JP6569511B2 - Bonded body, power module substrate with cooler, and method for manufacturing power module substrate with cooler - Google Patents

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Description

この発明は、少なくとも接合面が銅またはニッケルのうち少なくともいずれか一方を含む材料からなる部材どうしを接合してなる接合体、金属層に冷却器を接合してなる冷却器付きパワーモジュール用基板、およびその製造方法に関するものである。   The present invention is a joined body formed by joining members made of materials containing at least one of copper and nickel at least on the joining surface, a power module substrate with a cooler formed by joining a cooler to a metal layer, And a manufacturing method thereof.

ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えたパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属層を形成したものも提供されている。 A semiconductor device such as an LED or a power module has a structure in which a semiconductor element is bonded on a circuit layer made of a conductive material.
In power semiconductor elements for large power control used to control wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, etc., the amount of heat generated is large, and for example, AlN (aluminum nitride), Al 2. Description of the Related Art Conventionally, a power module substrate including a ceramic substrate made of 2 O 3 (alumina) or the like and a circuit layer formed by bonding a metal plate having excellent conductivity to one surface of the ceramic substrate has been widely used. It is used. In addition, as a power joule substrate, a substrate having a metal layer formed on the other surface of a ceramic substrate is also provided.

例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｌからなる回路層及び金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、この回路層上にはんだ材を介して接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。
そして、パワーモジュール用基板の金属層側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子からパワーモジュール用基板側に伝達された熱を、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。 For example, in the power module shown in Patent Document 1, a power module substrate in which a circuit layer and a metal layer made of Al are formed on one surface and the other surface of a ceramic substrate, and a solder material is interposed on the circuit layer. And a semiconductor element bonded to each other.
A heat sink is bonded to the metal layer side of the power module substrate, and heat transferred from the semiconductor element to the power module substrate side is dissipated to the outside through the heat sink.

ところで、特許文献１に記載されたパワーモジュールのように、回路層及び金属層をアルミニウムで構成した場合には、表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によっては半導体素子やヒートシンクを接合することができない。
そこで、従来、例えば特許文献２に開示されているように、回路層及び金属層の表面に無電解めっき等によってニッケルめっき膜を形成した上で、半導体素子やヒートシンクをはんだ接合している。 By the way, when the circuit layer and the metal layer are made of aluminum as in the power module described in Patent Document 1, an aluminum oxide film is formed on the surface. Cannot be joined.
Therefore, conventionally, as disclosed in Patent Document 2, for example, a nickel plating film is formed on the surface of a circuit layer and a metal layer by electroless plating or the like, and then a semiconductor element and a heat sink are soldered.

しかしながら、特許文献２に記載されたように、半導体素子やヒートシンクをはんだ接合した場合、高温時に原子の拡散速度の差異によってカーケンダルボイドが生じやすい。カーケンダルボイドが成長するとクラックに発展し、はんだ層が破壊されて剥離の原因となる。   However, as described in Patent Document 2, when a semiconductor element or a heat sink is soldered, Kirkendall voids are likely to occur due to a difference in atomic diffusion rate at high temperatures. When the Kirkendall void grows, it develops into a crack, which destroys the solder layer and causes peeling.

このため、例えば特許文献３には、半導体チップと基板とを接合する際に、銅粒子とスズ粒子とを含む接合剤を用いて、Ｃｕリッチの金属間化合物であるＣｕ３Ｓｎの比率を増やす工程を経て、Ｃｕ３Ｓｎを主体とした金属間化合物層を形成して半導体チップと基板とを接合する接合方法が記載されている。
また、例えば特許文献４には、中心核がＣｕ及びＣｕとＳｎとの金属間化合物からなり、被覆層がＳｎからなるハンダ粉末が記載されている。こうしたハンダ粉末を用いて半導体チップと基板とを接合することで、Ｃｕ３Ｓｎを主体とした金属間化合物層が形成されることが記載されている。 For this reason, for example, in Patent Document 3, when bonding a semiconductor chip and a substrate, a bonding agent containing copper particles and tin particles is used to increase the ratio of Cu 3 Sn that is a Cu-rich intermetallic compound. A bonding method is described in which a semiconductor chip and a substrate are bonded by forming an intermetallic compound layer mainly composed of Cu 3 Sn through the steps.
For example, Patent Document 4 describes a solder powder in which the central core is made of an intermetallic compound of Cu and Cu and Sn, and the coating layer is made of Sn. It is described that an intermetallic compound layer mainly composed of Cu 3 Sn is formed by bonding a semiconductor chip and a substrate using such solder powder.

特許第３１７１２３４号公報Japanese Patent No. 3171234 特開２００４−１７２３７８号公報JP 2004-172378 A 特開２０１４−１９９８５２号公報JP 2014-199852 A 特開２０１４−１９３４７３号公報JP 2014-193473 A

しかしながら、特許文献３や特許文献４に記載されたように、Ｃｕ３Ｓｎを主体とした金属間化合物層によって半導体チップや基板などの部材を接合する場合、金属間化合物層に存在するＣｕとＣｕ３Ｓｎとの拡散速度の差異によって生じるカーケンダルボイドの成長により、接合信頼性が低下する懸念がある。特に、高温環境に晒される可能性のあるパワーモジュール用基板を構成する部材どうしの接合に適用した場合、カーケンダルボイドの成長による接合信頼性の低下がより顕著になる。 However, as described in Patent Document 3 and Patent Document 4, when joining a member such as a semiconductor chip or a substrate with an intermetallic compound layer mainly composed of Cu 3 Sn, Cu and Cu present in the intermetallic compound layer are used. There is a concern that the bonding reliability is lowered due to the growth of Kirkendall void caused by the difference in diffusion rate from 3 Sn. In particular, when applied to the joining of members constituting a power module substrate that may be exposed to a high temperature environment, the joint reliability decreases due to the growth of the Kirkendall void.

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、部材どうしを接合する金属間化合物層に生じるカーケンダルボイドの発生や成長を抑制し、接合強度や接合信頼性を向上させた接合体及び冷却器付きパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。また、こうした接合信頼性を向上させた冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and suppresses generation and growth of Kirkendall voids generated in an intermetallic compound layer that joins members to each other, thereby improving joint strength and joint reliability. An object is to provide a power module substrate with a body and a cooler. Moreover, it aims at providing the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a cooler which improved such joining reliability.

上記課題を解決するために、本発明の接合体は、第一の部材と第二の部材とを接合した接合体であって、前記第一の部材および第二の部材のそれぞれの接合面は、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金のうち少なくともいずれかを含む材料からなり、互いの接合面の間には、Ｃｕ６Ｓｎ５またはＣｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造を含む金属間化合物である（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層が形成されており、前記金属間化合物層に含まれるＣｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下であり、前記金属間化合物層に単体として存在するＳｎの面積率は１５％以下であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the joined body of the present invention is a joined body in which a first member and a second member are joined, and each joint surface of the first member and the second member is , Copper, copper alloy, nickel, nickel alloy, and a part of copper of Cu 6 Sn 5 or Cu 6 Sn 5 is replaced with nickel between the joint surfaces. An intermetallic compound layer mainly composed of (Cu, Ni) 6 Sn 5 which is an intermetallic compound including a structure is formed, and the area ratio of Cu 3 Sn contained in the intermetallic compound layer is 1.5. % Ri der less, the area ratio of Sn to reside as discrete in the intermetallic compound layer is characterized der Rukoto than 15%.

本発明の接合体によれば、第一の部材と第二の部材とを、Ｃｕ６Ｓｎ５または（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とし、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層を介して接合することにより、従来のようなＣｕ３Ｓｎを主成分とした金属間化合物層を介して接合したものと比較して、カーケンダルボイドが発生及び成長が抑制され、接合信頼性や接合強度に優れた接合体を実現することができる。
Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％を超えると、カーケンダルボイドが成長することによって、接合信頼性や接合強度の低下が顕著になる。
なお、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５は、Ｃｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造を含む金属間化合物である。即ち、本発明において、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５と言った場合には、Ｃｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造の金属間化合物と、銅の一部がニッケルに置換されてないＣｕ６Ｓｎ５とが混在したものを含むものである。
なお、本発明において、面積率は金属間化合物層の断面積に対する面積率のことを示している
また、単体として存在するＳｎの面積率は１５％以下とすることで、接合体が高温環境に晒された際に、金属間化合物層の再溶融による形状の変化や、接合強度の低下を防ぐことが可能となる。 According to the joined body of the present invention, the first member and the second member are mainly composed of Cu 6 Sn 5 or (Cu, Ni) 6 Sn 5 , and the area ratio of Cu 3 Sn is 1.5%. By joining through the intermetallic compound layer, which is the following, Kirkendall voids are generated and grown as compared with the conventional joining through the intermetallic compound layer mainly composed of Cu 3 Sn. A bonded body that is suppressed and has excellent bonding reliability and bonding strength can be realized.
When the area ratio of Cu 3 Sn exceeds 1.5%, the Kirkendall void grows, and the joint reliability and joint strength are significantly reduced.
In addition, (Cu, Ni) 6 Sn 5 is an intermetallic compound including a structure in which a part of copper in Cu 6 Sn 5 is replaced with nickel. That is, in the present invention, when (Cu, Ni) 6 Sn 5 is referred to, an intermetallic compound having a structure in which a part of copper in Cu 6 Sn 5 is substituted with nickel, and a part of copper is nickel. Including Cu 6 Sn 5 which is not substituted with.
In the present invention, the area ratio indicates the area ratio relative to the cross-sectional area of the intermetallic compound layer.
Further, the area ratio of Sn existing as a single body is set to 15% or less, so that when the joined body is exposed to a high temperature environment, a change in shape due to remelting of the intermetallic compound layer and a decrease in joining strength are prevented. It becomes possible.

前記金属間化合物層に含まれる（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５において、Ｎｉの濃度は１２ａｔ％以下であることを特徴とする。
Ｎｉが過多となる場合, 脆性破壊の起点となるＮｉ３Ｓｎ４が形成される懸念がある。Ｎｉの濃度を１２ａｔ％以下に保つことによって、接合強度に優れた接合体を実現できる。 In (Cu, Ni) 6 Sn 5 contained in the intermetallic compound layer, the concentration of Ni is 12 at% or less.
When Ni is excessive, there is a concern that Ni 3 Sn 4 that becomes the starting point of brittle fracture is formed. By maintaining the Ni concentration at 12 at% or less, a bonded body having excellent bonding strength can be realized.

本発明の冷却器付きパワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面側に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面側に形成された金属層と、前記金属層に接合された冷却器と、とを有する冷却器付きパワーモジュール用基板であって、前記金属層および前記冷却器のそれぞれの接合面は、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金のうち少なくともいずれかを含む材料からなり、互いの接合面の間には、Ｃｕ６Ｓｎ５またはＣｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造を含む金属間化合物である（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層が形成されており、前記金属間化合物層に含まれるＣｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下であり、前記金属間化合物層に単体として存在するＳｎの面積率は１５％以下であることを特徴とする。 A power module substrate with a cooler according to the present invention includes a ceramic substrate, a circuit layer formed on one surface side of the ceramic substrate, a metal layer formed on the other surface side of the ceramic substrate, and the metal A power module substrate with a cooler having a cooler joined to the layer, wherein each of the joining surfaces of the metal layer and the cooler is at least one of copper, copper alloy, nickel, and nickel alloy It is an intermetallic compound including a structure in which a part of copper in Cu 6 Sn 5 or Cu 6 Sn 5 is substituted with nickel (Cu, Ni). 6 Sn 5 and the intermetallic compound layer mainly composed is formed a state, and are an area of not more than 1.5% of Cu 3 Sn included in the intermetallic compound layer, alone on the intermetallic compound layer Area ratio of Sn present in is characterized der Rukoto than 15%.

本発明の冷却器付きパワーモジュール用基板によれば、金属層と、冷却器とを、Ｃｕ６Ｓｎ５または（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とし、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層を介して接合することにより、従来のようなＣｕ３Ｓｎを主成分とした金属間化合物層を介して接合したものと比較して、カーケンダルボイドの発生及び成長が抑制され、接合信頼性や接合強度に優れた冷却器付きパワーモジュール用基板を実現することができる。
また、単体として存在するＳｎの面積率を１５％以下とすることで、冷却器付きパワーモジュール用基板が高温環境に晒された際に、金属間化合物層の再溶融による形状の変化や、接合強度の低下を防ぐことが可能となる。より好ましくは１０％以下とするとよい。 According to the power module substrate with a cooler of the present invention, the metal layer and the cooler are mainly composed of Cu 6 Sn 5 or (Cu, Ni) 6 Sn 5 , and the area ratio of Cu 3 Sn is 1. By joining through an intermetallic compound layer that is 5% or less, compared to conventional joining through an intermetallic compound layer mainly composed of Cu 3 Sn, generation of Kirkendall voids and Growth can be suppressed, and a power module substrate with a cooler that has excellent bonding reliability and bonding strength can be realized.
In addition, when the area ratio of Sn existing as a single unit is 15% or less, when the substrate for a power module with a cooler is exposed to a high temperature environment, the shape change due to remelting of the intermetallic compound layer or bonding It is possible to prevent a decrease in strength. More preferably, it may be 10% or less.

前記金属間化合物層に含まれる（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５において、Ｎｉの濃度は１２ａｔ％以下であることを特徴とする。
Ｎｉが過多となる場合, 脆性破壊の起点となるＮｉ３Ｓｎ４が形成される懸念がある。Ｎｉの濃度を１２ａｔ％以下に保つことによって、接合強度に優れた冷却器付きパワーモジュール用基板を実現できる。 In (Cu, Ni) 6 Sn 5 contained in the intermetallic compound layer, the concentration of Ni is 12 at% or less.
When Ni is excessive, there is a concern that Ni 3 Sn 4 that becomes the starting point of brittle fracture is formed. By maintaining the Ni concentration at 12 at% or less, a power module substrate with a cooler having excellent bonding strength can be realized.

前記金属層および前記冷却器のうち、少なくともいずれか一方は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基部と、該基部のうち、少なくとも前記接合面側に形成されたニッケルを含むメッキ層と、からなることを特徴とする。
これによって、金属層の基部や、冷却器の基部としてアルミニウムを用いた場合であっても、こうした基部にそれぞれニッケルを含むメッキ層を形成することにより、Ｃｕ６Ｓｎ５の銅の一部がニッケルに置換された（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層を形成できる。銅の一部をニッケルに置換することによって、金属層と冷却器との接合信頼性をより一層向上させることができる。 At least one of the metal layer and the cooler includes a base portion made of aluminum or an aluminum alloy, and a plating layer containing nickel formed on at least the joining surface side of the base portion. Features.
Thus, even when aluminum is used as the base of the metal layer and the base of the cooler, a part of the copper of Cu 6 Sn 5 is made nickel by forming a plating layer containing nickel on each of these bases. An intermetallic compound layer mainly composed of (Cu, Ni) 6 Sn 5 substituted with can be formed. By replacing a part of copper with nickel, the bonding reliability between the metal layer and the cooler can be further improved.

本発明の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面側に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面側に形成された金属層と、前記金属層に接合された冷却器と、とを有する冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層および前記冷却器は、それぞれの接合面が銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金のうち少なくともいずれかを含む材料を用い、前記金属層および前記冷却器のうち、少なくともいずれか一方の接合面に、金属粉末として銅及びニッケルの合計量が４５ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下、残部がスズおよび不可避不純物を含有するＣｕ−Ｓｎペーストを塗布するＣｕ−Ｓｎペースト塗布工程と、前記金属層と前記冷却器とを互いに加圧しつつ加熱し、前記金属層と前記冷却器との間に、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下かつ、Ｃｕ６Ｓｎ５またはＣｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造を含む金属間化合物である（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層を形成する加熱工程と、を備えたことを特徴とする。 The method for manufacturing a power module substrate with a cooler according to the present invention includes a ceramic substrate, a circuit layer formed on one surface side of the ceramic substrate, and a metal layer formed on the other surface side of the ceramic substrate. , A cooler joined to the metal layer, and a method for manufacturing a power module substrate with a cooler, wherein the metal layer and the cooler are each made of copper, copper alloy, nickel, A material containing at least one of nickel alloys is used, and the total amount of copper and nickel as metal powder is 45 wt% or more and 60 wt% or less on the joining surface of at least one of the metal layer and the cooler, and the balance Applies a Cu-Sn paste applying step of applying a Cu-Sn paste containing tin and inevitable impurities, and adding the metal layer and the cooler to each other. And it was heated while substitution between the cooler and the metal layer, Cu 3 Sn and area ratio of 1.5% or less, part of the copper of the Cu 6 Sn 5 or Cu 6 Sn 5 is a nickel And a heating step of forming an intermetallic compound layer mainly composed of (Cu, Ni) 6 Sn 5 which is an intermetallic compound including the structured.

本発明の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属層と、冷却器とを、Ｃｕ６Ｓｎ５または（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とし、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層を介して接合することにより、従来のようなＣｕ３Ｓｎを主成分とした金属間化合物層を介して接合したものと比較して、カーケンダルボイドが発生しにくく、接合信頼性や接合強度に優れた冷却器付きパワーモジュール用基板を製造することができる。
ここで、金属粉末の銅及びニッケルの合計量が４５ｗｔ％未満の場合、接合面の間にＳｎが主成分となる層が形成されることにより、接合強度が低下することとなる。また、銅及びニッケルの合計量が６０ｗｔ％を超えると、加熱工程時に存在するＣｕ量が多いため、形成される金属間化合物層にＣｕ３Ｓｎが多く存在することとなる。 According to the method for manufacturing a power module substrate with a cooler of the present invention, the metal layer and the cooler are mainly composed of Cu 6 Sn 5 or (Cu, Ni) 6 Sn 5 , and the area ratio of Cu 3 Sn. By joining through an intermetallic compound layer having a ratio of 1.5% or less, compared to conventional joining through an intermetallic compound layer mainly composed of Cu 3 Sn, Kirkendall void Therefore, it is possible to manufacture a power module substrate with a cooler that is less likely to generate and has excellent bonding reliability and bonding strength.
Here, when the total amount of copper and nickel in the metal powder is less than 45 wt%, the bonding strength is reduced by forming a layer mainly composed of Sn between the bonding surfaces. In addition, when the total amount of copper and nickel exceeds 60 wt%, a large amount of Cu is present during the heating step, so that a large amount of Cu 3 Sn is present in the formed intermetallic compound layer.

前記Ｃｕ−Ｓｎペースト塗布工程における前記Ｃｕ−Ｓｎペーストの塗布量は、Ｃｕ成分が１５ｍｇ／ｃｍ２以上、１２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲となるよう塗布することを特徴とする。
塗布するＣｕ−ＳｎペーストのＣｕ成分が１５ｍｇ／ｃｍ２未満の場合、加熱工程の際に生じる液相の量が低下し、接合性が低下するおそれがある。また、塗布するＣｕ−ＳｎペーストのＣｕ成分が１２０ｍｇ／ｃｍ２を超えると、金属間化合物層が厚く形成されることとなり、金属層や冷却器との線膨張差によって接合信頼性が低下するおそれがある。 The application amount of the Cu-Sn paste in the Cu-Sn paste application step is such that the Cu component is applied in a range of 15 mg / cm 2 to 120 mg / cm 2 .
When the Cu component of the Cu—Sn paste to be applied is less than 15 mg / cm 2 , the amount of the liquid phase generated during the heating process is lowered, and the bonding property may be lowered. In addition, if the Cu component of the applied Cu-Sn paste exceeds 120 mg / cm 2 , the intermetallic compound layer will be formed thick, and the bonding reliability may be reduced due to the difference in linear expansion between the metal layer and the cooler. There is.

本発明によれば、部材どうしを接合する金属間化合物層に生じるカーケンダルボイドの発生や成長を抑制し、接合強度や接合信頼性を向上させた接合体及び冷却器付きパワーモジュール用基板を提供することができる。こうした接合信頼性を向上させた冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。   According to the present invention, there is provided a joined body and a power module substrate with a cooler that suppresses generation and growth of a Kirkendall void generated in an intermetallic compound layer joining members and improves joining strength and joining reliability. can do. The manufacturing method of the board | substrate for power modules with a cooler which improved such joining reliability can be provided.

第一実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the board | substrate for power modules with a cooler of 1st embodiment. 金属間化合物層を介した金属層と冷却器との接合部分を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the junction part of the metal layer and cooler via the intermetallic compound layer. 第二実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the board | substrate for power modules with a cooler of 2nd embodiment. 第一実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法を段階的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a cooler of 1st embodiment in steps. 第一実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法を段階的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a cooler of 1st embodiment in steps. 第二実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法を段階的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a cooler of 2nd embodiment in steps.

以下、図面を参照して、本発明の接合体、冷却器付きパワーモジュール用基板、および冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。   Hereinafter, with reference to drawings, the manufacturing method of the joined object of the present invention, the substrate for power modules with a cooler, and the substrate for power modules with a cooler is explained. Each embodiment described below is specifically described for better understanding of the gist of the invention, and does not limit the present invention unless otherwise specified. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features of the present invention easier to understand, there is a case where a main part is shown in an enlarged manner for convenience, and the dimensional ratio of each component is the same as the actual one. Not necessarily.

（冷却器付きパワーモジュール用基板：第一実施形態）
第一実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）について、図１を参照して説明する。
図１は、本発明の第一実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）を示す断面図である。
本実施形態である接合体は、セラミックス基板１１、セラミックス基板１１の一方の面側１１ａに接合された回路層１２、セラミックス基板１１の他方の面側１１ｂに接合された第一の部材として金属層１３、金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の面に接合された、第二の部材としての冷却器１４を備えた冷却器付きパワーモジュール用基板１０とされている。 (Substrate for power module with cooler: first embodiment)
The board | substrate (bonded body) for power modules with a cooler of 1st embodiment is demonstrated with reference to FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a power module substrate (bonded body) with a cooler according to a first embodiment of the present invention.
The bonded body according to the present embodiment includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 bonded to one surface side 11a of the ceramic substrate 11, and a metal layer as a first member bonded to the other surface side 11b of the ceramic substrate 11. 13 is a power module substrate 10 with a cooler provided with a cooler 14 as a second member bonded to the surface of the metal layer 13 opposite to the ceramic substrate 11.

また、本実施形態のパワーモジュール２０は、冷却器付きパワーモジュール用基板１０の回路層１２に、はんだ層２１を介して半導体素子２２を実装してなる。   The power module 20 according to the present embodiment includes a semiconductor element 22 mounted on the circuit layer 12 of the power module substrate 10 with a cooler via a solder layer 21.

セラミックス基板（絶縁層）１１は、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、セラミックス基板１１は、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。 The ceramic substrate (insulating layer) 11 is made of ceramics such as Si 3 N 4 (silicon nitride), AlN (aluminum nitride), and Al 2 O 3 (alumina) that are excellent in insulation and heat dissipation. In the present embodiment, the ceramic substrate 11 is made of Si 3 N 4 (silicon nitride). Moreover, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, for example, and is set to 0.32 mm in the present embodiment.

回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面１１ａにアルミニウム又はアルミニウム合金からなる板材が接合されることで形成されている。アルミニウム又はアルミニウム合金としては、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）等を用いることができる。本実施形態では、４Ｎアルミニウムの圧延板を用いている。
また、回路層１２厚さは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。回路層１２とセラミックス基板１１の一方の面側１１ａとは、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されている。 The circuit layer 12 is formed by joining a plate made of aluminum or an aluminum alloy to one surface 11 a of the ceramic substrate 11. As aluminum or an aluminum alloy, aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% by mass or more, aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more, or the like can be used. In this embodiment, a 4N aluminum rolled plate is used.
Further, the thickness of the circuit layer 12 is set within a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the present embodiment. The circuit layer 12 and the one surface side 11a of the ceramic substrate 11 are joined by, for example, an Al—Si brazing material.

なお、回路層１２としては、アルミニウム又はアルミニウム合金以外にも、銅や銅合金も用いることができる。例えば、無酸素銅の圧延板を接合することで回路層１２とすることもできる。回路層１２として銅や銅合金を用いれば、より一層放熱性を高めることができる。     In addition to the aluminum or aluminum alloy, copper or a copper alloy can also be used as the circuit layer 12. For example, the circuit layer 12 can be formed by bonding a rolled plate of oxygen-free copper. If copper or a copper alloy is used as the circuit layer 12, heat dissipation can be further enhanced.

金属層（第一の部材）１３は、セラミックス基板１１の他方の面１１ａに接合されたアルミニウム板又はアルミニウム合金からなる板材を接合することで形成された基部１３Ａと、この基部１３Ａのセラミックス基板１１に対する接合面とは反対側の面に形成されたニッケルを含むメッキ層１３Ｂとからなる。即ち、このメッキ層１３Ｂは、金属層（第一の部材）１３における冷却器（第二の部材）１４との接合面１３ａを構成する。   The metal layer (first member) 13 includes a base 13A formed by joining an aluminum plate or a plate made of an aluminum alloy joined to the other surface 11a of the ceramic substrate 11, and the ceramic substrate 11 of the base 13A. And a plating layer 13B containing nickel formed on the surface opposite to the bonding surface. That is, the plating layer 13 </ b> B constitutes a joint surface 13 a with the cooler (second member) 14 in the metal layer (first member) 13.

金属層１３の基部１３Ａは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板材が接合されることで形成されている。アルミニウム又はアルミニウム合金としては、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）等を用いることができる。本実施形態では、４Ｎアルミニウムの圧延板を用いている。
また、基部１３Ａの厚さは、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。金属層１３とセラミックス基板１１の他方の面側１１ｂとは、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されている。 The base portion 13A of the metal layer 13 is formed by joining plate materials made of aluminum or an aluminum alloy. As aluminum or an aluminum alloy, aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% by mass or more, aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more, or the like can be used. In this embodiment, a 4N aluminum rolled plate is used.
The thickness of the base portion 13A is set in a range of 0.1 mm to 3.0 mm, and is set to 0.6 mm in the present embodiment. The metal layer 13 and the other surface side 11b of the ceramic substrate 11 are joined by, for example, an Al—Si brazing material.

なお、金属層１３の基部１３Ａとしては、アルミニウム又はアルミニウム合金以外にも、銅や銅合金も用いることができる。例えば、無酸素銅の圧延板を接合することで金属層１３の基部１３Ａとすることもできる。金属層１３の基部１３Ａとして銅や銅合金を用いれば、より一層放熱性を高めることができる。     In addition, as base 13A of the metal layer 13, copper and a copper alloy can also be used besides aluminum or an aluminum alloy. For example, the base portion 13 </ b> A of the metal layer 13 can be formed by bonding a rolled plate of oxygen-free copper. If copper or a copper alloy is used as the base portion 13A of the metal layer 13, the heat dissipation can be further enhanced.

金属層１３を構成するメッキ層１３Ｂは、ニッケルやニッケルを含む合金などを基部１３Ａの表面にメッキしたものからなる。本実施形態では、メッキ層１３Ｂは、無電解メッキによって厚みが３μｍ以上８μｍとなるように形成したものからなる。メッキ層１３Ｂは、電解メッキによって形成することもできる。
こうしたメッキ層１３Ｂは、金属層（第一の部材）１３における冷却器（第二の部材）１４との接合面１３ａをニッケルを含む材料にする。
なお、金属層１３を構成するメッキ層１３Ｂと同様のメッキ層を、回路層１２に形成することもできる。 The plating layer 13B constituting the metal layer 13 is formed by plating the surface of the base portion 13A with nickel or an alloy containing nickel. In the present embodiment, the plating layer 13B is formed by electroless plating so that the thickness is 3 μm or more and 8 μm. The plating layer 13B can also be formed by electrolytic plating.
Such a plating layer 13 </ b> B is made of a material containing nickel as a joining surface 13 a of the metal layer (first member) 13 with the cooler (second member) 14.
A plating layer similar to the plating layer 13 </ b> B constituting the metal layer 13 can be formed on the circuit layer 12.

冷却器（第二の部材）１４は、金属間化合物層２３を介して金属層（第一の部材）１３に接合される。冷却器１４は、例えば半導体素子２２の動作によって生じた熱を効率よく放散させるためのものである。本実施形態の冷却器１４は、板状の金属部材である基部１４Ａと、この基部１３Ａの金属層１３と対向する面に形成されたニッケルを含むメッキ層１４Ｂとからなる。即ち、このメッキ層１４Ｂは、冷却器１４における金属層（第一の部材）１３との接合面１４ａを構成する。   The cooler (second member) 14 is joined to the metal layer (first member) 13 via the intermetallic compound layer 23. The cooler 14 is for efficiently dissipating heat generated by, for example, the operation of the semiconductor element 22. The cooler 14 of this embodiment includes a base portion 14A that is a plate-like metal member, and a plating layer 14B that includes nickel formed on a surface of the base portion 13A that faces the metal layer 13. That is, the plating layer 14 </ b> B constitutes a joint surface 14 a with the metal layer (first member) 13 in the cooler 14.

冷却器１４を構成する基部１４Ａは、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、Ａ６０６３で構成されている。なお、冷却器１４の基部１４Ａとしては、アルミニウム又はアルミニウム合金以外にも、銅や銅合金も用いることができる。例えば、りん脱酸銅の圧延板を用いて冷却器１４の基部１４Ａを構成することもできる。冷却器１４の基部１４Ａとして銅や銅合金を用いれば、より一層放熱性を高めることができる。
また、本実施形態の冷却器１４は、外気に対して放熱させる空冷式の冷却器の例を示したが、例えば、水などの冷媒を流通させる流路を備えた液冷式の冷却器にすることもできる。 The base 14A constituting the cooler 14 is made of, for example, aluminum or an aluminum alloy, and is made of A6063 in the present embodiment. In addition, as base 14A of the cooler 14, copper or a copper alloy can also be used besides aluminum or an aluminum alloy. For example, the base portion 14 </ b> A of the cooler 14 can be configured using a rolled plate of phosphorous deoxidized copper. If copper or a copper alloy is used as the base portion 14 </ b> A of the cooler 14, the heat dissipation can be further enhanced.
Moreover, although the cooler 14 of this embodiment showed the example of the air cooling type cooler which radiates heat with respect to external air, For example, it is a liquid cooling type cooler provided with the flow path which distribute | circulates refrigerants, such as water. You can also

冷却器１４を構成するメッキ層１４Ｂは、ニッケルやニッケルを含む合金などを基部１４Ａの表面にメッキしたものからなる。本実施形態では、メッキ層１４Ｂは、無電解メッキによって厚みが３μｍ以上８μｍ以下になるように形成したものからなる。なお、メッキ層１４Ｂは、電解メッキによって形成することもできる。こうしたメッキ層１４Ｂは、冷却器（第二の部材）１４における金属層（第一の部材）１３との接合面１４ａをニッケルを含む材料にする。   The plated layer 14 </ b> B constituting the cooler 14 is formed by plating the surface of the base portion 14 </ b> A with nickel or an alloy containing nickel. In the present embodiment, the plating layer 14B is formed by electroless plating so that the thickness is 3 μm or more and 8 μm or less. The plating layer 14B can also be formed by electrolytic plating. Such a plating layer 14 </ b> B is made of a material containing nickel in the joint surface 14 a with the metal layer (first member) 13 in the cooler (second member) 14.

金属層（第一の部材）１３の接合面１３ａ（即ちメッキ層１３Ｂ）と、冷却器（第二の部材）１４の接合面１４ａ（即ちメッキ層１４Ｂ）とを互いに接合する金属間化合物層２３は、Ｃｕ６Ｓｎ５を構成する銅の一部がニッケルに置換された（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした層である。
金属間化合物層２３の厚さは２５μｍ〜３００μｍとされている。金属間化合物層２３の厚さを２５μｍ〜３００μｍの範囲内とすることで、より確実に金属層１３と冷却器１４を接合するとともに、必要以上に金属間化合物層２３が厚くならないため接合信頼性が向上する。 An intermetallic compound layer 23 that joins the joint surface 13a (ie, the plated layer 13B) of the metal layer (first member) 13 and the joint surface 14a (ie, the plated layer 14B) of the cooler (second member) 14 together. Is a layer mainly composed of (Cu, Ni) 6 Sn 5 in which a part of copper constituting Cu 6 Sn 5 is replaced by nickel.
The thickness of the intermetallic compound layer 23 is 25 μm to 300 μm. By setting the thickness of the intermetallic compound layer 23 within the range of 25 μm to 300 μm, the metal layer 13 and the cooler 14 are more reliably bonded, and the intermetallic compound layer 23 does not become thicker than necessary. Will improve.

本実施形態においては、メッキ層１３Ｂ，１４Ｂに由来するニッケルによって、金属間化合物層２３には、Ｃｕ６Ｓｎ５を構成する銅の一部、例えば２ａｔ％程度がニッケルに置換された（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成されている。
（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成されることによって、接合信頼性が向上する。Ｃｕ６Ｓｎ５は、１８６℃以上で六方晶であるη−Ｃｕ６Ｓｎ５を成し、１８６℃未満では単斜晶のη’−Ｃｕ６Ｓｎ５を成す、同素変態による少なくとも二つの結晶構造を有している。 In the present embodiment, nickel derived from the plating layers 13B and 14B is replaced with nickel in the intermetallic compound layer 23 by a part of copper constituting Cu 6 Sn 5 , for example, about 2 at% (Cu, Ni) 6 Sn 5 is formed.
By forming (Cu, Ni) 6 Sn 5 , bonding reliability is improved. Cu 6 Sn 5 forms η-Cu 6 Sn 5 which is hexagonal at 186 ° C. or higher, and forms monoclinic η′-Cu 6 Sn 5 at less than 186 ° C. At least two crystals by the allotropic transformation It has a structure.

この２つの相の相変態に伴う体積変化は、それぞれの結晶構造及び格子定数から、理論上は約２．１５％であると見積もられ、この時、大きな内部応力が発生すると考えられる。ニッケルを含む（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５は、高温状態においても六方晶のまま相変態を起こさないが、ニッケルが過多となる場合, 脆性破壊の起点となるＮｉ３Ｓｎ４が形成され、接合信頼性が低下するおそれがある。このため、Ｃｕ６Ｓｎ５におけるニッケルは２ａｔ％以上１２ａｔ％以下とするとよい。より好ましくは５ａｔ％以上１２ａｔ％以下である。 The volume change accompanying the phase transformation of the two phases is theoretically estimated to be about 2.15% from the respective crystal structures and lattice constants, and it is considered that a large internal stress is generated at this time. (Cu, Ni) 6 Sn 5 containing nickel does not undergo phase transformation as a hexagonal crystal even in a high temperature state. However, when nickel is excessive, Ni 3 Sn 4 is formed as a starting point of brittle fracture, and bonding is performed. Reliability may be reduced. For this reason, nickel in Cu 6 Sn 5 is preferably 2 at% or more and 12 at% or less. More preferably, it is 5 at% or more and 12 at% or less.

図２は、金属間化合物層を介した金属層と冷却器との接合部分を示す模式図である。
図２に示す模式図では、上から順に、金属層の基部（アルミニウム板）、金属層のニッケルメッキ層、金属間化合物層、冷却器のニッケルメッキ層、冷却器の基部となっている。
ここで、金属間化合物層２３に含まれるＣｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下とされている。Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％を超えると、カーケンダルボイドの発生や成長を抑制することができず、接合信頼性や接合強度が低下することとなる。 FIG. 2 is a schematic diagram showing a joint portion between a metal layer and a cooler via an intermetallic compound layer.
In the schematic diagram shown in FIG. 2, the metal layer base (aluminum plate), the metal layer nickel plating layer, the intermetallic compound layer, the cooler nickel plating layer, and the cooler base are formed in this order from the top.
Here, the area ratio of Cu 3 Sn contained in the intermetallic compound layer 23 is set to 1.5% or less. When the area ratio of Cu 3 Sn exceeds 1.5%, the generation and growth of Kirkendall voids cannot be suppressed, and the bonding reliability and bonding strength are reduced.

また、金属間化合物層２３に単体として存在するＳｎの面積率は１５％以下であるとよい。単体として存在するＳｎの面積率を１５％以下とすることで、冷却器付きパワーモジュール用基板が高温環境に晒された際に、金属間化合物層２３の再溶融による形状の変化や、接合強度の低下を防ぐことが可能となる。より好ましくは、１０％以下とするとよい。   The area ratio of Sn existing as a single substance in the intermetallic compound layer 23 is preferably 15% or less. When the area ratio of Sn existing as a simple substance is 15% or less, when the substrate for a power module with a cooler is exposed to a high temperature environment, the shape change due to remelting of the intermetallic compound layer 23, the bonding strength Can be prevented. More preferably, it may be 10% or less.

こうした金属間化合物層２３は、後述する製造方法において、金属層１３の接合面１３ａや冷却器１４の接合面１４ａに塗布したＣｕ−Ｓｎペーストを熱処理することによって形成される。   Such an intermetallic compound layer 23 is formed by heat-treating a Cu—Sn paste applied to the bonding surface 13 a of the metal layer 13 and the bonding surface 14 a of the cooler 14 in the manufacturing method described later.

なお、冷却器付きパワーモジュール用基板１０の回路層１２に半導体素子２２を実装する際にも、上述した（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層２３によって接合してパワーモジュール２０を形成することができる。 Even when the semiconductor element 22 is mounted on the circuit layer 12 of the power module substrate 10 with a cooler, the power is obtained by bonding with the intermetallic compound layer 23 mainly composed of (Cu, Ni) 6 Sn 5 described above. A module 20 can be formed.

以上のような第一実施形態の本発明の冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）１０によれば、金属層（第一の部材）１３と、冷却器（第二の部材）１４とを、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とし、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層２３を介して接合することにより、従来のようなＣｕ３Ｓｎを主成分とした金属間化合物層を介して接合したものと比較して、カーケンダルボイドの発生や成長が抑制され、接合信頼性や接合強度に優れた冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）１０を実現することができる。 According to the power module-equipped substrate (bonded body) 10 of the present invention of the first embodiment as described above, the metal layer (first member) 13 and the cooler (second member) 14 are provided. , (Cu, Ni) 6 Sn 5 as a main component, Cu 3 by Sn area ratio of bonded through an intermetallic compound layer 23 is not more than 1.5%, mainly as in the prior art Cu 3 Sn Compared to those bonded through the intermetallic compound layer as a component, generation and growth of Kirkendall voids are suppressed, and the power module substrate with a cooler (bonded body) 10 that has excellent bonding reliability and bonding strength. Can be realized.

また、金属層（第一の部材）１３の基部１３Ａや、冷却器（第二の部材）１４の基部１４Ａとしてアルミニウムを用いた場合であっても、こうした基部１３Ａ，１４Ａにそれぞれニッケルメッキ層１３Ｂ，１４Ｂを形成することにより、金属層（第一の部材）１３の接合面１３ａや、冷却器（第二の部材）１４の接合面１４ａを、Ｃｕ−Ｓｎペーストを用いて接合可能な、ニッケルを含む材料にすることができる。   Further, even when aluminum is used as the base portion 13A of the metal layer (first member) 13 and the base portion 14A of the cooler (second member) 14, a nickel plating layer 13B is applied to each of the base portions 13A and 14A. , 14B, the joining surface 13a of the metal layer (first member) 13 and the joining surface 14a of the cooler (second member) 14 can be joined using Cu-Sn paste. It can be made into the material containing.

そして、金属層（第一の部材）１３と冷却器（第二の部材）１４との互いの接合面１３ａ，１４ａをニッケルメッキ層１３Ｂ，１４Ｂにすることで、金属間化合物層２３を構成するＣｕ６Ｓｎ５の銅の一部がニッケルに置換された（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５となる。銅の一部をニッケルに置換することによって、金属層（第一の部材）１３と冷却器（第二の部材）１４との接合信頼性をより一層向上させることができる。 And the intermetallic compound layer 23 is comprised by making the joint surfaces 13a and 14a of the metal layer (1st member) 13 and the cooler (2nd member) 14 into the nickel plating layers 13B and 14B. (Cu, Ni) 6 Sn 5 in which a part of copper of Cu 6 Sn 5 is replaced with nickel. By replacing a part of copper with nickel, the bonding reliability between the metal layer (first member) 13 and the cooler (second member) 14 can be further improved.

（冷却器付きパワーモジュール用基板：第二実施形態）
第二実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）について、図３を参照して説明する。
図３は、本発明の第二実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）を示す断面図である。
本実施形態である接合体は、セラミックス基板３１、セラミックス基板３１の一方の面側３１ａに接合された回路層３２、セラミックス基板３１の他方の面側３１ｂに接合された第一の部材として金属層３３、金属層３３のセラミックス基板３１とは反対側の面に重ねて接合された、第二の部材としての冷却器３４を備えた冷却器付きパワーモジュール用基板３０とされている。 (Power Module Substrate with Cooler: Second Embodiment)
The board | substrate (joined body) for power modules with a cooler of 2nd embodiment is demonstrated with reference to FIG.
FIG. 3: is sectional drawing which shows the board | substrate (joined body) for power modules with a cooler of 2nd embodiment of this invention.
The bonded body according to the present embodiment includes a ceramic substrate 31, a circuit layer 32 bonded to one surface side 31a of the ceramic substrate 31, and a metal layer as a first member bonded to the other surface side 31b of the ceramic substrate 31. 33, a power module substrate 30 with a cooler provided with a cooler 34 as a second member, which is overlapped and bonded to the surface of the metal layer 33 opposite to the ceramic substrate 31.

また、本実施形態のパワーモジュール４０は、冷却器付きパワーモジュール用基板３０の回路層３２に、はんだ層２１を介して半導体素子２２を実装してなる。   Further, the power module 40 of the present embodiment is configured by mounting the semiconductor element 22 on the circuit layer 32 of the power module substrate 30 with a cooler via the solder layer 21.

セラミックス基板（絶縁層）３１は、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、セラミックス基板１１は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。 The ceramic substrate (insulating layer) 31 is made of ceramics such as Si 3 N 4 (silicon nitride), AlN (aluminum nitride), and Al 2 O 3 (alumina) that are excellent in insulation and heat dissipation. In the present embodiment, the ceramic substrate 11 is made of AlN (aluminum nitride). Moreover, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, for example, and is set to 0.635 mm in the present embodiment.

回路層３２は、無酸素銅等の純銅や銅合金からなる板材がセラミックス基板３１の一方の面側３１ａに接合されることで形成されている。回路層３２の厚さは０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されることが好ましいが、これに限定されることはない。本実施形態では、回路層３２の厚さは０．３ｍｍに設定されている。
こうした回路層３２とセラミックス基板３１の一方の面側３１ａとは、ＤＢＣ法あるいは活性金属ろう付け法によって接合されている。 The circuit layer 32 is formed by joining a plate material made of pure copper such as oxygen-free copper or a copper alloy to one surface side 31 a of the ceramic substrate 31. The thickness of the circuit layer 32 is preferably set in the range of 0.05 mm or more and 1 mm or less, but is not limited thereto. In the present embodiment, the thickness of the circuit layer 32 is set to 0.3 mm.
The circuit layer 32 and the one surface side 31a of the ceramic substrate 31 are joined by the DBC method or the active metal brazing method.

金属層（第一の部材）３３は、無酸素銅等の純銅や銅合金からなる板材がセラミックス基板３１の他方の面側３１ｂに接合されることで形成されている。金属層３３の厚さは０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されることが好ましいが、これに限定されることはない。本実施形態において、回路層３２の厚さは０．３ｍｍに設定されている。
こうした金属層３３とセラミックス基板３１の他方の面側３１ｂとは、ＤＢＣ法あるいは活性金属ろう付け法によって接合されている。 The metal layer (first member) 33 is formed by joining a plate material made of pure copper such as oxygen-free copper or a copper alloy to the other surface side 31 b of the ceramic substrate 31. The thickness of the metal layer 33 is preferably set within a range of 0.05 mm or more and 1 mm or less, but is not limited thereto. In the present embodiment, the thickness of the circuit layer 32 is set to 0.3 mm.
The metal layer 33 and the other surface side 31b of the ceramic substrate 31 are joined by the DBC method or the active metal brazing method.

冷却器（第二の部材）３４は、金属間化合物層４３を介して金属層（第一の部材）３３に接合される。冷却器３４は、例えば半導体素子２２の動作によって生じた熱を効率よく放散させるためのものであり、無酸素銅やりん脱酸銅等の純銅やＺｒ添加銅等の銅合金から形成されている。本実施形態の冷却器３４は、りん脱酸銅からなる放熱板によって形成されている。   The cooler (second member) 34 is joined to the metal layer (first member) 33 via the intermetallic compound layer 43. The cooler 34 is, for example, for efficiently dissipating heat generated by the operation of the semiconductor element 22, and is made of pure copper such as oxygen-free copper or phosphorus-deoxidized copper, or a copper alloy such as Zr-added copper. . The cooler 34 of this embodiment is formed by a heat sink made of phosphorous deoxidized copper.

金属層（第一の部材）３３の接合面３３ａと、冷却器（第二の部材）３４の接合面３４ａとを互いに接合する金属間化合物層４３は、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物からなる層である。 The intermetallic compound layer 43 that joins the joint surface 33a of the metal layer (first member) 33 and the joint surface 34a of the cooler (second member) 34 is a metal containing Cu 6 Sn 5 as a main component. It is a layer made of an intermetallic compound.

こうした金属間化合物層４３は、後述する製造方法において、金属層３３の接合面３３ａや冷却器３４の接合面３４ａに塗布したＣｕ−Ｓｎペーストを熱処理することによって形成される。   Such an intermetallic compound layer 43 is formed by heat-treating a Cu—Sn paste applied to the bonding surface 33 a of the metal layer 33 and the bonding surface 34 a of the cooler 34 in the manufacturing method described later.

金属間化合物層４３は、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分とした層である。金属間化合物層４３の厚さは２５μｍ〜３００μｍとされている。金属間化合物層４３の厚さを２５μｍ〜３００μｍの範囲内とすることで、より確実に金属層３３と冷却器３４を接合するとともに、必要以上に金属間化合物層４３が厚くならないため接合信頼性が向上する。
ここで、金属間化合物層４３に含まれるＣｕ３Ｓｎの面積率は１．５％以下とされている。Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％を超えると、カーケンダルボイドの発生や成長を抑制することができず、接合信頼性や接合強度が低下することとなる。
また、金属間化合物層４３に単体として存在するＳｎの面積率は１５％以下であるとよい。単体として存在するＳｎの面積率を１５％以下とすることで、冷却器付きパワーモジュール用基板が高温環境に晒された際に、金属間化合物層４３の再溶融による形状の変化や、接合強度の低下を防ぐことが可能となる。より好ましくは、１０％以下とするとよい。 The intermetallic compound layer 43 is a layer containing Cu 6 Sn 5 as a main component. The thickness of the intermetallic compound layer 43 is 25 μm to 300 μm. By setting the thickness of the intermetallic compound layer 43 within the range of 25 μm to 300 μm, the metal layer 33 and the cooler 34 are more reliably bonded, and the intermetallic compound layer 43 does not become thicker than necessary, so that the bonding reliability is improved. Will improve.
Here, the area ratio of Cu 3 Sn contained in the intermetallic compound layer 43 is set to 1.5% or less. When the area ratio of Cu 3 Sn exceeds 1.5%, the generation and growth of Kirkendall voids cannot be suppressed, and the bonding reliability and bonding strength are reduced.
The area ratio of Sn existing as a single substance in the intermetallic compound layer 43 is preferably 15% or less. By making the area ratio of Sn existing as a single substance 15% or less, when the substrate for a power module with a cooler is exposed to a high temperature environment, the shape change due to remelting of the intermetallic compound layer 43 and the bonding strength Can be prevented. More preferably, it may be 10% or less.

なお、冷却器付きパワーモジュール用基板３０の回路層３２に半導体素子２２を実装する際にも、上述したＣｕ６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層４３によって接合してパワーモジュール４０を形成することができる。 Even when the semiconductor element 22 is mounted on the circuit layer 32 of the power module substrate 30 with a cooler, the power module 40 is formed by bonding with the above-described intermetallic compound layer 43 mainly composed of Cu 6 Sn 5. can do.

以上のような第二実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）３０によれば、金属層（第一の部材）３３と、冷却器（第二の部材）３４とを、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分とし、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層４３を介して接合することにより、従来のようなＣｕ３Ｓｎを主成分とした金属間化合物層を介して接合したものと比較して、カーケンダルボイドの発生や成長を抑制し、接合信頼性や接合強度に優れた冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）３０を実現することができる。 According to the power module-equipped substrate (bonded body) 30 of the second embodiment as described above, the metal layer (first member) 33 and the cooler (second member) 34 are made of Cu 6. A conventional intermetallic compound layer containing Cu 3 Sn as a main component by bonding via an intermetallic compound layer 43 containing Sn 5 as a main component and an area ratio of Cu 3 Sn of 1.5% or less. Compared with what was joined via, generation | occurrence | production and growth of a Kirkendall void can be suppressed, and the board | substrate (joined body) 30 with a cooler which was excellent in joining reliability and joining strength is realizable.

また、金属層（第一の部材）３３や、冷却器（第二の部材）３４として銅や銅合金からなる部材を用いることにより、これらの接合面にメッキ層を形成することなく、直接に銅やスズを含むＣｕ−Ｓｎペーストを用いて接合することができる。これにより、パワーモジュール用基板（接合体）３０の製造が容易になる。   In addition, by using a member made of copper or a copper alloy as the metal layer (first member) 33 or the cooler (second member) 34, it is possible to directly form a plating layer on these joining surfaces Bonding can be performed using a Cu-Sn paste containing copper or tin. This facilitates the manufacture of the power module substrate (joined body) 30.

なお、上述した各実施形態で用いた金属層（第一の部材）や冷却器（第二の部材）の構成材料は一例であり、これ以外の材料を用いて金属層（第一の部材）や冷却器（第二の部材）を形成し、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層によって接合することができる。 In addition, the constituent material of the metal layer (first member) and the cooler (second member) used in each of the embodiments described above is an example, and the metal layer (first member) is formed using other materials. Or a cooler (second member) can be formed and bonded by an intermetallic compound layer containing Cu 6 Sn 5 as a main component.

例えば、金属層（第一の部材）をアルミニウムから構成し、回路層をアルミニウムと銅とを接合した２層構造とすることができる。また、金属層（第一の部材）をアルミニウムと銅とを接合した２層構造とし、回路層をアルミニウムから構成することができる。更に、金属層（第一の部材）および回路層の両方をアルミニウムと銅とを接合した２層構造とすることもできる。
また、第一の部材や第二の部材として、アルミニウム、銅、ＡｌＳｉＣ、ＭｇＳｉＣなどを任意の組み合わせとして用いることができる。このうち、アルミニウム、ＡｌＳｉＣ、ＭｇＳｉＣを第一の部材や第二の部材として用いる場合には、少なくとも接合面にニッケルメッキ層を形成する。また、第一の部材や第二の部材として銅を用いる場合には、特にメッキ層を形成する必要はない。 For example, the metal layer (first member) may be made of aluminum, and the circuit layer may have a two-layer structure in which aluminum and copper are joined. Further, the metal layer (first member) can be a two-layer structure in which aluminum and copper are joined, and the circuit layer can be made of aluminum. Furthermore, both the metal layer (first member) and the circuit layer can have a two-layer structure in which aluminum and copper are joined.
Moreover, aluminum, copper, AlSiC, MgSiC, etc. can be used as arbitrary combinations as a 1st member or a 2nd member. Among these, when using aluminum, AlSiC, or MgSiC as the first member or the second member, a nickel plating layer is formed at least on the bonding surface. In addition, when copper is used as the first member or the second member, it is not necessary to form a plating layer.

また、冷却器付きパワーモジュール用基板として、金属層や冷却器の基部をアルミニウムで形成し、接合面に銅板を接合したものを用いて、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層によって接合することもできる。この場合、接合面にニッケルメッキ層を形成しても、あるいは形成しなくても、金属層と冷却器とを接合することができる。ニッケルメッキ層を形成すれば、Ｃｕ６Ｓｎ５を構成する銅の一部がニッケルに置換されるので、ニッケルメッキをしない場合と比較して、更に接合信頼性を向上させることができる。 Further, as a power module substrate with a cooler, a metal layer or a base of a cooler is formed of aluminum and a copper plate is bonded to a bonding surface, and an intermetallic compound layer mainly composed of Cu 6 Sn 5 is used. It can also be joined. In this case, the metal layer and the cooler can be bonded with or without forming a nickel plating layer on the bonding surface. If a nickel plating layer is formed, a part of copper constituting Cu 6 Sn 5 is replaced with nickel, so that the bonding reliability can be further improved as compared with the case where nickel plating is not performed.

（冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法：第一実施形態）
次に、第一実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。この実施形態は、図１に示す構成の冷却器付きパワーモジュール用基板を製造する工程である。
図４、図５は、第一実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法を段階的に示した断面図である。
まず、図４（ａ）に示すように、パワーモジュール用基板を形成する。
例えば、厚みが０．３２ｍｍのＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）からなるセラミックス基板１１を用意し、一方の面側１１ａに、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔Ｆを介して、厚みが０．６ｍｍのアルミニウム圧延板Ｍ１を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面側１１ｂに、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔Ｆを介して、厚みが０．６ｍｍのアルミニウム圧延板Ｍ２を積層する。 (Manufacturing method of power module substrate with cooler: first embodiment)
Next, the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a cooler of 1st embodiment is demonstrated. This embodiment is a process of manufacturing a power module substrate with a cooler having the configuration shown in FIG.
FIG. 4 and FIG. 5 are cross-sectional views showing the manufacturing method of the power module substrate with a cooler of the first embodiment step by step.
First, as shown in FIG. 4A, a power module substrate is formed.
For example, a ceramic substrate 11 made of Si 3 N 4 (silicon nitride) having a thickness of 0.32 mm is prepared, and a thickness of 0.6 mm is provided on one surface side 11a via an Al—Si brazing foil F. The aluminum rolled sheet M1 is laminated. Further, an aluminum rolled sheet M2 having a thickness of 0.6 mm is laminated on the other surface side 11b of the ceramic substrate 11 with an Al-Si brazing material foil F interposed therebetween.

次に、図４（ｂ）に示すように、この積層物を積層方向に加圧した状態で、真空加熱炉Ｈ内に配置し加熱して、セラミックス基板１１の一方の面側１１ａおよび他方の面側１１ｂに、それぞれアルミニウム圧延板Ｍ１，Ｍ２をそれぞれ接合し、回路層１２及び金属層１３（第一の部材）の基部１３Ａを形成する。接合条件としては、積層物の加圧力は、例えば１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０〜３．４３ＭＰａ）、加熱温度は、６００℃以上６５０℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定することが好ましい。 Next, as shown in FIG. 4B, in a state where the laminate is pressurized in the stacking direction, the laminate is placed in a vacuum heating furnace H and heated, so that one surface side 11a and the other of the ceramic substrate 11 are heated. Aluminum base plates M1 and M2 are joined to the surface side 11b, respectively, to form a base portion 13A of the circuit layer 12 and the metal layer 13 (first member). As the joining conditions, the applied pressure of the laminate is, for example, 1 to 35 kgf / cm 2 (0.10 to 3.43 MPa), the heating temperature is 600 ° C. to 650 ° C., and the holding time is 30 minutes to 180 minutes. It is preferable to set within the range.

次に、図４（ｃ）に示すように、金属層１３の基部１３Ａの表面及び冷却器１４の基部１４Ａの表面に無電解若しくは電解ニッケルメッキで、ニッケルメッキ層を形成する。無電解ニッケルメッキとしては、Ｎｉ−ＰメッキやＮｉ−Ｂメッキを用いることができる。ニッケルメッキ層の厚さは３μｍ〜８μｍとするとよい。なお、本実施形態においては、ニッケルメッキ層の表面どうしが接合面となる。これにより、基部１３Ａおよびメッキ層１３Ｂからなる金属層１３と、基部１４Ａおよびメッキ層１４Ｂからなる冷却器１４が形成される。   Next, as shown in FIG. 4C, a nickel plating layer is formed on the surface of the base portion 13A of the metal layer 13 and the surface of the base portion 14A of the cooler 14 by electroless or electrolytic nickel plating. As the electroless nickel plating, Ni-P plating or Ni-B plating can be used. The thickness of the nickel plating layer is preferably 3 μm to 8 μm. In the present embodiment, the surfaces of the nickel plating layers become the bonding surfaces. Thereby, the metal layer 13 composed of the base portion 13A and the plating layer 13B and the cooler 14 composed of the base portion 14A and the plating layer 14B are formed.

次に、図５（ａ）に示すように、金属層１３の接合面１３ａ、冷却器１４の接合面１４ａのいずれか一方、また両方に、Ｃｕ−Ｓｎペーストを塗布する（Ｃｕ−Ｓｎペースト塗布工程）。本実施形態では、冷却器１４の接合面１４ａにＣｕ−Ｓｎペーストを塗布している。Ｃｕ−Ｓｎペーストの冷却器１４の接合面１４ａへの塗布量は、Ｃｕ成分が１５ｍｇ／ｃｍ２以上、１２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲にすることが好ましい。
塗布するＣｕ−ＳｎペーストのＣｕ成分が１５ｍｇ／ｃｍ２未満の場合、後述する加熱工程の際に生じる液相の量が低下し、接合性が低下するおそれがある。また、塗布するＣｕ−ＳｎペーストのＣｕ成分が１２０ｍｇ／ｃｍ２を超えると、金属間化合物層２３が厚く形成されることとなり、金属層や冷却器との線膨張差によって接合信頼性が低下するおそれがある。 Next, as shown in FIG. 5 (a), a Cu—Sn paste is applied to one or both of the bonding surface 13a of the metal layer 13 and the bonding surface 14a of the cooler 14 (Cu—Sn paste application). Process). In the present embodiment, a Cu—Sn paste is applied to the joint surface 14 a of the cooler 14. The amount of the Cu-Sn paste applied to the bonding surface 14a of the cooler 14 is preferably such that the Cu component is in the range of 15 mg / cm 2 to 120 mg / cm 2 .
When the Cu component of the applied Cu—Sn paste is less than 15 mg / cm 2 , the amount of the liquid phase generated during the heating step described later is lowered, and the bonding property may be lowered. Moreover, when the Cu component of the applied Cu—Sn paste exceeds 120 mg / cm 2 , the intermetallic compound layer 23 is formed thick, and the bonding reliability decreases due to the difference in linear expansion between the metal layer and the cooler. There is a fear.

ここで、本発明に用いられるＣｕ−Ｓｎペーストについて説明する。
Ｃｕ−Ｓｎペーストは、金属粉末と有機物を混合して得られるペーストである。
金属粉末としては、Ｃｕコア−Ｓｎ粉末、Ｃｕ−Ｓｎ合金粉末又はＣｕ粉末とＳｎ粉末の混合粉末が用いられる。
Ｃｕコア−Ｓｎ粉末は、中心（コア）がＣｕで形成され、そのコアをＳｎで被覆した粒子からなる粉末である。Ｃｕコア−Ｓｎ粉末の組成は、Ｃｕ量が４５ｗｔ％〜６０ｗｔ％、残部Ｓｎ及び不可避不純物とするとよい。
Ｃｕ−Ｓｎ合金粉末は、組成が、Ｃｕ：４５ｗｔ〜６０ｗｔ％、残部Ｓｎ及び不可避不純物とされた合金粉末である。
Ｃｕ粉末とＳｎ粉末の混合粉末は、Ｃｕ粉末：４５ｗｔ％〜６０ｗｔ％、Ｓｎ粉末：４０ｗｔ％〜５５ｗｔ％となるよう混合した粉末である。
なお、金属粉末においてＣｕ＋Ｎｉが４５ｗｔ％〜６０ｗｔ％かつＮｉが１ｗｔ％〜５ｗｔ％の範囲となるようＮｉが含有されていてもよい。Ｎｉが５ｗｔ％を超えて含有した場合、金属間化合物層に脆性破壊の起点となるＮｉ３Ｓｎ４が形成され、接合信頼性が低下するおそれがある。
これらのＣｕコア−Ｓｎ粉末、Ｃｕ−Ｓｎ合金粉末、Ｃｕ粉末やＳｎ粉末は、湿式還元法やアトマイズ法によって得ることができる。また、これらの粉末の平均粒径は４μｍ〜５０μｍとするとよい。
Ｃｕ−Ｓｎペーストは前述の金属粉末と樹脂、溶剤、フラックス等の有機物を混合して得られるペーストである。
金属粉末の含有量は、Ｃｕ−Ｓｎペースト全体の６０ｗｔ％〜８０ｗｔ％以下とされている。
また、Ｃｕ−Ｓｎペーストは、その粘度が１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下に調整されている。
樹脂は、Ｃｕ−Ｓｎペーストの粘度を調整するものであり、アクリル樹脂が好適に用いられる。樹脂の含有量は、Ｃｕ−Ｓｎペースト全体の３％〜７％とするとよい。
溶剤は、α−テルピネオール、ジエチレングリコール等を用いることができる。溶剤の含有量はＣｕ−Ｓｎペースト全体の１５％〜２５％とするとよい。
フラックスは、ＳｎやＣｕの酸化膜を除去するために含有されており、アビエチン酸等を用いることができる。フラックスの含有量は、好ましくはＣｕ−Ｓｎペースト全体の４％〜１０％とするとよい。
また、必要に応じて分散剤を添加しても良い。分散剤としては、アニオン性界面活性剤等を用いることができる。分散剤の添加量は、Ｃｕ−Ｓｎペースト全体の０％〜３％とするとよい。
本実施形態のＣｕ−Ｓｎペーストは、Ｃｕコア−Ｓｎ粉末（Ｃｕ：４５ｗｔ％、残部Ｓｎ及び不可避不純物）を７５％、樹脂としてアクリル樹脂を５％、溶剤としてα−テルピネオールを１５％、フラックスとしてアビエチン酸を５％含有している。 Here, the Cu—Sn paste used in the present invention will be described.
Cu-Sn paste is a paste obtained by mixing metal powder and organic matter.
As the metal powder, Cu core-Sn powder, Cu-Sn alloy powder, or a mixed powder of Cu powder and Sn powder is used.
The Cu core-Sn powder is a powder composed of particles having a center (core) made of Cu and covering the core with Sn. The composition of the Cu core-Sn powder is preferably 45 wt% to 60 wt%, the remaining Sn and inevitable impurities.
The Cu—Sn alloy powder is an alloy powder whose composition is Cu: 45 wt to 60 wt%, the remaining Sn and inevitable impurities.
The mixed powder of Cu powder and Sn powder is a powder mixed so as to be Cu powder: 45 wt% to 60 wt% and Sn powder: 40 wt% to 55 wt%.
In the metal powder, Ni may be contained so that Cu + Ni is in the range of 45 wt% to 60 wt% and Ni is in the range of 1 wt% to 5 wt%. If Ni is contained in excess of 5 wt%, Ni 3 Sn 4 as the starting point of brittle fracture is formed on the intermetallic compound layer, bonding reliability may be lowered.
These Cu core-Sn powder, Cu-Sn alloy powder, Cu powder and Sn powder can be obtained by a wet reduction method or an atomization method. Moreover, the average particle diameter of these powders is good to set it as 4 micrometers-50 micrometers.
The Cu-Sn paste is a paste obtained by mixing the above-described metal powder and organic substances such as a resin, a solvent, and a flux.
The content of the metal powder is set to 60 wt% to 80 wt% or less of the entire Cu-Sn paste.
Further, the viscosity of the Cu—Sn paste is adjusted to 10 Pa · s or more and 500 Pa · s or less, more preferably 50 Pa · s or more and 300 Pa · s or less.
The resin adjusts the viscosity of the Cu—Sn paste, and an acrylic resin is preferably used. The resin content is preferably 3% to 7% of the entire Cu-Sn paste.
As the solvent, α-terpineol, diethylene glycol, or the like can be used. The content of the solvent is preferably 15% to 25% of the entire Cu—Sn paste.
The flux is contained in order to remove the Sn or Cu oxide film, and abietic acid or the like can be used. The content of the flux is preferably 4% to 10% of the entire Cu—Sn paste.
Moreover, you may add a dispersing agent as needed. As the dispersant, an anionic surfactant or the like can be used. The addition amount of the dispersant is preferably 0% to 3% of the entire Cu-Sn paste.
The Cu-Sn paste of this embodiment is 75% Cu core-Sn powder (Cu: 45 wt%, remaining Sn and inevitable impurities), 5% acrylic resin as resin, 15% α-terpineol as solvent, and flux. Contains 5% abietic acid.

そして、図５（ｂ）に示すように、金属層１３の接合面１３ａと前述したＣｕ−Ｓｎペーストが塗布された冷却器１４の接合面１４ａとを対面させ、積層させる。そして、この積層体を真空加熱炉Ｈ内に配置し加熱する（加熱工程）。接合条件としては、積層体の荷重は、積層方向に０．０５ｋｇｆ／ｃｍ２〜５ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度は２８０℃以上３６０℃以下、保持時間は１０分以上３０分以下の範囲内に設定することが好ましい。 And as shown in FIG.5 (b), the joining surface 13a of the metal layer 13 and the joining surface 14a of the cooler 14 with which the Cu-Sn paste mentioned above were apply | coated are made to laminate | stack. And this laminated body is arrange | positioned in the vacuum heating furnace H, and is heated (heating process). The bonding conditions, the load of the laminate, 0.05kgf / cm 2 ~5kgf / cm 2 in the stacking direction, the heating temperature is 280 ° C. or higher 360 ° C. or less, the holding time is set in the range of 30 minutes or less than 10 minutes It is preferable to do.

こうした加熱工程において、まず、Ｓｎが融点に到達して溶融し、液相が生成する。なお、一部はＣｕとＳｎとの共晶反応により溶融する。そして、生成した液相にＣｕが溶解し、Ｃｕ６Ｓｎ５が発生し、成長する。本実施形態では、メッキ層１２Ａ，１３Ａを構成するＮｉが液相に拡散するため、Ｃｕ６Ｓｎ５のＣｕの一部がＮｉに置換された形で（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成される。そして、温度一定のまま保持することで、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の形成が進み、液相が凝固することとなる。即ち、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく等温凝固が生じている。このようにして凝固が進行した後に、常温まで冷却を行う。これにより、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした接合層２３によって金属層１３の接合面１３ａと冷却器１４の接合面１４ａとが接合された第一実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板１０が得られる（図１を参照）。 In such a heating step, first, Sn reaches the melting point and melts to form a liquid phase. A part is melted by a eutectic reaction of Cu and Sn. Then, Cu is dissolved in the resulting liquid phase, Cu 6 Sn 5 is generated and grow. In the present embodiment, since Ni constituting the plating layers 12A and 13A diffuses into the liquid phase, (Cu, Ni) 6 Sn 5 is formed in a form in which a part of Cu of Cu 6 Sn 5 is replaced by Ni. The Then, by kept at the constant temperature, (Cu, Ni) is formed of 6 Sn 5 proceeds, so that the liquid phase is solidified. That is, isothermal solidification occurs in which solidification proceeds with the temperature kept constant. After solidification progresses in this way, cooling is performed to room temperature. Thereby, the power module with a cooler of the first embodiment in which the joint surface 13a of the metal layer 13 and the joint surface 14a of the cooler 14 are joined by the joint layer 23 containing (Cu, Ni) 6 Sn 5 as a main component. A substrate 10 is obtained (see FIG. 1).

以上のような、本発明の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属層１３の接合面１３ａと冷却器１４の接合面１４ａとを、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とし、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層２３を介して接合することにより、従来のようなＣｕ３Ｓｎを主成分とした金属間化合物層を介して接合したものと比較して、カーケンダルボイドの発生や成長を抑制し、接合信頼性や接合強度に優れた冷却器付きパワーモジュール用基板１０を製造することができる。 According to the method for manufacturing a power module substrate with a cooler of the present invention as described above, the bonding surface 13a of the metal layer 13 and the bonding surface 14a of the cooler 14 are mainly composed of (Cu, Ni) 6 Sn 5 . Joining via an intermetallic compound layer mainly composed of Cu 3 Sn as a main component by joining via an intermetallic compound layer 23 having an area ratio of Cu 3 Sn of 1.5% or less as a component Compared with what was done, generation | occurrence | production and growth of a Kirkendall void can be suppressed, and the board | substrate 10 for power modules with a cooler excellent in joining reliability and joining strength can be manufactured.

また、金属層１３や、冷却器１４としてアルミニウムを用いた場合であっても、それぞれニッケルメッキ層１３Ｂ，１４Ｂを形成することにより、金属層１３の接合面１３ａや、冷却器１４の接合面１４ａを、Ｃｕ−Ｓｎペーストを用いて接合可能な、ニッケルを含む材料にすることができる。   Even when aluminum is used for the metal layer 13 and the cooler 14, the nickel plating layers 13B and 14B are formed to form the joint surface 13a of the metal layer 13 and the joint surface 14a of the cooler 14, respectively. Can be made of a nickel-containing material that can be bonded using a Cu—Sn paste.

そして、金属層１３と冷却器１４との互いの接合面１３ａ，１４ａをニッケルメッキ層１３Ｂ，１４Ｂにすることで、接合層２３を構成するＣｕ６Ｓｎ５の銅の一部がニッケルに置換された（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５となる。銅の一部をニッケルに置換することによって、金属層（第一の部材）１３と冷却器１４との接合信頼性をより一層向上させることができる。 Then, by forming the joint surfaces 13a and 14a of the metal layer 13 and the cooler 14 as nickel plating layers 13B and 14B, a part of the copper of Cu 6 Sn 5 constituting the joint layer 23 is replaced with nickel. (Cu, Ni) 6 Sn 5 By replacing a part of copper with nickel, the bonding reliability between the metal layer (first member) 13 and the cooler 14 can be further improved.

（冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法：第二実施形態）
次に、第二実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。この実施形態は、図３に示す構成の冷却器付きパワーモジュール用基板を製造する工程である。
図６は、第二実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法を段階的に示した断面図である。
まず、図６（ａ）に示すように、パワーモジュール用基板を形成する。
例えば、厚みが０．３２ｍｍのＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）からなるセラミックス基板３１を用意し、一方の面側３１ａに厚みが０．２ｍｍの無酸素銅の圧延板Ｍ３を、またセラミックス基板３１の他方の面側３１ｂに厚みが０．２ｍｍの無酸素銅の圧延板Ｍ４を、それぞれ、例えば、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材やＡｇ−Ｔｉ系ろう材等を用いた活性金属ろう付け法によって接合する。 (Manufacturing method of power module substrate with cooler: second embodiment)
Next, the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a cooler of 2nd embodiment is demonstrated. This embodiment is a process for manufacturing a power module substrate with a cooler having the configuration shown in FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the power module substrate with a cooler of the second embodiment step by step.
First, as shown in FIG. 6A, a power module substrate is formed.
For example, a ceramic substrate 31 made of Si 3 N 4 (silicon nitride) having a thickness of 0.32 mm is prepared, and an oxygen-free copper rolled plate M3 having a thickness of 0.2 mm is provided on one surface side 31a. An oxygen-free copper rolled sheet M4 having a thickness of 0.2 mm is formed on the other surface side 31b of the steel plate by an active metal brazing method using, for example, an Ag—Cu—Ti brazing material or an Ag—Ti brazing material. Join.

次に、図６（ｂ）に示すように、この積層物を積層方向に加圧した状態で、真空加熱炉Ｈ内に配置し加熱して、セラミックス基板３１の一方の面側３１ａおよび他方の面側３１ｂに、それぞれ無酸素銅の圧延板Ｍ３，Ｍ４を接合し、回路層３２および金属層３３を形成する。接合条件としては、積層物の加圧力は、例えば１ｋｇｆ／ｃｍ２〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０ＭＰａ〜３．４３ＭＰａ）程度、加熱温度は、７９０℃以上８５０℃以下、保持時間は１０分以上３０分以下の範囲内に設定することが好ましい。 Next, as shown in FIG. 6B, in a state where the laminate is pressurized in the stacking direction, the laminate is placed in a vacuum heating furnace H and heated, so that one surface side 31a and the other of the ceramic substrate 31 are heated. Oxygen-free copper rolled plates M3 and M4 are joined to the surface side 31b to form the circuit layer 32 and the metal layer 33, respectively. As the bonding conditions, the pressure of the laminate is, for example, about 1 kgf / cm 2 to 35 kgf / cm 2 (0.10 MPa to 3.43 MPa), the heating temperature is 790 ° C. to 850 ° C., and the holding time is 10 minutes or more. It is preferable to set within a range of 30 minutes or less.

次に、銅合金（りん脱酸銅）によって形成された放熱板からなる冷却器３４を用意する。そして、図６（ｃ）に示すように、前述したＣｕ−Ｓｎペーストを、金属層３３の接合面３３ａ、冷却器３４の接合面３４ａのいずれか一方、また両方に塗布し、Ｃｕ−Ｓｎペースト層Ｂを形成する（Ｃｕ−Ｓｎペースト塗布工程）。本実施形態では、冷却器３４の接合面３４ａにＣｕ−Ｓｎペースト層Ｂを形成している。Ｃｕ−Ｓｎペーストの冷却器３４の接合面３４ａへの塗布量は、Ｃｕ−ＳｎペーストのＣｕ成分が１５ｍｇ／ｃｍ２以上、１２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲にすることが好ましい。塗布するＣｕ−ＳｎペーストのＣｕ成分が１５ｍｇ／ｃｍ２未満の場合、後述する加熱工程の際に生じる液相の量が低下し、接合性が低下するおそれがある。また、塗布するＣｕ−ＳｎペーストのＣｕ成分が１２０ｍｇ／ｃｍ２を超えると、金属間化合物層４３が厚く形成されることとなり、金属層や冷却器との線膨張差によって接合信頼性が低下するおそれがある。 Next, the cooler 34 which consists of a heat sink formed with the copper alloy (phosphorus deoxidized copper) is prepared. Then, as shown in FIG. 6C, the Cu—Sn paste described above is applied to one or both of the joining surface 33a of the metal layer 33 and the joining surface 34a of the cooler 34, and the Cu—Sn paste is applied. Layer B is formed (Cu—Sn paste application process). In the present embodiment, the Cu—Sn paste layer B is formed on the joint surface 34 a of the cooler 34. The amount of Cu-Sn paste applied to the bonding surface 34a of the cooler 34 is preferably such that the Cu component of the Cu-Sn paste is in the range of 15 mg / cm 2 to 120 mg / cm 2 . When the Cu component of the applied Cu—Sn paste is less than 15 mg / cm 2 , the amount of the liquid phase generated during the heating step described later is lowered, and the bonding property may be lowered. Moreover, if the Cu component of the applied Cu—Sn paste exceeds 120 mg / cm 2 , the intermetallic compound layer 43 is formed thick, and the bonding reliability decreases due to the difference in linear expansion between the metal layer and the cooler. There is a fear.

次に、図６（ｄ）に示すように、Ｃｕ−Ｓｎペースト層Ｂを挟むようにして金属層３３の接合面３３ａと冷却器３４の接合面３４ａとを対面させる。そして、この積層物を真空加熱炉Ｈ内に配置し加熱する。（加熱工程）。接合条件としては、積層物の荷重は、例えば０．０５ｋｇｆ／ｃｍ２〜５ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度は、２８０℃以上３６０℃以下、保持時間は１０分以上３０分以下の範囲内に設定することが好ましい。 Next, as illustrated in FIG. 6D, the bonding surface 33 a of the metal layer 33 and the bonding surface 34 a of the cooler 34 face each other with the Cu—Sn paste layer B interposed therebetween. And this laminated body is arrange | positioned in the vacuum heating furnace H, and is heated. (Heating step). The bonding conditions, the load of the laminate, for example, 0.05kgf / cm 2 ~5kgf / cm 2 , the heating temperature is 280 ° C. or higher 360 ° C. or less, the retention time is set within a range of 30 minutes or less than 10 minutes It is preferable.

こうした加熱工程において、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分としてＣｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層４３が形成される。これにより、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層４３によって金属層３３の接合面３３ａと冷却器３４の接合面３４ａとが接合された第二実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板３０が得られる（図３を参照）。 In such a heating step, an intermetallic compound layer 43 having Cu 6 Sn 5 as a main component and an area ratio of Cu 3 Sn of 1.5% or less is formed. Thus, the substrate cooler with a power module of a second embodiment in which the joining surface 33a of the metal layer 33 and the joint surface 34a of the cooler 34 is joined by intermetallic compound layer 43 composed mainly of Cu 6 Sn 5 30 is obtained (see FIG. 3).

以上のような、本発明の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属層３３の接合面３３ａと冷却器３４の接合面３４ａとを、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分とし、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層４３を介して接合することにより、従来のようなＣｕ３Ｓｎを主成分とした接合層を介して接合したものと比較して、カーケンダルボイドの発生や成長を抑制し、接合信頼性や接合強度に優れた冷却器付きパワーモジュール用基板３０を製造することができる。 According to the method for manufacturing a power module substrate with a cooler of the present invention as described above, the joining surface 33a of the metal layer 33 and the joining surface 34a of the cooler 34 are mainly composed of Cu 6 Sn 5 , Cu Compared to a conventional bonding layer composed of Cu 3 Sn as a main component by bonding through an intermetallic compound layer 43 having an area ratio of 3 Sn or less. In addition, it is possible to manufacture the power module substrate 30 with a cooler that suppresses generation and growth of Kirkendall void and is excellent in bonding reliability and bonding strength.

本発明の実施形態を説明したが、これらの各実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら各実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、追加、ないし変更を行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。   Although the embodiments of the present invention have been described, each of these embodiments has been presented as an example, and is not intended to limit the scope of the invention. Each of these embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, additions, or changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the invention described in the claims and equivalents thereof, as long as they are included in the scope and gist of the invention.

以下、本実施形態の効果を検証した実験例を示す。
まず、前述の実施形態に記載された方法によって表１記載のパワーモジュール用基板を作製した。
「Ｓｉ３Ｎ４−ＤＢＡ」は、第一実施形態の製造方法に記載した方法によって作製した。なお、セラミックス基板はＳｉ３Ｎ４からなる厚さ０．３２ｍｍの板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を用い、回路層及び金属層の形成は、厚さ０．６ｍｍの４Ｎ−Ａｌ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ）をＡｌ−Ｓｉろう材を用いて接合することで行った。そして、無電解Ｎｉメッキを行い、金属層表面に厚さ５μｍのＮｉ−Ｐメッキを施した。「ＡｌＮ−ＤＢＡ」は、セラミックス基板を厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）とした以外は「Ｓｉ３Ｎ４−ＤＢＡ」と同様した。
「Ｓｉ３Ｎ４−ＡＭＢ」は、第二実施形態に記載した製造方法によって作製した。なお、セラミックス基板はＳｉ３Ｎ４からなる厚さ０．３２ｍｍの板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を用い、回路層及び金属層の形成は、厚さ０．２ｍｍの無酸素銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ）をＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材を用いて接合することで行った。
得られたパワーモジュール用基板と表１記載の冷却器をＣｕ−Ｓｎペーストを介して積層し、接合した。なお、Ｃｕ−Ｓｎペーストの金属粉末は、表１記載の組成となるようにした。Ｃｕ−Ｓｎペーストは上述した方法によって作製し、塗布量は表１記載の通りとした。また、Ｃｕ−Ｓｎペーストは冷却器側にスクリーン印刷によって塗布した。
冷却器は、りん脱酸銅以外は無電解Ｎｉメッキを施し、厚さ５μｍのＮｉ−Ｐメッキを施した。また、冷却器は、厚さ３ｍｍの板状（５０ｍｍ×６０ｍｍ）とした。接合の条件は表１記載の通りとした。
そして、得られた各冷却器付パワーモジュール用基板に対し、金属間化合物層の断面におけるＣｕ３Ｓｎ及びＳｎの面積率、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５中のＮｉ量を測定した。また、初期接合率及び冷熱サイクル後における接合率と強度を測定した。 Hereinafter, experimental examples in which the effects of the present embodiment are verified will be shown.
First, the power module substrate shown in Table 1 was produced by the method described in the above embodiment.
“Si 3 N 4 -DBA” was produced by the method described in the production method of the first embodiment. The ceramic substrate is a 0.32 mm thick plate (40 mm × 40 mm) made of Si 3 N 4 , and the circuit layer and the metal layer are formed by a 4 N-Al plate (37 mm × 37 mm) having a thickness of 0.6 mm. Was performed by bonding using an Al—Si brazing material. Then, electroless Ni plating was performed, and Ni-P plating with a thickness of 5 μm was applied to the surface of the metal layer. “AlN-DBA” was the same as “Si 3 N 4 -DBA” except that the ceramic substrate was an AlN plate (40 mm × 40 mm) having a thickness of 0.635 mm.
“Si 3 N 4 -AMB” was produced by the production method described in the second embodiment. The ceramic substrate is a 0.32 mm thick plate (40 mm × 40 mm) made of Si 3 N 4 , and the circuit layer and the metal layer are formed using an oxygen-free copper plate (37 mm × 37 mm) having a thickness of 0.2 mm. It joined by joining using an Ag-Cu-Ti brazing material.
The obtained power module substrate and the cooler described in Table 1 were laminated and bonded via a Cu-Sn paste. Note that the metal powder of the Cu—Sn paste had the composition shown in Table 1. The Cu—Sn paste was prepared by the method described above, and the coating amount was as shown in Table 1. Further, the Cu—Sn paste was applied to the cooler side by screen printing.
The cooler was subjected to electroless Ni plating except for phosphorous-deoxidized copper, and Ni-P plating having a thickness of 5 μm. Moreover, the cooler was made into the plate shape (50 mm x 60 mm) of thickness 3mm. The joining conditions were as shown in Table 1.
Then, to the substrate for a power module with the cooler obtained, the area ratio of the Cu 3 Sn and Sn in the cross section of the intermetallic compound layer were measured (Cu, Ni) Ni content in 6 Sn 5. Further, the initial bonding rate and the bonding rate and strength after the cooling and heating cycle were measured.

（Ｃｕ３Ｓｎ及び単体のＳｎの面積率、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５中のＮｉ量の測定）
金属間化合物層の断面の組成像をＥＰＭＡ（日本電子（株）製ＦＥ‐ＥＰＭＡ ＪＸＡ−８５３０Ｆ、倍率２５０倍）によって取得し、金属間化合物層の面積を求めた。この際、ボイドは除外した。組成像を二値化し、白色部をＳｎとみなし、その面積を求め、金属間化合物層の面積で割ることによって、単体のＳｎの面積率を求めた。
次に、組成像のＥＰＭＡマッピング（Ｃｕ，Ｎｉ，Ｓｎ）から、Ｃｕ＋Ｎｉの量が４９ａｔ％〜６０ａｔ％の範囲内にある領域をＣｕ６Ｓｎ５及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５であるとみなし、Ｃｕ６Ｓｎ５及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の面積を求めた。そして、金属間化合物層の面積から、Ｃｕ６Ｓｎ５及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の面積と単体のＳｎの面積とを引いた面積をＣｕ３Ｓｎの面積とし、金属間化合物層の面積で割ることによってＣｕ３Ｓｎの面積率を求めた。
また、Ｃｕ６Ｓｎ５及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の領域において、ＥＰＭＡによってＮｉの量を求め、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５中のＮｉ量とした。
（初期接合率）
接合率の評価は、冷却器付パワーモジュール用基板に対し、パワーモジュール用基板の金属層と冷却器との界面の接合率について超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から接合率を算出した。
ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち金属層の面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
（冷熱サイクル後の接合率、冷熱サイクル後の強度）
冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＡ−７２ＥＳ）を使用し、冷却器付パワーモジュール用基板に対して、気相で、−４０℃×３０分←→２５０℃×３０分の７００サイクルを実施した。
この後、パワーモジュール用基板の金属層と冷却器との接合率を上述した方法で評価した。
また、冷熱サイクル後の強度は、冷熱サイクル後の冷却器付パワーモジュール用基板のパワーモジュール用基板部分に対し、水平に荷重を掛け、破断するまでに掛けた荷重の最大値をサイクル後の接合強度とした。
評価結果を表１に示す。 (Area ratio of Cu 3 Sn and single Sn, measurement of Ni content in (Cu, Ni) 6 Sn 5 )
The composition image of the cross section of the intermetallic compound layer was obtained by EPMA (FE-EPMA JXA-8530F manufactured by JEOL Ltd., magnification: 250 times), and the area of the intermetallic compound layer was determined. At this time, voids were excluded. The composition image was binarized, the white part was regarded as Sn, the area was obtained, and the area ratio of the single Sn was obtained by dividing by the area of the intermetallic compound layer.
Next, from the EPMA mapping (Cu, Ni, Sn) of the composition image, the region where the amount of Cu + Ni is in the range of 49 at% to 60 at% is regarded as Cu 6 Sn 5 and (Cu, Ni) 6 Sn 5. , Cu 6 Sn 5 and (Cu, Ni) 6 Sn 5 were determined. Then, the area of the intermetallic compound layer is obtained by subtracting the area of Cu 6 Sn 5 and (Cu, Ni) 6 Sn 5 and the area of the single Sn from the area of the intermetallic compound layer to obtain the area of Cu 3 Sn. The area ratio of Cu 3 Sn was determined by dividing by.
Further, in the region of Cu 6 Sn 5 and (Cu, Ni) 6 Sn 5 , the amount of Ni was determined by EPMA, and the amount of Ni in (Cu, Ni) 6 Sn 5 was obtained.
(Initial joining rate)
Evaluation of the bonding rate is performed using an ultrasonic flaw detector (FineSAT 200, manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.) on the bonding rate of the interface between the metal layer of the power module substrate and the cooler with respect to the power module substrate with a cooler. And the joining rate was computed from the following formula | equation.
Here, the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area of the metal layer.
(Bonding rate) = {(initial bonding area) − (peeling area)} / (initial bonding area)
In the image obtained by binarizing the ultrasonic flaw detection image, the peeling is indicated by the white portion in the joint portion. Therefore, the area of the white portion is defined as the peeling area.
(Joint rate after cooling cycle, strength after cooling cycle)
Using a thermal shock tester (TSA-72ES manufactured by ESPEC CORP.), 700 cycles of −40 ° C. × 30 minutes ← → 250 ° C. × 30 minutes are performed in the gas phase on the power module substrate with a cooler. did.
Thereafter, the bonding rate between the metal layer of the power module substrate and the cooler was evaluated by the method described above.
In addition, the strength after the thermal cycle is determined by applying the horizontal load to the power module substrate part of the power module substrate with a cooler after the thermal cycle and applying the maximum value of the load applied until it breaks after the cycle. Strength.
The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 0006569511
Figure 0006569511

表１に示す結果によれば、Ｃｕ−Ｓｎペーストの金属粉末のＣｕ量が６０ｗｔ％を超えた比較例１では、金属間化合物層のＣｕ３Ｓｎの面積率が１．５％を超えており、冷熱サイクル後の接合率が低く、接合信頼性が低下していることが分かった。
また、Ｃｕ−Ｓｎペーストの金属粉末のＣｕ量が４５ｗｔ％未満とした比較例２では、冷熱サイクル後の接合強度が低下することが分かった。
一方、本件発明例である実施例１〜実施例１８では、接合信頼性が高く、接合強度の高い冷却器付きパワーモジュール用基板が得られることが分かった。 According to the results shown in Table 1, in Comparative Example 1 in which the amount of Cu in the Cu-Sn paste metal powder exceeded 60 wt%, the area ratio of Cu 3 Sn in the intermetallic compound layer exceeded 1.5%. It was found that the bonding rate after the thermal cycle was low and the bonding reliability was lowered.
Moreover, in the comparative example 2 which made the Cu amount of the metal powder of a Cu-Sn paste less than 45 wt%, it turned out that the joint strength after a thermal cycle falls.
On the other hand, in Examples 1 to 18 which are examples of the present invention, it was found that a power module substrate with a cooler having high bonding reliability and high bonding strength can be obtained.

１０，３０ 冷却器付きパワーモジュール用基板
１１，３１ セラミックス基板
１２，３２ 回路層
１３，３３ 金属層
１４，３４ 冷却器
２３，４３ 金属間化合物層 10, 30 Power module substrate with cooler 11, 31 Ceramic substrate 12, 32 Circuit layer 13, 33 Metal layer 14, 34 Cooler 23, 43 Intermetallic compound layer

Claims (7)

第一の部材と第二の部材とを接合した接合体であって、
前記第一の部材および第二の部材のそれぞれの接合面は、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金のうち少なくともいずれかを含む材料からなり、
互いの接合面の間には、Ｃｕ６Ｓｎ５またはＣｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造を含む金属間化合物である（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層が形成されており、
前記金属間化合物層に含まれるＣｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下であり、
前記金属間化合物層に単体として存在するＳｎの面積率は１５％以下であることを特徴とする接合体。 A joined body obtained by joining the first member and the second member,
Each joint surface of the first member and the second member is made of a material containing at least one of copper, copper alloy, nickel, nickel alloy,
Between the mutual bonding surfaces, Cu 6 Sn 5 or Cu 6 Sn 5 is an intermetallic compound containing a structure in which a part of copper is substituted with nickel (Cu, Ni) 6 Sn 5 as a main component. An intermetallic compound layer formed,
Ri der Cu 3 Sn area ratio of 1.5% or less included in the intermetallic compound layer,
Conjugates, wherein area ratio der Rukoto 15% or less of Sn present as elemental in the intermetallic compound layer. 前記金属間化合物層に含まれる（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５において、ニッケルの濃度は１２ａｔ％以下であることを特徴とする請求項１記載の接合体。 2. The joined body according to claim 1, wherein (Cu, Ni) 6 Sn 5 contained in the intermetallic compound layer has a nickel concentration of 12 at% or less. セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面側に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面側に形成された金属層と、前記金属層に接合された冷却器と、とを有する冷却器付きパワーモジュール用基板であって、
前記金属層および前記冷却器のそれぞれの接合面は、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金のうち少なくともいずれかを含む材料からなり、
互いの接合面の間には、Ｃｕ６Ｓｎ５またはＣｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造を含む金属間化合物である（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層が形成されており、
前記金属間化合物層に含まれるＣｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下であり、
前記金属間化合物層に単体として存在するＳｎの面積率は１５％以下であることを特徴とする冷却器付きパワーモジュール用基板。 A ceramic substrate; a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate; a metal layer formed on the other surface of the ceramic substrate; and a cooler bonded to the metal layer. A power module substrate with a cooler,
Each joining surface of the metal layer and the cooler is made of a material containing at least one of copper, copper alloy, nickel, nickel alloy,
Between the mutual bonding surfaces, Cu 6 Sn 5 or Cu 6 Sn 5 is an intermetallic compound containing a structure in which a part of copper is substituted with nickel (Cu, Ni) 6 Sn 5 as a main component. An intermetallic compound layer formed,
Ri der Cu 3 Sn area ratio of 1.5% or less included in the intermetallic compound layer,
Cooler with a power module substrate, wherein the area ratio der Rukoto 15% or less of Sn present as elemental in the intermetallic compound layer. 前記金属間化合物層に含まれる（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５において、ニッケルの濃度は１２ａｔ％以下であることを特徴とする請求項３記載の冷却器付きパワーモジュール用基板。 4. The power module substrate with a cooler according to claim 3 , wherein the concentration of nickel in (Cu, Ni) 6 Sn 5 contained in the intermetallic compound layer is 12 at% or less. 5. 前記金属層および前記冷却器のうち、少なくともいずれか一方は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基部と、該基部のうち、少なくとも前記接合面側に形成されたニッケルを含むメッキ層と、からなることを特徴とする請求項３または４記載の冷却器付きパワーモジュール用基板。 At least one of the metal layer and the cooler includes a base portion made of aluminum or an aluminum alloy, and a plating layer containing nickel formed on at least the joining surface side of the base portion. The power module substrate with a cooler according to claim 3 or 4, characterized by the above. セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面側に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面側に形成された金属層と、前記金属層に接合された冷却器と、とを有する冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記金属層および前記冷却器は、それぞれの接合面が銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金のうち少なくともいずれかを含む材料を用い、
前記金属層および前記冷却器のうち、少なくともいずれか一方の接合面に、金属粉末として銅及びニッケルの合計量が４５ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下、残部がスズおよび不可避不純物を含有するＣｕ−Ｓｎペーストを塗布するＣｕ−Ｓｎペースト塗布工程と、
前記金属層と前記冷却器とを互いに加圧しつつ加熱し、前記金属層と前記冷却器との間に、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下かつ、Ｃｕ６Ｓｎ５またはＣｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造を含む金属間化合物である（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層を形成する加熱工程と、
を備えたことを特徴とする冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法。 A ceramic substrate; a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate; a metal layer formed on the other surface of the ceramic substrate; and a cooler bonded to the metal layer. A method of manufacturing a power module substrate with a cooler,
The metal layer and the cooler use a material in which each joint surface includes at least one of copper, copper alloy, nickel, nickel alloy,
A Cu—Sn paste containing a total amount of copper and nickel as metal powder of 45 wt% or more and 60 wt% or less and the balance containing tin and inevitable impurities on at least one of the joining surfaces of the metal layer and the cooler. A Cu-Sn paste application process to be applied;
The metal layer and the cooler are heated while being pressed together, and the area ratio of Cu 3 Sn is 1.5% or less between the metal layer and the cooler, and Cu 6 Sn 5 or Cu 6 Sn. a heating step of partially forming a which is an intermetallic compound including substituted structures nickel (Cu, Ni) intermetallic compound layer mainly composed of 6 Sn 5 of copper out of 5,
The manufacturing method of the board | substrate for power modules with a cooler characterized by the above-mentioned. 前記Ｃｕ−Ｓｎペースト塗布工程における前記Ｃｕ−Ｓｎペーストの塗布量は、Ｃｕ成分が１５ｍｇ／ｃｍ２以上、１２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲となるよう塗布することを特徴とする請求項６記載の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法。 The coating amount of the Cu-Sn paste in the Cu-Sn paste coating step, Cu ingredient 15 mg / cm 2 or more, the cooling according to claim 6, wherein the coating so as to be 120 mg / cm 2 or less in the range Of manufacturing a power module substrate with a container.
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