for the first circuit layer. The aluminum plate 31 and the first aluminum plate 41 for heat dissipation layer are joined by brazing, and the second aluminum plates 32 and 42 are joined by brazing to the first aluminum plates 31 and 41, respectively. The pressure in this case is, for example, 0.1 MPa or more and 3.4 MPa or less, the bonding temperature is 610 ° C. or more and 650 ° C. or less, and the heating time is 1 minute or more and 60 minutes or less.
このろう付け接合工程においては、セラミックス基板２０と両第１アルミニウム板３１，４１との間、及び第１アルミニウム板３１，４１と第２アルミニウム板３２，４２との間に介在させたアルミニウムシリコン系ろう材７０がまず溶融する。このアルミニウムシリコン系ろう材７０中のシリコン成分は、各アルミニウム板３１，３２，４１，４２内に拡散するが、セラミックス基板２０に接している第１アルミニウム板３１，４１においては、第２アルミニウム板３２，４２との間にもアルミニウムシリコン系ろう材７０が配置されていることから、セラミックス基板２０との界面からの拡散だけでなく、第２アルミニウム板３２，４２との界面からもシリコン成分の拡散が生じる。 In this brazing and bonding step, an aluminum silicon system interposed between the ceramic substrate 20 and the both first aluminum plates 31 and 41 and between the first aluminum plates 31 and 41 and the second aluminum plates 32 and 42 The brazing material 70 is first melted. The silicon component in the aluminum silicon brazing material 70 diffuses into the respective aluminum plates 31, 32, 41 and 42, but in the first aluminum plates 31 and 41 in contact with the ceramic substrate 20, the second aluminum plate Since the aluminum silicon brazing filler metal 70 is disposed between 32 and 42, not only diffusion from the interface with the ceramic substrate 20 but also from the interface with the second aluminum plates 32 and 42 Diffusion occurs.
この第１アルミニウム板３１，４１は、その板厚が０．０７５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下と小さいので、セラミックス基板２０との界面側からの拡散と、第２アルミニウム板３２，４２との界面側からの拡散とが近接して生じることになり、このため、第１アルミニウム板３１，４１における両面からのシリコン拡散速度が相互に抑制される。
したがって、セラミックス基板２０と第１アルミニウム板３１，４１との界面からのシリコン拡散速度が抑えられることから、セラミックス基板２０との界面付近のシリコン濃度が高い状態に維持され、その結果、第１アルミニウム板２１の溶融が抑えられ、セラミックス基板２０の酸化珪素との反応によるボイドの発生が防止される。
Since the thickness of the first aluminum plates 31 and 41 is as small as 0.075 mm or more and 0.4 mm or less, diffusion from the interface side with the ceramic substrate 20 and the interface side with the second aluminum plates 32 and 42 In the first aluminum plates 31 and 41, the diffusion rates of silicon from both sides are mutually suppressed.
Therefore, the silicon diffusion rate from the interface between the ceramic substrate 20 and the first aluminum plates 31 and 41 is suppressed, so that the silicon concentration in the vicinity of the interface with the ceramic substrate 20 is maintained high, and as a result, the first aluminum The melting of the plate 21 is suppressed, and the generation of voids due to the reaction of the ceramic substrate 20 with silicon oxide is prevented.
このようにして製造されたパワーモジュール用基板１０は、両回路層３０及び放熱層４０とも２枚の回路層用アルミニウム板３１，３２、あるいは２枚の放熱層用アルミニウム板４１，４２が接合されて形成されるが、これらが同じアルミニウムからなるので、回路層用アルミニウム板３１，３２どうしの接合界面、及び放熱層用アルミニウム板４１，４２どうしの接合界面はほとんど認識できずに一体化している。また、これら回路層３０及び放熱層４０には、ろう材７０中に含有されていたシリコンにより、シリコン濃度分布が生じており、そのシリコン濃度は、セラミックス基板２０との接合界面において高く、回路層３０及び放熱層４０の表面（セラミックス基板２０との接合界面とは反対面）において小さくなる。また、第１アルミニウム板３１，４１の両面にろう材７０が介在していたことにより、第１アルミニウム板３１，４１であった部分のシリコン濃度は高い状態に維持され、セラミックス基板２０との接合界面から０．１ｍｍ厚さの範囲におけるシリコン濃度が０．２質量％以上０．６質量％以下の高濃度範囲とされる。 In the power module substrate 10 manufactured in this manner, two circuit layers aluminum plates 31 and 32 or two heat radiation layer aluminum plates 41 and 42 are joined to both the circuit layer 30 and the heat dissipation layer 40. Because they are made of the same aluminum, the bonding interface between the circuit layer aluminum plates 31 and 32 and the bonding interface between the heat sink layer aluminum plates 41 and 42 are integrated with hardly any recognition. . In addition, a silicon concentration distribution is generated in the circuit layer 30 and the heat dissipation layer 40 by the silicon contained in the brazing material 70, and the silicon concentration is high at the bonding interface with the ceramic substrate 20. 30 and the surface of the heat dissipation layer 40 (opposite to the bonding interface with the ceramic substrate 20) become smaller. In addition, since the brazing material 70 intervenes on both surfaces of the first aluminum plates 31 and 41, the silicon concentration of the portion which is the first aluminum plates 31 and 41 is maintained high, and bonding with the ceramic substrate 20 is performed. The silicon concentration in the range of 0.1 mm thickness from the interface is a high concentration range of 0.2% by mass to 0.6% by mass.
そして、このセラミックス基板２０との接合界面付近のシリコン濃度が高い状態に維持できているので、接合工程中にろう材７０の液相保持時間が長く、液相の範囲が十分に広がってセラミックス基板２０と回路層３０及び放熱層４０（の第１アルミニウム板３１，４１）との接合を確実にすることができる。 Then, since the silicon concentration in the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate 20 can be maintained high, the liquid phase holding time of the brazing material 70 is long during the bonding step, and the range of the liquid phase is sufficiently expanded. It is possible to ensure the bonding between the circuit board 20 and the circuit layer 30 and the heat radiation layer 40 (the first aluminum plates 31 and 41 thereof).
なお、本実施形態では各アルミニウム板３１，３２，４１，４２をいずれも純度９９．９９質量％以上のアルミニウムにより形成したので、不純物の粒界析出物が少なく、このため、その析出物とシリコンとの反応によるアルミニウムの部分的溶融が防止され、回路層３０及び放熱層４０表面へのいわゆるろうシミの発生が少なくなる。特に、回路層３０には半導体素子がはんだ付けされるため、そのはんだ層の接合信頼性を高めることができる。 In the present embodiment, since each of the aluminum plates 31, 32, 41 and 42 is formed of aluminum having a purity of 99.99% by mass or more, there are few grain boundary precipitates of impurities, and therefore the precipitates and silicon Partial melting of aluminum due to the reaction with the above is prevented, and the occurrence of so-called wax stains on the surface of the circuit layer 30 and the heat dissipation layer 40 is reduced. In particular, since the semiconductor element is soldered to the circuit layer 30, the bonding reliability of the solder layer can be enhanced.
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、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。
上記実施形態において、アルミニウム板３１，３２，４１，４２とも、純度９９．９９質量％以上の純アルミニウム板を用いたが、これに限らず、純度９９．９質量％以上の純アルミニウム板や純度９９質量％以上の純アルミニウム板を用いることもできる。また、アルミニウム板３１，３２，４１，４２の材質がそれぞれ異なっていても良い。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
In the above embodiment, although a pure aluminum plate having a purity of 99.99% by mass or more is used for the aluminum plates 31, 32, 41, 42, the invention is not limited thereto. A pure aluminum plate having a purity of 99.9% by mass or more A 99% or more by mass pure aluminum plate can also be used. Moreover, the materials of the aluminum plates 31, 32, 41, 42 may be different from each other.
窒化珪素からなる厚さ０．３２ｍｍのセラミックス基板の片面に２枚のアルミニウム板をアルミニウムシリコン系ろう材を介してそれぞれ接合した。各アルミニウム板の材質、板厚、及びアルミニウムシリコンろう材のシリコン含有量と厚さは表１に示す通りとした。セラミックス基板側から第１アルミニウム板、第２アルミニウム板とした（表には第１Ａｌ板、第２Ａｌ板と表記している）。
なお、比較例１は第２アルミニウム板を用いなかった。
Two aluminum plates were joined to one side of a 0.32 mm thick ceramic substrate made of silicon nitride via an aluminum silicon based brazing material. The material, thickness, and silicon content and thickness of the aluminum silicon brazing material of each aluminum plate were as shown in Table 1. It was set as the 1st aluminum plate from the ceramic substrate side, and the 2nd aluminum plate (it is written as the 1st Al plate and the 2nd Al plate in the table).
In Comparative Example 1, the second aluminum plate was not used.
接合は、セラミックス基板、アルミニウム板及びアルミニウムシリコン系ろう材の積層体を図３と同様の加圧装置により２ＭＰａ、６３０℃で３０分、加圧加熱して、パワーモジュール用基板の試料を作製した。 For bonding, a laminate of a ceramic substrate, an aluminum plate, and an aluminum silicon brazing material was pressurized and heated at 2 MPa and 630 ° C. for 30 minutes using the same pressure apparatus as in FIG. 3 to prepare a power module substrate sample. .
得られたパワーモジュール用基板の試料について、シリコン濃度、接合性、ろうシミについて評価した。
シリコン濃度は、アルミニウム層の厚さ方向の断面におけるシリコン濃度の分布をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）によって分析し、セラミックス基板との界面から０．１ｍｍの範囲のシリコン濃度を１０か所測定し、その平均値を求めた。
The samples of the obtained power module substrate were evaluated for silicon concentration, adhesion, and wax marks.
The silicon concentration is determined by analyzing the distribution of the silicon concentration in the cross section in the thickness direction of the aluminum layer by EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) and measuring the silicon concentration in a range of 0.1 mm from the interface with the ceramic substrate The average value was calculated.
接合性の評価としては、超音波探傷装置を用いて、セラミックス基板とアルミニウム板との界面のボイド率を測定した。ボイド率は、超音波探傷装置において白色部で示されることから、その白色部の面積（ボイド面積）と接合すべき面積（接合面積）との関係から、ボイド率（％）＝（ボイド面積／接合面積）×１００の式により求めた。ボイド率が３％未満を「◎」、３％以上５％未満を「○」、５％以上を「×」とした。
ろうシミは、３００個の各試料に対し、接合後の第２アルミニウム板の表面にろうシミが発生しているか否かを目視により評価した。肉眼で把握できる幅１ｍｍ以上のシミをろうシミとしてカウントし、その発生率が０％であれば「◎」、発生率が１％未満（０％を除く）であれば「○」、発生率が１％を超えたものは「×」とした。
これらの結果を表１に示す。
As evaluation of bondability, the void ratio of the interface of a ceramic substrate and an aluminum plate was measured using the ultrasonic flaw detector. The void fraction is indicated by a white part in the ultrasonic flaw detector, and the void fraction (%) = (void area / (void area) from the relationship between the area of the white part (void area) and the area to be joined (joint area). It calculated | required by the formula of joining area) x100. The void ratio of less than 3% is "◎", 3% or more and less than 5% is "○", and 5% or more is "X".
The wax spots were visually evaluated whether or not wax spots were generated on the surface of the second aluminum plate after bonding for each of the 300 samples. Spots 1 mm or more in width that can be grasped with the naked eye are counted as wax spots, and if the incidence rate is 0%, "「 ", if incidence rate is less than 1% (except 0%)," ○, incidence rate The thing which exceeded 1% was made into "x".
The results are shown in Table 1.
表１に示す結果から、セラミックス基板に２枚のアルミニウム板をアルミニウムシリコンろう材を介して接合することにより、接合性が良好であり、セラミックス基板との界面から０．１ｍｍの範囲のシリコン濃度が０．２質量％以上０．６質量％以下と高く維持されていることがわかる。その場合、第１アルミニウムの板厚は、０．１ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下であるのが好ましい。
また、第１アルミニウム板の板厚が０．０７５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、第２アルミニウム板が４Ｎアルミニウムの場合は、ろうシミの発生も認められなかった。
図４及び図５はＥＰＭＡによる断面分析結果を示しており、横軸がセラミックス基板との界面からの距離、縦軸がシリコン濃度を示している。図４が実施例１（測定位置を変えて２か所測定）、図５が比較例１（測定位置を変えて２か所測定）の分析結果である。Ｘで示す部分がセラミックス基板とアルミニウム板との界面、Ｙで示す部分が第１及び第２アルミニウム板の界面、Ｚで示す部分が第２アルミニウム板の表面である。この図４からもわかるように、比較例のものは、セラミックス基板との界面においてはシリコン濃度が高いが、その界面から離れるにしたがってシリコン濃度が小さくなっているのに対して、実施例のものは、セラミックス基板との界面だけでなく、その界面から第１アルミニウム板の厚さの範囲でシリコン濃度が高く維持されている。
From the results shown in Table 1, by joining two aluminum plates to the ceramic substrate via the aluminum silicon brazing material, the bondability is good, and the silicon concentration in the range of 0.1 mm from the interface with the ceramic substrate is It can be seen that the value is maintained as high as 0.2% by mass or more and 0.6% by mass or less. In that case, the plate thickness of the first aluminum is preferably 0.1 mm or more and 0.25 mm or less.
In addition, when the thickness of the first aluminum plate was 0.075 mm or more and 0.4 mm or less, and the second aluminum plate was 4N aluminum, generation of wax spots was not observed.
4 and 5 show the results of cross-sectional analysis by EPMA, in which the horizontal axis represents the distance from the interface with the ceramic substrate, and the vertical axis represents the silicon concentration. FIG. 4 shows the analysis results of Example 1 (measurement at two positions while changing the measurement position), and FIG. 5 shows measurement of Comparative Example 1 (measurement at two positions while changing the measurement position). The portion indicated by X is the interface between the ceramic substrate and the aluminum plate, the portion indicated by Y is the interface between the first and second aluminum plates, and the portion indicated by Z is the surface of the second aluminum plate. As can be seen from FIG. 4, in the comparative example, the silicon concentration is high at the interface with the ceramic substrate, but the silicon concentration decreases with distance from the interface, whereas the comparative example Not only the interface with the ceramic substrate but also the silicon concentration is maintained high in the range from the interface to the thickness of the first aluminum plate.
１０ パワーモジュール用基板
２０ セラミックス基板
３０ 回路層
３１ 第１アルミニウム板
３２ 第２アルミニウム板
４０ 放熱層
４１ 第１アルミニウム板
４２ 第２アルミニウム板
５０ 半導体素子
６０ ヒートシンク
７０ アルミニウムシリコンろう材
１１０ 加圧装置
10 power module substrate 20 ceramic substrate 30 circuit layer 31 first aluminum plate 32 second aluminum plate 40 heat dissipation layer 41 first aluminum plate 42 second aluminum plate 50 semiconductor element 60 heat sink 70 aluminum silicon brazing material 110 pressing device
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